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化学分析概論(1)

 

  ■    ガスクロマトグラフィー(GC)


そもそも「クロマトグラフィー」とはなんでしょう? これ
まで化学や生物学について学んできた人には、馴染み深い分析
方法だと思います。「クロマトグラフィー」とは、「移動相」
と「固定相」により、混合物中のそれぞれの物質を分離・精製
する手法の一つ。、汚水中の中からをテトラクロロエチレンな
ど分離したい、なんていうときに用いられます。

さて、「移動相」と「固定相」という言葉が出てきましたが、
例えを出して説明しましょう。
みなさん、流れのある橋がかかった川を想像してください。
その川に向かって、橋の上から大きさの違う二つの石を落とし
たとしましょう。5分後、それらの石はどこまで流されていき
ましたか? 小さな石は川の流れによって、さぞ遠くまで流さ
れたことでしょう。一方、大きな石は流れに乗れなく、少しも
流されなかったかも知れません。

これが「クロマトグラフィー」の原理なのです。「川の流れ」
にあたるものが「移動相」、「川」自体は「固定相」、「二つ
の石」はそれぞれ異なった「物質」を表しています。川の流速
の緩急により、流れる石の速さは異なります。これは、「移動
相」の違いにより物質の分離の仕方が異なることを意味してい
ます。同様に、川の底面に砂利または岩があるかにより、すな
わち「固定相」の違いにより石の進むスピードが異なります。
もちろん、石(物質)の大きさが違っても同様です。

川の説明では、「移動相」は川の水、すなわち液体でした。
このように、「移動相」が液体のクロマトグラフィーを「液体
クロマトグラフィー」、これに対して「移動相」が気体のクロ
マトグラフィーを「ガスクロマトグラフィー」といいます。通
常、クロマトグラフィーでは、「固定相」になんらかの強弱を
つけて物質を分離します。この逆、「移動相」に分離条件を委
ねたクロマトグラフィーを「逆相クロマトグラフィー」といい
ます。

クロマトグラフィーで気をつけていただきたいのが、あくま
で物質を分離するための装置だということ。その物質が何であ
るかを知るには「検出器」が必要です。先程、「移動相」か 
「固定相」で物質を分離すると述べましたが、結局は、混合物中
の物質を定性は「検出器」により制限されます。そのため、 
「検出器」は重要で、関連する問題が数多く出題されていますの
で、しっかりと理解して下さい。


・    対象:
「気体」、または「液体」中の微量「有機物」
→ 「液体」は気化
→ カラム温度に限界があるため、沸点が「250」℃以下の物

→ 「糖類」は不適

・    原理:
「カラム」(固定相)により分離された物質
→ 「カラム」出口で検出される物質に差異
→ 分離時間;「定性」
→ 検出信号の大きさ;「定量」

・    定性:
試料導入部から試料を導入
→ 気体はそのまま、液体・固体は加熱気化してからキャリヤ
ーガス(移動相)によってカラムに送り込まれる
→ 試料中の各成分は充填物に対するそれぞれの「吸着性」ま
たは「溶解性」の差異に基づいて、カラム内の移動速度に
差異
→ 各成分は分離され、カラム出口に接続した検出器を順次通
過する

・ 「保持時間」「保持容量」:
一.「保持時間」 ある条件で試料をカラムに導入してから、
その中のある成分が検出され、記録紙上に
ピークの頂点が現れるまでの時間

二.「保持容量」 保持時間にキャリヤーガス流量を乗じたも


「保持時間」および「保持容量」は、特定の条件下ではその
成分物質に固有
→ 「定性分析」

記録計に描かれるピークの面積またはピークの高さは試料成
分量と一定の関係にある
→ 「定量分析」

・ 「キャリヤーガス流路」:
「流量制御部」および「カラム流路」から構成
→ 「カラム流路」は「試料導入部」、「カラム」、「検出器
配管」で組み立てる
→ 配管材料は、「ステンレス鋼」や「ガラス」などを耐腐食
性材質

・    「試料導入部」:
一.「充填カラム」用液体試料を迅速に気化し、保持するため
の加熱機構を備えている

二.「キャピラリーカラム」用「分割導入方式」と「非分割導
入方式」がある
→ 前者は分岐管を利用して気化した試料のごく一部だけを
カラムに導入するもので、「スプリット方式」ともいう
→ 後者には、溶媒ピークのテーリングを除く工夫をした 
「スプリットレス方式」、試料の分別蒸発や熱分解を防ぐ
工夫をした「コールドオン方式」などがある

・    カラム:
一.「充填カラム」
金属、ガラスまたは合成樹脂の管に、分離用充填剤を詰めた
もの

二.「キャピラリーカラム」
金属、ガラスまたは合成樹脂の管の内壁に固定相を保持した
もの
→ 充填カラムに比べてはるかに「長い」

・    「検出器」:
一.「熱伝導度検出器」(TCD)
金属製ブロックの小さな空間に「金属フィラメント」を検出
素子として内蔵させた構造
→ フィラメントには安定した電流を流しておくと、キャリ
ヤーガスにより一定の割合で熱がフィラメントから奪わ
れる
→ ガス成分により「熱伝導率」が変化
→ フィラメントの「温度」は変化し、これに伴って「電気
抵抗」が変化
→ キャリヤーガスには熱伝導率が高い「ヘリウム」や「水
素」が用いられる
→ 検出対象は「広い」が、感度はあまり「高くない」
→ 主に、二酸化炭素などの「気体」の検出に有効

・    「水素炎イオン化検出器」(FID):
水素燃焼する「ノズル」、「イオンコレクター」ならびに 
対極」及び「排気口」からなる本体と、この電極間に「直流 
電圧」を与え、「イオン電流」を測定するための回路から構 

→ 「有機物」がキャリヤーガスと共にフレームに入ってくる
と大量の「イオン」が発生
→ キャリヤーガスと「水素」の混合ガスの燃焼時には電極間
に電流がほとんど流れない
→ 電流が流れる多くの「有機物」を高感度で検出
→ 「無機物」に対しては無力

・ 「電子捕獲検出器」(ECD):
容器中に「陽極」と「陰極」および「放射線源」を備えた構

→ 「放射線源」からの「β線」がキャリヤーガスをイオン化
し、両極間にイオン電流が流れる
→ キャリヤーガス中に「自由電子」を捕獲する性質のある物
質(有機ハロゲン化合物、ニトロ化合物など)が含まれて
いるとイオン電流が減少
→ 「ハロゲン」に対してきわめて好感度
→ 「アルキル水銀」、「塩素化炭化水素」などの試験に用い
られる
→ キャリヤーガスとしては「窒素」または「ヘリウム」を用
いる

・    「炎光光度検出器」(FPD):
「水素・酸素フレーム」中で物質が加熱される時の発光を測
定する方式
→ 主として「硫黄化合物」や「リン化合物」を高感度で検出
→ キャリヤーガスとしては「窒素」または「ヘリウム」を用
いる

・    「アルカリ熱イオン化検出器」(FTD):
「水素フレーム」中に「アルカリ金属塩」を入れるとき、 
「アルカリ金属イオン」が生成するが、ここに特定の物質が入
るとアルカリ金属の熱イオンが増加することに基づく
→ ごく微量の「リン」や「含窒素有機化合物」、「シアン化
水素」などを検出できる



■    ガスクロマトグラフ質量分析計(GC-MS)

塩素化炭化水素、農薬などの微量かつ複雑な成分を含む試料
の分析には、GC-MSが有効です。液体、気体などの試料をGC-
MSに導入し、「GC」で各成分を分離します。成分は連続的に質
量分析計に導入され、「イオン源」でイオン化された後、「質
量分離部」で「電場」や「磁場」によって「質量数(m/z)」
に応じて分離されます。「選択イオン」検出法で特定イオンを
検出し、定量します。


・    装置:
一.GC
塩素化炭化水素には「キャピラリーカラム」が、農薬には 
「充填カラム」が用いられる

二.GC-MS接続部
大気圧のカラム出口と高真空の質量分析計のイオン源を接続
する部分
→ 「キャピラリーカラム」の場合は、カラム出口とイオン
源を最短距離で直結し、この間はカラム槽と同じかそ
れ以上の温度に保つ
→ 「充填カラム」場合は、「セパレーター」を用いる
→ 「セパレーター」はカラム出口とイオン源入り口を対向
させ、間の空気を減圧するようになっている。これに
よって、「余分のキャリヤーガスの除去」と「成分濃
縮」が行われる

・ イオン化法:
質量分離に先立って、分離された成分をイオン化する

一.「電子衝撃イオン化法」
高真空にしたイオン化室で、70eV程度の「イオン化エネルギ
ー」を持つ電子を成分分子に衝突させてイオン化する
→ この際、いろいろなフラグメントイオンが生成する

二.「化学イオン化法」
メタンやイソブタンなどの試薬ガスを「電子衝撃イオン化法」
でイオン化し、これと試薬ガスが反応して生成した反応イオン
が成分分子をイオン化する
→ 安定な「分子イオン」を生じる

三.「電場イオン化法」
先端のとがった金属針や細線の電極に、高電圧をかけ、強い
「電場」を作り、この中に試料を導入してイオン化する
→ 「分子イオン」が現れやすく、他のイオンが少ない

四.「電場脱離法」
タングステン線にカーボンの針状結晶を無数に成長させたマ
イクロニードルを用い、これに試料溶液を付着させ、これを 
「陽極」として高電圧をかけてイオン化する
→ 「分子イオン」が多く、フラグメントイオンが少ない
→ 試料を気化せず、難揮発性や熱に不安定な化合物をその
ままイオン化できる

・ 質量分析計:
一.「単収束磁場型」
軌道半径と電場における加速電圧を一定にして、磁場の強さ
を変える
→ m/zの異なる分子イオンやフラグメントイオンを、次々
に検出器に導入
→ イオン電流を測定すると、m/zに対応するイオン電流を
示すマススペクトルが得られる
→ 分解能が高く、広い質量範囲にわたって、感度が一定
→ マススペクトルのm/zスケールが「一直線」になる欠点
→ 測定質量数の設定が有限

二.「二重収束型」
「単収束磁場型質量分析計」の磁場の前に大きい扇形電場を
設け、これらの間にスリットを入れてイオンビームの広がりを
防ぎ、収束を強くしたもの
→ 「質量数」が幅広く測定ができる
→ 「絶対イオン強度」が小さくなり、多い試料量を必要と
し、測定時間が長くかかるなどの欠点がある

三.「四重極型」
相対する二本を対とした四本の平行な電極を用いて、それぞ
れ正負の直流電圧と交流電圧を印加する
→ この二対の電極を結ぶ線の交点の位置に、電極と平行に
なるようにイオンビームを通し、交流電圧を変化させる
→ 対応するm/zのイオンだけが四重極を通過できるように
し、マススペクトルが求められる
→ m/zスケールが「直線」となり、あまり「高真空」を必
要とせず、「加速電圧」も低くてよい
→ 測定しうる「質量範囲」が狭く、高い質量のイオンに対
して感度および分解能が低い
→ 測定質量数の設定は無限

一般的には「四重極型質量分析計」が用いられるが、電場と
磁場で分散と収束を行う「二重収束型質量分析計」は分解能が
高く、微細な質量差を分離できるので「ダイオキシン」の分析
などに利用される

・ 測定:
一.「全イオン検出」
設定した質量範囲を、設定した走査速度で走査を繰り返して、
走査ごとにイオンの質量とイオン電流の関係を記録する
→ 設定質量範囲の質量スペクトルを得ることができる

二.「選択イオン検出」
設定した複数の特定質量について、不連続走査を繰り返し、
特定質量のイオン(「選択イオン」)を検出
→ イオン電流の経過時間を記録して選択イオンのクロマト
グラムを得ることができる


■    揮発性有機化合物

GC法による微量有機化合物の定量において、分離・濃縮を目
的とする前処理が行われます。揮発性有機化合物に対しては、
「パージ・トラップ法」「ヘッドスペース法」「溶媒抽出法」
が適用され、農薬、PCBなどについては「溶媒抽出法」、 
「固相抽出法」が用いられます。


・    「パージ・トラップ法」:
試料中の「揮発性有機化合物」を不活性ガスで追い出し、ト
ラップ管で捕集するという方法
→ 試料を「パージ瓶」にとり、パージガスとして「ヘリウム」
「窒素」を用いる
→ トラップ管は、吸着剤、活性炭、シリカゲルなどで構成
→ トラップ管を「加熱」して有機化合物を脱着させ、直ちに
GCカラムに導入するか、いったんキャピラリーカラム先端
の「冷却凝縮部」に捕集した後、再加熱してGCカラムに導

→ 前者は内径の「大きい」カラムの場合に、後者は内径の 
「小さい」カラムに適用

・ 「ヘッドスペース法」:
試料をバイアルにとり、塩析剤を加え、上部に容器の容積の
15~40%の空間が残るようにして密封する
→ 十分に混合し、一定温度に静置して気液平衡の状態とし、
気相の一部をGCカラムに注入
→ 簡便迅速であるが、有機化合物の物性、気液の体積比、温
度、バイアルの形状、共存物の種類と濃度の影響を受けや
すい
→ 「測定精度」はやや低い

・ 「固相抽出法」:
試料を吸引しながら固定相カラム中をゆっくりと流し、目的
成分を吸着させる
→ 十分に脱水した後、「アセトン」で溶出し、「窒素」を吹
きつけて濃縮する
→ 「シマジン」「チオベンカルブ」などの農薬の検定に用い
られる
→ 「チウラム」の場合は「塩酸」でpH3.5に調節したあと、
固相抽出を行い、「アセトニトリル」で溶出する


■    高速液体クロマトグラフィー(HPLC)

これまでガスクロマトグラフィーについて説明してきました
が、この項目では移動相が気体ではなく液体を用いる液体クロ
マトグラフィー(LC)について説明します。LCでは、GCで分析で
きない物質、例えば糖類や難揮発性有機物などの測定に適して
います。LCの中でも流量を制御するために送液ポンプなどをつ
けたものを高速液体クロマトグラフィー(HPLC)と呼ばれ、「農
薬」の検定などに用いられます。充填剤を充填したカラム(固
定相)に溶離液(移動相)を高圧で送液し、その中に少量の試料
を注入すると、試料成分は両相との相互作用によって分離され
ます。これを検出し、成分を定量するのです。装置は「溶離液
槽」「ポンプ」、「試料導入部」、「カラム」、「検出部」 
「記録計」から構成されます。


・ 「ポンプ」:
「定流量」「十分な圧力」「少ない脈動」などが要求される

・ 「充填カラム」:
「金属管」に「充填剤」を詰めたもの
→ 「充填剤」は表面多孔性シリカゲル、全多孔性ポリスチレ
ンなどが用いられる

・    「検出器」:
一.「示差屈析計」 
溶媒と試料成分との屈析率の差を検出する
→ 高分子物質の分子量分布の測定にも使用
→ 「低感度」

二.「紫外吸光検出器」
紫外領域の光を吸収する物質の吸光度を検出する
→ 「選択的」「高感度」
→ 有機物質の測定に有効

三.「紫外蛍光検出器」
紫外線の照射によって蛍光を発する物質を検出する
→ 「選択的」できわめて「高感度」

・    「順相」「逆相」LC
「順相」LC;「極性物質」の分析に採用
「逆相」LC;「低極性物質」の分析に採用

・    「ゲルクロマトグラフィー」:
分子サイズの小さい分子は充填剤の細孔内に入り込んでいる
が、分子サイズの大きい分子は細孔内に入りにくいことを利用
→ 「高分子」の保持時間は短く、「低分子」は長い
→ 高分子の分子量分布測定やタンパク質などの巨大分子の
分離分析にも用いられる

・    「イオンクロマトグラフィー」:
「イオン交換体」を表面に固定した充填剤を充填したカラム
を用い、有機溶媒を含まない水系溶液を溶離液として目的イオ
ンを分離
→ 共存する妨害イオンを「サプレッサー」などで除去
→ 「電気伝導度検出器」などで測定対象イオンの定性定量分

→ 「微量」分析に広く用いられている


■    ダイオキシン類

「ダイオキシン類」とは、ポリ塩化ジベンゾ-パラ-ジオキ
シン(PCDDs)とポリ塩化ジベンゾフラン(PCDFs)の両方を合わせ
た総称です。ダイオキシン類はごく微量でも毒性があるので、
測定する際にはその精度が重要になってきます。ダイオキシン
類の定量は、「TEQ」(毒性等量)で表されます。これは、ダ
イオキシン類の中でも最強の毒性を有する2,3,7,8-四塩
化ジベンゾ-パラ-ジオキシンの量に換算した量です。

基本的な分析方法は、ダイオキシン類を「石英繊維ろ紙」お
よび「ポリウレタンフォーム」に捕集し、適切な「抽出」「前
処理」を行った後、「高分解能ガスクロマトグラフィー質量分
析計」で定量します。


・    試料採取方法:
一.「石英繊維ろ紙」
あらかじめ600℃で6時間程度「加熱処理」あるいは「トルエ
ン抽出」または「超音波洗浄」したものを用いる
→ 試料採取後、「トルエン抽出」を行う

二.「ポリウレタンフォーム」
あらかじめ「水」および「アセトン」洗浄後、「アセトン抽
出」により洗浄し、「減圧乾燥」したものを用いる
→ 試料採取後、「アセトン抽出」を行う

抽出液を「濃縮器」で濃縮する

・    前処理: 
抽出液は「濃硫酸処理-シリカゲルカラムクロマトグラフィ」
または「多層シリカゲルカラムクロマトグラフィ」で汚染物質
を取り除いたあと、いずれも「アルミナカラムクロマトグラフ
ィ」で「PCB」と分画する。分析上、さらにクリーンアップを
要する場合は、「アルミナカラムクロマトグラフィ」の代わり
に、「HPLC」または「活性炭埋蔵シリカゲルカラムクロマトグ
ラフィ」を行う。

一.「硫酸処理」
抽出液を濃縮後、「ヘキサン」で転溶し、「濃硫酸」で「有
機化合物」の分解処理をして着色を取り除く。

二.「シリカゲルカラムクロマトグラフィ」
「硫酸処理」をした水溶液のカラムクリーンアップの最初の段
階に使用
→ 「強極性物質」や「色素成分」の除去のために効果的
→ 「芳香族系」や大きな分子量のものを取り除く

三.「多層シリカゲルカラムクロマトグラフィ」
上記二種類の処理方法の代わりに、「シリカゲル」と「水酸
化カリウム」「硫酸」「硝酸銀」などを被覆した「シリカゲル」
を順次積層したカラムで着色物を除去する
→ 特に、「硫黄」分の多い試料には、「硝酸銀シリカゲル」
が有効

四.「アルミナカラムクロマトグラフィ」
(一)-(二)処理あるいは(三)処理により「着色物」をクリ
ーンアップした試料を「活性アルミナカラム」により「PCB」
分と「ダイオキシン類」を分画する
→ ダイオキシン類の含まれる「第2画分」を濃縮し、その
ままGC-MS分析する

・ 分析:
ダイオキシン類の同定と計量は、「キャピラリーカラム」を
用いる「高分離能ガスクロマトグラフ(HRGC)」と「二重収束型
高分解能質量分析計(HRMS)」を用いる高分解能ガスクロマトグ
ラフ質量分析法によって行う
→ 検出法としては「選択イオン検出」を用いて、「ロックマ
ス」方式により行う
→ 各「同族体」を区分

・    キャピラリーカラム:
「溶融シリカゲル」製のものであって、内面に「シアノプロ
ピル」系の強極性の液体を被覆したもの

・    検出器:
二重収束型のもので、イオン源が「250~350」℃に保つこと
ができ、「電子衝撃イオン化法」が可能で、イオン化電圧が35
~70V程度のもの

・    試料導入部:
試料の全量を再現性よく導入できるものである「スプリット
レス」または「オンカラム」方式を用いる

・    キャリヤーガス:
キャリヤーガスは「ヘリウム」を用いる

Keywords

  クロマトグラフィ  移動相  固定相  ガスクロマトグラフィ
液体クロマトグラフィ  逆相クロマトグラフィ  検出器  
有機物  糖類  カラム  定性  定量  吸着性  溶解性
保持時間  保持容量  ピーク  キャリヤーガス  充填カラム
キャピラリーカラム  スプリット方式  コールドオン方式
熱伝導度検出器  水素炎イオン化検出器  電子捕獲検出器
放射線源  炎光光度検出器  アルカリ熱イオン化検出器
ガスクロマトグラフ質量分析計  イオン源  質量分離部  電場
磁場  質量数(m/z)  セパレーター  電子衝撃イオン化法
化学イオン化法  電場イオン化法  電場脱離法  単収束磁場型
二重収束型  四重極型  全イオン検出  選択イオン検出
揮発性有機化合物  パージトラップ法  ヘッドスペース法
溶媒抽出法  固相抽出法  高速液体クロマトグラフィー
示差屈析計  紫外吸光検出器  紫外蛍光検出器
ゲルクロマトグラフィー  イオンクロマトグラフィー
イオン交換体  ダイオキシン類  TEQ  石英繊維ろ紙
ポリウレタンフォーム  硫酸処理
シリカゲルカラムクロマトグラフィ  
多層シリカゲルカラムクロマトグラフィ
アルミナカラムクロマトグラフィ  活性アルミナカラム
高分離能ガスクロマトグラフ  高分解能質量分析計
 

 

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