第8-6回．TLC結果をカラムクロマトグラフィーへ応用する
こんにちは。ばけぴとです。
今回は、TLC結果をどのように活かすかを解説します。
TLC結果を見ると、カラムクロマトグラフィーでどのぐらい移動相を流せば、物質が出てくるかを考察できるようになりますので、ぜひマスターしてください。
それでは、いきましょう！
１．TLCから得られる結果（復習）
それでは、まずTLCで得られる情報について、おさらいしましょう（図１参照）。
TLCを行うことで、固定相中の展開溶媒に対する物質の移動度がわかります。
図１では、展開溶媒が4cm進んだときに、物質Aは3cm進むとわかります。
Rf値で表すと、物質AのRf値は0.75となります。これは物質Aの移動度が展開溶媒の0.75倍ということを表しています。
２．TLC結果をカラムクロマトグラフィーへの応用
２－１．移動値で考えた場合
それでは、TLC結果をカラムクロマトグラフィーに応用していきましょう（図２参照）。まずは移動値（cm）で説明します。今回は固定相を8cm積んだカラム管で説明します。TLCもカラムクロマトグラフィーも基本的に、同じクロマトグラフィーです。そのため、カラムクロマトグラフィーの移動相が固定相内を4cm進むと、TLCの結果から物質Aは3cm、物質Bは2cm、物質Cは0cm進むことがわかります。そのため、移動相を12cmぐらい進ませると、物質Aは9cm、物質Bは6cm、物質Cは0cm進みます。固定相は8cmしかないので、物質Aはカラムから出てきますが、物質B、物質Cはカラムに留まっています。つまり物質Aは単離されましたね！このようなイメージで、おおよそ移動相を10～12cmぐらい流すと、物質Aがカラムから出てくると想定できるようになります。また、図１にはありませんが、移動相が16cm進むと、物質Bは8cm進むことも計算できますね。
２－２．Rf値やパスで考えた場合
次に、Rf値で説明します（図３参照）。カラムクロマトグラフィーでは、固定相8cmを1パス(Rf=1)とします。TLCの結果から、物質AはRf=0.75、物質BはRf=0.5、物質CはRf=0とわかっています。つまり移動相が1パス{=1(Rf)×8cm}進むと、物質Aは0.75パス{=0.75(Rf)×1パス}、物質Bは0.5パス{0.5(Rf)×1パス}、物質Cは0パス{=0(Rf)×1パス}進みます。つまりRf値から何パス分進んだかがわかるわけです。そして各物質が1パス進むと、カラムから出てきます。移動相が1.5パス進むと、物質Aは1.125パス(=0.75×1.5パス)進むので、カラムから出てきますが、物質Bは0.75パス(=0.5×1.5パス)、物質Cは0パス(=0×1.5パス)進むので、カラムに留まっています。このようなイメージで分離を想定できるようになります。
３．まとめ
まとめです（図４参照）。今回は、TLC結果から、カラムクロマトグラフィーで、各物質の分離に、移動相を何パス流せば、分離できるかを解説しました。移動値での考え方、パスやRf値による考え方のどちらでもいいので、使いやすい方をマスターしていただければと思います。
次回は、TLCで展開溶媒の極性を変えると、どのように結果が変わるか解説します。
それではまた。
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第8-5回．TLC（薄層クロマトグラフィー）について
こんにちは。ばけぴとです。
今回はTLC（薄層クロマトグラフィー）について、解説していきます。
こちらも有機合成では必須の知識と思いますので、ぜひご参考に♪
今回は、TLCの操作方法→TLCでわかることの順に解説していきます！
１．TLCの操作方法
まず、TLCについて、簡単に説明します。TLCとは薄層クロマトグラフィーの略です。この意味は、「ガラス板等の上に固定相をまぶして薄い層にし、その上でクロマトグラフィーを行う」といったものです。やってることはただのクロマトグラフィーですので、あまり深く考えなくて大丈夫です👍
それでは次にTLCの操作方法を見ていきましょう（図１参照）。
①TLC板を用意する。
②TLC板に4cmの間隔を開けるように、鉛筆で線を引きます。後でRf値を求めるときに、この4cmの情報が必要です！
③TLC板に鉛筆で引いた下線上に、サンプル溶液をキャピラリー（微細なガラス管）でチャージする。
④展開溶媒（移動相や溶離液と同じ意味だが、TLCの時は特別に展開溶媒という言い方をします）を少し入れたガラス瓶に、TLC板を入れます。
⑤しばらく放置（TLC板が展開溶媒を吸い上げます。展開溶媒がサンプル溶液の位置を超えると、クロマトグラフィーが起こり、分離が始まります。）
⑥TLC板に鉛筆で引いた上線に展開溶媒が到達したら、すぐにTLC板を取り出す。
⑦もし、分離対象物質が見えない場合は、この取り出したTLC板をUV照射や発色剤に漬ける等して、可視化します。（分離対象物質が見えない場合でも、展開溶媒が上線に到達した段階で、TLC板をガラス瓶から取り出してください。）
２．TLCでわかること
それでは次に、TLCでわかることを説明していきます（図2参照）。
TLCではRf値がわかります。このRf値は展開溶媒に対する物質の移動度を示し、0～1の数値を取ります。計算方法は「Rf値 = 物質Xの移動距離(cm) ÷ 展開溶媒の移動距離(cm)」です。展開溶媒の移動距離は、上記の操作方法②で決めた4cmですね！（TLC板の底辺からではなく、鉛筆で引いた下線からの移動距離という点に注意。サンプルの移動距離と比較するので、移動距離計算時のスタート位置は鉛筆で引いた下線で揃えます。）そのため、物質Aが3cm進んだときは、「物質AのRf値 ＝ 3cm ÷ 4cm ＝ 0.75」というように計算できます。Rf値がわかると、各物質の移動度を数字として表せる（定量化できる）ので、「この固定相・展開溶媒を使えば、このぐらい移動する」といった目安を把握できます。＊展開溶媒を変えると、Rf値も変わります。つまり、カラムクロマトグラフィーで、最適な固定相・溶離液の組み合わせを見つけることができ、どのぐらい溶離液を流せば、物質がカラムから出てくるかもおおよそ計算できます。そのあたりは次回解説していきます。
それでは、本日の講義はここまで！
次回は、TLCの情報を基に、カラムクロマトグラフィーの溶離液を決定する方法を解説していきます。また、溶離液をどの程度流せば、分離対象物質がカラムから出てくるかの見積もり方法も解説します。
それではまた
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ばけぴと
第8-4回．カラムクロマトグラフィーについて（有機合成で使われる）
こんにちは！ばけぴとです！
今回はカラムクロマトグラフィーについて説明します。
今回の内容は分析化学というよりは有機化学(有機合成)の内容になります。
分析化学の知識が他分野でどのように使われているかを覗いてみましょう♪
また、有機化学を学んでいる人にとっても、カラムクロマトグラフィーを理解できる有意義な内容となっているので、ぜひご覧ください。
それではいきましょう！
１．有機合成の実験フロー（仕込み～結果まとめ）
それでは、まず有機合成の一般的な実験フローを説明します（図１参照）。反応仕込み→反応→クエンチ→分離（抽出・濃縮・カラム）→分析→結果まとめの順で進みます。有機合成でカラムが必要な理由を下記に記載しますので、興味ある人はご覧ください。
有機合成では、化学反応（構造を変えること）を起こして、ほしい物質を手に入れます。化学反応を起こすには、基本的には基質溶液（基質とは反応前の物質のこと）と試薬（化学反応を引き起こす物質）を混ぜます。すると化学反応が起こり、基質の化学構造が変わります。この構造が変わった物質を生成物といいます。「生成物ができたら終わり！」という訳にはいきません。なぜなら、化学反応後の溶液中には、生成物以外にも未反応の試薬や反応後の試薬、反応せずに残ってしまった基質が存在してしまっています。また生成物にも、想定通りに化学反応が進み、望ましい構造の生成物と、予想外の進み方により望ましくない構造の生成物が混ざってしまうかもしれません。
つまり、反応後溶液中には「基質・未反応試薬・反応試薬・望ましい生成物・望ましくない生成物、溶媒」などが存在しています。未反応試薬は基本的に「クエンチ→抽出」、溶媒は「濃縮（エバポレータ）」で取り除けますが、それ以外は前述操作では取り除けません。そのため、カラムクロマトグラフィーにより分離し、高純度の望ましい生成物を手に入れます。
２．カラムクロマトグラフィーの操作手順
次にカラムクロマトグラフィーの操作手順を説明します（図２参照）。まず、カラム管を用意し、そこに、「綿→海砂→固定相」の順で敷き詰めていきます。その後、固定相上に濃縮後の反応混合物をパスツールピペット等を用いて載せます（この操作をチャージやマウントといいます）。そしてコックを開いて、固定相にしっかりと混合物を吸着させた後、海砂を載せて、溶離液（移動相）をカラム管に注ぎます。各物質の用途は図２をご覧ください。これでカラムクロマトグラフィーの準備は完了です。
最後に、カラムクロマトグラフィーの分離イメージを図示します（図３参照）。混合物がどのように分離され、純度の高い生成物を得られるかを視覚化しています。詳しい分離原理については、HPLCのカラムと同じです。そちらは第8-3回で解説していますので、そちらをご覧ください。
ちなみに海砂や綿は基本的に物質を吸着させないため、どれだけ厚く積もうと、物質の分離度に影響は与えません。面倒という理由で、固定相の上に海砂を載せないガサツな人もいます。笑
今回の講義は以上です。今回は有機合成の範囲にも触れてみましたが、いかがでしたでしょうか？私が有機合成出身で、懐かしさを感じながら、執筆させていただきました。笑 次回はTLC（薄層クロマトグラフィー）について説明します。今回のカラムクロマトグラフィーとかなり関係が深い内容ですので、次回も楽しみにしててください！
それではまた！
PS 図１．で有機合成の実験フローを記載しましたが、基本的には、抽出後に硫酸ナトリウムで脱水したり、カラム後に濃縮したりしますが、わかりやすさ重視のため、一部省略しています。また、化学反応の種類によっては、クエンチしないものやカラムをしないで、次の反応を行うものなどもあります。ケース・バイ・ケースで一部の工程を省いたりすることもありますが、ほとんどの反応は図１のフローに沿って行うという目安程度に見ていただけると幸いです。
ばけぴと
第8-3回．クロマトグラフィーの分離原理を詳しく解説
こんにちはばけぴとです。
今回は前回に引き続き、クロマトグラフィーについて解説します。
ミクロレベルで、混合物がどのような原理で分離されるのかを見ていきましょう。
１．カラムの分離原理
それでは、まずカラムの分離原理を見ていきましょう。今回は、極性で分離するパターンを例に説明します。図１に示す通り、カラムには、充填剤が敷き詰められています。HPLCでは、充填剤に極端に高極性か、極端に低物質物質を使用します。物質は、基本的に極性が近いものと、強く結合（相互作用）する性質があります。そのため、カラムに混合物を注入すると、充填剤と極性が近い程、物質は強く結合します。そこに溶離液を流し続けると、充填剤との結合が弱い物質から、順に分離されていきます。詳しいメカニズムは、図１をご覧ください。
２．充填剤の種類を変えるとどうなる？
次に充填剤の種類による影響を説明します。図２に充填剤の極性が低い時と、高い時で物質の分離にどのような影響が出るか示しています。分離成分と充填剤の極性が近いほど、その間の結合も強くなるので、充填剤が低極性の場合は、分離成分の極性が高い程カラム内を速く進みます。よって、分離順序は①高極性→②低極性となります。一方、充填剤が高極性の場合は、分離成分の極性が低い程カラム内を速く進むので、分離順序は①低極性→②高極性となります。
３．溶離液を変えるとどうなる？
次に溶離液の種類による影響を説明します。図３に溶離液の極性が低い時と、高い時で、物質の分離にどのような影響が出るか説明します。なお図３では、溶離液の極性は変えても、充填剤の極性は低極性のものを使用した時で固定します。まず、充填剤が低極性の時は、物質の極性が低い程強く結合します。溶離液の極性が高い時は、溶離液は低極性物質を充填剤から引き剥がせませんが、高極性物質はすんなり充填剤から引き剥がせまず。その結果、低極性物質はゆっくりと、高極性物質はすばやくカラム内を移動します。そのため、低極性物質と高極性物質の移動スピードの差が大きくなり、分離性が向上します。一方で、溶離液が低極性の時は、低極性物質も高極性物質も溶離液で、簡単に引き剥がせてしまいます。その結果、低極性物質の移動スピードが上がり、分離性が悪くなります。
分離性が良いのは大事ですが、分離時間もその分長くなりますので、バランスを見て溶離液の極性を決定しましょう。分離性と分離時間を最適化するために、ステップワイズ分析やグラジエント分析という方法もありますので、最後に簡単に説明します。
４．まとめ
図４にまとめを示します。充填剤、および溶離液の極性を変えると、どのように分離性や分離所要時間に影響が出るかを表にまとめました。また、図４の下の方に、注記でステップワイズ分析とグラジエント分析の簡単な例を紹介しますので、参考にしてください。
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本日の講義は以上です。
次回は、カラムクロマトグラフィーについて、説明します。
どちらかというと、有機合成でよく使われる知識だと思いますが、せっかくカラムについて学んだんので興味ある人はご覧ください。
それではまた。
ばけぴと
第8-2回．HPLCの原理
こんにちは、ばけぴとです。
今回はこれまでちょくちょく出てきたHPLCについて、説明します。
HPLCを用いると、サンプル中の各成分をどのように分離し、検出していくかを図示しながら解説していきます。
それではいきましょう
１．HPLCでできること
HPLCの機器構成を図１に示します。HPLCは一言でいうと、「混合物をそれぞれの物質へと分離し、検出する機械」です。HPLCは溶離液（移動相）をポンプで、注入口→分離カラム→検出器→廃液へと流し続けます。そのため注入口からサンプルを加えると、そのまま分離カラムへと運ばれますね。分離カラムでは混合物を各成分に分離することができます。図１でいうと、混合物Xを分離カラムに通すと、物質AとBとCにそれぞれ分離することができます。どのようなイメージで、物質ABCが分離されるかは、図２で説明します。
２．HPLCの分離・検出のイメージ
HPLCの分離・検出イメージを図２に示します。まず混合物Xを注入します。混合物X中の物質A,B,Cはいずれも、分離カラムに到着直後は同じ位置にあります。しかし、分離カラム内では、物質毎に進む速さが変わるので、物質A,B,Cもそれぞれ違う速さで分離カラム内を進みます。そのため物質A,B,Cもそれぞれ速さが異なり、注入時から２分後に物質C、注入時から４分後に物質B、注入時から6分後に物質Aが検出器に到着します。このような原理で、HPLCは混合物中のそれぞれの成分を分離し、検出できます。
分離カラム内を物質が進むスピードが異なる理由は、色々あるので次回説明します。
身近な例で説明すると、図３のように金魚は軽く小さいので速いスピードで水流に流されるが、重く体の大きいサメは水流に逆えるので、遅く流されていくイメージと似ています。ざっくりですが、このようなイメージです。笑
ちなみにこのような、物質の違いにより、混合物中の各成分を分離する操作をクロマトグラフィーといいます。
３．得られるチャート
図４にHPLCにより得られるチャートを示します。チャートの横軸は保持時間、縦軸はピーク強度をとります。保持時間は、注入から検出されるまでにかかった時間のことです（分離カラムを通るのにかかった時間、つまり分離カラムに保持された時間のこと）。物質Cは注入時から2分後に検出器に到着しました。検出器に物質が通ると、検出器が物質を感知し、その瞬間にピーク強度が大きくなります。そのため保持時間２分のところで、ピーク強度が最大になっています。物質BとAも同様に、注入時からそれぞれ4分・6分後に検出器に到着したので、保持時間がそれぞれ4分・6分の所で最大となっています。
ちなみに余談ですが、ピーク強度は物質の種類により、「感度」が異なります。そのため、物質A,B,Cのいずれも含有濃度が1%と同じ値であっても、ピーク強度が同じ値を取るとは限りません。図３でいうと、物質Cは0.4、物質Bは1.0、物質Aは0.5のように値が異なります。この強度の得られ具合を感度といいます。感度が良い場合、低濃度でも大きいピーク強度が得られます。小さい音が聞こえる人に、耳の感度が良いなど言ったりできますよね。それと同じです。
また、基本的にダイナミックレンジ内であれば、各物質の含有量が増える程、ピーク強度は増加します。例として、物質Cの濃度が1%の時ピーク強度0.4なら、濃度が2%の時ピーク強度が0.8になります。また、物質Bも同様に、濃度が1%の時ピーク強度1.0なら、濃度が2%の時ピーク強度が2.0になります。
本日の講義はここまでです。次回は、クロマトグラフィーについて、もう少し踏み込んで説明します。物質のどのような違いにより、分離できるのかについて説明します。
それではまた。
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ばけぴと
第8回．機器分析の装置構成について説明します
こんにちは。ばけぴとです。
第８回は機器分析の装置構成について、説明します。
機器分析の装置は、オートサンプラーや検出器など、数種類のユニットから構成されています。基本的な装置構成を知っておくと、各分析機器の特徴を理解しやすくなります。
それでは、行きましょう！
・目次
1. 機器分析とは？
第１回でも解説しましたが、機器分析について解説します。機器分析とはその通り、機器を用いて分析する学問のことです。機器分析には「定性分析」と「定量分析」の２種類があります。「定性分析」では "何" が含有しているかや "分子構造" を分析します。また、「定量分析」では "どのぐらい" 含有しているかを分析します。詳しくは図１を参照。
2. 機器分析の装置構成（HPLCを例に説明）
続いて本題です。機器分析の装置構成に関して説明します。まずは図２を見てください。基本的に機器分析の装置には、「送液or送ガス部」～「解析部」の6つの要素があります。装置によっては、反応部がなかったり分離部がなかったりと、まちまちですが、この６要素を基本の型として理解しておくと、様々な機器分析の装置を理解しやすくなります。
例としてHPLCでは、各ユニットは下記の装に対応しています。
- 送液部→ポンプ（水や有機溶媒など溶離液をカラムに向かって流します）
- 試料導入部→注入口（手動でシリンジを使用 or オートサンプラーでサンプルを導入する）
- 反応部→HPLCの場合なし
- 分離部→分離カラム
- 検出部→検出器（UV検出器など）
- 解析部→PC（測定結果を解析する）
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今回の講義は以上です。
あまり深く解説すると、混乱するので、今回は機器分析の装置は図２のような構成なんだなと、なんとなく理解できれば十分です。
次回以降では、各機器の装置構成や原理について解説していきます。まずはクロマトグラフィー関係から取り掛かる予定です。お楽しみに！
それではまた！
第7-2回．有効数字の計算方法（四則演算）
こんにちは！ばけぴとです。
第7-2回は、有効数字の計算方法について、説明します。
有効数字の異なる２数を計算する時に、有効数字何桁まで表示していいかわからなくなりますよね！
そこで今回は、有効数字の四則演算を解説していきます。
それではいきましょう！
１．まとめ
最初に図１に本日のまとめを記載します。
加算減算、乗算除算に関わらず、有効数字の異なる２数の計算は、まず有効数字の桁数を合わせます。数値が不明なところは"0"と仮定します。その後普通に計算します。計算の過程で、仮定した"0"に関わった値は、信頼ならない数値なので、その桁は四捨五入します。よって、答えの有効数字の桁数は、計算前の２数のうち、有効数字の桁が小さい方にと同桁になります。
以下ではもう少し具体的に、どのように計算していくか見ていきましょう！
２．加算減算
それでは、図２を見てください。加算減算について、解説します。
図２では、1.0×10~3+1.12×10~2の計算を例に説明しています。有効数字が異なる2数の計算の場合はまず、べき乗を同値に揃える。その後、有効数字の桁数を揃える。有効数字の桁数が小さい方の、不足桁の数値を"0"と仮定する。そして計算し、先程"0"と仮定した桁数の数値は信頼できないので、四捨五入する。つまり、答えは、２数のうち、有効数字の桁数が小さい方と同桁数になります。
図１で考えると、10~3に２数のべき乗を揃えたあと、1.000+0.112=1.112を計算し、その後、有効数字を3桁目を四捨五入し、1.1×10~3を答えとして、導くといった要領です！
３．乗算除算
次に図３を見てください。乗算除算について解説します。
図３では、1.0×10~3 × 1.12×10~2を例に説明します。まず、2数の有効数字の桁数を大きい方に合わせます。有効数字1.0×10~3の場合、有効数字3桁目が不明なので、"0”と仮定し、1.00×10~3とします。1.00×10~3 × 1.12×10~2を計算すると、1.1200×10~5となります。ただし、先程仮定した、1.00×10~3の有効数字3桁目の"0”は信頼ならない数値なので、有効数字3桁目を四捨五入し、答えは有効数字2桁目までで表します。よって答えは、1.1×10~5となります。
やることをまとめると、1.0×10~3 × 1.12×10~2の場合、1.00×10~3 × 1.12×10~2を計算し、1.1200×10~5を算出します。その後、有効数字3桁目を四捨後入し、答えは1.1×10~5の有効数字２桁で表記します。
４．まとめ
最後にもう一度まとめを図４に示します。
加算減算、乗算除算に関わらず、計算中に信頼できない数に関わった有効数字の桁は、四捨五入してしまいます。結果的に、計算前の2数のうち有効数字の桁数が小さい方（今回の場合だと1.0×10~3の2桁）に答えの桁数を合わせることになります。
今回の講義は以上です。
みなさん有効数字について、マスターできたでしょうか？
7-1回と7-2回の講義で、有効数字がいかに大事で、一桁変わると値の保証する範囲も大きく変わるということが、理解できたかと思います。
メスシリンダーで体積を読み取るとき、目盛りよりも一桁大きく数値をメモするように言われたのも、有効数字を大きくして、できるだけ値の保証範囲を限定するためだったんですね！（5mLと書くと4.5～5.4mL、5.0mLと書くと4.95～5.04mLと数値の保証範囲が限定的になります。）
みなさんも有効数字を気にして、数値を取り扱っていきましょう！
次回は、、、、何を解説するか考えます。笑
機器分析かクロマトグラフィーを解説しようかと思いますので、お楽しみに。
それではまた。
ばけぴと
