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ィー質量分析法（GC/MS）

GC/MSは、ガスクロマトグラフィー（GC）の高い分離能力と、質量分析法（MS）の優れた検出・同定能力を組み合わせた強力な分析手法です。気体または加熱により気化可能な様々な成分を含む試料について、まずガスクロマトグラフによって各成分を時間的に分離し、次に分離された個々の成分を質量分析計で検出・同定します。この複合技術は、環境汚染物質のモニタリング、食品中の残留農薬や添加物の分析、法医学分野における薬毒物の検出、香料や医薬品の品質管理など、微量成分の定性・定量分析が求められる幅広い分野で不可欠なツールとなっています。

装置構成

GC/MSシステムは、主に以下の3つの主要な構成要素から成り立っています。

1. ガスクロマトグラフ
2. インターフェース部
3. 質量分析計

ガスクロマトグラフ部

ガスクロマトグラフ部は、試料を導入し、カラムを通して各成分を物理的に分離する役割を担います。単独のGC装置と同様の測定条件（カラムの種類、昇温プログラム、キャリアガスなど）を用いることが可能ですが、質量分析計の検出部が高真空（通常10^-4 Torr以下）を必要とするため、GC部からのキャリアガス流量には制約が生じます。質量分析計側の排気能力に応じて、キャリアガスの流量を調整したり、カラムの長さや内径を制限したりといった配慮が必要です。特に水素をキャリアガスとして使用する場合は、流量の制限がより厳しくなる傾向があります。

インターフェース部

インターフェース部は、ガスクロマトグラフのカラム出口と質量分析計のイオン源を繋ぐ重要な部分です。GC部で分離された成分を、その特性を損なわずに効率よく質量分析計へ導入する役割を果たします。キャピラリーカラムを用いたGC/MSシステムでは、カラム出口をイオン源の直前に直接接続する「直接結合法」が最も一般的に採用されています。この接続方式では、カラム出口が真空に晒されるため、カラムの分離効率がわずかに低下する（例えば約10%程度）という影響があります。かつて用いられたオープンスプリット法やジェットセパレーター法などは、現在主流でない充填カラムとの組み合わせやデッドボリュームの問題から、利用される機会は減少しています。インターフェース部では、GCから溶出した微量な成分が通過する際に、吸着したり分解したりすることがあってはなりません。このため、内部表面は不活性化処理が施され、適切な温度に保つための厳密な温度制御機能が備わっています。通常、インターフェース部の温度は、試料成分の凝縮を防ぎつつ熱分解を避けるため、カラム温度よりもわずかに低く設定されます。

質量分析計部

質量分析計部は、インターフェース部から導入された成分をイオン化し、そのイオンを質量電荷比（m/z）に基づいて分離、検出する心臓部です。

イオン化方法: 質量分析計へ導入された成分は、検出のためにまずイオン化される必要があります。化合物の種類や目的に応じて様々なイオン化法がありますが、GC/MSでは、比較的硬いイオン化法で分子構造に関するフラグメント情報を得やすい「電子イオン化（EI法）」や、分子量の情報を得やすい「化学イオン化（CI法）」が一般的に用いられます。

質量分析計本体: イオン化された分子は、質量分析計の心臓部である質量分離部へと送られます。ここでは、イオンが持つ質量と電荷の比（質量電荷比、m/z）に基づいてイオンを分離し、検出器でイオン電流として測定します。質量分離器には様々な方式があり、最も広く普及している汎用性の高い「四重極型」をはじめ、高分解能な測定が可能な「二重収束型（磁場型）」、イオンを捕捉して質量を測定する「イオントラップ型」、イオンの飛行時間によって質量を決定する「飛行時間型（TOF型）」、極めて高分解能で精密質量測定が可能な「イオンサイクロトロン共鳴型（FT-ICR型）」などがあります。より複雑な試料の分析や高度な構造解析、あるいは特定の微量成分の高感度な定量分析には、質量分析計を複数段組み合わせた「タンデム型GC/MS/MS」も近年利用されています。

得られるデータ

GC/MS分析によって得られる主要なデータはクロマトグラムと質量スペクトルです。

全イオンクロマトグラム（TIC）: 指定した質量範囲に含まれる全てのイオン電流を合計して、時間の経過とともに記録したものです。これはGC単独で得られるクロマトグラムに相当し、試料中の各成分がいつ溶出してきたか、その相対的な量を示す全体像を把握するのに役立ちます。

選択イオン検出法（SIM）クロマトグラム: 一方、特定の質量電荷比（m/z値）を持つイオンのみを選択的にモニターし、記録したクロマトグラムです。この方法を用いると、目的成分に対応する特定のイオンを高い選択性で追跡できるため、複雑なマトリックス中の微量成分を非常に高い感度で検出および定量することが可能です。

GC/MSは、分離と検出・同定を同時に行えることから、未知成分の検索や構造解析、既知成分の高感度定量など、幅広い分析目的に対応できる強力な分析ツールとして、現代の化学分析において欠かせない存在となっています。

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