特許 7270306 全有機体炭素に基づき水環境中のマイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に測定する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-27

(45)【発行日】2023-05-10

(54)【発明の名称】全有機体炭素に基づき水環境中のマイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に測定する方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 33/18 20060101AFI20230428BHJP

   G01N 31/00 20060101ALI20230428BHJP

   G01N 21/61 20060101ALI20230428BHJP

【ＦＩ】

G01N33/18 Z

G01N31/00 D

G01N21/61

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021576613

(86)(22)【出願日】2020-02-17

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-09-07

(86)【国際出願番号】 CN2020075469

(87)【国際公開番号】W WO2021163821

(87)【国際公開日】2021-08-26

【審査請求日】2021-12-23

(73)【特許権者】

【識別番号】503282219

【氏名又は名称】中国科学院生▲態▼▲環▼境研究中心

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】劉景富

(72)【発明者】

【氏名】李鵬

(72)【発明者】

【氏名】譚志強

(72)【発明者】

【氏名】李慶存

【審査官】倉持 俊輔

(56)【参考文献】

【文献】中国実用新案第２０９３４２４９２（ＣＮ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１６／１７５９８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭５６－１４１５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】HU Duofei et al.，Micro(nano)plastics: An un-ignorable carbon source?，Science of the Total Environment，2018年12月05日，Vol.657 (2019)，pp.108-110

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３３／１８，

Ｇ０１Ｎ ３１／１２，

Ｇ０１Ｎ ２１／６１，

Ｇ０１Ｎ １／０４，１／３４，１／４０，

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

全有機体炭素に基づいて、水環境中のマイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に測定する方法であって、
（１）水サンプルを第１の富化膜でろ過し、収集して第１の固体が得られる工程；
（２）第１の固体を付着している第１の富化膜を消化試薬と接触させ、前記の第１の固体中の天然有機物を消化させ、天然有機物を付着していない第１の富化膜及び消化試薬を含む混合物が得られる工程；
（３）さらに前記の工程（２）で得られた混合物を第２の富化膜でろ過し、第２の固体を付着している第２の富化膜が得られる工程；
（４）前記の天然有機物を付着していない第１の富化膜及び前記の第２の固体を付着している第２の富化膜を乾燥させ、次に前記の第１の富化膜上の固体の有機体炭素値と前記の第２の富化膜上の固体の有機体炭素値との合計値を測定により求め、得られる前記合計値をマイクロ・ナノプラスチックの全有機体炭素値とする工程；
を含む、方法。

【請求項2】

工程（２）において、前記の消化試薬のｐＨが３未満であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

工程（２）において、前記消化の温度は２５～６０℃であり、前記消化の時間は０．５～２時間であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

工程（２）において、前記の消化試薬はフェントン試薬を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

工程（４）において、前記乾燥の乾燥温度は６０～１９０℃であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

工程（４）において、前記乾燥の乾燥時間は０．５～６時間であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

工程（４）において、前記乾燥を行う時、第１の富化膜および第２の富化膜をサンプルボートに直接配置し、乾燥させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

工程（４）において、マイクロ・ナノプラスチックの全有機体炭素値を測定する時、採用される機器は、固体アタッチメントを備える全有機体炭素分析計を含み；
前記全有機体炭素分析計の検出器は非分散型赤外線検出器であり；
全有機体炭素分析計中のキャリアガスは酸素ガスを含み、キャリアガスの流速は４００～５００ｍＬ/ｍｉｎ、圧力は１９０～２００ｋＰａ、反応炉の温度は９００～１２００℃である；
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記の第１の富化膜および第２の富化膜は、ガラス繊維膜、アルミナ膜、又は石英膜であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記ガラス繊維膜の孔径は１～１０００ｎｍであることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、環境分析化学の分野に属し、特に全有機体炭素に基づいて水環境中のマイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に測定する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

プラスチックは優れた物理的および化学的特性を有するため、その製品が日常の生産や生活で広く使用されている。最終的には、これらのプラスチック製品はしばしばプラスチックごみを形成し、環境に入り込む。大量のプラスチックごみは、太陽放射、水流の衝突、および生分解などの作用によって分解され、マイクロ・ナノプラスチックを形成する。一方、マイクロ・ナノプラスチックは、工業原料や日用化粧品にも使用されている。しかし、これらの製品は使用中にも、マイクロ・ナノプラスチックが環境に放出される。

【0003】

近年、マイクロ・ナノプラスチックは環境学者によって新しいタイプの汚染物質としてリストされている。毒物学の研究によれば、マイクロ・ナノプラスチックは動物に摂取され、動物の成長と繁殖に影響を与える恐れがある。また、マイクロ・ナノプラスチックは重金属イオン、有機汚染物質などを吸着し、複合毒性効果が生じる。さらに、マイクロ・ナノプラスチックの毒性効果は、その濃度レベルと密接に関連する。したがって、マイクロ・ナノプラスチックに対する正確な定量分析は、その汚染レベルと毒性効果を研究する前提条件である。

【0004】

現在、マイクロ・ナノプラスチックの定量分析は、主に計量法、走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型Ｘ線分光法、熱分解ガスクロマトグラフ/質量分析法などを採用している。しかし、これらの方法には、適用範囲が狭く（例えば、ある種類の材料にのみ適している）、時間と労力がかかり、感度が低く、機器が高価であるなどという欠点があり、実際の環境水中のマイクロ・ナノプラスチックの総量の定量分析に使用しづらい。

【発明の概要】

【0005】

上記の技術的問題に対して、本発明は、全有機体炭素に基づいて、水環境中のマイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に測定する方法を提出した。具体的には、本発明は、全有機体炭素に基づいて、水環境中のマイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に測定する方法を提供し、該方法は、
（１）水サンプルを第１の富化膜でろ過し、収集して第１の固体が得られる工程；
（２）第１の固体を付着している第１の富化膜を消化試薬と接触させ、天然有機物を消化して除去する工程；
（３）さらに工程（２）で得られた混合物を第２の富化膜でろ過し、第２の固体を付着している第２の富化膜が得られる工程；
（４）消化された第１の富化膜及び工程（３）で得られた第２の固体を付着している第２の富化膜を乾燥させ、次に全有機体炭素値を測定し、得られる値をマイクロ・ナノプラスチックの全有機体炭素値とする工程；
を含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】水環境中のマイクロ・ナノプラスチックを定量的に測定する方法の概略図である。

【図2】マイクロ・ナノプラスチック粒子を捕集して富化させた、ナノ孔径（３００ｎｍ）のガラス繊維膜の電子顕微鏡写真である。

【図3】ろ過した水サンプルの体積（１００～１０００ｍL）がマイクロ・ナノプラスチックの回収率に対する影響図である。

【図4】フェントン消化がマイクロ・ナノプラスチックの添加回収率（spike recovery）に対する影響図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

マイクロ・ナノプラスチックの種類が多く、それらをそれぞれ定量的に分析することは非常に大きな挑戦である。ただし、マイクロ・ナノプラスチックは典型的な炭素含有粒子状物質の一種であるため、マイクロ・ナノプラスチックの総量をマイクロ・ナノプラスチックの全有機体炭素（ＴＯＣ）値で特徴付けることができる。自然の水環境中に存在する大量の天然有機物（ＮＯＭ）はマイクロ・ナノプラスチックのＴＯＣ測定を妨げ、ＮＯＭの干渉を取り除くために消化処理（digestion treatment）の必要がある。固体サンプルのＴＯＣ値は、一般に触媒燃焼法で測定し得られる。固体サンプルは、９００℃で、触媒と高純度酸素の共同作用下で、完全にＣＯ_２に変換され、生成されたＣＯ_２は非分散型赤外線吸収検出器（ＮＤＩＲ）に導入されることにより、ＴＯＣ含有量が得られる。現在、ＴＯＣ値はマイクロ・ナノプラスチックの総量を特徴づけるために用いられことも、ＴＯＣに基づいてマイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に測定する方法も未だに報告されていない。

【0008】

本発明は、全有機体炭素に基づいて、水環境中のマイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に測定する方法を開示し、
（１）水サンプルを第１の富化膜でろ過し、収集して第１の固体が得られる工程；
（２）第１の固体を付着している第１の富化膜を消化試薬と接触させ、天然有機物を消化して除去する工程；
（３）さらに上記の工程（２）で得られた混合物を第２の富化膜でろ過し、第２の固体を付着している第２の富化膜が得られる工程；
（４）消化された第１の富化膜、及び工程（３）で得られた第２の固体を付着している第２の富化膜を乾燥させ、次に全有機体炭素値を測定し、得られる値をマイクロ・ナノプラスチックの全有機体炭素値とする工程；
を含む。

【0009】

本発明の一部の実施例では、工程（２）の前記消化試薬のｐＨは３未満である。
本発明の一部の実施例では、工程（２）の前記分解温度は２５～６０℃であり、分解時間は０．５～２時間である。
本発明の一部の実施例では、工程（２）の前記消化試薬はフェントン試薬を含む。

【0010】

本発明の一部の実施例では、工程（３）において、前記乾燥の乾燥温度は６０～１９０℃である。
本発明の一部の実施例では、工程（３）において、前記乾燥の乾燥時間は０．５～６時間である。
本発明の一部の実施例では、工程（３）において、前記乾燥を行う時、第１の富化膜および第２の富化膜をサンプルボートに直接配置し、乾燥させる。

【0011】

本発明の一部の実施例では、工程（４）において、前記マイクロ・ナノプラスチックの全有機体炭素値を測定する時、採用される機器は、固体アタッチメントを備える全有機体炭素分析計を包み；
前記全有機体炭素分析計の検出器は非分散型赤外線検出器であり；
全有機体炭素分析計中のキャリアガスは酸素ガスを含み、キャリアガスの流速は４００～５００ｍＬ/ｍｉｎ、圧力は１９０～２００ｋＰａ、反応炉の温度は９００～１２００℃である。

【0012】

本発明の一部の実施例では、前記の第１の富化膜および第２の富化膜は、ガラス繊維膜、アルミナ膜、又は石英膜である。
本発明の一部の実施例では、前記ガラス繊維膜の孔径は、１～１０００ｎｍである。

【0013】

一つの例示的な実施例では、本発明によれば環境水中のマイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に測定する方法は、
環境水サンプルをガラス繊維膜でろ過し、水サンプル中のマイクロ・ナノプラスチックを捕集して、富化させる工程；
マイクロ・ナノプラスチックが富化されたガラス繊維膜上の天然有機物（ＮＯＭ）をフェントン試薬で消化して除去する工程；
別の新しいガラス繊維膜で消化液をろ過し、膜（すなわちガラス繊維膜）二枚を６０～１９０℃で０．５～６時間乾燥させる工程；
固体アタッチメントを備えるＴＯＣ計を使用してＴＯＣ値を測定し、ＴＯＣ値でマイクロ・ナノプラスチックの総量を示す工程；
を含む。

【0014】

その中で、ＴＯＣは、マイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に表すためのパラメータとして用いられる。
その中で、前記捕集と富化用の膜はガラス繊維膜である。
その中で、前記ＮＯＭの除去方法はフェントン消化であり、消化試薬は、３０％（ｍ/ｖ）Ｈ_２Ｏ_２溶液と０．０５ｍｏｌ/ＬのＦｅ^２＋溶液を等体積で混合してなるフェントン試薬である。
その中で、Ｆｅ^２＋はＦｅＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏまたは他の第一鉄塩であり、フェントン試薬の消化条件はｐＨ＜３である。

【0015】

その中で、２枚の膜をサンプルボートに直接配置して乾燥させた後に、ＴＯＣ値を測定する。
その中で、マイクロ・ナノプラスチックを捕集して富化させた膜は、フェントン消化処理により、ＮＯＭが除去される同時に、無機体炭素（ＩＣ）も除去される。この場合、測定された全炭素（ＴＣ）値はＴＯＣ値となる。
その中で、膜二枚を６０～１９０℃で０．５～６時間乾燥させる。
その中で、膜上の水分を除去するとともに、マイクロ・ナノプラスチックを破壊しないことを目的とする。６０～１９０℃であれば、マイクロ・ナノプラスチックの測定に影響しない。
その中で、固体アタッチメントを備えるＴＯＣ計を使用して、ガラス繊維膜上のマイクロ・ナノプラスチックのＴＯＣ値を測定する。
その中で、検出器は非分散型赤外線検出器（ＮＤＩＲ）であり、キャリアガスは高純度酸素ガスであり、流速は４００～５００ｍＬ/ｍｉｎ、圧力は１９０～２００ｋＰａ、ＴＣ反応炉の温度は９００～１２００℃。

【0016】

以下、図面によって、具体的な実施例により本発明の技術案をさらに詳しく説明する。以下の具体的な実施例は単なる例示であり、本発明の保護範囲はそれに限定されない。
以下の実施例で使用される化学薬品および原料は、全て市販品、または公知の調製方法によって自制されるものである。

【0017】

本実施例は水環境中のマイクロ・ナノプラスチックを定量的に測定する方法を提供し、図１に示されるように、
（１）測定用水サンプルをナノ孔径のガラス繊維膜でろ過し、マイクロ・ナノプラスチック粒子をガラス繊維膜に捕集して富化させる工程；
（２）マイクロ・ナノプラスチック粒子が富化されたガラス繊維膜上の天然有機物（ＮＯＭ）をフェントン試薬で消化処理により除去する工程;
（３）別の新しいガラス繊維膜でろ過し、超純水（１８．３ＭΩ）で容器の壁を３回洗浄し、前記２枚の膜を６０～１９０℃で０．５～６時間乾燥させる工程；
（４）最後に、固体アタッチメントを備えるＴＯＣ計を使用してＴＯＣ値を測定し、マイクロ・ナノプラスチックの総量をＴＯＣ値で示す工程；
を含む。

【0018】

工程（１）では、ナノ孔径（１～１０００ｎｍ）のガラス繊維膜を選択し、ガラス繊維膜が炭素を含まないガラス繊維膜で製造し、ＴＯＣ測定に干渉しない。緻密な繊維構造はマイクロ・ナノプラスチック粒子の捕集と富化に有利である。図１からわかるように、マイクロ・ナノプラスチックが緻密な繊維構造内に捕集され富化されて、緻密な繊維構造はマイクロ・ナノプラスチックを富化させる役割を果たす。

【0019】

図２に示すように、矢印はマイクロ・ナノプラスチックを指し、プラスチック粒子はガラス繊維膜上に捕集される。

【0020】

図３に示すように、水サンプルのろ過体積がマイクロ・ナノプラスチックの回収率に対する影響を調査した。超純水１００～１０００ｍＬに異なる炭素含有量のマイクロ・ナノプラスチックの標準添加（standard addition）を実施し、添加回収率は８４％～９９％である。ろ過水サンプルの体積が１０００ｍＬに達しても、マイクロ・ナノプラスチックの添加回収率は大幅に低下せず、膜も完全に詰まったり突き通したりする場合がない。図３からわかるように、水サンプルのろ過体積を１００ｍＬから１０００ｍＬに増やしても、マイクロ・ナノプラスチックの回収率は大幅に低下しない。

【0021】

工程（２）では、自然環境の水域に大量のＮＯＭが存在している。膜でろ過すると、必然的に一部のＮＯＭが膜に捕集されるので、該ＮＯＭを処理しないと、ＴＯＣ測定に干渉する。したがって、フェントン試薬（５ｍL ３０％（m/v）Ｈ_２Ｏ_２＋５ｍＬ ０．０５ｍｏｌ/Ｌ Ｆｅ^２＋）で消化処理し、ＮＯＭの干渉を排除する。図４に示すように、２つの異なる基質（河川水、海水）の標準添加の水サンプルでは、消化を実施しなかった場合、マイクロ・ナノプラスチックの添加回収率は、それぞれ河川水で１１９％～２０６％、海水で１２４％～２１８％であり、消化を実施した場合、マイクロ・ナノプラスチックの添加回収率は、それぞれ河川水で９０％～９６％、海水で９５％～１１１％である。これは、フェントン試薬がＮＯＭ干渉を良好に除去でき、マイクロ・ナノプラスチックの添加回収率に影響を与えないことを示す。図４からわかるように、河川水でも海水でも、フェントン消化を実施しないと、マイクロ・ナノプラスチックの回収率は１００％をはるかに上回り、フェントン分解を実施すると、マイクロ・ナノプラスチックの回収率は９０％に近い。

【0022】

工程（３）では、超純水で３回洗浄することは、容器の壁に吸着したマイクロ・ナノプラスチックをできるだけ膜に移すためである。２枚の膜を６０℃～１９０℃で０．５～６時間乾燥させることは、水分を除去し、その後のＴＯＣ測定のためである。なお、温度を６０℃に制御すると、マイクロ・ナノプラスチックには影響しない。

【0023】

工程（４）では、測定用の２枚の膜をセラミックサンプルボートに直接配置し、追加処理の必要がなく、マイクロ・ナノプラスチックは、高温触媒作用下で高純度酸素と十分に接触し、完全にＣＯ_２に変換することできる。

【0024】

上記の最適な実験条件下で、本発明の方法によって測定されたマイクロ・ナノプラスチックの線形範囲は、０．０２～３．６ｍｇＣ（相関係数０．９９８）であり、検出限界は、１４～１９μｇＣ／Ｌである。

【0025】

実施例１
異なる基質の水中のマイクロ・ナノプラスチックの定量測定である。
まず、異なる基質の水サンプル１００～１０００ｍＬを、孔径３００ｎｍのガラス繊維膜に通し、マイクロ・ナノプラスチック粒子をガラス繊維膜に捕集して富化させた。ガラス繊維膜をガラス容器中に移し、フェントン試薬（５ｍL ３０％（m/v） Ｈ_２Ｏ_２＋５ｍＬ ０．０５Ｍ Ｆｅ^２＋）で消化によりＮＯＭの干渉を排除する。直ちに消化後の溶液を別の膜でろ過し、超純水（１８．３ＭΩ）で３回洗浄してから、２枚の膜をサンプルボートに移し、６０～１９０℃で０．５～６時間乾燥させて水を除去する。最後に、固体アタッチメントを備えるＴＯＣ計でＴＯＣを測定する。マイクロ・ナノプラスチックの総量をＴＯＣ値で示す。結果を表１に示す。このうち、大遼河、ラン河、渤海２の水サンプルではマイクロ・ナノプラスチックは検出されなかった。即ち、これらのサンプルにはマイクロ・ナノプラスチックが含まれていないか、または濃度が該方法の検出限界をはるかに下回る。一方、渤海１、渤海３、渤海４、渤海５の四つのサンプルでは、１７～６７μg C / Lと検出される。これは、該方法が環境中の微量濃度レベルのマイクロ・ナノプラスチックの測定に適用できることを示す。

【0026】

【表1】

【0027】

上記の具体的な実施例について、全有機体炭素に基づいて水環境中のマイクロ・ナノプラスチックの総量を定量的に測定する本発明方法は、従来技術に対して少なくとも以下の利点のうちの１つを有する：
１．本発明では、マイクロ・ナノプラスチックのＴＯＣ値がマイクロ・ナノプラスチックの総量を示すのに用いられ、μｇ Ｃ／Ｌのレベルでマイクロ・ナノプラスチックの総量を測定することを実現し、実際の水サンプル中のマイクロ・ナノプラスチック総量の正確な定量分析にうまく応用する。
２．感度が比較的に高く、本方法の検出限界は１４～１９μg Ｃ/Ｌである。
３．操作が簡単で、運用コストが低い。

【0028】

上記の具体的な実施例は、本発明の目的、技術案、および有益な効果をさらに詳細に説明する。上記は本発明の具体的な実施例のみであり、本発明に限定しないこと、及び本発明の示唆と主旨内で行われた任意の修正、同等の交換、改良などは、全て本発明の保護範囲内に含まれることを理解すべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】