CGL通信 vol13 「ESR分析を用いた放射線照射処理シロチョウ養殖真珠の研究」

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CGL通信 vol13 「ESR分析を用いた放射線照射処理シロチョウ養殖真珠の研究」

研究室 江森健太郎・北脇裕士 

シロチョウ養殖真珠に対して低線量のガンマ線を照射し、色変化を調べたところ、白色系からシルバー系への変化が確認されました。これらは標準的な鑑別手法において同系色の未処理の白蝶養殖真珠との識別が困難であるため、電子スピン共鳴(ESR)分析、熱ルミネッセンス分析および蛍光分光分析における鑑別の可能性について検討しました。その結果、電子スピン共鳴(ESR)分析に明瞭な差が見出され、低線量のガンマ線照射の検出に有効であることが確認できました。
以下に今回の調査結果について報告します。


はじめに

アコヤ真珠や淡水真珠に対する放射線処理は広く知られており、これらは通常高線量で行われています。従来、真珠の放射線照射による色の変化は淡水産貝殻核の含有するマンガンの酸化数に関係するとされてきました(文献1)。そのため、真珠層の厚い白蝶養殖真珠では放射線による色変化はないものと考えられていました(一般にアコヤ養殖真珠を放射線処理した場合は、真珠層ではなくマンガン含有量の多い淡水産貝殻核に黒色の色変化が生じます。アコヤ真珠は真珠層の巻厚が薄いため、核が透けて全体としていわゆるブルー系にみえます。しかし、シロチョウ養殖真珠の場合、真珠層の巻厚が厚いため、核が透けて見えることはほとんどありません)。
ところが、最近になって低線量で照射処理されたシルバー系の白蝶養殖真珠が情報開示なしに韓国の市場で販売され問題となりました。韓国の消費者は有機物質で生成したシルバー色の南洋真珠を好む傾向がありますが、同系色の照射処理された南洋真珠が非開示で販売されたため一部混乱を生じました。 韓国真珠協会は放射線照射で着色された真珠の扱いおよび流通の禁止に関する声明文を出すなどの対応を行い、同国の宝石検査機関からその鑑別手法についての報告がなされました(文献2)。
昨年、三重県伊勢市で行われた宝石学会(日本)2012年においても、放射線照射された真珠について、韓国の韓美宝石鑑定院のLee Bo-Hyun氏が「放射線照射された南洋真珠の電子スピン共鳴(ESR)研究」という発表を行いました。この研究では、放射線照射された南洋真珠について電子スピン共鳴(ESR)分析を行うことで放射線照射された南洋真珠の鑑別が可能であり、韓美宝石鑑定院では放射線照射された南洋真珠のESR分析サービスを行っていることを発表しています。

今回、中央宝石研究所研究室でも白蝶養殖真珠における低線量の照射による色変化と鑑別手法について検討しました。シロチョウ養殖真珠に放射線の一種であるガンマ線を照射し色変化を確認し、放射線照射前後で電子スピン共鳴(ESR)分析、熱ルミネッセンス分析および蛍光分光分析を行い、鑑別の可能性について検討しました。

実験に使用した試料と分析方法

実験に用いたシロチョウ養殖真珠は6ピース(1.31g~2.50g、写真1参照)です。試料は国内の大手真珠業者から提供をうけたもので、同社によると調色や処理などは何も行われていない、純粋な浜上げ珠です。

これら6ピース中5ピースについて、ガンマ線照射装置にてそれぞれ0.1kGy、0.5kGy、1.0kGy、5.0kGy、10.0kGyの線量でガンマ線を照射しました。また、そのガンマ線照射前後にて、ESR分析、熱ルミネッセンス分析および蛍光分光分析を行いました。
ESR分析には日本電子製JES-FA200を用いて測定しました。ESR分析には粉末試料が必要なため、試料の中心にハンドドリルで穴を開け、その際生じた試料の粉末(約2mg)を薬包紙に集め外径5mmのXバンドESR試験管に入れ測定。分析条件は、出力1.99mW、マイクロ波周波数約9450MHz、センター磁場336mT、挿引幅±7.5mT、挿引時間2分、モジュレーション幅(FMW)0.2mT、ゲイン×100、タイムコンスタント0.03秒、Mn2+デジタルマーカー設置位置850、積算回数1回で分析を行いました。
熱ルミネッセンス分析にはThermo Scientific社製 Harshaw TLD Model 3500を用いて測定しました。
試料はESR分析に用いた粉末を使用しました。分析条件はリニア昇温速度6℃/秒、昇温温度範囲50-400℃、積算温度範囲 50-400℃、窒素ガス:2L/分、試料皿にステンレス製(厚さ0.2mm、直径6mm、高さ3mm)を用いて分析を行いました。
ESR分析、熱ルミネッセンス分析については後述のコラムを参照して下さい。
蛍光分光分析は、日本分光FP-8000を用いて励起波長280nm、測定領域290nm~750nmの範囲で行いました。励起波長は予備的な検査において連続的に波長を変動させ、最も効率よく発光ピークが得られる波長を選定しました。

写真1:実験に用いたシロチョウ養殖真珠

写真1:実験に用いたシロチョウ養殖真珠
 

写真2:ガンマ線照射後のシロチョウ養殖真珠(上の段、左から右へ:未照射、0.1kGy照射、0.5kGy照射、下の段、左から右へ:1.0kGy照射、5.0kGy照射、10.0kGy照射)試料配置は写真1と同様

写真2:ガンマ線照射後のシロチョウ養殖真珠
    試料配置は写真1と同様


放射線処理による概観の変化

コバルト60によるガンマ線を0.1kGy、0.5kGy、1.0kGy、5.0kGy、10.0kGy照射した結果を写真2に示します。低線量(0.1kGy、0.5kGy)照射の試料では色変化はほとんど認められませんが、線量が多いものほど色変化が大きく、元来白色系だったものがシルバー系へと色変化していることがわかります。

ESR分析結果

照射前後でESRスペクトルを比較した結果を図1に示します。照射前の試料では検出されない炭酸ラジカル(CO2)が照射後にはg=2.002付近に検出されています。
照射前の試料では炭酸ラジカルが検出されないことより、この炭酸ラジカルはガンマ線照射により発生したものであることがわかります。また、炭酸ラジカルは線量の増加とともに増加する傾向にあります。結論として、ESR分析で炭酸ラジカルの測定を行えばシルバー系へ変化させるための照射処理が行われているか否かの判定は可能です。

図1:ガンマ線照射前後の真珠のESRスペクトル

図1:ガンマ線照射前後の真珠のESRスペクトル


熱ルミネッセンス分析結果

ESR分析同様、ガンマ線照射前後で熱ルミネッセンス分析を行った結果を図2に示します。低線量照射(0.1kGy~0.5kGy)の試料では、ガンマ線照射後のスペクトルの極大部分が左側(低温側)へシフトするといった差が認められますが、5.0kGy~10.0kGy照射した試料では大きな差は見られませんでした。このように熱ルミネッセンス分析で見出せる差は僅少であり、その解釈については今なお不確定です。この手法を放射線処理シロチョウ養殖真珠の鑑別に利用するには更なる研究が必要であると思われます。

図2:ガンマ線照射前後の熱ルミネッセンススペクトル

図2:ガンマ線照射前後の熱ルミネッセンススペクトル


蛍光分光分析

今回分析したすべての試料で280nmの紫外線で励起された340nm付近で極大を示すピークが検出されましたが、照射前後でのスペクトルに変化は認められませんでした(典型的な例を図3に示します)。なお、この340nm付近の発光ピークはトリプトファン(アミノ酸の一種)由来の蛍光として知られています(文献3)。

図3:10.0kGy照射されたサンプルの蛍光分光分析結果

図3:10.0kGy照射されたサンプルの蛍光分光分析結果


まとめ

今回の研究では、シロチョウ養殖真珠にガンマ線を照射することにより白色系からシルバー系へ、線量に比例した色変化を確認しました。また、この処理を行う前後でESR分析、熱ルミネッセンス分析、蛍光分光分析を行いました。熱ルミネッセンス分析および蛍光分光光分析では明瞭な差は認められませんでしたが、ESR分析においては処理前では検出されないCO2のフリーラジカルが照射後に検出され、ガンマ線照射処理の看破には先行研究(文献2)で述べられているとおり、ESR分析が有効であることが確認されました。また、先行研究では測定に必要な試料は5mgとされていましたが、本研究においては2mgでも可能であることが新たに判りました。測定に用いる試料の量が感度に直接影響を及ぼすため、試料の量を増やせばさらなる低線量の照射も看破可能であると思われます。しかし、ガンマ線照射により真珠の色変化が認められ、CO2のフリーラジカルが確認されたといっても、このフリーラジカルが色にどのように関係するかは不確定です。
放射線照射処理真珠の鑑別は宝石検査機関に課せられた重要な研究課題であり、色変化のメカニズムなど今後も継続して研究し、発表していく予定です。

謝辞

今回の実験(ESR分析、熱ルミネッセンス分析)につきましては、東京都立産業技術センターの関口正之氏にお世話になりました。心から感謝致します。

参考文献

1.堀口吉重「アコヤガイおよびイケチョウガイの生化学的研究-X. 貝殻中のMnの形態について(Bulletin of the Japanese Society of Scientific Fisheries, Vol,25, Nos.10-12, 1959)」
2.Hyunmin Choi, Bohyun Lee and Youngchool Kim「Detection of gamma irradiated South Sea cultured pearls(Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology(Vol.22, No.1, 2012)」
3.平松潤一、永井清仁「熱と日光が真珠のコンキオリンに及ぼす影響と真珠品質の非破壊による判定(生物工学会誌、第88巻、第8号、378-383、2010)」

◇コラム1:ESR分析とは
ESR(Electron Spin Resonance:電子スピン共鳴)現象は1945年旧ソ連のザボイスキーにより発見されました。
EPR(Electron Paramagnetic Resonance:電子常磁性共鳴)とも呼ばれ、NMR(Nuclear Magnetic Resonance:核磁気共鳴)とともに、磁気共鳴分光法の一つです。
スピンを持った電子に磁場を与えると、ゼーマン効果により物質のエネルギー準位が2つに分かれます(これをゼーマン分裂といいます)。この2つのエネルギーの差に相当するエネルギー(周波数によってマイクロ波や近赤外光を使用)を外部から加えると共鳴を起こし、このエネルギーの吸収量を検知することでESRスペクトルを得ることができます。ESRスペクトルを解析することで、ラジカルや遷移金属などの物質中の電子のスピン状態とその量を調べることが可能になります。
ESRの適用例としてはフリーラジカルと呼ばれる不対電子を持つ物質の同定・定量が挙げられます。代表的なフリーラジカル物質としては、近年話題になっている活性酸素などがあります。
今回の研究報告では、ESRで炭酸ラジカル(CO2)を測定しています。放射線を当てていない真珠には炭酸ラジカルは存在しませんが、放射線を照射すると、炭酸ラジカルが発生すると言われています。(ラジカルとは何かについてはコラム2として掲載しています)
この炭酸ラジカルをESRスペクトルで検知することで、真珠に放射線を当てているかどうか判明するというのが今回の研究の主なテーマとなります。
なお、ESR分析ではサンプルを粉末にする必要があり、破壊検査になるため、通常宝石の鑑別には不向きです。
◇コラム2:ラジカルとは
ラジカルとは、不対電子を持つ物質のことです。今回の研究では、炭酸ラジカル(CO2)について研究していますが、わかりやすい例として、水分子を挙げ、ラジカルについて説明します。
水分子は水素原子(H)が2つと酸素原子(O)が1つからできています。
水素原子(H)は原子番号が1番で、陽子1つと中性子1つから成る原子核を中心にして電子が1つ回っている構造をしています(図A左)。また、酸素原子(O)は原子番号が8番、陽子8つと中性子8つから成る原子核を中心にして電子が8つ回っている構造をとっています(図A右)(注:同位体といって中性子の数が異なるものも存在します)。

図A 左:水素原子、 右:酸素原子構造

図A 左:水素原子、 右:酸素原子構造

電子は核に近いほうから、K、L、M・・と収まる場所が決まっていてK核には2つ、L核には8つまで電子が入ることが可能です。水素原子の場合はK核に電子が1つ、酸素原子の場合はK核に2つ、L核に6つ電子が入っています。実は、K核に最大入ることのできる電子2つ、L核には8つ電子が入った状態が安定な状態です。つまり水素原子はK核にあと1つ、酸素原子はL核にあと2つ入れば化学的に安定な状態だということです。
水分子は、この水素原子の電子1つと酸素原子のL核の電子1つを共有する共有電子対を2つ形成することで水分子の体裁をとっています。

図B 水素原子の分子構造

図B 水素原子の分子構造

この水分子に放射線などを当てると、水分子が崩壊して、OHとHに分離することがあります。この際、共有電子対を形成していた電子のペアが別れます。こうしてできた電子の片割れを不対電子と呼び、こうした不対電子を持つ分子のことをラジカルといいます。

◇コラム3:熱ルミネッセンス分析とは
熱ルミネッセンス分析とは、結晶が加熱されたときにそこから放射される可視光の量を測定することにより、放射線の被爆量を測定するための分析法です。
放射線がその結晶と相互作用したとき、結晶の原子にある電子がより高いエネルギー準位に飛び出します。しかし、その電子は不純物のためにトラップされ、加熱されるまでそこに留まることになります。結晶を加熱することでその電子が基底準位まで落ちてきますが、そのときに特定の周波数の光子を放出します。これが熱ルミネッセンス反応です。
放射される光の量は被爆した放射線量に依存するため、光度を測定することで、被爆量を知ることができます。
主な用途としては土器や岩石の年代測定や放射線照射食品の検知などがあります。
この熱ルミネッセンス分析は、1mg程度の粉末を測定に必要とするので、試料を少し破壊して測定する必要があります。本研究では、ESR分析で用いた粉末試料をそのまま測定に利用しています。