ガスクロマトグラフィー

クロマトグラフィーは、1903年にロシアの科学者ミハイル・セミョーノヴィチ・ツヴェット^{[ 5 ]}が液体カラムクロマトグラフィーを用いて植物色素を分離した研究に遡ります。

ガスクロマトグラフィーの発明は、1951年にロンドンのミルヒルにある国立医学研究所のアンソニー・T・ジェームズとアーチャー・JP・マーティンによるものとされている。 ^{[ 6 ] [ 7 ]}彼らのガスクロマトグラフは、吸着クロマトグラフィーではなく、分配クロマトグラフィーを分離原理として使用した。ガスクロマトグラフィーの人気は、フレームイオン化検出器の開発後に急速に高まった。^{[ 8 ]}マーティンと、1952年のノーベル化学賞を共同受賞した 同僚のリチャード・シンジは、以前の論文^{[ 9 ]}で、クロマトグラフィーはガスの分離にも使用できる可能性があると指摘していた。シンジは他の研究に取り組み、マーティンはジェームズとの研究を続けた。発明後まもなく、この技術を商業化しようと試みたロンドンのグリフィン・アンド・ジョージ社は、1954年にガスクロマトグラフを製造・販売した。^{[ 10 ]}ケンブリッジのパイ・ユニカム社や米国の企業など、他の企業も1955年と1956年にこれに続いた。 ^{[ 10 ]}

ドイツの物理化学者エリカ・クレマーは、 1947年にオーストリアの大学院生フリッツ・プライアーとともに、キャリアガス、シリカゲルを充填したカラム、熱伝導度検出器からなる、おそらく最初のガスクロマトグラフを開発した。彼らはフランクフルトのACHEMAでこのクロマトグラフを展示したが、誰も興味を示さなかった。^{[ 11 ]} NCターナーは、バレル社とともに1943年に、活性炭カラムと水銀蒸気を使用した大型装置を発表した。ウプサラ大学のスティグ・クラエソンは、1946年に、同じく水銀を使用した活性炭カラムに関する研究を発表した。^{[ 11 ]}ゲルハルト・ヘッセは、マールブルク/ラーン大学 の教授であったとき、移動するガス流では分子を分離できないというドイツの化学者の間で一般的な見解を検証することにした。彼はデンプンを充填した単純なガラスカラムを設置し、キャリアガスとして窒素を使用して臭素とヨウ素を分離することに成功した。その後、彼はシリカゲルを詰めたガラスコンデンサーに不活性ガスを流し、溶出画分を収集するシステムを構築した。^{[ 11 ]} オックスフォード大学のCourtenay SG Phillipsは、熱伝導度検出器を使用して活性炭カラムでの分離を研究した。彼はClaessonに相談し、分離原理として置換法を使用することに決めた。JamesとMartinの結果を知った後、彼は分配クロマトグラフィーに切り替えた。^{[ 11 ]}

初期のガスクロマトグラフィーでは、長さ1～5m、 直径1～5mmのブロックでできた粒子充填カラムが使用されていました。充填カラムの分離能は、固定相が毛細管の内壁にコーティングされた毛細管カラムの発明によって向上しました。^{[ 6 ]}

オートサンプラーは、サンプルをインレットに自動的に導入する手段を提供する。サンプルを手動で挿入することも可能だが、現在では一般的ではない。自動挿入により、再現性が向上し、時間効率も最適化される。

オートサンプラーにはさまざまな種類があります。オートサンプラーは、サンプル容量（オートインジェクターとオートサンプラー。オートインジェクターは少数のサンプルを処理できます）、ロボット技術（XYZロボット^{[ 12 ]}と回転ロボット - 最も一般的）、または分析に関連して分類できます。

• 液体
• シリンジ技術による静的ヘッドスペース
• トランスファーライン技術による動的ヘッドスペース
• 固相マイクロ抽出法（SPME）

カラム入口（またはインジェクター）は、試料を連続的なキャリアガス流に導入するための手段を提供する。入口はカラムヘッドに取り付けられた部品である。

一般的な吸気口の種類は以下のとおりです。

• S/SL（スプリット/スプリットレス）インジェクター – サンプルは、セプタムを通してシリンジで加熱された小型チャンバーに導入されます。加熱により、サンプルとサンプルマトリックスの揮発が促進されます。キャリアガスは、サンプル全体（スプリットレスモード）または一部（スプリットモード）をカラムに送り込みます。スプリットモードでは、注入チャンバー内のサンプル/キャリアガス混合物の一部がスプリットベントから排出されます。スプリット注入は、分析対象物質濃度が高いサンプル（>0.1%）を扱う場合に推奨されますが、スプリットレス注入は、分析対象物質量が少ない（<0.01%）微量分析に最適です。スプリットレスモードでは、スプリットバルブは所定の時間後に開き、システムを汚染する可能性のある重元素をパージします。この所定の（スプリットレス）時間は最適化する必要があります。短い時間（例：0.2分）はテーリングを少なくしますが応答が低下し、長い時間（2分）はテーリングを増加させますがシグナルも増加します。^{[ 13 ]}
• カラム内導入方式 – この方式では、試料は加熱せずに、または溶媒の沸点以下の温度で、カラム全体に直接導入されます。低温により試料は狭いゾーンに凝縮されます。その後、カラムと導入部を加熱することで、試料を気相に放出できます。これにより、クロマトグラフィーに必要な最低温度が確保され、試料が沸点以上で分解するのを防ぎます。
• PTVインジェクター（温度プログラム式試料導入法）は、1979年にVogtによって初めて記述されました。Vogtは当初、キャピラリーGCで大容量試料（最大250μL）を導入する方法としてこの技術を開発しました。Vogtは、制御された注入速度で試料をライナーに導入しました。ライナーの温度は、溶媒の沸点よりわずかに低い温度に設定されました。低沸点溶媒は連続的に蒸発し、スプリットラインを通して排出されました。この技術に基づいて、Poyはプログラム温度式気化インジェクター（PTV）を開発しました。試料を低い初期ライナー温度で導入することで、従来の高温注入法の多くの欠点を回避することができました。
• ガス源入口またはガス切替弁 – 採取ボトル内の気体サンプルは、一般的に6ポート切替弁に接続されます。サンプルを事前に真空引きしたサンプルループに膨張させる間も、キャリアガスの流れは途切れません。切替弁が作動すると、サンプルループの内容物がキャリアガス流に注入されます。
• P/T（パージ・アンド・トラップ）システム – 不活性ガスを水性サンプルにバブリングすることで、マトリックスから不溶性の揮発性化学物質をパージします。揮発性物質は、室温で吸収カラム（トラップまたは濃縮器と呼ばれる）に「トラップ」されます。その後、トラップを加熱し、揮発性物質をキャリアガス流に導入します。前濃縮または精製が必要なサンプルは、通常S/SLポートに接続されたこのようなシステムを介して導入できます。

キャリアガス（移動相）の選択は重要です。水素は、効率の点でヘリウムと同等の流量範囲を有しています。しかし、流量を最適化すれば、ヘリウムの方が効率が高く、より優れた分離が得られる可能性があります。ヘリウムは不燃性であり、より多くの検出器や旧型の機器でも使用できます。そのため、ヘリウムは最も一般的に使用されているキャリアガスです。しかし、近年ヘリウムの価格は大幅に上昇しており、水素ガスに切り替えるクロマトグラファーが増えています。合理的な検討というよりも、過去の使用実績が、ヘリウムの継続的な優先使用に影響を与えている可能性があります。

一般的に使用される検出器は、フレームイオン化検出器（FID）と熱伝導度検出器（TCD）です。TCDは非破壊的であるという利点がありますが、ほとんどの分析対象物に対する検出限界が低いため、広く使用されていません。^{[ 1 ]} FIDは主に炭化水素に感度があり、TCDよりも感度が高いです。^{[ 4 ]} FIDは水や二酸化炭素を検出できないため、環境有機分析対象物の分析に最適です。^{[ 1 ]} FIDはTCDよりも分析対象物の検出感度が2～3倍高いです。^{[ 1 ]}

TCDは、電流が流れるタングステン・レニウムの細いワイヤーの周囲を物質が通過する際の熱伝導率を利用しています。^{[ 4 ]}この構成では、比較的高い熱伝導率を持つヘリウムまたは窒素がキャリアガスとして使用され、フィラメントを冷却し、フィラメントの均一な抵抗率と電気効率を維持します。^{[ 4 ] [ 14 ]}分析対象分子がキャリアガスと混合されてカラムから溶出すると、熱伝導率が低下し、フィラメントの温度と抵抗率が上昇し、電圧の変動が生じ、最終的に検出器の応答を引き起こします。^{[ 4 ] [ 14 ]} 検出器の感度はフィラメント電流に比例し、検出器の周囲の温度とキャリアガスの流量に反比例します。^{[ 4 ]}

フレームイオン化検出器（FID）では、カラム出口付近の水素/空気で燃焼する炎のそばに電極が配置され、炭素含有化合物がカラムから出ると、炎によって熱分解されます。^{[ 4 ] [ 14 ]}この検出器は、炭素が熱分解時に陽イオンと電子を形成し、電極間に電流を発生させる能力があるため、有機/炭化水素含有化合物にのみ有効です。^{[ 4 ] [ 14 ]} 電流の増加は、クロマトグラムのピークとして現れます。FIDは検出限界が低い（数ピコグラム/秒）ですが、カルボニル含有炭素からイオンを生成することはできません。^{[ 4 ]} FIDと互換性のあるキャリアガスには、ヘリウム、水素、窒素、アルゴンなどがあります。^{[ 4 ] [ 14 ]}

FIDでは、検出器に入る前にガス流が改質されることがある。メタン化装置は、一酸化炭素と二酸化炭素をメタンに変換し、検出できるようにする。Activated Research Inc.が開発したポリアークという別の技術は、あらゆる化合物をメタンに変換する。

アルカリ炎検出器（AFD）またはアルカリ炎イオン化検出器（AFID）は、NPDと同様に窒素とリンに対する感度が高い。ただし、アルカリ金属イオンは炎の上にビーズとしてではなく、水素ガスとともに供給される。このため、AFDはNPDの「疲労」の影響を受けず、長期間にわたって一定の感度を提供する。さらに、アルカリイオンが炎に添加されない場合、AFDは標準的なFIDのように動作する。触媒燃焼検出器（CCD）は、可燃性炭化水素と水素を測定する。放電イオン化検出器（DID）は、高電圧の放電を使用してイオンを生成する。

フレーム光度計検出器 (FPD) は、化合物が炎で燃焼されるときに光電子増倍管を使用してスペクトル線を検出します。カラムから溶出する化合物は水素燃料の炎に運ばれ、分子内の特定の元素が励起され、励起された元素 (P、S、ハロゲン、一部の金属) は特定の特性波長の光を放出します。^{[ 14 ]}放出された光はフィルターでろ過され、光電子増倍管によって検出されます。^{[ 4 ] [ 14 ]}特に、リンの発光は 510～536 nm 付近、硫黄の発光は 394 nm です。 ^{[ 4 ] [ 14 ]}原子発光検出器 (AED) では、カラムから溶出するサンプルがマイクロ波によってエネルギーを与えられたチャンバーに入り、プラズマが誘起されます。^{[ 14 ]}プラズマによって分析対象サンプルが分解され、特定の元素が原子発光スペクトルを生成します。^{[ 14 ]}原子発光スペクトルは回折格子によって回折され、一連の光電子増倍管またはフォトダイオードによって検出される。^{[ 14 ]} 

電子捕獲検出器（ECD）は、放射性ベータ粒子（電子）源を使用して電子捕獲の程度を測定します。ECDは、ハロゲン、カルボニル、ニトリル、ニトロ基、有機金属などの電気陰性/吸引性元素および官能基を含む分子の検出に使用されます。^{[ 4 ] [ 14 ]}このタイプの検出器では、窒素またはアルゴン中の5%メタンが移動相キャリアガスとして使用されます。^{[ 4 ] [ 14 ]}キャリアガスは、カラムの端に配置された2つの電極の間を通過し、陰極（負極）の隣には63Niなどの放射性箔があります。^{[ 4 ] [ 14 ]}放射性箔はベータ粒子（電子）を放出し、それがキャリアガスと衝突してイオン化し、より多くのイオンを生成して電流を発生させます。^{[ 4 ] [ 14 ]}電気陰性度/吸引性元素または官能基を持つ分析対象分子が電子を捕捉すると、電流が減少し、検出器の応答が発生します。^{[ 4 ] [ 14 ]}

窒素リン検出器（NPD）は、熱電子検出器の一種であり、窒素とリンが特殊なコーティングを施したビーズの仕事関数を変化させ、その結果生じる電流を測定する。

乾式電解導電率検出器（DELCD）は、空気相と高温（v. Coulsen）を利用して塩素化合物を測定する。

質量分析計（MS）、別名GC-MS。少量のサンプルでも非常に効果的で高感度です。この検出器は、質量スペクトルによってクロマトグラム中の分析対象物を同定するために使用できます。^{[ 15 ]}一部のGC-MSは、バックアップ検出器として機能するNMR分光計に接続されています。この組み合わせはGC-MS-NMRとして知られています。一部のGC-MS-NMRは、バックアップ検出器として機能する赤外分光光度計に接続されています。この組み合わせはGC-MS-NMR-IRとして知られています。ただし、必要な分析のほとんどは純粋にGC-MSによって完了できるため、これは非常にまれであることを強調する必要があります。

真空紫外（VUV）は、ガスクロマトグラフィー検出器における最新の開発成果です。ほとんどの化学種は、 モニターされる約120～240 nmのVUV波長範囲で吸収し、固有の気相吸収断面積を持ちます。分析対象物の吸収断面積が既知であれば、VUV検出器は、化学的干渉がない状態でフローセル内に存在する分子数を（校正なしで）絶対的に決定することができます。^{[ 16 ]}

GC-Oとも呼ばれる嗅覚検出器は、人間の評価者を用いて化合物の臭気活性を分析する。臭気ポートまたは嗅覚ポートを用いることで、化合物の臭気の質、臭気の強度、および臭気活性の持続時間を評価することができる。

その他の検出器には、ホール電解伝導度検出器（ElCD）、ヘリウムイオン化検出器（HID）、赤外線検出器（IRD）、光イオン化検出器（PID）、パルス放電イオン化検出器（PDD）、および熱イオン化検出器（TID）がある。^{[ 17 ]}

一般的なキャリアガスには、ヘリウム、窒素、アルゴン、水素などがあります。^{[ 4 ] [ 1 ]} どのガスを使用するかは、通常、使用する検出器によって決まります。たとえば、DIDではキャリアガスとしてヘリウムが必要です。^{[ 1 ]} ガスサンプルを分析する場合、キャリアはサンプルのマトリックスに基づいて選択されます。たとえば、アルゴン中の混合物を分析する場合、サンプル中のアルゴンはクロマトグラムに現れないため、アルゴンキャリアが好ましいです。安全性と入手可能性もキャリアの選択に影響を与える可能性があります。

キャリアガスの純度は検出器によって決定されることが多いが、必要な感度レベルも重要な役割を果たす。一般的には、99.995%以上の純度が用いられる。現代の機器でほとんどの感度において必要とされる最も一般的な純度グレードは5.0グレード、すなわち純度99.999%であり、これはキャリアガス中の不純物が合計10ppm以下で、これが結果に影響を与える可能性があることを意味する。一般的に使用される最高純度グレードは6.0グレードであるが、一部の法医学および環境アプリケーションで非常に低いレベルの検出が必要とされることから、7.0グレードの純度のキャリアガスが必要とされ、現在では市販されている。一般的な純度の商標名には、「ゼログレード」、「超高純度（UHP）グレード」、「4.5グレード」、「5.0グレード」などがある。

キャリアガスの線速度は、温度と同様に分析に影響を与えます（上記参照）。線速度が高いほど分析は速くなりますが、分析対象物質間の分離度は低くなります。したがって、線速度の選択は、カラム温度の選択と同様に、分離度と分析時間の間の妥協点となります。線速度は、カラムの内径を考慮したキャリアガスの流量によって決定されます。

1990年代以前に製造されたGCでは、キャリア流量はキャリア入口圧力、すなわち「カラムヘッド圧力」を制御することによって間接的に制御されていました。実際の流量は、電子流量計または気泡流量計を用いてカラム出口または検出器で測定され、複雑で時間のかかる、そしてイライラするプロセスでした。分析中に圧力設定を変更することは不可能であったため、分析中は流量はほぼ一定でした。流量と入口圧力の関係は、圧縮性流体に対するポアズイユの式を用いて計算されます。

しかし、最新のガスクロマトグラフ（GC）の多くは、流量を電子的に測定し、キャリアガスの圧力を電子的に制御して流量を設定します。そのため、測定中にキャリアガスの圧力と流量を調整することができ、温度プログラムと同様に圧力／流量プログラムを作成できます。

溶質の極性は固定相の選択に不可欠であり、最適な場合には溶質と同様の極性を持つ固定相が望ましい。オープンチューブラーカラムで一般的に使用される固定相は、シアノプロピルフェニルジメチルポリシロキサン、カルボワックスポリエチレングリコール、ビスシアノプロピルシアノプロピルフェニルポリシロキサン、ジフェニルジメチルポリシロキサンである。充填カラムでは、より多くの選択肢が利用可能である。^{[ 4 ]}

インレットタイプと注入方法の選択は、サンプルが液体、気体、吸着、または固体のいずれの状態であるか、および気化する必要のある溶媒マトリックスが存在するかどうかに依存します。溶解したサンプルは、条件がよくわかっている場合は、COCインジェクターを介してカラムに直接導入できます。溶媒マトリックスを気化して部分的に除去する必要がある場合は、S/SLインジェクターが使用されます（最も一般的な注入方法）。気体サンプル（例：空気ボンベ）は通常、ガス切り替えバルブシステムを使用して注入されます。吸着サンプル（例：吸着チューブ上）は、パージアンドトラップシステムなどの外部（オンラインまたはオフライン）脱着装置を使用して導入されるか、インジェクター内で脱着されます（SPMEアプリケーション）。

カラムの選択は、試料と測定対象物質によって異なります。カラム選択において最も重要な化学的特性は混合物の極性ですが、官能基もカラム選択に大きな影響を与えます。分離能と分解能を高め、分析時間を短縮するためには、試料の極性がカラム固定相の極性とほぼ一致している必要があります。分離能と分析時間は、固定相の膜厚、カラム径、カラム長にも左右されます。

ガスクロマトグラフィー（GC）のカラムはオーブン内に収められており、その温度は電子的に精密に制御されています。（分析者が「カラムの温度」と言う場合、厳密にはカラムオーブンの温度を指しています。ただし、この区別は重要ではないため、本稿では以降、区別しません。）

試料がカラムを通過する速度は、カラムの温度に正比例します。カラムの温度が高いほど、試料はカラム内を速く移動します。しかし、試料の移動速度が速いほど、固定相との相互作用が少なくなり、分析対象物質の分離度は低下します。

一般的に、カラム温度は分析時間と分離レベルのバランスを考慮して選択される。

分析全体を通してカラム温度を一定に保つ方法は「等温法」と呼ばれます。しかし、ほとんどの方法では分析中にカラム温度を上昇させます。初期温度、温度上昇率（温度「ランプ」）、および最終温度は温度プログラムと呼ばれます。

温度プログラムを用いることで、分析の初期段階で溶出する分析対象物を適切に分離できると同時に、後から溶出する分析対象物がカラムを通過する時間を短縮できる。

一般的に、クロマトグラフィーデータは、検出器応答（y軸）と保持時間（x軸）の関係を示すグラフとして表され、これをクロマトグラムと呼びます。クロマトグラムは、試料中に存在する分析対象物質がカラムから異なる時間で溶出する際のピークスペクトルを示します。メソッド条件が一定であれば、保持時間を用いて分析対象物質を特定できます。また、一定条件下ではピークパターンも一定となり、複雑な混合物の分析対象物質を特定することも可能です。しかし、最新のほとんどのアプリケーションでは、GCは質量分析計または同様の検出器に接続され、ピークによって表される分析対象物質を特定できるようになっています。

ピーク下の面積は、クロマトグラム中に存在する分析対象物の量に比例します。積分という数学関数を用いてピークの面積を計算することで、元のサンプル中の分析対象物の濃度を決定できます。濃度は、一連の分析対象物の濃度に対する応答を求めることで作成された検量線を使用するか、分析対象物の相対応答係数を求めることで計算できます。相対応答係数は、分析対象物と内部標準（または外部標準）の期待される比率であり、既知量の分析対象物と一定量の内部標準（分析対象物とは異なる保持時間を持つ、一定濃度でサンプルに添加された化学物質）の応答を求めることで計算されます。

最新のGC-MSシステムのほとんどでは、コンピュータソフトウェアを使用してピークを描画および積分し、MSスペクトルをライブラリスペクトルと照合します。