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1 (29/12/22) 花王製品の紹介 放射光を用いた乳化物の単色 X 線 CT 解析 花王株式会社 BC 研究センターケアビューティ研究所 久米卓志 花王製品 ( 化粧品など ) 化粧品の開発に必要な要素 有用性 効果 ( エビデンス ) 使用性 安全性 これらの製品には 水と油と界面活性剤を用いた乳化物 (Emulsion) が応用されている場合が多い ( 世の中では 医薬品や食品などでも ) 安定性 環境 ( エコ ) これらを確立していくためには 対象物の物性や内部構造の情報が不可欠 マクロ物性粘度 弾性 ; 感触 感性 ( 実例 ) 高圧乳化法ナノサイズエマルションの解析 マクロ物性粘度 弾性 ; ( 定常流感触 感性 ) 粘度 Structure and Rheology of a Self- Standing Nanoemulsion Langmuir; ASAP Publication Date (Web): Sep. 23, 29 より 構造サイズ ( 粒径等 ) 分率 配向 構造サイズ ( 粒径等 ) 小角中性子分率 配向散乱 FF-TEM

2 背景 目的 構造サイズ ( 粒径等 ) 分率 配向 マクロ物性 粘度 弾性 ; 感触 感性 本発表の X 線 CT は法の新しい可能性を有するもの 目的 従来の乳化物観察法 課題 乳化物の構造解析により化粧品や医薬品の安定性や有効性 感触といった物性 機能に関わる重要な情報を得る 直接的観察 ( 実空間測定法 ): 光学顕微鏡や電子顕微鏡等統計的観察 ( 逆空間測定法 ): 光散乱や X 線散乱等 乳化物として最も一般的な数 μm~ 数百 μm の構造観察の課題の例として 粒径 形状測定が困難 乳化物粒子の構成成分を同定できない 系の内部構造に影響を与えにくい非破壊計測である 3 次元でのその場観察が可能 試料が厚い / 高濃度の場合 粒子が重なったり白濁したりする 試料厚を薄くすると油滴等の内部構造が押し潰されることがある 試料を希釈すると粒子の合一 破壊など起こることがある という技術である X 線 CT 測定を検討した X 線 CT とは 放射光 (SPring-8) の利用 X 線 CT(Computed Tomography) とは X 線 サンプルフォルダー 系の内部構造に影響を与えにくい非破壊計測である 3 次元でのその場観察が可能 透過像 乳化物などのソフトマターのX 線 CT 測定 解析の研究はあまり例がない ( 理由 ) X 線吸収係数の差が小さく コントラストが低い μmサイズの粒子を観測するための分解能不足測定が困難 粒子移動( 対流 ) の影響 再構成 2 次元画像 放射光を用いた単色 X 線 CT 装置での測定 SPring-8 ビームライン BL-2XU を利用 3 次元画像 医療用のCTも原理は同じしかしながら 現在汎用 CTで観察対象とされている系は X 線吸収係数の差の大きな成分をもつ物質 ( 電子部品 ( 金属とプラスチック ) や生体 ( 骨と筋肉組織 )) 観察サイズ( 分解能 ) はmmスケール以上が一般的である SPring-8の利点 ( 市販 X 線装置と比較して ) 高輝度光源 単色光 幅広いエネルキ ー範囲 測定時間の短縮 定量的な線吸収係数の計測可 ( 成分の同定 ) 軽元素にもコントラストのあるX 線波長を選択可 SPring-8 全体像と使用ビームライン SPring-8 (BL-2XU) X 線 CT 装置 場所 : 兵庫県佐用郡 試料 クライオ ゴニオ 試料 支持体 キャピラリー 線源 ディテクター キャピラリー内にサンプルを保持もしくは支持体周囲にサンプルを付着 測定装置 ( フォルダー周り ) サンプルの保持方法 使用ビームライン :BL2XU クライオ透過像 冷却 凍結 X 線 サンプルフォルダー再構成 (3 次元画像 ) 透過像測定枚数 : 9 枚 (2 2pixels ;.2 毎 ) 測定時間 : 15 分間再構成 解析 : JASRI 作成のプログラムを使用.5mm 測範.65mm 囲分解能 :1pixel=.5μm 測定の空間スケール観

3 X 線のエネルキ ー ( 波長 ) と輝度 (FLUX) について 光子 ( 電磁波の粒子性 ) 物質による電磁波の吸収は ミクロ的には物質中の原子 電子にエネルギーを与える現象 電磁波が電子 1 個に与えるエネルギー E は E = hv ch E = λ E[keV] = λ[ nm] h : プランク定数 v : 電磁波の周波数 エネルギーの塊を粒子の一種 ( 光子 ; photon) と考えると 波長と光子エネルギーの関係は c : 光速 λ : 電磁波の波長 kev, nm の単位で表すと X 線のエネルキ ーと輝度 (FLUX) SPring-8のX 線は エネルギーは低い : 低元素を透過しにくい輝度は高い : 測定時間は短い ソフトマターでも像が得られる 市販装置のX 線は エネルギーは高い : 低元素を透過しやすい輝度は低い : 測定時間は長い ソフトマターでの測定には不利 実験サンプル ( モデル乳化物処方 ) O/W エマルション 油剤 1. (1) ポリアクリル酸系増粘剤.6 (2) 水相 中和剤 (KOH).36 水計 (1) 油剤 : hexadecane and/or Br- hexadecane (2) アクリル酸 メタクリル酸アルキル共重合体 (Lubrizol 社 PEMULEN TR-1) RT ホ リアクリル酸系増粘剤 水 KOH 水 せん断 ( ハネ ;2rpm) 油剤せん断 ( ハネ ;2rpm) W/Oエマルション 油 シリコーンオイル (3) 1.5 相シリコーン系界面活性剤 7. (4) 水相 グリセリン 5. エタノール 3.5 硫酸マグネシウム 1. 水計 (3) 信越化学 KF-96A-6cs (4) 部分架橋型ポリエーテル変性シリコーン ( 信越化学 KSG-21) RT シリコーンオイルシリコーン系界面活性剤 せん断 ( ハネ ;2rpm) 水相せん断 ( ハネ ;2rpm) エマルション作製の 1 ヵ月後に X 線 CT 測定を実施 SPring-8 との比較 SPring-8 との比較 X 線の線吸収係数エネルキ ー ( 波長 ) 依存性 SPring-8 BL-2XU サンプル保持方法: ナイロン製支持体使用 クライオ凍結装置使用 (125K) 使用 X 線エネルキ ー : 8keV( 単色光 ) 測定時間 投影数 :15 分 9 投影 ( 日鉄エレックス製 ELESCAN) サンプル保持方法: ホ リカーホ ネート製キャヒ ラリー使用 室温測定 SPring-8 での単色 X 線 CT 装置による測定のほうが明瞭な像が得られている 使用 X 線エネルキ ー : 分布あり (5-3keV; 中心 2-25keV) 測定時間 投影数 :1 時間 6 投影 1 X 線のエネルギーが小さく 8 Water Silcone Oil なるほど線吸収係数の差が 6 SPring-8 大きくなる 4 SPring-8 BL-2XU ( 日鉄エレックス製 ELESCAN) サンプル保持方法: ナイロン製支持体使用 1. サンプル保持方法コントラストが大きくなる : ホ リカーホ ネート製キャヒ ラリー使用 クライオ凍結装置使用 (125K) 室温測定 使用 X 線エネルキ ー : 8keV( 単色光 ) Energy (kev) 25 使用 X 線エネルキ ー : 分布あり (5-3keV; 中心 2-25keV) 測定時間 投影数:15 分 9 投影 測定時間 投影数:1 時間 6 投影 μ (cm -1 ) SPring-8 での単色 X 線 CT 装置による測定のほうが明瞭な像が得られている 室温測定と凍結 ( クライオ使用 ) 測定の比較 ( サンプル :Br-hexadecane 1 O/W 乳化物 ) W/O 乳化物の光学顕微鏡像 サンプル ( キャピラリー ) サンプル保持方法: 支持体使用 サンプル保持方法: ホ リカーホ ネート製キャヒ ラリー使用 クライオ凍結装置使用 (125K) 室温測定室温では対流と思われるサンプルの移動のため 明瞭な再構成像が得られない 粒子が重なっていない ( 厚み.5μmの2 次元像 ) 粒子が重なって見えている ( 焦点深度 > 粒子径 ) 粒子( 水相 ) と外相 ( 油相 ) のコントラストがほぼ一定 粒子に明暗があり コントラストが一定でない 外相( 油相 ) 中にゲル状構造の存在がわかる 外相( 油相 ) 中のゲル状構造の有無は不明確 ( 部分架橋型ポリエーテル変性シリコーン ) X 線 CT 測定のほうが明瞭な像が得られている

4 W/O 乳化物の光学顕微鏡像 粒子が重なっていない ( 厚み.5μmの2 次元像 ) 粒子が重なって見えている粒径が測定可能 ( 焦点深度 > 粒子径 ) 粒子( 水相 ) と外相 ( 油相 ) のコントラストがほぼ一定 粒子に明暗があり コントラストが一定でない成分同定が可能 外相( 油相 ) 中にゲル状構造の存在がわかる 外相( 油相 ) 中のゲル状構造の有無は不明確 ( 部分架橋型ポリエーテル変性シリコーン ) X 線 CT 測定のほうが明瞭な像が得られている 外相 ( 油相 ) を残して表示 構造の体積分率 ( 水相比率 ) の計測 W/O 乳化物のX 線 CT 再構成スライス像 空隙率 (= 水相比率 ) 計算 2 値化処理ノイズ ( 孤立点 ) 除去 4 枚 3D 画像 頻度 ( ヒストグラム ) 積算処理 水相比率 計算値 配合量 内相 ( 水相 ) を残して表示 この図では 1-2 枚目の1 枚分 再構成画像より内部構造の体積分率の計測が可能 O/W 型乳化物の測定例 線吸収係数と成分同定 O/W 乳化物の再構成スライス像 ( サンプル :Br-hexadecane 1 O/W 乳化物 ) ( 頻度 ) 矩形部分のヒストグラム 線吸収係数 (cm-1) 5μm 5μm 線吸収係数計算値 (at 8keV) Br-hexadecan 25.5cm -1 ( サンプル :Br-hexadecane 1 O/W 乳化物 ) 再構成画像より得られた X 線の線吸収係数が配合成分の線吸収係数の計算値にほぼ一致 水相 1.3cm -1 内部構造の成分同定が可能

5 粒径解析 粒径解析 ( サンプル :Br-hexadecane 1 O/W 乳化物 ) この粒子の粒径を測定 この粒子の粒径を測定 3 軸不等楕円体近似による粒径測定 粒径 : 45.3μm 楕円体の3 軸長さ 36μm 37μm 47μm 粒子が球形であれば 最大の断面のスライス像から粒径が推定できる 再構成画像より内部構造の 3 次元サイズの計測が可能 3 軸不等楕円体近似をした油滴粒子のポリゴンデータ ( 鳥瞰図 ) 約 33μm 3 油を混合したエマルションの観察 まとめ 油剤量 1 O/W エマルション油剤 :Br-hexadecane/hexadecane 混合系 (C16Br) (C16) C16= SPring-8 にてモデル乳化物を用いた単色 X 線 CT 測定を実施した クライオによる凍結法を用いることで 市販装置では困難な乳化物の X 線 CT 測定が可能となった 測定した乳化物の CT 再構成画像から 内部構造の 3 次元計測や成分同定が可能であることを示せた 線吸収係数 (cm -1 ) 3 25 油相の吸収係数 水相の吸収係数 C16Br C16 C16:C16Br 57:43 C16:C16Br :1 C16Br と C16 は相溶系であるにも関わらず 吸収係数が異なる液滴が観察された C16:C16Br C16:C16Br 67:33 5:5 画素値 ( 線吸収係数 ) より計算して組成比を推定 これらは 今後 化粧品や医薬品の開発だけでなく より広く材料物性解析にも非常に有効な手法となることが期待される しかしながら 現状では凍結時のアーティファクトも散見され 乳化物等のソフトマター系の X 線 CT 解析には 凍結固定条件の工夫などの検討が必要である 謝辞 この研究における放射光実験は ( 財 ) 高輝度光科学研究センターにより承認された重点産業利用課題 (27A1894, 27B1797, 28A1798) として実施しました また この研究は以下の方々との共同で行いました ( 花王ケアビューティ研 ) 織田政紀博士 (*) 岸本裕子氏吉田友和氏長澤英広氏 (*) 川田裕三氏岡田譲二氏佐野友彦博士 (**) (*) 現花王 ( 中国 ) 研究開発中心有限公司 (**) 現花王生物研 ( 高輝度光科学研究センター ) 八木直人博士上杉健太朗博士鈴木芳生博士竹内晃久博士 なお での測定には 京都工業繊維大陣内浩司准教授および研究室の方々のご協力をいただきました

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