芝浦工業大学デザイン工学部デザイン工学科・田邉 匡生教授は、東レリサーチセンター、山形大学、東洋大学、東北大学と実施している共同研究において、水中の極めて微量のナノ粒子をマイクロバブル※1を用いて凝集させることによって濃縮し、その局所的な化学的特性を原子間力顕微鏡(AFM)と赤外吸収分光法(IR)※2とを組み合わせた方法(AFM-IR)で解析する新しい手法を提案しました。
芝浦工業大学デザイン工学部デザイン工学科「共同研究」
芝浦工業大学デザイン工学部デザイン工学科・田邉 匡生教授は、東レリサーチセンター、山形大学、東洋大学、東北大学と実施している共同研究において、水中の極めて微量のナノ粒子をマイクロバブル※1を用いて凝集させることによって濃縮し、その局所的な化学的特性を原子間力顕微鏡(AFM)と赤外吸収分光法(IR)※2とを組み合わせた方法(AFM-IR)で解析する新しい手法を提案。
今後、この手法をさらに発展させることで、環境中のナノプラスチックの化学的特性をより深く理解できるようになり、ナノプラスチックに関する研究が進展することが期待されます。
※本研究成果は、2025年1月15日19時(英国時間10時)にナノスケールの材料と環境におけるプロセスに焦点をあてた学術誌Environmental Science: Nanoに掲載されます。
【ポイント】
●水中の極めて微量のナノ粒子をマイクロバブルを用いて凝集することによって濃縮し、その局所的な化学的特性をAFM-IRで解析する新しい手法を提案
●ナノ粒子の化学的特性を高精度に測定でき、環境中のナノプラスチック(NPs)の化学的特性を評価するための重要なツールとなることに期待
●NPsと物質との相互作用に関する新しい知見を提供し、環境問題の理解に向けた貴重なデータを提示
■研究方法とアプローチ
この研究で開発した手法では、ナノ粒子をマイクロバブルによって濃縮させ、原子間力顕微鏡(AFM)を基盤にしたAFM-IRを用いて、その局所的な特性を測定しました。
この研究チームは、ナノ秒レーザーアブレーションにより、LDPEフィルムからサイズが数十nmから数百nmのナノ粒子を得ることに成功しました。
得られたナノ粒子は水中で極めて微量ですが、マイクロバブルを用いて凝集させることによって回収され、セレン化亜鉛(ZnSe)基板上に配置できます。
この基板上に配置されたナノ粒子を、AFM-IRによって詳細に分析しました。
AFM-IRは、ナノスケールでの局所的な化学的特性を解析できる技術であり、ナノ粒子の分子構造の情報が高精度に測定できます。
この研究で提案するこれらのプロセス(図1)により、NPsの酸化反応の進行状況を追跡し、NPsと物質との相互作用を理解することが可能となります。
図 1 水中の極めて微量なNPsをバブル集積し、その化学的特性を評価するプロセス
具体的には、ナノ粒子のサイズ分布は50nm～500nmの範囲にあり、最も多くの粒子が約200nmの大きさを持っていることが判明しました。
しかし、粒子の濃度が極めて低いため、マイクロバブルを使って粒子を濃縮する必要があることを確認できました。
この手法により、粒子は水中からZnSe基板上に効率よく回収、配置され、AFM-IRによって詳細な赤外吸収スペクトルが取得できました。
AFM測定において、LDPEナノ粒子が球状であるものもあり、またいくつかの粒子が凝集したり、形状が歪んだりしていることが確認されました。
さらに、赤外吸収スペクトルの解析において、サイズが小さい粒子において酸化反応がより進行している傾向を確認しました。
このように、ナノ粒子の化学的特性の変化について新たな知見を得ることができます。
■語句解説
※1 マイクロバブル
1～100マイクロメートル(μm)の大きさの泡のこと。
※2 赤外吸収分光法(IR)
物質を構成する分子による赤外線の吸収現象に基づき、分子構造の情報を取得する方法。
※3 レーザーアブレーション
固体表面にレーザーを照射した際に、固体表面の構成物質が爆発的に放出される現象のこと。
固体試料の分析や材料加工、医療分野等に応用されている。
※4 低密度ポリエチレン
繰り返し単位であるエチレンがランダムに分岐をもって結合した結晶性の熱可塑性樹脂。
他のポリエチレンと比較して軟質であり、成型加工しやすい。
透明なポリ袋や食品用フィルムなどの原料として使用されている。
■論文情報
論文名：
Local Infrared Spectral Measurement System for the Inspection of Independent Nano-plastic Particles in Water-based Solutions
著者：
金原 生奈 (芝浦工業大学機械工学専攻 修士2年)
長坂 龍洋 (株式会社東レリサーチセンター構造化学研究部 構造化学第2研究室)
関 洋文 (株式会社東レリサーチセンター構造化学研究部 部長)
藤井 翔 (山形大学学術研究院 准教授(理学))
木村 剛 (東洋大学生命科学部生体医工学科 教授)
山本 雅哉 (東北大学大学院工学研究科 教授)
田邉 匡生 (芝浦工業大学デザイン工学部デザイン工学科 教授)
掲載誌： Environmental Science: Nano
DOI ： 10.1039/d4en00379a
URL ： https://doi.org/10.1039/D4EN00379A
■研究助成
この研究は、JST CREST「分解・劣化・安定化の精密材料科学」研究領域の「生命循環と共生する分解・劣化ナノ材料の統合理解」(研究代表者：東北大学大学院工学研究科材料システム工学専攻 山本 雅哉教授)(JPMJCR21L6)の助成を受けたものです。
