地質ニュース631号，19 ― 23頁，2007年3月
Chishitsu News no.631, p.19 ― 23, March, 2007

コロイドを観察・分離する分析法について

金（2）走査型電子顕微鏡

1．はじめに井豊 1）

SEM○ 表面の3次元観察ができる．フィルター上で測定でコロイドの分析では，どのような種類のコロイドがどきる．5 nm 以上のコロイドに適用可能．大きさ・のくらい存在しているのかということのみならず，コロ数・構 造 がわかる．エネルギー分 散 型 分 光 計

イドとしての特性を発揮してどの程度の特性強度を有（EDS）を併用すると元素組成もわかる．

しているのか，といったことについても知る必要があ● 超高真空を必要とし，水のない状態で測定しなける．これは特に「コロイド特性把握」という観点から，ればならない．導電性物質でコーティングしなけれフィールドでのコロイド調査項目を決める上で重要なばならない．高エネルギー電子との相互作用によことであろう．しかし，まず初段階として，コロイドの大り構造変化・原子の気化が起こる．1−10 nm程度

きさ・形に関する情報を得ることと，その組成，濃度の情報は不正確といわれる．

を知ることが必要である．これらの分析方法は，目的（3）原子間力顕微鏡や対象によって種々あるためそのすべてを尽くすこと○ 導電性物質でコーティングする必要がない．非破は困難であるが，大きく分けて顕微鏡などを用いる観壊分析法で，3 次元の表面マッピングが可能．鉛察法と，濾過装置等を用いる分離法とがあり，その一直情報は信頼性高いが水平方向はチップに依存．

部を以下に紹介するが，実際にはこれらを幾つか組

大 気 圧 下 で測 定 可 能 ．室 温・水 中 でも可 能み合わせて行われていることが多い．

AFM（Plaschke et al., 1999）．
● 水平方向の情報はチップに依存する．時間がかかる．数が少ないため統計的問題を生ずる．

2．観察法による分析（4）静的光散乱法

観察法で用いられる装置・手法には，比較的大がかりな装置で物理化学的手法を用いるものが多い．
透 過 型 電 子 顕 微 鏡（ T E M ），走 査 型 電 子 顕 微 鏡（SEM），原子間力顕微鏡（AFM），静的光散乱法（SLS），単粒子計測法（SPC），動的光散乱法（光子相関分光法）（DLS，PCS），レーザー誘起ブレークダウ
ン検出法（LIBD）等があり，それぞれ長所（○），短所（●）がある．以下に個々の手法を概観していく．

SLS（コロイド溶液の散乱光強度をレイリーやミーの散乱理論に基づいて解析）○ その場分析，系を乱さない，非破壊分析法．迅速．
● 分布が複雑だと難しい，化学情報は得られない（Ranville et al.,1999）．
（5）単粒子計測法

SPC（光束の中を粒子が流れ，その散乱から粒子一つ一つを観測）

TEM○ 50nm以上ならば104/mlでも検出可能（Rosse and○ 高分解能（0.1nm）である．

Loizeau, 2003）．その場分析，系を乱さない，非破（1）透過型電子顕微鏡● 超高真空を必要とし，水のある状態で測定は不可能．導電性物質でコーティングしなければならな
い．3次元情報は不正確．
1）産総研 深部地質環境研究センター

2007 年 3 月号

壊分析法．絶対数濃度測定ができる．
● 6サイズ分け（Degueldre et al, 1989），13サイズ分け（Wieland and Spieler, 2001），19 サイズ分け
キーワード：コロイド，分析法，特性把握，観察法，分離法

金 井― 20 ―豊（Rosse and Loizeau, 2003）等の研究例があるが，（Ranville et al., 1999）．最初の状態を攪乱．高密サブミクロン粒径からしか有効でない．

度な小粒子と大きな低密度粒子とが混じる．凝集（6）動的光散乱法（光子相関分光法） PCS（ブラウン運動の揺らぎを散乱光強度の揺らぎから解析）の可能性．
（2）濾過法（限外濾過） UF○ 多分散や不均質性を減じて，フラクション分けし，○ その場分析，系を乱さない，非破壊分析法．測定後に鉱物・化学分析に使用可能．校正用の標準不要．単分散系に有効．

化学分析が可能．
● 最初の状態を攪乱．有効孔サイズが定量的でなく，分解能が悪い．フィルターへの吸着，汚染の可● 感度が粒径に大きく依存（100nm以下だと感度悪能性．

い），分布が複雑だと難しい（均一な形・屈折率を（3）沈降法

仮定），大粒子，高濃度向き．大きな粒径は過剰○ フラクション分けし，化学分析が可能．

評価となる傾向（Plaschke et al., 2001）．

● 最初の状態を攪乱．時間がかかる．密度が必要．

（7）レーザー誘起ブレークダウン検出法

LIBD（パルスレーザーの焦点内の粒子にプラズマを形成させ衝撃波を検出）○ その場分析，系を乱さない，ダイナミックレンジが（4）Field flow fractionation（作用場流動分別）
FFF（作用場との相互作用による粒子の定常的濃度分布と移動相の層流によって分離）

広い（5−1,000 nm），高感度．濃度範囲（1 ppt−数○ 多分散や不均質性を減じて，フラクション分けし，ppm）が広い．10nmならば104/mlでも測定可能．

化学分析が可能．高分解能で，質量に基づく分5nm・pptまで可能（Walter, 2003）．

離，数学的に質量や半径を解釈できる．少量試● 破壊分析法（わずかな部分，10 5 個にすぎない料で可能（10μ ）．

が）．光子フルエンスのデータが必要（Walter,● 最初の状態を攪乱．定量性は検出器の感度に依2002）．標準物質による校正が必要（他の物質で存．少量試料のため高感度分析が必要．鉄がチは2倍ほどの誤差が出る）．

ャンネル表面に吸着したり，装置部品からSi・Alが流出して検出感度を低下させる（Geckeis et al.,

このほかにも，コロイド溶液の回折光を利用したレ2003）．

ーザー回折法があるという．これらの多くの方法は，粒子の持つ物理化学的な相互作用を利用している．

これらの中でFFFは興味深いので，もう少し詳しく触れてみる．FFFはJ.C.Giddings（1966）が1966年に3．分離を伴う分析発見した手法で，大きな分子から粒子までを大きさで分離することができる．クロマトグラフィと似ているが，一方，粒子を大きさで分離する手法としては，遠心クロマトグラフィが2相間の相互作用で分離するのに分離法，限外濾過，沈降法，作用場流動分別（FFF）

対し，FFFは一つの相で分離する．主要なメカニズム等がある．なお，本特集号の「自然界でのコロイドのを第1 図に示したが，管中の流路の速度分布は中央概要とその特性について」（金井, 2007）においてコロ部が大きい放物線状となるので，異なる位置に分布イド粒子の大きさを示した第1 図では，分離法としてした粒子が異なる速度で運搬されて分離される．こ用いられる濾過膜の種類と適用範囲を示してある．のときに場がかけられていると，粒子との相互作用で（1）遠心分離法

位置が移動して粒子毎の大きな分離となる．外部か（回転場における遠心力を利用し粒子の沈降速度を上昇させ，沈降速度を解析）ら作用する場の種類により，遠心場（sedimentation
FFF, SdFFF），電気的（Electrical FFF, ElFFF），温度○ 目詰まりがない．多分散や不均質性を減じて，フ勾配（Thermal FFF, ThFFF），クロスフロー（Flow

ラクション分けし，化学分析が可能．濾過などのFFF, FlFFF; FFFF）などがある．高分解能であること際のコンタミネーションが避けられる．

から，今後様々な利用が期待されており，コロイド分● 分 解 能 が 悪 く時 間 が か かり繰 り返 しが 必 要

野での利用も多い（例えば，Taylor et al ., 1992;
地質ニュース 631 号コロイドを観察・分離する分析法について― 21 ―

第1図 FFFの説明図．
外部の場の相互作用で粒径毎に異なる位置に移動し，流路の中の速度の違いで分離される．

Ranville et al., 1999; Geckeis et al., 2003など）．変わっ

乾燥するため凝集する可能性がある．更に，高エネた応用例では，ガン細胞と正常細胞とを分離した研

ルギー電子を照射するため，それとの相互作用で構究例も紹介されている（手嶋, 2000）．

造変化・原子の気化等が起こり，試料を破壊してしま

これらの分離法では，検出感度はいずれも検出手う．AFM は表面研究に有効であり，室温，大気中・法に依存するものの，分離後に化学分析が可能であ水中でも測定可能で，しかも非破壊で測定が可能でるため，同定が容易になる．また，元の試料を粒径ごあるが，平らな面に載せることが必要である．Th（OH）とに分けているために破壊的であるが，その後の操4作の前処理としての有効性が高い．

4−5 nmに凝集しており，一方ThO2 コロイドでは水平のAFM観察結果では，水平方向60 nm，鉛直方向方向170nm，鉛直方向20−50nmであることを示した．

4．コロイドの分析例

レーザー誘起ブレークダウン検出法（LIBD）はその場分析ができて，カバーする粒径範囲（5−1,000nm），濃分析手法にはそれぞれ一長一短があることから，度範囲（1 ppt−数 ppm）ともにダイナミックレンジが広実際のコロイドを分析する場合，これまでに述べた手い．高感度であり，例えば10nmの粒子なら104 個/ml法を幾つか併用することが多い．以下に実際に分析でも測定可能．系を乱さない．試料をプラズマ状態手法を比較検討した例を示す．
トリウムの水酸化物Th（OH）4 はコロイド状態となりやすく，Walter（2003）はこのトリウムコロイドを用いてにしてしまう破壊分析法ではあるが，それは一部分（105 個）にすぎない．これらの幾つかの手法を組み合わせることの重要性を述べている．

光子相関分光法（PCS），電子顕微鏡（EM），原子間ベントナイトコロイドを試料として用いてPlaschke et力顕微鏡（AFM）を比較検討している．PCSは系を攪al（2001）.
はAFM，LIBD，PCS，フローフィールドフロ

乱せずに非破壊でその場分析が可能であるが，感度ーフラクショネーション（ F F F F ）- I C P 質 量 分 析 計

が粒径に大きく依存しており，また計算モデルでは均（ICPMS）の比較を行っている．AFMではディスク様一な形・屈折率を仮定しているので分布が複雑だとの形で平均高/半径比（アスペクト比）は約1/10とされ算出が困難である．EMは内部構造等のナノシステムた．AFM では走査型電子顕微鏡（SEM）と同様にの研究に有効だが，超高真空を必要とし，乾燥・電形・幾何学的形状を直接示しており，73nmの半径が導物質のコーティング等の試料調製が必要で，そのた求まった．LIBD（67±13nm），FFFF-ICPMS（最大〜めコロイドの系を乱している．EMでは試料調製中に70nm）もAFMと良く一致した．これらはポリスチレン

2007 年 3 月号

― 22 ―

金 井豊

標準試料でサイズ校正され，それとの比較である．

つの前処理手段としてCFF：cross-flow-filtration（tan-PCSでは幾分高めに出た．AFM，LIBDは数加重平gential-flow-filtration）が使用されることがある．これ

均半径，FFF-LLS，PCSは強度加重平均半径，FFFF-は，試料液を循環させる間に分離膜を通して微粒子

ICPMSは質量加重平均半径となる．と溶液とをそれぞれ分離し，濃縮していくものであ同様にFilella et al（1997）.
は天然系に適用する際る．コロイド分析法とは少し異なるが，コロイド濃縮法の利点・欠点をPCSについて検討している．本法はとして有用と考えられるため，ここで少し触れておこ攪乱が無く簡便であるが，大きさ・形態・組成が非常う．に不均質な天然の系では困難なことが多く，分別するか，他の方法との併用を勧めている．

Buesseler et al（1995）は海水中の有機炭素濃縮の目的のために，14 の異なるCFF システムを内部比較

Ranville et al（1999）.
は土壌コロイドをsed-FFFでした．その結果，メンブランフィルターの吸着や装置分析し，小粒子と大粒子に鉄を含む相があること，まからの汚染を考慮して，装置の洗浄を十分に行うこた，カオリン，バーミキュライト，イライトの存在量はサと，プレコンディショニングが終わったら直ちに始めるイズによって異なっていることを示した．FFFの精度こと，などを指摘している．マスバランスやブランクテはそれに続く検出器に依存しており，Plaschke et al.

ストも有効である．時系列に沿った試料採取は，汚染（2001）はFFFの検出器としてLLS（散乱光）とICP-MSや最適実験条件，マスバランスや溶質，コロイドの定とを用いて検討した．LLS では大粒子ほど感度が大量にも必要であり，いつの時点でどのように採取されきいためピークは大きい方にずれるが，ICP-MSではたかを記録に残し明らかにしておくべきである．また，質量加重平均濃度を示すため，AFMなどの結果と良フィルターのcut-off（フィルターによって実際に分画さい一致を見せることを示した．しかし，コンタミネーシれる大きさ）を標準試料で確認する必要がある．更ョンで感度が低下することがあるとしている．Taylorに，天然試料での適用においては，実験の設計や条et al（1992）.
でもSed-FFFの元素検出にICP-MSを使件をきめ細かに記録・報告することが必要とされる．

用している．また，Geckeis et al（2003）.
も，スメクタイ

Wilding et al（2004）.
は公称1kDa（ダルトン：分子トコロイドのFFFF分析で検出器にLLSとICP-MSと量の大きさを示す）の膜を0.3，1.3，3.5kDaの標準試を使用して比較しており，Plaschke et al（2001）.と同料で検討し，2.1−2.5 kDaあたりのcut-offと推定して様にLLS は大きな粒子を過大評価するためICP-MSいる．低分子量物質の残留を減らすには，高濃縮すの方が信頼性があるとした．また，試料が少量でも良るか長時間の稼働を勧めるが，高分子量物質のブレいが薄まるために高感度分析の必要性と，セラミックークスルーも起こるため，濃縮度（CF）＝10−15当た使用によるAl・Si のコンタミネーションのため感度がりが両者の分離に最適としている．

低下することを指摘している．また，アルカリ抽出した

Eyrolle and Chamasson（2000）はZartoriusのCFF

フミン酸コロイドをFFFF分析した場合，鉄（一部微量を使用してサイズの選択性，コンタミネーション，吸元素も）がチャンネル表面に吸着して回収率が低下し着・凝集について，実際の河川水・海水を用いて検たことを報告している．FFFの研究例として，Beckett

討している．フィルターからは未使用のみならず使用

et al（1990）.
は，オーストラリアの河川水中から得たコ済みのフィルターからも有機物が溶出する．酸性溶液

ロイド物質の吸着密度分布を研究し，細粒ほど吸着では無機元素の汚染が起こる可能性がある．このた量が大きいこと，表面積当たりのオルトリン酸の吸着め，分析システムを試料でコンディショニングしておく量は粒径に依らないこと，などを示している．

ことがよいとしている．更にマスバランスの計算をして分別がうまくいっているかチェックする必要を指摘

5．多量の天然試料を扱う濃縮操作

している．
濾過法は簡便であるため，試料の前処理として使天然中のコロイド粒子は低濃度であると推定され，用されることも多い．しかし，様々な問題点もある．

これまでに述べてきたような分析手法がそのまま使その一つが目詰まりである．Salbu et al（1985）.
は濾用できるとは限らない．そうした場合，大量の試料過にNucleopore の膜とMillipore の膜とを比較し，（10−1,000リットル）を濃縮処理する必要があるが，一0.40μmフィルターでは100−200mlまではよいが，500
地質ニュース 631 号

コロイドを観察・分離する分析法について

ml濾過すると目詰まりで0.1μmと同じになるとし，多量の時はMilliporeの膜の方がよいが，1,000 mlになるとMilliporeもだめであったという．
Karlsson et al（1994）.
は加圧式のスクリーンフィル
ターで湖水を濾過し，フィルター面での粒子の蓄積によって有効な孔径が減少し，47mmφの0.40μmフィルターで 100 mg/l の懸濁液 100 ml を濾過すると，0.015μmと同じになることを示している．また，濾過は簡便であるものの，濾過装置への吸着によるロス，操作中のコンタミネーションなどの危険性から，注意深
い洗浄とコンディショニングが必要であるとしている．

6．終わりにコロイドの分析法は多種・多様であり，最適な分析法というものはない．特に天然の系のように他種類の粒子が混在している場合には，幾つかの手法を組み合わせて分析するのが望ましい．また，コロイドの濃度が低く検出が困難な場合には，濃縮操作も必要となるが，その際のフィルターサイズの選択性，コンタミネーション，吸着等に留意しなければならない．また，コロイドがそうした操作中に，凝集や変質等が起こらないような条件を設定することも必要である．天然のコロイドを扱うことの難しさがここにあるのであろう．
文献Beckett, R., Hotchin, D.M. and Hart, B.T.（1990）：Use of field-flow
fractionation to study pollutant-colloid interactions. J. Chromatogr., 517, 435−447.
Buesseler, K.O., Bauer, J.E., Chen, R.F., Eglinton, T.I., Gustafsson,O., Landing, W., Mopper,K., Moran, S.B., Santschi, P.H., VernonClark, R. and Wells, M.L.（1995）：An intercomparison ofcross-flow filtration techniques used for sampling marine colloids: Overview and organic carbon results. Marine Chem., 55,1−31.
Degueldre, C., Baeyens, B. and Goerlich, W.（1989）：Colloids inwater from a subsurface fracture in granitic rock, Grimsel TestSite, Switzerland. Geochim. Cosmochim. Acta, 53, 603−610.
Eyrolle, F. and Chamasson, S.（2000）：Ultrafiltration large volumes
for the determination of colloidally bound artificial radionuclides in natural waters. Applied Radiation and Isotopes, 52,927−936.
Filella, M., Zhang, J., Newman, M.E. and Buffle, J.（1997）：Analyticalapplications of photon correlation spectroscopy for size distribution measurements of natural colloidal suspensions: capabilities and limitations. Colloids and Surfaces A, 120, 27−46.
Geckeis, H., Manh, Th.N., Bouby, M. and Kim, J.I.（2003）：Aquatic2007 年 3 月号

― 23 ―

colloids relevant to radionuclide migration: characterization bysize fractionation and ICP-mass spectrometric detection. Coll.
Surf. A, 217, 101−108.
Giddings, J.C.（1966）：A new separation concept based on a couplingof concentration and flow nonuniformities. Sep. Sci., 1, 123−125.
金井 豊（2007）：自然界でのコロイドの概要とその特性について．
地質ニュース，no.631，7−9.
Karlsson, S., Peterson, A., Hakansson, K. and Ledin, A.（1994）：
Fractionation of trace metals in surface water with screen filters.
The Science of the Total Environment, 149, 215−223.
Plaschke, M., Romer, J., Klenze, R. and Kim, J.I.（1999）：In situ
AFM study of sorbed humic acid colloids at different pH. Colloids and Surfaces A, 160, 269−279.
Plaschke, M., Schafer, T., Bundschuh, T., Manh, Th.N., Knopp, R.,
Geckeis, H. and Kim, J.I.（2001）：Size charcterization of bentonite colloids by different methods. Anal. Chem., 73, 4338−4347.
Ranville, J.F., Chittleborough, D.J., Shanks, F., Morrison, R.J.S.,
Harris, T., Doss, F. and Beckett, R.（1999）：Development ofsedimentation field-fow fractionation - inductively coupled plasma mass-spectrometry for the characterization of environmental colloids. Anal.Chim.Acta, 381, 315−329.
Rosse, P. and Loizeau, J.L.（2003）：Use of single particle counters ofthe determination of the number and size distribution of colloids
in natural surface waters. Colloids and Surfaces A, 217, 109−120.
Salbu, B., Bjornstad, H.E., Lindstrom, N.S., Lydersen, E., Brevik,E.M., Rambaek, J.P. and Paks, E.P.（1985）：Size fractionation
techniques in the determination of elements associated withparticulate or colloidal material in fresh waters. Talanta, 32,907−913.
Taylor, H.E., Garbarino, J.R., Murphy, D.M. and Beckett, R.（1992）：
Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry as an ElementSpecific Detector for Field-Flow-Fractionation Particle Separation. Anal. Chem., 64, 2036−2041.
手嶋紀雄（2000）：誘電泳動／重力場フィールドフローフラクショネー
ション法によるがん細胞の分離．ぶんせき，2000, 344.
Walter, C.（2002）：Laser induced breakdown detection for the assessment of colloid mediated radionuclide migration. Nuclear Instruments and Methods in Physical Research, 195, 374−388.
Walter, C.（2003）：Comparison of colloid investigations by single particle analytical techniques - a case study on thorium-oxyhydroxides. Colloids and Surfaces A, 217, 81−92.
Wieland, E. and Spieler, P.（2001）：Colloids in the mortar backfill ofa cementitious repository for radioactive waste. Waste Manage. 21, 511−523.
Wilding, A., Liu, R. and Zhou, J.L.（2004）：Validation of cross-flow
ultrafiltration for sampling of colloidal particles from aquaticsystems. Journal of Colloid and Interface Science, 280, 102−112.

K ANAI Yutaka（2007）：Review of analytical methods（observation, separation）of colloidal materials.

＜受付：2006年11月30日＞