脱着エレクトロスプレーイオン化

脱離エレクトロスプレーイオン化（DESI）は、大気条件下でのサンプルの化学分析のために質量分析（MS）と結合できる周囲イオン化技術です。結合イオン化源-MSシステムは、さまざまなソースの個々の機能をさまざまなMSシステムと組み合わせることでサンプルの化学決定を可能にするため、化学分析で人気があります。DESIは、サンプル表面に対して角度をつけて高速で移動する荷電溶媒ストリームを使用して、表面から分析対象物を抽出し、二次イオンを質量分析装置に向かって推進します。^{[1] [2]}このタンデム技術は、法医学分析、^[3]、医薬品、植物組織、果物、完全な生物組織、酵素基質複合体、代謝物、ポリマーの分析に使用できます。^{[4]したがって、DESI-MSは、食品および}医薬品管理、医薬品、環境モニタリング、バイオテクノロジーなど、さまざまな分野で適用できます。

DESIは、サンプルを真空中に置く必要のない方法を調査することを目的として、パデュー大学のGraham CooksグループのZoltan Takáts、Justin Wiseman、Bogdan Gologanによって2004年に開始されて以来、広く研究されてきました^{[3] 。DESIと}リアルタイム直接分析(DART)は両方とも、アンビエントイオン化技術の急速な成長に大きく貢献しており、今日では80を超える新しい技術が急増しています。^{[5] [6]}これらの方法により、複雑なシステムを準備なしで分析でき、スループットは1分あたり45サンプルにも達します。^[7] DESIは、エレクトロスプレーイオン化や表面脱着技術などの一般的な技術を組み合わせたものです。質量分析によるエレクトロスプレーイオン化は、1968年にマルコム・ドールによって報告されましたが^{[8] 、}ジョン・ベネット・フェンは1980年代後半にESI-MSの開発によりノーベル化学賞を受賞しました。^{[9]その後、1999年に、}シリコン上の脱離/イオン化と呼ばれる実験を利用した、開放表面および自由マトリックスの脱離実験が文献で報告されました。^[10]これら2つの進歩の組み合わせにより、DESIとDARTが主要な周囲イオン化技術として導入され、後に複数の異なる技術になりました。 特に、DESIの最適化に関する研究が増えたため、ナノスプレー脱離エレクトロスプレーイオン化（ナノDESI）が注目されています。 この技術では、分析対象物は2つの毛細管と分析表面の間に形成された液体ブリッジに脱離します。^[11]

DESI は、エレクトロスプレー(ESI) と脱着 (DI) イオン化法を組み合わせたものです。イオン化は、数ミリメートル離れたサンプル表面に帯電ミストを向けることによって行われます。 ^[12]エレクトロスプレーミストは空気圧でサンプルに向けられ、その後飛散した液滴が脱着したイオン化された分析対象物を運びます。イオン化後、イオンは空気中を移動し、質量分析計に接続された大気圧インターフェースに入ります。DESI は、サンプルの準備がほとんど必要なく、大気圧で微量サンプルの周囲イオン化を可能にする技術です。DESI は、特に空間分布と時間分布の両方を調べることで、その場での二次代謝物を調査するために使用できます。^[13]

DESIには2種類のイオン化メカニズムがあり、1つは低分子量分子に、もう1つは高分子分子に適用される。^[12]タンパク質やペプチドなどの高分子は、多価イオンが観察されるエレクトロスプレーのようなスペクトルを示す。これは分析物の脱着を示唆しており、液滴内の複数の電荷が分析物に簡単に移行する可能性がある。荷電した液滴はサンプルに当たり、元の直径よりも大きな直径に広がり、タンパク質を溶解して再跳ね返る。液滴は質量分析計の入口まで移動し、さらに脱溶媒和される。エレクトロスプレーに通常使用される溶媒は、メタノールと水の組み合わせである。

低分子量分子の場合、イオン化は電荷移動（電子または陽子）によって起こります。電荷移動には 3 つの可能性があります。1 つ目は、溶媒イオンと表面の分析対象物との間の電荷移動です。2 つ目は、気相イオンと表面の分析対象物との間の電荷移動です。この場合、溶媒イオンはサンプル表面に到達する前に蒸発します。これは、スプレーから表面までの距離が大きい場合に発生します。3 つ目は、気相イオンと気相分析対象物分子との間の電荷移動です。これは、サンプルの蒸気圧が高い場合に発生します。

DESI における低分子量分子のイオン化メカニズムは、気相で電荷移動が発生するという点で、 DART のイオン化メカニズムと似ています。

DESIのイオン化効率は複雑で、表面効果、エレクトロスプレーパラメータ、化学パラメータ、幾何学的パラメータなどのいくつかのパラメータに依存します。^[12]表面効果には、化学組成、温度、印加電位が含まれます。エレクトロスプレーパラメータには、エレクトロスプレー電圧、ガスおよび液体の流量が含まれます。化学パラメータは、スプレーされた溶媒の組成（例：NaClの添加）を指します。幾何学的パラメータは、α、β、d ₁、d ₂です（右の図を参照）。

さらに、α と d _{1 は}イオン化効率に影響し、β と d _{2 は}収集効率に影響します。最適な α 値と d1 値を決定するためにさまざまな分子に対して実行されたテストの結果、高分子量 (タンパク質、ペプチド、オリゴ糖など) と低分子量 (ジアゾ染​​料、ステレオイド、カフェイン、ニトロ芳香族など) の 2 つの分子セットがあることがわかりました。高分子量グループの最適条件は、高い入射角 (70～90°) と短い d ₁距離 (1～3 mm) です。低分子量グループの最適条件は、その逆で、低い入射角 (35～50°) と長い d ₁距離 (7～10 mm) です。これらのテスト結果は、各分子グループが異なるイオン化メカニズムを持っていることを示しています。詳細は「動作原理」のセクションで説明されています。

スプレーチップと表面ホルダーは両方とも 3D 移動ステージに取り付けられており、4 つの幾何学的パラメータ (α、β、d ₁、d ₂₎の特定の値を選択できます。

レーザーアブレーションエレクトロスプレーイオン化（LAESI）質量分析法は、植物や動物の組織イメージング、生細胞イメージング、そして最近では細胞ごとのイメージングに適用できるアンビエントイオン化技術です。^[14]この技術では、中赤外レーザーを使用してサンプルをアブレーションし、中性分子の雲を作ります。次に、この雲に上からエレクトロスプレーを当ててイオン化を引き起こします。脱着したイオンは、分析のために質量分析計に送られます。この方法は、アプリケーションでのイメージングにも適しています。分析は、マトリックスを必要とせずにパルスレーザー照射によって脱着できます。この方法は、小さな有機分子から大きな生体分子まで、あらゆるものに最適です。^[15]

生体分子に適した別の方法は、マトリックス支援レーザー脱離エレクトロスプレーイオン化（MALDESI）です。この技術では、赤外線レーザーイオン化を利用してサンプル分子を励起し、脱離イオンをMS分析に備えます。ソースの形状とESIとマトリックス間の距離は、サンプル化合物の効率に影響を与えます。^[16]この技術は水性サンプルにも使用できます。水滴をレーザーの焦点に置くか、水滴を乾燥させて固体にすることができます。平面サンプルでは、​​この実験を行うためにサンプルを準備する必要はありません。

イオン移動度分光法（IMS）は、電場を印加してMS分析の前に空間的に分離した際のイオン移動度の差に基づいて気相中のイオンを分離する技術である。^[17]イオン移動度質量分析のイオン源としてDESIが導入されたことで、IMSの用途は揮発性分析を伴う気相サンプルのみから、無傷の構造および水性サンプルにも拡大した。^[18]飛行時間型質量分析計と組み合わせると、タンパク質の分析も可能になる。^[19]これらの技術は互いに連携して、イオン化後のイオンの形状と反応性を調べる。このセットアップの主な特徴は、質量分析の前にDESIで生成されたイオンの分布を分離できることである。^[19]

前述のように、DESI を使用すると、サンプルの準備やクロマトグラフィーによる分離を必要とせずに、天然サンプルを直接調査できます。ただし、この不要なサンプル準備のために、作成されるスペクトルは非常に複雑になる可能性があります。そのため、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴をDESI に結合して、解像度を高めることができます。DESI は、6 つのリニア移動ステージと 1 つの回転ステージで構成できます。^[20]これには、サンプル用の 3D リニアステージと、スプレーマウント用の回転ステージが含まれます。FTICR を DESI に結合すると、質量精度を 3 ppm 未満に高めることができます。^[21]これは、液体サンプルと固体サンプルの両方で実行できます。

DESIは、LC溶離液分割戦略を使用して超高速液体クロマトグラフィーと組み合わせることができます。これは、LCキャピラリーチューブの小さなオリフィスを介した戦略です。デッドボリュームと背圧はごくわずかであるため、高速溶出および精製によるほぼリアルタイムの質量分析検出が可能になります。 ^[22]この組み合わせは、小さな有機物から高質量タ​​ンパク質まで、幅広い分子をイオン化するために使用できます。これは、サンプルに「メイクアップ」溶媒/酸をドープする必要なく、塩を含むサンプル溶液を直接分析するために使用できるという点で、ESI（エレクトロスプレーイオン化）とは異なります。^{[23]このセットアップにより、分割せずに高流量が可能になります。}逆相HPLCによって達成される高分解能をこの手順と組み合わせると、天然物のハイスループットスクリーニングも生成できます。^[24]電気化学コンポーネントを組み込むと、電気化学変換によるイオン化効率が向上します。^[25]この方法は、セルに印加される小さな電位をDESIのスプレーの電位から分離する必要がないという点でESIよりも優れていることが証明されています。DESIは無機塩電解質に対する耐性も優れており、電気分解で使用される従来の溶媒を使用できます。^[24]

DESIでは、高速の空気圧式エレクトロスプレージェットがプローブ表面に向かって継続的に噴射されます。ジェットはサンプル上にマイクロメートルサイズの薄い溶媒膜を形成し、そこでサンプルは脱着されます。サンプルは流入するスプレージェットによって除去され、二次イオン液滴を含む分析物の排出コーン内で粒子が剥がれます。^[26] DESIの動作原理を調べるために多くの研究がまだ行われていますが、いくつかのことがわかっています。DESIによって形成されるスプレースポットの浸食直径は、空間分解能に直接関係していることがわかっています。表面の化学組成とテクスチャの両方もイオン化プロセスに影響します。最も一般的に使用される噴霧ガスは、標準圧力160 psiに設定されたN _{2です。溶媒は}メタノールと水の組み合わせで、0.5%酢酸と組み合わせて10 μL/分の流量で使用されることもあります。^[27]表面は2つの異なる方法で取り付けることができ、1つの方法は、ステンレス鋼の表面にある1 x 5 cmの使い捨て表面スライドを保持できる表面ホルダーで構成されています。スチール表面には、適切な表面電位を提供するために電圧が印加されます。印加できる表面電位は、噴霧器を設定できる電位と同じです。2番目の表面は、ヒーターが組み込まれたアルミニウムブロックで作られており、新しいステージにはCCDと光源が組み込まれており、最大300°Cの温度制御が可能です。それらのスペクトルはESIに似ています。サンプル/溶媒相互作用の凝縮相から生じる多価イオンアルカリ金属付加物と非共有結合錯体を特徴としています。^[12] DESIはより穏やかなイオン化条件を持っていることが明らかになっており、金属付加物の形成がより顕著になり、二次液滴の特定の電荷が低くなります^[要出典]。

• 二次イオン質量分析法
• マトリックス支援レーザー脱離イオン化
• 質量分析イメージング
• エレクトロスプレーイオン化
• 二次エレクトロスプレーイオン化

• パーデュー・アストン研究所 - DESI
• ゾルタン・タカツ教授の個人ページ - インペリアル・カレッジ・ロンドン