マイクロ抽出法の開発と応用

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1 誘導体化を伴うスターバー抽出法による環境汚染物質の測定 産業技術総合研究所計測標準研究部門有機分析科バイオメディカル標準研究室川口研

2 試料前処理操作の重要性 一般的な分析手順 採取 一次試料 試料前処理操作 (Sample preparation) 河川等の環境食品等ヒト等の生体 最終試料 1. 抽出 2. 濃縮 3. 精製 機器分析等による定性 定量 前処理操作を工夫することで 更なる高感度化 μl レベルの抽出媒体を用いるマイクロ抽出法

3 スターバー抽出 (SBSE) 法の概要 PDMS ポリジメチルシロキサン (PDMS) を 撹拌子にコーティング 液 - 液抽出の原理 ガラス製撹拌子 抽出 濃縮 精製 TDS トランスファーライン CIS 加熱脱着チューブ Vial E. Baltussen, et al. J. Microcol. Sep. 11 (1999) 737. MS GC 加熱脱着 (TD)-GC/MS

4 環境汚染物質 化学物質 快適で豊かな生活 微量化学物質の暴露による野生生物 ヒトへの影響? 内分泌かく乱化学物質 生体リスク評価毒性暴露量 分析化学による定量 本研究の目的 プラスチック由来のフェノール性化合物の一部に女性ホルモン様作用 ヒト暴露量を評価するための高感度かつ高精度な分析法の構築

5 フェノール性内分泌かく乱化学物質 CH 3 CH 3 HO C C C CH 3 H2 CH 3 CH 3 4-tert- オクチルフェノール (OP) HO C 9 H ノニルフェノール (NP) 非イオン性界面活性剤の原料 女性ホルモン様作用 (A.M. Soto et al. Environ. Health Perspect. 92 (1991) 167) H 3 C CH 3 HO OH ビスフェノール A (BPA) ポリカーボネイト及びエポキシ樹脂の原料 女性ホルモン様作用 (Krishnan et al. Endocrinology 132 (1993) 2279)

6 研究の概要 第一章 SBSE-TD-GC/MS 法試料 : 比較的単純なマトリックスが含まれる河川水 OP NP BPA の測定 第二章更なる高感度化試料 : 河川水フェノール性内分泌かく乱化学物質の一斉分析 第三章試料 : 複雑なマトリックスが含まれるヒト生体試料フェノール性内分泌かく乱化学物質の一斉分析

7 第一章 SBSE-TD-GC/MS 法を用いた 河川水中 OP 及び NP の測定 Determination of 4-nonylphenol and 4-tert-octylphenol in water samples by stir bar sorptive extraction and thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry, M. Kawaguchi, K. Inoue, M. Yoshimura, R. Ito, N. Sakui, H. Nakazawa, Anal. Chim. Acta, 505 (2004)

8 SBSE-TD-GC/MS 法による河川水中 OP NP 及び BPA の分析 河川水 (2 ml) Surrogate standards PDMS 撹拌子 Surrogate standards Deuterium octylphenol (OP-d) 4-(1-methyl) octylphenol-d 5 (NP-d) Bisphenol A- 13 C 12 (BPA- 13 C) TDS トランスファーライン CIS MS GC 撹拌条件 :60 分 500 rpm 室温 TD-GC/MS

9 TD-GC/MS による OP NP 及び BPA 測定条件 TDS conditions CIS conditions Flow Mode : Splitless Initial Temp : 20 Transfer Temp: 300 Ramp Rate : 60 /min Final Temp : 280 Final Time : 5 min GC/MS conditions Flow gas : Helium ( %) Flow rate : 1.2 ml/min Injection : splitless Column : DB-5ms (0.25 mm X 30 m, 0.25 μm) Oven Temp : /min (5 min) Ionization : EI (70 ev) Monitoring: SIM or SCAN Initial Temp : -150 Ramp Rate : 12 /s Final Temp : 300 Final Time : 10 min トランスファーライン TDS CIS MS TD-GC/MS GC

10 Relative peak area (%) SBSE 法の撹拌時間の最適化 精製水 (2 ml) Standards 10 ng/ml 撹拌条件 :0 ~ 90 分 500 rpm 室温 TD-GC/MS OP NP BPA Extraction time min 最適撹拌時間 60 分

11 SBSE-TD-GC/MS 法の分析バリデーション Compound LOD a LOQ b Range Correlation coefficient (ng/ml) (ng/ml) (ng/ml) (r) OP ~ NP ~ BPA ~ a LOD : limit of detection (S/N = 3) b LOQ : limit of quantification (S/N =10) OP, NP では 高感度分析を達成 BPA では 期待以上の感度は得られず

12 第二章 In situ 誘導体化を伴う SBSE-TD- GC/MS 法による河川水中フェノール 性内分泌かく乱化学物質の一斉分析 Trace analysis of phenolic xenoestrogens in water samples by stir bar sorptive extraction with in situ derivatization and thermal desorption-gas chromatography-mass spectrometry, M. Kawaguchi, K. Inoue, M. Yoshimura, N. Sakui, N. Okanouchi, R. Ito, Y. Yoshimura, H. Nakazawa, J. Chromatogr. A, 1041 (2004) 19-26

13 BPA 二つのフェノール性水酸基 フェノール性水酸基 極性 BPA 感度不足に関する考察 揮発性 H 3 C CH 3 SBSE 法 HO OH 無極性のPDMS 相による抽出効率 PDMS 撹拌子からの脱着効率 GC/MS 法キャピラリーカラムでの分離 注入口及びカラムでの吸着率 誘導体化 試料中で誘導体化 (In situ 誘導体化 ) 誘導体化と抽出を同時に行う!

14 In situ 誘導体化を伴う SBSE-TD-GC/MS 法 誘導体化と抽出を同時に行う! 水中での誘導体化反応 フェノール性水酸基の誘導体化 シリル化 BSA BSTFA 等 水中で加水分解 アシル化 無水酢酸等 水中でも反応 試料 誘導体化試薬 PDMS 撹拌子 TDS トランスファーライン CIS MS GC TD-GC/MS

15 In situ 誘導体化を伴う SBSE-TD-GC/MS 法を用いたフェノール性内分泌かく乱化学物質の一斉分析法 試料 (10 ml) Surrogate standards Na 2 CO 3 (53.0 mg) NaHCO 3 (42.0 mg) 無水酢酸 (0.2 ml) PDMS 攪拌子 Phenolic xenoestrogens Cl OH 2,4-Dichlorophenol (DCP) Cl H 3 C CH 3 C CH 3 OH 4-tert-Butylphenol (BP) TDS Cl Cl Cl OH Cl Cl Pentachlorophenol (PCP) トランスファーライン CIS Surrogate standards OP-d, NP-d, BPA- 13 C 2,4-dichlorophenol-d 4 (DCP-d) Deuterium 4-tert-butylphenol (BP-d) Pentachlorophenol- 13 C 6 (PCP- 13 C) 撹拌条件 :90 分 1000 rpm 室温 MS GC TD-GC/MS

16 TD-GC/MSによるフェノール性内分泌かく乱化学物質の測定条件 TDS conditions CIS conditions Flow Mode : Splitless Initial Temp : 20 Transfer Temp: 300 Ramp Rate : 60 /min Final Temp : 280 Final Time : 5 min GC/MS conditions Flow gas : Helium ( %) Flow rate : 1.2 ml/min Injection : splitless Column : DB-5ms (0.25 mm X 30 m, 0.25 μm) Oven Temp : /min (4 min) Ionization : EI (70 ev) Monitoring: SIM or SCAN Initial Temp : -150 Ramp Rate : 12 /s Final Temp : 300 Final Time : 10 min トランスファーライン TDS CIS MS TD-GC/MS GC

17 分析対象物質の MS スペクトル Acyl derivative of DCP Acyl derivative of BP Acyl derivative of OP Abundance Abundance Abundance Abundance m/z Acyl derivative of NP Acyl derivative of PCP Acyl derivative of BPA Abundance m/z Abundance m/z m/z m/z m/z

18 Relative peak area (%) In situ 誘導体化を伴う SBSE 法の撹拌時間の検討 河川水 (10 ml) Standards 1.0 ng/ml Na 2 CO 3 (53.0 mg) NaHCO 3 (42.0 mg) 無水酢酸 (0.2 ml) 撹拌条件 :0 ~ 180 分 1000 rpm 室温 TD-GC/MS DCP BP OP NP PCP BPA 最適撹拌時間 90 分 Extraction time min

19 Abundance Abundance 誘導体化による感度への影響 Without derivatization step TIC chromatogram (100 pg/ml) DCP BP TIC chromatogram (100 pg/ml) OP Acyl derivative of BP Acyl derivative of DCP NP PCP In situ derivatization step Acyl derivative of OP BPA Acyl derivative of NP Acyl derivative of PCP Acyl derivative of BPA min Abundance SIM : m/z = BPA (100 pg/ml) In situ 誘導体化 高感度化 min Acyl derivative of BPA Abundance SIM : m/z = 213 (100 pg/ml) (min) (min)

20 分析法バリデーション Compound LOD a LOQ b Range Correlation coefficient (pg/ml) (pg/ml) (pg/ml) (r) DCP ~ BP 1 5 5~ OP ~ NP ~ PCP ~ BPA ~ a LOD : limit of detection (S/N = 3) b LOQ : limit of quantification (S/N =10) 検出限界 : 0.5 ~ 5 pg/ml 定量限界 : 2 ~ 20 pg/ml 極めて高感度 直線性 : r > 良好

21 河川水を用いた添加回収試験 Compound Amount spiked 0.1 ng/ml 1.0 ng/ml Recovery (%) RSD (%)* Recovery (%) RSD (%)* DCP BP OP NP PCP BPA *The recoveries and precision were also examined by replicate analysis (n = 6) of river water samples. 回収率 : 93.9 ~ % 再現性 : RSD 3.9 ~ 7.2 % 良好

22 応用例 多摩川雄のコイの約 30% に生殖異常 (1998 年 環境省 ) 内分泌かく乱化学物質の疑い 多摩川河川中フェノール性内分泌かく乱化学物質 Compound Tama river (pg/ml) Upstream Midstream Downstream DCP BP OP N.D NP PCP N.D. N.D. N.D. BPA N.D. indicates DCP, BP, OP, NP, PCP and BPA concentrations lower than 10, 5, 2, 20, 10 and 10 pg/ml PCP を除く 5 物質を検出 河川水のモニタリングに有用

23 小括 In situ 誘導体化を用いた河川中フェノール性内分泌かく乱化学物質の分析 フェノール性水酸基 無水酢酸を用いるアシル化 SBSE 法の操作過程に誘導体化試薬を添加 In situ 誘導体化 sub pg/ml の測定

24 第三章 In situ 誘導体化を伴う SBSE-TD- GC/MS 法によるヒト尿中フェノール性 内分泌かく乱化学物質の一斉分析 Stir bar sorptive extraction with in situ derivatization and thermal desorptiongas chromatography-mass spectrometry for measurement of phenolic xenoestrogens in human urine samples, M. Kawaguchi, N. Sakui, N. Okanouchi, R. Ito, K. Saito, S. Izumi, T. Makino, H. Nakazawa, J. Chromatogr. B, 820 (2005) 49-57

25 生体リスク評価のための測定法 生体試料 血液 尿 etc フェノール性化学物質が体内に取り込まれた場合 グルクロン酸抱合体や硫酸抱合体として代謝 尿に排泄 フェノール性内分泌かく乱化学物質も同様 S. Müller et al. Environ. Toxicol. Pharmacol. 5 (1998) 257 W. Volkel et al. Chem. Res. Toxicol. 15 (2002) 1281 ヒト尿中フェノール性内分泌かく乱化学物質の測定

26 尿試料 1 ml 脱抱合体化処理 尿中に グルクロン酸抱合体や硫酸抱合体として存在 極性が高く SBSE 法では 抽出 濃縮できない 脱抱合体化処理 1M 酢酸アンモニウム水溶液 (50 µl) β- グルクロニダーゼ (100 units) サルファターゼ (35.4 units) 37 3 時間試料 ( 脱抱合体化処理済 )

27 除タンパク処理の検討 In situ 誘導体化を伴う SBSE-TD-GC/MS 法を適用 OP 及び NP の in situ 誘導体化 尿試料中では 誘導体化の阻害 ( マトリックスの影響?) 除タンパク処理の検討アセトニトリルを使用 SBSE 法の原理 ( 液液抽出 ) より 有機溶媒の使用量に制限 最適化の必要性

28 Relative peak area (%) 除タンパク法の最適化 試料 ( 脱抱合体化処理済 ) 標準品を 10 ng/ml になるように添加 アセトニトリル (0 ~ 3 ml) を検討 遠心分離後 (1400 x g, 10 分 ) 上清を精製水 (15 ml) で希釈 In situ 誘導体化を伴う SBSE 法により測定 DCP BP OP NP PCP BPA アセトニトリル量 2 ml Volume of acetonitrile (ml)

29 In situ 誘導体化を伴う SBSE-TD-GC/MS 法 1. 尿試料 1 ml にサロゲート物質を添加した後 脱抱合体化処理 2. 除タンパク処理 ( アセトニトリル 2 ml) 3. 遠心分離 (1400 x g, 10 分 ) 後 上清をサンプル瓶に移す 除タンパク済み尿試料精製水 (15 ml) 1 M K 2 CO 3 (1 ml) 無水酢酸 (100 µl) PDMS 撹拌子 Surrogate standards DCP-d, BP-d, OP-d, NP-d, PCP- 13 C, BPA- 13 C TDS トランスファーライン CIS 撹拌条件 :150 分 1000 rpm 室温 MS TD-GC/MS GC

30 Relative peak area (%) In situ 誘導体化を伴う SBSE 法の撹拌時間の検討 除タンパク済み尿試料 Standards 10 ng/ml 精製水 (15 ml) 1 M K 2 CO 3 (1 ml) 無水酢酸 (100 µl) 撹拌条件 :0 ~ 180 分 1000 rpm 室温 TD-GC/MS Extraction time (min) DCP BP OP NP PCP BPA 最適撹拌時間 150 分

31 分析法バリデーション 検出限界及び定量限界 Compound LOD LOQ Range Correlation coefficient (ng/ml) (ng/ml) (ng/ml) (r) DCP ~ BP ~ OP ~ NP ~ PCP ~ BPA ~ LOD: limit of detection (S/N = 3) LOQ: limit of quantification (S/N >10) 検出限界 : 0.01~0.05 ng/ml 高感度定量限界 : 0.05~0.2 ng/ml 直線性 : r > 0.99 良好

32 ヒト尿試料の添加回収試験 Compound Amount spiked 0.5 ng/ml 5.0 ng/ml Recovery (%) RSD (%) Recovery (%) RSD (%) DCP BP OP NP PCP BPA *The recoveries and precision were also examined by replicate analysis (n = 6) of human urine samples. 回収率 : 95.0 ~ % 再現性 : RSD 2.5 ~ 8.6 % 良好

33 応用例 健常人 5 名 (A~E) から提供された尿試料の測定 脱抱合体化未処理 脱抱合体化処理済み Compound N.D. Human urine sample (ng/ml) A B C D E DCP BP OP N.D. N.D. N.D N.D. NP PCP N.D BPA N.D N.D. indicates DCP, BP, OP, NP, PCP and BPA concentrations lower than 0.1, 0.05, 0.05, 0.2, 0.1 and 0.1 ng/ml, respectively.

34 健常人 A のクロマトグラム (1) Abundance Abundance Abundance Abundance Abundance m/z = 162 Acyl derivative of DCP (20.75 ng/ml) m/z = 165 Acyl derivative of DCP-d m/z = 135 Abundance Acyl derivative of BP (5.83 ng/ml) Acyl derivative of OP (< 0.05 ng/ml) m/z = 145 Acyl derivative of BP-d m/z = Acyl derivative of OP-d min min Acyl derivative of NP (1.42 ng/ml) min min min Abundance m/z = 126 Acyl derivative of NP-d min min

35 健常人 A のクロマトグラム (2) Abundance m/z = 266 Acyl derivative of PCP (1.04 ng/ml) Abundance Abundance Abundance m/z = 276 Acyl derivative of PCP- 13 C m/z = m/z = min min Acyl derivative of BPA (2.08 ng/ml) min Acyl derivative of BPA- 13 C min 健常人の尿中フェノール性内分泌かく乱化学物質の定量を達成 当該化学物質の恒常的暴露を示唆

36 小括 SBSE-TD-GC/MS 法を用いた OP, NP 及び BPA の分析 OP 及び NP BPA 高感度分析の達成 感度が得られず In situ 誘導体化を用いた河川水中フェノール性内分泌かく乱化学物質の一斉分析 無水酢酸を用いるアシル化 ( 試料中 ) In situ 誘導体化 sub pg/ml の測定 ヒト尿中フェノール性内分泌かく乱化学物質の分析 除タンパク操作 +In situ 誘導体化 sub ng/ml の測定 SBSE 法環境 生体試料中フェノール性内分泌かく乱化学物質の高感度測定

37 SBSE 法の応用例 < 誘導体化反応 >

38 In situ 誘導体化を伴う SBSE 法 PDMS 相は 無極性 極性基を有する化合物の抽出は 不向き 誘導体化と抽出を同時に行う! 試料 誘導体化試薬 PDMS 撹拌子 河川及び尿中ビスフェノール A(BPA) J. Chromatogr. B, 805 (2004) 河川中フェノール性内分泌かく乱化学物質 J. Chromatogr. A, 1041 (2004) 尿中フェノール性内分泌かく乱化学物質 J. Chromatogr. B, 820 (2005) 河川及び尿中クロロフェノール類 Anal. Chim. Acta, 533 (2005) 河川水中エストラジオール類 J. Chromatogr. A, 1049 (2004) 1-8 TDS トランスファーライン CIS MS GC TD-GC/MS

39 Multi shot mode を用いた TD-GC/MS 法 加熱部 Flow 加熱脱着チューブ 複数の PDMS 撹拌子を同時に加熱脱着 更なる高感度化へ!! M. Kawaguchi et al. J. Chromatogr. A 1049 (2004) 1-8.

40 Multi shot 法を用いたエストロゲン類の分析 試料 : 標準添加精製水 (10 ml) In situ 誘導体化を伴う SBSE 法 Abundance Acyl derivative of estrone (10 ng/ml) Stir bar: 5 Stir bar: 4 Stir bar: 3 Stir bar: 2 Stir bar: 1 河川水中 E1, E2, EE ppt レベルで測定可能 min PDMS 撹拌子の増加 ピーク強度上昇 M. Kawaguchi et al. J. Chromatogr. A 1049 (2004) 1-8.

41 In situ 脱抱合体化を伴う SBSE 法 脱抱合体化と前処理に時間がかかる 尿試料 HO O O O C 9 H 19 脱抱合体化と前処理を同時に行う!! HO HO OH NP-G ß-Glucronidase 簡便性の向上 HO C 9 H 19 尿試料酢酸アンモニウム水溶液 ß-Glucronidase PDMS 撹拌子 PDMS 相 NP M. Kawaguchi et al, J. Pharm. Biomed. Anal., 60 (2006) 82-87

42 In tube 誘導体化法を伴う TD-GC/MS 法 フェノール性水酸基 微極性 低揮発性 GC/MS による測定で感度低下 キャリアーガス TMSO C 9 H 19 NP-TMS シリル化剤 加熱脱着時に誘導体化!! 更なる高感度化 PDMS 相 Flow Glass capillary tube 誘導体化試薬 PDMS stir bar Glass TD tube HO C 9 H 19 NP 加熱部 M. Kawaguchi et al. J. Chromatogr. A 1062 (2005)

43 ヒト尿中ノニルフェノール及びオクチルフェノールの測定 実験の概要試料 : 健常人の尿 (1 ml) 簡便性の向上 更なる高感度化 方法 :In situ 脱抱合体化を伴うSBSE 法 + In tube 誘導体化を伴うTD-GC/MS 法 検出下限及び定量下限誘導体化なし 従来法 ( 固相抽出法 ) Compound LOD (ng/ml) Compound LOD (ng/ml) NP 0.22 NP 5.0 OP 0.02 In tube 誘導体化を適用 OP 0.7 従来法に比べて 50 倍の高感度化が達成 Z. Kuklenyik et al. Anal. Chem. 75 (2003) Compound LOD LOQ Correlation coefficient (S/N =3, ng/ml) (S/N > 10, ng/ml) (r) NP ( ng/ml) OP ( ng/ml)

44 実試料の測定 健常人 6 名の尿を測定 βグルクロニダーゼ添加無し すべてN.D. In situ 脱抱合体化を適用 (βグルクロニダーゼ添加) Compound Human A B C D E F NP OP <0.04 Abundance m/z= 207 OP-TMS (0.12 ng/ml) NP-TMS (1.58 ng/ml) (ng/ml) 当該化学物質の恒常的暴露を示唆 Fig. 健常人 B のクロマトグラム min

45 小括 SBSE 法 In situ 誘導体化 In tube 誘導体化 Multi shot mode In situ 脱抱合 組み合わせることで 簡便かつ高感度な測定が可能

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