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FT-IRおよびラマン分光法を用いたマイクロプラスチック分析
マイクロプラスチック分析を簡素化し、研究を加速しましょう。
日用品や製造工程で用いられているプラスチックは、非常にゆっくりとしか分解せず、膨大な量のこうしたプラスチック製の物質が環境や食物連鎖の中に流れ込んでいます。プラスチックは小さな粒子（直径にして<5 mm）に分解していきますが、それらが人間、動物、生態系の健康に対して及ぼす影響を調査する必要があります。
科学研究サービスのリーディングカンパニーである当社のミッションは、世界の健康、衛生、安全の向上をもたらす手段をお客様に提供することにあります。マイクロプラスチックの同定と分析を必要とするお客様に対して、情報とコンサルティングを提供することもこのミッションに含まれます。FT-IRおよびラマン分光法を用いた当社のソリューションを使用すれば、分光法の専門家でなくとも、さまざまなサンプル（飲料水、海水、工場排水など）中のマイクロプラスチックの同定、特性評価、定量を行うことが可能です。
グローバルマイクロプラスチックシンポジウム
このオンデマンドバーチャルイベントシリーズに登録すると、分析分野の専門家から、最新の研究および分析ツールに関する情報を得ることができます。
- マイクロプラスチック研究の最新トレンド
- サンプル分析のテクニックとキャリブレーション
- 変化する規制の状況
- マイクロプラスチックが微生物に及ぼす影響
小さな粒子ですが、大きな影響を与えかねません。
砂浜、衣服、飲料、魚介、ビール、大気、蜂蜜など、すべてに共通していることは、マイクロプラスチックを含んでいる可能性があることです。
マイクロプラスチックは5 mmよりも小さなサイズ[1]の粒子で、環境中にさまざまに交絡することで食物連鎖の中にも侵入し、浄化システムをくぐり抜けてしまうことが喫緊の課題となっています。マイクロプラスチックとは、小さなプラスチック繊維やさまざまなプラスチック製品が壊れ、粒子化したものの総称です。それらの発生源[2]として以下のようなものが挙げられます。
- 衣服
- 塗料
- タイヤの粉塵
- プラスチックごみ（バッグ、ボトル、ストロー）
- パーソナルケア製品（マイクロビーズ）
ある調査によると、世界中の水道水の83%において100 µm以下[3]のマイクロプラスチック線維の混入が認められました。これらの線維は、人間の日常生活（洗濯、水泳、洗顔、あるいは単に路上を歩いているだけの行為など）から環境中に排出されたものです。これらの粒子は、湖沼、河川、浄化施設を通じて水道水の中に入り込みます。マイクロプラスチックの発生は、海洋、湖沼、河川を汚染するだけではなく、その環境で生きる生命体に影響を与えます。図1はヴェネツィアの潟湖にある、ペッレストリーナの砂浜で採取された海水サンプルの分析結果です。B枠で示されている3つの粒子のサイズは5～10 µm程度です。黄色の粒子はポリプロピレン、灰色の粒子はレーザープリンター用PV23ヘキスト顔料と同定されました。
図1：海洋水からフィルター捕集されたマイクロプラスチック
近所のコンビニエンスストアでペットボトル入りの飲料水を購入するとき、健康を害するかもしれない成分が混入している可能性を考えることはないでしょう。しかしながら、驚くことにペットボトル入りの飲料水も、マイクロプラスチック混入の可能性に関して例外ではありません。実際、水道水よりもペットボトル入りの飲料水の方がマイクロプラスチックの混入確率が高いとの研究結果もあります。ニューヨーク州立大学フレドニア校で行われた研究では、試験対象のペットボトル入り飲料水の93%に、マイクロプラスチック汚染の兆候が認められました[4]。この事実は世界保健機関（WHO）を動かし、マイクロプラスチックについて発表されているすべての研究結果が評価されることになりました。現在、飲食を通じたマイクロプラスチックの摂取が人間の生涯にわたる健康に影響を及ぼすか否かについて、検証が行われています。残念ながら、純水装置システムではマイクロプラスチックは検出されないため、飲料水のボトリングプロセスだけでなく、水道供給水からもマイクロプラスチックが混入する恐れがあります。これにより潜在的な責任リスクを負うことになる飲料メーカーは、現在、製品中のマイクロプラスチックを測定する最良の方法を模索しているところです。
健康への影響は未確認
マイクロプラスチックの問題が発見されたのは比較的最近のことであり、人間の健康にどのような影響がもたらされるかは現在のところ不明です。ゆえに私たちはマイクロプラスチックの構造とその発生防止に関する研究を進めると同時に、人体に対する生物学的、毒物学的影響を解明しなくてはなりません。
プラスチックごみは環境中で分解されてどんどん小さくなり、繊維状になります。これらの繊維は水中の毒性化合物（殺虫剤や海洋事故による毒性流出物など）を吸収する可能性があります。これらのマイクロプラスチックが食物連鎖に取り込まれ、毒性物質はキャリアを変えながら、最終的に私たちの食卓に上る可能性があります。[5]
魚介から人間へのマイクロプラスチックの転移に伴う毒性物質が、人体にどのような影響をもたらすのかはまだ未解明の段階ですが、毒性物質が魚介や小さな生物に与える健康被害については研究結果が出ています。マイクロプラスチックに吸着した毒性物質は魚介の体内で蓄積され、①毒性物質が細胞に直接ダメージを与える、②化学物質の生物濃縮により肝毒性障害を引き起こす、という2重の問題を発生させる可能性があります。[2, 7]
マイクロプラスチックの分析における問題点
微粒子の識別方法としては、現状では実体顕微鏡を用いて目視によりマイクロプラスチックを他の物質と区別するという方法がとられています[6]。しかし残念ながら、この目視による方法では微小なマイクロプラスチック（<1 mm）の識別が非常に難しく、人的ミスやコンタミネーションの可能性も否定できません。この同定プロセスは非常に煩雑で時間がかかり、差し迫る課題への対策とは言い難いのが実情です。
米国環境保護局（EPA）は、人類とエコシステムに影響を与えるマイクロプラスチックのリスクとインパクトを理解するために必要な情報を特定し、優先順位を決定するため、2017年6月にマイクロプラスチック専門家ワークショップを開催しました[6]。専門家たちは、マイクロプラスチックのリスクを理解するための必要事項を特定するにあたり、ミクロンスケール（粒子サイズ：1 µm～1 mm）のポリマーのサンプル採集、抽出、定量、特性評価に関するメソッドの標準化が必要であることに合意しました。これらのメソッドは、高い再現性、典型性、正確性、精度を備えると同時に、適切なQA/QC（品質保証・品質管理）規則に従ったものである必要があります。サンプル中のマイクロプラスチックの形状、ポリマーの種類、大きさ、化学組成、粒子の数といった情報が明らかになれば、人間の健康と生態系に影響を与える要素を特定することができます。専門家グループは、従来の目視による識別を補完するため分析メソッドを使用すること、そして異なる操作者間でも高い再現性を確保するため自動機能とキャリブレーション機能を備えた分析装置を使用することを推奨しています。[6]
分析ソリューション
ラマンおよび赤外顕微鏡は、環境、工業、水道水、消費財などのサンプルに含まれる広範なサイズのマイクロプラスチック粒子（直径1～5,000 µm）に対応し、適切な同定を可能にします。この分析手法は分子と光の相互作用による分子振動からスペクトル（吸光または散乱光のピークパターン－図2）を取得し、ターゲット粒子から分子固有の情報（＝「分子の指紋」）を得ることでその成分の特定を可能とします。
>1 µmの粒子に対しては、空間分解能0.5 µmを誇るThermo Scientific DXR3xiイメージング顕微ラマンが最適なソリューションとなります。さまざまなポリマーやプラスチックのスペクトルがライブラリに準備されているため、Themo Scientific OMNICソフトウェアに搭載されている多変量解析アルゴリズムにより、ライブラリを検索してスペクトルの同定を行うことが可能です。DXR3xiイメージング顕微ラマンにはオートアライメント機能とキャリブレーション機能が備わっているため、正確な測定が確保され、異なる操作者間でも分析結果の一貫性が保たれます。これはEPAのワーキンググループが推奨する理念に沿ったものです。この装置はフィルター上の大きなエリアを迅速にイメージングすることができるので、複数の粒子の比較や化学成分の同定を迅速かつ確実に行えます。ある程度大きなサイズの粒子（>10 µm）には、Thermo Scientific Nicolet iN10 MX赤外イメージング顕微鏡が最適です。
図2：マイクロプラスチックにおける標準的なラマンスペクトル：PE - ポリエチレン、PE-TiO2 – ポリエチレン-二酸化チタン、PS-DVB – ポリスチレン-ジビニルベンゼン
参考文献
- https://marinedebris.noaa.gov/sites/default/files/publications-files/TM_NOS-ORR_30.pdf
- https://orbmedia.org/stories/Invisibles_plastics
- https://www.theguardian.com/environment/2017/sep/06/plastic-fibres-found-tap-water-around-world-study-reveals
- https://orbmedia.org/stories/plus-plastic/
- https://www.theguardian.com/lifeandstyle/2017/feb/14/sea-to-plate-plastic-got-into-fish
- https://www.epa.gov/trash-free-waters/microplastics-expert-workshop-report
- https://www.nature.com/articles/srep03263
図3に示すサンプルワークフロー図は、サンプル調製からマイクロプラスチック分析までの典型的なプロセスを示しています。
図3：マイクロプラスチックのワークフロー
文献
環境毒物化学学会（SETAC）のポスター
FT-IRおよびラマン分光法による同定が可能な典型的なプラスチック
| 名称 | 略語 | 密度（g/cm3） |
|---|---|---|
| 発泡ポリスチレン | EPS | 0.02 |
| ポリプロピレン | PP | 0.89 |
| 低密度ポリエチレン | LDPE | 0.96 |
| 高密度ポリエチレン | HDPE | 0.96 |
| アクリロニトリルブタジエンスチレン | ABS | 1.05 |
| ポリスチレン | PS | 1.06 |
| ポリアミド（ナイロン） | PA | 1.14 |
| ポリメタクリル酸メチル（アクリル樹脂） | PMMA | 1.18 |
| ポリカーボネート | PC | 1.2 |
| セルロースアセテート | CA | 1.3 |
| ポリ塩化ビニール | PVC | 1.39 |
| ポリエチレンテレフタレート | PET | 1.39 |
| ポリテトラフルオロエチレン | PTFE | 2.2 |
引用文献
FT-IRおよびラマン分光法を用いたマイクロプラスチックの分析に関する査読済み論文をご紹介します。
| タイトル | 発表年 | 文献のリンク | プレビュー |
|---|---|---|---|
| ポルトガル沿岸の2つの砂浜から採取したマイクロプラスチックの有機汚染物質（英語） | 2010 | Marine Pollution Bulletin (Volume 60, issue 11, pp 1988-1992) | “Identification of polymers was made according to standards in the Nicolet spectrometer database” |
| 沿岸海洋環境におけるマイクロプラスチックの出現：中国の堆積物における最初の観察（英語） | 2015 | Marine Pollution Bulletin (Volume 98, issue 1-2, pp 274-280) | “Microplastics were identified by micro-FTIR (Nicolet iN10, USA) that equipped a nitrogen …” |
| 高い懸濁性堆積負荷と大きな浮遊塵を有する水域環境におけるマイクロプラスチックのサンプル採取、分離、および特性評価（英語） | 2018 | JOVE | “Used the Nicolet iS10 FTIR Spectrometer to analyze suspect microplastics.Used the Nicolet iN5 FTIR microscope to analyze suspect microplastics.” |
| 南スリランカ沿岸の砂浜および海水におけるマイクロプラスチック汚染の実証（英語） | 2018 | Marine Pollution Bulletin (Volume 137, pp 277-284) | “Nicolet iS5 FTIR spectrometer collected 16 scans per sample at a resolution of 4.0 cm−1 …” |
| 販売されている中国産二枚貝におけるマイクロプラスチック（英語） | 2015 | Environmental Pollution (Volume 207, pp 190-195) | “Verification of microplastics using µ-FT-IR.The identification was conducted out with a µ-FT-IR microscope (Thermo Nicolet iN10 MX)…” |
| 環境サンプルのマイクロプラスチック分析のための同定における顕微鏡法と分光法の比較（英語） | 2015 | Marine Pollution Bulletin (Volume 93, pp 202-209) | “Microplastic particles on the filter paper from both the SML water and beach sand samples … each square were selected and immediately identified using the FT-IR (Thermo Nicolet FT-IR spectrometer…” |
| アラビア海南東部コチの沿岸水域で採取された底生無脊椎動物におけるマイクロプラスチック（英語） | 2018 | Environmental Geochemistry and Health (Volume 40, pp1377-1383) | “The type of polymer the microplastic particles were made of was identified by the DXR Raman microscope (Thermo Scientific, USA)” |
| 大西洋の10 µm以上の海洋マイクロプラスチックの量、大きさ、ポリマー組成と、垂直分布モデル（英語） | 2015 | Marine Pollution Bulletin (Volume 100, pp 70-81) | “Raman spectra were obtained via spectral measurements on a DXR Raman microscope (Thermo …)
|
| プンタ・デル・エステ（ウルグアイ）のレクリエーションビーチのプラスチックおよびマイクロプラスチック：目に見えぬ危険な存在か（英語） | 2016 | Environmental Pollution (Volume 218, pp 931-941) | “…for polymer identification using a Raman imaging microscope (Thermo Scientific DXRxi Raman Microscope)” |
マイクロプラスチックの同定
Webセミナー所要時間：20分
このWebセミナーでは、マイクロプラスチックがなぜ環境科学者にとって重要な研究トピックになったのか、また、なぜ食品および飲料製造業者にとって懸念されるようになったかについて説明します。分光法を用いた分析メソッドの利点と限界に関する議論も含まれています。顕微分光技術（ラマンおよびFT-IR）および全反射減衰（ATR）分光法は、具体的には、未知の粒子の組成、サイズ、および量を測定することにより、同定のためのオプションを提供します。特定のアプリケーションや予算に最適なシステムを選択するのに役立つリソースもご用意しています。
対象者
- 環境学および生物学の研究者
- 政府機関のラボ管理者
- 食品および飲料産業のQC担当者
- パーソナルケア製品産業のQC担当者
- 分析試験サービス提供業者
Webセミナープレゼンター：
Nunn博士は、英国のダラム大学で物理化学の博士号を取得後、アプリケーション、製品開発、マーケティングで25年以上の経験を持ち、分光法による分析問題の解決に情熱を注いでいます。
Webセミナープレビュー
環境中マイクロプラスチックの同定と定量
Webセミナー所要時間：27分
このWebセミナーでは、環境研究者であるFabinana Corami博士（CMR-ISP、極地科学研究所、ベニス、イタリア）が、水、堆積物、生物相などの環境サンプルの分析によるマイクロプラスチック汚染の特定について解説します。
淡水湖沼の生態系におけるマイクロプラスチック
Webセミナー所要時間：25分
このWebセミナーでは、Elke Fischer博士のチームが、淡水湖沼の生態系におけるマイクロプラスチックを分析および同定する方法について解説します。
海水および堆積物中の微小マイクロプラスチック（< 100 µm）
Webセミナー所要時間：37分
このWebセミナーでは、環境研究者であるFabinana Corami博士（CMR-ISP、極地科学研究所、ベニス、イタリア）が、海水中に存在するマイクロプラスチック繊維の精製、特性評価、定量分析について解説します。
亀田豊博士は、習志野市にある千葉工業大学で准教授を務めています。水工学での修士号および環境資源工学での博士号の取得後、水質環境への影響評価に焦点を当て、各種の民間組織および公的資金を受けて活動する組織と共同で研究を進めています。
このインタビューでは、同氏の進める環境研究を始め、当該研究分野の現状と将来的な状況についての考えを聞くことができます。
亀田博士の経歴を見る
マイクロプラスチック汚染の現状と、この問題をより深く理解するために必要な研究について、どのように考えておられますか？
マイクロプラスチックの問題に関する世界的な調査は、今年になって本格化した段階にあります。分析ソリューションの統一を目指した、非常に微細なマイクロプラスチックの測定と特定を標準化するための大規模プロジェクトが、すでに開始されています。その他、通常のプラスチックや生分解性プラスチックの環境分野における分解研究も、以前より開始されています。おそらく関連レポートは数年後に発表されるでしょうし、私としては具体的な規制条項が世界中で制定されることを期待しています。
ご自身の研究の焦点はどういったものですか？
- 環境中に存在する超微細マイクロプラスチック（0.1 µmから20 µm）の分析ソリューションの開発とモニタリングを行っています。
- 生態学的影響評価を含む、世界的な海洋マイクロプラスチックの発生源と移動のメカニズム、および風化現象の解明に取り組んでいます。
評価対象の場所（湖沼や海洋など）はどのようなものでしょうか？
対象サンプルは、水道水、海水、砂浜、食品、生分解性プラスチック、生活排水などです。
具体的に何を解明しようとしているのですか？
次のことに関心を持っています。
- サイズ範囲にして0.1～20 µmの非常な微細粒子を含む海洋中のマイクロプラスチック濃度を特定し、将来的な濃度および粒子サイズの分布の予測をすること。
- マイクロプラスチックの風化の程度を特定すること。
サンプル採取と分析のワークフローはどのようなものですか？環境サンプル中のマイクロプラスチックの分析に関連する主要な課題は何ですか？
現在は、ある程度大きなサイズ（>20 µm）のマイクロプラスチックのサンプリングと分析ソリューションについては開発が完了しており、商品化の段階にあります。メソッドの詳細はまもなく公開されますが、簡単に説明すると次のようになります。
- プラスチックを含まない装置を用いたサンプル収集
- 過酸化水素、ヨウ化ナトリウム、酵素を用いた前処理
- 自動粒子分析ソフトウェア装備のThermo Scientific Nicolet iN10 MX赤外イメージング顕微鏡による自動分析微細な粒子（<20 µm）が、現在の私のメインの研究対象です。メソッド開発上での課題には解決の見込みが立っています。現状は、開発パートナーとしてラマンのサプライヤーを探しているところです。ラマンを用いた分析メソッドの開発は2021年を予定しています。
どのようなタイプの機器を使用していますか？マイクロプラスチックの検出と同定のためのソリューションにおいて、自動化の推進はどれほど有用なのですか？
粒子のサイズ測定および同定と定量には、OMNIC Pictaソフトウェアを搭載したNicolet iN10MX顕微鏡を使用しています。
現在の規制状況については、どのような意見をお持ちですか？主要な規制サイドとはコンタクトしていますか？マイクロプラスチックの汚染と監視に関する国内および国際的な規制については、何を期待していますか？
- マイクロプラスチックの汚染やコンタミネーションの特性については、まだ未解明な点があります。主要な規制当局と協力して研究を行うこともあります。将来的なマイクロプラスチックの調査および、マイクロプラスチック汚染の管理ポリシーについては、次のように実施されることを期待しています。
- マイクロプラスチックの環境調査の下限は20ないし0.2 µm粒子とする（現状可能な限界は>300 µm）。
- 環境中での毒性が高く、微粒子として環境中に残留する可能性が高いポリマーについては禁止される可能性があります。
- 生分解性プラスチックの採用と利用が推奨されるはずです。その際には、粒子サイズの分布測定をするために、環境劣化試験が改訂されるでしょう。これらの新しい定義が採用された場合、従来の生分解性プラスチックが要件を満たさなくなることも考えられます。
- 日用品に使用されているマイクロカプセルのポリマーも、新しい素材に置き換えられる可能性があります。
経歴亀田豊博士|千葉工業大学|准教授
学歴
1998～2000：北海道大学にて環境資源工学の博士号を取得
1995～1997：東北大学にて水工学の修士を取得
1991～1994：東北大学にて土木工学の学士号を取得
職歴
2012～現在千葉工業大学創造工学准教授
2007～2012：埼玉県環境科学国際センター水環境研究員
2006～2007：国立研究開発法人土木研究所研究員
1992～2005：横浜国立大学環境リスク研究室COEフェロー
研究プロジェクト
- 西太平洋におけるマイクロプラスチックのモニタリングとその環境挙動分析。（科学研究助成金、日本政府）
- µFT-IR分光法を用いたマイクロプラスチック測定による新規分析メソッドの確立（サーモフィッシャーサイエンティフィック）
- マイクロプラスチックのモニタリング、環境での挙動分析、および日本の河川におけるシミュレーションモデルの確立。（日本河川基金）
- 新たな有機化学物質による沿岸環境および生物に対する環境影響を評価するための新規ツール開発。（日豪研究交流基金）
- 日本でのハチコロニーおよびハチミツでのネオニコチノイドの曝露経路分析（Actbeyond Foundation）
最新の論文
- D. Ueno, H. Mizukawa, O. Inanami, H. Nagasaka, N. Tatsuta, Y. Narazaki, T. Fujino, I. Watanabe, Y. Kameda, K. Nakai：「トビケラウォッチ」、トビケラ幼虫を用いたバイオモニタリングプログラムによる、福島原発事故後の河川での放射性セシウム汚染の測定、Landscape and Ecological Engineering、January 2018、Volume 14、Issue 1、pp29-35
- M. Allinson, Y. Kameda, K. Kimura and G. Allinson: ビクトリア河口における紫外線フィルターと光安定剤によるリスクの発生と評価、Environmental Science and Pollution Research、April 2018、Volume 25、Issue 12、pp12022-12033
- Y. Tashiro, Y. Kameda: 日本のサンゴ島の環境水中でのパッシブサンプリングによる農薬汚染の監視、Journal of Water Resources and Ocean Science；2015;4(2):39-43 (Mar, 2015)
サンプル調製キット／消耗品
微小粒子を分析するための消耗品やサンプルの準備は、簡単には済まないことがよくあります。これらの微小粒子分析サンプル調製キットは、サンプルのタイプを問うことなく、プロセスのスリム化に貢献します。
装置バンドル
機器概要
| FT-IR + ATR | FT-IR + スモールスポットATR | ポイント分析用赤外顕微鏡 | イメージング赤外顕微鏡 | 顕微ラマン | イメージング顕微ラマン | |
| 構成 |  |  |  |  |  |  |
| Nicolet Summit FT-IRおよびEverest ATRアクセサリー | SurveyIR顕微分光法アクセサリー + Nicolet Summit FT-IR | Nicolet iN5赤外顕微鏡 + Nicolet iS20 FT-IR分光装置 | Nicolet iN10 MX赤外イメージング顕微鏡 | DXR3顕微レーザーラマン | DXR3xiイメージング顕微ラマン | |
| 測定できる粒子径サイズ | ||||||
| 5 mm | ✓ | |||||
| 1 mm | ✓ | ✓ | ||||
| 500 µm | ✓ | ✓ | ||||
| 100 µm | ✓ | ✓ | ✓ | |||
| 10 µm | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ||
| 1 µm | ✓ | ✓ | ||||
| サンプリング位置の調整はマニュアルでのみ実施可 | 可能 | 可能 | 可能 | 不可 | 不可 | 不可 |
| フィルター上の粒子の自動分析 | 不可 | 不可 | 不可 | 可能 | 可能 | 可能 |
| サンプルの蛍光に対する耐性 | あり | あり | あり | あり | なし | なし |
PDFファイルのダウンロード：
マイクロプラスチック分析のための分析機器
Jennifer M. Lynch博士へのインタビュー
米国標準技術局およびハワイ・パシフィック大学のJennifer M. Lynch博士から、太平洋でのプラスチック汚染物質の研究についての経験談を聞くことができます。マイクロプラスチック汚染についての同氏の見解として、地域経済への影響、資金の不足、そしてマイクロプラスチック特定に関連した技術的な課題が触れられています。また研究グループで実践された、FT-IRおよびFT-IR顕微鏡を用いたマイクロプラスチックおよびメソプラスチックの特定についての情報も得られます。
ポスター - 環境中のマイクロプラスチックの分析
赤外分光法は、プラスチック粒子の発生源、吸着される化学物質、環境中に存在する可能性のある毒性物質に関する貴重な情報をもたらします。
