静岡理工科大学

先端機器分析センター

令和３年度利用報告書

Fei0

Fes0

Fei+

Fei2+

0V

印加
電圧

0.9V

0.6V

0.2V

0V

n-type Surface (MCP Mapping)-5V

200 mm

外部電圧印加中の多結晶シリコン太陽電池中の鉄不純物のオペランド観察（小林正2020 年度修士論文、物質生命科学科 吉田研究室）

２０２２年３月
No.12

March

第１２号
2022

目次
ページ
P. 1

巻頭言
静岡理工科大学 理工学部 物質生命科学科教授 吉田 豊静岡理工科大学 先端機器分析センター 非常勤職員 早川一生
静岡理工科大学 先端機器分析センター センター長 齋藤明広
１．研究紹介

P. 3

２．修士論文研究報告

P.40

編集後記

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

巻頭言2010 年度、文部科学省により私立大学戦略的研究基盤形成支援事業（研究拠点形成）として，「省資源型の地域産業創成を目指した微量元素分析・マッピング技術の開発と応用」と題する本学の研究プロ
ジェクトが採択され,先端機器分析センターが建設・整備されました．当初の目標は「顕微メスバウ

ア分光装置」や「食品安全性評価装置」などの微量元素分析・画像化(マッピング)のための基盤分析評
価装置に汎用分析機器を組合せることにより，独自の分析技術を研究開発し，半導体材料・非鉛系セラ
ミックス材料・小型強力磁石材料等の機能性材料開発と農水産物の安全性評価に応用することにありました．開始から 10 年以上が経過し、ユーザーの世代交代も進む中で新たな「分析センター」として再出発することが期待されているように思います。「静的構造からダイナミックス観察へ、そしてデバイス
動作や化学反応、生体機能発現の観察（オペランド観察）」を実現できる大きな可能性を秘めた評価技術が必要になっています。観察による電子励起、格子欠陥生成、原子ジャンプなどの攪乱を誘起することなく「ありのまま」の系の状態をオペランド観察可能になる。そんな挑戦的な評価技術の開発を担えるような「先端機器分析センター」が実現し、新たなイノベーションへの挑戦拠点となることを願っています。Alles Gute!
令和４年３月吉日
理工学部 物質生命科学科 教授
吉田 豊
平成３年４月１日に着任しまして、機器センターから先端機器分析センターへと名前は変わりましたがセンター一筋、３１年間勤務してきました。
大学創設の理念やセンターの役割についての議論は、開学の年にやってきた私は関与していませんが、私に与えられた使命は、①１０種類の分析機器を共通機器として使えるように整備すること。②それらの機器を教員の研究や学生への教育に役立てること。③これらの機器を地域貢献に活かすことでありました。これらを実現するために重視したのが地域へのオープン化でした。センターを学生・教職員が利用するだけでなく、地域の教育機関、近隣の企業が日常的に利用できる環境にすることを目標にしました。そのための施策として、すべての機器をオープン化し、利用法のオープン化として機器分析講座を実施しました。これは開学の翌年から始め、毎年数十人以上が参加する恒例行事になりました。
３１年間で一番印象に残っているのは、先端機器分析センターの計画立案から実現までに携わることができたことです。そしてその研究の一部分にも関わる事ができ、研究結果においても良い評価が得られたことです。研究分担者の間を調整役で走り回った日々は苦痛も多かったのですが、今思えば充実した日々でもありました。貴重な経験をさせていただきましてありがとうございました。
さて、このところ本学には施設の増加、入学者数の増加等の良い風が吹いています。これこそ日頃の教職員の努力の結実であると思います。今後とも皆様の努力で理工科大をさらに発展させられんことを祈念いたします。
長い間、共に働かせていただき、またいろいろお世話になり、ありがとうございました。
令和４年３月吉日
先端機器分析センター
早川 一生
1

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
お陰様で，先端機器分析センターは 2021 年 4 月に開所 10 年を迎えました。10 年を無事に積み重ねられてきたことを大変喜ばしく感じるとともに，ご支援くださった皆様に深く御礼申し上げます。一方，機器や装置に関しては，経年による劣化やメーカーのサポート期間終了に伴い，修理，更新，廃棄などの対応が必要な機器や装置がありました。
全自動水平型多目的 X 戦回折装置（XRD．Smart lab，リガク）は昨年度に続いてパーツの疲労が原因と思われる破損故障があり修理しました。示差熱天秤・質量分析計（TG-DTA．ブルカー， TG-

DTA2020S/MS ） と マ イ ク ロ プ レ ー ト リ ー ダ ー （ テ カ ン ・ M-1000 ） は ， そ れ ぞ れ リ ガ ク ・ThermoPlusEVO2 とテカン・Spark に更新しました。キャピラリーDNA シーケンサー（ABI・3100Avant）は，廃棄処分しました。DNA の塩基配列解析は，民間への委託分析で十分代替できる，と判断したためです。その他，アミノ酸分析計（日立ハイテクサイエンス・L-8900）については，経年とこれまでの使用実績を考慮し，吉川尚子准教授の研究室に移設いたしました。
今年度は人事で大きな変化がありました。2021 年 4 月に，本センターの専任技術職員として，小泉武昭氏が着任し，本センターの分析サポート環境がますます充実しました。その一方で，本センター専任
技術職員の早川一生氏は今年度で退職します。早川氏は，本センターの前身の機器センターのころから，
長きにわたり，本学の分析機器の整備と維持・管理，および利用支援をしてくださりました。早川氏無しには，本学の分析をめぐる環境がここまで整うことは無かったと思いますし，本センターの専任教職員の脇川講師や小泉氏といった人材の獲得と育成もできなかったと思います。
先端機器分析センターの初代センター長の吉田豊先生も本年度で定年退職なさります。吉田先生は，
本センターの設置を含む計画「省資源型の地域産業創成を目指した微量元素分析・マッピング技術の開発と応用」の文部科学省への申請で中心的役割を果たされました。吉田先生抜きでは本センターの設置は無かったと言っても過言ではありません。
先端機器分析センターの設置と運営を担った吉田先生と早川氏は，本学の研究推進のみならず，地域の分析環境・文化の向上にも大きく貢献くださりました。公開で「機器分析講座」を定期的に開催し，機器の外部利用を推進するなど，本センターは地域の皆様にとっての分析拠点となっています。また，
先端機器分析センターの設備は，本学において，優秀な教員を採用するうえでもプラスに働いています。
吉田先生と早川氏がともに開発に関わった顕微メスバウアー分光装置のうち 2 台は，お二人のご退職に伴い，他機関（東北大学と弘前大学）に移設されました。吉田先生は，もう 1 台の顕微メスバウアー
分光顕微鏡を携えて，2022 年 4 月からドイツで研究生活をなさるそうです。さすがです。早川さんは町内会と畑と庭でますます忙しくなさることでしょう。
個人としても，センター長としても，吉田先生と早川氏のご退職を惜しむと同時に，感謝の念が絶えません。この紙面を借りて深く御礼申し上げたいと思います。
令和４年３月吉日
静岡理工科大学 先端機器分析センター
センター長 齋藤 明広

2令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

1. 研究紹介「固体触媒による BDF の合成と応用」

機械工学科

十朱 寧

教授

P. 4

「Cr を含む鋼材の電解加工における鉄イオン添加電解液による六価クロム生成防止の研究（第 2 報）」

「各種金属材料の破面解析と表面分析」

機械工学科

後藤 昭弘 教授

P. 6

機械工学科

三林 雅彦 教授

P. 8

機械工学科

吉見 直人 教授

P. 9

機械工学科

黒瀬 隆

P. 10

「材料表面の構造と摩擦特性および触感に関する研究」「２次元粒子強化高分子複合材料の研究」

准教授「ITO 基板上への反応性 RF スパッタリング法による AlN 結晶成長」
電気電子工学科

小澤 哲夫 教授

P. 11

「微生物電池構成材料の基礎検討」

電気電子工学科

東城 友都 講師

P. 12

「メスバウア分光カメラの開発」

物質生命科学科

吉田 豊

教授

P. 14

山崎 誠志 教授P. 17

桐原 正之 教授

P. 18

南齋 勉

准教授

P. 20

小土橋陽平 准教授

P. 22

「XRD および 29Si MAS NMR を活用した無機結晶の構造確認」
物質生命科学科「環境調和型有機合成反応の開発と生物活性物質合成への応用」
物質生命科学科「超音波が誘起する微小気泡反応場に関する研究」
物質生命科学科「機能性高分子を用いたバイオマテリアルの開発」
物質生命科学科「低分子量キチンを含む素材 LMC60 の培養畑土壌での分解と土壌微生物への影響」
物質生命科学科

齋藤 明広 教授

P. 24

「Serratia nematodiphila H-1-1 株の産生するミミズ殺傷物質に関する研究」
宮地 竜郎 教授

P. 26

物質生命科学科

鎌田 昂

准教授

P. 28

物質生命科学科

髙部 稚子 准教授

P. 30

物質生命科学科「静岡県中西部に分布するヒカゲノカズラ科植物の化学成分分析」「食用植物の食品機能性評価に関する研究」「高分子半導体薄膜における光キャリア再結合のラジオ波効果」
先端機器分析センター 脇川 祐介 講師

P. 32「先端機器分析センター内機器を用いた研究の報告（令和３年度）」
物質生命科学科

小林久理眞 客員教授 P. 34「XRD および SEM によるコンクリート用骨材の組成・組織分析」
建築学科

太田 達見 教授

P. 36

小泉 武昭 研究員

P. 38

「配位子の特性を活かした新規遷移金属錯体の創製および機能発現」
総合技術研究所
3令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

固体触媒による BDF の合成と応用
氏 名

十朱 寧 静岡理工科大学 理工学部 機械工学科 教授

１．概要
本研究では、中和や洗浄工程の必要のない固体触媒 (ゼオライト、卵の殻とアサリの殻) を用いた BDF
合成を行い、合成率の向上を図ることを目的とする。研究では、まず、固体触媒の調製及び成分分析を調査する。続いて、調製した触媒を用いて超音波やマイクロ波合成実験を行い、BDF 生成率を測定した。
最後に、シャシダイナモメータによる実車走行実験を行い BDF と軽油使用時の排ガス濃度などを調べた。
２． 実験
2.1 触媒調製
固体触媒として、塩基性のゼオライト、卵とアサリ殻を用いることにした。市販のゼオライトは塩基性が弱いので、ゼオライトを水酸化ナトリウムに漬けてから小型電気炉で焼結する触媒調製を行った。
一方、アサリと卵の殻は主成分が炭酸カルシウム(CaCO3)とされているが、研究では、卵の殻とアサリの殻を 378 K で 2 時間乾燥させ、その後 1173 K で 2 時間焼成する。調製後の固体触媒は SEM と XRD
にて成分分析を行った。
XRD の分析結果は図 1 に示す。卵の殻の結晶は lime という酸化カルシウムの一種であることが分かった。また、アサリの殻も酸化カルシウムであることを確認できた。

図 1 卵の殻の結晶骨格構造

図 2 超音波 BDF 合成結果

2.2 BDF 合成実験
上述の 3 種類の固体触媒を用いる BDF 超音波合成実験では、サラダ油を 5 mL、メタノールを 1 mL、固体触媒を 1 g 試験管に入れ、65 ℃の水温に保ち、28 kHz の超音波を 2 時間照射する。反応後、遠心分離器をかけて酸化カルシウムと油を分離する。
GCMS (株式会社島津製作所 GCMS-QP2020) により検出した BDF の合成結果を図 2 に示す。卵の殻 1 gを用いたサンプルの BDF 生成率は 56.3％、アサリの殻 1 g を用いたサンプルの BDF 生成率は 62.3％に達した。また、卵の殻に比べて、アサリの殻は BDF 合成効率が良いとみてとれた。これは触媒成分と吸着性の違いに原因があると思われる。
マイクロ波合成実験の合成条件はまず、植物油 5 mL とメタノール 1 mL を試験管に入れ、周波数 28
kHz の超音波を 30 分照射し、乳化させる。次に、固体触媒 1 g を試験管に入れ、マイクロ波化学反応装
置 (Biotage 社製 Initiator+) でエステル交換反応を行った。
4令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

図 3 マイクロ波 BDF 合成結果

図 4 CO2 濃度

種々な反応条件（A-J）下の BDF 合成結果を図 3 に示す。アサリ殻 0.5 g と乳化油 3 mL を 150 ℃で 1
min の反応条件で合成された BDF は最大約 93.97％の生成率に達した。
2.3 シャシダイナモメータによる走行実験
トヨタのサクシードワゴンを用いて走行実験を行う。実験では、まず、試験車をシャシダイナモメー
タ上に設置する。続いて、空気抵抗や転がり抵抗の数値をシャシダイナモメータに入力し、エンジン負荷になる。最後に、車速を 40、50 と 60 km/h にかけて、ホダカ株式会社の HT-1300Z を用いてそれぞれの排気ガス濃度を測定する。CO2 の濃度の測定結果は図６に示す。一方、 BDF の CO2 排出量は軽油より低かったことが分かった。これは BDF の発熱量が軽油より低いからと考えられる。
３. 結論（１）焼結した卵殻とアサリ殻の主成分は酸化カルシウムである；（２）マイクロ波照射を用いる BDF 合成では、生成率が 93.97％に達したことが確認できた。一方、超音波照射の場合は BDF 生成率が 62.3％であった；（３）排気ガスでは、BDF の CO2 排出量は軽油より低かったが、NOX 排出量は軽油より高かった。
４. 謝辞
研究の遂行にあたり、本学先端機器分析センターの技術職員である早川一生氏ならびに脇川祐介氏と小泉武昭氏にご協力をいただき、感謝の意を表す。また、本研究の一部は日本学術振興会科学研究費基盤研究(C) No. 21Ｋ03924 の助成によって行われものである。
５. 利用機器
SEM, XRD, GC-MS
６． 令和３年度研究業績（学会発表）(1) 十朱 寧・鐘 昕翰，「固体触媒を用いる BDF の合成と応用」，日本伝熱学会東海支部 ONLINE
発表会，2021 年 10 月．
(2) 久米山光希・鐘 昕翰・十朱 寧，「環境型固体触媒による BDF の合成と応用」，日本機械学会
東海支部第 71 期総会・講演会，2022 年 3 月（オンライン開催）．

5

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

Cr を含む鋼材の電解加工における鉄イオン添加電解液による六価クロム生成防止の研究（第 2 報）
氏 名

後藤 昭弘

静岡理工科大学 理工学部 機械工学科 教授

小土橋陽平 静岡理工科大学 理工学部
陳 俊達

物質生命科学科 准教授

静岡理工科大学 理工学部 機械工学科

１．概要
ステンレス鋼等の Cr を含む材料を電解加工すると六価のクロムを生成することが知られており，電解加工の問題として取り上げられることが多い．前報（平成 30
年度）では，図１に示すような「鉄フィルター」を用いて，電解液に鉄イオン（Fe2+）を添加し，電解加工時の六価クロム生成自体を防止する方法について検討した．鉄イオン（Fe2+）を添加することで，六価クロムの

図１ 鉄フィルターの構成生成を抑えることができることはわかったが，加工時間が経過するに従い，Fe2+イオンが消費され，Fe2+イオン濃度が低下する問題があることもわかった．そこで，
本研究では，前報の研究を踏まえて，六価クロムの生成を抑制するために消費される Fe2+イオンの供給速度を上げて Fe2+イオン濃度の低下を防ぎ，連続加工を実現する方法について検討した．
２．電解液中の Fe2+イオン濃度と電解液 pH との関係
前報で，Fe2+イオンが消費され，いずれは六価クロム生成を抑制できなくなることがわかったので，電解液への Fe2+イオンの供給速度を向上させるため，電解液を一時的に酸性にし，多くの

図２ 鉄フィルターの構成

Fe2+イオンを添加できな

いか検討した．電解液の pH 値を変化させ，電解液の pH とその時の電解液中に溶け込ませることができる Fe2+イオン濃度との関係を調べた．実験方法は以下の通りである．約 1450 g の鉄切屑をケースに詰め込んで鉄フィルターを製作し，電解液（水 12 L，NaNO3 1800 g) を通して循環させた．循環開始前に電解液に 5 mL の 60% HNO3 を添加した．添加時点で電解液の pH 値は約 2.5 になった．まず，pH 値が7.0 付近の電解液について調査した．循環時間が経過するに従い電解液がアルカリ性になるので，pH 値
が 7.0 になった時点から 1 分毎に電解液を採取し，Fe2+イオン濃度を測定した．その結果を図２に示す．
●の点が Fe2+イオン濃度であり，■の点は電解液の pH 値である．Fe2+イオン濃度が 70 mg/L から 90 mg/L
程度に保たれているが，pH のわずかな変化に Fe2+イオン濃度が大きく影響を受けるように見える．同様の試験を pH 値 5.0 付近，3.0 付近でも行った．その結果をまとめた結果を図３に示す．pH 値が 7 程
度以上になると急激に Fe2+イオン濃度が低下することがわかる．
３． Fe2+イオン高速供給のための装置の構成
電解加工で消費された Fe2+イオンを速く供給するために，電解液を一時的に酸性にして，加工直前に6令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
pH を 7.0 付近に戻して極間に供給するという方法を考えた．図４に概略を示す．図の左側の槽は電解加工を行う加工槽である．中央の槽は電解加工に使用された電解液が導かれる電解液タンク（以下，酸性電解液タンク）である．ここで電解液が酸性にされ，Fe2+
イオンが供給される．ここから電解液は図の右側の槽（以下，中和電解液タンク）に導かれて中和され，加工槽に導かれる．
４．電解加工実験
六価クロムの生成を防止しながら，Fe2+イオンの連続供給ができるかを確認するため，ステンレス鋼

図３ 鉄フィルターの構成（SUS304）の加工実験を行なった．加工実験には，13% NaNO3 水溶液を使用した．加工開始前に電解液を酸性電解液タンクに入れ，60% HNO3 溶液を添加しpH 値を約 2.5 とした．しばらく鉄フィルターに電解液を循環させた後，加工実験を開始した．加工中，電解液の酸性電解液タンクの pH を約 2.5 から 3.5 に保つように，適宜 60% HNO3 溶液を添加した．中和電
解液タンクでは 10% NaOH 水溶液を添加し，pH を約
6.0 から 7.0 とした．中和された電解液を加工槽に送り，15 分加工を行なった．加工中 1 分毎に加工槽と酸性電解液タンクから電解液を採取し，加工後にフ図４ 実験装置の構成

ェナントロリン吸光光度法により Fe2+ イオン濃度を，ジフェニルカルバジド吸光光度法により六価ク
ロム濃度を分析した．測定結果を図５に示す．図中■印は加工槽の Fe2+イオン濃度であり，印は酸性

電解液タンクの Fe2+イオン濃度であり，●印は加工槽内の電解液の六価クロム濃度である．加工の全プ
ロセスで六価クロムの出現を抑えることができた．
５． 謝辞
本研究の一部は，科学研究費助成事業（基盤研究(C), 課題番号 18K03884）によって実施された．
６．利用機器UV-vis

図５ 電解液のイオン濃度

７．令和３年度研究業績（論文）
後藤昭弘・小土橋陽平・陳俊達，「Cr を含む鋼材の電解加工における鉄イオン添加電解液による六価クロム生成防止の研究（第 2 報）」
，電気加工学会誌，55, 140 (2021).
（学会発表）
陳俊達・後藤昭弘・小土橋陽平，「Cr を含む鋼材の電解加工における鉄イオン添加電解液による六価クロム生成防止の研究（第２報）」，電気加工技術, 44, 138 (2021), 1－6.
7

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

各種金属材料の破面解析と表面分析
氏 名

三林 雅彦

静岡理工科大学 理工学部 機械工学科 教授

１．概要
各種機械部品の高強度化についての研究を行っている。その研究過程で破壊した部品や試験片について、その破壊起点、破壊モードを SEM 破面により明らかにすることは、破壊原因を探り、対策を行う
上で極めて重要である。また、その前提となる表面および表面近傍の物性を XRD, EPMA により把握することも、併せて重要である。本年度は、以下のテーマについてそれらの分析機器を用いて解析・計測を行った。
２．破壊解析による金属部材の高強度化①

破壊解析による金型寿命の向上
金型の長寿命化を検討中。各種破損金型の破損原因を
SEM 破面解析（図１）により調査することで、原因に応じた対策を講じることが可能となった。その結果、型寿命の大幅延長（２～４倍以上）を実現し、冷間鍛造の生産性向上に大きく貢献した。

②

ボルトの疲労強度向上技術の開発
ボルトの高強度化技術の開発において、疲労試験を実施しているが、その疲労起点がネジ谷部の表面であることを確認し、疲労強度評価の妥当性を確認した。

３．表面処理材の表面組成に関する研究
浸窒処理材に、時効処理、サブゼロ処理を施した場合の表面窒素濃度分布の変化を EPMA 分析により計測し、いずれの処理も濃度分布にほとんど影響を与えないことを明確化し、浸窒処理の基礎研究に貢献した。
４．謝辞
脇川先生、早川課長をはじめとして、先端機器分析セン
ターの皆様には、非常に熱心に学生のご指導頂いたこと、また、日頃より分析機器の保守点検にご尽力いただいていることで、高精度、高品質の解析・計測が可能となっていることに、心より感謝致します。
５．利用機器図１ 冷間鍛造金型の破面外観(a)と SEM 破面解析(b～f)

SEM (+EDS), XRD, EPMA, XRF（破壊起点付近のストライエーション(f)）

６．令和３年度研究業績（学会発表）

前記２－①「破壊解析による金型寿命の向上」:日本材料学会東海支部第 16 回学術講演会, 2022 年
3 月．

8令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

材料表面の構造と摩擦特性および触感に関する研究
氏 名 吉見 直人 静岡理工科大学 理工学部 機械工学科 教授
１．概要
材料のナノ～ミクロンオーダーの表面構造と摩擦特性に着目し、今年度はスマートフォン用ガラスフ
ィルムの表面に人の指が触れたときの摩擦特性と触感について調査解析を行った。一般に、ガラスフィ
ルムには、表面が平滑で透明な外観をもつ「グレアタイプ（以下、G ガラス）」と、表面の微細な凹凸によって低光沢の外観をもつ「アンチグレアタイプ（AG ガラス）」がある。後者は指による触感が「さらさら」しており、滑り性がよいという特徴がある。これらのガラスフィルムの表面構造を観察し、触感との関係を調べた。
２． ガラスフィルムの表面構造と触感結果の一例として、図 1 にＡＧガラス表面の SEM 像を示す。白い線状部が凸部、灰色の部分が凹部であり、この凸部の平均間隔は数 μｍ (ミクロンオーダー) であった。一方、G ガラスにはこのような凹
凸は観察されず平滑だった。
学生 30 名に AG ガラスと G ガラスの表面に指で触れてもらい、触感語彙のアンケートを行った。AG
ガラスの場合、図 2 のように「滑り」と「乾き」に分類される触感語彙の回答数が多く、「さらさら」と
乾いた感覚で滑ると感じた人が多いことがわかった。一方、G ガラスでは、「くっつき」と「滑り」に分類される触感語彙の回答数が多く、ガラス表面に指がくっつくように滑ると感じた人が多いことがわかった。このことから、ミクロンオーダーの表面凹凸構造が、ガラスと指の摩擦に起因する触感に影響を及ぼしていると考えられる。

図 1 ＡＧガラス表面の微細凹凸構造の例

図 2 ＡＧガラスの触感の例 (数字は人数)

３．謝辞
先端機器分析センターの脇川先生、小泉職員には、熱心に学生のご指導頂いたことに、心より感謝致します。
４．利用機器SEM
５．令和 3 年度研究業績
外部未発表。学部生卒業研究として報告。
9令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

２次元粒子強化高分子複合材料の研究
氏 名黒瀬 隆 静岡理工科大学 理工学部 機械工学科 准教授

１．概要
自動車の構造部材などへの適用を目指し低製造エネルギーで軽量な２次元粒子強化高分子複合材料の研究を進めている。課題である、(1) 複合材料の作製条件が力学特性に与える影響の解明、(2) 低エネ
ルギーでの２次元粒子の作製検討のために、各種機器分析装置を用い材料解析を行った。
２．２次元粒子強化高分子複合材料の作製に関する研究
２次元天然鉱物粒子と樹脂との複合化条件の検討を行った。図１は複合材料の断面 SEM 観察像である。図の上下方向が試験体の厚さ方向である。白く見えるのが２次元天然鉱物粒子、黒い部分が樹脂である。充填量 40 vol%の高アスペクト比２次元粒子が、試験体の面内方向に高度に配向していることが確認できる。本年度、複合化条件が２次元粒子の配向に影響を与えることを明らかにした。
３．炭酸カルシウム２次元粒子の作製に関する研究

図 1 断面 SEM 観察像結晶化したポリビニルアルコール(PVA) 膜上に、CO2 を原料とした炭酸カル
シウム２次元粒子を作製する検討を行っている。PVA 膜を熱処理することで球晶が確認され (図 2)、WAXD からも PVA の結晶格子間隔を確認した (図 3)。本年度、結晶化 PVA 膜の作製条件を明らかにした。
図 2 偏光顕微鏡観察像

図 3 WAXD パターン

４．謝辞
本研究は JSPS 科究費（課題番号 20K05112）、及び、NEDO 官民による若手研究者発掘支援事業の助成を受けたものです。ここに深く感謝いたします。
５．利用機器DSC, SEM, XRD
６．令和３年度研究業績（学会発表）(1) 〇土門 和暉・石神 明・黒瀬 隆・伊藤 浩志，「貝殻真珠層構造を模倣した複合材料の作製と機械特性評価」，第７０回高分子討論会，2021 年 9 月.

10

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

ITO 基板上への反応性 RF スパッタリング法による AlN 結晶成長
氏 名

小澤 哲夫

静岡理工科大学 理工学部 電気電子工学科 教授

１．概要
近年，注目されている電子材料として AlN がある。AlN は直接遷移型であることから深紫外 LED としても期待されている．しかし，AlN 薄膜の成膜には高温(1000 ℃以上)，高圧(1 GPa)が必要とされ，単結晶膜の育成には困難が多く，結晶品質の向上は大変難しい．また，窒化物半導体基板として用いられている Al2 O3基板はコストが高く，大量生産に向いていない．そこで，Al2 O3基板の代用としてコストの低い ITO 基板を使用し，反応性 RF スパッタ法による低温低圧での成膜を試みた．ターゲットに Al を使用し，ITO 基板上 AlN を堆積させた．この時の条件は，スパッタ電力 200 W，スパッタ時間 60～240
min，チャンバー内圧力 2～4 Pa，窒素流量比 20～80vol%とした．また，成膜した試料は，XRD を用いて結晶構造の解析，成長模様は SPM を用いて観察した．
２．反応性 RF スパッタリング法により成膜した AlN の X 線回折強度比(0002)

測定した試料の評価方法として，𝛼 = (222) ，𝛽 =
̅0)
̅0)
(101
(112
，𝛾
=
と定義した．チャンバー内圧力 2 Pa，窒
(222)
(222)

素流量比 20～80vol%においての X 線回折強度比を図 1に示す．2 Pa においては窒素流量比 70vol%の場合，強度
𝛼 が 最 も 高 く な り (0002) 配 向 が 強 ま っ た ． ま た ，
30~50vol%の場合，𝛼以外の強度が抑えられた．図 2 はチ
ャンバー内圧力 4 Pa，窒素流量比 20～80vol%の x 線回
折強度比を示した．4 Pa においては窒素流量比 70vol%の場合，強度𝛼が最も高くなった．また，2 Pa にくらべ
𝛽，𝛾の強度も弱いため，さらに(0002)配向が強くなった．
これらの結果より，チャンバー内圧力が高く窒素流量比も高い場合，分子同士が衝突しエネルギー損失が起きや
すい．基板付近でも同様に衝突するが，窒素流量比が高いため浮遊している窒素が多数存在する．このためエネ
ルギー損失による短いマイグレーションでも結合しやすいのではないかと考えられる．以上の結果から，テンプレートでない ITO 基板上へ反応性 RF スパッタ法を用いて，(0002)配向の強い AlN を成膜することができた．
３．謝辞
科学研究費助成事業基盤研究(C)(一般)（18K04962）の支援を受けて行われた．
４．利用機器SPM, XRD
11

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

微生物電池構成材料の基礎検討
氏 名

東城 友都

静岡理工科大学 理工学部 電気電子工学科 准教授

１．概要
近年，持続可能な開発目標（SDGs）や COP26 等の政策が打ち出され，これまでにも増して地球環境問題や地球温暖化を解決しようとする研究活動が盛んに行われている。特に，エネルギー分野では，水素-酸素を燃料とする水素-酸素燃料電池の開発やそれを搭載した自動車の実用化が進んでいる。しかし，
その燃料電池には高価な白金触媒を使用している点や，水素燃料の製造・運搬時の安全確保が難しい点
で課題が多い。一方，微生物の代謝機能を利用し，動植物由来の有機物から水素燃料を取り出すことが検討されている。また，微生物が有機物を分解する際，菌種によっては多くの電気エネルギーを発生できるため，特定の菌種を用いた微生物電池の利用が注目を集めている。そこで，今年度は，静岡県袋井
市内の土壌を採取し，菌種の大別と微生物電池の試作を行なった。この中で，微生物の観察，微生物電池の集電体材料の構造解析等で本分析センターの装置を利用した。
２．微生物の観察
袋井市内の貯水池管理者より許可を頂き，土壌採取を行なった。微生物の繁殖を目的に，採取した土
壌に水道水を加えて，数日間一定の温度で保管した。この土に対して遠心分離を行い，上澄み液を回収した。その上澄み液のグラム染色を行い，発電菌（グラム陰性菌）の存在有無を確認した。目視による確認では赤色に染色され，グラム陰性菌の存在が示唆されたが，レーザー顕微鏡による観察では目的の発電菌の形状は確認できなかった。グラム陰性菌の存在量が少ないことが原因であると考え，LB 寒天培地を使用し，菌の培養を行なった。
菌培養後の形状観察において，レーザー顕微鏡で細菌の存在を確認できたが，5 µm 程度の微小サイズであったため，菌種特有の足の存在を観察できなかった。そこで，走査型電子顕微鏡（SEM）により，同菌種を観察したところ，既報のような楕円形状や足の存在が観察できた（Fig. 1）。遺伝子解析はこれからであり，また細菌の培養が必要ではあるが，採取した土壌中には目的の菌種が存在していることが示唆された。

Fig. 1 培養した細菌の SEM 像観察12令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
３．微生物電池の集電体材料の構造解析
SEM 像観察済みの試料（土）を電解質として，微生物電池を試作した。集電体（電極）材料には，カーボン材料を用いた。エレクトロスピニング法により繊維状カーボンをシート状に成型・炭素化し，これを集電体に用いた。電池構成材料における構造上の電子特性の検討として，π 電子を担う炭素構造の結晶性が異なる 2 種の繊維状カーボンを採用し，電池出力特性を評価した。このとき採用したカーボン
シートのラマン分光スペクトルを Fig. 2 に示す。
いずれも炭素材料の構造欠陥に起因する D バンド（1390
cm-1）と炭素六角網面の整列に起因する G バンド（1600 cm-1）が観測された。ここで，炭素原子間の sp2,
sp3 混成軌道の割合を評価するために，ベースラインやフィッティング（Voigt）関数を最適化して，それぞれのピーク面積強度；ID/IG 比を算出すると，Fig. 2 の左図では ID/IG = 1.74，右図では ID/IG = 0.989 となった。このことから，右図のものの方が左図よりも sp2 結合割合が多く，定性的に電子伝導性が高いことがわかった。その理由により，電池出力特性についても，右図のものを使用した方が，負荷変動に対する過電圧が小さく，1 個の電池で 500-600 mV の起電力，100~200 µA の反応電流を維持できることがわかった。今後は，カーボンシート内の細孔径分布や真密度を測定し，発電菌が生息活動しやすい条件を探索する。
G

D

D

Intensity / a.u.

G

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000 1000

Raman shift / cm-1

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

Raman shift / cm-1

Fig. 2 2 種のカーボンシートのラマンスペクトル
４．謝辞
本研究を遂行するにあたり，各種装置の操作方法をご指導頂きました先端機器分析センターの早川様，脇川様，小泉様に深く感謝いたします。
５．利用機器XRD, SEM-EDX, PL (Raman)
６．令和３年度研究業績（学会発表）(1) 石橋 大覚・東城 友都．
「溜め池の泥を用いた微生物電池の基本特性評価」，第 24 回化学工学会学
生発表会，2022 年 3 月．
(2) 若槻 直弥，東城 友都．
「酸化物ナノ粒子の光触媒反応を用いた光-電気化学特性の基礎検討」，第 24回化学工学会学生発表会，2022 年 3 月．
(3) 鈴木 新大・東城 友都．
「ブロンズ型 TiO2 の合成とその光触媒反応性の評価」，第 24 回化学工学会
学生発表会，2022 年 3 月．

他2件
13

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

メスバウア分光カメラの開発
氏 名

吉田 豊 静岡理工科大学 理工学部 物質生命科学科 教授

１．概要
物質中のパターン形成を無攪乱でその場観察するために，γ 線の無反跳核共鳴吸収（メスバウア効果）を利用して世界で初めて鉄原子の状態分析可能な「メスバウア分光カメラ」を構築し，様々なパターン
形成のその場観察に成功した [1]．本報告では，-Fe 中の磁区や鉄鋼材料の炭素原子拡散・クラスタ形
成など幅広いパターン形成過程の観察を紹介する．
「メスバウア分光カメラ」は，JST 機器開発により本学で開発された「顕微メスバウア分光装置」と
浜松ホトニクス社製の X 線 CMOS カメラを融合して高分解能 (数 μm)，短時間（数時間）計測を実現した画像計測技術である．顕微メスバウア分光装置は γ 線集光によるマッピング技術で，数 10 μm の空間分解能，1 画像当たり数日の計測時間が必要でパターン形成過程を追跡することは極めて困難であった．
CMOS カメラ（400～900 万画素）は γ 線をシンチレータで光に変換した後に 2 次元画像計測を行う技術
で γ 線に対するエネルギー分解能を有しない．
「メスバウア分光カメラ」では高い S/N での状態分析を実現するために，リニアアクチエータに固定された 57Co 線源から放射される 14.4 keV-γ 線の ON-OFF 共
鳴条件を精密に制御し，リニアアクチエータ周期とカメラ露光タイミングを 8 秒周期で同期させ，メス
バウア効果だけに敏感な画像計測を実現した [1]．
２．-Fe 中の磁区観察
強磁性材料では，57Fe 核位置の内部磁場の方向が γ 線の入射方向に並行な場合と垂直な場合で共鳴反応の断面積が異なるが知られている．これを利用して，6 mm 厚の-57Fe 箔の磁区構造を異なるスペクト
ル線に対応する透過 γ 線によるメスバウア分光画像を計測することにより画像化した： Fig.1 上の３画
像は外部磁場無し，下が面内に 0.35 T の磁場印加時の結果である．一般的に強磁性 Fe のメスバウア・
1-6 lines

2-5 lines

2-5 vs 1-6 lines
lpn

60

60

40

40

20

20

angle(°)
1.0

90.0

60

0.5

67.5
40

Zero
magnetic field

0.0

45.0
20

-0.5

20

40

20

60

40

22.5

-1.0

60

20

40

lpn
60

60

40

40

20

20

60

angle(°)
1.0

90.0

60

0.5

Applying
magnetic field

67.5
40

0.0

45.0
20

-0.5

20

40

60

0.0

20

40

60

22.5

-1.0

Scale bar: 100 mm

20

40

60

0.0

Scale bar: 100 mm

Fig. 1 -57Fe 箔の磁区構造の CMOS 画像（2×105 pixels）：左（ 1-6 ピーク）
，中央（ 2-5 ピーク）
，右（γ線と磁化の成す角度の分布．2 段目は外部磁場（0.35T）の画像 [1].

14

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
スペクトルは 33 T で磁気分裂したよく知られた 6 本の吸収線で，スペクトルの 1-6, 2-5, 3-4 ピーク強度
比は，粉末で 3:2:1, すべての磁区が面内または垂直に配向している場合はそれぞれ 3:4:1 と 3:0:1 の強度比となる．すなわち，図１の 2-5 ピークに共鳴条件を合わせた画像の強度分布は面内磁区分布に対応する．さらに，γ 線と磁区の配向方向が成す角度分布を計算したものが Fig. 1 の右端の図である．明らかに磁場印加時には磁区と γ 線の角度が 90 o の領域（赤）が増加している．さらに，数mm の磁区構造が判別可能であり，顕微メスバウア画像と比較すると sCMOS カメラでは数 10 倍空間分解能が向上している．
３．鉄鋼材料中の炭素原子分布
鉄鋼材料中の炭素の拡散や分布がオース
テナイト，マルテンサイトなどの相変態を制御し，微細構造が変化して延性や強度などの機械的性質に大きな影響を及ぼす．しかし，室温でも容易に拡散する炭素原子の分布や動的挙動は，電子顕微鏡やアトムプ
ローブなどの原子スケールの評価手段が存在する現在においても明らかではない．特に 200 ℃以下の低温度での炭素原子分布は不明な点が多い．本研究では系への攪乱をFig. 2 鉄の八面体位置の孤立炭素原子の第１隣接 Fe 原子に共鳴条件を合わせて「その場観察」を行った．（静岡理工科大学
2021 年度・石田優香卒業研究）

与えないメスバウア分光カメラ技術を用いては八面体位置の孤立炭素原子の第１隣接 Fe 原子に共鳴条件を合わせて「その場観察」を行った．実験では「顕微メスバウア分光装置」に高分解能の qCMOS カメラ（浜松ホトニクス社製）を搭載し，サブミクロンの空間分解能で炭素原子分布や拡散挙動の画像化を目指した．Fig.2 に室温の鉄鋼材料で得られた画像の一例を示す．赤から黄色，および青色部分にメスバウア効果に起因する吸収および放射の強度分布が観察される．サブミクロン領域に至る炭素原子分布が観察される．この得られた 2 次元画像の分析から，炭素原子の二体相関関数を試料面内の 4 つの方向（Area 1～4）ごとに求めた結果が Fig.2
右側のグラフである．異なる方位ごとにマルテンサイトの微細組織分布の影響と考えられる 1 mm 以下の領域から数mm に至る異なる炭素原子間相関が認められる．1 画像は 1 時間程度の測定で取得可能で，時間依存を求めることにも成功している．「メスバウア分光カメラ」は計測による攪乱を全く与えない観察法で，数 μm に及ぶ空間スケールで炭素原子近傍の格子歪みの影響やマルテンサイト微細組織を考慮した炭素原子の拡散や分布の解析が可能になった．
４．謝辞
昨年 8 月発売の qCMOS カメラは極めて高い S/N を有し，画像を拡大するための光学システムと合わせて試験的に利用させていただきました．浜松ホトニクス社の担当者の方々には心よりお礼申し上げます．
５．利用機器顕微メスバウア分光装置 (JST), XRD, EPMA, SEM

15令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
６．令和３年度研究業績（原著論文）(1) M. Kobayashi, K. Hayakawa, Y. Yoshida, R. Röhlsberger, "Mössbauer spectroscopic camera for
operando measurement of pattern formation processes", Hyperfine Interactions, 243:9, (2022).
https://doi.org/10.1007/s10751-022-01796-0.
(2) Y. Yoshida, “Mössbauer Spectroscopic Studies on Atomic Diffusion in Materials”, in Modern Mössbauer
Spectroscopy (Eds. Y. Yoshida and G. Langouche), Topics in Applied Physics, Springer., 137, 445-515,
Jan 20, 2021.
（学会発表）(2) M. Kobayashi, K. Harada, R. Atsumi, Y. Wakikawa, K. Hayakawa, H. Fujiwara, A. Goto, H. Kubo, Y.
Yoshida, "MSM imaging of fractured metallic mould using 6 keV X-ray mapping", International
Conference of the Applications of the Mössbauer Effect, September 2021, Brasov, Rumania.
(3) M. Kobayashi, K. Kosugi, Y. Wakikawa, K. Ogai, K. Moriguchi, Y. Yoshida, “MSM imaging of Fe in Si
solar cell before and after EBIC observation”, International Conference of the Applications of the
Mössbauer Effect, September 2021, Brasov, Rumania.
（特記事項）
本研究で利用した「メスバウア分光カメラ」の画像化術開発は，今後，Prof. Dr. Ralf Röhlsberger，Helmholtz Institut Jena との共同研究としてドイツで継続されることが決まっている．

16令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

XRD および 29Si MAS NMR を活用した無機結晶の構造確認
氏 名

山﨑 誠志

静岡理工科大学 理工学部 物質生命科学科 教授

１．概要
Immersion for
8 weeks

XRD は、結晶・非結晶の構造確認に有用な手法で

NT8w03あり、固体 NMR は、結晶中の局所構造を知るための
NT8w02

Intensity / A.U.

有用な手法である。今年度の報告では、これらの分析
結果の一例について紹介する。

NT8w01

２．モルタル表面処理における相同定

Blank

↓

けい酸ナトリウムは、モルタルの表面含侵材とし↓て用いられる材料である。含侵材の塗布の有無による
硫酸ナトリウム水溶液中での養生における結晶相のQuartz10

違いについて、XRD で検討した。図 1 は、結果の一

15

Portlandite
20

Calcite25

Cristobalite

30
35
40
2 theta (CuK) / degree

Ca2SO4 2H2O
45

50

Na2SO455

60

例であるが、モルタル(Blank)由来のピークに加えて、 図 1. モルタル表面の結晶相の XRD パターン
硫酸ナトリウムだけでなく、二水石膏の生成が確認さ

100

れた。

SS5g+PC1g
Sum(Amorphous)
Tobermorite

３．ポルトランドセメントとけい酸ナトリウムの固化体の構造
ポルトランドセメント(PC)とけい酸ナトリウム(SS)の固化体は、建築分野では、グラウト材として広く用いられている。しかし、生成物がアモルファス構

Normalized intensity / A.U.

80

60

40

20

造のため、構造についての詳しい報告例がない。図 20は、固化体の XRD パターンである。図の赤線は、フィッティングのハローピークで、実測値と良い一致を

15

20

25

30

35
40
2 theta (CuK) / degree

45

50

55

60

図 2. PC と SS の固化体の XRD パターン示すことがわかった。

20

95

18

４．ゼオライトの骨格組成(Si/Al 比)と局所構造の検

16

討

90

Si(nAl)サイト数の関係を示している。このゼオライト
では、骨格中の Al サイトが制限されるため、Si/Al 比

12

85

10
8

80

6

が、70 を境に異なる相関性があることが明らかにな

4

った。

2

75

0

70
0

５．利用機器XRD, NMR

50

100
Si/Al ratio

150

200

図 3. ゼオライトの Si/Al 比と Si(nAl)の関係
17

Number of Si(0Al)

図 3 は、ゼオライトの Si/Al 比と局所構造である

Number of (1Al)

14令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

環境調和型有機合成反応の開発と生物活性物質合成への応用
桐原 正之

静岡理工科大学 理工学部 教授

１．概要
環境汚染物質を排出しない、クリーンな有機合成反応の開発を行なうとともに、それらの反応を活用
して、医薬品開発に繋がるような生物活性物質の合成研究を行っている。今年度は、次亜塩素酸ナトリ
ウム・５水和物結晶（NaOCl・5H2O）を用いる酸化反応、臭素-水-空気下におけるトルエン類の安息香
酸類への光酸化反応、含フッ素液晶物質の効率的合成、小員環の開裂を利用した新規反応の開発研究、を行った。
２． NaOCl・5H2O を用いる酸化反応
NaOCl·5H2O を用いた環境調和型酸化反応として、アルケンのクロロアミド化とそのアジリジン合成への応用（論文 1、学会１）、トリフルオロメチルアリルアルコール類の α,β-エポキシケトン水和物への酸化反応 [学会２、J. Fluorine Chem. 2021, 243, 109719（昨年度成果）]、アリルアルコールからのオキセ
タン形成反応、エン反応によるアリル位塩素化反応、二酸化炭素雰囲気下におけるジスルフィドやチオールからのスルホニルクロリドの効率的合成法、1,3-ジケトンの開裂反応、を開発することに成功した。
未発表のものが多いが、いずれも学会発表・論文発表に向けて準備中である。
ま た 、 昨 年度 の 小 土橋研 究 室 と の共 同 研 究にお い て 見 出さ れ て いた、 機 能 性 高分 子 化 合物をNaOCl·5H2O を用いて分解する反応（Polymer Chem. 2020, 11, 2469-2474）の反応機構に関して、さらに詳細に検討を行った。その結果、機能性高分子中のポリビニルアルコール構造中の 1,3-ジオール部位が、カルボニルへのモノ酸化の後、レトロアルドール反応によって切断されていることを見出せた。
さらに、フッ化カリウムを用いる、含水条件でのスルホニルクロリドからのスルホニルフルオリド合
成反応を見出した。これを NaOCl·5H2O を用いたスルホニルクロリド合成法と組み合わせることにより、ジスルフィドやチオールからのスルホニルフルオリドの効率的合成法を確立することに成功した（学会４）。
３． 「臭素-水-空気下におけるトルエン類の安息香酸類への光酸化反応」
トルエン類の側鎖アルキル基を酸化して安息香酸類を合成する方法は、有機合成化学上重要な反応であるため、環境調和型反応の開発が活発に行われてきた。今回我々は、トルエン類に対して空気雰囲気
化、臭素および水を可視光照射下に反応させると、安息香酸が高収率で得られることを見出した（学会３）。本反応は安価な試薬のみを使用する環境調和型合成反応であり、工業的応用も可能であると考えている。
４． 「含フッ素液晶物質 2-fluoro-4,4'-dipropylbicyclohexyl の効率的合成」
2-Fluoro-4,4'-dipropylbicyclohexyl は、我々によって合成された化合物で、優れた液晶特性を示すことが見出されていた。しかし、その合成法は収率が悪く、この化合物を大量に合成するには不向きであった。
昨年度までの検討で、多くの欠点は解決されていたが、フッ素原子導入反応での収率が低いことが、問題点として残っていた。
今回、フッ素化反応の基質をアルコール体から、そのシリルエーテル体へ変えることにより、2-fluoro4,4'-dipropylbicyclohexyl を高収率で合成することに成功し、全ての問題点を解決することができた。
18

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
５． 「小員環の開裂を利用した新規反応の開発」(１位置換シクロプロピル)メタノール類や、１位置換シクロプロパンカルバルデヒドと DAST との反応により、環拡大フッ素化反応がおこり、フルオロシクロブタン類が得られる反応の、基質一般性や反応の特徴について、明らかにすることができた（学会５）。
さらに、(１位置換-2,2-ジフルオロシクロプロピル)メタノール類や、１位置換-2,2-ジフルオロシクロ
プロパンカルバルデヒドと DAST との反応では、環拡大フッ素化反応ではなく、環開裂フッ素が進行しトリフルオロメチルアリル化合物が生成することも見出した（学会５）。
６． 利用機器
NMR, FT-IR, GC-MS
７． 令和３年度研究業績（原著論文）(1) M. Kirihara, K. Adachi, Y. Sakamoto, K. Tujimoto, S. Yamahara, R. Matsushima, Y. Namba, K. Sato,
T. Kamada, Y. Kimura, S. Takizawa, “Chloroamidation of Alkenes Using Sodium Hypochlorite
Pentahydrate and Its Application to Synthesis of Aziridines”, Heterocycles, 103, 699－706 (2021).
（学会発表）(1) 〇坂本侑吾・辻󠄀本夏月・山原 翔・足立滉太・木村芳一・滝澤 忍・桐原正之，「次亜塩素酸ナトリウム５水和物とニトリルによるアルケンのクロロアミド化とそのアジリジン合成への応用」，日本化学会第 101 春季年会，2021 年 3 月（オンライン開催）．
(2) 〇中村里帆・辻󠄀本夏月・仲倉佳那・齋藤克哉・鈴木勝也・坂本侑吾・木村芳一・桐原正之，「次
亜塩素酸ナトリウム５水和物によるトリフルオロメチルアリルアルコール類のα,β-エポキ
シケトン水和物への酸化反応」，日本化学会第 101 春季年会，2021 年 3 月（オンライン開催）．.
(3) 〇坂本侑吾・釘崎直樹・松浦大輔・山原翔・木村芳一・桐原正之，「臭素-水存在下での無触媒・光照射によるトルエン類の安息香酸類への酸化反応」，第 47 回反応と合成の進歩シンポジウ
ム，2021 年 10 月（オンライン開催）．
(4) ○山原翔・坂本侑吾・桐原正之，「フッ化カリウムを用いたスルホニルフルオリド合成法の開発」，第 47 回反応と合成の進歩シンポジウム，2021 年 10 月（オンライン開催）．
(5) ○中村里帆・仲倉佳奈・辻󠄀本夏月・桐原正之，「(1 位置換シクロプロピル)メタノールおよび 1位置換シクロプロパンカルバルデヒド類の合成と反応」，第 47 回反応と合成の進歩シンポジ
ウム，2021 年 10 月（オンライン開催）．

19

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

超音波が誘起する微小気泡反応場に関する研究
氏 名

南齋 勉 静岡理工科大学 理工学部 物質生命科学科 准教授

１．概要
液体に数百 kHz の高出力超音波を照射すると，mm
サイズのキャビテーションバブル（キャビティ）と呼ばれる微小気泡が生成する。これが疎密波である
超音波によって成長し，断熱圧縮崩壊すると泡の内部は数千度・数百気圧の高温高圧場となる。この局所反応場では有機物の分解が起こるほか，溶媒として水を用いた場合は分解されて強力な酸化剤である
OH ラジカルが生成する。この特殊な反応場を環境汚
染物質の分解やナノ粒子の創製に応用することが期
待されているが，未だ解明の余地は大きい。我々は，
これまでに，水相中の超音波反応場の気液界面領域
や，油相中での超音波反応場の特性に着目して研究を行なってきた。
２．
「有機溶媒中の超音波キャビテーションに及ぼす雰囲気ガス調整後静置時間の影響」
有機溶媒中の超音波反応場は、溶媒自体の分解生成物が複雑であることや、その分解生成物のキャビ
テーションバブル (キャビティ) への影響が大きいことから解明の余地が大きい。本研究室のこれまでの研究から、ガス状炭化水素の生成量から、メチルラジカル再結合(MRR)法を用いて見積もったキャビ
ティ温度と、キャビティ圧壊時に放出される光 (ソノルミネッセンス:以下 SL) の強度の間に正の相関がみられることが分かっている。また、照射対象をベンジルアルコールとした際、雰囲気ガス調整後に静置を行うことで SL 強度が減少するという結果が得られた。本研究では、静置による SL 強度変化が何に起因するのかを解明し、有機溶媒中の超音波キャビテーションの状態と支配要因について、明らかにすることを目的とする。実験としては，数種類の直鎖ア
ルカン、脂肪族アルコールを超音波照射対象として用い、照射容器 (55 mmφ、底厚 1 mm) にそれぞれ 60 mL取った。雰囲気ガスとしてアルゴンを 100 mL/min で 30
分間バブリングした。照射容器を暗室内に設置し、25 ℃の恒温水槽中で静置を行った。静置後、超音波照射装置 (KAIJO 製, QUAVA mini; 200 kHz, 100 W) を用
いて 30 分の照射を行い、光電子増倍管 (浜松ホトニク
ス製, H11890-110) でソノルミネッセンス強度を測定した。
平均 SL 強度を見積もるにあたり、照射開始直後は強度が安定しないことを考慮し、30 分の照射時間中、後20

図２ 平均 SL 強度と静置時間(直鎖アルカン)

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
半 15 分の平均強度を使用した。C8～C16 の種々の直鎖アルカンについて、静置時間の増加に伴う平均強度の変化を図 2 に示す。静置時間の増加に伴い平均強度は減少、安定化する傾向が見られた。これは、前述のベンジルアルコールと同様の傾向であった。また、炭素数の多いアルカンほど静置初期の強度が高く、低下して安定化するまでの時間がかかっていることから、静置による SL 強度変化には蒸気圧や粘度などの物性が起因することが示唆された。次に、C7～C9 のノルマルアルコールと 1.4-ブタンジオールについて、静置時間に伴う平均強度の変化を図 3 に示

図３ 平均 SL 強度と静置時間(脂肪族アルコール)

す。脂肪族アルコールでは、静置時間の増加に伴い平均強度は増加した。この結果は、これまでのベン
ジルアルコールや直鎖アルカンとは逆の傾向であり、これまで静置による SL 強度変化の原因と考えられていた、「静置による気泡核の減少」を否定するものであった。しかし、直鎖アルカンと脂肪族アルコールで正負の違いはあるが、静置による強度変化の大きさ自体は蒸気圧と相関が得られた。今後は、MRR法によるキャビティ平均温度の見積もり及び、電子スピン共鳴 ESR を用いて生成されるラジカル種の同定と定量を行なっていく。
３．謝辞
本研究の一部は，ENEOS 株式会社 中央研究所との共同研究により行われたものです。
４．利用機器ESR，GC-MS
５．令和 3 年度研究業績（原著論文）(1) K. Onoda, B. Nanzai, “Periodic expansion and contraction phenomena in a pendant droplet associatedwith Marangoni effect”, Materials, 15, 239 (2022).
(2) T. Ban, K. Matsumoto, B. Nanzai, Y. Mori, H. Nabika, “Bifurcation of chemically driven self-propelled
droplets on a surfactant adsorbed surface based on spreading coefficients”, Colloids Surf. A, 620, 126563(2021).
(3) B. Nanzai, S. Suzuki, K. Okitsu “Sonochemical degradation of surfactants with different charge types:
Effect of the critical micelle concentration in the interfacial region of the cavity” Ultrason. Sonochem.,
71, 105354 (2021).
（学会発表）(1) B. Nanzai, T. Suzuki, S. Yoshikawa “Difference in spontaneous electrical potential oscillation phenomena
in oil-water biphasic system with chiral isomer”, Pacifichem 2021.
(2) 本田兼吾・鈴木誠也・南齋勉，「陽イオン界面活性剤の超音波分解に及ぼす対イオンの影響」，
2020 年度 第 30 回ソノケミストリー討論会，P13.

21令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

機能性高分子を用いたバイオマテリアルの開発氏

名小土橋 陽平 静岡理工科大学 理工学部 物質生命科学科 准教授

１．概要
病気の早期診断や治療をサポートする機能性高分子は，40 兆円を超える我が国の医療費を削減し，
quality of life を高めることが期待される．機能性高分子は構成するモノマーの特性のみならず，その構
造 (直鎖，分岐，環状，ゲルなど) により物理化学的な性質が変化する．これらの性質は自己集合や自己組織化の引き金となり，ナノスケールで構造制御された材料をボトムアップ式にて構築することができる．近年では精密重合やクリックケミストリーの台頭により，理論上の機能性高分子を具現化することが可能になってきた．我々は新規な機能性高分子を，特にバイオマテリアルとして開発し，医療現場での応用を目指す．本年度の研究成果を以下にまとめる．
２．研究成果(1) ポリビニルアルコール (PVA) フィルムの表面電荷の簡便な制御方法 (学術論文(1))
PVA は，世界で年間 65 万トン生産される高分子であり，包装フィルムや化粧品など身の回りの様々な場面で利用されている．しかしながら，その表面電荷は PVA 由来のマイナス (アニオ ン性 ) であ り， プラス (カチ オン性 ) に する こと で応用 分野 をさら に拡 張でき るこ とが期 待される．これまでカチオン性の天然高分子や合成高分子を PVA に混合することで表面電荷をプラスにする試みが行われてきたが，水に溶解してしまうことや外部 pH により影響を受けてしまうなどの問題点があった．本研究では，PVA に永続的なカチオン性基を有する 3 元共重合体を混合し，得られたフィルムに異なる種類の架橋構造を導入することで、水への不溶化と表面電荷をプラスにすることに成功した．表面がプラスの電荷を持つ PVA フィルムは，マイナスの電荷を持つ化合物を選択的に吸着することが観察された．本研究により得られた新規 PVA フ
ィルムは，センサーや分子の吸着システム，抗菌材料への応用が期待される．
(2) セミの翅のナノ構造を模倣した PVA 材料の抗菌性の評価
細菌による感染症は，少子高齢化や生活習慣病などの基礎疾患人口の増加などから，我が国において近年増加している．特に手術後の傷口や医療デバイスと体の接合部は感染源であり，感染すると重篤な症状の誘発や再手術を要する．現状，患部を高分子などの被覆材により覆うが，感染症を完全には防げない．また，既存の抗菌薬への耐性を獲得した薬剤耐性菌が世界共通の課題となっており，世界保健機
関 (WHO) の報告によると 2050 年には関連する死者数が世界中で 1000 万人に上ると予測されている．
近年，セミやトンボの翅が有するナノサイズのラフネス構造を模倣した材料が，薬剤耐性菌を含めた様々な菌に対し抗菌性を示すことが報告されている．しかしながら，高分子から作成されたナノラフネ
ス構造による抗菌性については報告が限られている．特に，親水的な高分子からなるナノラフネス構造
は，大きな表面積から水中でナノ構造を維持することが難しい．我々は，架橋構造を工夫することで，親水的なナノラフネス構造を簡便に調製し，ナノラフネス構造がグラム陰性菌およびグラム陽性菌どちらについても捕捉することを発見した．捕捉された細菌は，細菌死につながる膜の変形などが観察された．
22令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

３．謝辞
研究の一部は，文部科学省 科学研究費助成事業 (19K09240，20K21630)，公益社団法人 池谷科学技術振興財団研究助成，文部科学省 地域イノベーション・エコシステム形成プログラム により実施されました．
４．利用機器
NMR，ゼータ電位・粒径・分子量測定システム，UV-vis，SEM，SPM，FT-IR，DSC，GC-MS，マイクロプレートリーダー，細胞実験室，細菌実験室
５．令和３年度研究業績（学術論文）*Corresponding Author(1) K. Fujimoto, A. Yamawaki-Ogata, Y. Narita, Y. Kotsuchibashi*, “Fabrication of cationic poly(vinyl
alcohol) films cross-linked using copolymers containing quaternary ammonium cations, benzoxaborole,and carboxy groups”, ACS Omega, 6, 17531－17544 (2021).
(2) A. Doda, M.S. Azad, Y. Kotsuchibashi, J.J. Trivedi, R. Narain, “Investigation of alkali and salt resistantcopolymer of acrylic acid and N-vinyl-2-pyrrolidinone for medium viscosity oil recovery”, Canadian
Journal of Chemical Engineering, ASAP.
(3) S. Tako, T. Mochizuki, M. Nakayama, Y. Kotsuchibashi, K. Tashiro, “Water-repellency and surface
roughness with the structures of double layers using electroplated nickel deposit from a chloride bath”,
Transactions of the Institute of Metal Finishing, 99, 80­86 (2021).
(4) A. Goto, S. Wang, Y. Kotsuchibashi, A. Nakata, J. Chen, Y. Chen, K. Hayakawa, “Prevention of hexavalentchromium formation by iron-ion-added electrolyte in electrochemical machining of chromium-containing
steel”, International Journal of Electrical Machining, 26, 9­15 (2021).
（学会発表）(1) 藤本一磨・小土橋陽平， 「セミの翅のナノ構造を模倣したポリビニルアルコール材料の抗菌性の評価」，第 70 回高分子討論会，2021 年 9 月（オンライン開催）．
(2) 小土橋陽平・林大輝・桐原正之，「ポリメタクリル酸材料のポリビニルアルコールによる熱架橋と酸化環境における分解について」，第 70 回高分子討論会，2021 年 9 月（オンライン開催）．
(3) 小土橋陽平，「ナノ構造を有するポリビニルアルコールの架橋フィルムの開発」，第 70 回高分子
年次大会，2021 年 5 月（オンライン開催）．
(4) 藤本一磨・小土橋陽平，「セミの翅のナノ構造を模倣した抗菌性ポリビニルアルコール材料の開発」，第 70 回高分子討論会，2021 年 9 月（オンライン開催）．
(5) 藤本一磨・小土橋陽平，「ベンゾオキサボロール基を含有する三元共重合体によるポリビニルア
ルコールフィルムへのカチオン性の付与と機能性評価」，第 70 回高分子討論会，2021 年 9 月（オンライン開催）．
（書籍）(1) 小土橋陽平，「ポリビニルアルコール(PVA)材料への刺激応答性の付与」，刺激応答性高分子の開発動向，シーエムシー出版 247­252 (2021).

23令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

低分子量キチンを含む素材 LMC60 の培養畑土壌での分解と土壌微生物への影響
齋藤 明広 静岡理工科大学 理工学部 物質生命科学科 教授
１．研究成果の概要
キチンは N-アセチルグルコサミンが β-1,4 結合で連なった直鎖上のアミノ多糖である（図）。
カニ殻やエビ殻，廃菌床などに含まれることか
ら，キチンを含む素材やキチンそのもの，さらにはキチンの誘導体や加水分解物，脱アセチル化
物の有効利用が検討されている。その一つに，農図. キチンの構造式．

業での利用検討が挙げられる。

以下，本年度の研究成果として，キチン加水分解物 LMC60 の培養畑土壌での分解と微生物への影響の評価に関する原著論文（Ootsuka ら 2021．右頁の「令和 3 年度研究業績」の項を参照）の内容を紹介する。
LMC60 は，平均分子量約 3,000 の低分子量キチン (LMwC) と製造の中和過程で生成した塩化ナト
リウムを含む。焼津水産化学工業株式会社（静岡県焼津市）で開発された。LMC60 を主原料とする土壌改良剤 (SLMC60) と LMwC は，それぞれキチンと同様，病原微生物に起因する植物病に対する抑制効果を示すことが報告されている 1)。しかしながら, SLMC60 が効果を示す植物病の種類がキチンとは異なったこと 1)から，SLMC60 は植物あるいは土壌微生物に対してキチンとは異なる効果を持つことが想像された。本研究では，キチンと SLMC60 間の植物病に対する効果のスペクトル差の原因を解明する研究の一部として，LMC60 の培養畑土壌における分解プロファイルと，土壌の抗真菌特性および微生物群集構造を，キチンの場合と比較しつつ解析した。LMC60 を添加した土壌とキチンを添加した土壌は，添加していない土壌よりも病原性 Fusarium oxysporum 株の生長を阻害する性質を強く示した。
LMC60 とキチンの量の減少傾向と，それに伴うアンモニウムの蓄積パターンは同様であった。LMC60とキチンの細菌と真菌の群集構造に対する影響は次のように明確に区別できた。①3 つの細菌の科（Bacillaceae，Paenibacillaceae，Alkaligenaceae）の相対量は LMC60 を添加した土壌でのみ有意に増加した。②LMC60 はキチンよりも早くに Promicrosporaceae 科の相対量を増加させた。③真菌に関しては, Fusarium 属は LMC60 とキチンのいずれの存在下でも増加した。 ④Mortierella 属はキチン添
加土壌でのみで大きく増大し, Colletotrichum 属と Malbranchea 属は LMC60 を添加した土壌でのみで増加した。
1) 門田育生・岡田浩明・吉田隆延・又平芳春・豊田真司．「植物病害防除剤及びそれを用いた植物の病害防除法」. 日本国特許出願公開．特開2004-323460. 2004年11月18日公開．

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令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
２．謝辞
本研究は，焼津水産化学工業株式会社の担当者が，齋藤に対し，自社で開発した低分子量キチン（LMC）
について，植物病の発病抑止に関する効果を紹介したことを発端に行われた。焼津水産化学工業（株）には，LMC60 を譲っていただいた。
３．利用機器①可視紫外光分光光度計（DNA 濃度の測定），②リアルタイム PCR（特定 DNA 断片の定量），③GC-MS（糖質およびアミノ酸の定量）, ④マイクロプレートリーダー（酵素活性測定，タンパ
ク質定量），⑤AKTA（タンパク質精製），⑥超音波破砕装置（細菌細胞の破砕），⑦凍結乾燥機（土壌抽出液の処理），⑧大型冷却高速遠心分離機，⑨蛍光 X 線分析装置，⑩安全キャビネット，⑪蛍光顕微鏡(参考) 当該研究室で実施した修士論文研究と卒業研究のタイトルと使用機器(1) 飯山 愛理（①②）
「畑土壌中の微生物に対するメチオニン影響」(2) 坂間 椋介（①②③④⑤⑥➆⑧）「放線菌リゾチームの異種発現系の構築と土壌微生物バイオマス推定への利用」(3) 荻島 晴紀（⑪）
「高分子の抗菌性の研究」(4) 窪田 圭佑（①④）｢放線菌キチナーゼの研究｣(5) 関島 玄太（④⑤⑥➆⑧）「法瀬人リゾチームの研究」(6) 曽根 聡（④）
「複合微生物系によるキチン分解の研究」(7) 中村 美輝「細菌間相互作用の研究」
４．令和３年度研究業績（原著論文）(1) E. Ootsuka, Y. Iwasaki, K. Takagi, A. Saito, “LMC60, a material containing low-molecular-weight chitin:degradation and effects on soil microorganisms in incubated upland soil”, Soil Science and Plant Nutrition,
67, 389—399 (2021).
（学会発表）(1) ○坂間涼介・齋藤明広，「真菌/細菌バイオマスの新規推定法の確立を目指した Streptomyces

griseus IFO 13350 の推定 N-アセチルムラミダーゼの異種生産系の構築・精製と分解特異性の解明」，本微生物生態学会 34 回大会，2021 年 10 月（オンライン開催）．
(2) ○飯山愛理・齋藤明広，「培養土壌中の植物病原性フザリウムと細菌群集に対するメチオニン
添加の影響の評価」，本微生物生態学会 34 回大会，2021 年 10 月（オンライン開催）．
（著書）(1) 南澤究（編著）・妹尾啓史（編著）・青山正和（著）
・齋藤明広（著）
・齋藤雅典（著），「エッセ
ンシャル土壌微生物学 作物栽培の基礎」
，講談社.
（その他）
(1) 齋藤明広，「畑土壌でのキチン分解の研究への細菌群集構造解析の利用とインパクト，静岡大学グリーン科学研究所共同利用機器セミナー，2021 年 3 月（オンライン開催）．

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令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

Serratia nematodiphila H-1-1 株の産生するミミズ殺傷物質に関する研究
氏 名

宮地 竜郎

静岡理工科大学 理工学部 物質生命科学科 教授

１．概要
微生物は新規な生理活性やユニークな構造を有する化合物を産生する。このような物質の生理活性や化学構造に対する理解は新しい医薬品や農薬の開発につながる。本研究室の先行研究において、ヤマト
ヒメミミズに対する殺傷活性を指標に目的菌株のスクリーニングが実施され、土壌より分離した
Serratia nematodiphila H-1-1 株に有望な活性が見出された。ミミズが属する環形動物は系統上、ダニや昆虫等の節足動物と比較的近縁であるため、H-1-1 株の産生するミミズ殺傷物質は有害な節足動物に対しても活性を有する可能性がある。本研究では、無性生殖により早く増殖し、飼育が簡便なヤマトヒメミ
ミズ (Enchytraeus japonensis) を用いた殺傷活性の測定系を構築し、H-1-1 株が産生するミミズ殺傷物質の分離・精製、構造解析を試みた。
２．菌株の産生するミミズ殺傷物質の構造解析
H-1-1 株は培養上清中のミミズ殺傷活性に基づいたスクリーニングにより得られた細菌であるため、
少なくとも培養上清中には殺傷物質が含まれる。本研究では、菌体内や細胞表層にも殺傷物質が見出される可能性を考慮して、菌体からの活性物質の精製・構造解析を試みた。
１）培養上清中のミミズ殺傷物質の構造解析①分子量の推定培養上清を透析膜（分画分子量：10,000）、限外濾過フィルター（3,000cut、1,000cut）、透析膜（分画分
子量：100〜500）に供し、得られた処理液の活性を測定した。その結果、培養上清中に含まれる活性物
質は分子量 500 以下であることがわかった。
②分別沈殿
カルボキシル基の沈殿剤として酢酸鉛(II)三水和物、塩化バリウム二水和物、硝酸カルシウム四水和物、塩化カルシウム二水和物を用いた。他方、アミノ基の沈殿剤としてピクリン酸、ローダニルブルー、ラ
イネッケ塩一水和物、3,5-ジニトロ安息香酸、ピクロロン酸、メチルオレンジを用いた。各沈殿剤の水溶液を調製し、ミミズに添加したところ、死滅は認められなかった。培養上清と沈殿剤を 5：1 の比率で混合し 10 分間放置し、遠心分離をすることで得られる上澄み液の活性測定を行った。その結果、カルボキシル基の沈殿剤である硝酸カルシウム四水和物と塩化カルシウム二水和物およびアミノ基の沈殿剤である 3,5-ジニトロ安息香酸の添加によって共に活性が消失した。この事より、ミミズ殺傷物質はこれ
らの官能基を有している可能性が示唆された。
２）菌体の無細胞抽出液のミミズ殺傷活性の確認
菌体を生理食塩水で 3 回洗浄し、等量の抽出液（100 mM の塩化ナトリウムを含む 20 mM Tris-HCl 緩
衝液 (pH 7.5) を添加し、細胞を超音波破砕（出力 70%、超音波 ON 1 秒・ OFF 1 秒で 25 秒間のセッ
トを 25 回実施）した。菌体破砕液の遠心分離後に得られる無細胞抽出液の活性を確認したところ、認められなかった。
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令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
３）菌体のメタノール抽出液からの殺傷物質の分離・精製、構造決定
培養液の遠心分離により得られた菌体に対して洗浄なしにメタノールを添加した。これを遠心分離し、上澄み液をエバポレーターにより濃縮した。得られた沈殿に対して、順に純水と酢酸エチルを加え、分液ロートで分配した。水層のミミズ殺傷活性を測定したところ、活性は検出されなかった。続いて、酢酸エチル層をシリカゲルカラムクロマトグラフィーに供し、ヘキサンと酢酸エチルの混合液を用いて溶出させフラクション 1～4（F1～F4）を得た。さらに、酢酸エチルおよびメタノールを用いて溶出させた画分をそれぞれ F5、F6 とした。各フラクションの濃縮物について、活性を測定したところ、F6 に活性が検出された。続いて、F6 を分取薄層クロマトグラフィー（PTLC）に供し、F6-1〜F6-5 を得た。F6-2に活性が検出されたため、この画分に対して PTLC を用いて精製を行った。そして、主要成分であった
F6-2-3 に対して、1D および 2D-NMR 分析を実施した。その結果、この化合物は水不溶性の環状ジペプ
チドである既知物質マキュロシン(Maculosin)（図 1）であった。これまでに、マキュロシンは植物に壊死を引き起こす物質として Pseudomonas aeruginosa や Bacillus 属等から検出されているが Serratia 属からは初めてである。しかし、マキュロシンの市販品を購入して活性を測定したところ、活性は検出されなかったが、可溶化の条件等を検討することで活性が得られる可能性や F6-2 中の微量成分である可能性が考えられる。

図 1 マキュロシン cyclo-(L-Pro-L-Tyr)
３．利用機器NMR４．謝辞
本研究の遂行にあたり、目的物質の精製および構造解析に関して全面的にご指導頂いた本学の鎌田昂先生および、当該物質の化学反応性に関してご教示頂いた本学の桐原正之先生に深謝いたします。
５．令和３年度研究業績（学会発表）(1) 〇趙浴竹・佐藤光将・鎌田昂・宮地竜郎，「Serratia nematodiphila H-1-1 株の産生するミミズ殺傷物質」，日本食生活学会(2) 〇趙浴竹・佐藤光将・鎌田昂・桐原正之・宮地竜郎，「Serratia nematodiphila H-1-1 株の産生するヤマトヒメミミズ殺傷物質」，日本食生活学会。

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静岡県中西部に分布するヒカゲノカズラ科植物の化学成分分析氏

名鎌田 昂 静岡理工科大学 理工学部 物質生命科学科 准教授

１．概要
ヒカゲノカズラ科（Lycopodiaceae）の植物はシダ類に属し、日本には約 30 種が分布している。中でも、古来より髪飾りやお供え物などの装飾品や生薬として用いられてきたヒカゲノカズラとトウゲシバが有名である。その化学成分としては、強力なアセチルコリンエステラーゼ阻害作用を示し、アルツハイマー病に対する治療効果が認められた huperzine A などのリコポジウムアルカロイド群が注目されている。静岡県の森町から島田市にわたる雑木林には、ヒカゲノカズラとトウゲシバが多く自生しているが、これまでに化学成分分析を実施したという報告はない。本研究では、これらの 2 種を対象とし、二次代謝産物の探索と、農薬シーズの創製を目的とした生物活性試験を行った。
２．
「テルペノイドの単離と構造決定」
ヒカゲノカズラ科植物の分布・生育調査は、静岡県中西部の 3 市町村（島田市・掛川市・森町）で実施した。化学成分分析に供した 2 種のサンプルは、2021 年 2 月 19 日に静岡県森町の大洞院周辺の遊歩道で採集した。サンプルはそれぞれメタノールを用いて抽出した。得られたメタノール抽出物を酢酸エチルと水で二層分配し、酢酸エチル画分をシリカゲルカラムクロマトグラフィー（ヘキサン/酢酸エチル系）を用いて 5 つに分画した。その後、各画分を 1H-NMR プロファイリングに供し、二次代謝産物の存在が確認された高極性側の画分 4 と 5 に対して、PTLC を用いた分離と精製を行った。単離した化合物の構造解析では、本学先端機器分析センター所有の核磁気共鳴装置（JEOL ECA-400）を使用した。
ヒカゲノカズラからオノセロイド化合物である-onocerine（1）を単離した。一方、トウゲシバからは、中央の C 環が 7 員環構造をとるセラタン骨格のトリテルペンである serratenediol（2）と serratenediol-3acetate（3）を単離した。森町問詰にて採集したヒカゲノカズラおよび島田市伊久美産のトウゲシバといった別個体に対しても同様の手順で化学成分分析を実施したが、分析結果は同じであった。苔類や藻類
では、たとえ同一種であっても産地の違いによってケモタイプが存在することが知られている。しかし、
本研究で扱ったシダ植物 2 種に関しては、ケモタイプの存在を確認できなかった。つまり、静岡県中西部に分布するヒカゲノカズラとトウゲシバの主要二次代謝産物は、それぞれ化合物 1 および 2－3 であることが分かった。なお、これらの化合物は、同属のヨウラクヒバやホソバトウゲシバなどからも報告されている。
先行研究によると、ヒカゲノカズラ科植物の地上部の組織には多様な内生糸状菌が定着している。近年、リコポジウムアルカロイドを生産する内生糸状菌種が複数報告されているため、ヒカゲノカズラ
科植物は内生糸状菌と共生することでリコポジウムアルカロイドを生産している可能性がある。今回
は、テルペン類に焦点を絞った化学成分研究を行ったが、今後、アルカロイド分配を行うなどして、含有するアルカロイド成分の解明を進める。
３．
「コクゾウムシ忌避活性の評価」
化合物 1 が、コクゾウムシに対して忌避活性（25 mg/cm2）を示した。シダ植物が昆虫に食べられにく
い理由は、このような生物活性に起因すると考えられる。他方、全ての化合物で、キョウナの根の成長
28令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
阻害活性は認められなかった。今後、コマツナやブロッコリーなど他の植物に対しても同様の試験を実施する。

図. 化合物 1－3 の構造
４．謝辞
本研究の一部は、科研費若手研究「21K14904」の支援を受けて実施しました。主体的に、採集活動と実験に取り組んでくれた学部 4 年生の加藤竜矢氏に感謝します。
５．利用機器
核磁気共鳴装置・遠心分離機・マイクロプレートリーダー
６．令和３年度研究業績（原著論文）(1) S. Y. Ng, L. P. Ang, V. L. Hau, M. Suleiman, C. S. Vairappan, T. Kamada,* “Structural diversity,
anti-fungal activity and chemosystematics of Bornean liverwort Bazzania harpago (De Not.)
Schiffner.”, Sains Malaysiana, 50, 101–107 (2021).
(2) K. Sato, K. Kaneko, Y. Kamekawa, K. Taba, S. Ishigami, M. Wada, T. Ishii, T. Abe, T. Kamada,*
M. Suzuki, “Two new halogenated compounds from the marine red alga Laurencia nipponica
Yamada from the Kunashiri and Etorofu islands.” Chemistry and Biodiversity, 18, e2100397 (2021).
(3) Y. Minamida, H. Matsuura, T. Ishii, M. Miyagi, Y. Shinjo, K. Sato, T. Kamada, Y. Mihara, I. Togashi,
K. Sugimoto, T. Abe, N. Kikuchi, M. Suzuki, “New acetogenin katsuurallene from Laurencia saitoi
collected from Katsuura, Japan.” Natural Products and Bioprospecting, Article in Press.
（学会発表）(1) T. Kamada,* K. Sato, K. Nimura, K. Okamoto, “Biological potentials of halogenated secondary
metabolites from Japanese marine red algae Laurencia spp.”, AFOB Malaysia Chapter International
Sympodium 2021, September, Serdang, Malaysia（オンライン開催）.
(2) 佐藤光将・金子賢介・石井貴広・山岸幸正・加藤亜紀・二村和視・岡本一利・菊池則夫・鈴木稔・鎌田昂*，「紅藻キクソゾ由来の新規含ハロゲンテルペンの構造と生物活性」，第 65 回
香料・テルペンおよび精油化学に関する討論会，山口，2021 年 10 月．

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令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

食用植物の食品機能性評価に関する研究
氏 名

髙部 稚子

静岡理工科大学 理工学部 物質生命科学科 准教授

１．概要
生体内でグルコースやフルクトースなどの還元糖がタンパク質と非酵素的に結合する糖化反応が起こると、終末糖化産物 (advanced glycation end products:AGEs) が産生される。AGEs は加齢とともに蓄積され、糖尿病などの生活習慣病の原因となる。AGEs の生成を防ぐ手法の 1 つとしてお茶や野菜、果実などの糖化反応を抑制する成分（抗糖化作用成分）を多く含む食品を摂取することが挙げられる。また、糖化反応は途中に酸化反応を含むため、食品の抗酸化作用も重要と考えられる。本研究では静岡県西部
で生産実績のある食用植物について、食品機能性、特に抗糖化作用と抗酸化作用について検証した。
２．陶片処理水がイチゴの食品機能性に及ぼす影響に関する研究
近年開発された特殊な釉を塗布して作られた多孔質状の特殊陶器片により処理された水（陶片処理水）は溶存水素濃度が上昇することが知られている。水素は強力な抗酸化能を持つため、水素ガスや水素水は様々な酸化ストレスに対して効果を有することが報告されているが、植物に関する効果としては農作物の収量の増加や糖度上昇などが知られている。本研究では 14 品種のイチゴについてそれぞれ通常水と陶片処理水で栽培を行い、収穫後、可食部である花托を薄くスライスし乾燥・粉末化した。乾燥
粉末に超純水を加え 80 ℃で 75 分間加温することで熱水抽出液を作製し、生体ストレス反応である糖化
反応、酸化反応に対する効果を検証した。糖化反応抑制作用（抗糖化作用）の評価はグルコースとタン
パク質（ヒト血清アルブミン）が結合して生じる AGEs が持つ蛍光（励起波長 370 nm、検出波長 440 nm）を測定することで行い、酸化反応抑制作用（抗酸化作用）は、DPPH（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl）ラジカル消去活性評価法を用い、ビタミン E の水溶性アナログである Trolox を標準品として Trolox 当量で算出・評価した。その結果、全てのイチゴ熱水抽出液に抗糖化作用・抗酸化作用が認められたが、陶片処理水により抗糖化作用が亢進した物は 1 品種、抗酸化作用が亢進したものは 4 品種にとどまった。このことから陶片処理水による食品機能の亢進は特定の品種に限定される可能性が示された。
３．生体ストレス抑制効果を持つ植物素材の探索
静岡県産の野菜類を乾燥・粉末化し、「２．」と同様、熱水抽出液を作製し、抗糖化作用及び抗酸化作用について検証を行った。その結果、抗糖化作用・抗酸化作用共、複数の食用植物に認められ、特に抗糖化作用はエゴマ、コリアンダー、抗酸化作用はエゴマ、オリーブの実で高かった。
４．謝辞
研究の遂行にあたり、本学先端機器分析センターの先生方にご協力をいただいたことに感謝いたします。また本研究の一部はふくろい産業イノベーションセンター地域研究助成金によって行われました。
５．利用機器
マルチ検出モードプレートリーダー(TECAN infinite M1000)，食品機能評価室，食品安全評価室30

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
６．令和３年度研究業績（原著論文）(1) Wakako Takabe, Takehiro Nagata, Karin Nakamura, Akiko Kiriyama, Mika Asano, Masayuki Yagi,
Yoshikazu Yonei, Yasushi Kondo, Shinichi Sugiura, “Effect of ceramic pieces-treated water on foodfunctionality of strawberries.”, 投稿中.
（学会発表）なし

31令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

高分子半導体薄膜の光キャリア再結合に対するラジオ波照射効果
氏 名

脇川 祐介

静岡理工科大学 先端機器分析センター 講師

１．概要
炭素社会の実現が求められている中で、光エネルギーと電力を変換する有機半導体は低環境負荷材料として注目されている。有機半導体を用いたエレクトロニクス素子の高性能化にとって、電子正孔対が前駆体となる光キャリアの再結合（図１）は素子性能を左右する重要な素過程である。したがって、材料・素子開発において、素子動作条件下で再結合を評価することが重要である。
本研究では、P 型有機半導体における電子正孔対ダイナミクス

図１ 有機薄膜太陽電池における光キャリアの再結合を解明するために、Poly(3-hexylthiophene-2,5- diyl) (P3HT) 薄膜における低磁場領域の電流検出磁気共鳴 (EDMR) を調査した[1]。試料素子の電気的測定と ESR を融合した測定手法である
EDMR は、ラジオ波の吸収・放出による電子正孔対の再結合量の変化に由来した電流値の増減を測定し、素子動作条件下で電

図２ P3HT の分子構造。

荷再結合を評価できる強力な手法である。
２．実験方法
図３に試料素子と実験装置の模式図を示す。電極間5 mmのITOくし型電極上にP3HT薄膜（厚さ120 nm）をスピンコート
法で製膜し、試料素子とした。試料素子
は、大気暴露防止のために、窒素雰囲気下のグローブボックス内で、石英基板による封止とESR試料管への封入を行った。
50 Ωで終端したコイルを静磁場掃引用のヘルムホルツコイルの中央に設置し、試料管を挿入した。信号発生器とシンセサ
イザーを用いて2 kHzでAM変調したラジ
図３

オ波（1 – 25 MHz）を高周波アンプで増幅

試料素子と実験装置の模式図

し、試料素子にラジオ波磁場を照射した。
照射するラジオ波磁場の強度を一定にするために、50 Ωで消費される高周波電力を一定にした。電圧10Vを試料素子に印可し、波長520 nmの半導体レーザーを照射したときに回路に流れる光電流（I）の変調
成分を、二位相ロックインアンプを用いて位相検出した。測定はすべて室温で行った。

32

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
３．結果と考察
図４に、10 MHz における EDMR スペクトルを示す。

0(B1 // B0)あるいは垂直 (B1 ⊥ B0) に印可した。垂直配置では、B0 = 0.36 mT と B0 =0 m T において EDMR 信号が観I / pA

ラジオ波磁場 (B1) は外部磁場方向 (B0) に対して平行測された。一方、平行配置では B0 = 0 mT の EDMR 信号

-10

-20

のみ観測された。B0 = 0.36 mT の信号は電子正孔対のESR による再結合量の増加に由来する。

B1 // B0B 1 ⊥ B0(a)-2.0

B0 =0 m T の EDMR 信号の特性を調べるために、ラジオ波周波数依存性を測定した（図５）。B0 =0 m T の EDMR

0.0

2.0

Magnetic field (B0) / mT

図４ 10 MHz の EDMR スペクトル

信号強度は 5 MHz 付近で極大を示し、その後ラジオ波周
波数の増加とともに減少した。また、終端抵抗におけるラ作用によってエネルギー分裂した電子正孔対のスピン状
態間の ESR とラジオ波による静磁場効果に由来する。電I at 0 mT / pAた。観測された B0 =0 m T の EDMR 信号は、超微細相互0P50 = 200 mW
P50 = 300 mW
P50 = 400 mW

-10

-1
-2

-20

-3
-4

-30

n at 0 mT / a. u.

ジオ波電力 (P50Ω) の増加に従い、EDMR 信号が増加し0

子正孔対の寿命 (e-h) よりも周期が長いラジオ波を照射した場合、ラジオ波磁場は電子正孔対ダイナミクスに対して静磁場として寄与し、その効果は電子正孔対の寿命に依存する。観測された光電流減少のラジオ波周波数依存性に対して、密度行列を用いた光キャリア濃度変化

2

4

6 8

2

1
10
Radiofrequency (fRF) / MHz

図５ ゼロ磁場 EDMR 信号のラジオ波周波数依存性。実線は密度行列用いて計算した
理論曲線を示す。

(Δn) の理論計算による解析を試み、電子正孔対の寿命を求めた。e-h = 20 ns とした計算曲線は実験値を良く再現した。求めたe-h は、EDMR 信号の AM 変調周
波数依存性から求めた電荷再結合の寿命 13 ms よりも著しく短いことが分かった。このことから、光キ
ャリアの衝突による電子正孔対の形成が、電荷再結合の律速過程であることが明らかとなった。P3HT 薄膜における電子正孔対の遅い形成速度は、希薄な光キャリア濃度（~ 1014 cm-3）と低いキャリア移動度(104 cm2 / V·s-1) が原因であると考えられる。
４．利用機器ESR, XRD, SPM, UV-Vis
５．令和３年度研究業績（原著論文）(1) Y. Wakikawa, T. Ikoma, “Radiowave Effects on an Electron–Hole Pair in a Poly(3-hexylthiophene) near
Zero Magnetic Field”, J. Phys. Chem. C, 125, 26613—26618 (2021).
（学会発表）(1) 〇脇川祐介，「有機半導体材料およびデバイスにおける電荷キャリア・励起子のスピンダイナ
ミクス研究」，第 60 回電子スピン共鳴サイエンス学会年会．
(2) 〇脇川祐介，「有機光電変換デバイスにおけるキャリア再結合の電流検出磁気共鳴研究」，第 23回高柳健次郎記念シンポジウム．

33

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

先端機器分析センター内機器を用いた研究の報告（令和３年度）
氏

名

小林 久理眞 静岡理工科大学 総合技術研究所 客員教授
久野 智子

本学総合技術研究所 特別研究員（博士研究員）

１．概要
本研究グループは、本年度、卒業研究生を受け入れず研究を継続した。主に SEM、VSM、MFM などの機器を使用し、（外部）との共同研究の「磁気余効現象」の測定と磁区構造観察を行った。
トヨタ自動車（株）とは、本研究室所属の久野研究員と小林の共同で、永久磁石の「磁気余効」現象の研究を行っており、主に振動試料型磁力計（VSM）を使用した。同磁力計は玉川製作所（株）と東英工業（株）の整備調整と修理で測定を再開し、ほぼ順調に測定が出来ている。
磁気力顕微鏡（MFM）については、信越化学工業（株）磁性材料研究所（同所中村 元所長が直接窓口）と共同で磁石の磁区構造の観察を継続で行っており、上記の久野智子研究員と、すでに他所に移動した漆畑貴美子（前）研究員が協力して、観察の困難な永久磁石焼結体の結晶 a-b 面の磁区構造の観察を行った。VSM については、立命館大学から譲渡要請が来ており、次年度に移設予定である。
２．ThMn12 型構造永久磁石の研究
立命館大学に移られた藤原弘教授が、この材料の研究に興味を示されており、今年度も、そちらの研究室で焼結実験を行った。解析などは、今後行う予定である。
上述の（SPS）法による焼結磁石については、ThMn12 型構造永久磁石の応用で、特に、工業的な重要度が高いと判断され、本大学法人からの独自出願特許として令和２年８月に特許出願し、さらに、同年１２月には、補正データも追記してさらに再出願を行った。今後も継続して研究課題となる予定である。
３．磁気余効現象の研究
トヨタ自動車（株）提供の永久磁石試料の磁気余効現象を測定、解析している。近年は、従来から広く用いられてきた磁気余効測定法と解析手法を踏襲し、それと Step 法によるデータを比較検討している。ただし、磁気粘性（従来 S と記載）値は、測定時間内で段階的に少しずつ変化することが明らかになった。今後は、試料の相違、測定温度の変化も含めて、解析を広げて行く予定である。また、小林の永久磁石の保磁力研究では、「磁気余効現象」は重要な部分であるので、今後も測定と理論の両面から研究を継続する予定である。
（試料と測定条件の詳細は、共同研究の制約上、本報告書では伏せる）
４．磁気力顕微鏡（MFM）による磁区構造の研究
昨年度同様に、久野智子研究員を中心に、信越化学工業（株）磁性材料研究所と共同で磁石の磁区構造の観察（MFM を使用）を行っている。従来品と改良品（試料と測定条件の詳細は、共同研究の制約上、本報告書では伏せる）における磁区構造の相違に注目して観察を行っている。
５．謝辞
昨年度の報告書でも述べたとおり、上述の研究の内、ThMn12 型構造永久磁石の研究は、経済産業省管34令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
轄の略称 Mag-HEM プロジェクト（令和３年度で終了）からの研究助成を受けて、トヨタ自動車（株）
グループと推進してきたものである。同社には上述した「磁気余効現象」の現在の研究テーマでも助成をいただき深く感謝している。また、信越化学工業（株）には、近年、継続した研究助成をいただき大変感謝している。
６．利用機器
振動試料型磁力計（VSM）及び磁気力顕微鏡（MFM）、SEM
７．令和３年度研究業績（原著論文）(1) Kurima Kobayashi, Tomoko Kuno*, Takahide Yamamoto, “Preparation of (Sm0.8Zr0.2)1.05-1.10 (Fe0.9
Co0.1)11.3Ti0.7 magnets by spark plasma sintering method”, Mater. Trans., 62(12), 1757—1763 (2021).
doi:10.2320/matertrans.MT-M2021077*Corresponding author(2) Kurima Kobayashi, “Role of domain structure change in the coercivity mechanism of sinteredpermanent magnets”, Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy, 68(12), 523—535(2021).
doi.org/10.2497/jjspm.68.523

35

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

XRD および SEM によるコンクリート用骨材の組成・組織分析
氏 名

太田 達見

静岡理工科大学 理工学部 建築学科 教授

１．概要
骨材は、コンクリート全容積の約 70％を占める主要材料で、骨材の乾燥収縮挙動がコンクリートのひび割れ発生の要因となっている。静岡県内では、生コンクリートの製造に主要河川流域から産出される
川砂利が多用されるが、川砂利の収縮挙動や岩種はほとんど解明されていない。本研究は、川砂利の鉱物組成や岩種の解明を XRD または SEM によって試みるとともに、岩種を含む骨材の諸特性がコンクリートの乾燥収縮に及ぼす影響を明らかにし、コンクリートのひび割れ低減策の提案を目指すものである。
２．本研究の成果
本研究では、静岡県内産の川砂利 4 種類の試料にひずみゲージを貼り、湿潤／乾燥環境下および温度変動下においてひずみ挙動を求め、その結果から乾燥収縮率と線膨張係数を求めた。しかし、川砂利は、各河川流域やその上流域から産出されるため、岩種が特定できず、そのため乾燥収縮率や線膨張係数にばらつきが多い。そこで、乾燥収縮率や線膨張係数が最大、最小、および平均値を示した骨材に対して、
XRD や SEM による分析によって岩種や内部組織・組成を明らかにし、こうした特徴的な挙動を示す要因を明らかにすることとした。以下に、本研究で得られた成果をまとめて示す。
1） 静岡県産川砂利 4 種とその比較用の豊橋産石灰砕石の乾燥収縮率を求めた結果、乾燥収縮率は静岡
県産川砂利の方が豊橋産石灰砕石に比べて約 290×10-6 大きく、ばらつきも大きい。また、いずれの骨材も線膨張係数はほぼ同等で、骨材の乾燥収縮率と線膨張係数とは、概ね線形関係にある（図 1）。
2） 骨材の乾燥収縮率が大きいと、それにほぼ比例してコンクリートの乾燥収縮率が大きくなる（図 2）。

図1

骨材の乾燥収縮率と線膨張係数の関係

図2

骨材の乾燥収縮率とコンクリートの乾燥収縮率の関係

3） 本実験において特徴的なひずみ挙動を示した骨材試料を抽出し、XRD 装置による分析および SEM
観察を行った結果、骨材を構成する元素に静岡県内の主要河川による著しい相違は見られず、構成元素によって特異なひずみ挙動を示すか否かは明らかにならなかった（図 3、図 4）。
4） XRD 装置による分析および SEM 観察で、骨材の構成元素を特定することは可能ではあるが、これらの分析結果に基づく骨材の構成元素のみから、骨材の岩種まで特定するに至らなかった。そのため、岩石の結晶観察が行える偏光顕微鏡による骨材の観察、骨材の含有物質の質量分率の推定が可能な定量分析なども取り入れる必要がある。また、岩種の特定方法において、目視による岩種の判別など、骨材分析とは異なる岩種の特定方法についても模索する必要があると考える。
36

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

図3

骨材の XRD プロファイル

図4

SEM によって得られた骨材のスペクトル３．利用機器XRD, SEM
４．令和３年度研究業績（論文）(1) 笠原快斗／田代奨真：静岡県産各種骨材の諸特性評価に関する研究、静岡理工科大学卒業論文、2022.3（学会発表）(1) 静岡県産各種骨材の諸特性評価に関する研究（その 1：粗骨材の乾燥収縮率と線膨張係数）、
日本建築学会大会学術講演会、2022.9（投稿準備中）（その他、特記事項）
当該研究は、JPSP 科研費 JP21K04342 の助成を受けて実施したものである。
５．謝辞
XRD および SEM の操作・分析に際しましては、先端機器分析センター 脇川祐介 講師、小泉武昭
職員から丁寧なご指導を賜りました。文末ながら謝意を表します。
37

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

配位子の特性を活かした新規遷移金属錯体の創製および機能発現
氏 名

小泉 武昭

静岡理工科大学 総合技術研究所 研究員

１．概要
金属イオンと主に有機物からなる配位子との組み合わせにより形成される金属錯体は、金属のみ、あるいは有機物のみでは成しえない特異な物理・化学的性質や機能を発現することから、大きな注目を集めている化合物群である。1,9,10-アンチリジンは、3 個のピリジンが縮環したアントラセン構造をもち、且つ 3 個のイミン窒素が一方のへりの部位に位置している。この構造上の特性から、種々の配位形式をもつ新たな単核・複核錯体の形成が期待できる。
本研究では、配位子としてジベンゾ-1,9,10-アンチリジン (dbanth) を有する新規遷移金属錯体を創製し、その機能について検討した。
２．dbanth を架橋配位子にもつ Rh(II)-Rh(II)二核錯体の研究
dbanth に対して 2 当量の[RhCl3(tpy)] (tpy = 2,2’:6’,2”-terpyridine) を EtOH-H2O 混合溶媒中で加熱還流することにより、濃緑色の生成物 [1] が得られた。1H-NMR スペクトルを測定したところ、非対称な
dbanth 配位子および 2 種類の tpy 配位子が含まれていることが強く示唆された。アセトニトリル－ジエチ
ルエーテルからの再結晶により単結晶を作成し、X 線結晶構造解析(Rigaku XtaLaB Synergy-DW: 東 京
工業大学オープンファシリティ―センター) を行うことでその構造を決定した (Figure 1)。COSY および NOESY スペクトルと得られた構造を照らし合わせることにより、全てのプロトンの帰属に成功した (Figure 2)。

Figure 1. [1]の分子構造(アニオンは省略してある)

Figure 2. [1]の 1H-NMR スペクトルdbanth の帰属のみを表記
38

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書[1]は金属―金属結合を形成しており、それぞれの Rh は+2 価である。原料である[RhCl3(tpy)]は+3 価であることから、反応系中で還元反応が起こっていることがわかる。Rh-Rh 軸上には一方にのみ Cl 配位子が結合している。これは、もう一方の Rh がアンチリジン配位子の金属に配位していないイミン窒素と近い位置にあり、立体障害のため配位が起こりにくくなっているためであると考えられる。
[1]のアセトニトリル溶液に対して過剰量の塩化物イオンを添加すると、赤色の固体が速やかに沈殿した。これをメタノール－ジエ
チルエーテルから再結晶し、X線結晶構造解析を行った。その結果、Cl-が 2 個 Rh―Rh の
軸方向の配位サイトに配位した構造をもつ[2]が生成したことがわかった。[1]はアセトニ
トリルに対して可溶、メタノールに対して不溶であるが、[2]は溶解性が逆転し、アセトニト
リル不溶、メタノール可溶となった。これは、対アニオンが PF6から Cl-へと変換されたことが影響していると考えられる。[2]の希薄メタノール溶液を用いた ESI-MS スペクトル測定では、[2]に加えて Cl の一方が MeO-に置き換わったと考えられるシグナルが現れたことから、容易に置換反応が起こることが示唆された。[2]のメタノール溶液に対して NH4PF6 水溶液を添加すると、赤色溶液が緑色に変化し、濃緑色の沈殿が生じた。これは、[2]から Cl-が 1 個解離し、[1]が再生したことを示している。すなわ
ち、[1]はハロゲンの認識能を持つ錯体であり、センサーとしての機能を発現しうる化合物であることが伺える。
Figure 2. [2]の分子構造(アニオンは省略してある)

３．謝辞
本研究の一部は科学研究費基盤研究 C (課題番号：21K05097) の助成を受け実施しました。X 線結晶構造解析でお世話になりました東京工業大学 オープンファシリティーセンター・清悦久技術専門員、および ESI-MS スペクトル測定でお世話になりました名古屋市工業研究所 材料技術部・山中基資研究員に感謝申し上げます。
４．利用機器NMR, FT-IR
５．令和３年度研究業績（学会発表）(1) 小泉武昭・田中君弥・井手智仁・土戸良高・小坂田耕太郎，「低原子価パラジウムクラスター錯体を用いたジスルフィド類の活性化」，第 52 回中部化学関係学協会支部連合秋季大会，2021 年
10 月（オンライン開催）．

39

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

2.修士論文研究報告
１．

２．

「Serratia nematodiphila H-1-1 株の産生するミミズ殺傷物質に関する研究」
材料科学専攻

趙 浴竹

指導教員

宮地 竜郎

「固体触媒を用いる BDF の合成と応用」
システム工学専攻 鍾 昕翰
指導教員

３．

十朱 寧

「反応性 RF スパッタ法による InxAl1-xN 混晶成長に関する研究」
システム工学専攻 中村 隼輔

４．

５．

６．

７．

８．

９．

指導教員

小澤 哲夫

材料科学専攻

飯山 愛理

指導教員

齋藤 明広

「畑土壌中の微生物に対するメチオニンの影響」「放線菌リゾチームの異種発現系の構築と土壌微生物バイオマス推定への利用」
材料科学専攻

坂間 椋介

指導教員

齋藤 明広

材料科学専攻

坂本 侑吾

指導教員

桐原 正之

材料科学専攻

中村 里帆

指導教員

桐原 正之

「ハロゲンを活用した新規反応の開発」「シクロプロパン化合物を用いる新規合成反応の開発」「紅藻ソゾ由来の含ハロゲン化合物の構造多様性と生物活性」
材料科学専攻

佐藤 光将

指導教員

鎌田 昂

「微生物処理した養豚排水からのアンモニア回収法の検討」

１０．
材料科学専攻

中野 直弥

指導教員

山崎 誠志

１１． 「セミの翅のナノ構造を模倣したポリビニルアルコールを含有する架橋フィルムの調製と抗菌性について」
材料科学専攻
指導教員

40

藤本 一磨
小土橋 陽平令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

Serratia nematodiphila H-1-1 株の産生するミミズ殺傷物質に関する研究1
Earthworm killing substance produced by Serratia nematodiphila H-1-1
趙 浴竹2
Yuzhu ZHAO
１．はじめに希釈液においては死滅が認められたのに対して、熱処理を微生物は新規な生理活性やユニークな構造を有する化行った希釈液においては死滅が確認されなかった。4％よ合物を産生する。このような物質の生理活性や化学構造にり濃度が高い試料においては、熱処理の有無に関わらずミ対する理解は新しい医薬品や農薬の開発につながる。本研

ミズの死滅が認められた。ミミズに種々の浸透圧物質(塩究室の先行研究において、ヤマトヒメミミズに対する殺傷

化ナトリウム、グルコース、ショ糖)を添加したところ、活性を指標に目的菌株のスクリーニングが実施され、土壌同様に死滅した事より、粉末の高濃度溶液による死滅は浸より分離した Serratia nematodiphila H-1-1 株に有望な活性

透圧によるものと考えられた。この事から、H-1-1 株の培が見出された。ミミズが属する環形動物は系統上、ダニや養には 3％濃度の乾燥ブイヨン培地を用いているため、培

昆虫等の節足動物と比較的近縁であるため、H-1-1 株の産

養上清によるミミズの死滅は浸透圧ではなく殺傷活性物

生するミミズ殺傷物質は有害な節足動物に対しても活性質によるものと考えられる。

を有する可能性がある。本研究では、無性生殖により早く

３）培養上清のミミズ殺傷活性の安定性

増 殖 し 、 飼 育 が 簡 便 な ヤ マ ト ヒ メ ミ ミ ズ (Enchytraeus①

培養上清の pH が活性に及ぼす影響

1)

japonensis) を用いた殺傷活性の測定系を構築し、H-1-1 株

培養上清の pH は約 9 であった。培養上清に水酸化ナトが産生するミミズ殺傷物質の分離・精製、構造解析を試み

リウムを添加することで pH を 10 に調整し、希塩酸によた。

って pH を 5～8 に調整し活性を測定した。その結果、pH10

２．実験結果では活性は変動せず、pH5～8 では活性が低減したが、pH

2-1

を再び 9 に戻したところ活性が回復した。純水に希塩酸あ

培養上清のミミズ殺傷活性に関する実験

るいは水酸化ナトリウムを加えて調製した pH5～10 の溶

１）ミミズ殺傷活性測定系の構築
室温下でプラスチックシャーレ内にヤマトヒメミミズ

液をミミズに添加してもミミズは死滅しなかった。

を 3 頭移し、H-1-1 株の培養上清 100μl を 3 頭の上からま②

殺傷活性の熱安定性

とめて滴下し静置した。実体顕微鏡を用いて、ミミズ体内

培養上清を 20˚C から 100˚C まで各温度下で 10 分間加を含めミミズ全体の動きが全て停止するのに要した時間

熱した後の残存活性を測定したところ、50℃まで活性は保を 1 分ごとに計測した。ミミズ全体の動きが停止した場合たれたが、60℃以上で失活した。

は、活性ありと判定した。また、ミミズに純水を添加した③

殺傷活性の酸素感受性と凍結乾燥の検討

ものをネガティブコントロールとした。本測定系において、凍結乾燥で得られた粉末由来の水溶液は活性を有して死滅に 35 分以上の時間を要することはなかったことから、いた。培養上清をアスピレーターと超音波洗浄機を用いて35 分の時点で死滅しなかった場合は活性なしと判断した。

脱気した場合は、活性が長期間保持された。この結果より、今回構築した活性測定系を用いて H-1-1 株から得られた

培養で得られた培養上清は脱気後に凍結乾燥したものを-

培養上清の活性を測定したところ、3 頭とも 5 分以内での20℃で 3 ヶ月保存することとした。

死滅が確認された。

2-2菌株の産生するミミズ殺傷物質の構造解析

H-1-1 株は培養上清中のミミズ殺傷活性に基づいたスク

２）培養上清の希釈倍率と活性の関係
培養上清を凍結乾燥することで得られた粉末を用いてリーニングにより得られた細菌であるため、少なくとも培粉末の 10％（w/v）水溶液を作成し、これを用いて種々の養上清中には殺傷物質が含まれる。しかしながら、一般的濃度の希釈液を調製した。また 10％水溶液の一部は 100˚C、に構造情報が得られていない水溶性低分子有機化合物の10 分間の熱処理を行った。熱処理を行っていない 2～3％

活性に基づいた精製は試行錯誤を伴う。本研究では、菌体

12

２０２１年度修士論文概要
静岡理工科大学 大学院理工学研究科 材料科学専攻

41

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
内や細胞表層にも殺傷物質が見出される可能性を考慮し分であった F6-2-3 に対して、1D および 2D-NMR 分析をて、菌体からの活性物質の精製・構造解析を試みた。

実

１） 培養上清中のミミズ殺傷物質の構造解析施した。その結果、この化合物は水不溶性の環状ジペプチ①

ドである既知物質マキュロシン(Maculosin)（図 1）であっ分子量の推定培養上清を透析膜（分画分子量：10,000）、限外濾過フィた。これまでに、マキュロシンは植物に壊死を引き起こす

ルター（3,000cut、1,000cut）、透析膜（分画分子量：100〜

物質として Pseudomonas aeruginosa 2)や Bacillus 属 3)等か500）に供し、得られた処理液の活性を測定した。その結ら検出されているが Serratia 属からは初めてである。しか果、培養上清中に含まれる活性物質は分子量 500 以下であし、マキュロシンの市販品を購入して活性を測定したとこることがわかった。

ろ、活性は検出されなかったが、可溶化の条件等を検討す②

ることで活性が得られる可能性や F6-2 中の微量成分であ

分別沈殿
カルボキシル基の沈殿剤として酢酸鉛(II)三水和物、塩る可能性が考えられる。

化バリウム二水和物、硝酸カルシウム四水和物、塩化カル
シウム二水和物を用いた。他方、アミノ基の沈殿剤としてピクリン酸、ローダニルブルー、ライネッケ塩一水和物、3,5-ジニトロ安息香酸、ピクロロン酸、メチルオレンジを用いた。各沈殿剤の水溶液を調製し、ミミズに添加したと

図 1 マキュロシン

cyclo-(L-Pro-L-Tyr)

ころ、死滅は認められなかった。培養上清と沈殿剤を 5：

３．まとめ

1 の比率で混合し 10 分間放置し、遠心分離をすることで・ヤマトヒメミミズの殺傷活性測定系を構築した。

得られる上澄み液の活性測定を行った。その結果、カルボ・ヤマトヒメミミズは高浸透圧により死滅するため、殺傷

キシル基の沈殿剤である硝酸カルシウム四水和物と塩化活性の検出にはミミズに添加する液の希釈が必要であカルシウム二水和物およびアミノ基の沈殿剤である 3、5-った。

ジニトロ安息香酸の添加によって共に活性が消失した。こ・ミミズ殺傷物質はカルボキシル基とアミノ基を有するの事より、ミミズ殺傷物質はこれらの官能基を有している

分子量 500 以下の水溶性低分子有機化合物と考えられ可能性が示唆された。

た。

２）菌体の無細胞抽出液のミミズ殺傷活性の確認

・培養上清の活性は脱気後に凍結乾燥したものを-20℃保菌体を生理食塩水で 3 回洗浄し、等量の抽出液（100mM存することで長期が可能であった。

の塩化ナトリウムを含む 20mM Tris-HCl 緩衝液(pH7.5)を・無洗浄菌体のメタノール抽出液の精製から得られた活添加し、細胞を超音波破砕（出力 70%、超音波 ON1 秒・性を有する最終精製標品は水不溶性の環状ジペプチド

OFF1 秒で 25 秒間のセットを 25 回実施）した。菌体破砕であるマキュロシンと決定した。しかしなから、市販の液の遠心分離後に得られる無細胞抽出液の活性を確認しマキュロシンに活性は検出されなかった。

たところ、認められなかった。

謝辞

３）菌体のメタノール抽出液からの殺傷物質の構造決定

菌体からのミミズ殺傷物質の分離・精製実験は鎌田研究培養液の遠心分離により得られた菌体に対して洗浄な室との共同研究として行われた。鎌田昂准教授、大学院生

しにメタノールを添加した。これを遠心分離し、上澄み液の佐藤光将氏に深謝します。

をエバポレーターにより濃縮した。得られた沈殿に対して、

文献

順に純水と酢酸エチルを加え、分液ロートで分配した。水1)

Y. Nakamura, “A new fragmenting enchytraeid species,

層のミミズ殺傷活性を測定したところ、活性は検出されな

Enchytraeus japonensis from a cropped Kuroboku soil in

かった。続いて、酢酸エチル層をシリカゲルカラムクロマ

Fukushima, Northern Japan (enchytraeids in Japan 5)”,

トグラフィーに供し、ヘキサンと酢酸エチルの混合液を用

Edaphologia, No.50:37-39 (1993).

いて溶出させフラクション 1～4（F1～F4）を得た。さら2)

A. Rudi,Y. Kashman Y, “Amino acid derivatives from themarine sponge Jaspis digonoxea”,J. Nat. Prod. 57, 829-に、酢酸エチルおよびメタノールを用いて溶出させた画分をそれぞれ F5、F6 とした。各フラクションの濃縮物につ832 (1994).

いて、活性を測定したところ、F6 に活性が検出された。続3)

G. S. Jayatilake, M. P. Thomton, A. C. Leonard, J. E.

いて、F6 を分取薄層クロマトグラフィー（PTLC）に供し、Grimwade,B. J. Baker, “Metabolites from an Antarctic

F6-1〜F6-5 を得た。F6-2 に活性が検出されたため、この画

sponge-associated bacterium, Pseudomonas aeruginosa” ,J.

分に対して PTLC を用いて精製を行った。そして、主要成Nat. Prod. 59, 293-296(1996).

42令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

固体触媒を用いる BDF の合成と応用‡
BDF Synthesis Based on Solid Catalyst by Ultrasonic Irradiation method and its Application
鍾 昕翰 §CHUNG,HSIN-HAN
１．緒言が、研究では、卵の殻とアサリの殻を378Kで2時間乾燥さ

近年,地球温暖化やエネルギーの問題が山積しており,
地球温暖化対策をめぐる技術開発が一層加速する中で,再せ、その後1173Kで2時間焼成する。なお酸化カルシウム合成原理の化学反応式を式１に示す。
CaCO3---→CaO + CO2（1）

生可能なエネルギーに関する研究の重要性が高まり,ディーゼルエンジンやジェットエンジン用燃料の代替燃料と調製された触媒は走査型電子顕微鏡（日本電子株式会社

してバイオディーゼル燃料(1)（Bio-Diesel Fuel：BDF）が注目されている。

JSM-IT100）を用いて表面観察（Fig.2）する。最後に，粉末X線回折分析装置（リガク株式会社 Smart lab）を用い本研究は，これまでの研究成果をもとに，液体のアルカ
リ性触媒の代わり，水洗を必要としない固体触媒(2)のゼオて卵の殻とアサリの殻の結晶骨格構造変化（Fig.3）を調査した。結果は卵の殻とアサリの殻の結晶はほぼ同じ，

ライト，卵の殻とアサリの殻を用いた BDF 合成を行い生成率の向上を図る。

limeという酸化カルシウムの一種であることが分かった。

研究では，まず，固体触媒の調製及び成分分析を調査する。続いて，調製した触媒を用いて超音波やマイクロ波合成実験を行い、BDF 生成率を測定した。最後に，小型ディーゼルエンジンや実車を使って燃焼実験を行い，BDF と軽油の熱効率や排ガス濃度などを調べた。
２．BDF 合成原理
BDF 合成原理の化学反応式を Fig.1 に示す。この式は植物油とメタノール・触媒に超音波またはマイクロ波を照射
し，エステル交換反応することで，脂肪酸メチルエステル
Fig.2 卵の殻の表面観察(FAME)とグリセリン(Glycerin)が生成される。この脂肪酸
メチルエステル(FAME)が BDF として用いられる。

Fig.1 BDF合成化学反応式

Fig.3 卵の殻の結晶骨格構造

従来のBDF合成法では、加熱と攪拌が必要とされるが、本研究では、超音波のキャビテーション効果またはマイ4．卵の殻やアサリの殻を用いるBDF超音波合成実験
超音波BDF合成システム実験装置をFig.4に示す。上述

クロ波の加熱効果を使い、省エネかつ高効率的なBDF合成を図る。

の3種類の固体触媒を用いるBDF超音波合成実験では，サ
ラダ油を5ml，メタノールを1ml，固体触媒を1g試験管に3．固体触媒の調製と特性調査
本研究では、固体触媒として、塩基性のゼオライト、卵入れ，65℃の水温に保ち，28kHzの超音波を2時間照射する。反応後，遠心分離器をかけて酸化カルシウムと油をとアサリ殻を用いることにした。市販のゼオライトは塩基性が弱いので、ゼオライトを水酸化ナトリウムに漬けてか分離する。
GCMS(株式会社島津製作所 GCMS-QP2020)により検出しら小型電気炉で焼結する触媒調製を行った。一方、アサリと卵の殻は主成分が炭酸カルシウム(CaCO3)とされている

たBDFの合成結果をFig.5に示す。卵の殻1gを用いたサンプルのBDF生成率は56.3％，アサリの殻1g用いたサンプル‡§

２０２２年度修士論文発表概要
静岡理工科大学 大学院理工学研究科 システム専攻

43令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書のBDF生成率は62.3％に達した。また、卵の殻に比べて、アサリの殻はBDF合成効率が良いとみてとれた。これは触媒成分と吸着性の違いに原因があると思われる。

Fig.7 シャシダイナモメータによる走行実験の概略図

Fig.4 超音波合成装置(本多電子株式会社WT-200-M)

Fig.8 排気ガス(CO2)

Fig.5 超音波照射によるBDF生成率の比較
5．卵の殻やアサリの殻を用いるBDFマイクロ波合成実験
マイクロ波合成実験の合成条件はまず，植物油5mlとメ
タノール1mlを試験管に入れ，周波数28kHzの超音波を30分照射し，乳化させる。次に，固体触媒1gを試験管に入れ，マイクロ波化学反応装置(Biotage社製Initiator+)でエス
テル交換反応を行う。
種々な反応条件（A-J）下のBDF合成結果をFig.6に示す。
Fig.9 排気ガス（NOX）

Fig.6では、アサリ殻0.5gと乳化油3mlを150℃で1minの反応条件で合成されたBDFは最大約93.97％の生成率に達しFig.9 と Fig.10 から，BDF の CO2 排出量は軽油より低い。高速では，NOX 排出量は BDF で比較的低く，時速 40と 50 は軽油が低い。BDF の NOX 排出量は軽油より高い原た。

因は，BDF の発熱量が低いため噴射量が増加し，噴射量とエンジン回転数で制御しているパラメータにずれが生じると考えられる。
6．結論
１） 焼結した卵殻とアサリ殻の主成分は酸化カルシウ
ムである。
２） マイクロ波照射を用いる BDF 合成では、生成率が93.97％に達したことが確認できた。一方、超音波照射の場合は BDF 生成率が 62.3％であった。
３） 排気ガスでは，
BDF の CO2 排出量は軽油より低いが，Fig.6 マイクロ波照射による BDF 生成率の比較
６．シャシダイナモメータによる走行実験
シャシダイナモメータ（新日本特機製シャーシーダイナ

NOX 排出量は軽油より高かった。
文献モメータ）による走行実験の装置図を Fig.7 に示す。トヨタのサクシードワゴンを用いて走行実験を行う。実験では，

１）

坂志朗，バイオディーゼルのすべて，(2006)， ア
イピーシー株式会社．

まず試験車をシャシダイナモメータ上に設置する。続いて，空気抵抗や転がり抵抗の数値をシャシダイナモメータに

２）

岑友里恵，
“酸化カルシウム触媒を用いる油脂からのバイオディーゼル燃料製造におけるトランスメ

入力し,エンジン負荷になる。最後に，車速を 40, 50 と60km/h にかけ，ホダカ株式会社の HT-1300Z を用いてそれチル化触媒活性の向上の検討”，化学工学論文集，
Vol.36，No. 3(2010)，pp. 264-269.

ぞれの排気ガスを測定する。結果は Fig.8,9 に示す。

44

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

反応性 RF スパッタ法による InxAl1-xN 混晶成長に関する研究
Study of Inx Al1−x N Mixed Crystals Grown by Reactive RF Sputtering Method中村 隼輔
Shunsuke Nakamura
1．はじめに窒化物半導体 GaN、InN、AlN やその混晶半導体は、光エレクトロニクス、センサー、パワーデバイスの基板材料として注目されている。特に、Inx Al1−x N混晶は近赤外(0.7eV)から深紫外(6.3eV)までの広い直接遷移型のバンド(a)Al2 O3 基板

ギャップを有し、次世代の多接合太陽電池の材料としても(b)Inx Al1−x N/Al2 O3 成膜試料

図 1 Inx Al1−x N/Al2 O3 成膜試料の外観有望である。Inx Al1−x N混晶の育成上の問題点として、平衡状態で InN と AlN の成長温度、結合エネルギーが異なる

図 2 に 2~8Pa の間で成膜したInx Al1−x N混晶の XRD 測定

ことにより非混和性ギャップによる相分離と組成比の不結果を示す。チャンバー内圧力 2Pa~7Pa では、2θ[deg]が均質性が生じることである。加えて、高温1000℃、高圧下33°付近でInx Al1−x N(0002)の鋭い回折ピークを確認でき、500kPa 以上の育成条件が必要である 1)。本研究では、非平(0002)の配向性が強くなる傾向を示した。チャンバー内圧

衡状態で成膜可能な低温低圧下での成膜が可能な反応性

力 8Pa ではアモルファス状態になることが分かった。チャ

RF スパッタリング法に着目した。

ンバー内圧力が高くなるに伴い、平均自由工程が低下し単

本研究の目的は、Al-In 合金ターゲットを用いてAl2 O3 及相化が低下することが示唆された。

び AlN/Al2 O3 基 板 上 に 反 応 性 RF ス パ ッ タ リ ン グ 法 でInx Al1−x N混晶の単相を育成することである。具体的には、
1)チャンバー内圧力、2)窒素流量比率、3)基板種類の差異、
4)基板への磁場印加がInx Al1−x N混晶の単相化に及ぼす影響を調べた。合金ターゲットによるInx Al1−x N単相育成と基板への磁場印加の報告例は現在までにない。
２．実験方法
反応性 RF スパッタ装置を用いて、Al:50%,In:50%の合金
図2ターゲットを使用し、Ar-N2 雰囲気中でAl2 O3 及びAlN/

2~8Pa の間で成膜したInx Al1−x N混晶の XRD

Al2 O3 基板上にInx Al1−x N混晶を成膜させた。スパッタ電力
50W、スパッタ時間 5~240min、チャンバー内圧力 2~8Pa、４．窒素流量比と結晶性の関係

基板温度100℃付近、窒素流量比率 30~80vol%とした。成図 3 に 窒 素 流 量 比 を 30~80vol% の 間 で 成 膜 し た

膜した試料は XRD、SPM、SEM で評価した。

Inx Al1−x N混晶の XRD 測定結果を示す。ここで、スパッタ

３．チャンバー内圧力変化と𝐈𝐧𝐱 𝐀𝐥𝟏−𝐱 𝐍混晶の結晶性

時間は 30min 一定とした。(a)2Pa では、窒素流量比 50vol%

Ar と N2 の流量比は 50vol%、50vol%一定とし、チャンの場合に最もInx Al1−x N(0002)混晶の回折ピークが鋭く現

バー内圧力を 2~8Pa の間で変化させ、スパッタ時間 30min
でInx Al1−x N混晶を成膜した。図 1 に(a)Al2 O3 基板と(b)チャれた。窒素流量比 70vol%ではInx Al1−x N(0002)面の配向が弱まりInx Al1−x N(101̅3)の配向が強く現れた。(b)4Pa では、ンバー内圧力 2Pa で成膜したInx Al1−x N/Al2 O3 の外観を示

2Pa よりも窒素流量比が高い場合にInx Al1−x N(0002)の配す。透明なAl2 O3 基板に対して成膜したInx Al1−x Nは、オレ向が強まる傾向が見られた。

ンジ色に着色していた。InN のバンドギャップは近赤外にあり、AlN のバンドギャップは深紫外にあるため、光は透
過し無色透明に見える。結果として、InN と AlN ではない
Inx Al1−x N混晶が成膜されていることが予想された。

45

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書できた。

(a)2Pa
図 5 Inx Al1−x N/AlN/Al2 O3 の XRD 測定結果
７．基板近傍の磁場印加による𝐈𝐧𝐱 𝐀𝐥𝟏−𝐱 𝐍結晶成長
チャンバー内圧力 2Pa、窒素流量比 70vol%、スパッタ時間
30~120min、
基板裏面の永久磁石 300mT の条件でInx Al1−x N

図3を 成 膜 し た 。 XRD 測 定 で 現 れ た 回 折 ピ ー ク のInx Al1−x N (10 1̅3 ) 強 度 ∆(101̅3) で Inx Al1−x N(0002) の 強 度(b)4Pa30~80vol%の間で成膜したInx Al1−x N混晶の XRD∆(0002) の強度を規格化した。(α = ∆(0002) ⁄∆(101̅0) )X 線回折
強度比αとスパッタ時間の関係を図 6 に示す。磁場印加の５．スパッタ時間の変化と𝐈𝐧𝐱 𝐀𝐥𝟏−𝐱 𝐍膜厚の関係効果としてスパッタ時間が長くなっても X 線回折強度比

チャンバー内圧力 2Pa、窒素流量比 50vol%においてス

α の低下は見られず、向上する傾向となった。また、成長

パッタ時間を 5~240min の間で変化させ、Inx Al1−x Nを作成

速度も 20%向上することが分かった。

した。各々のInx Al1−x N試料表面のドット状のステップ径
を SPM で測定した。図 4 にドット状のステップ径の平均値とスパッタ時間の関係を示す。0~15min と 30~240min で異なる 2 つの成長過程があることが分かった。0~15min の間は表面状態の緩和過程が生じ、30~240min でステップ拡張過程が生じたと考えた。

図 6 X 線回折強度比 α とスパッタ時間の関係
８．まとめ
合金ターゲットを使用して反応性 RF スパッタリング法によりAl2 O3 及びAlN/Al2 O3 基板上にInx Al1−x N混晶の単相を結晶成長させることができた。AlN 転換層上にInx Al1−x N

図 4 ドット状のステップ径の平均値とスパッタ時間

混晶をスパッタすることでInx Al1−x N(0002)面への配向性を向上させることができると分かった。新しい試みとして

６．AlN 転換層基板を用いた𝐈𝐧𝐱 𝐀𝐥𝟏−𝐱 𝐍結晶成長

基板への磁場印加は、結晶性の改善と成膜速度を向上させマイクロ波プラズマ CVD 装置を用いて、Al2 O3 (0001)基ることができた。

板表面に窒素プラズマを 30~120min 照射することで、AlN転換層(AlN/Al2 O3 )を形成した。AlN/Al2 O3 基板上に反応性

参考文献

RF スパッタでInx Al1−x N混晶（スパッタ時間 30min、圧力

1)A.Núñez-Cascajero, R.Blasco, S.Valdueza-Felip, D.Montero,

2Pa、窒素流量比 70vol%）を堆積させた試料の XRD 測定

J.Olea and F.B.Naranjo：High quality Al0.37 In0.63 N layers

結果を図 5 に示す。AlN 転換層なしのスパッタでは、
Inx Al1−x N(101̅3)面の配向が強く現れたが、AlN/Al2 O3 基板

grown at low temperature (<300 ℃ ) by radio-frequency
sputtering, Materials Science in Semiconductor Processing,

上にInx Al1−x N混晶をスパッタすることでInx Al1−x N(101̅3)

vol.100(2019), pp.8-14.

面の配向が弱まり、Inx Al1−x N(0002)面の配向が強くなる傾向となった。X 線回折強度比 α は 0.2 から 5.9 へと改善46

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

畑土壌中の微生物に対するメチオニンの影響**
Effects of Methionine on Microorganisms in Field Soil
飯山 愛理††
Airi IIYMA
を添加し、そこに、Met 要求性パン酵母（Saccharo- myces

1．背景・目的
発病抑止土壌は、病原菌が存在する畑土壌で感受性作物

cerevisiae BY23849 株）を接種し、30℃、170 rpm で 20を栽培した場合でも、発病が相対的に少ない土壌のことで時間培養し、濁度を測定した。検量線は、既知濃度に段階あるが、その成立についてはいまだ不明な点が多い 1)。食希釈した L-Met 溶液を用いて作成した。土壌抽出液は、土糧増産と持続可能な農業が迫られる中で、発病抑止土壌を壌試料 0.1g に対して滅菌超純水 1ml を添加し、氷温下で継続的かつ人的に成立させる技術を確立することは挑戦

30 分間振とう後遠心し、上清を滅菌して調製した。

的な課題の一つとなっている。エビやカニの殻に多く含ま

2.2

トマト萎凋病菌汚染土壌試料の調製れるキチンは 1962 年の報告 2) 以来、土壌中の植物病原菌

トマト萎凋病菌（Fusarium oxysporum f.sp. licopersiciの密度や植物の病害を低減する効果が報告されてきた。本

race1，以降フザリウム菌）を、前培養した寒天培地ごと研究室で行ってきた土壌でのキチン分解過程の研究の中

約 1 cm 角に切り取り、LB 液体培地 200 ml に 3 つ程度

で、キチン分解の中期にメチオニン（以下 Met とする）

入れた。これを 30℃、140 rpm で 50 時間以上振盪培養し要求性の Lysobacter 属細菌が増加することがわかった 3)。

たのち、滅菌ガーゼと注射針、シリンジで培養液を濾してまた、土壌に Met を添加することで Lysobacter 属細菌が芽細胞のみを回収し、滅菌超純水で洗浄、懸濁した。回収増加し 3)4)、砂丘未熟畑土壌への Met 添加によって病原性した芽細胞は血球計算盤で細胞数を計数し、土壌 1g 当た

フ ザ リ ウ ム の 生 長 抑 制 能 が 高 ま っ た 4) 。 土 壌 中 のり、無添加、6×106 個、1.8×107 個、5.4×107 個、1.6×

Lysobacter 属細菌の存在量はジャガイモそうか病やリゾ

108 個になるように接種した。穴を開けたアルミホイルでクトニア症に対する土壌の発病抑止性と相関があると報蓋をし、3 日間培養してから DNA を抽出、定量 PCR に告されている 5)。また、Lysobacter 属細菌には病原微生物供した。また、土壌は風乾して篩にかけた砂丘未熟畑土壌に対して拮抗作用をもつ種株が知られている。一方、土壌を使用し、芽細胞懸濁液を含めて最大容水量の 60％にな

への Met 添加によって、フザリウム病やネコブ病の病害るように滅菌超純水を添加した。これらはすべて 3 反復でを低減することや、ポット栽培試験でトマト萎凋病菌の病行った。

害 が 低 減 し た だ け で な く 、 フ ザ リ ウ ム 菌 （ Fusarium

2.3

土壌中のフザリウム菌の定量

oxysporum）の菌密度も低下したことも報告されている 6)。

Takada-Hoshino と Matsumoto の方法 8) に従って土壌

これらより、土壌に Met を添加することで土壌の発病抑から抽出した DNA についてフザリウム菌に特異的なプラ

止性を高めることができるのではないかと考えた。しかし

イマー9) を用いて定量 PCR をすることにより、フザリウながら、土壌に添加した Met の消長や、微生物への影響、

ム菌（Fusarium oxysporum）のカルモジュリン遺伝子のフザリウム菌への影響の詳細については不明である。本研

コピー数を定量した。これにより単位土壌あたりのフザリ

究では、Met による土壌への発病抑止能の付与の仕組みを

ウム菌量を評価した。

明らかにするため、土壌に添加した Met の消長、細菌と2.4

真菌に対する影響、および、フザリウム菌量への影響につMet 添加フザリウム菌汚染土壌の調製

風乾して篩にかけた褐色森林畑土壌を遠沈管に量りといて調べた。

り、①滅菌水と芽細胞②滅菌水と芽細胞と L-Met を添加2．方法した。滅菌水は、最大容水量の 60％になるように加えた。

2.1

L-Met は 1 mg/g wet soil になるよう添加した。穴を開け土壌中の L-Met 濃度の測定

L-Met 濃度が 1µg、10µg、100µg、1000 µg/g soil ［それたアルミホイルで蓋をし、30℃で 0~6 日間、又は 0~21 日

ぞれ 0.0001, 0.001, 0.01, 0.1%（g/g soil）に相当、n＝2］ に間培養した。培養期間中は 1 日 1 回重量を測定し、減少しなるように、滅菌超純水に溶解してから添加し、培養したた分の水分を補填してかき混ぜた。培養終了後は-80℃で褐色森林畑土壌試料を作製した。土壌試料中の L-Met 濃保存した。これらはすべて 2 反復で行った。

度は Met 要求性パン酵母を用いた方法 7) を適用して行っ2.5

た。Met 欠損液体培地 7) に、ろ過滅菌した各土壌抽出液

評価**2021 年度修士論文概要
静岡理工科大学 大学院理工学研究科材料科学専攻††

47

L-Met 添加フザリウム汚染土壌での真菌・細菌量の令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
2.4 の 0~21 日間培養した Met 添加フザリウム菌汚染土

3.3

L-Met 添加フザリウム汚染土壌での真菌・細菌量壌において、土壌から抽出した DNA を鋳型とし、定量培養開始後 3 日目で、L-Met の有無に関わらず全細菌量PCR を用いて土壌中の細菌の 16S rRNA 遺伝子のコピー

は大きく増加し、14 日目には培養開始時と同程度まで減数、及び真菌の gITS7-ITS4 領域の遺伝子のコピー数を定少、さらに 21 日目で再び増加した。また、真菌量も L-Met

量 し た 。 定 量 PCR の 標 準 試 料 に は Agrobacteriumの有無に関わらず、一度増加した後に減少していた。これ

rhizogens の DNA 及び Fusarium oxysporum の DNA をらより、細菌量、真菌量は L-Met に影響を受けなかったと用いた。

判断された。

2.6

3.4

フザリウム菌への L-Met の直接的作用

フザリウム菌への L-Met の直接的作用

YPMGA 培地あるいは PDA 培地に L-Met 溶液を添加

YPMGA 培地および PDA 培地に 0～100 µg/ml の L-して調製した L-Met 添加寒天培地に、PDA 培地(L-Met 無

Met を添加しても、フザリウム菌の生長に影響しなかっ添加)で培養したフザリウム菌を培地ごとくりぬき、シャた。1 mg/ml 添加した培地では、L-Met の添加濃度が低い

ーレ中央に接種した。培地のくりぬきには 200µl のチップ

培地や添加していない培地と異なり、気中菌糸形成がほとの先を鋏で切り取ったものを使用した。L-Met 濃度は 0,

んど見られず、コロニーの赤紫色が濃かった。

10, 100, 1000 µg/ml の 4 段階とし、3 反復で、30℃で培

3.5

細菌及び真菌の群集構造解析

L-Met を添加することで、DL-Met を添加した場合と同養した。1 日に一度コロニーの直径を測定し、菌糸がシャーレ全面に広がるまでを培養期間とした。

様に 3)4) 、Lysobacter 属細菌と Cupriavidus 属細菌が増2.7加した。また、この増加は添加後 3 日目にはみられており、微生物群集構造解析

2.4 で調製した土壌より抽出した DNA を用い、16S

その後 1 週間以上が経過しても無添加土壌と比べ多く存

rRNA 遺伝子（細菌）及び gITS7-ITS4 領域（真菌）を対在した。真菌では、フザリウム菌を摂取したため、群集構象としたアンプリコン塩基配列に基づく微生物群集構造

造においてフザリウム菌がほぼ全てを占めており、その中解析を行なった。得られた塩基配列は、QIIME2)を用いてでも 3 日目での存在比が最も多かった。

処理、解析、作図を行った。

4．まとめ

3．結果
3.1

褐色森林土の畑土壌へのフザリウム菌及び L-Met 添加

土壌中の L-Met 濃度の測定

実験において、添加した Met は速やかに消費され、フザ

L-Met 添加土壌での L-Met の消長を調べたところ、培養

リウム菌は Met の有無に関わらず増加した後減少した。

日数に関わらず 1 µg/g soil 添加土壌では L-Met は検出さこの条件では、L-Met の添加は、フザリウム菌密度や細菌れなかった。10 µg/g soil 添加土壌では添加直後の土壌で量、真菌量の増減に影響しないことを示す実験結果を得た。

のみ L-Met が検出され、100 µg/g soil 添加土壌では、培

L-Met による影響よりも、風乾土壌に対する水の添加の方

養 1 日後には約 1/10 に、3 日後には約 1/50 にまで減少しが影響が大きかったのではないかと考えている。一方、L-た。1 mg/g soil 添加土壌では培養 1 日後には約 2/3 に、6Met の添加は細菌群集構造には影響し、真菌に対する競合

日後には検出はできたものの定量限界以下まで減少した。

や 抗 菌 の 性 質 が 報 告 さ れ て い る Lysobacter 属 や

3.2

Cupriavidus 属の割合が増加した。本研究では、土壌に接土壌中のフザリウム菌

フザリウム菌を接種した全ての土壌試料でフザリウム

種したフザリウム菌の芽細胞の密度を低下させる効果は菌に由来する遺伝情報を検出することができたが、接種し

L-Met には認められなかった。L-Met はフザリウム菌の腐た細胞の数よりも定量 PCR により得られた遺伝子のコピ生増殖を抑制する効果は低いものと考えられる。今後、厚ー数の方が少ないことから、土壌に接種したフザリウム菌

壁胞子の発芽や腐生相への移行といった、フザリウム菌のの全てを定量 PCR により検出・定量できるわけではない

感染経路や生活環に焦点を当て、L-Met の影響を調べていことが分かった。しかし、接種した量と検出できた量にはく必要がある。

正の相関関係があり、相対的な評価はできると判断した。

5．参考文献1) 小林ら 1983.
2) Mitchell と Alexander 1962.
3) Iwasaki ら 2020.
4) 飯山 2020.
5) Rosenzweig ら 2012.
6) Mizukubo ら 2001.
7) 藤井ら 2011.
8) Takada-Hoshino と Matsumoto 2004.
9) Mule ら 2004.

フザリウム菌汚染土壌に L-Met を添加し 6 日間培養した場合、フザリウム菌密度は一時的に上昇し、その後添加初期と同程度まで減少した。L-Met を添加しなかった土壌の方でも、L-Met 添加土壌ほどではなかったが、フザリウ
ム菌密度は上昇しその後検証した。21 日間培養した土壌試料では、L-Met の添加の有無にかかわらず、一時的にフザリウム菌密度は上昇した後に添加直後と同程度まで減
少した。

48

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

放線菌リゾチームの異種発現系の構築と土壌微生物バイオマス推定への利用‡‡
Construction of heterologous expression system of actinomycete lysozyme
and application to estimation of soil microbial biomass
坂間 椋介§§
Ryosuke SAKAMA
１． 背景

２． 実験方法
2.1 放線菌由来タンパク質の発現・精製と活性測定

土壌微生物バイオマスとは、土壌中に生息する微小生物(主に糸状菌と細菌、他に原生動物および土壌動物の一部

Streptomyces griseus 由来の推定リゾチーム SGR4818 6)とを包括的に取り扱う場合の概念である 1)。微生物

S. coelicolor A3 (2) 由来の GlcNAcase DasD 7)は大腸菌でバイオマスは、土壌有機物を分解するだけでなく、菌体が、GST 融合タンパク質として生産し、グルタチオン‐セフ

作物養分の供給源・貯蔵源の役割も果たすことから、土壌ァロースアフィニティークロマトグラフィーに供し、精製

生態系の維持に必須なものとなっている 2)。土壌微生物バした。部分精製した SGR4818 を精製するため、陽イオン

イオマスの定量法には、クロロホルム燻蒸法や ATP 法、

交換クロマトグラフィーを行った。DasD は Ebise らが確直接検鏡法や基質誘導呼吸法があるが 3）、真菌と細菌の区立した方法 7)をもとに精製品を得て、キチン分解物やムレ

別の可否や厳密性に議論の余地がある。当研究室では真菌

イン分解物からの GlcNAc の遊離反応に用いた。

と細菌の細胞壁の構成成分に着目した、新たなバイオマス

2.2 キチン分解能の有無の調査が入る)

定量法の開発を行っている。真菌細胞壁成分であるキチン

SGR4818 と卵白リゾチーム (以下、EWL とする) のキと細菌特異的な細胞壁成分であるムレインをそれぞれ特チン分解活性の有無を、コロイド状キチンを基質として評異的に加水分解する酵素を用いることで、真菌と細菌に由価した。EWL とキチナーゼはそれぞれ市販品を用いた。

来する N -アセチルグルコサミン (以下 GlcNAc) を定量す

コロイド状キチンに対して酵素 (キチナーゼ、EWL、る、というものである。本間 (2019) は、本方法の開発基

SGR4818 のうちの１つ) と 0.25 M クエン酸-NaOH 緩衝液盤として、質量分析計付ガスクロマトグラフ (以下 GC/MS(キチナーゼは pH 5.0、SGR4818 と EWL は pH 3.0) を加えとする)を用いた土壌中の GlcNAc 定量方法を確立した 4,5)。

37℃で一晩反応させた。その後、pH 調整のために 3 M リ

また、それをもとに、滅菌畑土壌に対してキチン分解酵素

ン酸緩衝液 (pH 7.0) を添加してから DasD を加え、さらのキチナーゼと N -アセチルグルコサミニダーゼ (以下に 37℃で一晩反応させた。以上の反応の後、遊離した

GlcNAcase)、あるいは、ムレインを加水分解する酵素の卵

GlcNAc の量を HPLC (波長 214 nm、移動溶媒 アセトニト

白リゾチームと GlcNAcase を添加し、共通分解産物であ

リル水＝65：35)8)で測定し、キチン分解の有無を調べた。

る GlcNAc を定量することで、前者からは真菌量を、後者

2.3 微生物乾燥菌体から遊離する GlcNAc の定量からは細菌量を推定できることを示唆した 4)。しかし、本真菌菌体（細胞壁にキチンを含む）および細菌菌体（細間がムレイン分解に用いた卵白リゾチームはキチン分解

胞壁にムレインを含む）の凍結乾燥品に対して各種酵素処活性をもつため、真菌と細菌に由来する GlcNAc の量をよ理を行い、遊離した GlcNAc 量を本間 (2019) が確立したり厳密に推定するためには、キチンを分解せずムレインの方法に従い、定量した。具体的には真菌菌体にはキチナー

みを分解する、より基質特異性の高いリゾチームを用いる

ゼと DasD（GlcNAcase）、細菌菌体には SGR4818（リゾチ必要があった。卒業研究 6)では、放線菌 Streptomyces griseusーム）と DasD（GlcNAcase）をそれぞれ添加し、遊離した由来で、キチンは分解せずムレインのみを分解するリゾチ

GlcNAc をメトオキシム-トリメチルシリル化法 (TMS 化ームと推定される SGR4818 タンパク質の異種発現系を構法) によって誘導体化し、GC/MS の SIM 法によって定量

築し、部分精製した。本研究では、卒業研究を継続し、した。菌体量は 250、500、750、1000 µg/ml の範囲とし、SGR4818 を用いた土壌微生物バイオマスの新規推定方法

遊離 GlcNAc 量と相関関係があるかどうかを調べた。

の開発を目的として、SGR4818 を精製し、その諸性質を調

2.4 キチナーゼと SGR4818 リゾチームを用いた真菌/細菌

べた。その後、得た酵素を畑土壌に添加し、遊離 GlcNAc

バイオマスの推定量を調べ、土壌中の真菌と細菌の比を調べた。
‡‡§§

加熱滅菌畑土壌に対して各種酵素処理を行い、遊離した

2021 年度修士論文概要
静岡理工科大学 大学院理工学研究科 材料科学専攻49

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
GlcNAc 量を本間 (2019) が確立した方法に従い、定量し対してキチナーゼまたは SGL と DasD で処理した結果、た。具体的には、加熱滅菌した褐色森林土、黒ボク土、砂

酵素無添加試料に比べて、遊離 GlcNAc 量が増加した。以丘未熟土にキチナーゼまたはリゾチーム (SGR4818) 、と上から、SGL とキチナーゼを用いることで、土壌中のムレ

GlcNAcase (DasD) を共添加し、遊離した GlcNAc をメト

インおよびキチンが由来の GlcNAc を測定できることを示

オキシム-トリメチルシリル化法 (TMS 化法) によって誘した。測定で得た GlcNAc と内部標準物質のキシリトール

導体化し、GC/MS の SIM 法によって定量した。GlcNAc とのピーク面積比をもとに、F/B 比を算出した結果、褐色森

内部標準物質のキシリトールのピーク面積の比をもとに、林土の F/B 比は 2.1、黒ボク土は 2.0、砂丘未熟土は 0.86 で畑土壌の真菌と細菌の比（F/B 比）を算出した。

あった。

2.5 リアルタイム定量 PCR による微生物バイオマス量推

3.5 各土壌の真菌、細菌遺伝子のコピー数と F/B 比の比較

定法との F/B 比の比較

リアルタイム定量 PCR による真菌と細菌の特定遺伝子2.4 で使用した風乾済畑土壌の真菌と細菌のバイオマス（真菌：gITS7-ITS4、細菌：16S rRNA）のコピー数から F/B

を、リアルタイム定量 PCR を用いた方法で推定した。具比を算出した結果、褐色森林土は 0.21、黒ボク土は 0.10、体的には、真菌と細菌それぞれに特異的なプライマーを用

砂丘未熟土は 0.4 となり、本研究のバイオマス推定法で算いて、リアルタイム定量 PCR で遺伝子のコピー数を測定出した F/B 比とは異なっていた。本研究のバイオマス推定した。
真菌は gITS7-ITS4 領域のコピー数、細菌は 16S rRNA法で、土壌に対する酵素の添加量等の反応条件や酵素の基のコピー数で評価した。コピー数に基づいて、それぞれの質特異性、加熱処理で生じた GlcNAc の由来と量について

土壌の F/B 比を算出し、本研究のバイオマス推定法で算出検討することが必要だと考えられた。

した F/B 比と比較した。

まとめと展望組 換 え タ ン パ ク 質 と し て 放 線 菌 S. griseus 由 来 の３．結果と考察3.1 SGR4818 タ ン パ ク 質 の 精 製 、 リ ゾ チ ー ム 活 性SGR4818 を精製し、キチン分解活性を示さない、ムレイン（最適 pH、最適温度）

特異的なリゾチームであることを示すことができ、SGL と陽イオン交換クロマトグラフィーによって、部分精製品命名した。真菌の乾燥菌体にキチナーゼと DasD を作用さから SGR4818 を精製できた。精製品はリゾチーム活性をせた場合に生じる GlcNAc 量、細菌の乾燥菌体に対して示し、最適 pH は 3.0、至適温度は 50℃であった。以上のSGL と DasD を作用させた場合に生じる GlcNAc 量を定量

結果から S. griseus 由来の SGR4818 を SGL（Streptomyces

することで、それぞれ真菌と細菌の量を特異的に検出可能

griseus Lysozyme）と命名した。

なことを示唆する結果を得ることができた。高圧蒸気滅菌

3.2

した畑土壌に対して各種酵素を添加し、遊離した GlcNAc

SGR4818 のキチン分解活性の評価

同程度のリゾチーム活性を示す EWL と SGL を用いて、を定量することで、F/B を算出することができたが、リア

DasD（GlcNAcase）とともにキチンに作用させたところ、

ルタイム定量 PCR による微生物バイオマス推定法で算出

EWL では GlcNAc が遊離したが、SGL では遊離 GlcNAc

した F/B 比とは異なっていた。今後、土壌に対する酵素のが検出されなかった。すなわち、EWL にはキチン分解活

添加量等の反応条件や酵素の基質特異性、加熱処理で生じ性が認められたが、SGL にはキチナーゼ分解活性が認めた GlcNAc の由来と量について検討することが必要であられなかった。本結果から、SGL は EWL よりもキチンにる。

対する分解活性が著しく低いリゾチームであることが示
された。

謝辞

3.3 酵素処理で遊離する GlcNAc 量と菌体量の相関

本研究での試料調製と分析作業にご協力くださった小真菌である Fusarium oxysporum の乾燥菌体にはキチナ

土橋准教授と脇川講師に感謝いたします。

ー ゼ と DasD を 、 細 菌 で あ る Micrococcus luteus とStreptomyces coelicolor A3 (2) の乾燥菌体には SGL と DasD

文献を作用させて、遊離 GlcNAc 量を定量したところ、いずれ

1) 坂本一憲 (1998) 土と微生物の微生物についても菌体量 500～1,000 µg/ml で正の相関

2) 古澤仁美 (2001) 日緑工誌がみられた。一方で、F. oxysporum に SGL と DasD を作用

3) 木村眞人 (1991) 農土誌

させた場合、また、M. luteus にキチナーゼと DasD を作用

4) 本間大智 (2019) 静岡理工科大学修士論文

させた場合には GlcNAc は検出されなかったことから、キ5) Shimoi ら (2020) Soil Science and Plant Nutrition

チナーゼと SGL の作用の特異性を確認することができた。

6)坂間椋介 (2020) 静岡理工科大学卒業論文

3.4 畑土壌への酵素処理で遊離した GlcNAc 量と F/B 比7) Ebise ら (2015) FEMS Microbiology Letters8) Iinuma ら (2018) Microbes and Environments

高圧蒸気滅菌した褐色森林土、黒ボク土、砂丘未熟土に50

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

ハロゲンを活用した新規反応の開発*
Development of new reactions utilizing halogens
坂本 侑吾***
Yugo SAKAMOTO
1. はじめに
従来の酸化反応は、環境や人に対して毒性の強い重金属
酸化剤や爆発性のある酸化剤が用いられていた。次亜塩素酸ナトリウム五水和物 (NaOCl・5H2O)1)や臭素 (Br2)のよ
うなハロゲン類を酸化剤として用いた場合は、爆発性の危険がなく反応終了後も重金属酸化剤とは異なり、有毒な廃棄物を生じない。今回私は NaOCl・5H2O と Br2 を用いた
4 種類の新規酸化反応について報告する。
2.トリフルオロメチルチオのトリフルオロメチルスルホ
ンへの酸化反応2-1. 研究背景
トリフルオロメチルスルホニル (-SO₂CF₃)基を有する化合物は、医薬品合成に用いられる重要なビルディングブ
ロックである 2)。-SO₂CF₃の合成方法の 1 つとして、トリフルオロメチルチオ (-SCF₃)基を酸化する方法があるが、-SCF₃は CF₃の強力な電子求引性によって酸化されにくくなっているため、重金属酸化剤を用いた特殊な方法が必要だった 3)。当研究室の木下は、PhSCF3 を NaOCl・5H₂O を用いて酸化すると PhSO₂CF3 が得られることを見出していた 4)。しかし、本反応は進行が遅く PhSO₂CF3 を収率良く合成するためには長時間を要するという問題点があった(図 1)4)。
PhS

20% aq. NaOCl (2.4 eq.)
CF3

toluene:H2O=5:1
r.t., 6 d 7 h

PhS

CF3 Ph

a

O
S

CF3

b

3-1. 研究背景
クロロアミド体は、有機合成化学上重要なビルディング
ブロックである。当研究室では、オレフィンに対して室温
条件下、ニトリル系溶媒中で NaOCl・5H₂O と H₃PO₄を反応させるとクロロアミド化反応が進行することが見出していた 3)。しかし、必ずしも収率良くクロロアミド体が得られるとは限らなかった (図 3)。

CF3

BTF, r.t., 4 h

NHCOR
16~90%

図 3. オレフィンのクロロアミド化

3-2. 乾燥剤 (MgSO₄)による収率の向上
収率が低い場合を精査したところ、クロロヒドリンが副生していることを見出した。これは反応系中に存在する水が、中間体のクロロニウムイオンを求核攻撃するために生じると考えられた。このことは、NaOCl・5H₂O のかわりに
市販の 13％ NaOCl 水溶液を使用すると、クロロヒドリン
が主生成物となることから、強く支持された (図 4)。
13% aq. NaOCl (1.2 eq.)
H3PO4 (3.0 eq.)

Cl

CH3CN, 0 oC to r.t., 1 h

O
CF3
S
Ph
O
c

Cl

NHCOCH3

クロロアミド体
31%

OH

クロロヒドリン体62%

図 4. 13％ NaOCl 水溶液を用いた反応

そこで系内の水量を減らすために、乾燥剤として MgSO₄を加えたところ、収率を大幅に向上させることに成功した(図 5)。

2-2. NaOCl・5H₂O とトリフルオロ酢酸を用いた酸化反応
NaOCl・5H₂O を用いて-SCF₃を-SO₂CF₃に効率よく酸化する条件を検討し、トリフルオロメチルベンゼン (BTF)
溶媒中、NaOCl・5H₂O とトリフルオロ酢酸 (TFA)を用い
れば、短時間で酸化できることを見出した (図.2)。
S

Cl

RCN, 0 C to r.t.

図 1. aq. NaOCl を用いた酸化反応

R

R1

o

NMR ratio
a:b:c = 7:1:91

NaOCl・5H2O (7.5 eq.)
TFA (8.0 eq.)

NaOCl・5H2O (1.2 eq.)
H3PO4 (3.0 eq.)R1

Cl

39% (MgSO4 無し)

NHCOt-Bu

59% (MgSO4 有り)

NHCOt-Bu

31% (MgSO4 無し)

NaOCl・5H2O (1.2 eq.)
H3PO4 (3.0 eq.)

MgSO4 (0 eq. or 20 eq.) BzO

BzO
8

O
CF3
S
R
O

o

t-BuCN, 0 C to r.t., 1 h

Cl

8

Ph

Ph

81% (MgSO4 有り)

NHCOt-Bu 16% (MgSO4 無し)
Cl

44% (MgSO4 有り)

図 5. MgSO₄の添加

55 - 94%

図 2. NaOCl・5Ｈ₂Ｏおよび TFA を用いた酸化反応

3-3. 反応機構
HOCl または Cl₂から生じたクロロニウムイオンに対して、ニトリルが求核攻撃し、後処理の段階で加えた水が反応することで、クロロアミド体が生成する (図 6)。

2-3. 酸化反応機構
反応機構は、スルフィドが、NaOCl と TFA から生じた
HOCl によって塩素化され、次いで水酸化物イオンの攻撃
によって塩素が脱離後、脱プロトン化しスルホキシドに変換される。その後、同様の機構によってスルホキシドがスルホンへと酸化されると考えている。
3. クロロアミド化反応とその応用 5)

HOCl or Cl2
1

R

Cl

Cl+
1

R

1

R
N

R

H2O

N
R

図 6. クロロアミド化反応の機構* 2021 年度修士論文概要
1 静岡理工科大学 大学院理工学研究科 材料科学専攻

51

Cl

後処理
1

R

NHCOR

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
3-4. アジリジン合成への応用 5)クロロアミド体に、強塩基である LiHMDS を作用させると、アジリジンへと変換できることを見出した (図 7)。

図 11. NaOCl・5H₂O, NaBr, H₂SO₄を用いた光照射による合成法

しかし、図 11 の条件では系内で生成される臭素ラジカ
ル (Br・)が、溶媒である DCE と反応してしまうという問
題点があった。そこで、Br・と反応しない溶媒として BTFを用いて検討をしたところ良好な収率で p-シアノトルエ
ンが p-シアノ安息香酸へと変換された (図 12)。

LiHMDS (1.2 eq)(H3 C)3Si

N
Li

Cl
R1

Si(CH3 )3N COt-Buo

R1

THF, 0 C to r.t.

NHCOt-Bu

NaOCl・5H2O (6.5 eq.)
NaBr (8.0 eq.), H2SO4 (6.5 eq.)CH341~99%

図 7. アジリジン合成反応

CO2H

BTF : H2O = 5:1, r.t., 24 hNCNChv (白色蛍光灯, 13 W)

4. 炭素-炭素結合の酸化開裂反応
4-1. 研究背景
当研究室では NaOCl・5H2O を酸化剤としたトランス選
択的なグリコール開裂を見出してきた 6)。また、1,3-ジオール構造を持つ PVA 含有高分子が NaOCl・5H₂O で分解することも見出していた 7)。そこで、1,3-ジケトンも同様に
炭素-炭素結合の開裂ができないかを試みた。
4-2. 1,3-ジケトンの酸化開裂反応
1,3-ジケトンに対して CH₃CN 中 NaOCl・5H₂O を用いて反応させると、開裂反応が進行して、カルボン酸が生じることを見出した (図 8)。
O
R

NaOCl・5H2O (5.0 eq.)

O

MeCN, r.t., 0.25 - 1 h

R

5-2. 臭素.水存在下で光反応
上記反応の活性種は臭素ラジカル(Br・)と考えられるため、Br₂でも同様の反応が行えると考え、各種検討をした。
その結果、トルエン類に Br₂と H2O を光照射下 (可視光)で反応させると、目的のカルボン酸が高収率で得られることを見出した (図 13)。
Br2 (2.1 eq.), Air (Open系で反応)
CH3
a

O
2

84%

図 12. BTF:H2O=5:1 (v/v)溶媒中での NaOCl・5H₂O, NaBr, H₂SO₄を用いた光照射による合成法

R

CO2H

BTF : H2O = 5:1, hv, r.t., 24 h

白色蛍光灯 (13 W) or b Blue LED (454 nm, 40 W) RcR

up to 99%

or UV LED (385 nm, 10 W)

OH
87 - 97%

図 13. カルボン酸類の合成反応

図 8. 1,3-ジケトンの酸化開裂反応

5-3. カルボン酸合成反応機構
反応機構は次のように考えている。まず、Br₂が光によりラジカル化し、ベンジル位の水素を引き抜いた後、臭素化され、モノブロモ体が生成し、さらにもう一度臭素化されジブロモ体に変換される。その後、ジブロモ体が光によって再度ラジカル化し、酸素酸化されてカチオンになる。そこに H₂O が求核反応した後、酸素酸化されることでベンゾ
イルブロマイドになる。これが、徐々に加水分解され、カルボン酸が得られる (図 14)。

4-3. 1,3-ジケトンの酸化開裂反応機構
まず、活性メチレン部位が塩素化され、カルボニルに水
酸化物イオンが攻撃し開裂がおこり、カルボン酸とジクロ
ロアセトフェノンのエノラートが生じる。このエノラートが塩素化された後にハロホルム反応がおこり、カルボン酸
がもう 1 分子生じると考えられる (図 9)。
O
Ph

O

O

NaOCl
Ph

O

Ph

OH
Ph

Cl

O

O OH O
Ph

Cl

Ph
Cl

Cl

Cl HO

CCl3

Cl

O

Cl
OH

Ph

Cl

OH

Cl

Cl Ph

O

Cl

O

Ph

Br2

Cl

hv

2 Br
Br

CH3

Cl Ph

R

Br
fast

Br

Br

R

much fast

図 9. 1,3-ジケトンの酸化開裂の反応機構

5. 芳香族側鎖炭素の酸化反応
5-1. 研究背景
トルエンを KMnO₄のような重金属酸化剤で酸化すると、安息香酸が生成する。これは極めて重要な反応で、高校の教科書にも掲載されている 8)（図 10）。しかし、重金属酸化剤を大量に必要とする問題点があった。
1) KMnO4

CO2H

2) H

図 10. KMnO₄による安息香酸合成方法

当研究室では、トルエン類に対して光照射下で NaOCl・
5H₂O、NaBr、H₂SO₄で反応をさせると、カルボン酸類が得られることを見出していた 9) (図 11)。
CH3
R

NaOCl・5H2O (6.5 eq.)
NaBr (8.0 eq.), H2SO4 (6.5 eq.)
DCE : H2O = 5:1, r.t., hv (蛍光灯), 24 h-72 h

CO2HR

21 - 83%

52

R

Br

H2O
R

H

Br

R

HO Br
O2, hv

CH3

hv

Br

R

O
O2, hv
fast

R

Br

H2O

CO2H

slow

図 14. カルボン酸合成反応の機構

本反応は、重金属酸化剤を使用しないといった点から、有機合成化学上極めて有用な反応である。
参考文献
1) Kirihara, M. et al., Org. Process Res. Dev. 21 (2017) 1925.;
桐原正之ら 有機合成化学協会誌 78, (2020), 11.
2) Xu, L. et al., J. Org. Chem. 68 (2003) 5388.
3) Chachignon, H. et al., Chin. J. Chem., 34 (2016) 445.
4) 木下 由香里，静岡理工科大学大学院 理工学研究科 材料科学専攻 2016 年度修士論文
5) Kirihara, M.; Sakamoto, Y., et al., Heterocycles, 2 (2021) 699.
6) Kirihara, M. et al., J. Org. Chem. 84 (2019) 8330.
7) Kotsuchibashi, Y., et al., Polym. Chem., 11 (2020) 2469.
8) 辰巳敬, “化学”, 数研出版株式会社, (2012) 325
9) 足立 滉太，静岡理工科大学大学院 理工学研究科 材料科学専攻 2019 年度修士論文

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

シクロプロパン化合物を用いる新規合成反応の開発†††
Development of new synthetic reactions using cyclopropane compounds
中村 里帆 ‡‡‡
Riho NAKAMURA
１. はじめに

３. シクロプロパン化合物の新規合成法の開発

フッ素原子はその特異的な性質のため医薬品によく利当研究室の仲倉は、１位置換シクロプロピルメタノール

用される元素である。さらに、シクロプロパン環も医薬品

類、および 1 位置換シクロプロパンカルバルデヒド類の研によく用いられる構造(1)であり、さらに環開裂を利用した究をしていた(4)。しかし、それらの原料は 1 位置換シクロ反応の原料としてもとても重要である(2)。これらより、シプロパンカルボン酸を還元することによって合成されてクロプロパン環とフッ素原子を併せもつ化合物は非常にいた。1 位置換シクロプロパンカルボン酸類は、市販され有用であると言える。

ている種類が少なく、また高価であったため、検討可能な

当研究室では、かねてより脱酸素的フッ素化剤であるジ

基質の種類が限られており、この反応は十分に検討されてエ チ ル ア ミ ノ 硫 黄 ト リ フ ル オ リ ド [ ( d i e t h yl a m i n o ) -いるとは言い難かった。そこでまず、反応基質である、1

sulfurtrifluoride：以下 DAST](3)を用いたフッ素化反応の開位置換シクロプロパン化合物類の新規合成法の開発をす発を行ってきた。今回、筆者はシクロプロパン化合物のることにした。
まずアリルブロマイドを合成(5)し、その後、アリルアセ

D AS T を 用 い た 新 し い 環 開 裂 反 応 や 環 拡 大 反 応 を 見出すことに成功した。

テートへと変換した。続いて、塩基性条件下で脱アセチル

２. シクロプロピルシリルエーテル類の環開裂アセトア

化し、アリルアルコールを合成することが出来た。これを、ミド化反応

Simmons-Smith 反応によってシクロプロパン化し、1 位置

当研究室の仲倉は、シクロプロピルシリルエーテル類に換シクロプロピルメタノールを合成することが出来た。さ対し、CH3CN 溶媒中で DAST を反応させると環開裂アミらに、NaOCl・5H２O を用いる TEMPO 酸化(6)によって、ド化が進行し、アリルアミド体を高収率で得られることをアルデヒド体へと酸化し、1 位置換シクロプロパンカルバ

見出した(4)。今回は、本反応の一般性と特徴を確かめるた

ルデヒドの合成に成功した (図 3)。

めに様々な種類の置換基で基質検討をすることにした。その結果、様々な基質で環開裂アミド化反応が進行することが分かった (図 1 )。
TMSO

CH3CN, 0 oC to r.t.
R2) H2O

MgBr2 (1.5 eq.)R

電子求引性芳香族 (70 - 73%)R

NHCOCH3R

アルキル基 (68 - 77%),

CH2Cl2

図 1. 環開裂アミド化反応

OH

R

NaOCl・5H2O (1.2 eq.)
TEMPO (1 mol%)ROH

0 oC to r.t.

電子供与性芳香族(25 - 51%)(2) aq. K2CO3 (1 eq. - 2 eq.)
MeOH, r.t.

Et2O, r.t.

Et2Zn
CH2I2

R = Ph (85%),

1) DAST (1.5 eq.)

(1) AcONa (2 eq.)
CH3CN : DMF = 5 : 1
reflux
Br

NBS
R
TsO

Bu4NHSO4 (5 mol%)oCH2Cl2 , 0 C

HRO

図 3. 1 位置換シクロプロパン化合物の合成

特に、置換基 R が芳香族基質だけでなく、アルキル基で続いて、1 位置換 2,2-ジフルオロシクロプロパン化合物

あっても環開裂アミド化反応が進行することが判明し、本の合成を検討した。まず上記と同様にアリルアセテートを反応に広く一般性があることが分かった。一方、置換基 R合成し、続いてジフルオロシクロプロパン化反応 7)をし、が電子供与性芳香族置換基の場合はやや収率が低下する

1 位置換 2,2-ジフルオロシクロプロピルアセテートを合成傾向があった。

した。その後、脱アセチル化して、目的の 1 位置換 2,2-ジ

さらに溶媒検討の結果、CH3CN 以外のニトリル系溶媒

フルオロシクロプロピルメタノールを、さらに酸化して 1においても目的のアリルアミド体が得られた (図 2)。
1) DAST (1.5 eq.)
TMSO
Ph

RCN, 0 oC to r.t.
2) H2OPh

位置換 2,2-ジフルオロシクロプロパンカルバルデヒドを合成することに成功した (図 4)。

R = CH3 (87%)
i-Pr (27%)
NHCOR
t-Bu (54%)
Ph(46%)

1) TMSCF3 (2.5 eq.)R

OAc THF, pressure tube 120 oC(2) aq. K2CO3 (1 eq. - 2 eq.)
MeOH, r.t.

図 2. 環開裂アミド化反応の溶媒検討

NaOCl・5H2O (X eq.)F

NaI (2.2 eq.)
R

F

TEMPO (1 mol%)F
OH

Bu4NHSO4 (5 mol%)oCH2Cl2 , 0 C

F
H

R
O

図 4. 1 位置換 2,2-ジフルオロシクロプロパン化合物の合成†††‡‡‡

２０２１年度修士論文概要
静岡理工科大学 大学院理工学研究科 材料科学専攻

53

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
また、1 位置換シクロプロピルメタノール、および 1 位

5. １位置換 2,2-ジフルオロシクロプロパン化合物類の環置換 2,2-ジフルオロシクロプロピルメタノールに対して、開裂フッ素化反応

過剰に NaOCl・5H２O を用いて酸化させることによって、1 位置換 2,2-ジフルオロシクロプロピルメタノール類に医薬品等の有用化合物合成原料として有望な、1 位置換シ

対して、CH2Cl2 溶媒中で DAST を反応させると通常のフクロプロパンカルボン酸の合成にも成功した(図 5)。

ッ素置換反応の他に、環開裂フッ素化反応が進行し、ト
リフルオロメチルアリル体が生成することが判明した

NaHCO3 (15 mol%), TEMPO ( 10 mol%)OH

Ph

NaOCl・5H2O (6 eq.)

Ph

EtOAc : H2O = 10 : 1, 0 oC, 17.5 h(図 8)。

COOH

F

76%

F

F
F
OH

Ph

F

NaHCO3 (15 mol%), TEMPO ( 2 mol%)
NaOCl・5H2O (5.1 eq.)

DAST ( 1.1 eq.)F
OH CH Cl , -78 oC to r.t. R
2 2

R
F

EtOAc : H2O = 10 : 1, 0 oC, 20 h

Ph

CF3

F

+
R

F

a
b
a : b = 33 : 67 - 15 : 85

COOH

図 8. 1 位置換 2,2-ジフルオロシクロプロピルメタノールの96%

図 5. 1 位置換シクロプロパンカルボン酸類の合成

DSAT による環開裂フッ素化反応

1 位置換 2,2-ジフルオロシクロプロパンカルバルデヒド

４. １位置換シクロプロパン化合物類の環拡大フッ素化
反応

類の場合も、環開裂フッ素化反応によってアルケン部位に前章の方法で合成した様々な 1 位置換シクロプロピル

フッ素原子が 1 つ置換したトリフルオロメチルアリル体

メタノール類を CH2Cl2 溶媒中で DAST を反応させると、が生じた (図 9)。この場合は、1 位置換シクロプロパンカ

いずれの場合も環拡大反応が生じ、フッ素原子が 1 つ導入

ルバルデヒド類と DAST の反応の場合とは対照的で、置されたシクロブタン体が得られ、本反応に一般性があるこ

換基 R がアルキル基の場合も環開裂フッ素化反応が進行とが分かった。興味深いことに 2 位置換シクロプロピルメした。

タノール類と DAST との反応では、芳香族基質でないと

F(8)反応が進行しない のに対して、1 位置換の場合は、置換R

基 R がアルキル基であっても反応が進行した

F

DAST ( 2.5 eq.)

CHO

CH2Cl2, -78 oC to r.t.

(図 6)。
OH

R

F

F
CF3

R
a

DAST ( 1.1 eq.)
CH2Cl2, -78 oC to r.t.

R = 芳香族 (38 - 57%)

F
R

+

F
R

F

F
b
a : b = 63 : 37 - 38 : 62

図 9. 1 位置換 2,2-ジフルオロシクロプロパンカルバルデヒドのR = -C9H19 (56%)

DAST による環開裂フッ素化反応

図 6. 1 位置換シクロプロピルメタノールの反応

このトリフルオロメチル基をもつ化合物は、反応途中

次に、様々な 1 位置換シクロプロパンカルバルデヒド類

で生じるカルボカチオンが、フッ素原子の電子供与効果

で反応させたところ、環拡大フッ素化反応が起こり、フッによって安定化されたために生成したと推測している。

素原子が 2 つ導入されたシクロブタン体が得られた。本反応では、置換基 R が電子供与性芳香族置換基の場合は、環

文献

拡大体の生成比が上昇し、アルキル基では環拡大反応が全１）Z. Casar, Synthesis, 52 (2020) 1315.

く生成しなかった (図 7)。

２）T. R. McDonald, et al., Chem. Rev., 121 (2021) 3.

DAST ( 2.5 eq.)R

CHO CH2Cl2, -78 oC to r.t.

３）a) W. Middleton, et al,. J. Org. Chem., 40 (1975) 574;
F

F

R

+

F

R

b) M. Hudlicky, et al., Org. React.(N. Y.), 35 (1988) 513.
４）仲倉佳那，静岡理工科大学 理工学研究科

F
a

材料科学

専攻 2019 年度 修士論文b５）a) Y. Y. Kozyrkov, et al., Synlett, (2002) 443.

a : b = 61 : 39 - 0 : 100b) B. Balazs, et al., Angew. Chem. Int. Ed., 58 (2019)

図 7. 1 位置換シクロプロパンカルバルデヒドの反応

1 位置換シクロプロピルメタノール、および 1 位置換シ10305.
c) R. J. Maza et al., Chem. Comm., 56 (2020) 5973.

クロプロパンカルバルデヒドに対してフラン溶媒中でDAST を反応させたところ、共にフランが置換した生成物

６）a) Y. Kimura, et al., Synlett, 25 (2014) 596.

が得られた。この結果より、これらの反応は共にカルボカb) M. Kirihara, et al., Tetrahedron, 72 (2016) 2818.

チオンを経由する SN1 型の反応で進行していることが分７）F. Wang, et al., Ange. Chem. Int. Edi., 50 (2011) 7153.

かった。

８）M. Kirihara, Y. Kikkawa, R. Nakamura, et al., Tetrahedron
Lett., 64 (2021) 152655.

54令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

紅藻ソゾ由来の含ハロゲン化合物の構造多様性と生物活性§§§Structural Diversity and Bioactive Properties of Halogenated Compounds from the Red Algae Genus Laurencia

佐藤光将****
Kosuke SATO
1. はじめにA

世界中の浅海に分布する紅藻のソゾ属（Laurencia）は、
古くから種特異的にユニークな構造を有する二次代謝産物を生産することが知られている。これらの化合物は、セスキテルペン・ジテルペン・トリテルペン、そして C15 ア
セトゲニン類に分類され、その多くがハロゲン原子を含んでいる。ソゾの化学成分研究は、60 年代に、北海道大学の入江遠・鈴木稔らにより開始されたが、半世紀以上経ったB

現在も、毎年数多くの新規化合物が見つかっている。これは、含ハロゲン化合物が示す多彩な生物活性（抗菌・付着C阻害・抗炎症）およびケミカルレースと呼ばれる種内分化した個体群への関心に寄ることが大きい。ごく最近、海洋
天然物化学の世界的権威である Bradley S. Moore 教授（スクリプス海洋研究所）が、この生合成経路に注目したゲノ
ムマイニング研究を開始したことから、ソゾの生産する化図１．静岡県御前崎市産のマギレソゾ

合物の多様性は今後一層注目を集めることになるだろう。

（A：藻体 B：枝拡大 C：サクランボ小体）

本研究では、日本各地に点在する未調査区域に生息する紅藻ソゾを採集・同定した。そして、抽出物中の含ハロゲン3. 二次代謝産物の単離と構造決定化合物を単離し、構造決定の後、生物活性の評価を行った。

各藻体をメタノールで抽出した後、酢酸エチルと水で二層分配を行い、脂溶性画分を得た。これをシリカゲルカラ

2. 紅藻ソゾの採集・同定

ムクロマトグラフィー（ヘキサン/酢酸エチル系）にて、5

静岡県御前崎市産のマギレソゾ（L. saitoi）、モツレソゾ

つに分画した。その後、PTLC と HPLC を用いて、単離・（L. intricata）、下田市産のキクソゾ（L. composita）、千葉

精製を行った。得られた化合物の化学構造を各種機器分析

県勝浦市産のニッポンソゾ（L. japonensis）、マギレソゾ、法（NMR・MS・FTIR）により決定した。新規化合物が見広島県の竹原市、尾道市および内海町産のキクソゾ、和歌

つかったサンプルについて以下に記す。新規化合物の発見

山県白浜町産のヒメソゾ（L. venusta）、北方領土の国後島

は、単に構造の多様性を示すばかりではなく、ソゾ属の生と択捉島産のウラソゾ（L. nipponica）といった総計 6 種 14

合成経路を検討する上でも大きな意味があった。

藻体を採集した。肉眼による形態と光学顕微鏡によるサク3.1. 千葉県勝浦市産と静岡県御前崎市産のマギレソゾ

ランボ小体の観察および塩基配列の確認によって、種の同本州中央部の太平洋沿岸で採集した 2 つの藻体から、総定を行った。藻体の標本と顕微鏡観察下のサクランボ小体

計 8 種の化合物を単離した。この内、化合物 1 は世界初との一例を図 1 に示す。

なる新規化合物であったため、採集地の勝浦市にちなんでkatsuurallene と命名し、国際学術誌で発表した 1)。また、既知化合物の srilankenyne（2）は、国内の紅藻類から初めての報告となった。

§§§
****

2021 年度修士論文概要
静岡理工科大学 大学院理工学研究科

材料科学専攻55

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
規化合物 20 と 21 は 5 mg/cm2 という低濃度で活性を示し

3.2. 広島県竹原市と尾道市産のキクソゾ単離した 4 種の化合物の内、20 と 21 は新規の天然物でた。また、これまでにフジツボのキプリス幼生や付着珪藻あったため、NOESY 相関とカップリング定数の解析からに対して強力な付着阻害活性が認められていた

相対立体を決定した。これらの新規化合物は、採集地であ

cupalaurenol（30）と cyclolaurenol（31）の混合物も強い活った的場海岸にちなみ、matobols AーB と命名した 2)。

性（5 mg/cm2）を示した。同じく、付着阻害活性や抗菌活3.3. 国後島および択捉島産のウラソゾ性が報告されてきた omaezallene（10）、laurenisol（28）お北方領土にて採集した 4 藻体より、総計 8 種の化合物をよび allolaurinterol（29）などにも活性が認められた。以上見出した（科研費基盤 B21405009）。そして、新規の C15 アの結果から、抗菌や付着阻害などの生物活性が報告されてセトゲニンであった deacetylneonipponallene（32）の絶対立

きた海産の天然有機化合物の中には、生育環境が大きく異体配置を、アセチル化によって決定した。加えて、新規のなる陸上の昆虫類に対しても忌避活性を示す有望なシー

カミグレン型セスキテルペン（33）の化学構造も決定し、ズ化合物が眠っている可能性が高い。

neopacifenol と命名した 3)。どちらの化合物の炭素骨格も6. まとめ

これまでに報告例が少ない珍しいものであった。

日本各地の浅海で採集した 6 種の紅藻ソゾから総計 37
種の化合物を単離した。その内訳は、セスキテルペン 21
種・ジテルペン 2 種・トリテルペン 3 種・その他 1 種および C15 アセトゲニン類が 10 種であった。新規化合物は国際学術誌で発表した 1-3)。
環境にやさしい農薬シーズの創製を目的として、紅藻のソゾ属から新奇な生物活性を有する含ハロゲン化合物の探索を行ってきたわけだが、これらが害虫に対する忌避剤
開発の種となる可能性を示唆できた。これまでにソゾからは数多くの化合物が報告されてきたものの、未だ実用化されたものはない。持続可能な開発目標が叫ばれる昨今、環境にやさしい SDGs 対応型の忌避剤開発を目標に、「海洋
天然生物資源からのモノ取り研究」が再び活発化することを望む。
図 2．新規の含ハロゲン化合物

7. 謝辞
サンプルの一部は、静岡県水産・海洋技術研究所の二村

4. ケモタキソノミー
得られた新規化合物は、紅藻ソゾのケモタキソノミーを和視博士、広島大学の加藤亜紀准教授、千葉県立中央博物論じる上で重要な知見となった。具体的に、これまで主要館の鈴木稔博士らから提供して頂いた。種の同定では、福な二次代謝産物として、高度に酸素化された chamigrene 類

山大学の山岸幸正准教授にご協力頂いた。また、生物活性のみが報告されてきたキクソゾにおいて、全く異なる化合評価では、琉球大学の石井貴広准教授にご助言を頂いた。

物 20 や 21 を生産する新しいケミカルレースの存在が明

全ての共同研究先と研究者方に感謝申し上げる。

らかになった。隣接する地域（因島と横島）でケミカルレースが全く異なるのは興味深い。北方領土産のウラソゾの8. 発表論文

化学成分分析では、これまでに北海道地方で報告されてき

1) Minamida, Y., et al. Nat. Prod. Bioprospect. Accepted, 2022.

た 9 種のケミカルレースとは異なる、ハイブリットタイプ

2) Sato, K., et al. Chem. Biodivers. 18, e2100397, 2021.

のケミカルレースが見つかった。

3) Minamida, Y., et al. Biochem. Syst. Ecol. 96, 104259, 2021.

5. 生物活性の評価
コクゾウムシに対する忌避活性試験を行ったところ、新56

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

微生物処理した養豚排水からのアンモニア回収法の検討
Investigation of ammonia recovery method from microbially treated pig farming wastewater
中野 直弥 †
Naoya Nakano
1．背景と目的G/L 比 2 と 4 の条件で回分式試験を行っており、アンモニ

畜産事業所から公共用水域の流水には、家畜の排泄物由

ア除去率の平均値は、それぞれ G/L 比 2 で 40 %、G/L 比

来の窒素が含まれている。水質汚濁防止法では、アンモニ

4 では 90 %と報告し、G/L 比が高い場合の方がアンモニア

アの排水基準がある。畜産農業には、暫定基準値として現除去率も高くなる傾向が確認されており、この報告を参考

在 500mg/L の値が定められているが、今後も規制の強化に、本研究では G/L 比を決定していく。

が予想される。現状では、養豚排水から固形物を取り除き、

3．実験方法

無限希釈でアンモニア濃度を下げ、河川へ放流されている。

アンモニアストリッピング装置は、自吸式ポンプで空気

一部では、アンモニアストリッピング法により、基準値以を循環させる閉鎖系とし、ステンレス製曝気槽は、処理中下の濃度に下げる方法が用いられている。共同研究先の村の溶液を分取できる分取口が取り付け、温度調整ができる

上開明堂では、事業所から出る廃ガラスの再利用として発ようにしたものを製作した。製作した装置を使用し、G/L

泡ガラスを製造している。この発泡ガラスに微生物を棲ま比と初期 pH の検討を行った。G/L 比は G/L=比 2 および 4

わせ、微生物処理を行い、アンモニア濃度を下げる技術のの比較試験を行い、初期 pH は 9～12 の条件で検討した。

開発に取り組んでいる。この処理では、気相中に放出され実地検証は、静岡県畜産技術研究所 中小家畜研究センるアンモニアや、微生物処理では処理しきれないアンモニ

ターから提供の養豚排水を用い、村上開明堂大井川工場にアが、水溶液中に残留する。村上開明堂では、これを取りて 2 回実施した。排水処理過程を想定し、①凝集剤による除く技術がなく、アンモニアストリッピング法による除去

養豚排水の固形分の除去、②村上開明堂製作の微生物処理技術を共同開発することとなった。

装置による活性汚泥を用いた微生物処理、③微生物処理中

本研究では、実験室レベルでの装置開発から始め、実際に揮発したアンモニアガスの溶解、④アンモニアストリッの養豚排水を用いた実地検証を行い、アンモニアを除去、ピング法によるアンモニア回収の流れを行った。②の工程

回収することを目的とする。また、養豚排水は、季節や天では、活性汚泥などの固形分があるため、微生物処理終了

候によって、濃度が変動するため、コンディションの異な後に、ろ過により汚水を分別した。③の工程では、微生物る試料排水を使用して検証を行うことも目的とする。

処理中に揮発したアンモニアを、曝気槽内の水に溶解させ2．原理

た。④の工程では、実験室で得た条件に合わせ、G/L 比がアンモニアストリッピング法は、アンモニア蒸気が溶存4 になるように曝気槽に汚水を入れ、50 %水酸化ナトリウ

する水溶液から、アンモニアを気体として取り出す物理化

ム水溶液で初期 pH=12 に調整後、アンモニアストリッピ

学的手法である。原水の pH を高くすることで、NH4+を遊ング処理を開始した。それぞれの処理の工程において、開離の NH3 に変化し、大量の気体と接触させて、大気中に拡始時と開始から 24 時間毎の溶液を分取し、COD、pH と散させるものであり、重要な条件が 2 つ存在する。

NO2-/N 濃度、NO3-/N 濃度、NH4-/N 濃度を 3 回計測し、平1 つ目は、pH である。アンモニア蒸気が溶解した水で均値を算出した。
4．結果と考察は、以下の(1)式で表せる解離平衡状態を保っている。
NH3 (g) + H2O (l)NH4+ (aq) + OH- (aq)(1)

表 1 に G/L 比 2 と 4 の試験結果を示す。曝気流量で比

この反応の平衡定数 K は、以下の(2)式で表せる。
K= [NH3][OH-] / [NH4+][ H2O]

較すると、流量が多い方が回収率が高いことがわかる。そ(2)

して、同じ流量で G/L 比の違いを見ると、流量 10 L/min のあらかじめ水溶液の pH を高くすると、(2)式の[OH-]が条件では有意な差は確認できないが、流量 5 L/min の条件

大きくなり、平衡が左に移動する。つまり、水溶液中のアでは、G/L 比=4 の方が回収率は高くなった。このことからンモニア蒸気 NH3 (g)の濃度が高くなり、アンモニア蒸気

本実験では、G/L 比=4 とした。

が系外に取り除かれやすくなる。2 つ目の条件は、通算曝気量(G)と処理排水量(L)である G/L 比である。中村ら 1)は、
* 2022 年度修士論文概要†静岡理工科大学 大学院理工学研究科 材料科学専攻

57

令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

曝気時間

G/L 比

/h

2
↑
↑
↑

表1

G/L 比=2、4 の試験結果

流量 /濃度 mg/L

減少量 /

回収率

を行った。アンモニアストリッピング開始時の NH4-/N 濃

L/min

初期

処理

mg/L

/%

初期

処理後

/℃

5
10
5
10

88
90
88
90

82
後
68
76
70

6
22
12
20

7.3
32.4
15.8
％
28.6

11.02
11.05
11.00
11.05

10.23
10.16
10.39
10.13

26.0
26.5
25.5
25.5

2
2
4
4

度は、表 2 と 3 の 24 時間の微生物処理後よりも高くなっ温度pHた。これは、微生物処理中に発生するアンモニア蒸気を予めアンモニアストリッピング槽で回収したためである。図2 にアンモニアストリッピングの曝気時間と、回収率および pH の関係を示す。1 回目と 2 回目の初期の NH4-/N 濃
度はそれぞれ 620mg/L と 225mg/L であり、異なるコンデ
ィションの試料排水となっている。図の回収率を比較する

率は 30％前後となった。pH=11 では、回収率は高くなっと、1 回目と 2 回目の実地検証は、いずれも 24 時間の曝たが、18 時間でほぼ飽和していることがわかる。しかし、気で回収率が 80％程度となっている。曝気時間と pH の関

pH=12 にすると、18 時間でも回収率は飽和せず、回収率係を見ると、pH の変化は緩やかであり、アンモニアスト

も 80％となっている。このことから、初期 pH は、pH=12

リッピングに最適な pH を保持していることがわかる。そとすることにした。

のため、24 時間で高い回収率となったと考えられる。次に、24 時間以降で回収率は、ほぼ一定となっている。本実

90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

験では回分式であるため、アンモニア蒸気が拡散するスペースが制限されている。試料排水からアンモニア蒸気が追い出されると、気相のアンモニア濃度が高くなる。そのため、気相と液相間での平衡に達し、回収率がほぼ一定にな
pH12(計算値)
pH11(計算値)
pH10(計算値)
pH9(計算値)

pH での試験結果
2図 1 4 異なる初期
68 10
12 14 16 18020

曝気時間 / h
表 2 と表 3 にそれぞれの実地検証での微生物処理工程の結果を示す。微生物の活動によって NO2-/N、NO3-/N、
NH4-/N が分解および生成され濃度が変動していることが

90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

実地検証回収率(1回目)
実地検証回収率(2回目)
実地検証pH(1回目)
実地検証pH(2回目)0

わかる。NO3-/N が減少しているのは、脱窒菌によって窒

13
12.5
12
11.5
11
10.5
10
9.5
9

24

48

pH

ったと考えられる。
pH12
pH11
pH10
pH9

回収率/％

回収率 / %

図 1 に pH=9～12 でのアンモニアストリッピングの結果を示す。pH=9 と 10 では、6 時間で回収率が飽和し、回収

72

時間/h

素まで分解され、大気中に放出されたためと考えられる。
5．まとめ
表2

1 回目の微生物処理の結果

2 回の検証において、24 時間のストリッピング処理で時間

NO2-N 濃度

NO3-N 濃度

NH4-N 濃度

pH

温度

COD

80％の回収率を実現し、再現性のある結果が得られた。また、排水からだけでなく、微生物処理中に、発生するアン/h/ mg/L/ mg/L/ mg/L

-

/℃

/ ppm

凝集前

-

-

-

-

-

-

凝集後
排水

0.5

4.0

580

8.2

25

362

0*

0.35

2.5

375

8.0

32

288

きた。これは、他のアンモニアストリッピング法には見ら

24*

238

15.5

285

7.8

↑

2048

れない新しい技術である。さらに、今回の実地検証では、

排水

表3

2 回目の微生物処理工程の結果

時間

NO2-N 濃度

NO3-N 濃度

NH4-N 濃度/h/ mg/L/ mg/L/ mg/L

凝集前排水

8.67
3.33
3.33
0.75
0.9
1.05
0.9
50
50
50
50

3.5
3.5
37.5
19.5
19
20
19.5
11.5
13.5
12.5
12.5

330
295
35
290
300
280
290
90
140
145
125

凝集後排水
活性汚泥

0*
平均値
24*
平均値

モニア蒸気を大気に放出することなく回収することがで

pH

8.1
8.1
7.8
7.5
7.5
7.5
7.5
8.7
8.6
8.5
8.6

NH4-/N 濃度が畜産排水の環境基準値以下に下回っている

温度

COD

/℃

/ ppm

25
↑
↑
32
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑

528
286.7
178.7
297
149

ため、実用化に向けた基礎的な知見が得られた。
6．謝辞
本研究は、村上開明堂の奨学寄附金により実施したことに、感謝いたします。
７．参考文献1)

中村茂和, 白岩佑美子, 杉山 典, “養豚排水のアンモ
ニアストリッピング法による窒素除去に及ぼす諸要
因,”静岡県畜産技術研究所,中小畜産研究センター研究報告, 31-32 (2013).

微生物処理に引き続き、アンモニアストリッピング処理

58令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書

セミの翅のナノ構造を模倣したポリビニルアルコールを含有する
架橋フィルムの調製と抗菌性について*
Fabrication of cicada wing-inspired poly(vinyl alcohol)-based films with cross-linking structures and theirantibacterial properties

藤本 一磨 †KAZUMA FUJIMOTO
1. はじめに必要である。本研究では、ナノラフネスフィルムの調製方
法とその抗菌性について報告する (Fig. 1)。

細菌のバイオフィルムに関連する感染症は、 米国においては医療用インプラント手術を受ける患者の約 10%に2. 実験方法

影響を及ぼし、年間 10 万人近くの命を奪っている[1]。近モ ノ マ ー と し て 、 架 橋 部 位 を 有 す る methacrylic

年、セミやトンボの翅が有するナノサイズの凹凸構造(ナacid(MAAc)を選択し、フリーラジカル重合により共重合

ノラフネス構造)を模倣した材料が、バイオミメティクス

体を合成した。合成した poly(MAAc)の構造を 1H Nuclear

材料として、大腸菌や黄色ブドウ球菌をはじめとする種々

Magnetic Resonance (1H NMR)により評価した。合成した共の細菌に対し抗菌性を示すことが報告されている[2,3]。こ重合体とポリビニルアルコール(PVA)を混合することで高れらの材料の多くは無機材料から成り、ナノラフネス構造

分子フィルムを得た。その後、高分子フィルムを 135℃にを持つ高分子フィルム(ナノラフネスフィルム)の報告数て熱架橋した。高分子フィルムの物理化学的な特性を示唆

は 限 ら れ て い る 。 Parkpoly(ethylene

走査熱量計(DSC)、熱重量分析計(TGA)、フーリエ変換赤外

glycol)dimethacrylate を用いてナノ構造を調製し、その表面分光光度計(FT-IR)、ゼータ電位、接触角測定、水中安定性に 2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine を修飾した。こ試験、血液適合性試験により評価した。また、合成したの親水的なニードル状のナノ構造はグラム陰性菌だけでpoly(MAAc)と PVA を水に溶解させ、ラフネス構造を持つ

なく、グラム陽性菌に対しても抗菌性を示すことが観察さ基盤に流し込むことで基盤のラフネス構造を高分子フィれた[4]。この結果は、グラム陽性菌に対する抗菌性が低い

ルムに転写した。ナノラフネスフィルムをそれぞれ、135℃

セミの翅とは異なる。ナノ構造の潜在的な抗菌性を調査し、にて 4、14、24、44 時間熱架橋した。熱架橋後のフィルム

データを蓄積するために、特別な装置や複雑な有機反応、を 80℃の水に 3 時間浸漬し、その後ナノラフネス構造を重合を必要とせずに、ナノ構造のサイズや架橋構造、表面走査型電子顕微鏡(SEM)により測定した。また、ナノラフ

電荷を制御できる親水性ナノ柱を簡便に調製する方法がネス構造を SEM と走査型プローブ顕微鏡(SPM)により測

ら は

定した。
さらに、ナノラフネスフィルムに E.coli K-12(大腸菌)とB.subtilis 168(枯草菌)をそれぞれ播種し、その抗菌効果を観察した。フィルムを所定の濃度の細菌懸濁液中に 20 分浸漬した後、ホルムアルデヒド水溶液による固定とエタノー
ルによる脱水処理を行い、SEM により観察した。また、
Propidium

Iodide(PI)と5(6)-Carboxyfluoresceindiacetate(CFDA)により二重染色した所定の濃度の細菌懸濁液をフィルムに播種した後、蛍光顕微鏡によりフィルム
上の細菌の生死判別を行った。

3. 結果・考察

Fig. 1 Preparation method of the polymeric films with nanoroughness structures.

フ リ ー ラ ジ カ ル 重 合に よ り、 poly(MAAc) (Mn=43900

59令和３年度 先端機器分析センター 利用報告書
g/mol, Mw/Mn=1.60)を合成した。合成した poly(MAAc)をそれぞれ PVA と混合し、高分子フィルムを調製した。混合する組成を変え、135℃にて 4 時間熱架橋を行った。架橋
構造は、PVA のヒドロキシ基と poly(MAAc)のカルボキシ基によるエステル結合に由来する。架橋後のフィルムを80 度の水に 3 時間浸漬させたところ、poly(MAAc)の含有
量が 10, 25, 50 wt.%のフィルムは約 100%の残存率が観測
Fig. 3 Fluorescence microscope images of E.coli on (Left) Flat

された。未架橋のフィルムは同条件において完全に溶解しfilm and (Right) nano-roughness film.

た。DSC の結果から、PVA と poly(MAAc)を混合すること
により、融点が減少することが観測された。これは、フィ蛍光顕微鏡観察により、ナノラフネスフィルムの表面上

ルム全体の結晶化度の低下によるものと考えられる。また、の大腸菌は、フラットフィルムの表面と比較して赤色の蛍

接触角測定により、フィルムは親水性を有することを確認

光(死細菌)が強いことが観測された。これらの結果は、ナした。

ノラフネスフィルムはフラットフィルムと比較して強い

次に、PVA と poly(MAAc)の混合水溶液を基盤に流し込

抗菌性を有することを示唆する(Fig. 3)。枯草菌についても

み、乾燥させることでナノラフネスフィルムを調製した。

同様の結果が観測された。

SEM と SPM の結果から、ラフネス構造はナノサイズの柱以上より、セミの翅のナノラフネス構造を模倣した親水状の構造物(ナノ柱)から成り、基盤を変えることで、直径性高分子フィルムはグラム陽性菌とグラム陰性菌の両方が約 30～90nm、高さが 50～300nm の ナノ柱が調製できに対して抗菌性を示すことが示唆された。簡便にナノラフることを観測した。これらの結果は、セミの翅のナノラフ

ネスフィルムを調製できる本手法は、ナノ構造を持つ親水ネス構造と近似した構造を親水的な高分子により再現で性高分子フィルムとその抗菌性に関する研究を加速させきることを示唆する。また、ナノラフネスフィルムの水中ることが期待される[5,6]。

安定性試験後の SEM 観察により、熱架橋を 24 時間以上行ったフィルムのナノラフネス構造は維持されているこ

4. 参考文献とが確認された。さらに SEM 観察により、ナノラフネス[1] K. Modaresifar et al, Acta Biomaterialia, (2019) 29–36.

フィルム上で大腸菌が捕捉され、細菌が変形している様子[2] M. Ganjian et al, Adv. Mater. Interfaces, 6 (2019) 1900640を観測した(Fig. 2)。一方、ナノラフネス構造を持たない高[3] D. P. Linklater et al, Nat. Rev. Microbiol, 19 (2021) 8-22.

分子フィルム(フラットフィルム)上では細胞の変形は観[4] Hyun-Ha Park et al, ACS Macro Lett., 8 (2019) 64−69.

測されなかった。この結果は、枯草菌を播種したフィルム[5] K. Fujimoto et al, ACS Omega, 6 (2021) 17531−17544.

においても同様に観測された。

[6] K. Fujimoto et al, submitted.

Fig. 2 SEM image of E.coli on nano-roughness film.

60

編集後記
先端機器分析センター開所１０周年を迎えた本年度は、再出発に向けた１年となりました。本年度で先端機器分析センターの開所と運営に尽力いただいた吉田豊先生と早川一生職員が退職されます。吉田先生と早川職員には、先端機器分析センターの業務遂行や研究活動等で大変お世話になり、感謝の気持
ちでいっぱいです。お二方の退職は寂しい限りですが、新しく着任された小泉職員とともに、新たな先端機器分析センターを築き上げていく所存です。来年度から、本年度に更新した示差熱天秤・質量分析
計、プレートリーダーに加え、吉田先生・小林先生の研究室から移設した装置（倒立型光学顕微鏡、カー効果顕微鏡、各種研磨機、精密切断機）を本格的に開放する予定です。皆さまのご利用をお待ちしております。
先端機器分析センター 講師

脇川祐介

本年度 4 月にこちらに着任して以来、早 1 年が経過しようとしております。昨年度から大きく仕事の
内容を変え、試行錯誤の中活動を行って参りました。これまでは主に有機化学に関連した機器の取り扱いが中心でしたが、ここではさらに広い範囲の装置について取り扱わなければならず、まだまだ習得しなければならないことがたくさんあることを痛感しています。その中でもこれまでの研究を細々とでも続けていけることになったのは偏に先端機器分析センターはじめ関係者の皆様のご協力によるもので、心より感謝しております。国内では昨年度からの引き続きのコロナ禍、海外ではロシアのウクライナ侵攻などすべての活動に大きな影響を及ぼす事象が起こっておりますが、早期の収束を願いつつ、今後の分析センターの発展を目指して精進していこうと思います。
先端機器分析センター 技術職員 小泉武昭

（左から）小泉職員、脇川講師、早川非常勤職員、吉田教授、斎藤センター長、高部副センター長
令和 4 年 3 月 11 日 SIST サロン

静岡理工科大学・先端機器分析センター
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