九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1310165R

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL11

（様式第 5 号）

小角 X 線散乱測定を用いた資源高分子の自発的構造変化の解析
お よ び そ の 応 用 (IV)
Analysis and application of spontaneous structural change for molecular chains ofbiomacromolecular materials using small-angle X-ray scattering (IV)巽 大輔
Daisuke Tatsumi
九州大学 大学院農学研究院
Faculty of Agriculture, Kyushu University※１※２

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ 、長 期 ト ラ イ ア ル ユ ー ス ）課 題 は 、実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ） を 追 記 し て 下 さ い 。
利 用 情 報 の 開 示 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 二 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開 ｛ 論 文 （ 査 読 付 ） の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝ が 必 要 で す 。 (ト ラ イ アルユースを除く)

１．概要（注：結論を含めて下さい）
微 結 晶 セ ル ロ ー ス （ MCC） お よ び 再 生 セ ル ロ ー ス （ Cupro） を 試 料 と し 、 こ れ を 水 酸化 ナ ト リ ウ ム 水 溶 液 に 溶 解 さ せ た 試 料 の 構 造 を 小 角 X 線 散 乱 （ SAXS） 測 定 に よ り 検 討し た 。溶 液 調 製 の 際 の 凍 結 解 凍 の 回 数 お よ び 凍 結 時 間 は 、溶 液 の 構 造 に は ほ と ん ど 影 響
し な か っ た 。Ornstein-Zernike プ ロ ッ ト よ り 得 ら れ る 分 子 鎖 絡 み 合 い の 相 関 長 は 、20～ 55
nm で あ っ た 。 溶 液 に イ オ ン 交 換 樹 脂 を 添 加 す る こ と で 系 を ゲ ル 化 さ せ る こ と が で き 、
ゲ ル 化 後 の 相 関 長 は ゲ ル 化 前 の そ れ と は 大 き く は 変 化 し な か っ た 。ゲ ル 化 は 速 や か に 起
こり、今回の測定ではその変化を追随するには至らなかった。
（ English ）Small-angle X-ray scattering (SAXS) measurements were used to investigate thestructure change of cellulose/alkali solutions.
Celluloses (microcrystallinecellulose and Cupro rayon) were dissolved in sodium hydroxide solution withfreeze-unfreeze treatments. The times of freeze-unfreeze cycles and the freezingtime were almost no effect on the solution structures. The correlation lengths ofthe cellulose chain-entanglement obtained with Ornstein-Zernike plots were in theorder of 20 ~ 55 nm. The cellulose solutions formed gels by the addition ofion-exchange resins into the solutions. The correlation lengths of the gel were
almost the same as those of the solutions. The gelation process was too fast to befollowed by the SAXS measurements.
２．背景と目的多糖をはじめとする天然高分子はらせんなどの高次構造を自発的に形成し、このことが生体内においてこれらの高分子が生理活性などの機能を担うことができる理由の一つとなっている。この高次構造形成のメカニズムは学術的にも興味深い課題であるにもかかわらず、現在も未知の部分が多い。たとえば、セルロースに限って見ても、セルロース繊維を膨潤させるによってその結晶が緩み、結晶内の個々の分子鎖がらせんを形成することが知られているが、そのメカニズムの詳細は明らかにはなっていない。
分子がらせん構造を形成すると、それを核として分子が凝集しやすいことが予想される。溶液状態
では、この凝集は架橋点としてふるまうため、系はゲル状を呈することが予想される。そこで本課題

では、セルロースを溶媒に溶解させ、系がゲルを形成する際の構造変化を小角X線散乱測定実験によって追うことを目的とする。予想される高次構造の大きさは数nm～数十nmのオーダーであり、これは小角X線散乱によって測定できるオーダーである。また、放射光のように強い光源を用いることで測定時間を短縮することができ、構造変化を経時時間とともに追跡することができる。このような構造変化の追跡により、分子の高次構造形成のメカニズムを解明することが狙いである。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
セルロース試料は、市販の微結晶セルロース（MCC: セオラスⓇ UF-711，旭化成ケミカルズ㈱））および再生セルロース（Cupro: ベンベルグⓇ，旭化成せんい㈱）を用いた。セルロース試料は、それぞれ2 wt%および3 wt%の濃度で水酸化ナトリウム（NaOH）水溶液に溶解させた。NaOH水溶液への溶解法は磯貝らの手法1)を参考にし、凍結解凍を繰り返すことで最終的に8 wt% NaOH水溶液中にセルロースが2 ～3 wt%解けている溶液を調製した。
得られたセルロース溶液およびそれにイオン交換樹脂（IR120B H、オルガノ）を添加してゲル化2)させた試料を、ガラス製キャピラリに封入し、BL11においてE = 8.0 keV、カメラ長2,626 mm、検出にはPILATUSを用いてSAXS測定を行った。doseは約2,000 sとした（図１）。得られたデータはFit2dを用いて円環平均を施し、一次元像とした。
PILATUS
キャピラリ

スリット

スリット

X線
真空筒
カメラ長
ビームストッパー

2,626

真空パスmm

800 mm3 mmφ
実験レイアウト.

図１４．実験結果と考察
図２に、凍結解凍の回数を変えて調製したセルロース／NaOH 水溶液の SAXS 像を示す。
33B
log ( I(q) / a.u. )log ( I(q) / a.u. )A2

10-1.5-1-0.5-1log ( q / nm )0210-1.5-1-0.50-1log ( q / nm )図２ セルロース／NaOH 水溶液の SAXS 像.
A: MCC, B: Cupro; 赤: 凍結解凍 1 回、緑: 凍結解凍 8 回.
図２より、凍結解凍の回数による SAXS プロファイルの変化は、あまり見受けられなかった。試料間ではプロファイルは異なったが、I ∝ q-αとなる領域においてはαの値はほぼ 2 であり、既往の研究
2)におけるαの値と一致した。
図３は、図２を Ornstein-Zernike プロットに変換した図を示す。ここで、Ornstein-Zernike プロットは、I(q) = I(0)/(1+q2Ξ2)
で SAXS プロファイルをフィッティングすることにより、分子鎖絡み合いの相関長Ξを求めることができる手法である。得られた相関長は、MCC に対しては凍結解凍 1 回の試料で 45 nm、凍結解凍 8で 55 nm であった。一方、Cupro に対しては凍結解凍 1 回の試料で 46 nm、凍結解凍 8 で 20 nm であり、Cupro では凍結解凍とともに分子鎖絡み合いがやや密になる傾向が示唆された。
また、凍結の時間を変化させて調製した試料に対しては、SAXS プロファイルに顕著な差異はなく、凍結の時間がセルロース／NaOH 水溶液の構造に与える影響は無視できることが示された。
セルロース／NaOH 水溶液にイオン交換樹脂を添加してゲル化した試料においては、相関長の大きさはゲル化前の溶液のそれとほぼ同じであった。このことから、ゲル化した試料においても、溶液での分子鎖絡み合い構造がある程度維持されていることがうかがえる。なお、ゲル化はイオン交換樹脂を添加した後に速やかにおこるため、今回の測定ではゲル化のプロセスを追うことができなかった。

55AB4(I(q))-1 / a.u.

(I(q))-1 / a.u.

43213210.00.52

q / nm1.00.0-20.52q / nm

1.0-2

図３ セルロース／NaOH 水溶液の Ornstein-Zernike プロット.
A: MCC, B: Cupro; 赤: 凍結解凍 1 回、緑: 凍結解凍 8 回.

５．今後の課題
今回の測定では、ゲル形成の変化を追うことができなかった。今後、試料濃度やイオン交換樹脂の添加量などを変えてゲル化時間をコントロールし、そのプロセスを追うことを検討していきたい。

６．参考文献1) Dissolution of Cellulose in Aqueous NaOH Solutions, A. Isogai, R. H. Atalla, Cellulose 5, 309-319 (1998).
2) Investigation of the Structure of Cellulose in LiCl/DMAc Solution and Its Gelation Behavior bySmall-Angle X-Ray Scattering Measurements, D. Ishii, D. Tatsumi, T. Matsumoto, K. Murata, H. Hayashi,H. Yoshitani, Macromol. Biosci., 6, 293 (2006).

７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）
第 62 回レオロジー討論会（2014 年 10 月 15 日～17 日、福井）にて発表予定。

８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
セルロース、小角 X 線散乱、ゲル９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消して下さい。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入して下さい（2013 年度実施課題は 2015 年度末が期限となります。）①

論文（査読付）発表の報告
論文（査読付）発表の報告（報告時期：2015 年 3 月）