休暇シーズンが近づくと、友人や家族に会いに、あるいは日常から離れて過ごすために、飛行機に乗る人も多いでしょう。空港では、衣服や手荷物に爆発物が付着していないか、綿棒で拭き取って検査される人もいます。この検査はどのように行われるのでしょうか。
その答えは、分離化学の一分野であるクロマトグラフィーと、質量分析法（こちらについては後の記事で取り上げます）です。
「クロマトグラフィー」という言葉は、ギリシャ語からおおよそ「色の科学」と訳されます。この名称の理由は、ほとんどの人が気づかないうちに簡単なクロマトグラフィー実験をしたことがある、と考えると明らかになります。
手書きの買い物リストに水をこぼし、紙を持ち上げて水を流したことがあれば、インクが紙の上に広がり、ペンの色が複数の顔料でできていることに気づいたかもしれません（気づいたことがなければ、実験できます。異なるブランドで同じ色のペンを2本ほど使ってみてください）。この分離がクロマトグラフィーです。
クロマトグラフィーによる分離には、いくつかの種類があります。共通しているのは、分離対象となる物質の混合物（分析対象物）を固体材料（マトリックスと呼ばれます）の上に流し、分析対象物を分離させることです。
クロマトグラフィーは、単なるろ過、つまり粒子サイズによる分離のように聞こえるかもしれません。場合によっては、ほぼそのとおりです（サイズ排除クロマトグラフィーは、ゲルろ過クロマトグラフィーと呼ばれることがよくあります）。
しかし、ほとんどのクロマトグラフィー法は、分離する物質のサイズ以外の化学的作用によって機能します。たとえば、次のようなものがあります（これらに限りません）。
順相 クロマトグラフィー。紙の上のインクなどがその例です。
逆相 クロマトグラフィー。大学の実験でよく使われます。
ガス クロマトグラフィー。空港の爆弾検知器に用いられています。
「アフィニティー」クロマトグラフィー。医薬品の精製に使われます。
これらはいずれも、買い物リストに水を垂らす例のように、1種類の溶媒を用いて行うことができます。これはアイソクラティック（ギリシャ語で「等しい力」）と呼ばれます。あるいは、組成を変化させた溶媒混合物（グラジエントと呼ばれます）を使うこともできます。
では、どのように機能するのでしょうか。
厳密に言えば、分析対象物が溶媒と固体マトリックスに対して示す親和性の違いが、クロマトグラフィー分離をもたらします。では、実際にはどういう意味でしょうか。
ここは少し付き合ってください。
できるだけ早く店内を移動したいのに、買い物に一緒に来た人が立ち止まって商品を眺める、という経験はありませんか。
周囲のものに対する引きつけられ方の違い――これがクロマトグラフィーを動かすものです。あなたは通路を歩き、売り物とはほとんど関わりません。一方、一緒に買い物をしている人は棚への親和性がずっと高く、頻繁に立ち止まります。あなたが出口に着くころ、その人はまだ店の半分までしか進んでいません。つまり、あなたたちは分離したのです。
分子でも同じことが起こります。溶媒がマトリックス（買い物リストの例では紙）の上を流れ、分析対象物を運びます。マトリックスに対する分析対象物の相対的な親和性が、溶媒に対する親和性と比べてどうであるかによって、分離が決まります。
化合物が溶媒にまったく溶けない場合、その化合物はマトリックスに固定されたままです（鉛筆で書いた買い物リストに水をこぼしたときに、見たことがあるかもしれません）。分析対象物が非常によく溶ける場合は、溶媒と同じ速さで移動することがあります。
買い物リストの例は、平面クロマトグラフィーと呼ばれます。流れるインクは、毛細管現象によって紙の上へ移動し、重力に逆らっているように見えます。より一般的な高性能クロマトグラフィーでは、マトリックスはカラムであり、重力またはポンプによって溶媒をその中に流します。
カラムを使うと、複数の材料（通常は水と、アセトニトリルなどの水溶性有機溶媒）を混合できるポンプを用いて、溶媒の比率を変更しやすくなります。
グラジエント分離の場合、分析対象物は初期の溶媒混合物よりもマトリックスに対してはるかに高い親和性を持っています。溶媒混合物の組成を変えると、分析対象物は溶媒に溶け、異なる溶媒比率で溶ける物質から分離されてカラムの外へ運ばれます。
ガス、ガス、ガス
ガスクロマトグラフィーでは、装置の構成が少し異なります。分析対象物は気体または揮発性液体です（石油化学製品、植物油、化学兵器などを想像してください）。こうした化合物は通常、無極性で疎水性です。つまり、水とはよく混ざりません。
化合物を不活性キャリアガス中に蒸発させます（溶媒に溶かすのと同様です）。キャリアガスが化合物を運び、コイル状のカラムに収められた疎水性マトリックスの上を通過させます（カラムは長さが数十メートルに達することもありますが、幅はわずか数マイクロメートルです）。
分離を改善し、より沸点の高い物質（約300Cまで）を分析できるよう、カラムをオーブンに入れます。オーブンの温度を変えると、液体クロマトグラフィーで溶媒混合物を変えるのと同様の方法で、分離に影響します。
品質管理
有色化合物を分離する場合、処理がうまくいったかどうかはかなり明白です。しかし、無色の化合物を2つ分離できたか、あるいは分析対象物がごく微量でも分離できたかは、どうすればわかるのでしょうか。
化学的性質や物理的性質に応じて、分析対象物を検出する方法はいくつかあります。よく使われる方法には次のものがあります。
紫外線または赤外線（目には見えない光学波長）の吸光度
目には見えない蛍光
導電率またはpH（溶液の酸性度）
試料を採取して化学試験を行う
質量分析法。
おそらく、これらの中で最も有用なのは質量分析法です。元の分析対象物の混合物に何が含まれていたかを事前に知っておく必要がなく、分析者が検出した化合物を正確に特定できるからです。
進化し続ける世界
機器を用いるクロマトグラフィーは成熟した技術ですが（最初の装置が製造されたのは第二次世界大戦の直後です）、新たな用途が頻繁に登場しています。
規模の問題に関する例もあります。モノクローナル抗体（がん治療によく使われます）を製造する製薬会社は、製品の精製にアフィニティークロマトグラフィーを利用します。工業規模では、カラムの直径が数十センチメートル、長さが数メートルに達することがあります（一般的な実験室規模のシステムでは、直径は数ミリメートル、長さは5～30cmです）。
また、空港で爆弾や薬物の検知器としてよく見られるガスクロマトグラフィー装置を使った、 紙幣に付着したコカインの検出 のように、特定の新たな用途に使われることもあります。
さらに興味深い実験も行われています。フィラエ探査機に搭載されたクロマトグラフィー装置が、 有機化学物質を検出した のは、67P/チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星です。
この記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
Forum:Agendaの最新情報を受け取るには、 週刊ニュースレターに登録してください。
著者：マーティン・ボーランドはチャールズ・ダーウィン大学の上級講師です。
画像：Implant Sciencesのテクノロジー担当副社長、トッド・シルベストリは、2014年11月17日、ニューヨークでの報道イベントで、QS-H150携帯型爆発物痕跡検知器を手にしている。REUTERS/Carlo Allegri。