ガスクロマトグラフィー–質量分析法

ガスクロマトグラフ質量分析(GC-MS)は、気液クロマトグラフ(GC)と質量分析(MS)の特徴を組み合わせたものです。これにより、試験サンプル内の異なる物質を識別することが可能になります。GC-MS に多くの使用が薬物検出、火気調査、環境分析および爆発物の調査を含んでいます。それはまた未知のサンプルを識別するのに使用することができます。GC-MSはまた、荷物や人間に付着した物質を検出するために空港のセキュリティで使用することができます。また、他の検査では検出できないほど試料がバラバラになってしまった後でも、劣化した物質中の微量元素を特定することができます。

GC-MSは特定の検査であるため、法医学の専門家が物質を特定するための最良の方法です。特定のテストは、与えられたサンプル中の特定の物質の実際の存在を肯定的に識別します。非特異的な検査は、物質のカテゴリーがサンプルにあるというだけです。非特異的検査は、統計的に物質の同一性を示唆することができますが、これは誤認識につながる可能性があります。

GC-MS装置の例Zoom
GC-MS装置の例

歴史

気液クロマトグラフィーに関する最初の研究論文は1950年に発表されました。化学者たちは、クロマトグラフの端から化合物が流れ出ていることを確認するために、さまざまな検出器を使用していました。ほとんどの検出器は、化合物を燃やしたりイオン化したりして、化合物を破壊してしまいました。これらの検出器は、化学者にサンプル中の各化合物の正確な同一性を推測させていました。1950年代には、ローランドGohlkeとフレッドMcLaffertyは、新しい複合機を開発しました。彼らはガスクロマトグラフィーの検出器として質量分析計を使用しました。これらの初期の装置は、大きくて壊れやすく、もともと実験室での使用に限定されていました。

設計が複雑だった。異なる化合物がクロマトグラフから流出するまでの時間間隔を制御するのは困難でした。そのため、質量分析計は次の化合物がクロマトグラフから流れ出る前に、ある化合物の処理を終えなければなりませんでした。初期のモデルでは、質量分析計の測定値はグラフ紙に記録されていました。高度な訓練を受けた化学者が、各化合物を識別するためにピークのパターンを研究しました。1970年代には、アナログ-デジタル変換器が質量分析計に追加されました。これにより、コンピュータが結果を保存し、解釈することができるようになりました。コンピュータの高速化と小型化に伴い、GC-MSは高速化し、研究室から日常生活にまで普及しました。今日では、コンピュータ化されたGC-MS装置は、、空気、土壌の環境モニタリングに広く利用されています。また、農業の規制や食品の安全性、医薬品の発見や生産にも利用されています。

小型コンピュータの開発により、GC-MS装置の簡素化が図られました。また、試料の分析にかかる時間も大幅に短縮されました。エレクトロニック・アソシエイツ社(Electronic Associates, Inc.(EAI)は、アナログコンピュータの米国大手サプライヤーでした。1964年、EAIはRobert E. Finniganの指揮の下、コンピュータ制御の質量分析計の開発を開始しました。1966年までに500台以上のガス分析装置が販売されました。1967年、Finnigan Instrument Corporation (FIC) が設立されました。1968年初頭には、スタンフォード大学とパデュー大学に最初のプロトタイプの四重極型GC-MS装置を納入しました。FICは最終的にFinnigan Corporationに社名を変更し、GC-MSシステムの世界的リーダーとしての地位を確立しました。

基本操作

GC-MSは、試料中に混合されたすべての化合物を検出することができます。操作者はサンプルを液体に溶かします。次に、操作者は液体をガスの流れに注入します(ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガスが最もよく使用されます)。ヘリウム水素または窒素ガスが最もよく使用されます)ガスは、特殊なコーティングが施されたチューブを流れます。サンプル中の各化合物は異なる方法でコーティングに付着するため、各化合物は異なる時間にチューブから出てきます。そのため、コーティングは、サンプル中で一緒に混合された各化合物を分離するために使用されます。各化合物がチューブの端に出てくると、イオン化されて電荷を得ます。ほとんどの化合物は、イオン化されると分解します。別の作品は、その重量と電荷に基づいて作品を分離する磁石の下に飛ぶ。その後、コンピュータは、各化合物のすべての部分を測定します。既知の化合物のコンピュータライブラリに対する測定値を比較することにより、コンピュータは、サンプル内の化合物のすべての名前のリストを作成します。また、コンピュータは、各化合物が試料中にどのくらい含まれていたかを知ることができます。

計装

GC-MSは、ガスクロマトグラフと質量分析計の2つの主要な構成要素で構成されています。ガスクロマトグラフはキャピラリーカラムを使用しますが、これはカラムの寸法(長さ、直径、膜厚)や相の性質(例:5%フェニルポリシロキサン)によって異なります。混合物中の異なる分子間の化学的性質の違いにより、試料がカラムの長さを移動する際に分子が分離します。分子は、ガスクロマトグラフから出てくる(溶出する)までに異なる時間(保持時間と呼ばれる)を要します。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フラグメントに分解し、その質量と電荷の比を用いてこれらのフラグメントを検出することでこれを行います。

この2つの装置を併用することで、どちらか一方を単独で使用するよりもはるかに高い精度で物質の同定を行うことができます。ガスクロマトグラフィーや質量分析だけでは、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となります。従来、ガスクロマトグラフィーでは、炎イオン化検出器などの他の検出器を使用していました。これらの検出器は、たまたまカラムを通過するのに同じ時間を要する異なる分子を分離することができません。(2つの異なる分子が同じ保持時間を持つ場合、それらは"共溶出"と言われています)。共溶出した分子は、両方の分子の単一のマススペクトルを読み取るコンピュータプログラムを混乱させてしまいます。

2つの異なる分子が、質量分析計(マススペクトル)でイオン化されたフラグメントの類似したパターンを持つこともあります。この2つのプロセスを組み合わせることで、誤差の可能性を減らすことができます。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ことは極めて稀です。したがって、質量スペクトルが目的の分析物と一致した場合、そのスペクトルの保持時間を特徴的なGCの保持時間と照合することで、分析物がサンプル中にあることの信頼性を高めることができます。

質量分析計の検出器の種類

GC に関連する MS の最も一般的なタイプは、四重極型質量分析計です。Hewlett-Packard (現Agilent) は、「Mass Selective Detector」 (MSD) という商品名で販売しています。もう一つの比較的一般的な検出器は、イオントラップ型質量分析計です。さらに、磁気セクター型質量分析計もあります。しかし、これらの装置は高価でかさばるため、一般的にハイスループットのサービスラボでは見られません。その他の検出器としては、飛行時間(TOF)、タンデム四重極(MS-MS)(下記参照)、イオントラップMSnの場合などがあります。nは質量分析のステージ数を示す。

GC-MS の模式図Zoom
GC-MS の模式図

GC-MSの内部、右のオーブンの中のガスクロマトグラフのカラム。Zoom
GC-MSの内部、右のオーブンの中のガスクロマトグラフのカラム。

分析

質量分析計は通常、2つの方法のいずれかで使用されます。フルスキャンまたは選択的イオンモニタリング(SIM)です。典型的なGC-MSは、どちらの方法でも単独で、または両方を同時に使用することができます。

フルスキャンMS

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を選択し、装置のメソッドに入れます。モニターする質量フラグメントの典型的な広い範囲の例としては、m/z 50からm/z 400が挙げられます。どの範囲を使用するかの決定は、溶媒や他の可能性のある干渉を意識しながら、サンプルに何を期待するかによって大きく決まります。MSが非常に低いm/zの質量フラグメントを探している場合、空気や他の可能性のある干渉因子を検出することがあります。大きなスキャンレンジを使用すると、装置の感度が低下します。各スキャンにはより広い範囲の質量フラグメントを検出するために多くの時間がかかるため、装置は1秒あたりのスキャン回数を少なくします。

フルスキャンは、サンプル中の未知の化合物を決定するのに役立ちます。サンプル中の化合物を確認したり、解決したりする際には、SIMよりも多くの情報を提供します。ほとんどの装置は、"装置法"と呼ばれるコンピュータプログラムを操作するコンピュータによって制御されています。装置法は、GC内の温度、MSスキャンレート、検出されるフラグメントサイズの範囲を制御します。化学者が装置法を開発しているとき、化学者はフルスキャンモードでGS-MSに試験溶液を送ります。これは、SIM装置法に移行する前に、GCの保持時間と質量フラグメントフィンガープリントをチェックします。爆発物検出器のような特殊なGC-MS装置には、工場で装置メソッドがプリロードされています。

選択されたイオンモニタリング

選択イオンモニタリング(SIM)では、装置の方法は特定のイオンフラグメントに焦点を当てています。それらの質量フラグメントのみが質量分析計によって検出されます。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)しか見ないため、検出限界が低いことです。より多くのスキャンを毎秒行うことができます。興味のある少数の質量フラグメントだけをモニターしているので、マトリックスの干渉は一般的に低くなります。陽性結果を正しく読み取る可能性を高めるために、様々な質量フラグメントのイオン比は既知の標準物質に匹敵します。

イオン化の種類

分子はカラムの長さを移動し、トランスファーラインを通過して質量分析計に入った後、様々な方法でイオン化されます。通常、イオン化方法は1つだけです。試料が断片化されると、通常は電子増倍管ダイオードによって検出されます。ダイオードは、イオン化された質量フラグメントを検出される電気信号のように扱います。

化学者は、フルスキャンまたはSIMモニタリングの選択とは別に、イオン化技術を選択します。

電子イオン化

最も一般的なイオン化のタイプは、電子イオン化(EI)です。分子はMS(イオントラップMSではソースは四重極またはイオントラップ自体)に入り、フィラメントから放出された自由電子で叩きつけられます。これは、標準的な白熱電球に見られるフィラメントのようなものです。電子が分子に当たることで、分子が特徴的な方法で断片化し、それを繰り返すことができます。この「ハードイオン化」技術は、電荷比(m/z)の低い質量のフラグメントをより多く生成することにつながります。EIでは、元の分子の質量に近い質量を持つフラグメントは、あるとしてもほとんどありません。化学者は、ハードイオン化とは、試料分子に電子を発射することだと考えています。対照的に、「ソフトイオン化」とは、導入されたガスを試料分子に当てることで、試料分子に電荷を与えることです。分子の断片化パターンは、システムに適用される電子エネルギーに依存し、通常は70 eV(電子ボルト)です。70 eVの使用は、試験サンプルから生成されたスペクトルを既知のライブラリスペクトルと比較するのに役立つ。ライブラリスペクトルは、メーカーが提供するソフトウェア、または米国国立標準研究所(NIST-USA)が開発したソフトウェアから入手することができます)。ソフトウェアは、確率ベースマッチングやドットプロダクトマッチングなどのマッチングアルゴリズムを使用してライブラリスペクトルを検索します。現在、多くのメソッド標準化機関が、これらのアルゴリズムやメソッドの客観性を保証するために、これらのアルゴリズムやメソッドを管理しています。

化学イオン化

化学イオン化(CI)では、試薬ガス、典型的にはメタンやアンモニアを質量分析計に投入します。CIには、正のCIと負のCIの2種類があります。いずれにしても、試薬ガスは電子や分析物と相互作用し、目的の分子の「ソフト」イオン化を引き起こします。柔らかいイオン化はEIの硬いイオン化よりも低い程度に分子を断片化します。化学者はEIよりもCIを好みます。これは、CIが、目的の分析物の分子量とほぼ同じ質量のフラグメントを少なくとも1つ生成するからです。

ポジティブ化学イオン化

陽性化学イオン化(PCI)では、試薬ガスは標的分子と相互作用します。これにより、比較的大量のイオン種が生成されます。

負の化学イオン化

負の化学イオン化(NCI)では、試薬ガスは、ターゲットの分析対象物の自由電子の影響を減少させます。この減少したエネルギーは、通常、フラグメントを大量に残します。(フラグメントはそれ以上分解しません)。

解釈

装置分析の第一の目的は、物質の量を測定することです。これは、生成されたマススペクトル中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。分析には、比較分析とオリジナル分析の2種類があります。比較分析では、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、ライブラリ内の既知の試料に対してその特性が存在するかどうかを確認します。スケールのばらつきにより視覚的な歪みが生じることがあるため、これはコンピュータで行うのが最適です。コンピュータはまた、特定のデータをより正確に関連付けるために、より多くのデータ(GCによって特定された保持時間など)を相関させることができます。

もう一つの分析方法は、ピークを互いに関連させて測定する方法です。この方法では、最も高いピークは100%に設定されています。背の高いピークの高さにピークの高さの比率に等しい値を与えられた他のピーク。3%以上のすべての値が割り当てられます。未知の化合物の全質量は、通常、親ピークによって示される。この親ピークの値は、化合物にあると考えられる様々な元素を含む化学式に適合するために使用することができます。スペクトル中の同位体パターンは、多くの同位体を有する元素に特有のものである。したがって、それはまた、存在する様々な元素を識別するために使用することができます。これは、未知の分子の全体的な化学式を物語っています。分子の構造や結合が特徴的な形で分裂しているので、ピーク質量の違いから同定することができます。同定された分子構造は、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、この同定は装置に付属のコンピュータプログラムによって自動的に行われます。これらのプログラムは、サンプル中に存在する可能性のある元素の同じリストを持つ既知の化合物のライブラリに対してスペクトルを一致させます。

フルスペクトル」分析は、スペクトル内のすべての「ピーク」を考慮します。しかし、選択的イオンモニタリング(SIM)は、特定の物質に関連する選択されたピークのみをモニターします。化学者は、ある一定の保持時間で、イオンのセットが特定の化合物の特徴であると仮定しています。SIMは高速で効率的な分析です。SIMは、分析者がサンプルに関する以前の情報を持っている場合や、いくつかの特定の物質だけを探している場合に最適です。特定のガスクロマトグラフィピークに含まれるイオンについて収集された情報量が減少すると、分析の感度が向上します。そのため、SIM分析では、より少ない量の化合物を検出して測定することができます。しかし、その化合物の同一性に関する確実性の度合いは低下する。

GCタンデムMS

質量分析の第二相を追加する場合、例えば四重極装置の第二四重極を使用する場合、タンデムMS(MS/MS)と呼ばれます。MS/MSは、関心のないバックグラウンド化合物のマトリックスを持つサンプル中の低レベルの標的化合物を測定するのに適しています。

第1の四重極(Q1)はコリジョンセル(q2)と別の四重極(Q3)に接続されています。両方の四重極は、使用するMS/MS分析のタイプに応じて、スキャンモードまたはスタティックモードで使用することができます。分析のタイプには、生成物イオンスキャン、前駆体イオンスキャン、選択反応モニタリング(SRM)、およびニュートラルロススキャンが含まれる。例えば、以下のようなものがあります。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」とも呼ばれる)が得られます。このスペクトルから、選択された前駆体イオンの積イオンとなり得る顕著な積イオンを選択することができる。このペアは「遷移」と呼ばれ、SRMの基礎となります。SRMは非常に特異性が高く、マトリックスのバックグラウンドをほとんど完全に排除します。

アプリケーション

環境モニタリングと清掃

多くの化学者は、GC-MSが環境中の有機汚染物質のモニタリングに最適なツールであると考えています。GC-MS装置のコストは大幅に減少しています。GC-MSの信頼性も同時に向上しています。この両方の改善により、環境研究での利用が増えています。一部の農薬や除草剤のように、GS-MSでは同定できない化合物があります。これらの化合物は、他の関連化合物と類似しすぎているからです。しかし、多くの主要なクラスの農薬を含む環境試料のほとんどの有機分析では、GC-MSは非常に感度が高く、効果的です。

犯罪科学捜査

GC-MSは、犯罪と犯罪を結びつけるために、人体の粒子を分析することができます。法律は、火の粉を分析するためにGC-MSを使用することを受け入れています。実際、米国試験材料協会(ASTM)は、火災がれき分析のための標準を持っています。GCMS/MSは、サンプルには非常に複雑なマトリックスが含まれていることが多く、法廷で使用される結果は非常に正確である必要があるため、ここでは特に有用です。

法の執行

GC-MSは違法な麻薬の検出に使用され、最終的には麻薬探知犬に取って代わる可能性があります。また、法医学的毒物学でも一般的に使用されています。それは、容疑者、犠牲者、または死体から採取された生物学的標本の薬物および/または毒物を見つけるのに役立ちます。

セキュリティ

2001 年 9 月 11 日のテロ攻撃の後で、爆発物検出システムはすべての米国の空港の一部となった。これらのシステムは、GC-MSに基づいてそれらの多くの技術のホスト上で実行されます。これらのシステムを提供するためにFAAによって証明される3つの製造業者がある。1つ目はThermo Detection(旧Thermedics)で、EGIS、GC-MSベースの爆発物検出器のラインを製造しています。2つ目はBarringer Technologies社で、現在はSmith's Detection Systems社が所有しています。3番目は、Ion Track Instruments(General Electric Infrastructure Security Systemsの一部)です。

食品、飲料、香水の分析

食品や飲料には多くの芳香族化合物が含まれており、その中には原料中に自然に存在するものもあれば、加工中に生成するものもあります。GC-MSは、エステル類、脂肪酸アルコール類アルデヒド類、テルペン類などを含むこれらの化合物の分析に広く使用されています。また、有害な可能性のある腐敗や不純物からの汚染物質の検出と測定にも使用されています。汚染物質は、多くの場合、例えば農薬などの政府機関によって管理されています。

天体化学

いくつかのGC-MSが地球を去った。2台はバイキング計画火星に行った。Venera 11と12とPioneer Venusは、GC-MSで金星の大気を分析した。カッシーニ・ホイヘンス計画ホイヘンス探査機は、土星最大の月であるタイタンにGC-MSを1台着陸させた。彗星67P/Churyumov-Gerasimenkoの物質は、2014年にロゼッタミッションでキラルGC-MSを用いて分析される予定である。

医学

GC-MSは新生児スクリーニング検査に使用されています。この検査では、先天性代謝疾患(先天性代謝異常とも呼ばれる)を何十種類も見つけることができます。GC-MSは、尿中の化合物を微量でも測定することができます。これらの化合物は通常は存在しませんが、代謝異常に悩まされている人に多く見られます。これは、より早い診断と治療の開始のために、IEMを診断するための一般的な方法になりつつあります。これは最終的にはより良い結果につながります。GC-MSに基づく出生時の尿検査により、新生児の100種類以上の遺伝性代謝障害の検査が可能になりました。

代謝化合物の同位体標識と組み合わせて、GC-MSは代謝活性の測定に用いられます。ほとんどのアプリケーションは、13Cを標識として使用し、同位体比質量分析計IRMS)を用いた13C-12C比の測定に基づいています。IRMSは、いくつかの選択したイオンを測定し、比率として値を返すように設計された検出器を備えた質量分析計です。

質問と回答

Q:ガスクロマトグラフィー質量分析計(GC-MS)とは何ですか?


A:ガスクロマトグラフィー質量分析法(GC-MS)は、気液クロマトグラフィー(GC)と質量分析(MS)を組み合わせて、試料中の異なる物質を識別する技術です。

Q: GC-MSにはどのような用途がありますか?


A: GC-MSは、薬物検出、火災調査、環境分析、爆発物調査など、多くの用途に使用されています。また、未知のサンプルの同定にも使用できます。

Q: GC-MSは空港のセキュリティに使用できますか?


A:はい、GC-MSは空港のセキュリティにおいて、荷物や人体に付着した物質を検出するために使用することができます。

Q:法医学でGC-MSを使うメリットは何ですか?


A: GC-MSは、法医学の専門家が物質を特定するための最良の方法です。特異的な検査は、与えられたサンプルに特定の物質が実際に存在することを積極的に特定するものです。

Q: 特異的検査と非特異的検査の違いは何ですか?


A: 特異的検査は、与えられたサンプルに特定の物質が実際に存在することを積極的に特定しますが、非特異的検査は、サンプルの中に物質のカテゴリーが存在することを示すだけです。

Q: GC-MSは劣化した材料に含まれる微量元素を特定できますか?


A:はい、GC-MSは、他の検査ができないほど試料が崩壊した後でも、劣化した物質中の微量元素を識別することができます。

Q:物質同定に非特異的な検査を用いた場合のリスクは?


A: 非特異的な検査は統計的に物質の同一性を示唆する可能性がありますが、これは偽陽性の同定につながる可能性があります。

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3