化 学 (有機化学)

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 ここでは,化学的,物理的性質の違いを利用し化合物を分離する方法に関し,【クロマトグラフィーとは】【ガスクロマトグラフィー】【移動相・試料導入】【カラム(固定相)】【検出器】に項目を分けて紹介する。

 【クロマトグラフィーとは】

 混合物試料の組成などの分析において,化合物やイオンの分離分析に用いられる方法として,有機化合物については,例えば液体クロマトグラフィー( LC ),高速液体クロマトグラフィー( HPLC ),液体クロマトグラフ質量分析( LC/MS ),ガスクロマトグラフィー( GC )ガスクロマトグラフ質量分析( GC/MS )などが,無機イオンを含むイオンの分離分析については,イオンクロマトグラフィー( IC )などがある。
 
 クロマトグラフィー( chromatography )
 JIS K 0214 「分析化学用語(クロマトグラフィー部門): Technical terms for analytical chemistry (Chromatography part) 」では,“試料を固定相に接して流れる移動相に導入して,固定相及び移動相に対する成分の特性の差によって分離を行う方法。”と定義されている。
 すなわち,カラムと呼ばれる管の中に固定相を保持し,移動相に含まれる複数の対象物質が,移動相によって運ばれる過程で,固定相との相互作用の大小によって,移動速度に差異が生じる。
 具体的には,固定相との相互作用が弱い成分はすぐに固定相から溶出し,固定相との相互作用が強い成分は固定相に長い時間保持されるため,一定時間経過後に,試料を導入した箇所からの距離の違い(固定相からの溶出時間の違い)となり各成分が分離できる。
 
 固定相との相互作用には,分配(化学成分の相への移行性,固定相と移動相の分配係数に依存),吸着(化学成分と相表面との吸着力),分子排斥(多孔質素材における成分の分子サイズに依存する浸透性,分子ふるいともいわれる),イオン交換(イオン交換樹脂との酸塩基平衡定数に依存)が挙げられる。
 
 クロマトグラフィーは,移動相の状態(用いる物質)により,気体を移動相とするガスクロマトグラフィー( GC ),液体を移動相とする液体クロマトグラフィー( LC ),超臨界流体を移動相とする超臨界流体クロマトグラフィー( SFC )に大別される。
 なお,一般的な超臨界流体は二酸化炭素で,移動層には二酸化炭素と混合する液体(メタノールなどのアルコール類やアセトニトリル,ジクロロメタンなど)が用いられる。
 
  関連用語の定義を示すと,クロマトグラフィーによって分離を行うために用いる装置をクロマトグラフ( chromatograph ),クロマトグラフを使った分析又は分析方法をクロマトグラフ分析( chromatographic analysis ),クロマトグラフィーにおける結果の記録,又は,試料成分の溶出状態を時間に対してプロットした図をクロマトグラム( chromatogram )という。

 

 【ガスクロマトグラフィー】

 ガスクロマトグラフィー( gas chromatography ; GC )とは,気化しやすい化合物の同定・定量に用いられる試料と移動相が気体であることが特徴の機器分析法である。
 ガスクロマトグラフィーを行う装置をガスクロマトグラフ( chromatograph : GC )といい,質量分析計とインターフェースを介して接続した装置をガスクロマトグラフ‐質量分析計( gas chromatograph – mass spectrometer: GC/MS ),赤外分光光度計とインターフェースを介して接続した装置をガスクロマトフラフ-赤外分光光度計( gas chromatograph – infrared spectrometer: GC/IR )という。
 
 ガスクロマトグラフの基本構成
 ガスクロマトグラフは,移動相となる気体(キャリヤーガスの供給源(ガスボンベ),一定量の試料を採取し,試料を気化しキャリヤーガスと混合する試料導入部固定相を保持するカラム,カラムなどの環境温度を一定にできる恒温槽,分離された成分を検出する検出器又は各成分を分取するためのガス分取装置,記録計や制御装置などで構成される。

ガスクロマトグラフ 基本構成図

ガスクロマトグラフ 基本構成図

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 【移動相・試料導入】

 移動相(キャリヤーガス)
 ガスクロマトグラフィーで移動相として用いられる気体をキャリヤーガスという。一般的には,固定相との相互作用が無く,高純度のものが得られるヘリウム( He ),窒素( N2 ),アルゴン( Ar )などの不活性ガスが用いられる。
 気体の選択は,用いる検出器により異なる。例えば,後述の熱伝導度型検出器( TCD )を用いる場合には熱伝導率の大きいヘリウムが選択され,水素炎イオン化検出器( FID )を用いる場合には,安価な窒素が選択される。
 
 試料導入
 測定では,まず初めにマイクロシリンジ( micro syringe )を用いて,一定量の試料を試料導入部に注入する。
 マイクロシリンジとは,最大容量 5μL ~ 500μL の目盛付きの注射器状容器で,液体や気体の試料を吸い上げ,液体クロマトグラフやガスクロマトグラフに一定量注入のために用いられる器具である。
 試料が気体の場合は直接導入可能であるが,液体の場合にはキャリヤーガスと混合される前に気化する必要がある。次には,代表的な試料注入法を JIS K 0214 「分析化学用語(クロマトグラフィー部門)」での定義を参考に紹介する。
 
 気化注入法( vaporizing injection )
 試料を加熱された注入口で気化させ,キャリヤーガスによってカラムに送る試料導入方法である。気化は,スプリット注入法では試料とキャリヤーガスとを均一に混合させる目的であり,スプリットレス注入法では,カラムを劣化させる難揮発性物質を注入口ライナーに残留させる目的もある。
 
 直接注入法( direct injection method )
 試料を加熱した気化室に注入して,瞬間気化させた後,カラムへ全量導入するキャピラリーカラム試料注入方法である。
 
 コールド注入法( cold injection method )
 試料溶媒の沸点以下に保った注入口に試料を導入するもので,熱分解・熱変性しやすい試料のための注入法である。
 コールドオンカラム法及びコールドスプリット注入法の場合は,カラム内に液体試料を導入してからカラムの中で気化させる。
 昇温気化注入法( PTV )の場合は冷却されたライナーに試料を注入した後,ライナーで分別気化を行い,溶媒を系外に排出した後に分析種を気化させてカラムに導入する。
 ライナーとは,注入口内で注入された試料をカラムに導入するための部品で,インサートともいう。
 
 コールドオンカラム注入法( cold on-column injection method )
 試料溶媒の沸点以下に保った注入口を介して,マイクロシリンジに採取した試料をカラムの中に直接導入するキャピラリーカラムの試料注入方法である。
 
 昇温気化注入法( programmed temperature vaporizing (PTV) injection )
 試料溶媒の沸点以下に保った気化室へ試料を注入後,急速に加熱して,スプリット方式又はスプリットレス方式でカラムへ導入するキャピラリーカラム用試料注入法方法で,大容量の試料を導入できる。
 
 スプリット注入法( split injection method )
 キャピラリーカラムでは,試料負荷量を超えてピーク形状や分解能が悪くなることを防止するため,カラムの試料負荷容量を超えないように,注入した試料の一部をスプリッター(分離カラムの前又は後で,移動相を分割する器具:splitter )を用いてキャピラリーカラムに導入する試料注入法である。
 試料を気化させキャリヤーガスと混合させた後に,その一部をカラムに導入し,大部分は気化室に設けた分岐ラインから排出させる。
 
 スプリットレス注入法( splitless injection method )
 気化した試料の大部分がキャリヤーガスによってカラムに移送された後に,気化室に残留する溶媒などを系外に排出するキャピラリーカラムの試料注入法である。スプリット法ではできない微量な分析をするときに用いられる。この方法は,スプリット法に対し,スプリットを行わないという意味であり,必ずしも試料の全量がカラム導入されるとは限らない。

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 【カラム(固定相)】

 各成分の特性の違いを利用して,試料を分離する装置のカラム( column )には,目的の違いによりプレカラム,ガードカラム,分離カラムに分けられる。一般的にカラムという場合は分離カラムを指す場合が多い。
 分離カラムは,試料成分の分離が行われる充塡剤が充塡された充填カラム(パックドカラム)とキャピラリーカラムに大別される。
 
 固定相に用いられる材料について
 固定相の特徴は,極性により分けられる。例えば,高極性の固定相は高極性の物質と親和性が高く保持時間が長くなる。
 充填カラムは,シリカゲルや活性炭,ゼオライトなどの吸着力を持つ固体,あるいは天然由来の珪藻土や合成シリカなどの多孔質不活性担体に,固定相を吸着させた充填剤が用いられる。固定相には,スクワラン,ジ-2-エチルヘキシルフタレートなどの不揮発性液体が用いられるが,他にも不揮発性ならどのようなものでも固定相とできるため極めて種類が多い。
 キャピラリーカラムには,無極性のポリジメチルシロキサン,低極性のジメチルシロキサンとジフェニルシロキサンの共重合体,中極性のポリメチルシアノアルキルシロキサン,高極性のポリエチレングリコールなどが用いられる。
 
 次には,ガスクロマトグラフで用いられるカラムと関連用語を JIS K 0214 「分析化学用語(クロマトグラフィー部門)」での定義を参考に紹介する。
 クロマトグラフィー管( chromatographic tube )
 クロマトグラフィーにおいて,充塡剤を充塡するための管。空(から)カラムの用語を用いることは,望ましくない。キャピラリーカラムなどの中空カラムは,固定相を担持させる前の未処理カラムを意味する。
 
 ガードカラム( guard column )
 分離カラムを劣化などから守るカラム。試料又は移動相に含まれる夾(きょう)雑物・不純物による分離カラムの汚染,劣化などを防ぐ目的で,分離カラムの上流(通常,インジェクターと分離カラムとの間)に接続する。通常,サイズの小さなカラムを用いる。
 
 プレカラム( pre – column )
 分離カラムの前に設置する小形のカラム。
 
 主カラム,メインカラム( main column )
 プレカット法において,不要なフラクションを除去した試料を送り込んで,必要な成分の分離を行うためのカラム。プレカラムと対にして用いる。
 
 カラム操作
 プレカット法( pre – cut )
 クロマトグラムの最初に溶出する画分を,系外に排出するか,又は次のカラムに導入するカラムスイッチング手法である。分析を妨害する溶媒ピークなどを排出する場合,また主成分の前に溶出する微量の分析種を,次のカラムに濃縮導入したりするときに用いる。
 
 バックフラッシュ法( back flash method )
 ある成分がカラムから溶出した後に,移動相を逆方向に流してカラム内に保持された成分を溶出させるカラムスイッチング手法である。 分析時間の短縮,分離カラムの保護(不要成分の排出)などのため,また狭いバンドで溶出させ次のカラムに導入したり,一つのピークとして検出器に導入し定量する目的で使用される。
 移動相を逆流させずに,順流のまま溶出させる方法をバックフラッシュ法に対しフォアフラッシュ法という。
 カラムスイッチング手法( column switching )とは,二つ以上の異なるカラムを切替バルブを介して切り替え,試料前処理,複数のカラム選択,複数の分離モード選択などを行う方法である。
 
 分離カラム関連の用語
 分離カラム( separation column )
 試料成分の分離が行われる管状の場。充塡剤が充塡された充填カラム,又はキャピラリー管壁に固定相が担持されたキャピラリーカラムなどがある。
 
 充塡カラム( packed column )
 充塡剤を充塡したカラムで,パックドカラムともいわれる。数 mm 程度の筒(クロマトグラフィー管)の中に充填したものである。充填剤として適用できる固定相の種類が多く,充填剤の詰め替えも容易である。
 クロマトグラフィー管の材料には,ガラスやステンレス鋼が用いられる。ガラス製は,ステンレス鋼製に比較し,割れやすく,温度追随性がやや低いが,化学的な安定性は高い。
 
 充塡剤( column packing ,packing material )
 クロマトグラフィー管に固定相として充塡する物質。主に,粒子,表面修飾した粒子及び連続構造のモノリスカラムがある。カラム充塡剤ともいう。
 
 モノリスカラム( monolithic column )
 固定相が多孔性のシリカゲル又はポリマーを基材とした連続の骨格構造をもつカラム。ロッド形のもの,フューズドシリカなどのキャピラリー管内で合成したものなどがある。
 
 キャピラリーカラム( capillary column )
 内径約 l mm 以下のカラムの総称である。通常は,溶融石英製の内径 1 mm 以下の管の内壁に固定相を塗布したものが用いられる。
 かつては金属製やガラス製のものも使用されていたが,反応性や破損しやすさといった欠点を補うため,溶融石英製のものに置き換えられた。
 なお,溶融石英に吸着できる固定相は限られ,固定相の種類は少ない。また,固定相の量が少ないため分離用途には不向きで,もっぱら分析用に使用される。
 
 中空カラム( open tubular column )
 充塡剤を充塡しないで,固定相となる物質を内壁に保持した中空状のカラムで,WCOT カラム,PLOT カラムなどがある。
 
 WCOT カラム( wall-coated open tubular column )
 キャピラリーの内壁に固定相液体(液相)を均一な厚さで塗布した中空のカラム。ガスクロマトグラフでは,液相は固定化/不動化などの処理を施して使用され,分析種の気相/液相間の分配係数の違いによって分離が行われる。
 
 PLOT カラム( porous - layer open tubular column )
 吸着剤又は共重合ポリマーの微粒子を,カラムの壁面に一定の厚さで固定化したガスクロマトグラフィーの中空キャピラリーカラム。固定相としてアルミナ,モレキュラーシーブ,多孔質ポリマーなどを用いる。
 
 ダミーカラム( dummy column )
 プレカット法又はバックフラッシュ法において,流路を切り替えても移動相の流量に変化のないよう,プレカラム及び分離カラムと等価の流路抵抗をもつように作られた管。多くは適切な担体,充塡剤などを充塡した管。

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 【検出器】

 検出器は,カラム出口で分離された各成分の量に比例した電気信号を与える装置である。
 用いられる主要な手法には,熱伝導度型検出器( TCD : thermal conductivity detector ),水素炎イオン化型検出器( FID : flame ionization detector ),電子捕獲型検出器( ECD : electron capture detector ),炎光光度検出器( FPD : flame photometric detector ),光イオン化検出器( PID : photo ionization detector )などがある。
 ガスクロマトグラフで分離した成分の状態分析(分子構造,官能基など)が目的の場合は,検出器として質量分析装置赤外分光光度計と連結された装置が用いられる。
 
 化合物一般の検出器
 熱伝導度型検出器( TCD )
 キャリヤーガスと試料成分の熱伝導率の違いを利用して検出する方法で,ほぼすべての化合物の検出に適用できる。
 原理的には,ブリッジ回路の一方の抵抗(フィラメント)対にキャリヤーガスのみを流し,他方の抵抗対に試料を含むキャリヤーガスが流れる。
 気体の熱伝導率が異なると,抵抗対の間で使用成分の濃度に依存した温度変化が生じ,これにより流れる電流値の変化を検出している。
 従って,試料の種類は問われず,キャリヤーガス以外の成分を検出できる。また,成分の変性が無い(非破壊的)ため,検出器通過後に成分の分取が可能である。
 しかし,ある程度のキャリヤーガスの流量が必要となるので,充填カラムを用いた場合の検出器として用いられ,キャピラリーカラムには向かない。
 一般的には,熱伝導率の高いヘリウム( He : 0.142 W m–1 K–1 )や水素( H2 : 0.168 W m–1 K–1 )がキャリヤーガスに用いられる。
 ヘリウムや水素を検出する場合は,熱伝導率の低い窒素( N2 : 0.024 W m–1 K–1 )などを用いる。なお,例示した熱伝導率は 25 ℃での値である。
 原則的には,キャリヤーガスと熱伝導の異なる成分はすべて検出できるが,検出感度が高くないので,低濃度の成分の検出には不向きである。
 参考
 気体の熱伝導率( 25℃,W m–1 K–1 )例:メタン( 0.03 ),アセチレン( 0.018 ),エチレン( 0.017 ),フロン12( 0.073 ),アンモニア( 0.022 ),塩素( 0.0081 ),二酸化炭素( 0.0146 ),二酸化硫黄( 0.0086 )
 
 水素炎イオン化型検出器( FID )
 試料成分を含むキャリヤーガスを水素炎中で燃焼することで,生成したイオン(プラズマ)を収集し,成分の濃度に依存して発生する電流を検出する。
 従って,C – H 結合を有する有機化合物全般に対して高い感度で検出できるが,無機化合物の検出には適さない。
 また,破壊的検出法のため,TCD と異なり検出器通過後の成分の分取には向かない。有機化合物の検出感度は TCD より優れている。
 
 光イオン化検知器( PID )
 光イオン化検出器は,ガスセンサーとして広く利用されている技術で,光エネルギー 9.8 ,10.6 ,および 11.7 eV のランプを用い,光励起でイオン化した化合物の量を電流量に変換して検出する方法で,多種多様な有機化合物(特に芳香族,炭素二重結合を持つ分子)や一部の無機化合物に反応する検出器である。
 PID は FID 検出器の約 20~100 倍の感度があり,ppb レベルの超低濃度の検出も可能である。
 参考
 イオン化ポテンシャルの例:四塩化炭素( 11.47 ev ),塩化メチレン( 11.32 ev ),酢酸( 10.56 ev ),エチレン( 10.5 ev ),塩化ビニル( 9.99 ev ),ベンゼン( 9.24 ev ),スチレン( 8.4 ev )
 ネルギー単位の換算: 1ev = 1.602×10-12 erg =1.602×10-19 joule = 3.827×10-20 cal 。
 
 特定元素を含む化合物に特化した検出器
 電子捕獲型検出器( ECD )
 窒素をキャリヤーガスとして用い,電子放射線源(β線源: 63Ni など)がら高エネルギーの電子を当てて窒素から電子を放出させる。キャリヤーガスのみの状態での検出電極間の電位を基準電圧とする。
 試料成分(親電子性化合物)が検出部を通過すると窒素から放出された電子が親電子性化合物に吸着する。これにより変動した電極間電位と基準電位とを補償するための補償電圧を検出することで試料成分(親電子性化合物)の濃度に依存した情報が得られる。
 この検出方法は,ハロゲン原子,硫黄原子,酸素原子を含む化合物に対して非常に高い感度で検出できる。
 
 炎光光度検出器( FPD )
 水素炎中で燃焼することによって発生するを検知する。FID では,燃焼で発生するイオン量を電気信号に変えて検出していたが,FPD は燃焼によって発生する特定波長の光を検知しているため,特定元素(りん,硫黄を含む化合物に限定した検出器である。
 実際の装置では,硫黄化合物について波長 394 nm の光,リン化合物について波長 526 nm の光を光電管で検出している。
 
 他の分析装置を検出器に用いる例
 ガスクロマトグラフと質量分析計を直結した ガスクロマトグラフ-質量分析法( GC /MS )は,クロマトグラフで分離した成分毎の質量が得られる。
 ガスクロマトグラフとフーリエ変換赤外分光分析計を直結したガスクロマトフラフ-赤外分光光度計( GC /IR 又は GC /FTIR )は,クロマトグラフで分離した各成分の赤外吸収スペクトルが得られる。
 しかし,感度はさほど高くないので,成分濃度が低い場合には十分なスペクトルを得られない場合もある。

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