１．研究開発の背景とねらい

　アクチノイドの分離・分析は、プロセス管理や品質管理など原子力分野では極めて重要な技術である。アクチノイドを精密に分析するためには、対象試料溶液から特定のアクチノイドを高効率・高選択的に分離する必要がある。したがって、アクチノイド分析は、測定対象溶液から特定のアクチノイドの分離と、分離したアクチノイドの検出からなる。検出は、分析対象および分析濃度領域によって、吸光法、蛍光法、ICP発光法、質量分析法など様々な手法があり、それぞれ高感度化が進められているのに対して、分離は、現在も溶媒抽出法やイオン交換（クロマト）法などの古典的手法が主流である。また、アクチノイド分析による分析廃液は放射性廃棄物となるため、分析に必要な試薬・溶媒類の低減も強く望まれている。微量試料で高効率（高速）・高選択性を有したアクチノイド分析法が開発できれば、革新的なアクチノイド分析法となると考えられる。
　そこで、本事業では、ガラス基板上に作製したマイクロメートルスケールの微細流路（マイクロ化学チップ[1]）を反応場として用いる新しいアクチノイド分離・分析の基盤技術開発に取り組んでいる（図1）。微細流路内反応の大きな特徴は、分子輸送や分子拡散等にサイズ効果が現れることである。すなわち、１）空間が狭いことから、分子拡散距離が短くなり、反応時間が短くなる。２）比界面積（単位体積当りの表面の割合）が大きいことから、供給反応物に対する流路表面積あるいは液-液接触界面積の割合が大きくなり、混合･分離が高効率にできる。３）熱容量が小さいことから、急速加熱･冷却が可能となり、温度制御が容易に行えること等が挙げられる。このような特徴を有するマイクロ化学チップの微細流路を反応場として用いることで、微量試料で高効率（高速）・高選択的な分離が可能となる。更には、ナノ（10^-9）メートルスケールの流路および構造体を作製する技術も開発されており、それを用いることで、イオン交換体のマイクロ・ナノ構造をモデル化することが可能となり、交換体内部の吸着挙動を明らかにすることができると期待される。これらから得られたデータは、新しいイオン交換体を開発する際の設計指針となると考えられる。

２．研究開発成果

　本研究は、（1）マイクロ化学チップにおけるアクチノイド分離機構の研究、（2）電極集積型マイクロ化学チップによるアクチノイド分離法の研究、（3）マイクロ・ナノ反応場に関する基盤データ取得と解析、（4）マイクロ・ナノ反応場に関する要素技術の開発から構成されている。それぞれの開発課題について、代表的な成果を以下に記す。

２.１．マイクロ化学チップにおけるアクチノイド分離機構の研究
　アクチノイド類の代表的な抽出剤であるTODGAやCMPOとNdの硝酸水溶液が微細流路内で安定な二相層流を形成する条件を取得した。また、流路表面を部分的に化学処理（疎水化処理）した微細流路を用いることで、二相の合流・抽出・相分離に成功した。これによって、相分離後にさらに逆抽出などの次プロセスを連続的に組み合わせることが可能となり、より精密な抽出ができる技術を確立した。微細流路内の物質移動は拡散に支配されるため、空間が小さい微細流路中では、極短時間で抽出平衡に達することができる。図２にNdの抽出時間依存性を示す。僅か2秒程度でNdの抽出が完了している。

２．２．電極集積型マイクロ化学チップによるアクチノイド分離法の研究
　半導体微細加工技術によって作製されるマイクロ化学チップは、任意の構造・パターンの電極を容易に基板上に集積化することができる。したがって、流路前段で原子価調整を行い、後段で抽出・分離を行うことが可能となる（図３）。そこで、これを実現するための基盤データの取得を行っている。これまでに、モデル反応系を用いて、マイクロ空間の電極反応に関する基本特性データを取得し、電解反応効率を算出した。これらの結果から、微細流路内において、効率的な原子価調整が可能であり、精密な抽出・分離が実現する見通しを得た。

２．３．マイクロ・ナノ反応場に関する基盤データ取得と解析
　ナノ空間における分子挙動を理解するために、アセチルアセトンのケト−エノール平衡を利用して、核磁気共鳴（NMR）スペクトルの空間サイズ依存性を測定した。空間サイズを小さくしていくと（500nm以下）では、サイズの減少に伴い、平衡がケト型側にシフトするということを見出した。取得したデータの詳細な解析から、空間サイズが減少すると、溶媒である水とアセチルアセトンの水素結合が構造化してくるということが示唆された。この結果は、ナノメートルスケールの極微小空間では、溶媒である水の物性が、バルクスケールとは異なっていることを示唆しており、イオン交換体内部の細孔においても同様な溶媒の物性変化があると考えられる。

２．４．マイクロ・ナノ反応場に関する要素技術の開発
　微細流路内の流体の流動特性などの基礎データや、上記（2）の研究課題で使用する電極集積型マイクロ化学チップの設計・製作に必要な基礎データを取得した。また、熱応答性化合物（NCP：N-cyclohexyl-2-pyrrolidon）の流動特性を利用した新しいアクチノイド分離法を提案した。この方法は、流路構造と温度制御のみによって、アクチノイド類を簡便に分離できる可能性がある。

３．今後の展望

　これまでに得られた成果により、マイクロ化学チップを用いることで、原子価調整、抽出・分離、相分離が連続的に行うことが可能であり、個々のアクチノイドに必要な化学プロセスを複数連続的に組み合わせることで、微量アクチノイド類の精密分離が可能になると考えられる。したがって、本研究で開発したアクチノイド分離技術と小型高感度検出器と組み合わせることで、原子炉や再処理プラント等の工程管理・品質管理用の小型分析装置が実現できると考えられる。その場合、高速・高選択な分離・分析のみならず、分析廃液の大幅な低減を同時に達成することができる。
　また、ナノ空間における溶液物性に関する知見は、今後、系統的かつ体系的にそれらの知見を取得することで、新規イオン交換体を設計・作製する際の重要な設計指針を提供すると考えられる。

４．参考文献

[1] マイクロ化学チップの技術と応用, 化学とマイクロ・ナノシステム研究会監修, 丸善（2004）．