物質成分分析における化学分析の測定評価

MA-tekが受け取った顧客の実験に関する議論や委託は多種多様であり、これらの多くの要求は主に二つのカテゴリに簡単に分けることができます。一つは物理化学的特性に関する問い合わせであり、もう一つはサンプルの定性または定量分析を希望するものです。前者には硬度（Hardness, H）、粘度（Viscosity）、ヤング率（Young’s Modulus）、屈折率（Refractive index）、薄膜厚さ（Film Thickness）、ガラス転移点（Tg）、（線形）熱膨張係数（CTE）、誘電率、透過率、吸収率、反射率、粒子径分布、融点、硬化率などの要求が含まれます。後者には原材料や製品中の特定の測定物質に対する検査が含まれ、またプロセスや生産ラインで予期せず出現した未知物質や異物を識別し、さらには定量的な検査を行いたいという要求もあります。

物質中成分の検出については、通常、定性的情報の取得と濃度定量検出の二つに分けられます。しかし、どちらのニーズであっても、まず目標物が何の物質であるかを明確にする必要があります。基本的に、測定対象の物質は元素、有機化合物、イオン性物質の三つに簡単に分類できます。詳細な議論と検出方案の範囲を提供した後、顧客から提供された問題、情報、またはニーズに基づいて、異なる機器、装置、または方法を提案することができます。

金属分析検査

金属分析検査において、MA-tekは多様な機器を提供しており、材料分析検査装置に属するTEM/EDX、SEM/EDX、表面分析検査に属するXPS、XRD、XRF、SIMS、化学分析分野に属するICP-MS、GD-MS、ICP-OES、さらには原子吸光光度計のGF-AASがあります。

上記の機器は検査において様々な分析情報を提供することができ、その精密度、正確度、濃度の線形範囲には顕著な違いがあります。その中で、検出能力が最も優れているのはSIMS(ppb)、GDMS(ppb)、およびICP-MS(ppt-ppb)です。XPSおよびSIMSは、試料表面の異なる位置における元素の横方向分布（Lateral distribution）に関する情報を提供するだけでなく、イオンビーム（ion beam）を使用することで、試料の縦方向、深さ分布（Depth Profiling）に関する情報を探求することもできます。また、XPS分析結果はデータベースのスペクトル情報と照合することで、元素結合に関する情報をさらに提供することができます。XRFはデータベースと照合した後、合金金属の牌号情報を簡単に提供することができ、小型化されることで、迅速なスクリーニングのための携帯型検査装置として使用することができます。ほとんどが表面分析または材料分析の分野に属する装置は、通常、煩雑な試料前処理手順を必要とせず、固体試料の形態で直接検査を行い、定点、微小領域の分析検査を提供します。それに対して、化学分析機器は多くの場合、液体試料での検査に制限されており、異なる前処理を経る必要があります。例えば、マイクロ波融解やホットプレート融解を経て、試料を液体試料として準備してから検査機にかける必要があります。化学分析の装置は定点検査情報を提供することはできませんが、相対的に試料全体（Bulk）濃度の平均結果を提供することができます。

1-1. 誘導結合プラズマ質量分析計 ICP-MS

ICP-MSは現在、化学分析分野において金属検出に最も敏感なシステムと認められており、ppb濃度レベルの検出要求を容易に満たすことができます。C、H、O、N、ハロゲンおよびガスを除いても、遊離しにくい非金属または準金属元素でさえ、通常は良好な感度を持っています。複雑なサンプルのマトリックスの影響に直面して、ICP-MSは高温プラズマ源を使用してサンプルマトリックスを可能な限り破壊することができるだけでなく、現在のICP-MSは反応セル（Reaction Cell）または衝突セル（Collision Cell）の設計をイオンレンズ（ion lenses）システムに統合しており、異なる機能の衝突または反応ガス（例えば、水素、ヘリウム、またはアンモニア）を使用することで、干渉の問題をより効果的に除去できます。さらに、ICP-MSは短時間で迅速な質量分析スキャンを行い、極短時間で多元素検出分析を行うことができ、7-8桁の線形範囲に近い技術的特徴を持っているため、さまざまな分野の金属濃度検出に広く応用されています。

基本的に、ICP-MSは定性/半定量検出モード（Qualitative Analysis/Semi-Quantitative Analysis, SQ）および定量検出モード（Quantitative Analysis）を備えており、それぞれサンプル中の全元素スキャン情報や特定元素の正確な濃度情報を提供します。また、あまり使用されない分析機能として、同位体測定（Isotope Determination）機能や、濃縮同位体を追加後に検量線を設定せずに濃度情報を正確に得ることができる同位体希釈法（Isotope Dilution Method）があります。これらの2つの応用は、現在では地質関連の検査を除いてほとんど言及されていません。半定量モードでは、濃度の計算はシステム内部の情報に基づき、単点濃度値標準品の校正を用いて行われるため、提供される濃度はオーダーレベルの情報となります。検出元素では通常、1つの同位体を選択して検出質量とするため、その質量数が多原子イオン干渉（Polyatomic Interference）や同重体干渉（Isobaric Interference）に遭遇した場合、誤った結果が得られる可能性があります。SQモードの主な機能は、一度の測定でできるだけ多くの元素の濃度情報を参考として得ることです。正確な結果を得るためには、定量モードでの分析をお勧めします。定量分析では、検出濃度が検量線の線形範囲内に収まるようにし、マトリックス効果評価、サンプルの繰り返しテスト、バッチ間の標準品再測定、ブランクサンプルの再測定、または第二の標準品を用いた検量線の確認サンプルなど、さまざまなチェックを行って得られた結果がより正確であることを確認します。しかし、経験上、一部のサンプルではマトリックス濃度が高すぎる場合、一般的なICP-MSの干渉除去能力を超えることがあるため、その場合は他の分析装置や三連四重極システムを備えた高化学分解能ICP-MSを使用して比較確認する必要があります。

ICP-MSは液体サンプルの形でサンプルを導入する必要があるため、固体サンプルは液体サンプルに前処理されてから、機器で測定することができます。最も一般的に使用される前処理方法は、簡易熱板による融解や、マイクロ波支援加熱装置などであり、異なる酸や酸化剤の使用および高温の支援によって、サンプル基質を破壊し、液体サンプルに変換します。したがって、前処理過程で解消できないサンプル、例えばセラミック関連材料、焼結された炭化物、耐酸・耐アルカリプラスチックやポリマーなどは、効果的に溶解できず、測定を行うことができません。この場合、通常は高温炉やアルカリ融解炉を探してそのサンプルを処理する必要があります。

イオン性物種検出分析

イオン性物種の範囲は、金属や有機物の検出に比べて比較的単純であり、主に陰イオンに属するハロゲン（halogen）に簡単に分類できます。これには、フッ素イオン、塩素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、酸根イオンが含まれます。酸根は無機酸に関連するものと、有機酸に関連するものに簡単に分類できます。無機酸には硝酸根、亜硝酸根、硫酸根、リン酸根が含まれ、有機酸にはギ酸根、酢酸根、弱い有機酸根イオンが含まれます。このような分析検査は、物体表面の残留検査の要求によく見られ、時にはIPC TM650-2.3.28法を用いてサンプルの前処理を行います。前処理後のサンプルは、陰イオンクロマトグラフィーシステムまたは陽イオンクロマトグラフィーシステムで検出されます。

有機物検出分析

有機物の検出部分では、通常分析に使用される機器にはFTIR、Raman、GCMS、TOF-SIMS、LCMSなどがあります。サンプル濃度が高い場合や物体表面の分析を行う場合、一般的にはFTIRまたはRaman（ラマン）の使用が推奨されます。これらは簡単で安価、迅速な利点があり、他の検出機器では提供できない官能基（functional group）に関連する情報を提供することができ、データベースと照合することで可能な定性的情報を提案します。しかし、サンプル成分が複雑であるか、濃度が低い場合は、感度の高い質量分析システムを利用する必要があります。TOF-SIMSは主に空間分解能と高質量分解能のデータを提供し、材料や製品表面の分析検出に直接応用することができます。

3-1. ガスクロマトグラフィー質量分析計

従来のGCMS検査では、固体または粉末状の試料について、適切な溶媒で試料を溶解した後、注射器で試料を抽出し、GCMSに注入して定性または定量検査を行います。主に揮発性で非極性の小分子有機物（MW<550）の分析が可能で、試料は通常一定の熱安定性を持つ必要があります。そうでない場合、測定信号に試料の分解が見られ、信号が分岐する可能性があります。主な問題は、未知の物質に直面した際、選択した溶媒が試料を良好かつ完全に溶解できるかどうかを判断するのが難しいことです。そのため、極性、非極性、またはその両方を混合した溶媒を使用してテストを行い、実験の完全性を高めることが多いですが、これにより実験に必要な時間と費用が増加します。また、使用される溶媒成分は通常、クロマトグラムに明確な溶媒ピークを形成します。もし溶質自体が溶媒と類似の成分を持つ場合、分析結果は滞留時間/流出時間（Retention time/elution time）に干渉を受けやすくなります。もう一つの問題は、使用される溶媒が溶質に対して、クロマトグラムに明確な溶媒ピークを形成し、滞留時間/流出時間（Retention time/elution time）が近い物質に干渉を引き起こすことです。図1を例に挙げると、果物の皮と果肉の試料について、測定前にTHFで50倍に希釈した後、図譜にそれぞれの試料とTHFの背景信号の結果が示されています。THFの背景信号では、4-7分の間に明確な信号ピークが見られ、これが両試料の図譜に対応します。両試料の図譜の前後には識別可能な信号が存在しますが、4-7分の信号は巨大な背景信号に埋もれて誤判定を引き起こす可能性があります。

図1 GCMSにおけるTHF溶媒ピークの影響。(a)THF溶媒ブランク；(b)果皮サンプル；(c)スラリーサンプル。

したがって、現在、もう一つの一般的に考慮される代替手法は、有機物が加熱後に揮発する特性に基づき、直接加熱またはIRランプによる加熱の方法で、サンプルに熱エネルギーを供給し、有機物が気体の形態に変化して揮発、気化、分解、または脱着してサンプルから離れるようにすることです。そして、惰性ガスを使用して生成された揮発物（Outgassing）をGCMSに導入して分析します。濃度が低いまたは揮発速度が遅い測定物に対しては、オンラインで吸着剤（adsorbent）または液体窒素を使用して測定物を補集、濃縮した後、測定を行うことができます。適用される脱着温度は、顧客の実際の問題が発生したときの温度や、実際のプロセスまたは反応の温度条件に基づいて設定することができますが、一般的に多くの有機物は300度C近くで揮発、脱着して揮発物質を生成するため、脱着温度は250-300度Cの範囲に設定することができます。通常、低い脱着温度は反応速度の関係でサンプル収集時間を適度に延長します。高い温度は脱着速度を増加させ、サンプル収集時間を短縮しますが、300-350度C以上の温度では有機物が分解する可能性があるため、単純に高い温度で実験を設定することはできません。すでにGC-MS装置を持っている実験室では、前端の熱脱着システムを自分で構築し、サンプルに300-450度Cの温度を適用する装置を使用し、補集装置とGCMSを連結することで、市販の熱脱着ガスクロマトグラフィー質量分析計（Thermal desorption gas chromatography mass spectrometry, TD-GC-MS）に類似した機能を実現することができます。

極性物質、イオン性物質、大きな分子量の有機物、例えばポリマーや樹脂などは、適用されにくいと予想されます。また、無機酸や無機塩基を含む溶液も適用されません。なぜなら、高温下で管路や装置内の金属部品を腐食させるからです。溶液中の金属含量が過剰な場合、例えば電鍍液は、高温下で金属が界面金属コーン、管路、または毛細管に沈積する可能性があるため、通常GCMSラボでは受け入れを拒否されます。このような物質は、液-液抽出前処理を試みて、測定対象物を有機相に抽出した後、有機相を検査することができますが、通常水溶液サンプル中に存在する有機物は、より極性の高い有機物であるべきです。極性相互溶解の前提の下で、有機相中の分配係数は相対的に低くなるため、非極性溶媒中に抽出される割合は限られ、未検出（Not detectable, ND）の結果が出る可能性が高いです。分子量が高い有機物、例えばポリマーや樹脂は、交差結合後の構造が強く、分子量が高いため、一般的な条件下では測定が難しいまたは不可能です。サンプルに高温を加えることで、結合が切れて特定の構造の断片が形成され、ポリマーのデータベースと照合することで、どのような高分子物質であるかを推測する可能性があります。

このように試料を加熱し、質量分析計を検出システムとして使用する連結装置（Hyphenation System）は、構成要素の機能に若干の違いがある場合、異なる測定物の情報を提供することができます。採用される分析システムは大きく二つに分類され、試料中の測定物の定性および定量検出情報を提供する熱脱着ガスクロマトグラフィー質量分析計（Thermal desorption gas chromatography mass spectrometry, TD-GCMS）と熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析計（Pyrolysis Gas Chromatography mass spectrometry, Py-GCMS）に分けられます。また、主に時間の経過に伴う熱脱着挙動を探ることができる熱脱着質量分析計（Thermal Desorption Spectrometry, TDS）、温度プログラム脱着装置（Temperature Programmed Desorption System, TPD）、および熱重損失質量分析システム（Thermal Gravity Mass Spectrometry, TG-MS）などがあります。図2はその構造の簡略図であり、TD-GCMSとPy-GCMSは主に加熱温度の違いにより、小分子有機新物質の同定と測定、及び大分子の同定にそれぞれ対応します。また、GCMSの引数は多くが同じまたは類似しているため、異なる実験室間で得られる結果はかなり高い比較可能性を持ちます。例えば、使用されるGCカラムのほとんどはDB-5関連のカラムです。TPDは既存のGC-MSカラムの温度を上げることで、単にバイパス用途の連通管として使用されますが、実際の実験では得られた結果が水蒸気や水素の検出に関して、GCカラムに繰り返し吸着/脱着する可能性があるため、得られた結果が顧客の期待に合わないことがあります。TGAと質量分析計システムを接続したTG-MSは、TGA部分で各時間点の重損を記録できるため、濃度/脱着量の計算が可能ですが、一般的な商業用TGAシステムを使用するため、試料皿は多くが直径4mmの陶製のコップであり、一度に機械に載せる試料量/体積が制限されます。TDSは試料を真空下に置き、IRランプで試料に熱エネルギーを提供するため、検出時間が長く、委託費用が高額になる欠点がありますが、上述の水素と水蒸気の信号測定に関しては、三者の中で最も正確な選択肢かもしれません。

図2 異なる熱供給装置と質量分析計接続システムの概略図。

3-2. 液体クロマトグラフ質量分析計(LC-MS)

液体クロマトグラフ質量分析計は、溶液中の極性小分子または大分子物質の測定を行うことができます。使用されるイオン源は、誘導結合プラズマ質量分析計に比べて穏やかで低温であるため、ソフトイオン化（soft ionization）システムと呼ばれ、測定されるイオンは溶液中での元の電荷状態を反映します。

機器測定時の引数設定、および待測物の分離時に引用されるLC分析カラムの種類が多岐にわたるため、異なる実験室間で得られる結果に明らかな差異が生じることがよくあります。また、同じ実験室内でも異なるメンバーが異なる引数を引用する場合、得られる結果に大きな差異が生じることがあります。これらの理由から、現在LC-MS機器装置においては、ランダムなデータベースシステムはほとんど存在せず、一般的には農薬や薬物関連の検査実験室のデータベースが見られます。そのため、単純にそれを定性分析装置として使用することは非常に困難です。よく耳にする有機質量分析には、単一四重極質量分析計（Single Quadrupole Mass Spectrometry, LC-MS）、三重四重極質量分析計（Triple Quadrupole Mass Spectrometry, LC-MS/MS）、四重極飛行時間質量分析計（Quadrupole-Time of Flight Mass Spectrometry, q-TOF）などがあります。その中でもq-TOFは優れた質量分解能を持ち、適切な実験設計、統計ソフトウェアの適用、オンラインデータベースとの照合（例えばMASCOT）と組み合わせることで、待測物の構造解析に利用され、過去にはさまざまなオミクス分析（omics analysis）に広く応用されてきました。例えば、プロテオミクス（proteomics）において生物高分子やタンパク質の構造解析が行われています。一方、Triple-Qシステムは通常単位分解能（Unit Resolution）しか持たないが、選択イオンモニタリング（Select ion Monitoring, SIM）や多重イオン選択モード（Multipole Reaction Mode, MRM）を組み合わせることで、より良い感度を得て、有機小分子の正確な定量分析が可能となるため、製薬や代謝物検査関連の分野で広く使用されています。現在、MA-tekには高温ガス補助の電噴霧イオン化（Electro-spray ionization, ESI）LC-MS/MSシステムが主に備わっており、通常は逆相クロマトグラフィー分離カラム（Reverse Phase Chromatography, RP）を使用することで、極性有機小分子の検出が可能です。また、LC-MS/MSのMS2スキャンモードを組み合わせることで、サンプルの全質量スペクトル（m/z < 4000）を取得でき、サンプル間の差異比較を行う場合でも対応する情報を提供できます。待測物の特定質量フラグメントの情報がわかっている場合は、前述のSIMまたはMRMモードを使用して待測物の定量検出を試みることができます。

GCMSにおけるポリマーや樹脂のような高分子物質の検出に対して、固体試料を加熱して得られた断片分子を用いて検出を行います。溶液試料の注入検出しか行えないLC-MSは、通常、高分子の検出において、タンパク質や核酸、アミノ酸分子を例に挙げると、タンパク質は適切な緩衝液中でアミノ酸の官能基が解離して電荷を持つことができるため、同一分子が複数の電荷を持つ多電荷イオン（Multiple Charged Ion）を形成する可能性があります。これにより、異なる信号位置における電荷数を推論し、システムの畳み込み（deconvolution）機能を用いて可能な分子量を計算します。図3は質量数約6700 Daの金属硫蛋白を例にとり、得られた結果が予測分子量にほぼ等しいことを示しています。分子生物学や生化学でよく用いられる別の方法は、トリプシン（Trypsin）などを用いてタンパク質を酵素的に加水分解し、元の大きく長い構造を分解し、得られたアミノ酸断片から元のアミノ酸配列や構造を推測することです。酵素的加水分解と多重電荷の情報判断には相当な難易度と他の装置の要求があるため、現在では生化学やオミクス関連の実験室でのみこのような検出サービスが提供されています。

図3はLCMSを用いて金属硫蛋白の多重電荷イオンからその分子量を推定したものである。

現在、LCMSには直接信号比較のためのデータベースがないため、有機物の検出分析にはGCMSシステムを優先的に検討することをお勧めします。LCMSはGCMSとは異なる情報を提供することができますが、現在のMA-tekの分析サービスの範囲は以下のように制限されています：(a) サンプル間の異同分析、またはOK品とNG品間の比較、(b) 標準品または参照品の特定化合物分析検査を提供できること；(c) 水溶性汚染物質や異物の残留検出分析、及び(d) サンプルがGCMSで分析できないが、質量分析データを研究討論のために希望すること。

提供されたサンプルの検査に関して、MA-tekが提供できるサービスは、通常、顧客が指定した機器システムによる検査分析と、サンプルや異物中の未知成分の解析探討を含みます。