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高速溶媒抽出・ガスクロマトグラフ質量分析法による土壌サンプルのポリ臭素化ジフェニルエーテル測定

2014年11月14日  付英明,王乃麗,王金梅,楊卉 (天津市環科検測技術有限公司)

1 はじめに

 ポリ臭素化ジフェニルエーテル(PBDEs)は添加型の臭素系難燃剤であり、難燃効率が高く、熱安定性に優れ、価格が安いなどの特長を持ち、電子製品や繊維、建材、家具などの工業製品に広く用いられている[1,2]。工業製品としてのPBDEsには、「deca-BDEs」(98% 10-BDE、2% 9-BDEs)、「octa-BDEs」(10% 6-BDEs、40% 7-BDEs、30% 8-BDEs、20% 4,9-BDEs)、「penta-BDEs」(40% 4-BDEs、45% 5-BDEs、6% 6-BDEs)の3種がある[2]。広く普及しているPBDEsだが、高化学安定性・高親油性・難分解性・生物濃縮性・生物毒性を呈し、人類と環境にとっての潜在的脅威となっている[3,4]。PBDEsの毒性研究によると、工業製品においては、penta-BDEsの毒性が最も高く、octa-BDEsがこれに次ぎ、deca-BDEsの毒性が最低とされる。PBDEsの環境媒体における広い分布と人体や生物に対する潜在リスクに鑑みて、2009年5月に行われた「ストックホルム条約」の第4回締約メンバー会議では、penta-BDEsとocta-BDEsが新型残留有機汚染物とされ、厳格な使用禁止・制限の対象となった[1]。

 PBDEsは電子製品や家具から容易に流出し、環境に入り込む。報道によると、環境中の水中や沈殿物、魚、鳥などからはいずれもPBDEsが検出されており、環境中のPBDEsの測定は世界的に注目が高い[5]。PBDEsが微量汚染物であることや環境条件が複雑であることから、効率の高い分析方法を構築することはPBDEs汚染研究の課題となっている。PBDEsの測定方法には主に、ガスクロマトグラフィー[3,6,7]、液体クロマトグラフィー[8,9]、ガスクロマトグラフ質量分析法 [4,5,10,11,12]がある。ガスクロマトグラフィーと液体クロマトグラフィーは保持時間による定性に頼っており、誤った判断を下しやすい。一方、ガスクロマトグラフ質量分析法は感度が高い上、定性・定量分析を同時に行うことができるため、サンプルの分析・測定に幅広く応用されている。PBDEsでよく用いられる事前処理技術には主に、ソックスレー抽出、超音波抽出[10,11]、マイクロ波溶媒抽出[6]、高速溶媒抽出[3,4,5]などがある。ソックスレー抽出は時間がかかる上、比較的多くの有機溶媒が必要となる。超音波とマイクロ波による抽出は時間と溶媒が節約できるが、完全な抽出ができない。その点、高速溶媒抽出は、便利で早く、効率も高く、溶媒の消費も少なく、抽出過程を自動化でき、循環抽出が可能である。USEPA(米国環境保護庁)はこの方法を、固相サンプルの残留有機汚染物分析のための標準方法の一つとしている[13]。penta-BDEsは毒性が明らかで、生物と環境のサンプル中で最も主要なPBDEs同族体であることから、本稿では4種の代表的なPBDEs(BDE-47、BDE-99、BDE-100、BDE-153)を目標汚染物として分析した。高速溶媒抽出装置を用いて土壌サンプルの抽出を行い、ガスクロマトグラフ質量分析計を用いて検査を行うことにより、土壌中の4種のPBDEsを高速で検査する分析方法を構築し、この方法が実行可能で効果的であることを示した。

2実験部分

2.1計器と試料

 計器:ガスクロマトグラフ質量分析装置(Trace 1300-ISQ、電子衝撃イオン源、TriPlus RSH自動サンプル注入器,Thermo Fisher Scientific);ASE 350高速溶媒抽出装置(66mLステンレス抽出プール,Thermo Fisher Scientific);Dryvap全自動定量濃縮システム(Horizon technology);超音波洗浄機(寧波新芝生物科技株式有限公司)。

 試料:ヘキサン、ジクロロメタン(HPLC級、天津市科密欧化学試剤有限公司);アセトン(クロマトグラフレベル純性、天津市康科徳科技有限公司);珪藻土(Thermo Fisher Scientific);実験用水はすべて超純水。

 ポリ臭素化ジフェニルエーテル(PBDEs)標準サンプル(AccuStandard):BDE-47(2,2’,4,4’- tetra-BDEs)、BDE-99(2,2’,4,4’,5-penta-BDEs)、BDE-100(2,2’,4,4’,6- penta-BDEs)、BDE-153(2,2’,4,4’,5,5’-hexa-BDEs)。

2.2 サンプルの作成と事前準備

 ブランク土壌サンプルの作成:採取した土壌サンプルを室温下で自然乾燥させ、乳鉢で細かく粉砕し、100メッシュのふるいにかけた後、ヘキサンに一晩漬ける。その後、超音波を1時間照射し、フィルターペーパーで濾過した後、土壌サンプルを通風装置の下に置いて乾燥させ、遮光性のボトルに入れて保存する。

模擬土壌サンプルの作成:ブランク土壌サンプルを10g正確に量り取り、三角フラスコに入れ、ヘキサンをサンプルに加えて均等にかき混ぜる。その後、100µL(または250 µL)のPBDEs溶液(10 mg/L)、即ち標準添加量100µg/kg(250µg/kg)を加え、通風装置の下で乾燥させた後、暗室に1週間置いて使用に備える。

 サンプルの前処理:土壌サンプル10gを正確に量り取って乳鉢に入れ、珪藻土を2g加え均等にかき混ぜた後、ASE 66 mLステンレス抽出プールに入れ、高速溶媒抽出を行う。抽出液は、全自動定量濃縮システムを用いて1.0 mLまで濃縮定容し、0.22 µmの有機微孔膜によって不純物を取り除き、質量分析を行う。

 ASE後続溶媒抽出の条件:溶媒:ヘキサン;温度100℃;圧力1500psi;加熱時間5分;静置抽出時間10分; フラッシュ容量60%;パージ時間100s;サイクル1回。

2.3 サンプルの分析

(1)ガスクロマトグラフィー条件:クロマトグラフカラムTG-5MS(30 m × 0.25 mm × 0.25 Μm);キャリアガスは高純度のヘリウム、流速1.4 mL/min;昇温プロセス:90℃で3 分保持し、20 ℃/minで320 ℃まで上げ、10 min保持する;サンプル注入口の温度は290℃;サンプル注入モデル:不分流サンプル注入;サンプル注入量1 µL。

(2)質量分析条件:電子衝撃(EI)イオン源;電子エネルギー70eV;イオン源温度280℃;伝送線温度280℃;溶媒遅延時間3 分;スキャン方式:全スキャン方式によって定性、選択イオンモニタリング(SIM)方式によって定量。ポリ臭素化ジフェニルエーテルの分子量、定性イオン、定量イオンについては表1を参照。

表1 ポリ臭素化ジフェニルエーテルの保持時間、定性イオン、定量イオン
Table 1 Retention time and characteristic ions of PBDEs
番号 化合物名 保持時間/min               特徴イオン/amu
定性 定量
1

BDE-47(2,2’,4,4’- tetra-BDEs)

13.59 488, 486, 326 486
2

BDE-100(2,2’,4,4’,6- penta-BDEs)

14.39 564, 406, 404 564
3

BDE-99(2,2’,4,4’,5- penta-BDEs)

14.61 564, 406, 404 564
4

BDE-153(2,2’,4,4’,5,5’- hexa-BDEs)

15.67 643, 484, 482 484

3 結果と論考

3.1 溶媒の最適化

 溶媒の種類はPBDEsの抽出効率に極めて大きな影響を与える。本稿では、5種類の溶媒がPBDEsの抽出効率に与える影響を考察した。ヘキサン、ジクロロメタン、ヘキサン:アセトン(体積比1:1、以下同様)、ジクロロメタン:アセトン(1:1)、ヘキサン:ジクロロメタン(1:1)である。表2のように、ヘキサンの抽出効率が最も高く、4種類のポリ臭素化ジフェニルエーテルの平均標準添加回収率は79.2%から89.1%だった。また、ジクロロメタンの抽出効率が最も低く、4種類のポリ臭素化ジフェニルエーテルの平均標準添加回収率は49.9%から76.0%だった。原因としては、第一にPBDEsの抽出効率と溶媒の極性が挙げられる。ジクロロメタンとアセトンはヘキサンに比べて極性が比較的高く、基体内部に入って目標物を分離させるのが難しい。第二に溶媒の沸点がある。沸点はヘキサン、アセトン、ジクロロメタンの順に高い。濃縮過程において、一部のPBDEsは溶媒が沸騰・蒸発する際に揮発するため、特に揮発しやすい低臭素PBDEs(BDE-47など)は揮発による損失が生じやすく、回収率の低さにつながった。以上の結果から、本実験ではヘキサンを溶媒として最適と判断した。

表2  PBDEs抽出効率に対する各種溶媒の比較
Table 2 Comparison of extraction efficiencies of PBDEs by different extraction systems
溶媒 平均回収率%
BDE-47 BDE-100 BDE-99 BDE-153
ヘキサン 79.2 87.3 82.1 89.1
ジクロロメタン 49.9 60.4 58.2 76.0
ヘキサン:アセトン(1:1) 60.4 67.4 65.7 74.6
ジクロロメタン:アセトン(1:1) 50.5 55.4 53.2 68.1
ヘキサン:ジクロロメタン(1:1) 68.8 74.8 70.6 87.3

3.2 抽出時間の最適化

 抽出時間はサンプル中のPBDEsの回収率に影響する。本稿では、静置抽出時間をそれぞれ6分・8分・10分・12分・14分とし、サンプル中のPBDEsの回収率を考察した(図1)。実験から、まず抽出時間が長くなるに従ってPBDEsの回収率は高まり、抽出時間が10分になった時に各PBDEsの平均回収率は最高となるが、抽出時間が10分を超えると回収率は上がらないことがわかった。このことから、最良の静置抽出時間は10分と判断できる。

図1

図1 抽出時間に応じたPBDEs抽出効率への影響

Fig.1 The effect of different extraction timeonextraction efficiencies of PBDEs

3.3方法の線形関係と検出限界

 質量濃度を0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0 mg/LとしたPBDEs標準溶液を調合、ガスクロマトグラフ質量分析装置を用いて分析測定し、濃度を横座標、ピーク面積を縦座標として線形フィットを行って標準曲線を得る。線形方程式と検出限界は表3の通り。方法の検出限界は「S/N=3」で計算した。表3からは、標準サンプルが0.1-5.0 mg/Lの濃度範囲では良好な線形関係が見られ、相関係数はいずれも0.999を超え、検出限界は0.5-0.6 µg/kgだった。図2は4種類のPBDEsのトータルイオンカレントクロマトグラムで、図中のピークは順にBDE-47、BDE-100、BDE-99、BDE-153である。

表3 4種のPBDEsの線形方程式、相関係数、検出限界 Table 3 Regression equations, correlation coefficients (r) , detection limits of four PBDEs
化合物名 線形方程式 相関係数r 検出限界µg/kg
BDE-47   y = 1207650 x – 26205.6 0.9995 0.6
BDE-100                   y = 928558 x –2833.1 0.9992 0.5
BDE-99                   y = 714974 x – 15630.7 0.9993 0.6
BDE-153   y = 1763930 x – 16610.1 0.9994 0.6
図2

図2 4種のPBDEsのトータルイオンカレントクロマトグラム

Fig.2 Total ion current chromatogram of four PBDEs

3.4方法の精度と正確性

 ブランク土壌サンプルに対して、PBDEsの2つの質量濃度(100、250 µg/kg)の標準添加回収実験を質量濃度1つにつき6回実施した。このサンプル毎の相対標準偏差と標準添加回収率の結果は表4の通りである。これによると、サンプルの標準添加含量が100 µg/kgの時には、4種のPBDEsの平均標準添加回収率は79.2%から89.1%で、相対標準偏差は2.8%から5.1%となった。またサンプルの標準添加含量が250 µg/kgの時には、4種のPBDEsの平均標準添加回収率は82.0%から87.0%、相対標準偏差は5.7%から9.2%であった。

表4 PBDEsの標準添加回収率と精度
Table 4 Recoveries and precisons of PBDEs
化合物名 標準添加回収率 % 相対標準偏差 %
100µg/kg 250µg/kg 100µg/kg 250µg/kg
BDE-47 79.2 ± 4.0 82.0 ± 7.2 5.1 8.7
BDE-100 87.3 ± 2.4 86.8 ± 5.0 2.8 5.7
BDE-99 82.1 ± 3.8 84.1 ±7.7 4.6 9.2
BDE-153 89.1 ± 2.7 87.0 ± 5.4 3.1 6.2

3.5 実際の土壌サンプルの分析

 上述の最適化された分析方法を用いて、ある実際の土壌サンプルを分析した。図3は、実際の土壌サンプルのトータルイオンカレントクロマトグラムである。標準品の保持時間との比較とNist質量スペクトルデータベースでの確認を通じて、この土壌サンプルの中にBDE-47、BDE-100、BDE-99、BDE-153の4種のポリ臭素化ジフェニルエーテルがいずれも存在していることが確かめられた。4種の含量はそれぞれ24.3 µg/kg、16.5 µg/kg、34.7 µg/kg、67.4 µg/kgであった。

図3

図3 実際のサンプルのトータルイオンカレントクロマトグラム

Fig.3 Total ion current chromatogram of real sample

4 結論

 本稿では、高速溶媒抽出・ガスクロマトグラフ質量分析によって土壌サンプル中の4種のポリ臭素化ジフェニルエーテルを分析・測定する方法を確立した。抽出条件の最適化によって得られた最良の溶媒はヘキサン、最良の静置抽出時間は10分だった。この方法は前処理が簡単で早く、時間と人手を効果的に節約し、抽出過程で起こる誤差を低下させた。実験中の4種のPBDEsは0.1-5.0 mg/L範囲内で良好な線形を示し、検出限界は0.5 -0.6 µg/kg、土壌中の各化合物の標準添加回収率は79.2%から89.1%、相対標準偏差は2.8%から9.2%だった。この方法は感度が高く、線形関係、検出限界、回収率、精度のどれを取っても理想的で、土壌サンプル中のPBDEsに有効な定性・定量分析を行うことができる。

主要参考文献:

  • [1] 王維契,周俊麗, 裴淑瑋ほか. 「ポリ臭素化ジフェニルエーテルの環境中の汚染の現状と研究進展」 [J]. 『環境化学』, 2014, 33(7): 1084-1093
  • [2] 劉漢霞, 張慶華, 江桂斌. 「ポリ臭素化ジフェニルエーテルとその環境問題」 [J]. 『化学進展』, 2005, 17(3): 554-562
  • [3] 由宗政, 孔徳洋, 許静ほか. 「加速溶媒抽出・ガスクロマトグラフ質量分析法による土壌・植物サンプル品の13種のポリ臭素化ジフェニルエーテルの測定」[J]. 『環境化学』, 2013, 32(7): 1410-1415
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