KANTO CHEMICAL CO., INC.

2009 No.1（通巻211号）

C
ç

ISSN 0285-2446

新年を迎えて代表取締役社長 野澤 俊太郎

2

生体成分の高選択・高感度分子内エキシマー蛍光誘導体化法の開発と医療分析への展開

山口 政俊 能田 均 吉田 秀幸 轟木堅一郎

3

イオン液体の潤滑油用途への取り組み

南 一郎

12

四級ホスホニウム型イオン液体の最近の研究開発動向

綱島 克彦 杉矢 正

17

宇宙：近未来のヒト生活環境と微生物（１）─真菌から見た宇宙におけるヒト生活環境─ ウォストークからミールまで

槇村 浩一

22

ドイツの切手に現れた科学者、技術者達（24）ヘルマン・ルートヴィヒ・フェルディナント・フォン・ヘルムホルツ

原田 馨

26

編集後記

28

新年を迎えて代表取締役社長

新年あけましておめでとうございます。
ケミカルタイムズの読者の皆様、ならびにご執筆の先生方におかれましては、さぞかし良いお正月をお迎えになられたことと心よりお喜び申し上げます。

野澤

俊太郎

がどちらかといえば、ないがしろにされている」との意見も出されました。
世界的な金融危機や景気悪化によって企業の収益が悪化すれば、基礎研究をないがしろにする傾向は一段と

昨年は、ミャンマーの大型サイクロンによる洪水、中国

強まる可能性があります。現在も続いているＩＴ革命の発

四川省の四川大地震、わが国の岩手・宮城内陸地震が端となった初代のＩＢＭ製パソコンが生み出されたのは、発生するなど国内外とも大きな自然災害が続発しました

米国が第二次石油ショックやクライスラーの経営危機の余が、それを上回る米国発の金融危機の連鎖が当初の想韻をひきずっていた1981年と言われています。この様に、像を絶する大きさで拡がっています。

混乱期にこそ花開く技術の芽を養い、基礎研究に力を入

一昨年から米国ではサブプライムローン（信用力の低い個れていく必要があると思います。

人向け住宅融資）問題をその原因とする金融危機があり

当社は、試薬、ライフサイエンス、化成品、電子材料なましたが、9月中旬の米国大手証券リーマン・ブラザーズのど多岐に亘る事業構成により基礎研究から先端産業まで

経営破綻をきっかけにして全世界的にその金融危機がま

幅広く皆様のお役に立てるよう努力しています。

さしく大津波のようにすべての国を飲み込んで、世界同時

昨年は、九州の大牟田工場内に新第1工場を竣工、三不況の様相に大きく変わりしました。

重県に国内第6番目の工場用地を確保し、海外では米

わが国でも、為替は1995年以来13年振りに１ドル＝100円

国、台湾に続く3番目の生産拠点をシンガポールに竣工し、を大きく割り込む円高となり、株式市場は5年振りに東証

今年の本稼動を計画しております。

日経平均は7,000円台まで下落し、政府の公式見解も

当社は、新しい技術を取り入れつつ、社会とともに発展「景気は弱まっており、下押し圧力が急速に高まっている」

していくことを目指しています。これは当社の経営理念そに変わってきています。

のものであり、当社が注力すべきＣＳＲだと考えています。

この様な状況で小林誠博士、益川敏英博士、南部陽

2005年4月にＣＳＲ部を設置して、コンプライアンスの徹底一郎博士がノーベル物理学賞、下村脩博士がノーベル化やＢＣＰ（事業継続計画）の策定など、経営理念の実践を学賞と日本から一度に四人の受賞者が出たのは明るい支える取り組みを本格化させてきました。これらＣＳＲ活動

ニュースとなりました。

をステークホルダーの皆様に知っていただくために、昨年

四人に共通するのは「面白い」「やりたい」と思う研究をひの秋に初版のＣＳＲレポートを発行しました。

たすら続けることだと言われています。

今年も、最上の品性と、最高の権威と、最大の努力を

日本の科学教育については、「科学にロマンを持つことがもって良き年になりますよう総力を結集し新たな年にチャレ

非常に重要。あこがれを持っていれば勉強しやすいが、ンジいたします。

受験勉強で弱くなっている」と受賞者の一人が言っているのが印象的です。又、受賞者からは「日本では基礎研究

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THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

皆様におかれましても、この一年が光輝に満ちた幸多い年でありますよう祈念し、新年のご挨拶といたします。

000000000

生体成分の高選択・高感度分子内エキシマー
蛍光誘導体化法の開発と医療分析への展開
Highly selective and sensitive derivatization method for biogenic substances, based on
intramolecular excimer-forming fluorescence and its application to medical analysis
福岡大学薬学部 教授

山口 政俊

MASATOSHI YAMAGUCHI(Professor)
教授

能田

助教

HIDEYUKI YOSHIDA(Assistant Professor)

均

HITOSHI NOHTA (Professor)

吉田 秀幸

助教

轟木堅一郎

KENICHIRO TODOROKI(Assistant Professor)
Faculty of Pharmaceutical Sciences, Fukuoka University

析する場合、多種多量に存在する共存物質や誘導体化

1．はじめに反応の際に過剰に加えられた蛍光性試薬が、目的物質
医療の発展には、生体試料や医薬品中の様々な成分の選択的分析を妨げる。それらの問題点を解決するための効果的な分析法の開発が欠かせない。しかし、それらに、前処理法や分離手法の改善が行われている。また、生体関連物質の多くは、生体試料という複雑なマトリック

無蛍光性の試薬を用いる発蛍光誘導体化法の開発や特ス中に極微量で存在しているため、それら生体関連物質

殊な蛍光現象（蛍光偏光、時間分解蛍光、蛍光共鳴エの分析には高感度かつ高選択性が要求される。

ネルギー移動など）を導入した誘導体化法の開発5-7）も試

高速液体クロマトグラフィー（HPLC）は、近年、医療、みられている。本稿では、特殊蛍光現象の一つであるエ

環境、食品などの多くの分野で最も広く適用されている分

キシマー蛍光を誘導体化分析法に導入することに基づく離分析法の一つである。HPLC用の検出方法は、測定対「分子内エキシマー蛍光誘導体化法」の原理および同誘象物質の物理的・化学的性質を検知することに基づいて導体化法による生体関連物質（内因性生理活性成分、おり、吸光度、電気化学、質量分析、蛍光、化学発光

医薬品、環境ホルモンなど）の測定法の開発と医療分析などの検出器が用いられている。しかしながら、目的成分への展開について述べる。

がこれら検出法に対して、必ずしも強い応答を示すとは限らず、全く応答を示さないこともある。この場合、誘導体化

2．エキシマー蛍光誘導体化が必要である。誘導体化の大きな目的の一つは、検出器に対し目的物質が十分な応答を示さないときに、化学反2.1 エキシマー蛍光応などにより検出器に強い応答を示す物質へ変換するこ

ピレンやアントラセンのような蛍光寿命の比較的長い芳とである。使用される試薬は誘導体化（ラベル化、標識）

香族蛍光分子が互いに近接して存在するとき、基底状態

試薬と呼ばれ、それぞれの検出器に対応する誘導体化では安定な二量体を作らないが、一つの分子が励起光法・誘導体化試薬が開発されている。その中で、蛍光誘を吸収して励起状態となると、他の基底状態の分子と会導体化法は、感度、選択性の点で優れているため、生体合して励起二量体（excited-state dimer、エキシマー）
を形

成分分析に汎用され、そのために必要な試薬類

1-4）

も国

内外の様々なメーカーから市販されている。

成する。このエキシマーからの発光現象をエキシマー蛍光という（図1）。エキシマー蛍光は2個の蛍光分子間か

蛍光誘導体化試薬の多くは、目的物質を標識するたら生じる分子間エキシマー蛍光（図1A）と同一分子内にめの反応部位と発蛍光に関与する蛍光部位（発蛍光団）

存在する2カ所の蛍光団の間で生じる分子内エキシマーから構成されており、様々な蛍光試薬が開発されている。

蛍光（図1B）が知られており、前者が高濃度（一般に1

これらの蛍光性試薬を用いて実試料中の微量成分を分mM以上）溶液中でしか観測されないのに対し、後者はTHE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

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低濃度条件においても観測される。代表的なエキシマー
蛍光発現化合物であるピレンの場合、励起光345 nmを照射すると、モノマーからの通常蛍光は375 nm付近に蛍光極大があるが、エキシマー蛍光の極大波長は475 nm
付近へ長波長シフトする。このように、エキシマー蛍光はストークスシフトが大きいという、蛍光分析をするうえで優れた蛍光特性を有している。

図２ ピレン試薬（注） PBC : 4-(1-Pyrene)butanoyl chloride, PBH : 4-（1-Pyrene）
butanoic acid hydrazide
PBA : 4（1-Pyrene）
butylamine, PIAA : N-（1-Pyrene）
iodoacetamide
PMIAA : N-（1-Pyrenemethyl）iodoacetamide, NPM :N（1-Pyrenyl）maleimide

2.3 分子内エキシマー蛍光誘導体化法

図１ エキシマー蛍光現象（A）分子間エキシマー蛍光 （B）
分子内エキシマー蛍光

本法は、通常の蛍光誘導体化にエキシマー蛍光現象を導入することに基づくものである。分子内に2個以上の2.2 ピレン蛍光の分析学的利用

官能基を有するポリ置換基成分では、これをピレン試薬で前項で述べたように、エキシマー蛍光はストークスシフト

誘導体化することにより複数個のピレン分子が導入されるが大きいという特性を有している。エキシマー蛍光は、比（図3）。その結果、ピレン分子がエキシマーを形成し、ピ較的古くから知られている物理化学的現象であるが、そレンモノマーからの蛍光より長波長側に新たな蛍光が発の分析学的な利用は近年になってからのことである。エ現する。これがエキシマー蛍光で、この蛍光を測定するこ

キシマー蛍光の分析学的な利用として、これまでに、タンとにより過剰に加えた試薬やモノ置換成分の影響を抑え

8,9）

10）

た状態で、選択的にポリ置換基成分を分析できる。筆者

や三重らせん構らは、これに基づく生体関連化合物の簡便、高感度かつ造発現の確認12）などが報告されている。また、膜の溶解

高選択的分析法を開発し、医療研究に実用した。次のの状態を調べるために、ピレン標識された脂肪酸やリン脂

項では、生体関連物質の持つ官能基ごとに実用例を記す。

パク質間相互作用の解析

や遷移金属イオンの検出 、核酸のハイブリダイゼイションへの適用

11）

13,14）質が用いられ、
そのエキシマー蛍光が観測されている。

しかしながら、これらの手法はいずれもエキシマー蛍光とモノマー蛍光の比を測定するレシオメトリックなものである。
一方、HPLCあるいはキャピラリー電気泳動を分離手段とする様々な化合物の誘導体化分析法が開発され、その誘導体化試薬として多くのピレン試薬（図2）が利用されている15-17）。しかしながら、それらはいずれもピレンモ
ノマー蛍光を検出するものであり、エキシマー蛍光を検出に利用した誘導体化分析法は、皆無である。
図３ エキシマー蛍光誘導体化法の原理

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THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

生体成分の高選択・高感度分子内エキシマー蛍光誘導体化法の開発と医療分析への展開

グルタル酸尿症患者および健常人の尿試料から得られた

3. カルボン酸の分析

蛍光発光スペクトルを図5Aに示す。それらの尿中の総ジ
生体には多くのカルボン酸が存在しており、様々な生理カルボン酸量（アジピン酸換算）は、それぞれ10.7および的役割を担っている。その多くはモノカルボン酸（1個のカル0.38 μmol/mLであった。患者尿中の総ジカルボン酸量はボキシル基を有する）であるが、ポリカルボン酸（複数個の健常人尿の数十倍に及ぶので、反応液のスペクトル分析

カルボキシル基を有する）
も多く存在している。ポリカルボンを行うことで、有機酸尿症の簡便なマススクリーニングが酸の選択的な分析は極めて困難で、これまで有効な分析可能であった。

手段はほとんどない。筆者らは、ポリカルボン酸分析に、エキシマー蛍光誘導体化法を適用し、簡便かつ高選択的な定量法を開発した。誘導体化試薬に4-（ 1-Pyrene）
butanoic acid hydrazide（PBH）、反応の触媒に1-エチル3-（3-ジメチルアミノプロピル）
カルボジイミド（EDC）およびピリジンを用いて（図4）18,19）、以下に述べる臨床診断への適用を試みた。

図5 健常人およびII型グルタル酸尿症患者の（A）
エキシマー蛍光スペクトルおよび（B）
クロマトグラム

HPLC分析（精査診断法）：マススクリーニングにより有図４ ジカルボン酸類のエキシマー蛍光誘導体化

機酸尿症患者を抽出した後、その精査診断を行う必要があるため、HPLCを利用して各ジカルボン酸の分別定量

3.1 ジカルボン酸を行った。先程と同一の尿試料を逆相分配系HPLCで分

3.1.1 グルタル酸尿（血）症診断への適用析したところ、グルタル酸、アジピン酸、スベリン酸およびセ

ヒト尿中のジカルボン酸は、脂肪酸の代謝異常などのバシン酸が分離・検出され、いずれもnmol/mLレベルまで

有機酸尿症発症時に増加する。従って、その測定は有高感度に定量できた（図5B）。健常人およびII型グルタル機酸尿症の診断や病因の究明に利用できる。そのため、酸尿症患者のいずれの場合も、HPLC分析における4種

簡便なマススクリーニング法の検討および精査診断法のジカルボン酸濃度の積算値と蛍光スペクトル分析で算出し開発が望まれている。そこで、尿中ジカルボン酸の分析にたジカルボン酸総量の概算値は、ほぼ同程度の値であっエキシマー蛍光誘導体化法を適用し、有機酸尿症マスた。これらの結果は本誘導体化法を行うことで、蛍光スペ

スクリーニングのための蛍光スペクトル分析法（バッチ法）

クトル分析での簡便・迅速なマススクリーニングおよびHPLC

および精査診断のためのHPLC分析法を開発した。以下

分析での精査分析が可能であり、本法が有機酸尿症の20）にグルタル酸尿症診断への適用 について概説する。

診断に極めて有効であることを示している。

蛍光スペクトル分析（マススクリーニング）：尿中には種々

一方、サウジアラビアKing Faisal専門病院・研究センタのジカルボン酸類が存在している。尿試料をEDCおよびピーのAl-Dirbashiらは、エキシマー蛍光誘導体化の原理にリジンの存在下、ピレン試薬で誘導体化（図4）
し、反応液基づいてグルタル酸と3-ヒドロキシグルタル酸の同時HPLCのエキシマー蛍光強度を測定することにより、添加した試定量法を開発し、I型グルタル酸血症患者を含む多検体の薬や尿中に存在するモノカルボン酸の妨害を受けることな

乳幼児尿試料を分析した21）。5年間以上凍結保存されて

く、ジカルボン酸総量を迅速に概算することができた。II型

いた患者尿試料からも両化合物が検出・定量され、本法THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

5

がI型グルタル酸血症の遡及的診断にも利用できることが簡便かつ高選択的な分析手法の開発を行った27-29）。

示された。

4.1 ポリアミン

3.1.2 メチルマロン酸血症診断への適用

生体中のポリアミン（プトレシン、スペルミジンおよびスペル

メチルマロン酸血症は、
メチルマロン酸が体内に蓄積し、ミン）およびその誘導体は、癌などの腫瘍診断における指生命の危険に及ぶ重症のアシドーシスやケトーシスを起こ標の一つとされている。生体中にはアミノ酸のようなアミノ

す一種の遺伝性代謝異常症である。前出のAl-Dirbashi

基含有化合物が多量に存在しており、通常の分析法でポらはマロン酸を内標準物質とするメチルマロン酸のエキシ

リアミン化合物を選択的に検知することは極めて困難であマー蛍光誘導体化-HPLC定量法を検討し、ヒト尿中およる。そこで、生体ポリアミンのエキシマー蛍光誘導体化-

び乾燥ろ紙血に含まれる同酸の分析を行った

22,23）。3.2

29）
HPLC分析法を開発した（図6）。内標準物質を添加後、mm四方の乾燥ろ紙血からメタノール抽出されたメチルマ
ロン酸をエキシマー蛍光定量すると、メチルマロン酸血症
患者とプロピオン酸血症患者の血中濃度には有意な差が認められた。従来のメチルマロン酸血症の診断指標であったアシルカルニチンと異なり、メチルマロン酸自体は極めて安定性が高いので、エキシマー蛍光誘導体化法は長期間保存されている試料の遡及的分析にも十分適用できるものと期待される。
最 近 、筆 者らは誘 導 体 化 試 薬に4 -（ 1 - P y r e n e ）図6 ポリアミン類のエキシマー蛍光誘導体化

butylamine（PBA）
を用いる改良法を確立した24,25）。この改良法により、さらに多数検体のマススクリーニングが可能

水で希釈した健常人尿を二分し、一方の試料はそのまま、になった。

他方の試料は塩酸で加水分解した。無処理尿および加3.2 他のジカルボン酸

水分解尿を用いてエキシマー蛍光誘導体化し、逆相分

PBHを誘導体化試薬とするエキシマー蛍光誘導体化

配HPLC分析したときのクロマトグラムを、それぞれ図7Aお法により、酸性アミノ酸類（グルタミン酸、アスパラギン酸および図7Bに示す。前者は遊離ポリアミンを、後者は加水

26）

よびN-メチルアスパラギン酸）の分析も可能であった 。こ

分解することで検出された総ポリアミンを示す。これらの定の方法は、他のアミノ酸の妨害を受けない選択的定量法

量値は従来報告されている値と良く一致しており、本分析であり、各酸性アミノ酸の検出限界は、注入量当たり数十法の有用性が実証された。極めて簡便な前処理操作で、

fmolレベルであった。

pmol/mLレベルのポリアミンが高感度に検出された。

4. アミンの分析
アミンおよびアミノ酸関連化合物は生体中に数多く存在
し、多様な役割を果たしている。多くの生体アミンはアミノ基を1カ所のみ有するモノアミンであるが、複数のアミノ基を有す
るポリアミン類もまた生体中で極めて重要な機能を担っている。しかしながら、それらポリアミン類のみを対象とした選択的な分析は極めて困難で、従来は、試料の煩雑な前処理と高い分解能を持つ分離手段が不可欠であった。そこで、
ポリアミン分析に4-(1-Pyrene)butanoyl chloride(PBC)や4(1-Pyrene)butanoic acid N-hydroxysuccinimidyl ester（PSE）を誘導体化試薬とするエキシマー蛍光法を導入し、

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図７ 尿中ポリアミン類のクロマトグラム（A）無処理尿（遊離ポリアミン）（B）
加水分解尿（総ポリアミン）

生体成分の高選択・高感度分子内エキシマー蛍光誘導体化法の開発と医療分析への展開

またエキシマー蛍光誘導体化法の有用性に着目し、タミン誘導体は、逆相分配系HPLCにより、30分以内に単キャピラリー電気泳動による分離も行われている。カナダ

一のピークとして分離・検出された。検出限界は、注入量

Alberta大学のPaproskiらは、PSEでピレン誘導体化したあたり0.5 fmolと極めて高感度で、尿、血漿、組織中ヒス反応液をミセル導電クロマトグラフィーで分離した後、レー

タミン分析に適用できた。

ザー誘起蛍光検出することで、数nmol/L レベルのポリア

4.2.1 ヒト尿およびラット血漿、組織中ヒスタミンの定量

ミン分析を可能としている30）。

生体内のヒスタミンは、その大部分が組織の肥満細胞

一方、魚介類中のポリアミン類は腐敗に基づく悪臭のおよび血中の好塩基球に貯蔵されており、アレルギー反応

原因物質の一つであり、これまでの人の嗅覚に頼った簡易や組織傷害時に放出され、心血管系をはじめ、生体に強判定法よりも優れた定量的な分析法の開発が望まれてい力な生理活性を示す。ヒト尿や血漿中ヒスタミンの測定は、た。米国食品医薬品局（FDA）のMarksらは、エキシマー

気管支ぜんそくや過敏症など様々な疾病の臨床診断、病

蛍光誘導体化法の適用により、極めて簡便な前処理操

態解析に有意義である。筆者らは、PSEを用いたHPLC・作のみで魚介類中のプトレシンおよびカダベリンを高選択的エキシマー蛍光検出法に基づく標記の生体試料中ヒスタ31）に分析する方法を報告している 。一連の分析手順は、ミンの高感度、高選択的な分析法を開発した32,33）。

ホモジナイズした数gの魚介類試料からホウ酸とトリクロロ

ヒト尿を水で10倍希釈し、フィルター濾過という簡便な前酢酸の混合液でアミン成分を抽出し、遠心分離後、PSE処理のみでヒスタミンの測定が可能であった32）。本法で測で誘導体化、逆相HPLCで分離、エキシマー蛍光検出す

定した健 常 人（ 9 名 ）の尿 中ヒスタミン値（ 1 4 5 . 4±9 0

るというものである。同分析法により、ツナ缶や生エビ、冷

nmol/day（平均値±S.D.））は、従来法による測定値とほ凍鮭などからppmレベルのプトレシンが検出された。

ぼ同等であり、本法は尿中ヒスタミンの定量に極めて有効

4.2 ヒスタミン

であった。

ヒスタミン
（図8）は生体組織中に広く分布し、末梢におラット組織（皮膚、肺、胃、心臓および肝臓）についてはける血管透過性亢進、平滑筋収縮、胃酸分泌の三大薬

水による希釈および限外濾過、ラット血漿についてはアセトニ

理作用をはじめ、アレルギー疾患、潰瘍などの発症にケミ

トリル除タンパク操作のみという極めて簡便な前処理によりヒカルメディエーターとして作用している。また、最近になってスタミンの定量が可能であった33）。本法により得られたラット

哺乳類の脳にヒスタミン作動神経系が存在することが明ら

皮膚、肺、胃、心臓および肝臓におけるヒスタミン定量値

かになり、ヒスタミンとアルツハイマー病、ダウン症候群、ス（平均値±S.D., n=9）は、それぞれ39.0±12.5、2.69±0.69、

トレス、てんかんなどの病態との関わりについても報告がな

10.2±1.5、2.83±0.40および1.22±0.45μg/g（湿重量、n=3）

されている。また、ヒスタミンとアレルギー･神経機能のメカであり、いずれもこれまでの報告値とよく一致する 。

ニズムの解明や有効な治療薬（抗ヒスタミン薬など）の開発が進められている。

図8 ヒスタミンのエキシマー蛍光誘導体化

ヒスタミンは分子内に2個のアミノ基を有する。これに着目し、ヒスタミンのエキシマー蛍光HPLC法を開発した。

図9 ラット血漿ヒスタミンのクロマトグラム（A）通常血漿 （B）compound 48/80 処理(4,850 ng/mL) 血漿

エキシマー蛍光誘導体化試薬としてPSEを用いた。
ヒスタミン分子の第一および第二アミンは、PSEにより誘

また、ラット血漿中ヒスタミン定量値（平均値±S.D.）に導体化され、強いエキシマー蛍光を発する（図8）。ヒス

ついても雄および雌でそれぞれ38.9±7.8および23.5±15.0

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（通巻211号）

7

ng/mL（n=4）となり、これまでの報告値とよく一致した。

取された透析液が極めて微量（μLレベル）であるため、

さらに、ヒスタミンの遊離促進因子であるcompound 48/80

前・後処理が不可能である。さらに、透析液中の神経伝をラットに静脈内および皮下投与することで血漿中ヒスタ

達アミン類は超微量（ｐｇレベル）である。従って、インビボミンが顕著に増加することを確認した（図9）。

動的分析を可能にするためには、採取した試料を直接誘

4.2.2 ラット脳内微小透析液中ヒスタミンの定量導体化でき、さらに検出は超高感度、かつ特異的蛍光誘前述のように、医療分析の一つに臨床化学分析がある。

導体化が可能であることが要求される。カテコールアミンおこれは、健常あるいは病態時において、ある一時刻で尿あよびセロトニンについては、筆者らが開発した分子認識発蛍

るいは血液を採取し、その中の生体成分を測定し、その光試薬により、これらのインビボ動的分析に成功し34）、重要

質的・量的差異を求めることに基づき、疾病の診断を行うもな脳機能や神経薬理に関する新知見を見出している35）。

のである。従って、このような臨床化学分析は、インビトロ静ヒスタミンについては、エキシマー蛍光誘導体化法が極め的分析と言える。しかし、医療分析、特に生体機能を解て有効で、これを利用し次の脳内ヒスタミンのインビボ測定

析するとき、刻々と変化する生体機能を生きたままで経時法を開発し、脳機能研究に展開した36）。前述のヒスタミ的に分析（インビボ動的分析）することは極めて重要である。

ンのHPLCエキシマー蛍光検出法をmicrobore HPLCに

近年の高ストレス化、高齢化などの社会現象に伴い、適応するよう改良し、ラット脳の視床下部、前頭葉、海馬

うつ病、パーキンソン病、アルツハイマー病などの精神およおよび線条体における微小透析液中のヒスタミン測定をび神経疾患が深刻な問題となっている。これらの疾患に行った（図11）。その結果、ヒスタミンは30分以内に単一は、セロトニンやカテコールアミンの他にヒスタミンが深く関与のピークとして分離・検出され、検出限界は、注入量あたしている。これらの神経生理活性アミン類を生合成するニり0.3 fmolと極めて高感度であった。

ューロン（神経細胞）
は脳内に特定の極在を持ち、脳の各部位での多様な神経生理作用は上記の種々の精神および神経疾患と密接に関係している。従って、脳機能や精神・神経疾患研究には、脳内限局部位における神経伝達
アミン類の分子レベルでのインビボモニタリング（動態）解析
が必須である。
現在、脳内の神経伝達物質、神経修飾物質およびその代謝物のインビボモニタリングに、高感度な分析法と組み合わせた微小透析法（図10）が広く利用されている。

図11 ラット脳微小透析液のクロマトグラム

本定量操作による無処置ラットの10分毎の微小透析サ
ンプル（10 μL）中ヒスタミン定量値の平均値±S.D.（n=10）は、視床下部、前頭葉、海馬および線条体でそれぞれ
35.45±4.56，9.05±1.56，7.83±0.86および6.54±0.66
図10 微小透析法

fmolであった（図11）。また、高カリウム灌流液による脳内ヒスタミンの増加、無カルシウム灌流液およびテトロドトキシ8すなわち、実験動物脳の限局部位から微小透析法でンによる脳内ヒスタミンの減少を観測できたほか、強制水採取した神経伝達アミン類を HPLCにより分離・高感度検泳におけるストレス負荷により、ラット脳の各部位におけるヒ

出することに基づく方法である。しかし、微小透析法で採スタミン量が有意に増加することも確認できた（図12）。

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生体成分の高選択・高感度分子内エキシマー蛍光誘導体化法の開発と医療分析への展開

5. フェノールの分析
フェノール化合物は、環境や食品中に数多く存在している。その多くはモノフェノールであるが、現在ではポリフェノー
ル化合物の様々な機能が注目されている。そこでポリフェ
ノール分析にPBCを用いるエキシマー蛍光誘導体化法を導入し、簡便かつ高選択的な分析法を検討した42,43）。

図12 各種処理によるラット脳ヒスタミン量の影響（A）
高カリウム灌流液、（B）
無カルシウム灌流液、（C）
テトロドトキシン、（D）
強制水泳におけるストレス負荷
図13 ビスフェノールAのエキシマー蛍光誘導体化

脳内ヒスタミンの効果的なインビボ動的分析法が無かったため、脳内ヒスタミンとストレスとの関連を解明する研

5.1 ビスフェノールA

究は、かなり遅れている。本研究により、セロトニンやカ

外因性内分泌撹乱化学物質（環境ホルモン）の疑いがテコールアミンと同様に、ストレスによりヒスタミン量は大きく指摘されているビスフェノールAは、ポリカーボネート樹脂

変化することが分かった。これは、ストレスによる新しい神やエポキシ樹脂の原料として用いられている。そのため、

経メカニズム（例えば、ヒスタミン神経系）の存在を示唆す

各種樹脂製品からのビスフェノールAの溶出が大きな社会るものである。この事実は、今後、この新規なメカニズムに問題となっており、特に乳幼児に対する影響が懸念され基づく抗不安薬や抗うつ薬の開発に寄与すると思われる。

ている。そこで、エキシマー蛍光誘導体化HPLCによるビ

4.3 他のポリアミン

スフェノールA測定法（図13）を開発し、ほ乳びん溶出液

PSEを用いるエキシマー蛍光誘導体化法を塩基性アミ中のビスフェノールA定量を行った（図14）44）。ほ乳びん溶

ノ酸の測定に適用した。シスチン尿症や高リジン血症患

出液（100 mL）を塩酸でpH 3に調整した後、内標準物質者において尿（血）中濃度が高値を示すオルニチンおよびを加え、フェノール成分を逆相系カートリッジで固相抽出し、37）

リジンの同時分析 を行い、いずれもヒト尿1μL 中に存在

誘導体化-HPLCで分析したところ、未使用未洗浄のポリするそれら化合物を選択的に定量できた。同様の方法を、

カーボネート製ほ乳びんから極微量（pptレベル）のビスフェ38）

ヒスチジンおよびヒスタミンの同時分析にも適用した 。
さらに同誘導体化法の医薬品分析への適用について検討し、一級あるいは二級アミノ基を複数有するトリエン
38）

ノールAの溶出が確認された（図14A）。一方、同様の操作を行ったガラス製ほ乳びんからはビスフェノールAの溶出は全く見られなかった（図14B）。

39）

チン やエタンブトール の高感度・高選択的分析法の確立にも成功した。これらの定量法により、薬物投与時の血中濃度モニタリングも可能であった。
4.4 生理活性アミン類
4-（1-Pyrene）butanoyl chloride（PBC）
は、アミノ基だけ
でなくフェノール性水酸基とも反応する。つまり、同試薬を用いることで、分子内にアミノ基およびフェノール性水酸基を有する生理活性アミン類（5-ヒドロキシインドールアミン類、カテコールアミン類やその代謝物など）
も、エキシマー蛍光誘導体化分析を行うことができる40,41）。

（A）

（B）

図14
ほ乳びん溶出液中のビスフェノールAのクロマト
グラム（A) ポリカーボネート製
ほ乳びん（B）
ガラス製ほ乳びん

THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

9

5.2 他のポリフェノール

6.2 ポストカラム誘導体化法

テトラブロモビスフェノールAは、日本国内で最も多量に使

前述のプレカラム誘導体化法は、ジチオール化合物の超用されている臭素系難燃剤成分である。近年では、ヒト血液高感度分析が可能であるが、酸化型および還元型チオー

42）

中からも検出され、話題になっている 。テトラブロモビスフェ

ル化合物の分別定量には適さない。そこで、オンライン還

ノールAなどのハロゲン化ビスフェノール化合物についても、同

元・ポストカラム誘導体化・エキシマー蛍光検出法を開発し、様にエキシマー蛍光HPLC法による分析法を確立した45,46）。

酸化型・還元型チオール化合物の同時分析を可能とした。
その原理は、逆相分配系分析カラムでチオール化合物（酸6. プレカラム誘導体化法

化型・還元型）を分離した後、還元カラムで酸化型チオールを還元する。その後、還元された酸化型チオールと元々の生体内に存在するチオール化合物として、グルタチオン

還元型チオールをNPMでエキシマー蛍光誘導体化分析すやホモシステイン（生体内酸化・還元反応に関与）、オキシ

る、というものである。本システムを用いることで、前述のサトシンやバゾプレッシン（システイン含有生理活性ペプチド）、

プリメントを服用したときの血中リポ酸（酸化型・還元型）
を

リポ酸関連化合物（補酵素として機能）などが知られてい同時に定量することが可能となった（図16 ）。

る。エキシマー蛍光誘導体化によるポリチオール化合物の高選択的測定法開発を行った。N-（ 1-Pyrenemethyl）
iodoacetamide（PMIAA）やN-（1-Pyrene）iodoacetamide（PIAA）
を用いるプレカラム誘導体化法 47）およびN-（ 1Pyrenyl）maleimide（NPM）
を用いるポストカラム誘導体化
法48）を開発した。
図16
ポストカラム誘導体化法
による血中リポ酸（酸化型および還元型）のクロマト
グラム

6.1 プレカラム誘導体化法
ジチオスレイトールおよびジメルカプロールをジチオール化
合物のモデル化合物として、誘導体化反応やHPLC条件を最適化した。PIAAを用いる反応系で、fmolレベルの検出限界を達成した。この反応系に、トリブチルホスフィンに

7. まとめおよび展望

よる還元反応を組み込むことで、システイン含有ペプチドや
特定保健用食品であるリポ酸の高感度・高選択的測定が分子内エキシマー蛍光誘導体化法は、同一分子内に可能となった。図15に、リポ酸含有のサプリメントを服用し同一官能基を複数個有する生体関連物質の高選択・高た前後におけるヒト血漿中リポ酸の分析をしたクロマトグラ

感度測定に極めて有効で、特に医療分野において高い実ムを示す。サプリメント服用30分後に、ヒト血中のリポ酸レ用性を有することを示した。現在、同一分子内に異なった

ベルは服用前の約5倍となった。本法は極めて高感度で、官能基を持つ生体関連物質に適用している。例えば、ア

ヒト血漿あるいは尿10μL中のリポ酸レベルを測定することミノ基とチオール基、アミノ基とフェノール性水酸基を有するが可能である。

ペプチドやタンパク質の選択的分析で、これをプロテオーム
へと展開中である。分子内エキシマー蛍光誘導体化法の有効性をさらに拡大することにより、医療分野への展開が大いに期待される。

引用文献
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図15 プレカラム誘導体化法による血中リポ酸のクロマトグラムおよびその濃度変化

10THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

生体成分の高選択・高感度分子内エキシマー蛍光誘導体化法の開発と医療分析への展開

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22）O. Y. Al-Dirbashi, M. Jacob, M. Al-Amoudi, K. Al-Kahtani,
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45）H. Yoshida, S. Tsunetomo, T. Hayama, K. Todoroki, H. Nohta,
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23）O. Y. Al-Dirbashi, M. Jacob, Z. Al-Hassnan, R. W. Chabayta,
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46）常友盛勝，吉田秀幸，轟木堅一郎，巴山忠，能田均，黒木広明，山口政俊：分析化学, 53, 1501（2004）.

24）古賀雅子，興津暁央，山口政俊，能田均，吉田秀幸，轟木堅一郎：第68回分析化学討論会講演要旨集，188（2007）.
25）古賀雅子，興津暁央，吉田秀幸，轟木堅一郎，能田均，山口政俊：日本マス・スクリーニング学会誌, 17, 67（2007）.
26）吉田秀幸，堀田佳代子，轟木堅一郎，能田均，山口政俊：
分析化学, 52, 1113（2003）.

47）H. Yoshida, T. Inoue, H. Umemura, M. Sudo, K. Todoroki, H.
Nohta, M. Yamaguchi: Abstract of The 33 rd International
Symposium on High Performance Liquid Phase Separations
and Related Techniques, Unknown (2008).
48）井上高志，梅村弘毅，首藤麻希，吉田秀幸，轟木堅一郎，
能田均，山口政俊：日本分析化学会第 57 年会講演要旨集 ,360（2008）

THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

11

イオン液体の潤滑油用途への取り組み
Challenges to develop novel lubricants composed of Ionic Liquids
岩手大学 工学部応用化学科 准教授

南 一郎

Ichiro Minami（Associate professor）
Department of Chemical Engineering, Iwate University

表1-Ⅰは約4000年前に描かれたと推定されている古代

1．はじめに：トライボロジーの紹介

エジプトの壁画のことである。そこには重量物を運ぶ橇の「トライボロジー」とは本誌の読者には聞き慣れない術語

下に液体を注いでいる様子が見られる4）。既に4000年もかもしれない。
「トポロジー」や「トライポロジー」と間違われる前から潤滑油が摩擦を緩和することが、経験的に知られことが多い。ちなみに後者はよくある間違いのようで、インていた証拠である。当時はオリーブ油や獣脂など天然油

ターネットの検索にかけると、「もしかしてトライボロジー？」と脂が、潤滑剤として使われていたようである。19世紀中盤

尋ねてくれる。広辞苑（第6版）にも岩波理化学辞典（第5に人類が石油という便利なエネルギー源を手にした。以版）にも載っているので、この機会に是非ご承知おきいただ

後、様々な機械がつくられ、それらを効率よく動かすためきたい。そもそもの語源は"tribos"（ギリシャ語で「擦る」のに、潤滑技術がますます重要となった（表1-Ⅳ）。そして原意）で、摩擦に関わる基礎から実用までを含めた複合領

油を蒸留して工業原料や燃料を分別したあとに残る粘稠1）域として、1966年に英国で提案された新語である 。
「リン

な液体が、潤滑油として使われるようになった。この鉱油ゴの落下を見て万有引力の法則を導いたニュートンが、も（鉱物油）
は、その生産量と価格の優位性から、それまでしも床に捨てたバナナの皮で滑ったならば、トライボロジーの天然油脂に替わって潤滑剤の主流となった。その背景を発見していただろう」2）とは、洒落たジョークである。

には摩擦調整剤、摩耗防止剤、酸化防止剤といった潤摩擦に関する記述は、物理や機械工学の教科書に載っ

滑油添加剤の開発と適応がある（表1-Ⅷ）。鉱油の組成ている。科学研究費補助金では、機械工学分野の細目

は産地によって異なるので、一定品質の潤滑油を得るた

番号5003にトライボロジーがある。
「そんなものは化学とはめに合成油の研究もなされたが（表1-Ⅵ）、価格面で鉱油関係ない」などとおっしゃらずに、しばらくお付き合いいただとは勝負できずに当時はビジネスとして成り立たなかったときたい。表1に米国トライボロジー学会の会員投票によっていう5）。液体潤滑油に増稠剤を加えて練成すると、半固選ばれた「トライボロジー史上10大イベント」
をまとめた。な体状のグリースになり、これもよく機械部品の潤滑に使われんと重要事項のうち半分が化学に関係していることに筆者る。油やグリースを塗らなくてもよく滑る材料や摩耗しにくいは感動した3）。

材料があり、これを摩擦部分にコーティングした複合材料

表1 トライボロジー史上の10大イベント
Ⅰ.
Ⅱ.
Ⅲ.
Ⅳ.
Ⅴ.
Ⅵ.
Ⅶ.
Ⅷ.
Ⅸ.
Ⅹ.

12

（古代エジプト）壁画に描かれた史上初の潤滑油（古代エジプト）車輪の発明.
ルネッサンス期 摩擦の法則：レオナルド・ダ・ビンチ
1859 商業油井開業：ペンシルベニア州．
1883 流体潤滑理論：レイノルズ.
1923 合成潤滑油：フィッシャー・
トロプシュ合成．
1927 ラボ摩擦試験：ファレックス式.
1930-40 潤滑油添加剤の適応：耐摩耗剤，酸化防止剤．
1930-40 自己潤滑性材料の開発：テフロンなど.
1945 弾性流体潤滑理論.
文献 3）の記事に基づいて整理

THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）（表1-Ⅸ）は、油やグリースが使えない環境での潤滑に威力を発揮する。
機械が動作するために潤滑剤が必要不可欠で、ほとん
どの潤滑剤は基油（基材）の他に添加剤を加えて総合的な性能向上や長期の使用に適するように作られている。この潤滑剤の配合技術は、製造メーカーのノウハウであり、
まさに化学が機械文明を支えているのである。

イオン液体の潤滑油用途への取り組み

表1の流れは「物質文明の効率化」である。これに加えしい。しかもトライボロジーでは、学術文献に載る情報よりて21世紀のキーワードである「環境保護」にも、トライボロ

もはるかに多くの質の高い情報が、「社内秘」として隠されジーが貢献すること大である。すなわち、「摩擦によるエているようである。それらがプレス発表されたときに、「寝耳

ネルギーの無駄」
を減らし、「摩耗による部品の劣化」
をに水」と感じることもよくある。

防いでエネルギーと資源を有効に使う。しかしトライボロ

一口に機械と言っても、大はタンカーのエンジンから小はジーにどれほどのインパクトがあるのか、イメージがつか

ナノマシン16）まで千差万別である。それぞれ接触条件、

みにくいだろう。そこで一例を挙げると、「適正なトライボ

荷重、速度、温度、雰囲気といった条件が異なるので、ロジーによる経済効果は、先進工業国ではGDPの1%に潤滑油は個々の機械に適するように調合される。ある機

6）

相当する」
と英国教育省が試算している 。個々の摩擦械に適するように作られた潤滑剤を、他の機械に使っては部品は小さくても、マクロで見ると大変な量である。そしてならないのはこの理由による。したがって万能の潤滑油は、

化学にはもう一つ重要な役割がある。環境に調和する物

夢のような存在である。これを念頭においたうえで、学術

質を使って、適正なトライボロジーを実現することである。

文献に試験結果が記載されたイオン液体の構造をリストア

現状の潤滑油は、短期的な経済効率を優先して必ずップして、アニオンとカチオンのタイプ別に整理した（表2）。

しも環境に適した物質だけを使っているわけではない。もちろん急性毒性のない物質を配合しているが、環境保護

表2 学術文献に記載されたイオン液体のアニオンとカチオン別の件数（2001-2007）

に対する長期的なリスクは、最近になって認識され始めた。
そこで"green solvent"と呼ばれるイオン液体が、潤滑剤として注目されている。2008年前半までに発行された学術
文献を整理して本稿をまとめた。
2．潤滑剤としてのイオン液体の性質
2.1 イオン液体が解決しうる潤滑剤の現状問題
イオン液体の特徴については成書7-10）があり、本誌11-12）カチオンではイミダゾリウム誘導体が、アニオンではテトラフでも既に取り扱っているので、ここでは重複を避ける。摩ルオロボレート（BF4-）とヘキサフルオロホスフェート（PF6-）

擦すれば熱が発生する。これが原因で潤滑油が分解しが圧倒的に多い。この結果を基に「潤滑油として適するたり蒸発したりする。潤滑油の分解は、潤滑油の性能低

化学構造は、イミダゾリウム誘導体のBF4-かPF6-である」と下をもたらして機械が故障する原因となる。潤滑油が蒸気判断するのは危険である。実際のところは入手が容易なとして大気中に散逸すると、環境汚染を引き起こす。エン組み合わせであると、筆者は理解している。

ジンオイルでは、約半分が蒸発して損失するとの調査結果

アルキル鎖長を変えたイミダゾリウム誘導体は、比較的がある13）。これらの問題点を解決するには、イオン液体の容易に入手できる。筆者らは、これをモデルカチオンとして利用がまさにうってつけのようである。また、真空のように既分子構造と摩擦低減能を比較した17-18）。図1に示したよう存の潤滑油が使えない特殊条件下での利用も期待されてに、アルキル基の炭素数が増加するとともに、潤滑油としている。室温でのイオン液体のラボ摩擦試験の結果が発表さの性能は向上する。これは長いアルキル基が、摩擦面同れたのは2001年であるが14）、LiF+BeF2+UF4を500℃以上に士の直接接触を緩和すると説明した、Bowden-Tabor型

加熱した混合溶融塩を原子力発電用タービン軸受潤滑剤

境界潤滑モデル19）に当てはまる（図2）。アニオンの選択はとして試験した例は、40年以上前に発表されている15）。す重要である。BF4-とPF6-に比べて、疎水性のビス（トリフル

なわち、溶融塩による潤滑の着想自体は古くからある。

オロメタンスルホニル）
アミド（（CF3SO2）2N-）やトリス（ペンタ

2.2 潤滑剤としてのイオン液体の例

フルオロエチル）
トリフルオロホスフェート（（C2F5）3F3P-）は、

イオン液体の研究成果を扱った文献は、毎日のように発優れた摩擦・摩耗低減能を示す18,20）。BF4-やPF6-の誘導

行されている。このようなホットな分野で、限られた期間内

体は、摩擦条件次第で金属部品を腐食するので、要注に「どこまで最新の文献をカバーするか」を判断するのは難意である21）。

THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

13

は、数GPaに及ぶ高圧が生じるので高圧反応場となりうる。
摩擦材料に機械的ストレスを与えると、電子を放射することがあり、これは電気化学反応場を与える。以上は摩擦が起こす二次的な因子が起源である。さらに機械的なせん断応力が、直接分子内の結合を切断することもある23）。
実際の摩擦面では、これらの因子が複雑に絡んで反応が進行するので、解析は難しいが、現象としてはメカノケミカ
ル反応として古くから知られている24-25）。
潤滑油の成分が、摩擦面と反応して薄い保護膜を形成
図1 イオン液体の分子構造とトライボロジー特性の関係することで摩擦や摩耗を抑えることが知られている26）。
これは、潤滑油によるin situの表面改質である。摩擦面を化学分析
すれば、有効な薄膜の構造が推定できるだろう。しかしこのような薄膜は、生成量が少ないので検出自体が難しい。

図2 吸着分子によるトライボロジー特性向上の機構 19）

イオン液体の純度にも注意を払うほうがよい。科学研究
費特定領域の共通試料として提供された高純度のイオン
液体は、良好な摩擦・摩耗低減を示した。特に添加剤の効果で顕著な差が見られた（図3：指数の値が低いほうが

図4 摩擦試験片のXPSスペクトル

摩擦と摩耗も低い）22）しかし市販試薬に含まれる不純物のうち、何がどのように悪影響しているかは未解明である。
［（C2H5）2N（CH3）（C2H2OCH3）］+BF4-または［（C2H5）2
N（CH3）（C2H2OCH3）］+［（CF3SO2）2N］-をスチール製試
験片に塗布して摩擦試験を行ったあとに、X線光電子分光法（XPSまたはESCA）で分析した（図4）。そのスペクト
ルから、試料油とは異なるフッ素化合物が生成していることがわかる。結合エネルギー684eV付近に見られるシグナ
ルは、金属フッ化物に相当する。同じ試験片を飛行時間
型二次イオン質量分析法（TOF-SIMS）で分析して得た化学マッピングを図5に示した。BF4-塩では摩擦面内部に質量電荷比（m/z）75のフラグメントイオンが観察され、これはフッ化鉄であると帰属した。さらにm/z 11のフラグメントイオ
図3 試料の純度と添加剤効果の関係

ンから、摩擦面にホウ素が存在していることも示された。これらのフラグメントイオンは、摩擦面外ではほとんど検出され

142.3 イオン液体のトライボ化学反応なかった。XPSとTOF-SIMSの結果をあわせると、BF4-が「トライボ化学反応」とは、摩擦面で進行する化学反応

摩擦材料の主成分である鉄と反応することがわかった。

である。この反応のドライビングフォースには、摩擦熱だけ

フッ化鉄は摩擦面を保護する役割を示すが、条件次第ででなく次のようなものがある。固体同士が接触する部分ではルイス酸触媒として潤滑油の分解を促進することもある。

THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

イオン液体の潤滑油用途への取り組み

酸素圧力が453 kPaまで低下するまでの酸化誘導期間を求めるものである。熱分析と比べて潤滑油の使用環境に近い評価法で、酸化誘導期間が長いほうが安定性に優れる。現行の高温用とされる合成炭化水素や合成エステ
ルと比べてイオン液体の優れた熱酸化安定性が示された（図6）。イミダゾリウム環のアルキル基が長くなると酸化安定性が劣るのは、他の試験法（JIS K2540：石油製品-潤
図5 摩擦面の化学マッピング（TOF-SIMS）

滑油-熱安定度試験方法など）でも見られた。図1に示したように、摩擦・摩耗低減能は長鎖アルキル基のほうが有［（CF3SO2）2N］-塩で試験した摩耗痕の光学顕微鏡写利なので、実用に供するには分子構造を一工夫する必要

真を見ると、接触面圧の高い摩擦の中心部分（Inner area）がある。ここではデータを示していないが、水はイオン液体と接触面圧の低い周辺部分（Border area）では摩耗痕のの熱酸化安定性を損なう。疎水性アニオンは安定性と摩状態が異なる。これらの領域と摩擦面外を含む化学マッ

擦・摩耗低減能の両方で好ましい結果を与えた。

ピングを見ると、接触面圧の低い領域ではm/z 43のフラグ
メントイオンが、接触面圧の高い領域ではm/z 75のフラグメ
ントイオンが強い強度で検出された。前者はC2F-に相当す
る有機フッ化物に特徴的なフラグメントイオンである。接触
面圧の高い領域で見られたm/z 32のフラグメントイオンは、［（CF3SO2）2N］-に由来するイオウであると帰属した。接触
面圧の低い領域で観察されたm/z 43のフラグメントイオン
は、金属面に吸着した［（CF3SO2）2N］-か、分解したとしてもC-F結合を保っているので、金属フッ化物に至る中間体であろう。以上の結果から、トライボ化学反応によりアニオ

図6 熱・酸化安定性試験結果（回転ボンベ式試験)

ンが摩擦面と反応することが示された。これと同時にカチオン部分も何らかの反応を受けているはずであるが、XPS

3．まとめ：イオン液体潤滑油の実用化に向けた課題とTOF-SIMSでは、カチオンに由来する生成物の明確なシ
グナルは観察されなかった。その理由として、①カチオン部

実用が推定できるラボ試験として、宇宙など高真空下分が分解しても生成物が摩擦面上に存在しない、あるいでの評価 28-29）や磁気記憶装置などのマイクロマシンを想は、②カチオン部分に由来する生成物が摩擦面上に存在定した評価 30）などが、最近になって報告されるようになっしても、表面分析の検出感度以下である、ことが考えられた。基礎的な評価からもう一歩踏み込んだフェーズである。

る。現段階では、「カチオン部分がトライボ化学反応を受ある試算によれば、可能なイオン液体は100万種類に達けないと」断言するだけの証拠はない。

するという31）。表2に挙げたイオン液体は、アルキル基のバ

2.4 イオン液体の熱分解

リエーションを含めてせいぜい100件くらいだろう。1万倍

イオン液体が熱安定性に優れることは周知である。しかの未解明物質の中から、夢のような潤滑油が見つかるとし公表されたデータのほとんどは、熱分析で純物質を少筆者は信じている。と言っても、闇雲に合成して試験をす量使った測定結果である。潤滑油には長期にわたって安るような時代ではない。
「デザインできる流体」のメリットを定した摩擦・摩耗低減能を示すことが要求される。そこで活かして、当面の検討課題を挙げる。

潤滑油の高温酸化安定性試験のひとつである、回転ボン

3.1 ハロゲンを含まない疎水性アニオンの開発

ベ式酸化試験（RBOT、JIS K2514）でイオン液体を評価
27）

フッ素原子を多く含むアニオンは疎水性に優れるが、厳した 。この試験は、試料（50 g）、水（5 g）、銅線（52 g）

しい摩擦条件ではハロゲンが金属部品の腐食摩耗を促を入れたオートクレーブに酸素を620 kPa導入し、150℃で進することが多い。環境保護の観点からも潤滑油の非ハTHE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

15

ロゲン化が進められているので、実用化にあたって最重
要課題と位置づけてよいだろう。現状ではカチオンに比べてバリエーションが少ないアニオンをどれほど開発できる
かがキーポイントである。
3.2 カチオンの複合化
既存の合成潤滑油分子構造内に、イオン性官能基を導入するなどの相乗効果をねらった複合化は大いに期待される。設計思想を持って、合成化学者がわくわくするような分子構造が続々と提案されることを期待する。
3.3 材料との適合性
本稿で紹介したラボ試験は、スチール材料に対するイオ
ン液体の摩擦・摩耗低減能が主である。摩擦部品に使わ

7）北爪智哉、淵上寿雄、沢田英夫、伊藤敏幸：「イオン液体−常識を覆す不思議な塩−」、コロナ社、東京（2005）.
8）大野幸弘監修：「イオン液体II−驚異的な進歩と多彩な近未来−」、シーエムシー出版、東京（2005）.
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Academic & Professional, London, 1997.

れる材料には、この他の合金、セラミックス、高分子材料

14）C.Ye, W.Liu, Y.Chen, L.Yu: Chemical Communications, 22442245（2001）.

やコーティングなどの複合材料等もある。これらの適合性を）,263-274（1961）.
15）P.G.Smith: ASLE Transactions, 4（2）評価した結果を、学会などで見かけるようになった。摩擦16）化学同人編集部編「最新分子マシン」、化学同人、京都、2008.

条件も含めると組み合わせは無限なので、とりあえず何をやっても新規データとなる。当面はデータを蓄積し、その過程で規則性を見つけることが次への飛躍につながるだろう。

謝辞
トライボロジーを紹介する機会を与えていただいた本誌
編集部に感謝申し上げる。これを機にトライボロジー村の小数部族である化学者の仲間が増えることを期待する。
本稿で紹介した筆者らの研究成果は、文部科学省科学研究費補助金特定領域研究「イオン液体の科学」による成果の一部である。

17）H.Kamimura, T.Chiba, N.Watanabe, T.Kubo, I.Minami,）40-43（2006）.
S.Mori: Tribology Online 1（2）18）H.Kamimura, T.Kubo, I.Minami, S.Mori: Tribology
International 40, 620-625（2007）.
19）F. P. Bowden, D. Tabor: "Mechanism of boundary lubrication"in "The Friction and Lubrication of Solids," 200-227, Oxford
University Press, Oxford, 2001.
20）I.Minami, M.Kita, T.Kubo, H.Nanao, S.Mori: Tribology）, 215-223（2008）.
Letters, 30（3）21）A.E. Jimenez, M.D. Bermudez, P. Iglesias, F.J. Carrion, G.
Martinez-Nicolas: Wear, 260, 766-782（2006）.
22）I.Minami, N.Watanabe, H.Nanao, S.Mori, K.Fukumoto:
Journal of Synthetic Lubrication, 25（2）,45-55（2008）.
）,508-511（1977）.
23）福冨兀：潤滑、22（8）24）久保輝一郎：「有機物のメカノケミストリー」、総合技術出版、東京（1986）.

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and Bio-Based Lubricants" Edited by L.R.Rudnick, pp.3-36,
CRC Press, Boca Taton, 2006.
6）H.P.Jost: Tribology & Lubrication Technology, 62（March）,
24-28（2006）.

16

THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

25）久保輝一郎：「無機物のメカノケミストリー」、総合技術出版、東京（1987）.
26）F. P. Bowden, D. Tabor: "Action of extreme pressure
lubricants" in "The Friction and Lubrication of Solids," 228246, Oxford University Press, Oxford, 2001.
27）I.Minami, H.Kamimura, S.Mori: Journal of Synthetic）, 135-147（2007）.
Lubrication, 24（3））, 630-635
28）鈴木峰男、小原新吾、野木高：表面技術、57（9）（2006）.
（3））30729）A.Suzuki, Y.Shinka, M.Masuko: Tribology Letters, 24（
313（2007）.
）, 211-218（2008）.
30）H.Kondo: Tribology Letters, 31（3）31）N.Canter: Tribology & Lubrication Technology, 61（September）, 15-17（2005）.

000000000

四級ホスホニウム型イオン液体の最近の研究開発動向
Recent Trends in Research and Development of Quaternary Phosphonium Ionic Liquids
日本化学工業株式会社 有機事業本部 有機研究部

綱島 克彦

KATSUHIKO TSUNASHIMA
日本化学工業株式会社 有機事業本部 有機研究部

杉矢正

MASASHI SUGIYA
Organic Chemicals R&D Department, Organic Chemicals Division,
Nippon Chemical Industrial Co., Ltd.

1．はじめにアニオンとカチオンのみから構成される イオン液体（常温溶融塩）は、特殊な溶解性、高いイオン密度、難
揮発性、難燃性のような分子性液体には見られない特

図１ 四級ホスホニウム塩の構造異な物理化学特性を有する新しい液体材料である。その応用展開は、有機合成反応や抽出分離プロセスの溶

我々も四級ホスホニウム系に興味を抱き、イオン液体を媒、種々の電気化学デバイスの電解質、潤滑油、高分形成するカチオン構造の探索を行ってきた。その結果、

1-3）

。現在

既存の四級ホスホニウム型イオン液体よりも小さなサイズののところ、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、四級アンモカチオンを設計し、低粘性を示す四級ホスホニウム型イオ

ニウム塩などの窒素系カチオン誘導体がイオン液体の主ン液体を得ることに成功している13,14）。また、種々の検討流となっている。

により四級ホスホニウム型イオン液体の物理化学的データ

子添加剤などのように多岐の分野に渡っている

一方、四級アンモニウム塩のりん・アナログとして、四級が蓄積され、窒素系イオン液体とは異なる特性が明らか

ホスホニウム塩が存在する（図1）4）。四級ホスホニウム塩になってきた。本稿では、我々が得た知見を交えながら、が四級アンモニウム塩と同様にイオン液体を形成すること

脂肪族四級ホスホニウムカチオンを有するイオン液体の特5,6）徴と応用事例を紹介し、その研究開発動向を概説する。

は、イオン液体研究の黎明期から既に認知されていた。

しかしながら、窒素系イオン液体に比べると四級ホスホ
ニウム型イオン液体の情報は極端に少なく、2003年にカ2．代表的な四級ホスホニウム型イオン液体

ナダのRobertsonらにより報告されたトリヘキシル（テトラデシル）
ホスホニウムカチオン（C6H13）3C14H29P+ を有するイ

代表的な四級ホスホニウム型イオン液体とその物性を表１

オン液体が登場するまで、体系的な研究は見られなかっに列挙する。これまでに、トリメチルホスフィン（CH3）3P、トリた 7）。この種のイオン液体は主として欧米において拡販

エチルホスフィン（C2H5）3P、トリブチルホスフィン（C4H9）3P、され、四級ホスホニウム型イオン液体の認知度の向上に

トリヘキシルホスフィン（C6H13）3Pのような３級ホスフィン化合大きく貢献した。さらに最近では日本国内においても、物から誘導されるホスホニウムカチオンと種々のアニオンと大野らによるアミノ酸誘導体アニオンを有するホスホニウの組み合わせによって、バラエティに富む四級ホスホニウム

ムイオン液体や8-10）、伊藤らによるアルコキシ基置換型ホ型イオン液体が報告されている。これらのイオン液体は、３スホニウムイオン液体のように

11,12）、ユニークな構造を有する新しいイオン液体が次々と創製されている。

級ホスフィン化合物とアルキルハライドとの求核反応によって四級ホスホニウムハライドを得たのち、所望のアニオンに交換することによって合成される（スキーム1）7）。

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表１ 代表的な四級ホスホニウム型イオン液体の物理化学特性ているが、逆に粘度はやや増加する傾向があるようである。
カチオンサイズが小さすぎると静電的相互作用の寄与が大きくなり、その結果として粘度増加を招くのかもしれない。
また、更なる低粘度化の試みとしてホスホニウムカチオ
ンの側鎖にメトキシ基を導入したところ、著しく低い粘度を示すイオン液体を得ることに成功した（P 222（1O1）-TFSI,P222（2O1）-TFSI）13）。伊藤らも、トリブチルホスフィンから誘導されるホスホニウムカチオンにメトキシ基を導入し、低い粘度を示すイオン液体を合成している（P444（2O1）-TFSI）11,12）。
アルコキシ基の導入による低粘度化の効果については四級アンモニウム型イオン液体系ではよく知られており、アルコキシ基の電子供与によりカチオン電荷が弱められて低粘性を発現すると解釈されている。メトキシ基置換型ホスホ
ニウムイオン液体の場合においても、同様の効果で低粘性が発現しているものと考えられる。イオン液体の低粘度化は多くの応用分野で主要な課題の一つであり、これらの低粘性型ホスホニウムイオン液体は重要な役割を演じるもスキーム1 四級ホスホニウム型イオン液体の合成ルート

一般的に四級アンモニウム塩型イオン液体は、カチオンのと期待される。

3．有機合成反応溶媒への応用

構造の対称性が下がると融点が低下することが知られているが、四級ホスホニウム塩についても同様であり、非対長鎖アルキル基を有する四級ホスホニウム型イオン液体

称な構造を有するカチオンの場合に融点が低下してイオンは、疎水性が高く、有機化合物の溶解性が高いという特液体を形成する。特に、P4448カチオンおよびP666（14）カチオ徴を有するため、有機合成反応の溶媒としてしばしば検ンは、低融点のイオン液体を形成する傾向がある。これら

討されてきた。これまでに、Heck反応17,18）、Suzukiクロスのカチオンの場合、テトラフルオロボレート、ヘキサフルオロ

カップリング19）、ヒドロホルミル化（Rh触媒）20）、Diels-

ホスフェート、トリフレート、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）

A l d e r 反 応 2 1 ）、カルボニル化 合 物の還 元 反 応 2 2 , 2 3 ）、イミド
（TFSI）などのような種々のアニオンとの組み合わせがMichael付加反応24）、種々の求核置換反応25）、エステル

可能であり、アニオンの選択肢が多いことが一つの特徴で化26）、ニトロ化27）、アルドール反応28）などの報告例がある。

ある。

また伊藤らは、アルコキシ基置換型ホスホニウムイオン液

しかしながら、トリブチルホスフィンやトリヘキシルホスフィン体がリパーゼ触媒によるエステル交換反応の溶媒としてもから誘導されるサイズが大きいホスホニウムカチオンの場効果的であることを見出している（スキーム2）12）。これら

合、van der Waals相互作用の寄与が大きく、得られるイオの報告では反応基質や触媒がホスホニウムカチオンと何ン液体は高い粘度を示す傾向がある。そこで我々は、トリ

らかの相互作用を持つことが示唆されており、窒素系イ

エチルホスフィンから誘導される小さいサイズのホスホニウム

オン液体では見られない特殊性として興味深い。

カチオンと、低融点と低粘性を与えることで知られている
TFSIアニオンとの組み合わせによって、低い粘度を示す四級ホスホニウム型イオン液体が得られることを見出した13）。
また、粘度と導電率には相関があり、粘度低下に伴って導電率が高くなる傾向も見られた。さらに小さなホスホニウム
カチオンを有するイオン液体として、P1116-TFSIが報告され

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THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

スキーム2 四級ホスホニウム型イオン液体
中でのリパーゼ触媒反応

四級ホスホニウム型イオン液体の最近の研究開発動向

特筆すべき報告例は、Grignard反応の溶媒への応用

かった。これまでに、種々のレドックス対のボルタンメトリーである。まずClybruneらは、P666（14）カチオンを有するイオン

測定 30）、電気二重層キャパシタ電解質 31）、色素増感型

液体中でのフェニルマグネシウムブロミドとベンズアルデヒド

太陽電池電解質32,33）、ポリピロールの電解酸化重合34）にとの反応を調査した（スキーム3）29）。窒素系イオン液体

関する報告例が見られるが、殆どの場合、有機溶媒の添の場合、酸性部位がGrignard試薬のような強塩基性試薬

加によって粘度を低下させて導電性を確保する方法がとらの攻撃を受けるために反応溶媒としては不適であると言われている。

れているが、当ホスホニウムイオン液体中ではGrignard試

この問題点を解決するために、表１に示したように、薬の寿命が延び、反応溶媒として使用できることが確認さ

我々はカチオンサイズを小さくして低粘性かつ高導電性をれている。また伊藤らは、Grignard試薬がエーテル溶媒中有する四級ホスホニウム型イオン液体を開発した13）。これで安定化されることに着目してアルコキシ基置換型ホスホ

らの四級ホスホニウム型イオン液体の物性を対応する四ニウムイオン液体を設計し、この反応系に適用してさらに級アンモニウム型イオン液体のそれと比較検討したところ、11）

発展させている 。

より低粘性かつ高導電性を示すことが判明している13）。また、ボルタンメトリー法によって電位窓を評価したところ、四級アンモニウム型イオン液体と同等の高い電気化学的安定性を有することも確認された（図2）13,14）。これらの低粘スキーム3 四級ホスホニウム型イオン液体中でのGrignard反応性ホスホニウム型イオン液体の特性が明らかになったことによって、種々の電気化学系の電解液への適用性がさらに広がったと考えられる。

Grignard反応に使用できるということは、四級ホスホニ
ウム型イオン液体が高い耐塩基性を有することを意味している。Clybruneらの解釈によれば、長鎖アルキル基による立体的影響が、カチオン中心に対するGrignard試薬の攻撃を抑制する効果に起因すると説明されている29）。
我々のプロトンNMRによる調査でも、ホスホニウムカチオ
ン中心に隣接する水素原子の電子密度が対応するアン
モニウムカチオンのそれに比べて高まっている（すなわち水素原子の酸性度が低下している）
ことが判明しており、ホスホニウムカチオンの耐塩基性を支持している13）。
以上のように、四級ホスホニウム型イオン液体は、窒素系イオン液体とは異なる反応場を提供するメディアとし

図2 四級ホスホニウム型イオン液体の電位窓て興味深い。本稿で紹介した報告例以外にも、四級ホスホニウム型イオン液体を溶媒とする特異かつ有用な有機合成反応系が見出される可能性は高いといえる。

そこで我々は、ホスホニウム系では事例が見られなかったリチウム電池電解質への応用を試みた35,36）。図3に示すように、コバルト酸リチウムを正極、金属リチウムを負極とするリチウム二次電池の電解質として低粘性型ホスホニ

4．電気化学デバイスの電解質への応用

ウムイオン液体（P222（2O1）-TFSI）を用いたところ、良好な放電容量およびサイクル特性を示すことが確認された36）。ま

旧知の四級ホスホニウム型イオン液体はカチオンサイズ

た功刀らは、低粘性型ホスホニウムイオン液体（P2225-TFSI）

が大きいために高い粘度を示し、それに伴って導電性がを色素増感型太陽電池電解質に適用し、対応する四級著しく低下する傾向がある。この特徴のため、四級ホス

アンモニウム型イオン液体系を上回る光電変換特性を示

ホニウム型イオン液体を電解質として使用する試みは少なすことを報告している37）。

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（通巻211号）

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図3 四級ホスホニウム型イオン液体を電解質として用いたリチウム二次電池の充放電特性

現在のところ低粘性型ホスホニウムイオン液体の電解質への応用の端緒が開けた段階であるが、種々の窒素系
イオン液体と同様に、電気化学デバイスに使用されるイオ
ン液体電解質の候補となりうることが明らかとなった。四級
ホスホニウム型イオン液体の電気化学的応用は、今後更なる発展が期待される。

5．熱安定性
イオン液体の熱安定性は、応用分野を問わず、耐久性や安全性の観点からみて最も重要な特性の一つである。
四級ホスホニウム塩が熱安定性に優れることは古くから知られており、また四級ホスホニウム塩は難燃剤として使用されることもあることから、四級ホスホニウム型イオン液体の熱分解挙動には大きな関心が寄せられるところである。

図4 四級ホスホニウム型イオン液体（実線）と対応する四級アンモニウム型イオ
ン液体（点線）の熱重量減少曲線

図4は、四級ホスホニウム型イオン液体の熱分解曲線を、対応するアンモニウム塩のそれと比較した結果である13）。

動を示すことは明らかである。これに関して、澤田らの報

これらの曲線形状から明らかなように、四級ホスホニウム型

告によれば、四級ホスホニウム型イオン液体を含有するシ

イオン液体の熱重量減少は、対応する四級アンモニウム型

リカのナノ粒子は800℃まで加熱されても重量減少を示さ

イオン液体のそれよりも緩やかな傾向があり、ホスホニウム

ず、何らかの状態で有機成分がシリカナノ粒子中に保持カチオンによる熱安定性向上の効果が現れている。また、されるという現象が観測されている38-40）。これは、四級ホ高温下で少量の不揮発性残渣が見られることも、四級ホスホニウム型イオン液体および/またはその熱分解生成物

スホニウム型イオン液体の特徴である。このような熱安定性が関与している現象であると推測されるだけでなく、四級向上の効果は、大野らによって報告されたアミノ酸アニオン

ホスホニウム型イオン液体による材料への耐熱性付与とい

8）型ホスホニウムイオン液体においても観測されている 。

う観点からも興味を惹く知見である。

現時点では、四級ホスホニウム型イオン液体の詳細な熱分解機構については推測の域を脱し得ないが、熱分解

5．おわりに曲線から考えるとホスホニウム系の場合には難揮発性の20

含りん化学種が生成している可能性があり、四級ホスホニ

本稿では、代表的な四級ホスホニウム型イオン液体のウム型イオン液体が窒素系イオン液体とは異なる熱分解挙

物理化学特性について解説し、窒素系イオン液体との相THE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
（通巻211号）

四級ホスホニウム型イオン液体の最近の研究開発動向

違点を記述しながら、有機合成反応溶媒や電気化学デ
バイスの電解質に関する報告事例を紹介した。そのほか

19）J. McNulty, A. Capretta, J. Wilson, J. Dyck, G. Adjabeng and
A. Robertson, Chem. Commun., 1986（2002）.

にも、高分子可塑剤41）、帯電防止性能42）、潤滑特性43）、

20）N. Karodia, S. Guise, C. Newlands and J. -A. Andersen, Chem.
Commun., 2341（1998）.

抗菌活性42, 44）などの特性や応用が報告されており、これ

21）P. Ludley and N. Karodia, Tenrahedron Lett., 42, 2011（2001）.

らの方面についても今後の進展が期待される。とはいえ、

22）C. Comyns, N. Karodia, S. Zeler and J. -A. Andersen, Catal.
Lett., 67, 113（2000）.

窒素系イオン液体に比べると四級ホスホニウム型イオン液体を取り扱った研究例は未だ少ない。それゆえに、四級
ホスホニウム型イオン液体およびその応用には開拓の余地が広がっており、ホスホニウム系ならではの新しい応用系が見出される可能性は十分に高いと考えられる。

23）T. Ramnial, N. K. Hauser and J. A. C. Clyburne, Aust. J.
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（通巻211号）

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宇宙：近未来のヒト生活環境と微生物（１）Space: living environment for human and fungi in near future (1)─真菌から見た宇宙におけるヒト生活環境─

ウォストークからミールまで

─History of fungal burden on board Vostok rocket to Mir space station─
帝京大学大学院医学研究科・医学部 医真菌研究センター/ゲノム解析リサーチ・センター 分子生物学・遺伝子診断部門

槇村 浩一

KOICHI MAKIMURA, M.D.,Ph.D.(Associate Professor and Manager)
Department of Molecular Biology and Gene Diagnosis,Institute of Medical Mycology and Genome Research Center,
Graduate School of Medicice and Faculty of Medicine,Teikyo University

1．はじめにを我が国の技術によって守るため、過去の有人宇宙計画
における真菌叢とその影響を概観しておきたい。

独自の有人宇宙ロケットや宇宙ステーションを持たない
日本に住む大部分のヒトにとって、宇宙は永らくSFの世界

2．宇宙におけるヒト生活環境とその変遷に過ぎなかった。しかし、2008年の春、我が国の実験モ
ジュール：「きぼう」が国際宇宙ステーション（International

定義にもよるが、地上100km（程度）を超える高空が宇Space Station; ISS）に設置されたことによって、事態は一宙と呼ばれている。従って、この高さを飛んだ弾道飛行等変した。良くも悪しくも宇宙ショーの観客に過ぎなかった立も理屈では宇宙飛行だが、これについて（真菌発育の時

場から、日本が一気に有人宇宙計画の当事者となったこ

間的余裕がないので）本稿では論じない。

とを意味するからである。ISSは国際共同施設であり、「き

2.1 宇宙におけるヒト生活環境とはぼう」
も固有の「領土」というわけではないけれども、いわばアメリカ航空宇宙局（NASA）
は2025年、我が国の宇宙

地球外初の我が国の施設であることは間違いない。また、航空研究開発機構（JAXA）
は2030年に月面基地の建設

そこにヒトがいる限り、宇宙にあっても常在菌として、あるいを予定しており、惑星探査（火星）も宇宙開発の視野に入は環境菌としての真菌との関係を断ち切ることは出来なっているが、当面の「宇宙におけるヒト生活環境」
は、宇宙い。これら真菌叢が、宇宙におけるヒト生活環境において船または宇宙ステーション内の与圧部環境に限られる。ス

機器と宇宙飛行士（乗員）の健全性に影響を及ぼす事例

ペースシャトル（STS）は高度160-640km、ISSは高度400kmが報告されている。そこで、我が国の施設と乗員の安全程度の軌道を周回している。その外界は10-5Paの真空に曝

表 有人宇宙飛行計画とその推移
有人宇宙船：
米国；

1 アトラス、2 タイタン、
3 サターン、4 スペースシャトル

ソ連・ロシア； 1 ウォストーク、2 ウォスホート、
3 ソユーズ、4 ソユーズT、
5 ソユーズTM、6 ソユーズTMA
中国；

1 神舟

有人宇宙ステーション：
米国；

A スカイラブ

ソ連・ロシア； A-G サリュート1-7、H ミール
国際共同；

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A 国際宇宙ステーション

宇宙：近未来のヒト生活環境と微生物（１）される微少重力（10-6〜10-4ｇ）
であるが、ヒトの生活環境で宇宙船による有人宇宙飛行は、1961年4月12日 旧ソある与圧部は、地上同様の気圧、酸素分圧と快適な温度

ビエト連邦共和国（ソ連）のウォストーク・ロケット（図１）に乗（18.3〜26.7℃）
・湿度（25〜70％）が保たれている１,２）ため、り込んだY.ガガーリンによって初めて成し遂げられた。ウォ

微少重力であることを除けば「通常」の生活が可能である。

ストーク宇宙船は小さな一人乗りの宇宙船であり、そのカ

2.2 有人宇宙計画の歴史

プセルは今も見ることができる（図２）。これが現在、最も信現在までに行われた有人宇宙飛行計画３,４）を年次にわたって国別にまとめた（表）。

頼性が高いロケット・宇宙船として活躍しているソユーズ（少なくとも1980年以降、重大事故の発生がない）の原型である。この有人飛行に引き続き、ソ連・ロシアは今日まで絶えることなく有人飛行を続けている。一方、アメリカ合衆
国（米国）はソ連に遅れること10ヶ月、アトラス・ロケットによるマーキュリー計画で初めて有人軌道飛行を行った。その後、米国はサターン・ロケットによるアポロ計画で人類初の月面到達を成し遂げ、1981年からは再利用型有人宇宙船であるスペースシャトルを運用している。
宇宙船は従来型にしても再利用型にしても、ミッションはせいぜい2週間程度と比較的短期間で終結するため、常在または環境微生物による影響を受けるには時間的に短すぎる。しかし、宇宙ステーションであれば、「宇宙におけるヒト生活環境」
において真菌を始めとする微生物が発育するのに充分な時間が与えられる。
米国独自の宇宙ステーションとしては、1973年から翌年にかけて行われたスカイラブ計画が唯一であるが、ソ連・ロシアはミール・宇宙ステーションがISSへ役割を引き継ぐまで延々と宇宙ステーションを維持してきた。これから見ても、ロシアには有人宇宙開発に関わる相当な科学技術とノウ

図１ ウォストーク ロケット （カルーガ、ロシア）

ハウの蓄積があるものと考えられるが、宇宙計画関連の情報は公開される部分が少ない上に、ロシア人研究者の多くの論文がロシア語で記載されている５-７）のも我々にとっては障壁となっている。

3．国際宇宙ステーション以前の有人宇宙環境と真菌叢
従来有人宇宙船や宇宙ステーションには、特に選抜された少数の心身強健なヒトのみが宇宙飛行士として搭乗を許されてきた。しかしながら、国際宇宙ステーションの建設が始まるまで、宇宙における機器や乗員が真菌などの微生物によって影響を受けてきた事実はあまり報道されていなかった。
一般にストレス負荷時に、個体の免疫力が低下する現
図２ ウォストーク5号 宇宙船カプセル（カルーガ、ロシア）
奥に見える座席と比較すると、その居住空間を推し量ることができる。

象が知られており、宇宙空間滞在時の心身におけるストレスに対しても乗員の免疫力にも同様の変化が起きる事がTHE CHEMICAL TIMES 2009 No.1
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想像できる。そのうえ宇宙放射線にさらされる乗員の免疫明らかとなっている10-13）。このうち、主要環境真菌は、スカ力は、少なくとも軽度の抑制状態にあると考えられる。このイラブ同 様 A s p e rg i l l u s 属やPe n i c i l l i u m 属ならびにような乗員に対して、常在または環境中の微生物は様々

Cladosporium属をはじめとした糸状菌であった（図４）。こな影響を与える。

れらの菌叢は、我々が生活している都市空間の環境菌叢

特に宇宙ステーションでは、長期にわたって船体が宇宙にきわめて類似している。ステーション本体や各種機器、環境に置かれるため、船内の清掃に限界がある上、乗員さらには宇宙飛行士に至るまで、都市的環境から宇宙への滞在期間も長い（通常月単位、飛行一回当たりの最長と送り出されているのだから、当然の帰結であろう。環境真

１,２）

滞在記録は437日17時間58分）。そのため、環境真菌による微生物災害として、ミール・宇宙ステーションの生命

菌・常在真菌共に「宇宙におけるヒト生活環境」
において維持装置をはじめとした主要機器が頻繁に障害を受けて充分増殖の機会がある。従って今後考えられるより長期のいた14）事を考えあわせると、「宇宙におけるヒト生活環境」

ミッションを踏まえて必要とされる微生物管理上の情報はにおける微生物叢対策は焦眉の急と言えよう。

多い。また、宇宙ステーションが曝される温度差を考えても、環境真菌の発育は宿命的にも見える（図３）。

図３ 微生物生育環境としての宇宙におけるヒト生活環境

1970年代に56日にわたるに宇宙滞在（スカイラブ）模擬試験を行ったところ、乗員の真菌叢構成菌量は全般的に低下したにもかかわらず鼻腔および口腔におけるCandida
albicansおよびC. tropicalisの菌量のみが顕著に増加した
ことが報告された８）。これらの酵母はヒト常在菌叢を形成している日和見真菌であり、免疫攪乱状態にあるヒトの腸図４ ミール宇宙ステーションから分離同定された環境真菌13）
左上 Aspergillus versicolor巨大コロニー
左下 同スライドカルチャー像400倍
右上 Penicillium chrysogenum巨大コロニー
右下 同スライドカルチャー像400倍管において増殖し、条件によって全身感染を惹起することが知られている。このことから宇宙ステーション滞在自体に4．おわりによってもたらされる免疫抑制効果を推し量る事もできる。ま24

た、実際のスカイラブ計画では、ミッションを経るに従って、本格的な利用が始まったISS等の地球外の人工空間に

Aspergillus属やPenicillium属の糸状菌による船内汚染のおいても、内因性、および環境由来微生物（真菌、細菌、拡大が報告された9）。

および原生生物）の排除は実際上困難である。従って、2001年に役割を終えたロシアの宇宙ステーション・ミール

これら微生物によって、宇宙環境固有の様々なストレスに

船内は、真菌や細菌のみならず、ダニ、原虫も含めたより免疫力を撹乱された乗員の健康が損なわれ、感染ま

様々な環境微生物に汚染されていたことが様々な報告でたはアレルギーを惹起することが懸念される。

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（通巻211号）

宇宙：近未来のヒト生活環境と微生物（１）

宇宙における微生物情報は、より長期のミッションとなる月面基地、および火星探査等において、如何なる微生物叢が環境中に繁茂し、生態系を確立するかを考察するために必要である。これを以て微生物防御、宇宙農業等の微生物利用等の形成並びに発展に寄与することが期待できる。とりわけ、今後ミッションが長期化し、また宇宙観
光が事実上始まっている状況を考慮すると、宇宙に滞在するヒトの安全性を担保するために、環境およびヒト常在微生物に関する情報は、きわめて重要なものとなろう。これを踏まえて、ISS以降の展望は稿を改めて論じたい。
地上においても、我々人類の将来的な展望を見据えた上で、真菌と関連健康障害への研究と対策のための体制整備が今正に求められている。またこの領域における研究と開発こそ、カビ、コウボ、キノコとの密接な関係によって培われた文化を持つ我が国として果たすべき、優9）Brockett RM, Ferguson JK, Henney MR. Prevalence of fungi
during Skylab missions. Appl Environ Microbiol. 36（2）,243-6（1978）
10）ovicova ND: Review of the knowledge of microbial
contamination of the Russian manned spacecraft. Microbial
Ecol 47,127-132（2004）11）Ott CM, Bruce RJ, Pierson DL. Microbial characterization offree floating condensae aboard the Mir space station.
Microbial Ecol 47,133-136（2004）
12）Pross, H.D., Casares, A., Kiefer, J. Induction and repair of
DNA double-strand breaks under irradiation and microgravity.
Radiat. Res. 153（5 Pt 1）,521-525（2000）
13）Makimura K, Hanazawa R, Takatori K, Tamura Y, Fujisaki R,
Nishiyama Y, Abe S, Uchida K, Kawamura Y, Ezaki T,
Yamaguchi H: Fungal flora on board Mir-space station,
identification by morphological features and ribosomal DNA
sequences. Microbiology and Immunology 45（ 5）,357-363（2001）
14）宇宙航空研究開発機構：
ミール事故履歴
http://iss.jaxa.jp/mir/jmirdoc310.html 2008年11月4日 接続

れた国際貢献となることを強調して稿を終える。

引用文献
1）日本宇宙フォーラム：宇宙実験を計画するために．2007、日本
宇宙フォーラム、東京．
2）宇宙開発事業団：「きぼう」船内実験室利用ハンドブック．2007、
宇宙航空研究開発機構、東京
3）宇宙開発事業団：宇宙開発データブック2000．2000、日本宇
宙フォーラム、東京．
4）日本宇宙フォーラム：JAXA NOTE 2008. 2008、日本宇宙フォー
ラム、東京．
5）Viktorov, A.N., Novikova, N.D., Deshevaya, E.A., Bragina,
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colonization of orbital complex "Mir" environment by
Penicillium chrysogenum and problem of ecological safety inlong-term space flight. Aviakosm. Ekolog. Med. 32, 57-62（1998）（in Russian）
6）Viktorov, A.N., Novikova, N.D., Deshevaia, E.A., Polikarpov,
N.A., Poddubko, S.V., Bragina, M.P. Comparative evaluation of
microorganisms biological characteristics isolated in the orbital
complex "Mir" on different phases of its operation. Aviakosm.
Ekolog. Med. 32, 61-68（1998）（in Russian）
7）Zaloguev, S.N., Viktorov, A.N., Shilov, V.M., Gorshkov, V.P.,
Zarubina, K.V. Results of microbiological research conductedduring the mission of the Saliut-6 orbital station. Kosm. Biol.
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8）Henney MR, Raylor GR, Molina TC. Mycological profile ofcrew during 56-day simulated orbital flight. Mycopathologia.
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（通巻211号）

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ドイツの切手に現れた科学者、技術者達（24）ヘルマン・ルートヴィヒ・フェルディナント・フォン・ヘルムホルツ
Scientists and Engineers in German Stamps (24). Hermann Ludwig Ferdinand von Helmhotz
筑波大学名誉教授

原田馨

KAORU HARADA
Professor Emeritus,University of Tsukuba.

ヘルマン・ルートヴィヒ・フェルディナント・フォン・ヘルムホルツ
ヘルマン・ルートヴィヒ・フェルディナント・フォン・ヘルムホルツ（Herｍann Ludwig Ferdinand von Helmhotz，1821-1894）、
ドイツの生理学者、病理学者、物理学者、数学者、哲学者。
ヘルムホルツは、ギムナジウムの哲学と言語学の教師の息子としてポツダム（Ｐｏｔｓｄａｍ）に生まれた。少年の頃から知的才能を発揮し、医者になることを希望したが、経済的理由から軍医となるべくプロシア陸軍の軍医学校に入学した。
この軍医学校ではベルリン大学医学部の学生と同様な教育を受けることができた。学校を卒業するまでに数学、物理学を独習し、彼が学んだ医学、生理学、病理学と数理物理学を互
いに結び付けることにより新しい学際的領域を開拓し、自然界について巨視的な思考ができる大科学者へと成長した。
ヘルムホルツ像。

フンボルト大学（旧ベルリン大学）の正面には白色の大理石のヘルムホルツの記念像が立っていた。1980年頃からほぼ10
年近くどこかへ移されていたが、1994年9月8日、彼の誕生日に修復されたヘルムホルツ像は、再び大学本館前の同じ場所に設置された。なおこの大理石像は1899年にＥ．ハーター（Ｅrnst Herter，1846-1917）
により創作された。
ヘルムホルツの学問的業績は、自然科学のほぼ全分野にわたる。それらは次のようにまとめることができる。その多くが独学により修得されたものであることは驚くべきことである。
ヘルムホルツの学問的業績
・医学、生理学的研究
・眼科用検眼計の発明
・「生理光学全書」
を発表

ハンブルク駅美術館での「エトスとパトス展」
で撮す。

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・神経伝達速度の測定

ドイツの切手に現れた科学者、技術者達（24）ヘルマン・ルートヴィヒ・フェルディナント・フォン・ヘルムホルツ

・エネルギー保存則（熱力学第一法則）の提唱
・生命力及び永久運動の不存在・色彩論（三原色説）
・地球と太陽の年齢について
・光の散乱について
・気象物理学・電磁波の存在についての予言（ヘルツにより実証された）
・電気力学
・熱化学、熱力学の研究などについて
ヘルムホルツは軍医としての業務を遂行しながら、自費で種々の生理学的実験を行った。彼のエネルギー恒存
則の論文は学会誌に掲載することを拒否されたので、その論文は1847年に小さな書物として出版された。タイトルは「力の恒存について」であった。1849年にケーニヒスベ
ルク大学で病理学、生理学を教え、1858年ハイデルベル
ク大学の生理学教授となり、1871年ベルリン大学（現フンボルト大学）の物理学教授となった。後に彼はベルリンの国立物理学・技術研究所の所長となり、物理学者としてドヘルムホルツの胸像、ヴァルハラ（Walhalla）
にて撮す。南ドイツの都市レーゲン
スブルク（Ｒegensburg）の郊外ドナウ河畔の丘の上に、アテネのアクロポリスを思わせる巨大なギリシア神殿風の白い大理石の建造物が聳えている。これはドイツ人戦士のための神殿として造られ、現在123人のドイツの偉大な人々の胸像が展示されている。

イツにおける最高の地位を得た。
ヘルムホルツはフンボルト大学を代表する科学者であった。その偉大な才能の故に、彼の大理石像がフンボルト
大学正面中央に設置されていることは相応しいと思う。ヘルムホルツの墓所はヴァンゼーのランデスアイゲネル墓地（Landeseigener Friedhof）にある。この教会墓地には有機化学者エミール・フィッシャー
（Emil Ｆischer，1852-1919）の墓もある。両者の墓所は近い。
※本稿に掲載の写真は、著者の撮影によるものである。

ヴァンゼーにあるヘルムホルツの墓。

墓の全景。

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ドイツの切手に現れた科学者、技術者達（24）ヘルマン・ルートヴィヒ・フェルディナント・フォン・ヘルムホルツ
ヘルムホルツ生誕150年
記念切手、1971年ベルリン発行。

没後100年記念切手、1994年ドイツ発行。

ポツダムにあるヘルムホルツの名を冠したギムナジ
ウム。ヘルムホルツはこのギムナジウムで学んだ。

フンボルト大学正面に立つ大理石の立像の全景。

編

表紙写真

ヘルムホルツ
（左立像）の拡大写真。

集

後記

本年が、皆様にとりまして明るく平穏な年

コマクサ
（駒草）
ケシ科 コマクサ属

新年明けましておめでとうございます。
丑年の正月にあたりまして、読者の皆様、となりますよう、お祈り申し上げますともに、

高山の砂礫地に生える濃紅色からピンクのコマクサは高山植物の女王としてあまりにも有名です。美しい花と他の植物が育つことが出来ないような砂礫地という厳しい環境に育っているため、特に目立ちます。地上の姿からは考えられませんが、1ｍ近くの根を張っているそうです。山で見事なコマクサに出会うのは楽しみですが、つい近寄りすぎ根を傷めてしまうことが多く、それも花の数が減る大きな原因の一つのようです。
ちなみにこの写真はフイルム35ミリカメラの300ミリ相当の望遠レンズで撮影したものです。この名前は、花が馬の顔の形に似ているところに由来します。
（写真・文 北原音作）

ご寄稿頂きました著者の皆様には、よい新本誌ケミカルタイムズのご愛顧のほどを、何年をおむかえになったことと、お喜び申上げ

卒宜しくお願い申し上げます。

ます。
「丑」は、十二支の中で最も粘り強く誠実

合わせて、当社はこの度、「ＣＳＲレポート

な干支といわれています。困難に耐え、前2008」を発行しました。このレポートは、当進の象徴とされています。牛歩といわれるよ社のＣＳＲ活動をわかりやすくご報告するこ

うに、遅くとも力強い着実な歩みは、諸悪諸とを目的としています。当社ホームページに病を跳ね除けて、明るく平穏な一年を切りて公開しております。

開くとされています。

C K〒103-0023 東京都中央区日本橋本町3丁目2番8号
電話（03）3279−1751 FAX（03）3279−5560
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編集責任者 簗島 功
平成21年1月1日 発行