中性子全散乱
用い
PVP
水溶液
け
中間水構造解析
構造化学研究部
中
克
要 旨 バイ テ ア 分 い 中間水 生体適合性 要 寄 い 注目 集め 多
く 研究 さ い 中間水 構造的研究例 ほ く 中間水 構造的 特徴 明
点 多い 本稿 ニ ロ ドン(PVP) 対象 中性子全散乱 用い PVP水溶液 け 中間水 構造解析 行っ 例 紹介
1.
め
人工腎臓 医療機器 多く 料 用
い い 人工腎臓 う 血液 直接接触
医療機器 い 料表面 血栓 形成 目
詰 膜性能 引 起 結果 治
療 停 得 く 血栓形成
影響 医療機器 性能 軽
度 痒 人体刺激 表 料
表面 血栓 脳梗塞 大 人体 害
招く 血栓性 生体適合性 医療
機器用途 非常 要 物性 あ
生体適合性 発現 未解明 課題
あ 課題解決 健康 延伸 推進 国
家的 要テ い
近 九州大学 中 提唱 中間水コン
イ テ ア 注目 い
1)
料表面 相互作用 吸着
水層 形成 い 吸着水 相
互作用距 凍水 中間水 類
表面 遠く 相互作用
い い水 自 水 通常 水 同
様 挙動 い 一方 血液中 ン 質や
細胞 生体 子表面 見 周 水 子
表面 凍水 生体 子 水和水 接触
生体 子 水和構造 乱 結果 ン 質
吸着 変性 細胞 接着 活性 い 血栓形成
生体 応 起 考え ( 1) 他方
凍水 外側 存在 中間水 比較的 生体 子 水
和水 同様 状態 呈 い 生体 子 凍
水 接触 妨 結果 生体 応 抑制 わ
生体適合性 発現 いう 中間水コン
あ
図1 ー表面 吸着水 血栓形成 ニ
中 生体適合性 い
DSC 用い 中間水 調 生体適合性 優
(現時点 )例外 く中間水 存在
生体適合性 劣 中間水 存在 い
中間水 良好 相関関係 あ 見出
う 背 現在 中間水コン
基 い 生体適合性 開発 盛 行わ
一定 成功 い 中間水コン
生体適合性発現 現象論的
仮説 あ 中間水 存在 生体適合性 発
現 い 言 至 い い 後
中間水コン 基 く生体適合性
開発 あ 中間水 生体適合性発現 役
割 解明 求
TRC 生体適合性 優
知 ン(PVP) 水溶液
象 DSCや
2H-NMR
用い 温
凍結 融解 挙動 調 PVP水溶液 中間
水解析 行
2)
中 PVP水溶液 自
水 中間水 凍水 存在 中間水
自 水 近い中間水 凍水 近い中間水 細
わ ア
室温 評価 くい水 状態 温 顕在化
いう あ 医療 料 室温~体温 温
度域 使用 考え 適 水 状態
評価 い 断 注意 必要 あ
一般的 中間水解析 0°C 凍 自 水 温
凍 い 凍水以外 水 中間水 定義
中間水 う 水 あ 中間水
依 同一 いう くわ
い い 中間水 特性把握 室温
中間水 構造的 特徴付 望
一般 水 う 液体 構造 時間 空間的 定
あ 例え 結晶性 料 結晶化度
う 明確 構造 定義 い
水 構造 定 あ 子 (Å
) 短距 水素結合 秩序性 有 い
子 構造解析 行う
水 構造的 特徴付 可能 あ
う 子 構造解析 中性子全
散乱 用い 析 有用 あ 本稿 PVP水溶液
い 中性子全散乱 用い 室温 中間水
構造的特性解析例 紹
2.
中性子散乱
よ
構造解析
特長
子 構造解析 行う手法 X 線回
散乱 結晶構造解析 有力 あ 本稿
X線散乱 比較 中性子散乱 構造解析
特長 い 解説
物質 構造解析 あ え 物質 結
晶質 あ X線回 や ン 光 DSC 用い
結晶型や結晶化度 結晶子サイ 結晶構造解
析 有用 あ 水溶液 う 液
体 構造 時間 空間的 定 あ
構造解析 困 多い 液体 構造
解析 有用 動 布関数 考え
図2 あ 原子周 原子分布
あ 原子 距 r 微小距 dr 空
間 存在 原子数n(r)dr 考え 例え 気体
う 試料全体 均一 原子数密度 い 場合
記 微小空間(4πr
2dr)
内 見出 原子数n(r) 均数
密度ρ 用い n(r) = 4πρr
2dr
一方 試料
構造 有 い 場合 任意 距 r 原子数n(r)
均値 以 う 表現
( ) = 4π ( ) d (1)
g(r) 距 r い 均値 実 原子数
比 表 関数 あ 動 布関数
g(r) 用い 結晶 液体 気体
表 3 う
図3 結晶 液体 気体 原子配列 動径分布関数g(r)
近接距 (rcore 剛体球 仮定) 外側 均密度 同
あ g(r) = 1 (r > rcore) 0 (r≤rcore) 一
方 結晶 場合 原子 決 置 布
散的 布 示 液体 場合 気体
う 全く構造 有 いわ い 結晶
う 規則的 構造 有 い わ く 連続的
布 構造 有 い う 動 布関
数 用い 一見特徴的 構造 有 い い
う 見え 液体 い 構造 特徴付
X線散乱や中性子散乱 動
布関数g(r) 実験的 得
X線や中性子 試料 照射 試料中
原子 散乱 試料 外 飛 出 く
1個 原子 X線 散乱 能力(散乱能) 原子
番号 わ 原子 電子数 依存 一方 中性
子 散乱能 原子番号 依 金属中 軽元素 観
測 可能 あ 構造解析 用い X線や中
性子 Å程度 波長 用い X線 波長
同程度 広 持 電子雲 散乱
散乱 X線 電子雲 形状 映 角度依
存性 示 X線 散乱能 散乱角 大
く 小 く (原子形状因子) 他方 中性子
波長 比 非常 小 い原子核 相互作用
中性子 角度依存性 示 大 い散乱角
い 散乱能 変化 い いう特徴 あ ( 4)
試料 散乱 X線や中性子
5 う 2個 原子 渉 起 多数
原子 渉 合 観測 5
u0 方向 入射 原子i 原子 j 散乱角2θ 散乱 u 方向 飛 い
く 5中 ri rj 原子i 原
子j 置 あ 相 置
波 長 λ 入射波
2πu0/λ 散乱波 2πu/λ 表
図4 X線 中性子 散乱能 散乱角 関係
図5 原子対 よ 散乱さ ロー 干渉
2個 原子 散乱 相
5 赤矢印 示 u•rij u0•rij 差 求 散乱強度I(Q) 式(2)
う 表
( ) = exp 2 i( − )∙
= exp i ∙ (2)
ai i番目 原子1個 散乱能 Q 散乱 あ Q = 2π(u-u0)/λ あ 液体中
原子 時間 空間的 変動 い
統計 均 必要 あ < > 統計 均 示 い
散乱強度I(Q) 試料中 含 N個 原
子 い 各原子 散乱能 均値<a> (=Σai/N) 2 乗 和(= N<a>
2)
観測 規格化
構造因子S(Q) 用い 液体構
( ) = ( )
= 1 exp i ∙ (3)
式(3) い 簡単 1 成 系 い 考え
液体構造 等方性 方向 い 均化
最終的 式(4) 得
( ) = 1 + 4π ( ( )−1)sin d (4)
式(4) エ変換 形 実験
得 S(Q) 逆 エ変換 試料
中 原子配置 g(r) 求 エ変
換 性質 S(Q) 逆変換 g(r) 求
大 いQ領域 精度 く測定 要 あ
X線 原子形状因子 影響 大 いQ領域 散乱強
度 著 く減少 中性子散乱 大
いQ 領域 散乱強度 減衰 小 い 動
布関数解析 中性子散乱 強力 手法 い
X線散乱 比 中性子 う一 大
特徴 あ 同 体置換コン 変調 説明
記 構造因子 多成 系 い 拡張
( ) = ( )
= ( ) (5)
i j 試料中 原子種i j 表 ci ai 原子種i 組成(濃度) 散乱能 あ Sij(Q) i j ア 着目 構造因子 あ 部 構造
因子 wij ア i-j 因子 あ
大 い ア 構造 実験的 強調 観測
6 示 う 水溶液
水 複雑 構造 有 水和構
造解析 行う 構造 評価
要 あ 水溶液 存在 相関
構造 同士 絡 合い 散
構造 水和構造 水同士 水素
結合 ッ ワ 挙 う
同士 -水 水同士 相関構造 部 構
造 ぶ( 7)
図6 ー水溶液全体 相関構造
図7 ー水溶液 部分構造
表1 水溶液 主 構成元素 散乱能
示 X線 原子 電子 散乱 散
乱能 原子番号 依存 水溶液 X線散
乱 測定 主 試料中 炭素や酸素 構造 観
測 一方 中性子 散乱能 原子番号 依存
X線 観測 い水素 構造 感度 く測定
軽水素H 水素D 散乱
能 異 例え 軽水 水 置換 試
料 測定 式(5) い コン 変調
(Sij(Q) 同 wij 異 )
S(Q) い 連立方程式 解く 部
構造因子Sij(Q) 実験的 求
表1 ー水溶液構成元素 散乱能
同 体 原子番号
中性子散乱長
3)
/ fm
H 1 -3.74
D 1 6.67
C 6 6.65
N 7 9.37
O 8 5.80
3.
中性子全散乱
よ
PVP
水溶液
構造解析
本稿 中性子全散乱 用い PVP水溶液
(C6H9ON) C6H9ON / 2H2O C6H9ON / 6H2O
C6H9ON / 9H2O 含水率 う 軽水 加
え 調製 軽水溶液 同組成
う 水溶液 調製 (C6H9ON / 2D2O C6H9ON / 6D2O C6H9ON / 9D2O) 中性子全散乱実験 J-PARC/MLF BL21(NOVA)(茨城県東海 ) 用い
室温 測定 表2 測定試料
同士(PP) -水(PW) 水同士(WW) 相
関 い 計算 因子wij
2H-NMR
帰属 各含水率 水 状態 示
表2 軽水溶液 PP PW相関 強調
観測 わ 一方 水溶液 PP
相関 感度 弱く PWやWW相関 比較的強く観測
軽水溶液 水溶液 PW
相関 符号 負逆 い わ
表2 PVP水溶液 け 因子
試料
水 状態(組成)
(2H-NMR)
w
PP wPW wWW
PVP/2D
2O 凍水(~0.5) +中間水 (1.5)
0.13 0.46 0.41
PVP/2H
2O 1.41 -0.44 0.04
PVP/6D
2O 凍水(~0.5)
+中間水 (5.5)
0.03 0.27 0.71
PVP/6H
2O 3.58 -3.37 0.79
PVP/9D
2O 凍水(~0.5)
+中間水 (5.5)
+中間水 (3.0)
0.01 0.20 0.79
PVP/9H
2O 11.62 -16.42 5.80
中 性 子 全 散 乱 測 定 得 各 試 料 構 造 因 子
S(Q) 7 示 各含水率 い 軽水溶液
水溶液 異 S(Q) 得 コン 変
調 く機能 い 考え い 含水率
い 水溶液 S(Q) Q= 0.8, 1.8Å
-1
特
徴的 観測 一方 軽水溶液 Q =
0.8Å-1 負 示 Q= 1.8Å
-1
観測 Q= 1.6Å
-1
わ
観測 表2 因子 応
Q= 0.8Å-1 PW相関 Q= 1.8Å
-1
WW相関 わ 水和構造 映 あ
考え 軽水 水溶液
図7 PVP水溶液 構造因子S(Q) Q = 3 Å-1 ーク 来
S(Q) 連立 表2 因子 用い PP相関
消 う 連立方程式 解く 水和構造 来
部 構造因子 SPW+WW(Q) 求 各含 水率 い 求 SPW+WW(Q) 8 示
図8 水和構造 部分構造因子SPW+WW(Q)
SPW+WW(Q) 導出 改 Q = 1.8 Å
-1
着目 本来 純水 Q= 2.0Å
-1
観測 第 2 隣接 水 子間相関( 9) 応
あ
4)
水 固体(氷) 液体(水) 体積減少(密度増
加) 特異的 液体 あ く知 い
水 水素結合 歪 第2隣接以降
水 子間距 氷 比 短く い あ
PVP水溶液 い Q= 1.8Å
-1
純水 2.0Å
-1
Qシ い
水 水素結合 ッ ワ 秩序性 純水 比 向
い 示唆 あ
最後
2H-NMR
帰属 各含水率 水 状態
比較 各状態 水 構造的特徴 考え
2H-NMR
PVP/2H2O 凍水 中間水 PVP/6H2O 主 中間水 PVP/9H2O 加え 中間水 存
在 い わ い 中間水 主 観測
い 考え PVP/2H2O~6H2O い
水 高Qシ い 中間水
中 PVP 距 応 水和構造 布
生 い 推定 PVP/9H2O い 中間
水 出現 わ Q= 2.0Å
-1
シ
出現 う 見え 中間水 比
較的 純水(自 水) 近い水素結合構造 有 い
考え
う 中性子全散乱 コン 変調
用い PVP水溶液 室温 中間水
構造的 特徴付 行う 凍水や中間
水 PVP 強く拘束 水素結合 ッ
ワ 秩序性 向 水 存在 自 水
明 異 構造 有 い 明
比較的PVP 中間水 水
自 水 間 緩慢 緩衝層 存在
生体適合性発現 寄 い 可能性 示唆
後 PVP以外 生体適合性 や ン 質
い 中性子全散乱 用い 中間水構造 遍性
調 中間水 生体適合性 関係 解明
期
4.
わ
生体適合性発現 中間水 要性 イ
テ ア 注目 集 い 特性 未
明 点 多い 本稿 中性子全散乱法 用い
中間水 構造的 特徴付 行う 中間
水 特性 回行 構造解析 他 運動性
や 相互作用解析 要 あ
実 料表面 中間水 特性解析 料開発
観点 必要 あ TRC 後 中間
水 関わ 解析技術 深化 予定 あ
中間水解析 イ テ ア
く 化粧品や食品 洗 水 関わ
適用可能性 潜在
展開 期
謝辞
中性子全散乱実験 あ J-PARC/MLF BL21
(NOVA) 用い 行い 実験 高エ 研
究機構 大 教授 池 博士 多大 協力 頂
九州大学 中教授 博士 中間水コン
中間水構造 関係 あ 議論 通 多く
知識や示唆 頂 感謝 意 表
引用文献
1) 中賢, 化学 教育, 60(6), 250 (2012).
2) 中 克, 石 宏 之, The TRC News, 201608-05
(2016).
3) Neutron scattering lengths and cross sections. 2013.
https://www.ncnr.nist.gov/resources/n-lengths/.
4) M. -C. Bellissent-Funel, et. al., J. Chem. Phys., 87,
2231 (1987).
中
克
さ
構造化学研究部
構造化学第2研究室 研究員
