福岡県保健環境研究所年報第36号，61－66，2009

原著
マイクロウェーブ分解装置を用いた重金属の迅速分析法の検討

芦塚由紀・岡本華菜*・山本重一・中川礼子
健康危機発生時のための重金属迅速分析法を確立することを目的とし、マイクロウェーブ分解装置を用いた前処理方法を検討した。測定には多元素同時分析が可能な ICP-MS（水銀は水銀分析計）を用いた。食品試料として玄米及び清涼飲料水を、生体試料として頭髪を用いてマイクロウェーブ分解装置における分解条件を検討した後、分析法の検証をした。添加回収試験の結果、食品試料では Cr、Mn、Co、Ni、Cu、As、Se、Cd、Tl、Pb、Hg の11元素について70~120%の良好な結果が得られ、健康危機発生時のスクリーニング検査法として適用可能であると考えられた。検査時間については、これまでの湿式分解/原子吸光法で要していた時間の半分以下に短縮され、一日で結果を出すことが可能であると推察された。多元素を迅速に分析するための非常に有用な方法と考えられた。
［ キーワード : 重金属、食品、生体試料、マイクロウェーブ、ICP-MS、多元素同時分析、健康危機管理］
１能であるため迅速な前処理が可能である。また密封はじめに食品等による健康危機発生時に備え、地方衛生研系で分解を行うため、コンタミネーションの低減、究所においては様々な有害物質による事件を想定し水銀等の揮発性の高い元素への適用が可能と考えらた検査体制を強化しておく必要がある。農薬や動物れる。主に環境試料の分析に用いられている装置で用医薬品については厚生労働省により通知された一あり、食品試料への適用も報告されているが2)3)、ま斉分析法等の網羅的な分析法が比較的確立されていだ報告例が少ない。

るが、重金属については現在のところ確立された一

今回我々は、健康危機発生時を想定した分析法と斉分析法がない。特にカドミウム、鉛、ヒ素、水銀して、カドミウム、鉛、ヒ素、水銀を含めた12元素等はその有害性から健康危機発生時に検査すべき優についてマイクロウェーブ分解による前処理法を用先順位の高い物質と考えられることから、健康危機いた迅速分析法の適用を検討した。さらに測定機器発生時を想定した検査法の確立が必要である。

についても、これまでは重金属の分析に原子吸光分

従来から、食品中の重金属を分析する際ケルダー

析を用いてきたが、多元素を同時に測定することがルフラスコに入れた試料を硫酸及び硝酸で分解する可能で検出感度が良い誘導結合プラズマ質量分析装湿式灰化法が用いられてきた。この方法は食品中カ置（ICP-MS)を用いること（水銀については水銀分1)

ドミウム試験の公定試験法 であることから、当所析計）を検討した。分析試料は健康危機発生時を想においても食品の規格基準に伴う検査業務に用いて定し、食品試料及び生体試料で検討を行った。食品いるが、分解終了までに非常に多くの時間を要する。の固体試料として玄米を、液体試料として清涼飲料

健康危機発生時は対応に有用な情報を得るために、水を、生体試料として頭髪を用いて、マイクロウェ第一に迅速的な検査が求められることから、分析試

ーブ分解条件を検討した後、標準試料の分析や添加料の前処理過程における迅速化が不可欠である。試回収試験を行い、分析法を検証した。

料の前処理法としては、湿式分解の他にホットプレート法やマイクロウェーブ分解法がある。マイクロ２

実験方法

ウェーブ分解は、マイクロウェーブの出力条件を設

２・１

食品試料として玄米と清涼飲料水を、生体試料と定するだけで温度管理ができ、高圧、高温で分解可福岡県保健環境研究所（〒818-0135 太宰府市大字向佐野39）*

久留米工業大学

現株式会社

試料

オーシカ―61―

して頭髪を用いた。玄米と頭髪は重金属の濃度が既た。玄米の場合は分解が不十分であったため、さらに認証値として明らかな環境標準試料（国立環境研に濃硝酸2mL と過酸化水素0.5mL を加え、再びマ究所、NIES CRM No. 10玄米粉末、及び NIES CRM

イクロウェーブ分解を行った。分解液を20mL メス

No.13頭髪）を使用した。清涼飲料水は標準試料がフラスコに入れ、濃硝酸で洗い込みながらメスアッ入手できなかったため市販品を用いた。

プした。

２・２

標準品及び試薬表１

重金属測定用の標準溶液は、SPEX 社製の ICP-MS

マイクロウェーブ試料前処理装置の条件

用重金属混合標準溶液 XSTC-331(29元素混合10ppm
ステップ 時間 (分)溶液)及び和光純薬工業株式会社製の水銀標準液（

出力 ( w )( ℃）1000mg/L） を用いた。濃硝酸は和光純薬工業株式

12100050

会社製の超微量分析用を使用した。内部標準溶液に23030は、SPEX 社製のインジウム標準液(1000mg/L)を用3131000185いた。使用するガラス器具類及びテフロン製の容器

410155

類は予め10%硝酸に浸し、蒸留水で洗浄したものを541000185用いた。

6171000185

２・３装置

マイクロウェーブ分解装置はマイルストーン ゼ
ネラル社製 ETHOS

２・５TC を 使用した。超純水製造装

重金属の測定前処理後の試料を一部採取し、クロム(Cr)、マン置はミリポア社の miliQ SP UF を 使用した。

ガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、２・４亜鉛(Zn)、ヒ素(As)、セレン(Se)、カドミウム(Cd)、試料の前処理

玄米の標準試料については湿式分解法（従来法）とタリウム(Tl)、鉛(Pb)の11元素は ICP-MS で測定しマイクロウェーブ分解法の両方で前処理を行い、それた。水銀については揮散しやすいことと、メモリーぞれの定量値と認証値を比較した。清涼飲料水及び頭効果が起こることから 4)、高感度還元気化水銀分析

髪の試料についてはマイクロウェーブ分解法のみを行装置で測定することにした。

い認証値と比較した。添加回収試験は玄米、清涼飲料

２・５・１

水銀の測定

水の試料に各金属の添加量が試料1gあたり1μg（水銀装置は日本インスツルメンツ社製のマーキュリーは0.5μg）となるように標準溶液を添加し、n=5で行っ/RA-2Aを使用した。水銀の測定はサンプル前処理分た。頭髪は試料1gあたり5μg（水銀は2.5μg)となるよ解後すぐに行った。20mL にメスアップした各試料

うに標準液を添加し、同様にn=4で添加回収試験を行から0.8mL を専用の発生瓶に採取した。これに、った。

蒸留水18.2mL と硫酸1mL を入れて軽く振り混ぜ

２・４・１

湿式分解法

た。測定の直前に塩化スズ溶液1mL を加えた後、300mL のケルダールフラスコに試料約1g を正確に通気することにより、水銀蒸気を発生させ、原子吸採取した。濃硝酸10mL を加えてドラフト中のバーナ光法で検出･定量した（測定波長：253.7nm）。

ーで加熱し、茶色の煙が出たら加熱を止め放冷した。

２・５・２

ICP-MSによる測定（11元素）

さらに濃硝酸を5mL 加えて、茶色の煙が出なくなる

装置は Agilent 社製の7500cs を使用した。分解後までバーナーで加熱した。ケンダールフラスコ内の濃の試料を100mL テフロンビーカーに10mL 正確に採硝酸が蒸発で減少してきたら5mL ずつ濃硝酸を加え、取し、硝酸を蒸発させるために170℃のホットプレ試料液の色が淡黄色になるまで分解を繰り返した。分ート上で加熱した。液量が1mL 以下まで蒸発させ解後、試料液を20mL メスフラスコに洗い込み、濃硝た後、2％硝酸を3mL 加えてよく溶解させ、再び加酸でメスアップした。

熱した。この操作を2～3回繰り返した後、2％硝酸

２・４・２を3mL 加えてよく溶解させ、10mL メスフラスコにマイクロウェーブ分解

マイクロウェーブ分解用容器に試料約0.5g を秤移した。2％硝酸で洗い込みながらメスアップした。

取し、これに濃硝酸8mL を加えた。30分以上放置

メスアップした試料液をポリプロピレン製の15mLした後、表１に示す条件でマイクロウェーブ分解を容の容器に5mL 採取した（金属濃度が濃い試料は行った。30分程度冷却した後、ドラフト内で容器の希釈した）。また、検量線用標準溶液（1、2、5、10、フタを開け、褐色の煙が出なくなるまで放置した。

20、50、100ppb の7点の濃度で調製したもの）も同

清涼飲料水及び頭髪の場合はここで分解を完了とし様に5mL 採取した。採取した各標準溶液及び試料―62―

溶液に1000ppb 溶液に希釈した内標準のインジウム料はマイクロウェーブの分解を2回行うこととした。

標 準 溶 液 を 5 0 μL ず つ 加 え て よ く 混 合 し た 後 、また、分解に用いる試料の量について、0.2g と0.5gICP-MS で測定を行った（高周波出力：1.5kW、 アで分解し比較したところ、どちらも分解液の色も違

ルゴンガス流量：キャリアガス

0.85L/min、メイいがなかったため、試料は0.5g を使用することと

0 . 2 0 L/min、 ヘ リ ウ ム ガ ス ： 5 . 5

した。頭髪については、人体試料であるため少量でクアップガス

mL/min)。測定対象とした元素及び質量数、また干採取することが妥当であると判断し0.1g を使用す

渉する分子イオンの例をを表2に示す。分子イオンることにした。の干渉を除去するためにコリジョンガスとしてヘリ３・３ 標準試料の分析による分析法の検証
予め濃度が検証されている認証値付きの標準試料ウムを使用した。
表２(玄米及び頭髪）を用いて、マイクロウェーブ分解測定対象とした11元素及び質量数

元素名*

元素名*

質量数

質量数による迅速分析法の検証を行った。前処理後の試料

Cr

53

As (ArCl)

75

を ICP-MS（ 水銀は水銀分析計）で測定し、定量値

Mn (ClO、 KO)

55

Se77と認証値を比較した。標準試料（玄米及び頭髪）のCo (ArNa)

59

Cd111

認証値とマイクロウェーブ分解を用いた分析法によNi (CaO)

60

Tl

205

る定量値を表3に示す。また、マイクロウェーブ及Cu (ArNa)

63

Pb208

び湿式分解による定量値と認証値の比の比較（頭髪Zn (MgAr)

66

はマイクロウェーブ分解のみの値）を図1に示す。
玄 米 の標 準 試料で は、 Cr、 Mn、 Cu、 Zn、 As、 Cd* 括弧内は干渉する分子イオンの例を示す。の6元素について定量値は認証値と近い値（比が0.7３．結果及び考察1.2の範囲内）であった。Ni では約2倍以上高い値

３・１ ICP-MSにおける検量線の作成であった。従来法である湿式分解法では Cr の値がICP-MS で 測定を行う11元素について、1-100ppb低かったが、その他の元素については同様の傾向がの範囲で７点の濃度の標準溶液を測定し、検量線を見られた。水銀は標準試料中に極微量にしか含まれ作成した。いずれの元素についても、1-100ppb のておらず、検出下限値以下であった。また、Se、Tl、Pb

濃度範囲で検量線に良好な直線性が得られた。水銀は認証値がなかったため比較はできなかった。マイは還元気化水銀分析計を用いて、0.5ppb の1点検量

クロウェーブ分解法は迅速でかつ湿式分解法と同等線で測定を行った。また、実験に使用する水（蒸留かそれ以上の良好な結果が得られることがわかっ水及び超純水）におけるブランク値を測定した結果、た。頭髪の標準試料では Mn、Cu、Se、Cd、Hg の50.2ppb 以下であり、健康危機発生時の食品等の検元素について定量値は認証値と近い値（0.7-1.2の査に問題なく使用可能であると考えられた。各元素範囲）であった。As 及び Pb は1.5倍程度高めの値の試料における定量下限値は、玄米及び清涼飲料水で、Cu 及び Zn はやや低めの値であった。Cr、Ni、Tlで0.02ppm、頭髪で0.1ppm であった。

は認証値がなかったため比較できなかった。

３・２ マイクロウェーブ分解装置の条件の検討

３・４ 添加回収試験による分析法の検証

マイクロウェーブ分解装置を用いて、代表的な3各金属の添加量が食品試料は1g あたり1μg（水銀種類の試料（食品の固形試料として玄米、液体試料は1g あたり0.5μg)となるように試料に標準溶液をとして清涼飲料水、生体試料として頭髪）の前処理添加し、n=5で添加回収試験を行った。頭髪は5μgを試みた。それぞれの試料を分解するためのマイク（水銀は1g あたり2.5μg）となるように試料に標準ロウェーブ分解装置の条件（昇温プログラム）を検溶液を添加して n=4で行った。重金属の中でも毒性討した。表1に示すプロクラムで試料の分解を行っの高い亜ヒ酸の場合の中毒量は5-50mg5 )であることた。分解前に加える硝酸の量は8mL とした。清涼から、食事量を100g とした場合、試料中濃度は50ppm

飲料水及び頭髪は、いずれの試料も1回の分解で無以上と推定される。今回の食品試料の添加量はその色透明な分解液が得られた。しかしながら、玄米は1/50以下である。添加回収試験の結果を表4に示す。

1回の分解では分解液が暗緑色を呈し、有機物がか食品試料（玄米及び清涼飲料水）では Zn 以外の11なり残存することを示していたため、さらに過酸化元素(Cr、Mn、Co、Ni、Cu、As、Se、Cd、Tl、Pb、Hg)

水素0.5mL と硝酸2mL を加えて再び同じプログラについて回収率70～120%の良好な結果が得られた。

ムで分解を行った。その結果、2回目の分解後は淡Co は標準試料中濃度が非常に低濃度であったため、黄色の分解液を得ることができたことから、玄米試

認証値との比較においては近い値ではなかったが、―63―

添加試験においては良好な結果であった。玄米中のやや高め(127.4%)であったが、ばらつきが小さい

Mn 及び Zn については添加前の標準試料中含有量ことから、スクリーニングとしては利用できると考が添加濃度よりも数倍以上高かったため、回収率をえられた。Ni は回収率のばらつきが大きかった。Ni算出できなかったが、 標準試料の分析結果で認証は標準試料の定量においても値が高めであったこと値と近い値であったことから、 分析上問題はないから、分子イオン干渉の影響等も考慮して検討すると考えられた。頭髪では Co、As、Se、Cd の4元素必要があると考えられた。Hg については揮散しやについて70~120%の良好な回収率が得られた。Mn、すいため湿式分解で行う場合は還流しながら加熱す

Cu、Zn、Pb 及び Hg については添加前の試料中含る必要があるが、マイクロウェーブ分解では他の元有量が高く、回収率を算出できなかったが、Mn、Cu、素と同時に前処理をし、その試料の一部を水銀分析

Hg については標準試料分析結果で認証値と近い値計で測定するという方法で良好な回収率が得られるであった。Cr は回収率がやや低く(58.7%)、Tl はことがわかった。

表3

環境標準試料（玄米及び頭髪）の認証値とマイクロウェーブ分解を用いた分析法の定量値
玄米

頭髪
**

認証値
μg/g

定量値
μg/g

認証値
μg/g

定量値
μg/g

Cr0.220.17―

0.82

Mn

31.528.53.93.3

Co0.020.040.07

ND

Ni

0.39

1.13―

1.66

Cu

3.3

3.13

15.3

12.7

Zn

22.3

22.8

172

106

As

0.11

0.08

0.1

0.15

Se―

ND

1.79

1.78

Cd

0.32

0.31

0.23

0.28

Tl―

ND

―

ND

Pb―

2.72

4.6

7.4

図10.003ND

4.424.98

環境標準試料の分析における認証値と定量値の比

Hg
*

表4

マイクロウェーブ分解及び湿式分解を用いた玄米はn=5、頭髪はn=4の平均値を示した。

各 分 析 試 料 に お け る 添 加 回 収 率 （ 玄 米 及 び 清 涼 飲 料 水 は n= 5 、 頭 髪 は n= 4 ）
玄米

清涼飲料水

頭髪平均値

RSD平均値

RSD平均値

RSD(%)

(%)

(%)

(%)

(%)

(%)

Cr

98.3

5.2

112.3

23.8

58.7

10.9

Mn

―

―

84.9

6.8

―

―

Co

88.6

4.6

96.6

2.9

97.1

1.8

Ni

99.2

23.6

84.2

7.1

38.5

81.4

Cu

97.3

10.6

91.8

14.3

―

―

Zn

―

―

176.9

16.1

―

―

As

91.3

4.6

81.6

4.3

91.6

2.8

Se

85.3

6.7

82.2

5.1

114.1

4.0

Cd

99.4

2.0

84.2

2.6

95.6

2.0

Tl

112.0

2.4

89.8

2.7

127.4

2.1

Pb

118.6

21.9

109.3

14.8

―

―

Hg

95.3

7.2

87.4

8.7

―

―

* ― の欄は試料中の含有量が大きく、回収率を算出できなかった。

―64―

３・５ 従来法（湿式分解法）と迅速分析法の比較違点として、閉鎖系で分解を行うという点がある。

食品中の重金属分析においては、硝酸などの酸をそのため環境負荷が小さく、コンタミネーションが用いて有機物を十分に分解するという前処理が非常少ない。また、水銀などの揮散しやすい元素にも適に重要である。試料中の有機物が十分に分解できて用できる。

いないと、機器分析の際の干渉や妨害となり、正確測定機器については、これまで当所で使用してきな定量が困難である。これまで当所で前処理法とした原子吸光分析は ICP-MS に比べてランニングコスて用いてきた湿式分解法は、分解終了までに非常にトが安いという利点はあるが、単元素ずつの測定と時間がかかり、約1日半程度を要した。試料によっなるため、多種の元素を測定する場合は非常に時間ては2日以上かかるものもある。また強酸等の試薬がかかる。日常業務で決められた元素のみを測定す使用量も多く、玄米を分解する場合で1検体あたりる場合はよいが、スクリーニング検査には不向きで約50-100mL の硝酸を使用する。さらに、分解を開ある。一方、ICP-MS は多元素を同時に測定可能で、放系で行うため環境負荷が大きく、火力を用いるた多元素測定を行った場合でも１検体あたりの測定時め危険性を伴うこともある。分解中は常に見張りが間は数分以内と短く感度もよい。しかし、マトリッ必要である。しかしながら、特別な装置等は必要な

クス成分の多い食品試料では、共存物質による分子く、消耗品コストも安価であるため汎用性は高い。

イオン干渉を受けやすいため、前処理や測定条件等

一方、今回検討を行ったマイクロウェーブ分解法はの検討を十分に行う必要があると思われた。

分解容器内部の試薬を直接加熱することができる非

図2にマイクロウェーブ分解を用いた方法と従来常に効率の良い分解法である。しかしながら2007年

法（湿式分解/原子吸光法）の重金属の分析の流れ度の調査によると地方衛生研究所における導入割合を示した。検体搬入、検査開始から結果が出るまで

6)は26機関中4機関 のみで、普及度が低い装置である。

要する時間は、従来法である湿式分解/原子吸光法

そのため、緊急時における標準的な分析法としてはでは、分解に時間を要する玄米試料5検体で、前処まだ採用できる段階ではないが、今後あらゆる試料理に1日半、測定に1日程かかり、試料の採取から測に対応できる非常に有用な分析方法として期待でき定まで約2日半（約20時間）かかると算出された。

る。マイクロウェーブ分解は、１検体に使用する酸

一方、マイクロウェーブ/ICP-MS（ 水銀は水銀分析の量が20mL 以下と少なく、分解時間は1-2時間程度計）では、前処理が4時間、測定が2時間で、計6時（冷却に30分程度）であり、自動で分解できるため、間で検査が可能となり、一日内で結果を出すことが労力が節約できる。さらに湿式分解法との大きな相できる。従来法では元素によって前処理や測定法が検体（食品・生体試料）搬入
前処理
4時間

試料の採取 0.1~0.5g

試料の採取 1~10g

前処理

↓↓

1日半

マイクロウェーブ分解
↓

湿式分解

湿式分解

硝酸

硫酸-硝酸Cd、Pb、As還流法↓Hg 以外の元素

Hg

測定

ICP-MS還元気化

2時間* 多元素同時水銀分析計

等↓分析が可能↓

↓↓

原子吸光

結果

Hg↓

↓

水素化

還元気化

測定

原子吸光

水銀分析計

1日

↓
結果

計6時間

計2日半
(20時間)

図2

マイクロウェーブ分解法（左）と湿式分解/原子吸光法（右）を用いた場合の検査時間の比較（玄米5検体とした場合）

―65―

謝辞

違うこと時間や手間を要する原因となっている。迅

この研究は厚生労働科学研究費補助金により実施

速分析法では同時に前処理が可能で、測定も水銀以しました。

外は同時測定であるため時間短縮できると考えられた。検体搬入からの検査時間を、これまで要してい文献た時間の半分以下に短縮することができた。

1) 日本薬学会編：衛生試験法・注解，食品汚染物試
験法 湿式灰化法，557-560，1990.

４ まとめ
食品試料及び生体試料の迅速な前処理装置とし

2) 宮本展行，木野善夫，宇治田正則：マイクロウェて、マイクロウェーブを用いた方法の検討を行った。

ーブ分解装置を用いたICP-MSによる醤油中ヒ素の定

代表的な食品試料として玄米と清涼飲料水を、生体量， 和歌山市衛生研究所報第13号，51-55，2001.

試料として頭髪を用い、マイクロウェーブ分解装置

3) 博多幸子，中野憲，神尾典子，高野美紀子，安部における分解条件を検討した後、標準試料（認証値

幸雄，片平大造，伊藤岩夫：マイクロウェーブ分解付き試料）の定量及び添加回収試験を行い、分析法法と誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS法）を用いの検証を行った。食品試料の添加回収試験の結果でた食品中の金属多元素迅速一斉分析法の検討，福島

は Cr、Mn、Co、Ni、Cu、As、Se、Cd、Tl、Pb、Hg

県衛生研究所年報第20号，75-80，2002.
4) 大島晴美，上野英二，斎藤勲，松本浩：玄米及びの11元素について70~120%の良好な結果が得られ、健康危機発生時のスクリーニング検査法として適用

魚介類中カドミウム，鉛，水銀，ヒ素，セレン，マできると考えられた。頭髪についても、Ni でばらンガン，銅及び亜鉛の分析における誘導結合プラズつきが見られたが、その他の元素については健康危

マ質量分析法と原子吸光光度法の比較，食品衛生学

機発生時のスクリーニングとしては使用できると思雑誌，45号，270-276，2004.
5) 日本薬学会編：衛生試験法・注解，無機化合物，われた。検査時間については、これまでの湿式分解/

548-551，1990.

原子吸光法の半分以下の時間で検査が可能であり、

6) 織田肇：厚生労働科学研究報告書

1日で結果を出すことが可能であった。多元素を迅地域におけ速かつ網羅的に分析可能であることから健康危機発る健康危機に対応するための地方衛生研究所機能生時に有用な検査方法と考えられた。

強化に関する研究，平成19年度研究報告書（主任研究者吉村健清），7-31，2007.

（英文要旨）

Screening method of multiple elements using microwave decomposition equipmentYuki ASHIZUKA1, Kana OKAMOTO2, Shigekazu YAMAMOTO1, Reiko NAKAGAWA1
Fukuoka Institute of Health and Environmental Sciences,
Mukaizano 39, Dazaifu, Fukuoka 818-0135, Japan*Kurume Institute of Technology,
Kamitsu 2228-66, Kurume, Fukuoka 830-0052, JapanWe developed efficient method using microwave decomposition equipment for the screening of multiple elements in the caseof food poisoning. Food samples (brown rice and soft drink) and a biological sample (human hair) were used for thisexperiment. We established the condition of microwave decomposition equipment using these samples. The method wasvalidated by recovery test and measurement of standard reference materials. These samples were analyzed using inductively
coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) in order to measure multiple elements simultaneously. As the results of validation
test, satisfactory recoveries (70-120%) of 10 elements (Cr, Mn, Co, Cu, As, Se, Cd, Tl, Pb and Hg) were obtained
from food samples. Furthermore, the time required for analysis of multiple elements was shortened, making it possible to finish
these analyses within one day. This method is very useful for analyzing multiple elements rapidly in the case of foodpoisoning.
[ key words ; element， microwave，food，biological sample，ICP-MS ]―66―