目次

1-1.はじめに (著:穂積啓一郎)

プラズマは電気現象ですから,化学者にとっては馴染み難い対象のように思われていましたが,1962年突然酸素プラズマによって有機物質が熱を発せず灰化できると分析化学の学会誌に掲載されると1),従来のルツボ灰化では揮発し易い無機成分の定量に利用され,同時に生物組織や細菌の無機像などが顕微鏡下に細かく観察されるようになりました2, 3).この新技術は当時始まったばかりの半導体プロセスに早速応用され始め,フォトレジストの灰化除去やフロンを用いるシリコン基板のエッチングに発展し,今やコンピュータを含めあらゆる電子機器産業の根幹を支えるものになっています.これと平行して高分子材料の表面改質やプラズマ重合による機能性膜の作成など多彩な応用の道が開かれましたが4, 5),それらを纏めて一般的な解説を本シリーズ「15.プラズマ化学の応用領域」で記述しました.しかし元を訪ねると分析化学が出発点となったプラズマ技術ですから,もう少し古巣の分析化学畑で出来ることを書き足したいと思います.

酸素プラズマで有機物が低温で灰化できることは,紙などが焦げずに無色のまま消失することからマクロには認知されていますが,物質が燃焼しているマイクロスポットでも低い温度なのかは確証がありません.赤外スペクトルによる表面温度の計測では100~150℃という結果が出ていますが,これも測定面の平均値なので,本当のことはプラズマ灰化を経験した物質に聞いてみるのが良いように思います.オルトリン酸塩が温度を高くすると脱水し,二リン酸から三リン酸になり,強熱すると最後はピロリン酸になりますが,プラズマ灰化のあとでどう言うリン酸分布になっているかを知るのは,真の灰化温度の推定の良い目安になります.一方プラズマ灰化が低温で進行するので無機成分の回収が良いとは一般に知られていますが,多くのデータが原子吸光法で測定されていて,金属元素に関心が偏っています.たまたま水銀,鉛,カドミウムなど公害問題が盛んな時代でしたから,それは当然の成り行きでしたが,反対にハロゲンや硫黄,リンやヒ素など非金属元素の回収率については殆ど検討がされませんでした.

一方低分子の有機ガスをプラズマ化して得られる高分子膜は固体材料のコーティングや逆浸透膜として期待が持たれ,たまたま月旅行のアポロ計画がNASAで取り上げられ,無重力の船内での水のリサイクルに逆浸透膜が候補に上がりました.逆浸透膜としては当時すでに親水性の酢酸セルロースの膜がありましたが,プラズマ重合膜のほうが薄くて均質で脱塩効率が期待できると思われました.目新しい技術でもあり,学術的な挑戦の場として多くの化学者が参入し,学会誌を賑わせました.親水性の膜を作るためアルコールやカルボン酸など含酸素モノマーを使うと,恐らくプラズマの電子衝撃を受けて水や二酸化炭素,一酸化炭素の形で酸素原子が失われ,炭化水素モノマーの重合物に近いものが得られます.含窒素モノマーが比較的プラズマ中で安定なので,ピリジンやアリルアミンが多く検討されました6).残念ながらアポロ計画で逆浸透膜は使われず,水素と酸素の燃料電池で発電し,出来た水を飲料水に使うことで終わりました.このあたりの事情は本解説「15:プラズマ化学の応用領域」にやや詳しく説明しました.

疎水性のプラズマ重合膜もいろいろ探索がされました.エチレンやプロピレンなど炭化水素モノマーを用いると,重合物の中に不飽和結合を多く残すせいか膜が黄褐色を帯び,素材の透明コーティングが出来ません.これに対しフッ素系のモノマーを用いると透明性の高い膜を作ることが分かり,NASAはパーフルオロブテンのプラズマ重合膜を推奨しています.赤外計測器の窓材に使うヨウ化セシウムの疎水性コーティングで高湿度に耐える性能を持たせたり,有機レンズに同じ処理をして光の透過率を向上させる成果がありました7, 8)

分析化学領域での研究対象としては,この他にもクロマト関連の材料の表面改質やコーティングによって分離挙動を改善したり,電気化学センサーの選択透過膜の開発などの応用研究があります.いずれもすぐ実用できるものとは言えませんが,プラズマ技術の特殊性が現れそうな面白い領域です.