ガスクロマトグラフィー

Fast GC

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Fast GCの実用と理論

はじめに

ガスクロマトグラフィー(GC)システムの機能は、最短時間でサンプル成分の分離に必要な最適条件を備えることです。従来のGCメソッドは、基本的に長さ30 m、内径0.25 mmのキャピラリーカラムを使用します。
これらの確立したメソッドは実効性のある成果を生みますが、時間的コスト(長時間)のような多くの問題もあります。実際、複雑なサンプル分離には、1時間もしくはそれ以上が必要です。 より早いGCメソッドの実現は、日常のサンプル処理の多い研究室または、迅速で正確な結果を求められるところに特に必要です。

1960年代初期にDestyは小内径カラムの可能性を証明しました[1]。自動インジェクションシステムがなかったため、サンプルは手動でキャピラリーカラムに注入されました。 最初の小内径カラム実験に続き、サンプル処理能力の向上のために他の技術も開発され、紹介されました。 それらは、マルチキャピラリーカラム [2]、短いキャピラリーカラム [3]、真空下の出口で使用されるワイドボアカラム [4]、加速温度プログラム[5]です。 注目すべきは、開発された小内径カラムを使用する手法は、複雑なサンプルの高速GC分析に最適な選択肢といえます [6-7]。 その機器への要求(迅速自動インジェクション、高ヘッド圧、スプリットフロー、急速なオーブン昇温速度)は、一般的な今日のGCシステムに採用されています。

Fast GC とは何ですか?

Fast GCの主な目的は、(標準のGCと比べて)より短い時間で十分な分離能を持つことです。 Fast GCは、カラム、機器の改良と、3~10倍早い分析時間のために最適化されたランコンディションとの併用で、満足のいく分離能をもたらします。 Fast GCは、カラム長さ、カラム内径、固定相、膜厚、キャリアーガス、線速度、オーブン温度や、昇温速度のような多くの分析パラメーターの操作により成り立っています。 Fast GCは、基本的に内径0.10 mmまたは0.18 mmの短いキャピラリーカラム、水素キャリアーガスと急速なオーブン昇温を使用します。 カラム内径に基づき、キャピラリーGCは次の3つの種類に分類されます。

  • 標準の GC : 内径 0.25 mm 以上のカラム
  • Fast GC : 内径 0.10 から 0.18 mm のカラム(標準の GCで行われます)
  • ウルトラ Fast GC : 内径 0.050 mm以下のカラム(特別な GCが必要です)

なぜ、Fast GC を使用するのですか?

GCは一般的に定評があり効果的なツールですが、大抵、長い分析時間が問題になります。 今日、分析専門家はサンプル処理能力を向上する方法を探しており、分析スピードは多くのGC分析に重要です。 分析の品質を維持しサンプル処理能力を向上させることより価値のあるものはありません。 サンプル処理能力向上のメリットは…

  1. コスト削減 – 同等の仕事量を処理するのに要する人や器具は少なくて済みます。
  2. 収益増加 – さらに多くのサンプルが同時間内で処理できます。
  3. 収益増加 – 顧客は早く結果を得ることにより、いっそうの価値を見い出します。

Fast GC の原理

分析時間を短縮

  • 短いカラム (性能において、わずかに低下が見られる)
  • 速いキャリアーガス線速度 (性能において、わずかに低下が見られる)
  • 急速なオーブン昇温 (性能において、わずかに低下が見られる)

下記の使用において性能低下を補います

  • 小内径カラム
  • 薄い膜厚
  • 水素キャリアーガス

総合的に、条件にあった分離能でより短時間分析です。 基本的にFast GCは、より短く(分析時間を短縮するため)、小内径(短いカラムの性能不足のバランスをとるため)のカラムを使用することで可能となります。上記のパラメーターは共に最適化する必要があります。 分析時間を短縮しますが、分離能は若干の低下となります。

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Fast GC の使用方法

カラムサイズ条件 - Fast GCカラムは、20m またはそれより短い長さで内径 0.10から 0.18 mmです。短いカラムは、分析時間を短くします。小内径は性能を向上させ、短い長さによる性能低下を補います。小内径のカラムは、性能を向上させることに加え、より良いシグナル-ノイズ比をもたらし、検出感度もよくします。カラム内径の減少は、気相に移動する質量抵抗を減らします。標準カラムと比較すると小内径カラムより、サンプルはより少容量のキャリアーガスで希釈されるため、狭いバンド幅になります。

固定相条件 - どんな固定相も使用できます。しかし、固定相の選択は、アプリケーションまたは固定相の保持度合いによります。例えば、極性サンプルは極性固定相でより長く保持します。したがって、より低極性固定相を使用することにより、より短時間分析が可能になります。もちろん、厳選された固定相はどんな困難な分離にも可能性があります。
固定相に関わらず、薄膜カラムは早く分配されたサンプルがキャリアーガスに戻ることを容易にするために使用します。薄膜は、固定相に分配することを制限し、より狭いバンド幅にします。

キャリアーガス条件 - 窒素、ヘリウムと水素は基本的なGC用のキャリアーガスです。そして、水素はFast GCにとって最適です。それは高拡散性と最適な線速度を持つからです。使用にあたり、安全注意事項と検出器条件は考慮する必要があります。キャリアーガスの使用において、線速度の増大は分析スピードを増大します。しかし、スピードが増大すると、最適の線速度よりさらに大きくなり、分離性能の低下となります。水素は、他のキャリアーガスより平らなGolay 曲線を持ちます。したがって、分離性能の低下がほとんどなく、上述の最適な線速度において使用できます。

オーブン温度条件 - 恒温分析において、より高いオーブン温度の使用は分析時間を短縮します。昇温プログラム分析において、より速いオーブン昇温速度は分析時間を短縮します。目的の昇温速度に達するように、GCは220 Vオーブンヒーターまたは専用インサート装備のGCが必要となる場合(ヒートする空間体積を少なくするため)があります。 理論上では、最適分離のためにボイド時間(void time)につき10℃の温度昇温が適用されていることが示されています。より速い昇温であれば、分離のために長くサンプルを固定相に分配しません。より遅い昇温であれば、分離は達成されますが長い分析時間となります。

ヘッド圧力条件 - カラム内径減少により、GCシステムのバックプレッシャーが上昇します。したがって、GCシステムが圧力上昇を制御できることが重要です。理論上のいろいろなカラムサイズのヘッド圧値をTable 1.に示します。このTable は、なぜFast GCカラムは基本的に20 m またはそれ以下の長さであるかを示しています。

Table 1.  0.10 mm 内径カラムのヘッド圧力 (PSI)
カラム (L x I.D.) キャリアーガス線速度
ヘリウム 水 素
20 30 40 50 40 50 60 70
5 m x 0.10 mm 12 19 25 32 12 15 18 21
10 m x 0.10 mm 25 39 54 69 25 31 38 45
20 m x 0.10 mm 54 84 115 146 52 66 81 96
40 m x 0.10 mm 115 177 239 302 111 141 171 201
Values calculated @ 160℃

サンプル容量条件 - 小内径で薄膜カラムは、サンプル容量の制限があります。それは標準カラムと比較すると、少ないサンプル容量により、ピーク形状が悪くなる前にカラムに取り込むことが可能になります。したがって、高いスプリット比はカラム負担を防ぎます。より少ないサンプル容量が検出感度不足という、間違った結論をだすことがあります。Fast GCは、狭いピークバンドのため、標準GCメソッドと比べてその検出感度は、維持されます。

検出条件 - Fast GCアプリケーションは基本的に急速で狭いピークになります。したがって、速い捕捉率の検出を必要とするので検出能力は重要な条件となります。低い捕捉率の検出器使用は不正確なピーク定量を導きます。高い捕捉率の検出器使用はノイズ増加と感度低下を引き起こします。通常、ピーク上部半分につき10データポイントあることが、ピーク再解析をより信頼のあるものにします。

機器条件 - できる限りの速いスピードと短く、小内径カラムを使用するため、機器は、高速注入、スプリット/スプリットレスインジェクションポート、高速温度昇温能力のオーブン、高速検出器と高速データ処理を持つ必要があります。主な機器製造メーカーは、Fast GCに適合するようにGCをデザインしています。

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Fast GCの理論

小内径カラムの性能は向上します。

カラムの長さを短くすることは、分析時間を短縮します。しかし、性能(ピークのシャープさとサンプルの分離)は他の分析パラメーターを調整しない限り、悪影響を受けます。カラムの内径が小さくなることにより、理論段数は向上します。Table 2. は、いろいろな内径のキャピラリーカラムの基本的な理論段数を示しています。
小内径カラム(内径0.25 mmより小さい)は、大内径カラムより大きな理論段数になります。カラムの長さがより短くなるので、システムの理論性能の上では、維持または、向上していることになります。どれも理想的な条件のもとで、10 m x 0.10 mm 内径、0.10 μm GCカラムは25 m x 0.25 mm内径、0.25 μm カラムと同じ分解能(理論段数 100,000以下)を持ちます。
カラム長さの減少は短い分析時間をもたらし(望ましい)ますが、性能は下がります(望ましくない)。カラム内径の減少は性能を上げ(望ましい)ますが、カラムの長さの減少による性能が下がることを補う必要があります。Figures 1-3.は、内径0.10 mmカラムは、0.53 mmと0.25 mm内径カラムに比べて分析時間を短縮しサンプル成分のより良い分離をもたらすことを示しています。カラム内径減少による理論段数の増加により、15 m x 0.10 mm 内径カラムは、どちらの30 mカラムより高い理論段数を持ちます。結果として、内径0.53や0.25 mmカラムよりも内径0.10 mmカラムは、より良い分離になります。

Table 2.  小内径カラムの理論段数の増加
カラム内径
(mm)
Plates/Meter
(N/m)
Total Plates
(N)
0.32 2300 69000
0.25 2925 87750
0.20 3650 109500
0.18 4050 121500
0.10 7300 219000
Theoretical values for 30m long columns, calculated @ a k' = 6.00 and
85% coating efficiency.

カラム内径減少による性能の向上

小内径カラムはより速い線速度を可能にします。

GCにおいて、線速度(ù、cm/secで表す)は、キャリアーガスのスピードを表します。サンプルはキャリアーガスによってカラムに運ばれ、より速いキャリアーガスはサンプルを速くカラムに導き、分析時間をより短くします。また、最適な線速度(uoptとして表す)は、カラム性能が最大になるときのスピードです。線速度が最適から外れている場合は、性能(ピークのシャープさとサンプルの分離)が下がります。線速度が最適より遅い場合は、サンプルは固定相で長くとどまります。(良い分離であるが、ピーク形状は、悪く、分析時間が長い)線速度が最適より速ければ、サンプルは固定相に長い時間とどまりません。(短い分析時間であるが、ピーク形状は悪く、不十分な分離)より短い分析時間で成功するには、最適な線速度を外れることなく、できるだけ速い線速度を使用しバランスを保つことです。

理論段高さ(HETP、mmで表す)は、カラム性能の尺度(指標)となります。HETPは、サンプルが分離する際、キャリアーガスと固定相が平衡を保つための必要なカラムの長さを示します。低いHETP値は、狭いバンド幅とより良い性能で、シャープなピークとより良い分離をもたらします。小内径カラムと速い線速度の関係は、線速度とHETPを図にプロットすることにより解ります。キャピラリーGC専門用語では、このプロットをGolay曲線として知られています。最適な線速度は、その曲線の最も低い位置になります。Figure 4. で、カラム内径が小さくなると最適な線速度が上がることを示します。たとえば、線速度は内径0.51 mmカラムで30cm/sec、内径0.18 mmカラムで40 cm/secが最適となります。したがって、小内径カラムは速いキャリアーガス線速度で使用されることにより、短い分析時間になります。さらに、小内径カラムはより平らなカーブとなります。これは、速い線速度での使用でも性能がほとんど落ちないことを示しています。たとえば、60 cm/secの線速度(最適より1.5倍)でも、内径0.18 mmカラムは、性能がほとんど落ちることなく使用できます。内径0.51 mmカラム(最適よりも1.5倍の45 cm/sec)では、性能が落ちます。

ヘリウムにおけるカラム内径に対するGolay曲線

水素キャリアーガスは性能を上げ、時間を短縮します

キャリアーガスの選択における影響をFigure 5. に示します。内径0.10 mmカラムにおいてのヘリウムと水素のGolay曲線の比較です。ヘリウムは、45 cm/sec線速度において、HETPが0.109 mmの最小値になります。水素は、70 cm/secの線速度でちょうどHETPが0.093 mmの最小値になります。

内径0.10mmカラムにおける水素とヘリウムのGolay曲線

前に述べたようにHETPは、サンプルが分離する際、キャリアーガスと固定相が平衡を保ための必要なカラムの長さを表します。より低いHETP値は、狭いバンド幅とより良い性能をもたらします。水素は、他のGCキャリアーガスより低いHETP値をもち、その使用は最高のカラム性能をもたらし、より形状の良いピークと分離が得られます。全てのGCキャリアーガス選択のうち、水素は最高の最適な線速度をもちます。水素を最適な線速度で正確に使用すれば、最短分析時間が可能になります。水素は、最も平らな曲線をもち、GCはHETPの大幅な減少がなく、さらに速い線速度での使用が可能です。
他のGCキャリアーガスに比べ、水素のいくつかの特性(低いHETP、速い最適線速度、平らなGolay曲線)は、すばらしい利点(性能の向上と分析時間の短縮)をもたらします。もちろん、安全注意事項と検出器条件は水素を使用する前に考慮する必要があります。

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Fast GC カラム

  • 環境揮発性化合物用 : SPB-64 または VOCOL
  • 環境半揮発性化合物用 : SLB-5ms
  • 農薬とPCBs用 : SLB-5ms または Equity-1701
  • 石油芳香族化合物用 : TCEP, SLB-IL100
  • 食品飲料の Omega 3 と 6 FAME 用 : Omegawax 100
  • 食品飲料の cis/trans FAME 異性体用 : SP™-2560
  • 極性アプリケーション一般用途用 : SUPELCOWAX 10, SLB-IL100, SLB-IL59
  • 無極性アプリケーション一般用途用 : Equity-1、SPB-1、Equity-5、または SPB-5

スペルコ Fast GC カラム

固定相 内径
(mm)
長さ
(m)
膜厚
(μm)
BetaValue CAT.NO.
SPB-624 0.18 20 1.0 45 28662-U
VOCOL
0.18 20 1.0 45 28463-U
SLB-5ms 0.10 10 0.10 250 28465-U
0.10 15 0.10 250 28466-U
0.18 20 0.18 250 28564-U
0.18 12 0.30 150 28566-U
0.18 30 0.30 150 28575-U
0.18 20 0.36 125 28576-U
Equity-1701 0.10 15 0.10 250 28343-U
Omegawax 100 0.10 15 0.10 250 23399-U
SP-2560 0.18 75 0.14 321 23348-U
SUPELCOWAX 10 0.10 5 0.10 250 25025-U
0.10 10 0.10 250 25026-U
0.10 15 0.10 250 24343
Equity-1 0.10 15 0.10 250 28039-U
Equity-5 0.10 15 0.10 250 28083-U
SPB-5 0.10 15 0.10 250 24341
SLB-IL100 0.10 15 0.08 313 28882-U
0.18 20 0.14 313 28883-U
SLB-IL59 0.10 15 0.08 313 28880-U
0.25 30 0.20 313 28891-U

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