【コラム】メトローム自動イオンクロマトグラフィーによる環境分析の強化
2020/03/16
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ほとんどの化学者は皆、専門家の指導のもと、科学的手法を正しく実践する方法や、実験室で安全に振る舞う方法を学びながら、そのキャリアの一歩を踏み出します。私も例外ではありません―数年前、私は分析化学・環境化学の博士号を取得しました。2000年代初頭、私は環境分析の分野で働き、重金属や化学物質流出による土壌汚染の調査、水質測定、そして特に大気化学に関連する研究を行っていました。この間、私はさまざまな分析技術、多様な規模の実験室、そして異なるサンプル前処理手順に触れてきました。
こうした異なる環境すべてに共通するテーマがあります―より多くの時間とより大きな予算の追求です。しかしながら、適切なツールを手にすれば、両方を手に入れることも可能です。
環境化学分析
環境分析の焦点は、以下の3つの主要な分野にあります:
- 大気
- 水質
- 土壌
私たちの健康や種としての未来がこれらの分野と密接に関連し、依存していることを考えれば、これらの相互に関連し合う領域を可能な限り徹底的に研究することは、私たちにとって最も重要な利益となります。
規制当局と規則
このことを踏まえ、地方自治体や政府当局は、公衆衛生のためにいくつかの規則を策定・施行してきました。
このテーマに関して比較的よく知られている当局の一つが、米国の環境保護庁(EPA)です。大気浄化法(1970年制定)と水質浄化法(1972年)、そして有毒化学物質の使用・廃棄についての報告義務(TRI報告)のもと、これらや他の規則で示された厳格なガイドラインを満たすため、この間にいくつかの規範や規格が策定されてきました。
水質分析の世界では、最もよく耳にする方法の一つがEPA法300です。方法300.0および300.1は、イオンクロマトグラフィーによる水中の一般的な陰イオン(パートA)および無機消毒副生成物(パートB)の測定に関する詳細な指示を、化学分析者に提供します。
EPA法300.1にご興味がありますか?以下より、関連する無料のICアプリケーションノートの一覧をぜひご覧ください:
EPA 300.1による水質試験―自動溶離液生成と陰イオン・消毒副生成物の一括分析による実験室効率の向上
より重い作業負荷=1サンプルあたりの時間短縮
水系汚染物質の一覧が拡大し、規制要件もますます厳しくなる中、実験室は正確性を犠牲にすることなく、より短い時間でより多くのサンプルを処理する必要に迫られています。
環境実験室で測定されるサンプルの性質上、サンプル前処理が必要となります―これには常にサンプルのろ過が伴い、多くの場合、希釈も必要です。この手順は、分析システムへの損傷を防ぎ、正確な結果を達成するための唯一の方法です。
しかしながら、サンプル前処理は、相当量の作業と高価な消耗品を伴うため、コストのかかる工程です。
数字を計算する時が来ました!
米国のある環境分析実験室において、自動限外ろ過・希釈機能を備えたMetrohm ICシステムを用いた30日間の試験が実施されました。この実験室は、多くの実験室と同様、賞味期限の限られたサンプルも含む大量のサンプルを処理しています。したがって、新しいシステムを購入する際、信頼性は特に重要な基準となります。
経済的な考慮事項も重要な役割を果たします:新しいシステムは、できるだけ早く元が取れるべきであり、遅くとも1年後には投資利益を生み出している必要があります。
(限外)ろ過
すべての水系環境サンプルは、分析前にろ過する必要があります。これにより、サンプル中の粒子が分離カラムを汚染したり詰まらせたりすることが防がれ、カラムの寿命が大幅に延長されます。本試験に関わった実験室での高いサンプル量により、材料コストはシリンジフィルター1個あたり1米ドルにまで抑えられました。しかしながら、個々のサンプルにはそれぞれ新しいフィルターが必要であり、年間14,300サンプルとなると、これでもろ過用材料だけで14,300米ドルにも達します!
メトローム製イオンクロマトグラフィーシステムに統合された限外ろ過機能は、1日1回のフィルター交換のみで済み、この実験室は年間12,000米ドル以上を節約できます。さらに、限外ろ過プロセスは完全に自動化されています。
手動ろ過と比較すると、これによりサンプル1個あたり3分間の作業時間が節約されます。時給18米ドルの人件費を考慮すると、これもまた年間約13,000米ドルの節約に相当します。
全体として、限外ろ過の使用により、年間支出が25,000米ドル以上節約されます―これは投資利益率(ROI)として非常に大きなものです。
この時間節約効果について詳しくは、限外ろ過膜の交換時期をどのように判断するかについての過去のブログ記事をご覧ください。
サプレッション
サプレッションは溶離液の電気伝導度を低減させ、これにより分析種のより高感度な電気伝導度検出が可能になります。これにより、特に低い検出限界・定量限界の達成が可能になります。
この実験室で以前使用されていた装置(別のメーカー製)は、膜式サプレッサーを採用していました。これらのサプレッサーは3か月ごとに交換する必要があり、交換のたびに約1,200米ドルのコストがかかっていました。一方、Metrohm Suppressor Module(MSM)は、サプレッションに膜の代わりに堅牢なマイクロパック床のイオン交換体粒子を利用しているため、一度きりの購入で済みます。MSMの3つのサプレッションカートリッジは、サプレッション、すすぎ、再生を交互に行い、これにより常に継続的なサプレッションが確保されます。
再生用試薬は安価であり、1,000サンプルあたり平均52米ドルで、14,300サンプルの年間総コストは750米ドルとなります。これは、膜式サプレッサーを複数回交換するコストよりもはるかに安価です!
陰イオンクロマトグラフィーにおけるサプレッションについてさらに詳しく知りたい方は、以下より無料のパンフレットをご覧ください。
分離カラム
メトローム製カラムを使用することで、本試験における環境実験室は、分析種のより優れた分離と、はるかに長いカラム寿命(以前のカラムでの1,200回の注入と比較して、平均7,000回の注入)を達成しました。分離カラムの摩耗低減にとって鍵となる要因は、2つあるように思われます:
- メトローム製イオンクロマトグラフは、4~5倍強い測定信号を提供します。これにより、注入量を5分の1に削減することが可能になります。
- さらに、メトローム製Inline Ultrafiltrationは、0.2 μmまでの大きさの粒子を除去する一方、シリンジフィルターによる手動ろ過では20 μmまでの粒子しか除去できません。
全体として、メトローム製分離カラムの使用により、高スループットな環境分析実験室では、年間で約18,000米ドルが節約されます。
分析上の課題に適したカラムをお探しですか?以下よりコラムファインダーをご覧ください!
希釈
測定結果が、分析種濃度が高すぎる、すなわち許容測定範囲を超えていることを示す場合、サンプルは希釈して再分析する必要があります。
本試験に関わった実験室では、これがサンプル全体の約30%で当てはまる状況です。手動での希釈には、実験室スタッフによって少なくとも1サンプルあたり3分かかります。時給約18米ドルの人件費を考慮すると、これは年間3,800米ドルのコストとなります。
自動Inline Dilutionは、この費用を排除します:分析システムが該当サンプルを完全に自動で希釈し、その後再測定を行います。これにより実験室ははるかに効率的になります:1日あたりのサンプルスループットが向上し、賞味期限の限られたサンプルも常に適切なタイミングで分析されます。
Metrohm Inline Sample Preparationの多様な選択肢について詳しくは、以下をご覧ください:
堅牢性
大幅なコスト削減だけが、メトローム分析システムの利点ではありませんでした―この30日間の比較試験では、他にも多くの利点が明らかになりました。この会社は、装置の堅牢性、そしてその実験室で処理されるサンプル全範囲を測定できる能力に感銘を受けました。 その安定した校正により、校正頻度を減らすことも可能になりました:新しいシステムでは、2~3日ごとではなく、2~3週間ごとの校正で済みます。
しかしながら、最も印象的な特長は、高い測定感度と、検出器の広い直線範囲でした。後者のおかげで、測定範囲外となり希釈が必要なサンプルは全体のわずか2%にとどまりました―旧システムでの30%と比較すると、大きな差です。
最終結果
この30日間の試験は、統合型自動インラインサンプル前処理技術を備えたMetrohm ICが、材料費と人件費の両方を節約することを、この実験室に対して実証しました。さらに、現場で以前使用されていたシステムと比較して、分析性能の面でも多くの改善をもたらしています。
最も大きな節約は、限外ろ過の使用による人件費・材料費の削減であり、これに次ぐのが分離カラムの寿命延長による削減です。
年間を通じた最終的なコスト削減の算出については、以下より本テーマに関するホワイトペーパーをご覧ください。
お役立ち情報
ホワイトペーパー:環境IC分析における高い生産性と収益性
このホワイトペーパーをダウンロードして、メトローム製IC装置を用いた環境イオンクロマトグラフィー分析における生産性と収益性を向上させる方法についてご覧ください。
