E-MSによる環境関連分析と新規イオン化法開発の向

独立行政法人 産業技術総合研究所
生活環境系特別研究体
竹田 さほりめに境中有害化学物質の分析法 (公定法）
個別物質毎の分析(手分析）から多成分同時分析(機器分析）へ

比色法, 比濁法, ...

GC-MS, LC-MS, ...

析法に求められる性能• 高分離能：１回の測定でより多くの成分の分析が可能
夾雑物の影響の低減
揮発性物質 → (キャピラリー)GC
難揮発性物質 → (HP)LC, CE• 高定性能：未知試料の同定 → MS

析法の現状 (１）GC-MS：すでに公定法として採用(1993〜)• 揮発性有機化合物 (有機塩素化合物、炭化水素、ベンゼン等• 農薬 (有機塩素系等、揮発性のもの）• ダイオキシン類およびコプラナーPCB

C-MS：公定法化に向けて検討中？

＜LC-MSを用いた化学分析法開発マニュアル(2000.4)＞• 大気中環境ホルモン等 (フェノール類、農薬）• 水中農薬 (高極性、熱分解性のもの）• カルボニル化合物 (DNPH誘導体として）＜その他＞• 多環芳香族炭化水素及びその酸化物• ジンクピリチオン、カッパーピリチオン• ミクロシスチン、etc.

分析法の現状 (２）Eの場合：GC, LCとの比較
CELCGC

難揮発性

難揮発性

揮発性

分離能(理論段数)

◎△

◎

濃度感度

△○○

再現性

△○

MSとの接続(主なイオン化法)△(ESI)○○(ESI,APCI)

対象物質◎(EI, CI)

とMSの接続 (１）

レクトロスプレーイオン化法(ESI)の原理

導電性の液体を細管に流し、高電圧(数kV)を印加

金属キャピラリー

帯電液滴の生成・噴霧

溶媒の蒸発・試料のイオン化

徴「ソフトな」イオン化
多価イオンの生成

特にタンパク質・ペプチドの分析に威力を発揮

とMSの接続 (２）-ESI-MSの主なインターフェース(I/F)

Sheath Liquid Flow（最も汎用）

CEキャピラリーと同軸にシース液を混合し、電気的接触を行うとともに安定なスプレーを形成させる

CEキャピラリー

ステンレス管

シースガス
シース液
泳動溶液

iquid Junction

液絡を用いてCEとI/Fを電気的・物理的に切り離す

Nanospray

CEのキャピラリー先端を尖らせ、シース液を用いずスプレーをJ. Fred Banks, Electrophoresis, 18, 2255 (1997).
尾崎ほか、ぶんせき、1999, 161.
岡本ほか、クロマトグラフィー、20, 19 (1999).

ESI-MSによる分析例 (１）

都市廃水中染料の分析

E.D. Lee, et al., Biomed. Environ. Mass Spectrom., 18, 253 (1989)）

対象：Acid Yellow 49 (m/z 424)、Acid Red 14 (m/z 228) およびAcid Yellow 23 (m/z 233) の３種類の染料

Acid Yellow 49ClHO3S

H2N

Acid Yellow 23NN

N N

CH3

HO3SNClAcid Red 14OH
HO3S

N N

SO3H

→ 排水に各染料 5 ppmをスパイクし、検出に成功（固相抽出の併用、MS/MSによる選択性の向上 (m/z 80=SO3-)）

ESI-MSによる分析例 (２）モデル染料の湿式酸化分解生成物の分析（S. Takeda, et al.: J. Chromatogr. A, 853, 503 (1999)）

対象：オレンジⅡ(m/z 327.3) 分解試料

CE-ESI-MSにより得られた分解生成物ピーク：m/z 172.8, m/z 164
および m/z 200.8→ 生成物推定、CE-UV/DADによりピーク同定
OH
COOH
COO-OHCO
COOH

NN

SO3H

p-フェノールスルホン酸(m/z 173.2)
SO3H

オレンジⅡ(m/z 327.3)

o-フタル酸(m/z 165.1)

p-スルホ安(m/z 201.2ESI-MSによる分析例 (３）極性農薬 (フェノキシ酸系除草剤）の分析（K. Otsuka, et al., J. Chromatogr. A, 817, 75 (1998)）

対象：以下の３種類のフェノキシ酸系除草剤
R1CH3 OClOCH*C OHR2R1R2pKam/z

Dichloroprop

HCl

3.3233Fenoprop

ClCl

3.2267

MecopropH

CH3

3.4213→ シクロデキストリン誘導体の添加により、３種類同時に光学分割を達成

ESI-MSによる分析例 (４）クロロフェノール類の分析（O. Jáuregui, et al., J. Chromatogr. A, 896, 125 (2000)）

対象：1〜5置換のクロロフェノール計17種類→ 異性体の分離と、MSおよびMS/MSによる検出対象とした異性体／分離できた異性体
1置換体：3/2、2置換体：6/6、3置換体：6/6、4置換体：2/25置換体：1/1 （4置換体は3種類存在するが、2種類のみ検討）
検出下限（µg/ml）
UV/DAD: 0.3〜2.0
MS: 0.5〜10.0
MS/MS: 0.7〜10.0

ESI-MSによる分析例 (５）イオン性界面活性剤の分析（田中ほか、分析化学、47, 563 (1998)）

対象：Sodium polyoxyethylene(2) dodecyl ether sulfate(SBL-2N-27; C12H25-O-(CH2CH2O)2-SO3Na)
エトキシ基の数が異なるもの、あるいはアルキル基の炭素数が異なるものが不純物として含まれている
紫外吸収がないため、UVでの検出が困難→ エトキシ基の数が異なるC12H25-O-(CH2CH2O)0〜9-SO3Naを分離、検出
アルキル基の炭素数・エトキシ基の数が異なる
C14H29-O-(CH2CH2O)0〜2-SO3Naを分離、検出（極微量）

以外のイオン化法を用いたCE-MSの開発

ESIの特徴「ソフトな」イオン化 → イオン化しにくいものには不向検討されている他のイオン化法• APCI (大気圧化学イオン化法）
霧化した試料分子をコロナ放電によりイオン化• EI (電子イオン化法）
気体状の試料分子を熱電子によりイオン化• Frit-FAB (フリット-高速原子衝撃法）
試料とマトリックスを混合し、フリットからしみ出させたところにアルゴン等の高速原子を当ててイオン化

APCI-MS (１）SIで噴霧後、APCIによるイオン化
不揮発性塩・界面活性剤を用いるミセル動電クロマト
グラフィー(MEKC)-MSへの適用

硫酸ドデシルナトリウム／リン酸塩緩衝液を用いたフタル酸エステルの分析 （K. Isoo, et al., Electrophoresis, 22, 3426 (2001)）→ フタル酸ジエチル (m/z 223) 、フタル酸イソプロピル (m/z 251)
およびフタル酸ジブチル (m/z 279) の３種を分離、検出（これらの化合物は電荷を持たないため、イオン性界面活性剤を加えてMEKCモードとしなければ分離困難）

MEKCで高効率濃縮が行えるSweeping法の適用により、1ppmでもピーク検出が可能（通常導入の約600倍の感度）

APCI-MS (２）C用のAPCI I/Fの改良 (ESIのSheath Liquid Flow方式と同：直接導入における感度の向上

ジクロロフェノール異性体の信号強度の比較（S. Takeda, et al., J. Chromatogr. A, 924, 415 (2001)）→ ESI (100 mg/l, 4 µl/min) に対する APCI (1 mg/l, 10 µl/min)の
信号強度
2,x-置換体：ESIの8〜10倍
3,x-置換体：ESIとほぼ同等
絶対量からみて、APCIの方が感度が高く、また、異性体間の感度差が少ないのではと考えられる
CEへの適用（まだ未達成）が今後の課題

EI-MS

SIで噴霧後、EIによるイオン化
フラグメンテーションによる構造情報( = GC-MS)

ピリジンのフラグメントイオンによるフェログラム

（N. Ikuta, et al., Anal. Sci., 17, i933 (2001)）→ m/z 79 のほか、50, 51, 52, 53 でもそれぞれピリジンのピークを検79：C5H5N+•（親イオン）
50：C4H2+•
51：C4H3+
52：C4H4+•
53：C4H5+（フラグメントイオン）Frit-FAB-MS

絡を介してI/Fと接続：不揮発性塩の使用、構造情報

リン酸塩緩衝液を用いたテトラアルキルアンモニウム塩の分析（山田ほか、分析化学、50, 523 (2001)）→ テトラ-n-プロピルアンモニウム (m/z 186)、テトラ-n-ブチルアンモニウム (m/z 242) の２種類を分離・検出

MSスペクトルではそれぞれプロピル基およびブチル基が１つずつ外れた m/z 142 および m/z 184 のピークも検出されている
CH3CH2CH2−N+−(CH2CH2CH3)3−H

142

CH3CH2CH2CH2−N+−(CH2CH2CH2CH3)3−H184とめCE-MSにおいて期待される環境関連分析• 極性の高い物質の分析• 光学異性体をはじめとする異性体分離• 小型化 (チップ化）によるオンサイト計測

今後の課題• 濃度感度の向上
イオン化効率・導入効率の改善
濃縮法との組合せ• MSとの接続に特化したCE装置の開発