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アクロレインDNPH 誘導体化反応：

何故アクロレインがなくなってしまい

どうすれば解決可能か

日本自動車研究所 秋山 賢一

2014年5月30日 ガスクロマトグラフィー研究懇談会

Contents

１． 背景

２． CNETの適用と問題の発覚

３． アクロレインの連続測定とヒント

４． 捕集法の改良

アクロレイン

• 非発ガン性の最も重要な有害物質（米EPA)（1999 National Air Toxics Assessment ，EPA）

• 呼吸器系に障害

（DeWoskin R.S., et.,al, J. Toxicological Review of Acrolein; EPA 635-R-03003; http://www.epa.gov/iris/toxreviews/0364-tr.pdf (accessed 2007).）

• 発ガンの可能性

（Feng Z., et.,al, .; Moon-Shong, T.; Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103,15404-15409.)

• 可燃性強い，重合を起こしやすい，油酔い可燃性強い，重合を起こしやすい，油酔い可燃性強い，重合を起こしやすい，油酔い可燃性強い，重合を起こしやすい，油酔い（食用油を使って揚げ物

等の調理作業を長時間行ったために気分が悪くなる現象）加熱分解された

油脂から発生するアクロレインが原因，光化学スモッグの目がチカチカする光化学スモッグの目がチカチカする光化学スモッグの目がチカチカする光化学スモッグの目がチカチカする

原因？原因？原因？原因？，・・・・・・・・・

• （ ガソリンエンジン・ディーゼルエンジン及びタバコ，工場排ガ

スの）不完全燃焼でも発生

C2H3-CHO背景

• アクロレインは有害大気汚染物質のひとつ

• 非発ガンで最も重要な有害物質（1999 National Air Toxics Assessment ，EPA）

• CARB（California Air Resource Board）でも長年測定を試

みたがうまくゆかなかった

• 環境中の有害大気汚染物質（HAPｓ）については，自

動車をはじめ多くの発生源があり，その排出実態を明

確とするために信頼性の高い計測は重要

• 以下の使用データは以下の論文から引用

– 岩本 , 佐々木, 秋山，環境化学誌，Vol.8 No.4 (1998)– 中山，秋山，自動車研究，Vol24.No.3 (2002)– K. Akiyama, A. Nakayama, SAE 2005-01-2152 (2005)

– W. B. Knighton, K. Akiyama, J. Air & Waste Manage. Assoc. 57:(2007)

– K. Akiyama, A. Nakayama, SAE 2010-01-2207 （2010）

アクロレインの計測

一般的にはDNPHカートリッジによる捕集，

HPLC/UV or GC/FIDで分析．

カートリッジ中で生成したDNPH-アクロレイン

が，時間とともに減少する．

↓

CARBでは，精度管理できない物質として分類

DNPHによるアルデヒド類のアルデヒド類のアルデヒド類のアルデヒド類の誘導体化誘導体化誘導体化誘導体化

定量定量定量定量分析分析分析分析

+ HCHO

2,4-ジニトロフェニルヒドラジンホルムアルデヒド-2,4-ジニトロフェニルヒドラゾン（HCHO-2,4-DNPH）

酸性条件下

GC/FID or HPLC/UVで分析

酸の種類や濃度によっては反応が進まない（加熱が必要）

ほとんどのアルデヒドケトン類に適用可能

→

2

DNPHによるアルデヒド類のアルデヒド類のアルデヒド類のアルデヒド類の誘導体化誘導体化誘導体化誘導体化

定量定量定量定量分析分析分析分析

+ HCHO

2,4-ジニトロフェニルヒドラジンホルムアルデヒド-2,4-ジニトロフェニルヒドラゾン（HCHO-2,4-DNPH）

酸性条件下

GC/FID or HPLC/UVで分析

酸の種類や濃度によっては反応が進まない（加熱が必要）

ほとんどのアルデヒドケトン類に適用可能

→

GC/FID分析例(1987)

捕集法

• 溶液吸収法

– 信頼性は高い

– 自分で調整

– 取り扱いが大変

• 含浸カートリッジ法

– 取り扱いは容易

– 市販されている

– 幾つかの問題がある

• 反応効率が良い

• 反応の操作が簡単

– 昔，加熱が必要だった時代もあった

• アルデヒドケトン類の一斉分析可能

• 標準物質が作り易く取り扱いも容易

• 分離分析も容易

DNPH誘導体化によるアルデヒド分析の

メリット

DNPHアルデヒド分析の問題点• NOxがアルデヒド類より先にDNPHと反応する

• NOｘ-DNPHとHCHO-DNPHの保持時間が同じ

（C18・25cm）

• アクロレインなどは，DNPH法では信頼できる計測が出来

なかった

• カートリッジでは無視できない濃度のブランクがランダムに

存在する

• 溶液吸収法は面倒（ハンドリングが悪い・ブランクの問題

は少ない）

DNPHカートリッジ中でのアクロレインの安定性

（W1）

0.0

0.5

1.0

0 1 2 3 4

Storage time (hours)

Ratio

Formaldehyde

Acetaldehyde

Acrolein

Propionaldeh

Benzaldehyde

n-Butyraldeh

アクロレインはカートリッジ内で消失

抽出前の経時変化

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8

回収

率回

収率

回収

率回

収率

抽出前の時間抽出前の時間抽出前の時間抽出前の時間 （（（（hr)

アクロレイン

ホルムアルデヒド

G社

G社

W2社

W2社

W1社

W1社

メーカーにより若干差はあるが同じ傾向

3

添加量違いによる径時変化 (G社)

添加量を変えても同じ傾向

0

50000

100000

150000

200000

250000

15 20 25

Sig

nal

Retention time (min)

添加直後抽出

添加5日後抽出

アクロレイン-DNPHの変化

アクロレイン-DNPH

X1

アクロレイン-DNPHの変化

アクロレイン-DNPH → アクロレイン-(DNPH)2

＝X1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 1 2 3

Rat

io

Elapsed time (hr)

AcroleinX1

X2，X3・・・・反応は単純ではない

アクロレイン-DNPHのののの誘導体化誘導体化誘導体化誘導体化

+

2,4-ジニトロフェニルヒドラジン

→ ？

アクロレイン-DNPH

アクロレイン-(DNPH)2

ヒドラゾン→加水分解 知られている ×

アクロレイン-DNPHのののの誘導体化誘導体化誘導体化誘導体化

+

2,4-ジニトロフェニルヒドラジン

→ ？

アクロレイン-DNPH

アクロレイン-(DNPH)2

ヒドラゾン→加水分解 知られている ×

＋

→ ？

アクロレイン-(DNPH)2

Contents

１． 背景

２． CNETの適用と問題の発覚

３． アクロレインの連続測定とヒント

４． 捕集法の改良

4

CNETとの反応

NC CH2ONH2

OEt

NC CH2ON

OEt

CR1

R2

.

R1COR2 , H+

CNET

アルデヒド-CNETの安定性

The special features of CNET compared with DNPH is CNET combined to catalytic acid directly, then derivatives of collected carbonyl compounds (CNET-carbonyl compounds) are stable because CNET-carbonyl compounds are not directly touched to acid.

after CNET coatingafter CNET coatingafter CNET coatingafter CNET coatingafter CNET coatingafter CNET coatingafter CNET coatingafter CNET coatingSilicagelSilicagelSilicagelSilicagelSilicagelSilicagelSilicagelSilicagel

CoatingCoatingCoatingCoatingCoatingCoatingCoatingCoating

抽出までのアクロレインの

安定性の比較

0.0

0.5

1.0

0 1 2 3 4

Storage time (hours)

Ratio

Formaldehyde

Acetaldehyde

Acrolein

Propionaldeh

Benzaldehyde

n-Butyraldeh

0.0

0.5

1.0

1.5

0 1 2 3 4

Storage time (hours)

Ratio

Formaldehyde

Acetaldehyde

Acrolein

Propionaldeh

Benzaldehyde

n-Butyraldeh

アクロレイン-DNPH

アクロレイン-CNET

1時間以内なら

1割程度の低下で済む

抽出までの保存環境の影響

（アクロレイン-CNET）

0.0

0.5

1.0

0 2 4 6 8

Storage time (hours)

Ratio

278K

298K

333K

60℃加熱

室温

5℃冷蔵

冷却すればさらに安定

1年間，百回以上の排出ガス試験でDNPHとCNETを比較

0.10.10.10.1

1.01.01.01.0

10.010.010.010.0

100.0100.0100.0100.0

1000.01000.01000.01000.0

0.10.10.10.1 1.01.01.01.0 10.010.010.010.0 100.0100.0100.0100.0 1000.01000.01000.01000.0

Acrolein concentration collected into DNPH cartridgeAcrolein concentration collected into DNPH cartridgeAcrolein concentration collected into DNPH cartridgeAcrolein concentration collected into DNPH cartridge(ppb)(ppb)(ppb)(ppb)

Acro

lein

con

cent

ratio

n co

llect

ed in

to C

NET

Acro

lein

con

cent

ratio

n co

llect

ed in

to C

NET

Acro

lein

con

cent

ratio

n co

llect

ed in

to C

NET

Acro

lein

con

cent

ratio

n co

llect

ed in

to C

NET

cartr

idge

(ppb

)ca

rtrid

ge (p

pb)

cartr

idge

(ppb

)ca

rtrid

ge (p

pb)

DNPH Short cartridgeDNPH Short cartridgeDNPH Short cartridgeDNPH Short cartridgeDNPH Long cartridgeDNPH Long cartridgeDNPH Long cartridgeDNPH Long cartridgeDNPH SolutionDNPH SolutionDNPH SolutionDNPH Solution

自動車から排出される

アクロレインの比較

濃度が高いところでは数倍，低濃度では一桁差

Correlation of automotive exhaust formaldehyde concentrations.

1111

10101010

100100100100

1000100010001000

10000100001000010000

1111 10101010 100100100100 1000100010001000 10000100001000010000

Formaldehyde concentration collected into DNPHFormaldehyde concentration collected into DNPHFormaldehyde concentration collected into DNPHFormaldehyde concentration collected into DNPHcartridge (ppb)cartridge (ppb)cartridge (ppb)cartridge (ppb)

Form

alde

hyde

con

cent

ratio

n co

llect

ed in

toFo

rmal

dehy

de c

once

ntra

tion

colle

cted

into

Form

alde

hyde

con

cent

ratio

n co

llect

ed in

toFo

rmal

dehy

de c

once

ntra

tion

colle

cted

into

CN

ET c

artri

dge

(ppb

)C

NET

car

tridg

e (p

pb)

CN

ET c

artri

dge

(ppb

)C

NET

car

tridg

e (p

pb)

DNPH Short cartridgeDNPH Short cartridgeDNPH Short cartridgeDNPH Short cartridge

DNPH Long cartridgeDNPH Long cartridgeDNPH Long cartridgeDNPH Long cartridge

DNPH SolutionDNPH SolutionDNPH SolutionDNPH Solution

傾きは1.1

DNPHでは測れない低濃度まで検出可能（ブランク）

5

Correlation of automotive exhaust acetaldehyde concentrations.

1111

10101010

100100100100

1000100010001000

1111 10101010 100100100100 1000100010001000

Acetaldehyde concentration collected into DNPHAcetaldehyde concentration collected into DNPHAcetaldehyde concentration collected into DNPHAcetaldehyde concentration collected into DNPHcartridge (ppb)cartridge (ppb)cartridge (ppb)cartridge (ppb)

Acet

alde

hyde

con

cent

ratio

n co

llect

ed in

to C

NET

Acet

alde

hyde

con

cent

ratio

n co

llect

ed in

to C

NET

Acet

alde

hyde

con

cent

ratio

n co

llect

ed in

to C

NET

Acet

alde

hyde

con

cent

ratio

n co

llect

ed in

to C

NET

cartr

idge

(ppb

)ca

rtrid

ge (p

pb)

cartr

idge

(ppb

)ca

rtrid

ge (p

pb)

DNPH Short cartridgeDNPH Short cartridgeDNPH Short cartridgeDNPH Short cartridgeDNPH Long cartridgeDNPH Long cartridgeDNPH Long cartridgeDNPH Long cartridgeDNPH SolutionDNPH SolutionDNPH SolutionDNPH Solution

CNETの方が

アセトアルデヒドが高い？

アセトアルデヒドｰDNPHは

問題なかったはず

もしや，アーティファクト？

アセトアルデヒド，DNPH/CNET同時サンプリング

アセトアルデヒド

0.1

1.0

10.0

100.0

0.1 1.0 10.0 100.0

DNPH(ppb)

CN

ET(ppb)

NOx濃度が比較的高い排出ガ

スで試験

CNETではアセトアルデヒドが

高濃度で検出される

CNETのETはエトキシ基の略

アセトアルデヒド-CNETが高くなる

可能性

• 不分離ピークが存在する

• 実験系にアセトアルデヒドブランクが存在する

• CNETからアセトアルデヒドが生成する

• その他

分離の改善

CNETカートリッジに50ppmのNOとNO2を暴露

0 5 10 15 20 25

R.Time(min)

NO2

NO

BL

STD

Acetaldehyd

Benzaldehyd

CNET UVスペクトルは

ベンズアルデヒド

と異なる

UVスペクトルは

アセトアルデヒド

と似ている

NO暴露：ブランクと変わらない

NO2暴露：ピークの生成（ホルムアルデヒド，アセトアル

デヒド，ベンズアルデヒド）

分析条件の改善で分離できた

20 30 40 50 60 70 80 90

Time(min)

STD+NO2

Acetaldehyde

Benzaldehyde

アセトアルデヒドと重なってい

た妨害物質

ベンズアルデヒドと重なってい

た妨害物質

妨害物質が生成していた

新分離条件で

再度，NO2暴露実験実施

0

25000

50000

20 30 40

Retention time (min)

Response

NO2_10L

BLANK

Retention time of formaldehyde

Retention time of acetaldehyde

CNETカートリッジにNO2を暴露 →

ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドの位置にピーク出現

6

CNETとNO2のホルムアルデヒドと

アセトアルデヒドの保持時間のピーク

• まだ不分離の妨害物質がある？

• 実験系から，ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドの

発生がある？

• ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドが生成した？

CNETとNO2のホルムアルデヒドと

アセトアルデヒドの保持時間のピーク

•まだ不分離の妨害物質がある

UVススペクトル：CNET-ホルムアルデヒド，CNET-アセ

トアルデヒドと一致

•実験系から，ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドの発

生がある

DNPHで同様の実験

DNPH-ホルムアルデヒド，DNPH-アセトアルデヒド

不検出 →実験系はクリーン

•ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドが生成した可能性

Formaldehyde

y = 1.785 x + 0.253

R

2

= 0.986

0

10

20

0 5 10

NO2

(ppm)

CN

ET-D

NP

H (ppb)

Formaldehyde

Acetaldehyde

Acetaldehyde

排出ガス中のNO2濃度と生成量

（自動車排ガス試験）

CNETのまとめ

• CNETは，DNPHで測定信頼性が低いアクロレイン

分析には優れていた

• NO2存在下では，CNETはホルムアルデヒドとアセト

アルデヒドを生成する

• アセトアルデヒドの生成は，オゾンスクラバーで半分

程度に抑えられる

• 自動車排出ガスや沿道，燃焼関連でのCNET使用

には注意を要する

• 当面，自動車研では，排出ガス分析にDNPHを用

い，アクロレインの信頼性が必要な場合は，DNPH＋CNETを用いる

Contents

１． 背景

２． CNETの適用と問題の発覚

３． アクロレインの連続測定とヒント

４． 捕集法の改良

アクロレインを直接連続計測する

測定法

• PTR-MS (Proton transfer reaction mass spectrometer)– 同じ分子量の物質が妨害となる．

アクロレインの分子量56C4オレフィンの分子量56

• 赤外チューナブルレーザー

QCL(Quantum cascade laser infrared absorption spectroscopy)

エチレンが妨害となる．

7

タバコの煙とスクラバー

時間

m/z 45

PTR-MS

PTR-MS

発生ガスによるアクロレイン計測値の

比較

Laboratory Evaluation of an Aldehyde Scrubber System Specifically for the Detection of Acrolein Volume 57 November 2007 Journal of the Air & Waste Management Association より引用より引用より引用より引用

DNPHカートリッジはアクロレイン

計測に使えないという先入観

↓

DNPHカートリッジでもアクロレイ

ン濃度が下がらないことがある

液体窒素の蒸発ガスを希釈ガスに用いた

↓

温度が低い

酸素が無い（濃度が低い）

何がいつもと違ったか？ Contents

１． 背景

２． CNETの適用と問題の発覚

３． アクロレインの連続測定とヒント

４． 捕集法の改良

• 酸の濃度を下げる

反応しないアルデヒドの存在

→ アクロレインだけならOK

• 酸素を除く

QCLの実験で液体窒素から蒸発した窒素で希釈

• 温度を下げる

QCLの実験で液体窒素から蒸発した窒素で希釈

CNETでアクロレインとの反応速度を落とすことが

出来た

DNPHカートリッジでアクロレインを

高い信頼性で捕集する方法？

捕集後窒素パージするだけでも改善

効果はあったが不十分 △

アルデヒド類を同時分析したい→×

この方法を選択

冷却によるアクロレインの保存性

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 2 4 6

Re

cov

ery

Elapsed time (hour)

Keep 253K with 253K standard solution

Keep 253K with 278K standard solution

Keep 278K with 278Kl standard solution

Keep room temp. with 278K standard solution

室温で保存，添加した標準溶液5℃

5℃で保存，添加した標準溶液5℃

-20℃で保存，添加した標準溶液5℃

-20℃で保存，添加した標準溶液-20℃

8

サンプリング試行1

効果あり

サンプリング試行2

排ガス入り口

吸収液

室温

-20℃

60℃以上

さらに効果あり

検討課題

• カートリッジの形状

• 冷却方法（温度の安定化）

• 中身 酸濃度をさらに減らせないか？

• 他のアルデヒドの反応を阻害しないか？

• 最終的に良い効果が出るか？

新しい捕集装置と結果

• カートリッジの形状

–細くして表面積を大きくした

• 冷却方法

–二連にして，つないだまま抽出

（一連目：シリカゲルのみ，二連目：DNPHカートリッジ）

• 温度のコントロール

試作捕集装置

アルミブロック

カートリッジ

冷凍庫

熱電対

ガスの流れ

シリカゲル

DNPH

抽出方向

サンプリング装置内温度分布

220

240

260

280

300

320

340

220 240 260 280 300

Tem

pera

ture

of e

very

par

ts (K

)Te

mpe

ratu

re o

f eve

ry p

arts

(K)

Tem

pera

ture

of e

very

par

ts (K

)Te

mpe

ratu

re o

f eve

ry p

arts

(K)

Sampling box set temperature (K)Sampling box set temperature (K)Sampling box set temperature (K)Sampling box set temperature (K)

Gas temp.Pre cartridge temp.

Sampling cartridge temp.

Sampling box inside temp.

9

サンプリング装置内温度分布

0.5L/min 加熱空気の吸引 -20℃に冷却

-40

0

40

80

120

0 10 20 30

温度

（温

度（

温度

（温

度（℃℃ ℃℃

）） ））

経過時間経過時間経過時間経過時間(min)

補助カートリッジ温度℃

捕集カートリッジ温度℃

ガス温度℃

冷却器内表面℃

恒温槽内温度 -21.7℃

捕集用DNPH -14℃→-8.8℃

導入ガス温度 60℃→49℃

前段シリカゲルカートリッジ温度 -10℃→7.8℃

恒温槽を-20℃に冷却して，49℃-60℃のガスを導入した場合，

30分捕集しても捕集カートリッジの温度を-8.8℃以下に保てた．

排出ガスサンプリングの模式図

冷却二段捕集

加熱捕集

溶液捕集

自動車排出ガス同時捕集結果の例

捕集用DNPH -8.8℃以下

まとめ

• 試作捕集装置で，捕集時のカートリッジ温度をコント

ロールできた．

• 冷却捕集でアクロレインがほぼ濃度低下無しで測

定できた．

• 他のアルデヒド類の反応は問題なく進んだ．

↓

• 捕集温度を下げることで，他のアルデヒド類の反応

を阻害することなく，DNPH-アクロレインとDNPHの

反応のみ押さえることが出来た．

冷却捕集でDNPHカートリッジでもアクロレインを

高信頼性で捕集することが出来た

Thank you for your attention

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