粒子解析とは？具体的な解析方法や応用例などをわかりやすく解説

粒子解析とは

 

粒子解析の方法・手順

粒子解析によって情報を取得する際には、正確なデータを得られるように、用いる手法ごとに適切な手順を踏んで解析を行う必要があります。ここでは代表的な手法である、電子顕微鏡による観察を用いて粒子解析を行うときの手順を解説します。

サンプルの調製

粒子解析を行う際には、解析に使用する画像を得るためのサンプルを用意します。使用するサンプルの種類・形式によって、粒子解析の方法が異なるため、用いる道具や必要なデータに合わせたサンプルを使用しましょう。たとえば動的光散乱法（DLS）で解析する場合は、溶媒に分散させる必要があります。対して、レーザー回折や散乱法などの手法を用いる場合は、乾燥粉末や分散液、エアロゾル中の粒子なども分析が可能です。

SEM/TEM像の取得

次に、SEM像もしくはTEM像を取得します。走査型電子顕微鏡で得られるのがSEM像、透過型電子顕微鏡で得られるのがTEM像です。SEM像は内部は見えませんが人間の感覚に近い立体的な画像が得られます。それに対して、TEM像は構造の理解に知識が必要ですが、輪切りになった平面図が得られるので内部の構造が分析可能です。画像の種類によって解析できるデータが異なるため、全体の正確な形状を得る場合はSEM像、高倍率な内部構造の画像が必要な場合はTEM像と目的によって使い分けましょう。

SEM/TEM像の処理

粒子解析に使うための画像が得られたら次に行う作業が、ノイズの除去やコントラストの強調、画像のゆがみなどの画質の改善です。サンプルに手を加えて鮮明なSEM/TEM像が得られたら、さらに粒子像を背景から切り離し、重なり合った粒子像同士が別々の粒子として認識できるように処理します。このような画像処理の過程を経て、ようやく粒子径の計測や分布状態の測定などの解析が可能になります。

SEM/TEM像の解析

画像を処理して解析できる状態にしたら、粒子の大きさや形状の特徴などを定量化します。解析時には、本来モノクロ画像であるSEM/TEM像内の情報をより分かりやすくするためのカラー化を行ったり、本来平面画像であるTEM像をいくつか組み合わせて立体映像にしたりする場合もあります。SEM/TEM像の取得と処理や基本的な解析については、ほぼ自動で行えるシステムが開発されているので、必要に応じて利用しましょう。

電子顕微鏡以外の粒子解析方法

先に紹介した電子顕微鏡での解析以外にもさまざまな粒子解析の手段があり、サンプルの種類や目的によって使い分けられます。ここでは、電子顕微鏡以外の手法を用いた粒子解析方法について、概要や特徴をまとめています。

レーザー回折・散乱法

レーザー回折・散乱法とは、解析する粒子群にレーザー光を照射し、それによって発せられる回折・散乱光を観測し、粒度分布を求める方法です。回折・散乱光とは、粒子にレーザーを照射した際に発せられる、前後・上下・左右さまざまな方向の光のことです。この光が描く一定の空間パターンを光強度分布パターンと呼びます。光強度分布パターンは粒子の大きさによってさまざまな形に変化するため、粒子解析の際は、これを基に計算を行い、粒度分布を求めます。

動的光散乱法

液体中に分散している粒子は、ランダムにさまざまな方向へ拡散します。ブラウン運動とは粒子が溶媒分子と衝突することで起こる運動で、これによってエネルギーが伝達され、粒子の拡散が誘発されます。動的光散乱法は、液体中に分散した粒子のブラウン運動を利用する解析方法です。この方法では、エネルギーの変化の影響を受けやすい小さな粒子は大きな粒子よりも高速で拡散することを利用し、粒子の拡散速度から粒子の大きさを求めます。 

X線小角散乱法

X線小角散乱法は、サンプルによって散乱したX線の強度を、散乱角度の関数とみなして測定する解析方法です。溶液媒体以外も解析できるため、ゲル中や高粘度の液体内の粒子などブラウン運動を起こしにくい、もしくは全くしないために動的光散乱法では解析できないサンプルを用いる際に利用されます。また、粗大粒子の影響を受けにくいことや、可視光による光学活性の影響を受けず、色がついた試料にも適応しやすいことも動的光散乱法との違いです。

ゲル濾過クロマトグラフィー（GPC）

ゲル浸透クロマトグラフィーとは、プラスチック・コポリマー・オリゴマーなどの合成高分子、セルロース・たんぱく質・抗体医薬などの天然・生体高分子の溶液中の物性を、分子量と分子構造を基に評価する解析方法です。解析するサンプルがポリマーであれば、解析結果が機械的強度・引張強さ・ 耐衝撃性などに大きく関わってきます。タンパク質や抗体などの生体高分子は分子量の情報によって、その高分子が単量体なのか多量体なのかを判断できるため、精製や分離などの操作を最適化するのに役立ちます。

粒子解析の応用例

粒子解析は近年、さまざまな分野で活用されており、身近な所でも利用されています。ここでは粒子解析を応用して、日常で使われるさまざまな分野に役立てられている事例を紹介いたします。

医薬品の分析

リチウムイオン電池の製作

工場における品質管理

クリーンルームの清浄度の管理

粒子解析の歴史

粒子解析は経済成長期に必要とされ、それに応じる形で発展してきたという背景があります。1970年代に、当時の最先端技術であったレーザーを用いた粒度分布測定装置が開発されたという説があるのは、その裏付けになるといえるでしょう。画像イメージから直感的に粒子の形状や分布状態を判定できるこの方法は、光学顕微鏡の発明以降、広く認知され、盛んに利用されてきました。一方、大量の粒子を解析するのは非常に手間と時間が掛かる手法でもあり、利用できる場面に限界がありました。近年では、デジタル撮影技術や解析用ソフトウェア開発によって画像イメージによる解析がより現実的になり、以前よりも利用されるシーンが増えています。

粒子解析の最新動向

粒子解析は登場してからそれほど歴史の長い手法ではありませんが、ここ30年で非常に速いスピードで技術の進歩を遂げています。例えば電子顕微鏡は自動化、リアルタイム3D表示などが可能です。ソフトウェアの発達によって、画像処理や分析の自動化も進んでいます。近年では、グラフィックボードを搭載した一般的なPC上で動作する粒子解析ソフトが登場し、AIの活用も進んでいます。また技術の進歩に比例して、粒子解析技術が求められるシーンも増えており、今後重要性が増すことは間違いありません。未だ解析に使われる機器は高価なものが多いものの、今後技術の発展・浸透に伴い改善されると予想されています。

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