イオン源

質量分析計EI/CIイオン源

イオン源は原子イオンや分子イオンを生成する装置である。[ 1 ]イオン源は質量分析計、発光分光計、粒子加速器、イオン注入装置、イオンエンジン用のイオンを生成するために使用される。

電子イオン化

電子イオン化源の概略図

電子イオン化は質量分析、特に有機分子の分析に広く利用されている。電子イオン化を引き起こす気相反応は

M+e−⟶M+∙+2e−{\displaystyle {\ce {M{}+e^{-}->M^{+\bullet }{}+2e^{-}}}}

ここで、M はイオン化される原子または分子、は電子、は結果として生じるイオンです。 e−{\displaystyle {\ce {e^-}}}M+∙{\displaystyle {\ce {M^{+\bullet }}}}

電子は、陰極と陽極の間のアーク放電によって生成される可能性があります。

電子ビームイオン源（EBIS）は原子物理学において、強力な電子ビームを原子に照射して高電荷イオンを生成するために使用されます。[ 2 ] [ 3 ]その動作原理は電子ビームイオントラップと共通しています。

電子捕獲イオン化

電子捕獲イオン化（ECI）は、気相の原子または分子に電子を付着させてA −•型のイオンを生成するイオン化反応である。この反応は

あ+e−→Mあ−{\displaystyle {\ce {A + e^- ->[M] A^-}}}

ここで、矢印の上の M は、エネルギーと運動量を保存するために3 番目の物体が必要であることを示します (反応の 分子数は 3 です)。

電子捕獲は化学イオン化と組み合わせて使用​​することができる。[ 4 ]

電子捕獲検出器は一部のガスクロマトグラフィーシステムで使用されている。[ 5 ]

化学イオン化

化学イオン化（CI）は、電子イオン化よりも低エネルギーのプロセスです。これは、電子の除去ではなくイオン/分子反応を伴うためです。[ 6 ] エネルギーが低いため、フラグメンテーションが少なく、通常はより単純なスペクトルが得られます。典型的なCIスペクトルでは、分子イオンが容易に識別できます。[ 7 ]

CI実験では、イオン源内で分析対象物質と試薬ガスのイオンが衝突することでイオンが生成されます。一般的な試薬ガスとしては、メタン、アンモニア、イソブタンなどが挙げられます。イオン源内では、試薬ガスは分析対象物質に比べて大過剰に存在します。イオン源に入射する電子は、試薬ガスを優先的にイオン化します。その結果、他の試薬ガス分子との衝突によりイオン化プラズマが生成されます。このプラズマとの反応により、分析対象物質の正イオンと負イオンが生成されます。例えば、プロトン化は次のように起こります 。

CH4+e−⟶CH4++2e−{\displaystyle {\ce {CH4 + e^- -> CH4+ + 2e^-}}}（一次イオン形成）、
CH4+CH4+⟶CH5++CH3{\displaystyle {\ce {CH4 + CH4+ -> CH5+ + CH3}}}（試薬イオン形成）、
M+CH5+⟶CH4+[M+H]+{\displaystyle {\ce {M + CH5+ -> CH4 + [M + H]+}}} （生成イオンの形成、例：プロトン化）。

電荷交換イオン化

電荷交換イオン化（電荷移動イオン化とも呼ばれる）は、イオンと原子または分子との間の気相反応であり、イオンの電荷が中性種に移動する。[ 8 ]

あ++B⟶あ+B+{\displaystyle {\ce {A+ + B -> A + B+}}}

化学イオン化

化学イオン化とは、気相の原子または分子と励起状態の原子または分子との反応によってイオンが形成されることである。[ 9 ] [ 10 ]化学イオン化は次のように表される。

G∗+M⟶G+M+∙+e−{\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+M->G{}+M^{+\bullet }{}+e^{-}}}}

ここで、G は励起状態の種（上付きのアスタリスクで示される）、M は電子を失ってイオン化されラジカルカチオンを形成する種（上付きの「プラスドット」で示される）です。

連想イオン化

結合イオン化は、2つの原子または分子が相互作用して単一の生成イオンを形成する気相反応です。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]相互作用する種の1つまたは両方が過剰な内部エネルギーを持つ場合があります。

例えば、

あ∗+B⟶AB+∙+e−{\displaystyle {\ce {A^{\ast }{}+B->AB^{+\bullet }{}+e^{-}}}}

ここで、過剰な内部エネルギーを持つ種 A (アスタリスクで示される) は B と相互作用してイオン AB +を形成します。

ペニングイオン化

ペニングイオン化は、中性原子または分子間の反応を伴う化学イオン化の一種である。[ 14 ] [ 15 ]このプロセスは、 1927年に初めて報告したオランダの物理学者フランス・ミシェル・ペニングにちなんで名付けられた。[ 16 ]ペニングイオン化は、気相励起状態原子または分子G *と標的分子Mとの反応を伴い、ラジカル分子カチオンM +、電子e -、および中性ガス分子Gの形成をもたらす。 [ 17 ]

G∗+M⟶G+M+∙+e−{\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+M->G{}+M^{+\bullet }{}+e^{-}}}}

ペニングイオン化は、対象分子のイオン化ポテンシャルが励起状態の原子または分子の内部エネルギーよりも低い場合に発生します。

連想ペニングイオン化は次のように進行する。

G∗+M⟶MG+∙+e−{\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+M->MG^{+\bullet }{}+e^{-}}}}

表面ペニングイオン化（オージェ脱励起とも呼ばれる）は、励起状態のガスとバルク表面Sとの相互作用を指し、その結果、

G∗+S⟶G+S+e−{\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+S->G{}+S{}+e^{-}}}}。

イオン付着

イオン付着イオン化は、反応衝突で陽イオンが分析対象分子に付着する 化学イオン化に似ています。

M+X++あ⟶MX++あ{\displaystyle {\ce {M + X+ + A -> MX+ + A}}}

ここでMは分析対象分子、X +は陽イオン、Aは反応しない衝突相手である。[ 18 ]

放射性イオン源では、例えば63 Niや241 Amなどの放射性物質の小片を用いてガスをイオン化します。これは、イオン化煙検知器やイオン移動度分光計などで利用されています。

ガス放電イオン源

NASAの次世代宇宙船推進システム

これらのイオン源はプラズマ源または放電を使用してイオンを生成します。

誘導結合プラズマ

イオンは誘導結合プラズマ内で生成されます。誘導結合プラズマとは、電磁誘導、つまり時間とともに変化する磁場によって生成される電流によってエネルギーが供給されるプラズマ源です。[ 19 ]

マイクロ波誘導プラズマ

マイクロ波誘導プラズマイオン源は、無電極ガス放電を励起して微量元素質量分析用のイオンを生成することができる。[ 20 ] [ 21 ]マイクロ波プラズマは、 GHz範囲の高周波電磁放射を持つ。これは無電極ガス放電を励起することができる。表面波持続モードで適用した場合、高プラズマ密度の大面積プラズマを生成するのに特に適している。表面波モードと共振器モードの両方である場合、高度な空間局在化を示すことができる。これにより、プラズマ生成場所と表面処理場所を空間的に分離することができる。このような分離は (適切なガスフロー方式と組み合わせて)、処理された基板から放出された粒子がガス相のプラズマ化学に及ぼす可能性のある悪影響を軽減するのに役立つ可能性がある。

ECRイオン源

ECRイオン源は、電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマをイオン化します。マイクロ波は、電子サイクロトロン共鳴に対応する周波数で、体積内に注入されます。この周波数は、体積内の領域に印加される磁場によって定義されます。この体積内には低圧ガスが封入されています。

グロー放電

真空チャンバー内で作動中の石英毛細管を備えたキャピラリートロン: 左側には抽出カソードまでのプラズマを伴う輝く毛細管があり、右側の背後には青みがかったイオンビームが輝いています。

イオンは電気グロー放電によって生成されます。グロー放電とは、低圧のガスに電流を流すことで形成されるプラズマです。これは、ガスを封入した真空チャンバー内で、2つの金属電極間に電圧を印加することで発生します。電圧が点弧電圧と呼ばれる一定の値を超えると、ガスはプラズマを形成します。

デュオプラズマトロンは、熱陰極または冷陰極から構成されるグロー放電イオン源の一種で、ガスをイオン化するために使用されるプラズマを生成します。[ 1 ] [ 22 ]正イオンまたは負イオンを生成できます。[ 23 ]二次イオン質量分析、イオンビームエッチング、高エネルギー物理学に使用されます。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

流れる余韻

フローイング・プラズマ・アフターグローでは、ヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスの流れの中でイオンが生成されます。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]下流で試薬を添加してイオン生成物を生成し、反応速度を調べます。フローイング・アフターグロー質量分析法は、有機化合物の微量ガス分析に用いられます。[ 30 ] [ 31 ]

スパークイオン化

電気スパークイオン化は、固体試料から気相イオンを生成するために使用されます。質量分析計と組み合わせた場合、この装置はスパークイオン化質量分析計またはスパークソース質量分析計（SSMS）と呼ばれます。[ 32 ]

クローズドドリフトイオン源は、環状空洞内の放射状磁場を用いて電子を閉じ込め、ガスをイオン化します。イオン注入や宇宙推進（ホール効果スラスタ）に用いられます。

光イオン化

光イオン化は、光子と原子または分子との相互作用によってイオンが形成されるイオン化プロセスです。 [ 33 ]

多光子イオン化

多光子イオン化 (MPI) では、イオン化閾値以下のエネルギーを持つ複数の光子が実際にエネルギーを結合して原子をイオン化することがあります。

共鳴増強多光子イオン化(REMPI) は、1 つ以上の光子がイオン化される原子または分子内で 共鳴する束縛結合遷移にアクセスする MPI の一種です。

大気圧光イオン化

大気圧光イオン化（APPI）は、通常は真空紫外線（VUV）ランプなどの光子源を用いて、単一光子イオン化プロセスによって分析対象物をイオン化します。他の大気圧イオン源と同様に、溶媒スプレーを比較的高温（400℃以上）に加熱し、高流量の窒素を噴霧して脱溶媒和させます。生成されたエアロゾルに紫外線を照射してイオンを生成します。大気圧レーザーイオン化は、紫外線レーザー光源を用いてMPI（単一光子イオン化）プロセスによって分析対象物をイオン化します。

脱離イオン化

電界脱離

電界脱離の概略図

電界脱離とは、カミソリの刃のような鋭利な表面を持つエミッター、あるいはより一般的には、微細な「ウィスカー」が形成されたフィラメントに高電位の電界を印加するイオン源を指します。[ 34 ] これにより非常に高い電界が発生し、分析対象物質の気体分子がイオン化されます。電界脱離によって生成される質量スペクトルは、フラグメンテーションがほとんどないか全くありません。主に分子ラジカルカチオンM +と、まれにプロトン化分子[M + H] +で構成されます。

粒子衝撃

高速原子爆撃

原子による粒子衝撃は高速原子衝撃（FAB）と呼ばれ、原子または分子イオンによる衝撃は二次イオン質量分析（SIMS）と呼ばれます。[ 35 ]核分裂片イオン化は、適切な核種（例えばカリホルニウム同位体252 Cf） の核分裂の結果として形成されたイオン性または中性原子を使用します。

FABでは、分析対象物質はマトリックスと呼ばれる不揮発性の化学保護環境と混合され、真空下で高エネルギー（4000～10,000電子ボルト）の原子ビームに照射されます。[ 36 ]原子は通常、アルゴンやキセノンなどの不活性ガスから生成されます。一般的なマトリックスには、グリセロール、チオグリセロール、3-ニトロベンジルアルコール（3-NBA）、18-クラウン-6エーテル、2-ニトロフェニルオクチルエーテル、スルホラン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミンなどがあります。この技術は、二次イオン質量分析法やプラズマ脱離質量分析法に似ています。

二次イオン化

二次イオン質量分析法（SIMS）は、試料表面を集束させた一次イオンビームでスパッタリングし、放出された二次イオンを収集・分析することで、固体表面および薄膜の組成を分析するために使用されます。これらの二次イオンの質量電荷比を質量分析計で測定することで、表面の1～2nmの深さまでの元素、同位体、または分子組成を決定します。

液体金属イオン源（LMIS）では、金属（典型的にはガリウム）を加熱して液体状態にし、キャピラリーまたはニードルの先端に供給します。次に、強い電界を印加することでテイラーコーンが形成されます。コーンの先端が鋭くなるにつれて電界が強くなり、最終的に電界蒸発によってイオンが生成されます。これらのイオン源は、特にイオン注入や集束イオンビーム装置に用いられます。

プラズマ脱離イオン化

プラズマ脱離飛行時間型質量分析計の模式図

プラズマ脱離イオン化質量分析法（PDMS）は、核分裂フラグメントイオン化とも呼ばれ、適切な核種（典型的にはカリホルニウム同位体252 Cf）の核分裂の結果として形成されたイオン性または中性原子を固体サンプルに衝突させることによって、固体サンプル中の物質のイオン化を達成する質量分析技術です。 [ 37 ] [ 38 ]

レーザー脱離イオン化

MALDIイオン源の図

マトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）は、ソフトイオン化法です。サンプルはマトリックス物質と混合されます。レーザーパルスを受けると、マトリックスはレーザーエネルギーを吸収し、この反応によって主にマトリックスが脱離し、イオン化（プロトンの付加）されると考えられています。分析対象分子も脱離します。その後、マトリックスは分析対象分子（例：タンパク質分子）にプロトンを移動させ、分析対象分子に電荷を付与すると考えられています。

表面支援レーザー脱離/イオン化

表面支援レーザー脱離イオン化（SALDI）は、質量分析法による生体分子の分析に用いられるソフトレーザー脱離法である。[ 39 ] [ 40 ]最初の実施形態では、グラファイトマトリックスが用いられた。[ 39 ]現在では、ナノ材料などの他の無機マトリックスを用いたレーザー脱離イオン化法は、SALDIの変種とみなされることが多い。従来のSALDIとDARTイオン源を用いたアンビエント質量分析法を組み合わせた「アンビエントSALDI」と呼ばれる関連法も実証されている。[ 41 ]

表面増強レーザー脱離/イオン化

表面増強レーザー脱離イオン化（SELDI）はMALDIの変種であり、分析対象化合物との生化学的親和性 を達成するように改変された標的を用いてタンパク質混合物の分析に用いられる。[ 42 ]

シリコン上の脱離イオン化

シリコン上の脱離イオン化（DIOS）とは、多孔質シリコン表面に堆積した試料のレーザー脱離イオン化を指す。[ 43 ]

スモーリー情報源

レーザー蒸発クラスター源は、レーザー脱離イオン化と超音速膨張の組み合わせを使用してイオンを生成します。[ 44 ]スモーリー源（またはスモーリークラスター源）[ 45 ]は、1980年代にライス大学のリチャード・スモーリーによって開発され、 1985年のフラーレンの発見の中心となりました。[ 46 ] [ 47 ]

エアロゾルイオン化

飛行時間型分析によるエアロゾル質量分析では、大気中から抽出されたマイクロメートルサイズの固体エアロゾル粒子が、飛行時間型イオン抽出装置の中心を通過する際に、正確にタイミングを合わせたレーザーパルスによって同時に脱着されイオン化されます。 [ 48 ] [ 49 ]

スプレーイオン化

大気圧化学イオン化源

スプレーイオン化法は、液体溶液からエアロゾル粒子を形成し、溶媒蒸発後に裸のイオンを形成する。[ 50 ]

溶媒支援イオン化（SAI）は、大気圧イオン化質量分析計の加熱された入口チューブに分析対象物を含む溶液を導入することで、荷電液滴を生成する方法である。エレクトロスプレーイオン化（ESI）と同様に、荷電液滴の脱溶媒和によって多重荷電の分析対象物イオンが生成される。揮発性および不揮発性化合物はSAIによって分析され、ESIに匹敵する感度を得るために高電圧は不要である。[ 51 ]溶融シリカチューブに接続されたゼロデッドボリュームフィッティングを介して高温の入口に入る溶液に電圧を印加すると、ESIに似た質量スペクトルが生成され、感度が向上する。[ 52 ]質量分析計の入口チューブがイオン源となる。

マトリックス支援イオン化

マトリックス支援イオン化（MAI）は、サンプル調製においてはMALDIと類似していますが、マトリックス化合物に含まれる分析対象分子を気相イオンに変換するためにレーザーは必要ありません。MAIでは、分析対象イオンはエレクトロスプレーイオン化に類似した荷電状態を持ちますが、溶媒ではなく固体マトリックスから得られます。電圧やレーザーは不要ですが、イメージングのための空間分解能を得るためにレーザーを使用することができます。マトリックス分析対象サンプルは質量分析計の真空中でイオン化され、大気圧入口から真空中に挿入することができます。2,5-ジヒドロキシ安息香酸などの揮発性の低いマトリックスでは、MAIで分析対象イオンを生成するために高温の入口チューブが必要ですが、3-ニトロベンゾニトリルなどの揮発性の高いマトリックスでは、熱、電圧、レーザーは必要ありません。マトリックス分析対象サンプルを大気圧イオン化質量分析計の入口開口部に導入するだけで、豊富なイオンが生成されます。この方法では、少なくともウシ血清アルブミン[66 kDa]と同じ大きさの化合物をイオン化することができます。[ 53 ]この方法では、質量分析計への入口をイオン源と考えることができます。

大気圧化学イオン化

大気圧化学イオン化法では、大気圧下で溶媒スプレーを使用します。[ 54 ]溶媒スプレーを比較的高温（400℃以上）に加熱し、高流量の窒素を噴霧します。エアロゾル雲全体をコロナ放電にさらすことでイオンが生成され、蒸発した溶媒が化学イオン化試薬ガスとして作用します。APCIはESIほど「ソフト」（フラグメンテーションが低い）なイオン化法ではありません。[ 55 ]なお、大気圧イオン化（API）はAPCIの同義語として使用しないでください。[ 56 ]

サーモスプレーイオン化

サーモスプレーイオン化は、質量分析における大気圧イオン化の一種である。イオンを液相から気相へ移動させて分析する。特に液体クロマトグラフィー質量分析において有用である。[ 57 ]

エレクトロスプレーイオン源

エレクトロスプレーイオン化

エレクトロスプレーイオン化では、液体が非常に小さく、荷電されており、通常は金属製の毛細管に押し込まれます。[ 58 ]この液体には、調査対象となる物質である分析対象物が大量の溶媒に溶解しており、この溶媒は通常、分析対象物よりはるかに揮発性が高いです。揮発性の酸、塩基、緩衝液も、この溶液に加えられることがよくあります。分析対象物は、溶液中では陰イオンまたは陽イオンの形で存在します。同種の電荷は反発するため、液体は毛細管から押し出され、直径約10μmの小さな液滴の霧であるエアロゾルを形成します。エアロゾルは、少なくとも部分的には、テイラーコーンの形成と、このコーンの先端からのジェット噴出を伴うプロセスによって生成されます。液体を霧状にし、液滴内の中性溶媒を蒸発させるために、窒素などの非荷電キャリアガスが使用されることがあります。溶媒が蒸発すると、分析対象分子は互いに接近して反発し合い、液滴を分解します。このプロセスは、荷電分子間のクーロン反発力によって駆動されるため、クーロン分裂と呼ばれます。このプロセスは、分析対象物から溶媒がなくなり裸のイオンになるまで繰り返されます。観測されるイオンは、プロトン（水素イオン）の追加によって生成され、[M + H] +と表記されるか、ナトリウムイオンなどの別の陽イオンの追加によって生成され、 [M + Na] +と表記されるか、プロトンの除去によって生成され、[M − H] −と表記されます。 [M + 2H] 2+などの多価イオンがよく観測されます。高分子の場合、異なる頻度で発生する多くの電荷状態が存在する可能性があり、たとえば 電荷は[M + 25H] 25+ほど大きくなることがあります。

プローブエレクトロスプレーイオン化

プローブエレクトロスプレーイオン化（PESI）はエレクトロスプレーの改良版であり、サンプル溶液を移送するための毛細管が、周期的に動く鋭い先端の固体針に置き換えられている。[ 59 ]

非接触大気圧イオン化

非接触型大気圧イオン化は、質量分析法による液体および固体試料の分析に用いられる技術である。[ 60 ]非接触型APIは、追加の電源（イオン源への電圧供給）、ガス供給、またはシリンジポンプなしで動作することができる。したがって、この技術は、大気圧下での質量分析による化合物の分析のための簡便な手段を提供する。

ソニックスプレーイオン化

ソニックスプレーイオン化は、メタノールと水の混合物などの液体溶液からイオンを生成する方法です。[ 61 ]空気圧ネブライザーを用いて溶液を超音速の微小液滴スプレーに変えます。溶媒が蒸発し、液滴上の統計的に不均衡な電荷分布が正味電荷をもたらし、完全な脱溶媒和によってイオンが形成されます。ソニックスプレーイオン化は、小さな有機分子や薬物の分析に使用され、キャピラリーに電界を印加して電荷密度を高め、タンパク質の多価イオンを生成することで、大きな分子の分析も可能です。[ 62 ]

ソニックスプレーイオン化は、薬物分析のために高性能液体クロマトグラフィーと組み合わせられてきた。 [ 63 ] [ 64 ]オリゴヌクレオチドはこの方法で研究されてきた。[ 65 ] [ 66 ] SSIは、脱離エレクトロスプレーイオン化[ 67 ]と同様の方法で周囲イオン化に使用されており、この方法で薄層クロマトグラフィーと組み合わせられてきた。 [ 68 ]

超音波支援スプレーイオン化

超音波支援スプレーイオン化（UASI）は上記の技術に似ていますが、超音波トランスデューサーを使用して材料の霧化とイオンの生成を実現します。[ 69 ] [ 70 ]

熱イオン化

熱イオン化（表面イオン化、接触イオン化とも呼ばれる）は、蒸発した中性原子を高温表面に噴霧し、そこから原子をイオンの形で再蒸発させる方法です。正イオンを生成するには、原子種のイオン化エネルギーが低く、表面の仕事関数が高いことが求められます。この技術は、イオン化エネルギーが低く蒸発しやすいアルカリ原子（Li、Na、K、Rb、Cs）に最も適しています。[ 71 ]

負イオンを生成するには、原子種は高い電子親和力を持ち、表面の仕事関数は低くなければなりません。この2番目のアプローチは、Cl、Br、I、Atなどのハロゲン原子に最も適しています。 [ 72 ]

周囲のイオン化

リアルタイム周囲イオン化イオン源による直接分析

アンビエントイオン化では、サンプルの準備や分離を行わずに質量分析計の外でイオンが形成される。[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]イオンは、荷電されたエレクトロスプレー液滴への抽出によって形成されるか、化学イオン化によって熱脱着およびイオン化されるか、質量分析計に入る前にレーザー脱着またはアブレーションされて後イオン化される。

固液抽出に基づくアンビエントイオン化では、荷電スプレーを用いて試料表面に液膜を形成する。[ 74 ] [ 76 ]表面上の分子は溶媒中に抽出される。一次液滴が表面に衝突することで二次液滴が生成され、これが質量分析計のイオン源となる。脱離エレクトロスプレーイオン化（DESI）では、荷電液滴が生成され、数ミリメートルから数センチメートル離れた固体試料に向けられる。荷電液滴は試料表面との相互作用によって試料を吸着し、高電荷イオンを形成する。このイオンは質量分析計に取り込まれる。[ 77 ]

プラズマベースのアンビエントイオン化は、流動ガス中の電気放電を利用して、準安定原子・分子および反応性イオンを生成します。試料からの揮発性種の脱離を促進するために、熱がしばしば用いられます。イオンは気相中の化学イオン化によって生成されます。リアルタイム直接分析（DART）源は、長寿命の電子励起または振電励起された中性原子・分子（または「準安定状態」）を含む乾燥ガス流（通常はヘリウムまたは窒素）に試料をさらすことで動作します。 励起状態は通常、DART源内でガスが流れるチャンバー内でグロー放電を発生させることによって生成されます。同様の方法である大気固体分析プローブ（ASAP）は、ESIまたはAPCIプローブからの加熱ガスを用いて、ESI/APCI源に挿入された融点管上に置かれた試料を気化させます。[ 78 ] イオン化はAPCIによって行われます。

レーザーベースの周囲イオン化は、パルスレーザーを使用してサンプルから物質を脱着またはアブレーションし、物質のプルームがエレクトロスプレーまたはプラズマと相互作用してイオンを生成する2段階プロセスです。エレクトロスプレー支援レーザー脱離/イオン化（ELDI）は、337 nmの紫外線レーザー[ 79 ]または3μmの赤外線レーザー[ 80 ]を使用して物質をエレクトロスプレー源に脱離させます。マトリックス支援レーザー脱離エレクトロスプレーイオン化（MALDESI）[ 81 ]は、多価イオンを生成するための大気圧イオン化源です。紫外線または赤外線レーザーを、対象の分析物とマトリックスを脱離させる中性分析物分子を含む固体または液体サンプルに照射します。この中性分析物分子は、エレクトロスプレーされた溶媒液滴との相互作用によってイオン化され、多価イオンを生成します。レーザーアブレーションエレクトロスプレーイオン化(LAESI) は、中赤外線 (mid-IR) レーザーからのレーザーアブレーションと二次エレクトロスプレーイオン化(ESI) プロセスを組み合わせた質量分析用の周囲イオン化法です。

アプリケーション

質量分析

質量分析計では、試料はイオン源でイオン化され、生成されたイオンは質量電荷比によって分離されます。イオンが検出され、結果は質量電荷比の関数として検出されたイオンの相対的な存在量のスペクトルとして表示されます。試料中の原子または分子は、既知の質量と同定された質量との相関関係、または特徴的なフラグメンテーションパターンに基づいて同定できます。

粒子加速器

アルゴンヌタンデム線形加速器システム（ATLAS）の表面電離源
フェルミ国立加速器研究所のコッククロフト・ウォルトン加速器前段で使用されるイオン源[ 82 ]

粒子加速器では、イオン源が装置の先頭部分で粒子ビームを生成します。粒子加速器用のイオン源を作成する技術は、生成する必要がある粒子の種類（電子、陽子、Hイオン、重イオン）に大きく依存します。

電子は電子銃によって生成されますが、電子銃にはさまざまな種類があります。

陽子は、デュオプラズマトロンやマグネトロンなどのプラズマベースの装置によって生成されます。

Hイオンは、マグネトロンまたはペニングイオン源によって生成されます。マグネトロンは、中央の円筒状の陰極とそれを取り囲む陽極で構成されています。放電電圧は通常150V以上、電流消費は約40Aです。約0.2 テスラの磁場が陰極軸と平行に作用します。水素ガスはパルスガスバルブによって導入されます。 セシウムは陰極の仕事関数を下げ、生成されるイオンの量を増やすためによく使用されます。大型のセシウムイオン源は、核融合装置の プラズマ加熱にも使用されます。

ペニングソースでは、シースの電界と平行な強力な磁場が、サイクロトロンスパイラル上の電子とイオンを陰極から陰極へと誘導します。高速のHマイナスイオンは、マグネトロンと同様に陰極で生成されます。これらのイオンは、プラズマ開口部へ向かう際に電荷交換反応によって減速されます。これにより、マグネトロンから得られるイオンよりも低温のイオンビームが生成されます。

重イオンは、電子サイクロトロン共鳴イオン源で生成できます。過去 10 年間で、高電荷イオンの強力なビームを生成するための電子サイクロトロン共鳴 (ECR) イオン源の使用が大幅に増加しました。ECR イオン源は、原子核物理学および素粒子物理学において、線形加速器、ファンデグラフ発生器、またはサイクロトロンへの入射器として使用されます。原子物理学および表面物理学では、ECR イオン源は、衝突実験または表面の調査のために高電荷イオンの強力なビームを供給します。ただし、最も高い電荷状態には、電子ビームイオン源(EBIS) が必要です。EBIS は、中重元素の裸のイオンさえも生成できます。同じ原理に基づく電子ビームイオントラップ(EBIT) は、裸のウランイオンまで生成でき、イオン源としても使用できます。

重イオンはイオン銃 によっても生成できます。イオン銃は、通常、電子の熱イオン放出を利用して気体状態の物質をイオン化します。このような装置は、主に表面分析に使用されます。

質量分離器付きイオンビーム蒸着システム

ガスはイオン源の陽極と陰極の間を流れ、陽極に正電圧が印加されます。この電圧と、内部陰極と外部陰極の先端間の高磁場が組み合わさることでプラズマが生成されます。プラズマから発生したイオンは陽極の電界によって反発され、イオンビームが生成されます。[ 83 ]

表面改質

参照

参考文献

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