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キャピラリー電気泳動質量分析法（CE-MS）は、キャピラリー電気泳動の液体分離プロセスと質量分析法を組み合わせた分析化学技術です。[1] CE-MSは、CEとMSの両方の利点を組み合わせて、1回の分析で高い分離効率と分子量情報を提供します。[2]分解能と感度が高く、必要な容量が最小限（数ナノリットル）で、高速で分析できます。イオンは通常、エレクトロスプレーイオン化によって形成されますが、[3]マトリックス支援レーザー脱離イオン化[4]または他のイオン化技術によっても形成できます。プロテオミクスの基礎研究[5]や生体分子の定量分析[6]のほか、臨床医学にも応用されています。[7] [8] 1987年の導入以来、新たな開発と応用により、CE-MSは強力な分離および識別技術になりました。 CE-MS は、タンパク質やペプチド、その他の生体分子の分析に利用されることが多くなっています。しかし、オンライン CE-MS の開発には課題がないわけではありません。キャピラリー電気泳動と質量分析を組み合わせる際の問題に対処するには、CE、インターフェース設定、イオン化技術、質量検出システムを理解することが重要です。
歴史
キャピラリーゾーン電気泳動と質量分析の間の最初のインターフェースは、1987年にパシフィック・ノースウェスト国立研究所のリチャード・D・スミスと同僚によって開発され[9]、彼らは後にキャピラリー等速電気泳動やキャピラリー等電点電気泳動を含む他のCE変種とのインターフェースの開発にも携わりました。
サンプル注入
CE-MS システムにサンプルをロードするための一般的な手法には、従来のCEのアプローチに似た、流体力学的注入と電気運動学的注入の 2 つがあります。
流体力学的注入
分析対象物をロードするには、まずキャピラリーをサンプルバイアルに入れます。次に、ハイドロダイナミックインジェクションのさまざまな方法があります。入口に正圧、出口に負圧を適用するか、サンプル入口をキャピラリー出口に対して上げることができます。[10]この技術は、電気動電注入と比較して、注入されたサンプルの量が堅牢で再現性が高く、注入RSD値は通常2％未満です。注入されたサンプルの量と再現性は通常、注入時間、サンプルの高さの変位、およびサンプルに加えられる圧力に依存します。たとえば、圧力を高くして注入時間を短くすると、ピーク領域と移動時間のRSDが減少することがわかっています。[11]ハイドロダイナミックインジェクションの主な利点の1つは、電気泳動移動度の高低に関係なく、分子に影響されないことです。CE-MS分析のスループットを向上させるために、ハイドロダイナミックマルチセグメントインジェクション技術が開発されました。この場合、分析前に複数のサンプルが流体力学的に分離キャピラリーにロードされ、各サンプルセグメントはバックグラウンド電解質スペーサーの間に配置されます。[12]
電気泳動注入
この方法では、サンプル溶液に高電圧が印加され、サンプルの電気泳動と電気浸透流によって分子がCEキャピラリーにロードされます。[10]電気泳動注入は、より低い電圧とより長い注入時間を使用しながら、流体力学的注入と比較して感度を向上させますが、ピーク面積と移動時間の再現性は低くなります。ただし、この方法は電気泳動移動度の高い分析対象物に偏っており、移動度の高い分子がより適切に注入されます。その結果、電気泳動注入はマトリックス効果とサンプルのイオン強度の変化の影響を受けやすくなります。[11]
CEとMSのインターフェース
キャピラリー電気泳動は、高電界を使用して電気浸透流を発生させ、イオンを分離する分離技術です。分析物は、その電荷、粘度、サイズに基づいて、キャピラリーの一端から他端に移動します。電界が高いほど、移動度が高くなります。 質量分析は、質量対電荷比に応じて化学種を識別する分析技術です。プロセス中、イオン源は、CE からの分子をイオンに変換し、その後、電界と磁場を使用して操作できます。分離されたイオンは、検出器を使用して測定されます。CE を MS に結合するときに直面する主な問題は、2 つの技術をインターフェイスさせる場合の基本的なプロセスに対する理解が不十分なために発生します。分析物の分離と検出は、インターフェイスを改善することで改善できます。CE は、 FAB、ESI、MALDI、APCI、DESIなどのさまざまなイオン化技術を使用して MS に結合されています。最も使用されているイオン化技術は ESI です。
エレクトロスプレーイオン化インターフェース
最初のCE-MSインターフェースでは、典型的なCEセットアップの末端電極の代わりに、分離キャピラリー末端の周りのステンレス鋼キャピラリーシースが使用されました。[13]ステンレス鋼キャピラリーと分離キャピラリーから流出するバックグラウンド電解質との電気的接触がその時点で行われ、回路が完成し、エレクトロスプレーが開始されました。このインターフェースシステムには、2つのシステムの流量の不一致などの欠点がいくつかありました。それ以来、インターフェースシステムは、連続的な流量と良好な電気的接触を持つように改良されてきました。CE-MSインターフェースを成功させるためのもう1つの重要な要素は、CE分離とESI操作の両方に適した緩衝液の選択です。現在、CE/ESI-MSには3種類のインターフェースシステムがあり、簡単に説明します。
シースレスインターフェース
CEキャピラリーは、シースレスインターフェースシステムを使用してエレクトロスプレーイオン化源に直接結合されています。ESIの電気的接触は、導電性金属でコーティングされたキャピラリーを使用して実現されています。[14]シース液を使用しないため、このシステムは感度が高く、流量が低く、バックグラウンドが最小限に抑えられています。ただし、これらのインターフェース設計には、機械的堅牢性の低さ、再現性の悪さなどの課題があります。
最新のシースレスインターフェース設計は、化学エッチングによる多孔質 ESI エミッターを特徴としています。この設計は、質量分析との堅牢なインターフェースを効果的に提供し、以前の設計に関連する再現性の課題に対処します。この多孔質エミッターインターフェースは、CITP/CZE（または過渡 ITP）を組み合わせることで、CE のサンプル負荷容量を大幅に向上させ、微量分析物の超高感度検出を可能にしました。[15]導電性液体を使用したシースレス過渡キャピラリーイサトコフォレシス（CITP） /キャピラリーゾーン電気泳動（CZE）-MS インターフェースでは、高い再現性、堅牢性、感度が達成されました。導電性液体は、エミッターの金属コーティングされた外面と接触して回路を完成させますが、同時に分離液と混ざらないため、サンプルの希釈はありません。[16]
シースフローインターフェース
シースフローインターフェースでは、CE分離液が金属毛細管チューブ内を同軸に流れるシース液と混合されると、電極とバックグラウンド電解質間の電気的接続が確立されます。最も一般的な市販のCE-ESI-MSインターフェースでは、シースガスを備えた追加の外管（3管共軸設計）が使用され、エレクトロスプレーの安定性と溶媒の蒸発を改善するのに役立ちます。しかし、シースガスの流れにより毛細管末端付近で吸引効果が発生し、放物線状のフロープロファイルが生じ、結果として分離効率が低下することが判明しています。[3]一般的に使用されるシース液は、水とメタノール（またはイソプロパノール）の1:1混合物と0.1%酢酸またはギ酸です。このシステムはより信頼性が高く、分離電解質の選択範囲が広いです。ただし、安定したエレクトロスプレーに必要なシース液の流量は通常非常に高い（1〜10 μL/分）ため、シース液によるサンプルの希釈により感度が多少低下する可能性があります。シース液は流体力学的（シリンジポンプを使用）または電気運動学的に送達することができる。電気運動学的方法により、ナノエレクトロスプレー領域（ESI流量nl/分）で簡単に操作でき、感度を向上させることができる。[17]
シースフローインターフェースには、いくつかの新しいアプローチと改良があります。デッドボリュームを減らし、感度を高めるために、拡張可能なシースフローCE-ESI-MSインターフェースが作成されました。分離キャピラリーの出口端は、壁の厚さを減らして先端を先細りにするためにフッ化水素酸で処理されました。分離キャピラリーの末端は、先細りのシースフローキャピラリーから突き出ていました。分離キャピラリーの壁が薄いため、デッドボリュームは低くなります。その結果、分離の感度と効率が向上します。[18]ナノフローエレクトロスプレー方式（小さなエミッターと1000 nl / min未満のESI流量を使用）を使用すると、感度、再現性、堅牢性も向上します。このインターフェースを作成するために、先細りの先端を持つホウケイ酸エミッターとエッチングされた端を持つ分離キャピラリーを利用できます。[19]インターフェースの安定性と寿命を向上させるために、金コーティングされたエミッターが適用されました。[20]
液体接合界面
この技術では、ステンレス鋼の T 字継手を使用して、CE キャピラリーからの分離電解液を補給液と混合します。CE キャピラリーと ESI ニードルは T 字継手の反対側から挿入され、狭い隙間が維持されます。2 つのキャピラリー間の接合部を囲む補給液によって電気接触が確立されます。このシステムは操作が簡単です。ただし、感度が低下し、2 つの液体が混合すると分離が低下する可能性があります。液体接合インターフェースの種類の 1 つに加圧液体接合があり、補給液でリザーバーに圧力がかかります。この方法では、流量が低い (200 nl/分未満) ため、従来の液体接合インターフェースよりも希釈が少なくなります。さらに、追加の圧力により CE 流出液の焦点ずれが防止され、結果として解像度が向上します。[21]
連続流高速原子衝撃
CEは、連続フローインターフェースを使用して高速原子衝撃イオン化と結合することができます。 [22]インターフェースは、2つのシステム間の流量と一致している必要があります。CF-FABには比較的高い流量が必要ですが、CEはより良い分離のために低い流量が必要です。シースフローまたは液体ジャンクションを使用してメイクアップフローを使用できます。
CEとMALDI-MSの結合
CE を MALDI にオフラインで結合する場合、CE 流出液を MALDI ターゲット プレートに噴霧または滴下し、乾燥させて MS で分析することができます。オンライン結合の場合、CE キャピラリーの端に連続的に接触する可動ターゲットが必要です。可動ターゲットは分析対象物を MS に取り込み、そこで脱着してイオン化します。Musyimi らは、回転ボールを使用して CE を MS に転送する新しい技術を開発しました。[23] CE からのサンプルは、別のキャピラリーを通って来るマトリックスと混合されます。ボールが回転すると、サンプルはイオン化領域に到達する前に乾燥します。この技術は、補給液を使用しないため、感度が高くなります。
アプリケーション
CE-MSは、極めて低濃度の分析対象物を高効率かつ高速で分離できるため、あらゆる科学分野に応用できます。CE-MSは、バイオ分析、医薬品、環境、法医学の分野で使用されています。[24] [25] CE-MSの主な用途は生物学研究であり、主にタンパク質とペプチドの分析です。たとえば、CE-MSはトップダウンとボトムアップの両方のプロテオミクスの分析の要素です。[26] [27]それに加えて、医薬品の日常的な分析にもよく使用されます。ペプチドとタンパク質の混合物の特性を報告している研究は数多くあります。CE-MSは、日常的な臨床検査に使用できます。血液や尿などの体液は、腎疾患や癌のバイオマーカーを特定するためにCE-MSで分析されています。[28]
CE-MS はメタボロミクスにも応用可能で、特に必要なサンプル量が微量であるため、単一細胞メタボロミクスに有効です。ニューロン[29] 、カエルの胚[30]、HeLa RBC007細胞[31]はすでに CE-MS を使用して分析されています。細胞の分析では通常、CE-MS の前に少量 (数 μl) の有機溶媒で分子を抽出します。新しい技術である表面サンプリング CE-MS (SS-CE-MS) により、サンプルを準備することなく、組織切片全体を表面から直接分析できます。[32]
参照
参考文献
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