2017 Fiscal Year Research-status Report
大気中にガス成分またはナノ粒子として存在する揮発性元素のリアルタイムモニタリング
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17K05909
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| Research Institution | Chuo University |
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Principal Investigator |
古田 直紀 中央大学, 理工学部, 教授 (90101055)
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2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | PM0.1大気粉塵 / 揮発性元素 / ガス粒子化装置 / リアルタイムモニタリング / 発生源の解明 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大気粉塵の粒径分布は、数濃度で表すと、ナノ粒子（0.1 μm以下）が圧倒的に多い。その起源は、ディーゼル排気ガス粒子や焼却場飛灰などが考えられるが、最近では、工業的に生産されたナノ粒子も検出されたと報告されている [F. Kammer, et al., Environ. Toxicol. Chem., 31(1), 32-49 (2012).]。ナノ粒子は呼吸を通して肺の奥深くに入り込み、人体への影響が懸念されている[C. Chunying, et al., Nanotoxicology, 9(2), 181-189 (2015).]。本申請研究の目的は、粒径0.1 μm以下の大気粉塵（PM0.1）及びガス成分中に含まれる揮発性元素（ヒ素 (As), アンチモン(Sb), セレン(Se)等）をリアルタイムモニタリングし、その発生源を解明することにある。この研究の成果は、今後増加が予測されるナノ粒子の規制を策定する際の有用なデータを提供する。これまでの長期モニタリングでは大気粉塵をフィルター上に捕集してICP-OESやICP-MSで多元素を測定しているので、時々刻々と変化する大気粉塵の動態を把握することは困難であった。そこで、新たに開発されたガス交換器(GED)を用いることで、大気中の粒子を損失することなく、ガス分子を空気からArに交換した後に、ICP-MS装置に直接導入できるようにした。この試料導入システムをICP-MSと結合させることにより、大気粉塵中に含まれる微量元素をリアルタイムで測定することを可能にした。標準ガス発生装置と超音波ネブライザー（USN）を用い、ICP-MSの信号強度を校正し、多元素の定量を可能にした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
① 水素化物発生装置により生成されるAsH3およびSbH3のガスを、先ずガス粒子化器（GPD）を用い、硝酸アンモニウム粒子にAsH3およびSbH3のガスを吸着させ粒子を発生させる。その後、ガス交換器（GED）に通し空気をアルゴンに変換させる。その際にガス成分は除去される。アルゴンガスによって運ばれるAsおよびSb粒子をICPMSに直接導入し、AsとSbの定量を行った。GPDの粒子化効率は約50%であった。水素化物発生装置により生成されるAsH3およびSbH3のガスの濃度を変化させ、濃度をX軸にとり、Y軸にICPMSの信号強度をプロットすると、2次関数に近似することが明らかとなった。
② ガラスをレーザーアブレーションさせ生成させた揮発性元素（Ga, Ge, As, Sb等）をフィルター（孔径0.1 μmのテフロンフィルター）を通過させ、GEDを通した場合と通さない場合でICPMS中に導入した時の信号強度を比較した。揮発し易い元素はGEDを通すと、GEDを通さない場合と比べ、信号強度が減少した。不揮発性元素に関してはGEDを通す場合と通さない場合の信号強度は変化しなかった。このことより、レーザーアブレーションで生成された揮発性元素の62~82%はガス成分として0.1 μmのテフロンフィルターを通過してしまうことが分かった。このフィルターをアドバンテック東洋製繊維状テフロンフィルター（J050A047A）に交換すると、ガス成分の揮発性元素は通過せずに、全てフィルター上に捕集されることが明らかとなった。このことにより、揮発し易い元素は0.1 μm以下の粒子に吸着されており、その粒子はGEDでガスと共に除去されてしまっていたのではないかと推測される。
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| Strategy for Future Research Activity |
【平成30年度の研究計画】ガス粒子化器（GPD）とガス交換器（GED）を直列につないで、ガス成分及びPM0.1大気粉塵中に存在する揮発性元素（As, Se, Sb, Cd, Pb）のリアルタイムモニタリングを実施する。今までの研究（基盤研究（C）平成26～28年度）はインライン－インパクターにより、PM2.5 (2.5 μm以下)とPM1.0 (1.0 μm以下)の大気粉塵を選別していた。このインライン－インパクターを通した後、ダイヤフラムポンプ（最大10 L/min）で大気をガス流速1.0 L/minで吸引していた。吸引している大気の一部をミクロポンプを用いてガス流速0.25 L/minで引き、ガス交換器（GED）で空気をArガスに交換した後にICP-MS装置に直接導入していた。今回の申請研究では、PM0.1大気粉塵をナノサンプラーIIを用いて選別する。このナノサンプラーでは流速40 L/minで大気を吸引しており、その一部のガスを流速0.25 L/minで引き取りガス粒子化器（GPE）とガス交換器（GED）を通した後、ICP-MS装置に直接導入する。
【平成31年度の研究計画】PM0.1大気粉塵のリアルタイムモニタリングを春夏秋冬にそれぞれ5回以上行う。時々刻々と変化する大気粉塵中の揮発性元素濃度(As, Sb, Se, Cd, Pb)及び主成分元素濃度(C, Ca, Fe, Al, Na, K, Mg)をng/m3の単位で求め、気象要素（風向、風速、降雨等）との相関を解析し、PM0.1大気粉塵及び揮発性元素の発生機構を解明する。
【平成32年度の研究計画】揮発性元素及びその他の多元素のリアルタイムモニタリング結果、走査型電子顕微鏡（SEM）による粒子形状、PM0.1大気粉塵の元素組成、気象要素との相関、統計的処理よりPM0.1大気粉塵及び揮発性元素の起源を推定する。
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| Causes of Carryover |
ICPMS装置が故障し、それを修理するのに時間を要し、リアルタイムモニタリングを実施する回数が少なくなったことにより、アルゴンガスの購入が少なくなった。
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