【アプリケーションノート】顕微FT-IRと顕微ラマンを用いた マイクロプラスチックの分析事例

Application Note AN M144 顕微FT-IRと顕微ラマンを用いた マイクロプラスチックの分析事例 マイクロプラスチック汚染への関心がここ数年高ま キーワード 装置及びソフトウェア ってきており、遍在的な発生要因や将来の展望など マイクロプラスチック HYPERION FT-IR 顕微鏡 が現在の研究対象となっています。マイクロプラス チック粒子（Micro-Plastics Particles; MPP）は、 粒子分析 SENTERRA II ラマン顕微鏡 特に海洋などの環境中に拡散した5mm未満の直径を ポリマー OPUS ソフトウェア 有する微小なプラスチック粒子を指します。MPPは 起源に応じて、一次粒子と二次粒子に分類されます。 一次粒子は、洗剤や化粧品に含まれる研磨剤などの工業 MPPを詳細に分析することで、MPPの起源と形成の両面 的に製造された粒子です。二次粒子は、プラスチック部 について結論を導き、汚染の程度を判断する取り組みが 品や容器など比較的大きなプラスチック片が海洋を漂 なされています。一般的に、MPPの濃度は比較的低く、 流するうちに、紫外線による化学的分解や波浪による サンプリング中にキチン、綿繊維または砂粒などの、典 物理的分解などによって微小化された全ての粒子を指 型的な生物由来の粒子や無機物に由来する粒子も含まれ します。プラスチック廃棄物の分解には非常に長い時 るため、多くの点で分析が困難となります。したがって 間がかかるため、環境中のMPPの量は着実に増加して まず初めに、物理的なふるい分け、密度分離法、さらに います。特に、世界の海洋汚染は深刻な問題であり、 は分析の妨げとなる有機成分を除去するための酸化処理 現在のMPPの年間排出量は、1人あたり210g、合計約 工程または酵素的工程などの複合的な手法による試料の 1.5メガトンと推定されています｡[1] 魚類をはじめとす 前処理が必要となります。分離後、化学的に同定するた る海洋生物が、可塑剤や有害物質などを含むMPPを めに様々な分析方法が用いられます。スクリーニング的 摂取することで汚染の食物連鎖が起こり、生態系の に分類評価するための1つのシンプルな方法は、MPPの バランスが崩れてしまうことが懸念されています。 密度および炭素：水素：窒素比の分析です｡[2]　しかし、 さらには、その魚類を食べた人間にも影響が及ぶと この方法ではポリマー種の明確な決定は不可能であり、 予想されています。 より小さな粒子を分析することはできません。

FT-IR分光法によるマイクロプラスチックの分析 フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）は、ポリマー種の同定に おいて実績のある分析法です。その物質が天然物由来か、 合成物かを確実に識別できます（図1）。同定は、スペクト ルライブラリを用いることで自動的に実行されます。 一般的なFT-IRでも、比較的大きな粒子は容易に分析 することができます。さらに顕微FT-IRでは、数マイ クロメートル程度の単一粒子の分析が可能で、一定の 大きさをもつ試料においては1つの粒子について複数 個所の測定を行うこともできます。FT-IRには試料の 形体に応じて、さまざまな測定手法がありますが、 MPPの分析で最もよく使用される測定手法は透過法で す。この手法は、測定する試料を赤外光に透過性のあ る基板の上に調製する必要があり、また試料が厚い場 合は、スペクトルの飽和により分析精度が低下してし まうため、薄片化等の前処理が必要となります。試料 図1：異なるポリマー種のIRスペクトル を載せる基板としては、3800cm-1から1250cm-1の範 囲に強い赤外吸収をもたない酸化アルミニウムフィル 他の分析法としては、質量分析と組み合わせた熱分解－ガ ターがよく用いられ、調製したMPPをフィルター上に スクロマトグラフィーがあります｡[3] この方法からは、ポ 採取することで直接測定できます｡ [4,5] 比較的新しく有 リマー種について信頼性の高い測定結果が得られます。し 効なフィルターとしては、スペクトル範囲に制限のな かし、粒子を手作業で熱分解試料管に入れなければなら いシリコンに、フォトリソグラフィーエッチングプロ ず、分析の処理能力を著しく低下させます。 セスによって10µm程度の細孔を加工したものがあります。比較のため図2に、従来のアルミナフィルター とシリコンフィルター（赤色）の赤外透過スペクトル 顕微赤外分光法および顕微ラマン分光法は、分析の処理 を示します｡ [6] 能力が高く、非常に小さな粒子でさえも信頼性の高い同 定解析を可能とします。両分析法はさまざまな試料に対 して適用が可能であり、数マイクロメートルサイズの粒 顕微FT-IR測定では、試料片上の着目する位置（ポイント） 子一つひとつを選択的に分析することができます。MPP を指定して順次測定する方法と、一定の領域内をアレイ検 のより大きな蓄積物についても、自動化されたイメージ 出器により一度に測定するイメージング法とがあり、これ ング測定によって迅速な分析が可能です。 らは2種類の検出器を切り替えにより使い分けることができ ます。特筆すべきは、後者の場合に用いられるフォーカ ルプレーンアレイ（FPA）検出器です。FPA検出器は、通 常64×64程度の受光素子からなるマトリックスで構成さ れ、一度の測定で4096本の赤外スペクトルを取得するこ とができます。この方法を用いることで、数分程度の短 い時間で、数十μmから数百μm四方の広い領域を測定す ることができます。 ブルカーのHYPERION 3000 赤外顕微鏡（図3）にはFPA 検出器が装備されています。その空間分解能は、光の回 折によってのみ制限されるため、数µmの粒子を捉える ことができます。また、拡張性に優れるHYPERIONは、 ATR法、透過法、反射法、GIR法による測定が可能で、 試料の形体や目的に合わせてさまざまな測定手法を選択 することができます。また、FPA検出器と電動ステージ を組み合わせることにより、連続的にイメージング測定 を行うことができるため、短時間でさらに広い領域を解 析することも可能です。 図2：シリコン(赤色)とアルミナフィルター(青色)の比較スペクトル [6]

解析事例：フィルター濾過されたMPPの自動解析 広い表面積をもつ試料の分析事例が、Gerdtsおよびその 共同研究者によって報告されています｡[5] 彼らは、ドイ ツ湾の堆積物を分析しました。MPPを塩化亜鉛溶液で分 離し、濾過および酵素精製した後、さらに密度分離プロ セスを加えた試料をアルミナフィルターに通して濾集し ました。FPA検出器を使用しイメージング測定すること で、直径25mmのアルミナフィルター全体を分析し、そ のスペクトルを自動解析しました。専用のソフトウェア を使用することで、最大100万のスペクトルデータを元に 評価し、結果をグラフィック表示することができます。 図5に、分析された粒子のサイズおよびポリマー種を表示 したイメージを示します。 図3：TENSOR II FT-IR分光器と連結した HYPERION 3000イメージング赤外顕微鏡 解析事例： MPPの誤検出 Gerdtsらは、塩化亜鉛溶液（ρ= 1.5g / cm3）を用いて MPPを密度分離した場合でも、分離後の粒子の大部分 が無機化合物であるにも関わらず、MPPの含有量が実 際よりも非常に高いという誤った結果が導き出されたケ ースについて報告しています｡[7] HYPERION 3000 赤外 顕微鏡とFPA検出器によるイメージング測定を行った結 果、実際には粒子のわずか1.4％のみがMPPであること が確認されました。残渣粒子のほとんどは、原理的には 約2.65g / cm3の密度で分離できるはずの石英（図4）であ ることが分かりました。振動分光分析は、このような誤 った判断をすることなく確実に同定可能であることか ら、いかに重要な分析法かが証明されています。 図5：アルミナフィルター上のポリマー種を色分けした解析結果 [5] 測定事例：ビスコースレーヨンとセルロースの識別 人顕微工F的T-にIR合分成光さ法れの相た補ビ的スなコ分ー析ス法レとーしヨてン、と顕天微然ラにマ存ン在分光す る法がセあルりロまーすス。は顕い微ずラれマもン多分糖光化法合で物はで、あ試り料、をと前も処に理βす-1る,4 結こと合なをく有非し接た触βで-D測-グ定ルすコるーこスと単が位可か能らで成する。こ試と料かにらレ、ーザ化 学ー光的を側照面射かしら、識そ別のす非る弾こ性と散は乱容光易をでCCはDあ検り出ま器せ等で受光し ろて分が析、すこるれこらとので赤、外ラスマンスペクトルが得られま んす。。と一般こ 的には、532nmまたは7ペ85クnmトのル可を視比お較よすびる近と赤、外識レ別ーにザー用 いを使る用こすとるがたでめき、る赤特外異顕的微な鏡違とい比が較存す在るしとま、すラ。マ図ン6顕に微、鏡ビ スの空コ間ー分ス解レ能ーはヨ高ンく繊、維よ（り赤小色さ）なとミセクルロロンーサスイ繊ズ維の（粒青子色を） の識I別Rスすペるクこトとルがをで示きしまますす。。まLたen、dl試ら料のが研無究機に化よ合れ物ばの、場AT合R 法、ラをマ用ンい分て光測法定はさよれりた優IRスれペたク識ト別ル性にをお示いしてます、。ビしスかコしーなス レがらー、ヨこンの繊手維法とのセ欠ル点ロはー、ス測繊定維時のに識多別くがの可試能料でかあらる発こせとらが 確れ認るさ蛍れ光てにいあまりすま｡す[8] 。セ蛍ル光ロシーグスナ繊ル維はは、、典ビ型ス的コに強ーくス且レつー ヨブロンー繊ド維に現はれ見るらたれめな、い試、料まのたラはマ、ン弱シくグしナかル現をれ覆なっいてしバ ンまいド、（こ14の25場、合11、0解5、析1に05有1c効mな-1）ラをマ有ンしスまペすク。トなルおを、得るここの とがきでのき各ま繊せ維んに。含蛍ま光れのる影水響分をは回、避同す定るのた障め害にとはは、な長り波長ま 図4：石英の参照スペクトル(青色)と典型的な残渣粒子(赤色)のスペク のせんレでーしザたー。を使用する必要があります。ブルカーの トル比較 [7] SENTERRA IIラマン顕微鏡は、波長1064 nmの近赤外レー ザーを含む最大4つの励起レーザーを使用することができ、 それぞれの試料に対して最適な励起波長を選択することが できます。ラマン顕微鏡を使用した研究例としては、

自動化された分析方法で、何千ものMPPを迅速に同定す ることが可能です。一方、ラマン顕微鏡は、蛍光の問題はあ るものの、FT-IRでは困難なミクロンサイズの小さな粒子で さえ測定することができる、相補的な分析方法です。両方の 手法を使い分けることで、より詳細かつ確実なMPP分析が可 能であると言えます。 参考文献 [1] J. Boucher, D. Friot, Primary Microplastics in the Oceans: A Global Evaluation of Sources. 2017, Gland, Switzerland: IUCN. [2] S. Morét-Ferguson, K.L. Law, G. Proskurowski, E.K. Murphy, E.E. Peacock, C. M. Reddy. The size, mass, and composition of plastic debris in the Western North Atlantic Ocean. Marine Pollution Bulletin, 2010, 60(10), 1873–1878. 図6：合成されたビスコースレーヨン繊維（赤色）と天然のセルロース [3] E. Fries, J.H. Dekiff, J. Willmeyer, M.T. Nuelle, M. Ebert, 繊維（青色）のATRスペクトル D.Remy, Identification of polymer types and additives ラJaマnsンse分nと光そ法のに共よ同る研M究PP者のに分よ析る、深海底堆積物中のMPP in marine microplastic particles using pyrolysis-GC/MS の顕分微析FTが-IあR分り光ま法すの。[相9]補 SE的NなTE分R析RA法ラとマしンて顕、微顕鏡微を用ラいマてン測分 and scanning electron microscopy. Environmental Science- 定光し法たが結あ果り、ま2す5c。m顕2あ微たラりマ最ン大分1つ光の法MでPはP、が検試出料、を同前定処さ理れす Processes & Impacts, 2013, 15(10), 1949–1956. まるしこたと。なく非接触で測定することが可能です。試料にレー [4] M. G. J. Löder, M. Kuczera, S. Mintenig, C. Lorenz, ザー光を照射し、その非弾性散乱光をCCD検出器等で受光 G. Gerdts, Focal plane array detector-based micro-Fourier- して分析することで、ラマンスペクトルが得られます。一 transform infrared imaging for the analysis of microplastics in 般的には、532nmまたは785nmの可視および近赤外レーザ environmental samples. Environ. Chem. 2015, 12, 563–581. ーを使用するため、赤外顕微鏡と比較すると､ラマン顕微 [5] S. Primpke, C. Lorenz, R. Rascher-Friesenhausen, G. Gerdts, 鏡の空間分解能は高く、より小さなミクロンサイズの粒子 An automated approach for microplastics analysis using focal を識別することができます。また、試料が無機化合物の場 plane array (FPA) FTIR microscopy and image analysis. Anal. 合、ラマン分光法はより優れた識別性を示します。しか Methods, 2017, 9, 1499-1511 しながら、この手法の欠点は、測定時に多くの試料から [6] A. Käppler, F. Windrich, M. G. J. Löder, M. Malanin, 発せられる蛍光にあります。蛍光シグナルは、典型的に D. Fischer, M. Labrenz, K. J. Eichhorn, B. Voit, Identification 強く且つブロードに現れるため、試料のラマンシグナル of microplastics by FTIR and Raman microscopy: a novel を覆ってしまい、この場合、解析に有効なラマンスペク silicon filter substrate opens the important spectral range トルを得ることができません。蛍光の影響を回避するた below 1300 cm−1 for FTIR transmission measurements. Anal. めには、長波長のレーザーを使用する必要があります。 Bioanal. Chem., 2015, 407, 6791–6801 ブルカーのSENTERRA IIラマン顕微鏡は､波長1064 nmの [7] M. G.J. Löder, G. Gerdts in: Marine Anthropogenic Litter 近赤外レーザーを含む最大4つの励起レーザーを使用する Eds.: M. Bergmann, L. Gutow, M. Klages), Springer Open, ことができ､それぞれの試料に対して最適な励起波長を選 Heidelberg, New York, Dordrecht, London, 2017, p. 201 択することができます。ラマン顕微鏡を使用した研究例 [8] I. R. Comnea-Stancu, K. Wieland, G. Ramer, としては、Janssenとその共同研究者による、深海底堆 A. Schwaighofer, B. Lendl, On the Identification of Rayon/ 積物中のMPPの分析があります｡[9] ラマン顕微鏡を用いて Viscose as a Major Fraction of Microplastics in the Marine 測定した結果、25cm2あたり最大1つのMPPが検出、同定 Environment: Discrimination between Natural and Manmade されました。 Cellulosic Fibers Using Fourier Transform Infrared まとめ Spectroscopy, Applied Spectroscopy, 2016, 71(5), 939-950 FT-IR顕微鏡は、MPPの標準的な分析方法として確立され [9] L. Van Cauwenberghe, A. Vanreusel, J. Mees, C. R. Janssen, ています。さまざまな試料に対して適用することができ､ Microplastic pollution in deep-sea sediments, Environ. Poll., すべてのポリマー種についてより正確な同定が可能です｡ 2013, 182, 495-499 さらにFPA検出器を用いたイメージング測定は、完全に Bruker Optik GmbH ブルカージャパン株式会社　オプティクス事業部 Ettlingen · Deutschland 〒221-0022神奈川県横浜市 [大阪オフィス ] 〒532-0004 Phone +49 (7243) 504-2000 神奈川区守屋町 3-9 大阪府大阪市淀川区西宮原1-8-29 Fax +49 (7243) 504-2050 Phone 045-450-1601 テラサキ第 2ビル info.bopt.de@bruker.com Fax 045-450-1602 Phone 06-6394-8118 info.bopt.jp@bruker.com Fax 06-6394-9003 www.bruker.com/optics Bruker Optics is continually improving its products and reserves the right to change specifications without notice. © 2016 Bruker Optics BOPT-4001218_01