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。