ガスクロマトグラフ質量分析(GC-MS)の基礎知識｜原理・特徴・データの見方を解説

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「ガスクロマトグラフ質量分析法」（GC-MS：Gas Chromatography Mass Spectrometry）は、ガスクロマトグラフィー（GC）と質量分析法（MS）を組み合わせた分析法です。GCで混合物中の成分を分離し、MSで各成分をイオン化して、質量電荷比（m/z）に基づいて分離・検出することで、成分の同定や定量を行います。

有機化合物の分析では、複数の成分が混在していることが多く、そのまま質量分析を行うと解析が難しくなる場合があります。GC-MSでは、成分をあらかじめGCで分離してからMSで測定するため、複雑な混合物の分析に有効です。

本記事では、GC-MSの装置構成と測定原理、データの見方、得意な試料と苦手な試料、LC-MSとの違いについて解説します。

［※関連記事：質量分析器を用いた分析(主な種類と原理)：GC-MS/LC-MS/ICP-MS/GD-MS/SIMS］

１．GC-MSとは

GC-MSでは、GCとMSを連結した複合分析装置を用います。
GCは、気化した混合物をカラムで分離する装置です。一方、MSは、GCで分離された各成分をイオン化し、生成したイオンを質量電荷比（m/z）に基づいて分離・検出する装置です（図1）。

【図1　ガスクロマトグラフ質量分析計（GC-MS）の概念図】

GC-MSで得られる主な情報には、保持時間、質量スペクトル、フラグメントイオン、ライブラリ検索結果、ピーク面積などがあります。

保持時間は、成分がGCカラムから溶出するまでの時間を示します。質量スペクトルは、その成分に由来するイオンの情報を示します。これらを組み合わせることで、未知成分の推定、既知成分の確認、不純物の解析、微量成分の定量などが可能になります。

GC-MSの大きな特徴は、GCによる分離とMSによる検出・同定を組み合わせて利用できる点です。単なるGC分析では保持時間が主な情報になりますが、GC-MSでは保持時間に加えて、各ピークの質量スペクトルを確認できます。そのため、複雑な混合物中の成分解析に有効です。

２．GC-MSの装置構成と測定原理

GCとMSの役割に分けて、GC-MSの装置構成と測定原理を説明します。

（1）GC部：成分を分離する

試料の気体または液体がGCに注入されます。液体試料の場合は、試料導入部で加熱されて気化します。気化した試料成分は、主にヘリウムや水素などのキャリアガスによってGCカラムへ運ばれます。

キャリアガスは、クロマトグラフィーにおける移動相に相当します。GCでは、気体の移動相が測定成分をカラム内で前方へ運びます。GCカラム内には固定相があり、各成分は固定相との相互作用や沸点の違いによって異なる速度で移動します。その結果、成分ごとに異なる時間でカラムから溶出し、混合物を分離できます。

一般に、低沸点成分や固定相との相互作用が弱い成分は早く溶出し、高沸点成分や固定相との相互作用が強い成分は遅く溶出します。また、カラムの種類、カラムの長さ、内径、膜厚、カラム温度、昇温条件、キャリアガス流量なども分離に大きく影響します。

特に温度プログラムは、低沸点成分から高沸点成分までを順番に溶出させるために重要です。適切なカラムと測定条件を選ぶことで、複雑な混合物でも成分を分離しやすくなります。

（2）インターフェース：GCとMSを接続する

GCで分離された成分は、インターフェースを通ってMS部へ導入されます。インターフェースは、GCカラムとMSを接続し、分離された成分をMSのイオン化部へ送る部分です。GC-MSでは、GCカラムから出てきた成分がMSへ入る前に凝縮しないよう、インターフェースは加熱されていることが一般的です。

ここで注意したいのは、インターフェースとイオン化部は役割が異なるという点です。インターフェースはGCとMSをつなぎ、成分を導入する部分です。一方、イオン化部は、導入された分子をイオンに変える部分です。

（3）MS部：成分をイオン化して検出する

MS部では、GCで分離された成分をイオン化し、生成したイオンを質量電荷比（m/z）に基づいて分離・検出します。

GC-MSでは、電子イオン化法（EI）がよく用いられます。
EIでは、気相中の分子に高エネルギーの電子を衝突させ、分子から電子を取り除いてイオン化します。EIはフラグメンテーションが起こりやすいイオン化法であり、分子イオンだけでなく、分子が開裂して生じたフラグメントイオンも観測されます。たとえば、ベンジルカチオン、アシリウムイオン、アルキルカチオンなど、安定なフラグメントイオンが強く観測される場合があります。これらのフラグメントパターンは比較的再現性が高いため、GC-MSではスペクトルライブラリとの照合による化合物推定がよく行われます。

一方で、EIではフラグメンテーションが激しく、分子イオンピークが弱い、または観測されにくい場合があります。そのような場合には、化学イオン化法（CI）を用いることで、分子量に関する情報が得られることがあります。

［※関連記事：質量分析法とは？イオン化法の種類など要点解説］

３．GC-MSデータの見方

（1）TICとマスクロマトグラム

GC-MSでは、測定データをクロマトグラムとマススペクトルとして確認できます。
代表的な表示方法が、全イオン電流クロマトグラム（TIC：Total Ion Chromatogram）です。TICでは、各時間に検出されたすべてのイオン強度の合計を縦軸に示します。横軸は保持時間です。TICを見ることで、試料中の成分がどの時間帯で溶出したかを確認できます。

一方、特定のm/zだけを抽出して表示したクロマトグラムは、抽出イオンクロマトグラム（EIC：Extracted Ion Chromatogram）またはマスクロマトグラムと呼ばれます。EICでは、特定成分に特徴的なイオンだけを追跡できるため、複雑な試料中で目的成分を確認する場合に有効です（図2）。
たとえば、TICでは他成分のピークと重なって見えにくい場合でも、目的成分に特徴的なm/zを抽出することで、より明瞭なピークとして確認できることがあります。

【図2　TICとEICの関係図】

（2）マススペクトルとライブラリ検索

GC-MSでは、クロマトグラム上の各ピークに対応するマススペクトルを確認できます。マススペクトルでは、横軸にm/z、縦軸に相対強度またはイオン強度を示します。最も強いピークはベースピークと呼ばれ、通常100%として表示されます。

化合物の同定では、得られたマススペクトルをライブラリスペクトルと比較します。ライブラリ検索では、測定スペクトルと既知化合物のスペクトルの類似度が示され、候補化合物が提示されます。
ただし、ライブラリ一致度が高い場合でも、異性体や類似構造をもつ化合物では誤同定の可能性があります。そのため、保持時間、標準品の測定結果、特徴的なフラグメントイオン、同位体パターン、試料情報を組み合わせて判断します。

（3）定量分析で使われるSIMモード

四重極型GC-MSでは、一定範囲のm/zを順次測定する「スキャンモード」のほかに、あらかじめ設定した特定のm/zを選択して測定する「SIMモード」（Selected Ion Monitoring）が使われます。
SIMモードでは、目的成分に特徴的なイオンを選択して測定するため、感度と選択性を高めることができます。微量成分の定量分析では、SIMモードがよく用いられます。

定量分析では、検量線を作成し、ピーク面積やピーク高さから濃度を求めます。また、試料調製や測定時のばらつきを補正するため、内部標準物質を添加して測定する内部標準法が用いられることもあります。

４．GC-MSの特徴

（1）GC-MSが得意な試料

GC-MSは、揮発性があり、加熱しても分解しにくい低分子有機化合物の分析に向いています。GCでは試料を気化してカラムへ導入するため、測定対象は「気化できること」が重要です。
また、注入口やカラム内で加熱されるため、熱に対してある程度安定である必要があります。

GC-MSが得意とする代表的な対象には、次のようなものがあります。

• 揮発性有機化合物（VOC）
• 有機溶媒
• 香料成分
• 農薬
• 残留溶媒
• 環境中の微量有機成分
• 石油・燃料関連成分
• 樹脂やゴムの添加剤
• 異臭成分
• 熱分解生成物

たとえば、環境分析では水や大気中の揮発性有機化合物、食品分野では香気成分や異臭成分、材料分野では樹脂中の残留溶媒、添加剤、劣化生成物の分析に利用されます。また、法科学や品質管理の分野でも、未知成分の推定や不純物の確認に用いられます。

このようにGC-MSは、複雑な混合物中の揮発性成分について、分離、定性、定量を行う用途に適しています。

（2）GC-MSが苦手な試料と対応方法

GC-MSは非常に有用な分析法ですが、すべての試料に適しているわけではありません。GC-MSに向かない試料には、難揮発性化合物、熱分解しやすい化合物、高分子、無機塩、金属酸化物、強く吸着する化合物などがあります。
これらの試料では、注入口で分解する、GCカラムを通過しにくい、ピークが広がる、感度が低下する、装置を汚染するなどの問題が生じることがあります。
たとえば、糖類、アミノ酸、有機酸などの強い極性をもつ化合物は、そのままでは揮発性が低く、GC-MSで測定しにくい場合があります。このような場合には、誘導体化によって揮発性や熱安定性を高めてから測定することがあります。

また、揮発性成分を対象とする場合には、ヘッドスペースGC-MSが有効です。ヘッドスペース法では、試料を密閉容器内で加温し、気相中に移行した揮発性成分をGC-MSへ導入します。食品の香気成分、異臭成分、残留溶媒などの分析に利用されます。

高分子材料や樹脂の構造・劣化解析では、熱分解GC-MSが用いられることがあります。熱分解GC-MSでは、試料を高温で熱分解し、発生した生成物をGC-MSで分析します。これにより、高分子そのものを直接気化できない場合でも、熱分解によって生じた成分のパターンから、高分子の構成成分や化学構造、劣化状態などを推定できます。

一方、熱に不安定な化合物、高分子量化合物、極性化合物、医薬品、代謝物、ペプチドなどでは、LC-MSの方が適している場合があります。GC-MSで測定が難しい場合は、試料の性質に応じてLC-MSや他の分析法を検討することが重要です。

５．GC-MSとLC-MSの違い

GC-MSとLC-MSは、どちらもクロマトグラフィーと質量分析法を組み合わせた分析法です。ただし、分離方法と適した試料が大きく異なります。

GC-MSでは、試料を気化させ、気体状態でGCカラム中を移動させて分離します。そのため、揮発性があり、加熱しても分解しにくい低分子化合物に適しています。主なイオン化法としてはEIやCIが用いられます。特にEIでは再現性の高いフラグメントパターンが得られるため、ライブラリ検索に強いことが特徴です。

一方、LC-MSでは、試料を溶液として液体クロマトグラフィーで分離します。熱に不安定な化合物、極性化合物、医薬品、代謝物、ペプチド、高分子量化合物などに適しています。LC-MSでは、ESIやAPCIなどの大気圧イオン化法がよく用いられます（表1）。

【表1　GC-MSとLC-MSの比較】

このように、GC-MSとLC-MSは競合する分析法というよりも、対象化合物の性質に応じて使い分ける補完的な分析法です。
一般に、揮発性があり、熱に比較的安定な化合物にはGC-MS、難揮発性化合物や熱に不安定な化合物、極性の高い化合物にはLC-MSが適しています。

６．まとめ

GC-MSは、ガスクロマトグラフィーによる分離と、質量分析法による検出を組み合わせた分析法です。GCで混合物中の成分を時間差で分離し、MSで各成分の質量スペクトルを取得することで、同定や定量を行うことができます。主に、揮発性があり、加熱しても分解しにくい低分子有機化合物の分析に適しています。香料、溶媒、VOC、一部の農薬、残留溶媒、添加剤、異臭成分などの分析に用いられ、環境、食品、材料、品質管理などの幅広い分野で利用されています。

また、GC-MSではEIがよく用いられ、再現性の高いフラグメントパターンが得られるため、スペクトルライブラリ検索との相性が良いことも大きな特徴です。一方で、難揮発性化合物、熱に不安定な化合物、高分子量化合物などには向かない場合があります。そのような場合には、誘導体化、ヘッドスペースGC-MS、熱分解GC-MS、LC-MSなどを検討します。

GC-MSとLC-MSは、それぞれ得意な試料が異なります。分析目的や試料の性質を理解し、適切な分析法を選ぶことが、信頼性の高い分析結果につながります。

（日本アイアール株式会社　特許調査部　H・L）

《引用文献、参考文献》

• 1）日本電子株式会社（WEBサイト）「ガスクロマトグラフ質量分析計」
  https://www.jeol.co.jp/products/science/gcms.html

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