エアロゾルと環境・材料
エアロゾルとは
エアロゾルとは，本来的には気体（通常は空気）中に固体や液体の微粒子が浮遊し分散した状態（分散系）のことをいうが，微粒子そのものを表す用語として用いられることが多い。対象となる大きさの範囲は1nm～100μmであり，形状，化学組成などその性状は多岐にわたり，時空間的に変動する。なお、大気中に存在するエアロゾルは，大気エアロゾルと呼ばれることがある。
左のスライドは，エアロゾル学の体系化に係わる要素から関連分野さらには社会との繋がりへの拡がりを表したものであり，2枚目のスライドではエアロゾルの関連分野について具体的に示している。エアロゾルはPM₂․₅やウイルス，花粉などに代表される環境・健康影響だけではなく，薬剤吸入や高機能材料生成など善悪両面の顔を有している。
エアロゾルの環境影響
エアロゾルの環境影響評価にあたっては，その発生源と性状特性，大気中での輸送・変質過程（ガスからの２次粒子生成や不均一反応など），放射影響（直接効果・間接効果），除去（乾性・湿性沈着）の動態に係わるプロセスの理解が必要である。下図は，ガス状物質も含めてこれら一連のプロセスを示したものである。特に，エアロゾルの性状特性は健康・大気環境への影響等を評価する上で不可欠な基本情報となる。
近年の主な研究課題は以下のようである。
大気エアロゾルの性状特性，変質過程の解明と発生源推定ならびに計測法の開発
黄砂粒子の性状と変質（光学特性，酸性ガスや無機粒子との反応による変質など）
エアロゾル無機成分の個別粒子，化学状態分析
泥炭火災エアロゾルの性状特性と発生源指標の提案
植物からの生物起源揮発性有機化合物のフラックス評価と2次有機粒子生成
ガスおよびエアロゾルの発生と大気中における動態及び影響
1．大気エアロゾルの性状特性，変質過程の解明と発生源推定ならびに計測法の開発
粒径別バルク及び個別エアロゾルや液滴試料中の超微量無機分析法による性状特性の解明
シアノアクリレートを用いた霧や雨滴の固定化と，放射光(SR)マイクロビームを用いたXRF分析やマイクロPIXEによる個別水滴の大気汚染物質取り込み過程の評価および黄砂の個別粒子分析【科研費特定領域研究；SR-XRFは広島大学・早川慎二郎教授，マイクロPIXEは日本原子力研究開発機構 高崎量子応用研究所との共同研究】
複合薄膜法による個別粒子混合状態および，粒径別半バルク試料のSR-XAFS法による粒子深度別化学状態の解明【SR-XAFSは京都大学・河合 潤教授との共同研究】
テスト黄砂粒子（CaCO₃）を用いた酸性ガス，鉛粒子(PbSO₄)との反応性の解明
黄砂粒子の光学特性と放射影響【一部，ウィーン大学・Helmuth Horvath教授との共同研究】
硝酸塩粒子の化学形態別質量濃度の半同時連続計測【東京ダイレック(株)と共同開発】
狭領域捕集面を有する低圧カスケードインパクタの開発【東京ダイレック(株)と共同開発】
インドネシア農村部におけるバイオマス燃焼エアロゾルによる室内汚染
ソース・リセプタにおけるインドネシア泥炭火災エアロゾルの性状特性と発生源指標の提案，細胞影響【基盤研究(A)(海外学術調査)】
標準黄砂粒子及び黄砂時に丹後半島で観測された粒子（インパクタ２段, D₅₀=5.2μm）の基準元素(Fe, Ca)に対する3つの重金属元素(Ni, Cu, Zn)質量比の比較（SPring-8 BL37XUにおける個別粒子XRF分析結果，東野 達，早川慎二郎；科研費特定領域研究による）
東京ダイレック(株)と共同開発した硝酸塩粒子計測装置
NH₄NO₃と，NaNO₃などの不均一反応により生成する硝酸塩粒子の質量濃度を熱分解温度の違いから分別し，半同時的に連続計測する。（特許第6313609号）
主な関連論文
東野 達，茶谷 聡，笠原三紀夫 (1998) 二元同時蒸着混合薄膜を用いた個別エアロゾル粒子中の硫酸塩および硝酸塩混合状態の同定，エアロゾル研究, 13, 230-236.
S. Tohno, J. Kawai, et al. (1998) Application of X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectrometry to identify the chemical states of atmospheric aerosols, J. Aerosol Sci., 39(S1), S235-S236.
茶谷 聡，笠原三紀夫，山本浩平，東野 達 (1998) PIXE法を応用した大気エアロゾル粒子の特性化，エアロゾル研究, 13, 354-360.
J. Kawai, T. Yamamoto, S. Tohno, Y. Kitajima (1999) Comparison between x-ray photoelectron and x-ray absorption spectra of an environmental aerosol sample measured by synchrotron radiation, Spectrochim. Acta B, 54, 241-245.
S. Tohno, J. Kawai, Y. Kitajima (2001) Identification of the chemical states of phosphorus in atmospheric aerosols by XANES spectrometry, J. Synchrotron Rad., 8, Part2, 958-960.
S. Hayakawa, S. Tohno, K. Takagawa, A. Hamamoto, Y. Nihsida, M. Suzuki, Y. Sato, T. Hirokawa (2001) Ultra trace characterization using an x-ray microprobe at SPring-8 BL39XU, Anal. Sci., 17 Supplement, i115-i117.
R. Hitzenberger, S. Tohno (2001) Comparison of black carbon (BC) aerosols in two urban areas – Concentrations and size distributions, Atmos. Environ., 35, 2153-2167.
R. Höller, S. Tohno, M. Kasahara, R. Hitzenberger (2002) Long term characterization of carbonaceous aerosol in Uji, Japan, Atmos. Environ., 36, 1267-1275.
C.-J. Ma, M. Kasahara, S. Tohno (2002) Application of PIXE to characterization of size-segregated single raindrops, Int. J. PIXE, 12, 7-18.
M. Kasahara, S. Akashi, C.-J. Ma, S. Tohno (2003) Fixation and chemical analysis of single fog and rain droplets, Atmos. Res., 65, 251-256.
J. Kawai, S. Tohno, Y. Kitajima, O.E. Raola, M. Takaoka (2003) Depth selective state analysis of Pb and S in fly ash in municipal solid waste incinerators using x-ray absorption spectroscopy, Spectrochim. Acta B, 58, 635-639.
T. Yabe, R. Höller, S. Tohno, M. Kasahara (2003) An aerosol climatology at Kyoto: Observed local radiative forcing and columnar optical properties, J. Appl. Meteor., 42, 841-850.
C.-J. Ma, M. Kasahara, S. Tohno (2003). Application of polymeric water absorbent film to the study of drop size-resolved fog samples, Atmos. Environ., 37, 3749-3756.
C.-J. Ma, M. Kasahara, S. Tohno, T. Sakai (2003). A replication technique for the collection of individual fog droplets and their chemical analysis using micro-PIXE, Atmos. Environ., 37, 4679-4686.
R. Höller, K. Ito, S. Tohno, M. Kasahara (2003). Wavelength-dependent aerosol single-scattering albedo: Measurements and model calculations for a coastal site on the Sea of Japan during ACE-Asia, J. Geophys. Res., 108, No.D23, 8648, doi10.1029/2002JD003250
山﨑悟志，大西裕介，東野 達，笠原三紀夫 (2003) 個別エアロゾル粒子中の塩化物及び硝酸塩混合状態の同定を目的とした複合薄膜法の開発, エアロゾル研究, 18, 34-39．
S. Hayakawa, S. Tohno, K. Takagawa, A. Hamamoto, M. Suzuki, T. Hirokawa (2003). Characterization of individual aerosol particles using an X-ray microprobe, Journal de Physique IV, 104, 309-312.
C.-J. Ma, Y. Inokuchi, M. Kasahara, S. Tohno, T. Sakai (2004). Micro-PIXE analysis of reference standards for the quantitative analysis of trace elements in individual raindrops, Nucl. Instrum. Phys. Res. B., 215, 501-508.
C.-J. Ma, S. Tohno, M. Kasahara, S. Hayakawa (2004) Properties of individual Asian dust storm particles collected at Kosan, Korea during Ace-Asia, Atmos. Environ., 38, 1133-1143
C.-J. Ma, S. Tohno, M. Kasahara, S. Hayakawa (2004) Determination of the chemical properties of residues retained in individual cloud droplets by XRF microprobe at SPring-8, Nucl. Instrum. Phys. Res. B, 217, 657-665.
C.-J. Ma, S. Tohno, M. Kasahara, S. Hayakawa (2004) The nature of individual solid particles retained in size-resolved raindrops fallen in Asian dust storm event during ACE-Asia, Atmos. Environ., 38, 2951-2964.
C.-J. Ma, S. Tohno, M. Kasahara, S. Hayakawa (2004) Properties of the size-resolved and individual cloud droplets collected in the western Japan during Asian dust storm event. Atmos. Environ., 38,4519-4529.
東野 達 (2004) マイクロビームを用いた個別粒子の化学組成分析, エアロゾル研究, 19, 5-9.
C.-J. Ma, S. Tohno, M. Kasahara (2005) Experimental and model studies on the size-resolved raindrops collected in the episodically yellow rainfall event, エアロゾル研究 (Earozoru Kenkyu), 20, 324-332.
C.-J. Ma, S. Tohno, M. Kasahara and S. Hayakawa (2006) Elemental distribution in individual rain droplets determined by a combination of the replication method and the synchrotron radiation X-ray fluorescence microprobe technique, Anal. Sci., 22, 415-419.
S. Tohno, C.-J. Ma, S. Hayakawa, S. Yamasaki, M. Kasahara (2006) Single particle analysis for chemical characterization of atmospheric aerosols: Application of x-ray microprobe system and double thin film method, Environ. Monit. Assess., 120, 575-584.
森川敦史，東野 達，笠原三紀夫 (2006) 個別粒子分析法から得た黄砂粒子変質成分の短時間変動, エアロゾル研究, 21, 239-246.
H. Horvath, M. Kasahara, S. Tohno, M. Kocifaj (2006) Angular scattering of the Gobi desert aerosol and its influence on radiative forcing, J. Aerosol Sci., 37, 1287-1302.
A. Morikawa, T. Ishizaka, S. Tohno (2007) Heterogeneous reactivity of sulfate coated CaCO3 particles with gaseous nitric acid, Proc. 17th Int. Conf. on Nucleation and Atmospheric Aerosols (ed. by C.D. O’Dowd and P.E. Wagner), pp.994-998, Springer.
富田優樹，森川敦史，東野 達 (2008) ヘマタイト粒子と硫酸エアロゾルの反応による鉄イオン溶出速度の定量化，エアロゾル研究, 23(1),43-47.
T. Ishizaka, S. Tohno, C.-J. Ma, A. Morikawa, M. Takaoka, F. Nishiyama, K. Yamamoto (2009) Reactivity between PbSO4 and CaCO3 particles relevant to the modification of mineral particles and chemical forms of Pb in particles sampled at two remote sites during an Asian dust event, Atmos. Environ., 43, 2550-2560.
C.-J. Ma, J.-H. Kim, K.-H. Kim, S. Tohno, M. Kasahara (2010) Specification of chemical properties of feed coal and bottom ash collected at a coal-fired power plant, Asian J. Atmos. Environ., 4, 80-88.
清水香奈, 山本浩平, 東野 達 (2010) 東アジア地域における運命予測モデルを用いた水銀の影響評価, 土木学会論文集G, 66(3), 136-148.
H.S. Huboyo, S. Tohno, R. Cao (2011) Indoor PM2.5 characteristics and CO concentration related to water-based and oil-based cooking emissions using a gas stove, Aerosol Air Quality Res., 11, 401-411.
曹 仁秋，東野 達，志野敬久，西山文隆，国村伸祐，河合 潤，井上浩三 (2012) インパクタMAIS-10の開発と評価, エアロゾル研究，27, 385-393.
H.S. Huboyo, S. Tohno, P. Lestrai, A. Mizohata, M. Okumura, P. Utami, E. Jara (2013) Comparison between Jatropha curcas seed stove and woodstove: Performance and effect on indoor air quality, Energy Sustainable Development, 17, 337-346.
H.S. Huboyo, S. Tohno, P. Lestari, A. Mizohata, M. Okumura (2014) Characteristics of indoor air pollution in rural mountainous and rural coastal communities in Indonesia, Atmos. Environ., 82, 343-350.
K.T. Kanatani, M. Okumura, S. Tohno, Y. Adachi, K. Sato, T. Nakayama (2014) Indoor particle counts during Asian dust events under everyday conditions at an apartment in Japan, Environ. Health Prevent. Med., 19, 81-88.
H. Horvath, K. Kasahara, S. Tohno, F.J. Olmo, H. Lyamani, L. Alados‐Arboledas, A. Quirantes, V. Cachorro (2016) Relationship between fraction of backscattered light and asymmetry parameter, J. Aerosol Sci., 91, 43-53.
C.-J. Ma, S. Tohno, G.-U. Kang (2016) Chemically aged Asian dust particles proven by traditional spot test and the most advanced micro-PIXE, Asian J. Atmos. Environ., 10, 114-123
H.S. Huboyo, P. Lestari, S. Tohno (2017), Modeling indoor PM2.5 air pollution, estimating exposure, and problems associated with rural Indonesian households using wood fuel, in “Sustainable Future for Human Security: Society, Cities and Governance (ed. by B. McLellan)”, pp.287-300, Springer Nature Singapore Pte Ltd.
Y. Kamiya, T. Kameda, T. Ohura, S. Tohno (2017) Determination of particle-associated PAH derivatives (ClPAHs, NPAHs, OPAHs) in ambient air and automobile exhaust by gas chromatography/mass spectrometry with negative chemical ionization, Polycyclic Aromatic Compounds, 378, 128-140.
T. Onishi, A. Honda, M. Tanaka, P.H. Chowdhury, H. Okano, T. Okuda, D. Shishido, Y. Terui, S. Hasegawa, T. Kameda, S. Tohno, M. Hayashi, C. Nishita-Hara, K. Hara, K. Inoue, Y. Makoto, S. Hirano, H. Takano (2018) Ambient fine and coarse particles in Japan affect nasal and bronchial epithelial cells differently and elicit varying immune response, Environ. Poll., 242, 1693-1701.
R. Okubo, T. Kameda, S. Tohno (2022) Evaluation of Oxidative Potential of pyrenequinone isomers by the Dithiothreitol (DTT) assay, Polycyclic Aromatic Compounds, 42(8), 5152-5159.
主な関連著書
エアロゾル用語集（日本エアロゾル学会編） (2004) 分担執筆，京都大学学術出版会．
笠原三紀夫，東野 達 編著 (2007) エアロゾルの大気環境影響，京都大学学術出版会．
笠原三紀夫，東野 達 監修 (2008) 大気と微粒子の話 － エアロゾルと地球環境，京都大学学術出版会．
笠原三紀夫，東野 達，酒井広平 編著 (2012) CO2のQ&A 50 －グラフと図表でわかる環境問題，丸善．
みんなが知りたいPM2.5の疑問25（日本エアロゾル学会，畠山史郎，三浦和彦 編著）(2014) pp.147-153，成山堂書店．
受賞
日本エアロゾル学会論文賞（東野 達，高橋幹二，今井郁夫), 1995.
日本エアロゾル学会井伊谷賞（明石幸子，東野 達，笠原三紀夫), 1998.
日本エアロゾル学会論文賞 (C.-J. Ma, S. Tohno and M. Kasahara), 2005.
韓国大気環境学会論文賞 (C.-J. Ma, K.-H. Kim, S.-B. Choi, M. Kasahara and S. Tohno), 2010.
2．植物からの生物起源揮発性有機化合物のフラックス評価と2次有機粒子生成
ローカルからグローバルな影響まで関わる二次生成物質（オゾン，二次粒子など）生成量の正確な評価には，人為起源に加えて，植物から放出される生物起源揮発性有機化合物（BVOC）発生量の実測データが不可欠である．以下の課題について観測と解析を行った。
【新学術領域研究】
VOC（特にイソプレン，テルペン）フラックスの森林タワー利用による定量化と放出速度モデルの開発
BVOCから生成する二次有機エアロゾル(SOA) の性状特性と生成過程の解明
関連論文Ａ
奥村智憲，谷 晃，小杉緑子，高梨 聡，深山貴文，小南裕志，東野 達 (2008) ヒノキ葉から放出されるモノテルペンの日変化と季節変化，生態工学会誌，20, 89-95.
M. Okumura, A. Tani, Y. Kominami, S. Takanashi, Y. Kosugi, T. Miyama, S. Tohno (2008) Isoprene emission characteristics of Quercus Serrata in a deciduous broad-leaved forest, J. Agric. Meteorol., 64, 49-60.
M. Okumura, A, Tani, S. Tohno, A. Shimomachi (2008) Light-dependent monoterpene emissions from an oak species native to Asia, Environment Control in Biology, 46, 257-265.
T. Miyama, T. Hashimoto, Y.Kominami, K. Nakagawa, M. Okumura, S. Tohno (2010) Temporal and spatial variations in CH4 concentrations in a Japanese warm-temperate mixed forest, J. Agric. Meteorol., 66, 1-9.
望月智貴，谷 晃，安田倫己，植山雅仁，鱧谷 憲，高橋善幸，米村正一郎，奥村智憲，東野 達，深山貴文，小南裕志 (2011) 可搬型簡易渦集積採取装置の開発とカラマツ林のテルペン類フラックス測定への応用，生態工学会誌, 23, pp.81-88.
K. Sato, S. Inomata, J.-H. Xing, T. Imamura, R. Uchida, S. Fukuda, K. Nakagawa, J. Hirokawa, M. Okumura, S. Tohno (2013) Effect of OH radical scavengers on secondary organic aerosol formation from reactions of isoprene with ozone, Atmos. Environ., 79, 147-154.
奥村智憲，井勢卓也，谷 晃，深山貴文，小南裕志，東野 達 (2013) スギ葉のモノテルペン放出に葉温と光強度が与える影響，生態工学会誌, 25, 117-121.
S. Inomata, K. Sato, J. Hirokawa, Y. Sakamoto, H. Tanimoto, M. Okumura, S. Tohno, T. Inamura (2014) Analysis of secondary organic aerosols from ozonolysis of isoprene by proton transfer reaction mass spectrometry, Atmos. Environ., 97, 397-405.
J. Tsuruta, M. Okumura, N. Makita, Y. Kosugi, T. Miyama, T. Kume, S. Tohno (2018) Comparing biogenic volatile organic compound emissions from the fine roots of 15 tree species in Japan and Taiwan, J. Forest Res., 23, 242-252.
エアロゾルロセスを利用した超微粒子材料の創製
エアロゾルは，破砕・飛散・噴霧などの機械的プロセスと，大気環境中でも起こっている核生成・凝縮などのガスー粒子転換プロセスにより生成するが，こうしたエアロゾルプロセスはナノ～ミリサイズまで連続的に不純物が少ない粒子を生み出すことが可能であり，機能性超微粒子生成や粒子沈着による成膜など，エネルギー・環境材料創製への応用が進められている。
主な研究課題は以下のようである。
ガスフローコールドトラップ法による非凝集・高濃度ナノ粒子の作成
ナノ粒子の有する量子サイズ効果等による特異物性は，多量の粒子が隣接すると急速に凝集･融合し消失する。そこで，減圧下でのガス中蒸発法で生成させた金属等のナノ粒子をガスを連続的に吹き込んで有機溶媒マトリックス中にトラップし（ガスフローコールドトラップ法），界面活性剤添加処理によってコロイド溶液濃縮さらには乾燥後も各粒子の非凝集状態が維持されることを確認し，EXAFSなどによる局所構造解析を行った。
静電噴霧法による機能性超微粒子の生成
静電噴霧熱分解法は，常圧下で発生する液滴径を必要に応じて数nmからmmオーダーと広範囲に制御可能で，かつ発生液滴は全て同極性に帯電しているため凝集が少なく，生成した粒子は基板に効率よく沈着する。また，レイリー分裂によって発生する液滴は単分散性が高い。そこで，シングルノズルによる静電噴霧熱分解法を用いて光触媒TiO₂粒子を作成し，水素生成能さらには，資源採取から水素製造までのエネルギー消費とCO₂排出量のライフサイクル評価を行った。ただし，この方法では壁面への粒子沈着による低回収率が問題となるため，TALH (Titanium(IV) bis(ammonium lactato)dihydroxide) 溶液と純水を用いたダブルノズル静電噴霧熱分解法を用いることで収率の大幅向上が可能となった。また，酢酸銅(II)一水和物を原料に，D(+)グルコースを還元剤として静電噴霧法によるCu₂O薄膜を生成させ，特異なリング状の2次元ネットワーク構造を示した【下記受賞】。
ヘキサン中に捕集したAg超微粒子の濃縮後のTEM写真．界面活性剤にはg-C28TAC (0.02wt%)を使用．
濃縮率：(a) 原液 (b) 50倍 (c) 100倍 (d) 200倍（東野他，1994）
関連論文Ｂ
S. Tohno, M. Itoh, K. Takahashi (1991) Production of ultrafine Ag particles coated and separated by surfactant thin layer, Earozoru Kenkyu, 6, 373-375.
M. Itoh, S. Tohno, Adachi, T. Yamamoto, S. Tsukui (1993) EXAFS study of nano-phase silver particles, Jpn. J. Appl. Phys., 32, Suppl.32-2, 767-769.
S. Tohno, M. Itoh (1993) Production of highly concentrated nanophase Ag dispersoids without aggregation, J. Aerosol Sci., 24, 339-347.
東野 達，伊藤正行，木村啓作 (1994) エーロゾルプロセスを利用した高濃度・非接触Agナノ粒子の作成，日本化学会誌, No. 11, pp.1027-1029.
S. Tohno, M. Itoh, S. Aono, H. Takano (1996) Production of contact-free nanoparticles by aerosol process: Dependence of particle size on gas pressure, J. Colloid Interf. Sci., 180, 574-577.
S. Tohno, M. Itoh, K. Kimura (1996) Production of binary nanoparticles (BiCu, BiTe, CdS) by aerosol process: Treatment for isolation and concentration, Surf. Rev. Lett., 3, 59-63.
M. Itoh, S. Tohno, M. Adachi, K. Kimura (1996) EXAFS study on the non-crystalline structure of binary component (BiCu, BiTe) nanophase particles, Surf. Rev. Lett., 3, 71-74.
Y. Terada, Y. Suzuki , S. Tohno (2012) Synthesis and characterization of TiO2 powders by electrospray pyrolysis method, Mater. Res. Bull., 47, 889-895.
鈴木義和，東野 達 (2012) 静電噴霧熱分解法を用いたナノ・マクロTiO2粒子の合成, Materials Integration, 25, 64-70.
T. Matsubara, Y. Suzuki, S. Tohno (2013) Synthesis and characterization of TiO₂ powders by double-nozzle electrospray pyrolysis method Part 1. Refinement and monodispersion of sprayed droplets, Comptes Rendus Chimie, 16, 244-251.
H. Itoh, Y. Suzuki, T. Sekino, J.-C. Valmalette, S. Tohno (2014) Electrospray deposition and characterization of Cu₂O thin films with ring-shaped 2-D network structure, J. Ceramic Soc., Jpn., 122, 361-366.
T. Matsubara, Y. Suzuki, S. Tohno (2016) Synthesis and characterization of TiO₂ powders by double-nozzle electrospray pyrolysis method Part 2. Materials evaluation, Comptes Rendus Chimie, 19, 341-345.
受賞
The American Ceramic Society, Ceramographic Exhibit Award (Optical Microscopy Category): First Place (Y. Suzuki, H. Itoh, T. Sekino, J.-C. Valmalette and S. Tohno, 2013, Cu₂O Thin Film by Electrospray Deposition）
