Development of in-situ continuous monitoring methods of marine particles using holography and laser spectroscopy

本研究では、深海のマイクロ・ナノサイズ粒子を長期モニタリングするシステム開発のため、「深海運用型装置による粒子濃度の解明」「サブミクロン粒子測定への挑戦」の２つのテーマで研究を進める。「深海運用型装置による粒子濃度の解明」では、装置の自動計測システムとして、ホログラフィ（光学画像撮影法）とラマン分光分析（化学分析法）の統合手法を提案している。ホログラフィで計測領域（径1cm、長さ20cmの水柱）を高速に連続測定し、粒子を検出したらポンプを止めラマン分光分析を始め、終了したらポンプをまわして粒子を追い出し、次の粒子を待つ、という一連の流れの自動プログラムを作成した。そして、自動計測機構を搭載した2000m耐圧のプロトタイプ装置を試作した。実証試験として、2022年秋にROVに搭載して1000mまでの深海で運用し、海中現場での粒子モニタリングに成功した。試験結果をもとに、より軽量・小型で扱いやすく、電池によるスタンドアロン運用が可能な装置に改良した。さらに、ホログラフィ画像とラマン分光スペクトルの両方のデータを統合することにより、各々のデータよりも代表的な粒子（プランクトン、無機物、プラスチック数種類、岩石）の種別を高精度に分類できる機械学習法を確立し、査読付き論文が1報出版された。「サブミクロン粒子測定への挑戦」では、英国サウサンプトン大学に出張し、コヒーレント反ストークスラマン散乱顕微鏡を用いて様々な種類・大きさ（数百nmまで）のプラスチックやプランクトンを計測し、測定に最適な条件やパラメータを選定した。また、高速に流れる粒子の形の認識精度を上げるため、ラインスキャン画像から高精度に推定する解析方法や、流路内で光学画像も撮影してラインスキャン画像の補完をする方法の検討を行った。

本研究では、深海のマイクロ・ナノサイズ粒子を長期モニタリングするシステム開発のため、「深海運用型装置による粒子濃度の解明」「サブミクロン粒子測定への挑戦」の２つのテーマで研究を進める。「深海運用型装置による粒子濃度の解明」では、装置の自動計測システムとして、ホログラフィ（光学画像撮影法）とラマン分光分析（化学分析法）の統合手法を提案している。ホログラフィで計測領域（径1cm、長さ20cmの水柱）を高速に連続測定し、粒子を検出したらポンプを止めラマン分光分析を始め、終了したらポンプをまわして粒子を追い出し、次の粒子を待つ、という一連の流れの自動プログラムを作成した。そして、自動計測機構を搭載した2000m耐圧のプロトタイプ装置を試作した。実証試験として、2022年秋にROVに搭載して1000mまでの深海で運用し、海中現場での粒子モニタリングに成功した。試験結果をもとに、より軽量・小型で扱いやすく、電池によるスタンドアロン運用が可能な装置に改良した。さらに、ホログラフィ画像とラマン分光スペクトルの両方のデータを統合することにより、各々のデータよりも代表的な粒子（プランクトン、無機物、プラスチック数種類、岩石）の種別を高精度に分類できる機械学習法を確立し、査読付き論文が1報出版された。「サブミクロン粒子測定への挑戦」では、英国サウサンプトン大学に出張し、コヒーレント反ストークスラマン散乱顕微鏡を用いて様々な種類・大きさ（数百nmまで）のプラスチックやプランクトンを計測し、測定に最適な条件やパラメータを選定した。また、高速に流れる粒子の形の認識精度を上げるため、ラインスキャン画像から高精度に推定する解析方法や、流路内で光学画像も撮影してラインスキャン画像の補完をする方法の検討を行った。