非飲料水のPFAS分析：簡略化されたSPE

概要

非飲料水マトリックスのPFAS分析におけるサンプル前処理には、この分析に特有の難しい課題があります。表層水（河川、湖沼、海など）や排水中のPFASを微量レベルで分析するためには、バックグラウンド汚染が低い状態で難しいマトリックスを処理しなければなりません。Resprep PFASカートリッジを使えば、非飲料水（EPA Method 1633によるPFAS分析が分析対象とする）のSPEサンプル前処理を迅速に信頼性高く行うことが可能です。1つのカートリッジにWAX層とカーボン層の両方が含まれているため、抽出とクリーンアップを同時に行うことができます。また、フィルターエイド（ろ過助剤）充填済みタイプを選べば、懸濁物質が多く含まれるサンプルの前処理におけるカートリッジの目詰まりを防ぎます。

はじめに

飲料水中のPFAS分析に関するメソッドは以前から広く使用されていますが、固相抽出（SPE）を使用した非飲料水の分析手法が存在しないため、多くの研究所では、表層水や排水の分析時に飲料水用の手法を改良して使用していました。この課題に対応するため、2024年1月に最終版が確定されたEPA Method 1633 [1] では、ガラスウールを手作業で充填した弱陰イオン交換（WAX）カートリッジを使用したSPE抽出と、分散型カーボンクリーンアップを含むサンプル前処理が提案されています。しかし、ガラスウールの手作業による充填と、別途必要なカーボンクリーンアップは、サンプル前処理工程に余計な時間と複雑さを加え、汚染物質混入のリスクを高めることになります。また、手作業で充填されたウールは、技術者間でのばらつきを増大させる要因にもなります。

Resprep PFASカートリッジは、WAXとカーボンの両方の充填剤層を持つ積層固相SPEカートリッジで、SPE抽出とカーボンによるクリーンアップを1つのカートリッジで行うことが可能です。フィルターエイド（ろ過助剤）充填済みタイプを選べば、固形物を含むサンプルを処理するためにガラスウールを手作業で加える必要がなくなり、目詰まりを大幅に防げます。

実験

サンプル前処理

EPA Method 1633, Section11.2.4に従って、再現性、精度、およびメソッド検出限界（MDL）確認用サンプルを調整しました。各サンプルは、500 mLの脱イオン水に抽出内部標準物質（EIS、Wellington Laboratories p/n MPFAC-HIF-ES）25 µLを添加し、ポリプロピレン製ボトル内で調製しました。再現性と回収率のサンプルには、ネイティブ PFAS 標準物質（Wellington Laboratories p/n EPA-1633STK）200 µL を添加し、抽出前濃度が100～2500 ng/Lとなるように調整しました（n=4）。MDL確認用のサンプルは、ネイティブPFAS標準物質の20:1希釈液20 µLを添加し、抽出前濃度が0.5～12.5 ng/Lとなるように調整しました（n=7）。また、MDLの確認用のブランクサンプルもn-7で準備しました。これらのMDLサンプルは3日間にわたって調製され、分析されました。

30 µm WAX 150 mg と CarboPrep Plus カーボン50 mg（cat.# 28930）を含むResprep PFAS SPE カートリッジ（6 mL）をThermo AutoTrace PFASシステムに設置しました。サンプルの調製とSPEシステムのセットアップ後、EPA Method 1633, Section 11.4の手順（Figure 1参照）に従ってサンプルを抽出しました。抽出後、抽出物に25 µLの非抽出内部標準物質（NIS、Wellington Laboratories p/n MPFAC-HIF-IS）を添加しました。

フィルターエイド（ろ過助剤）の効率を確認するためのサンプルは、浮遊物質が～100 mg/Lになるように2.5倍に希釈したASTM代用排水[2]を使用しました。2000mgのフィルターエイド、150mgの30μm WAX、50mgのCarboPrep Plusカーボンが充填されたResprep PFAS SPEカートリッジ（cat.# 28931）を、クイック交換ライナー（cat.#28310-VM ）を取り付けたResprep QR-12真空マニホールド（cat.#28298-VM ）に装着しました。サンプルをSPEカートリッジに通水する際には、Resprepサンプルデリバリーシステムライン（cat.#26250）を使用しました。500 mLの代用排水をカートリッジにロードし、目詰まりせずに通水したサンプルの量を測定しました。この結果を、WAXのみを含むカートリッジ（cat.#28292）と、SPEカートリッジ高さの半分までガラスウール（cat.#24324）を手作業で詰めた（Method 1633, Section 12.1.1に記載）WAXカートリッジと比較しました。

分析システム 

抽出後、サンプルは以下に示す条件でLC-MS/MSにより分析されました。特に、PFAS分析においてディレイカラムの使用は、インジェクタ上流部からコンタミしたPFASとサンプル由来のPFASが共溶出するのを防ぐために非常に重要となります。本実験においても、分析システムの入念なブランクチェックが実施され、共溶出するPFASがないことを確認しました。

EPA Method 1633 PFAS 分析の装置条件
システム: Waters ACQUITY Premier LC/Xevo TQ Absolute Triple Quadrupole MS
カラム:
• PFASディレイカラム (cat.# 27854)
• 分析カラム: Force C18, 1.8 µm x 50 mm x 2.1 mm (cat.# 9634252)
注入量: 3 µL
移動相A: Water, 5 mM ammonium acetate
移動相B: Methanol
流速: 0.4 mL/min
温度: 40 °C
グラジエント:

時間 (分)	%B
0	20
6	95
6.6	95
6.61	20
7.5	20

イオン源: エレクトロスプレー
イオン化モード: ESI-
モード: MRM

分析システムは、PFAS分析用のMethod 1633のTable 4に示す濃度を使用して校正され、相対標準偏差(%RSE)が最小となるようデータを近似する方法を採用しました。

メソッド検出限界 (MDL)

メソッド検出限界は、EPA の Definition and Procedure for the Determination of the Method Detection Limit, Revision 2 [3]に従い、それぞれn=7のブランクサンプルおよび低濃度添加サンプルの分析結果から算出しました。添加サンプルおよびブランクサンプルの結果から得られた標準偏差にStudentのt値（3.143）を乗じてMDLを決定し、それらの結果のうち、高い値を最終的なMDLとしました。

精度と再現性

精度と再現性は、添加サンプルをn=4で分析を行い、確認しました。添加サンプルの精度を計算し、EPA Method 1633のTable 5にある回収率の許容範囲と比較し、添加サンプルの分析結果の相対標準偏差も求め、Table 5の許容範囲と比較しました。同位体希釈標準物質の回収率を添加サンプルから計算し、PFAS 分析に関する EPA Method 1633 のTable 6 の回収率の許容範囲と比較しました。

結果と考察

メソッド性能検証実験

Figure 2に示すように、良好な分析結果が得られました。ネイティブPFAS分析対象成分のMDL、ブランクレベル、精度、および再現性の結果をTable Iに示します。算出したMDLは、EPA Method 1633のTable 9に示される報告限界値を下回り、添加サンプルの精度は添加値の77～125%の範囲を示し、Method 1633のTable 5の要件を満たしていました。また、添加サンプルも良好な再現性を示し、結果は≤25% RSDでした。同様に、同位体希釈標準物質の回収率も、Method 1633のTable 6に記載された範囲内でした。結果をTable IIに示します。

 

Table I: ネイティブPFASのMDL、ブランク、精度、および再現性に関する実験の結果

化合物	略称	MDL (ng/L)	ブランク (ng/L)*	精度 (%)	%RSD
Perfluorobutanoic acid	PFBA	0.34	ND	112	5
Perfluoro-3-methoxypropanoic acid	PFMPA	0.20	ND	109	6
3-Perfluoropropyl propanoic acid	3:3FTCA	0.31	ND	95	6
Perfluoropentanoic acid	PFPeA	0.26	ND	111	6
Perfluorobutane sulfonate	PFBS	0.19	ND	101	5
Perfluoro-4-methoxybutanoic acid	PFMBA	0.18	ND	111	6
Perfluoro(2-ethoxyethane)sulfonic acid	PFEESA	0.15	ND	94	5
Nonafluoro-3,6-dioxaheptanoic acid	NFDHA	0.46	ND	121	5
1H,1H,2H,2H-perfluorohexane sulfonate	4:2 FTS	0.36	ND	104	5
2H,2H,3H,3H-Perfluorooctanoic acid	5:3FTCA	1.48	ND	102	6
Perfluorohexanoic acid	PFHxA	0.08	ND	113	5
Perfluoropentane sulfonate	PFPeS	0.07	ND	122	4
Hexafluoropropylene oxide dimer acid	HFPO-DA	0.40	ND	114	12
Perfluoroheptanoic acid	PFHpA	0.08	ND	109	5
Perfluorohexane sulfonate	PFHxS	0.07	ND	104	7
4,8-Dioxa-3H-perfluorononanoic acid	ADONA	0.39	ND	99	9
1H,1H,2H,2H-perfluorooctane sulfonate	6:2 FTS	0.37	ND	107	4
3-Perfluoroheptyl propanoic acid	7:3FTCA	2.32	ND	100	6
Perfluoroheptane sulfonate	PFHpS	0.76	ND	121	8
Perfluorooctanoic acid	PFOA	0.32	ND	104	2
Perfluorooctane sulfonate	PFOS	0.20	ND	112	7
Perfluorooctanesulfonamide	PFOSA	0.21	ND	81	11
Perfluorononanoic acid	PFNA	0.08	ND	114	5
N-methyl perfluorooctanesulfonamide	NMeFOSA	0.07	ND	104	13
9-Chlorohexadecafluoro-3-oxanonane-1-sulfonic acid	9Cl-PF3ONS	0.61	ND	85	11
Perfluorononanesulfonic acid	PFNS	0.25	ND	79	7
Perfluorodecanoic acid	PFDA	0.18	ND	117	8
N-ethyl perfluorooctanesulfonamide	NEtFOSA	0.14	ND	112	15
1H,1H,2H,2H-perfluorodecane sulfonate	8:2 FTS	0.91	ND	113	11
Perfluoroundecanoic acid	PFUnA	0.26	ND	125	12
N-methyl perfluorooctanesulfonamidoacetic acid	NMeFOSAA	0.15	ND	95	12
N-ethyl perfluorooctanesulfonamidoacetic acid	NEtFOSAA	0.23	ND	93	12
Perfluorodecanesulfonic acid	PFDS	0.25	ND	94	23
11-Chloroeicosafluoro-3-oxaundecane-1-sulfonic acid	11Cl-PF3OUdS	0.56	ND	77	25
Perfluorododecanoic acid	PFDoA	0.27	ND	118	15
N-methyl perfluorooctanesulfonamidoethanol	NMeFOSE	1.11	ND	106	9
N-ethyl perfluorooctanesulfonamidoethanol	NEtFOSE	1.10	ND	111	9
Perfluorotridecanoic acid	PFTrDA	0.33	ND	108	15
Perfluorododecanesulfonic acid	PFDoS	0.13	ND	89	12
Perfluorotetradecanoic acid	PFTeDA	0.32	ND	102	23

*ND=MDL以上では検出されません。

Table II: 同位体希釈標準物質の精度および再現性に関する実験の結果

化合物	略称	精度 (%)	%RSD
Perfluoro-n-[1,2,3,4- 13C4]butanoic acid	13C4-PFBA	88	4
Perfluoro-n-[1,2,3,4,5- 13C5]pentanoic acid	13C5-PFPeA	88	5
Sodium perfluoro-1-[2,3,4- 13C3]butanesulfonate	13C3-PFBS	97	3
Sodium 1H,1H,2H,2H-perfluoro-1-[1,2- 13C2]hexane sulfonate	13C2-4:2FTS	95	8
Perfluoro-n-[1,2,3,4,6- 13C5]hexanoic acid	13C5-PFHxA	122	2
2,3,3,3-Tetrafluoro-2-(1,1,2,2,3,3,3-heptafluoropropoxy13C3-propanoic acid	13C3-HFPO-DA	92	4
Perfluoro-n-[1,2,3,4- 13C4]heptanoic acid	13C4-PFHpA	107	4
Sodium perfluoro-1-[1,2,3- 13C3]hexanesulfonate	13C3-PFHxS	102	4
Sodium 1H,1H,2H,2H-perfluoro-1-[1,2-13C2]-octane sulfonate	13C2-6:2FTS	83	5
Perfluoro-n-[ 13C8]octanoic acid	13C8-PFOA	106	5
Sodium perfluoro-[ 13C8]octanesulfonate	13C8-PFOS	77	7
Perfluoro-1-[ 13C8]octanesulfonamide	13C8-PFOSA	94	11
N-methyl-d 3-perfluoro-1-octanesulfonamidoacetic acid	D3-NMeFOSAA	85	9
N-ethyl-d 5-perfluoro-1-octanesulfonamidoacetic acid	D5-NEtFOSAA	87	11
Perfluoro-n-[ 13C9]nonanoic acid	13C9-PFNA	83	7
Perfluoro-n-[1,2,3,4,5,6- 13C6]decanoic acid	13C6-PFDA	80	7
Sodium 1H,1H,2H,2H-perfluoro-1-[1,2- 13C2]-decane sulfonate	13C2-8:2FTS	84	5
N-methyl-D 7-perfluorooctanesulfonamidoethanol	D7-NMeFOSE	108	13
N-ethyl-D 9-perfluorooctanesulfonamidoethanol	D9-NEtFOSE	88	17
N-methyl-D 3-perfluoro-1-octanesulfonamide	D3-NMeFOSA	84	8
N-ethyl-D 5-perfluoro-1-octanesulfonamide	D5-NEtFOSA	111	10
Perfluoro-n-[1,2,3,4,5,6,7- 13C7]undecanoic acid	13C7-PFUnA	78	13
Perfluoro-n-[1,2- 13C2]dodecanoic acid	13C2-PFDoA	45	24
Perfluoro-n-[1,2- 13C2]tetradecanoic acid	13C2-PFTeDA	36	21

 

ろ過とサンプル通水実験

Resprep PFAS SPEカートリッジには、出荷時充填済みフィルターエイド（ろ過助剤）入りタイプとフィルターエイドなしタイプがありますが、フィルターエイドは手作業で充填したガラスウールを使用する場合と比較して、より迅速で安定したサンプル前処理が可能です。Figure 3に示すように、フィルターエイドにはもう 1つの大きな利点があります。目詰まりを防いでサンプル全量を処理できるため、抽出を2回に分けて行うよりも時間、労力、コストを節約することができます。以下の比較を参照すると、フィルターエイド充填済のResprep PFASカートリッジだけが、100 mg/Lの懸濁固形分を含む代用排水マトリックス500 mL全量の通水・抽出が可能でした。これは、ガラスウール（通水・抽出できたのはサンプルの半量以下）や、WAXのみ（通水・抽出できたのはサンプルの10分の1以下）を使用した場合に比べ、大きな改善が見られました。

結論

SPEサンプル前処理を使用するラボにとって、非飲料水マトリックスのPFAS分析には特有の課題があります。Resprep PFAS カートリッジを使用することで、 PFAS 分析の EPA Method 1633 の要件を満たしながら、難しい水マトリックスのラボでの処理がより効率的になります。その他の製品、メソッド、技術文献については、「PFAS分析のパートナー」をご覧ください。

参考文献

1. U.S. Environmental Protection Agency, Method 1633, Analysis of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in aqueous, solid, biosolids, and tissue samples by LC-MS/MS, January 2024. https://www.epa.gov/system/files/documents/2024-01/method-1633-final-for-web-posting.pdf
2. ASTM International, D5905-98(2018), Standard practice for the preparation of substitute wastewater, December 2018. https://www.astm.org/d5905-98r18.html
3. U.S. Environmental Protection Agency, Definition and procedure for the determination of the method detection limit, Revision 2, December 2016. https://www.epa.gov/sites/default/files/2016-12/documents/mdl-procedure_rev2_12-13-2016.pdf