SPring-8 利用研究成果集
2015B1638
2013A1108

Section B

BL40XU
BL14B2マイクロビーム 低温X 線散乱法を用いたヒト皮膚角層構造の深さ方向解析
XAFS 測定自動化システムの開発
of AutomaticSystemfor ofLow
Temperature
The Application
Depth Direction
StructuralAnalysis
HumanStratumXAFS
Corneum
Measurement
Using Microbeam
X-Ray Scatteringaa, 小野尾, 八木八田 一郎
大渕久米博宣,卓志谷口陽介, 信平山明香,直人
高垣b, 昌史,
本間 c徹生aab
Hironori Ofuchi, Takuji
YosukeKume
Taniguchi,, Makoto
SayakaOnoo
Hirayama,, Naoto Yagi
Masafumi, IchiroTakagaki,
Hattac Tetsuo Honmaac
花王株式会社, b(公財)高輝度光科学研究センター,(公財)名古屋産業科学研究所(公財)高輝度光科学研究センターab
Kao Corporation,
JASRIJASRI, cNISRI

これまでの
X 線散乱法を用いた皮膚角層の構造解析では、角層の集合体からの平均情報を取り低温雰囲気下におけるXAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温XAFS 測定を自扱っていた。
我々は in situ に近い条件での角層の深さ方向の構造解析法として、角層以下の表皮、動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で10 点、試料数が最大で真皮等も含むヒト皮膚シートを用いてマイクロビームX 線で走査していく方法で角層 1 枚中から15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。の小角・広角散乱像を得ることに成功した。これにより角層内部の深さ方向の構造変化を解析すキーワード： XAFS、低温、自動化ることで、皮膚への剤の作用などの詳細な知見が得られることが期待される。
背景と研究目的：human stratum corneum, surfactant, microbeam X-ray scattering, keratin fibril structure,
キーワード：
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン
BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目intercellularlipid lamella structure的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための背景と研究目的：試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低化粧品・香粧品には、洗浄で皮膚を清潔に保つ・有効成分を効果的に皮膚に作用させる等の目
温冷凍機は低温雰囲気下でのXAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測的で様々な界面活性剤または経皮吸収促進剤といった剤が配合されている。また、衣類・食器用定を行うことでDebye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。こ
洗剤等の生活用品中にも汚れを落とす目的で様々な界面活性剤が利用されている。
これらの剤は、れにより、室温で測定したデータに比べてEXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
その種類や処理条件によっては角層構造を変化させ、角層機能（保湿やバリア機能）の低下を招現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、く恐れがある。誰でも安心して使用可能な、皮膚への作用がより緩和な製品の設計指針を分子レ
BL14B2では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料ベルの証拠に基づき得るために、剤による皮膚作用機構の角層構造に基づく解明は重要な研究課
ホルダーに一度に取り付けられる試料数を5 個から 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時題である。
[1]間のロスを減らせるように改善した。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来
我々はこれまでに界面活性剤水溶液処理に伴う経時的なヒト皮膚角層の構造変化について、特よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS
測定初心者の多いに角層細胞を構成するケラチンタンパク質に注目して小角・広角
X 線散乱法による解析を行って[1–4]産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置きた 。これまでの研究では粉末やシート（1 枚は約 20 μm 厚）状の角層試料をランダムに詰め調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的と込む、もしくはシートを数十枚分積層することでX 線ビーム径（通常φ数百 μm）以上のサイズする。低温
XAFS測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間にした試料に X 線ビームを照射して測定していた。すなわち、角層の構造情報は集合体からの平を簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これに均情報として得ていた。しかしながら、角層は 1 枚中でも上部から下部に渡って構造が変化してより、低温XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
いることが知られている。また界面活性剤等が皮膚に作用した場合も角層上部から浸透し、深さ方向に作用の結果として角層の構造変化の分布ができることが考えられる。従って、角層内部の実験：深さ方向の構造変化を解析することで、さらに皮膚への剤の作用の詳細な知見が得られることが本実験では、図 1 のような低温 XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー期待される。
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用い
そこで我々はマイクロビーム X 線を利用し、本実験にて試料の設置と照射条件等の検討を行い、て、低温雰囲気下での自動 XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15
角層 1 枚中の深さ方向の構造解析の手法を確立することを目標とした。
個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動で Quick XAFS 測定を行うことが可能である。低温実験：
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図 2 のように 3 行×5 列の計 15 個の1) 角層試料：マイクロビーム X 線散乱法を用いた角層 1 枚中の構造解析としては、ロレアル社試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオの Jean Doucet らによる角層シートを微小な短冊状に切り出して観測した報告[5]があるが、こードセンサー(Lake Shore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下のような微小切片では剤浸透の検討は困難であり、かつ乾燥の影響も懸念される。そこで我々部側面に取付け、温度コントローラ(Lake Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID
は in situ に近い条件での角層の深さ方向の構造解析法として、従来の多くの実験のように処理制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO をされた角層部分のみのシートを用いるのではなく、角層以下の表皮、真皮等も含む凍結ヒト皮用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム
Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温膚シート（腹部由来、シート状、1×1 cm2、約 400 μm 厚、BIOPREDIC International 社 (フラン度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間のス) より購入）を測定前に解凍し試料とした。
温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3 K、近接 15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となっ
2) 試料設置方法：マイクロビーム X 線が角層部分のみを通過するように、図 1 に示したようにた時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。
アルミテープを挟んで皮膚シートを折り曲げ、窓材フィルムとともにスライドマウント内に設－267－

SPring-8 利用研究成果集
置した。
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Section B

BL14B23) 使用装置・測定条件：SPring-8 の BL40XU を利用した。検出器には、小角用として X 線イメージインテンシファイア(II)＋CMOS
カメラを、広角用としてフラットパネル検出器(FPD)を用
低温 XAFS 測定自動化システムの開発いた。X 線のエネルギー（波長）は 15 keV（0.083 nm）、マイクロビーム X 線のビーム径は約Application of Automatic System for Low Temperature XAFS
5 μm（半値幅）、カメラ長は小角用が 1645 mm（ベヘン酸銀粉末試料の回折プロファイルで較Measurement正）、広角用が 101 mm（セリア(CeO2)粉末試料の回折プロファイルで較正）とした。なお、太田らの報告[6]と同様にアンジュレータからの準単色光をそのまま使用しており、マイクロビー
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
ム形成にはピンホールを用いた。露光時間は 300 ms（照射損傷検討用には他の露光時間も実Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi Takagaki, Tetsuo Honma
施）で、測定は室温（温調なし）で実施した。角層最表面から深さ方向に順次照射位置が変わるように試料ステージを移動させながら、小角・広角散乱像を各照射位置で取得した。
(公財)高輝度光科学研究センター
JASRI

低温雰囲気下における XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温 XAFS 測定を自動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で 10 点、試料数が最大で15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
キーワード： XAFS、低温、自動化
背景と研究目的：
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低図 1 試料設置方法
温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下でXAFS 測定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。これにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動結果および考察：
径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
幾つかの条件で測定を実施した中の代表的な結果を図 2 に示す。折り曲げた皮膚シートの表面
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、
約 60 μm 上方より 2 μm ステップでマイクロビーム X 線の照射位置を移動させたときの小角・広BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料角 2 次元散乱像の一部を表示したものである。左から 1 枚目の走査スタート位置の画像は空気かホルダーに一度に取り付けられる試料数を 5 個から 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時らの散乱のみであり、2–5 枚目の画像（角層表面から6–18 μm あたり）はほぼ角層の範囲内にマ間のロスを減らせるように改善した[1]。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来イクロビーム X 線が入っている状況での散乱像であり、その後角層より下の領域になると等方的よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS 測定初心者の多いな散乱像が観られた。角層範囲内では、小角・広角とも散乱像の矢印を示した位置に異方的な散産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置[3,4]
乱ピークが観測された。これらの散乱ピークは、これまでの報告等を参考に小角領域について調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的とは角層のケラチン線維および細胞間脂質ラメラ構造の周期（間隔）由来の散乱ピーク、広角領域する。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間については細胞間脂質のアルキル鎖パッキング由来の散乱ピークに帰属した。また、これらの散を簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これに乱像は角層表面からの深さに依存して変化している様子が観られた。従って、今回の実験で実施より、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
した手法により角層内部の深さ方向の構造変化を解析することの可能性が示された。ただし、今回の試料の保持方法では、角層下部の測定にて角層上部の情報も加算される。
実験：
一方で、角層内のケラチン線維および細胞間脂質ラメラ構造は扁平な角層細胞に沿って表面と本実験では、図1 のような低温 XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー[3,4]
平行に配向しており、角層表面に対し平行方向に X 線を入射すると構造由来の散乱が顕著に得
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用いて、低温雰囲気下での自動XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15られるが、垂直方向に入射した場合には散乱が弱くなる。そのため、角層下部の測定では垂直入個の試料に対し、異なる温度(最大10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰射となる角層上部の情報の影響は相対的に少なくなると考えられる。今後は、実験や計算の手法
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動でQuick XAFS 測定を行うことが可能である。低温によりX 線の透過経路を見積もり、角層下部の測定にて角層上部の影響を検討したい。
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図2 のように 3 行×5 列の計 15 個のまた今回の実験では、高強度のマイクロビーム X 線による試料の照射損傷についても、露光時試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ間の変更、同一部位での繰り返し照射などによる検討を実施した。その一例として露光時間 300ードセンサー(LakeShore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下ms での同一部位繰り返し照射実験の結果を図3 に示す。図は角層表面から 18 μm の位置で 6 回測部側面に取付け、温度コントローラ(LakeShore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID定した小角散乱像である。1、2 回目の照射では散乱ピークはほぼ同じように観測されたが、3、4制御した。測定試料は、Cu
箔、Fe 箔、Fe4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を
回目では散乱ピークが顕著に弱くなり、5、63O回目では散乱ピークがほとんど観測されなくなった。
[2]用いた。データ解析には
XAFS
解析プログラム
Athena、Artemis、及び FEFF8.4[3]を用いた。温繰り返し照射で角層構造が消失していったものと考えられた。
1 回目の測定データはSB 比も十分
度コントローラ制御プログラムでは、1秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接15 秒間の良く得られたため、今回のマイクロビーム X 線散乱測定条件では、照射位置をずらしながらであ温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3K、近接15秒間の温度の分散が0.001
K2 となっれば露光時間 300 ms での試料損傷は問題ないものと考えられた。
た時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。

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Section B

BL14B2

低温 XAFS 測定自動化システムの開発
Application of Automatic System for Low Temperature XAFS
Measurement
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi Takagaki, Tetsuo Honma(公財)高輝度光科学研究センターJASRI
低温雰囲気下における XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温 XAFS 測定を自動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で 10 点、試料数が最大で15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
キーワード： XAFS、低温、自動化
背景と研究目的：
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための
図 2 実験で得られた角層からの小角・広角散乱像試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。これにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、
BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料ホルダーに一度に取り付けられる試料数を5 個から個に増やすことで、試料交換に伴う測定時
図 3 角層内同一部位（表面から18 15μm）での繰り返し測定の小角散乱像間のロスを減らせるように改善した[1]。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS 測定初心者の多い課題と今後の予定：産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置今回の実験での課題としては、調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的と・広角領域の X 線散乱測定結果は従来の角層構造の測定結果に比べてピークが不明瞭であることする。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間・剤浸透の予備検討で試料セルの35 mm 写真フィルム用プラスチックマウントからの溶液漏れを簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これに・湾曲皮膚シート利用の手法では角層下部の測定にて上部の組織の情報も加算されてしまうこと
より、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。などが挙げられる。
今後はヒト皮膚シートを用いたマイクロビーム X 線散乱解析の手法を確立することを目標として、2016A 期にて引き続きこれらの課題について検討することを想定している。
実験：
これにより、剤による浸透実験を実施し、皮膚角層への剤の作用機構の解明に繋げる。
本実験では、図 1 のような低温 XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用い参考文献：て、低温雰囲気下での自動測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた
15[1]
山田真爾 他，SPring-8XAFS
利用研究成果集,1 (1), 1 (2012).
個の試料に対し、異なる温度(最大10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
[2]
久米卓志 他，日本中性子科学会誌
波紋, 24 (1), 15 (2014).
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動でQuick
XAFS 測定を行うことが可能である。低温[3] 久米卓志 他，SPring-8 利用研究成果集, 4 (1),98 (2016).
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図[4] 久米卓志 他，SPring-8 利用研究成果集, 4 (1), 124 (2016). 2 のように 3 行×5 列の計 15 個の試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ[5] J. Doucet et al., Journal of Lipid Research 55, 2380 (2014).
ードセンサー(Lake Shore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下[6] N. Ohta et al., Journal of Applied Crystallography 38, 274 (2005).
部側面に取付け、温度コントローラ(Lake Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を©JASRI用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間の温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3K、近接15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となっ(Received: April 12, 2016; Early edition: February
24, 2017;
た時点で測定を開始するように設定を行った。
Accepted:XAFS
July 18,2017; Published: August 17, 2017)－269－