SPring-8 利用研究成果集
2015A1656
2013A1108

Section B

BL14B2
BL40B2

皮膚保護機能を備えたストーマ開発を目指した
低温 XAFS 測定自動化システムの開発
Application ゲル中におけるセラミドの構造解析
of Automatic System for Low Temperature XAFS
Measurement
Structural Analysis of Ceramide
in Gel Matrix, Aiming at the Developmentof the Stoma with a Skin Protection Function

大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi,a Sayaka Hirayama,
Masafumi Takagaki, Tetsuo Honma
高橋 浩 , 渡邊 亮太 b, 神原 紀之 b
Hiroshi Takahashia, Ryota Watanabeb, Noriyuki Kanbarab(公財)高輝度光科学研究センター
JASRI
a
群馬大学, b(株)アルケア
aGunma University, bALCARE Co., Ltd.
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、試料数が最大で人工肛門（ストーマ）装具の皮膚接触面の多くは、粘着性のゲル製である。この面に皮膚保護
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。
機能を持たす目的で、セラミドを配合する製法を検討してきている。皮膚がバリア機能を発揮す
る際には、セラミドが規則的な分子配列を取ることが必要だと指摘されている。本研究では、ゲキーワード： XAFS、低温、自動化
ル中のセラミドの分子配列を、小角 X 線回折の手法で調べた。その結果、条件によって、粘着性
ゲル中でもセラミドを、皮膚における存在様式に近い分子配列にさせることが出来ると分かった。
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キーワード： セラミド、ゲル、小角散乱・回折、ストーマ
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、低背景と研究目的：
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
皮膚の最外層である角質層は、体内の水分が蒸発することを防ぐ保湿作用とともに、外部から定を行うことで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。こ体内への異物の侵入を防ぐバリア機能を担っている。この角質層のバリア機能の要は、細胞間脂れにより、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質の主要成分であるセラミドと考えられている。角質層内でセラミドは、他の細胞間脂質成分と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。
ともに二分子層構造が繰り返すラメラ構造を形成していることがよく知られている。単にセラミ
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、ドが含まれるといったことだけでなく、セラミド分子が規則的に配列することが、角質層のバリ
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[1]
ア機能にとって必須であると現在では考えられている。
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
医療技術の進歩により、今日、人工的臓器の利用者が増加してきている。特に着脱式の人工肛[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
門（ストーマ）は広く普及している。ストーマ装具は、直接皮膚に貼り付く板（面板）と、便を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
測定初心者の多い受け止める袋から作られるタイプが一般的である。
ストーマ装具の面板は、直接人の皮膚に触れ、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
かつ、交換のために貼付・剥離を何度も繰り返す必要があるため、これらの皮膚刺激により皮膚調整、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がしばしば炎症を起こすことが問題となる。この問題の対処にセラミドが使用できないかと発想する。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し、ストーマ装具の接着面を構成する粘着性のゲル中にセラミドを混入させたタイプの製品の開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。これに発・改良を、現在アルケアは進めている。ゲル中のセラミドの構造を、皮膚バリア機能を司る細より、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
胞間脂質の構造に近づけることで、ゲルと皮膚の接着面において、一種の人工皮膚のように作用してバリア機能を発揮すると推測している。さらに、ゲルから皮膚へセラミドが移行し、セラミ実験：
ド補給システムとして機能することも期待している。以上のようなことを実現させ、ストーマ装
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
具の面板自体に皮膚保護機能を持たせたいと考えている。
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セラミド分子自身は極めて疎水性が強く、単独では水にはほとんど分散せず、結晶を形成してて、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
析出することが多い。水和状態でも、セラミド 1 分子あたりの水分子は最大でも 4 分子程度と極個の試料に対し、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
めて少ない[2]。生物の角質層においてセラミドがラメラ構造を形成する際は、セラミド単独で形り返し回数、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。低温成する訳でなく、脂肪酸、コレステロール、コレステロールエステルといった他の分子とともに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 個の二分子層構造を作りあげている[1]。そこで、ゲル中において、セラミドが皮膚と同様なラメラ構
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
造を安定的に取るようにさせるためには、第三成分である添加剤の使用をも検討する必要がある。
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2015 年 A 期に行った実験の申請時の目標は、ゲル中においてセラミドと助剤（界面活性剤、高部側面に取付け、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
級アルコール）を配合した系がどのような分子集合体を形成するかを明らかにすることと、それ制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO をに加えて、ゲル皮膚貼付時の発汗対応を想定し、水含量を変えた時にセラミド分子集合体の構造用いた。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。温が変化するかを調べることであった。ただし、SPring-8 BL40B2 で実験する以前に、他の放射光施
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 秒間の設でのビームタイムが先にあり、その機会に予定していた実験の一部を先行して実施した。
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 となっ水の影響に関しては、セラミド分子集合体の構造が、水和の有無によって変化すると報告された時点でXAFS 測定を開始するように設定を行った。
ている[2]。他の施設で行った我々の実験結果では、試料作成時に存在した水は、製品加工工程に－244－

SPring-8 利用研究成果集

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おける高温（120°C）処理によって、ほぼ完全に蒸発してしまったといえる結果となった。実際
2013A1108
BL14B2の使用時における発汗状況を想定し、作製した試料を 37°C で生理食塩水に 24 h 浸水させた後、室温 20°C 前後、湿度 50–60%の環境に
24 h おいたものを用意し、それら試料と、そのような処理
低温 XAFS 測定自動化システムの開発を施していない試料との比較を行った。両者の X 線回折パターンには差が見られなかった。このApplication of Automatic System for Low Temperature XAFS
結果より、ゲル中のセラミドを水和させるのは、通常のやり方では困難であると判断し、水和のMeasurement
効果を調べる実験を 2015 年 A 期において SPring-8 BL40B2 で実施することは見送った。
助剤を添加した系に関しては、他の施設での実験結果から、幾種類かの添加剤は、セラミドと大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
は混合せず、セラミド分子集合体の構造に影響を与えないことが分かった。その際の実験で結果
Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi Takagaki, Tetsuo Honmaが明確でなかった 4 種の添加剤について、SPring-8 BL40B2 で再度測定を行った。ここでは、その4 種の系についての結果を報告する。
(公財)高輝度光科学研究センター
加えて、ゲル中におけるセラミド分子集合体の構造への熱処理の効果についても調べた。先にJASRIも述べたように、ゲル試料作製時には 120°C まで加熱する。これに関連して予備的に行った熱測定の実験では、単体のセラミドとゲル中のセラミドでは熱的挙動に違いが観測されていた。具体
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 測定を自的には、温度走査速度 10°C/min の条件で測定した示差走査熱量測定では、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ゲル中のものの方が融点、試料数が最大で解の際に観察される熱異常曲線の頂点温度で比較して、その温度が約10°C ほど低下することが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。
観察された。ただし、単体のセラミドの熱的挙動と、皮膚角質層内でのセラミドの熱的挙動には[3]
XAFS、低温、自動化
キーワード：
差があるのも事実である。そのことを踏まえて、ゲル中のセラミド分子集合体の構造に対する温度処理の効果についても調べることとした。
背景と研究目的：
本報告の「結果および考察」の部分では、議論の進め方の関係から、先に熱処理の効果につい大型放射光施設(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て述べ、次に添加剤の効果について記述する。
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、低実験：
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X 線回折は、SPring-8 の小角散乱・回折ビームラインの
BL40B2 で、波長 0.082 nm の放射光ビ定を行うことで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。こームを使って行った。
カメラ長は約
540 mm で、ベヘン酸銀の回折パターンに基づいて算出した。
れにより、室温で測定したデータに比べてEXAFS 振動のが向上する、フーリエ変換後の動回折像は、イメージングプレート検出器（RIGAKU
R-AXISS/N
IV++）で記録した。露光時間は20 s
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。
から 90 s の範囲で、標準的には 80 s の露光時間で実験を行った。2 次元回折像から、1 次元のプ
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、ロファイル（強度-波数曲線）への変換は、ステーション責任者の太田昇博士作製のプログラムを
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、試料用いて行った。サンプルは、製品加工過程における温度操作を考慮し作製した。セラミド、また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は事前に融解混合させたセラミドと添加剤の混合物を、ゲル基材の樹脂と一緒にし、その後、セ[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
ラミドの融点以上の 120°C の温度まで加熱することで両者を混合させ、0.50 mm の厚みのシート
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成形した。その後それを室温で保管したものと、さらに 60°C において数日間保った後、再び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、測定試料の位置室温に戻したものの 2 種類を用意した。サンプル温度は、Instec の HCS302 加熱冷却ステージを調整、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使ってコントロールした。製品におけるゲルシートの厚さは約 0.10 mm であるが、質量比でいっ
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て試料全体の
10 分の
1 以下の分量の少量成分であるセラミドからの回折を十分な強度で得るため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。これにに、本実験では厚さ
0.50 mm のシートを作製し実験を行った。添加剤を加えた試料では、セラミより、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
ドに対する添加剤の割合は、全て
10∶90 とした。
実験：
結果および考察：
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
製品加工工程においては、ゲルを120°Cに加熱する。これは、ゲルの接着性を生み出すために
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も必須の操作であるとともに、セラミドを融解させて完全に混合させることも意図している。今て、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
回は実際に120°C の温度で、セラミドのみを含むゲル試料で
X 線回折測定を行ったが、予想通個の試料に対し、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、ゲルからの散乱を除いて何一つ回折ピークは観察されず、ゲル中のセラミドは完全に融液状
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。低温態になっていることが確認できた。
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 個の温度 120°C まで加熱したものを約 30 分以内に室温に戻したサンプルの回折パターンは、小角
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
領域に比較的幅広の回折ピークが観察された（図1）。ピーク位置から、周期長は 4.29 nm と計算ードセンサー(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された。また、広角領域の炭化水素鎖の充填構造由来する回折ピーク（S=2.4 nm−1, 周期 0.417 nm）
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
も、図 2 に示した加熱後、60°C で温度処理した試料のものと比較すると、かなり幅広なものしか制御した。測定試料は、Cu
観察されなかった（図 1）。 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を用いた。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。温ヒト皮膚角質層の X 線回折のプロファイルは、年齢の差、肌荒れの状況などの差によって、多[4, 5]
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
秒間の少異なることが報告されているが、概ねヘアレスマウスの皮膚角質層で観察される
X 線回折
2[5, 6]
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
K
となっ
プロファイル に近いものである。その特徴としては、タンパク質由来の幅広な散乱に加えて、た時点でXAFS 測定を開始するように設定を行った。
細胞間脂質由来の比較的シャープな回折ピークが、小角と広角領域に観察されることが挙げられる。具体的には、小角領域に約 13 nm と約 6 nm の周期をもつ回折ピークと、広角領域（S=2.5 nm−1－245－SPring-8 利用研究成果集

Section B

周辺）に測定温度に応じて一つないしは二つの回折ピークが観察される。実際の皮膚角質層にお2013A1108
BL14B2
いては先にも書いたように、セラミドだけでなく他の細胞間脂質成分との混合系になっているた
め、セラミド単独系とは小角領域の回折パターンはかなり異なる。そこで、ここでは主に広角領
低温 XAFS 測定自動化システムの開発
域の回折ピークに関して考察する。

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 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時
図1 ゲル中におけるセラミドからの小角
X 線回折パターン。サンプルは一度 120°C まで加熱
[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
後、温度を25°C に戻し温度が安定した直後に、25°C で回折像を記録した。横軸はS=2sin /（2
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
測定初心者の多いは、回折角、
は X 線の波長である）である。セラミドを含まないゲルのみの散乱パターンを、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
バックグラウンドとし、それを差し引いたものを示している。
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
加熱後急冷したサンプルの広角のピーク（図 1）は単一ではなく、肩をもつことから半値幅を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。これに正確に見積もることはできないが、その値は S の値でいって 0.25 nm−1 程度である。文献[5]に掲載
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。
されているヒト皮膚角層の X 線回折のデータの図からは、S=2.4 nm−1 付近の位置に観察される対応するピークの半値幅は、
約 0.04 nm−1 程度であると読み取れる。半値幅のデータだけから断言す実験：ることはできないが、ゲルを120°Cに加熱後、直ちに室温に戻したゲル中のセラミド分子は、皮本実験では、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
膚角質層における配列状態と比較すると、かなり乱れていると判断できる。
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
一方、120°C 加熱後 60°CXAFS
で温度処理したサンプルを温度25°C で測定したところ、広角領域にて、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は矢印で示したように、比較的鋭い回折ピークが二つ観察された（図2の矢印で示したもの）。こ
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
れはゲル中でセラミド分子が、温度25°C でヒトの皮膚角質層内の細胞間脂質が形成する直方晶
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[5, 6]系（斜方晶系）の2
次元規則格子と同様な規則構造に充填したことを示唆している。ただし、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 個のここでゲル中のセラミドにおいて観察されたこれらの回折ピーク（図2 の矢印で示したもの）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
周期は、それぞれ
0.456
nm
と
0.385
nm
であり、ヒトの皮膚角質層の場合で観察される周期
0.417
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
nm
と
0.370
nm
とは必ずしも一致はしない。これは脂質成分の存在の影響のためと考えられる。
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急冷した試料の小角領域のプロファイルに関しては、高次回折ピークが明確には観察されなか制御した。測定試料は、Cu
箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO をった（図1）が、温度 60°Cで処理した試料では図2 に数字を書き入れたように、4
次回折ピーク[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。温は強度が弱いためか観察されていないが、5次までの高次回折ピークが観察されている。これは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 秒間のセラミド分子の2分子層が規則正しく何層にも積層した状況になっていることを示している。ヒ
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
トの皮膚角質層の場合では、高次回折ピークがX 線回折では観察されることは珍しいが、電子顕た時点でXAFS 測定を開始するように設定を行った。
微鏡観察からヒト皮膚角質層内で細胞間脂質は、その分子層が何層にも積層した状況（ラメラ構－246－

SPring-8 利用研究成果集

Section B造）を作って存在することが確認されている[4]。ゲル中のセラミドもそれに近い形になっている
2013A1108
BL14B2ことが示唆される。

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15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時
図 2 ゲル中におけるセラミドからの小角5X個から
線回折パターン。サンプルを一度
120°C まで加熱
[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
後、60°C で 6 日間保存した後に温度を 25°C まで冷却した。そのサンプルの回折像を 25°C で記録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
測定初心者の多いした。横軸は S=2sin /（2 は、回折角、は X 線の波長である）である。セラミドを含まない
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
ゲルのみの散乱パターンをバックグラウンドとし、それを差し引いたものを示している。
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する。低温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
炭素数で XAFS
10 以上の比較的長い炭化水素鎖を持ち、かつ、親水部を持つ両親媒性分子、例えば、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。これに脂肪酸などの 2 分子層が直方晶（斜方晶）の 2 次元規則格子を組む場合は、分子は長周期方向により、低温
XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
対して傾くことが多い。そのため、分子の最大長の2 倍の長さよりも長周期が短くなる。図 2 に示した加熱後、60°C で温度処理した試料の長周期が 4.07 nm と、図 1 の温度処理していない急冷
実験：
した試料の値 4.29 nm よりも短い理由は、セラミド分子の傾きによるものと考えられる。セラミ[7]
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
ドに限らず、脂肪酸やアシルグリセロールでも同様な現象は観察されている。
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
本実験で使用したストーマ装具の接着面に相当するゲル中においても温度処理を施すことで、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
セラミド分子を皮膚の角質層内における存在様式に近い状態にさせることが出来ると分かった。
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
少なくとも層内の側方におけるに充填構造は、皮膚の角質層の細胞間脂質と同じく直方晶系（斜り返し回数、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
方晶系）の2 次元規則格子であった。アルケアにおける予備的な試験でも、このセラミドを含む
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 個のゲルの皮膚保護機能は確認されている。試験方法としては、皮膚の経皮水分蒸散量、および水分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
量を測定することで評価し、保護機能があると判断した。
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次に添加剤の影響に関して調べた結果を述べる。SPring-8での実験で検討した添加剤は、不飽部側面に取付け、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
和高級アルコールのオレイルアルコール、分岐鎖高級アルコールのオクチルドデカノール、脂肪制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を酸ポリグリセリルのステアリン酸ポリグリセリル-4、脂肪酸ポリエチレングリコールのモノステ用いた。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。温アリン酸ポリエチレングリコールの4 種類である。
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
このうち、ステアリン酸ポリグリセリル-4の結果のみ傾向が異なった。図 3 に示したものは、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 となっステアリン酸ポリグリセリル-4 を添加した場合の X 線回折パターンである。長周期構造の回折ピた時点でXAFS 測定を開始するように設定を行った。
ークとして、周期長7.32 nm と 4.65 nm に対応する位置に観察された。また、セラミド二重層内－247－

SPring-8 利用研究成果集

Section Bの側方の分子充填構造を反映する広角領域の回折ピークは唯一、距離 0.413 nm に対応する位置に2013A1108
BL14B2観察された。一方、高エネルギー加速器研究機構・放射光科学研究施設・フォトンファクトリー・
BL10C（課題番号 2015G093）で測定したセラミドの粉体試料では、小角領域に長周期5.93 nm と
低温 XAFS 測定自動化システムの開発
5.50 nm に回折ピークが観察され、広角領域の炭化水素の充填構造の由来の回折ピークとして、Application of Automatic System for Low Temperature XAFS
距離 0.41 nm と 0.37 nm の 2 種類が観察され、この図 1 の結果とは異なるものであった。また、
Measurement
先の図 1 および図 2 に示した、ゲル中にセラミドのみを含む系で観察されたセラミド分子集合体に由来する回折ピーク(周期長 4.29 nm, 4.07 nm や 0.456 nm, 0.385 nm)に対応するものも観察され
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
なかった。
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 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時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
図
3 ゲル中におけるセラミド・ステアリン酸ポリグリセリル-4 混合系（赤い実線）と基材であ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
るゲルのみ（青い波線）からの小角
X 線回折パターン。横軸は S=2sin /（2 は、回折角、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
X線の波長である）である。
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。これに以上の観察事実から、ゲル中においてセラミドとステアリン酸ポリグリセリル-4は相溶し、な
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。
いしは、少量のステアリン酸ポリグリセリル-4 がセラミド分子集合体の中に取り込まれ、単体で構成されるセラミド分子集合体や、ゲル中でのセラミド単独系とは異なる構造の分子集合体が形実験：成したと考えられる。しかしながら、観察された長周期構造からの各回折ピークの周期長は、整本実験では、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
数比等でなく、現時点では指数付けは出来ておらず、ゲル中でセラミドとステアリン酸ポリグリ
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セリル-4が作りだす構造の詳細は不明であり、幾つかの異なる構造が共存している可能性がある。
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
図3には基材であるゲルのみの回折プロファイルも一緒に示したが、セラミドや添加剤の存在に個の試料に対し、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
よって、ゲルの構造が大きく変わることはないということも確認できた。
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
ステアリン酸ポリグリセリル-4 と異なり、添加剤として、オレイルアルコール、オクチルドデ
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 個のカノール、モノステアリン酸ポリエチレングリコールを用いた場合では、図 4 に回折パターンを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
示したように、単体のセラミドに対応する回折ピークが観察された。
図 4 に点線で示した位置は、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
図 2 に示した温度処理したゲル中におけるセラミド単独系で観察されたセラミド二分子層の長周部側面に取付け、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
期構造の
1 次回折ピーク、
および、
層内の側方の分子充填構造を反映する回折ピークに対応する。
制御した。測定試料は、Cu
箔、Fe箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を[3]
小角側の点線の位置に対応する周期は4.07 nm であり、広角側は距離0.454
nm に対応する。後者用いた。データ解析には
XAFS 解析プログラム
Athena、Artemis[2]、及びFEFF8.4を用いた。温は図 2 において矢印で示したピークの内の小角側にあるものである。3
試料とも、点線のある位
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 秒間の置に回折ピークが観察されている。つまり、添加剤と混合せずに、セラミドが単独でゲル中に存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 となっ在していることを示している。モノステアリン酸ポリエチレングリコールの系では、セラミドのた時点でXAFS 測定を開始するように設定を行った。
回折ピークと別に、幾つかの回折ピークが観察された（図中で星印を付けたもの）。
しかしながら、－248－

SPring-8 利用研究成果集
それらがどの様な構造を反映しているかは、現時点では不明である。
2013A1108

Section B

BL14B2

添加物の実験の結論の一つは、検討した添加物の内、少なくともオレイルアルコール、オクチ
ルドデカノール、モノステアリン酸ポリエチレングリコールは、ゲル内でセラミドが安定的にラ低温 XAFS 測定自動化システムの開発
メラ構造を形成するための助けには寄与しない、ということである。

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
図 4 ゲル中におけるセラミド・添加剤混合系からの小角
X 線回折パターン。添加剤は、(a) モ
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
ノステアリン酸ポリエチレングリコール、(b) オレイルアルコール、および、(c)オクチルドデカ[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ノールである。横軸は S=2sin /（2 は、回折角、は X 線の波長である）である。見やすくす
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 測定初心者の多いるために、(a)、(b)の回折パターンには一定強度を足して表示してある。
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
今後の課題：
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。これに実際の製品としては、セラミド単体のみならず、より効果を高めるための添加助剤の使用を考より、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
えている。そのような助剤によるセラミド集合体に対する影響を調べる実験では、ここで調べたものの内、ラメラ構造を安定化させる効果がほとんど見られない助剤は特定できたが、ステアリ
実験：
ン酸ポリグリセリル-4の場合は、結論として効果の有無ははっきりしていない。その理由は、明本実験では、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
瞭な回折像は得られているが「結果および考察」のところで述べたように、詳細構造の解明には
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至っていないためであり、この解明が今後の課題の一つである。
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
参考文献：
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[1]
B. Forslind, M. Lindberg, “Skin, Hair, and Nails”,
Marcel
Dekker,New York, 2004, pp.1–23．
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[2]
J. Shah et al., J. Lipid Res., 36, 1945 (1995)[3]
I. Hatta et al., Thermochim. Acta, 431, 94 (2005)．
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[4]
V. Schreiner et al.,Shore
J. Inves.
Dermatol., 114, 654 (2000)
ードセンサー(Lake
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[5]
N.
Kunizawa,
I.
Hatta,“SPring-8
ResearchShore
Frontiers
2003”, SPring-8/JASRI,
2004, pp.158–159． PID部側面に取付け、温度コントローラ(Lake社製、335型)を用いて試料ホルダーの温度を[6]
八田一郎, オレオサイエンス,
12箔、Fe(1), 3 (2012).
制御した。測定試料は、Cu
箔、Fe
3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を[2] 東京, 1992, 第 3[7]佐藤清隆, 小林雅通, 脂質の構造とダイナミックス,
共立出版,
pp.50–98.
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]章,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±0.3 K、近接 15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となった時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。

－249－

SPring-8 利用研究成果集
2013A1108©JASRI

Section B

BL14B2

低温 XAFS 測定自動化システムの開発(Received: October 20, 2015; Early edition: May 25, 2017;
Application of Automatic System for Low Temperature XAFS
Accepted: July 18, 2017; Published: August 17, 2017)

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 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時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
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。
実験：
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
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
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±0.3 K、近接 15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となった時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。

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