化学徒の備忘録

化学系の用語や論文をわかりやすく紹介していきます

ガスクロマトグラフィー (GC)とカラム・検出器 (TCD・FID・FPD・ECD) について

ガスクロマトグラフィーとは

移動相に気体 (キャリアーガス) を用いるカラムクロマトグラフィーをガスクロマトグラフィー (GC) という。

ガスクロマトグラフィーは、一定流量のキャリアーガス流中に試料を注入し、注入された試料成分は気化してカラムに運ばれ、分離され、下流に設置された検出器で検出される。よって、分析する対象物質は操作温度で安定な気体になる物質である。

気化しにくい物質を測定する場合は、誘導体化によって気化する物質に変換してから測定を行う。

ガスクロマトグラフィーは分解能が高く、高感度、比較的短時間で測定ができるため、幅広く利用されている。

ガスクロマトグラフィーは、キャリアーガスと試料注入部、分離カラム、検出器、データ処理部で構成される。

キャリアーガスについて

キャリアーガスは、不活性なヘリウムや窒素が利用される。

試料注入部について

試料注入部はカラムによって、多少異なる。

充填カラムでは、試料はシリンジなどを使って、注入口に取り付けられたシリコンセプタムを通して試料気化室に注入される。試料注入部での拡散が少ないほど、クロマトグラムは良くなる。

キャピラリーカラムでは、バンド幅がシャープなピークを得るために、注入した試料をスプリッターで分割して、一部だけをカラムに導入するスプリット法がよく用いられる。試料成分が低濃度の場合には、全量を注入するスプリットレス注入法も用いられる。

ガスクロマトグラフィーでは、一般的に気化室の温度はカラム温度よりも20 ~ 30 ℃高く設定している。

カラムについて

充填カラムは、内径1 ~ 4 mm、長さ1 ~ 5 mのステンレスやガラス管に固定相となる充填剤が詰められている。

キャピラリーカラムは、内径0.1 ~ 0.5 mm、長さ10 ~ 60 mの溶融シリカキャピラリー内壁に固定相液体を保持させ、内部は中空となっている。

ガスクロマトグラフィー分析では、試料成分の極性に応じて、固定相や液体を選ぶ。

極性成分を分析する場合は極性の高い液相、非極性成分の分析には低極性液相、中極性や極性が異なる成分の混合試料では、それと同じ液相を使用する。これは化合物の同定が容易になるなどの利点がある。

一般的に、キャピラリーカラムは充填カラムと比べると数十倍高い分解能をもっているが、カラムに導入できる試料量は、キャピラリーカラムは充填カラムの数百分の一程度である。

検出器について

検出器は検出する方法がいくつかある。

熱伝導検出器 (TCD)

熱伝導検出器 (thermal conductivity detector, TCD) はタングステンフィラメントなどの、温度によって電気抵抗が変化する感熱素子が、温度制御された金属ブロック中のキャリアーガス流路に組み込まれており、このフィラメントを直流電流で加熱し、一方にはカラムから出てきたキャリアーガス、他方には試料成分を含まないキャリアーガスと同一のガスを流し、両フィラメントの電気抵抗の変化を電位差に変換することで、試料成分を検出する。

水素炎イオン化検出器 (FID)

水素炎イオン化検出器 (flame ionization detector, FID) は、有機化合物を酸化炎中で燃焼させたときに生じるイオン性の燃焼物を電極で捕捉することで試料成分を検出する。FIDの応答は、検出器に導入された水素と空気の酸化炎中でキャリアーガス中の試料成分を燃焼させることで生じる。

汎用性の高いGC検出器である。

炎光光度検出器 (FPD)

炎光光度検出器 (flame photometric detector, FPD) は、リンや硫黄を含む化合物を還元炎中で燃焼させたときに生じる特有の炎光を、光学フィルターで分光し、その強度を光電子増倍管で測定することで、リンや硫黄化合物を選択的に検出する。

電子捕捉型検出器 (ECD)

電子捕捉型検出器 (electron capture detector, ECD) は、電子親和力の大きい有機ハロゲン化合物の超高感度検出に用いられる。キャリアーガスやメイクアップガスとして窒素ガスやメタンを含むアルゴンガスなどが使用される。これらの気体は63Niからのβ線によってイオン化し陽イオンと電子を生成する。このとき電極には定常電流が流れており、カラムから流出してきた電子親和力の大きい成分は電子を捕捉して陰イオンとなる。さらに、この陰イオンは先に生じていた陽イオンと結合して消滅するので、定常電流を減少させる。この減少分を測定することで、親電子性物質を選択的に検出できる。