ナノ粒子の特性評価

ナノ粒子の特性評価は、ナノ粒子の物理的および化学的特性の評価、または測定を扱うナノ計測学の分野です。^{[1]ナノ粒子は、少なくとも1つの外形寸法が100}ナノメートル 未満であり、独自の特性を持つように設計されることがよくあります。ナノ粒子は、サイズ、形状、表面特性、結晶度、分散状態などの他の物理的特性が異なるため、化学組成と濃度だけでは完全な説明には不十分であるという点で、従来の化学物質とは異なります。^[2]

ナノ粒子は、ナノ毒性学研究や職場における健康および安全上の危険性を評価するための暴露評価、製造工程管理など、さまざまな目的で特性評価されています。これらの特性を測定するための計測機器は多岐にわたり、顕微鏡法や分光法、粒子カウンターなどがあります。 ナノテクノロジーはまだ新しい分野ではありますが、 計測標準や参考資料は多くの組織から入手できます。

ナノテクノロジーとは、原子レベルで物質を操作して、新しい特性や機能を持つ材料、デバイス、システムを作り出すことです。エネルギー、ヘルスケア、産業、通信、農業、消費財、その他の分野での応用が期待されています。ナノ粒子は、少なくとも1つの外形寸法が100ナノメートル未満であり、多くの場合、構成材料のバルクバージョンとは異なる特性を持つため、技術的に有用です。^[3]この記事では、形状やナノスケールの寸法の数に関係なく、すべての自由ナノ材料 を含むナノ粒子の広い定義を使用しています^[4] 。これは、丸いナノオブジェクトのみを指す、より制限的なISO / TS 80004の定義ではありません。^[5]

ナノ粒子には、化学組成と濃度で十分な測定基準となる従来の化学物質とは異なる分析要件がある。ナノ粒子には、サイズ、形状、表面特性、結晶度、分散状態など、完全な記述のために測定しなければならない他の物理的特性がある。^{[6] [7]} ナノ粒子のバルク特性は、これらの特性の小さな変化に敏感であり、工業用途におけるプロセス制御に影響を及ぼします。 ^{[8] [9]} これらの特性は、特定の組成のナノ粒子への曝露による健康影響にも影響を及ぼします。^{[6] [7]}

さらなる課題は、サンプリングや実験室の手順によってナノ粒子の分散状態が乱れたり、他の特性の分布が偏ったりする可能性があることです。^{[6] [7]} 環境の観点からは、多くの方法では、依然として悪影響を及ぼす可能性のある低濃度のナノ粒子を検出できません。^[6] 天然ナノ粒子と偶発的ナノ粒子のバックグラウンドが高いと、両者を区別することが困難であるため、対象となる人工ナノ粒子の検出が妨げられる可能性があります。^{[6] [10]} ナノ粒子は、より大きな粒子と混合されることもあります。^[10] 一部の用途では、ナノ粒子は、水、土壌、食品、ポリマー、インク、化粧品などの有機液体の複雑な混合物、血液などの複雑なマトリックスで特徴付けられる場合があります。 ^{[10] [11]}

顕微鏡法は、個々のナノ粒子の画像を作成し、その形状、サイズ、位置を特徴づける。 電子顕微鏡法^[2]と走査型プローブ顕微鏡法が主流の手法である。ナノ粒子のサイズは可視光の回折限界を下回るため、従来の光学顕微鏡法は役に立たない。電子顕微鏡は、元素分析を行うことができる分光法と組み合わせることができる。顕微鏡法は破壊的であり、一部の手法で必要な乾燥や真空条件などのサンプル準備、または走査型プローブ顕微鏡法の場合はプローブ先端の形状から、望ましくないアーティファクトが生じやすい。さらに、顕微鏡法は単一粒子測定に基づいているため、バルク特性を推定するには多数の個々の粒子を特徴づける必要がある。^{[6] [10]}ハイパースペクトルイメージングを備えた強化暗視野顕微鏡法という 新しい手法は、生物組織などの複雑なマトリックス内のナノ粒子をより高いコントラストとスループットでイメージングできる可能性を示している。^[12]

分光法は、粒子と電磁放射の相互作用を波長の関数として測定するもので、一部のナノ粒子の濃度、サイズ、形状を特徴付けるのに役立ちます。半導体量子ドットは蛍光を発し、金属ナノ粒子は表面プラズモン吸収を示すため、どちらも紫外可視分光法に適しています。^[6] 赤外線、核磁気共鳴、X線分光法もナノ粒子に使用されます。^[10] レーザー光、X線、または中性子散乱を使用した光散乱法は粒子サイズの決定に使用され、各方法は異なるサイズ範囲と粒子組成に適しています。^{[6] [10]}

その他の方法としては、表面電荷を調べる電気泳動、表面積を調べるブルナウアー・エメット・テラー法、結晶構造を調べるX線回折法などがある^[6] 。また、粒子質量を調べる質量分析法や粒子数を調べる粒子カウンターもある^{[10] 。} クロマトグラフィー、遠心分離、濾過技術は、特性評価の前または評価中に、ナノ粒子をサイズやその他の物理的特性で分離するために使用できる。^{[6] [2]}

粒子サイズは粒子の外形寸法であり、分散度はサンプル中の粒子サイズの範囲の尺度である。粒子が細長いか不規則な形状の場合、寸法によってサイズは異なるが、多くの測定技術は測定される代替特性に基づいて等価球径を算出する。サイズは沈降速度、拡散速度または拡散係数、電気移動度などの物理的特性から計算できる。フェレ径、マーティン径、投影面積径などの測定パラメータを使用して顕微鏡画像からサイズを計算することもできる。ナノ粒子の場合、この目的で電子顕微鏡がよく使用される。粒子寸法の異なる側面を測定する、集団全体の分布を平均化する方法が異なる、または方法の準備や操作によって有効粒子サイズが変わるなどの理由で、方法によってサイズ測定値が異なる場合がある。^[9]

空気中のナノ粒子の場合、サイズを測定する技術には、カスケードインパクター、低圧電気インパクター、モビリティ分析装置、飛行時間型質量分析計などがあります。懸濁液中のナノ粒子の場合、技術には、動的光散乱、レーザー回折、フィールドフローフラクショネーション、ナノ粒子追跡分析、粒子追跡速度測定、サイズ排除クロマトグラフィー、遠心沈降、原子間力顕微鏡などがあります。乾燥材料の場合、サイズを測定する技術には、電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、X線回折などがあります。表面積測定値からの逆計算が一般的に使用されていますが、多孔質材料の場合は誤差が生じる可能性があります。^{[9]その他の方法には、流体力学クロマトグラフィー、}静的光散乱、多角度光散乱、比濁法、レーザー誘起破壊検出、紫外可視分光法 などがあります。^[6]近接場走査光学顕微鏡、共焦点レーザー走査顕微鏡、キャピラリー電気泳動、超遠心分離、クロスフロー濾過、小角X線散乱、微分移動度分析などがある。^[10]環境走査型電子顕微鏡 を使用すると、標準的な走査型電子顕微鏡に必要な真空によって引き起こされる形態変化を回避できるが、解像度は低下する。^{[6] [10]}

これに密接に関連する特性として分散がある。これは粒子が凝集体または集合体に集まる度合いの尺度である。この 2 つの用語はしばしば互換的に使用されるが、ISO ナノテクノロジーの定義によれば、凝集体は、例えばファンデルワールス力または物理的絡み合いによって弱く結合した粒子の可逆的な集合体であるのに対し、集合体は、例えば共有結合によって不可逆的に結合または融合した粒子から構成される。分散は、粒度分布を決定するために使用されるのと同じ技術を使用して評価されることが多く、粒度分布の幅は、分散の代替としてよく使用される。^[9] 分散は、粒子自体の特性だけでなく、pH やイオン強度などの環境によっても強く影響を受ける動的プロセスである。一部の方法では、単一の大きな粒子と、凝集または集合した小さな粒子のセットとを区別することが難しい。この場合、複数のサイズ測定方法を使用すると、あいまいさを解決するのに役立ち、顕微鏡検査が特に有用である。^[13]

形態とは、粒子の物理的形状、および亀裂、隆起、または気孔の存在などの表面地形を指します。形態は分散、機能性、および毒性に影響を及ぼし、サイズ測定と同様の考慮事項があります。形態の評価には、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、および原子間力顕微鏡などの技術による粒子の直接視覚化が必要です。^[9]球形度または円形度、アスペクト比、伸長、凸状度、およびフラクタル次元 など、いくつかの指標を使用できます。^[7] 顕微鏡検査では単一粒子の測定が行われるため、代表的なサンプルを確保するには大きなサンプルサイズが必要であり、方向とサンプル準備の影響を考慮する必要があります。^[13]

バルク化学組成とは、ナノ粒子を構成する原子元素を指し、アンサンブル法または単一粒子元素分析法で測定できます。アンサンブル法には、原子吸光分光法、誘導結合プラズマ発光分光法または誘導結合プラズマ質量分析法、核磁気共鳴分光法、中性子放射化分析、X線回折、X線吸収分光法、蛍光X線、熱重量分析法などがあります。単一粒子法には、飛行時間型質量分析法のほか、走査型電子顕微鏡または透過型電子顕微鏡を使用しながらエネルギー分散型X線分析や電子エネルギー損失分光法などの元素検出器を利用する方法もあります。^[9]

ナノ粒子内の元素原子の配置は、結晶構造に組織化されている場合もあれば、非晶質の場合もあります。結晶度は、結晶構造と非晶質構造の比率です。結晶子サイズ、つまり結晶単位格子のサイズは、シェラーの式で計算できます。一般に、結晶構造は粉末X線回折、または透過型電子顕微鏡を使用した選択領域電子回折を使用して決定されますが、ラマン分光法などの他の方法も存在します。X線回折には1グラム単位の材料が必要ですが、電子回折は単一の粒子で行うことができます。^[9]

表面積は、反応性やリガンドとの表面相互作用に影響を与えるため、人工ナノ粒子にとって重要な指標です。比表面積とは、質量または体積に正規化された粉末の表面積を指します。さまざまな方法で表面積のさまざまな側面を測定します。^[9]

ナノ粒子の表面積を直接測定するには、窒素やクリプトンなどの不活性ガスをさまざまな圧力条件下で吸着させて、ガス被覆の単層を形成する。単層を形成するために必要なガス分子の数と吸着ガス分子の断面積は、ブルナウアー・エメット・テラー方程式を使用して、内部の細孔や隙間を含む粒子の「総表面積」に関連付けられます。^{[9]ガスの代わりに}エチレングリコールモノエチルエーテル などの有機分子を使用することもできます。^[6]

空中ナノ粒子の間接測定技術はいくつかあるが、多孔性やその他の表面の凹凸を考慮していないため、不正確な場合がある。リアルタイム拡散チャージャーは「活性表面積」、つまり周囲のガスやイオンと相互作用し、外部からのみアクセスできる粒子の面積を測定する。電気移動度分析装置は球相当径を計算し、幾何学的関係を使用して変換できる。これらの方法では、職場の雰囲気などの複雑な環境で発生する可能性のある偶発的なナノ粒子と、対象のナノ粒子を区別することはできない。ナノ粒子は基板上に集められ、電子顕微鏡を使用してその外形寸法を測定し、幾何学的関係を使用して表面積に変換することができる。^[9]

表面化学とは、粒子表面の元素化学または分子化学を指します。表面層を構成するものについての正式な定義は存在せず、通常は使用される測定技術によって定義されます。ナノ粒子の場合、ミクロンスケールの粒子に比べて表面にある原子の割合が高く、表面原子は溶媒と直接接触し、他の分子との相互作用に影響を与えます。量子ドットなどの一部のナノ粒子は、外側の表面原子が内部コアの原子とは異なるコアシェル構造を持つ場合があります。^[9]

ナノ粒子の表面化学特性を評価するには、複数の手法が利用できる。X線光電子分光法とオージェ電子分光法は、 1～5 nmの厚い表面層を評価するのに適している。二次イオン質量分析法は、表面の数オングストローム（10オングストローム = 1 nm）のみを評価するのに便利で、スパッタリング法と組み合わせて深さの関数として化学特性を分析することができる。表面化学測定は粒子表面の汚染に特に敏感で、定量分析が困難で、空間分解能が低い場合がある。^[9]吸着したタンパク質 については、放射標識法またはマトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）などの質量分析法を使用することができる。^[13]

表面電荷は、一般にナノ粒子表面の水酸化部位におけるプロトンの吸着または脱着による電荷を指す。 ^[9] 表面電荷を直接測定することは難しいため、関連するゼータ電位が代わりに測定されることが多い。ゼータ電位は、移動可能な溶媒分子と表面に付着したままの分子を分離する二重層の滑り面の電位である。 ^[6] ゼータ電位は、測定ではなく計算による特性であり、対象のナノ粒子とその周囲の媒体の両方の関数であるため、測定温度、媒体の組成、pH、粘度、誘電率、ヘンリー関数に使用される値の説明が意味を持つ必要がある。ゼータ電位はコロイド安定性の指標として使用され、細胞によるナノ粒子の取り込みを予測できることが示されている。^[9]ゼータ電位は、等電点を見つけるための滴定 によって測定できる。 ^[13]またはレーザードップラー電気泳動を含む電気泳動^[6]によって測定できる。^[9]

表面エネルギーや濡れ性もナノ粒子の凝集、溶解、生体蓄積にとって重要です。これらは浸漬熱マイクロカロリメトリー研究や接触角測定によって測定できます。表面反応性は、測定可能な変化を起こすプローブ分子を用いたマイクロカロリメトリーによって直接監視することもできます。^[13]

溶解度は、ナノ粒子から溶解して溶液に入る物質の程度を測定したものです。溶解度試験で溶解した物質は、原子吸光分光法、誘導結合プラズマ発光分光法、誘導結合プラズマ質量分析法を使用して定量化できますが、一般的に最も感度が高いのは誘導結合プラズマ質量分析法です。関連する2つの概念は、生体液または代替物への溶解速度である生体耐久性と、物理的および化学的溶解プロセスによって肺などの臓器から物質が除去される速度である生体持続性です。^[9]

溶解度の分析技術は、サンプル中の全元素濃度を定量的に測定するものであり、溶解した状態と固体の状態を区別するものではない。したがって、残留粒子を除去するには分離プロセスを使用する必要がある。物理的分離技術には、サイズ排除クロマトグラフィー、流体力学的クロマトグラフィー、フィールドフロー分画法などがある。機械的分離技術では、膜や遠心分離を利用する。化学的分離技術には、液液抽出、固液抽出、曇点抽出、磁性ナノ粒子の使用などがある。^[9]

ナノ粒子の製造業者や使用者は、プロセス制御や検証および妥当性確認の目的で製品の特性評価を行うことがあります。 ^[9] ナノ粒子の特性は、合成および処理に使用されるプロセスのわずかな変化に敏感です。したがって、一見同一のプロセスで作成されたナノ粒子は、実際に同等であるかどうかを判断するために特性評価する必要があります。ナノ材料の材料または寸法特性は不均一である可能性があり、これにより機能特性の不均一性につながる可能性があります。一般に、均一なコレクションが望まれます。収率を低下させる下流の精製ステップではなく、初期の合成、安定化、および機能化プロセス中に不均一性を最小限に抑えることが有利です。バッチ間の再現性も望ましいです。^[8] 研究指向のナノ計測とは異なり、産業測定では、時間、コスト、測定メトリックの数の削減が重視され、製造プロセス中の周囲条件下で実行する必要があります。^[14]

用途が異なれば均一性と再現性に対する許容範囲も異なり、特性評価にも異なるアプローチが必要となる。例えば、ナノ複合材料はナノ粒子の特性の幅広い分布を許容する可能性がある。^[8] 対照的に、ナノ医薬品の有効性と安全性は、粒子サイズ分布、化学組成、薬物の充填と放出の速度論などの重要な特性に大きく依存するため、特性評価は特に重要である。ナノ医薬品の標準化された分析法の開発はまだ初期段階にある。^[15] ただし、これを支援するために「アッセイカスケード」と呼ばれる推奨テストの標準化されたリストが開発されている。^{[16] [17] [18]}

ナノ毒性学は、ナノ粒子が生体に及ぼす毒性効果を研究する学問です。ナノ粒子の物理的・化学的特性を明らかにすることは、毒性学研究の再現性を確保するために重要であり、ナノ粒子の物理的・化学的特性が生物学的効果をどのように決定するかを研究するためにも不可欠です。^[13]

ナノ粒子の特性、例えばサイズ分布や凝集状態は、材料が準備され、毒物学研究に使用されるにつれて変化する可能性があります。そのため、実験のさまざまな時点で特性を測定することが重要です。「受け取ったままの」または「生成されたままの」特性は、製造元から受け取ったとき、または研究室で合成されたときの材料の状態を指します。「投与されたままの」または「曝露されたままの」特性は、生物系に投与されたときの状態を指します。これらは、材料が粉末状であった場合に凝集体や凝集体が形成されたり、より大きな凝集体や凝集体が沈殿したり、表面に付着して失われたりするため、「受け取ったままの」状態と異なる場合があります。生物の組織と相互作用する時点では、生体分布や生理学的クリアランスメカニズムにより、特性が再び異なる可能性があります。この段階では、システムを乱すことなく ナノ粒子の特性をその場で測定することは困難です。死後検査や組織学的検査は、物質の変化を測定する方法を提供しますが、組織自体が測定を妨げる可能性があります。^[7]

暴露評価は、汚染物質の放出と労働者への暴露を監視し、ナノマテリアルが取り扱われる職場における健康および安全上の危険を軽減するために使用される一連の方法です。人工ナノ粒子の場合、評価には、空気中の粒子の総数（対象のナノ粒子と他の背景粒子の両方を含む）を監視する粒子カウンターなどのリアルタイム機器と、電子顕微鏡と元素分析を使用して対象のナノ粒子を識別するフィルターベースの職業衛生サンプリング方法の両方を使用することがよくあります。個人サンプリングでは、サンプラーを作業者の個人の呼吸ゾーンに配置し、鼻と口にできるだけ近づけ、通常はシャツの襟に取り付けます。エリアサンプリングでは、サンプラーを静止した場所に配置^し

米国国立労働安全衛生研究所は、技術報告書「人工ナノマテリアルの職業上の暴露サンプリング」^[20]を作成しました。この報告書には、炭素ナノチューブとナノファイバー、銀、二酸化チタンの3種類の人工ナノマテリアルの職場でのサンプリングに関するガイダンスが含まれています。これらのナノマテリアルにはそれぞれ、元素質量に基づくNIOSH推奨暴露限界値（REL）があります。さらに、NIOSHは、ナノマテリアル暴露評価技術（NEAT）2.0を使用して、暴露限界値のないその他の人工ナノマテリアルの暴露サンプリングの実用的なアプローチを開発しました。これは、人工ナノ粒子の暴露可能性を判断するために使用できるサンプリング戦略です。NEAT 2.0アプローチでは、作業者の個人呼吸ゾーンとエリアサンプルの両方でフィルターサンプルを使用します。別のフィルターサンプルは、元素分析と電子顕微鏡による形態学的データの収集に使用されます。後者は、対象ナノ粒子が元素質量負荷にどの程度寄与しているかを桁違いに評価できるほか、粒子サイズ、凝集度、ナノ粒子が自由粒子かマトリックス内に含まれているかの定性評価もできる。その後、統合フィルターサンプルの総合的な評価に基づいて、危険性の特定と特性評価を行うことができる。さらに、現場で持ち運び可能な直接読み取り機器を使用して、粒子数、サイズ分布、質量の通常の変動を継続的に記録することができる。作業員の活動を記録することで、データログに記録された結果を使用して、粒子数の増加や急増に寄与する職場の作業や慣行を特定することができる。直接読み取り機器は、モーター排気、ポンプ排気、加熱容器、その他の発生源から発生する可能性のある偶発的な背景粒子を含むすべてのナノ粒子のリアルタイムの量を特定するため、データは慎重に解釈する必要がある。作業員の慣行、換気の有効性、その他の工学的曝露制御システムとリスク管理戦略を評価することで、包括的な曝露評価が可能になる。^{[19] [21] [22]}

リアルタイム粒子カウンタが効果的であるためには、ナノ粒子が空気中で凝集する可能性があるため、幅広い粒子サイズを検出できる必要があります。隣接する作業エリアを同時にテストして、背景濃度を確立することができます。^[3] エアロゾルを検出するために使用されるすべての機器が、職場でのナノ粒子排出の監視に適しているわけではありません。小さな粒子を検出できない場合や、大きすぎるか職場に輸送するのが難しい場合があります。^{[3] [23]} 他の化学物質用に開発された一部のNIOSH方法は、ナノ粒子のオフライン分析に使用でき、形態と形状、元素炭素含有量（炭素ベースのナノ粒子に関連）、およびいくつかの金属の元素分析が含まれます。^{[3] [24]}

現在生産され使用されている人工ナノ粒子は大量かつ増加傾向にあり、その危険性は十分に分かっていないため、職業暴露限界はまだ設定されていない。 ^[19] 空気汚染物質への暴露による毒性影響を特徴付けるために質量ベースの測定基準が伝統的に使用されているが、人工ナノ粒子に関してはどの測定基準が最も重要であるかは不明である。動物および細胞培養研究では、サイズと形状が毒性影響の2つの主要要因である可能性があることが示されている。^[3] 表面積と表面化学も質量濃度よりも重要であるように思われる。^[23] NIOSHは、カーボンナノチューブとカーボンナノファイバーについては、背景補正された元素炭素として8時間の時間加重平均（TWA）呼吸可能質量濃度として1.0μg/m3 ^、[25]超微粒子二酸化チタンについては、 40時間労働週中10時間/日までのTWA濃度として300μg/m3^{の非規制推奨}暴露限界（REL）を定めている。 ^[26]

ナノテクノロジーの計測標準は、民間組織と政府機関の両方から入手できます。^{[27] [28]} これらには、国際標準化機構（ISO）、^{[29] [30]} ASTMインターナショナル、^{[31] [32]} IEEE規格協会（IEEE）、^[33]国際電気標準会議（IEC）、^{[34] [35]}国際純正応用化学連合、^[36]米国国立標準技術研究所（NIST）、^[37] 米国国立がん研究所ナノテクノロジー特性評価研究所、^[17]および欧州標準化委員会が含まれます。^[38] アメリカ国立規格協会は、ナノテクノロジー標準のデータベースを維持しています。^[39]

標準物質とは、少なくとも1つの測定可能な物理的特性において均質かつ安定であるように確立または製造され、管理測定を提供する物質である。ナノ粒子の標準物質は、リスク評価における有害特性の不確実性に寄与する測定誤差を減らすことができる。^[40]標準物質は、ナノ粒子の特性評価に使用される機器の校正、統計的品質管理、および異なる研究室で実行される実験の比較に も使用できる。 ^[11]

多くのナノ粒子には、まだ参照物質がありません。^[6] ナノ粒子には、測定方法自体が関連する物理的特性の正確で再現性のある測定値を生成できる場合にのみ参照物質を生成できるという課題があります。^[40] 測定条件も指定する必要があります。これは、特に粒子と溶解物質の間に熱力学的平衡がある場合、サイズや分散状態などの特性が測定条件に基づいて変化する可能性があるためです。^[11] ナノ粒子の参照物質は、他の物質よりも有効期間が短いことがよくあります。粉末状のものは懸濁液で提供されるものよりも安定していますが、粉末を分散させるプロセスにより、その測定基準の不確実性が高まります。^[6]

標準ナノ粒子は、米国国立標準技術研究所^[41]のほか、欧州標準物質計測研究所、日本の産業技術総合研究所、カナダ国立研究会議、中国国家計量標準研究所、サーモフィッシャーサイエンティフィックによって製造されている。^[40] ドイツ連邦材料試験研究所は、ナノスケールの標準物質のリストを維持している。^[42]