大気中の有害微粒子やエアロゾルを長期連続自動モニタリング

2025/02/24

記事

大気汚染は、世界保健機関（WHO）によって「大気の自然な特性を変化させる、あらゆる化学的・物理的・生物学的要因による屋内または屋外環境の汚染」と定義されています [1]。産業における大気汚染の監視は不可欠であり、極めて汚染された空気を吸い込むことは、呼吸器疾患、心臓病、がん、その他の重篤な健康問題を引き起こします。また、酸性雨の原因となり、作物に被害を与え、植物の成長や生産性を低下させ、野生生物にも悪影響を及ぼします。世界の人口の99%がWHOの大気質ガイドラインの基準を超える空気を吸っていることから [1,2]、これは広範な問題となっています。さまざまな大気汚染物質の中でも、特に懸念されるのが粒子状物質とエアロゾルです。本記事では、これらの大気汚染の要因について考察し、大気環境を継続的に監視するための2つの計測装置を紹介します。

粒子状物質とエアロゾルでは何が違うのか？

Particulate matter size comparison. Adapted from the US EPA.

図1. 粒子状物質のサイズ比較。米国環境保護庁（US EPA）[3] より改変

粒子状物質（PM）は、一般的に気体中に浮遊する微細な固体粒子と定義されるのに対し、エアロゾルは長時間気体中に浮遊し続ける、より微細な液体の微粒子や固体粒子を指します。これらはともに人の健康に悪影響を及ぼし、特に直径が2.5 µm以下（PM2.5、図1）の場合にその影響が顕著です。

エアロゾルやPMは、火山噴火などの自然由来のものだけでなく、工業活動や輸送などの人為的な活動によっても発生します。そのため、産業における大気質監視は、排出源の特定や化学組成の把握、さらには曝露を低減するための戦略の策定において重要な役割を果たします。

粒子状物質（PM）やエアロゾルはどのように分析するのか？

従来、粒子状物質（PM）およびエアロゾルの分析は、試料の採取と分析の2つのステップで構成されています。代表的な試料を採取するには、適切なサンプリング装置と手法を使用することが重要です。

試料採取には一般的にろ過プロセスが用いられます。粒子はフィルターを備えた基板上に収集され、一定期間後にフィルターが取り外され、脱イオン水で抽出された後に分析されます [4]。しかし、この方法では24時間以上の長期間にわたる平均値しか測定できません。さらに、手間がかかり精度も低いため、連続的なオンライン測定が不可能です。

エアロゾルの組成を継続的に測定することは、大気質の課題を理解し対処するうえで不可欠です。リアルタイムのデータは、エアロゾル組成の急激な変化を把握し、汚染の発生に迅速に対応するのに役立ちます。また、大気中のプロセスをより正確に科学的に調査することを可能にします。

従来のサンプリング手法の限界を克服するためには、エアロゾルを継続的に分析できる高度な技術が求められます。例えば、Metrohm AeRosol Sampler（MARS） や 2060 Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air（MARGA）（図2）などの蒸気採取装置は、リアルタイムでエアロゾルの組成を継続的に監視することが可能です。これらの装置は高度な技術を用いてエアロゾルを自動的に採取・分析し、大気質の評価や研究に貴重なデータを提供します。

Inline sample preparation for gaseous samples is made simpler using the 2060 MARGA (left) or MARS (right) systems from Metrohm Process Analytics.

図2. メトロームプロセスアナリティクスの 2060 MARGA（左）または MARS（右）システムを使用することで、気体試料のインライン前処理がより簡単におこなえます。

MARS enables comprehensive analysis of air samples with IC, VA, or both.

図3. MARSは、イオンクロマトグラフィ（IC）、ボルタンメトリー（VA）、またはその両方を用いた大気試料の包括的な分析できます

2060 MARGAでは、同じ空気塊から採取された気体とエアロゾルを、水に選択的に溶解させることで分離します。得られた溶液は1時間ごとに生成され、導電率検出を用いたイオンクロマトグラフィーによって分析されます。この分離により、エアロゾル中に含まれる重要な前駆気体やイオン種を検出でき、大気質をより包括的に理解することが可能になります。

MARS（図3）は、エアロゾル分析に特化した装置です。化学分析の観点では、MARSは通常、イオンクロマトグラフ（IC）による陽イオンおよび/または陰イオン分析や、ボルタンメトリー（VA）システムなどの外部の湿式化学分析装置と接続して使用されます。このモジュール式のアプローチにより、2060 MARGA（内部に陽イオン・陰イオンICを統合）と比較して、より幅広い分析要件に対応できる柔軟性と適応性が提供されます。

MARS、Metrohm AeRosol Sampler

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The Metrohm AeRosol Sampler "MARS" is a simpler solution for aerosol monitoring. The MARS can be used as a preconditioning unit for various analytical applications under ambient conditions or in industrial environments. No sample storage is required.Possible applications:Aerosol monitoring inside buildings; Emission monitoring; Monitoring ambient air; Air measurements in tunnels; Quality control in clean rooms; Monitoring of heavy metals (e.g. Cr(VI));

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両装置（2060 MARGAおよびMARS）には、ガスデニューダー（湿式回転デニューダー「WRD」、図4左）、凝縮粒子成長サンプラー（スチームジェットエアロゾルコレクター「SJAC」、図4右）、およびポンプや制御装置が含まれています。

これらの装置は、エアロゾル粒子を過飽和水蒸気環境内で液滴に変換する手法を採用しています。収集された液滴はキャリア水と混合された後、連続的にサンプルループや前濃縮カラムへ送られ、分析が行われます。

Left: Wet rotating denuder (WRD) for easy gas removal. Right: Steam-Jet Aerosol Collector (SJAC) incorporated in the MARS and 2060 MARGA.

図4. 左：ガスを容易に除去するための湿式回転デニューダー（WRD）。右：MARSおよび2060 MARGAに組み込まれたスチームジェットエアロゾルコレクター（SJAC）。

MARS vs. 2060 MARGA – どちらを選択するか？

MARSはエアロゾルのサンプリング専用に設計されていますが、2060 MARGAは水溶性ガスの測定も可能です。従来のデニューダーはエアロゾルコレクター（成長チャンバー）より上流でガスを除去するのに対し、2060 MARGAはWRD（ウォーターボースドリアクティブデニューダー）でガス成分を収集し、オンライン分析を行います。一方で、エアロゾルは拡散速度が遅いため、WRDを干渉されることなく通過します。

2060 MARGAには「R（研究用）」と「M（モニタリング用）」の2つの構成があります。2060 MARGA Rバージョンは、季節ごとの大気質変動の研究などの研究キャンペーン向けに設計されています。また、使用しない場合はイオンクロマトグラフを分離し、他の実験室研究に転用することも可能です。

2060 MARGA R – 研究活動のための大気モニタリング

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環境大気中で使用する 2060 Monitor for AeRosols and Gases (MARGA) では、様々なサイズの微粒子状物質を含む大気中の水溶性の気体およびエアロゾルの濃度を測定することで大気の質をモニタリングするイオンクロマトグラフィーが用いられます。大気は、真空ポンプによって一定の流量で装置に吸引されます。装置に吸入される前に、微粒子状物質 (PM) の最大寸法は、サイズ選択式入口を利用することで制限することができます (例: PM 1.0、PM 2.5、または PM 10)。水溶性の気体は湿式回転デニューダー (WRD) 装置に吸引され、その後エアロゾル中の水溶性イオンはスチームジェットエアロゾルコレクター (SJAC) にて抽出されます。デュアルチャンネルイオンクロマトグラフ (IC) は、エアロゾルおよび水溶性の気体中の陰イオンと陽イオンを同時に、0.001 µg/m3の低い検出限界に達する高精度にて定量化します。必要なときに調整を行うため、また保存されている結果にアクセスするための直接的なインターネット接続を用いることで、アナライザーのパフォーマンスを遠隔で観察することができます。研究活動に理想的な 2060 MARGA R バージョン: IC は、24 時間 365 日稼働の空気質モニタリングに使用されていないときは、他のプロジェクトのスタンドアローンラボ装置として使用できます。; 汚染事象の日内変動、または軌跡モデルなどの研究のための 1 時間の時間分解能によるデータ収集。; 結果、トレンドグラフなどに簡単にアクセスできるリモートコントロールまたはタッチスクリーン。; 測定される気体: 塩化水素 (HCl)、硝酸 (HNO3)、亜硝酸 (HONO)、二酸化硫黄 (SO2)、アンモニア (NH3); 測定されるエアロゾルイオン: 塩化物 (Cl-)、硝酸塩 (NO3-)、硫酸塩 (SO42-)、アンモニウム (NH4+)、カリウム (K+)、カルシウム (Ca2+)、マグネシウム (Mg2+);

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より恒久的に長期間モニタリングする場合、または24時間365日の大気質モニタリングを行う場合には、2060 MARGA Mの方が適しています。

2060 MARGA M – 連続大気モニタリング

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環境大気中で使用する 2060 Monitor for AeRosols and Gases (MARGA) では、様々なサイズの微粒子状物質を含む大気中の水溶性の気体およびエアロゾルの濃度を測定することで大気の質をモニタリングするイオンクロマトグラフィーが用いられます。大気は、真空ポンプによって一定の流量で装置に吸引されます。装置に吸入される前に、微粒子状物質 (PM) の最大寸法は、サイズ選択式入口を利用することで制限することができます (例: PM 1.0、PM 2.5、または PM 10)。水溶性の気体は湿式回転デニューダー (WRD) 装置に吸引され、その後エアロゾル中の水溶性イオンはスチームジェットエアロゾルコレクター (SJAC) にて抽出されます。デュアルチャンネルイオンクロマトグラフ (IC) は、エアロゾルおよび水溶性の気体中の陰イオンと陽イオンを同時に、0.001 µg/m3の低い検出限界に達する高精度にて定量化します。必要なときに調整を行うため、また保存されている結果にアクセスするための直接的なインターネット接続を用いることで、アナライザーのパフォーマンスを遠隔で観察することができます。 2060 MARGA M バージョンは、固定した場所での 24 時間365日の連続モニタリングに理想的です。; 汚染事象の日内変動、または軌跡モデルなどの研究のための 1 時間の時間分解能によるデータ収集。; 結果、トレンドグラフなどに簡単にアクセスできるリモートコントロールまたはタッチスクリーン。; 測定される気体: 塩化水素 (HCl)、硝酸 (HNO3)、亜硝酸 (HONO)、二酸化硫黄 (SO2)、アンモニア (NH3); 測定されるエアロゾルイオン: 塩化物 (Cl-)、硝酸塩 (NO3-)、硫酸塩 (SO42-)、アンモニウム (NH4+)、カリウム (K+)、カルシウム (Ca2+)、マグネシウム (Mg2+);

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表1. 2060 MARGAとMARSシステムの分析能力の違い
	MARS	2060 MARGA
サンプルサイズ	大気試料：0.5–1.0 m³/h	大気試料：0.5–1.0 m³/h
測定対象汚染物質	エアロゾルのみ分析に対応エアロゾル：Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺	エアロゾルおよびガスの分析エアロゾル：Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ ガス： HCl, HNO₃, HONO (HNO₂), SO₂, NH₃, HF
測定対象汚染物質	MARSは、硫酸塩、硝酸塩、アンモニウムイオンなどのさまざまな汚染物質を測定できます。	MARGAは、硫酸塩、硝酸塩、アンモニウムイオンなどのさまざまな汚染物質に加え、二酸化硫黄やアンモニアなどの微量ガスも測定できます。
分析方法	異なる分析技術と組み合わせ可能（例：IC, VAなど）	2台の統合型イオンクロマトグラフ（IC）を搭載
分析方法	1種類または複数の分析技術に対応	1種類の分析技術
時間分解能	連続的な大気モニタリング	連続的な大気モニタリング
試料採取方法	SJAC	WRD および SJAC
寸法（幅/高さ/奥行 mm）	660/605/605	2060 MARGA R: 660/930/605 2060 MARGA M: 660/1810/605
用途	研究開発向け	2060 MARGA R – 研究開発向け 2060 MARGA M – 専用モニタリング向け

以下は、2060 MARGAとMARSのエアロゾルのサンプリングおよび測定結果の相関を調べるための比較です。2060 MARGAのエアロゾル測定結果は高い精度が確認されているため[5]、良好な相関が得られれば、MARSも同様の精度でエアロゾルを測定できることを示します。

以下のグラフは、オランダ・スキーダムの大気中エアロゾルを2060 MARGAとMARSの両システムで測定した結果を示しています（測定期間：2022年6月6日～9日、測定方法：イオンクロマトグラフィー）（図5）。2060 MARGAの測定サイクルは60分（通常のサイクル時間）、MARSは30分です。データを見ると、両システムとも同様の傾向を示していますが、MARSは測定回数が倍になるため、2060 MARGAと比較してエアロゾル濃度が高くなる傾向があります。しかし、移動平均を用いてMARSのデータを60分単位に補正すると、2060 MARGAとMARSの濃度はほぼ一致することが分かります。

Aerosol results of the ambient air in Schiedam, the Netherlands, measured between June 6–9, 2022 with the 2060 MARGA.

Aerosol results of the ambient air in Schiedam, the Netherlands, measured between June 6–9, 2022 with the MARS.

図5. 2060 MARGA（上）とMARS（下）で測定した各種大気質パラメータの結果を示す比較試験

結論

大気汚染のモニタリングは、私たちが呼吸する空気中の汚染物質の種類や濃度を理解するために不可欠です。大気汚染への曝露は、呼吸器疾患、心血管疾患、さらにはがんなどの健康被害を引き起こす可能性があります。また、酸性雨やオゾン層の破壊を引き起こし、気候変動の要因となるなど、環境にも悪影響を及ぼします。

そのため、Metrohm Process Analyticsの2060 MARGAやMARSなどのツールを用いて大気質を測定し、各種汚染物質の影響を理解することが重要です。これにより、曝露を減らすための効果的な対策を策定できるようになります。適切なモニタリングを行うことで、より健康的で持続可能な環境の実現に向けて取り組むことができます。

参考文献

[1] World Health Organization. Air pollution - Overview. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (accessed 2025-02-06).

[2] WHO Global Air Quality Guidelines: Particulate Matter (‎PM_2.5 and PM₁₀)‎, Ozone, Nitrogen Dioxide, Sulfur Dioxide and Carbon Monoxide; World Health Organization: Geneva, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228

[3] US EPA. Particulate Matter (PM) Basics. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (accessed 2025-02-06).

[4] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; et al. A Sampler for Collecting Fine Particles into Liquid Suspensions. Aerosol Air Qual. Res. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616

[5] Läubli, M. Air Monitoring by Ion Chromatography – a Literature Reference Review, 2018. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html