ICP-MSによる多元素測定のための均質化およびマイクロ波支援湿式酸分解を用いた食品サンプルの調製(英語)

元素分析は、さまざまなサンプルの元素組成を決定するための分析プロセスです。高濃度の金属(特に重金属¹)は望ましくない健康問題を引き起こす可能性があるため、人体への金属の摂取を制御するために使用できます。重金属も主要な環境汚染物質の1つであるため、環境中の重金属の存在^{を制御する必要があります2}。さらに、元素分析は、食品の地理的原産地を決定し^3、食品 や^{水資源の品質}を管理するためにも使用できます4。さらに、土壌中の微量栄養素と多量栄養素の測定^5や、 鉱物や堆^積物の化学組成を調べることで、歴史を通しての地質学的プロセスへの洞察を得るために使用されます6。また、さらなる^{金属再生のための}電気および電子廃棄物中のレアメタルの存在を決定し7、薬物治療の成功を評価し⁸、金属インプラントの元素組成を検証するための研究も^{行われています9}。

誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)および誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-OES)は、さまざまなサンプルの元素分析に一般的に使用される技術です¹⁰。検出限界(LOD)と定量限界(LOQ)がng/Lと低い複数の元素を同時に測定できます。一般に、ICP-MS は ICP-OES¹² と比較して LOD 値¹¹ が低く、線形濃度範囲が広くなっています。元素組成を決定する他の技術には、マイクロ波誘起プラズマ発光分析法¹³と、フレーム原子吸光分析法、電熱原子吸光分析^法2、冷蒸気原子吸光法、水素化物生成原子吸光分析法¹⁴など、原子吸光分析法(AAS)のいくつかの変種がある.さらに、LODとLOQが低い元素測定は、さまざまな電気分析法、特に陽極ストリッピングボルタンメ^{トリー15,16}で可能です。もちろん、サンプルの元素組成を決定する方法は他にもありますが、上記の方法ほど頻繁には採用されていません。

固体試料の元素の直接測定は、レーザー誘起ブレークダウン分光法と蛍光X線を用いて実現可能である¹⁷。ただし、ICP-MS、ICP-OES、およびAASによる元素測定では、固体サンプルを液体状態に変換する必要があります。この目的のために、酸分解は酸および補助試薬(ほとんどの場合H₂O₂)を用いて行われる。酸分解は高温高圧で行われ、サンプルの有機部分を気体生成物に変換し、金属元素を水溶性塩に変換し、したがってそれらを溶液¹⁸に溶解する。

酸分解には大きく分けて、開放型消化と閉鎖型消化の2種類があります。開放型容器分解は費用対効果が高い¹⁴ が、最高分解温度が大気圧での酸の沸騰温度と一致するなどの制限がある。試料は、ホットプレート、加熱ブロック、水浴、砂浴²、およびマイクロ波¹⁹で加熱することができる。このように試料を加熱することにより、発生した熱の多くが周囲²⁰に失われ、消化時間¹⁴が延びる。開放容器消化の他の欠点には、化学薬品の消費量が多いこと、周囲の環境からの汚染の可能性が高くなること、および揮発性成分の形成および反応混合物からのそれらの蒸発による分析物の損失の可能性が含まれる²¹。

密閉容器システムは、開放容器システムと比較して、有機および無機サンプルの分解に便利です。密閉容器システムは、伝導加熱やマイクロ波²²など、サンプルを加熱するために様々なエネルギー源を利用する。マイクロ波を使用する分解方法には、マイクロ波誘起燃焼²³、単反応チャンバーシステム²⁴、および一般的に使用されるマイクロ波アシスト湿式酸分解(MAWD)^25,26が含まれます。MAWDは、機器の作業条件に応じて、220°C〜260°Cの範囲のより高い動作温度と最大200barの最大圧力での分解を可能にします²⁷。

MAWDの効率と速度は、サンプルの化学組成、最高温度、温度勾配、反応容器内の圧力、添加される酸の量、使用される酸の濃度など、いくつかの要因に依存します²⁸。MAWDでは、開放容器系での長時間の消化と比較して反応条件が高いため、数分で完全な酸分解を達成できます。MAWDでは、より低い量と濃度の酸が必要であり、これは現在のグリーンケミストリーガイドライン²⁹に沿っています。MAWDでは、酸分解を行うために必要なサンプル量は、通常500mgまでのサンプルで十分です30,31,32。大量のサンプルを消化できますが、より多くの化学物質が必要になります。

MAWD用装置は反応条件を自動的に制御し、加熱中に人が化学物質に直接接触しないため、MAWDはオープンベッセル消化よりも安全に操作できます。ただし、反応容器に化学物質を添加するときは、反応容器が体に接触して害を及ぼすのを防ぐために、常に注意して進める必要があります。また、反応容器は、酸分解中に内部に圧力がかかるため、ゆっくりと開く必要があります。

酸分解は元素測定用のサンプルを調製するための有用な技術ですが、それを実行する人は、その可能な限界に注意する必要があります。酸分解は、すべてのサンプル、特に複雑なマトリックスを含むサンプルや、反応性の高いサンプルや爆発的に反応する可能性のあるサンプルに適しているとは限りません。したがって、サンプル組成を常に評価して、溶液中のすべての必要な元素を溶解する完全分解のための適切な化学物質と反応条件を選択する必要があります。ユーザーが考慮し、対処しなければならないその他の懸念事項は、サンプル調製のすべてのステップでの不純物と分析種の損失です。酸消化は、常に特定の規則に従って、またはプロトコルを使用して実行する必要があります。

以下に説明するプロトコルは、ラボサイズのミキサーでの食品サンプルの均質化、ミキサーのコンポーネントの洗浄、サンプルの適切な計量、化学物質の添加、MAWDによる酸分解の実行、分解完了後の反応容器の洗浄、元素測定のためのサンプルの調製、およびICP-MSによる定量的多元素測定の実行の手順を提供します。以下の指示に従うことで、元素測定に適したサンプルを調製し、消化されたサンプルの測定を実行できるはずです。

1. サンプルの均質化

1. 清潔なセラミックナイフを使用して、食品サンプル(ブロッコリー、マッシュルーム、ソーセージ、麺)を手作業で細かく切り、乾燥プロセスをスピードアップします。酸分解を最低 6 回繰り返すのに十分なサンプルを調製します(乾燥サンプルの最小質量が 1500 mg であることを確認してください)。
   注意: サンプルの表面積を増やすと、サンプルの大部分が加熱された周囲の空気にさらされ、水の蒸発速度が増加します。
2. サンプルを250 mLのガラスビーカーに入れ、乾燥機を使用して105°Cで一定の重量になるまで乾燥させます。
3. サンプルの入ったガラスビーカーを乾燥機から取り出し、デシケーターに挿入します。
4. サンプルを室温まで冷まします。
   注:重量が質量を正確に反映するように、サンプルは一定の温度で計量する必要があります。温度変化は、測定するサンプルの体積と密度に影響を与える可能性があります。
5. デシケーターを開き、ガラスビーカーをサンプルと一緒に分析天びんに移します。サンプルでガラスビーカーの重量を測定します。
6. 計量が完了したら、サンプルを乾燥機に戻します。
   注:乾燥中にサンプルが大幅に縮んだ場合は、プラスチック製のヘラを使用して小さなガラスビーカーに移し、より便利な計量を行うことができます。
7. サンプルの重量が一定になるまで、ステップ1.3〜1.6で説明したプロセスを繰り返します。
8. 乾燥した不均一サンプルをミキサービーカーに入れ( 材料表を参照)、ミキサービーカーの最大容量を超えないようにします。
9. ミキサービーカーをミキサーに挿入し、ガードドアを閉じます(図1)。
10. スタートボタンを押して、サンプルを粉砕および混合するためのブレードをアクティブにします。
11. サンプルが微粉末または均質なペーストに変わるまで粉砕を行います。このような製品を実現するには、粉砕プロセスを数回繰り返します。
12. サンプルが均質化されたら、ミキサーのスイッチを切り、ガードドアを開き、ミキサービーカーを取り外します。
13. 均質化したサンプルをミキサービーカーから取り出し、清潔なプラスチックベラを使用して清潔な50 mLガラスビーカーに移します(図2)。
    注意: サンプルが硬すぎて、ブレードやミキサービーカーなどのミキサーのコンポーネントに損傷を与える可能性がある場合は、モルタルで粉砕するなど、他の方法で均質化できます。ミキサーは通常、硬い材料、凍結したサンプル、または可燃しやすいサンプルの均質化には適しておらず、ミキサーのコンポーネントを損傷する可能性があります。ミキサーでの有機溶剤の使用はお勧めしません。
    注意: ミキサーのブレードが高速で回転するため、安全装置を使用し、ミキサーのドアが適切に閉じていることを確認してください。

2.ミキサーの洗浄

1. 空のミキサービーカーのマークに超純水( 材料表を参照)を追加します。
2. ミキサービーカーをミキサーに挿入し、標準の混合手順を実行します。
3. ミキサーからビーカーを取り出し、廃水を注ぎます。必要に応じて、超純水で数回繰り返し、混合後も水がきれいになるまで繰り返します。
4. 汚染されたブレードとダイヤフラムシールをミキサーから取り外し、超純水で完全に洗浄します。
   注:中性洗剤を使用して、特に脂肪含有量の高いサンプルを扱う場合は、脂肪がラボの在庫の表面に付着しやすいため、洗浄効率を向上させてください。
   注意: ブレードを取り外して清掃するときは、鋭利なエッジによる怪我のリスクを減らすために、手袋などの適切な保護具を着用してください。
5. 洗浄した成分を乾燥機で105°Cで乾燥させ、ミキサーに再挿入します。
   注意: 次のサンプルへの水のキャリーオーバーを防ぐために、ミキサーに再度取り付ける前に、ミキサーのコンポーネントが完全に乾いていることを確認してください。

3. サンプル計量

1. 100mLのトリフルオロメトキシル-ポリテトラフルオロエチレンTFM-PTFE反応容器³³から蓋蓋を取り外す。
2. 開いた反応容器を分析天びんの上に置き、各測定の前に天びんが平らになり、ゼロになっていることを確認します(図3)。
   注意: 計量は室温で行う必要があります。激しい温度変動や空気の流れが測定重量に影響を与える可能性のある場所は避けてください。計量エリアが清潔で、汚染物質がないことを確認してください。
3. 均質化したサンプルをプラスチックスパチュラを使用して反応容器に移し、250mgのサンプルを秤量します。分析天びんの最小重量制限を下回る重量でサンプルを計量しないでください。
4. 計量が完了したら、サンプルを汚染から保護するために、反応容器に蓋を置きます。
   注意: 消化手順の重量制限を超えると、消化が不完全になる可能性があります。サンプルおよび反応容器は、外部からの汚染を避けるために注意して取り扱ってください。

4.酸の付加

1. 約40.0mLの68重量%_HNO3および5.0mLの30重量%_H2O2を別々の50mLガラスビーカーにそれぞれ注ぐ。
   注:化学物質は、微量金属不純物が1.0 μg/L(ppb)未満、理想的にはng/L(ppt)の範囲の高純度でなければなりません。微量金属不純物は、元素測定の精度と再現性に影響を与えます。
2. 反応容器をドラフトに入れ、蓋の蓋を開け、以下の仕様に従って、以下の容量の68 wt%HNO₃ および30 wt%H₂O₂ を1 mLまたは5 mLの自動ピペットで加えます。
   1. ブロッコリー、マッシュルーム、ソーセージ、麺類。250mgの試料に対して、5.0mLの68wt%HNO₃および1.0mLの30wt%_H2O2を添加する。各サンプルについて3回の繰り返しを調製します。
   2. 分析法の正確性(回収率、Rec)を決定するには、ステップ 4.2.1 で説明した手順に従い、200 μL の自動ピペットを使用して、37.5 μL の 100 mg/L ICP 多元素標準溶液( 材料表を参照)を反応容器に加えます。各サンプルについて、3 回の繰り返しを準備します。
      注:容量 37.5 μL は、サンプルのスパイクなし溶液中の濃度と比較して、サンプルのスパイク溶液の濃度が 15.0 μg/L 増加したことに対応するため、37.5 μL を選択しました。さらに、サンプルのスパイク溶液の濃度の増加は、測定したすべての分析種について線形濃度範囲内にある最終濃度に対応します。
   3. ステップ4.2.1で食品サンプルの分解に使用したのと同じ容量の68重量%HNO3および30重量%_H2O2を使用してサンプルブランクを調製する。サンプルブランクの場合は、反応容器にサンプルを添加しないでください。
      注意:分解に使用されるHNO₃ は腐食性があり、煙を発生します。このため、酸の添加はドラフト内で行う必要があります。標準的な実験室用保護具(手袋、安全ゴーグル、実験用コート)を使用する必要があります。酸との接触がある場合は、患部を直ちに冷水の流れで洗い流し、医師の診察を受ける必要があります。
3. 蓋蓋を反応容器に置き、添加した68重量%HNO₃ および30重量%H₂O₂ とサンプルを2〜3分間反応させる。
4. 容器にネジカバーをねじ込み、カバーの蓋を締めます。
5. 手を軽く動かして反応容器を振とうし、サンプルを化学物質に完全に取り込みます。
   注:試料は完全に消化されない可能性があるため、反応容器の壁や蓋に放置しないでください。

5. マイクロ波支援湿潤酸分解

1. スタートボタンを押して、酸分解用のマイクロ波システム(材料表を参照)をオンにします(図4)。
2. 電子レンジのドアを開き、ラックを取り外します。
3. 密閉した反応容器をラック内に対称的に分配し、マイクロ波によるサンプルの照射を均一にします。
4. ラックを電子レンジチャンバーに挿入し、ホルダーに取り付けます(図5)。
5. 電子レンジのドアを閉めます。
6. ペンの形をしたツールを使用して、電子レンジのタッチスクリーンに適切な分解プログラムを設定します。適切な温度勾配、最終温度、および分解するサンプル数を選択します。さまざまな食品サンプルに推奨される消化プログラムを以下に示します。
   1. ブロッコリー、マッシュルーム、ソーセージ、麺類:160°Cまで10分間上昇、200°Cまで10分間上昇、200°Cで15分間、最大出力900W。
7. 消化プログラムを開始し、画面上で反応条件の変化を監視します。所定のプログラムに従って温度が上昇しない場合は、分解プロセスを停止します。
   注意: 消化中に、電子レンジの画面に突然の温度スパイクが表示される場合があります。これらは、サンプルが化学物質と発熱的に反応するときに発生します。マイクロ波システムは、出力電力を調整することにより、温度を自動的に調整します。
8. マイクロ波による分解が完了し、サンプルの温度が下がるまで待ちます。
9. 電子レンジのドアを開き、ラックを電子レンジのチャンバーから取り外します。ドアを閉め、機器の電源を切ります。
10. 反応容器をラックから取り出し、室温まで冷えるのを待ちます。
11. 蓋カバーを手動でゆっくりと開けて、酸分解中に発生したガスを放出します。反応容器をドラフトの方向に回します(図6)。
12. カバーを完全に取り外し、カバーと反応容器の壁を少量の超純水ですすいでください。
13. カバーと反応容器を超純水で繰り返しすすぎ、ガラス漏斗を通して反応容器の内容物を清潔な25 mLガラスメスフラスコに定量的に移します。
14. サンプルを超純水でメスフラスコのマークまで希釈します。メスフラスコをストッパーで閉じ、メスフラスコの内容物を混合します。
    注:分解されたサンプルは、残留酸³⁴が5%(V / V)未満、溶解元素が2 g / L未満(総溶解固形分³⁵とも呼ばれる)を含む必要があるため、超純水でさらに希釈する必要があります。
15. 20 mLのプラスチックシリンジを用意し、ポリアミドシリンジフィルター(直径25 mm、孔径0.20 μm)と接続します。希釈したサンプルをプラスチックシリンジに充填し、圧力をかけてその内容物を50 mLのプラスチック遠心チューブにろ過します。クロスコンタミネーションを避けるために、すべてのサンプルに新しいプラスチックシリンジとシリンジフィルターを使用してください。
    注:MAWD後に未消化のままになる可能性のある不溶性物質または固体粒子を除去するには、サンプルをろ過する必要があります。これらの粒子は、装置のコンポーネントを詰まらせることにより、元素測定測定を妨げる可能性があります。サンプルをろ過するときは、最初の数滴を必ず廃棄してください。水溶液には親水性フィルター(ポリアミド製)をご使用ください。疎水性フィルター(PTFE)は、より高い印加圧力を必要とし、膜破裂を引き起こす可能性があるため、水溶液のろ過には適していない³⁶。
16. 50 mLのプラスチック製遠心チューブをスクリューキャップで閉じ、測定が終わるまでサンプルを冷蔵庫に入れます。
    注:消化されたサンプルは、保存と保存期間を延ばすために、低温で冷蔵庫に保管されます。

6. 反応容器洗浄

1. 消化したサンプルを50 mLのメスフラスコに移した後、5.0 mLの68 wt%HNO₃ と5.0 mLの超純水を5 mLの自動ピペットで反応容器に加えます。
2. 反応容器を蓋で閉じ、ラックに挿入します。ラックを電子レンジのチャンバーに移します。
3. 次のマイクロ波プログラムを適用します:160°Cまで15分増加、180°Cまで10分間増加、最大電力900W。
4. 加熱中の反応条件をモニターします。加熱が終わったら、反応容器を冷まします。
5. 電子レンジを開き、反応容器をラックから取り出し、ドラフト内でゆっくりと開きます。
6. 反応容器の内容物はプラスチック廃棄物容器に廃棄します。
7. 反応容器を超純水ですすぎ、余分な物質や薬品を取り除きます。
8. 次回の使用前に、反応容器を乾燥機で105°Cで乾燥させてください。
   注:サンプルの酸分解に使用されるのと同じマイクロ波手順(時間、電力、温度勾配、および化学物質の量)を反応容器の洗浄に使用できます。あるいは、反応容器を濃縮HNO₃ またはHClに数時間浸し、超純水ですすぐことにより、マイクロ波システムなしで洗浄することができます。

7. ICP-MSによる多元素測定

1. 消化したサンプルが入った50 mLのプラスチック遠心チューブを冷蔵庫から取り出し、室温まで温めます。
2. サンプルを 10 倍に希釈して、消化サンプル中の酸の濃度を下げ、サンプルマトリックスの成分の濃度を下げます。自動ピペットを使用して、2.50 mLのサンプルを25 mLのガラス製メスフラスコに移し、超純水でマークまで満たします。
3. 希釈したサンプルを 15 mL のプラスチックチューブに移し、オートサンプラーの適切な位置に配置します。
4. 測定用にICP-MS装置( 材料表を参照)を準備します。
   1. 換気装置と、ICP-MS に冷却水を供給し、そのコンポーネントを冷却するチラーのスイッチを入れます。
   2. 互換性のあるソフトウェアを使用して、リンス溶液(1 wt% HNO₃)が脈動することなくオートサンプラーからICP-MSに連続的に流れるようにします。
   3. Ar(純度99.999%)とHe(純度99.999%)のガスボンベを開けて、ICP-MSに両方のガスを供給します。ソフトウェアでガス流量を確認し、必要に応じて調整します。
      注:多原子イオンの形成(例えば、 ⁴⁰Ar¹⁶O⁺ が ⁵⁶Fe⁺に干渉する)³⁷の形成によりスペクトル干渉が予想される場合は、Heガスとの衝突セルを使用してください。
   4. プラズマを起動し、チューニングソリューションを使用して機器を校正します( 材料表を参照)。
   5. 装置の校正(トーチ位置、ゲイン電圧、レンズ電圧、質量/分解能、パルス/アナログ(P/A)校正、データベース(DB)校正、および検証)が完了したら、目的の測定方法を選択し、測定を実行します。
5. 未知のサンプルを扱う場合は、半定量的な測定を実行して、サンプル中に存在する元素とそのおおよその濃度に関する情報を取得します。
   注:検出器には一度に検出できる元素の濃度に制限があるため、半定量測定のためにサンプルをさらに希釈することをお勧めします。サンプル濃度を低くすると、装置コンポーネントの寿命を延ばすことができます。
6. サンプル中の元素のおおよその濃度に関するデータを取得した後、ソフトウェアで定量元素測定法を作成します。ICP-MSの操作条件(表1)を選択し、目的の元素(この場合はCu、Fe、Mn、Zn)を選択します。検量線(分析曲線または作業曲線と呼ばれることもあります)の作成に必要な標準試料の溶液の数と濃度を決定します(表 1)。
   注:検量線の検量線の検量点として、少なくとも 6 つの異なる濃度を準備します。
7. 検量線用の標準液を調製します。自動ピペットを使用して、必要な容量の 100 mg/L の多元素標準溶液を 25 mL のガラス製メスフラスコにピペットで移し、1.0 μg/L、2.5 μg/L、5.0 μg/L、10.0 μg/L、20.0 μg/L、30.0 μg/L、40.0 μg/L、50.0 μg/L の濃度の標準液を調製します。 フラスコに 1 wt% HNO₃ をマークまで充填します。さらに、1 wt% HNO₃ 溶液を使用してキャリブレーションブランクを調製します。
8. 調製した標準液とサンプル溶液を 15 mL のプラスチックチューブに移し、オートサンプラーに入れ、ステップ 7.4 で説明した手順に従って装置を始動します。
9. 検量線法を使用して、選択した元素の定量測定を実行します。
10. 測定が完了したら、プラズマをオフにし、ArおよびHeガスの供給を閉じ、ICP-MSチラーのスイッチを切り、換気システムをオフにします。

均一化
すべてのサンプルを実験室の乾燥機で一定の質量に乾燥させ、水分を除去しました。サンプルをデシケーターに移すことで、周囲の環境からの水分を結合することなく、サンプルを室温まで冷却することができました。次に、食品サンプルをラボラトリーミキサーを使用して均質化し、微粉末を得ました。得られた均質化された粒子は、サイズが均一で均一に分布していたため、酸分解に使用されたサブサンプル(より大きなサンプルから採取されたサンプル)が代表的なものであることが保証されました。サンプルは、プラスチック製のヘラを使用してミキサービーカーから簡単に取り外すことができましたが、乾燥肉のサンプルは脂肪含有量が高いため、取り除くのがより困難でした。脂肪含有量が高いと、サンプルがミキサービーカーのガラス壁に部分的に付着しました。新鮮なサンプル、乾燥したサンプル、ホモジナイズしたサンプルの比較を 図 2 に示します。

装置の部品は、ミキサーに残った食品粒子をすべて除去するために、超純水で複数回洗浄する必要がありました。

サンプルの計量質量が反応容器で許容される最大値を超えないようにすることが不可欠です。計量は一定温度の分析天びんを使用して行い、金属ヘラから発生する可能性のある金属による汚染を避けるためにプラスチックヘラを使用しました。

酸消化
プロトコルで使用されたすべてのサンプルは、さまざまな量の炭水化物、タンパク質、および脂肪を含む食品サンプルでした。HNO3は、 H2O 2と組み合わせて、 これらの分子の消化に適しており、他の化学物質は必要ありません。化学物質は、HNO3 が煙を形成するため、ドラフトで処理しました。化学物質をTFM-PTFE反応容器に添加した後、反応容器の上部に蓋を取り付け、汚染や分析対象物の損失を防ぐためにしっかりと密閉しました。反応容器は、マイクロ波システム内で均一にマイクロ波照射が行われるように、ラック内に対称的に配置されました。

酸消化中、マイクロ波システムのドアは閉じられ、プロトコルが終了するまでドアを開けることができませんでした。酸分解の全プロセスは、デバイスの画面上で監視でき、時間の経過に伴う温度変化を示すことができます(図7)。

酸分解が完了し、消化したサンプルの溶液が室温まで冷却された後、反応容器をドラフト内で開きました。それらはできるだけゆっくりと開かれました。圧力の解放が速すぎると、反応混合物の小さな液滴でも逃げ出し、分析種が失われる可能性があります。反応容器を開けると、黄色または黄橙色のガスが放出されました(図8)。煙の着色は、高温でオレンジ色の煙を形成するNO2に起因する可能性があります。反応容器内の圧力上昇は、HNO3による食品サンプルの酸化によるものであり、その結果、CO2、H2O、NOなどのガスが形成された。反応容器を脱気した後、反応容器内には淡黄色または無色の溶液が残存しており、MAWDによる全酸消化が達成されたことが示された。このことは、溶液中に目に見える粒子が残っていないことによってさらに確認されました。

サンプル調製の最終ステップでは、分解したサンプルを超純水で希釈して、残留酸性度(RA)を下げました。RA値が高いと、バックグラウンド信号が増加し、測定が妨げられます。希釈はまた、液体試料26中の金属イオンの濃度を低下させる。消化したサンプルの溶液をメスフラスコに移すときは、反応容器の成分を超純水で十分にすすぎ、分析対象物を完全に移しました。発生する問題の1つは、目的の分析種を含む可能性のある超純水の小さな滴が反応容器の壁に付着することです。超純水で25mLまで希釈すると、すべてのサンプルが無色になりました。消化されたサンプルの最終溶液には水溶性塩が含まれており、サンプル中に存在する金属元素がHNO3 と反応して溶解性の高い硝酸塩を形成します。元素分析技術により、水溶性塩を形成する金属イオンを決定できます。希釈した溶液をろ過するときは、粒子や汚染物質を確実に除去するために、最初の数滴を廃棄することが重要です。濾過後、溶液は漏れを防ぐためにしっかりと密封され、冷蔵庫に保管されました。

酸分解手順の主な制限は、サンプルスループットです。MAWD システムは、一度に限られた数のサンプルしか分解できません。さらに、各分解とその後のサンプル前処理ステップは、完了するまでに数時間かかる場合があります。さらに、反応容器の洗浄にも時間がかかりますが、サンプル間のクロスコンタミネーションのリスクを最小限に抑えることが重要です。

ICP-MSによる多元素測定
各元素について、検量線を作成しました。これらは、分析種濃度の関数として強度をプロットすることによって得られました(図 9)。すべての測定元素の線形濃度範囲は、1.0 μg/L から 50.0 μg/L の範囲でした。

各要素のLODとLOQは、それぞれ式1と式2を使用して計算しました。どちらの式でも、sブランクはキャリブレーションブランク(10回繰り返し)38,39のいくつかの測定値の標準偏差を表し、b1は検量線の傾きを表します。

(1)

(2)

得られたLODは、Mn、Cu、Fe、Znでそれぞれ0.5 ng/L、2.8 ng/L、2.8 ng/L、3.2 ng/Lであった。得られたLOQは、Mn、Cu、Fe、Znでそれぞれ1.6 ng/L、9.2 ng/L、9.5 ng/L、10.8 ng/Lであった。

各サンプルの分解を 6 回繰り返し行いました。各サンプルの 3 回繰り返し消化を標準溶液でサンプルをスパイクせずに行い、既知量の分析種標準試料の溶液を添加して 3 回の繰り返し消化を行い、分析法全体の正確性(スパイク回収率試験40)および精度をテストしました。分解手順の前に精度を測定するために、37.5 μL の 100 mg/L ICP 多元素標準溶液をサンプルを含む反応容器にピペットで移したところ、10 倍に希釈したスパイクサンプルの濃度が 15.0 μg/L 増加しました。これは、測定された金属イオンごとにサンプル1グラムあたり15.0μgの増加にも相当しました。精度と精度は、それぞれRecと相対標準偏差(RSD)を使用して決定しました。

分析法の精度は、スパイク回収試験によって評価できます。この目的のために、既知の量の分析物標準の溶液を試料に添加し、次いで、スパイクされていない試料と同じ反応条件下で消化する41。Rec は式 3 を使用して計算され、γi は分解後のスパイクしたサンプルの測定濃度、 γt は分析種標準試料の添加溶液の増加を考慮して測定されたスパイクしていないサンプルの濃度を表します。γi と γt は、3 つの反復の平均です。分析方法は、Recが80.00%〜120.00%の範囲にある場合に正確であると見なされます42。

(3)

分析法の精度は RSD で評価されます。これは、いくつかの反復測定によって得られた独立した結果間の一致の近さを表します。RSD は式 4 を使用して計算され、 sm は濃度測定の反復測定値の標準偏差を表し、 は測定された濃度の平均値を表します。RSD 値が 20.00%43 より低い場合、分析方法は正確であると見なされます。

(4)

すべてのサンプルは、ICP-MS測定の前に超純水で10倍に希釈されました(最初の測定セットの場合)。希釈により、分析装置に導入されたマトリックス成分の濃度が低下しました。また、試料を希釈することにより、RAが低下します。RAが高いと、プラズマイオン化効率が低下したり、マトリックス干渉の問題が発生したりする可能性があります。最初の測定セット後の分析種の濃度が LOQ よりも低い場合、希釈係数は 10 未満にする必要があります。なお、金属イオンの定量は検量線を用いて行った。計算結果の値は、校正に使用した標準物質の解と同じ精度(有効数字の数)でなければなりません。サンプル中の金属イオンの含有量は、重量グラムあたりのμg(μg/g)で表しました。これは、分析したサンプルの測定質量濃度に希釈係数を掛けて、元の消化サンプルの濃度を取得することによって達成されました。次に、この質量濃度に消化サンプルの容量(25 mL)を掛け、次に均質化したサンプルの初期秤量質量で除算しました(初期加重質量は、MAWD の反応容器に加重されたサンプルの質量です)。すべての値は、3回の反復の平均として報告されます。

以下の元素の報告内容は、±smで表されます。ブロッコリーサンプル中のCu、Mn、Znの含有量は、それぞれ5.9±0.5μg/g、32.5±2.7μg/g、42.8±0.2μg/gでした。ブロッコリーサンプル中の Fe の測定質量濃度は、検量線の線形濃度範囲の上限(50.0 μg/L)を超えていました。そこで、試料の溶液を超純水で2倍に希釈し、この溶液のICP-MS測定を行った。その結果、ブロッコリーには63.0±1.9μg/gのFeが含まれていることが分かりました。

キノコの含有量は、Zn、Fe、Cu、Mnの含有量は、それぞれ35.6 ± 1.4 μg/g、30.4 ± 1.3 μg/g、18.5 ± 1.0 μg/g、5.4 ± 0.3 μg/gであった。ソーセージには、42.2 ± 0.9 μg/g の Fe、25.1 ± 2.6 μg/g の Zn、1.0 ± 0.1 μg/g の Cu が含まれていました。10倍に希釈した消化液をICP-MSで多元素測定したところ、Mnの濃度が直線濃度範囲の下限(1.0μg/L)よりも低いことが分かりました。したがって、ソーセージサンプルの元の溶液を5倍に希釈し、ICP-MSによる多元素測定を繰り返しました。ソーセージサンプル中のMnの含有量は、0.9±0.3μg/gと決定されました。麺類にはZnが5.4±2.8μg/g、Feが10.3±1.2μg/g、Cuが1.6±0.3μg/g、Mnが7.5±0.2μg/gが含まれていた。

4 つのサンプルすべてで測定されたすべての分析種の Rec は 80.00% から 120.00% の範囲であり、分析法の精度を示しました。計算の結果、麺類中のZnのRSDを除けば、RSD値は20.00%以下であり、分析法は正確であることが示された。その結果を 表2に報告する。

図1:食品サンプルの均質化に使用されるラボラトリーミキサー。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図2:生サンプル、乾燥サンプル、ホモジナイズサンプルの比較。 (A-D)ブロッコリー、マッシュルーム、ソーセージ、麺類の新鮮なサンプル。(E-H)ブロッコリー、マッシュルーム、ソーセージ、麺類の乾燥サンプル。(I-L)ブロッコリー、マッシュルーム、ソーセージ、および麺の均質化サンプル。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図3:分析天びんでのサンプルの計量。 これは、上部フラップを開いて上から行います。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図4:マイクロ波システム。 反応条件を選択し、酸分解のプロセスを監視するためのサイドタッチスクリーンを備えた酸分解用マイクロ波システム。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図5:マイクロ波アシスト酸分解に使用される成分。 (A)電子レンジチャンバー内の酸分解用の反応容器を14個備えたラック。(B)TFM-PTFE反応容器は3つの部分で構成されています。容器を蓋で閉めると、サンプルもガスも反応容器から逃げたり入ったりすることはできません。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図6:ドラフト内で開封したときの反応容器の内部。 (A)ヒュームの黄橙色は、酸分解中に生成されるNO2 によるものです。(B)ほとんどのガスが反応容器から脱出した後の消化サンプルの溶液の黄色の着色。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図7:温度の経時変化 MAWDによる酸消化中の温度変化を時間の関数として示すプロット。T2は、反応容器内の反応混合物の温度を表します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図8:黄橙色のガスが放出されるドラフトの下の反応容器を開ける。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図9:Mnの検量線の例。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図10:多元素測定に使用したICP-MS装置。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

表1:ICP-MS装置の動作条件。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

表2:ブロッコリー、マッシュルーム、ソーセージ、ヌードルのRec値とRSD値。この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

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