エレクトロスプレーイオン化法(Electrospray Ionization;ESI)は蛋白質などの高極性物質の多価イオンを生成できる非常に有力な手法であるが、使用できる溶液の流量が数十L/minに限られ、LCの流量(200-1000L/min)に比べて低いため、LCとの直結が困難だった。そこで、噴霧で生成された液滴の粒径分布を計測・検討し、イオン生成効率が高い微小な液滴が多く存在する外周部を取り込めるようイオン源を考案した。まず、イオン取り込み細孔に対して斜め方向から噴霧することで細孔の冷却を防止した。さらに、加熱した長い取り込み細孔を用い、液滴の気化効率を向上させた。これにより、200L/minの流量でも安定したイオン化を可能とし、実用的なESIインタフェースを初めて実現した。

　図1は、本研究と従来のESIインタフェースによるイオン強度の安定性を、蛋白質の多価イオンの測定により比較した結果を示す。溶液流量を200L/minとすると、従来のインタフェースでは測定開始後数分でイオン強度が不安定になるが、本研究では60分間安定にイオンが観測された。また、イオン強度も約一桁向上した。本研究によりLCとESI-MSとの直結が可能となり、実用分析における汎用性が飛躍的に向上した。

図1本研究によるESIインタフェースのイオン強度の安定性プロトン付加したチトクロームCの15価イオン((M+15H)⁺¹⁵,m/z＝825)を測定、溶液流量は200L/min

　真空中での高効率イオン輸送を目的に、複数の開口部を有する内筒とその外側に同軸上に配置された外筒で構成される二重円筒型の静電イオンガイドを開発した。内筒と外筒との間に電圧を印加すると、外筒の電位が開口部を介して内筒内に浸透し、イオンを収束する電界が形成される。イオンを長距離輸送できる光学系をわずか2枚の電極で構築できる点が特長である。従来の静電場を用いた輸送方法では、複数の電極を複雑に配置する際の組み込み精度が問題となり、イオンを数十cm輸送する場合のイオン透過率は数%に過ぎなかったが、本研究では98%という非常に高い透過率を実現した。イオン取り込み細孔から離れた位置に質量分析計を配置し、バックグラウンドの主因である液滴を拡散させて除去する事が可能となり、信号対雑音比が約7倍向上した。

　次世代の主力として期待されているイオントラップ質量分析計との結合を前提に、大気圧化学イオン化(Atmospheric Pressure Chemical Ionization;APCI)インタフェースの高感度化について研究した。図2に装置構成の概略を示す。気化部に衝突板を設け、霧化部で生成した液滴を板との衝突により微粒化した。また、差動排気部に隔壁を設け、細孔の両端の圧力差を小さくすることで、クラスタリングが起こる断熱膨張領域を圧縮した。高真空部には、上述のイオンガイドを更に発展させた偏向イオンガイドを設けた。細孔の中心軸と質量分析計の中心軸とを4mmずらして配置し、偏向イオンガイドによりイオン軌道を偏向させて液滴の軌道と分離する事で高感度化を図った。

図2実験装置の概略図

　これらの新しい技術を用いることで、質量スペクトルを取得するモードにおいてLC/MSでは世界最高である10pgの検出感度を達成した。

　殆どのCE/MSではESIが用いられているが、溶液中に共存する夾雑イオンにより試料のイオン化が阻害されるため、高濃度の塩を含む緩衝溶液は使用できなかった。そこで、APCIを用いた新しいCE/MSインタフェースを開発し、本手法が塩の影響を受けにくい事を実証した。CEで最も良く用いられるリン酸緩衝溶液をMSの分野で初めて使用可能としたほか、高濃度の界面活性剤を添加するMEKCとMSとの直結をも実現した。図3に、MEKC/MSによる芳香族アミンの分析結果を示す。試料物質はリン酸緩衝溶液だけでは分離が困難であったが、緩衝溶液にドデシル硫酸ナトリウムを添加したMEKCを用いて分離した。本研究によるインタフェースにより効率よくイオン化され、イオンクロマトグラム上に明瞭に検出された。

図3MEKC/MSによる芳香族アミンの分析分離には20mMのドデシル硫酸ナトリウムを添加したリン酸緩衝溶液を使用

　CE/MSによる蛋白質のアミノ酸変異の解析を研究した。蛋白質やペプチドのCE/MS分析は数例報告されているが、試料の吸着により再現性が悪化するため、変異を識別するには至らなかった。そこで、イオン化への影響を考慮しつつ吸着を防止する方法を見出し、実用分析に適した簡便かつ再現性の良い方法を確立した。ペプチドマップの比較から、種の違いに起因する蛋白質のアミノ酸変異を明確に示すことに成功した。

　脳科学分野におけるCE/MSの可能性を、特に感度面から研究した。検出下限は、カテコールアミン類が約100fmol、脳内ペプチドが約0.1-1fmolであった。また、アミノ酸の検出下限は約10fmolであり、脳内で重要な働きを担うアミノ酸類を誘導体化せずに分析できる事が分かった。マイクロダイアリシス(Microdialysis;MD)とCE/MSとの結合を初めて試み、生きたラットの脳から採取した試料から神経伝達物質の一種である-アミノ酪酸の検出に成功した。極微量分析が可能なMD-CE/MSは、組織に与える損傷が比較的少なく、かつ非常に多くの物質の中から目的成分を識別できるため、脳関連の分析において有力な手段となるものと考えられる。