fundamentals of mass spectrometry ion mobility spectrometry · 2013. 3. 29. · review ˘ ˇ6 ˆ...

27
REVIEW REVIEW 腒腘腂腆腑腅腋腈腈腊腇腉腎腌腉腍腀腕腡腟腗腄腔腠 6 腓腙腏腞腝 Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry膞致臬 Toshiki SJ<6> 腴膓腠膥膮膧 Department of Chemistry, Toho University, Funabashi, CHIBA, JAPAN Ion mobility spectrometry (IMS) has the same long history as mass spectrometry (MS). The method detects charged molecules not in vacuum but in bu#er gas. Through the interaction between the charged molecules and the bu#er gas, unique properties like structures, chiralities, and hydrophilicity of molecules can be observed by IMS. However, the resolution and the sensitivity of IMS are far less than those of MS limiting the applications of IMS. Those disadvantages have been resolved by the recent development of the ion and the vacuum handling techniques, which leads to hybrid spectrometry of IMS/MS (ion mobility spectrometry/mass spectrometry). Here we show the concept and recent progress on IMS, especially on IMS/MS, which have been opening new field in nano, bio, and environment sciences. (Received May 25, 2009; Accepted July 8, 2009) 1. 1.1 腕腡腟腗腃腓腙腏腞腝腚腜 膨膋腌腊腡腲腵腴腀膏膨腕腣臛腧膳膇腃膄膩腅腚腇膜膡腘腴膼臐膨腣膭腂腇膀膕腃膂 腎腲膮腪膐膁膁膏腽膈膘膑膈膕腃/膋腌腧臌腑膍腗腡至腫腲腵腡腊腴腩腍膌腃膎膖臺腸腟腯臱腖腡腊腴腣腓腶腎腲腯腚腵腲腨 臒腑膟膃腭腮腲腵腡腊腴腓腧臦膨膋腌膒1856 腦膉腹膆腧 Geissler 腦腱腞腡臛腲腵腛腻腹膁膔腃膲腍 腱腩 1874 Crookes 腦腱腴膠臁膲腧膁膘腣腖 腡腊腴腓腧膇膍腹膁腨臦膨膋腌腜腒腢腥腑臔腢膺至腘 腴膹腵腳腦腯膴臃腏腓腧膐腲膲腧臉膽腦腱腳膠臁腎腲臟腧1897 腅腀 臣臻腎腲膋 腺膙腧1912 腥腤膢臗腼膒膎膙膇膅 膀膓臉膽臶腧 J. J. Thomson 腦腱腳臦膨膋腌臇腘腴臰 臊腏腥腕腵腡腊腴腓腧 J. J. Thomson 臟腢 腉腞腛 Aston 腦腱腳 1918 腦臘腢腊腋臣臻膃腽膄腃 臄腧臦膨膋腌腗腦膁膘腕腵膪腦臚腘腴臋腞腛腏臆腕腵腛腚腧臏腧膁腮膕腃膂腢臹腖腑至腫腲腵腡腊腴腓腧膬膘膸腧臦膨膋腌腘腲臋腧臦臊腥腤腖腟膫腰膬膊膢膮腧腚腖腡膬膵膫腦臰膯腸膨腛腖腛 1) 腕腲腦 臭膸膤膇腧臈臸腰膖腥腶臊腥腤膥膮腦腯腚腧膼臐膨腨臼腦腐腊 1) 臙臂腧 Fenn 2) 腱腧 3) 腲腦腱腴 2002 膌腃膎膖臺腧臫臺膢膜腣腥腞腛膥膮腰膝膮腦 腘腴腄腮腨膺膤腦腖腊腣腓腶腢腉腴膨膋腌腧臕腊 腶腫腦膿腊膷腘腴腓腵腲腧膋膚腦腍腊 腡臩腙腫腣腥腞腡腊腴膢膜腢腉腴腬腛臦腘腴腜腒腢腯膜腰腀膏腥腤腣腭臖腷腙腴腓腣腢臯腀膏腲腵腴腣腊腋臑膡腯腉腳臍臚腧膦腊腸臎腞腡腊 腢腨膊膌膧膮腢腧膣臜腧膆腃膖腣腖腡 臚膰腯臤腕腵腡腊腴1996 腼腳膌腃膎膖膥膮臺腨 C 60 4) 腌腲腵腛腏腓腧臊腧臩腙腫膻臲 腨臦膨膋腌膒腢腉腞腛臫臺臧腧 Smalley 腏膫腖腛 膗腃腾腃腁膁/膨膋腌膒 5) 腦腱腴腣腓腽膔膁膄腃腧腶腫腦腍腊腡膨膋腌腧臕膰腚腳腏膳腣腊腋腏膜膱腥腑膷腕腵腛膗腃腾腃腁膁腽膔 膁膄腃腉腈膒腢腨腔腑臷腖腎腉腈膊腲腵腥腊腛腮膨膋腌腦腱腴臕膰腳腙腫腏腥腑腡腨 C 60 臊腨腉腳 腌腥腎腞腛腓腧腱腋腦臦膨膋腌腨膊膌膧膮腧膫腒腦臰 膯腯膨腛腖腡腊腴腖腎腖腓腧 C 60 臊腦腍腒腴 膨膋腌腧膨腛腖腛膯腣腸腨腨腚腧腬腬臦膨膋腌腧臨臢腦臤腖腡腊腴腘腥腷腝 C 60 臚腍腱腩臓腧臙 腭膣腠腒腨臦膨膋腌腢腨腢腉腳Kra ¨tchmer Hu#man 腦腱腴腠膨6) 膬臣膹膾(NMR: nucle- Correspondence to: Toshiki SJ<6>, Department of Chemis- try, Toho University, Miyama 221, Funabashi, Chiba 2748510, JAPAN, e-mail: [email protected] 膞致臬腀 腴膓腠膥膮膧腀 腈2748510 臀臠臝臞 221 J. Mass Spectrom. Soc. Jpn. Vol. 58, No. 2, 2010 47

Upload: others

Post on 01-Sep-2020

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

REVIEWREVIEW

��������� ������������� 6� �����

Fundamentals of Mass Spectrometry�Ion Mobility Spectrometry�

����Toshiki SJ<6>

���������� Department of Chemistry, Toho University, Funabashi, CHIBA, JAPAN

Ion mobility spectrometry (IMS) has the same long history as mass spectrometry (MS). The method detectscharged molecules not in vacuum but in bu#er gas. Through the interaction between the charged molecules andthe bu#er gas, unique properties like structures, chiralities, and hydrophilicity of molecules can be observed byIMS. However, the resolution and the sensitivity of IMS are far less than those of MS limiting the applicationsof IMS. Those disadvantages have been resolved by the recent development of the ion and the vacuum handlingtechniques, which leads to hybrid spectrometry of IMS/MS (ion mobility spectrometry/mass spectrometry).Here we show the concept and recent progress on IMS, especially on IMS/MS, which have been opening new fieldin nano, bio, and environment sciences.

(Received May 25, 2009; Accepted July 8, 2009)

1.

1.1 ����!�����"#������ � ������������� �������������� ���������� !�" #$�%��&'(()*+,-+!�/���.�/ ���0�12� ��3 � 4!�5�678"9:#;<���=>%�:� ? ��@AB$%�&C� ��3 =���'�� 1856

(�DEF� Geissler�GH��� IJE(K�LMGN 1874(� Crookes�G�OP)L�*+��<��3 =��QE(���RSTUA�VTW1��X,Y-.�:4Z[/3 =�01L�\]�G^�OP)%�1_�*` a1897(b� cd2�3P)%�efg�4h5�*` a1912(b Ui� jklm6g�n o\]p� J. J. Thomson�G^����q��r6U*`[U� ��3 =� J. J. Thomson �7_TsHIAston�G^ 1918(�t8Tucdv*��w���9:[*+� � x;y�<z��{=�>?��|4h5<z@[}A� I3 ?�~�*B�� !�"T�<A12� ��3 =�C+����T

��{=����D�*`Ui� ,EF|�G���*B� ?<��H��*�r6UI��I<I1)3 �����JK���|LM4h5�*`Ui��%�:?������N����1)3 ��� Fenn2)� O23)��G�2002 (5�678��8���UHI� P��|���E��QB�W���<�=>Ts�3 �����.�4A��R*���S[� = ��T�M��6UUA�V�UH����Ts�3 �I��[W+��RST:�X �Ui�Y�����=�T�U �[�� ��u��:s^�z�Z[ H��3B\� �(T�¡5��T�¢��]£�F�7�<��<z�:¤� ��3 1996(.5�67��8�C60 �*`4)�^¥� I[� =�*`��6UUA¦§���'TsHI3 �8¨� Smalley[�*<I©�ª�_*/��'5) �G�`=*K(���Pa«4A�M�� �����.� ��.� ¬b­c[�d�uS[�®UA*�� I3 ©�ª�_**K(��Pa'T�¯A°�<%PaG[�� UIC����G���.UA[UA�� C60 �*`�s^¥U%HI3 =�Gu����¡5���e�S�r6UI�:�I<��3 <%<� =� C60 *`�MS�����I<II��fg�?������±S:4²�¤<��3 �U�³ C60 �<zMGN´h��µ%i¶S���T�j·kTs^� Kratchmer �Hu#man �G����a6)�� �cX¸l (NMR: nucle-

Correspondence to: Toshiki SJ<6>, Department of Chemis-try, Toho University, Miyama 2�2�1, Funabashi, Chiba 274�8510, JAPAN, e-mail: [email protected]����� ����������� ¹274�8510 mº»¼½2�2�1

J. Mass Spectrom. Soc. Jpn. Vol. 58, No. 2, 2010

� 47 �

Page 2: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

ar magnetic resonance)7), X�8) ����������� �������������� ���������������� �������� ��!���"#��$�%��"��&�'�(���� �� C60

������)����*��+'��,-�.���( ����/0�!123-4-�5�����6� 7(#89���������:������;'<� � ��� � =!����>�"��?�@�#$��A��@�#6��"�"BC����%'#�����/0��D�&E�'FGH�(�� �����(?�"II �J)D�*+,�-$���� ���(�.$����K(.L��/01(#'���M2N3������� OP��Q�� ������R4�"#�M2N3���I'#5S#F�'� M2N3���������67��8"#6�9:�T';���J ;<��=!��������U<�=!)'� "�"5�V>�+'��!W �X�������?�������@FY�&���� N3�/������"#A��Z7@�II���.$��;�%'#B[ 100+C\�]-^�DE��F@� A"'_`�G�"#a ��8"#'��M2N3����H5"��:� �������bD

cd^e-f���MIJKf�gL!I� ��JKfMh�"#dijNKOP�k�93@&�!������l �bDNKOP�MIP�dijQ 93@&�!��M2N3���RS�'\�� ��MITU"�>>JK��MIJKf� C�mnVoJKp-q-����nr�d^ 1destjoWuXL��MIK�r�d^�"#�6Y��8Zv�9)� ��MIJKf�[\w�_`]\��� J. J. Thomson �^_���� Townsend ���� `�x�U�_`a�W� JKfP�.b�cX��(�M2P�dij�N3��de��yf������ ����*+� .g�zh{i���;K|}~ mnVo�ijf �-JK Jj��~ �e��}~�) ���k\#'�����l��\ 2m����:� `�nH�M2N3�����'##$�op���KO+��MIe�q�zr�s��tJU���#'�� �B��Mh-$�"�'=!��RS�=s@ @������"#�;<��=!�?�" u� v wxyV>��h�o�z�{��0�������-��(�r�d^�"# >� M1j��|��?%�6�������t�����;��"#?%@�#'�9)�11)�

1.2 ��������� ���Fig. 1 �M2N3����zr���\}��� ��

��&#'�dij�~a�!���_ 60 ��5�@� �b��!I� 5���D*��� KOP�dij�93������������������� ������MhP�dij�93�������" M2N3�����q��;|��2��-c^P�dij

�93����=��(���� ��t-�-� C60

dij��2��-c^������������� 6D NKOP� ��s ���@'� P��e-pj� C60 dij�������������@'�� ��s �� 6'� �2��-c^P�dij�93��¡� 2m�5S�� ���b�dijo�2��-c^ce^¢��:�£I¤���"#!�¥�����D¦.��� ���:� ����b�! ��s ��§:�(dij�������x�5�¨�"���6�� ���:�M2N3���� ��s ���"�V>©����!���J �����y���=�)'� 5���ª��dij����������6��( 5�l���"#?%@�#'�� M2N3�����'[s6��%@�#6���B 4m�5S��:� ��������' �J�¡�*+�,����:���#6��"�"����;��[��*��=!�)D�$�

�� �� Fig. 2 ��"��:� ~;���V>�-$��[ dij����«- �����=��¬*��.bzh�"#'��(� dij����2­®%��¯V>@���b� 6D*��� Fig. 2(a) �����[������"#'�� ������}����°dij�MhP�;���«- ±�" eV�keV² �³ 93��� ´I���!��dij���������(�� ��³ �[ ( ms) ����"�!µ���$"#'�D#����'� ��93P��������X��¶�� collision induced dissociation (CID) ���"#��#'�q��;'���«-�¶�·��� ��CID �� ����/0�dij���2­®%����OY q��+'!��������´������ ����«-OP��'2­®%o x�!IdijV>���(�� ��dij�����(C¸ �_����7 ¹���¡º"����"�C n»¢���X�@&��� �����O¼�;�£%��

Fig. 1. M2N3����zr��\}� NKOP��dij�MIP�N3 � ± ��s �² ��" dij�5�X���� t-�-� C60 dij��2��-c^���������W������ 6D NKOP� ��s ���@'� ´} �b���_����!I�e-pj� C60 dij� ������������@'�� ��s �� 6'� ½��2��-c^�_F��

T. Sugai

� 48 �

Page 3: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

���������� Fig. 2(b) ���� ����������������������� �� !"#����$%&�# �������'()��*�� �� ������)��)%�+,���$-�./�01'"�23# 4%�+,�%56� ���%7�'()898�# :3��&��;<-�"%# 4%56��=3��� 1$1�� �%>?'�"�+,�%@!�# �AB"# CD�E�# #"�A'($�%���� &FG�H%'%&3I(J�-"��# )K8%���*�+'(%LM�>$,8�-"�12)� ���>��"�+,�N-O.%@!�# 2.4P# 4.5PQ>R 5.3P'(/ ��>?�#SD���01'(�T23-"�� �%>?�U0�� ���4'�V567 89�# ��/�+,�%7)-W�J�XX��� J8� ���9�Y# �Z[:;7'( W�->\<]'=> ?��)3^_8�-"���� ����%>?��*�+)@`-"�A3�"�# �*�+�aB'V5Q>R�"�+,��b*�=>�?8��� :�*�+)Cc*�)d�N�ID��ef"%# gE�*�+)h2� ��/�*�+ (IMS/MS: ion mobility spectrometry/

mass spectrometry) �Fi�'j-1�� &k��% ��/�*�+ G�# '%;7)%Cc# lH:'�I:J\m"NKL%nM# 4-4%o�/ Np-_�"�

1.3 ��������qO:'V57)-# Table 1 �;<-Pr:���$Q T)<-_�� ��� XRNsS�tT (NMR)# �Z7u(�AV5 UVIW*��)�1'"�# v2�%# �d�# 4-&X%PY���*�+NZ[wx)%\_2yz�>\# �AV5 6*�]^'=> _9�� J8�# ���d�:3v2�%V5�{"`A W:*�)# ab%;7�aB��c,��%d|Ne*��%@!)f�# �0d �XX��� }Y)3# �IDNd�)"j�`A g~�# JT�T'�h�W�J��)�iJ���'%;7%��Z;7��AV5IW;7)-�3�"j� 3X3%%qX��� �"�kSl%l� kl:8 XRTm�Jz# ����NnoZ'(%�����!^����Z�%�2))3�# �Z�%@'(%8�p�N�[qo'(%8��'(�r�J�s 't� u�-"�� :qO:��A%*Avw%vw/x �l�$;7%�<# �y�A%��H� 1$'j-vw�z��'j�\# �=%�<*Avw��%)��J��)# ��C��:8�AV5 {1!*�)�aB�'�� Y|%=��� J\}$�<���y�>j-��"�G��=������'�2���� T�l&:�@! !?;7�\# ���9 �Z[:;7!?%�aB��� /9� 235U %����~�%>?��Z[:;7��:� 235U %kAvw ��# �[qo� m9�'(z�';� �T'$-�'8'"� �%�<# v2�%��C��:84�8%t�)'��� �\!*�)3aB# �*�+NC����D� �7'(�A �9-:8�Z*�;7�qO:���

XR'(%&�;7���:�¡A¢� £1�;7���# ^�)-���h������� sS�tT�Wuthrich� 2002E�%¤�¥��[� #"�A%7)"?¦��# ��§�� Fenn, ��8)f.���>?�# #"�A'(¨ �A�3r�1��"V5I+^���� :^�)-qO:������ ��)v2��r�1'"� kA�©��ª«e¬�v2��% 1�A%V5 �p8���# ^�)-O'�A����\# :3�w:�qX%V5�U���2'( �*�)�aB��� 4%'%Z­�# ��®�# ��H�}¯D��°¤�A%��H I+*���%�ID:3�'"�# �8±�.@%���r�1�A�$Q�����%>?��� ����D�'"�# d�)��� W:�"V57)-���23XX��� $�#"��b��h# �A%q�V5��*�+

Fig. 2. (a) �*�+) (b) �� ��%²"� ����!./³�*�+ �-"���*�+����>8´�µ�%�� ¶�� eV·keV¸ '¹��� l&)-"�� qO:��A� ms ��O��0'")@!1'"� q�# �� �������������%�� (meV·1 eV)'�%���� �./ (ms·s)*�� �%�<# �A/�+,���$ ¡� ms >\3��:�¢ ¡%-O.:ºt-"'"�23#��£�*'y»-O.ºt¼½%�J)�./:8# 4%56 @!1��

�� ��

� 49 �

Page 4: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

������������� ���������������� �� ��������� �!��"#�$�� �%�&��� ' �(��)*����+"#,�-.�(��/�0�12��3��&4 )*���5��� �6�"���74 �89�:,;-.�(�+�<�=� �6�"��� >��4 ?@A�,� B�7,�6�CD���

2. �����

(��� �/���4 EF9�=��GHIJ /��������4 K�$���"D���4 K���GHI�J �/�,L�&,!,�13)� M 13

"N�L/!�����O�4 P���GHI&Q"�,#RJ SO�"���4 GHI��CTU7V$ WX%YZ [X&,L�&,!,���'#,\�"��� $�� �]��D(���7���P�&GHI�(�=^�]_�J"��� (���7`,XK�$�� "&GHI�)��*� �4 a=�bc&�=�bc�+d,e�f��� (���"&EF�"(�=^ ghijk7�� lE4-.�7�� Em�

lE�n �(�

m �GHI ]� =* E/m �o)�";p;p)��'#L,���L�7.q��4 K�$�� "&vd(E/N) 7/���= E 7K���0� N �+ E/N

�r1� 4 ��s �tuvj)� (drift velocity) �w2��7�'#,\�"��� ��"&4 vd &��tuvj)��'#� gUxyz�n 7�� {^4 3�hijk7��|O=*& }l~ �����_�� $�

� � ��K� g��v�zTUn �0����=*���YZ&�= ^��YZ7���4L� ��tuvj)���� vd(E/N) ������05���� �4 ��&��6 tuvj)�� �!7��7�"#����GHIJ7GHI��������&'#L8��=*��9"#�� '� 1. GHI��=���o)YZ�:J�.�;�"#�=*74 2. ;�"#,�=*"��� tuvj)��f��=*4 @��d��O�$�&��v�zTU7�<GHI7�V$=>?�@+A�4 GHI�'#�0�7B5�C�_!������"��� �7��&4 di#erential mobili-

ty analyzer (DMA)14), 15) 0tuvj)�� ��$�� (DTIMS: drift time ion mobility spectrometry)9) ���!�� sD4 :J)��.�GHI�tuvj)��;�"#,���="&4 V$=>?��=�r1��7$�&�E�.��_!,�9)� ����7B5�C�,��7&4 � .����GHI� }(�~7�O3C74 }K�$�~ 7�O3C�;���,��7"��� ���7 ?���>F�4 (����G�� GHIHIJK7������=���$� F� 4 field asymmetric waveform ion mobility spectro-

metry (FAIMS) ,;�1��16)� Le�M�=��"�$�HI"&4 $��f��D�&V$=>?7(����'#�D�7,�� �"&$�HI7(��������L4 $�HI@�GHI�&��,(��N ��4 O�7�GHI�� HI��7��P"

Table 1. ����� �7<�3Q

� � R � � �

(��� �)9�5�9��/�)*�� 4 � �#

���� S6

$�� �)9�5�4 )*�� ����

���& 

XT9��T9�C�¡U

¢�£V¤ ¥�(¦§M)9M5�

�¨ W�)9�5���©X/�W�Y���

M��ªG«)*��P

¬aK�Z ¢�¦*­®zI/� ¥�([¯M)9M5�

��°\± s��²�� )*��

]³�N� �P�EF4 M)

´µz¶°\±

s��²�� )*��

]³�N� �PM)

¨·^ ]³�ªG«�N� K�9¯�64 �)

nm{^�ªG«&� �P�·�<��

TU¸_ />?� ��¹º»

���� �P�<����4 M)

ªG«`¼xy½

]³�ªG«�N� ¯�4 �<�a

���� �P�·�<��4 M)

T. Sugai

� 50 �

Page 5: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

��� ������ ���� 4.5������������������ !� "#�$%�&'()*+,-�./��� 0��� 1��2�3������ ��4565�789:;<� ;=>?�@A&BC 1��DEFG HIJ&�� 1,000 V/cmKLM 9NO$� 4�P���FG HQ 10,000 V/cmK/M 9N<��

2.1 ������ ����� ���������������

1��DE���'()�R��� �����ST�U,VWXYZ[\��]^�ST�@_��`���a0��78���� ���?�b�� �cdU�'()�R��ef���gh���i%jk�5%a�0��lm&���� 0��� � �����a`�n�o�����]^p��qra�s� � tu E/N ��� vw�R��x� �`9N<%y�13)� 0��s� '()�R��U,VWXYZ[\��]^�jk�5� �����z{�|��$%�}<}5�� 0�"#� fn�$%�'()�R��~{R�� !� (1)�������@����

vd�KE (1)

0� K 9'()�������P`}�_�����0����'()��v��� �����0�`}� �

v �����r�� 0�~{�R��q�U��L�2a%� x� ��a�0�`}L��%��n�L{���E�� }=� d�����������!�����{� (terminal velocity) �~{R���0��l��r�� 0��� Lvw��d�����n��v��� ������0���� �����%a��00�� 0���91��DE��'()�R�`}NO��� Fig. 3 ������� ;=��C� �\������ '()�VWXYZ[\9�n���$]^� ����g����}=����s�]^� 9N<%y�� Fig. 3(a) ������� '()�VWXYZ[\���94565 m, M ���� '()�VWXYZ[\�{��]^¡P�4565¢v,

¢V `}¢v�, ¢V� ��£��� 4

565�R���4�{��£�l�$%�£���� �¤{� ��vcm ��£$ a�0�'()�[\�¥¦9 Fig.

3(b) ������4565 dion, dgas ����� �n�����]^� ��

W�p(dion§dgas)2 (2)

�¨����g]^{���� x�©ª�=��� ��Fig. 3(c) ������� 0�'()�[\�]^$ a«�¬­ Dt �­®¯����i%z{�5�� z{�5°P� '()�U,VWXYZ[\��]^��!� �;±

Fig. 3. (a) '()�VWXYZ[\�]^¡P���vw� '()�[\�{�¢v,¢V �4565¢v², ¢V² ��£���� �¤{�

��vcm ��£$ a� (b) '()�VWXYZ[\�]^p�9³���]^� � W�p(dion§dgas)2� '()�[\�´� r� rµdion§dgas � 5¶]^��� (c) �·& '()�[\�]^� «�¸ �­�����i%'()�z{�5� "#�$%VWXYZ[\U9���� l{� vr� �¹º»n� VA� �¹]^p� fA� �¹«�¬­ t �¼a%���9½m�0��

���

� 51 �

Page 6: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

����������� ������������� ������������ �!"#$%&�'(�)*�+�,- ./0��123�45���� ��3������6�789�:;<=>��?, �@��A�"B ��C�'��� ���D�*�E ��3- FG�HI�J�K����LMN:;<=>��!O&PQ��RS- ��TU�V�@�� ��W +�!CX�RS- ���,�)�'YZ �+�!'Y����[\- ]R���W ��^Y���,��+���_�- �)�'Y@`Y���� �6�aQ��� ��+���_!bc@�� Fig. 3(c) 3d'Ye��)�'Y���,:;<=>��� �@�fg�6fh�)i�6f t !��Y- �����X\�(�j� k

FltmqkEt �

�n�� �\��jm+���_�opq[\MrkV�skVtmMrkV�tsMrkVtmq

kEt (3)

�op,�\��� ��3- r t ��?��)���u�3e&- kV,

kV� �v�w�- �xy- �xz�:;

<=>�� �3e�� �(- ���{|}�~>�3���Y���RS!CXY&- '[�H��e�(�-������� ����&���[�"���3����� �,��&- �����+����!�^Y��� ��(� �xy�����)*� �� 0���� �^Y �xz�����) ��q (3)[\

rkVtm0�MrkV�tmqkEt (4)

� �xz���?��) �,�\��� �\�������� �6���+������- ���� �yz��) � rkv t, rkv�t !��Y

mrkv t�MrkVtmmrkv�t�MrkV�t (5)

���op��\��� ��3- �������/� �!CX�� Fig. 3(c) ���� �xz�/� �

kv�rhkv�skV� (6)

� ���^Y�������v�w�� �V,�����������317)- rkv�rtm0� @�Q�

rkv�skV�tm0

� rkv�tmrkV�t (7)

�����- �xz�- ��������) ��Z'������\q (4), (5), (7) !����- �y� � rkv t �

rkv tm��1� M

m��rkV�t

mqkEt��

1m� 1

M�� (8)

��\��� ��q (8)��Y�\�(- �xy��) � rkvt �- ����1�����<� � vd ��������Z'�����,Q[^Y���

vdh�rkv t�mqEt

��

1m� 1

M�� (9)

�����7�Y�z�@����q (9)�u�!CXY���18)� m�M ������,������`������RS- (�X� H� !Xe �3��'- _� S�A����,¡[��RS3

�- q (9)�& vdmqEt/m ���� ��TU3���,���B�- ¢����,£]R��&W ��Y�- �z���� ��_,��\��� ��(�q (7)�&rv�tmrV�tm0 ��&- �����[���3����������������- ��z��) �, 0������������) �, ��(¤� 0��&- ¥¤vdmqEt/m ����3W �����b3I�� ��¦§! Fig. 4(a), (b) �d@� Fig. 4(a) ����- $�¨�)i�6f t 3 �@�RS�- ��<� �� vdmqEt/(2m) ���,- ���i�6f�!���©\�Y�����- ª«¬�! p(t)m(1/t) exp(st/t) �­�� ��(���� ��_� Fig. 4(b) �����n��ª«¬�!3� 2$"®'( �f��)6f��)i�6f t �¯�& 2t 3e��3- ��<� �� vdmqEt/m ���� �����¢����,B����3+�@�RS�- ���,¢�°A]R���W ,HI���<� �,±W@��²� m³M ������,������������,���HI�RS- #X�´�µ|����! He :;<=>���312!��RS!CX�� ��RS�q(9)� vdmqEt/M ��& Fig. 4(c) ��¶@�� ��RS�]R��^Y�:;<=>���� ���^Y���

Fig. 4. :;<=>������� ���)*6f�_�·¸!���� �- ¹¸!�)i�6f t !º»�d'Y��� �)�'Y����i�6f�f�]R��^YW ��- ��?�� �3 �,¼½@�� (a) �����,:;<=>�����&����- �)i�6f,²2�RS� (b) �����,:;<=>�����&����- �)i�6f,ª«¬�!'Y��RS� (c) �����,:;<=>�����&�HI�- �)i�6f,ª«¬�!'Y��RS�

T. Sugai

52

Page 7: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

����������� �� ����� (7)����v����

�v ����V���q

�Et/M � �� ������� !"

��#��$� (4)%�&��'()* +�,� ��V��0

��+�-� ��V���q�Et/M ).�&����/0�12

��� 3��45�67��� ��85%9:*;<�����#�67)'�=>)?%9�� ����* ���� !"$+�)'@2��A���* ;<�$!" B��+�%C(* �D���E���A��/F12��� ��DG����� !" B$H��;<�$�I�2�JA��$K&��%* ;<��LM�N���O.P�� ��'()* � (9)�Q�DR�;<�$�'().�&�* S12;<�$�D����A��$�'();<������ !") T&�* LM�N�� vd $U&���/F12��������* �� vd /���� !"�V� T, W7�� N* X'Y���� !"�;<�7�+���Z W

�[\�12]^)_�2`�� Fig. 3(c) %F129�'()* Qa1����� !"�/bc���vr %;<�$d%�J�eE��* ;<���#fghZ VAiW����vr�� �)9����� !"�\ N�W����vr�� jk�l67)+�P��eE���� ��% N ����� !"�W7��%9�� ��$�#+��� fA %9��%* �#m�67�S�n\P Io

t� 1fA� �

1N��vr��W

(10)

�_����13), 17), 19)� ����* � (9)�

vd� �qE

N��vr��W��

1mp 1

M�� (11)

� �� &�)* ���#qcbc�� ���vr�� ����� !"V�/[�rk����#qcbc��%� J* 2s�#bc��/��2tu12`�13), 17), 19)�

���vr���v2r��v2r� (12)

�� 2s�#bc����v2

r���(�vv�V )2���v2�p�V 2�v2��v��V �

��v2�p�V 2�

� 3kBTm

p 3kBTM

(13)

�;<������ !"� 2s�#��X'YV�/��2wx%��13), 17), 19)� ��%* � (4)� ��V ��0 ':* ��v��V ��0 � ���/���� y�� (13)�z{|�* ��D}~)X�2;<��Q�D)'�.�$� )K&�DG* ;<������ !"��#��$�A��`%�����*

12

m�v2�� 32

kBT (14)

12

M�V 2�� 32

kBT (15)

%9���/��2��� � (12), (13), (14), (15)/� (11)

)��P��* LM�N�� vd �

vd�1 33

qEN��

1mp 1

M��

1/2��

1kBT��

1/2 1W

(16)

����� ����LM�N��$ E/N �[\%��*!"����X'Y T�1/2 %F&��'()V������)K&J @2�J��/F12��� ����#m�67$!"���V�����* S���)� !P���%9�� y�X�����$K&���A���$�$@2LM�N��$K&J ��� (16)%��h�tu/|(��)* �#m�|"/_��^* �A�����tu#)�:�12��� �� �:��/P��

vd�3

16qEN��

1mp 1

M��

1/2��

2p

kBT��

1/2 1W

(17)

$����13), 17), 19)� � (16)�� (17)/ �P��* S�����\� 1/ 33 , 3 2p2p/16 %9:* � (17)$ 20� �K&�$[\��$���J%�%9�� ��LM�N��� (17)�� (1)��* 3�� K �*

K�vd/E� 316

qN��

1mp 1

M��

1/2��

2p

kBT��

1/2 1W

(18)

������ ��'()3�� K ���D}~)X�2*;<������ !"��+���Z W �n\) !1* ������$�%���&�# '��3��4%�20)* 300 K, 1 ��� He

/���� !")* S12 158 V/cm ��D/��2��� ��DG C

p60 �]4LM�N��$ 6.97 m/s %

9@�� +���Z W �tu�12 C60 /]4&��'()(� rC60

�3.5 AÕ��* )�� He ����� ¡  "(�/S��� rC�1.7 AÕ, rHe�1.4 AÕ�¢�P��*

W�p£(rC60prCprHe)2�1.37£10�16 cm2 (19)

$����� ������)]¤¥¦�%����� !"��D�¥¦/� (16), (17))��P��* LM�N��$S��� 8.40 m/s, 6.84 m/s ��§]4*� 6.97

m/s /¨©1�� �����* � (16), (17) �ª1&�«��¬&/F12���%6)* C60 ���$+­&�����)'Jtu%�����F12��� ��'()��D}~%�3��� B/�h��12�:�@2'����* ����3���� B��$� :'J¨©%����$F&���

2.2 ������ ����� ���������y%�®,%�* ��D}~P Io�D)'�;<��.���A�) ¯K&J-°%����/,.)12��� �����¬�D¥¦��!"��¥¦ *�D)'�;<��±�²³$�A�)c12-°%� �DG/eE�13)� ��'( DG* 2.1´%F1�A����/�µ�1�¶·jk% J* ¸¹ º ���e/P�0$$9���b3��46)�* �#m�67 t �7;<�$�D)'@2.�&��$* O.1�1dA�¸¹ º ����� !"�+�%P¯2���� !")�E���� LM�N���? �%;<��1d¸¹ º )[12�?%9:* m�|"�7)�E���¸¹ º ����� !"��+�)^1* ���� !"�A�¸¹ º )�»&��� y��h�tu)¼r�½

�b3��

� 53 �

Page 8: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

��������� ��������������� ��������� ������� !�"#$%&'

12

m(v2)v�2*+ 12

M(V�2)V 2*

+qEvdt+��1m, 1

M���1

v2d (20)

--$� 1.������$/0123!���� ��45678�9:2;&���� ��<=>?@A� 2

.�B 1C� FDDs+qEDvdt 4=��&EFGH/01�I>?���&JK<L�>?�&' M�� 2.�N��C� qEvdt <O (9)<��? vd $P>?�&'-�O (20)$P��&� EFGH/012;&�� ��4 vd �QR<S!T>U>VWX&��� �����/01�YZ4� [IYZ� \]YZ� @ ^�� ���QR<_`&' O (13)<��?� [IYZ� 2a�b� (v2

r* � (v2r*+(v2*,(V 2* 4"#$%&' M�� \]

YZ� Fig. 3(a) $=>� !�

��vcmcd d

mv,MVm,M

(21)

$eA� ����$��>��'-�H�YZ<��?� �����/01������YZ v, v� <P>?f&13), 17), 19)' Mg� /01�YZdv,

dv�

�dv+��vcm,

Mm,M

dvr (22)

dv�+��vcm,

Mm,M

dv�r (23)

� !�� \]YZ4[IYZ<��?=h-42$%&' --GH� ����$/0123!���� ���Iih& (v2*)(v�2* <j�&' klm���$�n�opq�2r-&��[IYZ� 2a���>�� (v2

r+v�r2),M�O (7)GH (v�r*+0� �H�O (4)GH (V *+0 ��2sGt?�&' -�H�uvGH

(v2*)(v�2*+(����vcm,M

m,Mdvr��

2*)(����vcm,

Mm,M

vd�r��

2*+2(��vcm

Mm,M

dvr*+ 2M

(m,M)2 (mv2)MV 2* (24)

4P��&' -�O4wx�;H��O (20)GH

(v2*)(v�2*+ 2Mm,M

v2d+

2M(m,M )2 ((mv2*)(MV 2*)

y (mv2*)(MV 2*+(m,M )v2d (25)

4�!QR2;H�&' --GH�12

m(v2*+ 12

M(V 2*, 12

mv2d,

12

Mv2d (26)

� !�� /01�zEF{$��b���� ��<Ph-42$%�' O (26)��

12

m(v2*+ 32

kBT, 12

m(v2d*,Ernd (27)

4�!|�h&-4S$%� zEF{�/01�S}�b���� ��2� ~�� ��� ��� &���� ��� �>?5678�9:��q��� Ernd �$e&4=h-42$%&'-� !�zEF$���$�� ��7�YZ��EF���O (16)$Ph-4�$%g�5678�9:��Z��$�"#$%��' �b��� t <��h&/0145678�9:4�[IYZ vr 2� EF� &�Y� A~���F� AS��>?�&GH$e&' [IYZ�Ih&-�����Z�� O (26)���<��&45678�9:YZ� 2a�b (V 2* �5678�9:�Z T GH 3kBT/M 4P�&��

(v2r*+(v2*,(V 2*+ 3kBT

m,v

2d,

Mm

v2d,

3kBTM

+��1m, 1

M��3kBT,��1, M

m��v

2d

+��1m, 1

M��(3kBT,Mv

2d) (28)

4=h-42$%&'�EF���[IYZ�O (13)4��h&4~���4%�f AS Mv

2d ������>?

�&' ����-���</012S}~���� ��2��>�4_`�

Te#cT,Mv

2d

3kB�T (29)

4"#��&���Z Te# <��h&4���7�YZ�

vd+qEN��

1m, 1

M��

1/2��

1

3kBT,Mv2d

��

1/2 1W

+ qEN��

1m, 1

M��

1/2��

13kBTe#

��

1/2 1W

(30)

4~���F� AS T>� ¡�Z K S�EFuv AS Th&'-� !�� EF���2�¢$%&�EFuv4��

Te#T h�s£�3kBT

M¤v

2d+��

1m, 1

M����

13kBT

����

qENW��

2

y EN¥ 3kBTW

q��

mm,M

��

1/2

(31)

�uv2¦�>?�&F�$e&' -� !� E/N �¡�Z�@�?\ �§¨$e&' ¡�Z©ª�@�&Townsend�«¬<��`� -�§¨ E/N � 10�17 Vcm2c1 Td 4�!­®$P��&' E/N 2 2¯6 Td °{$e�±x²�EFuv$eA� E/N 2 100 Td <³`& !$e&4¡�Z�EF´µp2�¢$%�V�&9), 21)¯23)' -��� ¶·��¸�uv$e& 1¹º� 300

K �5678�9:»�EF��¼h&4 1,000 V/cm

°{2�EFuv� 10,000 V/cm °½2zEFuv�Iih&' 2.1C$#X�¸��F�20)� 300 K, 1¹º� He

<5678�9:�� �>? 158 V/cm �EF<��?�&��� -� E/N � 0.65 Td 4�&' -�F�� O

T. Sugai

� 54 �

Page 9: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

(19)���� C60 ���������� � C�60 ��

������� (16)�������� vd�8.4 m/s ���� ����� He � 300 K �������(�3kBT/M3kBT/M�1,370 m/s) � !" �#$%&� Te#�300.1 K�T ��'()*+,���-��20)� .��/�'*+�0� 100 Td 1�' 24,500 V/cm, 300 K, 1

2" He3 #4�-� C60 �����56,�'78�#�9-�:�5� ;�<� �� (30)��������� 1,030 m/s, Te#�470 K =>���� ���������?@�ABCD������#���� ��!�5 �/8� C60 He ,�<�*+#5�� ,E������F#/�'*+��� ������,?@�ABCD������#��<�G6�H&5 ���,�H&IJ<�KL� �������MN��O#�'��H%#���������� 1,300 m/s #�5�5����P��Q���� RST ?@�ABCD ��UV�,������H� ;��-WX��� ��'Y8�7�'� ������56�������:�5�� ���Z[��UV��� 2.4\�]^��F#� RST��_ (`�UV�56� !a"b�UV�,#c�H5�� ���>� � ���' �������*+�!d���e$#�'#f%�� ��!&g8� Te# hi��'(,�H5�f%)�<� �jk�'�Jl !#d��,*m�� P�*m��nMN<�'Y!0�9), 21)o23)�

2.1\ 2.2\�]^-H��F#� ?@�ABCD+�RST�����' ?@�ABCD,��� E/N #p-%�-��� ��� �%PqP5RST�� �'r� ?@�ABCD,�.s#�:%t�Zu�v�>��-��9), 22), 23)� /#��'()���'r�#0<�d���f%)�5&� � (1)��F#d����1�w]�H�,� 2\��F#�',�H&5�

K(E)�K(0) [1�a(E/N)]

�K(0) [1�a2(E/N)2�a4(E/N)4����] (32)

d���3E#�' CD,��#f%�� x14y�H�� ���z1\��{�5�56�� d����'��H%,.|'Y� 7}89%t-!~#.|:#5�5&-�5�5�;<���0�13)� ��#{��� ���B�B a2, a4 56�7}7�H%�� =�%��RST ?@�ABCD� P��RST ?@�ABCD+�8�CD ��UV�#f%�� 8�7CD">��-E/N f%),{��� �������B�B��?7ZuKL#��-� 4.5\��<�P�� d��hi�5&Z[�RST7?@�ABCD��� �5 @A�6�!��>� @A����B 8�!�;#5�� ������ Te# �������?@�ABCD ����B<!��0�,� Z[�RST�@A�6�#0<�8�!� /�'*+���H5������#��� /&5�� ,CD%��� J#��� 100 Td �� C60 ������ �������1,030 m/s �09�� ��#0�<�8�� Tkin�(mV 2/

3kB)�3.1�104 K (>-/8�0�� ��/�EF������B#0��� @A����B4��@A�6�#0�<�8�,/8 5 � �"8�56_�<'Y,0�9), 21)o23)� ������EF��#0�<�8� Tkin

�@A�6�#0�<�8� Tint �.G�#�5��Tkin Tint ����� ��#�H#0�?@�ABCD ��#��I�56� %PqP5*+#�9-��%���%�#d�� JK���5�,� 4.2\7 5.4\�� J���F#� L�+�m�%��RST��F#(>-/�� 1o1� km/s3 �RST?@�ABCD#�%t�'Y�� ��P�� �9��F#RSTM ?@�ABCD �� �j�� �� RST��<�� �¡` CD�� �-�j�GF,Zu�&¢{<�� !N��-��24), 25)�

2.3 ������� 3.3\�n]<� TOF (time-of-flight) £�¤HOPW��F#� ��DQ�RSTR¥�%t� ����sb=�<�����sb£ IMS�O�S�j-¦�F� ¥��-��b� RSTR�?@�ABCD+�§¨�� �'#�9-¥�%���RSTR�T,©,�� d��=��O�S�����RSTR�b�#6�U�O"�H��B<ªV�0 � §¨#��RSTRT�*m� !¥�#��RSTR�d�,�H�'Y� /�O�S!�� #5�� RST�§¨�RSTW�,X&RSTb�UV�,#c�H�'Y� RST�«V x, ¬­sb t �-®��F#C¯°±T�1�w]�H��

n(x, t)� I0

2� pDtpDtexp��²

(x²xd)2

4Dt� (33)

���� I0 �RSTYH� xd �����#��d���RSTR�+Z«V� D �RST�?@�ABCD+��§¨�1�0�� sb t #4�-�� ��RSTR��E³��b[:T w1/2 �

n��xd´w1/2

2, t��n(xd, t)�0.5

µ w1/2�4�Dt ln 2Dt ln 2 (34)

�0�� §¨�1 D ,�H� RSTR,�&©,�� ��§¨�1�±RT°¶�RT����

D�KkBT/q (35)

�N��-���F#� d�� 8���#��<�17), 19)� ���� §¨#��RSTR�©, ����#��RSTR�O"������ \]O�S�<� ��O�S�� TOF £�¤HOPW .^#O�S R �- R�xd/w1/2� <5E·¸B¹/%�[O�/%º]�O��H� �F[:TO�S�j�� !% L� �'E� �" E�L�V �����»�!�d��=�\]�O�SWX�-¦�� �'#��¥��d�<�a", xd�vdt�KEt�L� ����»�¼�½m�", V�E

�L�KE2t,��-� (34), (35)��L

w1/2� KEt

4�Dt ln 2Dt ln 2� KEt� qq

4�KkBTt ln 2KkBTt ln 2

2�d��

55

Page 10: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

� 14 � Vq

kBT ln 2(36)

��������� ������������������������������ �V/TV/T ������ !�"#$ % !&'� ()�"�*+,�-����"�*.� /0+�123�4� $567 % 8��9 ()9:,� �;�9 <�"�*+-="�>�"?@� !�"� A (36)$5��B& % A(36)'���6�CD67 "� E�F"G��H��I6*JK:��>6* �+=���>�'� !������� % LM���NOP�QR��"S��;T� �>�"U&-�V�������W�+!�"X$Y5&Z+ 22), 23)% W$W� [�>�3L\� ]Y�[��3�+ �'� ^�_`� (Paschen)���18)6ab& 9=�� �������cd�e�9 ��3�f]Y� [+��������"��67 % I]�����*b�g+�9 ����h'� 2.1i6jk]9=�� � k.l�m�nb+He�9=����������-="h"o �.� �����pq6'�>�'rI5�+% K���^�_`�����' Townsend

5"s !��t �������3>uWZ"#$%v3&5$�W]��67:� ���'Kw�x����(�yz6�+5& { Torr)|"S*���e��"+.� }�jk 1s�,��[�>����(�yz6's��-WZ���e��"@~WZ+.!�"ab&Z+ 18)%

2.4 ���������� LM��.67 ����!���������/0��'� �6'|�6*�� �012�'/3�0���O���9JZ4�� % 9:�X����3CDW]:� (����$5�012�3�Y ]Y�'� �������/0�����_�O3�5�6& ��"7 %!!6'�,�7�������/0��3�� %9.85&Z+ 9=�� ���"!����t��s9�t3:�W� U�:�9�t����"/0��� �+=��O6'� ����!����t�/0����O�������� UID(r) '

UID(r)��q2a

2(4pe0)2r4(37)

�;b& 19)% !!6 a '!����t���<67 %!�A6/0����O��" �4 ��-� "=3�� %����9:�� �; E " E�r�1 � r�1 �-W� b5�!��;�9:���t�:�b& 9�t����� a , a�E�r�1 � r�1 �-� % 9�t�����/0�����_�O' r�3 �-� ]Y� � �����!��������t/0�����O�� UID(r) '� A (37)�9=� UID(r)�r�4 � r � �4

��-� % I]��< a '� �t3�� a� :�< e

�:� ���� �

a�4pee�e0

e 2e0a3�4pe0a� (38)

� ��-� 9=�;b& 26)% !!6 e0 '¡¢�:�<67 %U�-$�,� >;$�!��t?£�/0��67

Lennard�Jones/0������_�O ¤LJ ���_�O¥ ULJ(r) '

ULJ(r)�4e����

s

r

12

���s

r

6�� (39)

�;b& 19)% !!6 e '/0����O����*b�s ' ULJ(s)�0 ��:¦��§�"@:T=��� ��#K!��t�l�m3;��{67 % ¦�i67 �(s/r)6'� :�9�t�:�9�t/0��67 % §�i67 (s/r)12 � 12��'A�¨B'�+"� 6���"{A©"�CT"9+]Y�Dª&Z+ % K���2.1i6B:«J]� ����_�O' (s/r)¬ �/E� % Fig. 5 �!&5����_�O3­®3 AÕ, ¯®3°O±²��{ (kB) 7³6a�% !�9=� UID, ULJ "F.!�6� � ���O�´�:� ���(��/q �012�'�� ���� /9µ�������¶G���� %

Fig. 5 $5����:�9�t���_�O UID LJ

���_�O ULJ �¦�i' LJ ���_�O�§�i9:,·HI6¸¹� !�"#$ % !&'���3� ���"U&º& r�4, r�6, r�12 ��*.´�:� §�i�k*{ (�12)"¦�i�k*{ (�4, �6)�kI��*. r "JRW]�*�»¼"�*+]Y67 % !

Fig. 5. (a) He�He�/9µ (b) Xe�Xe� Lennard�Jones���_�O ¤L½¥ �����:�9�t���_�O ¤K½¥% ­®'��3 AÕ37³�WZ� ¯®'��O��3°O±²��{ (kB)37³�WZ;WZ+ %

T. Sugai

56

Page 11: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

������������������� ����� � UID ����� �������� Fig. 5 ������ LJ � !"#$�� � He�He, Xe�Xe %�����&'!����� LJ � !"#$(�)*�+ ��,-�� Xe�./� He��� � LJ� !"#$�����0(�12�� Fig. 5 ��&'!��3�45� !"#$��6������� 07���8����������� &'!�9�:;<� �2������ !"#$�=���>?&'!�@��A��*-(=BC7�� 0�/� He, Xe (�� UID ����������� D�EF�/�� �G��H����B�����I-� �2� Xe�� ULJ ( UID ���J�K�� 5 A��I-(0L��.�������2C�ULJ �M� !"�N#*$I���� O%�&'!PQRSTUVW��5&�'X��(� UID YZ�*<ULJ �N#�*[�<��

Fig. 5 2C� &'!�5%�����$<(I�M� !"�G�A���()�I�� Fig. 5 �\]�^_$`U� kB *a�+����*��� \]�,- 50��33 K ���5�.b�/0^_$`U ((3/2)kBT) (�c��-�� H��)1�N#�*�&'!(QRSTUVW�.b���M�d��� 2.1J����/�� M��[�&'!(VW�e7f7�2�3��g4�h!ij�*�d�� �*1kl (7)�35��d�����07�M��[�m�-�b���I<6n��d���� b�^_$`U�7F� !"#$^_$`U�8�9����op��I;��q>?30/�� 0���.b�^_$`U�4��:;-8�:�;r��� � !"#$�8�9�:;-�� ����K� �����&'!��45���� UID �N#���� UID �8�9(.b�^_$`U�<�<*�K��&'!(VW�=r�7sl (7)�35��t>�30�(=BC7�� 0�>?M� !" W ��

����uq2a

2(4pe0)2r4ID

����v32

kBT

wTx0lim Wvpr

2IDv

q4e0� a

3kBT(40)

(?C7�� �y@*H�� K �

Tx0lim K(T)zKpol

q4e0� a

3kBT

v 316

qN��

1m{ 1

M��

1/2��

2p

kBT��

1/2 1

v 3e0� 664N � p

a��

1m{ 1

M��

1/2

(41)

(QRSTUVWA�(&'!m|VW�}&�~1;7�(�G��A�6�O19 Kpol ��B���00� N

(�� 0�, 1���CD�EA� Nv2.69�1019�/cm3,

((1/m){(1/M))z1/m �m: ��}&� (���5}&*a�a (��l (38) 4pe0a � a � AÕ3 �*a�e7f7�-� FA�����(� 0�H����G4�9Kpol �

Kpolv13.88�mama [cm2/(Vs)] (42)

(� Polarization limit13) �*�0(�GC7�-�� k*��� l (41)2C� 25/�mama ��(��;7�� 0�H���*a�H� cm2/(Vs) �<��;7�-��G��p���&'!(QRSTUVW�M�^_$`U��I<*�(� ���-�������$<(I��� M���&'!�b�&��I<6n��� 0���,G�*�(��� !"#$��*<��� !"#$����� r=K� �&'!(QRSTUVW�=r��M��N#�*�� IBs Fig. 5 �� He �>? 3 AÕ

o�� Xe �>? 4 AÕo��K��=r��M�����0�>?M� !"�:;<*���� G��p�;6�>?� H����I<*����GC7�-�� �2���y@*,G4���l (18)�JD;7�/��M�K�� � TT �p���L��M�% t ��������H��� 1/� TT � 0�Nr��-<��&���O@�6n;6�&'!�H���U �����(9), 27)� &'!�:;<� ��&��:;- He

*¡�QRSTUVW��-�>?�� 0� Kpol �r-9�?C7� E/N �<�<��>?� G�A���.(¢¡*-� �2�� &'!�&���I<*[�� QRSTUVW�&���I<*�( Kpol �:;*H���?C7� �-G�6n�£);7�� P¤ 27��� 1

��� N2 300 V/cm ����>Q¥���&���I- C{60 �0� polarization limit�R�o��H����� M� !"�H���~1��-��� �&��:;*¦!§!&'!��.(¢¡ polarization limit �<�-9�?C7�-��¨©�&'!�QRSTUVW����(��� �&'!��3�45�����S,���� ª«�&'!���8(��&'!�T��¬�����*<� �54E��8��t��-�� 0���� C60 ShU­!*¡��I*�&��&'!���� ��8�®-&'!��3�45�����$<0(�GC7�-�28), 29)� 0�/*>?�� QRSTUVW(&'!������&'!��3�45����� LJ�����./�¯U@�*�� ;C�� ,V3°±1WX�YH²Z�5�H��)1��30)³32)� Ti o´�.(¢¡�YH²Z�5&'!�,V3WX�./� He�H����I-µ��?C7�-�� 0�0(�**�&'!R¶��*-� QRSTUVW(�[?@*�����)1��I<����B�0(����-�� ,V3WX�./�O%���5·�´\�¸�� �5��¬¹](���&'!R¶��I<*�º»�O%@��19)� H�,V3WX��H���:;<*�(=BC7�2C����0�/�� &'!� QRSTUVW%�����(��� &'!��3�45����� Lennard�Jones����*¡�¼p½��� 07C����QRSTUVW� He2C Xe*¡�61�(� �4]PST!�$

��H��

� 57 �

Page 12: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

����������� ���������� ��� �������������������� !"�#$��� ����!%��� ��&��' ��()� 2.3*+�,�-./��)$�% �01!2�3��4567�8 9:6;�<�=���#>�?#)� !@#A� #>#BC��DE�!F����� � 9:6;�<� #$�HeG�H�������� #>3�I����)3����% �JK��#$)�' ��()� BC�� �LMLN5OPQ4����R��! He, Ar, CH4, N2 �+��#9:6;�<���I� �S �!TU�$)�33)� V (18)

�9:6;�<��6;�W�������� �I�� X"�YZ[�+�#\��$%+�)�DE��� R��]���^��&�$)�� ��B_+�� E/N #$60`280 Td >�()�a!�)$)�Ab� V (18)

�'(c2�)d+�)�� 9:6;�<� ��� ��DE��e*+f�� !@#$)����gh�� R���������9:6;�<�i��DE��j+�&��Ab� E/N ]=�� 9:6;�<��,�G!-k�l�� +� #\���� ����mK�./�0U��� ��� !�I1�n�#A3��� 4.5*+oT�2�a)d+���] 5.3*+@�pq�3X�rs+f�� 1.2*+@#Agh�� t�R����+��DE���uv�4wi�5)Ab�X"����G+rs��)gh6x78y�]9z�DE�3���01���

3. � �

3.1 ��t�R����{��|:�}�~G8�3�+�)�� BC���!�h;<��� ��]�% !JK�l�Ab��LML�=���$)�� >�� X"�� �y�l�R��/X"�� (IMS/MS) +�� ��1(89:6;�<��+E���R����?>U(@��A*X"��?����!Y�gB��l�Ab�C"�D��$)�� m&�E&1R�������� }�U��,*F!@��

3.2 �����G����H��A3����+f�14), 15)� t�R����� >�I�aJK+���+�� 9:6;�<� ��DE��~h��a ��DE�g�3��)� ��� >UtL�g��������M1+f�� ��U>UtL���!�N #$� �a�g����O� #$����� Fig. 6 �@�gh�tL�P#'�#A�a!��#� f�>��R��!3����[��;<!Q�#$rs�������+f�� �a�^�]L��^�!R���� +�S�R���O�7��0U��� ����P�;<�9��R����;< (di#erential mo-

bility analyzer (DMA)) #$� >����������4���T{�HU!V�$�A34)� �U���;<� W1��� !�)$� ��[�+XH!R���

¡¢$�Y£Z[���¤�' +f�� �>\+f�� R�����¥� �Hj9¦G+XH�§J]���!¨]��� 3g���$)�9), 34), 35)�

3.3 � �����Fig. 7 �@�gh�� ©��J����^!_�a�B�#� rsªL+�4567wi!��#R��!!T�;<+f�� `�wi�X"��« a/��!3¬�R�����)���~G4567wi�6)� 4567wi ���^���Sb ­4567P�6;��®>U��Sc��R���O�7��0U��� ¯3�% �();<+f��� ���rs"�g°�����1I)����©��J����!B���� � 4567wi�ms`s�d��~G5�Ab� ±�e#���²fg�I&��Ab+f�� ��!h³Ab�� 3.5*+oT�(²f (RF: radio frequency`1 MHz) �L�a!�)A���´�����] 4.4*+oT�Watersµ+�H��A���7q:P�-§i+f� traveling

Fig. 6. 6¶����R����;<��� tL�P#'�#A�a!��#� R���¡¢$����·j�¸�� !k�#$��£Z[���

Fig. 7. 4567wi�R����;<��� ����¹:��!�)$©��J�#A���^!_�a!�)$���l�� R���º)�¡¢$4567l��-k��� !� ���B�>UrsL+�A*wi ­4567wi® #$rs���rs��A���^��4567wi»��!4567P�6;�� ¼°� ½��>U�S������R���0U���

T. Sugai

� 58 �

Page 13: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

wave ������������� ���� �����������������36) ����������� ���!�"#��$ ��������!����� �� %&'()� �� 2*3 m �+,-37), 38)$ %&'(./�� ms*��01��� �2./� ms*�� ms3�456��� 7 86���� ./�+ 100 ms��0�2./91���:3�4�;��<��

3.4 �����=�����������>��3�2��+?@�A 3 #�+ �,-$ B!��2�5!"�#$#��$B%��5!���C�?����1���0&'3$D>���!(E�70+)*�,��$ F+3G�HI!,J���K�!-��L�863B!��2�53���M�NO!(E8�+,�39)� 7 ./��$ B!��2�5 ����0P#�1Q� 7.94 mm 0��-2��3+��R�S$ �5T�0A /U! 6.35 mm 056�T@34?8�55/!+V� 86�7WX���!Y�?�$ G-D>��2��!(E�0�Z8���[9#�0�\:]+,�40)� >��3=��;<��=�^�!_-`\86$ >��3����������ab3�$ >��!���70�"�9)� ?�?=��;<01���!cd?8���� (IMS/MS)��$ ���e?N@![9�L�86$ 4.4fg 4.5f�A4�B?�hCi�jD� ���� A � B?�ki��$ =��)�1�N@G@=��EF?8-$ 1���GlN@G@���!HI#�863$ 1 MHz �� mJKnLm�o (RF)gMp��o��qr��!������7 � ���N� �5!Os�t?�(E�uv���@$ w�x&�yz�{�|�g(X��$ }�����~q����!���$ �53(E� ����

3.5 ����=��;<�FPQ ���!_-`\86$ ��'��W�0��� P�C���<@��#�� 7 P�C��R3��� ISgHI!�<�7#86$ ���^�!T�?e?N@![9#�863�$ ���M�{����M3)*3��� 7 G\�W�Q ��� T�0M�3�$ 0R 1���3����Fo����� 8kU 6V�jD� 8�W�A X�� ���� �)5$ Y)5��"5 RF ������Z[��,�� 7 �\�&�� ] ��^?@_-9�� ��� �$ 77�����'���� (IF: ion fun-

nel)41), 42) 3V��Z_#�� IF � Fig. 8 G\3$ A ` 0�-��� 0��a�bc�3���d?�3[���M�� ��@G\3$ |���?u�32�@�����0P�!+VB!��5!#$?8�e!+V�7 � �53�$ Sf-d\�5/3 100 V, 1 MHz

�� RF��!$ ��3g+0?�bc h3���!���L�G\�iL�� �� V/cm� !jL���#��kQ lmn13H�[�?�,�G\3$ �5 ���0P� ��o3,�����K� RF�� ��!�v

f-d\�5/!�p#�G\�^�!#�� ?�?W�Q ��� =�q��2�@$ ?�+ RF�� JK�� �3m�86$ 7 r�^� r��2��� 7 86$ 2���pr�!�-s?���$ �5�o K������� ���07���$ �5�� +¡@¢������� ����5Qt£9 u¤3¥??� ��@� 7 cO$ ���� RF��3G-�5�o��Qt£93M�� �� ��37 RF��3�E$ IF�����!bc h36@iL��!�E���86$ ./g+0?� Fig. 8 ¦v W�Q�§��������!M�?¨v 2��©��N@G@d?#�70��<�� wª3+G�� IF ���xP@�� «3+9�37), 43)� 7 M�NO�$ 4y�¬A#�1���0 cd�M3)*0��� 7 �d$ m�W�oz�C�#�=��;<G��m{­�C�#�1���Gl ���0P�!$ W� L®!,¯86$ �<�uv2�@?�@������� 7 IF!���70�$ =��;<G��1���Gl ���|IN@!m@}�8$ ���0P�!~R32�@?$ W� L?!,¯70�°83��37), 43)� Fig. 8 ��?�,����^� ���$��:±x}yX� SimIon8.0�G²$ ³j� ���W�Q��� =�!:±#�HS-1:±´µ¶��44)!Y�?�$ 300 K He 1 Torr Q C·60 ��� �a!

Fig. 8. ���'���� �e0 C�60 ��� ^��¸¶���¹�� �/U3�4� 8B!��5��<����� V-º��?º3[���Q�2�@��G\����6V»d?�!+V� 7 bc� �e3���$ 6V.3­/�3§��8����bc h� ¼����d?�3M�� �� 7 � �53����!M�#�G\3$ iL�G² 1 MHz �� nL��!��?���� �5�o H�k��$ ��� ½��^�!�?���� nL�� JK�� �3m@$ �����5/!�<@r�?�53��#�70���� 7 86����¼��r�^�!?���$ m�� �5�����5��¡@��� ./ Qt£93����M�� ��

FP=��

� 59 �

Page 14: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

�������� RF��� 1 MHz, 50 V � � ��������� 2 kV/m ������� ��������������� 100 ms ����� ����� IF RF���!��� �� "�# �������� $%&������'(��)� *�+,� ��-� �����./�01�# ����2�3� ���4�5�6 �3!�+73�89�$:�4.4;�< �= traveling wave �����# ���>&?@�A� $B3��

3.6 ���C����D�E�F1GGH01I5JK$L��M��N� � � !�����"O� P� S/N� P#� O$L�P�$%�Q�� �7RS����T&'��$�� ���"�# �����("���UD����V� � ���V�M��N�W�)�X� *+Y,� -�$L�� .Z+7�[\��-$�� ]��./^_J`aI�4[�bc fA�������)�/Vd�efgdK^�h&iJ (JFET: junction field

e#ect transistor) 01��"E��"�� �2j�kl73-�� �7���"E�� TW��013m��n�[� GW���4o�)p�q5r3m�\��� �� bc fA�����)� 1 mV ����q4o �3D��-� ���)6� 103 7�U/s ������D���8s�� ��t9�:;�� �U�u�3�v[3���w��P:� ����C�xy<$L���z{��T��� ����Tn�D�9�� P|01}J=>~�?�'�!@�3-�AB CD� U�EM�� ���FGH"�IJ�$C�s���� �4���E (single-particle-

counting condensation nucleus counters: CNC)��Fig. 9 ���$�K���45), 46)� �1�J1�FGH"�

�����L0p�FGH"��4pIJ+,� �����(M��� 1 mm ���(-+��NO+,��� (M�D��k����� ��$��:�����5J�J D�{��P��D�E���� �� PT�������%�$ ����)D��Q�R@'�{����� �� Fig. 9 ��(M��0���8����Q�'S+�S��(M��D��3��� P��(M��D���V�� x�����T$����j� �����U�x(-+� y<�� D�{��(-:5����� �$D�9��{�UV�WX�46)� ���Y�� 4Z�[����� ����D� C��C�������# ���/C��� (IMS/

MS)��#�\]�3�� ���V����D���^�C��� CD�� _���kl7�[�M��N���� ��%��

4. ������

4.1 �"�# �����`/abcde�f�7�[� C�����f�7$��K�u�gh�f�7� ���Y�� ��h�+73�"�# ������%�� �P5 1� 100��20)� i�j�k¡Vl,�1,000��� 47)� �¢!����%��nC��� �Q��$�$�� ��{��u�3�� _��� 106 ��l��"�� P� S/N, bc ns ��:� 100 M `£�K/s �P�D�#���n�M��N>&?@�!��-C�������P�� ���[¤��:;�!���[�� �Y# � C���t9�¥V��¦�c§aK>&?@�# �/C���9 (IMS/MS)�\]�3-�48)� ��>&?@�?�¨m�©: 1962Y��ª\+73��49)� �7��>&?@��� T&'�Q�'P�«a./J%&q1�Wn �# ����o�k�# ����p�kB��� P_��Wn �C����k�t9�T&'��� C����kB��# ����k�� ¬­C����k�t9$L� +�®�$k¡Vl,�T��� �7��t9��# ��� C����¥V�j¯�� D������°l7� ��±�[�� ��²q���+73�� R³�rs'$t�Q��

4.2 ����������t9� Jarrold50), 51)x Bowers52), 53)��� 1980

Yru�� 1990Yvw�ª\+7� ´µ=C�x7xyLm¶^&iJ�z�+7�� �z7�{v�C�|}+7�·~xyLm$L�¶^&iJ����� ¸§.K¹1��L���$�X�sx�p�s���������'�ª\+7��54)� ���¸§.K¹1�q1xºX+73�����=� �� ¶^&iJ��K�# ������ ��% $B�� �7����N�� C������ ���C�|}ab�p�<»�3�� Bowers��¼1JI��½���¹¶iJd�C�������3C���p���� �

Fig. 9. �4���E (CNC)��K� �1�J1H"$L������J+,� �(M��%$ 1 ms ���(-+��NO+,�(MD��� ����(M��0���8����Q�'S+�S��(M���3��� P��(M�D���V��

T. Sugai

� 60 �

Page 15: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

Torr������������ ����������������� ����������� �!"#$%&��'��(52), 53)) Jarrold�*��+,-./0&��'1� 2 �23� 4�5���������� �6�+,7�) 8�9����-� ,�&�:;��32�<��=��>!,?�8@,7�) 8A �BCD�E��3 C60 FG��HI6��-� �I�J�KLM�<HN���KO*I����6�P�*KFG� "QRQF=�:�S �8@:;���) ��HI6��T23- 5.4 U,<VWXY�) 88�Z[�&��'����������� �OW�LM�<�&��'�����\�]^�,_����� ����������� ��� �!"A3`�����&��'��(9�<a`�;A32�55), 56))8�9�-��Z[�a(�� b�c���2� MS/

MS (mass spectrometry/mass spectrometry) @d@eG�f,7��g� h��&��'BCD� �� :!i,7�) 8�9����,7Wj�@<F�"#:�������������� �k�� l Torr�������<T��� ]^�m�$!�n �3� ����%opQF`3-F F28@,7�) 8�%opq�-lr eVLX�s2t�uv�w�:&'�F�8@<7W� �����@�b��aW���:_("A�) _("A����-$%�����x�Q,)y"A�) 8�8@��� �@����(z* �8@:{+@FW� 5.4U,Z[�a(�� HI6��=��,|�-}��W~�=��.�8@:,?�) Q�uJH�N+J����|� (ESI: elec-

trospray ionization) FG,�����*����/� �8@FG<{+�F�) 8�"#-b�-}c� (CID)

@�0,7W� ����1��uv�w����,?�8@��2�32�) 8�8@�� "#3� �3���

@4���-F2:� HI6��5(FG<�;A32�24)) 8�9�,-:$! ��������s]^�&��'16����� ��<��m������:$!�aW7QA�8@� � ������s` �8@:8�2) 8�8@-�9:�����c+��` �) 8��g����&��'�;_:F9<@ ���,-a`��"A32�) ~�,-����c+�XY�'F9<@ ��g�� L��Z[���=�KBCD:�$�FWTT7�)

4.3 ������U,<Z[�a(�� �3���/&��'BCD,-� ���@&��'m����>?�� 4A�A���:@?`�F��g� �����:@?`AF;A�)8�8@�c� ��g�� Fig. 10,BC"A���=�K&��'D�:��"A3?�) 8�D�-��=���23s�c+���@&��'�����D�,� E�������� u6�@¡�¢F�32� Jarrold£¤:����) 8�D�-J�¥�¦�§@� ���J�¨@������� " �������� =!"A�����&��' �./0&��'1(QMS: quadrupole mass spectrometer) ,=�"A32�57)) J�¥�¦�FG,��HI6����� ��������������'���� QMS,&��'��() 8� Fig. 10 ,-J�¥�¦����§@�Gq�;#,7�:� 5.2U,Z[�©�ª+«�FG�H�¬�,- ESI@�I�� ­®"A�JI�������B¯�6�,°�|���� ����������32�) 8�D��"#-KT7�) Q± 630 mm�@K������ 10 kV �sL��²_�� ��<@��M��He ����3� NL�O³TTPL�´µ��Q"#�s�c+����{+���8@,7�) ¶�10,000 L/s M�@!�R·¸©�+@��=�� ¹a%

Fig. 10. ��=�Ks�c+���/&��'1�=�) J�¥�/����|�a����§,��������� He 500 Torr,S�"A�T" 630 mm ���������� �) ���Uº�� ����»�3��"A����-��=�V�Uº�� ./0&�WX"A�) ������ >!"A�Q,��5�-� �������Uº�5,7������5@d¼0�2�g� 8��5��&�½@� �8@,���/&��':���)

�3���

� 61 �

Page 16: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

f 0.1 mm ����������� � �������������������������������� !"#$�%�&'(#$)*"+ #�,�-.�/� ���$�������0��12343 15�� $ 10�5 Torr )*6 17�89�"+ #�:;�<��5,�-.1� ����)=��3 �"�5����>�����)?��)*"+ '�'� �5����>)1 ESI�@) nA A1010���/sB � � ����C�DEF�GHI�JK�LM����� (LC/MS: liquid

chromatography/mass spectrometry)�@)8� ����KNO��� �P.�Q� A108���B � ����������'� �)R"�&�'� 5�/� ��)1� 23����� A1010SB � 15�� ���&TU'� 5�/� ��'(V� WX 17�� �<��5�YZ�[ 1����+ #�(\?������:68���� S�11"�&]�[�6� <��5�&1^ &_!`�����"a,�-.`#$)*"+#�%&1bc)8/� /����,�-.$' 1d8��5�/� �e��8�%&�?�)*"+ 2.3

f&g� h (36)&i'(:;&�j'�&1/� ����e�1kN�lM��m `?��no� ������&pq'((��)*r&+,!"+ #�:;��(��s�'��� ���3(/� ��t-./0`12uv)R"3(nwx�yb!"(\&1� ����$4�������`#5$�"+ z(������6�7(������(��pq!"(\&1� {N,P��8918) )i�3":;&��kN�lM����`#5)*"+ #�%&1� #3��|}�!~ :('(���;�d�����/� �e��yb'(+ #�%&1QMS��� �"`� <=���������� � ����$' TOFE FTICR (Fourier transform ion

cyclotron resonance)���'� ���e������(,�-.8?��&�� R(58)�61)+#�:;���e��yb'(>�$' � #�%&)1����� `�?&�� �"+ <��5$�������@�����O)�5!"#�%&)8� ���������A��R�11� 0.1 mm � )*6� /� ������������&�'����1�R[B�Z3"+ #�(\d�)1C��<��5��)�[� ����KNOEDw� RF���� ����l��� (IF)������ � _!:[�5��/� ����������������!"#$`���3 �"37), 43), 60), 62)+ z(#�,�-.)/� ����e����E�!no� F�'(:;&4�������$������`#5$�6� ������_!` �#$`GH&�"+ {��¡&�����'(��� ���I�`¢]!";£&¤�J1������J&¥'[�����)R��(\� ����g:X��¦6K'§L�`3¨!"+ TOFMS (time-of-flight mass spectrome-

ter) )1����MYN `�© km/s�@�N)*"(\� #�GH11ª« TOFMS�:;&� �¬��¦6K'§L������� ������_!� 0.1­ ��30­ � �����"#$`)R"+ '�'/� ��)1��������N ` 10 m/s �@w\ 3N)*"(\� ¦6K'§L������ ��_!�����"#$`O'�+ d�)1��e����(\&4� 2�3 m� ����������"no8*6� ¦6K'§L��3¨`GH&�� �"43)+

4.4 Traveling wave �������#�:;&5�/� ��)1 ® ���`�R�GH)*"+ F 4.3 f)�~(:;&� <��5,�-.&�z¯z����������"°8±²&� #�GH

Fig. 11. Traveling wave /� ��,�-.�³�$(�P´µQ+ �§L(�`R6o;<¶·S¡(w¸$&¹NO��J�K���Tº q£�3"+ R6o;(w`�$�6� traveling wave »¼`U£�3"+ ���1½*�&8V�*�&8�KNO�3"+

T. Sugai

� 62 �

Page 17: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

����������� ������� ���������� Waters ������ traveling wave �������� (TWIMS: traveling save ion mobility spec-

trometry) !��62)� ��"# $%&'()*+ RF$%&,$-��./0�123# ���$%&+�����4�!��� ����� !"# 56 3.57!89�$%&:;&<= (IF)�>�� ?�0# �����@A�!"3B Fig. 11 ���12���C���@�C������0D��� IF+����E.2�@� 1 MHz,

�� V���FG� (RF)���'(&��H�D�IJ�D��� �� RF��KL�MN����������O�# �5P53Q$R&S� T����U��I��U TV!��W5�D��� �� RFG��" IF+���X"FB#��# $%&� RF��+�YG��!�@Z�$[B\%]��# ^_+�D�@�&'`(a���+�)�!��� 3.57!89� IF+��# $%&"b� RF���cd��D���@e*fJ�@fJgBh� RF���cd��D��+�i�j,���42), 62)� ��12�# ����� "-�V!MkE.lJ�D��/@mnop$%&'()* (LIT: linear ion

trap) +��3�q���� LIT+r3�0"s� 201t�# 56N���������O�23!��i4u�$%&���#�� TWIMS!"i4u�56����D��/���@�7�D8v�wI�0!��� LIT!"�@"i4u�9w�����# i�563�@":;1t�3��O# ��12�������2<3i4u�$%&���x=!��� �J�# LIT!">y4u�z�D"+�i�'()*�0�{�&�|=�?B��@�# i4u�z�D"A�.M{�&�|=.M# }�~1B�CB3�� �f�# �� TWIMS!"D8��>y4u�'()*{�&�|=�dI# i4u�@�DM�@Z�! sin���{�&�|=�1t���+�$[3��!��42)� ��{�&�|=" 1 eV ���ME�#F]��<=��1EM"�f�$[B3��.�������O# TWIMS!"�):;�,�+�$%&"# RF

������@�ff�D���."# >y4u�@�DMi4u�@�DM Fig. 11 �12��������CG��@�+�}��'()*��������� !"'()*���$%&����3��+��7�$%&����H�u.�0�� �J� TOF

��N���������u.���DI�JK+3�D��# �L��$%&�i4u�M�CG���=�$%&,����+ �3.37� �VN�# ��+�7����7�D��62)� ���+" Fig. 12 �12��@�#traveling wave (TW)+�����������O�i4u$%&���U����&��dI��+!������ ���U"�X V/cm������# �Z���D EO���12������+fJ# traveling wave +P¡�J��� �� TW��U¢Q��RS���+!#�TE��£�:;��12�# ����$[�M�"TW���D��� L��H1BU����� �f�#

����¤��M�" TW!"�5E�f3��O# i.�'()*�+JIJ���Z�VB# ��� L�U����B�� ��12�# U����$%&b���Z*¥:;$=fJ������![�� ����� !"������$%&,�¦Z"W� ?!"3BU��H�§�1�D����� '()*�V�+ TW��U¢G���X��#����+!# "�Y�¨©��55'()*Z�$%&��9D�7���+�![# [\]3���H�u.�^��� TW ��U_q��Xª��kHz��!�E# `«3�U� T��2<BfJ TW

�U" 10 V���1B¬/�D��� ��^_ TW���M�X V/cm��+��­®FB![3���J��):;�,�Ua" 1 Torr��!�E# �t�+�¯F�����ba��^_# "�Y"��­®F�4�!"3�63), 64)� ��12� TWIMS"6c���7�� TOF�IMS�°c����7�D�d�0�M�!�E#eJ�����¢&'fgLM6c�������+­±���!���+�hJ�D��64)�

4.5 FAIMS

2i�,�+$%&�²j]�4�³!89�12�#A��6^��&'fgL�R9��O�"k��@´!w2��µMXl!��� �2!3��.# m�¶� Te#

�.·¢# $%&+�):;�,�Z��¸q7�1�&'fgL���~1BfJ# ���+&'fgL�@¹�x=�3�� �f�# ���L@]��7���� field

Fig. 12. Traveling wave (TW) �������� ��qºA� »�!�������k�$%&"� (TW)�TEn¼�£�:;��12�kE½��# ����F�o��$%&" TW���D�H1BU�����

N����

� 63 �

Page 18: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

asymmetric waveform ion mobility spectrometry

(FAIMS) ���9), 16), 65)� ����������� ������� ��������������������� !�"#$�%&�'(!)�*+,-�.��� �/��� ���0������� �12�MALDI�3��4$�5 67�����89� LC/

MS: GC/MS (gas chromatography/mass spectrome-

try)����:;��89� <+���=��3����>?@AB�89�CDE��*�F��,G��ThermoH�3IJK���,G�L� M��� Fig.

13 ��N�� �O���PQ<+�R S�PQ��T�U*+,V�W� !�W�PX�"1,VY#*+,$1�� �W�ZQ�[ 0����N�V�WL\]���ZQ%!�W�ZQ%�&^_���`,G�� ���N�'(a�VY#�\]$��*IJ FAIMS*GN)LbG%� ���N��W�$1� �J�c7'd�;��*+*+,�PQ�++� >?@� Fig. 13 ��N������*L,-���� V�W���LV���>?@ Fig. 13(a)��N�V�W.e��+� f�V�W���L!���>?@ (c)��N�!�W.e��$�� (b)��N��W���Lg/+�G>?@�+�G� FAIMS����T�U (DV)������"#�0h�U (CV)*+,$1� 1���i$��N�0h$�� j2��'(aVY#�$1��P�0h�U�\]+� (e�P34+,G�WkL5G� ��%& (a)�>?@ CVl0�Wk1���i+�(b), (c) �>?@m�n� CVo0, CVp0 �Wk�i$�� ���N�0h�U�6_q�rPX��7�ON%&� FAIMS���� !stL0h�U� utL>?@v�*GNw�8���� >?@�x�y)�@:'(!)���zIJ� 9�{�|+�}:��,G�~�P��� � (QMS)*;�+,G�<L5G� M�������� �PQ�7L�mm, V�U*+,� kV, Y#��= kHz�1 MHz >�����

FAIMS�!�WP����*��D� ?J���@�ABCD�������Wg/X���%&�

E3 ��F����G� +I+���*f� FAIMS

��� �'(!)�*+,� �DVG��>?@GHXI�<b�*��J$�� !�WP������7��ABCD�f��&�+,�6' K�L"#+� �7���� j2�6��>?@6���>�*6���ABCD�<b%&� ��*��v�L�+,G�����*� ��>?@����N�!�WP�����7+%Wk� �7��>?@�<M��N��>�*���<�� ����� !*+,���%N������*��J+,G�� $���!�WP�����7���>?@�GH������$�%&�'(!)�*+,O��PI�G�*��+,G�� ��< FAIMS��ABCD*�Q��L�L�G����� *E�+%�7�����*G1�� ��%&� FAIMS��7+%>?@������ !���R+� +I<��y)�@L6������ ���N� FAIMS��� �%&�� S�'(!)�*+,!�W�����D<O�����

FAIMS���N������ �%&�'(!)�¡¢���� vG�W�.+%�£>?@� ���: �Tz� �£QL¤z�}U�3�.��bb�D� !�WP������*���4¥�¦V+bb��9)� FAIMS���7§S�bG,<�S�} L���,G�66)�68)� ¨© 2.2ª�« (32)��+%�N�VG�W�$1%Wk� ��j���� K(E/N)*�W�g/$�� ¨% FAIMS��N��WLZQ��`,"#$�Wk� �6' K��[*+,?J��� ��J��¬IJ 2.1ª�« (1)�­W+,�

®vd¯o���t0°Dt

t0

K(EDV/N)EDV(t)dt���Dt (43)

*±²���� ��� EDV �T�U (DV)����W��+� ZQ"# t0�(t0°Dt) ���T�U*+,�'(aVY#�Y³�D<�I�XGZQY´ Dt �µ1,G�� �� K(EDV/N) « (32)��N��W�g/$�%&�®vd¯oK(0)

Fig. 13. Field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) ¶�·¸��z¹ � ZQ�[ 0*��'(a(asymmetric)��T�U (DV)�\]+� ����Wg/X�º`,>?@L�7���� 0h�UL 0�Wk (CVo0), (b)��N���L�Wg/XL�G>?@�»L¶�·¸��i+������ (a)��N�V�W���L6����>?@��+,� Z�0h�U (CVl0)�¼[��P�\]$��*��D� 1�\��i����*L���� (c)��N�>?@½�0h�U (CVp0) �\]$��

T. Sugai

� 64 �

Page 19: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

����t0�Dt

t0

EDV(t)dt� a2

N2 �t0�Dt

t0

E3DV(t)dt�������Dt (44)

������ EDV/N ������ ������ �(44)��������� t0�(t0�Dt) �����Eave�[�t0�Dt

t0EDV(t)dt]/Dt ����

�vd� K(0)�Eave (45)

�� (1)��!�"#� $�� %������� ��&�'�����(� )�� FAIMS��*+����� 0,-��.��� �-/0 Eave 0 �-����1���� EDV ��23����� � (44)���0,-4 2��56��� 783� (44)�

�vd��K(0)��a2

N 2 �t0�Dt

t0

E3DV(t)dt���Dt (46)

�9���� %%�� EDV/N :�;<��!-! a2

����=����>�?3�� %��.�@(DV),7� FAIMS !� Fig. 13 �"A�BC�#$�DEFG%��-� HI,���-&'�@ (CV),7�()�� (ECV)�J23� %� DV,7�DEFG%�� 0 ,?3K*�L�MN�

�vd� vCV�vDV

K(0)ECV�K(0)��a2

N 2 �t0�Dt

t0

E3DV(t)dt���Dt

0 (47)

%%O$�

ECV P��a2

N 2 �t0�Dt

t0

E3DV(t)dt���Dt (48)

�&'�@��.�@,783#M$����� ECV �EDV �QR� $�� �.�� (EDV) � Fig. 13 �7S,� �DV �1�@�*+ 1+T�2� PDV/3 ���@�*+ 3+T�2�� UVWX��@��Y�� a2 �,�(�-Z�� � (48)�

ECV Pa2

N 2 E3DV(1�1/4P1/27�3/4)

P2a2E

3DV

9N 2 (49)

�[\��� ]^_��`�L�MN,./-&'�@,7�����.�@,7���� 30,12��%�/O� %�%��� �aba-3c,Q?343�a�%�d5��3��66), 67)�$,1e�� a4, a6, ��� -<#f6��%�#gh��3��68)%�7S, FAIMS,i��� &'�@��.�@� i7j]^_k���QUlmGn�� '�����o78,i��1e�,9:,Q;��%�<$O,-8M?O?<�7S-�pq6rs=,74%�$�1e�t����O� aM%��QUlmGn,���uvm<�7S-w$�#0<�7S-s=,�x��O,y�3�� �z#{�,�|<��3�-� a}>?@AB��,o7?-��Y�� �~3�]^_ Fig. 13(c)

�7S,1���'���C�� �2.2��D�� O-4�EF�]^_� G,�]����-]^_�� Fig.

13(a) �7S,'������#,HJ��%�I$

�3��9), 67) %�$�e�7S-��n�J<��3�� a}]^_��WF�v�UK,�L?MM-<�3cm�U�v��N����� >?@ABH�?� '���A�� %�m�U�v��������,783#M$�����"OC-�MN,��,7z����� '����� �DP,1������,74m�U�v��"O?� m�U�vQ���� >?@AB�C�'���HJ�%���S��n�(� %��R,� 1.2���?M'������]^_�3c�>?����S�%��� ��*+T�%�O$� ��3c+�pq6���7!K*���%��� 2.2���?M1����,74]^_��"O��%���3�� '��/cU�V���HI,%�$�m�U�v����M4� WX3�Mr�n�vn�Y��HJ�L�%���.�@r&'�@o7874�Z,-�-<� FAIMS��[G8\���%�O$#dON$�3�� aM� X�G_]J]^_-<�� 2 U^��N���]^_,]J��M�C?� �@o78-!-�%�#I$�3�� �$,� �WF�v�U����"O�L�%��#%�$�m�U�v�N�_`?� �@o78C-!-�%�#<$O,-83��21)�23), 69)�71)G,a  23��� E/N � 250 Td a�\��L� '��� E/N \�o78�b~3�� E/N HJ?� ]^_��"O����� 100 Td ]¡�methyl salicylate �c]^_��¢E� M�O�2 O$�(MPH)� ,\���%�#����3�� %�$��R��@r@d�ef,\��L3#� E/N g?��£� ;¤�h,����M%�O$#� 2i��?M��nHI,j4�(�%���?3��%�7S,� FAIMS�3c+��pq6�|<��f6k�?3l¥,x6��3i4� �"3c�#]^_� 8,783��!'���&'�@o78\���%�-<#¦����3��72) aM� FAIMS�s=�|<?7S���§¨#l¥�(4� 1�©�ªE«¬­_®E�vn�¯8^��[?Mgh#(�61), 73) �$,�FAIMS� IMS/MS��Y?M FAIMS/IMS/MS°UV±-<#�m��74)� FAIMS���[�cU���-!�>?@AB�#�QC-�nk�(�%�d5��M4� 5.2��|J��7S,� FAIMS ��]^_�s=\�#����� FAIMS+-�cU�V�F²n�v��-!� ��-³o8�#8M��k�(�%��Hp?yy(� FAIMS� $��'�����o78��]^_�q�r�rs=\���%4r��-<�Q;s�%�I$�3i475)� ´µ%�$����|V��[\¶¢m����� �$,t/,-83�!�·2$��

5. � � �

5.1 ��'����� 1i��~M7S,� u¸¹!G,«��ºnr»¼½EV²vQ;�����v/-��k�?

&�'��

65

Page 20: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

���������� ����� ��9)� �������������������� ������ /

��� (IMS/MS)��������� 4����� �!"#� �� ������$%��&��'���(� ��)�� 1990��*+#�#����� ������� ,���-� 100���.�/01�� !"�2���� ���#3��������� ��$%�4&'���()��5���� *+6�78,����� �� �2(-9�:;�#.<=> /��&'�,�������� ,������4#?0 *1@2A,2�B#CDEF�3.��B� G4�� �� 5=#@����� �(#?06H /�DG4�� �I7�48(�#����� 9���4� ��()����:���1;�J9����K*+6�L<M�4� 9D�=%N%,���� �2(�N%L<�(O>,��?������ ,�?�#@$��I7�P A2������� BQR�&���5���� ������I8�����S��#JT?0UV���� *1@2#&'�C��49WT?0AXDYZ[\]^]_`��?��B� 6?0�������� �2(�?0E� F(2�G4�� ���*+6#�5�a��5����� IMS/

MS��Gb�(&'��()�J9���� �c� 1

��Hd�!"#� G4�� �� e�,�-4fg��h!���IJ�@��� *+6�4&'���ijk6�h! Ll(2����T#78,���� � �2(�6�m+An+�opKq�,����� ?0A��#CDrL��Ms,2����� �N���� 5��O6,2APQ@2�B 8(�#�2� ,�:;��'�tu()���99��� �2(�G4vR� n4vR�B,1��9Sw '��)��*T�x��� JU����� ��4VDBy����� ������,� N%WX�*T�� �(#*T@z�(Y%�B�{�6H���D��#� Z[����4'����� �����(\,� L<���]^��� X_A NMR�B� OL�)�����?0�{"������� �2�|6}6?0~�k�?0 8(�#�5���78,������`�D� �X�#y����4aQb!Q7��j0~]6)�8)A�`j1^076)�BA��X��?0�(�c���?0de��f g��78��0�77) �B�l���� !�JU��78,�#��Q7�� ��4���!"�Wh}WP � ��4N%L<#(��ij�#?0I�{")� k�l2���� IMS/MS��2(��2�49".� H;6HA*T�m�B$��?0I*��Q72�49��)����bk�2���� ������ �78,�����no�?T�2�78no,�� ����no`j1^0� �j0~]� 78��0��B��#��� �� �2(�78,��A2��2#�.� y��9/�%T�2���4�4����� Tp���.�Sq,����bk�2����

����#r5��W� sW� 9t?0�B/�D?06H����4� G4��#!�?0���tu()����:���1;���� /�#%T�2��� � ���uvH#!�?0 �T�2���� ?0 Sw��KD#N%,���F(2�� Sw:;�#4���x�(4?0SwA*T�m�I8 &'���� �2(#@$��E� IMS/MS #!�F(299���

5.2 ��������[/Z���^]_`���� ��#����� A2�yz ����{�D�M�(��|����U���56), 78), 79)� K*+,������=%#� IMS/MS

@�#}#~94� 9��\]������� ESI�B��\]H��=%� Z��]�B ������#!�9��\] *T�� ��1/`�k�?� '�#��=% �� � 9��\]�JU�#O��#r5�?0�6.���� ��1/`�k�?� m/z # ��2��\] �[��¡-���DX��=�#¢2�48), 56), 63), 80)��2(��[/Z���^]_`��?0����� ����f�2���4��� Fig. 14 #��!"� (a)

Globule, (b) Helix, (c) Extended?0���� an��?0� (a)#c���2���� Fig. 14(a) �( (c)�������x� /�D��� �� ��D��� �O�WX#4!� (a)�( (c)����£¤k¥0 WD��� ��¦��� ���§~��¨0`�����?0  �}f©�2��� � ?0������#�ª(K� «¬­#!�6��;®¯�~0®°]�B�M�c±?0 �²�2���56), 78), 79)�

Helix?0�£¤k¥0� GlobuleY#�d� JU�#WDBy����� ����[/Z�� O���³��� ��������WX�G4�� ������ �´#!5��Helix?0 ¢2��B� G4���[/Z����an���?0A�2 X���� ��5���� �.µ¶j·] (A)��an��� Helix?0�g�A�� � G4��¶j·]�[/Z���\]A¸

n ��¦¹º�# Globule?0���56), 81)� ��!"�»��

Fig. 14. G4�� ��#!5��f�2���^]_`�}�[/Z��� (a) Globule, (b) Helix, (c) Ex-tended ?0� (a)�( (c)�������x� /�D��� �� ��D��� �� O�WX#4!� � (a)�( (c)����£¤k¥0 WD��� an��?0� (a)#c���2�����2( pH� ¼ � O��� ¶¯8½A���\]M��aQ���#rL��?06H�{"�� G4�� ���8(�#�5����

T. Sugai

� 66 �

Page 21: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

������������ ���� � N�������� (Ac)��C(�O)CH3 ����� �� C��������� �!"#$ �%&'()��*��+� C���,��-�'()��*���$ �-�.�/�56), 81)0 �����������12� (A) 3(4� (K)��#� C����-"��� AcA15K�H� 567 1008 Helix $ ����� AcKA15�H� 5 1008Globule 9�:�0 ;�5 C���(4� (K)������ "��+� ��<�=(4�����/�� Helix

$ �>��� �12� (A)���<��% Helix$ ����5/?/#=@�A3?��0 ;� C����-5������BC��D(E�FG��� �=�+�%��� �H�82)0 ;��+5� FG�IFJ��<#����� Li� 5 Helix$ �K�"�>���<LGlobule $ � ���� IFJ��H/ Na�, K�,

Rb�, Cs� 5 Helix $ �,� ��0 ;�?�����!��D(E�FG�����M��5� � /$ !IFJ�%&FG��'()��*��� �=�+� Helix$ NO&L'()��*!�"P!#$N+�%&"�NQ� Helix$ �R'S"�=@�:��A3?��#�56), 78), 79)0 T(K�<�= Helix$ 5)U*R'�:C� 725 K +��%� Globule9! Ex-

tended9,S�/V�=83)0 IFJ��H/ Cyto-

chrome c /W5��-� X15 Y./ <Z�#L�����0C Globule9V? Extended9/W[,S"�;�%\1<��#�78)0 ;�?�2�"P�$ �34�5]>�&#�%� 67��5]>�/W�1'<�� #� Helix$ � �L#;�!84)� ESIFG�S�89� pH�,S�$ �,S"�;��^#_<��#�85)0`a�5;�b/'()��*!c�de4Yf

DNA�$ ":g;%<��#�0 A9?Zh$ ! B

9?Zh$ �g;�� i�?�j�<=M���>k?�=86)0 <?�'�j�<=�?+"� DNAl@34�A+��K�"�;��^#_<�� mFG��In���o��H�;�%BC<��#�87)0 p=4D"EqFr���� $ �4D��G1'�H� IMS/MS

qFr�s0�� 1t��H�IJ�KLuvwx��y�=z{%:�88)0 M,�=IJ/W�NO!|}~P�� 2�34�$ �l@��QB��#�0 3.2�R�=���cn9� DMA1'� 80 nm %��H<��F�v�IFJ1'�!��#�S%:�89)0 ;�bIMS/MS���2�"P1'5�H/.���%��`%o0o�<��#�"T�:�02�"P�1'%UV�:��� ;�?�2�"P����34���W�# IMS/MS�.��%X�<��#�0 IMS/MS�6V�YZ�I,+BZ�W�#[\��H;ib�"�%��:�0 4.5��]k=� FAIMS�IMS/MS�I,+BZ= FAIMS/IMS/MSYZ574)�FAIMS����^�_��/L� FAIMS� IMS�KLu1'V? IMS/MS1'_��5g;�H/V�=W�

#c�de4$ �^#_��#�90)0 ;�z{�5FAIMS� IMS��5l��<L� $ l"���*/"~���.<Z�#�0 <? FAIMS�_?�=NQ� IMS�,�NQ�)U"�;��� FAIMS!`�����;���ab"� 75 K c(� +C� c�de4�,�� Globule$ V? Extended$ [,S�=;��R�=75)0 ;� d5FG��1t� (IT: ion

trap) !`�%�;�;�� IT/IMS/MS (ion trap/ion

mobility spectrometry/mass spectrometry) �P?V/C91)� ��<?/�z{�eV��B��0 ;�5c�de4!'()��*�b/f?VL,K�!"#"P5� I��(��� FG�Si��1'�g���yB/#� IMS���NQ�"P$ �� <�/#;��R��#�0 ��54D"E�5hi�/?/V�=� $ ���=ppFG�S"�;�!�5j:"�;�� "/B�W�# ����FG�S� YZ�s0��k(1'�5UV/�0

IMS�A-�I,+BZ=1'%&l���C43)� IMS

�$ �mn��V?���� +��#=� 2�"P�$ ,S1'S�:�92)0 ;�?�A-o IMS1'�5� T($ mn"���o� IMS�1'��%FG��pqOrs!$ ,S��;?/V�=0 ;�=@^V�.�"~�� 1o� IMS1'�5 60�80c(�:�=%��� 2o�1'�yb;�� 480�1,360� 1

��."�;��R<��#�0 ;�5"~���@�#���1'tu�5/L� tu!�2�"P�$ ,S�:�;��R����C47), 93)� 4D"E ¡���"~��k(1'��H�.���R<��#�0

5.3 �������2S¢���w1�34 £¤¢¥��¦ �g;5� i�2vo��w;�$ qxM�"�;�V?� UV/§n¨�:Cy�=0 ;�5 2001z(��n¡�S¢{�i�w1�34+�©|�s0�#b§n¨�}ª«�¢�TM¬~?�3?�=;�V?%P?V�:�0 ;�bUV/w1�34�g;��%i�6W­��5/L� �b5�¤r�®�<Z�¤¢o��>k=C� w1�34�¯'5�#=e�¨��1��nCyB��H=0 ;�?5¤°�v)e���±#�#�=@� m�eD�²"�34�g;5³��H���4D"E ¡���´(w1�34g;Z5T�*�5/#0 �µ4D"E��#�� w1�34¶�5]>������¥/�;��o���g;�=S�:�94)0 ;�1'�5~:v)e���w1�5]>�·¸<��;��o���#�0 �V�� 1.2��]k=b� ~:v)e��/W�4Dv)e��,S��;"=@5� ¤¢¥���¹#ab"�5]>�5�<"º�=@� g;�»��;�YZ5T�*5/?/V�=0 ;�=@�w54D��L�¼�:�w1�34�4D"E�½n"�;�5�w»��:�=0 �V�`a IMS/MS�o���w1�34g;�y�=z{S�:C� IMS/MS��/�$ g;_��5/#�H/

�5�k(

� 67 �

Page 22: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

������������ 95)�97)����������������������� !�

1848�"#$% �&'��� (�)�*�+��,�� R�� S����#$ ��-.��#$/� �� 0�,���� ������% ������1��2/���3��4��15�6% 7� �� 8�9������+8% ��������:��;�<% =>?@A�BC����D���!�� � ����8�E ������F��G���% ���15��:��� � Hill.�H���I����J��KL !"�IMS/MS����#$�M0N% 10 ppm %��&'�(S)-(O)-2 -butanol+ P (R)-(Q)-2 -butanol�R(#S/� ��)T�I����J�UVB@WX6 10Y %�)Z/0[�% ����J\]^�*+�� 8UVB@WX6 1�2Y ,*_ ��6-.-��!/95)� .�����6./0 !"��F���*+�� !��1`;�6��� #.� 10 ppm ��0ab-�'cd�UVB@WX6 10Y �)Z_ ���% 22��/�� e�f34567��8-6�g��� h�0[����J\]^���� butanol��15�6���*+��i9% 1�2Y ��0�g�j�� /k��%���\]^�butanolX�lm�X��n�% �`�:o�p;�q<WX�n����i9�6r �15�69s_ ���t=�� � #.�:>�?@A!�_u��W�BC#S/�DE�q�vF6���r8% *G���Hw��I�J�KL�r ��6�#$/�x=M����% 9 �� methionine \]^� (S)-(O)-

2-butanol����#$/No� A��methionine\]^� (R)-(Q)-2-butanol�#$/No�UVB@WX67� � �$�����J�4��15��K�F��#$"��;_ OPQR6% ����J�4�H��SyoaS���`% :z�3���������� � �� 0�����JG�� 4.5{�����T|#$97)% �����G�6UV<W}� .b�n�r ������ � ~�y�DE�q:>�?@A!������+��% ��cd*+��($X[/���Y�7���r8% ���q��6,a.����7���Zu$w% �g`3�<���j6r � ��/k���������`��% [\���B�����y�F��#$�7� ����]^�g 98)� -F��#$���`�'�_��`F��[/No% �$.�������'��~% -�)o������q�a�������r /k% �'�_cd��`F��b�r � �� 0�K�F��#$�+d �����]^�#����:�6�[.$ 6%cd�e� R� S��$%:z��g��J��f�% h�K�F�����I3�-���� OPQ"XR�G���$�q��$-.��g�r �������G���h7� 6% Clemmer.�����'�(�r proline =���� ([ProxOnH]n�,

x�40�100, n�4, 5) �% i�ju/ 0������6

��/������,����K�F��#$�����#/96)� ��#$k��% /0� 9-proline�`�A-proline�q��*+�������y����e��� No% .S�3���!/lm=����6�;_ � �$�* 9-proline� A-proline�Ro���lm3��p;Sb% fm�=����-|$��� 9��p;#$/lm3�� A��p;#$/lm3��F���;���`% �1�*+�cd67� ����no�3�6|$/��[.$ � lm=�����)���Y� ��6�g% ,�����o���*+����proline�J6no% lm=�����p;/������ � TN��lm3� 8�fm3���06�����J��$�r /k�% ��$3��r ��=)���$.�=����3���p��0����g��� -% ������*+�6h�no�1��3��� �q[ ��6% ¡\¢<r£�i9��q�¤k��-�g/���% sj/�����#$�tS�%K�F��#$6 8u�����]^�:�0 ������ � K�F��#$�� 1KL���'��J69s_ v¥¦§�UVB@&�"�% ms�s��a/ <WX#$�M0��-.% �JX�15��wd %x�% � %h�WXy6�'�_��¨;���g����/k�'�_�y���b�r &h��15�G�6F��#$�T|#$/� ��L�q�t���No% �'�_�G��g �15�� CID<\]^*nz�;��|$ � ��/k&h��JX�15��G��`��

5.4 ����������©�ª^=�����«��% 4.2{+ P 4.3

{�ju/ Bowers < Jarrold .� 8¬�#$/ IMS/

MS�\]^{~­y®�j�|K®�UV6:}/51)�53)� Fig. 15(a) �~L¯~rL�\]^{~­y®IMS/MS�#$/ C�60 A!=�����UVB@°>B�\�% (b)�±L¯±rL�j�|K® IMS/MS�#$/ C�60 B��²^�UVB@°>B�\���_�Fig. 15(a), (b) �#$�³�h$´$% He 500 Torr, 10

kV, 630 mm �UVB@&�% He 500 Torr, 10 kV, 630

mm �UVB@&��r � µ��UVB@WX����F���¶·*�r /k Fig 15(a), (b) ��g`7� � Fig. 15(a) ��_A!=������% ¸^�=@�UVB@WX6O�3����B��²^®¦¹�% 8�g�34567��~UVB@WX6<�=>���� 0���V^A3��q69s_ ��6a- 52), 53)��$�=�����3��-6TºJ�-.-��!/���»�k�r � A!¼J>�#����,*#S �% B��²^3�6A!> 30¦���y|$ ��<%4.2{�ju/ 0�% 34Z�_ ��� 8% A!>30¦����V^A3�6B��²^3��,*��`��6-.-��!/� �� 0� IMS/MS�[\�3�#$L��T|�b�A!=�����3�,*�#$�g ����% B��²^��;½%�*_ ��

T. Sugai

� 68 �

Page 23: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

�������� �� Fig. 15(b) � ����� ������ ����������������� ���������� ! "#$%&'� (a)����������� ! "#$%�&'( ) �*�%���(+�,�%�-( ! "-.���(�/,����0�����1���&2 ��345 6��� ������(��345 78�9:;<=5��>?@AB� ��������� %C0�2&�51), 99), 100)� ��345 6� �����!D6�EF% ����G(����������% 9:;<H��>����IJ���EF%"����( ����G��#,���%0�K�� ��LM(6��"��$NO�B�(LK2P�Q RS��2��%P��� ��6�"�$NO�TU ���V ,�WX��Y ��%Z(�&'�([�\,� ��345 "�]�^3��)&!�_���/*,�� ������%`+LY,#�J�,#`+%-."�]�^3�LQ��&��%/��(�Q ��345 ("�]�^3����%Z�01,�23O�%a����/��(�K�51)� ��6�%23��K2 bc$ d^"�% e4fg�;(��%Z,�h4�J���5i(&'�j6�\�2

&�� �� C�300 �&M�[�k5l�"�]�^3�C�240 �m�����K�)7 ������&��:9:�101)�����n���o8���102)� �� Tp9:;�5:�<qr�s�t=>� ?@� C�9 �uA���Bv���PCD��E� FB�� C�9 C�6

( uA�� C�9 C�7 (J�w�*E�<,&���x&W�2&�103)� ]�^3�yz({&2|G�H%}�*H1��aK��~( �|G�a�%��%P��PCD�ICJ�%�K�aK�� �(L)�LM(�$t=>����2��PCD]�^3�%M�,���%0�K2[�% ����(�������1��N�D0� ��(OP,��FAQ<R���&�>%/��(�K2&Y��0���

5.5 ����� ������S�(T��� 100�4>�"�EF��#���UAV�"�]�^3��a�� �~2U ����W�X3(�X��~ 1985Y�Zx4) �1990Y��GD#7P6) )Y��[�����%C0�2[�� I(V������� �\(6�EF�]^��6��� �����9�]��C��zIC��n_�EF��2���%C0�2[�104)� ��6��� �������*H�( NMR7), XB8) �>�����1�%`��� &�&��a���<IC104) ��(�bc����105)�>%x&W��2&�� �������� (mg4>��->�d%e'�aQ fg(T� �',�!D�a�� ��LM(�dhi%�K�a��~ k5l<��(¡�jk�(��*H�CM���[��K�� �� X3(�X����li�[�����mn(�[�&�� W¢����xo��2&���C��&�0�0� £Dp(`���� �¤>�qr� %�[� IMS/MS�6��� �������{L¥R�st(`���20)� 4.3¦(\��§=u�s��*�t=>� |G�H¨��&2 Jarrold��©(2� �CK�� �d Sc6��"��£Dv�b�]w���&2xZ *ªy��"� ����� Sc6��� �����£Dp�,#��104)� J�����«�zE5:�Z��� He 500 Torr V� 10 kV �����&2 630 mm ¬=��t=>� �C& ­&�|G¨�� mn���5:����{|�2� �CK�� ��(LQI |G(¡,�5:�®>� ! "-.¯MC�a� ! "°A d5$�}�� Fig. 16 (J�w�� ����5:�®>� ! "-.¯MC ± ! "°A d5$² �\,� C80 � C82 �> ������PCD��n% ��� ��t=>�*��J���8³�[I 1~�´�]��2��2&�� ����"�EF,)2%��(���µG������~ J�¶·��������~�(�����EFT( �,�� ���� ��¸¹RS� ! "-.% C80 �68.8 ms �a��(m� C82 � 69.6 ms ��/�2&���(m�,�� ���/ºD ¶·������a

Fig. 15. "�]�^3�� ����� ! "°A d5$� »¼ ! "#$�5:�%�h,�-.�½¼%5:�®>�a�� (a) ��«�xZ�,#�� C�60 "�]�^3�� He 4 Torr, 100 V�&M������'� 50 mm� ! "#$��&2� ����� (b) X3����� ���� C�60 � He 500 Torr, 10 kV �&M������'� 630 mm � ! "#$��&2� ����� "�]�^3�(�� ! "-.%Yt=>��&#�%x���� ������'��� �*�+�(W`�a����0���

�$t=>

� 69 �

Page 24: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

� 2.5� ����� 1.2� ������ ���������������� 5��� 6���������� �� 2.4 �!"�#$� %&�'�()������*+��,*+����-.������/*0�1����� 2���34�5� �6�"����789��:

Sc ;<=>?@A ScC82 ������� C82 �BC�DEF�GHI 1 ,J�K�L�� %&�'�()�,M����� C82 �BC�D�5� ��NO�: ���!P#$� C82 �����Q Sc ;<�������R, Sc@C82 S����������=T? �=U�"���: "O"� Sc ;<� 2V@W�� Sc2C82

�����6"��� X�Y� C80, C82 Z�EF�GHI 2 ,J�K=T?EF�G[\�'*]��9��: , ��M����� C80 Z�� Sc2C2@C80

^�%*E����������� M����� C82 Z��R, Sc2@C82 S����������, 2_��`P� �=U�"���: P�Na Sc2C82 ��$�D;<��=T?S��������� Sc2C2 ��$^�%*E� C80 ��$b"c����Qd�eW����^�%*Ef���� C82 Q Sc S�� 2Vd�eW���Rf��, 2_��5� ��NO�: �9�Sc ;<� 3V@W�� Sc3C82 ������� M����� C80 Z� Sc3C2@C80 ^�%*E���������"Og�hP ���1�O�: ��� C82 S��������"O!"������ �WiW���;<�n =T?>�,������ !=j�� ScCn �������R��� Sc2Cn ������^�%*E��R��� Sc3Cn ������^�%*E,k� !���: ,#$��;<�l�mn� S�;<�o�l�P���"p��`P� ��NO�: , !��9�����o�#�� ��q�$%r*+�p="�s,T,�5��t� *+�p&������u'�T5�

�� vw,����`#=o�(x"����789��: P�Na^�%*E���)y�T,����*+,�5�� z{#��|-�����85� ��.9O��: vw �9,^�%*E���/%�� X

0��}1#��!���106)~109):�9� $%��q�o�="p�m��� Sc2@C82

,EF�G[\�'*]"p�L�� Sc2C82 2�P�J�K��b"� Sc2C2@C80 2�P�J�K�3"�: P�Na C82 ��QO9 2V��;<��4�1eW�� Sc2C2@C80 �5�P�u'�=!"���: �9,S��p6 �^�%*E� �������,5����� ��P�^�%*E�5�"X�=��Q�d��A��$T,h������ �Rf,S�,k=��"���S��������������s� ��QO9��;<��4�1eW��^�%*E��=��P�u'�T!"���: ,#$������7�"p"���t� �R,�781h��� !�1��: 9:��"p� !�1����;� !=���t�u'���: ,#$ IMS/MS#�� S��������,/*0�#�S�V�6"<=,� !=��8��$�t�>HIj$ ���1� "OT��"p=?$p�(�=� �1�: ,#$� NMR� X0����,�@��8����1�8A�T� IMS/MS#�B��Cg��9�� ��!���:

5.6 �����������������6P��;���TjN����110):����������������,D��mmTEP�F�=T?� B�����6��5�77), 111), 112): �o�G�� �/��#�H<¡%*)������u'�=TaIJ�����113)~115): ,������,IMS/MS !��� /K������=��q�$%*+�p"� m/z¢10,000W�,*+�= 4.3 !"�£;L�f IMS/MS=����110): !&��R,�������5��� ��q�$%s�F¤r>¤,#� 5

��,¥F�������� ��.9O��: ����q�¦§#��¨�9��� ��"p�© ��789��: ,#$�M"p�p�"p2�P���"p= !�1� ��� ��,�@������;� !,NO�5��� �781@ª«*+�p�¬PQR@#�*+�"p���OIUP�S-�=!"���: �9,v­®¯��781@���T°-�5��� �7±8����$²T��9��IMS/MS��� �9UV�v­®¯W³�S-�5�:9:�781��6´���� ������,D��F���,��W³6"�T� ���;�81�µXQR�81���¶s,YZ�·[�1�116), 117): ������ª¸T�WiW���6�,81������35), 118)~124): \¹ 122��� �781=�n�;�h�, !�5��� ]�^º_8<,K�)»�= !"� ^º_8<�1���?�� 27`,���"pP� �=g�h"���: ¼½O9�K�)»��8<

Fig. 16. ������,�;HI8a�: Sc2C�82 *+���X�Y� C�80 � C�82 �BC�DEF�GHI=T?b?,J�K�L��:

T. Sugai

� 70 �

Page 25: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

���������� ��� ����������T �������� ������ ����������������� T !"#�����$#%&'()*+,�� %,�� �-� .�� � /0�1����2�3���4�5���'6�)#%&&�1���7�89� :��;�<=�&��>��#%&?� /0@9�A)�'��� �����B�#%&�C��)#�

6. � � �

D� E�� F!.�� �-1���"?-G#��� ���H$#$%&���' �$#%& ?4#� ��� I()��J*$#%&�K� 1���&�+,�'L)�M�� F!.��/1���"&��-.�NN�#� 1����LO�PL/�PL�Q�&)�0��� ��J*1 R�6�%��"-� 23��7/0�1��4?+�S��5T6(�()*�� 5�)UV7W��8�NN�#� =�9�-� :��X�YZ[\];?^��_<$#3`�� O� =>?�#�����Q� L)aYbcd ef?-� aYbcd ?g�B� ^��h@iA&B/�� =>��6�)#�%,��Qj$#�M��+�S���" k-+,� �lm�nC�'opq[r[�;D�s�,�4�)#�?� �B�E9��"&��Ft$#&uG+,#�vw'� HI9�-LO�PL/�PL�Q�&)�xJ9���y��;D�� UVKL�1�z{� ��M|N}��BL~PL��K+�S�����)g&���,#� ��� %��"����O9-��� �PP�$#%&?�# � %��M�-��l@9�h@ Q5�?�#� +��� B(RN}��$%&��P�$#*�?�g� FAIMS�KL(RN}�� ��1������+�K�BL��ST U�,#� :��� 1����VEB)~�&����[WX� A��?cd�Y)��d!��@� � 5��%&��� ���Z� ��K1���?-G#� �'M�+,�)#� %����+�S��5��P-.� �#.��/1� �?�# � �[� �� �\?-%��"�h@��)#UV]'^�g� ��q[r[�_`�K'a���)� J� b]�%��"�K$#�c�^�?'�4��� %��" �\?'�E�Ft$#%& d]��)?�#�

� � J��� $#���B� e���9�9�f9UV@�g��hi2�-"M&$# �[fq�X[�-:��j1�)�*4���� ��� ¡qar0[]¢�]e��9� �£¤¡/�9� M. F. Jarrold ¥kA��¦lmno§�':��¨©ª�)�*4����%%�Op)���$� ��� Jq\r�N)�«s�9�t¬­®i2����uv�9�wxyqhi2�¯z�¨j°�)�*4���� z±�Op)���$�

� �

1) R. Rhodes; {l|�}� ²��~���2³� ´µ����� u¶ (1995)�

2) M. Yamashita and J. B. Fenn, J. Phys. Chem., 88, 4451(1984).

3) K. Tanaka, H. Waki, Y. Ido, S. Akita, Y. Yoshida, and T.Yoshida, Rapid Commun. Mass Spectrom., 2, 151 (1988).

4) H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, R. F. Curl, andR. E. Smalley, Nature, 318, 162 (1985).

5) D. E. Powers, S. G. Hansen, M. E. Geusic, A. C. Puiu, J. B.Hopkins,T. G. Dietz, M. A. Duncan, P. R. R. Langridge-Smith, and R. E. Smalley, J. Phys. Chem., 86, 2556 (1982).

6) W. Kratschmer, L. D. Lamb, K. Fostiropoulos, and D. R.Hu#man, Nature, 347, 354 (1990).

7) J. M. Hawins, A. Meyer, T. A. Lewis, S. Loren, and F. J.Hollander, Science, 252, 312 (1991).

8) R. Taylor, J. P. Hare, A. K. Abdul-Sada, and H. W. Kroto,J. Chem. Soc., Chem. Commun., 20, 1423 (1990).

9) G. A. Eiceman and Z. Karpas, “Ion Mobility Spectrosco-py,” CRC Press, Boca Raton (2005).

10) A. B. Kanu and H. H. Hill, Jr., Talanta, 73, 692 (2007).11) H. Lai, P. Guerra, M. Joshi, and J. R. Almirall, J. Sep. Sci.,

31, 402 (2008).12) K. Hiraoka, S. Fujimaki, and K. Aruga, J. Chem. Phys., 95,

8413 (1991).13) H. E. Revercomb and E. A. Mason, Anal. Chem., 47, 970

(1975).14) H. A. Rohmann, Phys. Rev., 18, 100 (1921).15) H. Rohmann, Z. Phys., 17, 253 (1923).16) I. Buryakov, E. Krylov, E. Nazarov, and U. Rasulev, Z.

Phys., 128, 143 (1993).17) �Jl·9¸�� ²��P����,³� ¹�*�� u¶

(1996).18) ��ºh� ²F3�(³� »�@9�� u¶ (1968)�19) R. S. Berry, S. A. Rice, and J. Ross, “Physical Chemistry,”

Oxford University Press, New York (2000).20) T. Sugai, M. Inakuma, R. Hudgins, P. Dugourd, J. L. Fye,

M. F. Jarrold, and H. Shinohara, J. Am. Chem. Soc., 123,6427 (2001).

21) E. Krylov, E. G. Nazarov, R. A. Miller, B. Tadjikov, andG. A. Eiceman, J. Phys. Chem. A, 106, 5437 (2002).

22) M. Tabrizchi and F. Rouholahnejad, Talanta., 69, 87(2006).

23) E. G. Nazarov, S. L. Coy, E. V. Krylov, R. A. Miller, andG. A. Eiceman, Anal. Chem., 78, 7697 (2006).

24) G. A. Breaux, R. C. Benirschke, T. Sugai, B. S. Kinnear,and M. F. Jarrold, Phys. Rev. Lett., 91, 215508 (2003).

25) D. E. Clemmer and M. F. Jarrold, Int. J. Mass Spectrom.,32, 577 (1997).

26) «¼z�� ²½�A³� ¹�*�� u¶ (1981)�27) C. Illenseer and H.-G. Lohmannsroben, Phys. Chem.

Chem. Phys., 3, 2388 (2001).28) M. F. Mesleh, J. M. Hunter, A. A. Shvartsburg, G. C.

Schatz, and M. F. Jarrold, J. Chem. Phys., 100, 16082(1996).

29) T. Wyttenbach, G. von Helden, J. Joseph, J. Batka, D.Carlat, and M. T. Bowers, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 8,275 (1997).

30) P. R. Kemper and M. T. Bowers, J. Am. Chem. Soc., 112,3231 (1990).

31) P. R. Kemper and M. T. Bowers, J. Phys. Chem., 95, 5134(1991).

32) Y. Ibrahim, E. Alsharaeh, R. Mabrouki, E. X. PaulMomoh, and M. S. El-Shall, J. Phys. Chem. A, 112, 1112(2008).

33) B. T. Ruotolo, J. A. McLean, K. J. Gillig, and D. H. Russell,

F!.��

� 71 �

Page 26: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

J. Mass Spectrom., 39, 361 (2004).34) K. S. Seol, Y. Tsutatani, R. P. Camata, J. Yabumoto, S.

Isomura, Y. Okada, K. Okuyama, and K. Takeuchi, J.Aerosol Sci., 31, 1389 (2000).

35) N. Hashimoto, H. Murayama, and H. Tanaka, Jpn. J.Appl. Phys., 47, 4777 (2008).

36) N. E. Bradbury and R. A. Nielson, Phys. Rev., 49, 388(1936).

37) K. Tang, A. A. Shvartsburg, H.-N. Lee, D. C. Prior, F. L.Michael, A. Buschbach, A. V. Tolmachev, G. A. Ander-son, and R. D. Smith, Anal. Chem., 77, 3330 (2005).

38) S. I. Merenbloom, S. L. Koeniger, S. J. Valentine, M. D.Plasencia, and D. E. Clemmer, Anal. Chem., 78, 2802(2006).

39) K. J. Gillig, B. T. Ruotolo, E. G. Stone, and D. H. Russell,Int. J. Mass Spectrom., 239, 43 (2004).

40) M. Kwasnik, K. Fuhrer, M. Gonin, K. Barbeau, and F. M.Fernandez, Anal. Chem., 79, 7782 (2007).

41) S. Sha#er, K. Tang, G. Anderson, D. Prior, H. Udseth,and R. Smith, Rapid Commun. Mass Spectrom., 11, 1813(1997).

42) A. V. Tolmachev, T. Kim, H. R. Udseth, R. D. Smith, T. H.Bailey, and J. H. Futrell, Int. J. Mass Spectrom., 203, 31(2000).

43) S. L. Koeniger, S. I. Merenbloom, S. J. Valentine, M. F.Jarrold, H. R. Udseth, R. D. Smith, and D. E. Clemmer,Anal. Chem., 78, 4161 (2006).

44) A. D. Appelhans and D. A. Dahl, Int. J. Mass Spectrom.,244, 1 (2005).

45) P. J. Nolan and L. W. Pollak, Proc. R. Irish Acad., 51-A, 9(1946).

46) P. H. McMurry, Aerosol Sci. Technol., 33, 297 (2000).47) S. I. Merenbloom, B. C. Bohrer, S. L. Koeniger, and D. E.

Clemmer, Anal. Chem., 79, 515 (2007).48) A. B. Kanu, P. Dwivedi, M. Tam, L. Matz, and J. Herbert,

H. Hill, J. Mass Spectrom., 43, 1 (2008).49) E. W. McDaniel, D. W. Martin, and W. S. Barnes, Rev. Sci.

Instrum., 33, 2 (1962).50) Y. Kuk, M. F. Jarrold, P. J. Silverman, and J. W. L.

Brown, Phys. Rev. B, 39, 11168 (1989).51) K. B. Shelimov and M. F. Jarrold, J. Am. Chem. Soc., 118,

1139 (1996).52) G. von Helden, M. T. Hsu, P. R. Kemper, and M. T.

Bowers, J. Chem. Phys., 95, 3835 (1991).53) G. von Helden, M. T. Hsu, N. Gotts, and M. T. Bowers, J.

Phys. Chem., 97, 8182 (1993).54) E. R. Bernstein, Ed., “Atomic and Molecular Clusters,”

Elsevier Science Publishers B. V., New York (1990).55) B. S. Kinnear, M. R. Hartings, and M. F. Jarrold, J. Am.

Chem. Soc., 123, 5660 (2001).56) M. F. Jarrold, Phys. Chem. Chem. Phys., 9, 1659 (2007).57) P. Dugourd, R. R. Hudgins, D. E. Clemmer, and M. F.

Jarrold, Rev. Sci. Instrum., 68, 1122 (1997).58) R. Guevremont, K. W. M. Siu, J. Wang, and L. Ding,

Anal. Chem., 69, 3959 (1997).59) C. S. Hoaglund, S. J. Valentine, C. R. Sporleder, J. P.

Reilly, and D. E. Clemmer, Anal. Chem., 70, 2236 (1998).60) C. S. Hoaglund-Hyzer and D. E. Clemmer, Anal. Chem.,

73, 177 (2001).61) E. W. Robinson, D. E. Garcia, R. D. Leib, and E. R. Wil-

liams, Anal. Chem., 78, 2190 (2006).62) K. Giles, S. D. Pringle, K. R. Worthington, D. Little, J. L.

Wildgoose, and R. H. Bateman, Rapid Commun. MassSpectrom., 18, 2401 (2004).

63) S. D. Pringle, K. Giles, J. L. Wildgoose, J. P. Williams, S.E. Slade, K. Thalassinos, R. H. Bateman, M. T. Bowers,and J. H. Scrivens, Int. J. Mass Spectrom., 261, 1 (2007).

64) J. P. Williams and J. H. Scrivens, Rapid Commun. MassSpectrom., 22, 187 (2008).

65) B. M. Kolakowski and Z. Mester, Analyst, 132, 842(2007).

66) G. E. Spangler and R. A. Miller, Int. J. Mass Spectrom.,214, 95 (2002).

67) A. A. Shvartsburg, T. Bryskiewicz, R. W. Purves, K.Tang, R. Guevremont, and R. D. Smith, J. Phys. Chem. B,110, 21966 (2006).

68) A. A. Shvartsburg, S. V. Mashkevich, and R. D. Smith, J.Phys. Chem. A, 110, 2663 (2006).

69) D. S. Levin, R. A. Miller, E. G. Nazarov, and P. Vouros,Anal. Chem., 78, 5443 (2006).

70) D. A. Barnett, M. Belford, J.-J. Dunyach, and R. W.Purves, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 18, 1653 (2007).

71) S. K. Ross, G. McDonald, and S. Marchant, Analyst, 133,602 (2008).

72) G. A. Eiceman, E. V. Krylov, B. Tadjikov, R. G. Ewing, E.G. Nazarov, and R. A. Miller, Analyst, 129, 297 (2004).

73) E. W. Robinson, R. E. Sellon, and E. R. Williams, J. MassSpectrom., 259, 87 (2007).

74) K. Tang, F. Li, A. A. Shvartsburg, E. F. Strittmatter, andR. D. Smith, Anal. Chem., 77, 6381 (2005).

75) A. A. Shvartsburg, F. Li, K. Tang, and R. D. Smith, Anal.Chem., 79, 1523 (2007).

76) Y. Negishi, Y. Takasugi, S. Sato, H. Yao, K. Kimura, andT. Tsukuda, J. Am. Chem. Soc., 126, 6518 (2004).

77) S. Iijima and T. Ichihashi, Nature, 354, 56 (1991).78) M. F. Jarrold, Annu. Rev. Phys. Chem., 51, 179 (2000).79) T. Wyttenbach and M. T. Bowers, Annu. Rev. Phys.

Chem., 58, 511 (2007).80) S. Trimpin, M. Plasencia, D. Isailovic, and D. E. Clemmer,

Anal. Chem., 79, 7965 (2007).81) R. R. Hudgins, M. A. Ratner, and M. F. Jarrold, J. Am.

Chem. Soc., 120, 12974 (1998).82) M. Kohtani, B. S. Kinnear, and M. F. Jarrold, J. Am.

Chem. Soc., 122, 12377 (2000).83) M. Kohtani, T. C. Jones, J. E. Schneider, and M. F. Jar-

rold, J. Am. Chem. Soc., 126, 7420 (2004).84) M. Kohtani and M. F. Jarrold, J. Am. Chem. Soc., 124,

11148 (2002).85) D. P. Smith, K. Giles, R. H. Bateman, S. E. Radford, and A.

E. Ashcroft, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 18, 2180 (2007).86) E. S. Baker and M. T. Bowers, J. Am. Soc. Mass Spectrom.,

18, 1188 (2007).87) E. S. Baker, J. W. Hong, B. S. Gaylord, G. C. Bazan, and

M. T. Bowers, J. Am. Chem. Soc., 128, 8484 (2006).88) J. A. M. W. B. Ridenour and R. M. Caprioli, J. Mass Spec-

trom., 19, 1099 (2007).89) J. J. Thomas, B. Bothner, J. Traina, W. H. Benner, and G.

Siuzdak, Spectroscopy, 18, 31 (2004).90) A. A. Shvartsburg, F. Li, K. Tang, and R. D. Smith, Anal.

Chem., 78, 3304 (2006).91) E. R. Badman, S. Myung, and D. E. Clemmer, J. Am. Soc.

Mass Spectrom., 16, 1493 (2005).92) S. L. Koeniger, S. I. Merenbloom, S. Sevugarajan, and D.

E. Clemmer, J. Am. Soc. Mass Spectrom., 18, 2180 (2007).93) S. L. Koeniger, S. I. Merenbloom, and D. E. Clemmer, J.

Phys. Chem. B, 110, 7017 (2006).94) W. A. Tao, D. Zhang, F. Wang, P. D. Thomas, and R. G.

Cooks, Anal. Chem., 71, 4427 (1999).95) P. Dwivedi, C. Wu, L. M. Matz, B. H. Clowers, W. F.

Siems, J. Herbert, and H. Hill, Anal. Chem., 78, 8200(2006).

96) S. Myung, M. Fioroni, R. R. Julian, S. L. Koeniger, M.-H.Baik, and D. E. Clemmer, J. Am. Chem. Soc., 128, 10833(2006).

T. Sugai

� 72 �

Page 27: Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry · 2013. 3. 29. · REVIEW ˘ ˇ6 ˆ ˙˝˛˚˜ Fundamentals of Mass Spectrometry Ion Mobility Spectrometry Toshiki SJ

97) A. Mie, M. Jornten-Karlsson, B.-O. Axelsson, A. Ray, andC. T. Reimann, Anal. Chem., 79, 2850 (2007).

98) P. Dwivedi, B. Bendiak, B. H. Clowers, and H. H. Hill, J.Am. Soc. Mass Spectrom., 18, 1163 (2007).

99) J. L. Fye and M. F. Jarrold, J. Phys. Chem. A, 101, 1836(1997).

100) D. E. Clemmer and M. F. Jarrold, Int. J. Mass Spectrom.,185�187, 507 (1999).

101) D. Ugarte, Nature, 359, 707 (1992).102) J. M. Hunter and M. F. Jarrold, J. Am. Chem. Soc., 117,

10317 (1995).103) F. Misaizu, N. Hori, H. Tanaka, K. Komatsu, A. Furuya,

and K. Ohno, Eur. J. Phys. D, 52, 59 (2009).104) H. Shinohara, Rep. Prog. Phys., 63, 843 (2000).105) H. Kato, Y. Kanazawa, M. Okumura, A. Taninaka, T.

Yokawa, and H. Shinohara, J. Am. Chem. Soc., 125, 4391(2003).

106) C. R. Wang, T. Kai, T. Tomiyama, T. Yoshida, Y. Koba-yashi, E. Nishibori, M. Takata, M. Sakata, and H. Shino-hara, Angew. Chem. Int. Ed., 40, 397 (2001).

107) Y. Iiduka, et al., J. Am. Chem. Soc., 127, 12500 (2005).108) E. Nishibori, M. Ishihara, M. Takata, M. Sakata, Y. Ito, T.

Inoue, and H. Shinohara, Chem. Phys. Lett., 433, 120(2006).

109) E. Nishibori, I. Terauchi, M. Sakata, M. Takata, Y. Ito, T.Sugai, and H. Shinohara, J. Phys. Chem. B, 110, 19215(2006).

110) C. D. Scott, M. Ugarov, R. H. Hauge, E. D. Sosa, S. Are-palli, J. A. Schultz, and L. Yowell, J. Phys. Chem. C, 111,36 (2007).

111) S. Iijima and T. Ichihashi, Nature, 363, 603 (1993).

112) R. Saito, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, “Physi-cal Properties of Carbon Nanotubes,” Imperial CollegePress, London (1998).

113) M.-F. Yu, B. S. Files, S. Arepalli, and R. S. Ruo#, Phys.Rev. Lett., 84, 5552 (2000).

114) T. Shimada, T. Sugai, Y. Ohno, S. Kishimoto, T. Mizu-tani, H. Yoshida, T. Okazaki, and H. Shinohara, Appl.Phys. Lett., 84, 2412 (2004).

115) S. Kuwahara, S. Akita, M. Shirakihara, T. Sugai, Y.Nakayama, and H. Shinohara, Chem. Phys. Lett., 429,581 (2006).

116) S. Sato, A. Kawabata, M. Nihei, and Y. Awano, Chem.Phys. Lett., 382, 361 (2003).

117) A. G. Nasibulin, P. V. Pikhitsa, H. Jiang, and E. I. Kaup-pinen, Carbon., 43, 2251 (2005).

118) T. Seto, M. Shimada, and K. Okuyama, Aerosol Sci.Technol., 23, 183 (1995).

119) P. Dugourd, R. R. Hudgins, and M. F. Jarrold, Chem.Phys. Lett., 267, 186 (1997).

120) R. R. Hudgins, M. Imai, M. F. Jarrold, and P. Dugourd, J.Chem. Phys., 111, 7865 (1999).

121) P. Weis, J. Mass Spectrom., 245, 1 (2005).122) T. Beitz, R. Laudien, C. Illenseer, H.-G. Lohmannsroben,

and B. Kallies, J. Phys. Chem. A, 110, 3514 (2006).123) S. H. Kim, G. W. Mulholland, and M. R. Zachariah, J.

Aerosol Sci., 38, 823 (2007).124) D.-H. Tsai, R. A. Zangmeister, L. F. Pease, III, M. J.

Tarlov, and M. R. Zachariah, Lagmuir, 24, 8483 (2008).

Keywords: Ion mobility spectrometry, Nano-science, Colli-sion dynamics, Molecular interaction, Bio-science

�����

� 73 �