Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

本サブテーマは高面分解能TOF-SIMSをディーゼルナノ粒子の無機成分分析に応用した。TOF-SIMSの分野にとっても初のケースであった。空気力学粒径50 nmの粒子まで個別に成分を可視化することができたことは表面分析の分野では大きな進歩といえる。なぜならば、この領域で成分マッピングを行うことができる方法はオージェ電子顕微鏡(SAM)等のごく限られた電子分光法しかなかったからである。SAMでは元素情報しか得られず、化合物や有機物の情報は得られない。また、基本的に1測定1元素であり、分析には大変時間がかかる。この点、TOF-SIMSでは元素のみならず、化合物や有機物の情報も得ることができ、また、多成分同時マッピングが可能なため、分析のスループットは高い。

また、1画面に多くの粒子を含むマップ画像から画像処理によって個々の粒子の質量スペクトルを抽出し、組成パラメータを作成、クラスター分析により粒子をタイプ別に分類するという手順は個別粒子分析が最も苦手とする統計的情報（バルク的な情報）を得る手段として確立することができた。このように、方法論として幾つかの重要な進捗が見られた。

この手法を用いて分析した結果は、ディーゼルナノ粒子の混合状態（内部混合、外部混合の別）や粒子の表面・内部の組成の違いを明らかにした点においてはこれまでにない情報を与えた。こうした知見はナノ粒子の発生メカニズムや人体影響を議論するうえで基礎的なものの一つになるであろう。これまでの延長線上ではなく、新しい方向からディーゼルナノ粒子の素性に関して得た情報の科学的意義は一定の利用価値が今後出てくると考えられる。

## （２）環境政策への貢献

＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

ディーゼル粒子の内部混合状態の把握のため、高面分解能TOF-SIMSを用いた手法を確立できた。今後はディーゼル粒子だけでなく、他の粒子種に本手法を適用することで新たな知見が得られ、様々な場面で環境政策へ貢献できると考えられる。

### 6. 国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

特に記載すべき事項はない

## <査読付論文に準ずる成果発表>

特に記載すべき事項はない
## くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1）坂本哲夫、三澤健太郎、藤谷雄二：日本化学会第92春季年会（2012）「高分解能TOF-SIMSによるディーゼルナノ粒子の粒別分析」

2) Tetsuo SAKAMOTO, Kentaro MISAWA and Yuji FUJITANI: International Symposium on Aerosols in East Asia and Their Impacts on Plants and Human Health (2012)

“Individual analysis of diesel nano-particles using high resolution TOF-SIMS”

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない

## （４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

特に記載すべき事項はない

## （５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない

## （6） その他

特に記載すべき事項はない

### 8 \. 引用文献

特に記載すべき事項はない
(3) ディーゼルナノ粒子の内部構造分析 (有機)

東京工業大学 資源化学研究所 三澤 健太郎

平成22～24年度累計予算額：19,654千円（うち、平成24年度予算額：4,999千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

ディーゼル微粒子に含まれており健康影響を与えると考えられる有機化合物である揮発性有機化合物(Volatile Organic Compounds: VOCs)、多環芳香族炭化水素(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: PAHs)、キノン類について、266nmと118nmの2種類のレーザー波長を用いて各化合物の標準ガスのレーザーイオン化を試みその検出感度を比較した。266nmレーザーによるイオン化では、多くのVOCsやPAHについて数10ppbv程度の検出感度が得られたもののキノン類については全くイオン化することができなかった。一方、118nmレーザーによるイオン化では、VOCsについては数10～数100ppbv程度、PAHsやキノン類ついては数100ppbv～数ppmv程度の検出感度であった。比較した結果、検出感度の高い266nmレーザーでのイオン化法を集束イオンビーム/二次イオン質量分析（Focused Ion Beam / Secondary Ion Mass Spectrometry : FIB-SIMS）と組み合わせることとした。

次にこの方法を用いて実際のディーゼル微粒子中の有機化合物検出を試みたところ、有機化合物であるピレンのピークが検出され、ディーゼル微粒子分析におけるレーザーイオン化の有効性が示された。さらに、ディーゼル微粒子中の有機化合物の質量マッピングを試みたが、明瞭な質量マッピング像を得ることはできなかった。そこで装置改良し検出感度の向上、ノイズ軽減を行った。改良した装置を用いて、ディーゼル微粒子と同様の有機化合物が含まれると期待されるたばこ灰の質量マッピングを行ったところ数種の有機化合物の質量マッピング像が得られた。しかし同様の方法でディーゼル微粒子の質量マッピングを試みたところ明瞭な画像は観測されなかった。これはディーゼル微粒子ではたばこ灰と比べて有機化合物の含有量が少なく、また、他と比べて格段に濃度が濃い部分が無く有機化合物が全体に薄く広がっているためであると考えられる。

[キーワード] レーザーイオン化、有機化合物、FIB-SIMS、ディーゼルナノ粒子

### 1. はじめに

近年、微小粒子状物質PM $ _{2.5} $ などの健康影響が注目されており、その疫学的研究が精力的に行われているとともに、様々な分析手法によりその化学組成や化学的性質に関する研究も盛んにおこなわれている。しかし、粒子を長時間かけてサンプリングしその中の化合物を抽出、分離、濃縮して分析するような多数の粒子集団を対象とした分析研究は多いものの、粒子1つ1つの化学組成や内部構造を分析するような研究例はほとんどない。なぜなら、粒子1つ1つを個別に分析できる分析手法が存在しないからである。1つ1つの粒子を詳細に分析することができれば、それらの粒子の毒性や生成条件などを詳細に議論することが可能となるが、そのような研究はいまだ数少ないというのが現状である。
共同研究者である工学院大学の坂本らは集束イオンビーム/二次イオン質量分析(FIB-SIMS)を利用し40 nm程度の分解能で単一微粒子の内部構造を明らかにできる新たな分析装置を開発した $ ^{1)} $ 。また、従来FIB-SIMSでは有機化合物の分析は困難であったが、特定の波長を使用することで特定の化合物を選択的に効率よくイオン化することのできるレーザーイオン化と組み合わせることによって、微粒子に含まれる有機化合物の分析も可能となった $ ^{2),3)} $ 。この装置を利用すれば、単一微粒子内の化学組成や内部構造を明らかにすることができる。

## 2 ．研究開発目的

本研究ではFIB-SIMSとレーザーイオン化を組み合わせた新規の分析装置を用いて、ディーゼルナノ粒子の内部構造解析を行った。本サブテーマではその中でも特に有機化合物の検出を中心に研究を行った。具体的には、①ディーゼル微粒子中の有機化合物を検出するのに最も有効なレーザー波長の選定、②FIB-SIMSと組み合わせた時に効率よく有機化合物を検出できるレーザーシステム条件の決定、③FIB-SIMSとレーザーイオン化を組み合わせた分析手法による実ディーゼル微粒子中の有機化合物の分析、の3点を目的として研究を行った。

## 3 ．研究開発方法

ディーゼルナノ粒子に含まれると考えられる有機化合物をイオン化するのに適したレーザー波長をそれぞれの化合物の検出感度を決定することにより選定した。試料したレーザーの波長は266nmおよび118nmの2種類である。266nmの波長は固体レーザーであるNd:YAGレーザー(1064nm)を非線形光学結晶(LBO結晶およびBBO結晶)によって4倍波とすることによって得た。また、118nmの波長はNd:YAGレーザーを非線形光学結晶によって3倍波(355nm)としたのち、これをXeガスを入れたガスセル内でレンズにより集光することにより得た。測定対象とした化合物は揮発性有機化合物(VOCs)の一種であるベンゼンやトルエン、多環芳香族炭化水素(PAHs)の一種であるナフタレン、フェナントレン、アントラセン、ピレン、フルオランテン、キノン類の一種であるp-ベンヂキノンや1,4-ナフトキノンである。それぞれの化合物を校正用ガス調整装置であるパーミエーター(PD-1B、PD-230：ガステック)(図(3)-1)により加熱気化し一定濃度のガスを発生させ、150μm径のピンホールを通して真空装置内に導入し、これに各波長のレーザーを照射することでイオン化した。生成したイオンは飛行時間型質量分析装置により検出した。測定装置の概略図を図(3)-2に示す。ガス濃度を変化させた際のイオン信号強度の変化から検量線を作成し、検量線の傾きとイオン信号強度のバックグラウンド信号の信号/ノイズ比から検出感度を決定した。

次に、ディーゼルナノ粒子に含まれる代表的なPAHsであるピレンについて選定したレーザーを用いてレーザーイオン化を行い、その検出下限のレーザーパワーに対する依存性を検証した。上記と同様の方法で各レーザーパワーに対する検出下限を測定して比較を行った。

FIB-SIMSとレーザーイオン化法を組み合わせることにより実試料であるディーゼルナノ粒子中の有機物測定を試みた。使用した装置の外観を図(3)-3に示す。また、この際にもレーザーパワーを変化させた質量スペクトルを測定し、そのレーザーパワー依存性を検証した。また、ディーゼルナノ粒子と同様にPAHsなどの有機化合物が含まれると考えられるたばこ灰についても測定を行った。各サンプルについて数分間の積算時間での質量スペクトルの測定及び数10μm×数10μmの領域での質量マッピング測定を行った。
実試料測定に向けた感度向上および妨害信号低減のためレーザーの繰り返し周波数を上げることでイオン信号量を増加させた。また、測定条件を調整し、ノイズ源となっていたSIMS信号や揮発成分による信号を減少させた。

## 図(3)-1 校正用ガス調整装置(パーミエーター)

固体試料導入部より一定容量の容器に入った固体試料を導入し、内部高温槽にて一定温度に加熱し試料を揮発させる。固体試料の入った容器から容器外に揮発してくる試料気体の量は定温下では一定となる。これにより一定流量の空気と混合することで一定濃度の試料ガスを生成することができる。ガス流量調節部にて混合する空気の流量を調節することで試料ガスの濃度を変えることができる。濃度調節された試料ガスは試料ガス発生部より発生する。
TMP:ターボ分子ポンプ

図(3)-2 装置概略図

図(3)-3 FIB-SIMS装置外観
## 4 ．結果及び考察

各レーザー波長での各化合物の検出感度を決める前に各化合物の既知濃度標準試料を用意する必要がある。既知濃度標準試料の発生にはパーミエーターを用いるがこれを使用するには各化合物の任意の温度での拡散係数が必要となる。そこではじめに使用する各標準試料の拡散係数を実験によって決定した。パーミエーターの恒温槽内において一定容量の容器に測定する化合物の試料を入れて、一定の温度条件で試料を揮発させ単位時間当たりの試料の揮発量を測定した。揮発前後の試料容器も含めた試料の重量を秤量し、秤量する前後で減少した重量から揮発量を求めた。このようにして定温下の各化合物の拡散係数を求めた。求めた拡散係数を使用して次のように各化合物の検出感度を測定した。

266nmレーザーを用いてディーゼルナノ粒子に含まれていると考えられる有機化合物のレーザーイオン化を行いそれぞれの化合物の検出感度を決定した。以下に測定結果の一例として、PAHsの一種であるピレン( $ C_{16}H_{10} $ 、質量数202)を266nmのレーザーを用いてイオン化した結果を示す。はじめに266nmによってピレンをレーザーイオン化した際の質量スペクトルを図(3)-4に示す。横軸は質量数、縦軸はイオン信号強度である。図から、ピレンの質量数である202の位置にピークがあることが確認できる。次にこの質量数202のピークのイオン信号強度をモニターしながら試料ガスの濃度を変化させることによって、濃度変化に対するイオン信号強度変化を測定した。その結果を図(3)-5に示す。横軸は測定時間、縦軸はイオン信号強度である。はじめに3分程度1.2ppmの濃度に希釈したピレンのガスを装置に導入しイオン化したところ、そのイオン信号強度はほぼ一定となった。次に試料ガスの濃度を2.3ppmに変化させたところ、そのイオン信号強度はほぼ倍になった。その後レーザー照射を止めるとイオン信号は全く検出されなかった。このレーザー非照射の状態をバックグラウンド信号として、各濃度に対するイオン信号強度をプロットすることで検量線を作成した。バックグラウンド信号の標準偏差の3倍を検出感度と規定すると、検量線の式にバックグラウンドのイオン信号の標準偏差を検量線の式に代入することで濃度の値に変換できることから、このときの検出感度を69ppbvと決定した。この他にもPAHsとしてはナフタレン( $ C_{10}H_{8} $ 、質量数128)、フェナントレン( $ C_{14}H_{10} $ 、質量数178)、アントラセン( $ C_{14}H_{10} $ 、質量数178)、フルオランテン( $ C_{16}H_{10} $ 、質量数202)を同様の方法で測定した。その結果、これらの化合物の検出感度は数100pptv～数100ppbv程度であった(表(3)-1)。また、VOCsの一種であるベンゼン( $ C_{6}H_{6} $ 、質量数78)、トルエン( $ C_{7}H_{8} $ 、質量数92)を同様の方法で測定した。その結果、ベンゼンではイオン信号が非常に弱かったが、他の分子については数10ppbv程度の検出感度であると決定された。さらにキノン類であるp-ベンブキノン( $ C_{6}H_{4}O_{2} $ 、質量数108)や1,4-ナフトキノン( $ C_{10}H_{6}O_{2} $ 、質量数158)について同様の方法で測定したが、イオン信号は全く検出されなかった。以上のことからPAHsや多くのVOCsのレーザーイオン化には266nmが適していることが分かった。これはPAHsやVOCsが266nmの波長領域またはそれに近い領域に吸収帯を持っており、また、266nmの光子を2光子吸収することでイオン化ポテンシャル(表(3)-2)を超えるエネルギーを獲得しイオン化したと考えられる。一方、キノン類は266nm2光子分のエネルギーではイオン化ポテンシャルを超えることができないためイオン化されなかったのではないかと考えられる。また、ベンゼンは第一電子励起状態が266nmよりも短波長側(高エネルギー側)に存在するため中間状態となる適切な吸収帯が無かったためイオン化できなかったのではないかと考えられる。
図(3)-4 266nmレーザーイオン化によるピレンの質量スペクトル

図(3)-5 ピレンの濃度変化に対するイオン信号強度変化
表(3)-1 各化合物の266nmおよび118nmレーザーイオン化による検出感度

266nm	118nm
ベンゼン	10 ppmv以上	310 ppbv
トルエン	22 ppbv	59 ppbv
ナフタレン	760 pptv	583 ppbv
フェナントレン	109 ppbv
アントラセン	85 ppbv	1.5 ppmv
フルオランテン	331 ppbv	2.3 ppmv以上
ピレン	69 ppbv	2.3 ppmv以上
p-ベンゾキノン	検出不可	380 ppbv
1,4-ナフトキノン	検出不可	3.6 ppmv

表(3)-2 各化合物のイオン化ポテンシャル

266 nm = 4.66 eV, 118 nm = 10.5 eV

名前	化学式	Mass	I.P.4)
ベンゼン	C6H6	78	9.24 eV
トルエン	C7H8	92	8.83 eV
ナフタレン	C10H8	128	8.14 eV
フェナントレン	C14H10	178	7.89 eV
アントラセン	C14H10	178	7.44 eV
ピレン	C16H10	202	7.43 eV
フルオランテン	C16H10	202	7.85 eV
p-ベンヅキノン	C6H4O2	108	10.0 eV
1,4-ナフトキノン	C10H6O2	158	9.5 eV
次に118nmの波長を用いたレーザーイオン化測定の結果を示す。118nmによるレーザーイオン化では1光子の持つエネルギーが各分子のイオン化ポテンシャル(表(3)-2)よりも高く、1光子イオン化が起こると考えられる。一例としてキノン類であるp-ベンヂキノンの測定例を示す。はじめに118nmによってp-ベンヂキノンをレーザーイオン化した際の質量スペクトルを図(3)-6に示す。図からp-ベンヂキノンの質量数である108の質量数の位置にピークが確認され、p-ベンヂキノンがレーザーイオン化されたことが分かる。尚、低質量数側に観測された何本かのブロードなどピークは118nmレーザーによってイオン化された空気中の成分である窒素(N₂、質量数28)、酸素(O₂、質量数32)、水(H₂O、mass 18)であると考えられる。次に、266nmを用いた測定の時と同様に、このピークのイオン信号強度をモニターしながら試料ガスの濃度を変化させることによって、濃度変化に対するイオン信号強度変化を測定した。その結果を図(3)-7に示す。まず4.3ppmvの濃度に希釈したp-ベンヂキノンのガスを装置に導入しイオン化したところ、そのイオン信号強度はほぼ一定となった。次にレーザー照射を止めたところイオンシグナルは全く検出されなくなった。レーザーを再度照射し試料ガスの濃度を2.1ppmvに変化させたところ、そのイオン信号強度は4.3ppmvの濃度の時のほぼ半分になった。レーザー非照射の状態をバックグラウンド信号として、各濃度に対するイオン信号強度をプロットすることで検量線を作成した。266nmレーザーイオン化の場合と同様にバックグラウンド信号の標準偏差の3倍を検出感度と規定するとこのときの検出感度は380ppbvと決定された。また、1,4-ナフトキノンについても同様の測定を行った結果、その検出感度は3.6ppmvと決定された。次にベンゼンやトルエンなどのVOCsについて、118nmによるレーザーイオン化測定を行った。その結果、ベンゼンの検出感度は数310ppbv、トルエンの検出感度は100ppbvとなり266nmのレーザーイオン化に比べてベンゼンの場合は良く、トルエンの場合では若干悪いという結果が得られた。さらに、ナフタレンなどのPAHsについて118nmによるレーザーイオン化測定を行った。その結果、ナフタレンの検出感度は583ppbv、アントラセンでは1.5ppmv、フルオランテンやピレンでは数ppmv以上となり、すべての化合物において266nmによるレーザーイオン化よりも検出感度が悪いという結果となった。また、PAHsのベンゼン環の数が多くなり分子量が大きくなるほど検出感度が悪くなることも分かった。これは分子量が大きくなるほどイオン化ポテンシャルが低くなり、レーザーイオン化の際に分子に与えられる余剩エネルギーが大きくなり、これによって解離が起こりイオン化が阻害されているためだと考えられる。

以上の結果から、PAHsの分析には266nmによるレーザーイオン化が、キノン類やベンゼンの分析には118nmによるレーザーイオン化が、トルエンの分析にはそれら2つの方法のどちらもが適していると考えられる。したがって本来ならば測定対象とする化合物に応じて適したレーザー波長を使用するのが望ましい。しかし、出来るだけ検出感度が高い条件で実験を行いたいこととディーゼルナノ粒子に特に多く含まれていると考えられるPAHsをイオン化するのに適していることから266nmのレーザーを用いることとした。
図(3)-6 118nmレーザーイオン化によるp-ベンゾキノンの質量スペクトル

図(3)-7 p-ベンゾキノンの濃度変化に対するイオン信号強度変化

次に266nmレーザーのパワーを変化させ、その際の検出下限を測定することでレーザーパワー依存性を確認した。各化合物の検出感度を決定した時と同様の方法でレーザーパワー20μJ/pulse、30μJ/pulse、40μJ/pulseにした時の検出感度を求めたところそれぞれ27ppbv、14ppbv、8ppbvとなった(表(3)-3)。また、以上のことから、レーザーパワーが大きいほうが検出下限が低くなりディーゼル微粒子分析に適していると考えられる。

表(3)-3 各レーザーパワーにおける検出下限

レーザーパワー	検出下限
20 μJ	27 ppb
30 μJ	14 ppb
40 μJ	8 ppb
次に選定した波長266nmのレーザーとFIB-SIMSを組み合わせた分析装置を用いて実試料であるディーゼルナノ粒子の測定を試みた。使用したサンプルは工学院大学八王子キャンパス内の学内バスのマフラ一部から採取したディーゼル微粒子である。サンプルをインジウム基板にのせ基板上の一部分に集束イオンビームを照射しその際にスパッタされて発生する中性分子をレーザーイオン化した(図(3)-8)。その時の質量スペクトルを図(3)-9(a)に示す。比較のため、レーザーを用いずに集束イオンビーム照射により生じた二次イオンのみを検出した時(SIMS信号のみ)の質量スペクトルを図(3)-9(b)に示す。SIMS信号のみの場合に比べレーザーイオン化を組み合わせた場合のスペクトルではPAHsの一種である質量数202のピレンのピークがはっきりと観測されており、ディーゼル微粒子分析においてレーザーイオン化とFIB-SIMSを組み合わせた方法の有効性が示された。次にレーザーパワーを1mJ/pulse、0.7mJ/pulse、0.4mJ/pulseと変化させて、この時の質量スペクトルの変化を観測した。この結果を図(3)-10に示す。図から分かるとおり、レーザーパワーが弱くなるにつれてピレンのピークの信号強度が弱くなっている。したがって、実試料であるディーゼル微粒子の測定においても気相中での実験と同様に信号強度はレーザーパワーに大きく依存し、レーザーパワーが大きいほうが検出感度が高いことが示された。

図(3)-8 インジウム基板上のディーゼル微粒子 視野は300×300 μm
（レーザーイオン化とSIMSを組み合わせた場合にはレーザーイオン化のタイミングに合わせて信号を取り込むためSIMSのみの信号はあまり検出されない）

図(3)-9 レーザーイオン化によるディーゼルナノ粒子の質量スペクトル
図(3)-10 ディーゼルナノ粒子の質量スペクトルのレーザーパワー依存性

(In(インジウム)およびIn_{2}の信号量は飽和しているためほとんど信号強度が変わっていないと考えられる)

次にディーゼル微粒子をのせたシリコン基板の数 $ 10\ \mu m\times $ 数 $ 10\ \mu m $ の領域での質量マッピング測定を行った。基板上にはディーゼル微粒子の他に質量数校正をする基準物質としてインジウムの粒子をのせた。この時得られたマッピング結果を図(3)-11に示す。また、その時の全画面分の信号を積算した質量スペクトルを図(3)-12に示す。図(3)-12から分かるように質量スペクトル上ではNaやCa、Kなど金属成分の他に有機化合物の信号と考えられる質量数178や202のピークが観測されている。しかし図(3)-11の質量マッピングでは質量数23のNaなどの金属成分についてははっきりとした画像は得られたものの、質量数178や202などの有機化合物からと思われる信号では明瞭な画像が得られず観測領域全面から信号が観測された。なお、マッピングの得られた質量数23、63、138、155の化合物の詳細な化学組成は分からないものの質量数115のインジウム粒子のマッピングと同じ画像が得られていることから、インジウム粒子に含まれている不純物の信号によるも
図(3)-11 ディーゼルナノ粒子の質量マッピング

図(3)-12 ディーゼルナノ粒子の質量マッピング時の質量スペクトル
有機化合物の明瞭な質量マッピングが得られなかったのは以下の3つの原因によると考えられる。1つ目はレーザーの繰り返し周波数が30Hzだったことである。これは質量マッピングを行う際、例えば128×128ピクセルの画像で1ピクセルあたり20回分の質量スペクトルをとるとすると全画面の質量スペクトルを取り終わるまでに10000秒以上かかってしまうことを意味する。測定が長時間に及んでしまうと真空チャンバー内でのサンプルの変動などにより同じ測定条件での情報が得られなくなる上に、電気的、機械的な安定性の保持が難しくなり外部からのノイズが増える可能性が高くなる。2つ目の原因はSIMS信号によるノイズである。本手法ではイオンビームの照射によりスパッターされて発生した中性分子をレーザーによってイオン化して検出する。しかしイオンビームの照射の段階でイオン化した状態で発生する分子もある。これが本来のSIMS信号である。本手法では飛行時間型質量分析計の引き込み電圧のタイミングなどによりSIMS信号とレーザーイオン化の信号を分離していた。しかし、完全には分離できず、バックグラウンドノイズとしてレーザーイオン化質量スペクトルに重なってしまっていた。これにより本来観測されるはずのレーザーイオン化による信号がSIMS信号に隠れてしまって見えなくなっている可能性が考えられる。3つ目の問題点はサンプルであるディーゼル微粒子や基板、サンプル台などから揮発する成分による妨害信号である。レーザーイオン化では光路上にある中性分子をイオン化する。本来、集束イオンビームによりスパッターされた時に生成した中性分子が光路上に来るため、サンプルからの信号がイオン信号として検出される。しかしイオンビームによるスパッターリングではなくサンプルから直接揮発してしまうと、イオンビームとは関係なく光路上にある全ての中性分子がレーザーによってイオン化される。したがって、サンプルが集束イオンビームによってスパッターされた時だけではなく、揮発して漂っている中性分子がレーザーイオン化された時のイオン信号も検出されてしまうため、常にレーザーイオン化信号が出てしまいマッピング画像が得られなくなってしまう(図(3)-13)。

図(3)-13 揮発成分が多い場合の質量マッピング

試料基板上にベンゾ[e]ピレンの標準試料をのせて測定した場合。全面から信号が出ている。
以上の3つの問題点を解決するために次のことを行った。1つ目の問題点を解決するために、使用するイオン化レーザーを30Hzのものから1kHzのものへと変更した。これまでは30Hzのレーザーの出力に比べ1kHzのレーザーの出力が非常に弱いため使用することができなかったが、新たに導入したレーザーではレーザーイオン化するのに十分なレーザー出力が得られるようになった。また集光レンズをより適切なものにすることでイオン化部分の体積を増やしオン信号量を増やすことに成功した。この仕様の変更により質量マッピングが数分程度で得られるようになり、現実的な時間内での測定が可能となった。また、短時間での測定によりサンプルの変質や機械的な振動の影響なども受けにくくなり同一の測定条件での質量マッピングが可能となった。

次に2つ目の問題点であるSIMS信号の除去を試みた。これまではSIMS信号除去のためにイオンを質量分析計に引き込むタイミングをずらすとともに質量分析計のリフレクトロン部での反射電極の電圧調整によりSIMS信号を検出器に到達不可能とすることで、レーザーイオン化信号のみを検出するように調整していた。しかし、これだけではSIMS信号の除去が完全ではなくその多くがバックグラウンドノイズとして残ってしまいS/N比が悪くなってしまっていた（図(3)-14(a)）。そこで、イオンビームを当てた際に生成するイオンを反発電場で一旦押し戻し消失させた後に、レーザーを照射し中性分子をイオン化させ質量分析計に引き込むように改良した。これにより大部分のSIMS信号を除去し、レーザーイオン化信号のみのS/N比の良い質量スペクトルを得ることに成功した（図(3)-14(b)）。

3つ目の問題点である揮発成分についてはサンプル基板を液体窒素で冷却することで揮発成分の除去を試みた。分析装置の真空槽内部にあるサンプル基板を真空槽の外側から液体窒素で冷却できるような空洞部を設置することで外部からの冷却を行った。しかし冷却温度が低すぎると集束イオンビームによるスパッタの効率が落ちるためサンプルがスパッタされず中性分子が発生しなくなるのでイオン信号が全く検出されない。そこで冷却部に導入する液体窒素の量を調節し適切な温度に保つように改良した。これにより室温における揮発成分は除去できるようになった。しかし、本研究で使用している分析装置は真空中で実験するものであるため本来室温では揮発しない成分でも真空槽内で揮発する可能性がある。したがって分析する直前にサンプルを冷却するだけではなく真空槽内に入れる前にサンプルを冷却しておく必要がある。そこでサンプルを真空槽に入れる前に液体窒素で冷却しておき、十分サンプルの温度が下がった時点で真空槽内に導入することとした(図(3)-15)。これによりサンプルからの揮発成分は十分除去できたと考えられる。しかしこの条件下で質量マッピング測定した場合でも揮発成分と考えられる妨害信号が多くみられた。そこでこの妨害信号はサンプルからだけではなくサンプルを設置する台や試料基板から発生する可能性があると考えた。このことを確認するためにサンプルをのせずに基板のみをサンプル台に設置して室温条件下での質量スペクトルの測定を行った。この時の質量スペクトルを図(3)-16に示す。図から分かるように数多くの揮発成分とみられるピークが観測された。したがってサンプル台などから多くの揮発成分が発生していると考えられる。そこでサンプル台など分析装置内部を十分洗浄することにより揮発成分の除去を行った。洗浄後に基板のみを設置した場合の室温条件下での質量スペクトルを図(3)-17に示す。図から揮発成分が大幅に減少したことがわかる。このようにした上で液体窒素で冷却することによりサンプル以外からの揮発成分の発生を減少させた。

以上のような改良により検出感度の向上、S/N比の改善を行いディーゼル微粒子中の有機物を検
出、質量マッピングを試みた。

図(3)-14 質量スペクトルにおけるSIMS信号の除去(a)改良前(b)改良後

(a)

(b)

サンプル

図(3)-15 (a) 液体窒素で冷却中のサンプル、(b) 真空槽内導入後のサンプル
図(3)-16 サンプルなし基板のみ(洗浄前)の質量スペクトル

図(3)-17 サンプルなし基板のみ(洗浄後)の質量スペクトル

次にこのように改良した装置を用いてたばこ灰の質量マッピングを試みた。たばこ灰はディーゼル微粒子と同程度またはそれより多くのPAHsを含んでいると考えられるため質量マッピングが可能であると期待できる。たばこ灰は工学院大学内喫煙所の灰皿から採取した。はじめにたばこ灰中にPAHsが含まれているかどうかを確認するために室温条件下でたばこ灰中の揮発成分の質量スペクトルを測定した。この結果を図(3)-18に示す。図に示されたようにたばこ灰中には非常に多くの揮発成分が存在していることが確認された。また、この拡大図を図(3)-19、図(3)-20に示す。図よりPAHsと考えられる質量数178および質量数202のピークが確認された。次に液体窒素による冷却条件下においてたばこ灰の質量マッピングを試みた。得られた質量マッピング結果を図(3)-21に示す。左上の図は質量選別せず得られた各質量数全ての信号の積算値をモニターしたマ
ツピング像であり黒い部分がたばこ灰の部分である。中上のK(質量数39)のマッピングではたばこ灰のある部分にKが分布している(赤い部分)のが分かる。また左下(質量数115)は基板として使用しているインジウムInの信号であり、たばこ灰ののっていない部分から信号が観測されておりKとは正反対の画像になっていることが見て取れる。右上(質量数94)、中下(質量数178)、右下(質量数202)のマッピングでも量としては少ないもののたばこ灰のある部分に分布があるのが分かる。これらの分布はレーザーイオン化信号の分布でありレーザーを照射した時のみ検出されているため、質量数94はVOCsの1つであるフェノール、質量数178はPAHsであるアントラセンまたはフェナントレン、質量数202はPAHsであるピレンまたはフルオランテンであると考えられる。以上のことから、本装置においてたばこ灰中の多環芳香族炭化水素の質量マッピングに成功した。

図(3)-18 たばこ灰中の揮発成分の質量スペクトル

図(3)-19 たばこ灰中の揮発成分の質量スペクトル(質量数150～200)
図(3)-20 たばこ灰中の揮発成分の質量スペクトル(質量数200～250)

Pos

39K Max 73

94 Max 5

115 Max 103

178 Max 2

202 Max 2

図(3)-21 たばこ灰の質量マッピング
次に同様の手法を用いてディーゼル微粒子をインジウム基板にのせた際の50μm×50μmの領域での質量マッピングを試みた。まずたばこ灰の場合と同様に室温条件下での質量スペクトルを測定しディーゼル微粒子中に揮発成分が存在するかを確認した。得られた質量スペクトルを図(3)-22に示す。たばこ灰の場合と同様にディーゼル微粒子の場合においても多くの揮発成分が観測された。またその拡大図を図(3)-23、図(3)-24に示す。たばこ灰の場合と同様にPAHsと考えられる質量数178および202のピークが観測された。次に液体室素により冷却した条件でのディーゼル微粒子の質量マッピング結果を図(3)-25に示す。左上の図は各質量数全ての信号の積算値をモニターしたマッピング像であり黒い部分がディーゼル微粒子ののっている部分である。中上の図はCa(質量数40)でありディーゼル微粒子の部分に分布があるのが分かる。また右上の図は基板として使用しているインジウムの信号であり、ディーゼル微粒子がのっていない部分から信号が出ているのが分かる。しかし有機化合物の信号と考えられる左下(質量数178)、中下(質量数202)、右下(質量数128)の図では偏った分布は見られず全体に広がった分布となっており明瞭な質量マッピングを得るには至らなかった。これはディーゼル微粒子ではたばこ灰と比べた多環芳香族炭化水素の含有量が少なく、また、特別に濃度の濃い部分もなく全体に薄く広がっているためと考えられる。

図(3)-22 室温条件下でのディーゼル微粒子中揮発成分の質量スペクトル
図(3)-23 室温条件下でのディーゼル微粒子中揮発成分の質量スペクトル(150～200)

図(3)-24 室温条件下でのディーゼル微粒子中揮発成分の質量スペクトル(200～250)
Pyrene 202 Max 2

Naphthalene 128 Max 3

図(3)-25 ディーゼル微粒子の質量マッピング

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

各化合物の分析に適したレーザーイオン化波長を決定した。これまで基礎的な分光情報であるイオン化ポテンシャルや吸収波長の情報はあったものの、実際の測定においてイオン化確率(検出感度)を化合物ごとに比較した例はない。このような比較により分析装置と組み合わせるのに最適なレーザー波長を選定することが可能となった。これをFIB-SIMSと組み合わせることでディーゼルナノ粒子中の様々な有機化合物がイオン化・検出できるようになった。

FIB-SIMSとレーザーイオン化を組み合わせた分析方法による分析の結果、ディーゼルナノ粒子の化学組成としては有機化合物が特に多く含まれる粒子が一部に存在するのではなく、ほぼ同じ濃度の有機化合物を含む粒子のみで構成されていることが示唆された。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない
## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

ディーゼルナノ粒子の化学組成や生成条件などを詳細に解析することで、このような微粒子の健康影響に関する知見を得ることで環境政策へ貢献できると考えられる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない

## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

特に記載すべき事項はない

## <査読付論文に準ずる成果発表>

特に記載すべき事項はない

## くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1）三澤健太郎、松井好子、今城尚志、石内俊一、藤井正明：日本分析化学会第59年会（2010）「レーザーイオン化法を用いた芳香族炭化水素の高感度分析—分子種ごとの最適なレーザー波長の選定」

3）三澤健太郎、松井好子、今城尚志、石内俊一、藤井正明：日本化学会第91春季年会（2011）「多環芳香族炭化水素のレーザーイオン化分析における検出感度のレーザー波長依存性」

4) Kentaro Misawa, Yoshiko Matsui, Takashi Imajo, Shun-ichi Ishiuchi, Masaaki Fujii: IUPAC International Congress on Analytical Sciences 2011 (ICAS2011) (2011)

“Quantification analysis of VOCs and PAHs using laser ionization methods”

5）三澤健太郎、坂本哲夫、藤谷雄二：日本分析化学会第60年会（2011）

「レーザーイオン化法によるディーゼル微粒子中の多環芳香族炭化水素の分析—適切なレーザー波長の選定」

6）三澤健太郎、君澤侑亮、松沢英世、藤井正明：第5回分子科学討論会（2011）

「共鳴多光子イオン化法によるp-tert-オクチルフェノールの電子スペクトルの観測—安定構造の決定」

7）三澤健太郎、君澤侑亮、松沢英世、藤井正明：日本化学会第92春季年会（2012）「環境微粒子中の多環芳香族炭化水素の分析を目指したレーザーイオン化法の確立」
8）三澤健太郎、君澤侑亮、松沢英世、藤井正明：第72回分析化学討論会（2012）「2波長レーザーイオン化法による多環芳香族炭化水素の異性体分離分析」

9）三澤健太郎、坂本哲夫、藤谷雄二、藤井正明：日本分析化学会第60年会（2012）「レーザーイオン化SIMSによるディーゼル微粒子分析」

10) Kentaro Misawa, Kenji Ohishi, Norihito Mayama, Tetsuo Sakamoto, Masaaki Fujii: 11 $ ^{th} $ International Symposium on Advanced Technology (2012)

“Individual particle analysis of PAHs in SPM using FIB-TOF-SIMS with laser ionization”

11）堀江智子、三澤健太郎、今城尚志、藤井正明：日本化学会第93春季年会（2013）「266nmレーザーイオン化によるハロゲン化多環芳香族炭化水素の質量分析」

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない

（４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

特に記載すべき事項はない

## （５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない

## (6) その他

特に記載すべき事項はない

### 8 \. 引用文献

1) Tetsuo Sakamoto, Jyunji Kawasaki, Masaomi Koizumi: Appl. Surf. Sci., 255, 1580-1583 (2008)

“Instrumental factors in resonance enhanced multi-photon ionization of FIB-sputtered atoms.”

2) Tetsuo Sakamoto, Masaomi Koizumi, Jyunji Kawasaki, Jyun Yamaguchi: Appl. Surf. Sci., 255, 1617–1620 (2008)

“Development of a high lateral resolution TOF-SIMS apparatus for single particle analysis.”

3）坂本哲夫、藤井正明：化学と工業、63、802-803、(2010)

「レーザーイオン化/集束イオンビームによる単一ナノ粒子の履歴解析装置」

4) http://webbook.nist.gov/chemistry

“NIST Chemistry Webbook”
# New Analysis Method for Internal Mixture State of Diesel-origin Nanoparticles (Contribution to Health-risk Research)

Principal Investigator: Yuji FUJITANI

Institution: National Institute for Environmental Studies (NIES)

16-2 Onogawa, Tsukuba 305-8506, JAPAN

Tel: +81-29-850-2014 / Fax: +81-29-850-2014

E-mail: fujitani.yuji@nies.go.jp

Cooperated by: Kogakuin University, Tokyo Institute of Technology

## [Abstract]

Key Words: Nanoparticle, FIB-SIMS, agglomerates, hazard quotient, particle surface area

Information on the physicochemical properties of inorganic and organic materials, such as the internal mixing structures of particles, is needed to understand the fate of particles after deposition in the lung and to accurately assess particle toxicity. The fates of particles are determined by their solubility, structure, and mixture state.

To investigate the internal mixture of inorganic and organic materials in diesel exhaust nanoparticles, we employed novel scanning electron microscopy equipped with gallium focused ion beam–secondary ion mass spectrometry (FIB-SIMS) coupled with laser ionization. Further, transmission electron microscope (TEM) was used to analyze morphology of agglomerates that were collected along a roadside and in diesel exhausts under high-idle and high-torque operating conditions. We collected particles of aerodynamic diameter of 100-630 nm with 4 size ranges using low-pressure impactor on the silicon wafer and particles of electrical mobility diameter of 30, 50, 70, and 100 nm using differential mobility analyzer and electrical precipitator on the silicon wafer and TEM grid. Then, we determined health risk of inhaled nanoparticles based on deposited dose of roadside environmental nanoparticle and their active surface area of agglomerates.

For 100 nm particles, oil particles and agglomerates were classified by FIB-SIMS observations. Then we analyzed morphology of agglomerates by TEM such as numbers of primary particle in agglomerates, primary particle diameters, and active surface area of agglomerates. We determine health hazard quotient based on active surface area in 3 case scenarios in different content of agglomerates. The hazard quotient was 0.013 for the worst-case scenario that is all aerosols in roadside environment are agglomerates, which was twice as case scenario that is all aerosols are spherical-shaped.
We found that it is possible that agglomerates would disagglomerate in the alveolar lining when agglomerates were to be deposited in the lungs. Diesel exhaust may be hydrophobic due to its organic surface cover, because lung surfactant is amphiphilic, the possibility that agglomerates become disagglomerated in alveolar fluid cannot be ruled out. If the agglomerates were to disagglomerate into nanometer-size particles, they could then behave as nanoparticles (e.g., penetrating the cell membranes and entering blood vessels to be transported by the blood to other organs). Hazard quotient in worst-case scenario that is all aerosols in roadside environment are agglomerates and becoming disagglomerated in the lung increases 4 times higher than that case scenario that is all aerosols are spherical-shaped.
## C-1002 ディーゼル起源ナノ粒子内部混合状態の新しい計測法 (健康リスク研究への貢献)

## 独立行政法人国立環境研究所

ディーゼルナノ粒子の電子顕微鏡による形態情報を取得する手法を確立した。その結果を環境中ナノ粒子に適用し、吸入した際のヒト健康リスク評価を行った

大型ディーゼル車が多く走行する沿道環境中におけるヒトの肺表面積あたりの粒子表面積曝露量を各浮遊状態の場合で比較した

球形ケース

一部凝集体ケース

(環境中の実測値)

全凝集体ケース

(ワーストケース)

凝集体が分解する様子

凝集体は肺胞沈着後に分解され、さらに複数の小さな粒子になることが示唆されたことから、凝集体が体内で分解される場合も想定した

## 結果

ハザード比

II

沈着粒子の表面積曝露量

$$ cm^{2}-particle/cm^{2}-lung/day $$

## 主な成果

・成分による影響を無視した炎症をエンドポイントに置いた場合に、沿道環境中の粒子表面積曝露量ではハザード比は低いことが分かった。

・比較的大きな粒径の凝集体がナノ粒子のキャリアになりうることが明らかになった。凝集体粒子が体内で分解された場合、分解されない場合に比べてハザード比が約2倍、球形粒子に比べて約4倍高まることが分かった。粒径60nm以下の凝集体の存在量がハザード比に大きく影響することが明らかになった。

・ディーゼルナノ粒子の内部混合状態の把握は世界初である。粒径100 nm以下のディーゼル粒子には、炭素粒子とオイル粒子が存在することが明らかになった。オイル成分は肺の炎症との関連が指摘されており、オイルナノ粒子の存在を明らかにしたことは重要である。

・エアロゾルとしての相当径が42nmの大きさの凝集体粒子が体内に沈着し分解した場合、実粒径8.6nmのコアが残ることが推定された。その大きさの粒子の体内動態を考慮する必要がある。
入札·契約調書

1	契約年月日	平成26年 6月17日
2	契約業者名	株式会社 新栄
3	契約業者の住所	鹿児島市谷山港二丁目3番地8
4	工事件名	可愛山陵北側斜面防災整備工事
5	工事場所	鹿児島県薩摩川内市宮内町
6	工事種別	土木一式工事
7	工事概要	斜面对策工
8	工期(自)	平成26年 6月18日
9	工期(至)	平成27年 2月27日
(税込み)	(税抜き)	落札率
10	予定価格	94,014,000円	87,050,000円	94.20%
11	入札金額	88,560,000円	82,000,000円
12	入札結果	下表のとおり
順(入札者)	第1回入札金額(円)	第2回入札金額(円)	第3回入札金額(円)	第4回入札金額(円)	第5回入札金額(円)
1	(株)新栄	99,600,000	92,000,000	82,000,000
2	西日本興業(株)	96,500,000	93,000,000	83,000,000
3	仲林建設(株)	96,000,000	92,000,000	83,900,000
4	森山土木(株)	99,200,000	93,000,000	84,800,000
5	(株)カーネギー産業	100,950,000	89,000,000	86,000,000
6	(株)吉丸組	99,400,000	90,000,000	88,000,000
7	(株)有川組	97,500,000	92,800,000	88,900,000
8	(株)誠建設	97,500,000	95,500,000	辞退
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入札·契約調書

1	契約年 月 日	平成26年 7月 2日
2	契約業者名	田中 康喜
3	契約業者の住所	大阪府富田林市大字佐備1847-7
4	工 事 件 名	応神天皇陵ほか草刈工事
5	工 事 場 所	大阪府羽曳野市誉田六丁目ほか
6	工 事 種 別	造園工事
7	工 事 概 要	草刈
8	工 期(自)	平成26年 7月 3日
9	工 期(至)	平成26年10月31日
(税込み)	(税抜き)	落札率
10	予 定 価 格	非公表円	非公表円	- %
11	入 札 金 額	2,689,200円	2,490,000円
12	入 札 結 果	下表のとおり
順	(入札者)	第1回入札金額(円)	第2回入札金額(円)	第3回入札金額(円)	第4回入札金額(円)	第5回入札金額(円)
1	田中 康喜	2,490,000
2	(有)前田造園土木	3,000,000
3	(株)いずみ造園土木	3,800,000
4	(株)大仲造園	4,128,000
5	(株)明石緑化	辞退
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順	(入札者)	第6回入札金額(円)	第7回入札金額(円)	第8回入札金額(円)	第9回入札金額(円)	第10回入札金額(円)
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入札·契約調書

1	契約年月日	平成26年 7月14日
2	契約業者名	栗原義孝
3	契約業者の住所	奈良県御所市玉手169-1
4	工事件名	崇神天皇陵ほか草刈工事
5	工事場所	奈良県天理市柳本町ほか
6	工事種別	造園工事
7	工事概要	草刈
8	工期(自)	平成26年 7月15日
9	工期(至)	平成26年11月28日
(税込み)	(税抜き)	落札率
10	予定価格	非公表円	非公表円	- %
11	入札金額	5,164,560円	4,782,000円
12	入札結果	下表のとおり
順	(入札者)	第1回入札金額(円)	第2回入札金額(円)	第3回入札金額(円)	第4回入札金額(円)	第5回入札金額(円)
1	栗原義孝	4,782,000
2	乾福美園(株)	5,956,640
3	(株)西谷建設	6,070,000
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順	(入札者)	第6回入札金額(円)	第7回入札金額(円)	第8回入札金額(円)	第9回入札金額(円)	第10回入札金額(円)
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入札·契約調書

不落随契

1	契約年月日	平成26年 8月 1日
2	契約業者名	マスダ株式会社
3	契約業者の住所	京都市右京区嵯峨新宮町39番地
4	工事件名	嵯峨天皇陵災害復旧に伴う参道整備工事
5	工事場所	京都市右京区北嵯峨朝原山町
6	工事種別	土木一式工事
7	工事概要	参道整備工,水路整備工,擁壁工
8	工期(自)	平成26年 8月 2日
9	工期(至)	平成27年 3月20日
(税込み)	(税抜き)	落札率
10	予定価格	101,541,600円	94,020,000円	99.98%
11	入札金額	101,520,000円	94,000,000円
12	入札結果	下表のとおり
順	(入札者)	第1入札金額(円)	第2入札金額(円)	第3入札金額(円)	第4入札金額(円)	第5入札金額(円)
1	マスダ(株)	97,000,000	94,700,000
2	山品建設(株)	98,000,000	辞退
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予算決算及び会計令第99条の2の規定により,随意契約によるものとする。
(見積者)	第1見積金額(円)	第2見積金額(円)	第3見積金額(円)	第4見積金額(円)	第5見積金額(円)
マスダ(株)	94,300,000	94,000,000
第6見積金額(円)	第7見積金額(円)	第8見積金額(円)	第9見積金額(円)	第10見積金額(円)