Agilent 7700 ICP-MSとMS用多変量解析 ソフトウェア Mass Profiler

Agilent 7700 ICP-MS と MS 用多変量解析
ソフトウェア Mass Profiler Professional
を利用した、貯蔵温度および容器に起因
するワイン中微量金属成分の分析
アプリケーションノート
食品安全
著者
概要
Helene Hopfer and Susan E. Ebeler
ICP-MS は、ワインに含まれる 20 種類以上の微量金属の分析が可能で、容器および貯蔵
Department of Viticulture and Enology
の条件が及ぼす影響を検証することができます。容器や貯蔵の条件の違いにより、5 種
University of California-Davis
類の微量金属元素について検出下限 (LOD) が 0.001 から 0.044 ug/L、定量下限 (LOQ) が
Davis, CA
USA
Jenny Nelson
Agilent Technologies, Inc.
5301 Stevens Creek Blvd.
Santa Clara, CA
USA
0.003 から 0.057 ug/L の違いが見られました。これらの値は、容器のタイプ (バッグイン
ボックスとコルクまたはスクリューキャップで密閉されたボトル) による金属成分の違い
で、大きな差が出ることが分かりました。
はじめに
実験手法
ワインの金属成分は、原料のぶどうや、ぶどう栽培およびワイン
化学物質および標準試料
醸造により取り込まれます (参考文献 1)。現在行われている研究
全ての溶液は、Milli-Q (Millipore) を用いて抵抗 >18 MΩ•cm で調
のほとんどは、ワインの原産地域特定のための元素のプロファイ
製しました。
リングに焦点が当てられています。しかし、以前の研究では、ぶ
どう畑の土壌の微量元素のプロファイルと、その土壌で栽培さ
薬品/標準溶液
購入先
れたぶどうから作られたワインとの相互関係は乏しく、ワイン製
高純度硝酸
Fisher Scientific
造および貯蔵の過程の中で何らかの変化が起きていることが考え
Claritas PPT グレード内部標準溶液 Mix 1
SPEX CentriPrep
られます (参考文献 2)。
Claritas PPT Grade マルチエレメント
検量線標準液、溶液 2A および 3
SPEX CentriPrep
エタノール、200プルーフ
GoldShield
これは、ワイン製造の過程において、ぶどうがステンレスやオー
ク材、ガラスなど他のものと接触するためであり、特別に驚くこ
とではありません。また、希土類元素は、ガラスのボトル、樽、
ステンレスタンクの違いにより濃度が異なることが分かっていま
測定条件
す (参考文献 3)。しかし、いずれの文献にも貯蔵の条件の詳細に
本研究は Agilent 7700x ICP-MS を用いて測定を行いました。装置
ついては明記されていません (ガラスボトルの種類、樽の古さや
の設定条件を表 1 に示します。
種類、洗浄方法など)。上記の結果は、貯蔵の違いによるワイン
含有元素のプロファイルを示唆しています。
表 1. ICP-MS 装置パラメータ条件
また、これら以外の要素もワイン中微量元素のプロファイルに影
RF 出力
1550W
響する可能性があります。本アプリケーションノートでは、ワイ
キャリアガス流量
1.03 L/min
1.1 L/min
ンの容器および貯蔵温度が赤ワインの含有元素プロファイルに及
ネブライザガス流量
ぼす影響について検証します [1]。ICP-MS を用い、20 以上の微
ネブライザタイプ
マイクロミスト
量金属元素を定量しました。Mass Profiler Professional ソフトウ
サンプリング深さ
10 mm
エアを用い、微量元素の統計解析を行い、容器と貯蔵条件の違
スプレーチャンバ温度
2 °C
いによるマッピングを試みました。結果では、ワインの貯蔵温度
は容器の種類に比べさほど影響はなく、スクリューキャップで密
ORS3 コリジョンセルガス流量 (He) 4.3 mL/min、
75As および 78Se では 10 mL/min
栓されたワインには、スズが多く検出されました。
定量された同位体
51V、52Cr、55Mn、56Fe、57Fe、58Ni、
59Co、60Ni、63Cu、66Zn、75As、78Se、
111Cd、117Sn、118Sn、119Sn、120Sn、
133Cs、205Tl、208Pb
Sweep 回数/繰り返し
2
100、3 回繰り返し
サンプル
サンプル前処理
市販のカリフォルニアセントラルコースト産の 2009 年カベルネ・
ワインサンプルは参考文献 [1] で紹介された手順に沿って準備し
ソーヴィニヨンを 12 種類の測定に用いました。以下の通り、
ました。1 % 硝酸にて 1:3 に希釈し、エタノール濃度を 4 % まで
10 °C、20 °C、40 °C と 3 種類の貯蔵温度と 4 種類の容器タイプ
抑えました。ワインは密栓されたものから直接採取され、揺れに
を検証しました。
よってワインが密栓に触れないように注意しました。
1. 0.75 L グリーンガラスボトルに天然コルクで密閉したもの
(24 × 49 mm AC-1 グレード、ACI コルク、フェアフィールド、
CA)
データ測定
2. 0.75 L グリーンガラスボトルにスクリューキャップで密閉し
たもの (アルミ Stelvin キャップ 30 × 60 mm、Federfin Tech
S.R.L.、トロレッモ、イタリア、28.6 × 2 mm スズ- ポリ塩化
ビニリデン (PVDC) ライナー、Oenosea､シャゼ､フランス)
ヒートマップ分析を含む統計解析を行いました。
Agilent MassHunter ソフトウエアを用いてデータ測定を行い、
Mass Profiler Professional ソフトウエアにて主成分分析 (PCA) と
3. バッグインボックス (3 L DuraShield 34ES、Scholle
Packaging、ノースレーク、IL)
全てのサンプルを 6 か月間、直立の状態で貯蔵しました。図 1 に
使用したサンプルをまとめます。
6 ヶ月貯蔵
スクリューキャップで密栓されたボトル
(ハイフィルレベル)
スクリューキャップで密栓されたボトル
(ローフィルレベル)
天然コルクで密栓されたボトル
(AC-1 グレード)
10 °
C で保存
20 °
C で保存
40 °
C で保存
3 L バッグインボックス
図 1. サンプルと貯蔵温度
3
結果と考察
内部標準溶液を 1 % 硝酸にて 1 μg/L に希釈し、T コネクタにて
接続してサンプルと同時にネブライザに注入しました。内部標準
溶液には 6Li、 45Sc、 72Ge、 89Y、 115In、 159Tb、 209Bi の元素が含
微量元素の定性と定量
まれていました。７ つのサンプルブランクを分析し、IUPAC に定
測定された元素は全て 0.1 から 500 μg/L の 5 点濃度のマトリク
められている手順に従って検出限界 (LOD) と定量下限 (LOQ) を算
スマッチ溶液 (1 % HNO3 および 4 % エタノール) で作成した検量
線から定量されました。図 2
に検量線の例を示します。R2
出しました。LOD および LOQ、検出下限 (DL) を表 2 に示します。
(相関
係数) は 0.999 以上でした。ワインは 3 回繰り返して分析され、
0.5、1、10 μg/L の範囲でスズ (Sn) をスパイク添加したワインサ
ンプルも品質管理用サンプル (QC サンプル) としてシーケンスに
追加しました。
51
V [He] ISTD:45Sc [He]
×101 y = 0.0428*x + 3.6717E-004
3 R = 1.0000
DL = 0.00367 ppb
BEC = 0.00657 ppb
Cr [He] ISTD:45Sc [He]
y = 0.0559*x + 0.0115
3 R = 1.0000
DL = 0.03619 ppb
BEC = 0.206 ppb
51
V
118
Sn [He] ISTD:115In [He]
y = 0.042*x + 7.4020E-004
3 R = 1.0000
DL = 0.02657 ppb
BEC = 0.1763 ppb
×101
52
Cr
1
200
400
濃度 (ppb)
0
600
63
Cu [He] ISTD:45Sc [He]
y = 0.0785*x + 0.0968
3 R = 1.0000
DL = 0.02675 ppb
BEC = 1.259 ppb
400
600
400
600
濃度 (ppb)
×101
63
208
Cu
Pb
比
比
2
200
208
Pb [He] ISTD:209Bi [He]
y = 0.0158*x + 0.0012
R = 1.0000
1 DL = 0.005502 ppb
BEC = 0.07546 ppb
×101
0.5
1
0
200
400
濃度 (ppb)
600
Sn
1
1
0
118
比
2
比
2
比
2
52
×101
0
200
濃度 (ppb)
図 2. 5 元素の 0.1〜500 μg/L の濃度範囲の検量線 (n = 3)。
4
0
200
400
濃度 (ppb)
600
表 2. 5 元素の検出下限 (LOD)、定量下限 (LOQ)、検出限界(DL)。単位は µg/L (n = 7)。
51V
52Cr
63Cu
118Sn
208Pb
LOD* 0.001
0.007
0.044
0.018
0.001
LOQ† 0.003
0.023
0.14
0.057
0.003
DL‡
0.036
0.027
0.027
0.006
0.004
* LOD = 3.14*sd (標準偏差)
† LOQ = 10*sd
‡ DL は Agilent ICP-MS MassHunter Workstation ソフトウエア (v. A.01.02) により
算出された値です。
容器および貯蔵温度による微量元素濃度の違い
スクリューキャップで密閉されたサンプルのみ Sn のレベルの上
昇が見られました。これは、スズがスズ-PVDC ライナーから貯蔵
表 3 にある通り、V、Cr、Pb、Cu、Sn の 5 種類の元素は、容器
されているワインに浸透したためだと考えられます。これは、暖
と貯蔵温度により大きな違いがでました。バックインボックス
められた際に起こる体積膨張のためにライナーにワインが接触し
は、一番低い微量元素濃度を示しました。ボトルサンプルでは、
てしまうためと考えられ、この効果は貯蔵温度が 40 ºC の時に顕
バッグインボックスサンプルよりクロムの濃度が高く、これは、
著に見られました。低温で貯蔵されたワインでは、ライナーにワ
サンプルがボトルに移し替えられる前に 2 日間ステンレスのボト
インが触れないため、Sn がどのようにして浸透するかは定かで
ルに保管されていたためだと考えられます。
はありません。
Sn のレベルは、高温でスクリューキャップで密閉されたボトル
で高く、V と Cu のレベルは温度が上がるほど減少しました。Cu
容器タイプと貯蔵温度による Pb レベルの違いが見られ、特にハ
イフィルスクリューキャップにて 10 ºC で保管した際は高いレベ
のレベルの減少は、天然コルクとバックインボックスの場合にも
ルとなりました (表 3)。これらの違いは容器タイプの違いと、温
見られました。ハイフィルとスクリューキャップで密閉されたボ
度変化による金属錯体形成によるものと見られます。
トルサンプルでは、V、Cu および Sn が全ての貯蔵温度について
高い濃度となりました。全ての元素はそれぞれの規制値を下
回っていました。
表 3. 容器のタイプおよび温度により元素の濃度が大きく異なる (p〜0.05)。
51V
52Cr
63Cu
118Sn
208Pb
10 °C
14.8
14.1
21.1
0.1
4.3
20 °C
15.4
14.7
22
0.0
4.5
40 °C
13.9
14.1
11
0.0
4.6
10 °C
15.5
22
84.1
0.8
5.4
20 °C
15.6
22.3
59.8
0.6
5.2
40 °C
13.1
18.4
28.5
0.4
4.5
ローフィルスクリューキャップ 10 °C
15.5
22.7
41.5
6.0
5.1
20 °C
15.7
23
50.5
8.7
5.5
バッグインボックス
天然コルク
40 °C
15.3
22.7
33.8
12.3
5
ハイフィルスクリューキャップ 10 °C
34.7
22.9
152.7
6.3
8.8
20 °C
22.1
22.1
68.7
8.3
6.5
40 °C
20.4
22.5
50.2
16.0
6.4
5
図 3 のヒートマップと図 4 のグラフにある通り、20 種類の元素
のインジケータになり得ます。ヒートマップで大きく見られた違
が容器タイプと温度の違いによりモニターされました。これらの
いは、3 温度とも同様にバッグインボックスとハイフィルスク
元素の濃度パターンは、ボトルへの注入方法と温度管理の経歴
リューキャップでした。
バッグインボックス
20 °C
10 °C
40 °C
ローフィル
スクリューキャップ
天然コルク
10 °C
20 °C
40 °C
20 °C
10 °C
40 °C
ハイフィル
スクリューキャップ
10 °C
20 °C
51
V He
52
Cr He
55
Mn He
56
Fe He
58
Ni He
59
Co He
63
Cu He
66
Zn He
69
Ga He
75
As He
78
Se He
111
Cd He
118
Sn He
133
Cs He
205
Tl He
208
Pb He
図 3. 貯蔵温度および容器のタイプ別に分類された元素のヒートマップ、青 = 低濃度、黄色 = 中濃度、赤 = 高濃度
Log 2 に規格化されたカウント
2
1
0
-1
-2
バッグイン
ボックス
天然
コルク
ローフィル ハイフィル
スクリュー スクリュー
キャップ
キャップ
10 °C
バッグイン
ボックス
天然
コルク
ローフィル ハイフィル
スクリュー スクリュー
キャップ
キャップ
バッグイン
ボックス
20 °C
天然
コルク
ローフィル ハイフィル
スクリュー スクリュー
キャップ
キャップ
40 °C
図 4. 貯蔵温度および容器のタイプ別に Log2 に規格化された強度 (各線は各元素を表す)
6
40 °C
主成分分析
2
10 °C
20 °C
40 °C
Mass Profiler Professional ソフトウエアを用い、5 種類の元素に
ついて、サンプルの類似点と相違点をグラフ化する主成分分析
1
PC 2、17.2 % 因子寄与
(Principal Component Analysis: PCA) を行いました。最初の 2 つの
主成分 (PC) は、全体の 93.2 % の寄与が見られ、PC 1 では 76.0 %、
PC 2 では 17.2 % となりました。
サンプルは PC 1 に沿って容器タイプによって分別され、バッグ
インボックスサンプルは PCA バイプロットの左側、天然コルク
密閉ボトルの隣に配置されました (図 5 参照)。2 つの密閉スク
スクリューキャップ、
ローフィル
天然コルク
スクリューキャップ、
ハイフィル
0
-1
バッグインボックス
-2
-4
リューキャップ (ハイおよびロースクリューキャップ) はバイプ
-2
0
2
4
PC 1、76.0 % 因子寄与
ロットの中央および右側に配置されました。PC 2 は、貯蔵温度
図 5. PCA バイプロット。容器タイプ別 PC 1 と温度別 PC 2。
の温度の違いにより分別されました。よって、PCA 分析は 4 つの
容器タイプに分類され、ワインサンプルの容器の違いを元素の濃
度パターンにより予想することができます。
1
図 6 に、異なるサンプルの PCA ローディングプロットを示しま
す。原点から各元素の距離は、元素が容器タイプまたは貯蔵条
52
0.5
PC 2、17.2 % 因子寄与
件と関係があるかないかを示しています。今回の場合、5 元素全
てが深く関与していることが分かりました。
図 7 のベン図は、5 元素がそれぞれ大きく異なることから、貯蔵
条件よりも容器のタイプが元素成分を決定する上で一番影響を
及ぼすことを示しています。
118
0
Cr He
Sn He
63
Cu He
208
-0.5
51
Pb He
V He
-1
結論
-1
-0.5
0
0.5
PC 1、76.0 % 因子寄与
図 6. PC 1、PC 2 について貯蔵と容器の違いによる元素成分を表した
PCA ローディングプロット。
ICP-MS にてワインを分析し、ワインの容器や保管方法など外因
性因子によりワイン中の含有元素のプロファイルが異なることが
分かりました。容器のタイプが PC 1 に影響を及ぼし、貯蔵温度
は銅の濃度に大きく影響を及ぼすことが分かりました。更に、製
p(Corr) (容器 - 温度)
0 エンティティ
p(Corr) (容器)
5 エンティティ
造と貯蔵段階ごとに詳細に分析することで、ワイン製造過程によ
る元素成分の影響をより明確に把握することができます。
0
5
0
0
0
0
0
p(Corr) (温度)
0 エンティティ
図 7. 容器のタイプが、温度または容器・温度より、元素成分に
影響を及ぼすことを示すベン図。
7
1
参考文献
1.
H. Hopfer, et al.,“ Profiling the trace metal composition of
wine as a function of storage temperature and packaging
type”
, J. Anal.At.Spectrom., 28, 1288-1291 (2013).
2.
V. F. Taylor, et al.,“Multielement analysis of Canadian wines by
inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and
multivariate statistics”
, J. Agric.Food Chem., 51, 856-860
(2003).
3.
E. C. Rossano, et al.,“Influence of winemaking practices on
the concentration of rare earth elements in white wines
studied by inductively coupled plasma mass
spectrometry”
, J. Agric.Food Chem., 55, 311-317 (2007).
詳細情報
本書に記載されたデータは典型的な結果です。アジレントの製品
とサービスの詳細については、アジレントの Web サイト
(www.agilent.com/chem/jp) をご覧ください。
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アジレント・テクノロジー株式会社
© Agilent Technologies, Inc. 2013
Printed in Japan
August 1, 2013
5991-2570JAJP