進化した PAH （多環芳香族） 分析用 GC/MS アナライザ : Agilent セルフクリーニングイオン源を用いた PAH 分析の最適化

水生生物への毒性や人間における発がん性が疑われる多環芳香族炭化水素 (PAH) は、魚介類などの食品の微量汚染物質および空気や水、土壌中の環境汚染物質として、科学的にモニタリングされています。PAH の発生源は、以下の3つのカテゴリーに分けられます。

• 石油由来 – 化石燃料に関連する石油材料から生じるもの。
• 火成 – 燃焼源から生じるもの。
• 生物由来 – 自然の生物学的プロセスから生じるもの。

技術的な進歩により、EPA （アメリカの環境保護局） が指定する16種類の PAH の 測定に関して、HPLC/UV や GC/FID 分析だけでなく、GC/MS や GC/MS/MS による PAH の微量分析が可能になっています。近年、これらの測定技術の進歩により、アメリカの連邦政府や州のプログラムでは、ターゲットリストが拡大され、PAH などの汚染物質の定量限界値が引き下げられています。

多くの困難を伴う PAH 分析

PAH は分子量や沸点 (BP) が多岐にわたるため、GC/MS の分析には多くの困難が伴います。まず、PAH は吸着性が強いため、活性が低いものや分解されにくいとされているものでも、表面に吸着しやすい傾向があります。第2に、沸点が高い PAH は凝結 (気体から固体への相転移) しやすく、気化させるのが困難です。第3に、クロマトグラフで溶出の遅い （BPの高い） PAH ではピークテーリングがしばしば生じるため、手作業によるピーク積分が必要となるケースが多くなります。こうした理由から、一部のラボは、新しいメソッド要件を満たすために苦労しています。また、検量線の直線性や、検量範囲における内部標準 (ISTD) レスポンスの変動に関する問題も PAH 分析では報告されています。

図 1. 水素クリーニングによる MS バックグラウンドの低下 (左) と、水素クリーニング後の検出器レスポンスの回復 (OFN レスポンス、右)。(図を拡大)

図 1. 水素クリーニングによる MS バックグラウンドの低下 (左) と、水素クリーニング後の検出器レスポンスの回復 (OFN レスポンス、右)。

MS の性能を進化させるセルフクリーニングイオン源

Agilent セルフクリーニングイオン源では、専用のニューマティックコントロールモジュール (Aux EPC) によって、高精度で制御された微量の水素がイオン源に直接導入されます。GC/MS のイオン源内でフィラメントをオンにしたまま、質量分析計にこの微量の水素を導入することで、活性の高い水素種が生成され、イオン源や検出器などの表面がクリーニングされます。測定中に水素を導入して継続的にクリーニングをおこなうことも （オンラインクリーニングモード）、分析後に水素を導入してイオン源をクリーニングすることも （オフラインクリーニングモード） 可能です。図 1では、分析後の水素を用いたクリーニングにより、バックグラウンドノイズが改善していることを表しています。また、水素によるイオン源クリーニング後に、GC/MS の標準物質であるオクタフルオロナフタレン （OFN） の レスポンスを確認したところ、回復していることが確認できます。

Agilent セルフクリーニングイオン源により PAH 分析を最適化

PAH の分析条件を最適化するためには、注入口ライナ、注入口温度、注入モード、注入口パージ、分析カラム、フロー条件、検出器設定といった分析ソリューション全体を考慮する必要があります。感度の要件を満たすために、ここではスプリットレス注入と、ガラスウール入りで内径 4.0 mm のストレートライナを使用しました。高沸点の PAH を気化するために、注入口温度を 310 ～ 330 ℃ に設定しました。0.5 ～ 1.0 分のスプリットレス時間は 50 psi の注入口圧力 を維持し、PAH を急速にカラムへ移送しました。アジレントでは、Agilent J&W DB-EUPAH カラム (30 m x 0.25 mm、0.25 µm) という新しい分析カラムも開発しました。このカラムは 1 ～ 2 µL の注入に対応可能で、PAH の分析にこれまで用いられていたカラムと比べて、優れたピーク形状を維持することができます。

図 2.セルフクリーニングイオン源による水素導入を使用した場合 (上トレース) と使用しなかった場合 (下トレース) のジベンゾ (a,l) ピレン (オンカラム 500 fg) のターゲットイオンの S/N の比較。(図を拡大)

図 2.セルフクリーニングイオン源による水素導入を使用した場合 (上トレース) と使用しなかった場合
(下トレース) のジベンゾ (a,l) ピレン (オンカラム 500 fg) のターゲットイオンの S/N の比較。

図 3.セルフクリーニングイオン源と 9mm ドローアウトレンズを用いた場合の各種キャリブレーション濃度における GC/MS PAH ISTD レスポンス (標準化)。キャリブレーション範囲:0.5～500 pg、シングルイオンモニタリング (SIM) による MSD。
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図 3. セルフクリーニングイオン源と 9mm ドローアウトレンズを用いた場合の各種キャリブレーション濃度における
GC/MS PAH ISTD レスポンス (標準化)。キャリブレーション範囲:0.5～500 pg、シングルイオンモニタリング (SIM) による MSD。

図 4.オンラインクリーニングモード (CCM) の GC/MS/MS により測定した ISTD レスポンスの安定性。標準システムで測定した場合の安定性は RSD >38 %、セルフクリーニングイオン源の CCM モードを用いた分析では RSD <8 %。(図を拡大)

 

図 4. オンラインクリーニングモード (CCM) の GC/MS/MS により測定した ISTD レスポンスの安定性。
標準システムで測定した場合の安定性は RSD >38 %、セルフクリーニングイオン源のCCM モードを用いた分析では RSD <8 %。

図 5.セルフクリーニングイオン源においてオンラインクリーニングを用いた場合 (左) と用いなかった場合 (右) のジベンゾ (a,l) ピレン (1～1000pg) の GC/MS/MS MRM 分析の検量線。オンラインクリーニングモードでの検量線の R² は 0.99998 です。
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図 5. セルフクリーニングイオン源においてオンラインクリーニングを用いた場合 (左) と用いなかった場合 (右) のジベンゾ (a,l) ピレン (1～1000pg) の
GC/MS/MS MRM 分析の検量線。オンラインクリーニングモードでの検量線の R2 は 0.99998 です。

今回はバックフラッシュを用いて、定流量モードで分離をおこないました。最初のカラムは注入口とパージド Ultimate ユニオン (PUU) を接続し、後の カラムは PUU と質量分析計 (MSD) を接続しました。

PAH 分析を最適化するために、セルフクリーニングイオン源と Agilent 7890B/5977A GC/MS および 7890B/7000B GC/MS/MS システムを設定しました。使用する MS 条件に応じて、低流量の水素を導入しました。たとえば、オンラインクリーニングモードでは、水素流量を常に 0.075 ～ 0.2 mL/min としました。シングル四重極 (MS) およびトリプル四重極 (MS/MS) 質量分析計のエクストラクタレンズの内径はいずれも 9 mm としました。どちらもイオン源温度を 320 ～ 350 ℃ に、四重極温度を 180　～　200 ℃ に設定しました。

図 2 では、最後に溶出する高沸点の PAH の選択イオンモニタリング (SIM)　において、ターゲットイオンの MSD シグナル/ノイズ比 (S/N) をセルフクリーニングイオン源を用いた場合と用いなかった場合で比較しています。注入量は 500 pg です。各ピークの高さの違いは、MSD チューニングによるものです。オンラインクリーニングのために水素が導入されると、ノイズがわずかに増加し、 S/N が若干低下します。その若干の低下にもかかわらず、通常 1 ～ 1000 pg の範囲で定量が可能な感度性能が得られていることが分かります。

ISTD レスポンスの安定性を確認するために、30 種類の PAH と 5 種類の ISTD を含む 7 つの濃度レベルのキャリブレーション標準試料を測定しました。図 3 では、もっとも高いキャリブレーション濃度のレスポンスに 標準化した ISTD のレスポンスを示しています。Agilent セルフクリーニングイオン源によって水素を導入した場合、ISTD レスポンスは 5 % 以下の 早退標準偏差 (RSD) に収まっています。水素を導入しない場合、標準の注入量にかかわらず、標準濃度が低下すると ISTD レスポンスも低下しています。この ISTD レスポンスの変動は、精密な定量を困難にします。また、サンプル中の他の分析対象物の量に結果が左右される原因になります。

図 4 は、オンラインクリーニングモード (CCM) にて GC/MS/MS で測定した場合の ISTD レスポンスの変動を示しています。CCM の一連の測定では、GC/MS 分析と同じ 7つの濃度レベルのキャリブレーション標準試料と ISTD を使用しました。GC/MS/MS システムは、セルフクリーニングイオン源、9 mm エクストラクタレンズを備えた Agilent 7890B/7000B を使用しました。水素流量は 200 µL/min です。CCM 測定を 3回繰り返し、12日後にシステム性能の安定性を確認しました。Agilent セルフクリーニングイオン源を継続的クリーニングモードで使用することで、ISTD の安定性が 35 % 以上の RSD から 8 % 以下の RSD にまで改善されました。

GC/MS および GC/MS/MS のいずれについても、Agilent セルフクリーニングイオン源を搭載し、PAH 分析に最適化した場合に、分析した化合物の ISTD レスポンスの一貫性、ピーク形状、直線レスポンスが向上することが実証されました。この最適化により、検量線の直線性も向上しました。図 5 では、GC/MS/MS で分析した溶出の遅い PAH の 7つの濃度レベルの検量線を比較しています。オンラインクリーニングモードでセルフクリーニングイオン源を使用した場合には、ジベンゾ (a,l) ピレンの 7-ポイント検量線の直線性が R²=0.99998 に向上しました。CCM モードの GC/MS/MS で分析したすべての PAH で、検量線の相関係数は R²=0.9997～1.0000 の範囲内でした。

新しい Agilent Enhanced GC/MS および GC/MS/MS PAH アナライザは、ほとんどの PAH 分析に求められる以上の性能を備えています。 パフォーマンスを最適化した場合、いずれのシステムでも、ISTD レスポンスの一貫性が向上し、ピークテーリングが軽減されました。また、標準的なシステム構成と同様の感度と、標準システムよりも優れた直線性が得られました。特に、Agilent セルフクリーニングイオン源はオンラインクリーニングにより、システム性能が維持され、MS のベントの必要性がなくなるほか、イオン源クリーニングに伴うダウンタイムも排除されるなど、様々なメリットをもたらします。Agilent セルフクリーニングイオン源を用いることで、空気、水、土壌中の環境汚染物質の分析において、性能を向上し、ラボの生産性を高めることが可能です。詳細については、こちらをご覧ください。