ナノ粒子は、塗料、プラスチック、金属、化粧品、さらには食品など、多くの工業化された製品の主要な成分です。ナノ粒子の主要なパラメータ（サイズ、形状、濃度、気孔率など）を解析することは、ナノ粒子の挙動、性能、環境や人間の健康に対するリスクを理解するために不可欠です。さらにナノ粒子の存在を管理し、製品にしっかりと表示する必要があります。

ナノ粒子を解析するために最もよく使われる技術の一つが、エネルギー分散型分析法（EDS）を搭載した走査型電子顕微鏡（SEM）です。光学顕微鏡では見ることができない粒子の大きさ（1-100nm）のため、このような技術が必要とされています。SEMでの高分解能イメージングは粒子のイメージングを可能にし、EDSはナノ粒子に関する元素および化学的情報を提供します。

ナノ粒子の大きさとX線の放出量の少なさから、その分析は困難を極めています。分析を成功させるためには、多くの側面を考慮する必要があります。

1. サンプルの前処理

サンプルの前処理は、分析が可能かどうかを決定する重要なステップであり、結果の品質と精度にも影響を与えます。これは材料からナノ粒子を抽出し、潜在的な残留物からナノ粒子を洗浄し、粒子の凝集を避けるためのいくつかの重要なステップで構成されています。

2. 低加速電圧での高感度EDS検出器

EDSでナノ粒子（<100nm）を検出するには、高い空間分解能を達成するために低加速電圧（<5kV）での分析が必要です。また最高の結果を得るためには、短いワーキングディスタンス（WD<6mm）での分析が必要です。  これらの2つの側面は、従来のEDS技術の典型的なものではなく、低いWDで動作する非常に高感度な検出器が必要となります。下の例では、ウインドウレスUltim Extreme検出器 を使用していますが、この検出器は低電圧分析に特化しており、ナノ粒子の分析に適しています。 

3. 限られた特性X線の励起

低加速電圧での分析には、限られた範囲で励起されたX線という課題が加わります。これは重元素を同定するためには、M線やN線でさえも低エネルギーの線を使用しなければならないことを意味します。さらにこのような限られたエネルギー範囲では、X線ピーク間のオーバーラップがより頻繁に発生します。AZtecLiveのソフトウェアアルゴリズム（Tru-Q® technology）は、低エネルギー線を検出し、ピークの重なりや最終的なスペクトル欠陥を補正することで、正確な結果を保証します。（TruMap）

4. ドリフト補正

ナノ粒子を分析するには、非常に高い倍率（50k X以上）で数分間同じ領域をスキャンする必要があり、SEMの安定性（温度、冷却、振動、汚染など）によっては、分析中にスキャンされた領域がずれる可能性があります。最終的に良い分析結果を得るためには、このずれを修正することが非常に重要です。この問題を解決するために、AZtecLiveソフトウェアは、ナノメータースケールでの分析に不可欠な非常に効果的なドリフト補正ルーチン（AutoLock^TM）を搭載しています。   

このブログでは、二酸化チタンと酸化亜鉛ナノ粒子の分析を共有しています。これらの粒子は、肌の上で透明なまま紫外線をブロックする能力を持つため、日焼け止めクリームに広く使用されています。

また、TiO₂ナノ粒子は、着色剤（白色顔料）や不透明化作用（アイスクリーム、キャンディー、お菓子...など）があるため、食品添加物として広く利用されています。ヨーロッパではE171として、より一般的に知られています。最近フランスでは、予防的な理由から今年初め（2020年1月）に食品からのTiO₂の使用が停止され、人の健康へのリスクについての懸念が高まっています。研究 [1][2] によると、これらのナノ粒子は腸から血液へと体内を移動し、肝臓や脾臓などのさまざまな臓器に蓄積されることがわかっています。これらのナノ粒子への慢性的な曝露は、大腸発がんを引き起こす可能性があります。 さらに、最近の研究では、妊婦の場合、これらのナノ粒子は胎盤を通過して胎児に到達する可能性があることが示されています。

消費者にナノ粒子の存在を認識させるために、企業がナノ粒子を含む製品にラベルを貼ることが重要です。そこでフランス計測研究所（LNE）のような研究所は、これらの製品を分析し、ラベル付けを支援する重要な役割を担っています。

このデータは、LNEナノテク研究所との共同研究で収集されたもので、サンプルは日焼け止めクリームから抽出された後、調製され、分析されました。分析は、Ultim ExtremeウィンドウレスEDS検出器を使用して、加速電圧3kV、ワーキングディスタンス5mmで実行されました。

図1. Si基板上に凝集した数個のTiO₂ナノ粒子のEDSマップ（食品サンプル） - 5kV, 12万倍での分析

図2. 日焼け止めクリームサンプルからのTiO2とZnOナノ粒子のEDSマップ - 3kV、2万倍で収集

この EDS マップは、ZnO (赤) と TiO₂ (緑) のナノ粒子の凝集を示しています。これらの粒子（<100nm）は、低加速電圧（3kV）でのExtreme検出器の高感度により、空間的によく分離されています。このマップは、ドリフト補正ルーチン「Autolock」を使用して12分間収集されました。

図３. TiO₂ナノ粒子から収集した３kVでのEDSスペクトル

これはTiO₂粒子から3kVで収集したEDSスペクトルです。Extreme検出器で得られた高エネルギー分解能を明確に示しており、Ti L1,2線(452eV)が上のEDSマップに使用されています。

6年前には、このような解析は不可能だったと言ってよいでしょう。このような性能が得られるのは、EDS技術における最新のハードウェアおよびソフトウェアの開発と、低加速電圧での高分解能SEM性能の向上のおかげです。低電圧でのEDS分析がこれほどの高品質で可能であることは、まだ広く知られていません。

日焼け止めクリームからアイスクリームまで、私たちが使用し、消費する製品に何が含まれているかを正確に理解することは重要です。このブログでは、特性評価ツールとしてのEDSが、ナノ粒子を研究する際に提供できる洞察を少しでも得られたことを願っています。

Dr Haithem Mansour

X-ray Product Manager

References:

_{[1] Bettini S, Boutet-Robinet E, Cartier C, Coméra C, Gaultier E, Dupuy J, Naud N, Taché S, Grysan P, Reguer S, Thieriet N, Réfrégiers M, Thiaudière D, Cravedi JP, Carrière M, Audinot JN, Pierre FH, Guzylack-Piriou L, Houdeau E. Food-grade TiO2 impairs intestinal and systemic immune homeostasis, initiates preneoplastic lesions and promotes aberrant crypt development in the rat colon. Sci Rep. 2017 Jan 20;7:40373.}

_{[2] Coméra C, Cartier C, Gaultier E, Catrice O, Panouille Q, El Hamdi S, Tirez K, Nelissen I, Théodorou V, Houdeau E. Jejunal villus absorption and paracellular tight junction permeability are major routes for early intestinal uptake of food-grade TiO2 particles: an in vivo and ex vivo study in mice. Part Fibre Toxicol. 2020 Jun 11;17(1):26.}