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水中の超小型プラスチック微粒子の検出

環境中に存在する小さな粒子は、地下水中で自然に生成されるか、人為的活動によって生成されます。ミクロン以下のサイズ (1 ミクロン =10 m) の超小型粒子は、大きなサイズの同じ材料よりも化学的に反応性が高いことが多いため、特に興味深いものです。さらに、マイクロまたはナノサイズの粒子の化学を研究することは、その固有の反応性を理解するのに役立ちます。これにより、溶解度、触媒活性、毒性など、固体の環境固有の特性を特定できる可能性があります。

たとえば、粒子は鉱物クラスターの核形成によって地下水中で形成され、微生物や植物にとって重要な栄養源です。自然界に存在する粒子の化学反応性に関する知識は、粒子からミネラル イオンがどのように放出されるかを理解する鍵となります。さらに、鉱物粒子によって取り込まれた汚染物質が他の場所に再導入されるか、沈降によって地下水から永久に除去されるかを予測できるように、粒子表面の汚染物質との化学的性質を知ることが重要です。

人為的活動により、自然界にも極小粒子が存在するようになります。今日では、商業目的で調整された小さな粒子が大量生産されています。これらの粒子はしばしば化学反応性を高めており、浸出すると、私たちの健康と自然の生態系に有害な影響を与える可能性があります.

極小のプラスチック粒子も健康に害を及ぼす可能性があります。具体的には、プラスチック粒子は、周囲の環境からの残留性有機汚染物質などの他の化学物質を吸着できる可能性があり、水生生物による摂取を通じて食品に生物蓄積されます.さらに、エンジニアリング粒子とは異なり、プラスチック粒子は化学的に安定しており、自然分解を受けません。これらの理由から、極小粒子の健康への影響と環境毒性を決定し、自然の生態系におけるそれらの存在を継続的に監視できることが重要です.

小さな粒子の化学反応性を研究する上での課題は、単一の超小さな粒子が小さすぎて、既存の分析プローブに手動で取り付けることができないことです。さらに、大規模なクラスターでそれらを研究すると、それらの固有の化学反応性の一部が失われる傾向があり、それらは環境にあるのと同じ状態にはなりません.水中では、すべての浮遊粒子がランダムに移動します。これはブラウン運動と呼ばれます。

そのため、粒子をプローブに固定しようとする代わりに、粒子がプローブとランダムに衝突するのを待ちます。さらに、衝突粒子を検出するために、プロービング電極に電位が印加される。電極電位が衝突粒子での、または衝突粒子の化学反応を観察するのに十分な場合、通常はスパイクのように見える一時的な信号応答がポテンショスタットによって記録されます。図 1 は、粒子衝突イベントと典型的なクロノアンペログラム (時間-電流曲線) のグラフ表示を示しています。

観測された電流は、プラスチック粒子に吸着された酸素分子の電気化学的還元によるものであることがわかりました。プラスチック自体は、電気絶縁性で化学的に反応しない材料であるため、反応したり、反応を促進したりすることはできません。さらに、吸収された酸素が純粋な窒素ガスを長時間通過させることによってパージされると、スパイクは記録されません。これは、プラスチック微粒子が環境から他の化学物質を容易に吸着することを意味している可能性がありますが、さらなる研究が必要です.

ポリエチレンの場合、酸素の溶解度は既知であるため、パイクの下の積分面積から得られる各粒子に含まれる酸素の量に基づいて粒子サイズを推定できます。この概念実証研究では、電気化学分析から導き出されたプラスチック微小球のサイズ分布が、走査型電子顕微鏡を使用した観察とよく一致することを示すことができます。粒子の特徴的な化学反応を特定できれば、サイズ決定のためにサンプルから粒子を抽出する必要がなくなるため、この結果は非常に重要です。

測定ごとに観察されるパイクの数は、粒子濃度に依存することがわかります。つまり、プラスチック微粒子の濃度が徐々に増加するにつれて、より多くのスパイクが観察されました。さらに、実際に、プラスチック粒子の濃度と観察されたスパイクの数との間の線形相関である検量線を作成することができます。さらに、検量線には、おおよそ 3 桁を超える粒子濃度 (1 リットルあたり 3.6 × 10 粒子から 1 リットルあたり 1.4 × 10 粒子まで) が含まれていることが心強いです。私たちの調査結果は、天然の水生サンプル中の小さなプラスチック片の濃度が、粒子衝突アプローチを使用して分析的に決定される可能性があることを示唆しています.

結論として、超小型粒子は、粒子と静止プローブ電極との間のランダム衝突を利用することにより、水中に浮遊している間に個別に調べることができます。さらに、電極に電位を印加することにより、衝突粒子を含む化学を研究することができます。このアプローチは、自然の水生環境における粒子濃度を決定するための有望な分析方法でもあります。

これらの調査結果は、最近 Electroanalysis 誌に掲載された In situ Detection of Microplastics:Single Microparticle-electrode Impacts というタイトルの記事で説明されています。 .この作業は、オックスフォード大学の清水健一、スタニスラフ V. ソコロフ、エンノ ケーテルホン、ジェニファー ホルター、ニール P. ヤング、リチャード G. コンプトンによって実施されました。


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