リアルタイムでの直接分析

質量分析法におけるリアルタイム直接分析( DART ) は、ヘリウム、アルゴン、窒素などのガスから、大気分子またはドーパント分子をイオン化する電子的または振動的に励起された状態の種を生成するイオン源です。大気分子またはドーパント分子から生成されたイオンは、サンプル分子とイオン分子反応を起こし、分析対象イオンを生成します。イオン化エネルギーが低い分析対象は直接イオン化される場合があります。DART イオン化プロセスでは、出口電極に印加される 電位に応じて、正イオンまたは負イオンが生成されます。

このイオン化は、紙幣、錠剤、体液 (血液、唾液、尿)、ポリマー、ガラス、植物の葉、果物や野菜、衣類、生体などの表面から直接脱着した種に対して発生する可能性があります。DART は、大気圧下 および開放された実験室環境で、さまざまなサンプルを迅速に分析するために使用されます。特別なサンプル準備は必要ないため、固体、液体、気体のサンプルをそのままの状態で分析できます。

DARTの助けを借りれば、高解像度質量分析計で正確な質量測定を迅速に行うことができます。DART質量分析は、医薬品アプリケーション、法医学研究、品質管理、環境研究に使用されています。^[1]

DARTは、携帯型化学兵器検出器の放射性源に代わる大気圧イオン源の開発に関するLarameeとCodyの話し合いから生まれました。DARTは、2002年後半から2003年初めにかけて、新しい大気圧イオン化プロセスとしてCodyとLarameeによって開発され、^[2]米国特許出願は2003年4月に提出されました。DARTの開発は実際には脱離エレクトロスプレーイオン化（DESI）^[3]イオン源よりも古いものでしたが、最初のDARTの出版物はDESIの出版物の直後まで登場せず、両方のイオン源は2005年1月のASMSサニベル会議でRG CooksとRB Codyによって連続したプレゼンテーションで公開されました。DESIとDARTは、オープンな実験室環境で動作し、サンプルの前処理を必要としないことから、アンビエントイオン化の分野における先駆的な技術と見なされています^{[4] 。 [5] [6] DESIで使用される液体スプレーとは対照的に、DARTイオン源からのイオン化ガスには}励起状態の種を含む乾燥ストリームが含まれています。

ガス (M) がイオン源に入ると、+1 ～ +5 kV の範囲の電位が印加され、グロー放電が発生します。グロー放電プラズマには、電子、イオン、エキシマーなどの短寿命のエネルギー種が含まれています。イオン/電子の再結合により、流動アフターグロー領域に長寿命の励起状態の中性原子または分子 (準安定種、M*)が形成されます。DART ガスは、分析対象分子の脱離を促進するために、室温 (RT) から 550 °C まで加熱できます。加熱はオプションですが、分析対象の表面または化学物質によっては必要な場合があります。加熱されたガス状の準安定種の流れは、0 ～ 530 V の範囲の正または負の電位にバイアスされた多孔質の出口電極を通過します。正の電位にバイアスされると、出口電極は、ペニング電離によって形成された電子と負イオンをガス流から除去するように機能し、イオン/電子の再結合とイオンの損失を防ぎます。出口電極が負電位にバイアスされている場合、表面ペニングイオン化によって電極材料から直接電子が生成されます。イオン源の末端にある 絶縁キャップが、オペレータを危害から保護します。

${\displaystyle {\ce {{M}+エネルギー->{M^{\ast }}}}}$

DARTは固体、液体、気体のサンプルの分析に使用できます。液体は通常、物体（ガラス棒など）を液体サンプルに浸し、それをDARTイオン源に提示することで分析されます。蒸気はDARTガス流に直接導入されます。^[7]

準安定キャリアガス原子（M*）が放出されると、窒素、大気中の水、その他のガス種のペニングイオン化が開始されます。一部の化合物はペニングイオン化によって直接イオン化できますが、^[8] DARTの最も一般的な正イオン形成メカニズムは大気中の水のイオン化です。

${\displaystyle {\ce {{M^{\ast }}+{N2}->{M}+{N2}^{+\bullet }+e^{-}}}}$

${\displaystyle {\ce {{M^{\ast }}+{H2O}->{M}+{H2O}^{+\bullet }+e^{-}}}}$

正確なイオン形成メカニズムは明らかではないが、ペニングイオン化によって水は直接イオン化される可能性がある。別の提案では、水は大気圧化学イオン化で提案されているのと同じメカニズムによってイオン化されるという。 ^[1]

${\displaystyle {\ce {{N2^{+\bullet }}+{2N2}->{N4^{+\bullet }}+{N2}}}}$

${\displaystyle {\ce {{N4^{+\bullet }}+{H2O}->{2N2}+{H2O}^{+\bullet }}}}$

イオン化された水は、さらにイオン分子反応を起こしてプロトン化された水クラスター（[(H
₂O)
_ん[H]⁺
）。^[9]

${\displaystyle {\ce {{H2O^{+\bullet }}+{H2O}->{H3O+}+{OH^{\bullet }}}}}$

${\displaystyle {\ce {{H3O^{+}}+{\mathit {n}}H2O->{[{{\mathit {n}}H2O}+H]}^{+}}}}$

プロトン化された水クラスターの流れは二次イオン化種として作用し^[10]、大気圧下で化学イオン化機構によって分析対象イオンを生成する。 ^[11]ここでプロトン化、脱プロトン化、直接電荷移動、付加イオン形成が起こる可能性がある。^{[1] [7]}

${\displaystyle {\ce {{S}+{[{{\mathit {n}}H2O}+H]}^{+}->{[{S}+H]}^{+}+{\mathit {n}}H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {{N4}^{+\bullet }+S->{2N2}+S^{+\bullet }}}}$

${\displaystyle {\ce {{O2}^{+\bullet }+S->{O2}+S^{+\bullet }}}}$

${\displaystyle {\ce {{NO^{+}}+S->{NO}+S^{+\bullet }}}}$

${\displaystyle {\ce {{[NH4]^{+}}+S->{[{S}+NH4]}^{+}}}}$

準安定アルゴン原子は水をイオン化するのに十分な内部エネルギーを持たないため、アルゴンガスを用いたDARTイオン化にはドーパントの使用が必要である。^[12]

負イオンモードでは、出口グリッド電極の電位を負電位に設定できます。ペニング電子は大気中の酸素と電子捕獲され、O ₂ ^{− を}生成します。O ₂ ^{− は}ラジカルアニオンを生成します。分析対象物に応じて、いくつかの反応が可能です。^[1]

${\displaystyle {\ce {{O2}+{e}^{-}->{O2}^{-\bullet }}}}$

${\displaystyle {\ce {{O2}^{-\bullet }+{S}->{S}^{-\bullet }+O2}}}$

${\displaystyle {\ce {{S}+{e}^{-}->{S}^{-\bullet }}}}$

${\displaystyle {\ce {{SX}+{e}^{-}->{S}^{-}+{X}^{\bullet }}}}$

${\displaystyle {\ce {{SH}-> {[SH]}^{-}+ {H}^{+}}}}$

DART ガスの負イオン感度は、ペニングイオン化による電子形成の効率によって変化します。つまり、負イオン感度は、窒素、ネオン、ヘリウムなどの準安定種の内部エネルギーとともに増加します。

ペニングイオン化および化学イオン化では、分析対象イオンは大気圧で生成されます。しかし、質量分析は高真空状態で行われます。そのため、質量分析計に入るイオンは、まず、大気圧領域と質量分析計の真空を橋渡しする目的で設計されたソースと分析器のインターフェース (真空インターフェース) を通過します。これにより、分析計の汚染も最小限に抑えられます。

DART に使用されているオリジナルのJEOL大気圧インターフェースでは、わずかな電位差 (オリフィス і: 20 V、オリフィス і: 5 V) を適用することで、イオンは (外側の) і および (内側の) іі スキマー オリフィスを介してイオン ガイドに導かれます。2 つのオリフィスの配置は、中性汚染物質を捕捉して高真空領域を保護するためにずらして配置されています。荷電種 (イオン) は中間の円筒形電極 (「リング レンズ」) を介して 2 番目のオリフィスに導かれますが、中性分子は直線経路を移動するため、イオン ガイドに入ることができません。その後、中性汚染物質はポンプによって除去されます。

DART ソースは、表面脱着モードまたは透過モードで操作できます。通常の表面脱着モードでは、サンプルは、反応性 DART 試薬イオン流が表面に流れ、同時に脱着した分析対象イオンが界面に流れるように配置されます。したがって、このモードでは、ガス流がサンプル表面をかすめ、質量分析計のサンプリングオリフィスへのガスの流れを妨げないようにする必要があります。対照的に、透過モード DART (tm-DART) は、カスタムメイドのサンプルホルダーを使用し、サンプルを固定された形状で導入します。^{[10] [13]}

DARTは多くの分離技術と組み合わせることができます。薄層クロマトグラフィー（TLC）プレートは、DARTガス流中に直接配置して分析されています。ガスクロマトグラフィーは、加熱インターフェースを介してガスクロマトグラフィーカラムをDARTガス流に直接結合することによって行われています。高圧液体クロマトグラフ（HPLC ）からの溶出液もDARTソースの反応ゾーンに導入して分析することができます。DARTはキャピラリー電気泳動（CE）と組み合わせることができ、CEの溶出液はDARTイオンソースを介して質量分析計に導かれます。^[1]

正イオンモードでは、DART は主にプロトン化された分子 [M+H] ^{+ を}生成し 、負イオンモードでは脱プロトン化された分子 [MH] ^{− を}生成します。DART の負イオンモードと正イオンモードの両方で、比較的単純な質量スペクトルが得られます。分析対象物の種類によっては、複数の荷電付加物などの他の種が形成される場合があります。DART はソフトイオン化技術に分類されます。一部の分子では、フラグメンテーションがまれに観察されることがあります。

DARTを使用すると、従来の方法と比較して、サンプル量とサンプル準備が最小限に抑えられ、抽出手順が不要になり、検出限界と分析時間が短縮されます。また、広範囲の感度、複数の薬物分析物の同時測定、および製剤決定に十分な質量精度が得られます。^[7]

DARTイオン源は気相イオン化の一種であり、熱アシスト脱着をサポートするために、分析対象物の何らかの揮発性が必要です。^[14]これにより、DARTで分析できる分子のサイズ範囲が制限されます（m/z 50〜1200）。^{[1] [15]} DART-MSは、半定量分析と定量分析が可能です。表面からのサンプルの放出を加速するために、DARTガス流は通常100〜500℃の温度に加熱され、この操作は温度依存分析に使用できます。^[16]

DARTは、香料産業、製薬産業、食品・スパイス、法医学・健康、材料分析など、多くの分野で応用されています。^{[1] [7]}

法医学では、DARTは爆発物、戦争物質、薬物、インク、性的暴行の証拠の分析に使用されています。^{[17] [18]}臨床および製薬分野では、DARTは血液、血漿、尿などの体液分析や伝統医学の研究に利用されています。また、DARTは粉砕や抽出などのサンプル準備が不要なため、錠剤の形で医薬品の成分を検出することもできます。^{[19] [20]}

食品業界では、DARTは食品の品質と真正性の評価を保証します。また、飲料中のマイコトキシンの分析、 ^[21]カフェインの半定量分析、植物油の熱加速分解の監視、その他多くの食品安全分析にも使用されています。^[22]製造業界では、布地や髪の毛などの表面への香料の沈着と放出、繊維の染料の検出にDARTがよく利用されています。^[23]

DARTは環境分析に使用されています。例えば、水中の有機UVフィルター、土壌中の汚染物質、石油製品、エアロゾルなどの分析です。DARTは生物学研究でも重要な役割を果たしています。植物や生物の化学プロファイルの研究を可能にします。^[24]

• 周囲のイオン化
• 大気圧化学イオン化
• 大気圧光イオン化
• 脱離大気圧光イオン化
• 脱着エレクトロスプレーイオン化
• 電気グロー放電

• Robert B. Cody および James A. Laramee、「大気圧イオン化方法」、米国特許 6,949,741、2005年 9 月 27 日発行。(優先日: 2003 年 4 月)。
• James A. Laramee と Robert B. Cody「大気圧分析物イオン化法」米国特許 7,112,785、2006年 9 月 26 日発行。