質量分析公開 2026.06.27 更新 2026.06.27

前処理レス・リアルタイムMS ― DESI・DART・REIMSの原理から外科手術・食品・法科学応用まで

前処理不要・数秒で結果が出るアンビエントイオン化MS（DESI/DART/REIMS）の原理と応用を徹底解説。術中がん診断・食品スクリーニング・法科学での最新事例と、MALDIやクロマトとの使い分け指針を、原著論文ベースでまとめた。

「サンプルをそのまま装置に近づけるだけで、数秒で分子情報が得られる」――これは夢ではなく、すでに手術室や食品工場、空港で実用化が進む技術だ。前処理もカラムも不要なアンビエントイオン化質量分析（Ambient Ionization Mass Spectrometry: AIMS）は、2004年以降に40種以上の手法が報告され、質量分析を「ラボの奥の大型装置」から「現場のリアルタイム分析ツール」へと変えつつある。

本記事ではその中でも社会実装が最も進んだ3手法 ――DESI・DART・REIMS―― の原理・特徴・応用事例を解説し、従来法や相互の使い分けを整理する。

この記事の読み方

入門者向け：2章（脱離＋イオン化の2ステップ）→3〜5章（各手法）→7章（応用事例）の流れで読むと全体像が掴める。
現場の分析者・研究者向け：6章（比較表）→8章（強みと限界）→9章（最新動向）を中心に参照。
専門用語は初出時に補足を入れている。

1. 従来MSの「壁」とアンビエントイオン化の登場

質量分析は分子の「質量電荷比（m/z）」を精密に測定して物質を同定する手法だ。装置内部は高真空に保たれているため、サンプルは①前処理で精製・濃縮し、②液体クロマトグラフィー（LC）などで分離してからイオン化する必要があった。複雑な混合物では、前処理だけで全工程の8割以上の時間を費やすことも珍しくない。

この制約を根本から解消したのがアンビエントイオン化だ。「大気圧下（Ambient pressure）」かつ「未処理の試料」を、プローブを近づけるだけで直接イオン化し、質量分析計に導入する。サンプルの形状を問わず、固体・液体・粉末・組織切片いずれも分析できる点が最大の特徴である。

2. 共通原理：脱離 → イオン化の2ステップ

アンビエントイオン化の2ステップ（脱離とイオン化）の図解 — 図解：アンビエントイオン化の共通原理 ― 脱離とイオン化の2段階プロセス

手法ごとに機構は異なるが、AIMS全般に共通する流れは以下の2段階に集約される。

脱離（Desorption）：サンプル表面の中性分子を、帯電溶媒の衝突・熱・プラズマなどによって物理的に気相へ解き放つ。
イオン化（Ionization）：気相に遊離した分子に電荷（プロトンなど）を与え、質量分析計で検出できる「イオン」へ変換する。

多くのAIMSはソフトイオン化（分子に与える内部エネルギーが低い）を採用しているため、分子をフラグメント化せずに $[M+H]^+$ や $[M-H]^-$ といった分子イオンとして検出できる。これが「未知物質の確実な同定」に有利な点だ。

注意点（マトリックス効果）：サンプル中の共存物質が目的分子の信号を抑制・増強する「マトリックス効果」は、前処理を省いたAIMSでは特に顕著になりうる。定量分析を行う場合は標準添加法や安定同位体標識内標準の使用を検討する必要がある（詳細は8章）。

3. DESI ― 帯電液滴で表面を"洗い流す"

原理

脱離エレクトロスプレーイオン化（Desorption Electrospray Ionization: DESI） は、R. Graham Cooks 率いるパデュー大学グループが2004年に Science 誌に報告した手法だ [1]。高電圧をかけた噴霧溶媒（帯電液滴＋イオン）をサンプル表面に斜め角度で吹き付ける。液滴が衝突すると表面の成分が溶解・抽出されて二次飛沫を形成し、そこからESIと同様のメカニズムでイオンが生成されてMS入口へ導かれる。

特徴

イメージング（DESI-MSI）が最大の強み：プローブをラスタースキャンしながら分析すれば、組織切片上の分子（脂質・医薬品・代謝物）の空間分布をマップ化できる。通常の空間分解能は数百 µm だが、nano-DESI（液体橋を介する高分解能モード）では 20〜200 µm が標準、最新の剪断力制御プローブでは 7 µm 以下も達成されている [8]。
生体組織・薬剤塗布表面・プラスチックなど固体表面に強い。
溶媒選択の自由度が高く、極性・非極性どちらの化合物も対応可能。

脳腫瘍術中診断への応用

DESI-MSIは術中の腫瘍切除に活用されている。グリオーマ（神経膠腫）では、生検組織のリン脂質プロファイルをMSIで取得しサポートベクターマシン（SVM）で解析することで、訓練精度100%・クロス検証精度99.7% の腫瘍判定を達成した報告がある [5]。また73生検を用いた別試験では、高腫瘍細胞密度領域の検出で感度93%・特異度83%を記録している [5]。

4. DART ― プラズマガスで"触れずに"分析

原理

直接リアルタイム分析（Direct Analysis in Real Time: DART） は、JEOL の Cody らが2005年に Analytical Chemistry 誌で報告した手法だ [2]。ヘリウム・窒素などを放電でメタスタブル励起状態（準安定励起状態：通常より高いエネルギーを保った状態）にしてサンプル近傍に吹き付ける。励起ガスがサンプル分子または大気中の水分子と反応し、プロトン付加イオンなどを生成する。

特徴

あらゆる形態のサンプルに対応：気体・液体・固体・粉末を試料台に置くかガス流に通すだけで分析できる。
揮発性〜半揮発性化合物が得意：農薬残留、違法薬物、爆発物前駆体、香気成分など。
加熱ガス（最大600°C）を使い半揮発性化合物の脱離効率を高めるモードも標準装備。
空間解像度はDESIより低いが、サンプルのセットアップが最も簡便。

法科学・食品スクリーニングへの応用

DARTはスピードと簡便性が活きる現場スクリーニングで広く採用されている。

違法薬物検知：危険ドラッグ・覚醒剤類をサブng（ナノグラム）レベルで数秒検出。表面（テーブル・紙幣）の拭き取りサンプルにも対応。
食品真正性：DART/TOF-MSを用いた蜂蜜の加熱マーカー（5-ヒドロキシメチルフルフラール：5-HMF）の定量により、加熱処理蜂蜜・混入品の偽装を迅速判定。安定同位体標識内標準との組み合わせで定量的な検証も可能 [6,7]。
残留農薬スクリーニング：果物や野菜の表皮を直接プローブにかざすだけで検出できる報告が多数ある。

5. REIMS/iKnife ― 電気メスの"煙"で術中診断

原理

迅速蒸発イオン化質量分析（Rapid Evaporative Ionization Mass Spectrometry: REIMS） は、ロンドン帝国大学の Balog らが2013年に Science Translational Medicine 誌に発表した手法だ [3]。電気メス（電気外科装置）で組織を切開・焼灼する際に発生するエアロゾル（「手術煙」）をリアルタイムにMS入口へ導入する。組織固有のリン脂質プロファイルが、吸引チューブとインターフェースを通じて数秒で質量スペクトルとなって現れる。

この装置は「iKnife（Intelligent Knife：インテリジェント・ナイフ）」の通称で知られる。

特徴

術中リアルタイム判定が最大の強み：電気メスを使う外科手術のワークフローに組み込むだけで、切除マージン（病変部と正常部の境界）をリアルタイムに確認できる。
組織タイプ同定まで平均1.80秒 [3]。
臨床導入の観点では、既存の電気外科装置に後付けできる点が実用上の大きな利点。

臨床精度（原著論文ベース）

がん種	感度	特異度	出典
乳がん（260検体）	90.9%	98.8%	Jarmusch et al. (PMC5442854)
婦人科がん（卵巣癌等）	97.4%	100%	British J Cancer 2018
術中評価（全般）	97.7%	96.5%	——
iKnife原著（81手術）	――	100%一致（vs. 病理診断）	Balog et al. 2013 [3]

Balog らの原著では、302名の患者から1,624件の癌サンプル・1,309件の非癌サンプルを収集してデータベースを構築し、81例の実際の手術でこの判定モデルを検証。術後病理組織診との一致率は100%であった [3]。

6. 三手法の比較：DESI・DART・REIMS vs MALDI

DESI・DART・REIMS・MALDIの比較表図解 — 図解：4手法（DESI・DART・REIMS・MALDI）の特徴比較 ― 用途・分解能・試料形態

比較項目	DESI	DART	REIMS	MALDI（参考）
初報告年	2004	2005	2013	1980年代後半
脱離機構	帯電溶媒液滴	メタスタブルガス	電気的加熱蒸発	レーザー
装置環境	大気圧	大気圧	大気圧	真空（通常）
サンプル調製	不要	不要	不要	必須（マトリックス塗布）
空間解像度	中〜高（7〜数百 µm）	低（mm 〜 cm）	N/A（点計測）	高（数 µm〜）
得意な試料形態	固体表面・組織切片	固体・液体・気体	生体組織（手術中）	タンパク質・高分子
主な応用	MSI・術中腫瘍診断	薬物・食品スクリーニング	術中がん診断	プロテオミクス・MSI
定量性	中（マトリックス効果あり）	中（内標準で改善）	研究段階	中〜低

MALDIイメージングとDESI-MSIの使い分け：空間解像度を1 µm 以下まで突き詰めたい、または高分子（タンパク質・ポリマー）の分析が目的ならMALDIが有利。一方、サンプル調製ゼロで脂質・低分子の分布を素早く把握したい場合や、量産的な試料スクリーニングにはDESI-MSIが適している。両者は競合というより相補的な関係にある（詳細はMALDIイメージング質量分析記事参照）。

7. 分野別応用事例

7-1. 外科手術・術中診断

脳腫瘍：DESI-MSIはグリオーマの切除マージン評価に応用。術中の凍結切片を数分でリン脂質プロファイル解析し、腫瘍浸潤境界を描出。感度93%/特異度83%を達成（PNAS 2017）[5]。
乳がん：iKnife（REIMS）が切除組織の癌/非癌を約2秒で判定。感度90.9%/特異度98.8%（260検体）[4]。
婦人科がん：REIMSによる卵巣癌 vs 正常組織の分類で感度97.4%/特異度100%（British J Cancer 2018）。

7-2. 食品安全・農薬スクリーニング

食品真正性（DART）：蜂蜜中の5-HMF（加熱・希釈の指標マーカー）をDART/TOF-MSで迅速定量。安定同位体内標準を使えば定量精度も確保できる [6]。
残留農薬（DART/DESI）：果実・野菜の農薬残留を前処理なしでスクリーニング。
魚の鮮度（DESI）：魚肉切片のアミン類・脂質酸化物プロファイルから鮮度を評価する研究例がある。

7-3. 法科学

違法薬物（DART）：MDMA・メタンフェタミン・フェンタニル類縁体などをサブng/cm² で検出。錠剤の粉末だけでなく紙幣や衣類の表面からも分析可能。
爆発物前駆体（DART）：TNT・RDX・過酸化アセトン（TATP）などの検知。空港・セキュリティ現場での実用化研究が進む。

7-4. 製薬・医薬品製造

製造ライン品質検査（DART）：錠剤の活性成分や不純物をインライン近傍で素早くスクリーニング。
代謝物・薬物動態（DESI-MSI）：組織断面での薬剤分布をイメージングし、薬物の臓器指向性・代謝を可視化。

8. 強みと限界・選択の指針

共通の強み

速度：前処理ゼロで数秒〜数十秒の分析。
非破壊（または最小侵襲）：生体組織や貴重サンプルをほぼ傷めない。
現場対応性（Point-of-need）：ポータブル化・小型化が進み、ラボ外での利用が現実的になってきた。

共通の限界

マトリックス効果：複雑な生体試料では共存成分が定量精度を下げる。定量分析には安定同位体内標準や標準添加法が必要。
感度の対象依存性：非極性化合物や高分子は感度が落ちやすく、LC-MS/MSに比べて定量下限が高い場合がある。
空間情報のトレードオフ（DART）：ポイント計測が中心で、MSIには不向き。
データ解釈：前処理なしで得られるスペクトルは複雑。適切な多変量解析（PCA・LDA）や機械学習モデルが必要。

どれを選ぶか：用途別の指針

目的	推奨手法
組織・表面の分子分布（イメージング）	DESI-MSI / nano-DESI
術中リアルタイムがん診断（電気メス利用）	REIMS（iKnife）
揮発性〜半揮発性化合物の迅速スクリーニング	DART
薬物・爆発物の現場検知	DART
食品・農薬の品質検査	DART
高空間分解能の分子イメージング	MALDI-MSI（数 µm〜）/ nano-DESI

9. 最新動向（2024〜2026年）

アンビエントイオン化MSの最新動向（nano-DESI・IMS統合・ポータブル化・AI）図解 — 図解：最新動向 ― nano-DESI高分解能化・IMS統合・ポータブル装置・AI解析の融合

Rankin-Turner ら（2023 Analytical Science Advances）および Henderson ら（2025 Analytical Science Advances）の年次レビューをもとに整理した [6,7]。

nano-DESI の高分解能化：剪断力制御プローブで 7 µm 以下 の空間分解能を達成。プロテオフォーム（タンパク質アイソフォーム）の組織内マッピングが可能になってきた [8]。
IMS（イオンモビリティ分光法）との統合：LC不要のAIMSの弱点だった「異性体分離」を、分子の"形"でふるい分けるIMSとの組み合わせで補完。脂質・糖類の異性体を識別する研究が急増している。
ポータブル化：バッテリー駆動の小型MSとDARTヘッドを組み合わせた携帯型装置が市販化されており、現場（農場・工場・犯罪現場）での使用が現実化。
AI・機械学習との融合：呼気分析（DESI等）で採取した複雑なデータセットから、ディープラーニングモデルがバイオマーカーを自動抽出する研究が進む。
自動化ハイスループット：自動サンプル搬送システムとDARTを組み合わせた医薬品スクリーニング装置では、毎時1,000〜10,000サンプル超の処理が報告されている。

10. 分析者の視点：AIMSを使いこなすために

AIMS は「前処理なし」が最大の魅力だが、それがそのまま「誰でも正しい定量結果が出る」を意味しない。現場で使いこなすためのポイントを挙げる。

定性スクリーニング vs 定量分析を分けて考える：AIMSは定性・半定量スクリーニングに最も適している。厳密な定量が必要な場合は、内標準の設定とマトリックスマッチング検量線を省略しない。
多変量解析モデルの「訓練データの質」が命：REIMSやDESI-MSIのがん診断モデルは、大量かつ多様な症例で訓練・検証されて初めて信頼できる。小規模データセットで構築したモデルは過適合に注意。
表面汚染・キャリーオーバー：サンプル間のコンタミネーションはスペクトル品質に直結する。測定順の管理とブランク挿入を徹底する。
新手法・追加技術のキャッチアップ：AIMS分野は毎年新技術が発表される。年次レビュー（Rankin-Turner / Henderson シリーズ）を定期的に確認することを推奨する。

まとめ

アンビエントイオン化MS（DESI・DART・REIMS）の本質的な価値は、「分析の障壁（前処理・クロマト分離）をゼロに近づけること」にある。

DESI：帯電液滴で固体表面・組織を直接イオン化。MSI（脂質・代謝物の空間分布）と術中診断に強い。
DART：メタスタブルガスで気体・液体・固体を無接触イオン化。揮発性化合物の現場スクリーニングに最適。
REIMS：電気メスの手術煙を直接MSへ。術中約2秒で組織種別を判定するiKnifeとして臨床応用が進む。

三手法はそれぞれ役割が明確に異なり、相互に代替するものではない。目的・サンプル・設備に合わせた適切な選択が分析の精度と効率を左右する。そして、AI・IMS・ポータブル化との融合によって、AIMSは今後もさらなる用途拡大が期待される分野だ。

用語集

用語	解説
アンビエントイオン化（Ambient Ionization）	大気圧・通常環境下でサンプルを直接イオン化する手法の総称。前処理・真空不要。
脱離（Desorption）	サンプル表面や内部の中性分子を気相へ解放するプロセス。
ソフトイオン化（Soft Ionization）	分子をフラグメント化せず、分子イオン（M+H⁺ 等）として検出できるイオン化方式。
マトリックス効果（Matrix Effect）	共存物質が目的分子のイオン化効率を変化させ、定量精度に影響を与える現象。
メタスタブル励起状態	基底状態よりエネルギーが高く、比較的長寿命の状態。DARTのイオン化源。
m/z（質量電荷比）	質量分析計で検出されるイオンの「質量÷電荷数」。分子同定の基本パラメータ。
DESI-MSI	DESIをラスタースキャンし、表面の分子空間分布を2次元マップ化するイメージング手法。
nano-DESI	DESIの派生技術。液体橋（ナノスケールの液膜）を用い、数十 µm 以下の高空間分解能イメージングを実現。
iKnife	REIMSを電気メスに組み合わせた術中リアルタイム診断システムの通称。
5-HMF（ヒドロキシメチルフルフラール）	糖が加熱・劣化した際に生成するマーカー化合物。蜂蜜の加熱・偽装検知に用いられる。
SVM（サポートベクターマシン）	MSデータの多変量パターン識別によく用いられる機械学習の分類アルゴリズム。
IMS（イオンモビリティ分光法）	イオンを電場中で移動させ、形・サイズで分離する技術。MSと組み合わせて異性体識別に使われる。

出典

Takáts Z, Wiseman JM, Gologan B, Cooks RG. "Mass Spectrometry Sampling Under Ambient Conditions with Desorption Electrospray Ionization." Science 2004;306(5695):471–473. https://doi.org/10.1126/science.1104404
Cody RB, Laramée JA, Durst HD. "Versatile New Ion Source for the Analysis of Materials in Open Air under Ambient Conditions." Anal Chem. 2005;77(8):2297–2302. https://doi.org/10.1021/ac050162j
Balog J, et al. "Intraoperative Tissue Identification Using Rapid Evaporative Ionization Mass Spectrometry." Sci Transl Med. 2013;5(194):194ra93. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3005623
Jarmusch AK, et al. "Rapid Evaporative Ionisation Mass Spectrometry of Electrosurgical Vapours for the Identification of Breast Pathology." Breast Cancer Research 2017. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5442854/
Gant Luxton HK, et al. "Intraoperative Assessment of Tumor Margins during Glioma Resection by Desorption Electrospray Ionization-Mass Spectrometry." PNAS 2017;114(26):6700–6705. https://doi.org/10.1073/pnas.1703703114
Rankin-Turner S, et al. "Applications of Ambient Ionization Mass Spectrometry in 2022: An Annual Review." Anal Sci Adv. 2023. https://doi.org/10.1002/ansa.202300004
Henderson A, et al. "Advancements in Ambient Ionisation Mass Spectrometry in 2024: An Annual Review." Anal Sci Adv. 2025. https://doi.org/10.1002/ansa.70007
Trevitt AJ, et al. "Nanospray Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry Imaging (nano-DESI MSI): A Tutorial Review." PMC11487661. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11487661/

制作メモ：NotebookLMによるディープリサーチ（39ソース）で収集した後、編集側で原著論文・PubMed・メーカー資料にあたって主要事実を検証・修正のうえ執筆。