Environmental Chemistry Lab, Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Technology, Keio University
慶應義塾大学 理工学部
応用化学科 環境化学研究室
Led by Tomoaki OKUDA, Ph.D.

研究内容

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ハイライト

粒子の帯電状態

大気中を浮遊する微小な粒子状物質(エアロゾル)は呼吸によって生体内に入り込み健康に悪影響を及ぼすことが懸念されていますが、近年、粒子が吸入される際に、粒子の電荷数に伴い生体への沈着量が増加することが明らかとなってきました。しかしながら、実環境大気中におけるエアロゾルの帯電状態の測定は、これまでにほとんど例がありません。そこで当研究室では、独自性の高い様々な実験的手法を開発して、エアロゾル粒子の帯電状態を支配する要因の解明と、その環境や人体の影響の解明を目指しています。

本研究の内容は、慶應義塾全体の研究を紹介する「KEIO RESEARCH HIGHLIGHTS」に取り上げられました。→

 

実環境大気エアロゾルの帯電メカニズムの解明

本研究では、電気移動度の原理を利用して独自に開発した粒子の帯電状態測定装置K-MACS(Keio-Measurement System of Aerosol Charging State)を用いて、実環境大気エアロゾルの帯電状態を測定し、その帯電メカニズムを解明することを目的としています。

Snap Shots

当研究室で独自に開発したK-MACSの写真です。実環境大気エアロゾルの帯電分布を作成する際に用います。本装置に関する論文は、アメリカエアロゾル学会の国際誌Aerosol Science & TechnologyのMost 10 Top Downloaded Articlesに2ヶ月連続で選出されました。

実環境大気エアロゾルの帯電状態を測定するための実験系です。

独自開発したK-MACSを使って測定した大気エアロゾルの帯電状態の観測結果です。

タンデムDMAを用いた粒子帯電状態の測定

一般的に大気イオンとの衝突・付着により起こる粒子帯電は、粒子の成長や除去メカニズムにおいて重要であるため、極めて微小な粒子についてはいくつかの研究によって調査されてきました。一方で人体へより顕著に影響を及ぼすサブミクロン領域の粒子の帯電状態については、大気条件により異なることが報告されているものの粒径の不確実性など未だ不明な点が多く残っています。そこで本研究では、粒子帯電状態を考慮した粒子の有害性を評価するために、サブミクロン粒子に着目して帯電状態を調査しています。

Snap Shots

装置の外観です。2台のDMAを直列につないだTandem DMAで帯電状態を分析します。

アルミ製の容器内で燃焼由来の粒子を発生させて帯電状態を分析します。

タンデム微分型電気移動度分級器を用いた粒子帯電状態の測定の様子です。私たちは様々な装置を制御するプログラムを自ら開発し、粒子の特性を研究しています。

KPFM法を用いた放射性Cs微粒子の電気的特性の解明

福島第一原発事故によって大気中に放射性物質(放射線を発する物質)が飛散し、日本各地ひいては海外に放射線汚染を引き起こしました。事故から数年後とりわけ放射性Csについて、放射性Cs微粒子 (CsMP: Radiocaesium-bearing microparticles) と呼ばれる不溶性の粒子が日本各地に存在していることが明らかとなっています。通常のCs化合物は水溶性を示すのに対して、この粒子は原発事故の際に放射性Csと原子炉材料の金属やガラスなどが混合して生成されたものであることから、不溶性を示すことが特徴です。この粒子を吸入した際には、呼吸器系に沈着した後、粒子が不溶性であるためその場に留まり続けて放射線を発することから、健康への大きな悪影響が懸念されています。
大気中のエアロゾル粒子はその帯電によりヒト気道内部での沈着が大幅に促進されることが知られていますが、放射性のエアロゾル粒子はそのβ崩壊によって自家帯電することが先行研究により指摘されています。そのため、放射性Cs微粒子の健康影響を正確に評価するためにはその帯電状態についても明らかにする必要があります。しかしながら、実環境中から採取された粒子個々の詳細な電気的特性を測定する手法は未だ確立されておらず、とりわけ実際の福島第一原発事故由来の粒子について測定した例はありません。そこで本研究では、原子間力顕微鏡の一種であるKPFM (Kelvin Probe Force Microscopy) 法を用いて粒子の表面電位を測定する手法を確立し、放射性Cs微粒子の詳細な電気的特性を明らかにすることを目的としています。

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測定装置は本学中央試験所にあります。通常のAFM (Atomic Force Microscopy) に専用のKPFMモジュール(当研究室所有)を取り付けることで、KPFMとして測定ができます。

実際に福島で採取された放射性Cs微粒子についてKPFM測定を行った例です。左図が電子顕微鏡像、中央がKPFM高さ像、右図が表面電位像となっており、右図からは視野右下の放射性Cs微粒子が他の粒子に比べて正の表面電位を持っていることが分かります。

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