大気圧化学イオン化

大気圧化学イオン化（APCI）は、質量分析で使用されるイオン化法であり、大気圧（ ^10⁵ Pa）での気相イオン分子反応を利用します^{[ 1 ] [ 2 ]} 。一般的に高速液体クロマトグラフィー（HPLC）と組み合わせて使用​​されます^{[ 3 ]} 。APCIは、溶媒スプレー上で一次イオンが生成される化学イオン化と同様のソフトイオン化法です^{[ 4 ]} 。APCIの主な用途は、分子量が1500 Da未満の極性化合物および比較的極性の低い熱的に安定な化合物です^{[ 5 ]} 。HPLCと組み合わせたAPCIの応用は、ステロイド、農薬などの微量分析検出や、薬物代謝物の薬理学において広く普及しています^{[ 6 ] 。}

典型的な APCI イオン源は、通常、サンプル入口、コロナ放電針、および中間圧力下のイオン転送領域の 3 つの主要部分から構成されます。^{[ 5 ]図に示すように、LC からの加熱ネブライザー入口[ 7 ]}の場合、溶出液は 0.2 ～ 2.0 mL/min で空気圧ネブライザーに流れ込み、微細な液滴のミストを生成します。液滴は 350 ～ 500  °C の加熱された壁に衝突して気化し、ネブライザーガスと補助ガスによってコロナ電極と出口対向電極の間のイオン分子反応領域に運ばれます。^{[ 4 ]}コロナ針から 2 ～ 5 マイクロアンペアの定電流が維持されます。サンプルイオンはイオン分子反応によって生成され (以下に説明)、小さなオリフィスまたはチューブを通って質量分析計につながるイオン転送領域に入ります。

用途に応じて、イオン源のさまざまな形状が可能です。液体クロマトグラフィーで使用する場合、特に流量が高い場合は、溶媒や中性物質が質量分析計の実際の入口を汚染しないように、ネブライザーは質量分析計の入口に対して直交（または同様に急な角度）に配置されることがよくあります。^{[ 8 ]}

APCIによる気相でのイオン化は、溶液中の試料、試料蒸気、試料イオンの順に行われます。HPLCからの流出液は完全に蒸発します。その後、溶媒と試料蒸気の混合物がイオン分子反応によってイオン化されます。^{[ 9 ]}

イオン化は、正イオン化モードまたは負イオン化モードのいずれかで実行できます。正モードでは、反応物イオンと気体分析物分子の相対的なプロトン親和性により、プロトン移動または反応物ガスイオンの付加により、分子種のイオン[M+H] ^{+が生成されます。 [ 4 ]}負モードでは、プロトン引き抜きにより[M−H] ⁻イオンが生成されるか、アニオン付着により[M+X] ⁻イオンが生成されます。APCI-MS分析に関する研究のほとんどは、正モードで行われています。

正モードでは、ネブライザー溶媒上のコロナ放電の放電電流が 1〜5 μA の場合、N ₂ガス分子が励起されイオン化され、N ₄ ^+*が生成されます。LC の蒸発した移動相は、イオン化ガスおよび反応イオンとして機能します。蒸発した移動相に水のみが溶媒として含まれている場合、励起された窒素分子イオン N ₄ ^{+*は H} ₂ O 分子と反応して、水クラスターイオン H ⁺ (H ₂ O) _nを生成します。^{[ 10 ]}次に、分析対象分子 M は水クラスターイオンによってプロトン化されます。最後に、イオン化生成物 MH ⁺ (H ₂ O) _{m は、大気圧イオン源から移動します。MH} ⁺ (H ₂ O) _mの脱クラスター化 (プロトン化された分析対象分子から水分子が除去される) は、質量分析器の高真空で行われます。^{[ 2 ]} MS で検出される分析対象分子イオンは [M+H] ⁺です。イオン化過程の化学反応を以下に示します。

窒素雰囲気下で水が存在する場合の一次および二次試薬イオンの生成: ^{[ 11 ] [ 2 ]}

N ₂ + e → N ₂ ⁺ + 2e

N ₂ ^+* + 2N ₂ → N ₄ ^+* + N ₂

N ₄ ⁺ + H ₂ O → H ₂ O ⁺ + 2N ₂

H₂O ⁺ + _H₂O → _H₃O + ⁺ OH ^•_​​

H₃O⁺ ⁺ H₂O + _N₂ → ^H⁺ ( _H₂O ) _₂ + _N₂​​_​

H ⁺ (H ₂ O) _n-1 + H ₂ O + N ₂ → H ⁺ (H ₂ O) _n + N ₂

生成イオンのイオン化: ^{[ 2 ]}

H ⁺ (H ₂ O) _n + M → MH ⁺ (H ₂ O) _m + (nm)H ₂ O

質量分析器の高真空下でのデクラスタリング：^{[ 2 ]}

MH ⁺ (H ₂ O) _m → MH ⁺ + mH ₂ O

移動相に水よりもプロトン親和性の高い溶媒が含まれている場合、プロトン移動反応が起こり、プロトン親和性の高い溶媒がプロトン化されます。たとえば、メタノール溶媒が存在する場合、クラスター溶媒イオンは CH ₃ OH ₂ ⁺ (H ₂ O) _n (CH ₃ OH) _mになります。^{[ 2 ]}フラグメンテーションは通常、APCI イオン源内では発生しません。サンプルのフラグメントイオンが観測された場合、加熱されたネブライザーインターフェースによって熱分解が起こり、続いて分解生成物がイオン化されます。

化学イオン化とは大きく異なり、一次イオン化に必要な電子は加熱フィラメントによって生成されません。加熱フィラメントは大気圧下では使用できないためです。代わりに、コロナ放電またはβ粒子放出装置を使用してイオン化を行う必要があります。これらはどちらも腐食性ガスや酸化性ガスの存在下でも使用できる電子源です。^{[ 4 ]}

大気圧化学イオン化源と質量分析法を組み合わせたものの起源は、1960年代の炎中のイオンの研究^{[ 12 ]}や、大気圧までのコロナ放電におけるイオン化学の研究^{[ 13 ]}に見出すことができる。微量化学分析に質量分析法と組み合わせたAPCIの最初の応用は、1971年にAPCIとイオン移動度および質量分析法を組み合わせた装置を開発したFranklin GNO Corporationによるものであった^{[ 14 ]} 。1970年代にBaylor College of Medicine （テキサス州ヒューストン）のHorning、Carroll、および彼らの同僚は、ガスクロマトグラフィー（GC）^{[ 15 ]}および液体クロマトグラフィー（LC）^{[ 16 ]}を質量分析計に結合するためのAPCIの利点を実証した。これらの研究では、高感度で単純な質量スペクトルが示された[16]。LC ^{- MSの}場合、LC溶出液は加熱された金属ブロックで気化され、イオン化された。当初は、イオン化を行うための電子源として^{63 Ni 箔が使用されていました。1975 年にコロナ放電電極が開発され、より広いダイナミック応答範囲が実現しました。 [ 17 ]}コロナ放電電極を用いた APCI は、現代の市販の APCI インターフェースのモデルとなりました。^{[ 18 ]}

1970年代後半、移動操作用にバンに搭載されたAPCI質量分析計システム（TAGA、Trace Atmospheric Gas Analyzerの略）がSCIEX社によって導入され、^{[ 19 ] [ 20 ]}大気中の極性有機物をリアルタイムでモニタリングするための高感度が実現した。1981年には、APCI-MS/MSによるリアルタイムの直接大気モニタリングを可能にするトリプル四重極質量分析計バージョンが製造された。同様のプラットフォームは、SCIEX AROMICシステム（ブリティッシュ・エアロスペース社と共同開発したCONDOR密輸品検出システムの一部）にも使用され、内部空間をサンプリングすることで、国境検問所の輸送コンテナ内の薬物、爆発物、アルコールを検出した。^{[ 21 ] [ 22 ]}

1980年代半ばから1990年代初頭にかけて、大気圧イオン化法であるAPCIとエレクトロスプレーを用いたLC/MSの実施の利点が分析コミュニティの注目を集め始めた。^{[ 3 ]}これらにより、医薬品開発と創薬の両方の用途において、製薬業界における質量分析の役割が劇的に拡大した。APCIの感度とLC-MSおよびLC-MS/MSの特異性を組み合わせることで、医薬品および医薬品代謝物の定量に最適な方法となることが多い。^{[ 23 ]}

基質のイオン化は、大気圧下で起こるため衝突頻度が高く、非常に効率的です。さらに、APCIはイオン化の初期段階で液滴の急速な脱溶媒化と蒸発により、分析対象物の熱分解を大幅に低減します。^{[ 4 ]}これらの要因の組み合わせにより、他の多くのイオン化方法よりも断片化の少ない分子種のイオンが生成されることが最も一般的であり、ソフトイオン化法となっています。^{[ 24 ]}

APCIを他のイオン化法よりも使用するもう1つの利点は、標準ボアHPLCに典型的な高い流量（0.2～2.0  mL/分）を直接使用でき、多くの場合、体積の大部分を廃棄することなく使用できることです。さらに、APCIは多くの場合、改良されたESIソースで実行できます。^{[ 25 ]}イオン化は気相で行われますが、ESIではイオン化は液相で行われます。APCIの潜在的な利点は、極性溶媒の代わりに非極性溶媒を移動相溶液として使用できることです。これは、溶媒と目的の分子がコロナ放電針に到達する前に気体状態に変換されるためです。APCIは気相化学を伴うため、LC用の溶媒、導電率、pHなどの特別な条件を使用する必要はありません。APCIは、ESIよりも汎用性の高いLC/MSインターフェースであり、逆相LCとの互換性が高いようです。^{[ 24 ]}

APCIは、低～中程度の分子量（1500 Da未満 ）で、極性が低～中程度の熱安定性サンプルに適しています。特に、エレクトロスプレーに十分な極性を持たない分析対象物に有効です。APCIの応用分野は、医薬品、非極性脂質、天然化合物、農薬、およびさまざまな有機化合物の分析ですが、生体高分子、有機金属化合物、イオン化合物、およびその他の不安定な分析対象物の分析には限定的にしか使用できません。^{[ 26 ]}

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