エレクトロスプレーイオン化

エレクトロスプレーイオン化（ESI ）は、液体に高電圧をかけてエアロゾルを生成するエレクトロスプレーを使用してイオンを生成する質量分析法で使用される技術です。イオン化時にこれらの分子が断片化する傾向を克服するため、高分子からイオンを生成するのに特に役立ちます。ESIは、多重電荷イオンを生成できるため、分析装置の質量範囲を効果的に拡張し、タンパク質や関連するポリペプチド断片で観察されるkDa-MDaオーダーに対応できるため、他のイオン化プロセス（例：マトリックス支援レーザー脱離イオン化、 MALDI）とは異なります。^{[1] [2]}

ESI を使用した質量分析は、エレクトロスプレーイオン化質量分析 (ESI-MS) または、あまり一般的ではないがエレクトロスプレー質量分析 (ES-MS) と呼ばれます。ESI は、断片化がほとんどないため、いわゆる「ソフトイオン化」技術です。これは、分子イオン (より正確には擬似分子イオン) がほぼ常に観察されるという点で有利ですが、取得された単純な質量スペクトルから得られる構造情報はほとんどありません。この欠点は、ESI をタンデム質量分析(ESI-MS/MS) と組み合わせることで克服できます。ESI のもう 1 つの重要な利点は、溶液相の情報をガス相に保持できることです。

エレクトロスプレーイオン化技術は、1984年に山下正道とジョン・フェンによって初めて報告され、^{[3]同じく1984年にソ連の}リディア・ガルとその同僚によって独立に報告されました。 ^[4]ガルの研究は、2008年に翻訳が出版されるまで、西洋の科学文献では認められておらず、翻訳もされていませんでした。^[4]生体高分子の分析のためのエレクトロスプレーイオン化の開発^{[5] は}、 2002年にジョン・ベネット・フェンと田中耕一にノーベル化学賞が授与されるという形で評価されました。 ^[6] フェンが使用したオリジナルの機器の1つは、ペンシルベニア州フィラデルフィアの 科学史研究所に展示されています。

1882年、レイリー卿は、液体の液滴が微細な液体の噴流を放出する前に運ぶことができる最大の電荷量を理論的に推定しました。^[7]これは現在、レイリー限界として知られています。

1914年、ジョン・ゼレニーはガラス毛細管の先端における液滴の挙動に関する研究を発表し、さまざまなエレクトロスプレーモードの証拠を提示した。^[8]ウィルソンとテイラー^[9]とノーランは1920年代にエレクトロスプレーを調査した^[10]マッキーは1931年に調査した。 ^[11]エレクトロスプレーコーン（現在はテイラーコーンとして知られている）はジェフリー・イングラム・テイラー卿によって説明された。^[12]

エレクトロスプレーイオン化質量分析法の最初の応用は、1968年にマルコム・ドールによって報告されました。 ^{[13] [14]}ジョン・ベネット・フェンは、1980年代後半にエレクトロスプレーイオン化質量分析法を開発したことにより、2002年のノーベル化学賞を受賞しました。 ^[15]

^{対象となる分析対象物（通常は10 -6} - 10 ^-4 M必要^[16]）を含む液体は、エレクトロスプレー^[17]によって微細なエアロゾルに分散される。イオン形成には大量の溶媒蒸発（脱溶媒和とも呼ばれる）が伴うため、エレクトロスプレーイオン化用の一般的な溶媒は、水と揮発性有機化合物（例：メタノール^[18]アセトニトリル）を混合して調製される。初期の液滴サイズを小さくするために、導電性を高める化合物（例：酢酸）が通常溶液に加えられる。これらの種は、イオン化プロセスを容易にするためのプロトン源としても機能する。大流量エレクトロスプレーは、ESI源の高温に加えて、窒素や二酸化炭素などの加熱された不活性ガスの噴霧化から恩恵を受けることができる。 ^[19]エアロゾルは、約 3000 V の電位差を持つ毛細管を通して質量分析計の最初の真空段階にサンプリングされ、毛細管を加熱することで帯電液滴からの溶媒の蒸発をさらに促進することができます。溶媒は帯電液滴から蒸発し、レイリー限界に達すると不安定になります。この時点で、液滴は変形します。液滴のサイズが小さくなり続ける中で、同種の電荷の静電反発力が液滴をまとめている表面張力よりも強くなるためです。^[20]この時点で液滴はクーロン分裂を起こし、元の液滴が「爆発」して、より小さく安定した液滴が多数生成されます。新しい液滴は脱溶媒和を起こし、その後さらにクーロン分裂を起こします。分裂中、液滴は質量のわずかな割合 (1.0～2.3%) と比較的大きな割合の電荷 (10～18%) を失います。^{[21] [22]} 

気相イオンの最終的な生成を説明する2つの主要な理論があります。イオン蒸発モデル（IEM）と電荷残留モデル（CRM）です。IEMは、液滴が特定の半径に達すると、液滴表面の電界強度が溶媒和イオンの電界脱離を助けるのに十分大きくなることを示唆しています。^{[23] [24]} CRMは、エレクトロスプレー液滴が蒸発と分裂のサイクルを経て、最終的に平均1個以下の分析対象イオンを含む子孫液滴につながることを示唆しています。^[13]残りの溶媒分子が蒸発した後に気相イオンが形成され、液滴が運んだ電荷を持つ分析対象が残ります。

多数の証拠が直接的または間接的に、小さなイオン（小さな分子から）はイオン蒸発機構によって気相に放出されることを示しています。 ^{[24] [25] [要出典] [26]}一方、より大きなイオン（例えば折り畳まれたタンパク質から）は荷電残留機構によって形成されます。^{[27] [28] [29]}

荷電残基と電界放出を組み合わせた3番目のモデルが提案されている。 [ ³⁰ ]不規則ポリマー（折り畳まれていないタンパク質）に対しては、鎖放出モデル（CEM）と呼ばれる別のモデルが提案されている。^[31]

質量分析によって観測されるイオンは、水素陽イオンの添加によって生成される準分子イオン（[ M  + H] ⁺と表記）、またはナトリウムイオンなどの別の陽イオン（[ M  + Na] ⁺）または水素原子核の除去（[ M  − H] ^{− ）である可能性がある。 [} M  +  n H] ^{n +}などの多価イオンがしばしば観測される。大きな高分子の場合、多くの電荷状態が存在する可能性があり、その結果、特徴的な電荷状態エンベロープが生じる。これらはすべて偶数電子イオン種である。他のイオン化源とは異なり、電子（のみ）は追加または除去されない。分析対象物は電気化学プロセスに関与することがあり、質量スペクトルの対応するピークのシフトにつながる。この効果は、銅、銀、金などの貴金属をエレクトロスプレーで直接イオン化することで実証されている。^[32]

ESIにおける小分子の気相イオン生成効率は、化合物の構造、使用する溶媒、機器パラメータによって異なります。^[33]イオン化効率の差は100万倍以上に達します。

低流量で作動するエレクトロスプレーは、はるかに小さい初期液滴を生成し、イオン化効率の向上を保証します。1993年にGaleとRichard D. Smithは、 200 nL/分までの低流量を使用することで、大幅な感度の向上が達成できることを報告しました。^[34] 1994年に、2つの研究グループが低流量で作動するエレクトロスプレーをマイクロエレクトロスプレー（マイクロスプレー）と名付けました。EmmettとCaprioliは、エレクトロスプレーを300～800 nL/分で作動させた場合、HPLC-MS分析のパフォーマンスが向上することを実証しました。^[35] WilmとMannは、約25 nL/分の毛細管流量で、ガラス毛細管を数マイクロメートルに引き伸ばして作製したエミッターの先端でエレクトロスプレーを維持できることを実証しました。^[36]後者は1996年にナノエレクトロスプレー（ナノスプレー）に改名されました。^{[37] [38]} 現在、ナノスプレーという名前は、自己供給エレクトロスプレーだけでなく、低流量でポンプによって供給されるエレクトロスプレーにも使用されています。 エレクトロスプレー、マイクロスプレー、ナノエレクトロスプレーの流量範囲は明確に定義されていないかもしれませんが、^{[40] は「}イオン放出前の液滴分裂中の分析対象物の分配の変化」を研究しました。^[40]この論文では、他の3つのグループによって得られた結果を比較しています。^{[41] [42] [43]}次に、異なる流量で 信号強度比[Ba ²⁺ + Ba ⁺ ]/[BaBr ⁺ ]を測定します。

コールドスプレーイオン化は、サンプルを含む溶液を小さな冷たい毛細管（10～80℃）に通して電界にかけ、冷たい荷電液滴の微細な霧を生成するエレクトロスプレーの一種です。^[44]この方法の用途には、通常のエレクトロスプレーイオン化では研究できない脆弱な分子やゲスト-ホスト相互作用の分析などがあります。

エレクトロスプレーイオン化は 25 torr という低圧でも実現されており、リチャード・D・スミスと同僚らが開発した 2 段階イオンファンネルインターフェースに基づいて、ナノエレクトロスプレーによる亜大気圧イオン化 (SPIN) と呼ばれています。^[45] SPIN の実装では、イオンファンネルを使用してイオンを質量分析計の低圧領域に閉じ込めて移動させるため、感度が向上しました。ナノエレクトロスプレーエミッターは、約 1～3 マイクロメートルの小さな開口部を持つ細い毛細管で作られています。十分な導電性を確保するために、この毛細管は通常、金などの導電性材料でスパッタコーティングされています。ナノエレクトロスプレーイオン化では、サンプルのわずか数マイクロリットルしか消費されず、より小さな液滴が形成されます。^[46] 低圧での操作は、より小さなエレクトロスプレー液滴サイズによって効果的な脱溶媒和とイオン形成が達成される低流量の場合に特に効果的でした。その結果、研究者らは後に、イオンを液相から気相へイオンとして移動させ、デュアルイオンファンネルインターフェースを介して質量分析計に伝達する際の全体的なイオン化利用効率が50％を超えることを実証することができました。^[47]

アンビエントイオン化では、サンプルの準備なしに質量分析計の外でイオンの形成が起こります。^{[48] [49] [50]}エレクトロスプレーは、多くのアンビエントイオン源でのイオン形成に使用されています。

脱離エレクトロスプレーイオン化（DESI）は、溶媒エレクトロスプレーをサンプルに向ける周囲イオン化技術です。 ^{[51] [52]}エレクトロスプレーは、サンプルに電圧を印加することで表面に引き付けられます。サンプル化合物は溶媒に抽出され、再び高電荷の液滴としてエアロゾル化され、蒸発して高電荷イオンを形成します。イオン化後、イオンは質量分析計の大気圧インターフェースに入ります。DESIは、サンプルの準備をほとんどせずに、大気圧でのサンプルの周囲イオン化を可能にします。

抽出型エレクトロスプレーイオン化は、2つの混合スプレーを使用するスプレー型の周囲イオン化法であり、そのうちの1つはエレクトロスプレーによって生成される。^[49]

レーザーベースのエレクトロスプレーベースのアンビエントイオン化は、パルスレーザーを使用してサンプルから物質を脱着またはアブレーションし、物質のプルームがエレクトロスプレーと相互作用してイオンを生成する2段階のプロセスです。^[49]アンビエントイオン化では、サンプル物質はエレクトロスプレーの近くのターゲットに堆積されます。レーザーはサンプルから物質を脱着またはアブレーションし、表面からエレクトロスプレーに放出され、高電荷イオンを生成します。例としては、エレクトロスプレーレーザー脱着イオン化、マトリックス支援レーザー脱着エレクトロスプレーイオン化、レーザーアブレーションエレクトロスプレーイオン化があります。

静電噴霧イオン化(ESTASI) は、平面または多孔質表面、あるいはマイクロチャネル内部にあるサンプルの分析に使用されます。分析対象物を含む液滴がサンプル領域に付着し、パルス高電圧が印加されます。静電圧力が表面張力よりも大きい場合、液滴とイオンが噴霧されます。

二次エレクトロスプレーイオン化（SESI）は、スプレータイプの周囲イオン化法であり、エレクトロスプレーによって帯電イオンが生成されます。これらのイオンは、ガス相中の蒸気分子と衝突して、蒸気分子を帯電させます。^{[53] [54]}

紙スプレーイオン化では、サンプルを紙に塗布し、溶媒を加え、紙に高電圧をかけてイオンを生成します。

エレクトロスプレーはタンパク質の折り畳みを研究するために使用されます。^{[55] [56] [57]}

エレクトロスプレーイオン化は、液体クロマトグラフィーと質量分析（LC-MS）を組み合わせるためのイオン源として最適です。分析は、LCカラムから溶出する液体を直接エレクトロスプレーに送ることによってオンラインで行うことも、後で古典的なナノエレクトロスプレー質量分析装置で分析する画分を収集することによってオフラインで行うこともできます。タンパク質のESI-MSにおける多数の操作パラメータの中で、^[58]エレクトロスプレー電圧は、ESI LC/MSグラジエント溶出で考慮すべき重要なパラメータであることが判明しています。^[59]さまざまな溶媒組成^[60]（TFA ^[61]または酢酸アンモニウム^[22]または過充電試薬^{[62] [63] [64] [65]}または誘導体化基^[66]など）またはスプレー条件^[67]がエレクトロスプレーLCMSスペクトルおよび/またはナノESI-MSスペクトル^[68]に及ぼす影響が研究されています。

キャピラリー電気泳動質量分析は、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特許を取得した ESI インターフェースによって可能となり、非常に微量の生物学的および化学的化合物の混合物、さらには単一の生物学的細胞の分析にまで幅広く利用できることが示されました。

エレクトロスプレーイオン化は、非共有結合性気相相互作用の研究にも利用されています。エレクトロスプレープロセスは、非共有結合性相互作用を乱すことなく、液相の非共有結合性複合体を気相に移行させることができると考えられています。非特異的相互作用^[70]などの問題^{[22] [69} ]は、ESI-MSまたはnanoESI-MSによるリガンド基質複合体の研究で確認されています。この興味深い例として、酵素と酵素阻害剤である薬剤との相互作用の研究が挙げられます。^{[71] [72] [73]} STAT6と阻害剤との競合研究^{[73] [74] [75]}では、潜在的な新薬候補をスクリーニングする方法としてESIが使用されています。

エレクトロスプレーイオン化は1MDaを超えるタンパク質複合体の研究にも使用できる。^{[76] [16]}

• レーザーアブレーションエレクトロスプレーイオン化
• プローブエレクトロスプレーイオン化
• 超音波スプレーイオン化

• エレクトロスプレーイオン化プライマー国立高磁場研究所
• 米国国立医学図書館の医学件名標目(MeSH)におけるエレクトロスプレー+イオン化+質量分析