連続フロー分析装置による飲料水中の揮発性フェノール、シアン化物、陰イオン界面活性剤、アンモニア態窒素の同時測定

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1829 (2023) この記事を引用

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この研究では、連続フロー分析装置を使用して、飲料水中の揮発性フェノール、シアン化物、アニオン性界面活性剤、およびアンモニア態窒素を同時に測定する方法を開発しました。サンプルは最初に 145 °C で蒸留されました。次いで、留出物中のフェノールがアルカリ性フェリシアン化物および4-アミノアンチピリンと反応して赤色錯体を形成し、これを505 nmで比色測定した。その後、留出物中のシアン化物がクロラミン T と反応して塩化シアンを形成し、これがピリジンカルボン酸と青色の錯体を形成し、これを 630 nm で比色測定しました。アニオン性界面活性剤は塩基性メチレンブルーと反応して化合物を形成し、これをクロロホルムに抽出し、酸性メチレンブルーで洗浄して干渉物質を除去しました。クロロホルム中の青色化合物を660 nmで比色分析により測定した。アンモニアは、サリチル酸塩およびジクロロイソシアヌル酸の塩素と反応して、アルカリ性環境下、37℃でインドフェノールブルーを生成し、その測定波長は660nmでした。揮発性フェノールおよびシアン化物の質量濃度が 2 ～ 100 μg/L の範囲にある場合、相対標準偏差はそれぞれ 0.75 ～ 6.10% および 0.36 ～ 5.41%、回収率は 96.2 ～ 103.6% および 96.0 ～ 102.4% でした。。線形相関係数は ≥ 0.9999、検出限界はそれぞれ 1.2 μg/L および 0.9 μg/L でした。相対標準偏差は 0.27 ～ 4.86% および 0.33 ～ 5.39%、回収率は 93.7 ～ 107.0% および 94.4 ～ 101.7% でした。陰イオン界面活性剤とアンモニア性窒素の質量濃度が10～1000μg/Lの場合。線形相関係数は 0.9995 と 0.9999 で、検出限界はそれぞれ 10.7 μg/L と 7.3 μg/L でした。国の標準的な方法と比較した場合、統計的に有意な差は見つかりませんでした。このアプローチは時間と労力を節約し、検出限界が低く、精度と精度が高く、汚染が少ないため、大量のサンプルの分析と測定により適しています。

飲料水中の官能的、物理的、および非金属元素のマーカーは、揮発性フェノール、シアン化物、陰イオン性界面活性剤、およびアンモニア態窒素です1。フェノール化合物は、さまざまな用途に使用される必須の化学構成要素ですが、フェノールとその同族体も有毒であり、容易に生分解できません。これらは多くの工業生産プロセス中に放出され、一般的な環境汚染物質として浮上しています2、3。非常に有毒なフェノール性物質は、皮膚や呼吸器系を介して体内に吸収される可能性があります。ほとんどは、解毒プロセス中に人体に入ると毒性を失い、その後尿中に除去されます。しかし、その量が体の通常の解毒能力を超えると、過剰な成分がさまざまな臓器や組織に蓄積し、慢性中毒、頭痛、発疹、皮膚そう痒症、精神不安、貧血、およびさまざまな神経症状を引き起こす可能性があります4,5。 6、7。シアン化物は非常に有害ですが、自然界にはありふれたものです。多くの食品や植物にはシアン化物が含まれており、特定の細菌、菌類、藻類によって生成される可能性があります8,9。シャンプーやボディウォッシュなどの洗い流す製品では、消費者が求める優れた泡立ちと泡立ちを製品に与えるため、陰イオン界面活性剤は洗浄を助けるためによく使用されます。しかし、多くの界面活性剤は皮膚を刺激します10,11。飲料水、地下水、地表水、廃水には、遊離アンモニア (NH3) およびアンモニア態窒素 (NH3-N) と呼ばれるアンモニウム塩 (NH4+) の形で窒素が含まれています。家庭下水中の窒素含有有機物の微生物による分解生成物は、主にコークスや合成アンモニアなどの産業排水に由来し、水中のアンモニア態窒素の一部を占めています12、13、14。水中のこれら 4 つの汚染物質の測定には、分光測光法 15、16、17、クロマトグラフィー 18、19、20、21、フローインジェクション 15、22、23、24 などの多くの方法が使用されます。他のアプローチと比較すると、分光測光法が最も一般的です1。この調査では、4 つのデュアルチャネルモジュールを使用して、揮発性フェノール、シアン化物、アニオン性界面活性剤、および硫化物を同時に評価しました。

AA500 連続流量分析装置 (SEAL、ドイツ)、SL252 電子天秤 (Shanghai Mingqiao Electronic Instrument Factory、中国)、および Milli-Q 超純水メーター (Merck Millipore、米国) を使用しました。この研究で使用された化学物質はすべて分析グレードであり、すべての実験では脱イオン水が使用されました。塩酸、硫酸、リン酸、ホウ酸、クロロホルム、エタノール、四ホウ酸ナトリウム、イソニコチン酸、および 4-アミノアンチピリンは、Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (中国) から購入しました。 Triton X-100、水酸化ナトリウム、および塩化カリウムは、天津ダマオ化学試薬工場 (中国) から入手しました。フェリシアン化カリウム、ニトロプルシドナトリウム、サリチル酸ナトリウム、および N,N-ジメチルホルムアミドは、天津天利化学試薬有限公司 (中国) から供給されました。リン酸二水素カリウム、リン酸水素二ナトリウム、ピラゾロン、およびメチレンブルー三水和物は、天津科美王化学試薬有限公司（中国）から調製した。クエン酸三ナトリウム二水和物、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、およびジクロロイソシアヌル酸ナトリウムは、Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. (中国) から購入しました。揮発性フェノール、シアン化物、アニオン性界面活性剤、およびアンモニア態窒素の標準水溶液は、中国計量学会から購入しました。

蒸留試薬: 160 mL のリン酸を脱イオン水で 1000 mL に希釈します。緩衝液を保存します。ホウ酸 9 g、水酸化ナトリウム 5 g、塩化カリウム 10 g を秤量し、脱イオン水で 1000 mL に希釈します。吸収試薬 (毎週更新): 予備バッファー 200 mL を正確に測定し、50% Triton X-100 (v/v、Triton X-100/エタノール) 1 mL を加え、0.45 μm フィルター膜で濾過して使用します。。フェリシアン化カリウム (毎週更新): フェリシアン化カリウム 0.15 g を量り、200 mL の予備緩衝液に溶解し、50% Triton X-100 1 mL を加え、0.45 μm フィルター膜で濾過して使用します。 4-アミノアンチピリン (毎週更新): 4-アミノアンチピリン 0.2 g を量り、200 mL の予備バッファーに溶解し、1 mL の 50% Triton X-100 を加え、0.45 μm フィルター膜で濾過した後に使用します。

蒸留試薬: 揮発性フェノール。緩衝液：リン酸二水素カリウム 3 g、リン酸水素二ナトリウム 15 g、およびクエン酸三ナトリウム二水和物 3 g を脱イオン水中で秤量し、1000 mL に希釈します。次に、50% Triton X-100 を 2 mL 加えます。クロラミン T: 0.2 g のクロラミン T を秤量し、脱イオン水で 200 mL に希釈します。発色剤：発色剤Ａ：ピラゾロン１．５ｇをＮ，Ｎ－ジメチルホルムアミド２０ｍＬに完全に溶解する。現像液 B: 3.5 ギソニコチン酸と 6 mL の 5 M NaOH を 100 mL の脱イオン水に溶解します。使用前に発色剤 A と顕色剤 B を混合し、NaOH 溶液または HCl 溶液で pH 7.0 に調整し、脱イオン水で 200 mL に希釈し、濾過して使用します。

ストックバッファー: 四ホウ酸ナトリウム 10 g と水酸化ナトリウム 2 g を脱イオン水に溶解し、1000 mL に希釈します。 0.025% メチレンブルー溶液: 0.05 g のメチレンブルー三水和物を脱イオン水に溶解し、200 mL に希釈します。メチレンブルーストックバッファー (毎日更新): 20 mL の 0.025% メチレンブルー溶液をストックバッファーで 100 mL に希釈します。分液ロートに移し、クロロホルム 20 mL で洗浄し、用いたクロロホルムを捨て、再度新しいクロロホルムでクロロホルム層の赤色がなくなるまで洗浄（通常 3 回）し、ろ過する。アルカリ性メチレンブルー: 濾過したメチレンブルーストックバッファー 60 mL をストックバッファーで 200 mL に希釈し、エタノール 20 mL を加え、均一に混合し、脱気します。酸性メチレンブルー: 2 mL の 0.025% メチレンブルー溶液を約 150 mL の脱イオン水に加え、1.0 mL の 1% H2SO4 を加え、次に脱イオン水で 200 mL に加えます。次に、エタノール 80 mL を加えて均一に混合し、脱気します。

20% ポリオキシエチレンラウリルエーテル溶液: 20 g のポリオキシエチレンラウリルエーテルを秤量し、脱イオン水で 1000 mL に希釈します。緩衝液: クエン酸三ナトリウム 20 g を量り、脱イオン水で 500 mL に希釈し、20% ポリオキシエチレンラウリルエーテル 1.0 mL を加えます。サリチル酸ナトリウム溶液 (毎週更新): サリチル酸ナトリウム 20 g と亜硝酸フェリシアン化カリウム 0.5 g を秤量し、500 mL の脱イオン水に溶解します。ジクロロイソシアヌル酸ナトリウム溶液 (毎週更新): 水酸化ナトリウム 10 g とジクロロイソシアヌル酸ナトリウム 1.5 g を秤量し、500 mL の脱イオン水に溶解します。

揮発性フェノールおよびシアン化物の標準物質は、 0.01 M 水酸化ナトリウム溶液。アニオン性界面活性剤とアンモニア態窒素標準物質は、脱イオン水を使用して 0 μg/L、10 μg/L、50 μg/L、100 μg/L、250 μg/L、500 μg/L、750 μg/L、および 1000 μg/L を調製しました。 μg/L 溶液。

冷却循環タンクを起動し、コンピューター、サンプラー、AA500 ホストの電源を (順番に) オンにし、パイプラインが正しく接続されているかどうかを確認し、エアホースをエアバルブに押し込み、ペリスタルティックポンプの圧力プレートをカバーします。、試薬パイプラインを純水に入れます。ソフトウェアを起動し、対応するチャンネルウィンドウを起動し、各接続チューブがしっかりと接続されているか、緩みや漏れがないか確認してください。液漏れがない場合は、該当する試薬を吸引してください。チャネルウィンドウのベースラインが安定したら、検出と分析用に設定されたメソッドファイルを選択して実行します。機器の条件を表 1 に示します。

フェノールとシアン化物を測定するためのこの自動化された方法では、サンプルは最初に 145 °C で蒸留されました。次いで、留出物中のフェノールがアルカリ性フェリシアン化物および4-アミノアンチピリンと反応して赤色錯体を形成し、これを505 nmで比色測定した。続いて、留出物中のシアン化物がクロラミン T と反応して塩化シアンを形成し、これがピリジンカルボン酸との青色錯体を形成し、これを 630 nm で比色測定した。アニオン性界面活性剤は塩基性メチレンブルーと反応して化合物を形成し、これをクロロホルムに抽出し、相分離器で分離した。次いで、クロロホルム相を酸性メチレンブルーで洗浄して妨害物質を除去し、第２の相分離器で再度分離した。クロロホルム中の青色化合物は、660 nm で比色分析により測定されました。ベルテロ反応に基づくと、37 °C のアルカリ環境下でアンモニアがサリチル酸塩およびジクロロイソシアヌル酸の塩素と反応してインドフェノールブルーを形成しました。反応ではニトロプルシドナトリウムを触媒として使用し、生成した色を660 nmで測定しました。この方法の原理を図1に示します。

連続フロー注入による揮発性フェノール、シアン化物、陰イオン界面活性剤およびアンモニア性窒素の定量の概略図。

揮発性フェノールおよびシアン化物の濃度は 2 ～ 100 μg/L の範囲で、線形相関係数は 1.000、回帰式は y = (3.888331E + 005)x + (9.938599E + 003) でした。シアン化物の相関係数は 1.000、回帰式は y = (3.551656E + 005)x + (9.951319E + 003) でした。陰イオン性界面活性剤とアンモニア態窒素濃度の間の直線関係は、10 ～ 1000 μg/L の範囲で良好でした。陰イオン界面活性剤とアンモニア性窒素の相関係数はそれぞれ0.9995と0.9999でした。回帰式は、それぞれ y = (2.181170E + 004)x + (1.144847E + 004) および y = (2.375085E + 004)x + (9.631056E + 003) でした。ブランクは 11 回連続測定され、ブランクの標準偏差の 3 倍を標準曲線の傾きで割ることにより、この方法の検出限界が得られました。揮発性フェノール、シアン化物、アニオン性界面活性剤、アンモニア性窒素の検出限界は、それぞれ 1.2 μg/L、0.9 μg/L、10.7 μg/L、7.3 μg/L でした。検出限界は国の標準法よりも低く、その詳細は表2に示したとおりです。

微量の分析物を含まない高、中、低濃度の標準溶液を水サンプルに添加しました。日内および日間の回収率と精度は、7 回の連続測定後に計算されました。表 3 に示すように、揮発性フェノールの日内および日間の回収率はそれぞれ 98.0 ～ 103.6% および 96.2 ～ 102.0% で、相対標準偏差は 0.75 ～ 2.80% および 1.27 ～ 6.10% でした。シアン化物の日内および日間の回収率は、それぞれ 101.0 ～ 102.0% および 96.0 ～ 102.4% であり、相対標準偏差は 0.36 ～ 2.26% および 2.36 ～ 5.41% でした。さらに、アニオン性界面活性剤の日内および日間の回収率は 94.3 ～ 107.0% および 93.7 ～ 101.6% で、相対標準偏差は 0.27 ～ 0.96% および 4.44 ～ 4.86% でした。最後に、表 3 に示すように、アンモニア性窒素の日内および日間の回収率は 98.0 ～ 101.7% および 94.4 ～ 97.8% であり、相対標準偏差はそれぞれ 0.33 ～ 3.13% および 4.45 ～ 5.39% でした。

分光測光法 15、16、17 やクロマトグラフィー 25、26 などの多くの試験方法を使用して、水中の 4 つの汚染物質を測定できます。化学分光測光法は、これらの汚染物質を検出するために最も最近研究された方法であり、国家基準で要求されています27、28、29、30、31。これには蒸留、抽出、その他の手順が必要で、感度が不十分で精度が標準以下で時間のかかるプロセスが発生します。、精度が悪い。有機化学物質を多量に使用すると、実験者に健康被害をもたらす可能性があります。クロマトグラフィー法は高速、簡単、効率的であり、検出限界が低いですが、4 つの化合物を同時に測定するために使用することはできません。ただし、連続フロー分光光度法を使用した化学分析では、非平衡動的条件が使用されます。連続フロー分光測光法は、サンプル溶液の連続的なガス間隔流、適切な比率と順序での試薬の添加、反応の完了に基づいています。混合ループを通過し、分光光度検出の前に気泡を除去します。検出プロセスは自動化されているため、サンプルは比較的閉鎖的な環境でオンラインで蒸留および抽出されます。このアプローチにより、作業効率が大幅に向上し、検出時間がさらに短縮され、操作手順が合理化され、試薬汚染が軽減され、メソッドの感度と検出限界が増加します。

アニオン性界面活性剤とアンモニア態窒素を 250 μg/L の濃度で混合試験サンプルとして調製しました。標準物質を使用して、揮発性フェノールおよびシアン化物を濃度 10 μg/L の試験サンプルに調製しました。分析には国家標準法を、検出には本法をそれぞれ用いた（6回の並行実験）。 2 つのアプローチの結果は、独立した t 検定を使用して比較されました。表 4 に示すように、2 つの方法の間に識別できる差はありませんでした (P > 0.05)。

この研究では、連続フロー分析装置を使用して、揮発性フェノール、シアン化物、アニオン性界面活性剤、およびアンモニア性窒素を同時に分析および検出しました。検出結果は、連続フロー分析装置が国家標準の方法よりも少ないサンプル量を使用したことを示しました。また、検出限界が低く、使用する試薬が 80% 減少し、単一サンプルの処理に必要な時間が短縮され、発がん性の高いクロロホルムの使用量が大幅に減少しました。オンライン処理は統合され、自動化されました。連続フローにより試薬とサンプルが自動的に吸収され、混合ループを通じて混合され、自動的に加熱、抽出され、比色分析を使用して計算されます。実験プロセスは閉鎖システムで行われたため、分析時間が短縮され、汚染が軽減され、実験従事者の安全が確保されました。手作業による蒸留や抽出などの困難な操作手順は不要でした 22,32。ただし、機器のパイプラインと付属品は複雑で、いくつかの要因がテスト結果に影響を与える可能性があるため、システムが不安定になりやすくなります。結果の精度を高め、実験への干渉を防ぐために、いくつかの重要な手順に従うことができます。 (1) 揮発性フェノールやシアン化物を測定する場合は、溶液の pH を考慮する必要があります。蒸留コイルに到達する前の pH は約 2 である必要があります。 pH > 3 の場合、芳香族アミンも蒸留される可能性があり、4-アミノアンチピリンとの反応でエラーが発生する可能性があります。さらに、pH > 2.5 の場合、K3[Fe(CN)6] の回収率は 90% 未満になります。 10 g/L を超える塩を含むサンプルは、蒸留コイルを詰まらせて問題を引き起こす可能性があります。この状況でサンプルの塩分濃度を下げるには、真水を追加する必要があります33。 (2) 以下の要因がアニオン性界面活性剤の同定に影響を与える可能性があります。カチオン性化学物質は、アニオン性界面活性剤と強力なイオンペアを形成する可能性があります。次の種が存在する場合にも、結果が歪む可能性があります。濃度が 20 mg/L を超えるフミン酸。高い界面活性を持つ化合物 (他の界面活性剤など) > 50 mg/L; 強い還元電位を持つ物質（SO32-、S2O32-、OCl-）。いずれかの試薬を使用すると、クロロホルムに可溶なカラフルな分子を生成する物質。廃水中の一部の無機アニオン（塩化物、臭化物、硝酸塩）34,35。 (3) 小分子アミンはアンモニアと同様に反応し、結果として過度に高い結果が得られるため、アンモニア態窒素を計算する際には考慮する必要があります。すべての試薬溶液を添加した後の反応混合物の pH が 12.6 未満である場合、干渉が発生する可能性があります。強酸性の緩衝サンプルはこれを引き起こす傾向があります。再現性の低さは、水酸化物として高濃度で沈殿する金属イオンによっても引き起こされる可能性があります 36,37。

その結果、飲料水中の揮発性フェノール、シアン化物、アニオン性界面活性剤、およびアンモニア性窒素を同時に測定するための連続フロー分析法は、良好な直線性、低い検出限界、および良好な精度と回収率を備えていることが実証されました。国の標準的な方法と大きな違いは見られませんでした。このアプローチは、大量の水サンプルの分析と測定に、迅速、高感度、正確で使いやすい方法を提供します。特に 4 成分の同時測定に適しており、検出効率が大幅に向上します。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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この研究は、西安疾病管理予防センターと中国陝西省自然科学財団 (2021SF-468) および杭州医療健康科学技術プロジェクト (A20220757) によって支援されました。

西安疾病管理予防センター、西安、710054、中国

Guofu Qin、Keting Zou、Fengrui、Bei Zuo、Jia Liu、Ruixiao Liu、Bixia Yang、Guipeng Zhao

杭州職業病予防管理病院、杭州、310014、中国

ジー・シャオ

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GQ: 構想、執筆 - 原案作成。データの分類と分析。 KZ: 監修、執筆、レビュー、編集。 Fengrui H. と JS: 資金調達。データの視覚化。 RL、BZ、JL、BY: サンプルの収集と検出。 GZ: 資金調達、サンプルの収集と検出。

Guofu Qin、Fengrui He、Ji Shao に対応します。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Qin, G.、Zou, K.、He, F. et al. 連続フロー分析装置による飲料水中の揮発性フェノール、シアン化物、陰イオン界面活性剤、およびアンモニア態窒素の同時測定。 Sci Rep 13、1829 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-28776-w

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受信日: 2022 年 11 月 4 日

受理日: 2023 年 1 月 24 日

公開日: 2023 年 2 月 1 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28776-w

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