実環境大気エアロゾルの帯電状態が生体および地表面への粒子沈着へ及ぼす影響評価

• 研究課題/領域番号: 20H00636
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分63:環境解析評価およびその関連分野
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 奥田 知明 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30348809)
• 研究分担者: 梶野 瑞王 気象庁気象研究所, 全球大気海洋研究部, 主任研究官 (00447939) ; 深潟 康二 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (80361517) ; 岩田 歩 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (30827340)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 45,370千円 (直接経費: 34,900千円、間接経費: 10,470千円); 2023年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円); 2022年度: 8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円); 2021年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円); 2020年度: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
• キーワード: エアロゾル / 帯電粒子 / 沈着 / 呼吸器 / 地表面 / フィールド調査 / シミュレーション / 帯電状態 / 生体影響

研究開始時の研究の概要

有害性が懸念されるエアロゾル粒子の生体や地表面への沈着挙動を議論する上で、粒子の沈着現象に関わる重要なパラメータである粒子の帯電状態については、ほとんど研究が進んでいない。本研究では、生体や地表面へのエアロゾル粒子の沈着現象において、粒子のサイズや粒径分布および幾何学的形状等のパラメータ群と比較して、実環境大気エアロゾルの帯電状態がどの程度の影響を持つか、という問いに対して、観測と実験およびシミュレーションモデルの手法を駆使して明らかにすることを目指す。

研究成果の概要

本研究では、エアロゾル粒子の生体や地表面への沈着挙動を議論する上で重要である実環境大気粒子の帯電状態について、(1) 粒子の帯電状態およびその支配要因、(2) 粒子の帯電状態が粒子の生体沈着に及ぼす影響、(3) 地表面への沈着に及ぼす影響、をそれぞれ明らかにすることを目的とした。その結果、KPFM法により個別粒子の帯電状態を計測できる、放射性Cs粒子が非放射性粒子と比べて大きな負の電荷数を持つ、粒子の非帯電粒子の数割合は大気中の負イオン濃度や水蒸気量に強く影響される可能性がある、実測された粒子の帯電状態を考慮することで沈着シミュレーションの質が向上する可能性がある、等の有用な知見を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

エアロゾル粒子の生体や地表面への沈着挙動に関連する粒子特性のうち、サイズ分布や形状および化学組成等に関しては多くの知見が蓄積されてきたが、粒子の帯電状態についてはほとんど研究が進んでいなかった。本研究の成果により、単一粒子または空気中の粒子群の帯電状態を計測できるようになったことに加え、放射性粒子が非放射性粒子よりも生体や地表面に多く沈着する可能性があること、大気中の粒子の帯電状態が気象条件とくに水蒸気量によって変化し得ること、粒子の帯電状態の違いにより生体への沈着量が変化し得ること、粒子帯電を考慮することで沈着シミュレーション結果の質が向上する可能性があること、等を示すことができた。

研究成果

• [国際共同研究] Uzbek-Japan Innovation Center of Youth/Tashkent State Technical University(ウズベキスタン)
• [国際共同研究] CSIR-National Physical Laboratory, India(インド)
• [国際共同研究] 西安交通大学(中国)
• [雑誌論文] Numerical simulation of IL-8-based relative inflammation potentials of aerosol particles from vehicle exhaust and non-exhaust emission sources in Japan (2024)
  • 著者名/発表者名: Kajino Mizuo、Kayaba Satoko、Ishihara Yasuhiro、Iwamoto Yoko、Okuda Tomoaki、Okochi Hiroshi
  • 雑誌名: Atmospheric Environment: X 巻: 21 ページ: 100237-100237
  • DOI: 10.1016/j.aeaoa.2024.100237
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Key Factors Controlling Number Concentrations of Non-charged Particles: An Experimental Study (2024)
  • 著者名/発表者名: Mori Tatsuhiro、Iwata Ayumi、Tabata Ryoya、Okuda Tomoaki
  • 雑誌名: Aerosol and Air Quality Research 巻: 24 号: 4 ページ: 220382-220382
  • DOI: 10.4209/aaqr.220382
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Seasonal charge distributions of submicron atmospheric particles in Yokohama, Japan (2024)
  • 著者名/発表者名: Mori Tatsuhiro、Ishii Yuto、Iwata Ayumi、Okuda Tomoaki
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 324 ページ: 120421-120421
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2024.120421
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Technique for estimating the charge number of individual radioactive particles using Kelvin probe force microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Shinke Yukimi、Mori Tatsuhiro、Iwata Ayumi、Mohd Nor Muhammad Aiman bin、Kurosawa Keiichi、Inagaki Makoto、Sekimoto Shun、Takamiya Koichi、Oki Yuichi、Ohtsuki Tsutomu、Igarashi Yasuhito、Okuda Tomoaki
  • 雑誌名: Aerosol Science and Technology 巻: 57 号: 8 ページ: 758-768
  • DOI: 10.1080/02786826.2023.2221726
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative influences of interannual variations in meteorological factors on surface ozone concentration in the hot summer of 2018 in Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Kajino, M., A. Kamada, N. Tanji, M. Kuramochi, M. Deushi, and T. Maki
  • 雑誌名: Atmos. Environ: X 巻: 16 ページ: 100191-100191
  • DOI: 10.1016/j.aeaoa.2022.100191
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reassessment of the radiocesium resuspension flux from contaminated ground surfaces in eastern Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Kajino Mizuo、Watanabe Akira、Ishizuka Masahide、Kita Kazuyuki、Zaizen Yuji、Kinase Takeshi、Hirai Rikuya、Konnai Kakeru、Saya Akane、Iwaoka Kazuki、Shiroma Yoshitaka、Hasegawa Hidenao、Akata Naofumi、Hosoda Masahiro、Tokonami Shinji、Igarashi Yasuhito
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 22 号: 2 ページ: 783-803
  • DOI: 10.5194/acp-22-783-2022
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Contribution of Physical and Chemical Properties to Dithiothreitol-Measured Oxidative Potentials of Atmospheric Aerosol Particles at Urban and Rural Sites in Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Kurihara Kazuki、Iwata Ayumi、Murray Horwitz Samuel Gray、Ogane Kako、Sugioka Tomoki、Matsuki Atsushi、Okuda Tomoaki
  • 雑誌名: Atmosphere 巻: 13 号: 2 ページ: 319-319
  • DOI: 10.3390/atmos13020319
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of Elemental Composition and Valence State of Cyclone-collected Aerosol Particles Using EDXRF and XAFS at Three Sites in Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Jing Weidong、Saito Katsutomo、Okamoto Takuma、Saito Hibiki、Sugimoto Kazuki、Nishita-Hara Chiharu、Hara Keiichiro、Hayashi Masahiko、Hasegawa Shuichi、Okuda Tomoaki
  • 雑誌名: Asian Journal of Atmospheric Environment 巻: 16 号: 2 ページ: 27-45
  • DOI: 10.5572/ajae.2021.137
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Comparison of three aerosol representations of NHM-Chem (v1.0) for the simulations of air quality and climate-relevant variables. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kajino, M., Deushi, M., Sekitama, T., T., Oshima, N., Yumimoto, K., Tanaka, T., Y., Ching, J., Hashimoto, A., Yamamoto, T., Ikegami, M., Kamada, A., Miyashita, M., Inomata, Y., Shima, S., Khatri, P., Shimizu, A., Irie, H., Adachi, K., Zaizen, Y., Igarashi, Y., Ueda, H., Maki, T., Mikami, M,
  • 雑誌名: Geoscientific Model Development 巻: 14 号: 4 ページ: 2235-2264
  • DOI: 10.5194/gmd-14-2235-2021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lung deposited surface area of atmospheric aerosol particles at three observatories in Japan (2021)
  • 著者名/発表者名: Kurihara Kazuki、Iwata Ayumi、Kiriya Miho、Yoshino Ayako、Takami Akinori、Matsuki Atsushi、Nishita-Hara Chiharu、Hara Keiichiro、Hayashi Masahiko、Kaneyasu Naoki、Seto Takafumi、Fujitani Yuji、Funato Koji、Inoue Kozo、Okuda Tomoaki
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 262 ページ: 118597-118597
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2021.118597
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of A Low-Cost Simultaneous Low Volume Air Sampler Controlled with Sonic Venturi (2021)
  • 著者名/発表者名: Alimov Zikrilla Bobamuratovich、Kusakari Hikaru、Okuda Tomoaki
  • 雑誌名: Asian Journal of Atmospheric Environment 巻: 15 号: 1 ページ: 52-67
  • DOI: 10.5572/ajae.2020.072
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Theoretical and field evaluation of a PM2.5 high-volume impactor inlet design (2021)
  • 著者名/発表者名: Patel Prashant、Aggarwal Shankar G.、Tsai Chuen-Jinn、Okuda Tomoaki
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 244 ページ: 117811-117811
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2020.117811
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Deposition and Dispersion of Radio‐Cesium Released due to the Fukushima Nuclear Accident: 2. Sensitivity to Aerosol Microphysical Properties of Cs‐Bearing Microparticles (CsMPs) (2021)
  • 著者名/発表者名: Kajino Mizuo、Adachi Kouji、Igarashi Yasuhito、Satou Yukihiko、Sawada Morihiro、Thomas Sekiyama Tsuyoshi、Zaizen Yuji、Saya Akane、Tsuruta Haruo、Moriguchi Yuichi
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 126 号: 1 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1029/2020jd033460
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simulation of the transition metal based cumulative oxidative potential in East Asia and its emission sources in Japan (2021)
  • 著者名/発表者名: Mizuo Kajino, Hiroyuki Hagino, Yuji Fujitani, Tazuko Morikawa, Tetsuo Fukui, Kazunari Onishi, Tomoaki Okuda & Yasuhito Igarashi
  • 雑誌名: Scientific reports 巻: 11 号: 1 ページ: 6550-6550
  • DOI: 10.1038/s41598-021-85894-z
  • NAID: 120007017209
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Modeling Transition Metals in East Asia and Japan and Its Emission Sources. (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizuo Kajino, Hiroyuki Hagino, Yuji Fujitani, Tazuko Morikawa, Tetsuo Fukui, Kazunari Onishi, Tomoaki Okuda, Tomoki Kajikawa, Yasuhito Igarashi.
  • 雑誌名: GeoHealth 巻: 4-9 号: 9 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1029/2020gh000259
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] エアロゾル粒子の肺内輸送現象の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三谷亮介、大﨑修司、仲村英也、綿野哲、Muhammad Aiman Mohd Nor、森樹大、奥田知明
  • 学会等名: 混相流シンポジウム2023、北海道大学、北海道札幌市
• [学会発表] 実環境大気中サブミクロンエアロゾル粒子の帯電状態の測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥田知明
  • 学会等名: 第40回エアロゾル科学・技術研究討論会、美喜仁桐生文化会館、群馬県桐生市
  • 招待講演
• [学会発表] 粉末吸入製剤における帯電による粒子残留現象の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三谷亮介、飯沼拓人、大﨑修司、仲村英也、綿野哲、Muhammad Aiman Mohd Nor、森樹大、奥田知明
  • 学会等名: 第40回エアロゾル科学・技術研究討論会、美喜仁桐生文化会館、群馬県桐生市
• [学会発表] 横浜、能登における氷晶核粒子濃度に対する粒子組成および熱感受性生物起源粒子の寄与 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岩田歩、Samuel Gray MURRAY HORWITZ、栗原一嘉、松木篤、奥田知明
  • 学会等名: 第64回大気環境学会年会、国立研究開発法人産業技術総合研究所 つくばセンター 共用講堂、茨城県つくば市
• [学会発表] 都市域における帯電粒子の数濃度分布の季節変化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森樹大、石井悠人、岩田歩、奥田知明
  • 学会等名: 第64回大気環境学会年会、国立研究開発法人産業技術総合研究所 つくばセンター 共用講堂、茨城県つくば市
• [学会発表] 粉末吸入製剤における粒子帯電現象の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三谷亮介、飯沼拓人、Muhammad Aiman Mohd Nor、森樹大、奥田知明
  • 学会等名: 粉体工学会2023年度秋期研究発表会、インテックス大阪、大阪府大阪市
• [学会発表] 帯電性粒子の肺内沈着挙動の数値解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三谷亮介、飯沼拓人、Muhammad Aiman Mohd Nor、森樹大、奥田知明
  • 学会等名: 化学工学会第89回年会、大阪公立大学、大阪府堺市
• [学会発表] Observation of atmospheric particle electrostatic charging states in urban and rural regions (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishii, Y., Mori, T., Iwata, A., Miki, K., Matsuki, A., Okuda, T.
  • 学会等名: American Association for Aerosol Research 40th Annual Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of the charging state of radioactive Cs particles using kelvin probe force microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinke, Y., Mori, T., Iwata, A., Kurosawa, K., Inagaki, M., Sekimoto, S., Takamiya, K., Oki, Y., Ohtsuki, T., Igarashi, Y., Okuda, T.
  • 学会等名: American Association for Aerosol Research 40th Annual Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 粒子沈着評価装置におけるPM2.5挙動の数値シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤間 葉子，難波江 佑介，岩田 歩，石戸谷 澪，奥田 知明，深潟 康二
  • 学会等名: 日本流体力学会年会2022
• [学会発表] KPFM法を用いた個別粒子の帯電状態解明方法の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 新家雪実、岩田歩、黒澤景一、森樹大、奥田知明
  • 学会等名: 第39回エアロゾル科学・技術研究討論会
• [学会発表] Numerical simulations of fine particles issued into containers (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤間葉子，矢島康太郎，新井梨乃，難波江佑介，深潟康二
  • 学会等名: 第25回乱流制御研究会
• [学会発表] エアロゾル粒子の気道模型に対する沈着率の検証 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石戸谷澪、岩田歩、奥田知明
  • 学会等名: 第62回大気環境学会年会
• [学会発表] 放射性物質の輸送・沈着モデルの進化と有用性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 梶野瑞王、森野悠
  • 学会等名: 東京電力福島第一原子力発電所事故による放射能大気環境汚染 ―これまでとこれから―
  • 招待講演
• [学会発表] Deposition, dispersion, and re-suspension of radiocesium in East Japan (2021)
  • 著者名/発表者名: Kajino, M., et al.
  • 学会等名: Fukushima and the Ocean
  • 国際学会
• [学会発表] 乱流場におけるPM2.5 の壁面への沈着挙動の数値モデリング (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤間 葉子，新井 梨乃，難波江 佑介，深潟 康二
  • 学会等名: 日本機械学会関東学生会第60回学生員卒業研究発表講演会
• [学会発表] Relationship between electrostatic charging variations of atmospheric sub-micron particles and meteorological condition (2020)
  • 著者名/発表者名: Iwata, A., Tabata, R., Fujioka, K., Yonemichi, T., Fukagata, K., Okuda, T.
  • 学会等名: European Aerosol Conference 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of the electrostatic charging state of combustion particle using Tandem DMA (2020)
  • 著者名/発表者名: Muramatsu, R., Iwata, A., Okuda, T.
  • 学会等名: European Aerosol Conference 2020
  • 国際学会
• [備考]
  • URL: https://www.applc.keio.ac.jp/~okuda/research/theme/charge.html
• [備考] 慶應義塾大学 理工学部 応用化学科 環境化学研究室：粒子の帯電状態
  • URL: https://www.applc.keio.ac.jp/~okuda/research/theme/charge.html