10:15 AM - 10:30 AM
[R4-05] Analysis of the formation process of calcium carbonate polymorphs in gels with the pH visualization technique
Keywords:calcium carbonate, pH, visualization
はじめに
炭酸カルシウムCaCO3は生体硬組織を構成する主要な鉱物であり、その形成メカニズムを解明するために数多くの研究が行われてきた。そのためのCaCO3合成手法の一つとして、ゲルの両側からイオンを拡散させ、会合部で結晶を形成させるゲル内二重拡散法が古くから行われてきたが、生体環境を模した手法として近年再び注目されるようになった。本手法においては、ゲル中の場所と時間によって、さまざまな多形や形態の異なる結晶が形成することが知られてきたが、形成場の環境を直接知ることができないために、それらの形成メカニズムの検討は限定的にならざるを得なかった。私達のグループでは近年、蛍光プローブを用いた可視化手法を適用することで、ゲル内のCaCO3形成場のpHを可視化し、それと結び付けて形成プロセスを検討する試みを行ってきた。本研究においては、さまざまな濃度のゲルを用いることで、イオンの拡散速度が異なる条件でのpH変化を可視化し、形成する多形や形態への影響を考察した。
実験手法
pHの可視化は、試薬HPTS(8-hydroxyprene-1,3,6-trisulfonic acid)を用いて行った。この試薬を含むpHが既知の溶液に紫外線を照射し、得られる蛍光強度を測定して校正曲線を作成した。HPTSを含んだ2 cm幅の寒天ゲルの両側から0.3 MのCaCl2・2H2O及びNaHCO3溶液を拡散させ、10分間隔で蛍光像を撮影し、校正曲線に従って定量化することにより、pHの時間変化を示す連続画像を得た。ゲルの濃度は0.5、1、3 wt％とし、拡散速度の違いによる影響を検討した。結晶形成過程の観察およびpHの可視化には、様々な位置で形成する結晶を捉えるために自動ステージを搭載した蛍光顕微鏡を用いたほか、レーザー共焦点顕微鏡により形成する結晶近傍の詳細な観察を行った。また形成した結晶に関して、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて形態の観察を行うとともに、ラマン分光分析により結晶相の同定を行った。
結果と考察
0.5 wt% 寒天ゲルの両側からCaCl2・2H2O及びNaHCO3溶液をそれぞれ拡散させると、NaHCO3側からpHが上昇していくが、中心からややNaHCO3よりの場所で菱面体のカルサイトの結晶化が始まると、その場のpHが急激に低下するのが確認された。それよりやや遅れて、CO32-リザーバー側のpHが高く保たれた場所でダンベル形のアラゴナイトが形成したが、結晶化開始後も急激なpH低下は見られなかった。これは、この場所でのアラゴナイト形成が、CO3イオンが豊富に存在する環境にCaイオンが遅れて到達したことにより起こったことを示している。1 wt% 寒天ゲルを用いた実験においても、カルサイトの形態がより複雑になった以外は、0.5 wt%寒天ゲルの場合と同様の形成プロセスが観察された。より濃度の高い3 wt% 寒天ゲルを用いた実験では、pH変化が他の2つと比較してゆっくりと進行したほか、結晶化の開始も他の2つより遅かったが、菱面体が多数複合化した球状のカルサイトとダンベル型のアラゴナイトの結晶化がほぼ同時に進行した。ただしこの場合においても、アラゴナイトの形成場所では、結晶化開始後もpHが高い状態が続いており、この傾向はカルサイトの形成環境とは異なる。このようなpH変化と結晶形成時期との関係から、Ca2+とCO32-の過飽和度に対する寄与の違いが、多形の形成に影響を及ぼしていると考えられる。
さらに、いずれのゲル濃度の実験においても、個々の結晶近傍の詳細な観察により、カルサイトが成長する際には、形態によらず、その近傍のpHが周囲の平均的なpHより0.1~0.2程度低くなることが観察された。その一方で、アラゴナイトの成長場ではこの傾向は観察されなかった。この傾向の違いが、多形の性質によるものであるかどうかは不明であるが、結晶化前後のpH変化や成長時の局所的なpH分布の違いが、異なる多形の形成に影響を与えている可能性がある。今後pHだけでなく、Ca2+濃度などの定量化を行うことにより、より詳細な多形・形態の形成メカニズムの解明につながると考えられる。
炭酸カルシウムCaCO3は生体硬組織を構成する主要な鉱物であり、その形成メカニズムを解明するために数多くの研究が行われてきた。そのためのCaCO3合成手法の一つとして、ゲルの両側からイオンを拡散させ、会合部で結晶を形成させるゲル内二重拡散法が古くから行われてきたが、生体環境を模した手法として近年再び注目されるようになった。本手法においては、ゲル中の場所と時間によって、さまざまな多形や形態の異なる結晶が形成することが知られてきたが、形成場の環境を直接知ることができないために、それらの形成メカニズムの検討は限定的にならざるを得なかった。私達のグループでは近年、蛍光プローブを用いた可視化手法を適用することで、ゲル内のCaCO3形成場のpHを可視化し、それと結び付けて形成プロセスを検討する試みを行ってきた。本研究においては、さまざまな濃度のゲルを用いることで、イオンの拡散速度が異なる条件でのpH変化を可視化し、形成する多形や形態への影響を考察した。
実験手法
pHの可視化は、試薬HPTS(8-hydroxyprene-1,3,6-trisulfonic acid)を用いて行った。この試薬を含むpHが既知の溶液に紫外線を照射し、得られる蛍光強度を測定して校正曲線を作成した。HPTSを含んだ2 cm幅の寒天ゲルの両側から0.3 MのCaCl2・2H2O及びNaHCO3溶液を拡散させ、10分間隔で蛍光像を撮影し、校正曲線に従って定量化することにより、pHの時間変化を示す連続画像を得た。ゲルの濃度は0.5、1、3 wt％とし、拡散速度の違いによる影響を検討した。結晶形成過程の観察およびpHの可視化には、様々な位置で形成する結晶を捉えるために自動ステージを搭載した蛍光顕微鏡を用いたほか、レーザー共焦点顕微鏡により形成する結晶近傍の詳細な観察を行った。また形成した結晶に関して、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて形態の観察を行うとともに、ラマン分光分析により結晶相の同定を行った。
結果と考察
0.5 wt% 寒天ゲルの両側からCaCl2・2H2O及びNaHCO3溶液をそれぞれ拡散させると、NaHCO3側からpHが上昇していくが、中心からややNaHCO3よりの場所で菱面体のカルサイトの結晶化が始まると、その場のpHが急激に低下するのが確認された。それよりやや遅れて、CO32-リザーバー側のpHが高く保たれた場所でダンベル形のアラゴナイトが形成したが、結晶化開始後も急激なpH低下は見られなかった。これは、この場所でのアラゴナイト形成が、CO3イオンが豊富に存在する環境にCaイオンが遅れて到達したことにより起こったことを示している。1 wt% 寒天ゲルを用いた実験においても、カルサイトの形態がより複雑になった以外は、0.5 wt%寒天ゲルの場合と同様の形成プロセスが観察された。より濃度の高い3 wt% 寒天ゲルを用いた実験では、pH変化が他の2つと比較してゆっくりと進行したほか、結晶化の開始も他の2つより遅かったが、菱面体が多数複合化した球状のカルサイトとダンベル型のアラゴナイトの結晶化がほぼ同時に進行した。ただしこの場合においても、アラゴナイトの形成場所では、結晶化開始後もpHが高い状態が続いており、この傾向はカルサイトの形成環境とは異なる。このようなpH変化と結晶形成時期との関係から、Ca2+とCO32-の過飽和度に対する寄与の違いが、多形の形成に影響を及ぼしていると考えられる。
さらに、いずれのゲル濃度の実験においても、個々の結晶近傍の詳細な観察により、カルサイトが成長する際には、形態によらず、その近傍のpHが周囲の平均的なpHより0.1~0.2程度低くなることが観察された。その一方で、アラゴナイトの成長場ではこの傾向は観察されなかった。この傾向の違いが、多形の性質によるものであるかどうかは不明であるが、結晶化前後のpH変化や成長時の局所的なpH分布の違いが、異なる多形の形成に影響を与えている可能性がある。今後pHだけでなく、Ca2+濃度などの定量化を行うことにより、より詳細な多形・形態の形成メカニズムの解明につながると考えられる。