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ガスクロマトグラフィー質量分析法（GC-MS）は、ガスクロマトグラフィーと質量分析法の特徴を組み合わせた分析法で、試験サンプル中のさまざまな物質を識別します。[ 1 ] GC-MSの応用分野には、薬物検出、火災調査、環境分析、爆発物調査、食品および香料分析、未知サンプルの識別などがあり、1970年代初頭の火星探査ミッションで採取された物質サンプルの識別も含まれます。GC-MSは、空港の保安検査で、手荷物や人体に付着した物質を検出するためにも使用できます。さらに、これまで識別不可能なほど分解したと考えられていた物質中の微量元素も識別できます。液体クロマトグラフィー質量分析法と同様に、微量の物質でも分析および検出が可能です。[ 2 ]
GC-MSは、特定の物質の存在を確実に特定する100%特異的なテストを実行するために使用されるため、法医学的物質識別の「ゴールドスタンダード」と見なされてきました。非特異的なテストは、あるカテゴリーの物質のうちのどれかが存在することを示すだけです。非特異的なテストは統計的に物質の同一性を示唆することはできますが、偽陽性の識別につながる可能性があります。しかし、GC-MSの注入ポート（およびオーブン）で使用される高温（300℃）は、注入された分子の熱分解を引き起こす可能性があり、[ 3 ]その結果、実際の目的の分子ではなく分解生成物が測定されることになります。
ガスクロマトグラフィーと質量分析計の最初のオンライン結合は、1950年代後半に報告された。[ 4 ] [ 5 ]これらの方法の結合への関心は、1954年12月にはすでに示唆されていたが、[ 6 ]従来の記録技術では時間分解能が低すぎた。幸いなことに、ほぼ同時期に開発された飛行時間型質量分析法により、 1秒間に数千回のスペクトル測定が可能になった。[ 7 ]
手頃な価格で小型化されたコンピュータの開発により、この装置の使用が簡素化され、サンプルの分析にかかる時間が大幅に短縮されました。1964 年、米国を代表するアナログ コンピュータ サプライヤーであるElectronic Associates, Inc. (EAI) は、 Robert E. Finniganの指揮の下、コンピュータ制御の四重極質量分析計の開発を開始しました。[ 8 ] 1966 年までに、Finnigan と共同研究者 Mike Uthe の EAI 部門は、500 台以上の四重極残留ガス分析装置を販売しました。[ 8 ] 1967 年、Finnigan は EAI を離れ、Roger Sant、TZ Chou、Michael Story、Lloyd Friedman、William Fies と共に Finnigan Instrument Corporation を設立しました。[ 9 ] 1968 年初頭、彼らは最初のプロトタイプの四重極 GC/MS 装置をスタンフォード大学とパデュー大学に納入しました。[ 8 ] 1990年にFinnigan Instrument CorporationがThermo Instrument Systems（後のThermo Fisher Scientific ）に買収されたとき、同社は「質量分析計の世界有数のメーカー」と見なされていた。[ 10 ]
GC-MSは、ガスクロマトグラフと質量分析計という2つの主要な構成要素から成ります。ガスクロマトグラフはキャピラリーカラムを使用し、分子分離に関する特性は、カラムの寸法（長さ、直径、膜厚）と相特性（例えば5%フェニルポリシロキサン）に依存します。混合物中の異なる分子間の化学的性質の違いと、カラムの固定相に対する相対的な親和性により、サンプルがカラムの長さに沿って移動するにつれて分子の分離が促進されます。分子はカラムに保持され、異なる時間（保持時間と呼ばれる）でカラムから溶出（離れる）します。これにより、下流の質量分析計は、イオン化された分子を個別に捕捉、イオン化、加速、偏向、検出することができます。質量分析計は、各分子をイオン化された断片に分解し、質量電荷比を使用してこれらの断片を検出することによってこれを実現します。
これら2つの要素を併用することで、それぞれを単独で使用する場合よりもはるかに高精度な物質同定が可能になります。ガスクロマトグラフィーや質量分析法だけでは、特定の分子を正確に同定することはできません。質量分析法では通常、非常に純度の高いサンプルが必要ですが、従来の検出器（例えば、フレームイオン化検出器）を用いたガスクロマトグラフィーでは、カラムを通過するのに同じ時間（つまり、同じ保持時間）を要する複数の分子を区別することができず、結果として2つ以上の分子が同時に溶出することになります。また、質量分析計（質量スペクトル）では、2つの異なる分子が類似したイオン化フラグメントパターンを示す場合もあります。2つのプロセスを組み合わせることで、2つの異なる分子がガスクロマトグラフと質量分析計の両方で同じように振る舞う可能性は極めて低いため、エラーの可能性を低減できます。したがって、GC-MS分析において、特徴的な保持時間に同定可能な質量スペクトルが現れた場合、通常、目的の分析対象物がサンプル中に存在するという確実性が高まります。
揮発性化合物の分析には、サンプル導入にパージ・アンド・トラップ（P&T）濃縮システムを使用できます。目的の分析対象物は、サンプルを水と混合し、不活性ガス（窒素ガスなど）で気密チャンバーにパージすることによって抽出されます。これはパージまたはスパージングとして知られています。揮発性化合物は水の上部のヘッドスペースに移動し、圧力勾配（パージガスの導入によって生じる）に沿ってチャンバーから引き出されます。揮発性化合物は加熱されたラインに沿って「トラップ」に引き出されます。トラップは、常温の吸着材のカラムであり、化合物を液相に戻すことによって保持します。トラップは加熱され、サンプル化合物は、スプリットインレットシステムである揮発性インターフェースを介してGC-MSカラムに導入されます。P&T GC-MSは、揮発性有機化合物（VOC）およびBTEX化合物（石油に関連する芳香族化合物）に特に適しています。[ 11 ]
より迅速な代替手段として、「パージ閉ループ」システムがあります。このシステムでは、気相中の有機化合物の濃度が水相中の濃度と平衡になるまで、不活性ガスを水中にバブリングします。その後、気相を直接分析します。[ 12 ]
ガスクロマトグラフ（GC）に用いられる最も一般的な質量分析計（MS）は四重極質量分析計であり、ヒューレット・パッカード（現アジレント）の商標名「質量選択検出器」（MSD）と呼ばれることもあります。比較的よく用いられる検出器としては、イオントラップ質量分析計があります。また、磁場セクター質量分析計も存在しますが、これらの装置は高価で大型であるため、ハイスループットなサービスラボではあまり見られません。その他にも、飛行時間型（TOF）、タンデム四重極型（MS-MS）（下記参照）、イオントラップMS n（nは質量分析ステージ数を示す）などの検出器が用いられることがあります。
例えば四重極質量分析計に2つ目の四重極を用いるなど、質量フラグメンテーションの第2段階を追加すると、タンデム質量分析（MS/MS）と呼ばれます。MS/MSは、試料マトリックスのバックグラウンドが高い場合でも、低濃度の標的化合物を定量するために使用できる場合があります。
最初の四重極（Q1）は、衝突セル（Q2）と別の四重極（Q3）に接続されています。どちらの四重極も、実施するMS/MS分析の種類に応じて、スキャンモードまたはスタティックモードで使用できます。分析の種類には、プロダクトイオンスキャン、プリカーサーイオンスキャン、選択反応モニタリング（SRM）（多重反応モニタリング（MRM）と呼ばれることもあります）、およびニュートラルロススキャンがあります。たとえば、Q1がスタティックモード（SIMのように1つの質量のみを見る）で、Q3がスキャンモードの場合、いわゆるプロダクトイオンスペクトル（「ドータースペクトル」とも呼ばれます）が得られます。このスペクトルから、選択したプリカーサーイオンのプロダクトイオンとなる主要なプロダクトイオンを選択できます。このペアは「トランジション」と呼ばれ、SRMの基礎となります。SRMは特異性が高く、マトリックスバックグラウンドをほぼ完全に排除します。
分子はカラムを通り抜け、トランスファーラインを通過して質量分析計に入ると、様々な方法でイオン化されますが、通常は一度に1つの方法のみが使用されます。サンプルが断片化されると、通常は電子増倍管によって検出されます。電子増倍管は、イオン化された質量断片を電気信号に変換し、それを検出します。
選択されたイオン化手法は、フルスキャンまたはSIMの使用とは無関係である。
イオン化の最も一般的で、おそらく標準的な方法は電子イオン化（EI）です。分子は質量分析計（イオン源は四重極またはイオントラップ質量分析計の場合はイオントラップ自体）に入り、標準的な電球のフィラメントに似たフィラメントから放出される自由電子によって照射されます。電子が分子に衝突すると、分子は特徴的かつ再現性のある方法で断片化されます。この「ハードイオン化」技術により、質量電荷比（m/z）の低い断片が多く生成され、分子量単位に近い分子はほとんど、あるいは全く生成されません。質量分析学者は、ハードイオン化を分子への電子照射とみなし、「ソフトイオン化」は導入されたガスとの分子衝突による電荷付与であると考えています。分子断片化パターンは、システムに印加される電子エネルギー（通常70 eV）に依存します。 70 eV を使用すると、メーカー提供のソフトウェアまたは米国国立標準技術研究所 (NIST-USA) が開発したソフトウェアを使用して、生成されたスペクトルとライブラリ スペクトルを比較しやすくなります。スペクトル ライブラリの検索では、多くの方法標準化機関によって作成された分析方法で使用される、確率ベースのマッチング[ 13 ]やドット積マッチング[ 14 ]などのマッチング アルゴリズムが使用されます。ライブラリのソースには、NIST [ 15 ] 、 Wiley [ 16 ] 、 AAFS [ 17 ]、および機器メーカーが含まれます。
電子イオン化の「ハードイオン化」プロセスは、イオン化前に分子を冷却することで緩和でき、結果として情報量の多い質量スペクトルが得られます。[ 18 ] [ 19 ]この方法は、コールド電子イオン化（cold-EI）と呼ばれ、分子はGCカラムから出て、添加されたヘリウムメイクアップガスと混合され、特別に設計された超音速ノズルを通して真空中に膨張し、超音速分子ビーム（SMB）を形成します。膨張する超音速ジェットでのメイクアップガスとの衝突により、分析対象分子の内部振動（および回転）エネルギーが減少し、イオン化プロセス中に電子によって引き起こされるフラグメンテーションの程度が減少します。[ 18 ] [ 19 ] Cold-EI質量スペクトルは、通常のフラグメンテーションパターンが保持される一方で、豊富な分子イオンが特徴であるため、cold-EI質量スペクトルはライブラリ検索による同定技術と互換性があります。強化された分子イオンは、既知および未知の化合物の同定確率を高め、異性体質量スペクトル効果を増幅し、元素式の解明に同位体存在比分析を使用することを可能にする。[ 20 ]
化学イオン化（CI）では、通常メタンまたはアンモニアなどの試薬ガスが質量分析計に導入されます。選択された手法（正CIまたは負CI）に応じて、この試薬ガスは電子および分析対象物と相互作用し、目的の分子の「ソフト」イオン化を引き起こします。ソフトイオン化は、EIのハードイオン化よりも低い程度で分子を断片化します。化学イオン化を使用する主な利点の1つは、目的の分析対象物の分子量にほぼ対応する質量フラグメントが生成されることです。[ 21 ]
正化学イオン化（PCI）では、反応ガスが標的分子と相互作用し、多くの場合、プロトン交換反応が起こります。これにより、比較的高い濃度の化学種が生成されます。
負イオン化学イオン化（NCI）では、試薬ガスが自由電子が標的分析物に及ぼす影響を減少させる。このエネルギー低下により、通常、フラグメントイオンが大量に生成される。
質量分析計は通常、フルスキャンまたは選択イオンモニタリング（SIM）のいずれかの方法で使用されます。一般的なGC-MS装置は、装置の構成に応じて、これらの機能を個別に、または同時に実行できます。
機器分析の主な目的は、物質の量を定量化することです。これは、生成されたスペクトル内の原子質量間の相対濃度を比較することによって行われます。比較分析と独自分析の 2 種類の分析が可能です。比較分析は基本的に、与えられたスペクトルをスペクトルライブラリと比較し、ライブラリ内のサンプルにその特性が存在するかどうかを確認します。スケールの変動により無数の視覚的歪みが発生する可能性があるため、これはコンピュータによって最も適切に実行されます。コンピュータはまた、より多くのデータ (GC によって識別された保持時間など) を同時に相関させて、特定のデータをより正確に関連付けることができます。ディープラーニングは、生の GC-MS データからの VOC の識別に有望な結果をもたらすことが示されています。[ 22 ]
別の分析方法として、ピーク同士の相対的な値を測定する方法があります。この方法では、最も高いピークに100%の値が割り当てられ、他のピークには比例した値が割り当てられます。3%を超える値はすべて割り当てられます。未知化合物の総質量は通常、親ピークによって示されます。この親ピークの値は、化合物中に存在すると考えられる様々な元素を含む化学式に適合させるために使用できます。多くの天然同位体を持つ元素に特有のスペクトルの同位体パターンも、存在する様々な元素を特定するために使用できます。化学式がスペクトルと一致すると、分子構造と結合を特定でき、GC-MSで記録された特性と一致している必要があります。通常、この特定は、サンプル中に存在する可能性のある元素のリストが与えられた場合、装置に付属のプログラムによって自動的に行われます。
「フルスペクトル」分析では、スペクトル内のすべての「ピーク」を考慮します。一方、選択イオンモニタリング（SIM）では、特定の物質に関連する選択されたイオンのみをモニタリングします。これは、特定の保持時間において、一連のイオンが特定の化合物に特徴的であるという仮定に基づいています。これは、特に分析者がサンプルに関する事前情報を持っている場合や、少数の特定の物質のみを探している場合に、迅速かつ効率的な分析方法です。特定のガスクロマトグラフピーク内のイオンに関する情報量が減少すると、分析の感度が高まります。したがって、SIM分析では、より少量の化合物を検出および測定できますが、その化合物の同定の確実性は低下します。
フルスキャンモードでデータを収集する場合、質量フラグメントのターゲット範囲が決定され、装置のメソッドに設定されます。監視する質量フラグメントの一般的な広範囲の例としては、m/z 50～m/z 400が挙げられます。使用する範囲の決定は、溶媒やその他の干渉物質を考慮しつつ、サンプル中に存在すると予想される物質によって大きく左右されます。質量分析計は、低すぎる質量フラグメントを検出するように設定すべきではありません。そうしないと、空気（窒素によるm/z 28）、二酸化炭素（m/z 44）、またはその他の干渉物質を検出してしまう可能性があります。さらに、広いスキャン範囲を使用する場合、各スキャンで広範囲の質量フラグメントを検出する必要があるため、1秒あたりのスキャン回数が減り、装置の感度が低下します。
フルスキャンは、試料中の未知化合物の特定に役立ちます。試料中の化合物の確認や分離に関しては、SIMよりも多くの情報が得られます。機器分析法の開発においては、まずフルスキャンモードで試験溶液を分析して保持時間と質量フラグメントフィンガープリントを決定し、その後SIM分析法に移行するのが一般的です。
選択的イオンモニタリング（SIM）では、特定のイオンフラグメントが装置メソッドに入力され、質量分析計によってそれらの質量フラグメントのみが検出されます。SIMの利点は、装置が各スキャン中に少数のフラグメント（例えば3つのフラグメント）しか監視しないため、検出限界が低くなることです。1秒間に実行できるスキャン回数も増えます。監視される質量フラグメントが少数であるため、マトリックス干渉は通常少なくなります。さらに、陽性結果の可能性を確認するために、さまざまな質量フラグメントのイオン比が既知の参照標準と比較可能であることを確認することが比較的重要です。
GC-MSは、環境中の有機汚染物質を追跡するための主要なツールになりつつある。GC-MS装置のコストが大幅に低下し、同時に信頼性も向上したことが、環境研究におけるGC-MSの採用拡大に貢献している。
GC-MSは、人体から採取した粒子を分析することで、犯罪者と犯罪を結びつけるのに役立つ。GC-MSを用いた火災残渣の分析は確立されており、火災残渣分析に関する米国材料試験協会（ASTM）の規格も存在する。GC-MS/MSは、試料が非常に複雑なマトリックスを含むことが多く、法廷で使用される結果に高い精度が求められるため、特に有用である。
GC-MS は違法薬物の検出にますます使用されており、最終的には麻薬探知犬に取って代わる可能性がある。[1]ドイツのロベルト コッホ研究所は最近、マリファナ使用を検出するためのシンプルで選択的な GC-MS 法を開発した。これは、サンプル調製で誘導体化を利用して、尿サンプル中のマリファナの有効成分であるテトラヒドロカンナビノール (THC) の酸性代謝物を同定するものである。[ 23 ] GC-MS は、容疑者、被害者、または死亡者の生体試料中の薬物や毒物を検出するために、法医学毒物学でも一般的に使用されている。薬物スクリーニングでは、GC-MS 法はサンプル調製の一部として液液抽出を頻繁に利用し、その際に標的化合物を血漿から抽出する。[ 24 ]
GC-MSは、スポーツのアンチドーピング研究所で、アナボリックステロイドなどの禁止されているパフォーマンス向上薬をアスリートの尿サンプルから検査するために使用される主要なツールです。[ 25 ]
9.11同時多発テロ以降、爆発物探知システムは米国の 全空港に導入されるようになった。これらのシステムは様々な技術に基づいており、その多くはGC-MS（ガスクロマトグラフィー質量分析法）をベースとしている。FAA（連邦航空局）からこれらのシステムを提供する認可を受けたメーカーは3社のみで、そのうちの1社がThermo Detection（旧Thermedics）社であり、GC-MSをベースとした爆発物探知機「EGIS」を製造している。残りの2社は、現在Smith's Detection Systems傘下にあるBarringer Technologies社と、General Electric Infrastructure Security Systems傘下のIon Track Instruments社である。
9月11日の同時多発テロ以降、国土安全保障と公衆衛生対策の能力向上を目指す取り組みの一環として、従来の透過型四重極質量分析計を備えたGC-MS装置、および円筒形イオントラップ（CIT-MS）質量分析計とトロイダルイオントラップ（T-ITMS）質量分析計を備えたGC-MS装置が、サリン、ソマン、VXなどの化学兵器（CWA）の現場での携帯性とほぼリアルタイムでの検出のために改良されてきた。[ 26 ] これらの複雑で大型のGC-MSシステムは、抵抗加熱式低熱質量（LTM）ガスクロマトグラフで改良および構成されており、分析時間を従来の実験室システムで必要な時間の10%未満に短縮している。[ 27 ] さらに、システムは小型化され、移動性も向上しており、米国海兵隊化学・生物災害対応部隊のMALやその他の同様の研究所で使用されているような移動分析研究所（MAL）に搭載されるユニットや、小型質量検出器のおかげで2人チームまたは個人が手持ちするシステムなどがある。[ 28 ]システムによっては、分析対象物を液体注入によって導入したり、熱脱着プロセスによって吸着管から脱着させたり、固相マイクロ抽出（SPME）で 抽出したりすることができる。
GC-MSは、未知の有機化合物混合物の分析に使用されます。この技術の重要な用途の1つは、生のバイオマスから処理されたバイオオイルの組成を決定するためにGC-MSを使用することです。[ 29 ] GC-MSは、スマート材料である磁気レオロジー（MR）流体の連続相成分の識別にも使用されます。[ 30 ]
食品や飲料には、原材料に自然に含まれるものや加工過程で生成されるものなど、数多くの芳香族化合物が含まれています。GC-MSは、エステル、脂肪酸、アルコール、アルデヒド、テルペンなど、これらの化合物の分析に広く用いられています。また、腐敗や混入による有害物質（例えば農薬など、政府機関によって規制されているもの）の検出や測定にも利用されています。
GC-MS システムは地球からいくつか持ち出されている。2 台はバイキング計画によって火星に持ち込まれた。[ 31 ]ベネラ11 号と 12 号、パイオニア ビーナスはGC-MS で金星の大気を分析した。[ 32 ]カッシーニ・ホイヘンスミッションのホイヘンス探査機は、土星最大の衛星タイタンに 1 台の GC-MS を着陸させた。[ 33 ] MSLキュリオシティローバーの火星サンプル分析装置 (SAM) には、GC-MS として併用できるガス クロマトグラフと四重極質量分析計の両方が含まれている。[ 34 ] 2014 年にロゼッタミッションはキラル GC-MS で67P/チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星の物質を分析した。[ 35 ]
先天性代謝異常症（IEM）としても知られる数十種類の先天性代謝疾患は、新生児スクリーニング検査、特にガスクロマトグラフィー質量分析法（GC-MS）を用いた検査によって検出可能となっています。GC-MSは、尿中の化合物を微量でも検出できます。これらの化合物は通常は存在しませんが、代謝異常症の患者では検出されます。この検査は、IEMの早期診断と治療開始、ひいては予後改善につながるため、ますます一般的な診断方法になりつつあります。現在では、GC-MSを用いた出生時の尿検査によって、100種類以上の遺伝性代謝疾患を新生児から検出することが可能です。
代謝化合物の同位体標識と組み合わせることで、GC-MSは代謝活性の測定に使用されます。ほとんどのアプリケーションは、標識として13Cを使用し、同位体比質量分析計（IRMS）で13C-12C比を測定することに基づいています。IRMSは、特定のイオンを測定し、値を比率として返すように設計された検出器を備えた質量分析計です。