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DNAの指紋認証や臨床実験に活用されるクロマトグラフィとは?その原理と種類を紹介 バイオサイエンスを支える基礎技術

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本記事は、What Exactly Is Chromatography? Types and Applications
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約4分24秒

クロマトグラフィとは、化学化合物をそれぞれ隔離して個別に分析するための技術のことです。この方法を用いて、科学者は有機物と無機物を識別し、その化学物質が何で出来ているかを結論づけることが出来るのです。

 

クロマトグラフィという言葉は”色の文字”を意味しますが、紙、インク、色、文字が使われないことも多いため、ときに誤解されることもあります。

 

クロマトグラフィは、1900年にロシア・イタリアの植物学者Mikhail Tsvetによって発明されました。彼はこれを利用して、クロロフィル(緑色)、キサントフィル(黄色)、カロテン(赤色)といった植物の染料を抽出しようとしました。おのおの異なる色をしていたために、それが名前となったのです。

 

それから数十年後、科学者たちはさらに新しいタイプのクロマトグラフィを開発し、その分離工程は進化を遂げました。

 

クロマトグラフィの基礎

 

中心部分には、2つの異なる段階があります。1ヶ所にある化学化合物(液体やガスなど)は、もう1ヶ所にある別の物質の表面(固体や液体など)へと移動します。

 

移動する化合物は流動段階、全く動かずに止まっている物質は静止段階と呼ばれます。流動段階にある化合物は、静止段階へ移動する際に分離されます。そのようにして、1つ1つの混合物を個別に分析することが可能なのです。

 

クロマトグラフィにおける4タイプ

 

流動段階と静止段階のよって、クロマトグラフィは4つのタイプに分けられます。基本原理は同様ですが、各段階の混合物によってクロマトグラフィの使用方法は異なります。

 

下記に、主なクロマトグラフィ手順についてタイプ別に列挙しました。比較的簡単な文章に努めましたので、ご覧ください。

 

1.紙のクロマトグラフィ

 

 

紙のクロマトグラフィは最も一般的な分析方法で、染料などの着色した混合物を検出するのに適しています。クロマトグラフィの層は薄いですが、重要な情報がたくさん詰まっています。

 

この方法は、対象となる混合物の水滴(インクなど)をフィルターの端に乗せ、その部分が(水やアルコールのように)溶けていくように垂直に吊します。インクの部分は溶解せず、上の方に止まったままになるように紙を固定します。

 

しばらくしたら、溶解した部分(流動段階)が、紙(静止段階)の繊維を伝って上昇し始めます。溶解部分が完全に登りきったら、インクが染まります。

 

上昇するにつれてフィルターの色が徐々に変化し、それぞれ異なったインクの色が現れます。それぞれの色は溶解度も異なり、上昇していくスピードも異なります。様々な色の露出と高さが見られます。

 

以上が、色の違いによる紙のクロマトグラフィの分離方法です。混合物が無職の場合もあるため、識別のために化学薬品が使用されるケースも中にはあります。

 

2.薄層レイヤーのクロマトグラフィ

 

 

UVライト下の蛍光性のクロマトグラフィプレート/転載許可:Wikipedia

 

薄層レイヤーも、紙のクロマトグラフィとよく似ています。主な違いは、紙ではなくシリカゲルの層で覆われたガラスのスライドを使用する点です。

 

この方法では、ガラスのスライド(静止段階)は溶解物の塊から除去され、溶解部分(流動段階)がもう片方のガラスの端へと到達します。混合物はそれぞれのスピードで成分を残していきつつスライドを上昇していきます。

 

これらの分離された混合物は、紫外線によって可視化されます。例えば、有機炭素物質を使って黒い斑点がスライドに残るようにするため、硫黄酸などの化学物質が使用されることもあります。

 

この方法であれば、すぐに有機物質を分離出来て簡単です。植物の染料の抽出、繊維構造の顔料の分析、殺虫剤や食物の農薬の調査などによく使われます。

 

紙のクロマトグラフィと比べ、薄層クロマトグラフィの方が簡単で素早く分離することが可能です。

 

3.気体のクロマトグラフィ

 

 

気体のクロマトグラフィは、紫外線の混合物で出来た物質を分離するために使用されます。このプロセスには、注入ポート、静止段階の層、検査機、データ記録システムで出来た気体クロマトグラフと呼ばれる精密機械が使われています。

 

まず、対象となる混合物(性質は気体)が注入ポートに挿入されます。大抵の場合、気体の量は少ないためマイクロリッターで検出されます。そこで、さらなる圧力を生成するために運搬ガスが使用され、層を通して混合物に圧力がかけられます。

 

運搬ガス(流動段階)がその混合物と混ざらないようにするため、ヘリウムのような不活発性ガス、またはニトロゲンのような非反応性のガスの使用が推奨されています。その層(金属またはガラス管)は、不活発性の固体物質上にある液体やポリマー(静止段階)で出来ています。

 

混合物の物質はそれぞれ沸点も異なるため、温度が上昇した際に層の壁にさまざまな作用をもたらします。各構成要素に違うタイミングで働きかけ、これが成分の持続時間となります。

 

その持続時間を比較することで、各気体混合物の構成要素を調べることが可能になります。

 

4.液体クロマトグラフィ

 

 

液体クロマトグラフィは、溶解している物質内の分子やイオンを分離するのに使われる方法です。高気圧液体クロマトグラフィと比較されることが多く、クロマトグラフィの層と解析する物質の間にある化学的作用に用いられることが多くあります。

 

この技術では、吸水性の高い固体物質を通して混合物を分離するために、液体溶解物(流動段階)に圧力がかけられます。特殊な表面の化学物質で出来た、小さな分子構造を持つチューブ状の層が使用されています。

 

混合物の各要素は(大きさ、吸水性、イオン交換の違いによって)吸水力が異なるため、それぞれ異なるスピードで層に浸透していきます。

 

これらの浸透スピードの違いから、構成要素を分離することが可能になります。

 

添加物と溶解物は、静止段階と分析される物質の特徴に左右されます。化学者が一連のテストや一般的な物質に対するプロセスを実施し、混合物にとって最適な方法で液体クロマトグラフィを行います。

 

4つのクロマトグラフィを、簡単にまとめてみました。

 

 

クロマトグラフィの活用

 

ノーベル賞が2つも授与されるほどクロマトグラフィには可能性と価値があります。事実、世界で行われている化学実験ではクロマトグラフィやそれに関連するものが活用されているのです。

 

この技術を使用すれば、混合物の形を変形させることなく100種類以上もの構成要素を分離することが可能です。億単位の規模で要素の識別が可能な検査機も中には存在します。

 

以上の利点から、クロマトグラフィは今や幅広く活用されています。

 

・犯罪科学:犯行現場から入手した物質の分析
・汚染監査:大気や水中に含まれる、少量の不明な汚染物質の検出
・医療分野:生物学と薬品の生産過程
・食品産業:腐敗した食品の発見、栄養品質、香味料と添加物
・法的措置:アルコールの血中濃度、尿に含まれるコカイン
・放射能の測定:放射化合物の特定と濃度の検出

 

これらの他にも、クロマトグラフィはDNAの指紋認証、生命情報学、病気や障害の臨床実験、その他様々な研究の目的のために活用されています。

 

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