/一

THAP4mg/mI

＼

[Caf+H】

[Glu+K】

[Suc+Na】

[Suc+K】

50

[THAP+H】

/

100150200250300

mノ 乞

図4‑1.コ カ ・コ ー ラ の マ ス ス ペ ク トル[1]

[Suc+K】

＼

350 400

しか し酸 化 鉄(皿)ナ ノ粒 子 の み を 用 い た 場 合 、4‑MI由 来 の ピー ク強 度 が 小 さい た め に よ り高 強 度 な ピー ク を 必 要 とす る 定 量 を行 う こ とは 困難 で あ っ た 。 そ こで ブ レ ン ス テ ッ ド 酸 と し て の 能 力 を 持 つ ゼ オ ラ イ トを酸 化 鉄(皿)ナ ノ粒 子 と混 合 した マ トリ ク ス を用 い る こ と で マ トリク ス の プ ロ トン 付 加 能 力 が 向 上 し、4‑MIの プ ロ トン付 加 体 を高 強 度 に 検 出 す る こ と に も 成 功 し て い る 。 本 章 で は 再 現 性 が 低 い た め に 定 量 を 行 う こ と が 困 難 で あ る MALDI法 に お い て 、 先 述 の 混 合 マ トリ ク ス を用 い て 清 涼 飲 料 水 中 に含 ま れ る4‑MIの 定 量

実 験 を 行 っ た 。

500

400

∩)0∩UOつ﹂(∠

( .⊃ .・5 ) 喜 の ⊆ 2 三

100

0

82.082.583.083.584.O mlz

図4‑2.ゼ オ ラ イ トの 有 無 に よ る ピ ー ク 強 度 の 変 化[1]

4‑1‑2無 機 マ ト リ ク ス

無 機 マ トリ ク ス は1980年 代 初 頭 、 レー ザ ー イ オ ン化 質 量 分 析 の 研 究 が 始 ま っ た 頃 か ら研 究 が 進 め られ て お り、無 機 マ ト リク ス に グ リセ リ ン を添 加 す る こ と に よ り、当 時 と し て は 画 期 的 な 質 量 数 約10万 の 試 料 を 測 定 す る こ と を 可 能 に し た 。

無 機 マ トリ ク ス と し て 用 い られ る の は 金 属 微 細 粉 末 で あ る 。バ ル ク 状 の 金 属 の 多 く は 金 属 光 沢 色 を 持 っ て お り、あ る 特 定 の 波 長 を 高 効 率 に 反 射 す る。一 方 で 金 属 微 細 粉 末 は 、 粒 径 が 波 長 と ほ ぼ 同 程 度 と な る こ と で 乱 反 射 が 多 量 発 生 す る た め 、粒 子 径 が 小 さ い ほ ど 光 吸 収 率 や 単 位 重 量 当 た り の 表 面 積 が 増 加 す る。これ に よ り近 傍 に 存 在 す る試 料 に 容 易 に エ ネ ル ギ ー を 与 え る こ と が 可 能 で あ る 。

微 細 粉 末 は 個 々 の 粒 子 が ほ ぼ 独 立 に 存 在 し て い る た め 、吸 収 した エ ネ ル ギ ー が 散 逸 し づ ら く 、加 熱 しや す く な る。 これ に よ り、試 料 分 了 を 速 や か に イ オ ン化 ・脱 離 させ る こ と が 可 能 と な り、試 料 分 子 の 分 解 を 防 ぐ こ と が で き る 。 ま た 、 有 機 マ ト リ ク ス と 比 較 し て 融 点 や 沸 点 が 極 め て 高 く 、溶 解 ・気 化 が 起 こ りづ らい た め 、 マ ト リ ク ス 自身 の イ オ ン や そ の 分 解 物 生 成 が 抑 制 され る 。 そ の た め 、有 機 マ ト リ ク ス を 用 い る 際 に は 帰 属 が 困 難 で あ る 低 分 子 量 領 域 の 煩 雑 な ピー ク が 抑 制 され る 。 さ ら に 、化 学 的 に 安 定 で あ る こ と か

らマ トリ ク ス と試 料 の 結 合 ・分 解 反 応 は 極 め て 起 こ りづ ら く な る。

上 に 挙 げ た 特 徴 か ら、 無 機 マ ト リ ク ス は 低 分 子 量 試 料 の 測 定 に適 して い る 。 し か し、

無 機 マ ト リ ク ス 自 身 は カ ル ボ キ シ ル 基 や ヒ ドロ キ シ 基 な ど の プ ロ トン 供 給 性 を 持 っ 官 能 基 を 持 っ て い な い た め 、 試 料 の イ オ ン 化 を 促 進 させ る機 能 を 有 して い な い 。 従 っ て 、 有 機 マ トリ ク ス を 用 い る 場 合 に 比 べ 試 料 の 検 出 感 度 は 低 下 す る 。無 機 マ ト リ ク ス を用 い

る 場 合 、測 定 試 料 中 に 不 確 定 に 混 入 して い る 陽 イ オ ン種 が 付 加 す る こ と に よ り、試 料 が イ オ ン 化 され る。 こ の 時 、イ オ ン化 効 率 は 測 定 試 料 中 に含 ま れ る 陽 イ オ ン の 種 類 や そ の 濃 度 に 依 存 す る た め 、 再 現 性 の 高 い 測 定 結 果 を 得 る こ と は 困 難 で あ る。

以 上 を ま と め る と 、低 分 子 量 試 料 の 測 定 に は 、特 定 の 陽 イ オ ン 種 を 供 給 す る こ とが で き る 無 機 マ ト リク ス を 用 い る の が 最 も適 切 な 手 法 で あ る と い え る。そ の た め に 本 章 で は ブ レ ン ス テ ッ ド酸 と し て の 能 力 を 持 つ ゼ オ ラ イ トを 用 い る こ と で プ ロ トン を 選 択 的 に 試 料 に 付 加 させ る こ と を 試 み た 。

4‑1‑3ゼ オ ラ イ ト[2]

ゼ オ ライ トはSiO44一 お よ びAlo45一 の 四 面 体 構 造 を 基 本 単 位 構 造 に もっ 多 孔 質 ア ル ミ ノ ケ イ 酸 塩 で あ り、1っ の 基 本 単位 が4っ の 頂 点 酸 素 を そ れ ぞ れ 隣 の 基 本 単 位 と共 有 す る こ と で 3次 元 的 に連 結 し結 晶 を 形 成 して い る 。 そ れ に伴 い1nm以 下 の 細 孔 を持 ち 、 そ の 細 孔 よ り サ イ ズ の 小 さい 分 子 は 細 孔 内 に 侵 入 で き 、 大 き い も の は 細 孔 内 に侵 入 で き な い とい っ た 分 子 ふ る い 作 用 を 持 っ 。

ま た 構 造 内 にA1原 子 を 有 して い る た め 骨 格 構 造 全 体 と して負 電 荷 側 に 偏 っ て お り、 こ の 電 荷 の 偏 りは ゼ オ ライ ト表 面 上 に 存 在 す る 陽 イ オ ン に よ っ て 補 わ れ て お り、 図4‑3に 示 す よ うなSi‑〇‑Al橋 架 構 造 と表 面 上 に 存 在 す る 陽 イ オ ン種 が 一 組 に な っ て 存 在 して い る。

表 面 上 に 存 在 す る 陽 イ オ ン 種 は 、容 易 に 他 の 陽 イ オ ン種 に 交 換 され 、元 よ り存 在 して い た 陽 イ オ ン 種 は 、ゼ オ ラ イ トを 用 い る 系 内 に 供 給 され る 、い わ ゆ る ブ レ ン ス テ ッ ド酸 と

し て の 能 力 を 持 つ 。 そ の 強 度 は プ ロ トン型 ゼ オ ライ トで あ れ ば 硫 酸 と 同 程 度 で あ る。 以 上 の 事 か ら 、一 般 に ゼ オ ラ イ トは 構 造 選 択 性 を持 つ 強 力 な 固 体 酸 触 媒 と し て 工 業 的 に 用 い られ て い る 。 ゼ オ ラ イ ト中 の ア ル ミ ニ ウ ム 濃 度 は ア ル ミ ノ ケ イ 酸 塩 の 場 合Si/AIモ ル 比 で 表 され る。 ア ル ミニ ウ ム 濃 度 が 高 く な る に つ れ て 表 面 は 親 水 性 を 持 つ よ うに な る 。

ゼ オ ラ イ トは 様 々 な 構 造 を 持 ち 、そ れ ぞ れ 骨 格 や 細 孔 径 が 異 な る。 以 下 に代 表 的 な ゼ オ ラ イ トの 構 造 を 挙 げ る 。

H+

00

＼/＼/＼/

SiAl‑Si

/＼/＼/＼

図4‑3.ゼ オ ラ イ ト の 基 本 骨 格

・ZSM‑5

斜 方 晶 系 の 代 表 的 な 高 シ リ カ の 合 成 ゼ オ ラ イ トで あ り 、 単 位 胞 組 成 はNa。[Al。Sig6‑

f、0192】・xH20で あ る 。 合 成 時 のAI濃 度 を 変 え る こ と でn<27の 範 囲 で 組 成 を 変 え る こ と が で き 、Al濃 度 の 減 少 と と も に 疎 水 性 が 増 す た めxの 値 は 減 少 す る 。10員 環 で 直 線 状(0.56×0.53nm)お よ び ジ グ ザ グ(O.55×0.51nm)な 細 孔 を 持 ち 、 こ れ ら が 互 い に

交差 して3次 元的細孔 を形成す る。

・モ ル デ ナ イ ト

斜 方 晶 系 の 高 シ リカ 天 然 ゼ オ ラ イ ト単 位 胞 組 成 はNa8[AI8Si40096】 ・24H20で あ る。 近 年 合 成 が 盛 ん に な りSi/AIモ ル 比 が5か ら20程 度 の も の が 容 易 に 得 られ る よ うに な っ た 。12員 環(0.70×0.65nm)で 直 線 状 の 細 孔 お よび8員 環(0.57×0.26nm)の 細 孔 を も ち 、 こ れ ら が 交 差 し て2次 元 細 孔 を 形 成 す る 。8員 環 細 孔 は 途 中 で か な り歪 ん で お

り通 常 は12員 環 の1次 元 細 孔 と考 え た ほ うが 良 い 。

4‑1‑4カ ラ メ ル 色 素

清 涼 飲 料 水 に は糖 類 な どの 多 種 な物 質 が 含 ま れ て お り、 そ の うち の 一 つ に カ ラ メル 色 素 が 挙 げ られ る。 カ ラ メル 色 素 は清 涼 飲 料 水 の ほ か に も 醤 油 や ソ ー ス な ど 日常 的 に摂 取 す る 食 料 品 に使 用 され て い る 。 カ ラ メ ル 色 素 は 多 様 な化 合 物 、 複 雑 な 反 応 段 階 を通 じて 生 成 さ れ る物 質 で あ り、 大 き く分 け て 下 記 に 示 す よ うな4種 類 に 分 類 され る。

カ ラ メ ル 色 素1糖 類

カ ラ メ ル 色 素II糖 類+亜 硫 酸 塩 カ ラ メ ル 色 素 皿 糖 類+ア ン モ ニ ウ ム塩

カ ラ メ ル 色 素IV糖 類+ア ン モ ニ ウ ム塩+亜 硫 酸 塩

カ ラ メ ル 色 素1は 糖 類 を 加 熱 し て 作 る 方 法 で あ り、 昔 か ら 用 い ら れ て い る 安 全 な 製 造 方 法 で あ る が 製 造 コ ス トが 高 い と い う欠 点 が あ る 。 カ ラ メ ル 色 素IIは 糖 類 に 亜 硫 酸 塩 を 加 え 加 熱 し て 作 る が 、 日 本 国 内 で は 使 用 が 禁 止 され て い る 。 そ の た め 日本 国 内 で 使 用 さ れ て い る も の の 大 半 が カ ラ メ ル 色 素 皿 ま た はIVで あ り、 こ れ ら は 糖 類 と ア ン モ ニ ウ ム 塩 の 反 応 に よ っ て 生 成 さ れ る が 、 そ の 際 に 副 生 成 物 と し て4一 メ チ ル イ ミ ダ ゾ ー ル(4‑MI)が 生 成 さ れ 、 こ の 物 質 は 発 が ん 性 が 疑 わ れ て い る 。

4‑MIの 危 険 性 に つ い て は 議 論 さ れ て お り、WHO(WorldHealthOrganization)に よ る と 体 重1kgあ た り250mgま で の 摂 取 は 問 題 な い と 報 告 され て い る 。 し か し そ の 一 方 で カ リ フ ォ ル ニ ア 州 の 研 究 結 果 に よ る と 体 重70kgの 人 の 場 合 健 康 に 害 を 及 ぼ さ な い 一 日 あ た り の 摂 取 量 は29pgと 報 告 さ れ て お り、 カ リ フ ォ ル ニ ア 州 で は29pg以 上 の4‑MIが 含 ま れ る 製 品 に つ い て は 表 示 を 義 務 化 し て い る 。

カ ラ メ ル 色 素 お よ び4‑MIを 多 く含 む 食 品 と し て コ ー ラ が 挙 げ ら れ る が 、 ア メ リ カ の 公 益 科 学 セ ン タ ー(CenterforScienceinthePublicInterest)が 各 国 や 地 域 で 販 売 さ れ て い る コ カ ・コ ー ラ に お け る4‑MIの 含 有 量 の 調 査 結 果 を 報 告 し た 。 そ の 結 果 を 以 下 の 表4‑1に 示 す 。

表4‑1.コ カ ・ コ ー ラ355mL中 の4‑MI含 有 量(pg)[3]

ブ ラ ジル 267

ケ ニ ア ¹⁷⁷

カ ナ ダ 160

イ ギ リ ス 155

メ キ シ コ 147

ワ シ ン ト ンD.C. 144

日本 72

中国 ⁵⁶

カ リ フ ォ ル ニ ア 4

本 研 究 で は 日本 国 内 で販 売 され て い る コカ ・コー ラ を 対 象 に定 量 実 験 を行 っ た 。 4‑2 検量線の作成

4‑MIの 定 量 を 行 うに あ た り4‑MIと 構 造 が似 て お り、 脱 離 イ オ ン 化 効 率 が ほ ぼ 等 しい と 思 わ れ る2一エ チ ル イ ミダ ゾ ー ル(2‑EI)を 内 標 準 物 質 と し て用 い て 、 そ れ ら の 重 量 比 とプ ロ トン 付 加 体 の ピー ク強 度 比 を も とに 検 量 線 を 作 成 した 。

4‑2‑1試 料 調 製 お よび 実 験 条 件

ま ず1mg/mLの4‑MI溶 液 と2‑EI溶 液(溶 媒 は 水)を そ れ ぞ れ 作 製 し、 そ れ を 以 下 の 表 の 割 合 で ス テ ン レス 基 板 上 に滴 下 し、 溶 媒 を 揮 発 させ 、 さ ま ざ ま な 重 量 比 の サ ン プル 結 晶 を作 製 した 。

表4‑2.4‑MIと2‑EIの 重 量 比 と そ れ ぞ れ の 溶 液 の 滴 下 量

4‑MI:2‑EI(重 量 比) 4‑MI溶 液 の 滴 下 量 2‑EI溶 液 の 滴 下 量

0.25:1 0.25pL 1pL

0.5:1 0.5P.L 1P.L

1:1 1pL 1pL

2:1 2pL 1P.L

4:1 4pL 1pL

次 に 酸 化 鉄(皿)とZSM‑5型 の ゼ オ ラ イ トを2対1の 重 量 比 で 量 り と り 、 そ れ ら を 乳 鉢 に て30秒 混 合 し た 。 酸 化 鉄(皿)が4mg/mLに な る よ う混 合 マ ト リ ク ス 溶 液(溶 媒 は エ タ ノ ー ル:水=4:1(v/v))を 作 製 し 、 そ れ を ス テ ン レ ス 基 板 上 に1pL滴 下 し 、 溶 媒 を 揮 発 さ せ 、 混 合 結 品 を 作 製 し た 。

こ れ をBruker社 製autoflex‑05Sに 導 入 し 測 定 を 行 っ た 。 ま た 上 記 の 重 量 比 ご と に3ス ポ ッ ト作 製 し 、1ス ポ ッ トあ た り3回 ず つ 測 定 を 行 っ た 。 測 定 条 件 は 以 下 に 示 す 。 測 定 条 件

レ ー ザ ー 波 長337nm レ ー ザ ー パ ワ ー39pJ 積 算 回 数200shots

4‑2‑2結 果

各 重 量 比 に お け る ゼ オ ラ イ トを 用 い た 場 合 の ピ ー ク 強 度 比 、 標 準 偏 差(Standard

Deviation,SD)、 相 対 標 準 偏 差(RelativeStandardDeviation,RSD)を 以 下 の 表4‑3か ら表 4‑7に 示 す 。 こ こ で の ピ ー ク 強 度 比 は4‑MIと2‑EIそ れ ぞ れ の プ ロ ト ン 付 加 体 に お け る ピ ー ク 強 度 の 比 を と っ た も の([4‑MI+H]+/[2‑EI+H]+)を 示 す。 ま た 表4‑8に ゼ オ ラ イ トを 用 い た 場 合 と用 い な か っ た 場 合 のRSDの 変 化 を 示 す 。

表4‑3.4‑MI:2‑EI=0.25:1(重 量 比)の 結 果 spot1

0.2415

spot2 0.2160

spot3 0.2667