イオン移動度分光法

イオン移動度分光法（IMS）は、キャリアバッファガス中の分子の移動度に基づいて、気相中に存在するイオン化分子を分離および識別する分析研究の方法です。薬物や爆発物の検出など、軍事または安全保障の目的で広く使用されていますが、この技術は、小さな生体分子や大きな生体分子の研究など、実験室分析にも多くの用途があります。^[1] IMS機器は、非常に感度の高いスタンドアロンデバイスですが、多次元分離を実現するために、質量分析法、ガスクロマトグラフィー、または高性能液体クロマトグラフィーと組み合わせられることがよくあります。特定のアプリケーションに応じて、数ミリメートルから数メートルまでさまざまなサイズがあり、幅広い条件下で動作できます。マイクロスケール高電界非対称波形イオン移動度分光法などのIMS機器は、手のひらに収まるサイズで、揮発性有機化合物（VOC）の監視、生物学的サンプルの分析、医療診断、食品品質の監視など、さまざまなアプリケーションで使用できます。 ^[2]高圧（すなわち大気圧、1気圧または1013hPa）で動作するシステムでは、高温（100℃以上）を伴うことが多いが、低圧システム（1～20hPa）では加熱を必要としない。^[要出典]

IMS は、1950 年代から 1960 年代にかけて、ジョージア工科大学のEarl W. McDaniel氏によって主に開発されました。当時、同氏は低電界を印加したドリフト セルを使用して、気相イオンの移動度と反応を研究していました。 ^[3]その後の数十年間で、同氏は、自分が取り組んでいた最新の技術を磁気セクター質量分析計に統合しました。この期間中、他の人々も同氏の技術を斬新かつ独創的な方法で利用しました。それ以来、IMS セルは、質量分析計、ガス クロマトグラフ、高性能液体クロマトグラフィー機器のさまざまな構成に組み込まれています。IMS はさまざまな状況で使用される方法であり、その機能に加えて、サポートできるアプリケーションの幅も継続的に拡大されています。

おそらくイオンモビリティ分光法の最大の強みは、分離が起こる速度（通常は数十ミリ秒のオーダー）です。この機能は、使いやすさ、比較的高い感度、および非常にコンパクトな設計と相まって、爆発物、麻薬、化学兵器の現場検出用の日常的なツールとして商用製品として使用されています。空港で使用されるIMSスクリーニングデバイスの主要メーカーは、MorphoとSmiths Detectionです。Smithsは2017年にMorpho Detectionを買収し、その後、ビジネスのTrace側の所有権を法的に売却する必要がありました（SmithsはTrace Productsを所有しています）^[4]。これは2017年半ばにRapiscan Systemsに売却されました。製品はETD Itemisersの下にリストされています。最新モデルは非放射線4DXです。

製薬業界では、IMSは洗浄バリデーションに使用され、反応容器が次の医薬品バッチに進むのに十分清潔であることを証明します。IMSは、これまで使用されていたHPLCや全有機炭素法よりもはるかに高速で正確です。IMSは、製造された医薬品の組成を分析するためにも使用され、品質保証と管理に役立っています。^[5]

研究ツールとして、イオンモビリティは、生物学的材料、特にプロテオミクスとメタボロミクスの分析で広く使用されるようになっています。たとえば、イオン化法としてMALDIを使用するIMS-MSは、プロテオミクスの進歩に貢献し、分析中のタンパク質片のより高速で高解像度の分離を可能にしました。^{[6]さらに、回転平均衝突断面積（CCS）値を取得できるため、}グリコミクスにとって非常に有望なツールです。CCS値は、気相中のイオンの重要な識別特性であり、経験的な決定に加えて、分子の3D構造がわかっている場合は計算によって計算することもできます。このように、グリカンとそのフラグメントのCCS値をデータベースに追加することで、構造同定の信頼性と精度が向上します。^[7]

実験室以外では、IMSは有害物質の検出ツールとして広く使用されています。世界中の空港では10,000台以上のIMSデバイスが使用されており、米軍は50,000台以上のIMSデバイスを保有しています。^{[8] [9]}産業現場では、IMSは機器の清浄度をチェックしたり、プロセスからの排気ガス中の塩酸やフッ化水素酸の量を測定するなど、排出物の含有量を検出したりするために使用されています。^[10]また、空気中の有害物質を検出するために産業目的でも使用されています。^[11]

メタボロミクスでは、IMS は肺がん、慢性閉塞性肺疾患、サルコイドーシス、肺移植後の拒絶反応の可能性、肺内の細菌との関係を検出するために使用されます(呼気ガス分析を参照)。

物理量イオン移動度Kは、ガス中のイオンのドリフト速度v _dと電界強度Eとの間の比例係数として定義されます。

${\displaystyle v_{\text{d}}=KE}$

n0 標準ガス密度を考慮して必要な調整を行った後、イオン移動度は多くの場合、減少した移動度として表されます。この数値は、標準温度 T0 = 273 K、標準圧力 p0 = 1013 hPa として表すこともできます。これらは両方とも、下の表に記載されています。イオン濃度は、イオン移動度を指すときに使用される別の用語です。このため、減少したイオン移動度は依然として温度に依存しますが、この調整ではガス密度の減少以外の影響は考慮されません。

${\displaystyle K_{0}=K{\frac {n}{n_{0}}}=K\ {\frac {T_{0}}{T}}\ {\frac {p}{p_{0}}}}$

イオン移動度K は、さまざまな仮定の下で、メイソン・シャンプ方程式によって計算できます。

${\displaystyle K={\frac {3}{16}}{\sqrt {\frac {2\pi }{\mu kT}}}{\frac {Q}{n\sigma }}}$

ここで、Qはイオン電荷、nはドリフトガス数密度、μはイオンとドリフトガス分子の換算質量、 kはボルツマン定数、Tはドリフトガス温度、σ はイオンとドリフトガス分子の衝突断面積です。多くの場合、ドリフトガス数密度にはnの代わりにNが使用され、イオンと中性粒子の衝突断面積にはσの代わりに Ω が使用されます。この関係は、低電界限界でほぼ成り立ち、E/Nの比が小さく、したがってイオンの熱エネルギーは衝突間の電界から得られるエネルギーよりもはるかに大きくなります。これらのイオンはバッファガス分子と同様のエネルギーを持っているため、この場合、拡散力がイオンの動きを支配します。比E / Nは、通常、タウンゼント(Td)で示され、低電界条件と高電界条件の間の遷移は通常、2 Td から 10 Td の間で発生すると推定されます。^[12]低電界条件がなくなると、イオン移動度自体は電界強度の関数となり、通常はアルファ関数と呼ばれる経験的に記述される。

${\displaystyle K\left({\frac {E}{N}}\right)=K(0)\,\left[1+\alpha \left({\frac {E}{N}}\right)\right]=K(0)\,\left[1+\alpha _{2}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{2}+\alpha _{4}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{4}+...\right]}$

サンプルの分子は、通常、コロナ放電、大気圧光イオン化（APPI）、エレクトロスプレーイオン化（ESI）、または放射性大気圧化学イオン化（R-APCI）源（例えば、イオン化煙検知器で使用されるものと同様の^63Niまたは^241Amの小片）によってイオン化される必要がある。^[13] ESIおよびMALDI技術は、IMSを質量分析と組み合わせる場合によく使用される。

イオン化選択性を高めるためにドリフトガスにドーピング物質が添加されることもあります。例えば、化学兵器の検出にはアセトン、爆発物の検出には塩素系溶剤、薬物の検出にはニコチンアミドが添加されます。^[14]

イオン移動度分光計は様々な原理に基づいており、さまざまな用途に最適化されています。2014年のレビューでは、8つの異なるイオン移動度分光計の概念がリストされています。^[15]

ドリフト チューブ イオン移動度分光法 (DTIMS) は、特定のイオンが特定の大気中の均一な電界内で特定の長さを移動するのにかかる時間を測定します。指定された間隔で、イオンのサンプルがドリフト領域に送られます。ゲート機構は、三極管の制御グリッドが電子に対して機能するのと同様に機能する帯電電極に基づいています。ドリフト チューブに送られるイオン パルス幅を正確に制御するには、ブラッドベリー ニールセンやフィールド スイッチング シャッターなどのより複雑なゲート システムが使用されます。ドリフト チューブに入ると、イオンは数ボルト/センチメートルから数百ボルト/センチメートルの範囲の均一な電界にさらされます。次に、この電界によってイオンがドリフト チューブを通過し、システム内に含まれる中性ドリフト分子と相互作用してイオン移動度に基づいて分離され、測定のために検出器に到達します。イオンは、最も速いものから最も遅いものの順に検出器に記録され、測定対象サンプルの化学組成に特徴的な応答信号が生成されます。

イオン移動度K は、均一な電界内をドリフト長Lにおける電位差Uで横切るイオンのドリフト時間t _Dから実験的に決定できます。

${\displaystyle K={\frac {L^{2}}{t_{\text{D}}U}}}$

ドリフトチューブの分解能R _{P は}、拡散がピークの広がりの唯一の要因であると仮定すると、次のように計算できます。

${\displaystyle R_{\text{P}}={\frac {t_{\text{D}}}{\Delta t_{\text{D}}}}={\sqrt {\frac {LEQ}{16kT\ln 2}}}}$

ここで、t _Dはイオンのドリフト時間、Δ t _Dは最大値の半分の幅、Lはチューブの長さ、Eは電界強度、Qはイオンの電荷、kはボルツマン定数、Tはドリフトガスの温度です。大気圧法では、イオンと分子の相互作用率が高いため、より高い分解能と分離選択性が得られ、通常はスタンドアロンデバイスのほか、ガス、液体、超臨界流体クロマトグラフィーの検出器に使用されます。上記のように、分解能はイオンが通過する全電圧降下に依存します。長さ 15 cm の大気圧ドリフトチューブで 25 kV のドリフト電圧を使用すると、小さな単電荷イオンでも 250 を超える分解能を実現できます。^{[16]これは、一部の同位体分子を、}換算質量 μの差に基づいて分離するのに十分です。^[17]

減圧ドリフトチューブは大気圧ドリフトチューブと同じ原理で動作しますが、ドリフトガス圧力はわずか数トルです。イオンと中性粒子の相互作用の数が大幅に減少するため、同じ分解能を達成するには、はるかに長いドリフトチューブまたははるかに高速なイオンシャッターが必要です。しかし、減圧操作にはいくつかの利点があります。まず、IMSと質量分析計のインターフェイスが容易になります。^[3] 2番目に、低圧では、イオンをイオントラップから注入するために保存し、 ^[18]分離中および分離後に放射状に再フォーカスできます。3番目に、高いE / N値を達成できるため、広範囲でK（E / N ）を直接測定できます。 ^[19]

ドリフト電界は通常均一ですが、不均一なドリフト電界も使用できます。1 つの例は、進行波 IMS です。^[20]これは、電界がドリフト チューブの小さな領域にのみ適用される低圧ドリフト チューブ IMS です。この領域はドリフト チューブに沿って移動し、イオンを検出器に向かって押し出す波を生成するため、高い総ドリフト電圧は不要になります。TWIMS を使用して衝突断面積 (CCS) を直接決定することはできません。較正剤はこの大きな欠点を回避するのに役立ちますが、これらは特定の分析対象物のサイズ、電荷、および化学クラスに適合している必要があります。^[21]特に注目すべきバリエーションは「SUPER」IMS です。^[22]これは、いわゆる損失のないイオン操作のための構造 (SLIM) によるイオン トラッピングと、同じドリフト領域を複数回通過させることを組み合わせて、非常に高い分解能を実現します。

トラップイオンモビリティ分光法（TIMS）では、軸方向の電界勾配（EFG）プロファイルによってイオンが流動バッファガス内で静止（またはトラップ）され、無線周波数（RF）電位の適用によって放射方向にトラッピングされます。^[23] TIMSは2～5hPaの圧力範囲で動作し、最新の質量分析計のソース領域にあるイオンファンネルに代わるものです。ビーム型機器の標準動作モード、またはトラッピング質量分析（MS）機器と併用する場合の選択的蓄積モード（SA-TIMS）のいずれかを介して、ほぼすべての質量分析装置と結合できます。

事実上、ドリフトセルはガス流によって生じるイオン運動によって延長される。^[24]したがって、TIMSデバイスは、高解像度を実現するために大きなサイズや高電圧を必要とせず、たとえば、分離時間を延長することで4.7 cmのデバイスから250を超える分解能を達成している。^[25]ただし、分解能はイオン移動度に大きく依存し、移動性の高いイオンが増えると分解能は低下する。さらに、TIMSはイオン経路にグリッドやシャッターが存在しないため、他のイオン移動度システムよりも高い感度が可能であり、イオン移動度実験中および透過型MSのみのモードで動作している間の両方でイオン透過性が向上する。

DMS (微分移動度分光計) または FAIMS (非対称電界イオン移動度分光計) は、高電界における電界強度Eに対するイオン移動度Kの依存性を利用します。イオンはドリフトガス流によって装置内を輸送され、異なる時間、直交方向の異なる電界強度にさらされます。イオンは、移動度の変化に基づいて分析装置の壁に向かって偏向します。これにより、特定の移動度依存性を持つイオンのみが、このようにして作成されたフィルターを通過できます。

微分型移動度分析装置( DMA )は、電界に対して垂直な高速ガス流を利用します。これにより、移動度の異なるイオンは異なる軌道をたどります。このタイプの IMS は、質量分析法のセクター機器に相当します。また、スキャン可能なフィルターとしても機能します。例としては、 CP-4900 MicroGC でVarianが初めて商品化した微分型移動度検出器があります。吸引 IMS は、サンプル空気のオープンループ循環で動作します。サンプルの流れはイオン化室を通過し、次に測定領域に入り、そこでイオンは静的または変化する垂直電界によって 1 つ以上の測定電極に偏向されます。センサーの出力はイオン移動度分布の特性を示し、検出および識別の目的で使用できます。

DMAは、電界内での移動度に応じて帯電エアロゾル粒子またはイオンを分離してから検出することができ、これは電位計やより高度な質量分析計を含むいくつかの手段で行うことができます。^{[26] [27] [28]}

ドリフトガスの組成は、IMS装置の設計と分解能にとって重要なパラメータです。多くの場合、異なるドリフトガスの組成により、本来は重なり合っているピークを分離することができます。^[29]ガス温度を高くすると、実験測定を歪める可能性のあるイオンクラスターを除去するのに役立ちます。^{[30] [31]}

検出器はトランスインピーダンスアンプに接続された単純なファラデープレートであることが多いが、より高度なイオン移動度測定器は質量分析計と接続されており、サイズと質量の両方の情報を同時に取得できる。検出器がイオン移動度実験の最適な動作条件に影響を与えることは注目に値する。^[32]

IMS は他の分離技術と組み合わせることができます。

IMS をガスクロマトグラフィーと組み合わせる場合、一般的なサンプル導入は GC キャピラリーカラムを IMS セットアップに直接接続して行い、分子は GC から溶出するときにイオン化されます。^[14]同様の技術がHPLCでも一般的に使用されています。キャピラリーガスクロマトグラフィー後の検出器としてのコロナ放電イオン化イオン移動度分光法 (CD-IMS) の新しい設計が 2012 年に生み出されました。この設計では、コロナ放電の生成に中空針が使用され、流出液はコロナ源の上流側のイオン化領域に流入しました。キャピラリーを IMS セルに結合するという実用的な利便性に加えて、この直接的な軸方向のインターフェイスにより、より効率的なイオン化が実現し、感度が向上します。

GCで使用される場合、微分型移動度分析装置は、しばしば微分型移動度検出器（DMD）と呼ばれます。^[33] DMDは、多くの場合、マイクロエレクトロメカニカルシステム、無線周波数変調イオンモビリティ分光法（MEMS RF-IMS）デバイスの一種です。^[34]小型ですが、移動可能なガスクロマトグラフや薬物/爆発物センサーなどのポータブルユニットに収まります。たとえば、バリアンはCP-4900 DMD MicroGCに、サーモフィッシャーは輸送やその他のセキュリティアプリケーションで麻薬や爆発物を検出するために設計されたEGIS DefenderシステムにDMDを採用しました。

LCとMSと組み合わせることで、IMSは生体分子の分析に広く使用されるようになり、この手法は、現在インディアナ大学（ブルーミントン）に在籍するDavid E. Clemmerによって大きく発展しました。^[35]

IMSを質量分析法と併用すると、イオン移動度分析法-質量分析法は、信号対雑音比の向上、異性体分離、電荷状態の識別など、多くの利点をもたらします。^{[3] [36]} IMSは、四重極型、飛行時間型、フーリエ変換サイクロトロン共鳴型など、いくつかの質量分析装置に一般的に取り付けられています。

イオンモビリティ質量分析法は、比較的最近普及した気相イオン分析技術です。そのため、機器に付属するソフトウェアパッケージを除けば、イオンモビリティ質量分析データを表示および分析するための大規模なソフトウェアは存在しません。ProteoWizard、^[37]、 OpenMS、^[38]、msXpertSuite ^[39]は、OpenSourceInitiativeの定義によればフリーソフトウェアです。ProteoWizardとOpenMSにはスペクトルを精査する機能がありますが、これらのソフトウェアパッケージには組み合わせ機能がありません。対照的に、msXpertSuiteは、保持時間、m/z範囲、ドリフト時間範囲など、さまざまな基準に従ってスペクトルを組み合わせる機能を備えています。したがって、msXpertSuiteは、質量分析計に通常バンドルされているソフトウェアをより厳密に模倣しています。

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