化学イオン化

化学イオン化について

化学イオン化（CI）は、質量分析におけるソフトなイオン化技術の一種であり、1966年にBurnaby Munsonとフランク・H・フィールドによって初めて導入されました。この技術は主に気体イオン分子化学に関連し、試薬と呼ばれるガス分子がイオン化され、その後、分析する対象の分子をイオン化するために反応します。CIは有機化合物の同定や定量、構造解析に有用な手段として知られており、分析化学のみならず生化学、生物学、医薬等の多岐にわたる分野に応用されています。

動作原理

化学イオン化の特長は、電子イオン化（EI）法に比べて必要なエネルギーが一般的に低いことです。この低エネルギーのイオン化プロセスは、分子のフラグメンテーションをほとんど引き起こさないため、CIによって得られる質量スペクトルは非常に単純です。通常、分析物質から観測されるイオンピークは、プロトン添加型の分子イオン[M+1]+として現れ、これにより分子の質量を容易に特定できます。CI技術は、分析対象物質に対して高質量の効果的な移動を必要とするため、Franken-Condon原理に従うことがないため、EIによる高エネルギー電子の衝突によって多くの分析物がフラグメンテーションする場合に特に有用です。

器具

CIでは、EIと同じイオン源を用いますがいくつかの違いがあります。イオン化プロセスが行われるチャンバーは約1 torrの圧力に保たれ、電子はタングステンやレニウム、イリジウム製の金属フィラメントから生成されます。この電子は高エネルギーであり、チャンバー内で長い距離を移動します。CIの特性上、電子ビームはチャンバーの端には到達せず、磁石や電子トラップは不要です。

メカニズム

CI実験は、チャンバー内での気相酸-塩基反応を伴います。イオンは、分析物と試薬ガスのイオンとの衝突によって生成されます。一般的な試薬ガスにはメタン、アンモニア、水、イソブタンなどがあり、分析物と比べて試薬ガスが大過剰に存在します。約200-500 eVのエネルギーを持つ電子が試薬ガスを優先的にイオン化し、イオン化した試薬イオンが生成され、その後の衝突によってイオン化プラズマが生まれます。分析物の陽イオンと陰イオンはこのプラズマと反応し生成されます。

利点と限界

CIの利点として、生成される分子イオンのフラグメンテーションが少ないため、未知の分析物の分子量を決定しやすい点が挙げられます。また、得られるスペクトルは高感度であり、情報が比較的単純であるため、解析が容易です。しかし、この手法は揮発性化合物に限られており、フラグメンテーションが少ないために得られる情報量も限られています。

応用

CI質量分析法は、有機化合物の構造解明に有用な手段です。特に、[M+1]+ の形成によって消去された安定分子が含まれるため、質量分析が可能になります。また、CIのフラグメンテーションの少なさが分子イオンピークの検出能力を向上させます。化学イオン化は、ガスクロマトグラフィーや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、試料中の物質を同定及び定量する方法として活用されます。これにより、化合物の混合物から特定の分析物を選択的にイオン化することが可能となり、より正確な結果を提供します。

別の種類

化学イオン化には、負の化学イオン化（NCI）、電荷交換化学イオン化、及び大気圧化学イオン化（APCI）といった変種があります。NCIでは、主に酸性基を持つ化合物の分析に用いられ、特に環境分析において重要な役割を果たしています。APCIは、通常水を試薬ガスとして用い、大気圧でのイオン化を行うため、感度が向上するのが特徴です。これらの方法から分かるように、化学イオン化技術は多様な応用範囲を持っています。

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