ガスクロマトグラフィーとは
ガスクロマトグラフィー（GC）は、サンプル混合物の化学成分を分離し、それらを検出して、それらの有無および/または存在量を決定します。これらの化学成分は通常、有機分子またはガスです。 GCが分析に成功するには、これらのコンポーネントが揮発性であり、通常は分子量が1250 Da未満であり、GCシステムで劣化しないように熱的に安定している必要があります。 GCは、ほとんどの業界で広く使用されている手法です。自動車から化学薬品、医薬品に至るまで、多くの製品の品質管理に使用されます。隕石の分析から天然物までの研究目的のため。そして環境から食品そして法医学までの安全のために。ガスクロマトグラフは、化学成分の識別を可能にするために、質量分析計（GC-MS）と頻繁にハイフンでつながれています。
ガスクロマトグラフィーはどのように機能しますか？
名前が示すように、GCは分離にキャリアガスを使用します。これはモバイルの役割を果たします。フェーズ（図1（1））。キャリアガスは、理想的にはサンプルと反応したり、機器のコンポーネントを損傷したりすることなく、GCシステムを介してサンプル分子を輸送します。
サンプルは、最初にガスクロマトグラフ（GC）に導入されます。シリンジまたはオートサンプラー（図1（2））から転送され、固体または液体のサンプルマトリックスから化学成分を抽出することもできます。サンプルは、移動相を失うことなくサンプル混合物の注入を可能にするセプタムを介してGC注入口（図1（3））に注入されます。注入口に接続されているのは、分析カラム（図1（4））、長い（10 – 150 m）、狭い（0.1 – 0.53 mm内径）溶融石英または金属管で、内壁に固定相がコーティングされています。分析カラムは、揮発性の低い成分を溶出するために分析中に加熱されるカラムオーブンに保持されます。カラムの出口は検出器に挿入され（図1（5））、検出器はカラムから溶出する化学成分に応答してシグナルを生成します。信号は、コンピュータの取得ソフトウェアによって記録され、クロマトグラムが生成されます（図1（6））。
図1：ガスクロマトグラフの簡略図。（1 ）キャリアガス、（2）オートサンプラ、（3）注入口、（4）分析カラム、（5）検出器、（6）PC。クレジット：AnthiasConsulting。
GC注入口に注入した後、サンプル混合物の化学成分は、まだ気相になっていない場合は、最初に気化されます。低濃度サンプルの場合、蒸気雲全体が、スプリットレスモードと呼ばれるキャリアガスによって分析カラムに移送されます。高濃度サンプルの場合、サンプルの一部のみがスプリットモードで分析カラムに転送され、残りは分析カラムの過負荷を防ぐためにスプリットラインを介してシステムからフラッシュされます。
分析カラムでは、サンプル成分は固定相とのさまざまな相互作用によって分離されます。したがって、使用するカラムのタイプを選択するときは、分析対象物の揮発性と官能基を考慮して、固定相に一致させる必要があります。液体固定相は主に2つのタイプに分類されます。ポリエチレングリコール（PEG）またはポリジメチルシロキサン（PDMS）ベースで、後者はジメチル、ジフェニル、または中極性官能基、たとえばシアノプロピルフェニルの割合が異なります。同様に、のように分離するため、ジメチルまたは低パーセンテージのジフェニルを含む非極性カラムは、非極性分析対象物の分離に適しています。 π-π相互作用が可能な分子は、フェニル基を含む固定相で分離できます。酸やアルコールなどの水素結合が可能なものは、極性を下げるために誘導体化を行っていない限り、PEGカラムで分離するのが最適です。
最後のステップは分析対象分子の検出です。それらがカラムから溶出するとき。 GC検出器には多くの種類があります。たとえば、水素炎イオン化検出器（FID）のようにC-H結合に応答するものです。硫黄、窒素、リンなどの特定の元素に反応するもの。電子捕獲型検出器（ECD）で使用される、電子を捕獲する能力など、分子の特定の特性に応答するもの。
質量の追加分光分析からガスクロマトグラフィー（GC-MS）
質量分析（MS）は、GCにハイフンでつなぎ、GC検出器の代わりに使用できる分析手法です。中性分子は分析カラムから溶出し、イオン源でイオン化されて分子イオンを生成します。分子イオンは分解してフラグメントイオンになります。次に、フラグメントと分子イオンは、質量電荷比（m / z）によって質量分析計で分離され、検出されます。GC-MSからのデータは3次元であり、同定の確認、未知の分析対象物の同定、分子の構造的および化学的特性の決定に使用できる質量スペクトル、および定性的および定量的分析に使用できるクロマトグラムを提供します。
クロマトグラムをどのように読み取り、それから何がわかりますか？
図2：GCまたはGCからのクロマトグラム出力-MS。クレジット：AnthiasConsulting。
GCまたはGC-MSシステムの状態に関するクロマトグラム、および定性分析または定量分析を実行するために必要なデータから、多くの情報を得ることができます。
x軸は、サンプルがGCに注入されてから（t0）、GC分析が終了するまでの保持時間です。各分析対象物のピークには、ピークの頂点から測定された保持時間があります（例：tR）。 y軸は、検出器内の分析対象物のピークの測定された応答です。ベースラインは、分析対象物がカラムから溶出していない場合、または検出限界を下回っている場合の検出器からのシグナルを示しています。ベースライン応答は、電気的ノイズ（通常は低い）と化学的ノイズ（キャリアガス中の不純物、カラム固定相ブリード、システム汚染など）の混合です。したがって、ベースラインが本来よりも高い場合は、問題があるか、メンテナンスが必要であることを示しています。ベースラインでの幅、半分の高さでの幅、全高、面積など、さまざまな測定値をピークから取得できます。後者の2つは濃度に比例しますが、バンドの広がりによる影響が少ないため、定量に使用される領域です。測定値は、バンドの広がりの程度、カラム上の分析対象物分子の広がりを計算するために使用できます。狭くて鋭いピークは、感度（信号対雑音比）と分解能（ピーク分離）を向上させます。示されているピークはガウス分布ですが、ピークテーリング（ピークの右側が広い）はシステムのアクティビティまたはデッドボリュームを示し、ピークフロンティング（ピークの左側が広い）はカラムが過負荷であることを示します。正確な測定は、ピーク全体のデータポイントの数に影響され、理想的な数は15〜25です。少なすぎると、ピークが子供の点つなぎの描画のように見え、ピーク面積、分解能、およびGC-MSではデコンボリューションに影響します。多すぎると信号対雑音比が低下し、感度が低下します。 GC-MSデータの場合、各データポイントは、データの3番目の次元であるマススペクトルです。
ガスクロマトグラフィーを複数の次元に変換する
他のデータとの比較分離技術であるGCは、何百もの化合物を分離する能力を備えた高いピークキャパシティを備えています。ただし、何千ものピークを分離する必要がある一部のアプリケーションでは、それらすべてをクロマトグラフィーで分離するのに十分な理論段数がありません。例としては、ディーゼルの分析や、環境、生物学、食品サンプルなどの複雑なマトリックスで微量分析物を検出する必要がある場合があります。 MSがGCにハイフンでつながれるスペクトル分離により、完全なクロマトグラフィー分離なしで分析を実行できますが、これを完全に成功させるには、共溶出するピークのスペクトルが異なる必要があります。
ハートカットカラムを選択してピークの大部分を分離し、共溶出するピークのいくつかのグループを「カット」して、異なる固定相と選択性を含む2番目のカラムに移す場合に便利です。分析では数カットしか移せません。 、したがって、問題の分離がいくつかある場合にのみ使用できます。
図3：分離されたさまざまな化学クラスを示すディーゼルのGC xGCコンタープロット。1次元カラムは非-極性および2次元カラムは中極性です。クレジット：AnthiasConsulting。
共溶出が頻繁に発生する複雑なサンプルには、包括的な2次元クロマトグラフィー（GC x GC）が使用されます。2カラム、異なる固定相を含み、したがって異なる分離メカニズムは、直列に設定されています。 「通常の」セットアップは、ディーゼルの分析用に、図3に示すように、1次元の非極性カラムと、それに続く2次元のより極性の高いカラムです。2つのカラムの間に変調器を使用して、最初のカラムと狭いサンプルバンドで2番目のカラムに再注入します。熱変調器は温度を使用してこれを実現し、分子をトラップして放出します。フロー変調器は廃液を収集し、分子を圧縮して2番目のカラムにフラッシュします。 、通常は1〜10秒ごと。2番目のカラムでの分離は、次のカットを導入する前に行う必要があります。この高速分離は、通常、熱で使用される内径0.1 mmの短くて狭い2番目のカラムを使用して実現されます。モジュレーター;またはフローモジュレーターで使用される、通常は内径0.25mmの短くて幅の広い2番目のカラム。GC x GCのピークは35ミリ秒まで非常に狭いため、十分なデータポイントを取得するには、高速GC検出器または高取得率の質量分析計> 100Hzを使用する必要があります。
ガスクロマトグラフィーの長所と限界
GCは、ほとんどの業界で広く使用されている手法です。これは、固体から気体まで、さまざまなマトリックス中の数から数百（またはGC x GCでは数千）の化合物の分析に至るまでの日常的な分析に使用されます。これは堅牢な手法であり、質量分析を含む他の手法と簡単にハイフンでつながれます。
GCは、ヘリウム/水素から分子量約1250uまでの揮発性化合物の分析に限定されています。熱に不安定な化合物は高温のGCで分解する可能性があるため、これを最小限に抑えるために低温注入技術と低温を使用する必要があります。より極性の高い分析対象物がGCでスタックしたり失われたりする可能性があるため、システムを非アクティブ化して適切に保守するか、これらの分析対象物を誘導体化する必要があります。
ガスクロマトグラフィーの一般的な問題
GCで最も一般的な問題はリークです。移動相はガスであり、システム全体を流れるため、部品と消耗品を正しく設置するとともに、定期的なリークチェックを行うことが重要です。
極性の高い分析対象物、特にトレースレベル。ガラスライナーとカラムのシラノール基、およびシステム内の汚れの蓄積は、テーリングピーク、不可逆的な吸着、または触媒破壊を引き起こす可能性があります。注入口は、サンプルが注入され、気化され、GCカラムに移されるため、ほとんどの問題を引き起こす領域です。したがって、機器をトラブルのない状態に保つには、適切な消耗品（たとえば、非アクティブ化された注入口ライナー）を使用するとともに、定期的な注入口のメンテナンスが重要です。