シャープ/プラズマクラスターの作用機序

５ プラズマクラスター発生装置の活性種

初めに数値計算で求めた腸球菌膜タンパク質分解実験/34/におけるHO・と正負イオンの沈着フラックスを比較し，次にクラスター化していない場合の正負イオンのタンパク粒子上での反応エンタルピーをヒューリスティックな方法で求める．また，シャープは，ドイツのアーヘン応用工科大学のアートマン教授との共同研究により，プラズマクラスターの作用機序を解明したと発表しており(シャープHPニュースリリース, Nov 17 2004)，アートマンの論文を検証した後，プラズマクラスター発生装置の真の活性種について総括する．

５．１ 腸球菌タンパク質分解実験におけるHO・と正負イオンの沈着フラックス

腸球菌タンパク質分解実験/34/で，シャーレ上のイオン濃度は5000[1/ cm³]，オゾン濃度は0.05ppm未満としたとある．濃度の測定位置をシャープに数回問い合わせてようやく得られた回答によると，イオンがシャーレ上2.5[cm]，オゾンが0.5[cm]との回答であった．両者の測定位置が異なるのは驚くべきことだが，このような発表のやり方は当社のプラズマクラスターの宣伝に共通したものである．馬鹿らしくて問い合わせてもないが，ＧＬＰ試験結果を示す際の”イオン濃度設定”も同様であろう．この濃度がどういうものか想像はつくが，一般ユーザーは10⁶～10⁷[1/cm³]の”イオン濃度設定”で安全なのだから，5000～25000[1/cm³]では全く問題ないと思うだろう．実際，そのように誤解したと思われる書き込みがあった．図16と図19を見ても明らかな様に10⁶～10⁷[1/cm³]レベルのイオンは電極付近にしか存在しない．これも後に述べるmisleadに相当する．

さて，当該シミュレーションでは，t=120[s]でのO3濃度はシャーレ上1[cm]で0.055[ppm]，0.5[cm]で0.028[ppm]である．また，t=120[s]でのr=120.8[mm](シャーレ上1[mm])のHO・濃度は1.48×10⁶[1/cm³]である．当該シミュレーションでは，r=122[mm]での円柱面上では全て濃度0としており，HO・濃度はr=120.8[mm](シャーレ上1[mm])より上方では当該シミュレーション濃度より高くなり，下方では低くなると考えられる．従って，シャーレ上1[mm]のt=120[s]でのHO・濃度を1.48×10⁶[1/cm³]，沈着フラックスをシャーレ面垂直方向と近似すると，HO・のt=180[min]におけるχは，式(67)よりχ=0.256×1.48×10⁶/0.1×10800=4.09×10¹⁰[1/cm²]=409[1/μm²]となる．

一方，文献/34/のシャーレ上2.5[cm]の正負イオン濃度は5000[1/cm²]であり，当該点とシャーレ面間の濃度が線形，かつ拡散係数が0.256としても，イオンのt=180[min]におけるχは，χ=0.256×5000/2.5×10800=5.53×10⁶ [1/cm²]=0.0553[1/μm²]である．

HO・はタンパク主鎖のα炭素やプロリン残基を酸化してタンパク質を分解する/44,45/．正負イオンの拡散沈着量は無視できる値であり，シャーレ上の腸球菌膜タンパクを切断したのは，正負イオンの反応によって生じるHO・ではなく，装置から直接発生したHO・であることは明らかである．

５．２ クラスター化していない場合の正負イオンのタンパク粒子上での反応エンタルピー

“１.熱力学的考察”では，粒子の誘電率からタンパク上に吸着したH⁺クラスターにO2^-クラスターが反応する際の反応エンタルピーを求めた．問題の本質はタンパク上に吸着したH3O⁺にO2^-が反応してHO2が生成する場合の反応エンタルピー△H (HO2*mono_ads,mono/mono)と言える．これをヒューリスティックな方法で求める．

まず，H⁺ とO2^-の反応と，H⁺に水１分子が溶媒和した際の反応エンタルピーは

H⁺ + O2^- →　HO2 △H= -1477[kJ/mol] (1) [再掲]

H⁺ + H2O →　H3O⁺ △H= -691[kJ/mol] (2) [再掲]

である．これらからH3O⁺とO2^-の反応エンタルピーが，

H3O⁺ + O2^- →　HO2 + H2O △H= -786[kJ/mol] (3) [再掲]

のように求まる．もし，

H3O⁺ →　{H3O⁺}ADS △H (H3O⁺ /mono→ads) (80)

の反応エンタルピー△H (H3O⁺ /mono→ads)，即ちH3O⁺のタンパク質への吸着エネルギーが解れば，式(3)-(80)から，

{H3O⁺}ADS + O2^- → HO2 + H2O △H (HO2*mono_ads,mono/mono) (81)

△H (HO2*mono_ads,mono/mono) = -786[kJ/mol] - △H (H3O⁺ /mono→ads) (82)

と求まり問題は解決するが，私の知る限り式(80)の△H (H3O⁺ /mono→ads)は不明である．

一方，

H⁺ → ｛H⁺｝ADS 　△H (H⁺/mono→ads) 　 (32) [再掲]

は，”1.2.1最初に正イオンクラスターが吸着する場合”から△H (H⁺/mono→ads)=-978[kJ/mol]であり，式(1)-(32)から，

｛H⁺｝ADS + O2^- →　HO2 △H= -499[kJ/mol] (83)

と求まる．求める式(81)と既知の式(83)のエンタルピーの差異は，タンパクに吸着したH⁺に水分子が吸着しているか否かである．吸着しているH⁺に水分子が吸着する際の反応エンタルピーを△HYとすると

｛H⁺｝ADS + H2O　→　{H3O⁺}ADS △H= △HY (84)

であり，式(81)は，式(83)-(84)からも得られ，

△H (HO2*mono_ads,mono/mono) = -499[kJ/mol] - △HY (85)

となる．即ち，△HYを知ることができれば，所望のエンタルピーが求まる．

粒子非関与でH⁺にH2Oが吸着する場合のエンタルピー変化は691[kJ/mol]（式(2)）であり，△HYをヒューリスティックに-100[kJ/mol]とすると，式(85)は，△H (HO2*mono_ads,mono/mono) = -399[kJ/mol]となる．さらに，タンパクのＰＡをアミノ酸と同一としてきたが，実際は，H⁺の吸着点が近接しており，タンパクのＰＡが単独のアミノ酸より高くなると考えられ，その差を50[kJ/mol]とすれば，式(32)の△H (H⁺/mono→ads)が50[kJ/mol]減少，式(83)の△Hが50[kJ/mol]増加し，△H (HO2*mono_ads,mono/mono) = -349[kJ/mol]となる．HO2のHO・とOの結合解離エネルギーは272[kJ/mol]なので，HO・が生成する場合は77[kJ/mol]の発熱反応となる．ただし，この場合も反応スポットと反応エンタルピーの大きさの点からHとO2が生成する確率の方が高い．また，前節で述べたように３原子以上からなる分子の解離エネルギーは，単独の結合解離エネルギーよりも大きくなる．即ち，たとえHO2が解離するとしてもH⁺ とO2^- の間で単に電子を受け渡すイオン再結合が起こるのみとみなすのが妥当である．

また，クラスターとして反応する場合は，反応エンタルピーが低下するとともに，反応によって発生するエネルギーは，分子の運動エネルギーないし励起エネルギーとして消費されやすくなることを考えると，H3O⁺とO2^-のイオンクラスターが反応してHO・が生成するとはみられない．ちなみに，H3O⁺クラスターと水分子クラスターの吸着エネルギーはそれぞれ表1と表6に示したとおりである．また，粘土や鉱石への水分子の吸着エネルギーは30～50[kJ/mol]なので，水分子が１～２個吸着するとHO・の生成はH3O⁺単独の場合と比べさらにあり得ない．

５．３ Artmann論文の検証

シャープは，ドイツのアーヘン応用工科大学のアートマン教授によってプラズマクラスターの作用機序が解明されているとしており，2005年に論文/54/が出されている．なお，同文献/54/のlast author はArtmann GM，third author はNishikawa K氏である．また，同文献の実験内容はシャープの腸球菌膜タンパク分解実験/34/と重複している．ちなみに，同文献/54/の図４と同分解実験/34/の図3は，細胞質にあるタンパク質の2次元電気泳動マップであるが，両者は同じものであり，しかもイオン照射したものとcontrolが入れ代わっている．

さて，同文献/54/は，Abstractでは，”(研究目的の一つは) プラズマクラスターイオン(PCIs：plasma-generated cluster ions)のありえる作用機序を探求すること”，”細菌表面でHO・が生成されることが，プラズマクラスターイオンによって引き起こされるタンパク損傷の主要な機序であることが提案された”，本文の結論では，”本研究結果は，プラズマクラスターイオンの抗菌特性がフリーラジカルの細胞上での生成という観点から説明されうることを支持する”と述べている．

同文献/54/では，O2^- の検出にWST-1を用いている．また，HO・の検出は，過酸化水素H2O2水溶液0.01[mol/dm³]をプラズマクラスター発生装置に２時間暴露し，WST-1を用いて判定している．HO・検出過程の反応式は同文献には述べられていないが，以下によると考えられる．

HO・(aq) + H2O2 (aq) → HO2 (aq) + H2O　　k=2.7×10⁷[1/M s]　　(86) /55/

HO2 (aq) ⇔ H⁺ (aq)+ O2^-(aq)　 pKa= 4.8　　(87) /55/

同文献/54/では，” (H2O2を含む基質混液を) プラズマクラスターイオンに暴露させた後，ホルマザン濃度の有為な上昇がみられた．これはプラズマクラスターイオンによって供給されたHO・と基質混液中の過酸化水素との反応によって生じた2次的なスーパーオキシドによって引き起こされたものと思われる”と述べている．問題なのは，”プラズマクラスターイオンによって供給されたHO・( hydroxyl radicals provided by the PCIs) ”の部分で，プラズマクラスターイオンによってHO・が供給されることを前提にしている．検証すべきはプラズマクラスターによって細菌表面でHO・が生成されるか否かである．しかし，その理論的解明ないし実験的証明はなされておらず，化学の基本である反応式さえ示されていない．

この実験が示したのは，プラズマクラスター発生装置を作動させると，近くの過酸化水素水溶液中にHO・が存在したという事実である．このHO・の由来には次の三つの仮説が挙げられる．

(A) 正負のイオンが溶液に沈着してHO・が生成した

(B) 正負のイオンが気相中で反応してHO・が生成し，それが溶液に溶けた

(A)は，“1.3 液滴上での反応”で示したように，正負のイオンが溶液に沈着してもエンタルピーの点からHO・が生成することはない．また，水溶液中のHO2は式(87)に示すようにプロトン放出能を有するブレンステッドの酸であり，水中では酸の平衡反応が起こるだけでHO・は生成しない．

(B)は，”１.1 粒子の関与しない反応”でみたように，クラスターを構成する水分子数が少ない場合，HO・が生成する可能性がある．しかし，これは，生物粒子やアレルゲン粒子上で正負イオンが反応してHO・が生成するというシャープの主張，即ち同文献が明らかにしようとする作用機序とは異なるものである．

(C)は，何の矛盾もない．

三つの仮説のうち，(A)は明らかに成立せず，(B)と(C)は，濃度の点から(C)が主と考えられる．

同文献/54/の実験で検出された水溶液中のHO・は，放電の際に発生した，ないし放電後中性種同士の反応によって生成したHO・が水溶液に溶けたものが主で，一部正負イオンの反応によって気相中に発生したHO・が含まれると考えられる．なお，両者とも気相中にHO・が存在することに変わりなく，プラズマクラスター発生装置を作動させた際の生体への影響は，質的に同じである．また，”放電によって装置から放出されるHO・”の中に，中性種の反応の他，イオン種の反応によるものも含めると，”正負イオンが気相中で反応して生成するHO・”もこれに含まれる．

同文献/54/は，「プラズマクラスターイオンによって細菌表面でHO・が生成する」という仮説の理論的証明や実験的証拠を提示するものではない．逆に同文献のHO・検出の実験結果は，ホルマザンを目視できる程の量のHO・がシャーレ上に沈着する，即ち，空間に相当な濃度のHO・が存在することを示しており，私がこれまで理論的に提示した「放電の際，プラズマクラスター発生装置から放出されるHO・が活性種である」ことの実験的証拠である．

５．4 プラズマクラスター発生装置の真の活性種

以上の検討結果をまとめると，反応エンタルピーに関し，

(a) タンパク粒子上でH3O⁺ (H2O)mとO2^-(H2O)nが反応してHO・が発生することは，熱力学的に無い．表11～表13はタンパク粒子上で水分子クラスターが解消しない場合で，クラスターが解消する場合，HO2はさらに解離しにくい．また，HO2が解離する場合でも，HO・とOよりHとO2に解離しやすい．なお，これらの表は２原子分子の結合解離エネルギーをもとにしているので，３原子分子であるHO2が解離する場合の実質的な反応エンタルピーはこれらの表より吸熱反応の傾向が強くなる．

(b) 液滴上では反応エンタルピーが大きく減少するので，インフルエンザウィルスを含む飛沫液滴において，正負イオン同士が反応してHO・を発生することはさらにあり得ない．

　HO・濃度に関し，

(a) 腸球菌膜タンパク質分解実験における単位面積当たり180分間の拡散衝突量は，プラズマクラスターイオンでχ=0.0553[1/μm²]，数値計算シミュレーションによれば装置から直接発生するHO・でχ=409[1/μm²]であり，シャーレ上のタンパクを分解したのは後者であることは明白である．

(b) 昼間カーテンを開けているだけで室内HO・濃度は10⁵[1/cm³]オーダに十分なり得る．高濃度化したとするプラズマクラスターイオン濃度25000=2.5×10⁴ [1/cm³]はその1/10である．

(d) 文献/54/にあるHO・検出の実験結果は，当該装置から相当な濃度のHO・が発生していることを示す．

以上から，タンパク粒子上でH3O⁺ (H2O)mとO2^-(H2O)nが反応してHO・が発生することは無く，誘電体バリア放電(DBD)によって装置から直接放出されるHO・がプラズマクラスター発生装置の主なそして真の活性種であることは明白である．

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〔緒言・目次〕

１熱力学的考察〔図1-3，表１-15，式(1)-(47) 〕

２誘電体バリア放電，外気，及び室内のHO・濃度〔図4-8，式(48)-(50) 〕

３ HO・と両極性イオンのエアロゾル粒子及び平板への衝突量〔図9-11，表16，式(51)-(67) 〕

４ＤＢＤで発生する活性酸素濃度の数値計算シミュレーション〔図12-22，表17-20，式(68)-(79) 〕

５プラズマクラスター発生装置の活性種〔式(80)-(87) 〕

６プラズマクラスター発生装置の人体への影響

７プラズマクラスターの終焉

８プラズマクラスター発生装置の生活空間での有効性〔図23-31 〕

【参照文献】