MA-tekには、お客様からさまざまなご要望が寄せられますが、その内容は、試料の物理的・化学的特性と、試料の定性・定量分析に関するお問い合せに分けられます。 前者には、硬度(H)、粘度(Viscosity)、ヤング率(Young's Modulus)、屈折率(Refractive Index)、膜厚(Film Thickness)、ガラス転移温度(Tg)、線熱膨張係数(CTE)、誘電率、透過率、吸収率、反射率、粒度分布、融点、固化率などなどの物性が含まれます。後者には、原料や製品に含まれる特定の検査対象物質の検査や、製造工程や製造ラインにおける予期しない未知物質／異物物質の同定、さらには定量化も含まれます。
物質中の成分の検出は、通常、定性情報の取得と濃度の定量に分けられますが、いずれの場合も、まず対象となる物質がどのような物質であるかを明確にする必要があります。基本的に測定対象物質は元素、有機化合物、イオン種の3種類に分類できます。その上で、お客様から提供された情報、ニーズから、どのような装置や機器、検査方法が適しているかを検討し、選択肢を絞り込んでいきます。
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1. 金属分析 |
金属分析に関して、MA-tekは材料分析装置のTEM/EDX、SEM/EDX、表面分析装置のXPS、XRD、XRF、SIMS、化学分析装置のICP-MS、GD-MS、ICP-OES、さらに原子吸光分析装置のGF-AASなどの幅広い機器を保有しています。
上記の機器はさまざまな分析情報を提供でき、その精度、正確さ、濃度の線形範囲はそれぞれ大きく異なります。その中でも、SIMS(ppb)、GDMS(ppb)、ICP-MS(ppt-ppb)は、検出能力の点で最も優れています。XPSとSIMSは、試料表面の異なる位置における元素の面内分布に関する情報を提供できるだけではなく、イオンビームを使用することで、試料の深さ方向のプロファイリングにも使用できます。さらに、XPS分析結果は、データベース内のエネルギースペクトル情報と比較して、元素の結合に関する情報を提供できます。XRFは、データベースとの比較により、簡単に金属合金のグレード情報に関する情報を得ることができ、小型化した機器では、迅速なスクリーニングのためのポータブル検査機器として使用することができます。表面分析または材料分析用の分析機器のほとんどは、通常、サンプルの面倒な前処理を必要とせず、固体サンプルを直接検査するために使用することができ、局所および微小領域の分析、検査を行うことができます。対照的に、化学分析機器はほとんどが液体試料の検出に限定されており、検査前にマイクロ波分解やホットプレート分解などの前処理で試料を液体試料に調製する必要があります。化学分析は局所情報を提供することはできませんが、試料全体(Bulk)の平均濃度を得ることができます。
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1-1.誘導結合プラズマ質量分析装置 ICP-MS |
ICP-MSは現在、化学分析の分野で金属検出用の最も高感度なシステムとして認識されており、ppb濃度での検出の要求を容易に満たすことができます。C、H、O、N、ハロゲン、希ガス等を除き、通常は遊離しにくい非金属元素や半金属元素であっても、良好な感度で検出されます。複雑な試料マトリックスの場合、試料マトリックスを可能な限り分解する高温プラズマイオン源に加えて、現在のICP-MSは、イオンレンズシステムに統合された反応セル(Reaction Cell)またはコリジョンセル(Collision Cell)を備えており、水素、ヘリウム、アンモニアなどのコリジョンガスまたは反応ガスを使用することで、干渉の問題をより効果的に取り除くことができます。さらに、ICP-MSは、短時間での高速マススペクトルスキャニング、非常に短時間での多元素分析、ほぼ7～8桁のリニアダイナミックレンジなどの技術的特徴により、金属濃度分析のさまざまな分野で広く使用されています。
基本的に、ICP-MSには定性/半定量モード(Qualitative Analysis/Semi-Quantitative Analysis、SQ)と定量モード(Quantitative Analysis)を備えており、サンプル中のすべての元素のスキャン情報や特定元素の正確な元素濃度情報を得ることができます。その他、同位体定量(Isotope Determination)機能や、濃縮同位体添加後に検量線を作成することなく正確に濃度情報を得ることができる同位体希釈法(Isotope Dilution Method)など、あまり利用されていない分析機能も備えています。これら2つのアプリケーションは、地質関連の検出を除いてほとんど言及されず、適用されていません。SQモードでは、濃度計算はシステムの内部データと一点濃度標準液の校正に基づいて行われるため、得られる濃度はオーダーの情報となり、検出質量として1つの同位体のみが選択されるため、質量が多原子干渉(Polyatomic Interference)や同重体干渉(Isobaric Interference)を受ける場合、結果が正しくないことがあります。SQモードの主な機能は、1回の測定で多数の元素の濃度に関するできるだけ多くの情報を得ることです。定量モードでは、正確な結果を得るために、検出濃度が検量線の線形範囲内に収まるようにすることに加え、マトリクス効果評価、試料の繰り返し試験、標準試料との重複試験、ブランクの重複試験、第2標準試料を標準曲線として試料をチェックするなど、さまざまな確認試験を行い、得られる結果をより正確にすることが推奨されています。ただし、経験的にマトリックス濃度が高すぎると、一般的なICP-MSの干渉除去能力を超えてしまう試料があり、その場合は他の分析機器やトリプル四重極システムを用いた高分解能ICP-MSの結果を比較・確認する必要があります。
ICP-MSは、試料を液体の形で注入する必要があるため、固体試料を液体試料にする処理が必要になります。最も一般的に使用される前処理方法は、単純なホットプレート分解とマイクロ波アシスト加熱装置で、高温下でさまざまな酸または酸化剤によりサンプルマトリックスを破壊し、液体サンプルに変換します。したがって、セラミックス関連材料、超硬焼結体、耐酸・耐アルカリ性のプラスチックやポリマーなど、前処理工程で分解できない試料の場合、効果的に分解・測定することができません。 この場合、通常は試料を処理するための高温炉やアルカリ溶解炉を探す必要があります。
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2. イオン種分析 |
金属や有機物の検出に比べてイオン種の検出は比較的簡単です。陰イオンであるハロゲンイオン(フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオンなど)と、無機酸系イオン(硝酸イオン、亜硝酸イオン、硫酸イオン、リン酸イオンなど)と、有機酸系イオン(ギ酸イオン、酢酸イオン、弱有機酸イオンなど)に分けることができます。この種の分析は、物体表面の残留物検出によく使われます。場合によっては、サンプルの前処理にIPC TM650-2.3.28試験が適用されます。前処理後のサンプルは、イオンクロマトグラフシステムで測定されます。
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3. 有機物分析 |
有機物の検出では、分析に一般的に使用される機器には、FTIR、ラマン、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の表面を分析する場合は、通常、FTIRまたはラマンを最初に使用することが推奨されます。これらは簡便、安価、迅速という利点に加え、他の機器では得られない官能基関連の情報や、データベースとの比較による定性的情報を得ることができます。しかし、試料の組成が複雑であったり、濃度が低い場合には、より優れた感度を備えた質量分析装置が必要になります。TOF-SIMSは空間分解能に優れたと高品質のデータを提供し、材料や完成品の表面の分析や検査に適用できます。
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3-1. ガスクロマトグラフ質量分析計 |
従来のGCMSでは、固体または粉末試料の定性または定量分析を行う場合、適切な溶媒を使用して試料を溶解し、次にシリンジでサンプルを採取してGCMSに注入します。主に揮発性の非極性小分子有機化合物 (MW<550) を分析できます。通常、サンプルには一定の熱安定性が必要で、そうでない場合、測定信号が分裂する現象が起こる可能性があります。 主な問題は、未知の物質を扱う場合、選択した溶媒が試料を十分かつ完全に溶解できるかどうかを判断することが難しい場合が多いことです。そのため、実験の完全性を高めるために極性溶媒、非極性溶媒、混合溶媒が使用されますが、これにより実験の時間とコストも増加します。また、通常、使用する溶媒成分はクロマトグラム上で非常に明瞭な溶媒ピーク(solvent peak)を形成するため、溶質が溶媒と類似した組成の場合、保持時間/溶出時間(Retention time/elution time)が類似する溶媒との干渉が起こりやすいという問題もあります。図1は、果実の皮と漿液試料について、試験前にTHFで50倍に希釈した2試料の結果とTHFのバックグラウンド信号のスペクトルです。THFのバックグラウンド信号では、4～7分に明らかな信号ピークがあり、これは2試料のグラフに反映されています。2試料のスペクトルの前後にはまだ識別可能な信号があり、成分情報の一部を得ることはできますが、4～7分の信号は巨大なバックグラウンド信号に埋もれてしまい、誤判定につながる可能性があります。
 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) 果皮試料、(c) 漿液試料 |
そのため、一般的な代替法として、直接加熱またはIRランプ加熱により試料に熱を与え、試料中の有機物を揮発、気化、分解、ガス化し、その結果生じるアウトガスをGCMSに導入して不活性ガス下で分析する方法が考えられます。濃度が低い場合や揮発速度が遅い場合は、吸着剤や液体窒素を用いてインラインで物質を回収・濃縮してから測定することもできます。脱離温度は、実際にお客様の問題が生じたときの温度や、実際のプロセスや反応に対応する温度条件を考慮して設定するだけでなく、単に、ほとんどの有機物質が300℃付近で揮発し、ガス状物質に脱離することに基づいて、250~300℃の範囲の温度に設定することもできます。一般に、脱着温度が低いと反応速度の関係で試料採取時間が長くなり、温度が高いと脱着速度が上がって試料採取時間が短くなりますが、300~350℃を超えると有機物にクラックが入り始めるので、単純に温度を高く設定して実験することはできません。既存のGCMS装置を使用している研究室では、試料に300~450℃の温度を加え、収集装置とGCMSを連結することで、市販の加熱脱着ガスクロマトグラフ質量分析計(TD-GC-MS)と同様の機能を実現できます。
GCMSは極性物質、イオン性物質、ポリマーや樹脂のような分子量の大きな有機物質には不向きであると考えられます。さらに、無機酸やアルカリを含む溶液も、高温で配管や器具の金属部分を腐食させる可能性があるため不適であり、メッキ溶液のように金属含有量が過剰な溶液は、高温でインターフェースコーンや配管、キャピラリーチューブに金属が付着する懸念があるため、GCMSラボでは拒否されることがよくあります。これらの物質は、液液抽出の前処理により有機相に抽出し、有機相で検出することが可能ですが、通常、水系試料中に存在する有機物は、比較的極性の高い有機物であり、有機相での分配係数が比較的低いことが多いため、非極性溶媒に抽出できる割合は限られ、不検出、またはNDの可能性が高くなります。ポリマーや樹脂などの高分子量の有機物質は、架橋により分子量が大きく、通常の条件では測定が困難または測定できないため、サンプルに高温を加える必要があります。これにより、結合が切断され、特定の構造の断片が形成され、高分子データベースと比較して、それらがどのような種類の高分子物質であるかを推定することができます。
試料を加熱し、検出系として質量分析計を用いるタイプの連結システム(Hyphenation System)は、成分の機能がわずかに異なる場合でも分析対象物に関するわずかな差異の情報を提供できます。分析システムは、単純に2つのカテゴリーに分けることができます。加熱脱離ガスクロマトグラフ質量分析法(Thermal desorption gas chromatography mass spectrometry, TD-GCMS)や熱分解ガスクロマトグラフ質量分析法(Pyrolysis Gas Chromatography mass spectrometry, Py-GCMS)は、試料中の測定対象物質に関する定性的および定量的な情報を得るために使用されます。昇温脱離ガス分析(Thermal Desorption Spectrometry, TDS)、温度脱離分析(Temperature Programmed Desorption , TPD)、示差熱天秤-質量分析(Thermal Gravity Mass Spectrometry, TG-MS)は主に経時的な熱脱着の挙動を調べるために使用されます。図2に各システムの模式図を示します。 TD-GCMSとPy-GCMSの主な違いは加熱温度の違いで、それぞれ低分子有機添加物の同定・定量、高分子の同定に適しています。また、GCMSで引用されるパラメータはほとんど同じか類似しているため、異なるラボで得られた結果でも比較することができます。例えば、使用されるGCカラムのほとんどはDB-5関連カラムです。TPDは、既存のGC-MSカラムの温度を上げることにより、バイパス管として使用することができますが、実際には、水や水素の検出の場合、繰り返しGCカラムへの吸着・脱離が起こる可能性があり、期待に添わない結果になる可能性があります。TGAと質量分析計のシステムを直列に接続したTG-MSでは、TGA部が各時点の重量減少を記録できるため、濃度/脱離の計算ができますが、一般的な市販のTGAシステムのサンプルパンは直径4mmのセラミックるつぼが主流であるため、一度に搭載できる試料の量/体積が制限されます。TDSは、試料を真空中に置き、IRランプで試料に熱を与えるもので、検出時間が長く、コストが高くつくという欠点がありますが、上記の水素と水の信号の測定では、3つの中では最も的確な選択です。
 図2 各種加熱ユニットと質量分析計との連結システムの模式図 |
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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、溶液中の極性低分子または高分子を測定できます。 誘導結合プラズマ質量分析計に比べて穏やかで低温のイオン源を使用するため、ソフトイオン化システムと呼ばれ、測定されたイオンは溶液中の元の電荷状態を反映します。
測定時の機器のパラメータ設定や分析物の分離に使用される多種多様なLC分析カラムによって、異なるラボ間で得られる結果に大きな違いが生じることが多く、場合によっては一つのラボ内でも異なるパラメータを使用するメンバーの結果が異なることもあります。これらの理由から、現在、LC-MS機器や装置にはランダムデータベースシステムはほとんどなく、一般的なものは農薬や医薬品関連の試験機関のデータベースです。したがって、純粋に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計には、シングル四重極質量分析計(LC-MS)、トリプル四重極質量分析計(LC-MS/MS)、四重極飛行時間型質量分析計(q-TOF) などがあります。中でも、q-TOFは分解能が優れており、適切な実験計画、統計ソフトウェアアプリケーション、オンラインデータベース比較 (MASCOTなど)と組み合わせることで、分析対象物の構造を解析することができ、これまでにプロテオミクスなどのさまざまなオミックス解析では、生体高分子やタンパク質の構造解析に広く使用されています。ほとんどのTripe-Qシステムにはユニット分解能しかありませんが、選択イオンモニタリング(Select ion Monitoring, SIM)モードまたは多重反応モニタリング(Multipole Reaction Mode, MRM)モードと併用することで、より優れた感度と低分子有機分子の正確な定量分析が可能となり、医薬品や代謝物検出の分野で広く使用されています。現在、MA-tekには高温ガスアシストによるエレクトロスプレーイオン化(ESI)LC-MS/MSシステムがあり、通常は逆相クロマトグラフィー分離カラム(Reverse Phase Chromatography, RP)と組み合わせて主に極性有機小分子の検出に使用されます。LC-MS/MSのMS2スキャンモードと組み合わせることで、試料の全質量スペクトル(m/z<4000)を得ることができ、試料間の差異のみを比較したい場合でも、対応する情報を提供できます。対象試料の特定の質量フラグメントに関する情報を取得する場合は、前述のSIMまたはMRMモードで検査対象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などの高分子物質の検出では、固体サンプルを加熱し、断片化した分子を検出します。これに対して、溶液中の試料しか検出できないLC-MSは、通常、タンパク質、核酸、アミノ酸などの大きな分子を検出します。タンパク質の場合、アミノ酸上の官能基が適切な緩衝液の下で解離して荷電するため、同じ分子が複数の電荷を帯びて多価イオン(Multiple Charged Ion)を形成することがあり、これを利用して異なるシグナル位置の電荷数を推測し、システムのデコンボリューション機能によって可能な分子量を計算します。図3は質量数約6700 Daのメタロチオネインの例で、予測される分子量とほぼ等しい結果が得られることを示しています。分子生物学や生化学でよく使われるもう一つの方法は、トリプシンなどの酵素によるタンパク質の酵素的加水分解で、元の大きく長い構造を分解し、得られたアミノ酸断片を元の推定アミノ酸配列と構造に戻す方法です。酵素的加水分解と多価情報判定は非常に難しく、別途機器が必要なため、この種の検査サービスは現在、生化学または組織学関連のラボでのみ提供されています。
 図3 LCMSによる多価イオンによるメタロチオネインの分子量推定 |
現在、LCMSにはシグナルを直接比較できるデータベースがないため、有機物質の検出と分析には、まずGCMSシステムを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、MA-tekの分析サービスの範囲は、(a)サンプル間の差異や類似性の分析、またはOK/NGサンプルの比較、(b)標準物質または参照物質の分析、(c)水溶性汚染物質または残留物の分析、(d)GCMSでは分析できない試料で、研究や議論のために質量分析データを得たい場合に限定されます。
MA-tekはお客様ご指定の機器システムでの分析だけでなく、試料中の未知成分や異物の分析サービスも提供できます。
