エレクトロスプレーイオン化
エレクトロスプレー（ナノスプレー）イオン化源

エレクトロスプレーイオン化（ESI ）は、質量分析法において、液体に高電圧をかけてエアロゾルを生成するエレクトロスプレーを用いてイオンを生成する技術である。この技術は、高分子がイオン化時に断片化する傾向を克服するため、特に高分子からのイオン生成に有用である。ESIは、多価イオンを生成できるため、分析装置の質量範囲を効果的に拡張し、タンパク質や関連するポリペプチド断片で観察されるkDa～MDaの範囲に対応できる点で、他のイオン化プロセス（例：マトリックス支援レーザー脱離イオン化、MALDI）とは異なる。[ 1 ] [ 2 ]

ESIを用いた質量分析法は、エレクトロスプレーイオン化質量分析法（ESI-MS）、あるいはあまり一般的ではないがエレクトロスプレー質量分析法（ES-MS）と呼ばれます。ESIは、フラグメンテーションが非常に少ないため、いわゆる「ソフトイオン化」法です。これは、分子イオン（より正確には擬似分子イオン）がほぼ常に観測されるという点で有利ですが、得られる単純な質量スペクトルから得られる構造情報はごくわずかです。この欠点は、ESIとタンデム質量分析法（ESI-MS/MS）を組み合わせることで克服できます。ESIのもう一つの重要な利点は、溶液相の情報を気相に保持できることです。

エレクトロスプレーイオン化法は、1984年に山下正道とジョン・フェンによって初めて報告され、[ 3 ]また、同じく1984年にソ連のリディア・ガルと同僚によっても独立に報告されました。 [ 4 ]ガルの研究は、2008年に翻訳が出版されるまで、西洋の科学文献では認められておらず、翻訳もされていませんでした。[ 4 ]生体高分子の分析のためのエレクトロスプレーイオン化の開発[ 5 ]により、 2002年にジョン・ベネット・フェンと田中耕一にノーベル化学賞が授与されました。[ 6 ]フェンが使用したオリジナルの機器の1つは、ペンシルベニア州フィラデルフィアの科学史研究所 に展示されています。

歴史

正イオンモードにおけるエレクトロスプレーイオン化の図：高電圧下で、テイラーコーンから液滴のジェットが放出されます。液滴から溶媒が徐々に蒸発し、液滴はますます帯電していきます。電荷がレイリー限界を超えると、液滴は爆発的に解離し、帯電した（正）イオンの流れが残ります。

1882年、レイリー卿は、液滴が微細な液体の噴流を放出する前に運ぶことができる最大の電荷量を理論的に推定しました。[ 7 ]これは現在、レイリー限界として知られています。

1914年、ジョン・ゼレニーはガラス毛細管の先端における液滴の挙動に関する研究を発表し、さまざまなエレクトロスプレーモードの証拠を提示しました。[ 8 ]ウィルソンとテイラー[ 9 ]とノーランは1920年代にエレクトロスプレーを調査しました[ 10 ]マッキーは1931年に調査しました[ 11 ]。エレクトロスプレーコーン（現在はテイラーコーンとして知られています）は、ジェフリー・イングラム・テイラー卿によって説明されました。[ 12 ]

エレクトロスプレーイオン化法と質量分析法の最初の応用は、1968年にマルコム・ドールによって報告されました。 [ 13 ] [ 14 ]ジョン・ベネット・フェンは、1980年代後半のエレクトロスプレーイオン化質量分析法の開発により、 2002年のノーベル化学賞を受賞しました。 [ 15 ]

イオン化メカニズム

フェン社初のエレクトロスプレーイオン化源と単一四重極質量分析計を結合したもの

対象となる分析対象物質を含む液体（通常、必要濃度は10 −6 - 10 −4 M [ 16 ]）は、エレクトロスプレー[ 17 ]によって微細なエアロゾルに分散される。イオン形成には溶媒の蒸発（脱溶媒和とも呼ばれる）を伴うため、エレクトロスプレーイオン化用の典型的な溶媒は、水と揮発性有機化合物（例：メタノール[ 18 ]アセトニトリル）を混合して調製される。初期の液滴サイズを小さくするために、導電性を高める化合物（例：酢酸）が通常溶液に添加される。これらの種は、イオン化プロセスを促進するためのプロトン源としても機能する。大流量エレクトロスプレーでは、ESI源の高温に加えて、窒素や二酸化炭素などの加熱不活性ガスの噴霧化の恩恵を受けることができる。 [ 19 ]エアロゾルは、約3000 Vの電位差を持つキャピラリーを通して質量分析計の最初の真空段階に採取されます。キャピラリーは加熱することで、帯電した液滴からの溶媒の蒸発を促進することができます。溶媒は帯電した液滴から蒸発し、レイリー限界に達すると不安定になります。この時点で、液滴は変形します。これは、液滴サイズが小さくなるにつれて、同種の電荷による静電反発が、液滴を結合させている表面張力よりも強くなるためです。[ 20 ]この時点で、液滴はクーロン分裂を起こし、元の液滴は「爆発」して、より小さく安定した多数の液滴を生成します。新しい液滴は脱溶媒和を起こし、その後さらにクーロン分裂を起こします。分裂中、液滴は質量のわずかな割合（1.0～2.3%）と、比較的大きな割合（10～18%）の電荷を失います。[ 21 ] [ 22 ] 

気相イオンの最終的な生成を説明する主要な理論は2つあります。イオン蒸発モデル（IEM）と電荷残留モデル（CRM）です。IEMは、液滴が一定の半径に達すると、液滴表面の電界強度が大きくなり、溶媒和イオンの電界脱離を促進するのに十分な大きさになると示唆しています。[ 23 ] [ 24 ] CRMは、エレクトロスプレー液滴が蒸発と核分裂のサイクルを経て、最終的に平均1個以下の分析対象イオンを含む子液滴が生成されると示唆しています。 [ 13 ]残りの溶媒分子が蒸発した後に気相イオンが形成され、液滴が運んでいた電荷が分析対象に残ります。

IEM、CRM、および CEM の回路図。

多数の証拠が直接的または間接的に、小さなイオン（小さな分子から）はイオン蒸発機構によって気相に放出され、[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]、より大きなイオン（例えば折り畳まれたタンパク質から）は荷電残留機構によって形成されることを示しています。[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

荷電残基と電界放出を組み合わせた第3のモデルが提案されている。[ 30 ]鎖放出モデル（CEM）と呼ばれる別のモデルが、無秩序なポリマー（折り畳まれていないタンパク質）に対して提案されている。[ 31 ]

質量分析法で観測されるイオンは、水素陽イオンの付加によって生成される準分子イオン（[ M  + H] +と表記） 、ナトリウムイオンなどの別の陽イオン（[ M  + Na] +と表記） 、あるいは水素原子核の除去によって生成される準分子イオン（[ M  − H] −と表記）のいずれかである。[ M  +  n H] n +などの多価イオンもしばしば観測される。大きな高分子の場合、多くの電荷状態が存在する可能性があり、その結果、特徴的な電荷状態エンベロープが生じる。これらはすべて偶数電子イオン種である。他のイオン化源とは異なり、電子（のみ）が追加または除去されることはない。分析対象物質は電気化学プロセスに関与することがあり、質量スペクトルの対応するピークがシフトする。この効果は、銅、銀、金などの貴金属をエレクトロスプレーを用いて直接イオン化することで実証されている。[ 32 ]

ESIにおける小分子の気相イオン生成効率は、化合物の構造、使用する溶媒、機器パラメータによって異なります。[ 33 ]イオン化効率の差は100万倍以上になります。

変種

低流量で作動するエレクトロスプレーは、はるかに小さい初期の液滴を生成し、イオン化効率の向上を確実にする。1993 年に Gale とRichard D. Smith は、200 nL/分までの低流量で大幅な感度向上が達成できることを報告した。[ 34 ] 1994 年に、2 つの研究グループが、低流量で作動するエレクトロスプレーをマイクロエレクトロスプレー (マイクロスプレー) と名付けた。Emmett とCaprioli は、エレクトロスプレーを 300～800 nL/分で作動させた場合、HPLC-MS 分析のパフォーマンスが向上することを実証した。[ 35 ] Wilm と Mann は、ガラス毛細管を数マイクロメートルに引き伸ばして作製したエミッターの先端で、約 25 nL/分の毛細管流量でエレクトロスプレーを維持できることを実証した。[ 36 ]後者は1996年にナノエレクトロスプレー（ナノスプレー）と改名されました。[ 37 ] [ 38 ] 現在、ナノスプレーという名称は、自己供給型エレクトロスプレーだけでなく、ポンプによって低流量で供給されるエレクトロスプレーにも使用されています。 [ 39 ]エレクトロスプレー、マイクロスプレー、ナノエレクトロスプレーの流量範囲は明確に定義されていないかもしれませんが、[ 40 ]は「イオン放出前の液滴分裂中の分析対象物質の分配変化」を研究しました。[ 40 ]この論文では、他の3つのグループによって得られた結果を比較しています。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] そして、異なる流量で 信号強度比[Ba 2+ + Ba + ]/[BaBr + ]を測定します。

コールドスプレーイオン化は、サンプルを含む溶液を小さな冷たい毛細管（10～80℃）に通して電界にかけ、冷たい荷電液滴の微細な霧を作るエレクトロスプレー法の一種です。[ 44 ]この方法の応用としては、通常のエレクトロスプレーイオン化では研究できない脆弱な分子やゲスト-ホスト相互作用の分析などがあります。

エレクトロスプレーイオン化は 25 torr という低圧でも実現されており、リチャード・D・スミスと同僚らが開発した 2 段階イオンファンネルインターフェースに基づいて、ナノエレクトロスプレーによる亜大気圧イオン化 (SPIN) と呼ばれています。[ 45 ] SPIN の実装では、イオンファンネルを使用してイオンを質量分析計の低圧領域に閉じ込めて移動させるため、感度が向上しました。ナノエレクトロスプレーエミッターは、約 1～3 マイクロメートルの小さな開口部を持つ細い毛細管で作られています。十分な導電性を確保するために、この毛細管は通常、金などの導電性材料でスパッタコーティングされています。ナノエレクトロスプレーイオン化では、サンプルのわずか数マイクロリットルしか消費されず、より小さな液滴が形成されます。[ 46 ] 低圧での動作は、より小さなエレクトロスプレー液滴サイズによって効果的な脱溶媒和とイオン形成が達成される低流量の場合に特に効果的でした。その結果、研究者らは後に、イオンを液相から気相へイオンとして移動させ、デュアルイオンファンネルインターフェースを介して質量分析計に伝達する際に、全体的なイオン化利用効率が50％を超えることを実証することができました。[ 47 ]

周囲のイオン化

DESI周囲電離源の図

アンビエントイオン化では、サンプルの準備なしに質量分析計の外でイオンの形成が起こる。[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]エレクトロスプレーは、多くのアンビエントイオン源におけるイオン形成に使用されている。

脱離エレクトロスプレーイオン化（DESI）は、溶媒エレクトロスプレーを試料に照射するアンビエントイオン化技術です。 [ 51 ] [ 52 ]試料に電圧を印加することで、エレクトロスプレーは試料表面に引き寄せられます。試料化合物は溶媒中に抽出され、再び高電荷の液滴としてエアロゾル化され、蒸発して高電荷イオンを形成します。イオン化されたイオンは、質量分析計の大気圧インターフェースに入ります。DESIは、試料の前処理をほとんど必要とせずに、大気圧下で試料のアンビエントイオン化を可能にします。

SESI周囲イオン化源の図

抽出型エレクトロスプレーイオン化法は、2つの混合スプレーを使用するスプレー型の周囲イオン化法であり、そのうちの1つはエレクトロスプレーによって生成される。[ 49 ]

レーザーベースのエレクトロスプレーアンビエントイオン化は、パルスレーザーを用いて試料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と相互作用してイオンを生成する2段階プロセスである。[ 49 ]アンビエントイオン化では、試料物質はエレクトロスプレー近くのターゲット上に堆積される。レーザーは試料から物質を脱着またはアブレーションし、物質は表面からエレクトロスプレーへと放出され、高電荷イオンを生成する。例としては、エレクトロスプレーレーザー脱着イオン化、マトリックス支援レーザー脱着エレクトロスプレーイオン化、レーザーアブレーションエレクトロスプレーイオン化などがある。

SESI-MS SUPER SESIとThermo Fisher Scientific-Orbitrapの組み合わせ

静電スプレーイオン化（ESTASI）は、平面または多孔質表面上、あるいはマイクロチャネル内に配置されたサンプルの分析に用いられます。分析対象物質を含む液滴をサンプル領域に堆積させ、パルス状の高電圧を印加します。静電圧力が表面張力よりも大きい場合、液滴とイオンがスプレーされます。

二次エレクトロスプレーイオン化（SESI）は、スプレー型の雰囲気イオン化法であり、エレクトロスプレーによって帯電イオンが生成されます。これらのイオンは、気相中の蒸気分子と衝突することで、蒸気分子を帯電させます。[ 53 ] [ 54 ]

紙スプレーイオン化では、サンプルを紙に塗布し、溶媒を加え、紙に高電圧をかけてイオンを生成します。

アプリケーション

LTQ 質量分析計のエレクトロスプレー インターフェースの外側。

エレクトロスプレーはタンパク質の折り畳みを研究するために使用されます。[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]

液体クロマトグラフィー質量分析法

エレクトロスプレーイオン化は、液体クロマトグラフィーと質量分析（LC-MS）を組み合わせるための最適なイオン源です。分析は、LCカラムから溶出する液体を直接エレクトロスプレーに送ることによってオンラインで行うことも、後で従来のナノエレクトロスプレー質量分析装置で分析する画分を収集することによってオフラインで行うこともできます。ESI-MSの多数の操作パラメータの中で、タンパク質の場合、[ 58 ]エレクトロスプレー電圧は、ESI LC/MSグラジエント溶出で考慮すべき重要なパラメータとして特定されています。[ 59 ]さまざまな溶媒組成[ 60 ]（TFA [ 61 ]または酢酸アンモニウム[ 22 ]または過充電試薬[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]または誘導体化基[ 66 ]など）またはスプレー条件[ 67 ]がエレクトロスプレーLCMSスペクトルやナノESI-MSスペクトルに及ぼす影響。[ 68 ]が研究されている。

キャピラリー電気泳動質量分析法（CE-MS）

キャピラリー電気泳動質量分析法は、パシフィック・ノースウエスト国立研究所のリチャード・D・スミスと同僚らが開発し特許を取得した ESI インターフェースによって可能となり、非常に微量の生物学的および化学的化合物の混合物、さらには単一の生物学的細胞まで分析できる幅広い有用性があることが示されました。

非共有結合性気相相互作用

エレクトロスプレーイオン化は、非共有結合性気相相互作用の研究にも利用されています。エレクトロスプレープロセスは、非共有結合性相互作用を阻害することなく、液相の非共有結合性複合体を気相に移行させることができると考えられています。ESI-MSまたはnanoESI-MSによるリガンド基質複合体の研究において、非特異的相互作用[ 70 ]などの問題[ 22 ] [ 69 ]が特定されています。この興味深い例として、酵素とその酵素阻害剤である薬剤との相互作用の研究が挙げられます。[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] STAT6と阻害剤との競合研究[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]では、潜在的な新薬候補をスクリーニングする方法としてESIが使用されています。

エレクトロスプレーイオン化は1MDaを超えるタンパク質複合体の研究にも使用できる。[ 76 ] [ 16 ]

参照

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さらに読む

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  • グロス, マイケル; プラマニック, ビレンドラ N.; ガングリー, AK (2002).応用エレクトロスプレー質量分析法. ニューヨーク, NY: マルセル・デッカー. ISBN 978-0-8247-0618-0。
  • スナイダー、A. ピーター (1996).エレクトロスプレーイオン化質量分析法の生化学およびバイオテクノロジーへの応用. コロンバス、オハイオ州: アメリカ化学会. ISBN 978-0-8412-3378-2。
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  • Alexandrov, ML; LN Gall; NV Krasnov; VI Nikolaev; VA Pavlenko; VA Shkurov (2008) [1984年7月]. 「生体有機化合物の質量分析法としての大気圧下溶液からのイオン抽出」 . Rapid Communications in Mass Spectrometry . 22 (3): 267– 270. Bibcode : 2008RCMS...22..267A . doi : 10.1002/rcm.3113 . PMID  18181250 .
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