光ピンセットを駆使したエアロゾルのエイジングと雲凝結核活性の解明

• Project/Area Number: 23K21125
• Project/Area Number (Other): 21H01964 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 石坂 昌司 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 教授 (80311520)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2025: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 界面・微粒子分析 / レーザー分光 / 光ピンセット / エアロゾル

Outline of Research at the Start

エアロゾルは、大気中を輸送される間に様々な物理・化学変化を生じるため、化学組成や形態は極めて複雑である。したがって、エアロゾルと雲の相互作用は、気候変動予測における最大の不確定要素である。本研究では、申請者が独自に開発した光ピンセットを用いて、エアロゾル粒子ごとに、気相中でどのように化学反応が進行するか、また、どの湿度で水滴に変化するかを計測し、気候変動や局地豪雨の予測の土台となる実験データを提供する。

Outline of Annual Research Achievements

大気中に放出されたエアロゾルは、オゾンやヒドロキシルラジカルとの不均一酸化反応や、紫外線による光化学反応のため、その化学組成が変化する。このエアロゾルの変質は「エイジング」と呼ばれる。エアロゾルの物理的・化学的な性質は常に変化しているため、微粒子集合系の平均値解析では、エアロゾルの気候変動への影響を見積もる際に、大きな不確かさが生じてしまう。本研究では、単一エアロゾル粒子を空気中の一点に非接触で浮遊させ、エアロゾル粒子ごとに“化学組成”と“吸湿性”を同時に計測する。光学顕微鏡下でエアロゾルの「エイジング」と「雲粒の発生」を再現し、大気中で起こるエアロゾルの複雑な化学反応過程を理解することを目的とする。
R5（2023）年度も引き続き、針葉樹から発せられるアルファーピネンの二次有機エアロゾル生成に関する研究を実施した。昨年度（R4年度）実施した予備実験では、チャンバー内にアルファーピネンを滴下して密閉した後、ペン型水銀ランプからの紫外光をチャンバー内に照射して二次有機エアロゾルを発生させた。しかしながら、紫外光照射による光化学反応では、二次有機エアロゾルの発生量が少なく、レーザー捕捉の成功率が極めて低いために、継続して実験を行うことが困難であった。そこで、ペン型水銀ランプに代わり、オゾン発生器を用いた実験を試みた。オゾン発生器を用いて発生させたオゾンをアルファーピネン蒸気で満たした真鍮製のチャンバー内に導入するように、実験装置の改良を行った。オゾン発生器を用いて定常的にオゾンを反応チャンバー内に供給することで、二次有機エアロゾルの発生量が増加した。また、発生した二次有機エアロゾルを気相中においてレーザー捕捉することに成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究初年度のR3（2021）年度は、コロナ禍と世界的な半導体の供給不足により、光ピンセット用の光源であるCWレーザーの納入が予定より大幅に遅れたため、実験開始が遅れたが、R4（2022）年度は、光ピンセット実験装置の構築が順調に進み、これまで困難であった固体エアロゾルのレーザー捕捉とその表面電荷計測が可能となった。また、この光ピンセット実験装置を用いて、大気中で進行するエアロゾルのオゾン酸化反応の実験を開始することができた。R5（2023）年度は、ペン型水銀ランプを用いた実験から、オゾン発生器を用いた二次有機エアロゾル生成の実験に移行し、レーザー捕捉の成功率が格段に向上したのみならず、エアロゾルの化学反応（エイジング）を誘起することが可能となったため、本研究はおおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後は、ピネン由来の二次有機エアロゾルのラマンスペクトルから、二次有機エアロゾルそのものの化学組成を明らかにすることを目指す。ピネンのオゾン酸化反応は、相対湿度に大きく依存することが知られている。そこで、相対湿度とオゾン濃度を任意に制御可能とするための顕微鏡用チャンバーの改良を行う。ラマンスペクトルの相対湿度依存性に関する実験を実施し、ラマンスペクトルのピークを帰属することを計画している。また、オゾンによる黒色炭素粒子の不均一酸化反応を誘起し、黒色炭素粒子（疎水性）の不均一酸化反応がどこまで進行すれば、雲凝結核として振舞うのかを実験データとして示す。具体的には、グラファイト骨格由来のラマンピーク強度に対するC=O伸縮振動のピーク強度比を酸化反応の進行度の指標として用いる。相対湿度を制御し、黒色炭素粒子一粒を気相中に浮遊させたまま吸湿性（水で濡れる相対湿度）を計測する。また、エアロゾルのエイジングに伴う物理的・化学的な性質の変化を計測するために、単一エアロゾルの屈折率・粘度・質量を計測可能な新規計測手法の開発も行う予定である。これらの本研究課題で得られた研究成果は、論文および関連する学会にて発表する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CNRS(フランス)
• [Journal Article] Optical manipulation and fusion of aqueous droplets containing inorganic and organic solutes in air using the dual-beam laser trapping technique (2023)
  • Author(s): Tanaka Yuta、Ishizaka Shoji
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 40 Issue: 1 Pages: 123-132
  • DOI: 10.1007/s44211-023-00439-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure of Single Aqueous MgSO4 Droplets Ultrasonically Levitated in the Air: Supersaturation and Crystallization (2023)
  • Author(s): Yamaguchi Toshio、Matsuo Shun-ichiro、Yoshida Koji、Kurisaki Tsutomu、Ishizaka Shoji、Ohara Koji
  • Journal Title: Journal of Solution Chemistry Volume: － Issue: 5 Pages: 610-625
  • DOI: 10.1007/s10953-023-01309-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In situ Raman and X-ray scattering of a single supersaturated aqueous Mg(NO3)2 droplet ultrasonically levitated (2023)
  • Author(s): Yamaguchi Toshio、Hata Natsuki、Matsuo Shun-ichiro、Yoshida Koji、Kurisaki Tsutomu、Ishizaka Shoji、Ohara Koji
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: - Issue: 6 Pages: 977-987
  • DOI: 10.1007/s44211-023-00306-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tuning the Ground- and Excited-State Redox Potentials of Octahedral Hexanuclear Rhenium(III) Complexes by the Combination of Terminal Halide and N-Heteroaromatic Ligands (2022)
  • Author(s): Yoshimura Takashi、Nishizawa Hayato、Nagata Kojiro、Ito Akitaka、Sakuda Eri、Ishizaka Shoji、Kitamura Noboru、Shinohara Atsushi
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 7 Issue: 30 Pages: 26965-26982
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c03834
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Liquid-Liquid Phase Separation of Single Optically Levitated Water-Ionic Liquid Droplets in Air (2021)
  • Author(s): Ishizaka Shoji、Yamamoto Chihiro、Yamagishi Himeka
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A Volume: 125 Issue: 35 Pages: 7716-7722
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.1c06130
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Optical manipulation of aerosol droplets using a double-beam laser trapping technique (2023)
  • Author(s): S. Ishizaka
  • Organizer: Goldschmidt 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー捕捉法を用いた単一エアロゾルの接触帯電に関する研究 (2023)
  • Author(s): 石坂昌司，三和綾乃
  • Organizer: 2023年光化学討論会
• [Presentation] 光ピンセット用いた二次有機エアロゾルの単一微粒子計測 (2023)
  • Author(s): 中名直人，石坂昌司
  • Organizer: 第29回中国四国支部分析化学若手セミナー
• [Presentation] 単一エアロゾルの表面電荷計測 (2023)
  • Author(s): 石坂昌司，三和綾乃
  • Organizer: 第83回分析化学討論会
• [Presentation] レーザー捕捉法を用いたエアロゾル水滴の屈折率のコハク酸濃度依存性に関する研究 (2023)
  • Author(s): 川口 蒔，石坂昌司
  • Organizer: 2023年日本化学会中国四国支部大会・山口大会
• [Presentation] レーザー捕捉した単一微粒子の位置揺らぎ計測 (2023)
  • Author(s): 江本鈴花，石坂昌司
  • Organizer: 2023年日本化学会中国四国支部大会・山口大会
• [Presentation] レーザー捕捉・顕微ラマン分光法を用いた二次有機エアロゾルの単一微粒子計測 (2023)
  • Author(s): 中名直人，石坂昌司
  • Organizer: 日本分析化学会第72年会
• [Presentation] デュアルビームレーザートラッピング法を用いた空気中における無機物と有機物を含む水滴の融合 (2023)
  • Author(s): 石坂昌司
  • Organizer: 低温科学研究所・氷科学研究会共同研究集会「H2Oを科学する・2023」
• [Presentation] 光ピンセットを用いたα-ピネン由来の二次有機エアロゾルの化学組成に関する研究 (2023)
  • Author(s): 中名直人，石坂昌司
  • Organizer: 2023年光化学討論会
• [Presentation] Laser Trapping and Microspectroscopy of Single Water Droplets in Air (2022)
  • Author(s): S. Ishizaka
  • Organizer: HU-BITS Pliani Joint Workshop 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structure and properties of a single aqueous electrolyte droplet ultrasonically levitated in the air (2022)
  • Author(s): T. Yamaguchi, S. Matsuo, K. Yoshida, S. Ishizaka, and K. Ohara
  • Organizer: 37th International Conference on Solution Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光ピンセットで雲をつかむ計測法の開発 (2022)
  • Author(s): 石坂昌司
  • Organizer: 73回コロイドおよび界面化学討論会
  • Invited
• [Presentation] 単一エアロゾル液滴の液－液相分離に関する研究 (2022)
  • Author(s): 石坂昌司，山本 千尋，山岸 姫香
  • Organizer: 第82回分析化学討論会
• [Presentation] レーザー捕捉法を用いた単一ガラス微小球の接触帯電に関する研究 (2022)
  • Author(s): 三和綾乃，石坂昌司
  • Organizer: 第39回 エアロゾル科学・技術研究討論会
• [Presentation] 光ピンセットを用いた単一エアロゾルの表面電荷計測法の開発（2） (2022)
  • Author(s): 三和綾乃，石坂昌司
  • Organizer: 日本分析化学会第71回年会
• [Presentation] レーザー捕捉法を用いた単一ガラス微小球の表面電荷計測 (2022)
  • Author(s): 三和綾乃，石坂昌司
  • Organizer: 2022年日本化学会中国四国支部大会広島大会
• [Presentation] スクロース水溶液の粘度の濃度依存性に関する研究 (2022)
  • Author(s): 古賀なつみ，石坂昌司
  • Organizer: 2022年日本化学会中国四国支部大会広島大会
• [Presentation] 微小水滴のレーザー捕捉と過冷却限界温度の顕微ラマン分光計測 (2022)
  • Author(s): 岡本春歌，石坂昌司
  • Organizer: 2022年日本化学会中国四国支部大会広島大会
• [Presentation] エアロゾル水滴のレーザーマニピュレーション (2022)
  • Author(s): 石坂昌司
  • Organizer: 低温科学研究所・氷科学研究会共同研究集会「H2Oを科学する・2022」
• [Presentation] Structure and properties of a single aqueous electrolyte droplet in the air by Raman spectroscopy and X-ray diffraction (2021)
  • Author(s): T. Yamaguchi, S. Matsuo, S. Nakazato, N. Hata, K. Yoshida, S. Ishizaka and K. Ohara
  • Organizer: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダブルビーム型レーザー捕捉法を用いた気相中にける水滴の光マニピュレーション (2021)
  • Author(s): 石坂昌司，田中悠太
  • Organizer: 第81回分析化学討論会
• [Presentation] ラマン散乱とX線回折による硫酸マグネシウム水溶液液滴の濃縮及び結晶化過程のその場観測 (2021)
  • Author(s): 松尾俊一郎，中里駿太郎，秦菜月，山口敏男，吉田亨次，栗崎敏，石坂昌司，尾原幸治
  • Organizer: 第81回分析化学討論会
• [Presentation] 空気中に浮揚させた単一液滴の構造解析法の開発とその応用 (2021)
  • Author(s): 松尾俊一郎，中里駿太郎，秦菜月，山口敏男，吉田亨次，栗崎敏，石坂昌司，尾原幸治
  • Organizer: 第57回X線討論会
• [Presentation] コレステロールの氷核活性に関する研究 (2021)
  • Author(s): 酒本航平，石坂昌司
  • Organizer: 日本分析化学会第70年会
• [Presentation] レーザー捕捉・蛍光相関分光法を用いた過飽和水滴の粘度の計測 (2021)
  • Author(s): 竹内優稀，石坂昌司
  • Organizer: 日本分析化学会第70年会
• [Presentation] 光ピンセットを用いた単一エアロゾルの表面電荷計測法の開発 (2021)
  • Author(s): 三和綾乃，石坂 昌司
  • Organizer: 日本分析化学会第70年会
• [Presentation] 空気中に浮揚させた単一液滴の構造と性質（2）硫酸マグネシム水溶液滴 (2021)
  • Author(s): 松尾俊一郎，山口敏男，中里駿太郎，秦菜月，吉田亨次，栗崎敏，石坂昌司，尾原幸治
  • Organizer: 第43回溶液化学シンポジウム