花火とツーリズムについて：GC×GC-HRMSによるミシガン湖水質への夏の花火の影響の分析
Christina N. Kelly, Todd S. Richards, Joseph E. Binkley, Lorne M. Fell; LECO Corporation, Saint Joseph, Michigan, USA
概要
米国では7月4日の独立記念日を祝うために推定16000の花火大会が開催される。
本研究では、花火大会のような潜在的かつ短期的な環境への影響について調査した。サンプルとしてミシガン湖水を数か所から採取した。サンプルは7/4に花火が桟橋から打ち上げられる前後に採取した。
この祝日のミシガン湖ビーチへの観光客の流入も、化学物質がかなり高レベルになる原因となる。これらの化学物質は日焼け止めや虫よけのようなパーソナルケアプロダクツに起因すると考えられる。
水サンプルにSPME-Arrowを直接浸漬することにより化学物質を抽出した。SPME Arrowは固相の容量を増やした固相マイクロ抽出ファイバーである。これに包括的二次元ガスクロマトグラフィーと高分解能TOFMS（GCxGC-HRTOFMS）を組み合わせて分析した。
水サンプルのノンターゲット分析は花火大会の前後のサンプルの化学的な違いを明らかにした。また、サンプル採取場所の近くの花火大会と人的交通量の増加によって引き起こされる環境汚染への寄与を明らかにした。
サンプル採取
・7/2と7/4（花火大会の1時間後）に各ビーチで60mLずつ採取した。
・HClによりpH2に調整した。
・サンプルは分析まで冷凍庫で保管した。
分析条件
Pegasus GCxGC-HRT+
SPME Arrowは水中の揮発性および半揮発性物質を通常のSPMEの10倍以上吸着することが可能である。そして、より厚く堅牢なファイバーにより破損のリスクが減る。
| SPME Arrow Immersion Parameters Used for Water Samples | |
|---|---|
| Sorption Phase | 1.5 mm DVB/CarbonWR/PDMS |
| Conditioning Temperature | 270 °C |
| Stirrer Speed | 1200 rpm |
| Extraction Temperature | 30 °C |
| Extraction Time | 30 min |
| Sample Desorb Time | 2 min |
| GC | LECO Quad-Jet Thermal GCxGC |
|---|---|
| Injection | SPME Arrow, splitless @ 250 °C |
| Carrier Gas | He @ 1.4 mL/min, Corrected Constant Flow |
| Primary Column | Rxi-5ms, 30 m x 0.25 mm i.d.x 0.25 μm coating (Restek, Bellefonte, PA, USA) |
| Secondary Column | Rxi-17SilMS, 1.50* m x 0.25 mm x 0.25 μm coating *1.00 m coiled in 2ndoven and 0.31 m in transfer line |
| Temperature Program | 2 min at 40 °C, ramped 10 °C/min to 300 °C, hold for 5 min |
| Modulation | 5.0 s; 1.00 s hot pulse time |
| Transfer Line | 320 °C |
| MS | LECO PegasusHRT+with EFP |
|---|---|
| Ion Source Temperature | 250 °C |
| Mass Range | 40-520 m/z |
| Acquisition Rate | 200 spectra/s |
結果
上図の二次元クロマトグラムは水サンプルの結果の視覚的な比較を示す。サンプルはシルバービーチで花火大会の前後に採取された。
GCxGCは一次元GCで共溶出する化合物を二次側で分離することができる。例えば上に示したように垂直方向に重なる化合物を分離することができる。
ここでは一次元の保持時間が同じ3つの化合物が同定された。クロマトグラム上での分離がよくなることにより、これらの良質なスペクトルが得られ、アセトフェノン、ヘプタン酸、1-メチル-4-プロピルベンゼンが同定された。
| Compound of Interest | Formula | Similarity Score | Retention Time | Use | Change |
|---|---|---|---|---|---|
| Mass Range | C4H6O2 | 911 | 425 s, 3.485 s | lotion solvent | — |
| Benzeneacetaldehyde | C8H8O | 857 | 545 s, 2.960 s | fragrance | — |
| Dibutoxymethane | C9H20O2 | 886 | 560 s, 2.105 s | emulsifier | slight increase |
| Octanoicacid | C8H16O2 | 945 | 660 s, 2.285 s | pesticide | slight increase |
| Benzoic acid | C7H6O2 | 873 | 660 s, 2.689 s | insect bite treatment | 4x increase |
| Methyl salicylate | C8H8O3 | 934 | 690 s, 2.750 s | fragrance | slight increase |
| Benzothiazole | C7H5NS | 945 | 720 s, 3.270 s | insecticide | slight increase |
| n-Decanoicacid | C10H20O2 | 922 | 825 s, 2.230 s | fragrance | slight increase |
| δ-Nonalactone | C9MH16O2 | 861 | 855 s, 3.000 s | coconut fragrance | newly present |
| Vanillin | C8H8O3 | 839 | 860 s, 3.308 s | vanilla fragrance | newly present |
| Diisopropyl adipate | C12H22O4 | 929 | 895 s, 2.330 s | skin softener | 10x increase |
| Dimethyl phthalate | C10H10O4 | 866 | 900 s, 3.190 s | insecticide | slight increase |
| 2,4-Di-tert-butylphenol | C14H22O | 963 | 940 s, 2.442 s | antioxidant | — |
| Diethyltoluamide | C12H17NO | 925 | 995 s, 2.970 s | insecticide | 5xincrease |
| Diethyl Phthalate | C12H14O4 | 964 | 1005 s, 2.970 s | fragrance; hair conditioner | slight increase |
| N-n-Butylphthalimide | C12H13NO2 | 907 | 1055 s, 3.085 s | skin conditioner | newly present |
| γ-Dodecalactone | C12H22O2 | 905 | 1060 s, 2.710 s | peach/apricot/strawberry fragrance | newly present |
| 2-Ethylhexyl salicylate | C15H22O3 | 908 | 1145 s, 2.410 s | UVB ray absorber | newly present |
| Homosalate | C16H22O3 | 922 | 1200 s, 2.495 s | sunscreen | 40xincrease |
| Oxybenzone | C14H12O3 | 923 | 1285 s, 3.360 s | sunscreen | newly present |
| Diethylene glycol dibenzoate | C18H18O5 | 959 | 1510 s, 3.455 s | hair conditioner | — |
| Octocrylene | C24H27NO2 | 925 | 1600 s, 3.005 s | sunscreen | 15xincrease |
Pegasus HRT+4Dはフラグメントおよび分子イオンの両方で高い質量精度が得られる。ここでは、質量精度2ppm以内で確信的な同定が可能であった。ベンゾチアゾール、硫黄および窒素を含む殺虫剤中の成分、2,4-ジ-tert-ブチルフェノール、一般的な日焼け止め成分を同定することが可能であった。これらの化合物はIGSシステムによって3.0/4.0のスコア（リテンションインデックスを使用しない場合のベストスコア）で同定された。
IGSシステムはライブラリの類似度だけではなく、分子イオンの存在、主要なフラグメントの質量精度、リテンションインデックスとの比較を行う機能である。
結論
SPME ArrowとGCｘGC-HRTOFMSを用いた今回の分析方法では、花火からの水への直接的な化学的影響は見られなかったが、パーソナルケアプロダクツ由来の化学物質の増加について豊富な情報が得られた。これらはウォーターフロントへの人的交通量の増加による。また、虫よけ、日焼け止め中の有効成分および様々なフレグランス中の化合物の確信的な同定も行うことが可能であった。