解説
異物分析における熱分解ガスクロマトグラフィー
質量分析法の活用
熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析法は固体や液体に対し，前処理不要で高感度，高分離能で測定が可能であり，異物分析において第一手法的に適用されている FTIR で解析が困難となる混合物など複雑な組成のサンプル対応手法として期待できる．異物分析に応用するためには，広範囲にわたる参照データの蓄積や物質ごとの特徴的な熱分解生成物の把握が重要となる．本稿ではその概要についてまとめる．

木

1 は じ め に異物は生産現場や流通過程などあらゆる過程で発生

下健司の手法の一つである熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析法（Py-GC/MS）の適用について示す．異物分析の手法として必要となる主な要素を以下に挙げる．

し，生産や製品流通を中断されることにもつながり得る・得られる結果から構造の推定につなげられること悩みの種であり，その解決の一歩として異物の正体を突・微小な物体でも測定が可能であること

き止めるべく，日々異物分析が行われる．なお，「異物」・固体や液体を直接測定対象とできることという言葉は，一部定義づけがなされているものがある

最初の要素は，データベースなど参照データが広範囲ものの，日常的には共通の定義に基づいた形で用いられで存在し，得られるデータがサンプル間で識別が可能でているわけではなく，同じ物体であっても，「異物」やあることを意味する．

「ごみ」など主観的に言葉が選択されている．本稿では一般に有機物を対象とする際には第一手法的に FTIR

「当事者間でその存在が想定外である物体」程度の意味が適用されている．FTIR は簡便・迅速にスペクトルが合いをもった対象を「異物」とする．

得られる他，データベースが豊富であること，赤外顕微

2 異物分析法概要

鏡により微小試料（約 10 μm～）の測定が可能である
こと，液体や固体を直接測定可能であること，測定後の実際に異物として現れる物体は多種多様であり，存在試料回収が可能であることなど様々な特徴があり，それ形態としては外部からの混入，移行や変質など内部成分らは異物分析における利点となる．一方，弱点として数に由来するもの，表層の微小な凹みや荒れによって目視μm 以下の極微小物体や多成分混合物体は解析が困難とでは異成分が存在しているように見えるものの他，分析なる場合が多くなる．前者に対しては代替手法として顕の際には，「トラブルの原因として異物があったのでは微レーザーラマン分光分析などが期待できる．しかしなないか」と，その存在が仮定されたものもある．サイズ

がら混合物に対しては，分光分析的手法では各成分を足的には目視確認の難しい μm オーダーから cm オーダーし合わせたスペクトルとなるため，解析の顕著な改善はまで様々である．成分的には有機物，無機物，また生物難しい．また，異物のような組成が不明で少量もしくは（由来成分）も異物になり得る．さらに単体とは限らず微小であるサンプルには，前処理で成分分離を適用する

多種混合状態であることも多い．そのため，異物の成分ことが難しい．上記の理由から，複数成分混合状態の異調査を行うには多角的な視野が要される．異物分析の大物の対策として，成分分離の要素を含む Py-GC/MS をまかな流れとして，はじめに十分な状態観察（光学顕微挙げることができる．

鏡，レーザー顕微鏡など）を行った後，成分分析に進む．成分分析については非破壊で測定後にサンプル回収

3 Py-GC/MS についてが可能である手法から順々に行い，蛍光 X 線分析やPy-GC/MS はポリマーなど固体試料をはじめとするSEM-EDS などによる元素分析やフーリエ変換赤外分光

難揮発性成分を GC で分析する方法であり，熱分解装分析（FTIR）などによる有機分析が適用される．本論

置（パイロライザー）を試料導入部の上流側に設置し，ではこうした分析手法の中で有機分析手法に着目し，そ固体試料を数百度で加熱して生じる熱分解生成物をガスクロマトグラフへ導入し分離検出する．図 1 に概要をContaminant Identification by Pyrolysis-Gas Chromatography/Mass
Spectrometry.
ぶんせき 2022 10

示す．得られるクロマトグラムはパイログラムと呼び，解析は 2 段階で行う．すなわち，はじめに通常の GC/381

図1Py-GC/MS の概要

MS と同様に検出されたピークについて，ライブラリ検という利点がある．異物分析のための手法という観点か索を行いながら化合物推定を行い，その後に検出されたら考えると，先に示した分析手法に求められる要素に加成分の全体的なパターンから熱分解したサンプルがどうえ，成分分離という大きな利点を有する．しかしながいった物質であったのかを推定する．ポリマーには JIS

ら，定性に際し必要となる参照データについて，合成高規格（JIS K6231）にあるように，主要な分析方法の一分子は既に成書などある程度まとめられたものがある一つとして用いられている．

方，それ以外については比較的少ないという弱点があ

Py-GC/MS を異物分析で適用する際の測定条件は限る．FTIR が異物分析手法として優れている点は先に示定的とする必要はないものの，条件設定について大まかしたが，中でも他の手法と比較して優位性が高い点としな目安を以下に示す．熱分解装置のタイプは小型加熱炉てデータベースが豊富であることと，歴史が長く吸収型やキュリーポイント型などがあり，いずれの方式も適ピークについての解釈の深さが挙げられる．後者につい用可能と考えられるが，前もって試料加熱温度の検討をては吸収ピークと官能基の関係性の把握を深くすること行うには，昇温加熱を行いながら生じたガス成分を分離で，解析結果の信頼性を増すことができる．Py-GC/MSせずに質量分析計へ直結する方法（発生ガス分析）が可においても，異物分析の手法として適用するうえで最も能なタイプが望ましい．また，GC 条件について，異物重要となる要素は，参照データ（データベース）の充実の構成成分は多様であり，熱分解生成物は保持の弱い成と各物質における特徴的な熱分解生成物の把握と考えら分から高沸点成分まで検出されうるため，耐熱性の高いれ，広範囲な対象について測定データを収集することがカラムを使用してカラムオーブン温度を低温から高温ま求められる．そして，FTIR において，赤外線吸収スペで広範囲で設定することが薦められる．なお，本稿に示

クトル上のピークと官能基の関係性についての知見が蓄した各図における測定条件は，熱分解温度を 600 ℃（反積されているように，Py-GC/MS においても，パイロ応熱分解法は 300 ℃），微極性カラムを適用し，オーブグラム上のピーク（熱分解生成物）と測定対象の関係性

ン温度 40 ℃ から 330 ℃ 前後までの昇温条件としていについての知見を蓄積する必要がある．ある物質における．

る特徴的な分解生成物（パターン）を把握し，それらをPy-GC/MS の特徴として，固体・液体がそのまま前処理を要せずに測定可能であること，合成高分子を中心指標として解析を行うことで，多成分混合異物から複数の成分の存在を推定することが期待できる．

として成分未知試料から構造情報を得られること，高感度で必要サンプル量が少量（多くの場合 0.1 mg 未満）であることのほか，キャピラリーカラムによる高分離能382

ぶんせき 2022 10リル系ポリマーは様々なコポリマーが存在しており，熱4 特徴的な成分の探索

分解生成物として MMA を持つコポリマーは多数に及ある対象（群）における特徴的な成分を探索する流れ

ぶ．そのために他のモノマーの存在にも注意したうえで，MMA のみが検出されるという特徴を PMMA と推について主なものを示す．

定する際の指標とする．また，図 3 に混合物パイログ

4･1 合成高分子

ラム例を示す．多数のピークが確認できるが，このパイゴムやプラスチックについては，データの蓄積が豊富

ログラムからアルカジエン／アルケン／アルカンからなるでありデータ集や書籍も市販されている．図 2 に 4 種炭化水素群（炭素数 10 の場合 1,9 ─デカジエン／1 ─デセのポリマーについてパイログラム例を示す．全体的な傾ン／デカン）の連鎖と安息香酸や安息香酸ビニルなどの向として，モノマーもしくはそれに近い形態の熱分解生組み合わせを確認し，それぞれポリエチレンの特徴とポ- a）を例にとると，メタクリル成物が検出される．図 2（リエチレンテレフタレートの特徴であることを見いだす

酸メチル（MMA）の高いピークが確認できるが，アクことで，両者の混合物であることを推定できる．

図 2 合成高分子のパイログラム例（a）ポリメタクリル酸メチル，（b）ABS 樹脂，（c）ポリプロピレン，（d）ポリ塩化ビニル

図3ぶんせき 2022 10

混合物パイログラム例3834･2 類似するパイログラムを示すサンプルが複数存在する場合

4･3 構造推定が困難なピークが多い場合
一般にポリマーの熱分解生成物は多数に及び，特に天世に存在する物質は無数であり，それぞれ固有の熱分然高分子において，構造推定に至らない化合物の比率が解生成物を見出すことは難しい．そのために，類似する多くなる．例としてロジンサンプルのパイログラムを性質の個体同士をまとめ，それらに共通する特徴を見い- a）においてはピークの塊が確認で
図 5 に示す．図 5（だすことが薦められる．図 4 に 3 種の動物組織のパイログラムを示す．

きるものの，デヒドロアビエチン酸メチル以外は，ライブラリ検索からアビエチン酸系化合物である可能性を考

動物組織は FTIR で測定するとタンパクのスペクトルを主体とした波形を示すが，Py-GC/MS においてもパ（a）

イログラムの大半はタンパク由来成分が占める．そのほかに共通する成分として，動物ステロール類が検出され3る．そのために，動物組織としての特徴はタンパク熱分解生成物や動物ステロール類とまとめることができる．
（例外的に食餌の影響により小型の虫等では動物ステ

5.00

10.00

15.00

20.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

3（b）

ロールと共に植物ステロールが検出される場合がある．）
動物組織の中でさらに細かく分類することを試みる場
合，複雑なパイログラムから指標となる化合物を探索する作業となるため，必要に応じて多変量解析を用いたデータ解析なども適用しながら解析を行う．その更なる- b）は二硫化炭素のピークが確分類の例として，図 4（

2. イソピマール酸メチル
3. デヒドロアビエチン酸メチル
4. アビエチン酸メチル

25.00

3（c） 1. サンダラコピマール酸メチル

214

認でき，爪や角，髪などの硬タンパクを多く含有する組織の特徴と考えられる．（c）はトリメチルアミンが検出され，海生生物の組織に共通して確認される．

5.00

10.00

保15.00

持時間20.00/25.00min

図 5 ロジンサンプルのパイログラム例（a）TIC，（b）m/z 239-248 マスクロマトグラム，（c）反応熱分解法

図 4 動物組織のパイログラム例（a）血液，（b）爪，（c）魚粉384

ぶんせき 2022 10

えられても化合物推定には至らない．このパターンはピーク面積のバランスに差異はあるものの，他のロジン系物質にも共通して確認される．そのため，それらをアビエチン酸系ピーク群と見なし，デヒドロアビエチン酸メチルと合わせてロジン系物質の特徴とする．ロジン関（a）0.070.06

0.04

Abs0.02

連成分は工業材料においても，粘着賦与剤やフラックスにも用いられており，クロマトグラム上で目立たず他の- b）成分に紛れた状況で検出される場合が多く，図 5（04000（b）2000のようなマスクロマトグラムにてピーク群を確認するこ

5

エステル結合を有する化合物は分解パターンが比較的複雑で，構造推定が難しい熱分解生成物が多い．エステル系成分である可能性が考えられた場合，メチル誘導体化を伴う反応熱分解法が適する．その手法は単純であ2650

1. ブタジエン
2. アクリロニトリル
3. クロロプレン
4. ベンゼン5. ブタジエン二量体
6. クロロプレン二量体
7. ポリクロロプレン分解生成物とが有用である．

4･4 メチル誘導体化が有効な場合

1000

Wavenumber［cm−1］

147635.00

10.00

保持時

15.00

間/

min

20.00

25.00

図 6 異物サンプルの測定結果比較（a）赤外線吸収スペクトル，（b）パイログラム

り，測定容器にサンプルと共にテトラメチルアンモニウ
ムなどの試薬を滴下し，同時に加熱することでエステルなども同時に検出されており，NBR 以外にクロロプレ結合が加水分解されると同時にメチルエステル化されたンゴムが共存していることも推定できる．

分解生成物が検出される．上記で示したロジン系物質の- c）に見られるよ場合，反応熱分解法を適用すると図 5（5･2 油脂を主体とした異物

うに複数のアビエチン酸系化合物のメチルエステル体が異物の形態は固体に限らず，液状～半固形状など様々検出され，それらはロジン系物質における分かりやすいであり，そうした性状で確認される物質の一つに油脂が特徴となる．

ある．Py-GC/MS においてはそのまま熱分解すると複5 異物分析への適用事例を想定しながら三つのケースを挙げて，異物分析における Py-GC/MS の活用を示す．

雑なパイログラムとなる一方，メチル化を伴う反応熱分解では高級脂肪酸メチル化体が目立ち，解析しやすいパイログラムが得られる．脂肪酸組成に着目すると，植物油をはじめとして不飽和脂肪酸の組成が多様であり，確認される組成のパターンからある程度の範囲において油

5･1 FTIR では主要成分の検出が難しいもの脂の識別を期待できる．しかしながら油脂が異物として主要ポリマーの共存成分に無機が多く含まれる素材を現れる場合，幾ばくかの変質（酸化劣化）を生じている

FTIR で測定すると，ポリマーの吸収ピークの重要部分ことが多く，その変化はパイログラムにも反映される．

がフィラーのピークに埋もれてしまい解析が難しくな

図 7 に酸化劣化前後のサラダ油のパイログラムを示す．

る．比較的頻度の高いサンプルの例として無機充填剤劣化後では不飽和脂肪酸のピークが減少または消失し，（フィラー）を多量に含むゴム材がある．ゴム材の多くその代わりにアゼライン酸ジメチルなどカルボン二酸やはプラスチックと比較して添加剤や充填剤の割合が多エポキシ化高級脂肪酸，低級脂肪酸（いずれもメチル化く，ポリマー以上にスペクトルの面積を占める場合があ体）が検出される．そのため，不飽和脂肪酸を指標としる．

た解析が行えず，油脂間の識別できる範囲は狭くなる．

ある異物について FTIR で測定したスペクトルを図逆に，「油脂が酸化劣化したもの」を示すためにはカル6（- a）に示す．スペクトルにはシリカの幅広い吸収が目

ボン二酸ジメチル化体やエポキシ化脂肪酸メチル化体は立っており，辛うじてニトリルゴム（NBR）が存在す指標として適用することができる．

る可能性が考えられる程度であった．同サンプルのパイ

実際には関連する油脂サンプルとの比較や識別が求め- b）に示す．無機フィラーは不揮発性
ログラムを図 6（られるケースもあり，不飽和脂肪酸以外の成分から解析であるため，一部炭酸塩における二酸化炭素の発生などを行わなければならない．ある事例においてエラストを除き，Py-GC/MS ではピークは現れない．パイログ

マー部品に少量の液状の異物が発見され，先に FTIR でラムには FTIR にてその存在が示唆された NBR の熱分測定した結果，油脂が酸化劣化したものである可能性が解生成物であるブタジエンやアクリロニトリルが検出さ考えられた．その結果をもとに，何に由来するのかを調れ，明確にその存在を示すことが可能である．さらに，べるために，液状異物および使用環境で用いられていた

NBR 由来以外の成分としてクロロプレンやその二量体植物油数種についてそれぞれ反応熱分解法で測定し，パぶんせき 2022 10

385

イログラムを比較した．図 8 に液状異物のパイログラ

酸のバランスが他の油脂サンプルと異なるほか，イソミムを示す．パイログラム上には不飽和脂肪酸は飽和脂肪リスチン酸など分岐型の炭素鎖を持つ脂肪酸が目立つ程酸よりも小さなピークであり酸化劣化の兆候が示唆され度に検出されていることが確認され，それらの飽和脂肪た．また，飽和脂肪酸に着目すると，ミリスチン酸／ペ酸のパターンは年齢や発生場所によって変化はあるもの

ンタデカン酸／パルミチン酸／マルガリン酸／ステアリンの，皮脂の飽和脂肪酸組成1）に近似すると考えられた．

図 7 サラダ油のパイログラム例（a）未劣化／瞬間熱分解，（b）未劣化／反応熱分解，（c）劣化／反応熱分解

図8386

液状異物のパイログラム
ぶんせき 2022 10また，脂肪酸以外にスクアレンやコレステロール類が検2）おり，そうした課題にも回答を得なければならない．そ出され，いずれも皮脂の含有成分である ．こうしたパれゆえに，菌類の関与の確認を含めた異物分析手法に必イログラムのパターンやエラストマー部品が顔に接触す

要な条件は，測定結果から主な成分が菌類であるかを推ることもあることから，液状異物は使用された植物油で定でき，なおかつ菌類以外の成分情報も得られることとなく，皮脂に由来すると考えられた．

考えられる．FTIR にて菌類を測定するとある程度特徴的なスペクトルを得ることができるが，類似パターンの5･3 菌類の確認を要する場合生物サンプルや多成分共存の可能性を鑑みると実際的な異物の中には生物に由来するケースもあり，虫などの判断は難しい．

はね

場合には拡大観察を行うことで翅や体の一部といった組

上記の背景から Py-GC/MS の適用可能性を確認する

織を確認できることが多いものの，カビをはじめとするため，専用のラボで培養されたカビや酵母など 10 種以菌類は観察による判断は困難となる．実例においても異上の菌類を測定し，得られたパイログラムにおいて菌類物が発生した環境に水分がある場合には，外観の印象とに特徴的な成分，すなわち菌類に共通して検出され，かして菌類が予想されるケースが多く，当事者にとって異つ他の物体とは異なる熱分解生成物パターンの探索を物が菌類であるか否かの判別は印象的にも重要であり，- a）に菌類のパイログラム例を示す．セル行った．図 9（

客観的で正確な判断を行わなければならない．必要とさロース分解生成物，グルコサミン様化合物（ライブラリ

れる情報が「菌類であるかどうか」のみに絞られるので検索では N ─アセチルグルコサミンメチルエーテルが近あれば，成分分析的な手法でなくとも，異物を採取し培しいものとして確認される），タンパク系，エルゴステ養して確認される物体を調べることができる．しかしなロール類などが検出される．グルコサミン様化合物は菌

がら，実際に必要な情報は「異物が菌類（もしくはそれ類の細胞構成成分に由来すると考えられ3），菌類以外でに由来するもの）かどうか」の他に，「菌類でない場合- b）のように軟骨や虫の組織などにおいても検は図 9（にはそれが何であるか」や「菌類がいた場合でもそれ以出される．エルゴステロールは菌類の代表的なステロー外にどのような成分がいるのか」といった内容を含んで- c）のクラミドモナス
ルであり4），菌類以外では図 9（

図 9 パイログラム例（測定条件と時期は異なる）（a）クモノスカビ，（b）蛾の触角，（c）クラミドモナス
ぶんせき 2022 10

387

（コナミドリムシ）などにおいても検出される．これらされる．の熱分解生成物の一つ一つに注目すると他の対象群において確認されるものの，同時に検出されるパターンは菌類に特徴的と考えられる．
なお，筆者の経験した範囲において，実際に現れる異物は，上記の菌類に特徴的な成分のピーク面積の比がサンプル間で大きく異なることがあり，場合によりピークが小さく確認が難しくなる．また，プラスチック類と比較して明確なピークを得るための必要試料量は多めになるため，菌類が想定される場合には，サンプル量を通常よりも増加し，感度面で装置条件を調整したうえで測定

文

献1） B. Boughton, R. M. B. Mackenna, V. R. Wheatley, A, Wormall : J. Invest. Dermatol., 33, 57（1959）.
2） D. T. Downing, J. S. Strauss, P. E. Pochi : J. Invest. Dermatol.,
53, 322（1969）.
3） S.C. Moldoveanu :“Analytical Pyrolysis of Natural Organic Polymers”，p.300（1998）,（Elsevier, Amsterdam）.
4） 秋久俊博，小池一男，木島孝夫，羽野芳生，堀田 清，
増田和夫，宮沢三雄，安川 憲，“資源天然物化学”，p.114（2002）,（共立出版）.
●を行うことが薦められる．

●

木下健司（Kenji Kinoshita）
地方独立行政法人 東京都立産業技術研究6 お わ り にセンター（〒135 ─ 0064 東京都江東区青海 2 ─ 4 ─ 10）．東京薬科大学大学院．博士

本稿では異物分析の手法の一つとして Py-GC/MS を（生命科学）．《現在の研究テーマ》材料の挙げてその特徴や活用法を示した．Py-GC/MS の活用

不具合解析のための分析手法開発．
《趣味》

は，得られる成分情報の拡大に寄与できるものの，まだコントラバス．

発展段階であり，その活用法について更なる深化が期待

原稿

募集

話題欄の原稿を募集しています
内容：読者に分析化学・分析技術及びその関連分野の話題を提供するもので，分析に関係ある技術，化合物，装置，公的な基準や標準に関すること，又それらに関連する提案，時評的な記事などを分かりやすく述べたもの．
但し，他誌に未発表のものに限ります．
執筆上 の注意：1）広い読者層を対象とするので，用語，略語などは分かりやすく記述すること．2）
啓もう的であること．3）図表は適宜用いてもよい．4）図表を含めて 4000 字以内（原則として388

E ─ mail : kinoshita.kenji@iri-tokyo.jp

図・表は 1 枚 500 字に換算）とする．
なお，執筆者自身の研究紹介の場とすることのないよう御留意ください．
◇採用の可否は編集委員会にご一任ください．原稿の送付および問い合わせは下記へお願いします．
〒 141 ─ 0031 東京都品川区西五反田 1 ─ 26 ─ 2
五反田サンハイツ 304 号（公社）日本分析化学会「ぶんせき」編集委員会〔E ─ mail : bunseki@jsac.or.jp〕

ぶんせき 2022 10