大気圧光イオン化
ソフトイオン化法
大気圧光イオン化室

大気圧光イオン化( APPI ) は、通常液体クロマトグラフィー(LC) と組み合わせて質量分析(MS)で使用されるソフトイオン化法です。分子は、大気圧 (10 5 Pa)で動作する真空紫外 (VUV) 光源を使用して、直接吸収とそれに続く電子放出によって、またはドーパント分子のイオン化によるターゲット分子の化学イオン化によってイオン化されます。サンプルは通常、噴霧と加熱によって蒸発する溶媒スプレーです。APPI の利点は、広い範囲の極性にわたって分子をイオン化し、エレクトロスプレーイオン化( ESI) や大気圧化学イオン化 (APCI) などの他の一般的なイオン化方法があまり適していない低極性分子のイオン化に特に役立つことです。また、ESI や APCI に比べてイオン抑制やマトリックス効果の影響を受けにくく、通常、線形ダイナミック レンジが広くなります。 APPIとLC/MSの応用は、石油化合物、農薬、ステロイド、極性官能基を持たない薬物代謝物の分析に一般的に使用されており、特にセキュリティアプリケーションにおける爆発物検出のための周囲イオン化に広く展開されています。[1] [2]

機器構成

この図は、APPI源の主要構成要素を示しています。350 ～500℃まで加熱可能なネブライザープローブ、 VUV光子源を備えたイオン化領域、そしてイオンをMS分析装置に導入する中圧イオン移動領域です。HPLCから送られた溶液中の分析対象物質は、μL/分からmL/分の範囲の流量でネブライザーに流入します。液体流はネブライザーと加熱によって気化されます。気化したサンプルはVUV源の照射領域に入ります。サンプルイオンは、減少する圧力勾配と電界の組み合わせによって、MSインターフェース領域（多くの場合、キャピラリー）に入ります。

APPIは、APCIと組み合わせて使用​​されることが一般的ですが、ESIと組み合わせて使用​​されることもよくあるデュアルイオン化源として商業的に開発されています。[3]

イオン化メカニズム

真空条件下では光イオン化のメカニズムは単純化されます。分析対象分子による光子吸収により電子が放出され、分子ラジカルカチオン M •+が形成されます。このプロセスはGC/MS で一般的な電子イオン化と似ていますが、イオン化プロセスがソフト、つまりフラグメンテーションが少ない点が異なります。LC/MS システムの大気圧領域では、イオン化のメカニズムはより複雑になります。イオンの予測不可能な運命は一般に LC/MS 分析に悪影響を及ぼしますが、ほとんどのプロセスと同様に、これらの特性をより深く理解すれば、パフォーマンスを向上させるために利用できます。たとえば、APPI におけるドーパントの役割は、最初にイオン移動度分光法 (IMS) の大気圧イオン源用に開発され特許を取得しましたが、[4] [5]は LC/MS の APPI に採用されました。基本的な APPI のメカニズムは、次の図でまとめることができます。

直接陽イオンAPPI

M + hν → M •+ + e − 分析対象分子Mは分子ラジカルイオンM •+にイオン化されます。このラジカルカチオンは、豊富な溶媒からH原子を引き抜いて[M+H] +を形成します。
M •+ + S → [M + H] + + S[-H] • 溶媒からの水素抽出

ドーパントまたは溶媒支援陽イオンAPPI

D + hν → D •+ + e − 光イオン化可能なドーパントまたは溶媒Dを高濃度で投与すると、多数のD・+イオンが発生します。光イオン化可能な溶媒分子も同様の効果をもたらします。
D •+ + M → → [M+H] + + D[-H] • · D •+はプロトン移動によって分析対象物質Mをイオン化する
D •+ + M → → M •+ + D D •+は電子移動によって分析対象物質Mをイオン化する

光イオン化の基本過程は、分子による高エネルギー光子の吸収とそれに続く電子の放出である。直接APPIでは、この過程が分析対象分子で起こり、分子ラジカルカチオンM •+が形成される。分析対象ラジカルカチオンはM •+として検出されるか、周囲の分子と反応して別のイオンとして検出される。最も一般的な反応は、豊富な溶媒から水素原子を引き抜いて安定な[M+H] +カチオンを形成する反応であり、通常、このイオンが観測される。[6]

ドーパントAPPI（または光イオン化誘起APCI）では、サンプルストリームに一定量の光イオン化分子（例：トルエンまたはアセトン）を導入し、電荷キャリア源を生成します。光イオン化溶媒を使用することでも同じ効果が得られます。ドーパントまたは溶媒イオンは、プロトン移動または電荷交換反応を介して中性分析対象分子と反応します。上の表はドーパントプロセスを簡略化したものです。実際には、分析対象がイオン化される前に、ドーパントと溶媒の間で広範なイオン-分子化学反応が起こる可能性があります。APPIは、ドーパントまたは溶媒のイオン化によって大量の熱電子を生成するか、イオン化源内の金属表面に光子が衝突することで、負イオンを生成することもできます。M −または解離性負イオン [MX] −につながる一連の反応には、多くの場合、電子電荷キャリアとしてO 2が関与しています。[7]負イオン化メカニズムの例には以下が含まれます。

直接またはドーパント補助陰イオンAPPI

M + O 2 ·− → [M − H] − + HO 2 · スーパーオキシドO 2 •−による脱プロトン化
M + e –   → M –   電子捕獲
M + O 2 ·− → M − + O 2

M + O 2 •− → (M − X) − + X • + O 2

M + O 2 •− → (M − X + O) − + OX •   ただし、X = H、Cl、Br、またはNO 2

電子移動

解離性電子移動

解離性電子捕獲と置換

M + X –   → [M + X] –        

ここで、X = Br、Cl、またはOAc

陰イオン付着

歴史

光イオン化は質量分析実験において長い歴史を持つが、主に研究目的であり、高感度分析用途には用いられていない。パルスレーザーは、非共鳴多光子イオン化（MPI）[8] 、波長可変共鳴増強多光子イオン化（REMPI）[9]、非線形媒体（通常はガスセル）における和周波発生を用いた単一光子イオン化[10] [11]に用いられてきた。レーザー以外の光イオン化源としては、放電ランプやシンクロトロン放射[12]が挙げられる。前者はスペクトル輝度が低く、後者は「施設規模」が大きいため、高感度分析用途には適していなかった。一方、光イオン化は長年にわたりGC検出やイオン移動度分光法のイオン源として利用されており、質量分析への応用の可能性を示唆している。[13]

LC/MS用APPIの最初の開発は、Robb、Covey、Bruins [14]とSyage、Evans、Hanoldによって2000年に報告されました[15]。APPI源はその後まもなくSyagen Technologyによって商品化され、ほとんどの市販MSシステムとSciexのMS機器シリーズで利用できるようになりました。APPIの開発と同時期に、Syageらは低圧光イオン化（LPPI）用のVUV源を同様に使用しました。これは大気圧の気相サンプルを受け入れますが、イオン化圧力を約1 torr（約100 Pa）まで下げ、さらに圧力を下げてMS分析装置に導入します。この光イオン化法は、ガスクロマトグラフィー（GC）とMSのインターフェースとして非常に適しています[16] [17] 。

利点

APPI は LC/MS に最も多く使用されていますが、最近ではイオン移動度分光法を使用したセキュリティ アプリケーションでの爆発物や麻薬化合物の検出など、周囲環境でのアプリケーションにも広く使用されています。より一般的に使用されている先行イオン化源 ESI および APCI と比較して、APPI はより広範囲の化合物をイオン化し、スケールの非極性側に向かうにつれて利点が増します。また、イオン抑制とマトリックス効果に対する感受性が比較的低いため、APPI は複雑なマトリックス中の化合物の定量的検出に非常に効果的です。APPI には、左の図の例でわかるように、ESI よりも広い直線範囲とダイナミック レンジなど、他の利点もあります。[18]また、右の図に示すように、バックグラウンド イオン信号が減少し、一般に APCI よりも選択性が高くなっています。この後者の例でも、HPLC 条件が n-ヘキサン溶媒を使用した非極性順相であったという点で、ESI に対する APPI の利点が強調されています。 ESIには極性溶媒が必要であり、さらにヘキサンは高電圧を使用するESIおよびAPCIにおいて発火の危険性を及ぼす可能性があります。APPIは、多くの溶媒が光イオン化可能でありドーパントイオンとして機能するため、通常相条件下で良好に機能し、エナンチオマーの分離などの特殊な用途を可能にします（右図）。[19]

HPLC流量範囲への適用性に関して、APPIによる分析対象物質の信号レベルは、溶媒流量が高い場合（200 μL/分以上）には飽和し、さらには減衰することが観察されているため、ESIやAPCIよりもAPPIの方がはるかに低い流量が推奨されます。これは、溶媒分子の密度が増加すると光子が吸収されるためだと示唆されています。[20] [21]しかし、このことはAPPIを非常に低い流量（例えば1 μL/分領域）まで拡張できるという利点をもたらし、キャピラリーLCやキャピラリー電気泳動との併用を可能にします。[22]

応用

APPIとLC/MSの併用は、石油、[23]多原子炭化水素、[24]農薬、[25]ステロイド、[26]脂質、[27]極性官能基を持たない薬物代謝物などの低極性化合物の分析によく使用されます。[28]優れたレビュー記事は参考文献に記載されています。[2] [29]

APPI は周囲イオン化アプリケーションにも効果的に適用されており、いくつかの実用的な構成に適しています。脱着 APPI (DAPPI) と呼ばれる構成の 1 つが Haapala らによって開発され、ここの図に示されています。このデバイスは、さまざまな固相中の乱用薬物、尿中の薬物代謝物とステロイド、植物材料内の農薬などの分析に使用されています。[29] [30] APPI は DART (リアルタイム直接分析) ソースにもインターフェイスされており、ステロイドや農薬などの非極性化合物の場合、N2 フローで信号を最大 1 桁増強できることが示されています。これは、He を使用するよりも大幅に安価で簡単に生成できるため、DART に適しています。市販の APPI ソースは、液体または固体サンプルをネブライザーに送って気化およびイオン化できる挿入可能なサンプリング プローブを受け入れるようにも改造されています。この構成は、APCIを用いた大気圧固体分析プローブ（ASAP）に類似しており、APPI-ASAPと呼ばれています。APPI-ASAPとAPCI-ASAPを比較した場合の利点は、LC/MSで見られる利点と同様で、低極性化合物に対する感度が高く、複雑なマトリックス中のサンプルに対するバックグラウンド信号が少ないという点です。[31]大気イオン化はここ数十年で復活を遂げましたが、セキュリティ業界では長年使用されてきました。例えば、空港でのスワブ検出などです。スワブは表面から凝縮相物質を収集し、その後、熱脱着装置とイオン化装置に挿入されます。イオン検出器は、ほとんどの場合イオン移動度分光計（IMS）ですが、後にMS分析装置に置き換えられることもあります。空港などのセキュリティ施設で使用されているスワブ-APPI-IMSシステムの写真を左の図に示します。

実際、セキュリティ用途の爆発物および麻薬検出用に設計されたスワブ-APPI-MSシステムは、サンプリングワンドとスワブを用いたあらゆる種類の環境分析において非常に優れた性能を発揮します（右図）。特定のデモンストレーション（未発表）では、様々な果物や野菜に含まれる農薬化合物の検出において優れた感度と特異性を示し、37種類の優先農薬の検出限界は0.02～3.0 ngと安全限界を大きく下回りました。[32]

参照

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