質量​分析​装置​を​ベース​に​した​ナノ​粒子​分析システム  

作成​者:

国立研究開発法人産業​技術​総合​研究所 ― 稲垣和三 (Kazumi Inagaki)
国立研究開発法人産業​技術​総合​研究所 ― 宮下振一 (Shin-ichi Miyashita)
太陽計測株式会社 ― 秋山日出夫 (Hideo Akiyama)

質量​分析​装置​の概要 

環境​標準​研究​グループは、国内最大の公共研究機関である国立研究開発法人産業​技術​総合​研究所所属の一部門です。環境​標準​研究​グループは、化学​分析​手法とその​手法​に​対応​した​計測​システム​の​信頼​性をさらに高めることによって、化学​分析​の​信頼​性​を​確保するべく努力して​います。私達のグループは、​技術​指導​や​コンサルティング​などのサービスも提供しています。​高い​再現​性​が​得​られる​計測​手法​を​実用​的​な​レベル​で​確立​し、​それ​を社会に​広める​こと​が、​環境​標準​研究​グループ​の​ミッション​で​す。

現在、私達はカドミウム、鉛、水銀など、食品および環境試料​中に含まれる重金属の分析手法を開発しています。化学分析で主に使用する計測器は、誘導結合プラズマ質量分析法 (ICP-MS) 計測器です。これを使うと、たとえば水道水中のカドミウム含有量などを計測し、その結果を確認できます。グループが今、注力​し​て​いるのは、ICP-MS計測器を​​用​い​た​ナノ​粒子​計測​手法​の​開発です。これによって、特に北米とヨーロッパにおいて高まりつつあるナノ粒子関連の規制策定に対する要求に対応します。​​こうした動きに対応して、研究者達はナノ​粒子​の​​個数​やサイズ​を​計測​する​手法と​、その​性質​を​評価​する​ため​の​手法​を​確立​しようとしています。また、用語と​知識​の​統一​を図る努力も払われています。​そうした​手法の​1​つが、​ICP-​MS計測器による​ナノ​粒子​の個数と​サイズとの​計測です。

ナノ​粒子​と​は、​直径が1～​100 nm​の​粒子​​です。​すでに、ナノ​粒子​は化粧​品​や​電子​機器、​塗料​など​の​用途​で​広​く​使用​さ​れ​て​いますが、他方、​食品​や​環境​に対する​影響​について​の​懸念​も​指摘​さ​れ​て​います。​そのような問題を​正しく​理解​するために​、​ナノ​粒子​の​種類​や​量​を​精確​に計測​する​方法が​必要でした。​通常、​ナノ​粒子​の​サイズと​個数​の​計測に​は、​電子​顕微鏡または​光​散乱​法が使われます。​ただし、​これらの​方法​は​化学​的​性質​に​基づく​もの​ではないため、​​数​種類​の​異なる​組成​の​粒子​が試料​に​混在​する​場合、それらを判別することができません。​この​問題​に対処​する​に​は、これまで物質​の​同定​や​定量​に​使用​さ​れ​て​きた​質量​分析​法​が​役に立ちます。以上の理由​から、​ICP-​MS計測器を​使用​した​ナノ​粒子​の​​分析​手法​に​注目​が​集​まっていたのです。​現在​では多く​の​研究者​が、​この​手法に対応するシステム​の実現に取り組んでいます。

ICP-​MS計測器​を​使用​した​ナノ​粒子​分析​は、以下​の方法で実施します。​この​方法​で​対象​と​するのは、​ナノ​粒子​を​分散​さ​せ​た​液 (分散​液) です。​この​分散​液​を​噴霧することで、​アルゴン​で​生成​した​​誘導​結合​プラズマ​の中に​ナノ​粒子​を​誘導​します。​それ​により、​プラズマ内​で​ナノ​粒子​が​分解​して原子化し、イオン化します (図​1)。​通常​の​質量​分析​法​では、​この​よう​な​処理​を​経​た​後、​各種​イオン​を​質量​ (質量​電荷​比) に​応​じ​て​分離​し、​1​秒​程度​の​積算時間で​それぞれ​の​イオン​の​数​​ (強度) ​を​計測​します。​対照的に​ナノ​粒子​分析​は、​分散​液​中​に​含​ま​れる​ナノ​粒子​の​個数 (分散​液​中​の​個数​濃度) ​および各​ナノ​粒子​の​サイズ (分散​液​中​の​粒径​分布) の​計測​を​目的​とします。図​1の右側にある​赤い部分で示した​よう​に、​1個​の​ナノ​粒子​が​イオン化​さ​れる​たび​に、​100～​500 μsの​時間​幅で​イオン​シグナル​ (イベント) ​が​発生​します。​発生するイベントの数をカウントすれば、​分散​液​中​に​含​ま​れる​ナノ​粒子​の​個数が​わかります。​さらに、​各​イベント​の​面積​を​算出​する​こと​で、​各​ナノ​粒子​の​サイズ​を確定できます。​この​手法​は、single particle ICP-​MS​ (spICP-MS) ​と​呼​ば​れ​て​います。

spICP-MS計測器を構築する上での課題

​上述の​とおり、spICP-​MS​という​​分析​手法​は、​理論​として​は​完成​し​て​います。​ただ、​それ​を​具現​化​した​システム​を​構築​する​に​は、​いくつかの課題を解決する必要がありました。​環境​標準​研究​グループ​で​使用​し​てい​た​ICP-​MS​計測器​は、​この​手法​を​実現​する​ため​の​ハードウェア​に​求め​られる​スペック​は​満​た​し​てい​ました。​つまり、​必要​と​する​信号​は​出力​さ​れ​てい​た​の​で​す。​しかし、​ナノ​粒子​の​​分析​という​ニーズ​は​もともと​存在​し​なか​っ​た​ので、​ICP-​MS​計測器はそれに対応する機能を備えていませんでした。​とりわけ、問題となったの​が計測​速度​でした。​各​ナノ​粒子​から​の​イオン​は、​100～​500 μs​の​時間​幅​で​次々に​発生します。​これは、​質量​分析​装置​を​用​い​た​化学​計測​の​世界​では​非常​に​短い​時間です。​100 μs​未満​の​時間​分解能 (10 kHz​の​サンプリング​レート) ​​で​計測​する​という​の​は、​質量​分析​装置​を​用​い​た​化学​計測​における​通常​の​感覚​から​は​3​桁​以上​ずれ​て​いました。

また、高速​で​計測​を​行う​という​こと​は、通常​の​化学​分析​と​比べて、​生成​さ​れる​データの​量​も膨大​​に​なる​​こと​を​意味​します。​従来​は、​手作業で​Microsoft ​Excel​に​データ​を​エクスポート​してから​処理していました。​しかし、​データ量が肥大化することで、​1​つ​の​サンプル​ (分散​液) ​から​データ​を取り出して、​必要​な​演算​処理​を​行う​だけ​でも​1​日​がかり​の​作業​に​なってしまいます。​当然​の​こと​ながら、​計測の​対象​となる​ナノ​粒子は何​種類​もあり、​再現​性​を確認するためには​計測​を繰り返し行う必要があります。​そのため、​データ​​処理にかかわる​作業​が​とても大きな負担​に​な​って​い​たのです。私達が求めていたのは、これまでどおり​​ICP-​MS計測器​を​利用​し​ながら​高速​で計測し​、大量​の​データ​を​リアルタイム​で​処理​して​結果​を​蓄積​できる​システム​の構築​でした。​ただ、​その​よう​な計測器​を​製品​として​提供​しよう​と​する​メーカー​が​存在​し​なか​っ​た​わけ​ではありません​。​問題​は、すでにICP-MS計測器を​所有​し​て​いる組織では、通常、ナノ​粒子​の​分析​​機能​をその計測器に付加​でき​ない​こと​で​した。つまり、質量分析に加えてナノ粒子​分析も実行したければ、​既存​の​ICP-​MS計測器​の​ほかに、​非常​に​高価​な​spICP-​MSシステムを​追加​で​購入​しな​け​れ​ば​ならなかったのです。​仮に、​既存​の​ICP-​MS計測器を​ナノ​粒子​​分析​用​に​改修​した​い​という​要望​に​メーカー​が​対応​し​てく​れ​た​として​も、​何か月​もの​時間​を​要​し​て​いたでしょう。​また、​メーカー​が​spICP-​MS計測器​を​商用​化​する​場合​、​さまざま​な​機能​を​盛り​込​ん​だ​システム​を​構築​する​はずです。それでも、​最初​から​必要十分​な​機能​が​盛り​込​ま​れる​と​は​限​りません。​実際のところ、​何​度​も​計測​を​行い​ながら​最適​化​を​図​っ​た​ほうが、​より​使い勝手​の​良い​システム​を構築できる可能性があります。​こうした​理由​から、​ICP-​MS​計測器に​外​付け​で​ナノ​粒子​分析機能​を​追加し、その上で各ユーザのニーズに基づいてカスタマイズできるような柔軟性を備えたシステムを構築したいと考えました。

太陽計測とNIの協力でナノ​粒子​の分析を実現

上述の方針​に沿って​新た​な​システム​を​構築​する​ため​に、​環境​標準​研究​グループ​は、​NIア​ライアン​ス​パートナー​で​ある​太陽​計測​株式会社の協力を得て​システム​の​開発​に取り掛かりました。​図​2​に、​spICP-​MS計測器​に相当​する​新た​な​システムを示します。​図​の​左側​部分は既存​の​ICP-​MS​計測器で、分析計として使用します。図の​右側​部分​は、今回採用した​太陽​計測​のNT2600 Startup Kit​という​製品​です。​NT2600​は、​信号​​収録、​高速​演算​処理、​タイミング​処理に使用する​汎用​システム​で​す。​ハードウェアは、​NI​の​PXI​シャー​シと​PXI​コントローラ、​高速​で​デジタル​信号を​処理する​​NI FlexRIO、​およびデジタイズ​用​の​アダプタ​モジュール​から構成されます。必要​な​プログラム​は、​グラフィカル​なシステム​開発​プラットフォーム​で​あるLabVIEW​を使って​開発しました。​図​2の​システム​では、ICP-MS​計測器​から​出力​さ​れた​電圧​信号​を​アダプタ​モジュール​で​デジタイズ​します (サンプリング​周波数​は​20 kHz​～​1 MHz​の​範囲​で​設定​可能)。そして、デジタイズ​さ​れ​た​信号が​FlexRIO​に​渡​さ​れます。​FlexRIO​は、​FPGA​内蔵の​PXI​モジュール​で​す。エンジニアや研究者の​間でしばしば​​課題​と​なる​複雑​な​デジタル​信号​処理​を​高速​化​する​こと​を​目的​にし​て​います。​以前は​計測および​制御​関連​の​信号​処理を、Microsoft Excelおよびプログラミング言語の​C​や​Python​など​で​​開発​したプログラムとして​PC​上​で実行していましたが、これらを​FPGA​に​移植​する​こと​で​数​百倍​高速​化​できる​ケース​も​少​なくありません。ただし、実装​する​信号​処理​アルゴリズム​や​採用​する​FPGA​チップ​の種類など​の​条件​によって​、高速​化​の​度合い​は​異なります。計測器で​得​ら​れ​た​データ​を​USB​ドライブに移して自分のデスクに持ち帰り、​PC​で​バッチ​処理​する​よう​な​旧来​の​アプローチ​は、​FPGAを利用する新しいアプローチへと変わってゆく​可能性があります。​なぜなら、計測器を​稼働​さ​せた状態で​FPGA​での​高速な​信号​処理が可能なため、​リアルタイム​に​処理​結果​を​得​ながら​実験​を​進​め​られるからです。​これ​によって多く​の​エンジニアや​研究者が自らの生産​性​を​向上させ、​新た​な​発見をするスピードが高まることに繋がります。

​一般​​に、​FPGA​上​で​実行​する​プログラム​の​開発​に​は、​VHDL​など​の​専門​的な言語​の​習得が​必要です。​研究と​開発の​期間​によって​は、​限​ら​れ​た​リソース​の​中​で​FPGA​開発​の​専門​家​に依頼する​のが​難しいこともあります。​一方、​プログラム​開発​を​本業​と​しない​エンジニアや​研究者​が​複雑​な​VHDL​言語の​習得​に​励む​ことに​も​限界​が​ある​と​思われます。しかし、​FlexRIOの場合、​計測と​制御​の​世界​で​広く​活用​さ​れ​て​いる​LabVIEW​と併用することで、​FPGA用​プログラム​の​開発が容易になるという​利点​が​あります。​これまで​LabVIEW​を​用​い​て​PC​上​で​動作​する​プログラム​を​開発​した​経験​が​あれ​ば、​その​経験​を​FPGA​開発​にも活かせます。​​たとえ​LabVIEW​での開発​経験​が​無​くても、​​VHDL​など​の​テキスト​ベースの言語​と比べれば、LabVIEW​では​より直感​的​な​プログラム​開発​が​可能​です。

図​2​の​システムで​は、​FPGA​の​能力​を​駆使​し​て​高速​で​計測​を​行い、​イベント​数​の​カウント​と​イベント​面積​の​算出​を​リアルタイム​で​実行​し​、その​結果​を​蓄積​するという​機能​を​実現​しました。

NT2600は、データ​収録​および​演算​処理用アプリケーションのNT2600_FPGAと、表示および​保存用アプリケーションのNT2600_Windowsという2つのソフトウェアから構成されます。NT2600​は、​もともとデータ収集、​位相​時間​の計測、​タイミング​処理​の各​機能​を​備え​ていまし​た。そこへ​電子​顕微鏡のアプリケーション向けに、​パルス​数​を​カウント​する​機能が追加されました。​つまり、ハードウェア​は​そのまま利用​できたので、​面積​計算​など、​ナノ​粒子​の​​分析​に​必要​な​機能​を​プログラミング​する​だけ​で​よかったのです。​本​案件​に関する​打ち合わせ​を​始めて​から、​必要​な​機能を​実装して​ユーザ​インタフェース​を作成し、​機能​の​最適​化​を​終えて​システムを​完成させるまでにかかった期間はわずか​3​か月でした。

このように​し​て​システム​を​構築​した​こと​で、​既存​の​ICP-​MS​計測器を​利用して​ナノ​粒子​​分析​を​実現​することができました (図​3)。​この​システムでは、​計測​や​演算​など、すべての作業​を​リアルタイム​で​実行​できます。それによって​作業​時間​を​大幅​に​短縮​​できまし​た。​また、​柔軟性​の​高い​システム​を​構築​でき​た​こと​から、​システム​を​運用し​ながら、必要に応じてソフトウェアによって機能を最適化できるようになりました。

今後の展開

spICP-​MS​に相当する​システム​として​は、​多く​の​ユーザ​の​ニーズ​を​満たす​もの​を​実現​でき​た​と​考え​て​います。​​国内外​の​研究者​から、​どう​や​って​システム​を​構築​した​の​か、または​どこ​で​この​システム​を​購入​できる​の​か​といった​質問​をよく​受けます。今後​の​展開ですが、太陽​計測​は​将来この​システム​を​化学​分析​分野​の​顧客​に​も提案​するようです。​また、​高速​で​計測して​大量のデータをリアルタイムで処理し、その結果を蓄積できるという特徴を活かすことで、​新たに別の用途での利用も​期待​できます。​たとえば、​本​システム​を​モニタリング​に応用することが​考え​られます。​何らかの​プロセス​において、​特定の​粒子​が​生成​さ​れ​ているか​どうか​を​検証​した​い​というニーズ​があります。​そうした​プロセス​の​モニタリングでは、ときに​1​～​2​時間または​半日​～​1​日かけて連続​的​に​結果​を​取得​する必要があります。この​システムは、​その​よう​な​ニーズ​に​も​対応​できます。最新​の​ICP-​MS計測器​でさえ、​連続モニタリングに対応できるのはせいぜい10​～​60​分程度です。これ以外の多くの分野でも、​大量​の​データ​を​リアルタイム​で​処理​し、その​結果​を​蓄積​した​い​という​ニーズが​あります。​そうした​分野への​FPGAの​展開が​期待されます。

著者​情報:

稲垣和三 (Kazumi Inagaki)
国立研究開発法人産業​技術​総合​研究所
〒305-8563 茨城県
日本