(57)【要約】【課題】溶液中に溶解している窒素、酸素、メタンガス等を少ないサンプル量で、高精度に測定することが可能なガスクロマトグラフ分析方法を提供する。【解決手段】溶液中に溶解した窒素、酸素およびメタンガスからなる群から選択される少なくとも一種の溶存ガスを定量分析するガスクロマトグラフ分析方法において、（Ａ）前記溶液から前記溶存ガスを抽出する工程と、（Ｂ）抽出された溶存ガスを、冷却されたトラップカラムにより捕捉する工程と、（Ｃ）捕捉したガスを放出し、放出したガスを分離カラムにより分離する工程と、（Ｄ）分離したガスを検出する工程と、を含む。前記トラップカラムおよび前記分離カラムの双方にモレキュラーシーブ充填カラムを使用する。【選択図】図１
2008002889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液中に溶解した窒素、酸素およびメタンガスからなる群から選択される少なくとも一種の溶存ガスを定量分析するガスクロマトグラフ分析方法において、
（Ａ）前記溶液から前記溶存ガスを抽出する工程と、
（Ｂ）抽出された溶存ガスを、冷却されたトラップカラムにより捕捉する工程と、
（Ｃ）捕捉したガスを放出し、放出したガスを分離カラムにより分離する工程と、
（Ｄ）分離したガスを検出する工程と、
を含み、
前記トラップカラムおよび前記分離カラムの双方にモレキュラーシーブ充填カラムを使用することを特徴とするガスクロマトグラフ分析方法。
【請求項２】
前記モレキュラーシーブがモレキュラーシーブ５Åである請求項１記載のガスクロマトグラフ分析方法。
【請求項３】
前記分離したガスを熱伝導型検出器により検出する請求項１または２記載のガスクロマトグラフ分析方法。
【請求項４】
前記熱伝導型検出器が出力増幅器を具備する請求項３記載のガスクロマトグラフ分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスクロマトグラフ分析方法に関し、詳しくは、少量の試料溶液中に溶存する窒素、酸素およびメタンガスを定量分析するガスクロマトグラフ分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、脱窒速度の測定等、溶液中の窒素の測定の際に、主にアセチレンブロック法が用いられている。アセチレンブロック法は、検出器としては、電子捕捉検出器（ＥＣＤ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃａｐｔｕｒｅ  ｄｅｖｉｃｅ）を使用し、最終生成物である窒素原子の代わりに、Ｎ2Ｏを測定し、脱窒測定を間接的に行う方法である。アセチレンの導入により、Ｎ2Ｏの窒素への変換がとまり、その結果、Ｎ2Ｏが累積され、そのＮ2Ｏの累積速度を脱窒速度とするものである。しかし、アセチレンブロック法では、下記に詳述する問題点もあり、ガスクロマトグラフ分析方法および質量分析法が水圏における脱窒速度測定法として推奨されている国もある。
【０００３】
非特許文献１には窒素、酸素、アルゴン、メタンを、ガスクロマトグラフィーにより測定する技術が開示されている。当該技術は、カラムの充填剤として、ゼオライト等を使用し、特定のキャリヤーガスの流速や、温度条件にて測定することにより、少量のサンプルで、短時間で高精度の分析を行うことができるというものである。
【非特許文献１】Ｍａｒｉｎｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ５９（１９９７）６３−７０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アセチレンブロック法は、一、試料調整が大変面倒であること、二、特に堆積物中でアセチレンの導入が不均一となり、Ｎ2Ｏの窒素への変換阻害が不完全となることがあること、三、アセチレンの導入は堆積物中の基質の自然勾配を妨害することがあること、四、硝化（ＮＨ4のＮＯ2またはＮＯ3への変換）−脱窒は重要なプロセスであるが、アセチレンは硝化を阻害する等の問題点を有し、水中の生態系でのアセチレンブロック法により得られた脱窒速度はその場での真の脱窒速度を反映していない可能性があること、などの問題点を有する。
【０００５】
現在、行われているガスクロマトグラフィーを使用した溶液中の窒素等に関する分析では、更なる精度の向上が求められている。また、非特許文献１記載の技術は、冷却トラップにシリカゲルを使用しているが、シリカゲルは、窒素および酸素を捕捉しない吸着剤である。そのため、低温であることのみがそれら気体のトラップに作用するが、酸素の沸点は窒素の沸点より低く、キャリヤーガスでパージし、抽出された気体を完全に捕捉できないおそれがあり、必ずしも正確な測定をできないことがある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、溶液中に溶解している窒素、酸素、メタンガス等を少ないサンプル量で、高精度に測定することが可能なガスクロマトグラフ分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、溶液中から抽出した窒素、酸素、メタンガスを、これら気体と吸着する性質を有するモレキュラーシーブで捕捉することにより前記目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明のガスクロマトグラフ分析方法は、溶液中に溶解した窒素、酸素およびメタンガスからなる群から選択される少なくとも一種の溶存ガスを定量分析するガスクロマトグラフ分析方法において、
（Ａ）前記溶液から前記溶存ガスを抽出する工程と、
（Ｂ）抽出された溶存ガスを、冷却されたトラップカラムにより捕捉する工程と、
（Ｃ）捕捉したガスを放出し、放出したガスを分離カラムにより分離する工程と、
（Ｄ）分離したガスを検出する工程と、
を含み、
前記トラップカラムおよび前記分離カラムの双方にモレキュラーシーブ充填カラムを使用することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明のガスクロマトグラフ分析方法においては、前記モレキュラーシーブがモレキュラーシーブ５Åであることが好ましく、前記分離したガスを熱伝導型検出器（ＴＣＤ検出器）により好適に検出することができ、熱伝導型検出器（ＴＣＤ検出器）が出力増幅器を具備していることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のガスクロマトグラフ分析方法により、少量、例えば、２〜３．５ｍＬの試料溶液中に溶解した窒素、酸素およびメタンを同時に測定することができる。また、試料溶液は直接、測定系に注入することができ、海水でも淡水でも測定することができる。更に、再現性と感度に優れ、この方法により脱窒速度を測定すると、アセチレンブロック法と比較して、現場の速度を極めてよく反映することができる。更にまた、この方法により、水圏エコシステムにおける脱窒、酸素吸収、メタン発生の現場速度の同時測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適実施形態に基づき、詳細に説明する。
本発明のガスクロマトグラフ分析方法は、溶液中に溶解した窒素、酸素およびメタンガスからなる群から選択される少なくとも一種の溶存ガスを定量分析するものである。例えば、脱窒の最終生成物、即ち、Ｎ2ガスを、本来の基質勾配を妨害することなく、コア堆積物サンプル中で直接測定することができ、その上、酸素（Ｏ2）およびメタン（ＣＨ4）もまた同時に測定することができる。なお、窒素、酸素およびメタンガス以外の気体を同時に測定してもよい。
【００１２】
本発明においては、まず、工程（Ａ）において、測定対象のガスの溶存する溶液からガスストリッパーを用い溶存ガスを抽出する。例えば、ヘリウム等のガスによりパージすることにより、溶液から溶存ガスを抽出することができる。
【００１３】
次に、工程（Ｂ）において、抽出された溶存ガスを、冷却されたトラップカラムにより捕捉する。なお、抽出されたガスを捕捉する前に通常行われている水分除去カラム等により適宜、乾燥させる。水分除去カラムとしては、例えば、シリカゲルを充填したスチールカラム等の使用が挙げられる。
【００１４】
トラップカラムの冷却は、一般的に行われている冷却トラップ、即ち、液体窒素で冷却する方法を採用することができるが、本発明においては、かかるトラップカラムとしてモレキュラーシーブ充填カラムを使用する。
【００１５】
具体的には、モレキュラーシーブを、ＳＵＳカラム等のスチールカラムに充填して使用する。モレキュラーシーブは、シリカゲル等と異なり、酸素、窒素およびメタンガスとの吸着能を有しており、冷却のみでは不完全な測定対象となる気体の捕捉をより完全に行うことができる。
【００１６】
また、トラップカラムは、次工程の分離カラムの効率に悪影響を及ぼす可能性のある物質をカットする機能をも有する。モレキュラーシーブは、測定対象の気体と吸着能を有するものであれば特に制限されるものではないが、酸素、窒素およびメタンガスに対し、良好な吸着能を有するモレキュラーシーブ５Åを好適に使用することができる。
【００１７】
次に、工程（Ｃ）において、捕捉したガスをトラップカラムの加熱により放出し、ガスクロマトグラフィー本体内の分離カラムにより分離を行う。捕捉したガスは液体または吸着した状態にて存在するため、当該捕捉したガスを放出するには、トラップガスを適宜暖めることにより気化させればよい。しかる後、放出したガスをガスクロマトグラフィー本体内の分離カラムに導入し、分離を行う。
【００１８】
本発明においては、分離カラムに分離能に優れたモレキュラーシーブ充填カラムを使用する。かかるカラムはトラップカラムで使用するものと同様のタイプのものを好適に使用することができる。
【００１９】
次に、工程（Ｄ）において、分離したガスを検出する。かかる検出は、熱伝導型検出器（ＴＣＤ：ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を装備したガスクロマトグラフィーにより好適に行うことができる。また、好ましくは、検出系に出力増幅器を取り付け、これによりＴＣＤの感度を約１０倍程度まで向上させることができる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。
本発明のガスクロマトグラフ分析方法を用い、三重県英虞湾および五ヵ所湾の沿岸海底泥における酸素消費速度および脱窒活性の測定を行った。
【００２１】
測定装置は、図１に示す装置構成とした。使用した各装置を以下に列挙する。尚、図１中、符号１はガスクロマトグラフ、１Ａは分離カラム、１Ｂはバランスカラム、２は４ポートバルブ、３は冷却トラップ、４は水分除去カラム、５はガスストリッパー、６は１０ポートバルブ、７はサンプル、８はサンプルループ、９Ａ,９Ｂはベント（排気）である。
（主要装置）
・ガスクロマトグラフ（（株）島津製作所製、Ｇ−１４Ａ）
・ガスクロマトパック（記録解析機器：（株）島津製作所製、Ｃ−Ｒ６Ａ）
・セレノイド−エアアクチュエイター（１０ポートバルブ操作機：（株）島津製作所製、ＰＲＧ−１０２Ａ）
・プレアンプリファイアー（出力増幅器：（株）島津製作所製、ＡＭＰ−７Ｂ）
（補助装置）
・１０ポートバルブ（（株）島津製作所製、ガスタイトバルブ）
・サンプルループ（（株）島津製作所製、２−３．５ｍｌ、スチール製）
・ガスストリッパー（ガラス製）
・水分除去カラム（（株）島津製作所製、シリカゲル（メッシュサイズ：３０−６０）を充填したスチールカラム（長さ３０ｃｍ、直径６．４ｍｍ）、温度コントローラーに接続されたシリコーンゴムヒーターで覆われている）
・冷却トラップ（（株）島津製作所製、モレキュラーシーブ（４０／６０メッシュ）を含むステンレススチールカラム（長さ２０または３０ｃｍ、直径２ｍｍ）を液体窒素に浸漬）
・マントルヒーター（９５−１００℃に維持された沸騰水中にトラップを浸漬し、捕捉したガスを放出する）
・４ポートバルブ（（株）島津製作所製）
・２ガスタイトボールバルブ（（株）島津製作所製）
・分離カラム（モレキュラーシーブ（４０／６０メッシュ）が充填されたステンレススチールカラム（長さ２ｍ、直径３．２ｍｍ）
・インジェクションポート（（株）島津製作所製）
【００２２】
ガスストリッパーとして、ホールピペット型の形状のものを使用した。これにより、粘性の高い海水をパージすることができ、液体が気体と一緒に上方まで移動してしまう問題を解決した。また、測定後には逆向きの圧力をかけることで試料排出の効率が上昇した。
【００２３】
また、ガスストリッパーの上方部と下方部にガラスメッシュ板を取り付けたことにより、その上方部では、水分の飛沫が上方へ移動することを抑えることができ、水分除去カラムへの負担を減らすことができた。一方、その下方部では、海水の粘性と早期圧力のバランスによりガスストリッパーの全面で、下から上方へ、細かい気泡を発生させることができ、効率の良いパージができた。
【００２４】
さらに、本測定装置では、試料注入ポートにおいて、注入ラインの先端に、開閉レバーとルアーロックの２つのジョイントを装着したことで、ルアーロック式ガスタイトシリンジを装着したまま、バルブ動作時のバックプレッシャーを試料に混入させることなく、連続して繰り返し測定ができるようになった。
【００２５】
（測定試料）
本実施例において測定試料は以下のようにして採取したものを用いた。
場所：三重県英虞湾
方法：コア装着改造型エクマンバージ型採泥機により採取した。
【００２６】
採取試料は船上で密封後に、現場温度に維持して実験室に運搬し、採取後約２時間で培養を開始した。
測定間隔：培養開始時および２４、４６、７１時間後等
試料注入量：測定機械への初期注入量：約５ｍｌ
測定系への導入サンプルループ容量：３ｍｌ
測定回数：２回ずつ
【００２７】
本実施例では、現場から採取した底泥コアを実験室に持ち帰って培養を行った。そのため、培養機の蓋にガスクロマトグラフ分析機に用いる試料注入口セプタムを取り付けた。これにより以下の利点が得られた。
【００２８】
１  試料採取時：試料を採取直後に船の上で大気ガスの混入を避けて蓋をすることができた（セプタムに針をさした状態で蓋を押し込み、筒状容器上部に混入した大気ガスを逃した後に針を抜いて密封することができた。）
【００２９】
２  培養技術：セプタムにガスタイトシリンジを装着することで、培養容器中の水の出し入れ（硝酸等の添加、測定用海水の一部取り出しと圧力調整用代替海水の注入等）を、大気の混入を避けて行うことができた。
【００３０】
（操作）
上記装置および測定試料を用いて以下の操作を行った。
まず、上記地域の海底泥を筒状（コア：ｃｏｒｅ）に採取し、上層水と共に上記培養を行った後、一定の時間ごとに、コアの上層水を採取し、上記測定機器に直接注入し、測定を行った。
【００３１】
なお、当該操作は大気ガスの混入を避けて行った。ガスクロマトグラフ１による測定方法は、注入した水に溶けているガスを、ヘリウムでパージして抽出し、抽出したガスを冷却したトラップカラムで捕捉・濃縮した。その後、トラップカラムを暖めて捕捉したガスを放出し、ガスクロマトグラフィー本体にガスを送り、分離カラム１Ａで分離し、プレアンプリファリアーを接続したＴＣＤまたは接続していないＴＣＤで検出した。なお、ガス流路の切り替えは、１０ポートバルブ６等により自動操作で行った。
【００３２】
（測定結果）
プレアンプリファイアーを接続したＴＣＤを使用した場合には、出力値（ＡＲＥＡ）は、酸素が４６１６６、窒素が５３４８６９であり、プレアンプリファイアーを接続した場合には、出力値がそれぞれ３４４１００、４３７２９４４となり、プレアンプリファイアーを接続することにより、出力値が約１桁高くなり、感度が向上していることが確認された。
【００３３】
プレアンプリファイアーを接続したＴＣＤにより、各種測定試料から溶存酸素、溶存窒素および溶存メタンを測定した結果を図２〜５に示す。図２〜５に示す測定結果より、少量の海水試料溶液中に溶解した窒素、酸素およびメタンを同時に測定することができることが確かめられた。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
最適な試料採取法と培養技術とを組み合わせた本発明のガスクロマトグラフ分析方法は、水圏の生物生理化学研究分野において極めて価値ある方法である。特に、沿岸や水圏エコシステム、あるいはその他の富栄養化した環境において、これまでは最も困難であるとされてきた脱窒による窒素の系外への除去量の測定が可能となった。本発明のガスクロマトグラフ分析方法は、水域の富栄養化汚染の影響評価、排水管理や環境改善手法の開発等を行う際に利用される可能性があり、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のガスクロマトグラフ分析方法に使用し得る測定装置の構成図である。
【図２】測定試料から溶存酸素、溶存窒素および溶存メタンを測定した結果のグラフである。
【図３】本発明の他の測定試料から溶存酸素、溶存窒素および溶存メタンを測定した結果のグラフである。
【図４】本発明のさらに他の測定試料から溶存酸素、溶存窒素および溶存メタンを測定した結果のグラフである。
【図５】本発明のさらに他の測定試料から溶存窒素を測定した結果、および、脱窒素速度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１  ガスクロマトグラフ
１Ａ  分離カラム
１Ｂ  バランスカラム
２  ４ポートバルブ
３  冷却トラップ（トラップカラム）
４  水分除去カラム（乾燥トラップ）
５  ガスストリッパー
６  １０ポートバルブ
７  サンプル
８  サンプルループ
９Ａ，９Ｂ  ベント（排気）
Ａ，Ｂ  キャリヤーガス（Ｈｅ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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