JP4403853B2 - 多環芳香族炭化水素分析のための分析前処理方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気中またはエンジン排気ガス中に含まれる排気ガス微粒子に存在する多環芳香族炭化水素の分析に適した試料の分析前処理方法及び装置、特にディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるディーゼル粒子からニトロ多環芳香族炭化水素及びそれ以外の多環芳香族炭化水素を分取し、それぞれ定量分析するのに適した分析前処理方法及び装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるディーゼル粒子は燃料や潤滑油の未燃成分が凝縮、凝集したものであり、有機溶媒に溶解する有機可溶性成分（以下ＳＯＦと略す）と、有機溶媒には溶解しない硫酸煙及び硝酸塩、元素状炭素、金属等の不溶解成分（ＩＳＯＦと略す）が複雑に混合している集合体である。また、その組成については、燃料や潤滑油、エンジン種類、運転条件といった様々な影響を強く受けることが知られている。多環芳香族炭化水素及びニトロ多環芳香族炭化水素は、ディーゼル粒子中のＳＯＦの中に含まれており、非常に微量でありながら、その発癌性の高さから近年その分析方法が研究されている（例えば、特許文献１、２参照）。これらの物質は微量であるため、多くの妨害物質を排除して、分析感度および精度を高くしなければ検出できない。そのために試料の分析前処理を行い、妨害成分を排除し、分析する対象にあわせた適切な試料にしなければならない。
特願２００３−２７５８０６号 特開２００１−２１４９７号公報

特許文献１は蛍光検出における、特許文献２においては化学発光検出における多環芳香族炭化水素の定量分析が示されている。いずれも多環芳香族炭化水素を定量分析する前に、妨害物質を排除し、分析感度および精度を高くするための前処理を施している。排気ガスから捕集したディーゼル粒子から分析するための前処理方法において、一般的には図２に示すように、少なくとも４工程の前処理方法が必要である。
第１の抽出工程は、有機溶媒によりディーゼル粒子からＳＯＦの抽出を行う工程であり、ソックスレー抽出法と呼ばれる方法または超音波抽出法を用いるのが一般的である。どちらも利点・欠点があり、大学や国立の研究所などでは簡便な超音波抽出法がよく知られている。本発明では、回収率が高いソックスレー抽出法を選択する。

第２の濃縮・乾固工程は、分析感度を向上させるための濃縮、および有機溶媒を蒸発させるための乾固を行う工程であり、クデルナ・ダニッシュという窒素ガスを用いた大気圧での濃縮・乾固装置や、抽出に用いる有機溶媒を大気に放出させずに回収可能な減圧型の濃縮・乾固装置を用いる。

第３の精製工程は、ＳＯＦからニトロ多環芳香族炭化水素またはそれ以外の多環芳香族炭化水素を分取する工程であり、液−液分配法、カラムクロマトグラフィー法、固相抽出法などを用いるのが一般的である。
第４の濃縮・乾固・転溶工程は、分析感度を向上させるための濃縮、および有機溶媒を蒸発させるための乾固、および分析装置に供給する溶離液に溶解を行う工程であり、濃縮・乾固は第２の工程と同様な装置を用いる。

しかし、第３の工程において液−液分配法、カラムクロマトグラフィー法、固相抽出法、いずれを用いても、何段階もの作業を必要とし、かつ長時間を要するため、分取物質の損失や分解が生じる可能性が高いことや、担当者によって妨害物質の除去具合や抽出具合が異なるという再現性の問題などがあり、分析する対象にあわせた適切な試料にすることが非常に困難であった。

例えば、液−液分配法は、目的成分の溶解度が異なる溶媒２液を用いて不要な成分を一方の溶媒に移動させ、目的成分のみを取り出す方法であるが、エマルジョンの形成の問題や、分離作業が複雑で時間がかかると同時に作業に熟練を要するため再現性の問題がある。

カラムクロマトグラフィー法は、溶離液中の試料と分取カラムに充填されたクロマトグラフィー充填剤の保持・非保持作用による溶出時間の違いを利用して、目的成分を取り出す方法であるが、多量の溶媒を用いるわりに回収率が低く、それに伴う再現性の問題もある。ニトロ多環芳香族炭化水素を目的成分として、ニトロ多環芳香族炭化水素以外の多環芳香族炭化水素だけをＳＯＦから除去する方法（例えば、特許文献２。）もあるが、ニトロ多環芳香族炭化水素と作用の似ている妨害物質が含まれていた場合にはそれも抽出されてしまう問題がある。
固相抽出法は、固相抽出カートリッジを用いて目的成分を取り出す方法であるが、目的成分を取り出すために複数本の固相抽出カートリッジを使用するため、その度に固相抽出カートリッジや受け皿の取り替え作業が必要となり、また流速により目的成分の抽出が大きく影響され、再現性の問題もある。

上述した課題を解決するために、本発明は精製工程において、前処理用溶離液中の試料と順相クロマトグラフィー用充填材両者のファン・デル・ワールス力を利用することによる手法を採用することにより、ＳＯＦからニトロ多環芳香族炭化水素やそれ以外の多環芳香族炭化水素と、妨害物質とを効率良く分離する分析前処理方法及び装置を提供することが出来る。

本発明は、以上のように、ＳＯＦからニトロ多環芳香族炭化水素やそれ以外の多環芳香族炭化水素と、妨害物質とを効率良く分離することができる効果を有する。

図１は、本発明による大気中またはディーゼル粒子中のニトロ多環芳香族炭化水素の分析前処理装置と前処理方法の実施例を示す説明図である。
分析対象である大気中あるいはディーゼル粒子中のニトロ多環芳香族炭化水素の試料は、以下に説明する処理工程により準備される。

ステップＳ１で、例えば直径７０ｍｍのテフロン（登録商標）コーティング繊維フィルタの初期重量秤量を行う。
次にステップＳ２で、大気粒子あるいはディーゼル粒子を捕集装置を用いてこのフィルタ上に捕集し、温度２５度、湿度５０％ＲＨの恒温室に少なくとも２時間以上入れてから粒子重量を秤量する。

ステップＳ３で、そのフィルタを抽出ガラス容器に入る大きさにまるめて、アセトンで数回洗浄済みのニッケルワイヤでほどけないようにしばり再秤量を行う。
ステップＳ４で、有機溶媒であるジクロロメタンを用いたソックスレー抽出を８時間以上行い、ＳＯＦを分離する。

ステップＳ５で、抽出液を濃縮装置用ガラス管に移し替えて、減圧溶媒濃縮装置に設置し、約１時間半で乾固させる。また蒸発するジクロロメタンは回収する（再利用はできない）。抽出後のフィルタは温度をかけて一度乾燥させ、再び恒温空に２時間以上放置後、重量を秤量し、ＳＯＦ重量を求めておく。

ステップＳ６で、高速液体クロマトグラフィーグレード（不純物が少ない）のメタノール溶媒１．２ｍＬを加えて、溶解した後、超音波発生装置などで完全溶解させる。

溶液１．２ｍＬのうち、１．０ｍＬのみをマイクロシリンジで測り取り、インジェクター１６０から分析前処理装置である高速液体クロマトグラフへ注入させる。

精製工程である高速クロマトグラフ１００は、溶離液を供給する溶離液供給部１１０、１２０、１３０、それぞれの溶離液の脱気を行う脱気装置１１２，１２２，１３２、それぞれの溶離液を所定の比率で混合するグラジエント混合器１４０、溶離液を圧送するポンプ１５０、試料であるＳＯＦを投入するインジェクタ１６０、恒温槽１７０により３５〜４５℃となるよう保温されたシリカゲルカラム、不要物質の廃棄および抽出対象物質を分取する廃液機能付きフラクションコレクター１８０、コンピュータが内蔵されたコントローラ３００からなる。コントローラ３００は、グラジエント混合器１４０の溶離液比率や、ポンプ１５０の流量、フラクションコレクター１８０の分配やフラクションの制御などを行う。
高速液体クロマトグラフ１００は、あらかじめ注入２時間前に立ち上げ、ｎ−ヘキサン１１０、ジクロロメタン１２０、アセトニトリル１３０の各溶媒ラインを脱気装置１１２、１２２、１３２を用いて脱気し、ラインに空気が入らない状態にしておく。ｎ−ヘキサンを１時間以上流し、装置を安定させておく。各溶離液は、グラジエント混合器１４０で所定の比率で混合される。

ｎ−ヘキサン１１０をポンプ１５０により流量４ｍｌ／ｍｉｎで流した状態で、インジェクタ１６０から試料を投入する。ｎ−ヘキサンのような極性の低い溶離液ではニトロ多環芳香族炭化水素やそれ以外の多環芳香族炭化水素などの極性の高いものはシリカゲルカラム内に留まり溶出されず、極性の低い夾雑物質が溶出する。したがってフラクションコレクター１８０では分取せず、シリカゲルカラムを流れ出た溶液は廃液層１９０に流される。
次に流量４ｍｌ／ｍｉｎのままで、グラジエント混合器でジクロロメタン１２０を徐々に混入していく。ニトロ多環芳香族炭化水素に比べ、それ以外の多環芳香族炭化水素は疎水性が高いため、シリカゲルカラムへの保持が弱く溶出され始める。したがってフラクションコレクター１８０でニトロ多環芳香族炭化水素以外の多環芳香族炭化水素の分取をすることが出来る。
ジクロロメタン５％になった時点で、ニトロ多環芳香族炭化水素が溶出され始めるので、フラクションコレクター１８０をニトロ多環芳香族炭化水素を分取するよう設定し、更にジクロロメタンの濃度を１００％まで徐々に上げていく。ジクロロメタンの濃度が１００％になった時点でフラクションコレクター１８０の分取を停止し、廃液層１９０に流れるよう切り換える。
次に更に極性の高いアセトニトリルを流し、カラムを再利用できるよう、ジクロロメタンよりも極性の高い夾雑物質を排除しておくことが望ましい。

フラクションコレクターで集められた目的物質を試験管２００に取出し、濃縮乾固手段２１０で濃縮乾固し、分析装置で使用する溶媒に転溶することにより、妨害成分の排除された分析する対象にあわせた適切な試料にすることが出来る。

本発明は以上のように、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるディーゼル粒子からニトロ多環芳香族炭化水素及びそれ以外の多環芳香族炭化水素を分取し、それぞれ定量分析するのに適した分析前処理方法及び装置として利用することができる。

本発明の前処理方法と装置を示すブロック図。 前処理方法の工程説明図。

符号の説明

１００ クロマトグラフ
１１０ ｎ−ヘキサン
１２０ ジクロロメタン
１３０ アセトニトリル
１４０ グラジエント混合器
１５０ ポンプ
１６０ インジェクター
１７０ シリカゲルカラム
１８０ フラクションコレクター
３００ コントローラー

Claims (2)

1. ニトロ多環芳香族炭化水素を含む試料を溶媒に溶解させた試験液と、前記溶媒とは異なり試験液の移動相となる第１の溶離液であるｎ−ヘキサンと該第１の溶離液よりも極性の高い第２の溶離液であるジクロロメタンと、充填材が充填されたシリカゲルカラムと、前記第１の溶離液と前記第２の溶離液の混合溶離液を流すポンプと、前記第１の溶離液と前記第２の溶離液を混合した溶離液比率を変更可能なグラジエント混合器と、前記シリカゲルカラムから溶出した溶出液を分取するフラクションコレクターと、コントローラとを用い、前記コントローラによる前記ポンプの制御により前記混合溶離液を一定の流量とし、且つ、前記シリカゲルカラムに前記第１の溶離液を供給して夾雑物質を溶出させた後に、前記第２の溶離液の比率を徐々に上げながら供給することで、ニトロ多環芳香族炭化水素を分離する工程と、前記溶出液を分取する工程とを備えたニトロ多環芳香族炭化水素の分取方法であって、
   前記ニトロ多環芳香族炭化水素を分離する工程は、前記コントローラが前記グラジエント混合器を制御して前記第１の溶離液を１００％の比率で混入させた後、前記第２の溶離液の比率を上げながら前記第２の溶離液の比率が１００％になるまで混入させる工程であって、
   前記溶出液を分取する工程は、前記コントローラが前記フラクションコレクターを制御して前記第２の溶離液の比率が５％になった時点で前記溶出液の分取を開始させる工程であることを特徴とするニトロ多環芳香族炭化水素の分取方法。
2. 溶離液比率指令によって、溶離液比率を変更可能なグラジエント混合器と、流量指令によって、流量制御を実行するポンプと、充填材が充填されたシリカゲルカラムと、第１の溶離液であるｎ−ヘキサンを供給する第１の溶離液供給装置と、前記第１の溶離液よりも極性の高い第２の溶離液であるジクロロメタンを供給する第２の溶離液供給装置と、前記第１の溶離液と前記第２の溶離液を混合した混合溶離液を前記シリカゲルカラムに供給するインジェクターと、該インジェクターからの溶出液を溶離液の種類や比率に応じて溶出液を分離するフラクションコレクターと、コントローラとを備えたニトロ多環芳香族炭化水素の分取装置であって、
   前記コントローラは、前記ポンプに流量指令を行なうことで前記混合溶離液の流量を一定にし、前記グラジエント混合器に溶離液比率指令を行なうことで前記第１の溶離液を１００％の比率で混入し始め、前記第１の溶離液の流量を減少させていくと共に、前記第２の溶離液を混入し始め、前記第２の溶離液が１００％の比率になるまで混入して前記シリカゲルカラムへの保持が弱いものから溶出させ、前記フラクションコレクターを前記第２の溶離液の比率が５％になった時点で溶出液の分取を開始するように制御することを特徴とするニトロ多環芳香族炭化水素の分取装置。

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