CKANTO CHEMICAL CO., INC.

2015 No.2（通巻236号）

ISSN  0285-2446

免疫工学による免疫システム分子機構の解析
Ⅱ. T細胞抗原レセプター遺伝子トランスジェニックマウスを用いた免疫調節機構の解析

熊谷

善博

2

Fenton反応とヒドロキシルラジカル

西田

雄三

8

渡部

正夫

17

流体物理洗浄（1）基本概念と微粒子の付着力
最近のトピックス

真田


俊之

24

免疫工学による免疫システム分子機構の解析
Analysis of molecular mechanisms in the immune system by immunoengineering

Ⅱ. T 細胞抗原レセプター遺伝子トランスジェニックマウスを用いた免疫調節機構の解析

─ Mechanisms of immunoregulation analyzed by using T cell antigen receptor gene transgenic mice ─
日本医科大学

医学部

医学科

微生物学・免疫学

熊谷善博

Yoshihiro Kumagai
Department of Microbiology and Immunology, Nippon Medical School and Graduate School of Medicine, Tokyo, Japanには、セントラルメモリー細胞とエフェクターメモリー細胞

1. はじめに機能の獲得）などが観察される（図 1）2）, 3）。

このシリーズで紹介する免疫工学とは、免疫系の機この T 細胞活性化と個々の T 細胞クローンの運命は、

能分子、担当細胞、個体を遺伝子工学、細胞工学、タ暴露される抗原量によって大きく異なることが知られていンパク質工学、発生工学などの、いわゆる生命に手を加る 3）。

える手法で免疫機構の解明を試みたり、疾病の治療ア

我々は、シリーズⅠで紹介した、卵白アルブミンのアミ

イデアを提供する学問を指している。今回は下記の 4 回ノ酸配列（OVA323-339=ISQAVHAAHAEINEAGR）を、のシリーズのうち、第 2 回目として、T 細胞抗原レセプター

マウスクラスⅡ組織適合性抗原複合体をI-A dとともに認遺伝子トランスジェニックマウスを用いた免疫調節機構

識する T 細 胞レセプターαβ鎖トランスジェニックマウスの解析について紹介する。

（OVA23-3 マウス）を用いて、ナイーブ CD4 陽性 T 細胞が抗原の暴露条件によって、活性化プロフィールの質〈免疫工学による免疫システム分子機構の解析シリーズ〉

的量的な違いについて精査した 4）−6）。解析内容は、活Ⅰ. T 細胞抗原レセプター遺伝子トランスジェニックマウ性化に伴う、早期活性化細胞表面分子の動的変化、スを用いたアレルギー発症機構の解析 1）
Ⅱ. T 細胞抗原レセプター遺伝子トランスジェニックマウ
スを用いた免疫調節機構の解析

サイトカイン産生、転写因子の発現や B 細胞応答への影響等について、抗原暴露条件による差異を定量的に検討したものである。

Ⅲ. タンパク質工学と細胞工学を有効に利用した抗体の作製
Ⅳ. エピトープ移植抗体抗体

─タンパク質工学によ2. ナイーブCD4陽性T細胞の初期活性化マーカー
発現への暴露抗原濃度の影響

るワクチンの創製─
OVA23-3マウスのナイーブ CD4 陽性 T 細胞は、活性2T 細胞上の T 細胞レセプター（TCR）分子が、共刺激化前は、CD62L high CD4+ の表現型を示す。しかし、脾分子の共役下で、抗原提示細胞上の主要組織適合

臓抗原提示細胞の存在下で、異なった抗原濃度で 12性抗原複合体クラスⅠあるいはクラスⅡ分子と共に提示

時 間 刺 激を与え、初 期 活 性 化マーカーである CD69、された抗原ペプチドと反応すると、多くの T 細胞は活性CD25 の発現量、ならびに TCR のダウンレギュレイション化される。活性化シグナルにより惹起される応答は単純を比較した結果、初期活性化マーカー発現は抗原投で はなく、活 性 化 条 件 により、クローン拡 大（clonal

与量とともに増大し 500nM でプラトーに達し、一方 TCR

expansion）、クローン欠 失（clonal deletion）、エフェク

発 現は 50nM 以 上で急 速に低 下することが判 明した

ター細胞機能の獲得、メモリー細胞機能の獲得（厳密（図 2）。

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免疫工学による免疫システム分子機構の解析

3. 投与抗原量により、ナイーブ CD4 陽性 T 細胞の増殖とサイトカイン産生の抗原濃度の影響

Ⅱ. Ｔ細胞抗原レセプター遺伝子トランスジェニックマウスを用いた免疫調節機構の解析

50nM が至適濃度で、高濃度及び低濃度では産生が誘導されないか、減少した。IFN-γは、50nM 以上の刺激でしか 産 生は誘 導されず、高 濃 度の抗 原ペプチド

脾臓抗原提示細胞の存在下で、異なった抗原濃度で産生が上昇した（図 3）。この結果は、細胞性免疫をで 12 時間刺激を与え、細胞増殖とIL-4 産生、ならび増強する傾向を持つTh1（ IFN-γ産生）と抗体産生やクに、IFN-γの産生量を比較した（図 3）。その結果、細ラススッチングを増 強する Th2（ IL-4 生 産）のバランス

胞増殖は抗原濃度依存的に上昇し、500nM 前後でプが、抗原暴露濃度に依存して形成されることを意味しラトーに達した。IL-4 産生は、抗原濃度依存性が高く、ている。

図 1 T 細胞と抗原提示細胞（Antigen Presenting cell）との相互作用によるT 細胞活性化とT 細胞クローンの運命
T細胞上のT細胞レセプター分子（TCR）が、共刺激分子の共役下で、抗原提示細胞上の主要組織適合性抗原複合体クラスⅠあるいはクラスⅡ分子と共に提示された抗原ペプチドと反応すると、T 細胞は活性化され、活性化条件により、クローン拡大（clonal expansion）、クローン欠失（clonal deletion=Death）、エフェクター細胞機能の獲得、メモリー細胞機能の獲得（厳密には、セントラルメモリー細胞とエフェクターメモリー細胞機能の獲得）に至る。

図 2 ナイーブCD4陽性T細胞の初期活性化マーカー発現への暴露抗原濃度の影響
ナイーブCD4陽性T細胞を様々な濃度のOVA323-339（=ISQAVHAAHAEINEAGR）
ペプチドと脾臓抗原提示細胞の存在下で、12時間刺激を与えた。白丸（○）
はOVA23-3マウスで、黒丸（●）
はOVA23-3マウスとRAG2--/-マウスの交配マウスF1マウスのデータを示す。両マウスともに、初期活性化マーカー（CD69、CD25）
発現は抗原投与量とともに増大し500nMでプラトーに達することが判明し、一方TCR発現は50nM以上で急速に低下した。

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図 3 抗原濃度に依存したナイーブCD4 陽性 T 細胞の増殖とサイトカイン産生
ナイーブ CD4 陽性 T 細胞に、様々な濃度の OVA323-339（=ISQAVHAAHAEINEAGR）
ペプチドと脾臓抗原提示細胞の存在下で刺激を与えた。白丸（○）
はOVA23-3マウスで黒丸（●）
はOVA23-3マウスとRAG2--/-マウスの交配マウスF1マウスのデータを示す。ナイーブCD4 陽性 T 細胞の増殖とサイトカインの産生は抗原濃度に依存する。
（A）
は刺激後 48－72 時間の 3H の取り込み、（B）
は72 時間後の IL-4 産生、ならびに、（C）は72 時間後の IFN-γの産生を示す。

図 4 抗原刺激後のサイトカインmRNAや転写因子 mRNA の誘導
ナイーブCD4 陽性 T 細胞を様々な濃度のOVA323-339（=ISQAVHAAHAEINEAGR）
ペプチドと脾臓抗原提示細胞の存在下で、24 時間刺激を与えた。全 RNAを抽出後、それぞれのサイトカインあるいは逆転写酵素で作成した転写因子のcDNAを定量（A、B、E、F）
あるいは定量的リアルタイムPCR（C、D、G、H）
で解析した。E、F、G、Hは、それぞれの発現パターンへのIL-4とIL-12の影響を調べるため、抗IL-4（αIL-4）あるは抗IL-12（αIL-12）抗体存在下でのプロフィールを示している。

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免疫工学による免疫システム分子機構の解析

図 5 ナイーブ CD4 陽性 T 細胞活性化に伴うB 細胞の IgM 産生形質細胞誘導への影響
ナイーブCD4陽性T細胞を様々な濃度のOVA323-339（=ISQAVHAAHAEINEAGR）
ペプチドと脾臓抗原提示細胞の存在下で、刺激を与えた。白丸（○）
はOVA23-3マウスで黒丸（●）
はOVA23-3マウスとRAG2--/-マウスの交配マウスF1 マウスのデータを示す。培養上清を7日後に採取し、総IgM 産生量を酵素抗体法により測定した。四角（□）
はT 細胞非存在下のIgM 産生を示す。

Ⅱ. Ｔ細胞抗原レセプター遺伝子トランスジェニックマウスを用いた免疫調節機構の解析

図 6 様々な抗原濃度で刺激をうけたナイーブ CD4 陽性 T 細胞が、B 細胞の細胞死に与える影響
白丸（○）
はOVA23-3マウスで黒丸（●）
はOVA23-3マウスとRAG2--/-マ
ウスの交配マウスF1 マウスのデータを示す。96 時間後にB220 陽性 B 細胞を採取し、抗アネキシンV（annnexin V）
でアポトーシス誘導細胞の有無を測定した。四角（□）
はT 細胞非存下での生細胞率を示す。

図 7 様々な抗原濃度で刺激をうけたナイーブCD4 陽性 T 細胞のおける、FasL、CD40L、ならびに、OX40 の発現
ナイーブCD4 陽性 T 細胞に、様々な濃度の OVA323-339（=ISQAVHAAHAEINEAGR）
ペプチドと脾臓抗原提示細胞の存在下で、刺激を与えた。CD40Lは24
時間後、OX40は48 時間後にフローサイトメトリーで解析した（A）。また、細胞を12 時間後に回収してCD40LとOX40 の mRNA の測定、72 時間後にFasL のmRNAを定量的リアルタイムPCRで測定した（B）。

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抗原刺激の初期過程での違いを解析するため、OVA
323-339（=ISQAVHAAHAEINEAGR）ペプチド刺激後

INEAGR）ペプチド存在下では、アポトーシスが強く誘導され、生細胞が減少していることが分かる（図 6）。

24 時間でのサイトカインmRNAや転写因子 mRNAを定量した（図 4）。GATA-3や c-mafのようなTh2- 特異的転写因子は IL-4 産生に伴い転写誘導されることが判明し

5. アポトーシス誘導に伴うFasリガンド（FasL）の発現には、
CD40LやOX409）,10）より高濃度の抗原ペプチドを要する

た。IFN-γは濃度依存的に産生が誘導された。サイトカ
インあるいは転写因子の発現パターンへの IL-4とIL-12

アポトーシス誘導に伴うFasリガンド（FasL）の発現にの影響を調べるため、抗 IL-4（αIL-4）あるは抗 IL-12（αは、CD40L や OX40 9）,10）より高 濃 度の抗 原ペプチドをIL-12）抗体存在下でのプロフィールを調べた（図 4のE、要する（図 7）。また、抗 体による阻 害 実 験から、IL-4、F、G、H）。IFN-γの転写誘導は抗 IL-4 存在下で上昇

CD40L、ならびに、OX40を介したシグナルが、抗原刺激

し、GATA-3の転写誘導は、抗 IL-4存在下で減少するこをうけたナイーブ CD4 陽性 T 細胞が抗体産生におけるとが判明した。それと対照的に、抗 IL-12 存在下では、ヘルパーT 細胞機能を発現するために必要であること

IFN-γの転写誘導は減少し、GATA-3 の転写誘導は、が推定された（図 8）。

抗 IL-4 存在下で上昇した。興味深いことに、c-mafは抗IL-4と抗 IL-12の大きな影響を受けなかった。

4. B 細胞の抗体産生形質細胞への分化誘導とアポトーシス（apoptosis）の誘導に抗原刺激を受けた
ナイーブCD4 陽性 T 細胞が与える影響

6. まとめT 細胞上の T 細胞レセプター分子が、共刺激分子の共役下で、抗原提示細胞上の主要組織適合性抗原
複合体クラスⅠあるいはクラスⅡ分子と共に提示された抗原ペプチドと反応すると、T 細胞は活性化されるが、暴様々な抗原濃度で刺激をうけたナイーブ CD4 陽性 T

露される抗原濃度により、各 T 細胞クローンの活性化の細胞は、B 細胞活性化に影響を与える。抗体産生形質

内容に違いが生じることを証明できた。サイトカイン産生細胞誘導には、至適抗原濃度が存在し（図 5）、また、や B 細胞の抗体産生細胞への分化への影響の中身

50nM 以上の高濃度の OVA323-339（ =ISQAVHAAHAEが異なることが証明できた。図 9 にまとめたが、ナイーブ

図 8 抗 IL-4、抗 CD40L、ならびに、抗 OX40 のナイーブCD4 陽性 T 細胞によるB 細胞への IgM 産生形質細胞誘導への影響
ナイーブCD4 陽性 T 細胞に、様々な濃度の OVA323-339（=ISQAVHAAHAEINEAGR）
ペプチドと脾臓抗原提示細胞の存在下で、刺激を与えた。それぞれの単クローン抗体を5μg/ml の濃度で加え、IgM 産生濃度を7日後に測定した。

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免疫工学による免疫システム分子機構の解析

Ⅱ. Ｔ細胞抗原レセプター遺伝子トランスジェニックマウスを用いた免疫調節機構の解析

CD4陽性 T 細胞初期活性化過程、サイトカイン産生、ヘ応答のバランスゲームも抗原濃度依存的に形成される

ルパー機能としての T 細胞─ B 細胞相互作用が、抗原ことも推定され、疾病の制御にも重要な情報を提供してへの暴露条件（濃度）により応答が大きく異なることがいると思われる。

判明した。様々な予防接種のワクチンの分子デザインと今回紹介した研究の生データは、大阪大学免疫学フ投与条件や方法を考案するための基礎情報の提供にロンティア研究センター 伊勢渉博士の貢献を主としたも貢献できるものと思われる。また、前回のシリーズⅠ1）でのであることを最後に付記する。

紹介した、免疫のパラダイム＝自己非自己に対する免疫

図 9 ナイーブCD4 陽性 T 細胞活性化の暴露抗原濃度依存性
初期活性化過程、サイトカイン産生、ヘルパー機能としての T 細胞ーB 細胞相互作用に強い抗原濃度依存性が確認される。

参考文献
1）熊谷善博 . THE CHEMICAL TIMES. 2014, 232, 8-14.
2）熊谷善博 . 蛋白質核酸酵素 . 1986, 31（9）, 813-830.
3）Smith-Garvin, J.E.; Koretzky, G.A.; Jordan, M.S. Annu. Rev.
Immunol. 2009, 27, 591-619.
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Tadakuma, T.; Arata, Y.; Kumagai, Y.; Katsuki, M.; Habu, S.
Eur. J. Immunol. 1994, 24（7）, 1512-1516.
5）Ise, W.; Totsuka, M.; Takato, R.; Hachimura, S.; Sato, T.;
Ametani, A.; Kumagai, Y.; Habu, S.; Kaminogawa, S. FEBS
Letters. 2000, 465（1）, 28-33.

6）Ise, W.; Totsuka, M.; Sogawa, Y.; Ametani, A.; Hachimura, S.;
Sato, T.; Kumagai, Y.; Habu, S.; Kaminogawa, S. J. Immunol.
2002, 168（7）, 3242-3250.
7）Ho, I.C.; Hodge, M.R.; Rooney, J.W.; Glimcher, L.H. Cell.
1996, 85（7）, 973-983.
8）Zheng, W.; Flavell, R.A. Cell. 1997, 89（4）, 587-596.
9）Stüber, E.; Neurath, M.; Calderhead, D.; Fell, H.P.; Strober, W.
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Fenton 反応とヒドロキシルラジカル
Fenton Reaction and Hydroxyl Radical

金沢医科大学総合医学研究所

客員教授

西田 雄三

Yuzo Nishida (Visiting Professor)
Kanazawa Medical University Medical Research Institute

5,5-ジメチル-1-ピロリン-N-オキシド（DMPO）が用いられ

1. はじめにる。これは、図 1 に示されるように、ヒドロキシルラジカルと酸化ストレスという言葉が一般的になり、その主役と目反応して DMPO‐OHを形成しそれが特異的な4 本線をされている活性酸素種の過剰な産生が、なぜ起きるの示す ESRシグナルを与えることでヒドロキシルラジカルのか、そしてそれらをいかにして減らすかという研究が盛存在を確認できるとされている 3）。

んになり、老化対策・生活習慣病対策として多くの抗酸

この手法に異議を唱える研究者は全くいない様であ化剤の候補が登場した。しかし、活性酸素種とは何かるが、多くの問 題 点 がある。まず、DMPOと反 応してと問われて、正確に答えられる研究者は何人いるだろう

DMPO‐OHを与える化合物は、ヒドロキシルラジカルだか。酸化ストレスと関連する活性酸素種が議論されたけではないが（図 1）、従来の論文ではこのことは全く考時、最初にその候補に挙がったのが、ヒドロキシルラジ

慮されていない 4）−10）。1992 年私は、DMPOはいくつか

カル（OH・）で、この考えは現在でも支持され、多くの論の鉄（Ⅲ）錯 体と酸 素 分 子 共 存 下で反 応して DMPO‐

文で引用されている

OHを与えること、そしてこの反応機構を酸素分子の反。

1）, 2）

ヒドロキシルラジカルは、フェントン反応（下式）により応に対 するに新しい視 点 から解 明 することによって、生成するとされ、強い酸化力を発揮することが知られてDMPOをヒドロキシルラジカル検出用に使用するのは非いる

常に危険であることを指摘した 11）。

。

1）
−3）

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH−＋OH・
このヒドロキシルラジカルは反応性が非常に高く、寿命

2+次に、フェントン反応で示されるFe2+とは、［Fe（H2O）6］2+を意味するが、この［Fe（H2O）
6］ イオンは生体内では全く存在しないことも明らかになっている 12）。

が非常に短いため直接これを検出することはできない。

それに加えて実際の生体内反応の結果からも次のよ検出するためには間接的手法がよく用いられる。間接的

うに指摘できる。岡山大学の岡田教授らによって、鉄−手法でよく用いられるのがスピン‐トラップ剤で、一般的に（nta）キレートをマウスに長期間投与すると、確実に腎
臓がん・腎毒性が引き起こされることが明らかにされて以来、この過剰鉄イオンによる障害はガンをはじめ、糖尿病・心筋梗塞などの生活習慣病や、アルツハイマー病・パーキンソン氏病などの神経疾患の最大の因子として認識されつつある4）−10）。これらの反応において、人工鉄キレートによる腎毒性・腎臓がん発生がキレートの構造に大きく依存すること、ガン発生に位置特異性があ

図 1 DMPO‐OH の生成反応例

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3）

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ること 13）などの多くの事実に基づいて、私はこれらの場

Fenton 反応とヒドロキシルラジカル合の活性酸素種とは、ヒドロキシルラジカルではなく、二なぜ一重項酸素分子（ 1Δg）が有機物と反応するか

核構造をもつ鉄（Ⅲ）錯体と結合した酸素分子、過酸は、日本で初めてノーベル化学賞を受賞された福井先

化水素が一重項酸素分子（ 1Δg）に似た電子親和性を生の理論に従って初めて理解される 21）。重要な点は、示すことによると結論し、その機構について詳しく論じてこの一重項酸素分子（ 1Δg）はエネルギーの低い所に空きた 14）−19）。以上の議論と事実から、私は、人体におけの軌道をもっている点である。図 3 に示したように、このる鉄毒性の発現にはヒドロキシルラジカルの関与、およ空の軌道と充填されている軌道との相互作用で反応系

びフェントン反応の関与はないと指摘した 16）−19）。ごく最の電子エネルギーの安定化が起きるので、これが反応近になって、京都大学の江波らによって、フェントン反応の場所と反応生成物を決定することになる 21）。

においてヒドロキシルラジカルは生成していないという実験結果が報告された。20）
この小文で私は、われわれや江波らの結果に基づいてフェントン反応を化学の立場に立って再検討した。そ空の軌道は、電子が充填されている軌道と相互作用できるために、一重項酸素分子（ 1Δg）は有機物に対して高い電子親和性を示すことになる。この電子親和性はこれからの議論において非常に重要である 15）−19）。

れは、老化・酸化ストレスを引き起こす化学的機構に対して正しい見解をもつことが、これからの老化対策には非常に重要だと考えているからである。
2. 酸素分子と鉄イオン
2－1 酸素分子の電子状態と反応性
まず、最初に各種酸素分子と有機物との反応性につ

図 3 空の軌道と電子が充填されている軌道との相互作用

いて知っておく必要がある。酸素分子には 3 種類（表 1）

酸素分子は電子を受容してスーパーオキサイド（1 電

あり、空気中の酸素のほとんどは三重項酸素 3Σg−である。

子還元）、パーオキサイドイオン（2 電子還元）が生成す

空気中の酸素分子 Σg−は 2 個の不対電子をもつことる。ここで重要なのは、後者の 2 電子還元反応が下り坂に特徴があり、これが原因で通常の不対電子をもたな反応であるのに対して、スーパーオキサイドイオンの生成い有機物とは反応しない。一方、一重項酸素分子には（1 電子還元）は登り坂反応であるということである 19）。

2 種類あるが、一重項酸素分子（ 1Δg）は不対電子をもた

これは、あとで述べる二核鉄錯体のユニークな反応性ないため、いろいろな有機物と反応する（図 2）。

（Nishida 反応、2−5 項）を理解するために非常に重要

3

表 1 3 種類の酸素分子の電子状態と性質である。
2－2 鉄イオンの性質と電子状態
鉄イオンを議論するには、配位子場理論を習得する必要がある。これはｄ軌道の化学 21）という観点から興味深い分野である。私のこれまでの経験から見て、ほとんどの有機化学者・生化学者・医学者は配位子場理論に詳しくないが、これから生物科学を議論するには、ぜひ理解しなければいけない分野である。配位子場理論の理解なくして生物科学は語れないことを、是非、理解してもらいたいと思う。
金属イオンの化学で一番重要なのは、ｄ軌道と有機物、酸素分子などとの反応を理論的に扱うことである。

図 2 一重項酸素分子
（ Δg）
の反応例
1

本質的には「軌道相互作用」の本質 21）を理解しておれ

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ば十分なのであるが、ｄ軌道にはそれなりの特徴がある（Ⅱ）
イオンと結合している水分子が酸素分子と置き換わのでかなり複雑にはなる。

るが（図 6）、これにはそれなりの機構が関与しており、簡まず、最初にｄ軌道から理解する。ｄ軌道には 5 個あり、それらは図 4 に示したように描かれる（3 個のみを描いている）。

単には酸素分子が鉄（Ⅱ）
イオンと結合できないことを十分に理解されたい。
O2

OH2
Fe2+

Fe2+

O2

imidazole

imidazole= ProtoporphyrinIX dianion

図 4 3 つのｄ軌道
（ｄｘｚ、
ｄｙｚは、
ｄｘｙの軸を変えることで得られる）

図 6 ヘモグロビンと酸素分子との結合
図の imidazoleは、ヒスチジン残基を示す

特徴は、
ｄｘ2−ｙ2、ｄｚ2 軌道は軌道のローブが軸（ｘ、ｙ、

この酸素化反応で、もっとも注目すべきことは三重項ｚ−軸）上に広がっているのに対して、ｄｘｚ、ｄｙｚ、ｄｘｙの 3酸素分子が結合したオキシヘモグロビンは反磁性を示

つの軌道の場合は、ローブが 3 つの軸の中間に広がっすということである。結合する前の鉄（Ⅱ）
イオンは 4 個のている点にある。

不対電子、三重項酸素分子は 2 個の不対電子をもってさて、硫酸第一鉄（Ⅱ）
を水に溶かしたとき、水溶液中

いるが、それらが結合すると、不対電子が消えるのであの鉄錯体の構造は図 5 のようになっている。重要な点る。不対電子が消えたことは、軌道相互作用によってすは、6 個の水分子は 3 つの軸（ｘ、ｙ、ｚ）上にあるというこべての不対電子がペアを形成したためである。これは、とである。これより水分子の酸素原子上のローンペア軌

ｄ軌道と酸素分子の軌道が相互作用していることを示す

道は、軸上に広がっている2 つの軌道、ｄｘ2−ｙ2、ｄｚ2 軌（図 7）。

道としか相互作用しないことが解る。後の 3 つの軌道、
ｄｘｚ、
ｄｙｚ、
ｄｘｙとは、相互作用しない。その結果、ｄ軌道のエネルギー変化が生じ、ｄ軌道の分裂が起きるのである（配位子場分裂）。このようにｄ軌道と配位子との軌道相互作用を考慮して、金属錯体の反応性を分子軌道法に基づいて議論するのが現在の主流の考えである 21）。
OH2

H2O

2+

Fe

図 7 ｄ軌道と酸素分子の不対電子が消滅する機構

OH2

これが起きると、図 7に示したように、電子の含まれてい
OH2

H2O
2+
図 5 ［Fe（H2O）
6］ イオンの構造

要な意味を持つ。軌道ｂには電子が含まれていないが、こOH22－3 酸素分子は鉄イオンと結合するとその性質が変わる

10ない軌道ｂが形成されることを意味する。この軌道ｂが重の軌道はｄ軌道と酸素分子の軌道から成り立っていることを意味する。このことは、オキシヘモグロビンの酸素分子が、部分的に一重項酸素分子（1Δg）の性質を含んでいることを示している。これが非常に重要なことで、金属イオン

酸素分子や過酸化水素は金属イオンと結合するとそと結合した酸素分子は一般的に一重項酸素分子（1Δg）の反応性が大きく変わる。これは非常に重要な事実でに似た電子親和性を示すようになるのである16）−19）。これある。これに関してヘモグロビンの酸素化反応を例には多くの実験事実で証明されてきている（2−5 項）。このとって述べる。ヘモグロビンの酸素化反応に際して、鉄点をぜひ、ご理解願いたいと思う。なお、これまでは酸素

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分子と結合するのは鉄（Ⅱ）
イオンだけだと思われている

このオキソ架橋二核錯体での磁気的相互作用の結が、2−5項で述べるようにある条件下では酸素分子は鉄果、2 個の鉄原子のｄ軌道の相互作用によって電子の（Ⅲ）
イオン（または銅（Ⅱ）
イオン）
とも結合する。

含まれていないｄ軌道が出現し、その空のｄ軌道と、2 個の電子が含まれている過酸化水素の軌道が相互作用

2－4 過酸化水素が一重項酸素分子性
（ Δg）
を帯びる
1

ケース
2−3 項で述べたのと同じ理由で、金属イオンに結合した過酸化水素も一重項酸素分子（ 1Δg）に似た電子親した結果、空の軌道ｂが形成される（図 10）。この空の軌道ｂは過酸化水素の軌道も含んでいるので、図 9 で示した過酸化水素は一重項酸素分子（ 1Δg）に似た電子親和性を示すようになる19）, 22）。

和性を示すことが多くの実例で確認されている 19）。鉄上の場合は、二核鉄（Ⅲ）
イオンに結合した場合であ（Ⅲ）
イオンはしばしば、オキソ架橋二核錯体を形成する

るが、1 個の鉄（Ⅲ）
イオンに結合する過酸化水素の場ことはよく知られている。一例の構造を図 8 に示す。

合も考察する必要がある。その場合、鉄（Ⅲ）
イオンが低スピン型イオンか、高スピン型イオンかで状況が違ってくる。低スピン型錯体では、結合する過酸化水素は電子を含んでいないｄ軌道と結合するので状況は図 10 に似ており、結合した過酸化水素は一重項酸素分子（ 1Δg）に似た電子親和性を示すようになる 19）。これに加えて、
この場合、結合した過酸化水素の 2 個の酸素原子の電子状態に違いが現れることが重要であり、このために

図 8 Fe‐（nta）
錯体の二核構造
2 個の鉄（Ⅲ）
原子はオキソイオン、カルボナトイオンで架橋されている

過酸化水素の不均化反応（下式）が促進されることが示唆されている 19）。

二核錯体では、2 個の金属イオン間で不対電子間のH2O2 → O（neutral）＋ H2O−2

磁気的相互作用が働く。この場合、鉄（Ⅲ）
イオン自体に
は 5 個の不対電子があるが、このようなオキソ架橋二核O

構造では、不対電子間の相互作用が働いて、不対電子が大幅に消滅する（Fe‐nta 錯体の場合、室温で反磁性にはならない）
この Fe‐（nta）錯体の水溶液に過酸化水素を加えると、カルボナトイオンの代わりに過酸化水素が結合したパーオキサイド付加体（図 9）が生成する 22）。

OH

O

OH

OH2
Fe3+

H 2O
H 2O

OH2
OH2

Fe3+

H 2O

OH2

H2O
OH2

OH2

図 11 鉄（Ⅲ）
イオンに結合した過酸化水素の不均化挙動
鉄原子に結合している酸素原子（赤色）
は、より原子状の酸素原子（電気的により中性）に近づいた性格になる。

実際、鉄イオンと結合している酸素原子（図 11 の赤色で示された酸素原子）への電子供与体（基質）の接
近・相互作用とともに O‐O 切断（heterolytic cleavage：不図 9 二核鉄（Ⅲ）－パーオキサイド付加体の生成スキーム

均化切断）を伴って基質への一原子酸素添加反応が協奏的に進行する例が多く報告されている 19）。
一方、高スピン型鉄（Ⅲ）錯体のときの事情は異なる。
この場合は、過酸化水素が鉄（Ⅲ）
イオンのｄ軌道と結合する力は低スピン型錯体の場合より弱くなるので 19）、
基質存在下でのみ協奏的に過酸化水素と鉄イオンとの結図 10 オキソ架橋二核鉄（Ⅲ）－パーオキサイド付加体における過酸化水素分子の軌道の挙動合が起きると推定されている。詳細は 4−1 項の銅（Ⅱ）錯体と過酸化水素との反応に関する項を参照されたい。

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（通巻 236 号）

11そして、この場合でも過酸化水素の不均化反応が電子酸と混合して空気中に放置させると、不飽和脂肪酸の供与体との相互作用で促進されると考えられている。

過酸化反応が強く進行することが見出された（下式）25）。
リノレン酸 → リノレン酸−OOH

2－5 基質および二核鉄（Ⅲ）
錯体存在下における酸素分子の反応性

実は、この二核鉄（Ⅲ）錯体とDMPOを空気中に放置

ここでは二核鉄（Ⅲ）錯体と電子供与体存在下での酸しておくと、DMPO‐OHに相当するESRシグナルを与え素分子との反応について、鉄（Ⅲ）
イオンと結合した酸素るのである 11）。これは図 1 の右端の場合（DMPO +Fe3+/

分子が一重項酸素分子（ 1Δg）に似た電子親和性を示

O2）に相当する。

すようになることを示す事実について述べる。ここで取りさて、このような二核鉄（Ⅲ）錯体、電子供与体（リノレ扱う二核鉄（Ⅲ）錯体の代表例は、HPTBなどを配位子

ン酸や DMPOなど）と酸素分子が共存した時になにが（図 12）とする錯体群である。

起きているかである。これはNishida反応と呼ばれており、「還元剤（基質）の存在下、2 個の鉄（Ⅲ）
イオンと酸素分子との結合が起こり（図 14）、酸素分子の活性化（電子親和性の出現）を伴って、過酸化水素の生成、還元剤（基質）の酸素化反応が起きる」ことが明らかにされている。

図 12 H（HPTB）の構造

これらの配位子は鉄（Ⅲ）
イオンと反応して、アルコキ
ソ架橋二核鉄（Ⅲ）錯体を形成する（図 13）。
図 14 還元剤存在下での二核鉄錯体と酸素分子との結合（推定図）

この還元剤は、還元力が強い場合は酸素分子への電子移動が生じ、過酸化水素が生成する（テトラメチルフェニレンジアミンTMPDの場合 19））。還元力が弱い
時は、酸素分子と還元剤とが反応して酸素化反応が進行する。リノレン酸の場合は、還元力はそれほどでもないので、過酸化反応が進行し、リノレン酸−OOH が形成したのである。DMPOの場合も、酸素化が起きて、初めDMPO‐OOH（図 1 左側）が形成し、それからDMPO‐OH が形成して、ESRシグナルの検出 11）になっていると推定される。いずれの場合も、鉄（Ⅲ）
イオンと結合し

図 13 Fe（HPTB）（NO3）22 錯体の構造た酸素分子が一重項酸素分子（ 1Δg ）に似た電子親和

この錯体は二核錯体であるので、過酸化水素と容易に反応し、二核鉄（Ⅲ）−パーオキサイド付加体を形成す性を示すことが重要な意味を持っていることを理解されたい。

る。このパーオキサイド付加体も一重項酸素分子（ Δg）
1に似た電子親和性を示すことが実証されており23）, 24）、
この錯体と過酸化水素との混合溶液に DMPOを加えるとDMPO‐OHの生成が観測される 11）。
この二核鉄（Ⅲ）錯体をリノレン酸のような不飽和脂肪

12

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3. DMPO からDMPO‐OH の生成反応
ヒドロキシルラジカルは、電 子 欠 損 化 合 物であるので、強い電子親和性を示す。当然、反応対象となる有Fenton 反応とヒドロキシルラジカル

機 物で注目されるのは電 子 が 充 填されているエネル化物イオンの箇所のみで、これは今回使用したすべてギーが最高の軌道である。いわゆるHOMO であるが、の銅錯体に共通している。

これはいろいろな手法で計算できる。

最初に銅（Ⅱ）錯体と過酸化水素存在下におけるシク

DMPO 分子の HOMOは炭素−窒素原子上、とくに炭ロヘキサンの酸素化反応に対する触媒作用から議論

素原子上に大きく広がっているので、炭素原子上で反する。この結果を表 2 に示した。明らかなように、触媒活応が進行することが示唆される。よって、ヒドロキシルラ

性は、使用した錯体に大きく依存している 25）, 26）。これをジカルは炭素原子上で反応して、DMPO‐OH（図 1）を錯体の構造と過酸化水素との反応から考察すると、以与えると推定されるが、これは事実と一致する。当然の下のようになる。触媒活性の一番高い［Cu（bdpg）Cl］錯

ことながら、電子親和性を示す過酸化水素および酸素体の構造を図 17 に示した。この錯体の特徴は水素結

分 子 誘 導 体 や 一 重 項 酸 素（ 1Δ g）
も、この 炭 素 上 で合を介して過酸化水素付加体が容易に形成できる点

DMPOと反応することになる（2−5 項）。

にある（図 18）25）, 26）。この過酸化水素付加体形成は
図 17 におけるCu（1）
‐N（9）
‐O（4）
のキレート員数に大き4. フェントン反応と協奏反応

く依存する（6 員環キレートが 5 員環キレートよりずっと有フェントン反応とは、水溶液中での鉄（Ⅱ）
イオンと過酸であり、かつ水素結合形成部位を持たないので、過酸化水素の反応を意味する。ここで鉄（Ⅱ）
イオンとは、鉄化水素付加体が形成されず、シクロヘキサンの酸素化

イオンの周りに 6 個の水分子が配位している化合物（図反応が全く進行しないと結論できる。

利）。
［Cu（tpa）Cl］錯体ではすべてのキレート員数は 55）を示す。しかし、このような化合物は生体中には全く存在しない。生体中の鉄（Ⅱ）
イオンと言えば、鉄（Ⅱ）
イオ
ンに種々のキレート化合物（たとえばクエン酸など 28））が結合しているものを意味する。
（図 15 左）OO
Fe(II)OO

OH2

Fe(II)

O
H2 O2

O

O2H2

図 15 鉄（Ⅱ）
キレートと過酸化水素との反応

図15に描かれているような鉄（Ⅱ）
イオンと過酸化水素との結合が起きるためには鉄（Ⅱ）
イオンと結合している

図 16 銅（Ⅱ）
錯体合成に使用された配位子の構造

水分子と過酸化水素が置き換わる必要があるが、まずこの過酸化水素と金属イオンとの結合生成について最初に議論し、最後にフェントン反応系に戻ることにする。
4－1 銅（Ⅱ）錯体と過酸化水素との反応例
2 価の金属キレートと過酸化水素との反応例として、
銅（Ⅱ）錯体の例を参考にして議論する。銅（Ⅱ）錯体と

図 17［Cu（bdpg）
Cl］
錯体の結晶構造
塩 化 物イオン、Cl（2）の代わりに過酸化水素が結合し、パーオキサイ
ド付 加 体（図 19）を形成するには角度
（O
（4）
‐
Cu
（1）
‐Cl
（2））
が重要
な因子となる

して図 16に示した配位子などの多くの錯体を合成した。
これらの銅（Ⅱ）錯体は 5 配位錯体を形成するが、その 1箇所だけ過酸化水素が結合できる部位がある点に特徴がある。一例として図 17 の［Cu（bdpg）Cl］錯体で示
すと、過酸化水素が銅（Ⅱ）
イオンと結合できる部位は塩THE CHEMICAL TIMES

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表2 銅
（Ⅱ）
錯体触媒下でのシクロヘキサンと過酸化水素の反応による生成物と収率

Cu(tpa)Cl+(1/500 M)/H2O2/TMPN

図 20［Cu（tpa）Cl］
錯体とTMPN，
過酸化水素系のESRスペクトルの時間変化

これらの事実から、通常の状態では銅（Ⅱ）
イオンとは結合しない過酸化水素が TMPNの存在下で銅（Ⅱ）
イオ
図 18 ［Cu（bdpg）
Cl］
錯体と過酸化水素との付加体形成（推定図）

以上のことと図 18 に示した銅（Ⅱ）‐過酸化水素付加
体は、シクロヘキサンと反応している事実から、この種ンに結合し、その結合した過酸化水素は高い電子親和性を示すということが解る。なぜなら、TMPNは一重項
酸素分子（ 1Δg）と特異的に反応する試薬として知られているからである。

のパーオキサイド付加体が電子親和性を示す事が実

この事実は、これらの系では TMPN 存在下で銅（Ⅱ）

験的に実証されたことになるが、その電子親和性の発イオンと過酸化水素が結合し（図 21）、かつ過酸化水素

現に結合したパーオキサイドイオンの不均化反応が密が強く電子親和性を示すように変形していることを意味

接に関連している（後述）。

する（2−4 項）。これを、別の言葉でいえば、過酸化水

さて、
［Cu
（tpa）
Cl］錯体の銅（Ⅱ）
イオンと過酸化水素

素の結合と活性化（一重項酸素分子（ 1Δg）に似た反応

は安易には結合しないのであるが、ときにはそれと結合性を示すようになること）
が TMPNの存在下で協奏的にする場 合が観 察された。それは、［Cu（tpa）Cl］錯 体と進行することを意味し、私は、このような金属イオンと過TMPN（図 19）の混合溶液に過酸化水素を加えた時に酸化水素との反応における協奏反応の重要性を指摘観測される 15）, 19）, 27）。

した 16）−19）, 27）。同様な事態は高スピン型鉄（Ⅱ）、鉄（Ⅲ）
錯体と過酸化水素との混合系でも起きていると推定できる（2−4および4−3項）。このTMPNが存在した場合でも、すべての銅錯体で過酸化水素の結合・活性化が起きないという事実は、図 21 の正当性を支持している。この議
論は変異 SODによる筋委縮性側索硬化症（ALS）発症に関する結論ともきれいに対応している 16）, 27）。

図 19 TMPN の構造と一重項酸素分子（1Δg）との反応生成物

銅（Ⅱ）
イオンと過酸化水素が結合したことは、溶液のESR 測定でナイトロンラジカルの生成が時間とともに増大していくことから明らかである（図 20）

14

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図 21 TMPN 存在下で起きる銅（Ⅱ）
錯体と過酸化水素との結合（推定）

Fenton 反応とヒドロキシルラジカル

4－2 フェントン反応における協奏反応

3+ンと反応して、［Fe（H2O）
自分も鉄（Ⅲ）
6］ イオンを与え、フェントン反応とは、水溶液中での［Fe（H2O）イオン
6］イオンに還元される。最終的に 2 価鉄イオンが過酸化水と過酸化水素との反応であるが、4−1 項で示したよう

素で 3 価鉄へ酸化されたことになるが、途中でヒドロキに、過酸化水素はすでに鉄（Ⅱ）
イオンと結合している水

シルラジカルが生成することはない。

分子を押しのけてまでして、鉄（Ⅱ）
イオンと結合することはしない（大過剰の過酸化水素が存在していれば別だ

2）鉄（Ⅱ）
イオンの場合が。なお、江波らの系では気液界面での実験のため、鉄1）で述べたのと同様な反応が進行するとすれば、鉄（Ⅱ）
イオンは6 個の水で囲まれていないので、鉄（Ⅱ）
イオ（Ⅱ）と結合している過酸化水素分子との相互作用で O

ンと過酸化水素との結合は通常（水中）のフェントン系と‐O 結合の不均化切断が起き、Fe（Ⅱ）‐O（中性）‐Fe（Ⅱ）

比較すれば圧倒的に起こりやすくなっている）。それゆが形成する。これより、オキソ架橋 Fe（Ⅲ）種が生成する。

え、フェントン反応系に DMPOを加えた時に DMPO‐OH

ただし、実際のフェントン系ではこの 2）の反応が起きるが観測された事実は、4−1 項で述べたような協奏反応

確率は 1）の反応よりずっと低いと思われる。

が起きたために進行したと考えるのがもっとも妥当と思われる。その時、鉄（Ⅱ）
イオンと過酸化水素が結合する

3）DMPOの場合には、それを助ける電子供与体が必要である。フェント

DMPOとの相互作用で、過酸化水素が鉄イオンと結ン溶液／DMPO 系における電子供与体としては、1）過合し、その結合した過酸化水素分子の O‐O 結合の不酸化水素、2）鉄（Ⅱ）
イオン、および 3）DMPO（一般的に均化切断を経て DMPO‐OHと水分子が形成する。この基質と考えてよい）が考えられる。

場合は、時として 1）で生成したフェリル基が DMPOと反応して DMPO‐OHを与える可能性もある。これは反応条件にもよると思われるが、大切なことはフェリル基やヒ1）過酸化水素の場合
過酸化水素の存在下、鉄（Ⅱ）
イオンと過酸化水素との結合と、結合している過酸化水素分子の不均化反

ドロキシルラジカル生成を考えなくてもDMPO‐OH の形
成は説明できることである。

応が起こり、1 分子の水が生成する。鉄イオンに結合していた酸素原子（図 22、赤色）は電気的に中性で残る

4－3 鉄
（Ⅱ）
キレートと過酸化水素との反応ため、この結合は Fe（Ⅱ）‐O（電気的に中性）とかけるが、

生体中の鉄（Ⅱ）
イオンは図 15 に描いたようにキレート

これは電子論的にはFe（Ⅳ）=O（フェリル基と呼ばれてい構造をしている 28）。クエン酸などと結合している鉄（Ⅱ）

る）と同等である。実際にフェリル基は江波らの実験で

2+キレート中の鉄（Ⅱ）
イオンは、［Fe（H2O）
6］ イオンのそれ観測されている。この Fe（Ⅳ）=O 基は高い電子親和性をよりずっと酸化されやすいという特徴があるが、本質的示し、さらに接近した過酸化水素から2 電子を奪って酸に 4−1 項で記載したように進行すると思われる。すなわ

2+素分子とFe（Ⅱ）‐OH2となるか、近傍の［Fe（H2O）6］ イオ

ち、過酸化水素と鉄イオンとの結合は電子供与体（基質）の存在下で協奏的に進行し、結合した過酸化水素

Donor
O

分子と基質との反応が優先する。
OH

5. 老化対策に必要なこと
OH2

2+

H 2O

Fe

OH2

H 2O

「老化」
とは、からだの成熟が終了した後におこる生
理機能の衰退を意味する。私たちは生まれた直後から酸素を利用する多くの生理作用を行っており、その結果

OH2
図 22 鉄（Ⅱ）
イオンに結合した過酸化水素の反応
過酸化水素との相互作用で、不均化反応がより促進されO‐O 結合の切断とともに、フェリル基が生成する19）。

様々な老廃物や活性酸素を排出し、それらが蛋白質や脂質、あるいは遺伝子を損傷して細胞の機能に影響を与え、老化のスピードを早めると考えられている。私は、THE CHEMICAL TIMES

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15

老化を早めるもっとも重要な化合物が生体不安定鉄と7）Hardy, J.A.; Aust, A.E. Chem. Rev. 1995, 95（1）,97-118.

考えている17）−19）。この小文で述べたように、鉄（Ⅲ）
イオ8）Ames, B.N.; Shigenaga, M.K.; Hagen, T.M. Proc. Natl. Acad.
Sci. USA. 1993, 90（17）, 7915-7922.

ンは酸素分子・過酸化水素と結合し、それらの反応性を変えて、蛋白質や脂質・遺伝子を損傷して細胞の機能に影響を与えることが明らかにされている。過酸化水
素は 2−5 項で述べたように Nishida 反応が原因で生体不安定鉄から大量に生成する可能性が高いことから、老化対策には生体不安定鉄の除去が最大の手法であると指摘し 19）, 30）, 31）、その考えに立って、生体不安定鉄を副作用なく除去できる化合物群を合成した 18）, 19）, 32）。
今後、これらの化合物が、老化・各種生活習慣病・神経性疾患・認知症などへの予防医学に大きく貢献すると信じている。

9）Okada, S.; Hamazaki, S.; Akiyama, T.; Liu, M. “Iron-induced
carcinogenesis in experimental animals: A free radical
mechanism of DNA damage and carcinogenesis”. Oxidative
Stress and Aging. Cutler, R.G.; Packer, L.;Bertram, J.; Mori, A.
Birkhauser Verlag, 1995, p89-99,（Molecular and Cell Biology
Updates）.
10）Liu, M.; Okada, S. Carcinogenesis.1994, 15（12）, 2817-2821.
11）Nishida, Y.; Nasu, M.; Akamatsu, T. J. Chem. Soc. Chem.
Commun. 1992, 93-94.
12）Harrison, P.M.; Arosio, P. Biochim. Biophys. Acta. 1996, 1275
（3）
, 161-203.
13）Mizuno,R.; Kawabata, T.; Sutoh, Y.; Nishida, Y.; Okada S.
Biometals. 2006, 19（6）, 675-683.
14）Nishida, Y. Z. Naturforsch. 2003, 58C, 752-758.
15）Nishida, Y. Med. Hypotheses Res. 2004, 1, 227-245.

6. さいごに16）Nishida, Y. Monatsh. Chem. 2011, 142（4）, 375-384.
17）Nishida, Y. TCIMail. 2009, 141, 2-15.

フェントン反応系に協奏反応を考慮することで、DMPO‐OHなどの形成をヒドロキシルラジカルやフェリル基の形成を考える必要がなく説明できることを示した。このように酸素分子や過酸化水素の反応については、協奏反応を取り入れた新しい視点にたって、生体系における酸
素分子や過酸化水素が関与する反応系をこれまでになかった新概念で説明すべきであると提案しており19）、活性酸素という概念を捨て去るべき時期に来ていると考えている。なお、最近の水素分子医学では、水素分子がヒドロキシルラジカルを分解すると指摘されているが、ヒドロキシルラジカルの生体中での生成は否定さ

29）,33）19）Nishida, Y.“Oxygen Activation, Oxidative Stress and Human
Health”. Lambert Academic Publishing. 2012.
20）Enami, S.; Sakamoto, Y.; Colussi, A.J. Proc. Natl. Acad. Sci.
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21）Albright, T.A.; Burdett, J.K.; Whangbo, M-H. “OrbitalInteractions in Chemistry”. Wiley-Interscience. 1985, 464p.
22）Nishida, Y.; Ito, S. Polyhedron. 1995, 14, 2301-2308.
23）Nishida, Y.; Takeuchi, M. Z. Naturforsch. 1987, 42b, 52-54.
24）Nishino, S.; Hosomi, H.; Ohba, S.; Matsushima, H.; Tokii, T.;
Nishida, Y. J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1999, 1509-1514.
25）Nishida, Y.; Yamada, K. J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1990,
3639-3641.

れるので、今後、水素分子が生体中でどのような反応

26）Okuno, T.; Ohba, S.; Nishida, Y. Polyhedron. 1997, 16（21）,3765-3774.

に関与しているかを明らかにする必要があろう。

27）Nishida, Y. TCIMail. 2007, 135, 2-8.
28）Evans, R.W.; Rafique, R.; Zarea, A.; Rapisarda, C.; Cammack,
R.; Evans, P.J.; Porter, J.B.; Hider, R.C. J. Biol. Inorg. Chem.
, 57-74.
2008, 13（1）参考文献

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2）Sies, H. ed. “活性酸素と疾患―分子論的背景と生物の防衛戦略”. 井上正康監訳 . 学会出版センター, 1987, 510p.
3）二木鋭雄 , 島崎弘幸編 . “活性酸素：化学・生物学・医学”. 医歯薬出版 . 1987, 385p.
4）岡田茂 . “鉄と人体の科学”. 悠飛社 . 2005, 180p.
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Bakshi, R. Neurotherapeutics. 2007, 4（3）, 371-386.

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30）西田雄三 . “鉄学のすすめ−うつ病・自殺願望・生活習慣の予防と安全な農作物の確保のために−”. 青山ライフ出版 . 2011,92p.
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32）株式会社ダステック, 国立大学法人旭川医科大学（以上、米国を除く全ての指定国について）, 西田雄三 , 高後裕 , 生田克哉 , 佐々木勝則（以上、米国についてのみ）. 高分子鉄キレート剤 . WO2012096183 A1. 2012-07-19.
33）Shirahata, S.; Hamasaki, T,; Teruya, K. Trends Food Sci.
Technol. 2012, 23, 124-131.

流体物理洗浄（1）
基本概念と微粒子の付着力
Physical Fluid Cleaning (1) General concepts and adhesion of fine particles
静岡大学

大学院工学研究科

機械工学専攻准教授

真田 俊之

Sanada Toshiyuki (Associate Professor)
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Shizuoka University
北海道大学

大学院工学研究院

機械宇宙工学専攻

教授

渡部

正夫

Watanabe Masao (Professor)
Division of Mechanical and Space Engineering, Faculty of Engineering, Hokkaido University

1. はじめにて微粒子を想定してどのような力で付着しているのか、さらに除去する際の基本的な指針について紹介する。

これから数回に渡って、流体物理洗浄という、著者らがこの 10 年近く取り組んでみたが、未だ出口が見えず、さらにこれからも取り組むであろう洗浄技術について、分かったことや分からないこと、分かりかけていることを紹介する。

2. 基本概念：用語
まず流体物理洗浄の基本概念について述べる。流
体物理洗浄とは、流体、すなわち、気体と液体の物理

洗浄と言うと、薬液、すなわち洗浄液が一番に頭に浮的作用を利用した洗浄である。プラズマなど特殊な状

かび、化学反応が主だと思われる方も多いと思うが、ここ態を除き、世の中の物質は、固体・液体・気体に分けら

では、機械工学、特に流体工学を専門とする著者が、れるが、その液 体と気 体を合わせて一 般に流 体と呼流体の物理的作用に着目し、貴重な洗浄液をより有効

ぶ。その流体の流れや圧力変化等を利用して被洗浄に活用する手法を紹介したい。後に詳細を述べるが、取物を取り除くのである。なお、気体の流れ、液体の流れ

り除きたい被洗浄物の表面への付着力よりも大きく、かつが正しい日本語であるように、流体（気体と液体）の流対象物にダメージを与えない程度の物理的作用であれれは正しい表現である。流れを用いた洗浄の例として、

ば、原理的には洗浄液無しで、表面洗浄が可能である。

家庭用の掃除機は、表面の異物をダクトへの流れや圧家庭における洗浄液の誤飲や事故、労働中の危険な洗力によって吸い込み除去する。コンプレッサなどを用い浄液による病気、排水、廃液、排ガスによる地球環境問たエアガンは、高圧の気体を利用して高速気流を生み

題、さらに各種規制など、現在、社会は安全・安心な洗出し、その気流によって表面での被洗浄物を吹き飛ば

浄への要望が高まっている。流体物理洗浄という低環す。産 業で使 用されている超 音 波 洗 浄やレーザー洗境負荷な洗浄技術の開発を通じて、より安全・安心な社

浄、ジェット洗浄等も流体力学を利用している。

会の構築への一助となれば幸いである。なお、これまで

このような物理的作用を利用した洗浄が可能である半導体や太陽電池、LEDなどの電気・電子デバイス産

かは、その物理的作用と被洗浄物の対象表面への付業、自動車産業、光学部品、住宅設備機器等の分野に着力および対象表面の強度を考えるとわかりやすい。

おいての共同研究等を中心として得た知見を元に執筆

表面に存在する粒子が流れによって表面から離れる現するが、洗浄は日々の生活から最先端の工業製品まで

象は、洗 浄を始めとする工 業プロセスから、海 洋、河幅広い分野での基本技術であるため、なるべく特定の川、砂などの飛散など幅広い分野で見られるため、膨洗浄技術に偏らず、普遍的な知見を記述したいと考えて大な研 究 がされている。最 近のレビュー記 事 1）では、いる。まず本報では、流体物理洗浄の基本概念として、300を超える文献を引用して、その複雑な機構や様々な

どのような条件で洗浄が可能なのか、また被洗浄物としモデルを紹介している。なお、このように幅広い分野で

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17

研究されている知見のため、分野が異なると、その専門

るプロセスウィンドウより幅広い分布の実線で示される物

用語まで変わってしまう。表面に存在する粒子の流れに理的作用の場合には一部、材料の損傷などが発生してよる移動を述べた、おそらく最も利用されている専門用

しまう可能性がある。すなわち、スプレーなどの液滴を噴

語は「resuspension」だと思う。Suspensionとは日本語で霧する場合には、液滴径や速度の分布が、物理的作

懸濁液と訳され、液体中にコロイドよりも大きな粒子が分用、すなわち洗浄力の分布を生じてしまい、結果として散した状態を示すが、表面に存在する粒子が液体中部分的に損傷などを生じてしまう。そのため、最近では、（ただし、resuspensionという表現では気体の場合も多より制御された液滴列などで、一定の物理的作用を狙い）へと戻っていく様を示していると考えられる。日本語

う手法が報告されている 3）。

では再飛散という言葉が用いられるが、再飛散という言
葉を英訳するとre-entrainmentとなる場合が多い。周囲が気体の場合には aerosol、エアロゾルと呼ぶ。また流れに着目すると、固液二相流（固体と液体）
もしくは固気二相流（固体と気体）と呼ばれ、この英語は particle-laden
flowsなどと呼ばれる。固体粒子を含む流れは Granular
flowsと呼ぶ場合もあり様々である。これらの用語は Webなどで検索する際のキーワードになると思う。
さて話を洗浄に戻す。上述した resuspension の世界

図 1 プロセスウィンドウ（Kimら2）を参考に筆者により作成）

では、粒子が残るか、飛散するかが重要であるが、洗このプロセスウィンドウの考え方は、物理洗浄に洗浄浄を考えた際には、表面を綺麗にすることが目的である液を使用する際にも適用可能である。図 2 にその概念ため、物 理 的 作 用によって、表 面を傷つけてはならな

図を示す。例えば、被洗浄物（粒子が表面に付着してい。そのためプロセスウィンドウと呼ばれる考え方が非常いる状 況を考える）の付 着 力が表 面の強 度と同 程 度に有効である。そこでまずそのプロセスウィンドウについだった場合、原理的に物理洗浄は不可能である。しかて紹介する。

し、洗浄液など様々な処理をすることによってその付着力を軽減することができれば、より洗浄は容易になる。す3. 基本概念：プロセスウィンドウ

なわちプロセスウインドウは広くなる。そのわかりやすい例を示す。

プロセスウィンドウは、工業の現場で良く使用される考え方であり、ある工程の最適条件があるとすると、その条件が変化した際に、その工程での目標達成が実現できる許容範囲のことをいう。図 1 に Kimら 2）によって提案されているプロセスウィンドウの考え方を示す。Resuspensionの分野においても、粒子飛散の基本的な考え方というのは、粒子と表面との付着力より大きな作用（流れなど）があれば表面から粒子が飛散するというものであり、このプロセスウィンドウにおいてもこの点は同じである。この18

図 2 物理洗浄における洗浄液の役割

プロセスウィンドウとResusupension との違いは、対象物

ウォーターマークと呼ばれる、水が蒸発した後に形成

表面の強度が加わっている点である。図 1 に示されるよ

される汚れで、この汚れにも液体の種類や雰囲気によっ

うに洗浄において対象物にダメージ
（損傷）
を与えては

て様々なものがある。その中でも家庭で最も良く見られいけないため、ダメージを与えない程度の作用で、かつる、水垢すなわち、スケールと呼ばれるものを考える。こ

被洗浄物の表面への付着力を超える作用であれば除れは硬水や井戸水などの場合に発生しやすく、カルシウ

去できる、というものである。図 1 の場合、点線で示され

ムやマグネシウムなどの成分が析出したものだが、かな

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流体物理洗浄（1） 基本概念と微粒子の付着力

り強固に対象物に付着している。このような対象物を物

力 mg は後述するように体積力であるため、体積が小さ理的作用によって除去しようとしても、表面を削らない限

くなると劇的に小さくなる。すなわち粒子半径 r の 3 乗にりは除去することはできない。すなわちダメージを与えて比例して小さくなる。

しまう。しかし酸性の液体を使用すれば、非常に弱い力でも除去することができる。
雪道などで使用される融雪剤である塩化カルシウムが車などに付着すると、場合によっては結晶を作ってし

ここで、m は質量、ρは密度、V は体積、g は重力加速度である。

まう場合もあり、その付着力は非常に大きい。しかし水に一方、分子間力の一つであるファンデルワールス力

溶ける塩化カルシウムは、水分を加えることによってそのF w では、球と表面との相互作用の場合、力は粒子径に付着力を激減させることができる。

比例する 8）。

毛管凝縮と呼ばれる、大気中の水分が付着している微粒子などの周囲に凝縮した場合、後述するが、その表面張力によって付着力が激増する場合がある。このような

A は Hamaker 定数で約 10 −19［J］、D は表面間距離場合には、その気液界面が存在することが問題であるたで 0.2［ nm］などの値がよく採用される 8）。ここでファンデめ、液体を用いる、つまり湿式（Wet）洗浄にすれば良い。

ルワールス力とは、分子を凝縮させる力として（気体のこのように洗浄 液、場 合によっては水のみもありえる

状態方程式など）有名だが、その起源は原子と原子がが、なんらかの前処理によって付着力を減少させること近づく際に原子の中の原子核と電子が存在することにができる例は枚挙にいとまがない。

よる相互作用なので、中性の原子でも働き、どのような我々も半導体製造工程における硬化した膜除去や物質の間でも作用する（静電気力は、電荷が表面にト

微細ホール内の残渣にこの考え方を適用して、水のみ、ラップされないと作用しない）。このような、我々が普段感

もしくは洗浄液使用量の減少に成功した。除去した

じることのない分子間力であっても、微細な粒子では重い膜を溶解すること無しに、付着力のみを減少させるこ

力よりも支配的となる。図 3 に重力とファンデルワールスとができれば、物理洗浄によって簡単に除去することが力の比較を示す。ミリメートルよりも小さな世界では、重できる、というわけである。

力よりも桁違いにファンデルワールス力が大きくなる。そ4）,5）

このように、洗浄を行う際に、付着している物体（被洗浄物）
は何で、それがどのような機構によって付着していのため、微細な粒子を載せた板をひっくり返しても粒子は落ちない。

るのかを理解できれば、物理洗浄による洗浄の可能性は高くなる。一方で、制御されている環境（工場のラインなど）を除けば、日常生活などのほとんどは、何を洗浄しているのかが分からないことも多く、それゆえ洗浄は難しい。次に被洗浄物がどのように付着しているかについて述べる。
4. 微粒子の付着力
それでは、物理洗浄の鍵を握る微粒子の付着力について紹介する。これらに関しては日本語でも優れたレ
ビュー記事 6）,7）や教科書 8）があるためにそちらも参照していただきたいが、ここではその代表的な力について紹介する。一般的に我々が生活しているスケールでは、重力が支配的であり、板の上に物を置いてひっくり返したら、その物は落下する。当たり前である。しかし、その重図 3 ファンデルワールス力、水に対する液架橋力と重力
ここでは分離力ではなく重力を示している。）（後藤6）を参考に著者により作成、ミリメートルより小さな世界では重力の影響は小さくなる。

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付着力には、その他毛管凝縮による液架橋力や静電理論と呼ばれるものである 10）。以下に概略を説明する。

気力など状況によって様々な力があるが、大気中で特に重要なのは液架橋力である。分子間力と同じ程度、もしくはそれを超えるオーダーの付着力を発生させる。
この液架橋力は、平面と球との間に液体（一般的には水）が凝縮することによって発生する（液膜に粒子を散布し加熱して、液膜のほとんどが蒸発しても架橋だけが残るということも考えられる）。通常の大気中ではその図 4 球と平面との付着

相対湿度は 100％よりも十分に低いが、液体の界面が弾性体の半径 r の球が平板に接触するとき、接触し局面を持ち表面が凹型になっている場合には、その液た部分は変形する。その接触円の半径 a は通常ヘルツ

面での飽和蒸気圧は平面より低くなる。そのため相対の式を使用して求められる 9）。

湿度が 100％に達していなくても凝縮水は安定して存在することができる。球と平面との間に働く液架橋力による力 Fc は、表面張力を表現するラプラス圧力によって求められる 。

ここで、K はそれぞれの材料物性から決まる定数であり、L は荷重である。このヘルツの式では、変形させた後9）に荷重 Lをゼロにすると、弾性変形のみを考慮している
ここでσは表面張力、θは球と平面それぞれの接触

ため、接触面積もゼロになる。一方で、実際に弾性体を角である。図 3 にこの液架橋力を加えると、水は液体の平板に押し付け変形させ、その後荷重を下げ、平板から中でも比較的高い表面張力を持つため、ファンデルワー

離れそうとしても、荷重ゼロの状態で接触面積はゼロとな

ルス力よりも大きな付着力となる。そのためこの液架橋らない。これは凝着力が働いているためである。そこで、力の影響を消すことができるWet 洗浄は有効なのであJKR 理論では、図 4 及び式に示すように、接触面積に比る。なお、原子間力顕微鏡（AFM）
による測定によれば、

例した凝着エネルギー（付着力）や蓄積された弾性エネ

真空中であってもこの液架橋力は存在し、加熱すること

ルギー（反発力）等を考慮してモデル化されている。引離によってのみ除去することができるとの報告がされていし力（= 付着力）
は接触面を引離すのに必要な力となる。

る 。また、ファンデルワールス力は、表面間距離 D の 2

JKR 理論は、比較的 r の大きな物体で金属などの分乗に反比例するため、ナノスケール程度の表面粗さが子間力が大きい、すなわち表面エネルギーが大きな場ある場合であっても急激に減少する。一方で液架橋力合に、実験と非常に良く一致する。しかし、万能では無は、ナノメートル程度の粗さの影響を受けない 。そのたく、様々な材料の組み合わせや条件によって、異なっため接触角を変更するのが、最も有効な対策となる。

モデルが提案されている。JKR理論と同様に有名なもの

9）9）

なお、この液架橋力の影響を消すために Wet 洗浄がに DMT モデル 11）がある。このモデルは接触面積周囲有効だと述べたが、Wet洗浄には必ず乾燥工程が必要との引力を考慮している点が特徴的である。この DMTモなる。この表面張力は、洗浄後の乾燥工程でも厄介な存

デルは、表面エネルギーが低い場合など、JKRとは異な在であり、半導体デバイスの微細パターン崩壊や MEMS

る条件で使用可能な場合が多く、そのどちらのモデル

でのスティクションの原因となるため注意が必要である。

が適用可能か、といったパラメータも提案されている12）。

次に洗浄で対象となる微粒子の付着モデルについその他、塑 性 変 形を考 慮した MP モデル 13）や、JKR-て紹介する。洗浄対象となるような微粒子は、微細であDMT の両方が成立しない領域での TPL モデル 14）など

ること、またその体積に比較して付着力が相対的に大き様々なモデルが提案されている。

くなることから（体積は r の 3 乗、付着力はファンデルワー
ルス力では 1 乗に比例）、粒子自身が変形してしまい、
その変形の影響も考慮した付着力が広く提案されている。最も有名で幅広い分野で使用されているのは JKR

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5. 付着力（洗浄力）の測定例
次に、微粒子をプレートに付着させ、その付着力の測流体物理洗浄（1） 基本概念と微粒子の付着力定や除去実験の結果から、これまで説明したモデルの適用性や洗浄での対策を考える。洗浄力の評価には、
そのサンプルの作成が必要とされるが、まずはそのサンプル作りに困難が伴う。散布する粒子を分散させること、湿度や温度を同一条件にすること、など様々な工夫が必要となる。今回紹介するサンプルは、比較的安価で手に入り、その物性（弾性係数等）が明らかにされているなどの理由から、JIS Z 8901 試験用粉体で、材質がソーダライム・シリケートのガラスビーズ、粒 子 径が 30±
1.0、41±1.0、59±1.0［μm］のものを、同じ材質のスライドグラスの上へと散布し、作成した。粒子の散布密度は1 平方ミリメートルあたり4 個以下となるようフィルターやふるいを使用して散布した。粒子の散布密度がこれ以上増加すると、粒子間の相互作用により洗浄効率は上がるが、実験再現性は下がってしまう。
サンプルの作成においては、対象となる洗浄手法に応じた付着力が必要となる。今回紹介するサンプルの粒子の付着力は O（10 −7 〜 10−6 ）［ N］程度であり、図 3とほぼ同じ値を示している。これは空気などの流れを利用した洗浄のサンプルに向いている一方で、高速二流体ジェット洗浄のように、物理的作用の強い手法には、
この程度の付着力のサンプルでは、粒子をすべて除去
してしまい、洗浄条件による洗浄力の評価は困難となる。なお、そのような場合には、硬化させ密着させた粒

図 5 付着力もしくは除去力の測定例、（a）
吸い込み気流、
（b）
遠心分離、
（c）
表
面振動

子や、密着力の高い膜などを使用して除去効率などを評価することも可能である。金属蒸着膜や高分子レジス
ト膜は O（10 −3 ）［ N］程度の密着力がある 15）。
さて、このようなサンプルに対し、図 5 に示すような複数の手法で除去を試み、定量的に比較した結果 16）を紹 介する。なお、吹き出し気 流によっても除 去 試 験を行ったが、この程度の付着力のサンプルは容易に完全

図 6 吸い込み試験
（図 5
（a）
に相当）
における除去の様子、
h =1mm、（b）
h =5mm、（a）の白い丸はノズルの内径と外径を示す。
（a）

除去が可能だった。図 6 に吸い込み試験による試験後のサンプルの様子を示す。ノズル先端とサンプルが比較的近い（a）において、ノズル径程度の範囲において粒子が除去されている。一方で距離を離した（b）ではほとんど除去されていない。また、これらの結果を粒子径もしくは距離ごとに整理したグラフを図 7 に示す。ここで Srは除去前と除去後の粒子数をカウントし、それから求めた除去率を示している。除去には最適距離（h=1mm）が存在し、大きな粒子ほど除去しやすい。
図 7 吸い込み試験による粒子除去率

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次に、サーボモーターによって回転させ、遠心力を作

は、実験をする前にその付着力や除去力を予測できる用させた場 合や、振 動モーターによって表 面を振 動さまでには、科学は発展していない。すなわち、まだ我々にせ、表面から除去した結果を示す。表面振動の試験では理解していない事項が残されていると考えている。そは、表面から粒子を除去できない程度の気流で粒子をもそも、除去率が存在するという段階で、付着力を除去集塵する。図 8 は粒子径 30µm の際の結果で、遠心分力が上まれば除去できるというモデルは、破綻している。

離および表面振動の場合共に、加速度の増加に伴いそのため、図 1 のプロセスウィンドウにおいて、付着力に除去率も増加している。この試験は、プレート平面に沿っも分布が存在する。もちろん、この点に関しても様々なモた向きへ加速度を印加しており、プレート設置の向きも重デル（乱流エネルギーの蓄積、粒子径分布、表面粗さ

要である（詳細は図 5を参照）。なお、ここで示したいの

等）
を考慮してある程度の予測が可能になっているが、は、ある手法ではこの程度の除去率になる、ということで必ず何らかのパラメータを入れて実験値とモデルを一致はなく、丁寧に準備して再現性があるサンプルであってさせている。

も、その除去手法によって、除去率が異なるということである。例えば図 8 では、同じサンプルにもかかわらず、同程度の加速度であっても除去率は異なっている。この理

6. 洗浄の対策

由は今のところ筆者には分からない。またこのような除去

それでは、どうすれば良いのか、力学的な立場から洗率を先ほど紹介した JKRや TPLモデルで予測することも浄の対策について考えたい。まず、流体の流れを使用し頻繁に行われる。図 8 にモデルによる予測値も直線で示て微粒子を除去する際、どのようなメカニズムで除去されしてある。表面振動の試験結果に着目すれば、TPLモデているか、現状広く使用されているモデルを紹介する。

ルは 200m/s 程度の加速で除去可能であり、このとき実

図 9 は、せん断流れによって粒子が除去される際、粒子験結果はおおよそ除去率 50％程度となっている。この結にどのような力が働くかを示したものである。粒子は前述

果のみを用いて理論的に予測できたと言えるのであろうのようにある面積を持って表面に付着する、という考え方か。例えばモデルは遠心力の結果とは一致しない。またが一般的である。このとき、流体は表面では速度ゼロ、結果は省略するが、同程度の加速度でプレートに対し離れるに従って速度が増加する速度勾配を持っている。

垂直方向の表面振動もしくは遠心力を加えてもある程

そうすると、粒子には 3 つの移動の可能性がある。その度粒子は除去可能であるにも関わらず、モデルによる予中でも最も起こりやすいのが、Rollingと呼ばれる粒子の測値はこの表に入らない程高い値となってしまう。そのた回転運動である。前述した振動や遠心力を印加した試め、これでは予測できているとはいえないと考える。

験においても、粒子に表面と同一方向へと加速度を印

2

現在、多くのモデルにおいて、パラメータが導入され加した方が除去率は高い。その他、飛行機が揚力を得ており、一見モデルと実験が一致するように見えるが、あて浮き上がるのと同じように、粒子の上の流れが早く、圧くまでも結果を見て再現した程度であり、著者の考えで力が下がり上向きの力が働くのが Lifting、付着したまま横に移動するのが Slidingである。力の概算評価 17）によれば、微粒子では Liftingや Slidingは Rollingに比べ起こりにくい。このように、外力を加える際に、粒子が回転するように力を印加すると取れやすい。
次に検討したい点として、体積力と表面力が挙げられる。流体中に物体が存在するとき、物体に働く力として、体積力と表面力という2 種類の力に分けて考えることができる。体積力とは、その名の通り存在する体積に働く力のことを示し、重力や電磁力、見かけの力である
遠心力等が挙げられる。一方、表面力とは、物体の表

図822

表面振動および遠心分離によるRolling（横方向）による粒子除去率

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面を介して作用する力のことで、分子衝突の運動量交流体物理洗浄（1） 基本概念と微粒子の付着力換による。表面に垂直な方向に働く圧力や表面に沿っ

えば当たり前の話であり、大学低学年程度の学問レベた方向に働くせん断力などが挙げられる。次に、物体のルかもしれない。一方で実用を考えた際には、経験に頼体積と表面積を考える。例えば半径 r の球の場合、体りがちな洗浄では、このような検討すらされないのが現

積は 4/3πr なのに対し、表面積は 4πr と、物体が小さく実ではないかと思う。読者に少しでも参考になれば幸いなるほど表面積の割合は大きくなる。そのため、微細粒

である。

3

2

子除去には物理的作用が、体積力なのか、あるいは表面力なのかが重要となる。例えば遠心力は体積力である。そのため、比較的体積の大きなものには有効である
が、小さなものにはあまり作用しない。一方で、圧力は面積力であるため有効である。圧力振動を利用すれば、気流では除去が困難な微粒子も、除去可能である 18）。
次に誤解が多いのは、付着力と粒子径の傾向である。図7で示したように、一般的に小さい粒子は除去しにくい。例えば先端半導体では、数ナノから数十ナノメート
ルの微粒子を除去する必要があると聞く。同時に、強い洗浄力が必要だ、との声も聞く。しかし勘違いせずに、もう一度、図 3を見なおして欲しい。付着力は粒子径が小
さい程、小さくなるのである。ナノスケールでは、桁違いに小さい。一方で、そのようなナノスケールの微粒子へ、
物理的作用を印加することも難しいのである。例えば図9 で示しているように、壁面近傍は流れも小さい。粒子が参考文献
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小さいため、体積力を印加しても、体積は無視できるほ8）イスラエルアチヴィリ, J.N. “分子間力と表面力”. 大島広之訳 .
朝倉書店 , 2013, 600p.

ど小さい。そのため除去しにくいのである。相対的に大き9）安藤泰久. “マイクロトライボロジー入門”. 米田出版. 2009, 210p.

くなる表面力を使用するのが賢明である。例えば、衝撃

10）Johnson, K.L.; Kendall, K.; Roberts, A.D. Proc. R. Soc. Lond.

波のように不連続の圧力面を作成できる手法などは、微細粒子除去に有効である。圧力は表面力であるためである。ナノ粒子の移動にはレーザーなどが頻繁に使用されるのは、以上のような理由だと考えられる。

A. 1971, 324（1558）, 301-313.
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14）Tsai, C-J.; Pui, D.Y.H.; Liu, B.Y.H. J. Aerosol Sci. 1991, 22（6）,
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15）Mashiko, T.; Sanada, T.; Nishiyama, I.; Horibe, H. Jpn. J. Appl.
Phys. 2012, 51（6）, 067101 1-6.

図9

流体の流れによる粒子除去モデル

16）田中拓也 , 真田俊之 . “空気を用いた非接触微小粒子除去における流量及び対象物振動の影響”. 第 91 期日本機械学会流体工学部門講演会論文集 . 福岡 , 2013-11-9/10. 日本機械学会 , 2013, 0602,（USB）.

7. まとめ17）Zoeteweij, M.L.; van der Donck, J.C.J.; Versluis, R. J. Adhes.
Sci. Technol. 2009, 23（6）, 899-911.

今回、流体物理洗浄と呼ばれる洗浄手法の基礎概18）Katoh, K.; Song, S.; Wakimoto, T.; Soemoto, K.; Yamashita,
T. Journal of Fluid Science and Technology. 2014, 9（ 3）,

念と粒子の付着力について紹介した。どの話題も悪く言JFST0032.

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最 近 の ト ピ ッ ク ス～最短カーボンナノチューブ（シクロパラフェニレン）について～
カーボンナノチューブ（CNT）
は直径数nm～数十nm、長さ数µm～数mmの筒状構造を持ち、炭素のみからなる物質である。材料として圧倒的なポテンシャル（優れた機械的強度、導駆使することで、ベンゼン環1つ分の差を精密に制御し、世界で初めて狙った直径での作り分けを実現している（図2）2）。
さらに、伊丹教授のグループでは、合成されたCPPをテンプ

電性、熱伝導性、安定性など）を秘めており、幅広い分野から レートに用いたCNTの精密合成にも世界で初めて成功してい次世代材料として注目されている。現在、アーク放電法、レーる。使用したCPPに対応した直径のCNTが選択的に得られてザー蒸着法、化学気層成長法などの方法により合成されていおり、単一CNTの合成に向けた大きな成果となっている 3）。

るが、様々な直径、長さ、構造の混合物でしか合成できないという大きな欠点がある。

また、CPP自身は包接化合物のみならず発光材料などへの応用が期待されている。特に高い蛍光量子収率（φF = 0.73-

一方、アームチェア型カーボンナノチューブの最短構造である

0.90）を有しており、［9 ］
CPP（9個のベンゼンからなるシクロパラ

シクロパラフェニレン（CPP, 図1）
は、平面分子であるベンゼン環

フェニレン）は黄かかった緑色、［ 12 ］
CPP、［14 ］［- 16 ］
CPPはが環状に歪んでいるために、ひずみが大きく、一世紀近く化学

青色に発光する 4）。THFなどの有機溶媒に溶解できることから者達の挑戦を退けてきた。その中で、名古屋大学トランスフォー

も、今後の発展が期待されている。

マティブ生命研究所 伊丹教授、理学研究科 瀬川特任准教授

当社では、すでに［ 9 ］、［ 12 ］、［ 15 ］CPPを販売しておりらは、ベンゼン環とシクロヘキサン環からなる「L字型ブロック」
を （表）、今後は他サイズの製品を加えてバリエーションを増やし駆使してひずみのない環状化合物を合成した後に、シクロヘキていく予定である。CPPにおいて基礎研究から商業用途まで

サン環を芳香族化するという新たな戦略でCPPの合成に成功しサポートするだけでなく、他製品を含めた炭素ナノ材料の発展ている 。さらに、「L字型ブロック」に加え、「直線型ブロック」
をにも貢献していきたい。

1）

表

図1

製品リスト

CNTおよびCPPの構造

参考文献
1）“最短カーボンナノチューブの科学合成に成功”. 名古屋大学 研
究教育成果情報 プレスリリース. 2009-07-15.
http://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20090715_sci.pdf,（2015-02-03）.
2）「“ カーボンナノリング」狙った直径で自在に作り分けることに世界で初めて成功”. 名古屋大学 研究教育成果情報 プレスリリース.
2010-11-25.
http://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20101125_sci.pdf,（2015-02-03）.
3）“カーボンナノチューブの精密合成に成功”. 名古屋大学 研究教
育成果情報 プレスリリース. 2013-05-27.
http://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20130527_wpi.pdf,（2015-02-03）.
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Yamaguchi, S.; Irle, S.; Itami, K. Org. Biomol. Chem. 2012, 10

図2

CPPの合成戦略

C K
表紙写真：オオバタチツボスミレ（撮影／北原音作）（30）, 5979-5984.

〒103-0022 東京都中央区日本橋室町2丁目2番1号
室町東三井ビルディング
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編集責任者 金田 尚
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