AN-S-236
2026-04
イオンクロマトグラフィによる EPA 300.1に準拠 した水道水の品質試験
Combining EPA method 300.1 parts A and B in a single IC run
概要
世界保健機関（WHO）は、清潔な飲料水へのアクセスを人権の一つと位置付けています［1］。水質と公衆衛生を保護するためには、適切な政策、基準、および信頼性の高い分析法が必要です。欧州ではEU飲料水指令（EU Drinking Water Directive）が水質を規制しており、米国では安全飲料水法（Safe Drinking Water Act：SDWA）がその役割を担っています。SDWAは、米国環境保護庁（US EPA）に対し、飲料水の最低品質基準およびそれに対応する標準分析法の策定を認可しています。
1980年代以降、US EPAメソッド300.0は、主要な無機陰イオンの定量に関する分析要件（Part A）と、有害な無機消毒副生成物（Disinfection Byproducts：DBPs）の定量に関する分析要件（Part B）を規定してきました［2–5］。これらは、それぞれ主にEN ISO 10304-1およびEN ISO 10304-4に対応しています。亜塩素酸イオン（chlorite）や塩素酸イオン（chlorate）などの無機消毒副生成物は主として塩素処理によって生成され、一方、臭素酸イオン（bromate）は天然に存在する臭化物イオン（bromide）のオゾン処理によって生成されます［2, 5–7］。
消毒副生成物の最大許容濃度（Maximum Contaminant Levels：MCLs）が改定された際には、US EPAメソッドもそれに合わせて改訂されました［5, 6］。また、規定されたメソッド検出限界（Method Detection Limits：MDLs）を達成するためには、対象成分の濃度差に応じて、Part AとPart Bで異なる注入量が必要となります［8］。
高容量カラム Metrosep A Supp 20 を用いたサプレッサ付き導電率検出によるイオンクロマトグラフィは、これらの要件を単一分析で満たすことができます。これにより、ラボの作業効率が向上し、コスト削減を実現するとともに、高い分析品質を維持することが可能です。
実験
スイス・ヘリザウの複数地点で採取した飲料水および水道水サンプル、ならびに市販のミネラルウォーターについて、US EPA Method 300.1［8］の要件に従って分析を実施しました。さらに、定量および品質管理のために、対象成分全体（フッ化物、亜塩素酸イオン、臭素酸イオン、塩化物イオン、亜硝酸イオン、臭化物イオン、塩素酸イオン、ジクロロ酢酸塩（DCA）、硝酸イオン、リン酸イオン、および硫酸イオン）を含む標準液および添加回収試料も測定しました。
本分析では、US EPA Method 300.1のPart AおよびPart Bを統合し、共通の注入量50 µLを用いる単一の分析法として実施しました。主要陰イオン、オキシハライド類、および代替標準物質であるジクロロ酢酸塩（DCA）は、炭酸塩溶離液を用い、Metrosep A Supp 20 - 150/4.0 カラム上でアイソクラティック条件により分離しました。
DCAはジクロロ酢酸（DCAA）の酢酸塩形態であり、塩素処理の過程で有機物と反応して生成されるため、処理済み飲料水だけでなく、地下水やプール水中にも存在する場合があります［3, 8］。
WHOが定める飲料水中DCAの暫定ガイドライン値は0.05 mg/Lであり、健康への潜在的なリスクが懸念されています［1］。そのため、適切な分離能および定量精度を確保するには、DCAを他のイオンから十分に分離する必要があります。
US EPA Method 300.1では、DCAは**サロゲート物質（surrogate）**として規定されており、試料には1 mg/Lとなるよう添加しなければなりません。
分析におけるシグナル検出は、逐次サプレッション後の導電率検出器を用いて行い、得られた結果は MagIC Netソフトウェア により定量しました。
逐次サプレッション（Sequential Suppression）とは、化学サプレッションとCO₂サプレッションを組み合わせた方式であり、バックグラウンド導電率を低減することでシグナル対ノイズ比（S/N比）を向上させます。
通常、溶離液中のCO₂および炭酸を完全に除去することにより、1.6 µS/cm未満の低いバックグラウンド導電率が得られます。これにより、極めて低濃度の成分の分析が可能となり、US EPA Method 300.1で規定されているベースラインノイズ（5 nS/cm未満）およびベースラインドリフト（5 nS/(cm·min)未満）の要求事項を満たすことができます［8］。
結果
分析した水サンプルには、塩化物イオン（9～11 mg/L）、硫酸イオン（5～14 mg/L）、および硝酸イオン（4～9 mg/L）が比較的高濃度（mg/Lレベル）で含まれていました（表1、表2、および図2）。一方、臭化物イオンおよびフッ化物イオンは低濃度（それぞれ0.006 mg/L未満および0.07 mg/L未満）で検出されました。
また、有害な消毒副生成物である塩素酸イオン、臭素酸イオン、および亜塩素酸イオンに加え、亜硝酸イオンも検出されませんでした（ただし、1検体のみ塩素酸イオンが0.003 mg/L検出されました。表2参照）。
さらに、サロゲート物質であるDCA（ジクロロ酢酸塩）は、いずれの試料からも検出されませんでした。
しかしながら、DCA（10 mg/L）は、硫酸イオンを10倍濃度（100 mg/L）含む混合標準液中においても、分離度（Rs）2.8で良好に分離できることが確認されました（図2）。
US EPA Method 300.1のPart AおよびPart Bでは、満たすべきいくつかの要件が規定されています。
- 添加回収率（スパイク回収率）：高濃度領域（mg/Lレベル）では85～115%、低濃度領域（「最低報告濃度」の最大10倍まで、すなわち低µg/Lレベル）では75～125%の範囲内でなければなりません。
表1および表2に示すように、添加回収率は80～104%の範囲にありました。ただし、市販ミネラルウォーター中のリン酸イオンのみ70%となりました。これは、おそらく試料中に存在する金属イオンがリン酸イオンと錯形成し、その結果として回収率が低下したためと考えられます。
- サロゲート物質DCAのピークガウシアンファクター（PGF）および回収率：サロゲートピークであるDCAのピークガウシアンファクター（PGF）は0.80～1.15の範囲でなければなりません。また、DCAの添加回収率は90～115%の範囲内である必要があります。
すべての測定において、DCAのPGFは0.85～1.02の範囲でした。また、DCAの回収率は90～91%でした。 - 測定の再現性：試料の少なくとも10%については重複分析を実施しなければなりません。そのため、測定の繰り返し結果間の相対百分率差（RPD）は、高濃度領域で10%未満、低濃度領域で20%未満でなければなりません。
水試料および添加回収試料（n = 4）について算出した主要陰イオン（フッ化物イオン、塩化物イオン、硝酸イオン、リン酸イオン、硫酸イオン、およびDCA）の相対標準偏差（RSD）は、0.5%未満でした（表1および表2参照。ただしミネラルウォーター中のリン酸イオンは2%未満）。また、低濃度（1桁µg/Lレベル）で存在したオキシハライド類（亜塩素酸イオン、臭素酸イオン、塩素酸イオン）、亜硝酸イオン、および臭化物イオンのRSDは0.1%未満～9%の範囲でした。 - 分離性能：US EPA Method 300.1のPart AおよびPart Bでは、最小分離度について明確な規定はありません。しかし、高濃度マトリックス中であっても十分な分離を確保する必要があります。
マトリックス適合性や高濃度の炭酸塩は分析上の大きな課題となり、分析品質に影響を及ぼす可能性があります。カラム容量を超えると、ピークのブロードニングや保持時間のシフトが発生することがあります。本検討では、さまざまな飲料水および市販飲料水に加え、高濃度の塩化物イオン（最大250 mg/L）、硝酸イオン（最大50 mg/L）、硫酸イオン（最大250 mg/L）、および炭酸塩（最大300 mg/L）を含む人工マトリックスにおいても、十分な分離性能が実証されました。
表1：ヘリザウの水道水について実施した繰り返し分析（n = 4）の結果および添加回収率（n = 4）。
添加回収試験では、以下の濃度となるよう対象成分を添加しました。・塩化物イオン、硝酸イオン、硫酸イオン：各10 mg/L・リン酸イオン、ジクロロ酢酸（DCAA）：各1 mg/L・フッ化物イオン、亜硝酸イオン、臭化物イオン：各100 µg/L・亜塩素酸イオン、臭素酸イオン、塩素酸イオン：各5 µg/L ※なお、水道水中で検出されなかった成分については、「n.d.（not detected：不検出）」と表記しています。
| Result [µg/L] | RSD [%] | Result spiked [µg/L] | RSD [%] | Spike recovery [%] | |
|---|---|---|---|---|---|
| Fluoride | 53 | 0.5 | 146 | 0.4 | 97.6 |
| Chlorite | n. d. | 5 | 2.9 | 93.0 | |
| Bromate | n. d. | 4 | 9.2 | 82.1 | |
| Chloride | 8865 | 0.1 | 18444 | < 0.1 | 103. |
| Nitrite | n. d. | 104 | 2.1 | 103.9 | |
| Bromide | 6 | 5.7 | 109 | 0.7 | 104.3 |
| Chlorate | n. d. | 5 | 5.6 | 91.4 | |
| Nitrate | 8787 | 0.1 | 18325 | < 0.1 | 103.3 |
| Phosphate | n. d. | 972 | 0.3 | 97.2 | |
| DCAA | n. d. | 9.19 | 0.4 | 91.3 | |
| Sulfate | 4804 | 0.2 | 14430 | < 0.1 | 100.6 |
表2：市販ミネラルウォーター試料について実施した繰り返し分析（n = 4）の結果および添加回収率（n = 4）。添加回収試験では、以下の濃度となるよう対象成分を添加しました。・塩化物イオン、硝酸イオン、硫酸イオン：各10 mg/L・リン酸イオン、ジクロロ酢酸（DCAA）：各1 mg/L・フッ化物イオン、亜硝酸イオン、臭化物イオン：各100 µg/L・亜塩素酸イオン、臭素酸イオン、塩素酸イオン：各5 µg/L ※なお、ミネラルウォーター中で検出されなかった成分については、「n.d.（not detected：不検出）」と表記しています。
| Result [µg/L] | RSD [%] | Result spiked [µg/L] | RSD [%] | Spike recovery [%] | |
|---|---|---|---|---|---|
| Fluoride | 65 | 0.5 | 153 | 0.5 | 93.7 |
| Chlorite | n. d. | 5 | 6.0 | 92.1 | |
| Bromate | n. d. | 4 | 8.5 | 80.3 | |
| Chloride | 11300 | 0.1 | 20602 | < 0.1 | 103.2 |
| Nitrite | n. d. | 106 | 1.8 | 106 | |
| Bromide | 6 | 5.7 | 110 | 0.4 | 103.8 |
| Chlorate | 3 | 10.9 | 7 | 5.7 | 94.1 |
| Nitrate | 3681 | < 0.1 | 13296 | 0.1 | 99.5 |
| Phosphate | n. d. | 687 | 1.9 | 68.7 | |
| DCAA | n. d. | 899 | 0.5 | 89.9 | |
| Sulfate | 13717 | 0.1 | 22806 | 0.1 | 103.2 |
結論
EPA Method 300.1のPart AおよびPart Bの要件を単一の分析法に統合するうえで最大の課題は、無機陰イオンの高濃度成分（例えば、mg/Lレベルの塩化物イオン、硝酸イオン、硫酸イオン）と、消毒副生成物（DBPs）である臭素酸イオン、亜塩素酸イオン、塩素酸イオン、および亜硝酸イオンのような低濃度成分を同時に分離・定量することです。
このような成分を、5桁以上にも及ぶ広い濃度範囲にわたって正確に測定するためには、検出器に高い直線性が求められます。本検討で使用したMetrohmの導電率検出器は、0～15,000 µS/cmという優れた直線性範囲を示しました。
さらに、EPA Method 300.1のPart AおよびPart Bに規定された成分を分離するには、特にオキシハライド類（すなわち消毒副生成物）や高濃度マトリックス中で高い分離性能を発揮する専用の分析カラムが必要です。
高容量陰イオン交換カラム Metrosep A Supp 20 - 150/4.0 は、特にオキシハライド類に対して非常に高い分離能を示します。本カラムは、DCAを含むすべての対象イオンを単一のアイソクラティック分析法で分離することができます。その結果、分析操作が容易になり、システム構成もシンプルに保たれます（図1）。
US EPA Method 300.1［8］は、飲料水中のオキシハライド類および一般的な陰イオンの分析における主要な標準分析法であり、世界的に広く受け入れられています。しかし、このメソッドでは一般陰イオン用と微量陰イオン用の2回の注入が必要であるため、分析ラボにおける試料処理能力（スループット）が大幅に低下します。
Metrohmは、Metrosep A Supp 20 - 150/4.0 分離カラムと、逐次サプレッション後の導電率検出を組み合わせることにより、EPA 300.1のPart AおよびPart Bを分析品質を損なうことなく統合する包括的なソリューションを提供します。
また、この分析手順は EN ISO 10304-1 および EN ISO 10304-4 の要求事項にも適合しています。さらに、限外ろ過（Ultrafiltration）やオンライン希釈（Inline Dilution）などの Metrohm Inline Sample Preparation（MISP）技術（8.940.5002EN）を組み合わせることで、分析時間を短縮し、分析効率を向上させるという追加的なメリットをラボにもたらします。
参考文献
- [World Health Organization. Guidelines for Drinking-Water Quality: First Addendum to the Third Edition, Volume 1 : Recommendations; Geneva: WHO, 2006.
- Boorman, G. A. Drinking Water Disinfection Byproducts: Review and Approach to Toxicity Evaluation. Environ. Health Perspect. 1999, 107 (suppl 1), 207–217.
- Evans, S.; Campbell, C.; Naidenko, O. V. Analysis of Cumulative Cancer Risk Associated with Disinfection Byproducts in United States Drinking Water. Int. J. Environ. Res. Public. Health 2020, 17 (6), 2149.
- Some Drinking-Water Disinfectants and Contaminants, Including Arsenic IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans Volume 84; International Agency for Research on Cancer, Ed.; IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans; IARC: Lyon, 2004.
- Jackson, P. E. Ion Chromatography in Environmental Analysis. In Encyclopedia of Analytical Chemistry; Meyers, R. A., Ed.; John Wiley & Sons, Ltd: Chichester, UK, 2000; p a0835.
- EPA National Primary Drinking Water Regulations: Disinfectants and Disinfection Byproducts. Fed. Regist. 1998, 63 (241), 69389–69476.
- Singer, P. C. Control of Disinfection By‐Products in Drinking Water. J. Environ. Eng. 1994, 120 (4), 727–744.
- EPA Method 300.1 - Determination of Inorganic Anions in Drinking Water by Ion Chromatography. In Methods for the Determination of Organic and Inorganic Compounds in Drinking Water; United States Environmental Protection Agency: USA, 2000; p 300.1-1–300.1-42.
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