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ミントを生きたまま分析する：5日間香り成分の変動をモニター

Mon, 25 Nov 2024 19:19:00 +0900

Featuring

これらの装置で実験しました！↓

Ion source: ChemZo

Mass spec: QTof-MS

Sampling device: 4ch-S

お時間のない方は約３分の動画を見てもわかりますよ！↓

はじめに

都市型農業では、限られた土地を活用して様々な作物を育てる一方で、肥料や農薬のコスト削減、そして水資源制約といった課題にも直面しています。安定した収穫を実現するためには、生産者の勘に頼るのではなく、植物の健康状態を化学的観点から正確に知ることが大切です。

植物は、外部からの刺激（例えば害虫の侵入）や環境的なストレス（高温や乾燥など）を受けると、「揮発性有機化合物（VOCs）」と呼ばれる物質を放出することが知られています。このVOCsは、植物の防御反応の一部として働いているのですが、現状では生きたままの植物からVOCsを測定することが難しいです。

そこで本稿では、都市型農業の生産性を向上させるための新しい仕組みとして、神奈川県藤沢市とのコラボレーションで実施されました。ここでは、アンビエントイオン化質量分析法を使い、植物が放出するVOCsをリアルタイムでモニタリングできるシステムを開発しました。これにより、植物の健康状態をすぐに確認できるようになり、客観的にその状態を評価できます。

用意するもの

藤沢産のミントを２種類：ＡとＢ（Ａを屋上と実験室の２か所に、Ｂを屋上のみに設置しました）
VOCsのサンプリング装置
リアルタイムモニタリングが可能なイオン源：ChemZo（自社製、近接コロナ放電イオン化法）
質量分析計：compact（Bruker社製、測定モード：正イオンモード）

ミントと装置を設置した様子を図１と図２に示します。

図１　屋上でサンプリングしている外の空気 (B) と藤沢産のミントを二種類(1, 3)

図２　実験室で藤沢産のミントをコントロールとしてサンプリングします

サンプリング装置について

これまでは存在していないので、VOCsをサンプリングできる装置を開発しました。

その名前は、4ch（よんちゃんねる）気体サンプリング切り替え装置（4ch-S）です！

この装置は、気体サンプルの流路を決まった時間ごとに自動的に切り替えサンプリング装置です（図２：装置の写真、図３：概略図）。

育てるミントをテントで覆い、テントに開けた穴に10メートルの長さのチューブを差し込み、ミントと4ch-Sの間に経路を作りました。

そして、分析するために、4ch-Sを質量分析計に繋ぎ、成分分析をします。

この装置を質量分析計に繋ぐことで、サンプリングした気体成分がイオン化され、成分分析ができます。

試しで、５日間にわたり10分ごとに連続測定を行いました。

図３　本研究で用いた装置構成とサンプリングシステムの概略図　紫(1)：屋上の藤沢産ミントA、オレンジ(2)：実験室の藤沢産ミントA、緑(3)：屋上の藤沢産ミントB

ミントのリアルタイム測定

では、リアルタイムで測定したミント中の揮発性成分の信号はどのようなものなのかを紹介します。

図４にはm/z 153の時系列的な変化をモニターした結果です。

これは、よく知られているミントの成分のプレゴン（分子量：152.23）がプロトン付加イオンとして検出されました。

紫色の矢印は屋上の藤沢産ミントＡ、オレンジ色の矢印は実験室の藤沢産ミントＡ、そして緑色の矢印は屋上の藤沢産ミントＢの信号プロファイルを表しています。

測定は紫色 ⇒ オレンジ色 ⇒ 緑色の順番で行われたため、信号プロファイルもこの順に観測されました。

図４　1時間の測定に渡ったm/z 153の抽出イオンクロマトグラム (EIC) です。ここでは、 4ch-Sが藤沢産ミントA（紫、屋上）⇒ 藤沢産ミントA（オレンジ、実験室）⇒ 藤沢産ミントB（緑、屋上）で切り替わる際の信号プロファイルを示しました。各試料間にガスブランクを挟んで測定を行いました。

プレゴン以外の揮発性成分

ミント内にプレゴン以外、他にどのような成分が入ってるのでしょうか？

4ch-Sを使った際に得られた藤沢産ミントＡマススペクトルを図５に示しています。

ここでは、リモネン（m/z 135）やプレゴン（m/z 153）由来の信号を確認できました。

図５　4ch-Sによってサンプリングされた藤沢産ミントA由来VOC成分の代表的なマススペクトル

比較のために、図６ではつぶしたミント葉をChemZoの近くでかざした際に得られたマススペクトルです。

これにより、藤沢産ミントＡからはリモネン、プレゴン、ミントンを含む複数の成分があるとわかりました。

一方で、藤沢産ミントＢではプレゴンとメントンをはじめ、シネオールも高く検出されました。

図６　つぶしたミント葉（藤沢産AとB）のマススペクトルの比較

そして、もう一つの比較データのGC/MSの測定（図７）では、リモネン、シネオール、メントン、メントールとプレゴンが検出されました。

これらの結果から、4ch-Sを使った気体成分のみのサンプリングでメントンとメントールが検出されなかった理由として、

メントンは、ミント葉をつぶさないと放出されにくい成分であること
メントールは、検出のために必要な最低感度（検出下限）が高いため、検出できなかった可能性がある

と考えられます。

図７　GC/MSによって確認されたミント葉中のVOC成分

長時間モニタリング

最後に、５日間の長時間連続測定を行いました。

ここでは、気温や湿度といったパラメータの影響で、ミントから発生する成分がどのように変動するかを調べました。

図８ではプレゴン（m/z 153, 上）とシネオール（m/z 137, 下）の変動を示します。

温度は黒の実線、湿度が点線です。

湿度が上がった際や雨の日には、プレゴンの検出も高くなり、湿度によるストレスの影響で、プレゴンを放ったと考えられます。

室内に置かれた藤沢産ミントＡはこのような傾向が見られなかったため、環境による影響が大きいと言えます。

シネオールについては、湿度が高い時や太陽が出ていない時には、高く検出されたことから、夜にしか出ない成分の可能性が高いです。

図８　５日間の連続測定における外の空気 (B) と３種類の藤沢産ミント中の（上）プレゴンおよび（下）シネオールの変動

以上の結果のように、4ch-SによってVOCsの変化を長時間にわたり観察することに成功しました。

今後は、多変量解析を活用して、環境変化に応じて変動する成分の特定を行う予定です。

これにより、環境の変化とVOCの関係をより詳しく明らかにすることを期待しています！

アンビエントイオン化法とは？

Mon, 14 Oct 2024 11:48:00 +0900

背景

アンビエントイオン化（ambient ionization）は、前処理なしでアンビエント条件下（周囲環境と同じ状態、すなわち大気圧下）で試料分子をイオン化すると定義されています。このイオン化法は従来の大気圧イオン化法（例：エレクトロスプレーイオン化法、electrospray ionization: ESIや大気圧化学イオン化法、atmospheric pressure chemical ionization: APCI）と比較して、試料を溶液化や成分の抽出をせずに、試料の外形を保ったままで分析できます。この種類のイオン化法は、2000年前半に発表された脱離エレクトロスプレーイオン化法（desorption electrospray ionization: DESI）[1]とリアルタイム直接分析（direct analysis in real time: DART）[2]を契機に急速に発展しました。以来、この技術は飛躍的な進歩を遂げ、現在では数30種類以上のアンビエントイオン化法があります[3]。

弊社で開発したイオン源ChemZoもアンビエントイオン化法の一種であり、常温と大気圧下で近接コロナ放電によってプラズマを生成し、イオン化を行います。コロナ放電で生成されたプラズマの形は太陽のコロナ（太陽の表面にある高温のガス）に似ていることから、「コロナ」放電と呼ばれています（図１）。ちなみに、少し前に流行っていた新型コロナウィルスの名前の由来も一緒です。余談でした（笑）

図１（左）筆者らが作成したコロナ放電のプラズマ、（右）太陽のコロナ（実際の写真を見たい方は：[4]）

本題に戻りますが、ChemZoはDARTと同じくプラズマのイオン源なので、生成されたイオンが似ているが、完全に同じではないです。両者の最も大きな違いは脱離部です。図２はChemZoとDARTの概略図を示します。DARTでは、熱したヘリウムガスを試料に当てて分析するため、脱離とイオン化がほぼ同時に行われています。これに対してChemZoでは、通常「昇温加熱」（試料に一定の速度で温度をかける脱離法）で試料分子を脱離させてから、イオン化をします。

図２（左）DARTと（右）ChemZoの概略図

本稿は、DARTとChemZoの違いに加え、DARTとChemZoに組み合わせられる試料の脱離法について詳しく紹介していきます。

脱離？イオン化？なにそれ？

「脱離」と「イオン化」は聞きなれない言葉かもしれませんので、ここで簡単にご紹介します。

「脱離」は、固体や液体試料の表面に存在する分子が何らかのエネルギー源からエネルギーを受け取って、表面から飛び出し、気相に移行するプロセスです（図３）。また、「イオン化」は分子に電荷を持たせ、イオンにすることをいいます。

図３　固体試料における脱離の概念図

質量分析計での検出の前提条件として、分子をイオン化できるかどうかです。

アンビエントイオン化では、扱っている試料形態は固体のものが多いため、固体試料中の成分（分子）をイオン化する必要があります。固体や液体では分子間の結合（例：水素結合、ファンデルワールス力、静電相互作用）が強く、固体や液体をイオン化するのに、膨大なエネルギーが必要となります。

より効率的にイオン化するためには、分子ｰ分子間の相互作用が最も弱い気体の分子が効果的です。そうすることで、イオン化するのに必要なエネルギーも固体と液体ほど高くなくてもイオン化できます。DARTでは、質量分析計の前に試料を置き、加熱されたヘリウムガスが大気中の水と反応し、プロトン化水クラスターを生成します。このプロトン化水クラスターは試料の表面を当てた際に、分子が脱離され、プロトン移動反応によってイオン化します。その結果、DARTで主に生成される正イオンは[M+H]+イオンです。もちろん、負イオンも生成できます。詳しいイオン化機構を見たい方は、このリンクをご参照ください！

一方でChemZoでは、脱離部とイオン化部が分かれており、試料分子の脱離を行ってから、分子をイオン化します。ChemZoでは、ヘリウムなどの高価なガスを使用しません。イオン化には、空気を使っているので、低コストでの分析が可能となります。ChemZoもDARTと同様に、正イオンと負イオンが生成されます。イオン化機構も一緒だと考えております。

あれ？じゃあ、ChemZoの脱離はどうすんの？答えは、、、弊社は３つのデバイスを開発してきました！

それは、(i)「昇温熱脱離」、(ii)「ペン型ヒーター熱脱離」および (iii)「ピンポイント瞬間熱脱離（FH）」があります。それぞれの画像は図４のようです。

図４　脱離デバイス：(a) 昇温熱脱離　(b) ペン型ヒーター熱脱離　(c) ピンポイント瞬間熱脱離

各脱離デバイスについてご紹介します。

昇温熱脱離法では、試料を任意の温度（室温から最大600℃）に設定し、指定された速度で加熱することで熱脱離を行います。一方、ペン型ヒーター熱脱離法では、固体試料の一部や少量の液体を対象に、加熱して熱脱離させます。さらに、ピンポイントFH熱脱離法では、試料の局所部分に瞬間的に高温の針を当てることで、熱脱離を実現します。これらの手法は、試料の性質や分析目的に応じて使い分けられます。

今度のポストでこの三つの脱離デバイスを用いてどんな試料を分析するか、取ったデータをどう解釈するかを紹介したいと思います！ではまた！

引用文献

R. G. Cooks, Z. Ouyang, Z. Takats, and J. M. Wiseman, Science, 311, 1566 (2006).
R. Cody, J. A. Laramée, and H. D. Durst, Analytical Chemistry, 77, 2297 (2005).
C. L. Feider, A. Krieger, R. J. DeHoog, and L. S. Eberlin, Analytical Chemistry, 91, 4266 (2019).
NASA: https://spaceplace.nasa.gov/sun-corona/en/ (2024/10/16検索).