イオン移動度分光法

米国パシフィック・ノースウェスト国立研究所のIMSチップ：この10セント硬貨ほどの大きさのチップには、イオンが（視野の平面に垂直に）移動して分離・識別される数十のチャネルが備わっています。

イオン移動度分光法（IMS）は、キャリアバッファガス中の分子の移動度に基づいて、気相中に存在するイオン化分子を分離・同定する分析研究手法です。薬物や爆発物の検出など、軍事または安全保障上の目的で広く使用されていますが、この技術は、大小さまざまな生体分子の研究を含む実験室分析にも多くの用途があります。[ 1 ] IMS機器は、非常に感度の高いスタンドアロンデバイスですが、多次元分離を実現するために、質量分析法（MS）、ガスクロマトグラフィー、または高速液体クロマトグラフィー（HPLC）と組み合わせられることがよくあります。IMS機器は、特定の用途に応じて数ミリメートルから数メートルまでさまざまなサイズがあり、幅広い条件下で動作できます。マイクロスケール高電場非対称波形イオン移動度分光法などのIMS機器は、手のひらに収まるサイズで、揮発性有機化合物（VOC）モニタリング、生物学的サンプル分析、医療診断、食品品質モニタリングなど、さまざまな用途に使用できます。[ 2 ]高圧（すなわち大気圧、1気圧または1013 hPa）で動作するシステムは、しばしば高温（100℃以上）を伴いますが、低圧システム（1～20 hPa）では加熱は必要ありません。

歴史

IMSは、1950年代から1960年代にかけて、ジョージア工科大学のアール・W・マクダニエル氏によって主に開発されました。当時マクダニエル氏は、低電界を印加したドリフトセルを用いて、気相イオンの移動度と反応を研究していました。 [ 3 ]その後数十年にわたり、マクダニエル氏は当時開発に取り組んでいた技術を磁気セクター型質量分析計に統合しました。この間、他の人々もマクダニエル氏の技術を斬新かつ独創的な方法で利用しました。それ以来、IMSセルは、質量分析計、ガスクロマトグラフ、高性能液体クロマトグラフィー装置の様々な構成に組み込まれています。IMSは多様な状況で使用される手法であり、その機能に加え、サポートできるアプリケーションの幅も継続的に拡大しています。

アプリケーション

イオン移動度分光法の最大の強みは、おそらく分離が起こる速度（通常は数十ミリ秒単位）です。この特徴と使いやすさ、比較的高い感度、非常にコンパクトな設計が組み合わさって、IMSは商用製品として、爆発物、麻薬、化学兵器の現場検出用の日常的なツールとして使用できます。空港で使用されているIMSスクリーニング装置の主要メーカーは、MorphoとSmiths Detectionです。Smithsは2017年にMorpho Detectionを買収し、その後、Trace事業の所有権を法的に売却する必要がありました（SmithsはTrace Productsを所有しています）[ 4 ]。これは2017年半ばにRapiscan Systemsに売却されました。製品はETD Itemisersに掲載されています。最新モデルは非放射線4DXです。

製薬業界では、IMSは洗浄バリデーションに使用され、反応容器が次のバッチの医薬品製造に十分な洗浄度であることを証明します。IMSは、従来使用されていたHPLCや全有機炭素法よりもはるかに高速かつ正確です。IMSは製造された医薬品の組成分析にも使用され、品質保証と管理において重要な役割を果たしています。[ 5 ]

研究ツールとして、イオン移動度は生物学的材料、特にプロテオミクス、メタボロミクスおよびグライコミクスの分析のためのより広く使用される技術になりつつある。例えば、プロテオミクスでは、イオン化法としてマトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）を用いるIMS-MSが、分析においてタンパク質片をより高速に高解像度で分離することに役立っている。[ 6 ]イオン移動度によって得られる重要な情報は衝突断面積（CCS）である。これらは分子の回転平均2D投影であり、全体的な形状に関する知見を提供する。プロテオミクスでは、衝突誘起解離（CID）実験により、タンパク質および多タンパク質複合体の安定性に関する知見を得るためにこれらを使用することができる。一方、メタボロミクスとグライコミクスでは、CCSを質量分析法（MS）と組み合わせることで、同じ化合物の異性体を分離するために使用することができる。 [ 7 ]このように、グリカンとそのフラグメントのCCS値をデータベースに追加することで、構造同定の信頼性と精度が向上します。[ 8 ]経験的な決定に加えて、分子の3D構造が既知であれば、CCS値を計算的に計算することも可能です。現在のCCSアルゴリズムはミリ秒単位の計算時間を可能にするため、AlphaFoldや分子動力学シミュレーションと組み合わせることで非常に強力になります。[ 9 ]

実験室用途以外では、IMSは有害物質の検出ツールとして広く利用されています。世界中の空港では1万台以上のIMS装置が使用されており、米軍は5万台以上のIMS装置を保有しています。[ 10 ] [ 11 ]産業分野では、IMSは装置の清浄度チェックや、プロセスからの排ガス中の塩酸やフッ化水素酸の量の測定など、排出物の検出に使用されています。[ 12 ]また、産業用途では、大気中の有害物質の検出にも応用されています。[ 13 ]

メタボロミクスでは、IMS は肺がん、慢性閉塞性肺疾患、サルコイドーシス、肺移植後の拒絶反応の可能性、肺内の細菌との関係（呼気ガス分析を参照）を検出するために使用されます。

イオン移動度

物理量イオン移動度Kは、ガス中のイオンのドリフト速度v dと電界強度Eとの間の比例係数として定義されます。 vd＝KE。{\displaystyle v_{\text{d}}=KE.}

n 0標準ガス密度を考慮して必要な調整を行った後、イオン移動度はしばしば「減少した移動度」として表されます。この数値は、標準温度T 0 = 273 K、標準圧力p 0 = 1013 hPa として表すこともできます。これらは両方とも下の表に記載されています。イオン移動度を表す際に、イオン濃度という用語が使用されることがあります。そのため、イオン移動度の低下は依然として温度に依存しますが、この調整ではガス密度の減少以外の影響は考慮されていません。 K0＝Knn0＝KT0Tpp0。{\displaystyle K_{0}=K{\frac {n}{n_{0}}}=K{\frac {T_{0}}{T}}{\frac {p}{p_{0}}}.}}

イオン移動度Kは、さまざまな仮定の下で、メイソン・シャンプの式で計算できます。 ここで、 Qはイオンの電荷、nはドリフトガスの数密度、μはイオンとドリフトガス分子の換算質量、 kはボルツマン定数、Tはドリフトガスの温度、σはイオンとドリフトガス分子の衝突断面積です。ドリフトガスの数密度にはnの代わりにN が使用され、イオンと中性粒子の衝突断面積にはσ の代わりに Ω が使用されることがよくあります。この関係は、 E / Nの比が小さく、したがってイオンの熱エネルギーが衝突間の電場から得られるエネルギーよりもはるかに大きい低電場限界でほぼ成立します。これらのイオンがバッファガス分子と同様のエネルギーを持っているため、この場合は拡散力がイオンの動きを支配します。E / Nの比は通常、タウンゼント(Td)で示され、低電場条件と高電場条件間の遷移は通常、2 Td から 10 Td の間で発生すると推定されます。[ 14 ]低電界条件がなくなると、イオン移動度自体は電界強度の関数となり、これは通常、いわゆるアルファ関数によって経験的に説明されます。 K＝3162πμけT質問nσ、{\displaystyle K={\frac {3}{16}}{\sqrt {\frac {2\pi }{\mu kT}}}{\frac {Q}{n\sigma }},}K（E北）＝K（0）[1+α（E北）]＝K（0）[1+α2[E北]2+α4[E北]4+…]。{\displaystyle K\left({\frac {E}{N}}\right)=K(0)\left[1+\alpha \left({\frac {E}{N}}\right)\right]=K(0)\left[1+\alpha _{2}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{2}+\alpha _{4}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{4}+\dots \right].}

イオン化

サンプルの分子は、通常、コロナ放電、大気圧光イオン化（ APPI）、エレクトロスプレーイオン化（ESI）、または放射性大気圧化学イオン化（R-APCI）源（例えば、イオン化煙検知器で使用されるものと同様の63 Niまたは241 Amの小片）によってイオン化される必要があります。[ 15 ] ESIおよびMALDI技術は、IMSを質量分析と組み合わせる場合によく使用されます。

イオン化の選択性を高めるために、ドリフトガスにドーピング物質が添加されることがあります。例えば、化学兵器の検出にはアセトン、爆発物の検出には塩素系溶剤、薬物の検出にはニコチンアミドなどが添加されます。[ 16 ]

アナライザー

イオン移動度分光計は様々な原理に基づいており、用途に応じて最適化されています。2014年のレビューでは、8つの異なるイオン移動度分光計の概念が列挙されています。[ 17 ]

ドリフトチューブイオン移動度分光法

ドリフトチューブイオン移動度分光法（DTIMS）は、与えられたイオンが、与えられた大気中を均一な電界の中で、与えられた長さを移動するのにかかる時間を測定します。指定された間隔で、イオンのサンプルがドリフト領域に導入されます。ゲート機構は、三極管の制御グリッドが電子に対して働くのと同様に動作する帯電電極に基づいています。ドリフトチューブに導入されるイオンパルス幅を正確に制御するために、ブラッドベリー・ニールセンゲートや電界スイッチングシャッターなどのより複雑なゲートシステムが用いられます。ドリフトチューブに入ったイオンは、数ボルト/センチメートルから数百ボルト/センチメートルの範囲の均一な電界にさらされます。この電界はイオンをドリフトチューブ内を移動させ、システム内に含まれる中性ドリフト分子と相互作用させ、イオン移動度に基づいて分離し、測定のために検出器に到達します。イオンは、最も速いものから最も遅いものの順に検出器に記録され、測定対象サンプルの化学組成に特徴的な応答信号を生成します。

イオン移動度K は、均一な電界内をドリフト長Lにおける電位差Uで移動するイオンのドリフト時間t Dから実験的に決定できます。

K＝L2tDあなた{\displaystyle K={\frac {L^{2}}{t_{\text{D}}U}}}

ドリフトチューブの分解能R Pは、拡散がピーク広がりの唯一の要因であると仮定すると、次のように計算できる。

RP＝tDΔtD＝LE質問16けTln⁡2{\displaystyle R_{\text{P}}={\frac {t_{\text{D}}}{\Delta t_{\text{D}}}}={\sqrt {\frac {LEQ}{16kT\ln 2}}}}

ここで、t Dはイオンのドリフト時間、Δ t Dは最大値の半値幅、Lはチューブの長さ、Eは電界強度、Qはイオンの電荷、kはボルツマン定数、Tはドリフトガスの温度です。大気圧法は、イオンと分子の相互作用率が高いため、より高い分解能と分離選択性が得られ、通常、スタンドアロンデバイスのほか、ガス、液体、超臨界流体クロマトグラフィーの検出器にも使用されます。上記のように、分解能はイオンが通過する全電圧降下に依存します。長さ 15 cm の大気圧ドリフトチューブで 25 kV のドリフト電圧を使用すると、小さな単価イオンでも 250 を超える分解能が達成できます。[ 18 ]これは、換算質量μの違いに基づいていくつかの同位体分子を分離するのに十分です。[ 19 ]

低圧ドリフトチューブ

減圧ドリフトチューブは大気圧ドリフトチューブと同じ原理で動作しますが、ドリフトガス圧力はわずか数torrです。イオンと中性粒子の相互作用が大幅に減少するため、同じ分解能を得るには、はるかに長いドリフトチューブやはるかに高速なイオンシャッターが必要になります。しかし、減圧動作にはいくつかの利点があります。第一に、IMSと質量分析計のインターフェースが容易になります。[ 3 ]第二に、低圧ではイオンをイオントラップから注入するために貯蔵し、 [ 20 ]分離中および分離後に放射状に再収束させることができます。第三に、高いE / N値を達成できるため、広範囲にわたってK（E / N ）を直接測定できます。 [ 21 ]

進行波

ドリフト電場は通常均一ですが、非均一なドリフト電場も使用できます。一例として、進行波型イオン質量分析計（IMS）[ 22 ]が挙げられます。これは低圧ドリフトチューブIMSで、電場はドリフトチューブの小さな領域にのみ印加されます。この領域はドリフトチューブに沿って移動し、イオンを検出器に向かって押し出す波を発生させるため、高いドリフト電圧を必要としません。TWIMSでは衝突断面積（CCS）を直接測定することはできません。キャリブレーションはこの大きな欠点を回避するのに役立ちますが、キャリブレーションは分析対象物のサイズ、電荷、化学クラスに適合させる必要があります。[ 23 ]特に注目すべき変種は「SUPER」IMS [ 24 ]で、いわゆるSLIM（ロスレスイオンマニピュレーション構造）によるイオントラッピングと、同じドリフト領域を複数回通過させることを組み合わせることで、極めて高い分解能を実現します。

トラップイオン移動度分光法

トラップイオン移動度分析法（TIMS）では、イオンは軸方向の電界勾配（EFG）プロファイルによって流動する緩衝ガス中に固定（またはトラップ）され、同時に高周波（RF）電位を印加することで径方向にトラッピングされます。[ 25 ] TIMSは2～5 hPaの圧力範囲で動作し、現代の質量分析計のイオン源領域にあるイオンファンネルに代わるものです。ビーム型質量分析計の標準動作モード、またはトラッピング質量分析計（MS）と組み合わせる場合は選択蓄積モード（SA-TIMS）のいずれかを介して、ほぼすべての質量分析計と組み合わせることができます。

事実上、ドリフトセルはガス流によって生じるイオン運動によって延長される。[ 26 ]そのため、TIMS装置は高分解能を得るために大型化や高電圧を必要とせず、例えば分離時間を延長することで4.7 cmの装置で250以上の分解能を達成することができる。[ 27 ]しかし、分解能はイオン移動度に大きく依存し、移動度の高いイオンでは分解能は低下する。さらに、TIMSはイオン経路にグリッドやシャッターが存在しないため、他のイオンモビリティシステムよりも高い感度を実現でき、イオンモビリティ実験中および透過型MSのみのモードで動作しているときの両方でイオン透過率が向上する。

高電場非対称波形イオン移動度分光法

DMS（微分移動度分光計）またはFAIMS（非対称電界イオン移動度分光計）は、高電界下におけるイオン移動度Kの電界強度Eへの依存性を利用します。イオンはドリフトガス流によって装置内を輸送され、異なる時間、直交方向に異なる電界強度にさらされます。イオンは移動度の変化に基づいて分析装置の壁に向かって偏向されます。これにより、特定の移動度依存性を持つイオンのみが、このようにして形成されたフィルターを通過することができます。

差動移動度分析装置

吸引IMSセンサーの例。

微分型移動度分析装置( DMA )は、電界に対して垂直な高速ガス流を使用します。これにより、移動度の異なるイオンは異なる軌道をたどります。このタイプの IMS は、質量分析法のセクター機器に相当します。また、スキャン可能なフィルターとしても機能します。例として、VarianがCP-4900 MicroGC で初めて商品化した微分型移動度検出器があります。吸引 IMS は、サンプル空気の開ループ循環で動作します。サンプル流はイオン化室を通過し、次に測定領域に入り、そこでイオンは静的または変化する垂直電界によって 1 つまたは複数の測​​定電極に偏向されます。センサーの出力はイオン移動度分布の特性であり、検出および識別の目的で使用できます。

エアロゾル分離のための微分移動度分析装置の動作原理

DMAは、電界内での移動度に応じて荷電エアロゾル粒子またはイオンを分離してから検出することができ、これは電位計やより高度な質量分析計などのいくつかの手段で行うことができます。[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

漂流ガス

ドリフトガス組成は、イオンモビリティ質量分析計（IMS）装置の設計と分解能にとって重要なパラメータです。多くの場合、ドリフトガス組成を変えることで、本来であれば重なり合うピークを分離することが可能になります。[ 31 ]ガス温度を高くすると、実験結果を歪める可能性のあるイオンクラスターを除去するのに役立ちます。[ 32 ] [ 33 ]

検出器

検出器は多くの場合、トランスインピーダンス増幅器に接続された単純なファラデープレートですが、より高度なイオンモビリティ機器は質量分析計と接続され、サイズと質量の両方の情報を同時に取得します。検出器がイオンモビリティ実験の最適な動作条件に影響を与えることは注目に値します。[ 34 ]

複合的な方法

IMS は他の分離技術と組み合わせることができます。

ガスクロマトグラフィー

IMS をガスクロマトグラフィーと組み合わせる場合、一般的なサンプル導入は GC キャピラリーカラムを IMS セットアップに直接接続して行い、分子は GC から溶出するとイオン化されます。[ 16 ]同様の技術がHPLCでも一般的に使用されています。キャピラリーガスクロマトグラフィー後の検出器としてコロナ放電イオン化イオン移動度分光法 (CD-IMS) の新しい設計が 2012 年に開発されました。この設計では、コロナ放電の生成に中空の針が使用され、溶出液はコロナ源の上流側のイオン化領域に導入されます。キャピラリーを IMS セルに結合するという実用的な利便性に加えて、この直接的な軸方向のインターフェースによって、より効率的なイオン化が可能になり、感度が向上します。

GCと併用される場合、微分型電気移動度分析装置は、しばしば微分型電気移動度検出器（DMD）と呼ばれます。[ 35 ] DMDは、多くの場合、微小電気機械システム（MEMS）の一種であり、無線周波数変調イオン移動度分光法（MEMS RF-IMS）デバイスです。[ 36 ]小型ですが、可搬型ガスクロマトグラフや薬物/爆発物センサーなどのポータブル機器に搭載できます。例えば、バリアンはCP-4900 DMD MicroGCに、サーモフィッシャーは輸送やその他のセキュリティ用途における麻薬や爆発物の検出を目的としたEGIS DefenderシステムにDMDを搭載しています。

液体クロマトグラフィー

LCとMSと組み合わせることで、IMSは生体分子の分析に広く使用されるようになりました。この手法は、現在インディアナ大学（ブルーミントン）に在籍しているDavid E. Clemmerによって大きく発展しました。[ 37 ]

質量分析

IMSを質量分析法と併用すると、イオン移動度分析法-質量分析法は、信号対雑音比の向上、異性体分離、電荷状態の識別など、多くの利点をもたらします。[ 3 ] [ 38 ] IMSは、四重極型、飛行時間型、フーリエ変換サイクロトロン共鳴型など、いくつかの質量分析装置に一般的に取り付けられています。

専用ソフトウェア

イオンモビリティ質量分析法は、ごく最近普及した気相イオン分析技術である。そのため、機器に付属するソフトウェアパッケージを除けば、イオンモビリティ質量分析データの表示や解析を行うためのソフトウェアはそれほど多くない。ProteoWizard [ 39 ]、OpenMS [ 40 ] 、 msXpertSuite [ 41 ]は OpenSourceInitiative の定義によればフリーソフトウェアである。ProteoWizard と OpenMS にはスペクトルを精査する機能があるが、これらのソフトウェアパッケージには組み合わせ機能は用意されていない。対照的に、msXpertSuite は、保持時間、m/z 範囲、ドリフト時間範囲など、さまざまな基準に従ってスペクトルを組み合わせる機能を備えている。したがって、msXpertSuite は質量分析計に通常バンドルされているソフトウェアをより忠実に模倣している。

参照

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参考文献

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