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1 ガスクロマトグラフについて ( 化学総合実験第一補足資料 ) ガスクロマトグラフィーの原理 ガスクロマトグラフ装置およびその使用法 データ集録ソフトの使用法 解析に関する参考資料 用語補足説明ガスクロマトグラフィー : ガスクロマトグラフ : ガスクロマトグラム : 分析手法を指す装置を指す測定結果のチャートを指す 平成 22 年 3 月 25 日改訂

2 ガスクロマトグラフィーの原理 (1) 分析する試料 カラム 本実験で使用する島津製ガスクロマトグラフ GC8AIF では 検出器として水素炎検出器 カラムとしてパックドカラムを採用している キャリアーガスは N 2 を使用する キャリアーガス (N 2 ) 水素炎検出器 (H 2 + 圧縮空気 ) ガスクロマトグラフィーは カラム内の吸着剤との相互作用が分子ごとに異なることを利用して試料分析を行う分析方法である 試料は キャリアーガスに押し出されることにより 吸着剤を充填したカラム内を移動し 水素炎検出器に到達する カラム内を移動するのに要した時間を 保持時間 と呼ぶ 吸着剤表面と試料分子との相互作用時間は分子ごとに異なる その違いはわずかであるが カラムを移動する間 何回も吸着と脱離を繰り返すことにより 結果的に 保持時間の違いは相当なものになる この保持時間の違いを利用して分子を分離検出し 試料中にどのような分子が含まれていたかを分析する ( 左下図参照 ) 3 種類の異なる物質がカラム内を移動する様子を示した模式図 ( Introduction to Gas Chromatography by Drs. B. Kreuz and R. Dusenberyより転載 )

3 ガスクロマトグラフィーの原理 (2) 検出器に到達した分子は 水素による高温の炎によりイオン化される できたイオンを電極により捕集し イオン電流として測定することで 試料がカラム内を移動し終わり 検出器に到達したことを知ることができる イオン電流値を時間を追って記録することにより左下図のようなガスクロマトグラムが得られる ガスクロマトグラム上の各ピーク位置から保持時間を知ることができる イオン電流 実際はイオン電流に比例した電圧 保持時間は カラム長さ キャリアーガス圧力などの装置および実験条件で異なるため その絶対値は大きな意味を持たず 解析には相対値を用いる 各ピークの面積はイオン電荷の総量を意味し イオン電荷総量はカラムを移動した元の分子の数に比例する 従って ピークの面積からその分子が試料中に何モル含まれていたかを知ることができる ただし イオン化される効率は分子により異なるため 感度補正が必要である この補正を行うためのファクターが 相対モル感度 である ( 本実験に関係ありそうな分子の相対モル感度はテキストに表としてあげてある ) 相対モル感度を用いて補正を行うことにより ガスクロマトグラム中にピークを与える各分子のモル比を知ることができる さらに 反応において cis-2-buten のほとんどは未反応であると仮定することにより 反応生成物のモル数を知ることができる 保持時間

4 ガスクロマトグラフ装置と使用法 (1) データ集録装置 +PC 温度設定 INJECTOR ( 試料導入口 ) こっちを使う 水素炎検出器 レンジ切り替え ( カチカチ (2 回 ) で 1レンジ変わる ) 水素発生器 ストップバルブ 本体バルブ ボンベ 2 本 キャリアーガス (N2) 1 本圧縮空気 1 本 2 次圧ゲージ 1 次圧ゲージ ボンベ元栓 レギュレータバルブ 窒素ガスボンベの元栓 レギュレータバルブ ストップバルブ 本体バルブの順に操作し 始めに2~3 分間程度 窒素 ( キャリアーガス ) をカラムに流す ボンベの2 次圧は5kg/cm 本体への導入圧力は測定時の圧力に設定 (.5kgf/cm 2 ) する 本体バルブは キャリアーガス1 2 とも使用する ガスクロマトグラフGC8AIF 本体の電源を入れ カラム温度 (COL) は6 インジェクション温度(INJ) は9 に温度設定する 1 と同様のレギュレータ操作により圧縮空気を水素炎検出器に導入する ( 水素炎検出器は 1 2 とも使用する ) 圧縮空気のレギュレータ 2 次圧は 2kgf/cm 2 とし 本体への導入圧力は本体バルブにより.1kgf/cm 2 とする 本体バルブにより本体への水素の導入圧力を.9kgf/cm 2 に合わせる ライターを用い水素炎検出器に点火する 点火後 火が点いていることを確認したら ( 注 ) 水素 圧縮空気とも圧力を.6kgf/cm 2 にする ( このとき火を消してしまわないようゆっくりと圧力を調整する ) ( 注 ) 水素と空気の燃焼なので 水蒸気が出る ライターの先端を検出器に近づけ 水蒸気がライターに付着するかどうかで点灯状態を確認できる

5 ガスクロマトグラフ装置と使用法 (2) データ集録装置 +PC 温度設定 INJECTOR ( 試料導入口 ) こっちを使う 水素炎検出器 レンジ切り替え ( カチカチ (2 回 ) で 1レンジ変わる ) ストップバルブ 本体バルブ ボンベ 2 本 キャリアーガス (N2) 1 本圧縮空気 1 本 2 次圧ゲージ 1 次圧ゲージ ボンベ元栓 レギュレータバルブ しばらくウォームアップ ( つまり時間をおく ) 後 使用可能となる 注射器を用い INJECTORから試料をカラムに導入する ( 次ページ参照 ) と同時にデータ集録を開始する ( ソフトの使い方は後述する ) 1 3 のレンジで測定を開始し レコーダー上でスケールオーバーしそうになったらレンジ切替スイッチにて感度を1 4 にする 標準ガス ( スプレー缶 ) に対する測定のときは1 4 レンジからスタートする 試料がカラムから排出され終わったらデータ集録を中止する 水素発生器 使用後の片付け : 1 2 H 2 圧縮空気を止める レギュレータのバルブを閉める ( 別のグループがガスクロマトグラフを使用していないことを確認してからバルブを閉めること ) 温度 (COL INJ) を室温以下に設定 COL 温度が十分室温以下になったらN 2 を止め 電源を切る 最後にレギュレータ ボンベの元栓を閉める カラム室のトビラを開けるとカラムからの放熱が速い

6 ガスクロマトグラフ装置と使用法 (3)~ 試料導入 試料採取のためには まず液体窒素を用いて試料採取セル内に分析したい試料をトラップする 室温に戻した後室温に戻した後 試料採取用セルのシリコンゴムの部分に注射器を刺し ( 注 1) 注射器内に試料を微量採取する 注射器内の試料をガスクロマトグラフのINJECTOR 部から試料をカラムに導く ( 注 2) 試料採取セル ( 注 1) 試料捕収容器はそのままでは減圧状態となっている 従って注射針を差し込んでも試料を採取することができないので 容器のバルブを一旦開いて大気圧に戻してから 戻してから試料採取を行うこと 試料中に空気が入っても問題ない ただし このとき 長時間バルブを開けたままにすると せっかくの反応生成物が飛び去ってしまうので注意する シュッと音がする間だけバルブを開けていれば良い ( 注 2) INJECTORはキャリアーガスの影響で加圧状態になっているため 注射器のシリンジ内筒を押さえながら刺し込むこと ( 左図および写真を参照 ) ( 注 3) INJECTOR 部にもシリコンゴムが内臓されており 一回の分析において都合 2 回注射針をシリコンゴムに刺す作業を行う このとき注射針がゴム片で詰まってしまうと 試料採取と分析カラムへの注入がうまくいかない 確認しながら作業を進めるとよい 注射器の扱いには十分注意すること 折れた注射針 割れたシリンジ ( 筒 ) は産廃となるので ゴミ箱に捨てないこと

7 データ集録ソフトの使用法 (1) ~VI Logger の起動 デスクトップ上の VI Logger(NI-DAQmx) アイコンをダブルクリックし 開いたウィンドウ左のツリー中にある My VI Logger Task1 を選択する コレ

8 データ集録ソフトの使用法 (2) ~ ベースライン補正 前述のように 標準ガス ( メタン エタンなど ) に対するガスクロマトグラフを測定するときは 1 4 レンジで Cis-2-buten を含むサンプルに対しては 1 3 レンジで測定を開始する レンジ切り替えスイッチはココにある Cis-2-buten を含むサンプルの分析を行う前には ベースライン補正を行う ガスクロマトグラフのウォームアップが十分できたら 以下に従いベースライン補正を行う VI Logger ウィンド内の Run task をクリックし 電圧測定を開始する ( 詳しくは次ページ ) まず 1 4 レンジにし 電圧値を確認する 現在の測定電圧値はグラフの右上に表示される 次に 1 3 レンジにし 1 4 のときとほぼ同じ電圧値を示すように Coarse または Fine つまみでベースラインを調節する

9 データ集録ソフトの使用法 (3) ~ データ集録の開始 シリンジ ( 注射器 ) によりガスクロマトグラフへ試料を導入すると同時に Run task ボタンをクリックし データ集録を開始する データ集録を開始する前に 次に続く 2 ページ ( オーバーフローに対する対応 ) と 重要な注意事項のページは必ずチェックすること

10 データ集録ソフトの使用法 (4) ~ 測定中 縦軸は ±8mV が限界で それを越えるとオーバーフローしてしまう オーバーフローしてしまった場合 解析不能となる可能性が高いので ディスプレイツールをうまく使い監視しながらデータ集録を継続する ( 次ページも参照のこと )

11 データ集録ソフトの使用法 (5) ~ オーバーフローしそうだ! オーバーフローしそうな ( 電圧が ±8mV を超える ) 時は レンジ調節つまみによりガスクロ本体の感度を 1 分の 1 に変える必要がある ( 例えば レンジを に変更する ) この変更によりピークは右下に 印をつけた図のように見えるが 解析時にデータ加工し 滑らかにつなげることが可能である 本当はこんなピー保持時間クだが オーバーフローしてしまった これではピーク位置不明 保持時間 途中で感度を変える 画面上の電圧変動を良く見て オーバーフローする直前にレンジを変えるか否か判断します 1 4 保持時間 ピーク強度が小さくなってきたら感度を元に戻そう ピークテールに含まれる小さなピークを見逃してしまう

12 データ集録ソフトの使用法 (6) ~ データ集録の終了とデータ保存 データ集録終了時は Stop task ボタンをクリックする ( ソフトウェアの使用に際しては次ページに注意事項を列挙するので データ集録終了前に必ず確認のこと ) その後 View in Excel ボタンをクリックすることにより集録データを保存 解析することができる 集録データは 班ごとにディレクトリをつくり ひとまとめにしておくこと ディレクトリ名は 自分達だけでなく 誰もがわかるような名前が望ましい 例えば マイドキュメント VI Logger Data My VI Logger task1 26 年 7 班 ****.xls など また ファイル名も特徴あるものにしておいた方が 他の班に上書き保存されてしまう危険性が減る 保存したファイルは各自 USB メモリに速やかにコピーすること ハードディスク内のデータは次年度 4 月に消去する 自宅に解析用 PC を持っていない学生は実験室内の PC および プリンターを使用することができる 担当者に相談のこと

13 データ集録ソフトの使用法 (7) ~ ソフトウェア使用時の注意事項 Stop logging ボタンをクリックすると データがリセットされ データ集録は継続される 特に理由がない限り クリックしない方が安全である View in excel ボタンをクリックすることによりエクセルに転送されるデータは クリック時にグラフ上に表示されているデータのみである 従って すべての集録済みデータを保存するためには View in excel ボタンをクリックする前に ディスプレイツール中のアイコンにてデータの全体を表示させること データ転送に失敗したことが解析中に判明したときは 担当者に申し出ること 実験で使用したPCからオリジナルデータを再現できるかもしれない これを怠ると解析時に延々と悩むことになるかもしれない View in excel ボタンをクリックするとき 保存前のデータ ( デフォルトのファイル名がつけられている ) が表示されていると エラーがでることがある 測定したデータは速やかにファイル名をつけ 保存しておくと良い

14 データ解析 ( ピーク同定 ) ~1/3 まずは標準ガスのガスクロマトグラムと比べ メタン エタン エチレン イソブタンが含まれているか確認しよう ただし 試料導入やデータ集録開始のタイミングはばらつく上 キャリアガス圧力などにも時間変動があるため 完全に一致することは稀であろう 種々の要因による保持時間のばらつきを見るため 分解生成物分析の前後に標準サンプルのガスクロマトグラフを測定しているはずである それ以外のピークについては 次ページの表を参考に同定する それでもわからなかったら 次々ページの沸点と相対保持時間との関係を利用し 推定する ただし この方法による同定の精度は低い 実験室には 下に上げた標準サンプルも用意してあるので それらの保持時間を測定し 比べてみることができる 希望する場合は申し出ること 1-ブテン イソブテン プロパン プロピレン n-ブタン アセチレン トランス2ブテン なお 今回使用したカラムの仕様は以下のとおり ステンレス製内径 3mm 長さ 3m 充填剤 =ODPN(β,β - Oxydipropionitrile)/wt. 16%; 活性アルミナ担体 ; 最高使用温度 9 ; 粒度 6~8

15 データ解析 ( ピーク同定 ) ~2/3 今回使用するカラムでの各種炭化水素の相対保持時間とモル感度を下表に示す 相対保持時間 沸点 / 相対モル感度 水素メタン エタン エチレン プロパン プロピレン Iso-ブチレン n-ブタン Iso-ブタン アセチレン ブテン Trans-2-ブテン Cis-2-ブテン

16 データ解析 ( ピーク同定 ) ~3/3 近似的に 物質の沸点と保持時間 ( ガスクロマトグラフのピークを与える時間 ( ピーク位置 )) の相対値との間の関係は 直線になる ことが知られている これを利用すると 例えばメタンと Cis-2- ブテンのピークがはっきりしているとき この 2 点から得られる一次関数から未知ピークの大まかな沸点が予想できる ( 下図参照 ) この沸点の予想から未知試料の見当をつけることができる 未知のピークの 相対保持時間の対数 相対保持時間 メタン Cis-2- ブテン 沸点 沸点の近似値がわかる

17 データ解析 ( 定量 ) また 水素炎イオン化検出器におけるガス状炭化水素の相対モル感度は ほとんどその炭素数に比例している データ解析 ( ピーク同定 )2/3 ページの表に文献値を示す ( 最新ガスクロマトグラフィー 11 応用編 船坂 池川編著 広川書店 (1965)p35 より ) 相対モル感度とガスクロマトグラフ チャート上のピーク面積比とから 各物質の生成モル比がわかる もちろん測定を行った時の Attenuation Range( レンジ切り替えつまみで選択する ) の補正は必要であるので 測定中には選択したレンジのメモを忘れないこと 例えば 注射器の中に物質 A と物質 B がそれぞれ n A n B モル含まれているとする 物質 A と物質 B の相対モル感度がそれぞれ C A C B のとき ガスクロマトグラフ上のピーク面積比は (n A C A ):(n B C B ) となる この関係を利用すると 実験で得られた面積と既知の相対モル感度とから 物質 A と物質 B のモル比を知ることができる 以上の手順で 反応によって何が どのくらい生成したかを求める

18 データ解析に関する参考 (1) ~ データ形式 スキャンレート エクセルファイルを作った時刻 一行目はバグか? 意味不明 データ番号 時間 13 分.7 秒 電圧

19 データ解析に関する参考 (1) ~ エクセルによるグラフ描画 グラフウィザードから散布図を選択し ここをクリックして X Y のデータ範囲を指定する

20 データ解析に関する参考 (2) ~ マクロの利用 グラフ描画 ベースライン差引作業を容易にするため エクセルのマクロを用意した 以下の要領でマクロを読み込み 実行すると ( 多分 ) 楽である 1 エクセルのメニューバーから [ ツール (T)]-[ マクロ (M)] -[Visual Basic Editor(V)] を指定し VBE ウィンドウを起動する 2 VBE ウィンドウメニュー [ ファイル (F)] -[ ファイルのインポート (I)] を指定し 次のファイルを読み込む マイドキュメント VI Logger Data My VI Logger task1 Module1.bas マイドキュメント VI Logger Data My VI Logger task1 Module2.bas マイドキュメント VI Logger Data My VI Logger task1 frmintegrate.frm 3 エクセルウィンドウに戻り [ ツール (T)]-[ マクロ (M)] - [ マクロ (M)] と指定し マクロウィンドウから CopySheet を実行する ベースライン差引の図を 適宜縦軸を拡大するなどしながら見て ベースラインを検出し 赤色のセルにベースライン値を代入すると ベースライン差引が行える 4 数値積分にてピーク面積を求めるために PeakAreaSearch マクロを用意した CopySheet マクロを実行した結果に対して PeakAreaSearch マクロが実行できる 5 上記 3 つのファイルと frmintegrate.frx の計 4 個のファイルをコピーすることで 自宅などの PC でもマクロが使用できる

21 データ解析に関する参考 (3) ~ レンジ変更に対する補正 測定中にレンジを変更した場合は 下図のようなガスクロチャートが得られるはずである ( オーバーフローしそうだ! ページを参照) このような時は 真ん中のへこんだ部分を 1 倍するか または 真ん中を除く両端の部分を1/1 倍することにより データを滑らかにつなげることができる 定数倍の計算はエクセルでやればよい 例えば A1 セルの値に 1 をかけた値を B1 セルの値としてほしい場合は 左図のように B1 セルに式を書くことにより 右図のような結果を得る

22 データ解析に関する参考 (4) ~ エクセルによる数値積分 ( 区分求積法の例 ) (x i+1, y i+1 ) (x i, y i ) 矩形の面積 = (x i+1 x i ) y i 例えば 左上図を与えるような (x,y) データ列 A B 25 : : 26 x i y i 27 x i+1 y i+1 28 x i+2 y i+2 29 : : に対し C26 セルに =(A27-A26)*B26 のように数式を代入することにより左下図の矩形の面積を求めることができる A B C 25 : : : 26 x i y i = (A27-A26)*B26 27 x i+1 y i+1 28 x i+2 y i+2 29 : : この計算式を C 列の他のセルにコピーすれば 左下図の矩形の面積をすべて求めることができる ( ただし最下行のデータのみ無効であるので注意 ) ピーク周辺の矩形面積の和をとることによりピーク面積を得る なお 和をとるときは =sum(b1:b99) などという数式により B1~B99 セルの和を計算することができる より精度の高い数値積分法としては 台形則 シンプソン則を使う方法などがある