臭い嗅ぎ機能付きガスクロマトグラフ質量分析計を用いた臭気原因物質の特定手法

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(1)第89巻第６号（第 1029 号）. 臭い嗅ぎ機能付きガスクロマトグラフ質量分析計を用いた臭気原因物質の特定手法 . 森内、市川、橘高大瀬、吉澤、宮川. 「技術メモ」. 臭い嗅ぎ機能付きガスクロマトグラフ質量分析計を用いた臭気原因物質の特定手法森内裕香. 市川豊. 橘高雷太. 大瀬俊之. 吉澤健一. 宮川修. 東京都水道局研修・開発センター開発課. 東京都水道局朝霞浄水管理事務所三園浄水場. 東京都水道局多摩水道改革推進本部調整部水質管理担当課長. 東京都水道局東村山浄水管理事務所玉川浄水場. 東京都水道局水質センター検査課. 東京都水道局水質センター検査課長. 要旨：東京都水道局では、水道水の臭気異常への対応力強化を目的として、臭い嗅ぎ機能付きガスクロマトグラフ質量分析計を導入し、臭気原因物質の特定手法の開発を目指している。手法開発の手始めとして、当局において過去に甚大な被害を受けた玉ねぎ腐敗臭の原因物質をターゲットとして、分析条件の検討、MS スペクトルによる構造解析を踏まえ、原因物質の特定に至る手法を明らかにした。キーワード：臭気物質、ガスクロマトグラフ質量分析計（GC/MS）、塩素消毒分類項目：機器分析（120205）、消毒副生成物（121003）. 1. はじめに. 出口に分岐装置を有し、カラム分離後の試料が. 東京都水道局では、従来から実施している水源から蛇口までの水質管理に加え、近年のライフス. MS 部と臭い嗅ぎポート部の２方向へ分岐されることで、目的とする化合物の MS スペクトルと人. タイル変化に伴う水道水質に対するお客さまニー. の鼻で嗅いだ臭気情報が同時に取得できる装置で. ズの高まりに応えるため、平成16年度に、カルキ. ある（図 -1、図 -2）。このため、実際に臭気を感. 臭の指標の残留塩素、トリクロラミン、かび臭原因物質、有機物等８項目について、国が定めた水質基準より高いレベルで、「おいしさに関する水. 知した時の MS スペクトルから化合物を探索する. ことができ、通常の臭い嗅ぎがない GC/MS より. も効率良く臭気原因物質の特定が可能となる。. 質目標値」を独自に設定している１）。当局はこうした取り組みにより安全でおいしい水の供給に努めてきているところであるが、お客さまからの水道水の臭気に関する問い合わせは少なくない。また、臭気に係る水質事故の発生も危惧され、水道水の臭気への対策の強化が必要である。このため、当局では、臭い嗅ぎ機能付きガスクロマトグラフ質量分析計（以下「Sniffing-GC/MS」という。）を導入し、臭気原因物質の特定手法の開発を進めている。本機器は、GC 分析カラムの（） 11. 図 -1 Sniffing-GC/MS.

(2) 第89巻第６号（第 1029 号）. 水道協会雑誌. 令和２．6. 表 -1 分析機器の測定条件 Sniffing-GC/MS 臭い嗅ぎ部 GC. 図 -2 Sniffing-GC/MS 概略図. Gerstel ODP3. GC-MS/MS −. Agilent 7890B GC System. 試料導入方法. 液体注入. インサートライナー. Restek sky ライナーシングルグースネックライナー. 注入モード. パルスドスプリットレス. 注入量. 0.5μL. 注入口温度. 40℃. パルス圧. 75psi, 0.5分. カラム. Agilent HP-5ms UI. オーブン. 40℃（3.5分） → 10℃ / 分 → 160℃（０分） → 20℃ / 分 → 280℃（５分）. MS. Agilent 5977A MSD. Agilent 7010 GC/MS Triple Quad. が経っているにも係らず未だに臭気原因化合物と. イオン源温度. 230℃. 320℃. して特定されていないため選定した。. イオン化法. EI+. イオン化電源. 70eV. ペクトルによる構造解析など臭気原因物質の特定. インターフェース温度. 250℃. 手法を明らかにし、シクロヘキシルアミンの塩素反応によって生成する玉ねぎ腐敗臭物質は、N, N-. 測定モード. スキャン（33−350）. 図 -3 玉ねぎ腐敗臭化合物の生成. Sniffing-GC/MS を活用した臭気原因物質の特. 定手法の開発に向け、まず、過去に当局や周辺の水道事業体に甚大な被害をもたらした異臭事故であるシクロヘキシルアミンの塩素処理により発生する玉ねぎ腐敗臭の原因物質をターゲットにし. た２−６）（図 -3）。この物質は、出発化合物が分かっているため検討しやすく、事故発生から長い時間. Sniffing-GC/MS 等を用いた分析の結果、MS ス. ジクロロシクロヘキシルアミンであることを特定した。. また、N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンで. 分解性及び残留塩素除去操作に留意しないと、無臭の化合物に分解してしまうことが明らかになったので報告する。. 左と同一. オートサンプラー付7890B GC システム）を使用した。それぞれの分析機器の測定条件は表 -1に示した。 2.2 試薬. あることを特定するにあたり、分析条件として、注入口条件及び分析カラムの分岐装置並びに水中. 左と同一. シクロヘキシルアミン（特級）及びシクロヘキ. シル -d11- アミン（98 atom％ D）は関東化学社製. を使用した。N- クロロシクロヘキサンイミン（98.6％ GC）及び N, N- ジクロロシクロヘキシルアミン（98.8％ GC）の標準品は、国内の試薬メー. 2. 調査方法 2.1 分析機器. カーでの通常販売がなかったため、和光純薬工業. シクロヘキシルアミン塩素反応生成物及び標. （現：富士フイルム和光純薬）へ委託合成するこ. 準品の分析は、Sniffing-GC/MS（Gerstel 社製臭い. とにより入手した。次亜塩素酸ナトリウム溶液. 嗅ぎシステム ODP3及び Agilent 社製 7890B GC、 5977A MSD）及び GC-MS/MS（Agilent 社製 PAL3. （有効塩素5.0％以上）は関東化学社製を使用した。メタノール（LC/MS 用）及びジクロロメタン（残. （） 12.

(3) 第89巻第６号（第 1029 号）. 臭い嗅ぎ機能付きガスクロマトグラフ質量分析計を用いた臭気原因物質の特定手法 . 森内、市川、橘高大瀬、吉澤、宮川. 留農薬・PCB 試験用）は和光純薬工業（現：富士フイルム和光純薬）社製を使用した。超純水は、 Milli-Q Integral 5で製造したものを使用した。. シクロヘキシルアミン、シクロヘキシル -d11アミン、N- クロロシクロヘキサンイミン及び N,. N- ジクロロシクロヘキシルアミンは、1,000mg/L のメタノール溶液を調製し、各実験の目的の濃度となるように添加して使用した。 2.3 分析方法. 図 -4 シクロヘキシルアミン塩素反応生成物の TIC. 2.3.1 臭気原因物質の構造の推定玉ねぎ腐敗臭原因物質は、シクロヘキシルアミン20mg/L、次亜塩素酸ナトリウム50mg/L となるように調整した溶液を１時間静置し発生させた。この水溶液10mL をジクロロメタン４mL で抽出した後、無水硫酸ナトリウムで脱水し、GCMS/MS 及び Sniffing-GC/MS で分析した。. 塩素置換部位を特定するため、基本骨格である. シクロヘキシル環が重水素化されたシクロヘキシ. ル -d11- アミンを用い、上記と同様の操作を行い、. 得られた MS スペクトルを比較することで、塩素. 化された部位を含め、反応生成物の構造を推定した。 2.3.2 臭気原因物質の特定 2.3.1で玉ねぎ腐敗臭原因物質として推定された化合物について標準品を入手し、官能試験法による臭気確認及び GC-MS/MS、Sniffing-GC/MS の分析を行った。. 標準溶液は1,000mg/L メタノール溶液として調製した。官能試験法による臭気確認には、１mg/L となるよう標準溶液を超純水で希釈したものを使. 図 -5 シクロヘキシルアミン塩素反応生成物の MS スペクトル. 標準溶液をジクロロメタンで希釈して100mg/L. 相対強度比９：６：１で検出された（図 -5）。. 用し、GC-MS/MS 及び Sniffing-GC/MS 分析には、としたものを使用した。. 塩素の同位体存在比から、化合物 A は分子内. に塩素原子が１つ、化合物 B は塩素原子が分子. 3. 結果及び考察 3.1 臭気原因物質の構造の推定. 玉ねぎ腐敗臭原因物質を GC-MS/MS で分析し、. 得られた TIC を図 -4に示す。保持時間が早い順. に化合物 A 及び B が検出された。これらの化合. 物は、高質量側に検出されるピークに特徴的な同位体ピークを有し、化合物 A は m/z＝131に対し. て＋２の133に相対強度比３：１で、化合物 B は m/z＝167に対して＋２の169及び＋４である171に. 内に２つ存在することが示唆された。さらに、シ. クロヘキシルアミンの分子量（C6H13N＝99）から、. それぞれの化合物の組成式は、化合物 A が. C6H10ClN、化合物 B が C6H11Cl2N であると推定された。. このとき、Sniffing-GC/MS 分析の結果、それ. ぞれの化合物の臭気は、化合物 A がジクロロエタン様の溶剤臭、化合物 B が玉ねぎ腐敗臭であっ. （） 13.

(4) 第89巻第６号（第 1029 号）. 水道協会雑誌. た。続いて、基本構造を推定するため不飽和度を計算した。それぞれの化合物の組成式から不飽和度を計算すると、反応前のシクロヘキシルアミンは環状構造を示す１、反応生成物である化合物 A. は環状構造と二重結合を示す２、化合物 B は環. 令和２．6. が、化合物 A は化合物 A と比較して10、化合物 B は化合物 B と比較して11増加していた。この. 結果から、化合物 A はシクロヘキシル環の重水素が１つ脱離し、化合物 B はシクロヘキシル環. の全ての重水素が保持されていると考えられた。. 以上の結果から、化合物 A 及び B の塩素置換. はシクロヘキシル環様構造にイミン結合を有する. 位置はアミン水素であり、化合物 A がイミン結合を持つことが示唆され、化合物 A は N- クロロ. 持つ可能性が考えられた。. ロシクロヘキシルアミンであると推定された。. 状構造を示す１となった。この結果、化合物 A. 可能性が、化合物 B はシクロヘキシル環構造を. シクロヘキサンイミン、化合物 B は N, N- ジクロ 3.2 臭気原因物質の特定. 次に、塩素置換部位を特定するため、基本構造であるシクロヘキシル環が重水素化されたシクロ. 3.1で推定した化合物を確定するため、標準品. ヘキシル -d11- アミンを用い分析を行った。得ら. を入手し GC-MS/MS で分析を行った。得られた. MS スペクトルを図 -6に示す。. に示す。分析の結果、シクロヘキシルアミン塩素. れた塩素反応生成物の GC-MS/MS 分析による. TIC 及び MS スペクトルをそれぞれ図 -7、図 -8. れば、シクロヘキシル環上の重水素11個分の11、. 反応生成物中の化合物 A はジクロロエタン様の溶剤臭である N- クロロシクロヘキサンイミン、. シクロヘキシル環の１か所から脱離があれば重水素10個分の10増加した m/z が検出されると考えら. B は玉ねぎ腐敗臭である N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンであることが判明した（表 -2）。. 高質量側に検出されたピークとその同位体ピーク. ヘキサンイミン標準品がジクロロエタン様の溶剤臭、N, N- ジクロロシクロヘキシルアミン標準品. 塩素反応後もシクロヘキシル環構造が保持され. Sniffing-GC/MS での臭気は、N- クロロシクロ. れる。図 -5と比較すると、それぞれの化合物の. が玉ねぎ腐敗臭であり、それぞれの標準品の. Sniffing-GC/MS における臭気は水溶液の臭気と. 図 -6 シクロヘキシル -d11- アミン塩素反応生成物の MS スペクトル. 図 -7 N- クロロシクロヘキサンイミン標準品の TIC 及び MS スペクトル. （） 14.

(5) 第89巻第６号（第 1029 号）. 臭い嗅ぎ機能付きガスクロマトグラフ質量分析計を用いた臭気原因物質の特定手法 . 森内、市川、橘高大瀬、吉澤、宮川. 留意しないと、分解してしまうことが明らかになった。 3.3.1 注入口条件注入口での N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンの分解は、不活性でない注入口部品やインサートライナーにウールを使用した場合、注入口温度が高い場合、サンプル注入速度が遅い場合に起こった。特に、インサートライナー底部にウールが入っている場合に分解しやすかった。底部にウールが入ったインサートライナーを用い、注入口温度180℃、スプリットレスモードの SniffingGC/MS で N, N- ジクロロシクロヘキシルアミン. 標準品を測定したとき、N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンは不検出となるまで分解し、化合物 C 及び N- クロロシクロヘキサンイミンが検出された（図 -9参照。GC 流量設定が異なるため図 -4 図 -8 N, N- ジクロロシクロヘキシルアミン標準品の TIC 及び MS スペクトル表 -2 シクロヘキシルアミンの塩素反応生成物として同定された化合物. 一致していた。以上の結果より、シクロヘキシルアミン塩素化反応生成物中の玉ねぎ腐敗臭は N, N- ジクロロシ. の保持時間とは一致しない。それ以外の測定条件は表 -1と同じ）。. 化合物 C は、N- クロロシクロヘキサンイミン及び N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンよりもさらに早い保持時間に検出され、MS スペクトルから N- クロロシクロヘキシルアミン（C6H12ClN）. 図 -9 N, N- ジクロロシクロヘキシルアミン標準品の注入口分解生成物（TIC）. クロヘキシルアミンによるものであることが示された。 3.3 臭気原因物質の特定における分析条件の留意点分析条件の検討過程で、N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンであることを特定するにあたり、分析条件として、Sniffing-GC/MS の注入口条件及び分岐装置、並びに N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンの水中分解性及び残留塩素除去操作に（） 15. 図 -10 化合物 C の MS スペクトル.

(6) 第89巻第６号（第 1029 号）. 水道協会雑誌. 令和２．6. と推定された（図 -10）。この化合物 C は SniffingGC/MS 分析で臭気が感じられなかったことから、無臭である可能性がある。. 続いて、注入口温度の影響を検証した。本調査. で使用した Sniffing-GC/MS には、加熱脱着装置. が付いた注入口がある。この装置では、SBSE（スターバー抽出）法で前処理を行ったツイスターを直接注入口へ挿入し、加熱脱着することができる。この装置を使用して、シクロヘキシルアミン塩素反応溶液を分析した場合、加熱脱着温度が低. 図 -11 N, N- ジクロロシクロヘキシルアミン標準品の金属表面での分解（抽出イオンクロマトグラム）. 温と高温の場合では検出される化合物が異なった。160℃では N, N- ジクロロシクロヘキシルアミン、N- クロロシクロヘキシルアミン及び N- ク. ロロシクロヘキサンイミンが検出されるのに対して、260℃では160℃で検出されていた３化合物のうち２化合物は分解し、N- クロロシクロヘキサンイミンのみとなり、他にシクロヘキサノン等のシクロヘキシル環を持つ化合物が多数検出された。. 図 -12 化合物 D の MS スペクトル. この結果、図 -9のように注入口条件によっては N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンが全く検. 半分にあたる m/z＝96に相対強度が強いピークが. 出されなくなるまで分解してしまうこと、さら. あることから、シクロヘキシルアミンの基本構造. に、注入口温度を高くしていくと、分解生成物である化合物 C も分解して N- クロロシクロヘキサ. 基本骨格を確認するため、シクロヘキシル環が重. ンイミンとなることがわかった。. 3.3.2 Sniffing-GC/MS の分岐装置. 次に Sniffing-GC/MS の分岐装置が N, N- ジク. を２つ有する可能性が考えられた。さらに D の水素化されたシクロヘキシル -d11- アミンを用い. て、同様に塩素反応による分解生成物を分析した。. ロロシクロヘキシルアミン（標準品）の分解に及. シクロヘキシル環構造が保持されれば、シクロ. ぼす影響を調査した結果、分岐装置内金属製流路. ヘキシルアミンの場合、シクロヘキシル環１つに. が長いものほど分解生成物の割合が高いことがわ. 対して環上の重水素11個分の11、シクロヘキシル. かった。このとき分解生成物として化合物 D が検出された。この分解生成物 D は、N, N- ジクロ. ロシクロヘキシルアミンとほぼ同じ保持時間に検出されるため、N, N- ジクロロシクロヘキシルア. 環が２つであれば、環上の重水素22個分の22増加した m/z が検出される。分析の結果、高質量側に検出されたピークは D. ミンに対する D の生成量が多い場合は臭気を感. の m/z＝192に対してシクロヘキシル -d11- アミンの塩素反応による分解生成物では20増加した m/z. クロヘキシルアミンは m/z＝167、D は m/z＝192. 後もシクロヘキシル環の基本骨格は保持するが、. のイオンをそれぞれ抽出））。. 一部は二重結合化したシクロヘキサンイミン様の. じることができなかった（例として抽出イオンクロマトグラムを図 -11に示す（N, N- ジクロロシ. ここで、分解生成物 D の MS スペクトルを図 -12に示す。D は、高質量側に検出された m/z＝ 192のピークを分子イオンピークとすると、192の. ＝212となった。. 以上を考慮すると、分解生成物 D は塩素反応. 構造を持ち、さらにそれらが２量体のような結合構造を有する、図 -13に示すシクロヘキサノンア. ジン（C12H20N2、分子量192）のような構造を有す. （） 16.

(7) 第89巻第６号（第 1029 号）. 臭い嗅ぎ機能付きガスクロマトグラフ質量分析計を用いた臭気原因物質の特定手法 . 森内、市川、橘高大瀬、吉澤、宮川. クロロアミン構造を持つ化合物は、同様の性質を持つと考えられ、本調査で使用した分析条件や対処方法を適用できる可能性がある。 4. まとめ臭気原因物質特定手法の確立を目指し、玉ねぎ. 図 -13 シクロヘキサノンアジン. 腐敗臭原因物質をターゲットとして調査を行った。その結果、MS スペクトル等を用いた構造解. る可能性が考えられた。 3.3.3 水中分解性及び残留塩素除去操作による消失 N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンの性質として水中分解性及び残留塩素除去操作による消失. が挙げられる。水中では HCl 脱離により分解す. ることが報告されているが、本調査でも、７）. 20mg/L となるようにリン酸緩衝液（pH 7）で調整した N, N- ジクロロシクロヘキシルアミン溶液において、１時間静置後、N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンに加えて N- クロロシクロヘキサンイミンのピークが生じた。このとき、官能試験による水溶液の臭気は玉ねぎ腐敗臭のままであり、N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンの一部が水中で分解したと考えられた。. 析手法に関する知見を得た。. また、Sniffing-GC/MS 及び GC-MS/MS を用いた構造解析の結果、原因物質は N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンであることを特定した。さらに、この特定の過程における分析条件の留意点についても明らかにした。参考文献 1）東京都水道局 HP、おいしさに関する水質目標. https://www.waterworks.metro.tokyo.jp/suigen/s_mokuhyo. html. 2）東京都水道局、昭和45年度水質年報１-２、pp.373-377、 pp.383-385、1970 3）東京都水道局、利根川系水道水臭気発生事故報告．東京都水道局調査資料 No.32、pp.１-15、1972. 残留塩素除去操作による消失は、過剰量のアスコルビン酸ナトリウムまたはチオ硫酸ナトリウム添加によって確認され、数分程度で玉ねぎ腐敗臭は消失し、水溶液の臭気はジクロロエタン様の溶剤臭へ変化した。この溶液をさらに１時間静置し、GC-MS で分析した結果、N, N- ジクロロシク. 4）東京都水道局、昭和54年度水質年報、pp.328-329、1979 5）東京都水道局、昭和58年度水質年報、pp.354-355、pp.509517、1983 6）加藤龍夫、石黒智彦、朝霞浄水場異臭水の原因解明：環境研究における GC-MS 適用事例、横浜国立大学環境科学研究センター紀要、4（1）、pp.13-23、1978 7）Zoltan Takats, Kimberly. J. Koch and R. Graham Cooks; Organic chloramine analysis and free chlorine quantification by electro-. ロヘキシルアミンのピークは消失し、N- クロロ. spray and atmospheric pressure chemical ionization tandem mass. シクロヘキサンイミン及びシクロヘキサノンのピークが検出された。 N, N- ジクロロシクロヘキシルアミンと同様に. （） 17. spectrometry. Anal. Chem., 73, pp.4522-4529, 2001. . （令和元年６月24日受付）.

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