2022 Fiscal Year Annual Research Report
Large-scale chemical mining for cosmic nanoparticles
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21H04511
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
平田 岳史 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10251612)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 正一 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60397023)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 宇宙ナノ粒子 / 超高速分析 / データマイニング / ナノ粒子個別分析 / レーザーサンプリング / 隕石マトリックス / 鉱物組成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、超高感度・高速ナノ粒子質量分析計を用いてナノ粒子の網羅的個別分析を行うことで太陽系形成以前に形成された宇宙ナノ粒子を化学的に採掘(化学マイニング)する。この研究目的に対して、本研究では独自に開発した超高感度・高速ナノ粒子質量分析計の質量走査速度を100倍程度にまで高めるとともに、サンプリング時のレーザー照射条件の最適化を進めてきた。これまでの研究を通じて質量分析計のデータ取得速度を飛躍的に高めることに成功し、現時点では1秒間に3万枚の質量スペクトルからナノ粒子の個別化学組成分析が可能となった。さらに本年度は、2台のレーザー（ナノ秒レーザーおよびフェムト秒レーザー）を用いて、隕石ナノ粒子のサンプリング実験を行い、レーザー種類や操作条件とナノ粒子の破砕の影響を調べた。この結果、フェムト秒レーザーでは、その大きなエネルギー密度（照度）のために、高速サンプリングを行う過程で一部のナノ粒子が破砕される可能性があることが明らかとなった。この結果を受け、令和5年度以降に予定している隕石から大規模ナノ粒子サンプルには基本的に波長355nmの紫外線ナノ秒レーザーを用いることとした。
また本年度は、令和5年度から実施予定の隕石からのナノ粒子抽出実験を加速するために、様々な隕石試料からのナノ粒子サンプリング実験を行い、隕石種類に応じてレーザー照射条件を最適化することで隕石マトリックスからナノ粒子をほぼ非破壊でサンプリングできることも明らかとなった。令和5年度は、レーザーサンプリング技術に加え、本研究で性能向上を果たしたナノ粒子高速質量分析法およびデータ処理システムを融合することで、隕石マトリックスを構成するナノ粒子の鉱物種の同定とそれらの存在割合、さらには微量元素の同位体組成分析を開始する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究は、超高感度・高速ナノ粒子質量分析計を用いた超高速計測技術と、隕石に含まれるナノ粒子を非破壊で回収する液中レーザーアブレーション技術を組み合わせることで、太陽系外起源の宇宙ナノ粒子を化学的に採掘(化学マイニング)する。ここで得られた化学組成・同位体組成情報に基づき、より正確かつ客観的な前駆太陽系物質の化学進化、特に銀河内での物質循環に関する新しい描像を引き出すのが目的である。本研究の要素技術（レーザーサンプリング技術、高速ナノ粒子質量分析技術）は研究代表者らが独自に開発・実用化したものであり、世界で類を見ない独創的な研究アプローチである。研究代表者の平田は装置開発と精密計測・化学組成分析に実績があり、さらに分担者の伊藤は隕石中の水質変性（宇宙ナノ粒子が消失する主たる変質過程）の程度を定量的に見いだす技術を有しており、相互連携により大きな発展が期待できる。
これまでに得られた研究業績の一部は、既に国内外の学術学会で口頭発表（国内外で招待講演あるいは基調講演として発表）するとともに、国内外の学術雑誌への公表も行っており、研究の進捗は順調といえる。特にナノ粒子の個別化学組成分析に関しては、次世代半導体物質や新機能材料、ナノ粒子の生体内動態や毒性評価など、様々な研究分野から注目されつつあり、予想を上回る速度で社会実装化も進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究を通じて、ナノ粒子質量分析技術の高速化を図るとともに、特に前年度の研究を通じてサンプリング時のレーザー操作条件の最適化が図れ、隕石のマトリックス成分からナノ粒子をほぼ非破壊でサンプリングでき、個別化学組成分析への目処がたった。本年度は、予察的な実験として、本研究で開発したナノ粒子高速質量分析法とデータ処理システムを用いることで、隕石マトリックスを構成するナノ粒子の鉱物種の同定とそれらの存在割合に関する知見を初めて引き出すことができた。その一方で、隕石ナノ粒子の一部は水質変性を受けており、太陽系形成以前の情報を消失している可能性が高い。したがって、サンプリング部位の剪定がきわめて重要となる。そこで研究計画3年目にあたる本年度は、変性(熱的あるいは水などによる変性)を受けた部位の特定を目的に、隕石マトリックス領域での揮発性成分(水質変性の原因となる成分)の分布分析(イメージング分析)を行い、本研究に最適なサンプリング領域の特定法を開発する。
揮発成分のイメージング分析に関しては、研究代表者が並行して開発した有機質量分析計を用いたイメージング質量分析法を用いる。本法は新規開発したバリア放電を用いた汎用性の高いイオン源であるが、主として生体組織切片を対象としたものであり、隕石試料といった固体物質には適していない。そこで既有のイオン源の改造と標的成分の高感度化を目的に、イオン源の小型化と高出力化を図る (設備備品として小型真空容器を計上)。さらに水質変性部位の検出の精度を高めるために、研究分担者である伊藤の技術を融合する。本年度中に、隕石中のマトリックスの熱変成度の評価と最適サンプリング領域の絞り込みを図った後、本研究で開発したナノ粒子高速質量分析装置およびデータ解析システムを用いてナノ粒子の化学組成・同位体組成データの取得を開始する。
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[Journal Article] Origin and evolution of the Paleo-Kuril arc inferred from detrital zircon U-Pb chronology in eastern Hokkaido, NE Asia2022
Author(s)
Nanayama, Futoshi, Yamasaki, Toru, Kanamatsu, Toshiya, Iwano, Hideki, Danhara, Tohru, Hirata, Takafumi
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Journal Title
Island Arc
Volume: 27
Pages: 462
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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