研究助成
成果報告論文集（令和元年度）

公益財団法人 カシオ科学振興財団
CASIO SCIENCE PROMOTION FOUNDATION

成果報告論文
第３５回（平成２９年度）研究助成

1

成果報告論文一覧
第３５回（平成２９年度）研究助成
No

研 究 テ ー マ

代表研究者

東京工業大学 理学院 教授
河 野 正 規広島大学 大学院先端物質科学研究科 助教
2 光合成細菌が形成した化合物半導体のデバイス応用展開
富 永 依里子
高知大学 教育研究部総合科学系 教授
3 低木類牧草アルファルファを利用した沙地修復技術の確立
康峪 梅
水産養殖池における水温成層逆転現象と水産病害の実態把握に 九州大学 熱帯農学研究センター 助教
5関する研究
尾 﨑 彰 則水月湖の年縞堆積物を用いた、大規模な気候変動のスピードと伝 立命館大学 総合科学技術研究機構 教授
6
播経路の解明
中 川
毅
北海道大学
工学部
助教
キラリティがもたらす液晶材料の新規自己組織的マイクロパターン
7形成と光学素子への応用
佐々木 裕 司北海道大学
電子科学研究所准教授
ナノ炭素ケージ内に封じた金属原子の特異な磁性・発光性の開8拓と利用
高 野 勇 太環境に呼応して多様な運動パターンを発現可能な自律分散型索 東北大学 電気通信研究所 准教授
9状ロボットの開発
加 納 剛 史火星航空機の革新展開翼のための制御理論を取り込んだ流体構 東北大学 大学院工学研究科 准教授
10
造連成モデル開発
槙 原 幹十朗
ルテニウム系磁性超伝導体単結晶を用いた新奇固有接合特性の 宇都宮大学 大学院工学研究科 助教
11
開拓に関する研究八 巻 和 宏東京大学 先端科学技術研究センター 助教
12 分子ドーピングによる絶縁ポリマーデザイン
佐 藤 正 寛東京大学
生産技術研究所
准教授
強誘電体HfO2トンネル接合メモリの低電圧動作実証に向けた原13
子レベルでの構造計算に基づく研究開発
小 林 正 治横浜国立大学 大学院工学研究院 准教授
14 段階型圧力センサーとして機能する革新的有機発光ゲルの創製
伊 藤傑
名古屋大学 未来材料・システム研究所 講師
15 偏光顕微鏡観察と深層学習によるSiC結晶中の転位の自動識別
原 田 俊 太有機薄膜上への半導体性カーボンナノチューブ製膜法の開発と 名古屋大学 物質科学国際研究センター 講師
16
フレキシブルトランジスタへの展開
大 町
遼
フォノンエンジニアリングへの応用を目指した移動型非線形局在 京都大学 国際高等教育院 特定講師
17
振動の基礎的研究
木 村 真 之1 メタンを資源化するための自然に倣った物質合成

18 圧縮センシングのレーザー走査型顕微鏡法への応用

大阪大学 免疫学フロンティア研究センター 特任助教

PAVILLON Nicolas
グラフェン触媒を搭載した化学工具による次世代半導体表面の創 大阪大学 大学院工学研究科 准教授
19
成に関する研究有 馬 健 太神戸大学
大学院理学研究科
准教授
メンブレン型応力センサーを用いた超微量溶液試料テラヘルツ電20
子スピン共鳴分光法の開発
大 道 英 二広島大学 大学院理学研究科 准教授
21 強誘電的性質を有する分子素子の開発と応用
西 原 禎 文山口大学 大学院創成科学研究科 助教
22 感光性複合材料を用いた集積型分子輸送システムの開発
中 原
佐
配位環境を高度に制御した新規バナジン酸化合物の探索と蛍光 高知大学 教育研究部総合科学系 助教
23
材料への展開長谷川 拓 哉2

No

研 究 テ ー マ

代表研究者

24

ＣＭＧ搭載型宇宙ロボットにおけるアーム動作とＣＭＧ駆動の協調 首都大学東京 システムデザイン学部 教授
制御に関する研究小 島 広 久25

術中骨折の回避技術に関する研究～周波数解析による診断シス 北里大学 医療衛生学部 准教授
テムの開発～
酒 井利奈

エッジ学習のためのネットワークスイッチによる高効率オンライン逐 慶應義塾大学 理工学部 准教授
26
次学習
松 谷

宏

紀

早稲田大学 創造理工学部 准教授
石 井 裕 之
極細径微小還流針を用いた慢性筋痛組織の代謝特性と発症メカ 東北大学 大学院工学研究科 助教
29
ニズム解明に関する研究
鶴 岡 典 子人工神経ネットワークを自在に配線するための光応答性表面修飾 東京大学 生産技術研究所 准教授
30材料の開発
池 内 与志穂名古屋大学 大学院工学研究科 准教授
31 神経筋疾患解析のためのOrgan-On-A-Chipの開発
清 水 一 憲神戸大学
大学院理学研究科
准教授
テラヘルツ時間領域分光法による水構造を指標としたアミロイド線
32
維形成初期段階の検出
茶 谷 絵 理27 環境親和性に優れた超軽量ミリスケール脚式移動ロボットの開発

33 低線量3次元CT画像を用いた骨粗鬆症診断支援システムの開発

徳島大学 大学院社会産業理工学研究部 助教

鈴

木

秀

宣

発光色スイッチング機能を有するナノエマルションを利用した迅速 高知大学 教育研究部総合科学系 助教
34
かつ簡便な細菌検出デバイスの開発
仁 子 陽 輔35

細菌1個体レベルの検出感度を目指したATP発光測定用フォトセ 九州工業大学 マイクロ化総合技術センター 助教
ンサーの研究開発
有 吉 哲 也

36

最先端の遺伝子工学技術を用いた線条体における学習メカニズ 福島県立医科大学 医学部 特任助教
ムの解明
瀬戸川

37

再生医療応用に向けた光応答性の動的培養足場による細胞挙動 広島大学 大学院工学研究科 助教
制御システムの創成
今 任 景

将

一
宇都宮大学 国際学部 准教授
38 移民社会の複合性指標（MSPEX）の構築
松 尾 昌 樹星美学園短期大学 幼児保育学科 専任講師
39 幼児の身体像に接近するための臨床描画法に関する実証研究
太 田研
岡山理科大学
教育推進機構助教
環境問題を題材に人類史を反省するとともに今日的な統計的リテ
41
ラシーを備えた人材を育成する実証的研究
福 田 博 人

第３４回（平成２８年度）研究助成
No

研 究 テ ー マ

代表研究者

筑波大学 数理物質系 教授
西 堀 英 治東京工業大学 科学技術創成研究院 教授
4 匂い濃縮素子と単原子金属を用いた嗅覚センサ
中 本 高 道
発光機能をもつ環境応答性金属錯体の分子設計と放射線による 青山学院大学 理工学部 教授
36
殺細胞効果の評価への応用
田 邉 一 仁2 粒子内原子配列の実空間モデリングによる階層構造科学の創成3【助成 35 -01】
メタンを資源化するための自然に倣った物質合成

東京工業大学理学院 教授

河野 正規

東京工業大学理学院 助教

大津 博義〔研究の概要〕本研究では、申請者が最近見出した Td 対称性を有する四座配位子とキュバン型ハロゲン化銅錯体を用いる
細孔性ネットワーク錯体の構築法を基盤として、まず、四座配位子の四つの配位部位の一つを反応性官能基に置き換えた三座配位子を各種合成し、これと四座配位子との混合物を用いて金属錯体との自己集合を多角的に検討し、官能基を含む細孔性ネットワーク錯体を合成する一般的手法を確立することを検討した。さらにこのようにして構築したネットワーク錯体を、反応性官能基と金属の配位不飽和部位とが協奏的に働く活性空間反応場として利用し、一般的には進行し難いメタンの酸化反応や基質選択的な反応を検討した。

〔研究経過および成果〕
生体系の突然変異のように本来のゲストと似たような形であるゲストが，偶然ホストにより誤認識されることにより突然変異が誘起される原理を利用し，ネットワ
ークが形成される段階で似たような形の配位子が誤って取り込まれることを利用する．ここでのポイントは，
熱力学的自己集合では三座配位子は取り込まれず，

4-(tris(4-bromophenyl)methyl)phenol

金属サイトの全ての配位サイトが四座配位子と配位4-pyridyl boronic acid のカップリング反応に結合した最も安定なネットワークが形成されると予想

より 63％の収率でフェノール配位子を得た。NMRされるが，速度論的に自己集合することにより三座配により C3 対称性を有している配位子であることを確

位子が架橋配位子として取り込まれることにより，協

認した。

と

奏的活性空間を形成できる可能性が高くなる点であネットワーク錯体を合成するために、キュバン型ヨウる．この時, 三座配位子の官能基と金属の配位不飽化銅錯体と TPPM を 180 ℃で混合した後 120 ℃ま和サイトを協奏的に利用することにより，金属タンパクで冷却した後、TPPM に対してフェノール配位子を質の酵素ポケットのように多点相互作用が働き,不活

3：1 の比で添加することで、ブロック状の黄色結晶を性な基質の活性化や基質選択的反応が可能になる得た。単結晶 X 線構造解析の結果、ヨウ化銅二核錯と期待できる．

体をコネクターとする次図に示すようなネットワーク構

そこで 4 座配位子である TPPM 配位子と 3 座配位造が得られた。フェノール配位子と TPPM 配位子が子であるフェノール誘導体を用いて自己集合を行い、乱れた構造として存在しているので、活性空間を形

活性空間を有するネットワーク合成を検討した。

成している時の構造を下図に示した。ピリジン配位子

4

【バッチ法】ネットワーク錯体 17～20 mg を 10mL のシュレンク管に入れ、細孔を活性化するために容器内を真空にし、2.5 時間 60 ℃で加熱した。その後、3 対 1 の比でメタンと酸素の混合
ガスを 1000 mL バルーンにより導入し、室温、
50 ℃、90 ℃のそれぞれの条件で 24 時間反応させ、反応生成物についてガスクロ分析を行った。
その結果、分解物に相当するピークは検出されなかったが、メタンの酸化生成物のピークを今のところ検出できていない。おそらく反応容器の気密性が悪く、が配位していない場合は水が銅に配位し、同時にフ触媒とメタンが十分に接触する状態にないことが原因

ェノール基の酸素と水素結合している。また、銅イオの一つと考えられ、今後反応容器の最適化が必要でンとフェノール基の酸素原子との距離は 4.8Å

ある。また、アルカン類やアルケン類に対する細孔のとなっており銅イオン間と相互作用部位の配置

親和性をチェックすることで、メタンを細孔にどれくらは基質を取り込んで活性化するために適切な空い捕捉する能力があるのかを検討する予定である。

間を形成している。本ネットワーク錯体を用いネットワーク錯体の合成と構造解析に関して以下のてメタンの酸化反応をフロー法とバッチ法によ学会発表を行った。

り検討した。

〔発表論文〕

実験

１． Tatsuya Kanamaru, Masaki Kawano, Hiroyoshi【フロー法】ネットワーク錯体 100 mg をフロー

Ohtsu “Kinetic synthesis of porous coordination

用反応容器にセットし、メタンと酸素を 2 対 1

networks using Td-symmetry ligands” 第 68 回の比でフローしながら、反応容器を室温から錯体化学討論会、仙台、２０１8 年 7 月 28-30 日

250 ℃まで徐々に加熱し、逐次ガスクロ分析を

２． T Kinetic Assembly of Cooperative Porous

行った。その結果、200℃から配位子の分解物とCoordination Networks Using C3-symmetric

思われる一酸化炭素と二酸化炭素のピークが検Ligands” ICCC 2018, Sendai, 7/30-8/4, 2018

出されたが、メタンの酸化生成物と思われるピ

３． 金丸達也・大津博義・河野正規 “Td 対称配位ークは検出できなかった。しかも、反応終了後

子と CuI クラスターを有する細孔性ネットワーク錯

ネットワーク錯体は黒色に変色し、200 ℃以上

体の速度論的生成” 日本結晶学会、東工大、では分解してしまうことが分かった。

2018 年 11 月 10-11 日

そこで、フロー法ではなく、微量でも反応生成物が確認できるようにバッチ法により検討した。

5

【助成 35 -02】
光合成細菌が形成した化合物半導体のデバイス応用展開

代表研究者 広島大学大学院先端物質科学研究科 助教 富永 依里子
共同研究者 広島大学大学院先端物質科学研究科 准教授 岡村 好子〔研究の概要〕本研究では、海洋光合成細菌による化合物半導体混晶の結晶成長技術を開拓することを目的とした。バイオミ
ネラリゼーション分野では、磁性体や半導体を合成する細菌の存在が示され、様々な電子材料の合成が行われてきた。しかし、実際のデバイス動作を視野に入れた結晶性評価やデバイス設計はまだ充分には行われていな
い。本研究では特に二元、三元系の化合物半導体混晶の合成に着目し、細菌の採取・培養から実際の合成、その結晶性の評価を行った。

〔研究経過および成果〕

して 1.55 μm) との結果が得られた。本来、PbS の禁

一つ目の成果として、PbS と CdS、二種類の硫化物

制帯幅は室温で 0.41 eV (波長に換算して約 3 μm)

半導体を合成する細菌の採取を行うことができたことであり、これは研究代表者が有する検出器の感度波が挙げられる。集積したそれぞれの細菌に終濃度

長外に位置する。このため直径が約 11 nm の PbS 結

500 μM の Pb2+や Cd2+の金属イオンを添加して培養

晶試料では光吸収端が確認できなかったと考えられした結果、生成された試料の X 線回折 (XRD) 測定

る。これに対し、直径が 3.9 - 5.5 nm の PbS 結晶試料においては回折角度が立方晶の PbS や CdS のデー

で光吸収端が確認できたのは、結晶のサイズが数 nm

タベースと一致し、透過電子顕微鏡 (TEM) 観察か

オーダーであることにより実効的な禁制帯幅が 0.41

ら、PbS は直径 3.9 - 5.5 nm、CdS は 7 nm の球状微

eV よりも大きくなったためである可能性がある。今後結晶として合成されていることがわかった。PbS を合

この結果を検証するため、添加する Pb2+の濃度を細成する細菌には終濃度 1 mM の Pb2+も添加したところ、かく調整することで PbS 結晶の直径を少しずつ変化さ

球状結晶の直径が約 11 nm へと増加した。二つ目のせ、光吸収端がその直径と連動して変化するかどう

成果として、この Pb2+の濃度を変化させて合成した粒か (いわゆる量子サイズ効果がみられるかどうか) を径の異なる PbS 試料を半絶縁性の InP 基板上に塗布確認する必要がある。また、電気的特性評価においし、乾燥させた後、タングステンランプの光源とした光ては、印加電圧が-1 V から 1 V の範囲で、直径が 3.9吸収測定と In はんだを電極とした電気的特性評価を- 5.5 nm の PbS 結晶試料には pA オーダーのわずか行った。直径が約 11 nm の PbS 結晶試料では、測定な電流が流れたのに対し、直径が約 11 nm の PbS 結系の検出器の感度波長内 (0.8 – 1.7 μm) に光吸

晶試料には μA オーダーの電流が流れ、結晶の領収端は確認できなかった。一方、直径が 3.9 - 5.5 nm域の増大に伴って電流量も増加する傾向がみられた。

の PbS 結晶試料では光吸収端が 0.8 eV (波長に換算

今後は、PbS 試料の pn 導電性を、ホール効果測定な

6どを用いて評価し、この電流量の増加が結晶の面積〔発表論文〕の増加によるものであるのか、あるいは導電性に寄与

１． 清水稜、富永依里子、真木祥千子、前田誠、岡する不純物が意図せず試料内に添加されているのか

村好子、「細菌が形成した PbS の結晶性評価」、を明らかにする必要がある。

第 65 回応用物理学会春季学術講演会、早稲田三つ目の成果として、III-V 族化合物の合成を実現

大学、18p-P8-15、2018 年 3 月.

することができた。TEM 装置付属のエネルギー分散

２． 佐坂文武、高橋宏和、富永依里子、岡村好子、

型 X 線分析から、目的の III-V 族化合物の構成元素「海洋性細菌が形成する CdS ナノ粒子のキャラクが試料内に含まれていることを確認し、TEM 観察に

タリゼーション」、第 70 回日本生物工学会大会、

おいては一部格子縞を確認することができた。光吸3Fa01、関西大学、2018 年 9 月.

収測定を行ったところ、試料の光吸収端は該当物質

３． 岡村好子、「微生物による III－V 族化合物半導の禁制帯幅の文献値と一致した。本研究成果により、体結晶の成長方法」、広島大学新技術説明会、細菌による合成が可能な材料を新たに示すことがで

東京都 JST 本部、2018 年 10 月.

きた。

４． (Late News) Yoriko Tominaga, Ryo Shimizu,

今後は、本研究成果を基に、研究代表者・共同研

Sachiko Maki, Makoto Maeda, and Yoshiko

究者が本研究開始時から作製を検討している半導体

Okamura, “Characteristics of biogenic sulfide

デバイスの構造設計および実際の製作に着手する予

semiconductor nanomaterials”, 2018 Materials

定である。

Research

Society

(MRS)

Fall

Meeting,

NM04.03.44, Boston, MA, USA, December 2018.
５． (Invited) Yoshiko Okamura, Yoriko Tominaga,
Ryo Shimizu, Sachiko Maki, and Makoto Maeda,“Biogenic nanoparticles – Potential asasemiconductor”, The 26th Assembly of Advanced
Materials Congress, Stockholm, Sweden, June
2019. 【講演決定済】

7

【助成 35 -03】
低木類牧草アルファルファを利用した沙地修復技術の確立

高知大学教育研究部総合科学系生命環境医学部門 教授 康 峪梅
〔研究の概要〕中国内モンゴル自治区のホルチン沙地は日本から最も近い砂漠で，当地域から発生する黄砂や PM2.5
は近隣地域・諸国へ深刻な影響を及ぼしている。沙地は人為によってできた砂漠を指し，本来気候的に草原が分布し，人々の生活の息吹が感じられる場所である。従って，適切な方法を取れば，沙地を緑の草原に戻す可能性が残っている。中国ではこれまでに沙地修復の対策として主に植林が行われてきた。しかし，ホルチン沙地の気候では樹木の活着が難しく，失敗に終わるケースが多い。本研究ではホルチン沙地の代表的な土壌①平坦地,②砂丘，③塩類集積地に低木類牧草アルファルファを植えた。
2018 年の試験で植えた三品種のアルファルファはすべて活着し、草丈は平坦地>塩類集積地>砂丘であった。今後アルファルファの生長につれて，いずれの土壌においても土沙固定作用が期待される。

表 1 アルファルファ植草地の土壌試料数〔研究経過および成果〕

品種

本研究の植草試験は中国内モンゴル自治区通遼

AohanCaoyuan 3

Gongnong 1（点）

市モリビョウ村で行った。本地域は年平均気温 5

植草地－6℃，最寒月の 1 月には平均気温がマイナス 13

平坦地

16

-

-

－18℃まで低下し，最暖月の 7 月には平均気温が

砂丘

12

-

-

20－24℃まで上昇する。年平均降水量は 350－450

塩類集積地

9

12

15

mm で，半乾燥地帯に属する。降水量のほとんどは
表 2 と表 3 は土壌試料の分析結果（平均値）を示し

夏季に集中するため，秋季から春季にかけて乾燥ている。pH はすべての土壌で>8.5 で，塩類集積地でする。2018 年 6 月～7 月にかけてモリビョウ村周>9 の高い値を示した。これは乾燥地の気候では雨が辺の砂丘地に現地品種の Aohan（6 月 10 日）を，少なく，土壌の塩分が洗い流されないためである。ま

また塩類集積地に現地品種の Aohan（6 月 10 日）

た，塩類集積地は砂丘と平坦地より低いため，水や塩と Caoyuan3（7 月 10 日），およびアメリカ原産の分が溜まりやすい。含水率，全炭素，全窒素，有効態

品種 Gongnong1（6 月 10 日）を播種した。アルフ

リン含量はいずれの土壌においても低く，全般的に塩ァルファは多年生であるため，冬季に地上部が枯分以外は養水分がきわめて少ない土壌である。また，れるが，春に根から再び芽が出る。2015 年 6 月に

陽イオン交換容量（CEC）も低く，養分保持能の低い平坦地（放棄農地）に植えた Aohan は 2018 年 4 月

土壌であることがわかる。三種類の土壌間で比較するにも芽吹き，生長した。2018 年 8 月に現地調査を行い，各試験地のアルファルファの草丈を測定し，と，全窒素含量を除いく上記項目は塩類集積地で最も高く，平坦地，砂丘の順に低かった。砂丘は起伏がおおよそ 1/500m2 の割合で土壌試料（0-15 cm）をあるため，養分が流されやすく，逆に平坦地と塩類集採取した（表 1）。土壌試料は風乾した後，孔径 2 mm

積地は相対的に養分が溜まりやすいと考えられる。一の網篩を通し，風乾細土として分析に供した。

8

方，全窒素含量は平坦地と塩類集積地で大差がなく，効態リンは Caoyuan3＞Aohan＞Gongnong1 であった。

砂丘地で著しく低かった。アルファルファは多年生の塩類集積地での三品種の生育期間は 1～2 間月と短低木で，一旦活着すると約年の春からは自然発芽す

いため，上記結果はもとの土壌の性質を反映しているる。また，マメ科植物であるため，空気中の窒素を固と思われる。

定する。平坦地のアルファルファは 2015 年に植えた。

アルファルファの草丈は植草地や品種によって大平坦地土壌の全窒素含量は植草前の 2014 年（0.26

きく異なった（表 4）。Aohan は平坦地で草丈が最も高g/kg）から若干増加し（0.31 g/kg），アルファルファのく，塩類集積地，砂丘地の順に低かった。平坦地の窒素固定の効果だと考えられる。

Aohan は植えて 4 年が経つため，根系がかなり発達し

表 2 平坦地と砂丘土壌の性質
地 形
項

平坦地

ていると思われる。また，4 月の初めに芽吹き，8 月の
砂丘

調査時には生育期間が 4 間月と最も長い。砂丘と塩目

類集積地の Aohan は同じ日に播種したので，後者の

pH

8.68

8.57

草丈が高いのは土壌の養分状態がよりいいためだと含水率(%)

1.64

2.56

思われる。また，塩類集積地に植えた三品種の草丈

全炭素(g/kg)

3.45

1.58

は Aohan > Gongnong 1 > Caoyuan 3 であった。Aohan

全窒素(g/kg)

0.31

0.08

と Gongnong 1 は生育期間が同じで，しかも土壌の有効態ﾘﾝ(mg/kg)

12.5

4.87

養水分レベルは Gongnong 1 の方が若干高いにもか

CEC (cmolc/kg)

2.87

-

かわらず，Aohan の方が草丈が高かったのは品種間の差だと判断される。また，Caoyuan 3 の草丈が最も

表 3 塩類集積地土壌の性質
品種
項

Aohan

目

CaoyuanGongnong

3

1

低かったのは播種が一間月遅く，生育期間が短かっ平 均

表 4 各植草地のアルファルファの草丈（n=10）

pH

8.99

9.19

8.99

9.06

含水率(%)

2.68

2.28

6.25

3.74

3.43

4.99

7.07

5.16

全炭素
(g/kg)
全窒素(g/kg)
有効態ﾘﾝ(mg/kg)
CEC(cmolc/kg)

たため思われる。

品種

Aohan

Caoyuan 3

Gongnong 1

（cm）

植草地
平坦地

69±27

-

-

砂丘

7±4

-

-

47±10

18±1

28±12

0.18

0.31

0.37

0.29

塩類集積地

16.1

20.3

13.7

16.7

〔本研究と関連する発表論文〕
1．康峪梅：ホルチン沙地における低木類の分布と

3.03

3.00

3.86

3.30

土壌微環境因子の関係。アグリバイ 5, 89-92 2017
2．福島将太，笹田百合，楊俊，康峪梅，櫻井克年：

塩類集積地に植えた三品種間で比較すると，土壌

沙地における低木類の分布と土壌微環境の関係。

の pH と CEC にはほとんど差がないが，Gongnong1 で日本土壌肥料学会講演要旨集 61，187，2015

含水率，全炭素および全窒素が高い傾向を示し，有3．本研究に関する論文は投稿準備中である。

9【助成 35 -05】
水産養殖池における水温成層逆転現象と水産病害の実態把握に関する研究

研究者 九州大学熱帯農学研究センター 助教

尾﨑 彰則〔研究の概要〕熱帯における塩水養殖池では，熱帯雨季特有の間断的な降雨が塩分成層，降雨後の猛烈な日射熱が水温成層の状態支配要因となり，熱塩対流による下層高水温が発生し，水温成層状態が逆転する可能性がある．この水温成層逆転現象は，特異的な成層構造を形成し水質を悪化させることに加え，高水温域が水産病害の温床となる可能性があることから，水産養殖生産性に強く影響を及ぼすと考えられる．本研究では，水温成層逆転現象について，(1)現象を誘引する気象条件・水環境条件を特定し，現象に関わるプロセスおよびメカニズムを解明すること，(2)現象形成過程における水産疾病関連微生物の発生および動態を把握し，水温状態との関係性を解明すること，以上の 2 点を研究目的として，実験水域における気象変動・水環境変動の連続観測および定期的に採取した水の DNA 解析を行い検討した．

〔研究経過および成果〕
１．研究対象水域・方法
観測は，タイ・カセサート大学水産学部クーロンワン水産研究所が管理する水産養殖池を実験水域とし，2017 年 6 月 1 日～10 月 31 日（雨季期間）の 5 か月間行った．実験水域は，同程度のスケールの池 3 か所を用い，実験開始前（5 月 30 日）に異なる塩分濃度
条件を設定した（図 1 参照）．なお，今回の実験期間を通しての塩分調整および水位調整は，実験開始前の 1 回のみであり，実験開始後の水域内塩分濃度および水位は，気象条件によっての変化のみである．
図 1 観測対象水域条件

２．研究成果２－１気象変動・水環境変動の連続観測が，水面付近の水温より高い状態が継続している

図 2 および図 3 に，水温成層逆転現象期間の観期間が確認できる．本研究では，この特徴的な水測例として，7 月 10 日～8 月 30 日の気象変動（日温鉛直分布状態を「水温成層逆転現象」と定義す

射量，風速，降雨量，気温）および水温鉛直分布

る．図 2 より，Pond C で現象が確認されるまでの変動を示す．図 3 より，Pond C の 7 月 21 日前後

数日間，連日降雨が観測されていること，また，および 8 月 22 日前後に，水域中層から底層の水温

Pond A および Pond B では現象が発生していない10

ことから，降雨に伴う塩分濃度状態の変化が，現象発生に影響したと考えられる．図 4 に，7 月お
よび 8 月の現象出現期間前後の塩分濃度鉛直分布を示す．図 4 より，現象出現期間の Pond C では，
塩分濃度勾配が明確であり，上下層間の塩分濃度差が高くなっている．このことは，降雨により塩分濃度勾配が形成された結果，熱塩対流が発生し水温成層逆転現象を誘引したと説明できる．さら図 2 7 月 10 日～8 月 30 日の気象変動に，この塩分濃度勾配の消失とともに現象も解消されていることから，塩分濃度勾配層の安定性が現象出現に強く関与していることが示唆される．
２－２ 採水サンプルの DNA 解析
図 5 に 7 月の水温成層逆転現象期間中および 8 月の現象期間後の採水サンプル DNA 解析例を示す．図 5 より，
7 月および 8 月で水圏
微生物層の動態が異なると考えられるものの，

図 5 採水サンプル
DNA 解析例

7 月の現象発生期間において，特定バンドの DNA

図 3 7 月 10 日～8 月 30 日の水温鉛直分布変動量が明確であることから，現象出現が水圏微生物
量の動態に影響を及ぼしたと示唆される．今後は，この微生物の種および量を明確にするとともに，
水産疾病との関連性を解明する．
〔発表論文〕
１． Heat Storage in Salinity Aquaculture Ponds
Observed in the Tropics, Ozaki A., Panitan K., etal. Proc. of the 8th CECAR, Tokyo, 2019
２． Thermal Stratification in Saline Shallow Water
Bodies, Monton A., Ozaki A.et al. Bull. Inst. Trop.

図 4 現象出現期間前後の塩分濃度鉛直分布

Agr., Kyushu Univ. 41: 107-112, 201811

【助成 35 -06】
水月湖の年縞堆積物を用いた、大規模な気候変動のスピードと伝播経路の解明
立命館大学総合科学技術研究機構 古気候学研究センター センター長・教授 中川 毅
立命館大学総合科学技術研究機構 古気候学研究センター 副センター長・准教授 北場 育子
東京大学 総合研究博物館 特任研究員 大森 貴之
立命館大学総合科学技術研究機構 特任研究員 山田 圭太郎〔研究の概要〕福井県水月湖の湖底から得られた、氷期末期（およそ 1.6〜1.0 万年前）の年縞堆積物に対して、①セルソータ
ーを用いた化石花粉の抽出、②抽出した化石花粉の安定同位体比測定、③従来型の花粉分析を実施した。また 0〜7 万年前の年縞堆積物に対して、④火山灰試料の抽出、⑤レーザーアブレーション質量分析計を用いた火山灰の同定をおこなった。化石花粉で測定した安定同位体比の変動パターンは、グリーンランドの氷床コアの安定同位体比（Steffensen et al. 20045）ときわめて良い一致を示し、古気候の指標として有力であることが確認できた。また火山灰分析の結果、大山・三瓶系の火山の噴火履歴が詳細に明らかになり、水月湖と他の地域の気候変動を精密に対比する素地が整った。

〔研究経過および成果〕

基礎資料として、日本各地の林業試験場のスギ花粉

一年に一枚ずつ形成される薄い地層、いわゆる「年資料を入手した。また富士山周辺のコメツガ林を中心

縞」は、過去の環境変遷を一年ごとに記録している天に野外調査をおこない、表層の土壌サンプルを採取

然のアーカイブである。福井県水月湖の底には、年した。

縞が厚みにして 45 ｍ、年代にして 7 万年分堆積して安定同位体比の分析結果を図 1 に示す。カタールいる。代表者らのチームは 2006 年、水月湖の年縞堆の政治的混乱に関連して、昨年の途中からヘリウム

積物を欠落なく採取することに成功した（Nakagawa et

ガスの入手が実質的に不可能になったため、当初予

al. 2006）。本研究では、この時に採取された試料定していたサンプル数には達していないが（供給が（SG06）のうち、とくに氷期末期（およそ 1 万 6000〜1万年前）に相当する部分を厚さ 2cm の円盤状に分割し、①セルソーターによる化石花粉抽出、および ②抽出された化石花粉の安定同位体比分析を実施した。
上記と平行して、SG06 試料のうち０〜7 万年前に相当する部分について、従来型の光学顕微鏡による花
粉分析、ならびにレーザーアブレーション質量分析
図 1： 水月湖とグリーンランドのから得られた安定同位体比分析結果の比較。赤：水月湖の化石花粉。青：グリーンランドの氷床コア。きわめて似通った傾向が検出さ計による火山灰分析を実施した。
また花粉の安定同位体比データを解釈するための12

復活した時点で速やかに分析を再開する予定）、現

前ごろ: Nakagawa et al. 投稿中）と矛盾する。もっとも、時点のデータ数でも、晩氷期のグリーンランドに特徴

従来の研究で検出されている植生の変化そのものは的な 1 万 5000 年前ごろの温暖化、13000 年前ごろか事実であると思われるので、化石記録と同位体記録

ら始まる寒冷化（いわゆるヤンガー・ドリアス事件）といの環境応答の非線形性などを視野に入れた基礎研った現象が見て取れる。化石花粉の安定同位体比の究は継続する必要がある。

分析はこれまで、予察的な研究はあるものの、時系列

可視火山灰の分析は、SG06 の全深度について完

データで気候復元を試みた研究例は存在していなか了することができた。分析の結果あきらかになった火った。今回の成果により、化石花粉の安定同位体比

山灰層序と年代を図 2 に示す。とくに、日本中に分布が古気候のきわめて有力な指標であること、またセルする旧石器時代の遺跡の年代解釈に使用される AT

ソーターによってその実用化が可能であることが実証

火山灰の年代が確定したこと、また大山・三瓶系の火的に示された。

山灰の噴火履歴が詳細に復元されたこと（従来はほさらに細かく見ると、1 万 5000 年ごろに起こった温暖

ぼ同時に発生した噴火に由来すると思われていた化の正確なタイミングは、1 万 4700 年前ごろである可OdA と Sh が、じっさいには 7 年の間隔を置いていた能性が高そうである。もしこれが真実だとするなら、温ことなど）は、西日本の標準火山灰層序を高精度化

暖化のタイミングはグリーンランドと誤差の範囲内でする上で重要な貢献となった。

同時であったことになり、これまで古生態学的な証拠〔発表論文〕から示唆されていた温暖化のタイミング（1 万 4900 年

１． Albert, P., et al. (2018) Constraints on thefrequency and dispersal of explosive eruptions at
Sambe and Daisen volcanoes (South-West Japan
Arc) from the distal Lake Suigetsu record (SG06core). Earth-Science Reviews 185, 1004-1028.
２． McLean, D., et al. (2018) Integrating the
Holocene tephrostratigraphy for East Asia using
a high-resolution cryptotephra study from Lake
Suigetsu (SG14 core), central Japan. Quaternary
Science Reviews 183, 36-58.
３． Nakagawa, T., et al. (submitted) Deglacial abrupt
warming

eventswere

drivenbydifferentmechanisms. （Science Advances に投稿中）
図 2： 新たに確定した水月湖の火山灰層序。
西日本の第四系に含まれる代表的な火山灰の大半について、きわめて正確な年代を与えることに成功した。（Albert et al. 2018 より改変）

４． Omori, T., et al. (submitted) An approach
suitable for sub0milligram AMS radiocarbon
measurementsusingcementite（Analytical Chemistry に投稿中）

13

targets.

【助成 35 -07】
キラリティがもたらす液晶材料の新規自己組織的マイクロパターン形成と光学素子への応用研究者 北海道大学工学部 助教

佐々木 裕司〔研究の概要〕マイク・ナノスケールにおける規則正しいパターン構造の創出は様々な分野で興味深い題材である。材料の中でも、複屈折性を有し、外場で制御可能な液晶物質は、光学などへの応用が期待される。本研究ではキラルネ
マチック液晶の自己組織化を用いて、マイクロパターンの作成に取り組んだ。液晶のもつらせん構造のピッチと、試料の厚さを適切に保つことによって、非キラルな液晶とは異なる規則正しいパターンを新たに見出した。得られたパターンと分子配向との関係について調べた。電圧を印加する領域を変形させることで、パターンに変化をもたらすことができた。さらに、配向膜にポリジメチルシロキサンを用いた際に、異なる種類の液晶材料を利用しても、同様のパターンを作り出す方法を見出した。

〔研究経過および成果〕

試料をガラスセルに入れ偏光顕微鏡による観察を実験で用いるキラルネマチック液晶試料は、通常の行った。試料セルで用いる透明電極(ITO)付きガラス

ネマチック液晶(CCN-37、4α,4′α-propylheptyl-1α,には、非晶性フッ素樹脂であるサイトップ(AGC 株式

1′α -bicyclohexyl-4β-carbonitriles、図 1(a))に少量会社製)がスピンコートされている。ITO 電極は帯状にのキラル材を混合することで作成した。キラルネマチ

パターニングされており、それらを重ねることで電極とック液晶は分子配向がらせん状にねじれた構造をもしている。ITO 電極に電圧を印加することによってパ

つため、試料のらせんピッチの評価を行った。くさび

ターンの有無を調べる。典型的な様子が図 2(a), (b)型の試料セルを準備し、そこに液晶試料を注入した。

に示されている。まず、セル厚が 6.8 μm の場合、電図 1(b)における縞の間隔を利用するとらせんピッチを圧を印加すると、期待に反し、規則正しいパターンで見積もることが可能である。今回用いた試料のらせんはなく、ランダムな模様が見られた。セル厚を 6.8 μm

ピッチは十数 μm 程度である。実験では、らせんピッより厚くして実験を繰り返したが、ランダムな様子は改チと試料の厚みの両方を変化させることができるが、善されなかった。そのため、セル厚を薄くして実験を本研究ではらせんピッチを変化させる代わりに、試料行った。試料の厚みが 5.0 μm のときの様子が図 2(b)の厚みを変化させて実験を行うことにした。

図 2、セルの厚さを変化させたときに得られる偏光
顕微鏡画像の様子。(a) セル厚：6.8 μm (b) セル
厚：5.0 μm。スケールバーは 100 μm。

図１、(a)使用した液晶物質(CCN-37) (b)キラル剤を混合し、くさび型セルに入れた時の偏光顕微鏡画像。
スケールバーは 100 μm。

14である。先ほどの場合と異なり、規則正しいパターンがわかった。図 3(b)はひし形の鋭角部分がおよそ 30が観察された。ネマチック液晶の場合、パターンは正度のときに得られた画像である。キラルネマチック液

方格子状であったが、得られた顕微鏡画像の様子は晶の場合、パターンの要素がすでに正方向から歪ん

それとは大きく異なっている。同じセルを使用し、印でいるが、電極の変形によってさらに歪んだ特徴的

加電圧の振幅を変化させると、パターンの大きさが変なパターン形成として観察されることがわかる。回折化する様子が観察された。続いて、セル厚をさらに薄などの光学的性質についても通常のネマチック液晶

くした場合について調べた。図３(a)は厚さが 3.7 μmの場合とは異なる結果が期待される。

のときの様子である。パターンは細かくなっていること

サイトップの表面を加工するために、ナノインプリントがわかる。ネマチック液晶の場合と同様、パターンのによる加工を試みた。その過程で、ポリジメチルシロ

大きさはセル厚に比例していることが確かめられた。

キサン(ＰＤＭＳ)が数種類の液晶を垂直に配向させる

パターンが現れる電圧の条件について検討を行っことを観察した。垂直配向はパターンを作り出す上でた。周波数と電圧振幅の両方を変化させ、どのような重要な条件である。この事実を参考にして、サイトッ組織が観察されるかを確かめた。実験の結果、図 2、プの代わりに PDMS をガラス基板にスピンコートし、試３に示したような二次元のパターンに加え、ストライプ

料セルを作成した。試料として、CCN-37 以外の負の状の組織が観察されることも確認した。ストライプ状の誘電異方性を有する物質を使用した。実験の結果、組織は直線状の縞模様として観察され、キラリティのサイトップと CCN37 の組み合わせで得られるものと同有無に関わらず同様であった。

様のパターンを得られることがわかった。この結果は、本現象が液晶材料で普遍的に起こることを強く示唆するものである。PDMS はサイトップよりも取り扱いが容易であり、特に表面に凹凸をつけるような微細な加工に優れている。さらに、様々な種類の液晶分子で垂直配向状態を得るべく、PDMS の表面に UV オゾン

図 2、(a) セル厚を薄くしたときに得られるパターン。
(b) 帯状の電極の交差する角度を斜めにすることで、電圧が印加される領域を正方形から歪めたときの様子。
電極の一辺の長さは図 2 と同じである。

処理を行った。表面を活性化し、垂直配向材として知られるシランカップリング材を化学的に結合させた。

パターンの変形を狙い、電極が印加される領域を変処理済みの基板でセルを作成し、未処理の PDMS に形させることを試みた。図 3(b)にはその一例が示され対しては垂直配向を示さない液晶材料を注入した。

ている、二枚のストライプ状の電極が重なっている角

その結果、垂直配向の実現に加え、電圧の印加によ度を変化させることで調節をしている。二つの電極がってパターンが形成されることを見出した。つまり、こ平行に近い場合、つまりひし形の鋭角の部分が極めのパターン形成は、基板界面における配向の境界条て小さい場合、パターンは一様に電極を埋め尽くす

件と配向膜の絶縁性を保つことで、普遍的に観察でことができなかった。しかしながら、ある程度のところきることが強く示唆される。

で、ひし形の電極であってもパターンで満たせること15【助成 35 -08】
ナノ炭素ケージ内に封じた金属原子の特異な磁性・発光性の開拓と利用

北海道大学 電子科学研究所 准教授 高野 勇太〔研究の概要〕本研究目的は金属内包フラーレンの内部空間に閉じ込められた金属原子のポテンシャルを化学修飾で開花させ、ナノスケールでの分子磁性材料や光センサーとしての利用法開拓を行うことである。金属内包フラーレンは内部金属とフラーレンの組合せにより化学反応性や物性が変わる。本研究目標の「新規磁性材料および光センサーとしての利用」のために最適な組合わせ選定を実験と理論の双方から検証した。結果、希土類 Ce および Erを内包したフラーレンが、磁気および光学特性と、化学修飾の実効性から最適であることが明らかとなった。

〔研究経過および成果〕
サッカーボール型のナノカーボン物質であるフラー
レンの内部に金属原子を閉じ込めた「金属内包フラーレン」は(図１)、様々な金属を外界から隔てられた環境に内包でき、特異な構造に起因して他の分子種では見られないユニークな分子特性を有する。
しかし、金属内包フラーレンは生成量が極めて少なく、従来研究は非常に基礎的な構造・物性解明が主流であった。そのような状況でも、有機半導体として世界最高レベルのキャリア移動度を示したり [S.

図 1. 金属内包フラーレン

Sato et al. JACS 誌 2011 年 2766 頁報告]、単分子磁石特性を示すなど [R. Westerstrom et al. JACS 誌

る金属内包フラーレンの分子機能化法を研究した。

2012 年 9840 頁報告]、ナノテクノロジー材料としての金属内包フラーレンは内包金属種とフラーレン構造

ポテンシャルが期待される新興ナノ材料である。申請の組み合わせにより分子性能や化学反応性が異なる

者らは合成・精製方法を改善して各種化学修飾を用ため、その選択が重要である。本研究ではまず、目いた実験を可能として数々の新発見を行って来てい的とする磁気特性利用に向けて Ce 内包フラーレン

る [Y. Takano et al. JACS 誌 2016 年 8000 頁,2014

Ce@C82、光学特性利用のために Er3N@C80 の化学反年 17537 頁報告等]。

応性について検討した。これにより(i)細胞内での分子利用を実現するための親水性の導入、(ii)内包金

本研究は、金属内包フラーレンのナノスケールで属の動的挙動の制御、の二つを目指した。

の分子磁性材料や光センサーとしての利用法開拓を導入する置換基候補の検討を重ねた後、Ce@C82

目標としている。そのためにまず、精密有機合成によ16

と一致しており、フラーレン上の六員環-六員環にまたがる 6,6 付加体と五員環-六員環にまたがる 5,6 付
加体に帰属される [L. Echegoyen et al. JACS 誌
2006 年 6480 頁報告]。この結果から、水溶性を確保するために置換基を多重付加させた際には、２種類の mono 付加位置×２種類以上の bis 付加位置＝４
種類以上の bis 付加体が生成する可能性が示唆され、分子の単離・精製困難であることが予想された。
以上の結果を受け、Er3N@C80 においては著者らが報 告 し て い る ラ ジ カ ル 付 加 反 応 を 検 討 し た [Y.
Takano et al. JACS 誌 2016 年 8000 頁報告]。その予図 2. 化学反応スキーム

備検討として密度汎関数法（B3LYP-G3 法）による理に対し、両親媒性置換基を導入したアゾメチンイリド論計算から原料 Er3N@C80 のラジカル付加位置の予用いた 1,3-双極子環化付加反応(Prato 反応)を行っ測を行ったところ、内部金属の最近接フラーレン炭素

た(図 2a)。用いるアゾメチンイリドの当量に応じて１種において電子スピン（SOMO）密度が顕著に高いこと

類の mono 付加体～数種類の tris 付加体の混合物まが示された。ラジカル付加反応時には、この位置のでが得られた。内包フラーレンの化学反応性は、同炭素がラジカルカップリング反応を起こすことが示唆族の La＠内包フラーレンと類似していることが知られされたため、今後は両親媒性置換基を導入したラジている。既報により、La@C82 の正電荷密度が高くかつカル付加前駆体（PEG-Br）を用いた分子修飾を検討

POAV (π-orbital axis vector：π軌道の歪みの指標)する(図 2c)。

の大きいところが置換基付加位置になる。これを基にフラーレン類の効率的な細胞内導入および分子性

密度汎関数法による理論計算から得られた付加体の能の最大限活用を実現するためには、細胞膜透過

分子構造を予測したところ、mono 付加体、bis 付加体

性と細胞内環境における分子凝集性の制御が重要

ともに内部金属の位置はほぼ同じであることが支持さである。上記に述べた両親媒性置換基の選択的導れた。これは目的(i)として親水性高めるために bis 付

入による金属内包フラーレンの分子修飾は、ある程加体を合成した際に、目的(ii)も達成し得ることを示し

度の細胞膜透過性と、分子凝集挙動の制御が可能ている。

であると考えられる。今後は上述の化学修飾法により一方、Er3N@C80 の化学修飾についても検討を行っ

金属内包フラーレン誘導体を大量合成・単離し、各た。まず Ce@C８２と同様の Prato 反応を試みたところ

種タンパク質や細胞内在性分子との相互作用検討と(図 2b)、反応が進行し、mono～tris 付加体が観測さともに細胞導入実験を行い、当初研究計画にのっとれた。しかし、mono 付加体においても２種類の異性って細胞内での金属内包フラーレン機能性の評価を体を観測した。これは既報の Prato 反応における結果

行う。

17

【助成 35 -09】
環境に呼応して多様な運動パターンを発現可能な自律分散型索状ロボットの開発

研究者 東北大学電気通信研究所 准教授

加納剛史〔研究の概要〕狭窄空間を推進可能なヘビ型ロボットやミミズ型ロボットがこれまで多く開発されてきたが，予測不能的な環境にリアルタイムに適応して推進するのは困難であった．そこで本研究では，筆者らがこれまでに提案してきたミミ
ズ型ロボットとヘビ型ロボットの自律分散制御則に関する知見をもとに，環境に応じて伸縮と屈曲の自由度を適切に組み合わせて推進可能な索状ロボットの自律分散制御則を提案し，シミュレーションおよびロボット実機実験により提案制御則の実世界検証を行う．

〔研究経過および成果〕
近年，災害現場における探索・救助や月などの掘削，医療用・工業用内視鏡などへの応用を目的とした，狭窄空間を推進可能なヘビ型ロボットやミミズ型ロボットが開発されている．しかしながら，従来開発されてきた多くのロボットが示す運動は予定調和的かつ画一的であり，想定環境下では優れた機能を発揮するものの，予期せぬ事態に適応することはきわめて困難であった．そこで，
本研究では，「直線状の狭窄路ではミミズ型の蠕動
運動，屈曲した狭窄路ではヘビ型の蛇行運動を発現

図１：平地における蛇行運動

する」などというように，環境に適合した運動パタ

制御と手応え制御を組み合わせた自律分散制御則ーンをロボット自ら発現することが可能な，伸縮と2)屈曲の自由度を有する索状ロボットの実現を目指しを提案した．そこで，この両者を組み合わせ，

さらにさらに伸縮運動と屈曲運動が互いに干渉した．

ないような工夫を加えた自律分散制御則を提案しまず，伸縮運動と屈曲運動を状況に応じて適切た．

に発現可能な索状ロボットの自律分散制御則の構築を試みた．筆者らは以前，ミミズ型ロボットの提案制御則をシミュレーションで検証した結果

制御方策として伸縮率微分制御則 1)を提案した．

を図 1-4 に示す．平地のみならず狭窄空間や L 字また，ヘビ型ロボットの制御則として，曲率微分状に折れ曲がった狭窄路においても，伸縮運動と

18

図４：L 字狭窄路におけるロコモーション

図２：平地における伸縮運動にて高評価を得た．
次に，ロボット実機開発を行った．しかしながら，プロトタイプの製作まで行ったものの，シミュレーションで見られた振る舞いを実世界で再現することはできなかった．今後の発展が期待される．
1) T. Kano et al., Advanced Robotics, 28(3), pp.
197-202 (2014)2) T. Kano, et al., Bioinsp. Biomim. 12, 046009(2017)〔発表論文〕
1.

T.

Kano,

N.

Matsui,andA.

Ishiguro,

Decentralized Control Scheme for Coupling
between Undulatory and Peristaltic Locomotion,
The 15th International Conference on the
Simulation of Adaptive Behavior (SAB2018), pp.

図３：狭窄空間におけるロコモーション

90-101 (2018.8.16)

屈曲運動を適切に組み合わせて推進することができていることがわかる．伸縮と屈曲という異なる自由度を環境に呼応して適切に制御できたのは世界初であり，
この成果は著名な国際会議 SAB201819

【助成 35 -10】
火星航空機の革新展開翼のための制御理論を取り込んだ流体構造連成モデル開発

研究者 東北大学大学院工学研究科 准教授 槙原幹十朗〔研究の概要〕「火星航空機用の展開翼開発のための変形挙動解析と制御系設計を同時に実現する数値モデルの創成」が本研究目的である．既存の翼にはありえなかった展開挙動を如何にモデル化し，制御するかが解決すべき課題である．本研究グループが過去数年進めてきた新手法「航空機翼の展開トルクのモデル化」を発展させ，展開翼挙動解析を行うための数値モデルを構築する．優れた数値モデルを実現するためのモデリング条件（モデルの非線形性，次元，制御性能など）とシミュレーション特性（解析精度・時間・適用限界など）を明らかにする．さらに，制御との融合を考慮した数値モデルの改良をねらう．最終的に本助成金を利用した実験装置で提案モデルの解析精度を実験の面からも実証する．

〔研究経過および成果〕
１．研究背景と研究成果
地球外星探査航空機や次世代旅客機として，ジョイントを介して飛行中に翼を展開する航空機がJAXA や NASA などによって提唱されている．既存の航空機には実現できない大きな形状変形ができるため，収納スペース節約と劇的な性能向上が見込める．展開翼機の早期実現には，構造空力連成モデルを用いた翼の展開解析が必須となる．しかし，空気力と連成した大剛体運動と大弾性変形

図１という特異な挙動となるため，その解析法は確立
されていない．

展開翼概念図と局所ジョイント座標

２．研究成果（ANCF 弾性モデリング）

研究経緯を示す．航空機翼の特徴に基づき，計

航空機翼の面外変形に比べて面内変形が小さ

算効率を大幅に向上させる ANCF 板要素の弾性力

いという特徴に着目し，面外曲率を定義する際にモデリング法を提案した．この特徴を利用するこは面内変形を無視する．面内変形がないことを前とで複雑な座標変換を必要としない展開機構の三提として成り立つ曲面理論を適用でき，曲率を簡次元モデリング法を提案した．最終的に提案する潔な数式で定義できる．わずかに発生する面内変MBD/ANCF に基づく構造モデルを非定常空力モ形に対しては，節点の変数ベクトルを用いた平均

デル Unsteady Vortex Lattice Method (UVLM)

ひずみを定義する．以上の曲率・ひずみ定義で，と連成させて展開解析を行い，風洞実験結果と比面外変形剛性行列は定数となり，面内変形剛性行

較することで提案モデルの妥当性を実証した．

20

列も非線形性が緩和された形で記述できる．

成モデルの解析精度を実証した．

３．研究成果（モデル解析と風洞実験）
提案する展開機構モデルが三次元運動中でも，正常に機能することを示す．最初，両翼（図１）
解析 t = 0.07 s

実験 t = 0.07 s

は折り畳まれている．左翼から展開を開始し右翼が展開を開始する．両翼とも相対回転角 θ が 0
deg になった時点でラッチ機構が作動し展開が完

実験 t = 0.14 s
解析 t = 0.14 s
図３ 実験と解析で得られた展開挙動

了する．三次元飛行を示すために，対象を座標系に固定せず，負方向に初期速度 1 m/s を与える．
図２は三次元運動を示す．弾性変形を伴う三次元剛体運動をしつつ，両翼を順次展開していることから，展開アクチュエータモデルが正常に機能していることが分かる．
次に，東北大学・流体科学研究所の風洞を用いて，翼の展開実験を行った．図３は流速 30 m/s で

図４

実験と解析で得られた流速と展開時間

展開した場合の実験と構造空力連成解析で得られ〔発表論文〕た展開挙動を 0.07 s ごとに示す．実験と解析とも

１． Keisuke

Otsuka,andKanjuro

Makihara,に剛体回転と弾性変形が確認できる．図４は流速“Deployment Simulation Using Absolute Nodalを変更した場合の展開に要した時間を示す．両図

Coordinate Plate Element for Next-Generation

で実験と解析は良好な一致を示していることから，

Aerospace Structures,” AIAA Journal, Vol. 56,

提案モデルによる解析法の妥当性が実証できた．

No. 3, 2018, pp. 1266-1276.
２． Keisuke Otsuka, Yinan Wang, and Kanjuro

Makihara,“Versatile

Coordinate

Absolute

Formulation

Nodal

Model

for

Dynamic Folding Wing Deployment andFlutter Analyses,” Transactions of ASME,
図２

Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 141,

三次元運動中の翼の順次展開

No. 1, 2018, Article No. 011014.

４．結言
MBD，ANCF，UVLM に基づく柔軟展開翼機

３． Keisuke

Otsuka,and

Makihara,の構造空力連成モデリング法を開発した．構造物“Absoluteが三次元運動する場合であっても，提案する展開

Element

機構モデルは有効であることを示した．さらに，Deployable Aerospace Structures,” AIAA

風洞実験と比較することで，提案する構造空力連

Journal, (出版中).

21

Nodal

Kanjurofor

Coordinate

Modeling

FlexibleBeamand【助成 35 -11】
ルテニウム系磁性超伝導体単結晶を用いた新奇固有接合特性の開拓に関する研究

研究者 宇都宮大学大学院工学研究科 助教 八巻 和宏〔研究の概要〕磁性超伝導体として知られるルテニウム系銅酸化物に関して申請者自身が開発した HTSPC 法によってGd1.4Ce0.6Sr2RuCu2O10-（RuGd-1222）単結晶の合成を行った（発表論文３）．更に，この単結晶試料を用いた精密構造解析を実施し．希土類サイトを Eu で置換した Eu1.4Ce0.6Sr2RuCu2O10-（RuEu-1222）単結晶の合成に世界で初めて成功した（発表論文５：投稿中）．単結晶の合成に成功したものの，その大きさは最大で 1 辺 100 m に限られ，今後より一層の単結晶粒の大型化が望まれる．併せて類型化合物である RESr2RuCu2O10-（RuRE-1212，
RE = Gd, Eu）単結晶を独自に開発した部分溶融法により合成し，物性評価を進めた（発表論文１，２）．単結晶
試料を用いた精密構造解析の結果，ブロック層である SrO 層の Sr サイトを磁性元素である Gd が置換することで単結晶試料の超伝導性が損なわれている可能性を初めて実験的に示す事に成功した（発表論文４）．

〔研究経過および成果〕

示す．この系の合成に関しては，自己フラックス法を

銅酸化物高温等伝導体は，現在においても常圧で基礎として発展させた HTSPC（High Temperature Self

最も高い超伝導転移温度を有する物質であり，そのPowder Compaction）法を独自に開発し，合成条件の超伝導機構の解明は物性物理における最も重要な最適化を図ることで，図 1(b)に示すような 1 辺 100 マ問題の一つと考えられる．ルテニウム系銅酸化物は，イクロメートル程度の大きさの板状単結晶の育成に成

この銅酸化物高温超伝導体の 1 種でルテニウムが磁功した．合成には 300 時間以上を要し，相の形成に気秩序を示すことから，超伝導と磁気秩序の関係を時間が掛かるのが特徴である．当初目標とした 300 マ

考える上で非常に重要な系として注目を集めてきた．
その一方で，この系は 4-5 種の陽イオンと酸素で形成される分解溶融型の複合酸化物でルテニウムの昇華性もあり，結晶成長が極めて難しい．
そこで本研究では，銅酸化物でかつ，磁気秩序を有するルテニウム系銅酸化物高温超伝導体に着目し，その単結晶の育成と物性の解明を進めてきた．現任校の宇都宮大学で研究をスタートさせ当初は全く単

図 1 (a)RuGd-1222 の結晶構造図．(b)HTSPC

結晶が成長しなかったものの，最近になり漸く，物性法で合成した RuGd-1222 単結晶の光学顕微鏡

測定に資する単結晶の育成に成功した．図 1(a)に本

写真．

研究の対象物質である RuGd-1222 の結晶構造図を

22

イクロメートルという大きさには至らなかったものの，同と物性評価に取り組んでいる．詳細に関しては割愛

単結晶試料を用いた精密構造解析を行った．その結するが，単結晶化に伴う超伝導の消失が確認され，果，得られた試料が確かに単結晶であることを実験

伝導測定と構造解析から，この原因の解明を進めて的に確かめ，RuGd-1222 単結晶の育成に世界で初いる（発表論文１，２，４）．

めて成功したことを実証した．図 2(a)に実際に，本研〔発表論文〕

究で得られた RuGd-1222 単結晶の CCD 型単結晶回

１． K. Yamaki, Y. Bamba, T. Mochiku, S. Funahashi,

折計によるプリセッション写真を示す．4 回対称の回Y. Matsushita, A. Irie, Growth and structural

折点が得られ，単結晶を示唆する．図 2(b)には構造

characterization of single crystals of the magnetic

解析の結果得られた超伝導層ならびに磁性層近傍

superconductorの結晶構造の模式図を示す．超伝導層を形成する(RuGd-1212) obtained by the partial melting

CuO2 面は 170.9°と 180°の平面からわずかに歪んtechnique, Physica C: Superconductivity and its

でいる．更に，磁性層であるルテニウムに結合する酸

applications 548 (2018) 40–43.

Ru1−xSr2−yGd1+yCu2+xO8–δ

素の一部がルテニウムとの結合に対して直角に強く

２． K. Yamaki, N. Kitagawa, S. Funahashi, Y. Bamba,

振動している．これらの結果は，多結晶試料から得ら

A. Irie, Preparation and characterization of the

れた分析結果と概ね一致しているものの，ルテニウム

magneticと銅を繋ぐ O2 サイトの酸素の占有率など異なる点も(RuEu-1212) by partial melting, Physica C:

あり，RuGd-1222 ルテニウム系銅酸化物超伝導体のSuperconductivity and its applications 550 (2018)

研究の進展に資するものになると考えている．これら

95–98.

superconductor

EuSr2RuCu2O8−δ

３． K. Yamaki, Y. Bamba, A. Irie, Preparation of Fineの結果は発表論文５として，現在投稿中である．
併せて類型化合物である RuRE-1212 系に関してもSingle Crystals of Rutheno-Cuprates by the

分解溶融法という独自の合成法を用いて単結晶育成

Self-Flux Method with Alumina Boats, J.
Supercond.

Nov.

Magn.

(2018).

https://doi.org/10.1007/s10948-018-4803-8, 1-7.
４． K. Yamaki, T. Mochiku, S. Funahashi, Y. Bamba,
M. Kitamura, Y. Matsushita, A. Irie, Synthesis andstructural characterization of a superconducting
GdSr2RuCu2O8−δ single crystal grown by partial
melting, Appl. Phys. Express 11 (2018) 113101.
５． K. Yamaki, T. Mochiku, Y. Matsushita, M.

図 2 (a)RuGd-1222 単結晶のＸ線精密構造解析

Kitamura, A. Irie, Synthesis and Structure of

時のプリセッション像．(b)超伝導層と磁性層近Rutheno-Cuprate (RE, Ce)2Sr2RuCu2O10− (RE =傍の結晶構造概略図．

Gd, Eu) Single Crystals, submitted.

23【助成 35 -12】分子ドーピングによる絶縁ポリマーデザイン

研究者 東京大学先端科学技術研究センター 助教

佐藤 正寛〔研究の概要〕絶縁材料には「柔らかい」有機高分子材料が用いられるのだが、その用途や使用環境に応じて種々の添加材が加えられる。添加剤は意図するかどうかによらず、材料の電気特性を変化させるのだが、その要因はよくわかっていない場合がほとんどである。そこで本研究では「柔らかい」高分子材料中の電荷移動をシミュレートするた
めに、その場しのぎのパラメータを一切用いない、第一原理計算を基本とするマルチスケールなモデリング方法を構築した。続いてこのモデリング方法を用いて、ポリエチレン(典型的な「柔らかい」高分子絶縁材料)に臭素分子を添加したときに電荷移動度が上昇する要因を調べた。その結果、従来の不純物準位によって電荷移動度が変化するという描像は成り立たず、電荷局在領域間の相互作用が強くなることによって移動度が上昇することが強く示唆された。

〔研究経過および成果〕

タあるいは現象論的なモデルを用いずに評価するこ

1. はじめにとに成功し、計算値と実験値をそれなりに一致した。

電荷移動度は電子デバイスに用いられる半導体材

これまでは不純物や添加剤が含まれない系を扱っ料において重要な物性量であることは言うまでもないてきたが、有機高分子絶縁材料は種々の不純物がが、これは電力機器の絶縁に用いられる有機絶縁材

意図しているかどうかによらず含まれる。これらの不純料にとっても最も重要な物性量の一つである。絶縁物は場合によっては材料中の電荷移動特性に大き材料にはそのハンドリングの良さから有機高分子材

な影響を与えるが、その原因は明らかになっていな料が用いられるのであるが、その分子構造の複雑さ・い。そこで、本研究では絶縁材料に添加材を加えた巨大さなどが相俟って、無機あるいは低分子の有機

ときの電荷移動度への影響を計算機の中で評価する

半導体材料と比べると物性論的な検討が十分進んでことができるか検討した。ポリエチレンは臭素を添加いない。一方で近年は計算機、計算アルゴリズムのすると正孔移動度が 2 桁程度上昇することが知られ進歩もあり、高分子材料も分子原子レベルのモデリンている。そこで、本研究ではポリエチレンへの臭素添グが可能となりつつある。

加をモデルケースとして扱った。

そのような状況に鑑み、我々は最近高分子絶縁材

2. モデル化の方法の改良

料中の電荷輸送特性を第一原理計算を基礎とする

これまでにもポリエチレン中の電荷移動度を評価しマルチスケールなモデル化方法を通じて評価しはじたことはあるものの、同手法では不純物の含む系をめた。その結果、絶縁材料として広く用いられるポリ扱うことができないため、まずは、不純物の添加の効

エチレン中の電荷移動度をその場しのぎのパラメー果を調べることができるモデル化方法を開発した。こ24

のマルチスケールな計算方法の概要は以下の通りである: (1)分子動力学(MD)計算および第一原理計算を行い、高分子非晶領域における電子状態を評価し、そこから電荷局在領域の特徴長さを評価する。(2)分子鎖長に依存しない程度に長い分子鎖を用いたときの電荷局在領域の特徴長さを実現するようなポリマ
ーのオリゴマー中の電荷移動度を(2-1)MD 計算を用
いて非晶構造を生成し、(2-2)その電子状態を第一原
理計算により求め、その結果から電荷移動に関係す

図 1. (a)臭素を添加した/していないポリエチレンにおけるるミクロなパラメータを計算することで電荷局在状態

正孔局在状態間の電子的な相互作用の強さ。(b)臭素を添加した/(c)していないポリエチレン中の正孔移動と分子間の状態遷移確率をもとめ、(2-3) (2-1)および(2-2)

構造の相互作用の強さ(左段)と電荷局在サイトエネルギーの結果を用いてモンテカルロ計算によって電荷のトラのばらつき(右段)ジェクトリをシミュレートすることでもとめた(詳細は発剤が様々な要因を通して電荷移動度に影響を与えう

表文献[1]を参照されたい)。

ることを示唆している。今後、ドーパントと母材の組み3. 計算結果

合わせにより、これらの要因のどれがどのように影響提案した高分子材料中のマルチスケールな電荷移を受け、電荷移動度の変化となって発現するのか、動度の計算方法を用いてポリエチレン中の正孔移動

系統立てて把握していく必要があるだろう。

度を計算したところ、実験値あるいはこれまでに提案〔発表論文〕

した異なるモデリング方法と同程度となった。そこで、[査読付き論文]

臭素を含む場合について正孔移動度を計算したとこ

１． M. Sato, A. Kumada, and K. Hidaka, “Multiscale

ろ確かに正孔移動度が上昇し、その活性化エネルギ

modeling of charge transfer in polymers with

ーが低下することが確認できた。次に、その要因をしflexible backbones,” Phys. Chem. Chem. Phys.,

らべるため、電荷移動と関係するミクロなパラメータを

DOI: 10.1039/C8CP05558K

調べたところ、図 1 に示されるとおり、正孔移動とポリ[国際会議論文]

エチレンオリゴマーの構造間の相互作用(結晶系で

２． M.

Sato,

A.

Kumada,andK.

Hidaka,いうところの電子フォノン相互作用)あるいは正孔局在“First-principles study of electron and hole

サイトのエネルギーのばらつきは臭素添加によって変transfer properties in various polymers,” 2nd

化しないものの、ポリエチレンオリゴマーの正孔局在IEEE ICD, 2018

状態間の電子的な相互作用が臭素分子の添加によ３． M. Sato, A. Kumada, and K. Hidaka, “Fromって大きくなることがわかった。本結果によって添加

Polyethylene to Polystyrene: First Principles

剤による電荷移動度の変化要因を分子原子レベル

Prediction of carrier mobility,” IEEE CEIDP,から説明することに成功した。同時に本結果は添加

2018

25

【助成 35 -13】強誘電体 HfO2 トンネル接合メモリの低電圧動作実証に向けた
原子レベルでの構造計算に基づく研究開発

研究者 東京大学生産技術研究所 准教授 小林 正治〔研究の概要〕
近年大容量かつ低消費電力な不揮発性メモリとして、強誘電体 HfO2 を用いた強誘電体トンネル接合（FTJ）メ
モリが注目されている。本研究では強誘電体 HfO2 ナノ薄膜の特性、金属電極の性質、および界面の影響を考慮した解析的な強誘電体トンネル接合（FTJ）のデバイスモデリングを行い、高いトンネル電気抵抗(TER)比を得るための設計指針を明らかにし、実際に設計を行い高い TER 比を有する強誘電体 HfO2 FTJ メモリのための材
料・プロセス開発を行い、FTJ メモリの低電圧書き込み・高抵抗オンオフ比動作を実証した。さらに、界面層を含めて複雑な多層構造の FTJ メモリについて、原子レベルの量子力学に基づく手法によりデバイス特性を数値解
析的にシミュレーションし、不揮発性メモリの大容量化に欠かせない微細化の可能性について明らかにした。

〔研究経過および成果〕

次に強誘電体 HfO2 の材料パラメータによる影響を

１． FTJ の解析式モデリングと設計指針の提案調べたのが図２(b)である。一般的に自発分極が大き

FTJ メモリは強誘電体薄膜を 2 つの電極で挟んだ 2

いほど、膜厚が厚いほど TER 比が大きくなることがわ

端子型デバイスである。強誘電体薄膜に電圧を印加かる。しかし境界条件として考慮しなければならない

し、自発分極を反転することでトンネル障壁高さを変のが、脱分極場である。強誘電体 HfO2 の保持電界が化させることで抵抗値を変えることのできる抵抗変化

1MV/cm 程度であることを考え、脱分極場がそれより型メモリである。FTJ のメモリデバイスとしての性能指も小さい領域が設計領域であり、自発分極は 3~5μ標で最も重要であるのがトンネル電気抵抗(TER)比でC/cm2、膜厚は 3~5nm が適切であることがわかった。

ある。TER 比が高いほど読出しマージンが大きい。強誘電体 FTJ メモリを高 TER 化するために重要なパラメータを把握するために直接トンネル電流の解析式に基づくシンプルなモデルを構築した。
まず電極の影響を調べた結果を Fig.1(a)に示す。
高 TER 比を得るためには上下の電極の誘電体的なFig. 1 (a) 3 つの上部下部電極構成を持つ強誘電体 HfO2
FTJ の電流電圧特性、(b) 強誘電体 HfO2 の自発分極と膜厚に対する TER 比の等高線プロット。

性質、つまりはスクリーニング効果に差をもたせることが重要であることがわかった。この知見をもとに上部電極には TiN を、下部電極には低抵抗 N+ Si を用い

２． 強誘電体 HfO2 FTJ メモリの試作・評価

るデバイス構造を提案した。

これらの設計値を満たすためのデバイスプロセス開26

発を行った。基板には N+ Si を用い、基板洗浄後 Zr用いた。相関関数を計算することにより局所状態密度

を 50%ドープした HfO2（HZO）を ALD で成膜した。次も計算することができる(Fig. 3(a))。２．で得られた実に TiN をスパッタにより成膜後、RTA 装置で 500℃

験結果をもちいてキャリブレーションを行った。

10 秒のアニールを行い HZO 膜を結晶化した。上部

Fig. 3(b)に 100nA をターゲットとしたときの TER 比と電極の仕事関数を調整するために一度 TiN を剥離し必要な膜厚の関係を示す。現在のクロスポイント型メ

たのち、Al を蒸着して上部電極を形成した。このプロ

モリに匹敵する 20nm 程度まで微細化を行う場合、

セスを用いることで、先ほどの設計ウィンドウにある

TER 比が減少するものの、電流オンオフ比としては4nm の膜厚で Pr が 5μC/cm2 の強誘電体特性を実200%程度あるため読み出しマージンは十分に確保で現した（Fig. 2(a)）。さらにパルス電圧による書き込み

きることがわかった。必要な膜厚は 1.5nm 程度まで薄動作を行ったところ、2.8V の書き込み電圧で TER 比

くしなければならないが、現状 2nm よりも薄くして強誘で 30 を得ることができた（Fig.2(b)）。これは低電圧書電性が発現した報告例があり、非常にチャレンジング

き込み動作では世界最高レベルの性能である。

ではあるが大容量化に向けて FTJ が微細化可能性を(a)有することをはじめて明らかにした。

Current density (A/cm2)(b)(a) 10-2

100nm

Si-sub.

10-8Energy (eV)

1.0
0.5

105

Lin.

Resistance (M)

10-7

(b)

Default

3 parameters

10-5
10-6

Si-sub.

(a) 4

10-4

Current density (mA/cm2)

HfZrO24nm
HfZrO2

Experiment
Simulation

4nm HfZrO2

10-3

104

0.0

10

-1.0
-0.2

10-9
-0.2

-0.1

0.0

0.1

Bias voltage (V)

-0.1

101
-6

0.2

1

P

0

1

2

-1
-4

-2

0

2

-2

4

Write pulse voltage (V)

0.0

2

3

102

-0.5

Va=0

0.1

Bias voltage (V)ON state
0

5

10

15

100 nA, tox= 0.2 nm, Pr=k·tFE, Vread=0.2 V

Position (nm)0.2

Fig.2 (a) 4nm 強誘電体 HfO2 を用いた FTJ の(a)断面 TEM 像、(b) FTJ の(a)パルス書き込みによる読み出し電流特性。

Fig. 3 (a) 低抵抗状態における FTJ の局所状態密度の計算
例、(b) 読み出し電流 100nA での FTJ の TER 比および必要
な HfO2 膜とメモリセル径との関係。

３． 強誘電体 HfO2 FTJ のスケーラビリティの検討〔発表論文〕

一般的に、2 端子型の抵抗変化型メモリでは、断面[1] Masaharu Kobayashi, Yusaku Tagawa, Fei Mo,

積を小さくするほど読出し電流が小さくなる。その結Takuya Saraya, and Toshiro Hiramoto, “Ferroelectric

果読出し電流が小さくなりメモリのアクセス時間が遅く

HfO2 Tunnel Junction Memory with High TER and

なるという課題を抱えている。そのため、FTJ についてMulti-level Operation Featuring Metal Replacement

も微細化の可能性について検討する必要がある。

Process”, Journal of Electron Device Society,

本研究では複数の層からなる FTJ のポテンシャルを

published online, Dec. 11, 2018.

計算するために、静電ポテンシャルに強誘電体分極[2] Fei Mo, Yusaku Tagawa, Takuya Saraya, Toshiroの影響と半導体電極の蓄積・空乏・反転状態の影響

Hiramoto, and Masaharu Kobayashi, “Scalability

も含めて自己整合的にポテンシャルを計算した。さらStudyに系のハミルトニアンと境界における自己エネルギー

Memory Based on Non-equilibrium Green Function

を計算、Green 関数と透過確率を計算、Landauer のMethod with Self-consistent Potential”, International

公式で電流を計算する非平衡 Green 関数の手法をElectron Device Meeting 2018, pp. 372-375.

27

onFerroelectric-HfO2

TunnelJunction【助成 35 -14】
段階型圧力センサーとして機能する革新的有機発光ゲルの創製研究者 横浜国立大学大学院工学研究院 准教授

伊藤 傑〔研究の概要〕圧力や摩擦などの機械的な刺激に応答して固体状態の発光色が可逆的に変化する現象はメカノクロミック発光（MCL: Mechanochromic Luminescence）と呼ばれる。気体や液体の圧力を測定する圧力センサーは広く用いられているが、固体材料に加わる局所圧力の検出は困難であり、MCL を活用した新規センサーの開発が望まれている。本研究では、圧力に応じて段階的に蛍光色が変化する圧力センサーとして応用可能な有機発光ゲルを創製することを目的とし、異分子間相互作用を利用した MCL 性有機色素を作製した。得られた MCL 性有機色
素は、結晶状態と二種類の非晶質状態間の相転移に基づく段階的な発光色変化を示すことが明らかとなった。

〔研究経過および成果〕
これまでに報告されている MCL 性有機色素の大部分は、単一成分からなる色素であり、機械的刺激に応答して固体発光色が二色間で変化する。本研究では、「ホスト色素」と「ゲスト色素」の二種類の色素から混合色素を作製し、異分子間相互作用の変化に基づく段階的 MCL の実現を目指して検討を行った。
まず、ジブロモビチオフェン 1 と 1-ピレンボロン酸との鈴木－宮浦カップリングによって、ジピレニルビチ
オフェン 2 を合成した（図 1）。得られた 2 は固体状態

図 2． (a) ジピレニルビチオフェン 2 および(b) 2 とで青色発光（B-C: em = 488 nm）を示し、機械的刺激

DMQA からなる混合色素の MCLを加えると青緑色発光（B-G: em = 501 nm）に変化した。また、加熱融解後は機械的刺激を加えた後と同

次に、ジピレニルビチオフェン 2 をホスト色素とし、じ青緑色発光（B-M: em = 500 nm）を示した（図 2a）。

種々のゲスト色素との混合色素について検討を行った。その結果、N,N’-ジメチルキナクリドン（DMQA）との混合色素が、2 単独の場合と同じ操作で固体発光
色が三色間で変化する MCL を示すことを見出した。
すなわち、2 と DMQA をモル比 1:1 で混合・融解した
緑色発光の状態（BD-M: em = 531 nm）に機械的刺激を加えると、発光色は橙色（BD-G: em = 605 nm）

図 1． ジピレニルビチオフェン 2 の合成

28に変化し、橙色発光の BD-G を 110 °C で加熱すると発光色は青色（BD-C: em = 470 nm）となった。また、
BD-C に機械的刺激を加えると BD-G となり、どちらも150 °C で加熱すると BD-M となった（図 2b）。
各状態の粉末 X 線回折を測定した結果を図 3 に示す。青色発光の BD-C の回折パターンは B-C およびDMQA を足し合わせたパターンとなっており、両者が結晶状態として存在することが示された。また、緑色発光の BD-M と橙色発光の BD-G では DMQA に由来する回折パターンのみが観測され、2 が非晶質状

図 4．テトラアリール型蛍光色素 3 の合成(a)および二態として存在することが明らかとなった。示差走査熱

段階 MCL(b)

量測定および固体 13C NMR 測定から、2 が二種類の非晶質状態として存在することが示唆された。これら

以上のように、本研究では、機械的刺激に応答しての結果から、BD-C では結晶性の 2 と DMQA のうち、段階的に固体発光色が変化する二成分系の MCL

高効率な 2 からの青色発光が観測され、BD-M と性有機色素を創製するとともに、単一成分系で段階

BD-G では二種類の非晶質状態の 2 からのエネルギ的 MCL を示す新規有機色素を創製することにも成ー移動を受けた DMQA が緑色、橙色発光を示すこと功した。本成果を活用することで、段階型圧力センサ

が、三色間 MCL の発現要因であると考えられる。

ーとして機能する有機ゲルが得られると期待される。

〔発表論文〕
１． “Tricolor mechanochromic luminescence of anorganic two-component dye: visualization of acrystalline state and two amorphous states” Ito, S.;
Katada, G.; Taguchi, T.; Kawamura, I.; Ubukata, T.;
Asami, M. CrystEngComm 2019, 21, 53–59(Selected as Back Cover).

図 3． 各状態の粉末 X 線回折パターン

２． “Efficient and versatile mechanochromic luminescenceofphenanthroimidazolylbenzothiadiazoles:

tricolor

さらに、単一成分での段階的 MCL の実現を目指し、

switching and directional control over the chromism”

新規のテトラアリール型分子 3 を設計・合成したところ、Nagai, S.; Yamashita, M.; Tachikawa, T.; Ubukata,

3 が機械的刺激の強さの違いに応答して、緑、黄、橙

T.; Asami, M.; Ito, S. submitted.

色の三色間で MCL を示すことを見出した（図 4）。

29【助成 35 -15】
偏光顕微鏡観察と深層学習による SiC 結晶中の転位の自動識別
研究者 名古屋大学 未来材料・システム研究所 講 師

原田 俊太〔研究の概要〕半導体デバイス、特に大電力を扱うパワーデバイスでは結晶中の欠陥（転位、積層欠陥）が、デバイスの特性や信頼性、歩留まりに悪影響を与える。現在、主にパワーデバイスの材料として用いられているシリコン（Si）においては、結晶の成長技術が成熟しており、無転位のウエハを製造する方法が確立している。しかし、次世代デバイス材料として期待される炭化ケイ素（SiC）窒化ガリウム（GaN）などにおいては、結晶の成長技術が成熟しておらず、結晶に 102-108 個/cm-2 の転位が含まれてしまう。
偏光顕微鏡を用いた複屈折イメージングは、応力によって複屈折が変化する光弾性効果により、応力分布を可視化できる方法であり、原理的には転位の向きやバーガースベクトルを決定することが可能である。ところが、偏光方向や光の入射方向によって像が大きく変化するため、直接的な解釈ができない。本研究では、半導体結晶における転位の応力分布のシミュレーションを行い、実験像と比較することで、深層学習により転位の種類を自動識別するための指針を得ることを目的とした。

〔研究経過および成果〕

独自の照明・光学・信号処理技術により、結晶転

結晶中に転位が存在すると、転位のバーガース

位欠陥に由来する微小な歪みを、その偏光顕微鏡

ベクトルや、転位線の方向によって異方的な応力像のコントラスト画像として捉えることができる、が生じる。このため、転位の種類によって異なる

半導体結晶の欠陥評価に特化した装置である。

位相差の分布を示す、つまり偏光顕微鏡像におい種々の転位において傾斜方向や傾斜角度を変化て異なるコントラストを呈する。したがって、転させてシミュレーションを行い実験像との比較を位の偏光顕微鏡像をシミュレーションするために行った。転位を傾斜させるとその方向に対してコは、転位のまわりの応力場を計算し、それによりントラストが線状にのび、傾斜角度が大きい方が生じる位相変化を計算すればよい。転位のまわり

コントラストの長さが長くなった。偏光顕微鏡にのひずみ場は、転位のバーガースベクトルと伝播より観察された、典型的なコントラストの形状や方向、結晶の弾性率から異方性弾性論により計算長さが同じになるようにパラメータを調整したとすることが可能であり、偏光顕微鏡像のシミュレ

ころ、同様の白と黒のコントラストがシミュレーーション技術を確立することができた。

ションにおいても再現された。シミュレーション

実験像との比較を行うために、偏光顕微鏡によと実験像を比較することにより転位の傾斜角度をる観察を行った。偏光顕微鏡による複屈折イメー

推測することが可能であることが明らかとなった。

ジングには、Mipox 社製 XS-1 を用いた。XS-1 は、転位の傾斜角度は、SiC の欠陥評価においてよく30用いられる反射配置の X 線トポグラフィでは、得ミュレーション技術を確立し、実験像とシミュレることのできない情報であり、偏光顕微鏡像が、ーション像の比較を行うことにより、転位のバー転位に関する多くの情報が得られる半導体結晶のガースベクトルや転位の傾斜方向を決定できるこ

欠陥評価手法であることが示唆された。

とを確認した。また、観察を行う研究者が容易に観察結果とシミュレーションとの比較を、観察

シミュレーションの比較を実施できるよう、GUIを行う研究者が簡単に実施できるようにするためを有する偏光顕微鏡像シミュレーションソフトのに、Graphical User Interface (GUI)を有するシミュ

プロトタイプを作製した。深層学習による自動識

レーションソフトのプロトタイプ開発を行った。

別アルゴリズムを検討し、畳み込みニューラルネ

作製したソフトウェアにおいては、オペレータがットワークを用いたアルゴリズムが比較的良い精

パラメータ入力画面において、結晶の弾性率や、度を実現することを確認した。今後は、作製した転位のバーガースベクトル、転位の伝播方向、結GUI シミュレーションソフトを用いて、実験像と晶の方位に関する数値を入力し、計算を開始する

シミュレーションのより詳細な比較を行い、全てことにより、シミュレーション像を生成することの転位のバーガースベクトル、傾斜方向・角度をができる。また、パラメータの保存や、画像の保決定する方法論を構築し、偏光顕微鏡像と深層学

存、表示（gray scale, color scale）の変更を行うこ習による欠陥自動識別システムの構築を目指す。

とが可能である。開発したソフトは、六方晶系の計算に対応しており、SiC, GaN のほかにも、AlN〔発表論文〕やサファイアの転位のシミュレーションを行うこ

投稿論文準備中とも可能である。
深層学習による自動識別に関しては、アルゴリ
ズムの検討を行い、自動識別器の性能評価を実施した。自動識別のアルゴリズムには、欠陥の画像を入力として、出力を転位の特徴とする畳み込み
ニューラルネットワークを用いることとした。偏光顕微鏡像の自動識別器の構築には至らなかったが、ラマン分光法による転位のひずみ分布から転位の種類を識別するニューラルネットワークを構築し、実験像に対して 80％以上の精度で転位の種類を予測することが可能であることを確認している。今後、ノイズ除去などを検討することにより、偏光顕微鏡像による欠陥自動識別に応用していく。
本研究では、半導体結晶中の転位の複屈折像シ

31

【助成 35 -16】有機薄膜上への半導体性カーボンナノチューブ製膜法の開発とフレキシブルトランジスタへの展開

研究者 名古屋大学物質科学国際研究センター 講師

大町 遼〔研究の概要〕熱架橋性の部分カルバメート化ポリアリルアミンを利用することで、従来困難であった有機絶縁膜上へ直接的なカーボンナノチューブ薄膜の作製に成功した。架橋性構造を持つ高分子を利用することで、耐溶剤性に優れた薄膜を調整することが可能である。この特性を生かして溶剤洗浄したクリーンなカーボンナノチューブ薄膜の作製が可能になり、ララマン分光測定によるドーピング効果を明らかにした。また、半導体性のカーボンナノチューブが優先的に薄膜を形成することを見出しており、従来にはない分離過程不要なカーボンナノチューブフレキ
シブルトランジスタへと繋がると考えられる。

〔研究経過および成果〕

研究当初はシランカップリング剤などを利用した有カーボンナノチューブ（CNT）は平面のグラフェンシ

機高分子膜への直接官能基化を試みていたものの、ートを丸めて円筒（チューブ）状にした構造を有して効率的な官能基導入を進行させることができなかっいる。その丸め方により金属型もしくは半導体型の特た。そのため、CNT 薄膜の密度が著しく低くなってし性を示すものの、通常の製造法ではランダムに合成

まい、ネットワークが形成できず、TFT として動作させされ金属型と半導体型の混合物としてしか得ることがるには至らなかった。

できない。薄膜トランジスタ（TFT）の材料として応用

そこで共有結合性の官能基を導入する戦略に変えする上では、この半導体型 CNT を高い純度で取り出て、熱架橋高分子を利用した CNT 薄膜を試みた。具す必要が存在する。この問題を解決する上で、申請者らは半導体型 CNT を大量に分離する手法を確立しており、実際に TFT として高い性能で動作することを実証している。ここでは CNT 薄膜をシリコン基板上で製膜することで TFT を作製したが、CNT の長所の一つである機械的強度と構造柔軟性を活かす上では、フレキシブル基板、すなわち有機高分子膜上へ
如何に均質に CNT 薄膜を形成するかが鍵である。本
研究では、有機高分子薄膜上への半導体性カーボ
ンナノチューブ製膜法の開発と、フレキシブルトラン
ジスタへの展開を目指した。

図 1. 部分カルバメート化ポリアリルアミンの構造と架橋反応、TFT 構造の模式図

32

体的には絶縁層として利用する有機高分子膜の表面に、CNT と相互作用する官能基を有する熱架橋高分子を塗布する手法である。加熱処理により架橋構造を取ることから有機高分子膜への接着性が高くな
るだけでなく、耐溶剤性も見込める。
熱架橋高分子として、部分的にカルバメート化されたポリアリルアミンを用いた（図 1）。カルバメート基のカルボニル炭素と別の主鎖を持つアミノ基が反応し、ウレア構造を形成することで架橋構造を形成し不溶性のポリマーへと変換される。これにより薄膜作製は

図 2. 有機絶縁膜 xdi-dcs 上に熱架橋ポリアリルア

溶液プロセスで、かつ耐溶剤性の高い絶縁膜の形成

ミン層を形成して作製した CNT 薄膜の原子間力顕が期待できる。架橋構造形成の温度はアルコキシ

微鏡（OR）基によって調整が可能であり、対応する酸無水物によって導入することが可能である。また、カルバメの洗浄後に様々測定が可能であり、実際に CNT 薄ート基の修飾量によって架橋度合いも変化し、ポリマ

膜状態でのラマン分光測定によるドーピング効果をー膜の安定性や硬度も制御できる。

明らかにすることに成功している（発表論文１）。

実際に有機絶縁膜である xdi-dcs 上に熱架橋ポリア

今回の助成研究において、熱架橋ポリアリルアミン

リルアミン層を形成して作製した CNT 薄膜の原子間を用いることで耐溶剤性に優れた CNT 薄膜を有機絶

力顕微鏡を図 2 に示す。基板上に均一かつ高密度縁膜上に作製することに成功した。現在、実際にに CNT が存在していることが確認できる。xdi-dcs 以

TFT デバイスの作製を行っており、その特性を学会外にもパリレンのような一般的な有機絶縁膜上に真等で報告する予定である。

成膜可能である。耐溶剤性にも優れており、アセトン
や 2-プロパノールのような有機溶剤で洗浄しても、〔発表論文〕

CNT 薄膜は状態を維持できる。また、興味深いことに

１． Synthesis of Long-chain Polythiophene inside

未分離の CNT を用いても半導体性 CNT が優先的にCarbon Nanotubes

薄膜を形成することを確認しており、あらかじめ分離

Yasuhiro

過程のいらない CNT-TFT が作成できる可能性を秘Nakanishi, Hisanori Shinohara, Chem. Lett. 47,

めており、現在さらなる調査を進めている。

1022 (2018)

また、本手法は有機絶縁膜だけでなく、酸化物上でも機能することを確認している。酸化シリコン上に熱架橋ポリアリルアミン層を形成して作製した CNT 薄膜も優れた耐溶剤性を示すことから、水や有機溶媒で

33

Kinno,

HarukaOmachi,

Yusuke【助成 35 -17】
フォノンエンジニアリングへの応用を目指した移動型非線形局在振動の基礎的研究

研究者 京都大学国際高等教育院 特定講師

木村 真之

〔研究の概要〕
近年、ナノテクノロジー分野において、フォノン(格子振動)による熱制御、すなわちフォノンエンジニアリングが盛んに研究されている。物質を構成する原子・分子間の相互作用は基本的に距離に対して非線形であるため、非線形性を考慮した解析が必要となる。非線形性を持つ様な格子系には、エネルギーが局在し、粒子の様に移動する現象が知られており、移動型非線形局在振動と呼ばれている。本研究では、この現象のフォノンエンジニ
アリング分野への応用を目的とし、その生成法に関する検討を行い、従来の遅い移動型局在振動に加えて速い
移動速度を持つものの生成法を提案した。また、提案した生成法を応用して実際の物質をモデル化した格子系における移動型局在振動の探索を行い、様々な速度を持つ解の発見に成功した。

〔研究経過および成果〕

期値を推定する手法が用いられてきた。しかしながら、

近年、ナノテクノロジー分野でフォノンエンジニアリ

摂動が大きくなると、主に非線形性によって推定精度ングが盛んに研究されており、格子振動の制御を熱が大きく下がり、移動開始後すぐに崩壊するなど研究

流制御へつなげる動きが盛んになっている。物質をに用いることが困難であった。そこで本研究では、ガ構成する原子・分子の運動は、古典的には非線形なウス型の波束関数を用いて速い移動型局在振動の常微分方程式 (非線形格子) で記述される。1988 年

生成について検討を行った。

に、ある非線形格子においてエネルギーが空間的に波束関数のパラメータは包絡線関数の分散、波数、局在した振動解の存在が理論的に示された。今日で中心振幅、周波数、速度などがある。図 1 に、ある系

は 、 非 線 形 局 在 振 動 (Intrinsic Localized Mode

において波束を用いて移動型局在振動の初期値を(ILM) または Discrete Breather (DB)) と呼ばれ、現推定した結果を示す。横軸が時刻で縦軸が粒子番実の物理系や人工的に作られた実験系においても号、色の明るさがエネルギーレベルに対応する。図 1

存在が確かめられている。本研究では、非線形局在

左では推定がうまくいっており、一定の速度で移動す

振動の移動性に着目し、この移動型局在振動をエネる解が生成されている。一方、図 1 右では初期時刻

ルギーのキャリアとした熱流制御の実現を目的としてから速度の遅い放射成分が存在しており、時刻 140

研究を行っている。特に本課題では、非線形格子に近傍で移動型局在振動と相互作用している。これは、n用して性質を詳しく調べることを目的とした。
従来、移動型局在振動を数値的に生成するために

32
28
24
20
16
12
8
4
0

1

0.1

0

40

80

t

120

160

200

0.01

n

おける移動型局在振動の生成法と、その生成法を利

32
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8
4
0

1

0.1

0

40

80

t

120

160

200

図 1 包絡線によって生成された移動型局在振動のエ
ネルギー分布(横軸:時刻、縦軸：空間)は、静止型局在振動をある特定の方向へ摂動して初

34

0.01

波束関数のパラメータ設定が不適切であるために起を切り開いた。その一例として、白雲母(Muscovite)のこる現象である。本研究では速度と分散をパラメータ

カリウムイオン層の振動モデルにおける、移動型局在として移動性を評価し、どのようなパラメータ選定が有振動の研究について簡潔に述べる。この研究は、セ効であるかを検証し、明らかにした[1]。

ビリア大学(スペイン)および大阪大学との共同研究で静止型/移動型非線形局在振動の寿命は、応用上有り、京都大学では数値計算における解の探索、安重要な検討課題であり、媒質となる非線形格子の性

定性解析などを担当した。結果として、本研究での成質に大きく依存することが予想される。静止型局在振果を用いて移動型局在振動の解を多数得ることに成動については、数値的厳密解に対して疑似乱数を用功し、なかでも完全に局在した移動型局在振動を世いた微小外乱を用いて寿命を評価した。結果の一例

界に先駆けて発見した[3]。

を図 2 に示す。外乱が大きいほど寿命が短くなってい以上の通り、本研究では、移動型局在振動の解のることが分かる。また、媒質の性質(パラメータ)が異な推定手法について詳しく検討し、その結果を用いてるものを複数検討したが、図の通り、どのパラメータで数値的厳密解の探索や寿命の評価を行った。さらに、もほぼ同様の傾向が得られ、媒質の性質に対する依

実際の物理系に基づくモデルにおける移動型局在存性は弱いことが示唆された。本結果は、国内学会

振動の研究へ適用し、大きな成果を得るに至った。

(SCI’18、京都市)にて発表した。

〔発表論文〕

移動型局在振動の寿命については、前述のガウス

１． M. Kimura, “Initial Value Estimation for Moving

波束を用いた生成法に加え、非線形格子の端点をIntrinsic Localized Modes in Nonlinear Coupled

大振幅・高周波で強制加振する手法(非線形超伝播:

Oscillators,”

nonlinear supratransmission) を用いて検討した。そInternational Symposium on Nonlinear Theoryの結果、移動型局在振動の寿命については、媒質のand Its Applications (NOLTA2017), Cancun,

性質に大きく依存する「移動しやすさ」が強く影響すMexico, 2017, p. 461.

ることが明らかとなった[2]。

inProceedings

of

the

2017

２． S. Tanaka, M. Kimura, S. Doi, “A Numerical

本研究では、上記手法に加えて様々な手法を用いStudy on Generating Condition of a Train ofて移動型局在振動の初期値推定を行い、これまでにMoving ILMs by Exciting an Edge of Stretched

研究が困難であった移動型局在振動の研究の端緒

FPU Chain with an Impurity,” in Proceedings ofthe 2018 International Symposium on Nonlinear

1000

Theory and Its Applications (NOLTA2018),

Lifetime

10000

Tarragona, Spain, 2018, pp. 579-582.

100

10

¯2 = 0.4, T =¯2 = 0.5, T =¯2 = 0.55, T =¯2 = 0.6, T =¯2 = 0.7, T =

1
0.02

1
1
1
1
1

0.1
Ratio of noise energy

３． J.F.R.
1

Archilla,

Y.

Doi,

M.

Kimura,“Pterobreathers in a model for a layered crystal

2

with realistic potentials: Exact moving breathers

図 2 微小外乱に対する寿命の変化。媒質の性質を変えながら計算。横軸: 外乱の大きさ、縦軸: 寿命

in a moving frame,” (submitted).

35

【助成 35 -18】
圧縮センシングのレーザー走査型顕微鏡法への応用

研究者 大阪大学免疫学フロンティア研究センター 特任助教 PAVILLON Nicolas〔研究の概要〕We developed an acquisition approach for laser-scanning microscopy enabling faster acquisition with reduced
data (typically 5-10% of the total) while maintaining accurate resolution based on a compressed sensing method.
In this project, we extended the reconstruction procedure to full 3D imaging, further increasing the potential gainin acquisition speed, and significantly simplified the reconstruction procedures by showing the usability oftheoretical calculations instead of calibration measurements. We first tested a commercial system, and thendesigned a confocal microscope to further study the relation between raw data and reconstruction quality. We
could show that our approach also significantly improves the signal-to-noise ratio of the original signal.

〔研究経過および成果〕
The aim of this research is to develop applications
for laser-scanning microscopy and imaging based oncompressed sensing (CS) algorithms previously
reported [1]. This approach allows to reduce theimage sampling to perform faster acquisition, while
maintaining the original image resolution.
In the first part of the project, we extended theapplication of the reconstruction algorithm to threedimensional (3D) imaging, where the faster acquisition
rate can be extended to all dimensions, yielding
further gain in recording speed. This is illustrated inFig. 1, where a fixed fibroblast cell, whose actin
filaments have been stained with a fluorescent dye,was measured with a commercial microscope at fullFigure 1: Reconstruction of the image of a fibroblaststandardandcell with its actin filaments stained, with bothreconstructed from another reduced acquisition ofstandard (full) and our approach (sub-sampled). Two

one half in all dimensions (512x512x9), giving 12.5% of

xy planes are shown (z=1.4 and 2.5 m), as well as a

the standard data rate. As shown in Fig. 1, the recon-xz section.

resolution(1024x1024x18)

36

struction provides comparable resolution, where all

scanning galvano-mirrors, allowing to improve thefine features of the cell can be recovered.

signal-to-noise ratio (SNR) through averaging. We

One practical limitation of our approach is that it

employed our laboratory system to compare therequires a measurement of the point-spread function

quality improvement obtained through line-averaging(PSF) of the microscope, which can be challenging toand the SNR improvement that occurs throughaccurately measure in 3D due to mechanicalregularization during the reconstruction process ofimprecisions and loss of efficiency of the fluorescent

CS. We could show that an SNR improvement ofdyes during long acquisitions. We demonstrated that

10-20% can be achieved in the case of a sub-sampling

it is possible to use purely theoretical PSFs forof 25%, which corresponds approximately to thereconstruction,theaveraging improvement of 3 to 4 frames. Thiscalibration steps. This is also illustrated in Fig. 1,

demonstrates that the CS procedure can further

where the reconstruction was performed with a purely

speed up the acquisition process, by reducing thetheoretical PSF of the 60x microscope objective,

data but also by reducing the required amount ofcalculated with standard vectorial electro-magnetic

frames for an identical SNR compared to standard

models.

acquisition procedures.

which

greatly

facilitates

We also refined and improved the algorithm
performance in order to improve accuracy, typically〔参照〕

enabling reconstruction with data rates down to 3-4%
1. N. Pavillon and N. I. Smith, “Compressed sensing

in case of full 3D sub-sampling.

laser scanning microscopy”, Opt. Express 24(26),pp. 30038-30052, (2016).

In the second part of the project, we designed aconfocal microscope with laboratory components to〔発表論文〕

have full control of the acquisition parameters to
１． N. Pavillon and N. I. Smith, “Compressed sensing

study in more details the relation between theexperimental

parameters,

raw

data,

and

laser-scanned Raman imaging”, in International

thereconstruction algorithm.

Conference on Raman Spectroscopy (ICORS), p.

In particular, commercial systems usually employ

PS2-01-71, South Korea (2018).
２． N. Pavillon and N. I. Smith, “Compressed sensing

standard signal processing techniques to improve theimage quality delivered to the user. Images obtainedlaser-scanning microscopy”, in Focus on

fromMicroscopy, ser. Detection modalities, Camera,laser-scanningsystemsareforexampleFocal Modulation, p. SU-AF-PAR-B (2018).

classically the result of an averaging procedure,
where multiple lines are recorded with high-speed37【助成 35 -19】
グラフェン触媒を搭載した化学工具による次世代半導体表面の創成に関する研究

研究者 大阪大学 大学院 工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 准教授

有馬 健太〔研究の概要〕シリコン（Si）を基板とした電子デバイスの性能向上が限界に達しつつある今日、従来とは異なる材料を導入する試みが世界レベルで進んでいる。ゲルマニウム（Ge）は、Si に代わる次世代半導体デバイスの基板である。半導体デバイスの性能は、半導体表面のナノレベル領域での微細な粗さによって決まる。しかし今日、Si ウエハ表面を凌ぐ平坦性が実現できる Ge 表面の研磨法は皆無である。応募者は、炭素（C）原子から成るカーボン系ﾅﾉ材料（グラフェン）が Ge 表面と接触すると、水中で Ge 表面が選択的にエッチングされる現象を見出した。そして、金属元素を含まない触媒工具（以下、“化学工具”と呼ぶ）を開発し、これを用いた新しい研磨法の具現化を目指している。本研究では、グラフェンシートの原子構造を計測評価すると共に、提案しているグラフェン・アシスト
エッチングの基礎特性を調査した。

〔研究経過および成果〕

ートの構造を原子レベルで観察することを試みた。得

１．還元グラフェンシートの合成られた結果を図 1 に示す。図から分かるように、還元

本研究では、化学工具のパーツとなるグラフェン

グラフェンシートには、複数種の輝点配列が存在する

触媒として、市販の酸化グラフェンインクを化学還元ことが分かった。具体的には、六角形配列（(a)図）、して形成する、還元グラフェンシートを用いた。形成

菱形配列（(b)図）、長方形配列（(c)図）、ランダム配列

手順としては、酸化グラフェン溶液を有機溶媒である（(d)図）である。

DMF（N,N-dimethylformamide）と混合し、強還元剤でこれらの輝点配列が表す原子構造については、あるヒドラジン（N2H4 ）を加えた。その後、この混合溶

(a)

(b)

(c)

(d)

液を 80℃で 12 時間加熱することにより、溶液中で分散性の高い、還元グラフェンフレーク（HydrazineReduced GrapheneOxide）を得た。

２．還元グラフェンシートの原子レベル構造観察
１．で作製した還元グラフェンシートを高配向性
グラファイトの基板上にスピンコートにより散布・形成した。これを超高真空チャンバーに導入し、走査型ト1.0 nmン ネ ル 顕 微 鏡 （ Scanning Tunneling Microscopy,

図 1. ヒドラジンにより化学還元したグラフェンシートのSTM）観察することにより、堆積した還元グラフェンシ

高分解能 STM 観察結果。

38

現在、解析を進めている最中である。

graphene oxide”, Carbon, vol. 127, pp. 681-687(2018).

３．還元グラフェンシートによる半導体表面の加工特２． S. Li, K. Nakade, T. Hirano, K. Kawai and Kenta

性の評価

Arima, “Investigation of reaction sequence

次に、Ge 表面上に還元グラフェンシートを堆積し、occurring in graphene-assisted chemical etching

酸素ガスが溶存した水中に浸漬した。そして、水中へ

of Ge surfaces in water”, Materials Science inの浸漬前後での Ge 表面の構造変化を原子間力顕Semiconductor Processing, vol. 87, pp. 32-36

微鏡（Atomic Force Microscopy: AFM）によりその場(2018).

観察した。その結果を図 2 に示す。これにより、還元

３． 平野智暉, 中田裕己, 山下裕登, 李韶賢, 川合

グラフェンシートの直下全域で、選択的に Ge 表面の健太郎, 山村和也, 有馬健太、“Ge 表面におけエッチングが進行していることが明らかとなった。

るグラフェン・アシストエッチングの基礎研究 ～エッチング速度の温度依存性と活性化エネルギ

(b)

(a)

ーの評価～”、2018 年 第 79 回応用物理学会秋季学術講演会、21p-135-10.
13 nm

13 nm
500 nm0 nm

500 nm【発表者（平野）が講演奨励賞を受賞】
４． S. Li, T. Hirano, K. Kawai, K. Yamamura and K.

0 nm

Arima, “Atomic-scale Observations of Reduced

図 2. 還元グラフェンシートによる水中での Ge 表面

Graphene Oxide Nanosheets Dispersed on HOPGの選択エッチングのその場観察結果。(a) 水

Substrates”, Abstract Book & Schedule of

中への浸漬直後、(b) 水中に浸漬後

PCSI-46 (46th Conference on the Physics &Chemistry of Surfaces & Interfaces), p. 69 (2019).

図 2 で得られた結果を基に、選択エッチングの【発表者（S. Li）が Young Scientist Award を受賞】

反応素過程を考察した。そして、(1)水中の溶存酸素

５． T. Hirano, Y. Nakata, H. Yamashita, S. Li, K.

ガスが酸化剤となり、グラフェンシート直下の Ge 表面

Kawai,

を選択的に酸化すること、(2)この際、シート内に存在“Fundamental Properties for Enhanced Etching ofする微小な空孔や外周部エッジが、酸素分子の吸着

Ge Surfaces in Water Assisted by Single Sheets of

サイトとなり、反応が進行すること 等を見出した。

Reduced Graphene Oxide”, Abstract Book &K.

Yamamura

andK.

Arima,

Schedule of PCSI-46 (46th Conference on the〔発表論文〕

Physics & Chemistry of Surfaces & Interfaces), p.

１． T. Hirano, K. Nakade, S. Li, K. Kawai and K.

88 (2019).

Arima, “Chemical etching of a semiconductor【発表者（T. Hirano）が Young Scientist Award を

surface assisted by single sheets of reduced

受賞】

39

【助成 35 -20】
メンブレン型応力センサーを用いた超微量溶液試料
テラヘルツ電子スピン共鳴分光法の開発

研究者 神戸大学大学院理学研究科 准教授

大道 英二〔研究の概要〕テラヘルツ電子スピン共鳴（ESR）法は物質の電子状態や局所構造を高いエネルギー分解能で調べることができる優れた分光法の一つである。一般にテラヘルツ ESR では高感度の測定を行うことが難しい。そのため、スピン濃度の低い溶液試料を微量体積で測定することが可能な測定方法はこれまでに存在しなかった。
本研究では、メンブレン型センサーに着目し、超微量溶液試料のテラヘルツ ESR 測定を可能にする新しい測定法の開発を行う。この方法では従来の方法とは異なり、メンブレン上においた試料の ESR 吸収に伴う試料の磁化変化をメンブレンに働く力の変化として検出する。この方法を用いて超微量ヘムタンパク質溶液のテラヘルツ
ESR 測定を可能にする。

〔研究経過および成果〕
本研究では、微量溶液試料の高感度 ESR 測定を可能にするためメンブレン型センサーに着目した。従来のカンチレバーを用いた測定ではカンチレバー先
端に微量の溶液試料を載せることが容易ではなく、これまで力検出 ESR による溶液試料への報告例はな

図 1:（左）メンブレン型応力センサーの写真。

かった。一方、平面状の形をしたメンブレンではメン（右）粉末 DPPH 試料に対して検出された、80

ブレン中央に溶液試料を載せることが可能であるたGHz における ESR 信号

め、溶液試料への適用が可能になると考えた。
まい、溶液状態を保持できないことが分かった。

そこで、まず、すでに磁気トルク測定での実績があるメンブレン型応力センサー（図１）によるテラヘルツ

そこで、本研究ではこれに代わる方法として SiNx

ESR 測定を行った。この方法では磁場勾配中におか製ナノメンブレンに着目し、勾配磁石と試料の配置をれたメンブレン上の試料の磁化変化をメンブレンの根逆転した magnet-on-membrane 配置を採用した。すな

本に設置された応力センサーの抵抗変化に変換す

わち、ナノメンブレン上に微小な勾配磁石を設置し、る。この方法を固体試料に対して適用した結果、図 1

その上方に溶液を入れた溶液セルを配置した（図 2）。

に示すように明瞭な ESR 信号の検出に成功した。しこのようにすることで微量な溶液試料の蒸発を防ぐこ

かし、この方法を溶液試料に適用すると、メンブレンとに成功した。ナノメンブレンが力を受けて変形した

上で微量の溶液は極めて短時間のうちに蒸発してし変位はメンブレン下方に設置した、ファイバー光学式

40図 2: (a)SiNx 製ナノメンブレンとその上に置かれた勾配磁石。(b)テフロン製のキャップを

図 3: SiNx メンブレンを用いて測定されたヘミ備えた溶液セル。(c) 測定系の全体図。メンブン溶液とミオグロビン溶液の高周波領域におレン上方に溶液セルが設置される。メンブレ

ける ESR 信号。

ン下方には変位計測用の光ファイバーが設置〔発表論文〕

されている。

1. “Force- and torque-detection of high-frequency
Fabry-Perot 干渉計により検出する。この技術は我々

electron spin resonance using a membrane-typeのグループで長年改良を重ねてきたものであり、室温

surface-stress sensor”, Hideyuki Takahashi, Kento

でのリアルタイム変位検出感度としては 1 pm 以下のIshimura, Tsubasa Okamoto, Eiji Ohmichi, and感度を実現している。

Hitoshi Ohta, Review of Scientific Instruments 89(2018) 036108/1-3.

その結果、図 3 に示すようにヘムタンパク質のモデ
ル錯体であるヘミンならびに典型的なヘムタンパク質

2. “Force-detected high-frequency electron spinであるミオグロビンの溶液試料において高周波領域

resonance spectroscopy using magnet-mountedにおける ESR 信号の取得に成功した。測定に用いた

nanomembrane: robust detection of thermal

溶液試料の濃度と体積はそれぞれ、50 mM、5 L とmagnetization modulation”, Hideyuki Takahashi,

8.8 mM、10 L であった。いずれの試料においてもTsubasa Okamoto, Kento Ishimura, Shigeo Hara,

Fe3+に特徴的なブロードで非対称の ESR スペクトル

Eiji Ohmichi, Hitoshi Ohta, Review of Scientificが観測された。また、この信号波形はシミュレーション

Instruments 89 (2018) 083905/1-8の結果ともよい一致を示した。さらに、この方法では

3. “Force-detection

多周波数での測定が可能であり、テラヘルツ領域で

paramagneticの ESR 分光を行える点が他の測定手法にはない大microliter solution sample”, Tsubasa Okamoto,きな特徴である。このように、本研究ではメンブレンセ

Hideyuki

ンサーを用いることで金属タンパク質などの微量溶液

Ishikawa, Yasuhisa Mizutani, and Hitoshi Ohta,

試料テラヘルツ ESR 測定法の開発に成功した。

Applied Physics Letters 113 (2018) 223702/1-4.

41ofhigh-frequency

resonance

Takahashi,

Eiji

electron

spectroscopy

Ohmichi,ofHaruto【助成 35 -21】
強誘電的性質を有する分子素子の開発と応用

広島大学大学院理学研究科 准教授 西原禎文

〔研究の概要〕１９９３年に D. Gatteschi らによって単一分子であたかも強磁性体のような履歴現象を示す「単分子磁石」が発見された。この単分子磁石は一軸性の磁気異方性をもった多核金属クラスター錯体から構成されており，逆方向のスピン状態間にエネルギー障壁が存在する。これにより、エネルギー障壁よりも十分に低い温度（ブロッキング温度）以下では磁化の反転に磁場が必要となる為，磁気ヒステリシスが出現する。この単分子磁石が発表されて以降，新たな単分子磁石の探査や物性，応用に向けて，理論・実験の両面から研究が進められた。しかし，これを誘電体に適応させた単一分子で強誘電体的な性質を示す「単分子強誘電体」に関しては未だ報告されておらず，設計指針も示されていない状況にある。そこで，本研究では単分子磁石のエネルギー構造をベースに，究極の強誘電体である「単分子強誘電体」の開発を目指した。

〔研究経過および成果〕
本研究で用いた Preyssler 型ポリオキソメタレートは，
1970 年に Preyssler によって発見されたドーナツ状のポリオキソメタレートであり， [Mn+⊂P5W30O110](15–n) –の構造式で表される。この分子は内部に筒状の空洞をもち，その中に１つの金属イオン（Mn+）を格納できる。
内包された金属イオン（Mn+）は，空洞の中心からずれた２箇所の安定サイトのどちらか一方に存在しており，
POM 分子は金属イオン（Mn+）の停止サイトに依存した分極を有している。この金属イオン（Mn+）が他方のサイトに移動することで分子分極の反転が期待できる。
さらにこのイオン移動にエネルギー障壁（UE）が存在

図 1．(a) Preyssler 型ポリオキソメタレート

するとき，障壁よりも十分低い温度領域ではイオンが（POM）分子の構造。分子内部に１つの Mn+

凍結するため，分子分極を固定することができる。一イオンを含んでおり，その安定サイトが 2 カ所

方，分子分極が固定される温度で電場を印加すると，ある様子。(b) Mn+イオンが停止するサイトによイオン移動を強制的に誘起することが可能となるため，って分子分極が反転する様子。分極反転エネル

単一分子での分極反転を実現できると考えた。そこ

ギーよりも十分に低い温度領域では，分子分極

で ， 我 々 は テ ル ビ ウ ム イ オ ン （ Tb3+ ） を 内 包 し たが凍結する。

42

Preyssler 型 ポ リ オ キ ソ メ タ レ ー ト ， K12[Tb3+ ⊂P5W30O110]・nH2O を合成し，以下の実験を行った。

〔発表論文〕[Tb3+⊂P5W30]の単結晶は，これまでに報告されて

１． “Magnetic Switching by Desorption/Adsorption

いる合成法に従って作製した。得られた結晶を用いof Organic Solvent Molecule from/on [Ni(dmit)2]−て単結晶 X 線構造解析を行ったところ，[Tb3+ ⊂Salt”, K. Ichihashi, T. Nishimura, D. Konno, K.

P5W30]は 100 K 以上で空間群 Pnma に属していること

Inoue, T. Nakaya, T. Akutagawa, T. Nakamura, S.

が明らかになった。

Nishihara, Chem. Lett., 48 (4), 329-332 (2019).

[Tb3+ ⊂P5W30]のペレット試料を用い，誘電率の温２． “Selective Ion Exchange in Supramolecular

度・周波数依存性を測定した。誘電率測定の結果，

Channels in the Crystalline State”, K. Ichihashi,

100－400 K の範囲で強誘電転移は観測されなかっ

D. Konno, K. Y. Maryunina, K. Inoue, K. Toyoda,

た。一方で [Tb3+⊂P5W30]の誘電損失（ten δ）の温S. Kawaguchi, Y. Kubota, Y. Tatewaki, T.

度・周波数依存曲線では，高温領域と低温領域にそAkutagawa, T. Nakamura, S. Nishihara, Angew.

れぞれピークが出現した。さらに，高温・低温領域でChem. Int. Ed., 58 (13), 4169-4172 (2019).

観測されたいずれのピークにおいても，周波数の低Front Cover

下に伴ってピーク温度が低温側にシフトする，典型的

３． “Optimizing Lithium Ion Conduction throughな熱活性型の挙動を示した。そこで，各周波数とピー

Crown Ether-Based Cylindrical Channels in

ク温度からアレニウスプロットを作成した。その結果，[Ni(dmit)2]− Salts”, K. Ichihashi, D. Konno, T.

高温領域の周波数分散から見積もられたエネルギー

Date, T. Nishimura, K. Y. Maryunina, K. Inoue, T.

障壁は 0.96 eV，ブロッキング温度（テルビウムイオン

Nakaya, K. Toyoda, Y. Tatewaki, T. Akutagawa,が停止する温度，ここでは周波数 f = 0.1 Hz とした）

T. Nakamura, S. Nishihara, Chem. Mater., 30(20),は 286 K と見積もられた。一方，低温領域の周波数

7130-7137 (2018).

分散から見積もられたエネルギー障壁とブロッキング

４． “Giant

温度はそれぞれ 0.48 eV，163 K であった。
次に，0.100 Hz の電場挿印速度を用いて P－E 測

Hysteretic

Single-Molecule

Polarization

SwitchingAbove

Temperature”,

C.

R.

Kato,

Electric
Room

Machida,R.

定を行ったところ，290 K において明確な分極ヒステリ

Maruyama, R. Tsunashima, X. –M. Ren, M.

シスが観測された。温度を 290 K に固定して印加電Kurmoo, K. Inoue, S. Nishihara, Angew. Chem.

場の依存性を測定したところ，±4.0 kV･cm–1 の印加

Int. Ed., 57(41), 13429-13432 (2018).

電場で分極が概ね飽和し，そのときの自発分極は約

Inside Back Cover

6 μC･cm–2 であった。

Hot Paper

以上の結果より，[Tb3+⊂P5W30]は単分子で強誘電的な振る舞いを示す単分子誘電体（Single-MoleculeElectret，SME）であると結論付けた。

43

【助成 35 -22】
感光性複合材料を用いた集積型分子輸送システムの開発

研究者 山口大学大学院創成科学研究科 助教

中原 佐〔研究の概要〕本研究では、感光性材料に銅粒子を混合させた複合材料を調製し、その加工特性と機能性の評価を行うとともに、生体試料を用いたマイクロデバイスの開発を行った。銅粒子の重量比が 70 wt%となる複合材料の加工特性を評価した結果、パターニング可能な最小線幅は約 25 μm であった。また、複合材料の機能性である光熱効
果による温度変化を評価した結果、最大約 17°C の温度上昇が得られることを明らかにした。生体試料である微小管およびキネシンを用いて、製作したデバイス上で微小管運動の観察と同時に移動速度の制御を試みた。その結果、デバイス上における微小管運動を観察するとともに、照射する光の強さによって微小管の移動速度が変化する様子を観察した。今後は、微小管の運動方向制御機構および分子結合系を導入し、分子輸送システ
ムとしての有用性の実証する計画である。

〔研究経過および成果〕

定寸法の Line & Space パターンを有するフォトマスク

本研究では、感光性材料の SU-8（MicroChem 製）

を用いて複合材料のパターンを製作し、製作したパと機能性材料の銅粒子（高純度化学研究所製）を混

ターンとマスクパターンの寸法値を測定･比較すること

合し、微細加工および光熱効果による温度制御が可で評価した。また、光熱効果による温度変化を評価

能な新規複合材料を調製した。SU-8 は微細構造をするために、微小な温度センサをガラス基板上に製製作するために広く用いられる材料であり、所望のパ作し、温度センサの測定部周辺に複合材料をパター

ターンを有するフォトマスクを通して紫外光を照射すニングした後、光照射に対する温度変化を測定した。

ることによって数 µm の微細構造を転写･形成できる。

観察に用いる生体試料には、細胞骨格の微小管とまた、銅粒子は緑色光に対して大きな吸光特性を有モータタンパク質のキネシンを使用した。微小管は直しており、細胞やタンパク質の観察に広く用いられる

径約 25 nm、長さ数 µm の環状構造を有する細胞骨

励起光を照射することによって、光熱効果を生じさせ格であり、キネシンは大きさ約 80 nm のタンパク質でることが可能であると考えられる。

ある。ナノスケールの物体を操作するためのツールとマイクロデバイスの製作へ応用するためには、感光して研究が進められており、生体外で運動系を再構性複合材料の加工特性および光熱効果の機能性を築し、応用する研究が行われている。本研究では微それぞれ評価し、目的に応じた粒子の混合割合を導細加工によって製作したマイクロ流路構造によって微出する必要がある。本研究では、複合材料の加工特

小管の不規則な運動方向を物理的に制御すると同性を評価するために、露光膜厚の変化とパターニン

時に、光熱効果による温度制御によって微小管の運グ精度を評価した。パターニング精度については、所

動速度を制御する技術の確立を目指した。

44

複合材料の加工特性である露光膜厚の評価結果
を図 1 に示し、パターニング精度の評価結果を図 2に示す。露光膜厚は複合材料に混合させる銅粒子の割合の増加に伴い、減少する傾向がみられた。この要因は、複合材料に混合させた銅粒子が露光時の紫外光の進行を阻害したことが考えられる。銅の重図 1 露光膜厚の測定結果

量比が 70 wt%の複合材料では、紫外光によって露

図 2 パターニング精度

光される膜厚は約 15 µm であった。複合材料のパターニング精度を評価した結果、露光部(space 部)の線
幅が未露光部（Line 部）よりも大きくなり、20 µm 以下のパターンでは Line 部に銅粒子の残留物が確認された。そのため、銅粒子の重量比が 70 wt%の複合材料でパターニング可能な最小線幅は約 25 μm であ

図 3 デバイス観察写真

図 4 温度特性の評価結果

ることがわかった。上記の結果から、複合材料を用いたマイクロデバイスの製作へ向けて基礎的な知見が得られたと考えられる。
複合材料の光熱効果を評価するために製作したデバイスの観察写真を図 3 に示す。製作したデバイス
は、幅 20 µm の配線パターンで形成される温度センサを有しており、測定部の周辺には複合材料のパタ

図 5 微小管運動の観察結果

ーンが形成されている。緑色光の照射に対する温度変化を計測した結果、図 4 に示すように、対物レンズ〔発表論文〕の倍率が 20 倍のときに最大約 17°C の温度上昇が得

１． 田﨑淳一, 中原佐, 南和幸, 感光性複合材料をられた。

用いたマイクロヒータの開発, 日本機械学会中国

生体試料である微小管およびキネシンと、複合材

四国支部第 56 期総会・講演会, 306, 2018.

料をパターニングした基板を用いて、微小管運動の２． 田﨑淳一, 中原佐, 南和幸, SU-8/Cu 複合材料

観察と同時に運動系の制御を試みた。その結果、デを用いたマイクロヒータの開発, 日本機械学会

バイス上における微小管運動を観察するとともに、照2018 年度年次大会, 査読無, J2240002, 2018.

射する光の強さによって微小管の移動速度が変化す３． 田﨑淳一, 中原佐, 南和幸, SU-8/Cu 複合材料る様子を観察した（図 5）。今後は、微小管の運動方の光熱効果を利用した温度制御デバイスの開発,

向制御機構および分子結合系を導入し、分子輸送シ

日本機械学会中国四国支部第 57 期総会・講演

ステムとしての有用性の実証する計画である。

会, 2019.（発表予定）

45【助成 35 -23】
配位環境を高度に制御した新規バナジン酸化合物の探索と蛍光材料への展開

研究者 高知大学教育研究部総合科学系複合領域科学部門 助教

長谷川 拓哉

〔研究の概要〕本研究は，バナジン酸ユニットの配位環境を高度に制御された新しいバナジン酸塩蛍光体 LiCa3MV3O12(M=Zn,Mg)の開発に成功した。粉末 X 線回折結果から，LiCa3MV3O12 (M=Zn,Mg)は，ガーネット構造を有し，その [VO4]3-の平均結合距離は 0.1693(1) nm (M=Zn)と 0.1688(1) nm (M=Mg)であった。これは，従来のバナジン酸
ガーネット蛍光体には見られない極めて短い結合距離である。これらの蛍光体は，紫外光励起下においていず
れも 481 nm を最大ピークとする青緑色蛍光を示した。バナジン酸ガーネット蛍光体において，青緑色領域での発光は初めてであり，これは，極めて短い[VO4]3-ユニットに由来する。

〔研究経過および成果〕

ことが確認された。つまり，両者の結果から，化学両

LiCa3MV3O12 (M=Zn,Mg)蛍光体は，固相反応法に

論比通りに目的物が得られたことが示唆された。また，より合成した。得られた蛍光体材料は粉末 X 線回折構造を形成する[VO4]3- ユニットの平均結合距離は，による Rietveld 解析により，ガーネット構造を有するこ

0.1693(1) nm (M=Zn)と 0.1688(1) nm (M=Mg)であった。

とが分かった（図 1）。一方，EDS および ICP-OES の

この[VO4]3-ユニットは，これまで知られたバナジン酸

結果から，Li:Ca:M:V 原子比はおよそ 1:3:1:3 である

ガーネット蛍光体と比較して最も短い。

Figure 1 Observed (black cross) and calculated (redline) X-ray powder diffraction data of the
LiCa3MV3O12 (M = Zn and Mg) phosphors preparedin this study and the difference profile (bottom blueline) between them. Bragg reflection peak positions
are shown as vertical bars.

Figure 2 PLE (black solid line; (a) and (c)) andPL spectra (red solid line; (b) and (d)) of the
LiCa3MV3O12 ((a) and (b) M = Zn and (c) and (d)Mg) phosphors synthesized by conventional SSR
method.

46

図 2 に LiCa3MV3O12 (M=Zn,Mg)蛍光体の励起および 発 光 ス ペ ク ト ル を 示 す 。 得 ら れ た LiCa3MV3O12(M=Zn,Mg)蛍光体の励起および発光スペクトルを示す。得られた蛍光体は， 341 nm の紫外線領域に強い励起吸収を示し，紫外光励起によりいずれの蛍光体においても 481 nm を最大ピークとするブロードな
青白色発光を示した。得られた発光スペクトルは，ガウス関数により 2 つに波形分離することができ，そのエネルギー差は約 2,100 cm-1 であった。そのことから，既報のガーネット型バナジン酸塩蛍光体の蛍光挙動とよく一致する。これらの蛍光メカニズムを解明するた(M=Zn,Mg)蛍光体の蛍光寿命曲線を示す。いずれのFigure 3 CIE coordinates under 365 nm UV lightfor the LiCa3MV3O12 (M = Zn and Mg)
phosphors.

蛍光体も，次式を用いて平均寿命τ*を算出した。

(M=Mg)であり，従来のバナジン酸ガーネット蛍光体とめに，蛍光寿命測定を行った。図 3 に LiCa3MV3O12

比較しても極めて高い。
ガーネット構造は，様々な元素で置換ができるほど化学組成の制御が容易であることから，その固溶体形成による[VO4]3- ユニットの配位環境制御が可能となり，結果として，発光の精密な色調制御が可能である。そのため，得られた LiCa3MV3O12 (M=Zn,Mg)蛍光ここで，I(t)および I0 はそれぞれ時間 t における蛍光体の色度座標を測定した。得られた蛍光体の敷戸座

強度と初期蛍光強度，τ1 およびτ2 は蛍光寿命，A1

標を図 4 に示す。LiCa3MV3O12 (M=Zn,Mg)蛍光体のおよび A2 は定数である。これらから，LiCa3MV3O12

色度座標はそれぞれ， M=Zn では(0.2346,0.3234)，(M=Zn,Mg)蛍光体の平均寿命はそれぞれ，6.28μ

M=Mg では(0.2293,0.3135)であった。上述のとおり，sec (M=Zn)と 12.4 μsec (M=Mg)であった。この結果

従来のバナジン酸ガーネットにおいて青緑色領域の

3-

5+

2-

は，従来報告されている[VO4] ユニットの V -O 間蛍光得られていなかったことから，光の三原色がそろの電荷移動遷移に由来する蛍光寿命と同等の値でったことで，バナジン酸ガーネット蛍光体の単一母体ある。これらの結果から，LiCa3MV3O12 (M=Zn,Mg)蛍結晶による純白色発光の実現が期待できる。

光 体 に お け る 青 緑 色 発 光 は ， [VO4]3- ユ ニ ッ ト の○〔発表論文〕

V5+-O2-間の電荷移動遷移に由来することが明らかに

1.

T. Hasegawa, Y. Abe, A. Koizumi, T. Ueda, K.

なった。さらに，LiCa3MV3O12 (M=Zn,Mg)蛍光体の内Toda and M. Sato, Inorg. Chem., 57, 857-866

部量子効率はそれぞれ，40.1% (M=Zn)および 44.0%(2018).

47

【助成 35 -24】
ＣＭＧ搭載型宇宙ロボットにおけるアーム動作とＣＭＧ駆動の協調制御に関する研究
首都大学東京システムデザイン学部 教授

小島 広久〔研究の概要〕衛星本体にコントロールモーメントジャイロ（CMG）を搭載し，アーム動作の反動を CMG で吸収しつつ希望の
アーム先端運動を実現する制御則を提案する．制御則を導出する際には一般化ヤコビアンの考え方を拡張し，逆運動学を解くことで宇宙ロボット衛星の運動を制御する．アームと CMG がそれぞれ特異点に入るとアームの運動や姿勢制御に支障が出る．したがってアームと CMG それぞれの特異点を回避するための制御を考える必要がある．本研究では，CMG により宇宙ロボット衛星本体の姿勢変動を抑制，特異点を回避しながら希望のアーム先端運動を実現するアーム・CMG 協調制御則の妥当性を数値シミュレーションにより検証した．

〔研究経過および成果〕

運動量・角運動量保存則の式を求めることができ

宇宙ロボット衛星は浮遊しているためアームの反動

る．この式を基礎とし，さらに時間微分することで衛星本体の位置・姿勢が変動する．衛星本体の姿により，アームの関節角加速度，CMG ジンバル

勢を制御しない場合，姿勢が変化し搭載アンテナの角速度とアーム先端の加速度・姿勢角加速度，宇向きがずれ通信に支障をきたすなど問題が発生しう

宙ロボット本体姿勢の角加速度の関係式が得られるため，衛星本体の姿勢制御を行う必要がある．また，る．その関係式に宇宙ロボット本体の姿勢が変動し宇宙デブリ捕獲時の角運動量を十分に吸収するにない拘束を導入し，宇宙ロボット本体の加速度，は，大きな角運動量を吸収できるコントロールモーメ

CMG ジンバル角速度について解く．その式をアーム

ントジャイロ(CMG)を利用することが解決方法と考え先端の加速度・姿勢角加速度を求める式に代入するられる．ただし，アームおよび CMG には特異点が存ことで，アーム先端の加速度・姿勢角加速度とアーム在する．そこで本研究では宇宙ロボット衛星本体にの関節角加速度の関係式を求めることができる．得ら

CMG を搭載し，アーム動作による角運動量を CMG

れた関係式をアーム関節角加速度について解き，そで吸収しつつ希望のアーム先端運動を実現かつ特の式を CMG ジンバル角速度の式に代入することで異点回避制御を考え，その妥当性を検証する．

最終的に，宇宙ロボット本体の姿勢を変動させずに，アーム先端に目標動作をさせることができるアーム・

本体姿勢無変動特異点回避アーム・CMG 協調制御

CMG 協調制御を導出した．なお，CMG 特異点の宇宙ロボット衛星の位置・姿勢表現にはデュア

回避には SR 法を用いた．数値計算結果を図１及び

ル・クオタニオンを適用し，宇宙ロボット衛星を図２に示す．詳しい諸元は紙面の都合上，割愛する．

多節剛体リンク系として考えた．宇宙ロボットに詳細は発表論文１，２を参照されたい．

おける運動量・角運動量，さらに CMG の発生角

図１は，CMG ジンバル角の時間履歴であり，図２

運動量を合計し，CMG 搭載宇宙ロボット衛星のはアーム，宇宙ロボット本体の運動の様子である．図48

２(a)は従来の分解加速度制御則による結果，図２

運動の様子から，分解加速度制御は宇宙ロボット本(b)は本体姿勢無変動特異点回避アーム CMG 協調

体姿勢変動を抑制する制御を行っていないため本体

制御の結果である．

姿勢が変動していることが分かる．一方，提案した本体無変動制御則ではアーム動作による角運動量を
CMG により吸収しているため本体姿勢に変動は発生しておらず，アーム先端も適切に制御されていることが分かる．

空気浮上式２次元実験装置の設計・製作
図１ CMG ジンバル角の時間履歴

３次元 CAD システムである Solid Works を用いて，実験装置のアーム設計を行った．設計した装置を図３に示す．CMG を搭載した本体部分は以前に製作したものであり，本研究では，本体部分に 2 自由度平面アームを装着し，2 次元テーブル上で空気浮上させる構成で設計を行った．

(a) 分解加速度制御則の結果

図３ 設計した空気浮上式２次元実験装置〔発表論文〕
１． 谷口知世, 小島広久: CMG 搭載宇宙ロボット衛(b) 提案手法の結果

星の特異点回避アーム・CMG 協調制御, 日本

図２ 宇宙ロボットの運動の様子

航空宇宙学会 第 49 期年会講演会, 東京, 2018
年 4 月 19,20 日

図１より，特異点回避を行った場合，特異点に接近す

２． Taniguchi, C., Kojima, H., Trivailo, P. M:

るものの，その後，特異点付近を抜け出してジンバル

ARM/CMG COOPERATIVE CONTROL OF

角が希望の制御トルクを発生する方向に動いている

SPACE ROBOT SATELLITE, 69th IAC, Bremen,

ことが読み取れる．また，図２に示した宇宙ロボットのOct.1-5 (2018).

49

【助成 35 -25】
術中骨折の回避技術に関する研究～周波数解析による診断システムの開発～

研究者 北里大学医療衛生学部 准教授

酒井 利奈〔研究の概要〕 臨床応用を見据え，手術室内にてハンマリング音を収集し環境音を取り除き，リアルタイム解析が可能であるか確認することを目的とし，1）手術室内の環境音計測，2）集音装置の選定，3）集音位置の検討，4）システムのロジックの改良を行った．手術室内の環境音計測において，最大レベルを示したのは術者の声で 24.3 dB であった．術者の声の周波数は 117 Hz～1.21 kHz であり，ハンマリング音の周波数帯域 93.7
Hz～11.5 kHz に重なることが明らかになった．集音装置は小型であること，未検出データが少ないことを条件とし，プラグ式単一指向性マイクロフォン i266 が適当であると判断した．集音位置について検討した結果，
誤検出と未検出データの少ない位置は，患者の上肢であった．ロジックの改良により雑音の主な成分である術者の声を拾わない機能を設け，改良後の集音においては誤検出が少ないことを確認した．
１．序 論
人工股関節をインプラントする際，術中骨折が 28%の高率で生じる（Schwartz, 1989）．米国ニューヨー
ク・ハーバードスタディーにおいて，手術中に生じる
不具合の約半数は予防できたが，その策が講じられていなかったことが指摘されている（A Measure of
Malpractice, 1993）．人工股関節置換術中の骨折については，国内，海外いずれも回避策がとられていないのが現状である．骨折を回避した場合，骨折した症例と比べ入院期間は 1/6 に短縮され，患者の QOLの向上が期待できる．
本研究においては術中骨折（図 1）を防ぐ目的で,人工股関節最適ハンマリング支援システムの開発を行った．臨床応用を見据え，手術室内にてハンマリン
グ音を収集し環境音を取り除き，リアルタイム解析が可能であるか確認することを目的とし，1）手術室内の環境音計測，2）集音装置の選定，3）集音位置の検討，4）システムのロジックの改良を行った．

2．方 法
本研究は，北里大学病院医学部倫理委員会の承認を得て実施した（承認番号：B16-239）．
1）手術室内の環境音計測
手術室内の環境音を把握するためデジタル騒音
計 KZ-GM1351（HITACHI）を用い，環境音レベルを計測した．同時に環境音は最適ハンマリング支援シ
ステム 2 機により音源の保存とレベル判定，周波数計
測と短時間フーリエ解析，最大周波数のトレンドグラ
フの作成までの一連の流れをリアルタイムで解析しモニタリングした．大腿骨へのステムの打ち込み開始時から集音を開始し，術者がステム打ち込みを終了するまで記録した．
2）集音装置の選定システムはタブレット PC Miix 2 8（Lenovo）, 集音
装置はオーディオ I/F X2u（SHURE），方式と指向性の異なるマイクロフォン 3 機種から成る．マイクロフォ
ンはハンド式単一指向性マイクロフォン F-P 5500
（Sony），プラグ式単一指向性マイクロフォン i266
（ MicW ） ， プ ラ グ 式 超 指 向 性 小 型 マ イ ク ロ フ ォ ン
AT9913（オーディオテクニカ）の 3 機種について比較
した．
3）集音位置の検討
患者の左右，上肢と下肢，計 4 か所（図 2：いずれも
手術野から 2m）にて集音を行い，ハンマリング音の誤検出と未検出データの少ない位置を比較した．
4）システムのロジックの改良
手術室内の環境音計測の結果を踏まえ，ハンマリ
ング音と環境音の周波数を比較し，ハンマリング音のみ抽出し解析すべくロジックの改良を行った．

図 1 術中骨折

50

(a)上肢側から集音
麻酔器

赤点線矢印は音源の方向
生体監視装

術者 1

術者 3

患者の右 術者 2
から集音

術者 4
手術機械

患者の左か
ら集音

(b)

看護師
患者の下肢側から集音

図 1 集音位置(a)手術室内模式図(b)上肢側から集音した様子
3．結 果
手術室内の環境音計測において，最大レベルを示したのは術者の声で 24.3 dB であった．術者の声の周波数は 117 Hz～1.21 kHz であり，ハンマリング
音の周波数帯域 93.7 Hz～11.5 kHz に重なることが明らかになった．6 関節中 1 関節のハンマリング音と環境音の周波数分布と音の強さの関係を示した（図3）．設定した閾値の境界に未検出データが認められた．
集音装置は小型であること，未検出データが少ないことを条件とし，プラグ式単一指向性マイクロフォン
i266 が適当であると判断した．集音位置について検討した結果，誤検出と未検出データの少ない位置は，患者の上肢であった．ロジックの改良により雑音の主な成分である術者の声を拾わない機能を設け，改良後の集音においては誤検出が少ないことを確認した．

図 2 周波数分布と音の強さの関係．
(a) F-P 5500．(b) AT9913．

51

4．考 察
手術室内の環境音計測では生体監視措置のレベルが大きいと予測していたが，術者の声に続き吸引音が高いレベルを示した．声を出さないよう依頼することもできたが，術者がストレス無く使用できるシステ
ムを構築することを目指しロジックを変更することにした．
集音装置の選定は，ハンド式単一指向性マイクロフォン F-P 5500 が良好であることが明らかとなっていたが，手術室に持ち込むにはより小型であることが望ましい．音源に近寄れないため，超指向性が集音に適していると考えたが，単一指向性が優れていた．単一指向性は超指向性に比較して集音範囲を広くカバーできる性質を持つため，術者が壁となり音源からの回折した音を拾ったと考えた．
集音位置について上肢側が優れていたのは，滅菌シートの上部からマイクロフォンを音源に向けること
で，物理的な妨げがなく集音できたためである．その他の 3 ヵ所はそれぞれ術者と機械出しの看護師が介在した．
術者の声は正弦派のような丸みを帯び，ハンマリン
グ音は鋸波のような鋭い信号波形であったことから，波形を微分することで雑音とハンマリング音の差別化が可能となった．
5．結 論
人工股関節をインプラントする際，ハンマリング音
から手術室内の環境音を取り除き，リアルタイム解析が可能なシステムを構築した．最適な集音装置と位置が明らかになった．
〔発表論文〕
１． Gomi T, Sakai R, Goto M, Hara H, Watanabe Y:
Development of a novel algorithm for metal
artifact reduction in digital tomosynthesis using
projection-based
dual-energy
material
decomposition for arthroplasty: A phantom study.
European Journal of Medical Physics, 53, 4-16,
2018. (IF: 2.24)
２． Watanabe H, Tahara N, Sakai R, Takahira N,
Torii S, Matsunaga A: Vibration signal analysis
for detecting early-stage lumbar spondylolysis
using synthetic bone. Journal of Biomedical
Science and Engineering, 11(12), 338-347, 2018.
(IF: 0.57)

【助成 35 -26】
エッジ学習のためのネットワークスイッチによる高効率オンライン逐次学習研究者 慶應義塾大学理工学部 准教授

松谷 宏紀〔研究の概要〕センシング技術や IoT（Internet of Things）デバイスの普及によって、エッジデバイス上で機械学習による推論
タスクを実行する機会が増えている。通常、教師データを用いた学習タスクをオフラインで実行しておき、作成したモデルをエッジデバイスにインストールしたうえで、エッジ上で推論を行うというケースが多い。この場合、学習に用いた教師データと実際に求められる推論結果の乖離が問題になる。この問題の解決策として、我々はエッジデバイスで学習と推論を同時に行うというオンデバイス学習アルゴリズムを研究してきた。本研究では、ネットワ
ークスイッチ上でのオンデバイス学習を想定し、その高効率なハードウェア実装を研究した。具体的には、オン
デバイス学習回路のパイプライン構成をいくつか提案し、面積とスループットのトレードオフについて調査した。

〔研究経過および成果〕

師データを与えることは煩雑である。そこで、上述の1. オンデバイス学習アルゴリズム

オンライン逐次学習可能なニューラルネットワークに

ニューラルネットワークの学習タスクとして、誤差逆

次元圧縮アルゴリズムを適用し、教師無し異常検知

伝搬法と確率的勾配降下法によってニューラルネットを実現している。

ワークの重みパラメータを最適化することが多い。一

このようなオンデバイス学習によって、学習に用い方、我々が研究しているオンデバイス学習アルゴリズ

た教師データと実際に求められる推論結果の乖離は

ムでは、３層ニューラルネットワークを前提とし、重みある程度改善される。しかし、期待する正常パターン

パラメータを解析的な計算によって求めている。このが変動するような状況においては、過去に学習した

場合、繰り返し処理による重みパラメータのチューニパターンが推論精度の足かせになる場合がある。こングは発生せず、疑似逆行列計算などの行列計算の問題に対処するために逐次学習の度に、重みパラによって one-shot で重みパラメータを求めている。

メータから過去の学習パターンの影響度を下げる忘

計算資源の限られたエッジデバイスにおいて大量却機能を導入している。これによって正常パターンのデータを用いたバッチ学習は困難である。そこで、メ変動に追従できるようになる。

モ化を基にした逐次学習を採用している。つまり、デオンデバイス学習の計算コストを鑑み、我々の手法

ータ i を学習したときの途中結果を用いて、データ i+1

は３層ニューラルネットワークを前提としており、記憶の学習を逐次的に行うようにしている。

能力には限界がある。実際、正常パターンが複数あ

本研究では、上述のオンデバイス学習を異常検知

るようなケースでは推論精度が低下している。この問に応用することを考えている。小型かつ場合によって題を改善するために、正常パターン（定常点）ごとには数が多くなるエッジデバイスに対して、明示的に教そのパターンに特化したオンデバイス学習器のインス

52

タンスを動的に設けることで、３層ニューラルネットワ

以上のモデル化によって、設計パラメータやオプシークの弱点を補っている。

ョンが与えられるとその条件下の学習スループットお2. 高効率なハードウェア実装手法

よび面積コストが見積もれるようになった。

本研究では以上のアルゴリズムを専用回路として

3. モデル式の評価

ネットワークスイッチ上に実現することを前提に、その上述のモデル式の正しさを確認するために、オン

高効率なハードウェア実装を研究した。具体的には、デバイス学習アルゴリズムの各種基本設計および設

オンデバイス学習回路のパイプライン構成をいくつか

計オプションをハードウェア記述言語 Verilog HDL を提案し、面積とスループットのトレードオフについて調用いて実装し、論理合成を行い、動作周波数や面積査した。検討した基本構成は次の３つである。

コ ス ト の 点 で 評 価 し た 。 論 理 合 成 に は Synopsys

1.

すべての演算に専用の演算器（乗算器およびDesign Compiler、合成ライブラリには Nangate 45nm

加算器）を割り当てる。

Open Cell Library を用いた。評価によってモデル式

2.

基本構成 1 において乗算器のみ再利用する。

と実際の面積性能はほぼ一致することが確認された。

3.

基本構成 1 において乗算器と加算器を再利用

ただし、基本構成 3 のように積極的に演算器を再利する。

用する設計では、データを一時的に蓄えるためにレ演算器の再利用とは同一演算器を複数の演算でジスタが多数必要となり、モデル式と実際の乖離が広共用することを指す。この場合、演算器の利用待ちががった。モデル式およびその評価結果については文生じるので実行サイクル数が増える。よって、基本構

献[1]にて発表している。

成 1、2、3 の順に学習スループットが高くなるが、面積4. ネットワークスイッチへの適用

コストも大きくなる。本研究では、ニューラルネットワー

上述のオンデバイス学習器をネットワークスイッチ

クの入力層ノード数、隠れ層ノード数、出力層ノード

中に組み込むことを検討している。このために、数をパラメータとし、上記３種類の基本構成の学習サ

10Gbit Ethernet インタフェースを４個有する FPGA ボ

イクル数および演算器の面積コストをモデル化した。

ードである NetFPGA-SUME を対象とした実験を行っさらに、本研究では下記３つの設計オプションにつた 。 NetFPGA-SUME で は FPGA と し て Xilinx

いても学習サイクル数や面積でモデル化した。

Virtex-7 690T が使われており、このデバイスを対象とI.

投機的学習を許可するか否か。データ i の逐次した論理合成の結果、BRAM は 27%、DSP は 92%、FF

学習完了を待たずにデータ i+1 の学習を開始す

は 21%、LUT は 76%の利用率となった。この結果より、ることをここでは投機的学習と呼ぶ。

NetFPGA-SUME への適用可能性も検証できた。

演算器のビット幅。固定小数点の加算器、乗算〔発表論文〕器、除算器を採用し、そのビット幅を 32bit、28bit、

１． 井坪 知也, 塚田 峰登, 松谷 宏紀, “オンライII.

ン逐次学習による教師なし異常検知コアの面積24bit、20bit など選択可能にした。

性能評価”, 電子情報通信学会コンピュータシス

III. 除算アルゴリズム。ニュートン法による除算器とテム研究会, 2019 年 1 月.

ビットシフトによる除算器を選択可能にした。

53

【助成 35 -27】
環境親和性に優れた超軽量ミリスケール脚式移動ロボットの開発

研究者 早稲田大学創造理工学部 准教授 石井裕之

〔研究の概要〕半導体ならびに機械加工技術の進歩により，小型で高性能なセンサやアクチュエータが登場している．これにともない，環境保全や農林業，災害救助の分野での使用を想定した超軽量小型ロボットの開発が世界中で行われている．このようなロボットでは，環境破壊や 2 次災害の防止のために環境負荷の最小化が必要不可欠であり，そのために小型化，軽量化，ならびに静粛性が求められている．そこで本研究では，樹木等を登攀可能な超軽量小型脚式移動ロボットの開発を目的とし，6 本の脚によって歩行する小型ロボットの開発に取り組んだ．そしてばね用線材で作成された脚をそれぞれ形状記憶合金アクチュエータによって拮抗駆動するロボットを開発した．
開発したロボットの質量は 4.9[g]で，平坦な路面での歩行および斜度 20[deg]までの斜面の登攀が可能なことを確認した．

〔研究経過および成果〕

ットの開発を目的として開始された．具体的には，一

昨今，超軽量小型ロボットの開発が世界中で行わ辺の長さが 50[mm]程度の範囲にあるミリスケールのれている．例えば，ハーバード大学の研究者らは，ロボットで，質量 10[g]以下，登攀到達高さ 5[m]のロ

Robobee と名付けられた質量 0.1[g]の蜂形飛行ロボッ

ボットの実現を目指した．

トを開発し，世界を驚かせた．Robobee の用途として開発に際しては昆虫の脚の構造を参考に，超軽量は，蜂が行う果樹の受粉作業の代替や災害現場でのな脚の開発に取り組んだ．そして図 1 に示すように，ト捜索などが想定されている．今後，農林業や災害救ーションばね製造技術を応用することで，ばね用線助の分野でロボットを活用するには，環境破壊や 2 次

材で極めて軽量な脚を作成することに成功した．左災害防止の観点から，環境負荷の最小化が必要で右の前肢と中脚の計 4 本は同一の構造とし，後肢の 2あるため，超軽量小型ロボットは非常に有望な手段と脚は別の構造とした．前肢・中脚用の脚は 1 脚あたりして期待されている．

0.25[g]，後肢用の脚は 1 脚当たり 0.11[g]となった．前

超軽量小型ロボットの別の例としては，樹木や壁面

肢・中脚用の脚の先端は，研磨によって針状に加工を昇降可能な脚式ロボットの研究事例が国内外で報し，樹木登攀の際の保持力の向上をはかった．また告されている．一般に脚式ロボットの利点は，路面のUV 硬化樹脂を用いて部分的に脚の剛性を向上させ，凹凸を乗り越えて移動できる点にあるが，ロボットの歩行と登攀に必要な脚の剛性を実現した．このような質量が小さくなると，節足動物がそうであるように，壁設計により，歩行と登攀だけでなく，後述のアクチュ

面上の移動が容易になっていく．そこで本研究では，

エータが力を発生しない状態での樹木の把持を可能

樹木や壁面を登攀可能な超軽量小型脚式移動ロボ

とした．

54

前肢および中脚と体幹部品の間には，形状記憶合金（SMA）アクチュエータが取り付けられており，これによって各脚の動作が生成される．この SMA アクチ
ュエータは通電によって収縮し，通電を停止すると収縮した分だけ弛緩するが，その際に伸展力は発生しない．そこで各脚には，脚を体幹に対して Roll 軸まわりに回転させるための SMA アクチュエータ 2 本と，Yaw 軸まわりに回転させる SMA アクチュエータ 2 本を，それぞれ拮抗駆動するよう取り付けた．SMA アク
チュエータを収縮させるための電力は，電線によって外部から供給することとした．
SMA アクチュエータに接続された電線には，FETを用いたスイッチング回路を介して電源から電力を供給する．スイッチング回路の動作は，マイクロコントロ
ーラによって制御され，あらかじめ作成された時系列
パターンにもとづいて通電を制御することで，歩行を実現する．
上記のように開発されたロボットの質量は 4.9[g]となった．また平坦な路面において 0.3[mm/s]の速度で歩行可能なことが確認された．登攀能力については，

図 1 ばね材料で作成した脚（上：前肢と中脚，下：後肢）（図中寸法の単位は mm）

斜度 20[deg]までの斜面および樹木を登攀可能なことが確認された．歩行時の静粛性および非通電時に樹木を把持可能であることも確認された．一方，垂直登攀については，まだ実現できておらず，今後，脚の構造および制御の最適化を進め，その実現を目指す．
あわせて実証実験についても進める．

〔発表論文〕
１． 石橋啓太郎，高西淳夫，石井裕之，樹木登攀が可能な小型脚ロボットの開発―第 1 報：SMA 駆
動式 6 足ロボットの開発―，第 36 回日本ロボット

図 2 開発した超軽量小型脚式ロボット（図中寸法の単位は mm）

学会学術講演会予稿集，2018 年

55【助成 35 -29】
極細径微小還流針を用いた慢性筋痛組織の代謝特性と発症メカニズム解明に関する研究

代表研究者

東北大学大学院工学研究科 助教

鶴岡 典子

共同研究者

東北大学大学院医工学研究科 教授

芳賀 洋一

東北大学大学院医学系研究科 准教授

萩原 嘉廣

東北大学大学院医工学研究科 准教授

神崎 展

東北福祉大学保健学部 准教授

土谷 昌広〔研究の概要〕慢性筋痛は罹患者も多く、社会的にも大きな問題となっている。免疫細胞や炎症性サイトカインが、末梢の侵害受容器の閾値の低下に関与することが示されている一方で、局所における代謝産物の蓄積、それに伴う酸性環境の構築が疼痛増強因子として重要であることが推察されている。本研究ではマウス筋痛モデルを用い、尿酸の組織内蓄積と炎症性サイトカイン（IL-1βや-18）の発現について検討し、筋機械痛覚過敏の出現と同時に、尿酸の組織内蓄積が起こることを確認した。低侵襲的に筋内の物質を回収できる微小還流針を用い、尿酸の蓄積を確認した。くわえて、高尿酸血症治療薬に投与による尿酸代謝の改善が、筋痛症状を軽減することを示した。
以上の結果から、筋の過収縮後に発症する筋機械痛覚過敏には、筋組織内での尿酸蓄積が関与するものと考えられ、微小還流針を応用した診断技術の確立が慢性筋痛治療において有望となる可能性が示された。

〔研究経過および成果〕の長さを持つ針の作製と生体適合性のあるポリイミド

近年、免疫細胞や炎症性サイトカインを介した末を用いた針の作製方法を確立した。
先端部断⾯

梢侵害受容器の閾値低下が重要であることが示され、

流路

体内刺⼊部

特に細胞障害に伴い産生される尿酸が炎症誘導に1 cm

おいて重要な鍵となっていることが示唆されている。

物質回収⽤⽳流路デザイン

本研究ではマウス筋痛モデルを用い、細胞障害に伴20500 µm

う主要な代謝産物の一つである尿酸に着目して、そ15000 µm

500 µm1000 µm
Perforated areaの局所蓄積と免疫細胞の浸潤、炎症性サイトカイン

図１．15 mm 長さの針の構造と作製結果の分泌の関連について検討した。

【マウスの下腿三頭筋における代謝特性評価】【微小還流針の構造と作製】

マウスの下腿三頭筋に対し、電気刺激による過収縮

微小還流針は、金属針表面にポリイミド製の流路をを連日負荷した。電気刺激開始後７日目において、独自に開発した非平面微細加工技術により作製して機械的圧刺激に対する逃避反射閾値の測定を行い、いる。本研究では、これまで開発してきたマウス用の 2

好中球やマクロファージの筋組織内動態と IL-1βとmm 長さの針に加え、筋への刺入を想定した 15 mm-18 の発現について解析した。逃避反射閾値の低下

56

と相関した、組織破砕―抽出による計測から筋組織において、組織内尿酸の蓄積がトリガーとなり、免疫

内尿酸濃度の上昇を認めた。従来型の 2 mm 長さの細胞の浸潤と炎症性サイトカイン産生を介した過程が微小還流針による計測についても、有意差は得られ関与することが予想される。これらをヒトの病態で確認なかったものの尿酸濃度の上昇が示された（図２）。

するために、本課題である微小還流針による低侵襲

尿酸の組織内蓄積に加え、IL-1βや-18 といった性、かつ局所の環境測定方法は非常に有望であり、炎症性サイトカインのタンパクレベルでの発現上昇、本技術を確立することで、ヒトの慢性筋痛における病それらの炎症性サイトカイン陽性免疫細胞（好中球や態の更なる解明が可能となる。

マクロファージ）の筋膜周囲へ浸潤についても明らか

最終的にはヒトの筋膜組織から微小還流装置を用とした。それらについては、様々な疼痛疾患モデルにいて組織液を採取し、メタボローム解析などにより代おいて疼痛増強作用を有することが報告されている

謝経路の詳細な変化を特定し、病態解明を行うことが、本研究においても同様に、アンタゴニスト投与にで、新たな筋痛治療法の開発を目指すものである。

より症状は改善された。
また、高尿酸血症治療薬の治療効果についても検討を行った。興味深いことに、高尿酸血症治療薬の投与は筋組織内の尿酸濃度を低下させるのみならず、
炎症性サイトカインの発現を減少し、圧痛閾値の低図４．研究結果のまとめ． 尿酸を含め、局所環境の測定は、より精度の高い診断に繋がり、新規治療法の開発の基盤となる。

下の改善をもたらすことが示された（図３）。

〔発表論文〕
１． Involvement of neutrophils and interleukin-18 innociception in a mouse model of muscle pain.
Yoshida S, Hagiwara Y, Tsuchiya M, Shinoda M,
Koide M, Hatakeyama H, Chaweewannakorn C,
Yano T, Sogi Y, Itaya N, Sekiguchi T, Yabe Y,
Sasaki K, Kanzaki M, Itoi E. Mol Pain. 2018
Jan-Dec;14:1744806918757286.
２． 計測・投与用流路を備えた局所負荷試験用極低侵襲針. 鶴岡 典子，松永 忠雄，芳賀 洋一,
第 35 回「センサ・マイクロマシンと応用システム」
シンポジウム論文集, 30pm4-PS-68, 2018
３． Involvement of inflammasome activation via
elevation of uric acid level in nociception in amouse model of muscle pain. Yoshida S, Hagiwara
Y, Tsuchiya M, Shinoda M, Koide M, Hatakeyama
H, Chaweewannakorn C, Yano T, Sogi Y, Itaya N,
Sekiguchi T, Yabe Y, Sasaki K, Kanzaki M, Itoi E.
Submitted.

(a)組織破砕―抽出(b)微小還流針図２．慢性筋痛モデルにおける組織内尿酸の上昇．

図３．高尿酸血症治療薬の投与による筋痛の改善．
【結論】
以上の結果から、慢性筋痛で認められる疼痛過敏57【助成 35 -30】
人工神経ネットワークを自在に配線するための光応答性表面修飾材料の開発

研究者 東京大学生産技術研究所 准教授 池内与志穂〔研究の概要〕脳内において、無数の神経細胞は互いに接続し合い、信号をやり取りすることで高度な演算や情報処理を行う。
神経細胞は脳が形成される過程で自発的に回路を形成する上に、経験などに応じて柔軟に変化することで学
習や記憶を行うことができる。このような神経細胞の特性を理解し、脳が働く仕組みを明らかにするためには、生体外において自在に神経ネットワークを構築することが必要であると考え、本研究では化学的・物理的な手法で人工神経ネットワークを自在に構築するための技術開発を行った。二次元平面上に神経ネットワークを構築する
試みに加え、三次元の神経ネットワークを持つ人工組織の構築についての検討を行った。

〔研究経過および成果〕

密度で細胞同士が接着した状態で神経回路を作る

発生中の神経細胞は自発的に軸索を伸ばす性質必要があることに気づかされた。

を持っているため、軸索が伸長できる領域を作りさえ

そこでこれを達成するために、神経細胞を三次元のすればその部分に軸索が伸びていくことが期待され球状組織として培養し、つなぎ合わせることによってる。このような操作によって軸索を自在に操ることがで神経回路を作成することにした。以前より著者らは、きれば神経細胞間のつながりを制御し、回路を作るこ

微細構造を持ったシリコーンゴム（PDMS）を用いて運とができるはずである。神経回路を構築する試みとし

動神経の軸索の束状組織を作成しており、その手法て、二次元平面上に神経細胞を配置した上で、神経を応用することでこれを実現した（図、発表論文 1）。

が軸索（電気信号を伝える突起）を伸ばすことができる領域を平面状に作り出すことによって自在に神経回路を構築することを目指した。そこでまず、神経細胞の空間的な配置を光応答性修飾材料によって行った。アルブミン（BSA）を基材として用いた時に、神経細胞は期待通りに光照射部位に付着して生存し、それ以外の部位には付着しなかった。この結果を受けて、軸索が伸長する領域を規定するための技術（新規光応答性表面修飾材料など）を開発しているが、その過程で問題点が多数浮かび上がってきた。特に、10000 細胞程度のヒトの iPS 細胞をまず三次元の球

神経細胞を低密度で培養すると細胞同士の接着が状塊として培養し、これを 25 日かけて球状の神経組無いために細胞が死滅することが多かったので、高織に分化・発達させた。この球状神経組織の作成は、

58

すでに報告されているミニ脳（オルガノイド）作成手法

するが、L1CAM のノックダウン RNAi プラスミド DNA

をもとに行った。次に、球状神経組織をマイクロ培養を電気穿孔法によって細胞に導入すると、軸索が束デバイスに移し、さらに培養を続けた。この培養デバのようにまとまらなくなってしまうことが見出された。こイスには 2 つの部屋（直径 1.5 ミリメートル）とその間をのことにより、作成した組織は生体内の神経路に似たつなぐ通路（長さ約 7 ミリメートル、幅・高さそれぞれ約性質を持っていることが示唆された。今後は、大脳の150 マイクロメートル）があり、培養液で満たすことがで形成機構を明らかにし、関連疾患の治療薬開発に活きる。底面はガラスでできており、デバイス内部はマト用することが期待される。また、培養デバイスの形を

リゲル基底膜マトリックスでコートした。球状神経組織

変えることによって自在に巨視的な神経回路を作るこをデバイス内部に移すと、底面に接着し、組織内のとができるので、これを用いて神経回路がどのように神経細胞がそれぞれ軸索を伸ばしてガラス上に伸長形成され、働くのかを調べることができると考えていする。デバイスの部屋は通路につながっており、通路る。

に伸びた軸索に他の軸索も接着して束状の組織を形

さらに、光応答性表面修飾材料の開発から発展し成するため、ほぼ全ての軸索が通路内に伸びる。培て、光依存的にヒト iPS 細胞からの特定タイプの神経養開始から 50 日後くらいになると、2 つの神経組織が細胞への分化制御を行うことができる分子の開発に双方に向けて軸索を伸ばし、互いに接続した組織をも成功している。分化制御だけでなく治療にも使用す

作成することができる。

ることを模索し、特許を申請して様々な応用を目指し作り出した組織体の内部構造を調べるために、電ている。

気穿孔法で緑色蛍光タンパク質(GFP)遺伝子を神経細胞に導入すると、片側の組織が軸索を伸ばし、先〔発表論文〕

端がもう一方の組織に到達することが確かめられた。

１． Takaaki Kirihara, Zhongyue Luo, Siu Yu A. Chow,

また、片方の球状組織部分を電気的に刺激すると、Ryuji Misawa, Jiro Kawada, Shinsuke Shibata,

軸索を伝わり、もう一方の球状組織部分に信号が数Farad

十ミリ秒遅れて伝わることがわかった。これらの知見にValentine Volz, Timothée Levi, Teruo Fujii,

より、作り出した組織体内部には、二つの球状組織がYoshiho Ikeuchi “A human iPS cell-derived tissue

軸索で繋がりあった巨視的な神経回路が形成されたmodel of a cerebral tract connecting two cortical

ことが確かめられた。

regions” iScience 2019 in press

この組織体の軸索束部分は、脳梁などの大脳内の神経路と呼ばれる軸索が束状に集まった部分を模していると考えた。その形成が生体内と同様の機構で行われるかを調べるために、脳梁欠損症の原因遺伝子である L1CAM の働きを作成した組織体において調べた。通常は軸索が束状にまとまって組織を形成

59

Khoyratee,

CaroleAnneVollette,

【助成 35 -31】
神経筋疾患解析のための Organ-On-A-Chip の開発

研究者 名古屋大学大学院工学研究科 准教授

清水 一憲〔研究の概要〕本研究では、運動神経細胞と筋細胞を用いた神経筋疾患解析に使用するための、共培養マイクロデバイスを二種類開発した。一つ目は、平面的に培養した運動神経細胞と筋細胞を機能的に接合した状態で培養するための 2D 共培養デバイスである。二つ目は、立体的に培養した運動神経組織と筋組織を機能的に接合した状態で培養する 3D 共培養デバイスである。それぞれのデバイスに、神経軸索だけが通ることができる構造体を組込んだことで、運動神経細胞体と筋細胞の細胞体を区画化して培養することに成功した。

〔研究経過および成果〕

バーは開放系であり、それぞれの細胞を回収すること

神経筋疾患では、運動神経細胞や骨格筋細胞のができる。

変性、あるいはそれらの接着部である神経筋接合部の異常により、生命をも脅かす進行性の運動機能障
害がもたらされる。多くの神経筋疾患には有効な治療法がほとんどなく、疾患の機構解明や医薬品開発が重要な課題となっている。Organ-On-A-Chip は培養
細胞周囲の微小環境を厳密に制御し、臓器や組織
特異的な生理機能を生体外で再現した細胞培養マ
イクロデバイスであり、疾患基礎研究や創薬のための革新技術として、非常に期待されており、国内外で研究開発が進んでいる。本研究では、神経筋疾患解析のための Organs-On-A-Chip を 2 種類開発した。
まず平面共培養用の Organs-On-A-Chip（以降、
2D 共培養デバイス）を開発した〔発表論文 1〕。図 1

以前の実験結果より、筋細胞を平面上で培養するに概要を示す。2D 共培養デバイスには、運動神経細と筋細胞同士が重なり合ってしまうため、狙った筋細胞、骨格筋細胞をそれぞれ培養するためのチャンバ

胞だけを回収することが困難であることが予想された。

ーがあり、それらのチャンバーは多数の微小流路でそこで、筋細胞チャンバーの幅を制御することで、筋つながっている。微小流路の幅と高さを小さく設計す

細胞同士の重なりを防ぐことができるかどうか調べた。

ることで、運動神経細胞の軸索だけが筋細胞用チャ

その結果、筋細胞チャンバーの幅を 0.2 mm にするこ

ンバーに到達し、神経筋接合部を形成する。チャンとで、重なっていない筋細胞の割合を飛躍的に向上

60

させられることが分かった。さらに、0.2 mm 幅のチャン養し、その後、筋組織チャンバーで培養筋組織を構

バーで筋細胞を培養することで、より長く、より幅が広築した。図 3 に示すように、構築した筋組織は自発的い筋細胞を培養できることが明らかになった。これまに収縮した。また運動神経細胞に対して、選択的にでの報告から、筋細胞の長さと幅は筋細胞の成熟度

刺激を加えることで、筋組織が収縮することが分かっと比例していると考えられるため、筋細胞チャンバー

た。また、その刺激を阻害することで筋組織の収縮がの幅を狭くすることで、より成熟した筋細胞を重なりな止まることが分かった。これらの結果から、運動神経く培養することが可能になった。

細胞が機能的に筋組織を支配していることが明らかになった。

実際に、2D 共培養デバイスで運動神経細胞と筋以上、本研究では 2 種類の神経筋疾患解析用細胞を培養し、マイクロマニピュレーター装着したガラ

Organs-On-A-Chip を開発した。今後は、これらのデスキャピラリーを用いて、それぞれの細胞を一細胞レバイスを用いて、神経筋疾患解析を進めていく予定

ベルで回収することに成功した。さらに、共培養したである。

運動神経細胞と筋細胞同士が神経筋接合部を形成していることを染色により明らかにした。

〔発表論文〕

また、運動神経細胞と培養筋組織を共培養するた

１． Yamaoka, N., Shimizu, K., Imaizumi, Y., Ito, T.,

めの Organs-On-A-Chip（3D 共培養デバイス）を開Okada,

発した。3D 共培養デバイスでは、2D 共培養デバイス

Co-Culture

で用いた軸索だけを通す構造体と、これまでに開発

Analysis of Skeletal Muscle Myotubes and Motor

した培養筋組織形成マイクロデバイス[Shimizu et al.,Neurons with Neuromuscular Junctions, BioChip

Bioengineering 2017]を組み合わせた。筋細胞で立体Journal, Accepted

組織を構築することで、より生体に類似した共培養が可能なる。
運動神経細胞用チャンバーで運動神経細胞を培

61

Y.,

Honda,H.:

Microdevices

Open-ChamberforSingle-Cell【助成 35 -32】
テラヘルツ時間領域分光法による水構造を指標としたアミロイド線維形成初期段階の検出

研究者 神戸大学大学院理学研究科化学専攻 准教授

茶谷 絵理

神戸大学分子フォトサイエンス研究センター 教授 富永 圭介、自治医科大学医学部 助教 山本 直樹〔研究の概要〕アミロイド線維初期段階の特徴をダイナミクスの側面から理解するためには、ギガヘルツ（GHz）からテラヘルツ（THz）領域における温度依存性複素誘電率スペクトルの測定が不可欠である。本研究では、インスリンおよびイ
ンスリン由来 B 鎖を用いて、アミロイド線維形成過程に出現する中間体およびアミロイド線維の水和水ダイナミク
スの理解を目指した。まず、ベクトルネットワークアナライザを用いて GHz 領域における複素誘電率スペクトルの温度依存性を調べることができた。また、THz 領域、特に GHz 領域に近いサブ THz 領域における測定に必要な試料セルの設計および作製を行い、モデルタンパク質を用いて検証した結果、温度に依存する複素誘電率スペ
クトルを測定できることを実証した。

〔研究経過および成果〕料を得た。pH = 8.7、25�でインキュベートすることにまず、試料調製については滞りなく行うことができた。

よりアミロイド線維中間体を、またそこに振とうを加える

インスリンおよびインスリン B 鎖を用いてアミロイド線

ことで、アミロイド線維を得た。これらの試料を凍結乾維の作製を行った。インスリンに関しては pH = 2.0、

燥して得られた粉末固体をペレット状に押し固めたも

37�の条件で数日間インキュベートすることでアミロイのを作製し、適当な水蒸気量の空間に静置すること

ド線維を得て、さらにその線維をシードとして線維形で水和試料を作製し、実験に用いた。

成を加速させた。インスリン B 鎖についてはインスリン得られた試料を用いて、GHz 領域の複素誘電率ス

還元および超遠心による分離によって純度の高い試

ペクトルを測定した。図１にインスリンの天然状態およ

図１．インスリン野生型（左）およびアミロイド線維（右）の複素誘電率スペクトルの温度依存性

図２．インスリン B 鎖中間体（左）およびアミロイド線維（右）の複素誘電率スペクトルの温度依存性

62

14

-20 °C-10 °C
0 °C
10 °C
20 °C

12

', ''

10
8

'

6

図３．サブ THz 領域の温度可変測定セル

4

びアミロイド線維の複素誘電率スペクトルを示す。

''2

0.5-20 GHz 領域において、-40�から 20�における温0

度依存性を測定することができた。いずれの状態に1おいても GHz 領域に存在する水和水に由来する緩10

 /GHz1001000

図４．リゾチームにおいて得られたサブ THz 領域（60-100 GHz）のスペクトルの温度変化。他の手法で得られえた GHz および THz 領域のスペクト
ルと並べて表示している。

和成分が温度上昇とともに高周波数シフトする様子が確認できた。また、図２に示すように、インスリン B
鎖においても、アミロイド線維中間体およびアミロイド線維において水和水に由来する緩和成分についてな窓材で挟み込む必要がある。様々な窓材を用いて同様の温度依存性が確認された。一方で、実験開始

測定を試みた結果、水和試料と誘電率が類似してお前から予想していたように、さらに詳細な定量的解析

り、かつサブ THz 領域に著しい吸収を持たない石英には、20 GHz 以上の領域、すなわち THz 領域におが適当な窓材として用いることができることが分かっけるスペクトル測定が必要であることもわかった。

た。石英を窓材として測定を行った結果、図４に示す

サブ THz 領域の温度変化測定を行うには、試料のように、60-100 GHz 領域においてスペクトルの温度変温度制御を可能にする測定セルの作製が不可欠で化を調べることができた。また、図に示すように既存のあった。そこで、冷媒を流すことにより、効率良く試料

GHz 領域および THz 領域におけるスペクトルの温度温度を制御するセルの設計および作製を行った。図

依存性との整合性も良いことが分かった。今後は引き３が実際に作製したセルである。セルに冷媒を流すこ

続き良い窓材を模索しつつ、インスリンおよびインスリとにより、-20�まで冷却可能となった。このセルを用

ン B 鎖の試料の測定を完了させる予定である。

いて適切な測定が可能かどうかを確認するために、モデル球状タンパク質であるリゾチームを用いて温度〔発表論文〕

変化測定を行った。このセルを用いる際、水和試料

なし

からの水分の蒸発を抑えるために試料の両面を平ら

63

【助成 35 -33】
低線量 3 次元 CT 画像を用いた骨粗鬆症診断支援システムの開発

徳島大学大学院社会産業理工学研究部 助教

鈴木秀宣

徳島大学大学院社会産業理工学研究部 教授

河田佳樹

徳島大学大学院社会産業理工学研究部 特命教授

仁木 登

東京都予防医学協会保健会館クリニック 所長 金子昌弘

〔研究の概要〕我が国の骨粗鬆症患者数(40 歳以上)は 1,280 万人(男性 300 万人，女性 980 万人)と推計されている。本研究の目的は胸部低線量 CT 検診における骨粗鬆症診断支援システムの研究開発である。これは(1)骨格の自動抽出法，(2)椎体の形態解析法，(3)骨粗鬆症のリスク評価法からなる。低線量 CT 画像 228 例（男性 186 例，女性
42 例）を用いて胸椎の自動命名法および年代・体型別の正常な椎体形態モデルに基づく骨粗鬆症リスク評価法の研究開発を推進した。低線量 CT 検診における骨粗鬆症の発症前診断を支援し，併存症を予防してActivities of daily living(ADL)と Quality of life(QOL)の維持・改善に貢献することを示す。

〔研究経過および成果〕

COPD，骨粗鬆症，肺血栓塞栓症)のコンピュータ診

我が国の骨粗鬆症患者数(40 歳以上)は 1,280 万

断支援システムの研究開発に取り組んでいる。骨粗人(男性 300 万人，女性 980 万人)と推計されている鬆症の診断支援機能は(1)骨格の自動抽出法，(2)椎(日本骨粗鬆症学会, 他, 骨粗鬆症の予防と治療ガ

体の形態解析法，(3)骨粗鬆症のリスク評価法からな

イドライン, 2015)。骨粗鬆症による手関節・大腿骨・椎る。胸椎の自動分割法の精度は 99.6%であり(Yoneda

体骨折のライフタイムリスクは先進国において 30%か

K, Hidenobu H, et al., SPIE Medical Imaging vol.9785,

ら 40%であり(WHO, Summary meeting report Brussels,

2016)，椎体骨折の検出感度は 99.24%である（高橋英2007)、欧州における骨粗鬆症による骨折は 650,000

治, 鈴木秀宣, 他, 電子情報通信学会論文誌,

例/年である(Hertzman JO, HEN report, 2006)。骨粗vol.J96-D, no.4, 2013)。この課題は，胸椎を自動番鬆症による骨折は身体機能低下，運動機能障害，内号付けすること，年代・体型別の正常な椎体形態モ

蔵器障害を併発するため、寝たきりの原因となる。骨

デルを構築して骨粗鬆症リスクを正確に評価すること

粗鬆症の診断において椎体の変形や骨密度・骨塩である．これらの課題解決に取り組んだ。

量の低下を定量化するために QCT (Quantitative

東京都予防医学協会の低線量 CT 肺がん検診のcomputed tomography) 法が用いられている。我々は受診者 228 名（男性 186 名，女性 42 名）の画像を収

国立がん研究センター，東京都予防医学協会，帝京集した。撮影条件は管電圧 120kV，管電流 15mAs，大学医学部，滋賀医科大学，京都大学医学部と共スライス厚 1.0mm，再構成間隔 1.0mm，再構成関数

同で高性能かつ実用的な胸部多疾患(肺がん，

FC01 である。

64

[HU]

250
225

CT値

200
175
150

(a)

(b)
開始点

ー 60歳代(82名)
ー 70歳代(80名)
ー 80歳代(54名)

125
第1胸椎

100
3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

胸椎番号

図 2 年代別の胸椎の海綿骨 CT 値の平均値．

本研究は胸椎の自動命名法および年代・体型別
WC: 0
WW: 1000

第12胸椎
WC: 500
WW: 1000の正常な椎体形態モデルに基づく骨粗鬆症リスク評

終点価法を研究開発した。胸椎の 3 次元形態モデルを高(c)(d)
図１ 胸部骨格の解析結果．(a)肩甲骨の抽出結果，(b)肋骨の抽出結果，(c)胸椎番号の命名結果，(d)胸椎長さの計測結果．

度化すること，システム化して臨床評価することが課題である。

CT 値に基づいて皮質骨領域を抽出し，その形状・〔発表論文〕

位置情報を用いて胸骨・肋骨・肩甲骨・脊椎を抽出し１． 鈴木 秀宣, 河田 佳樹, 仁木 登, 中野 恭幸,

た（図 1(a)，(b)）。従来法を用いて脊椎を椎体に分類

楠本 昌彦, 土田 敬明, 江口 研二, 金子 昌

した。第１肋骨を検出して肋骨に番号を付した後に肋弘 : 低線量 3 次元 CT 画像を用いた骨粗鬆症

骨番号に従って各椎体の番号を命名した(図 1(c))。

診断支援システム, 電子情報通信学会技術研

椎体の形態は体型によって異なる。体型の指標とし

究報告医用画像, Vol.117, No.281, 67-68, 2017て第 1 胸椎から第 12 胸椎の長さを計測した (図 1(d))。
椎体内の海綿骨の CT 値は骨密度と相関する（高橋年 11 月.
２． Daisuke Tsuji, Mikio Matsuhiro, Hidenobu Suzuki,

英治, 鈴木秀宣, 他, 電子情報通信学会論文誌,

Yoshiki Kawata, Noboru Niki, Yasutaka Nakano,

vol.J96-D, no.4, 2013）。年代別の胸椎の海綿骨 CT

Masafumi Harada, Masahiko Kusumoto, Takaaki

値を計測した。

Tsuchida, Kenji Eguchi and Masahiro Kaneko :図２に年代別の胸椎海綿骨 CT 値の平均値を示す。
60 代，70 代，80 代の第 12 胸椎の海綿骨の CT 値はComputeraided

detectionsystemforosteoporosis using low dose thoracic 3D CT

それぞれ 150±41HU，130±40HU，115±39HU であimages,った。胸椎の海綿骨 CT 値が加齢により低下すること

Proceedings

of

SPIE,

105753D-1-6, Houston, Feb. 2018.

を定量的に示した。CT 検診において骨粗鬆症のリスクを発症前に定量評価することができる。

65

Vol.10575,

【助成 35 -34】
発光色スイッチング機能を有するナノエマルションを利用した
迅速かつ簡便な細菌検出デバイスの開発

研究者 高知大学教育研究部総合科学系複合領域科学部門 助教 仁子 陽輔〔研究の概要〕本研究課題では、高い輝度を示しつつ、細菌存在下にてその発光色を変化させる性能を示す新規蛍光性ナ
ノエマルションの開発を目指した。はじめに、高脂溶性ペリレン誘導体を合成し、それらをナノエマルション内部に高密度集積させることで、無機ナノ粒子である量子ドットをも凌駕する高輝度性を示す赤色および黄色蛍光性
ナノエマルションの作成に成功した。続いて、同色素に対し、大腸菌への特異的吸着性を有するマンノースを導入した。同実験では、大腸菌存在下にて、上記ペリレン誘導体がナノエマルション内部から細菌表面へと移動し、発光色が変化することを期待したが、そうした現象は観察されなかった。そこで申請者は、細菌に対し単糖類よりも優れた標的性・吸着性を示すことで知られるアプタマーに注目した。現在は、アプタマーをナノエマルション表面あるいは色素に導入し得る、アセチルボロネート含有型界面活性剤の合成に取り組んでいる。

〔研究経過および成果〕で知られている。筆者は、優れた光吸収および蛍光

夥しい数の死者をもたらす敗血症、増加傾向にある

発光効率を有するペリレン類に注目し、それらの高脂薬剤耐性菌の出現、我が国においても度々報道され溶性誘導体 PBI-NC8 および PTE を合成した。こている食中毒など、細菌感染症に関する問題は国内

れらをナノエマルション内に多量に導入することで、外で数多くみられている。それらを解決するためには、高輝度性で知られる無機ナノ粒子『量子ドット』を凌安価で簡便、かつ迅速に細菌検出を可能とする新し

駕する、高輝度性ナノエマルションの作成に成功した。

い材料が不可欠である。そこで筆者は、①高輝度性、例えば、 PBI-NC8 を内部オイルに対し 20 wt% 含

かつ特定の細菌存在下で②発光色を変化させるよう有させたものは半径 70 nm 程度のサイズで赤色発な性質を有する蛍光材料さえ開発できれば、同材料

光を示し、赤色量子ドット QD655 の 18 倍の輝度をと蛍光光度計、あるいは市販のブラックライトと併用す示した。同様に、10 wt% 程度の PTE を含有させたることで、簡便かつ迅速な細菌検出が可能になると考も の は 直 径 30 nm 程 で 黄 色 発 光 、 （ 比 較 対 象

えた。以下、現在における成果を述べる。
【結果１：超高輝度性ナノエマルションの開発】
はじめに、上記①にて述べた高輝度性を有する蛍光材料として、ナノエマルションに注目した。ナノエマ
ルションは外殻が界面活性剤、内部がオイルで構成されており、脂溶性の物質を多量に内包できる性質

66

がクリアではないが）緑色量子ドット QD525 の 13誘導体あるいはナノエマルションを繋ぐには、アミノ基倍の輝度を示した。

との反応性を有するスペーサーが必須である。また、【結果２：蛍光スイッチング型ナノエマルションの開発】

アプタマーはその合成の都合上、大量使用に向かな

上述したペリレン誘導体は、ナノエマルション中でいため、一度ナノエマルションを形成し、その後水中

高密度集積されているため、エキシマ―と呼ばれるにてナノエマルション表面あるいはナノエマルション

二量体に基づく蛍光色を示している。実際、これらの表面にある色素分子末端と結合できることが望ましい。

色素は希薄溶液中において、PBI-NC8 なら黄色、そこで筆者は、水中でも安定で、アミノ基と高い反応

PTE ならば緑色と、エマルション中とは異なる発光色性をもつアセチルボロネートに注目した（図３）。

（モノマー発光）を示す。ここで筆者は、ナノエマルシ
ョン内部の色素が細菌存在下で放出される仕組みを構築すれば、エキシマ―⇔モノマー発光スイッチング
による、細菌検出デバイスに利用できると考えた。
そこで、図２に示すようなスイッチング機構を想定し、新しいペリレン誘導体の設計と合成を行った。ここでは、大腸菌への吸着性が知られているマンノースを

現在は、このアセチルボロネート含有スペーサーを活用した。このマンノース含有ペリレン誘導体をナノ有する色素および界面活性剤の合成に取り組んでいエマルションに導入したところ、前述の結果と同様、る。それらをナノエマルションに配置し、アプタマー修

黄色発光が観測された。しかし、このナノエマルショ飾が可能かどうかを確認した後、前述した蛍光スイッ

ンに対し大腸菌を添加しても、期待した現象、すなわ

チング機能の発現を目指していきたい。

ち色素の大腸菌への吸着は観察されなかった。

【謝辞】
本研究開始時、筆者の研究室は立ち上げ初年度
であり、そのような中カシオ科学振興財団のご支援により本研究課題に関する数多くの実験を行うことができた。この場をお借りして厚く御礼申し上げる。
〔発表論文〕
１． Sekida, S.; Kameyama, T.; Koga, T.: Hadano, S.;
Watanabe, S.; Y. Niko*, “Highly-lipophilic andsolid emissive N-annulated perylene bisimide
synthesis for facile preparation of bright and【現在の取り組み】
ここで筆者は、単糖類より優れた選択性・吸着力を

far-red excimer fluorescent nano-emulsions with

示すアプタマーに着目した。市販のアプタマーは末large Stokes shift” J. Photochem. Photobiol A,

端にアミノ基を有するものが多いため、これとペリレン

364, 16-21 (2018)67

【助成 35 -35】
細菌 1 個体レベルの検出感度を目指した ATP 発光測定用フォトセンサーの研究開発

研究者 九州工業大学マイクロ化総合技術センター 助教

有吉哲也〔研究の概要〕生物関連物質や細菌の検査は衛生管理上、必要不可欠な基幹技術産業となっている。代表的な衛生検査技術として、酵素とアデノシン三リン酸（以降、ATP と表記）との反応による生物発光現象を応用した ATP 発光測定法がある。ATP は細菌類を含めて全ての細胞中に存在しているので、検査対象物と酵素とを反応させてその発光を測定することで、生物関連物質や細菌の迅速な検査が可能である。汎用の ATP 発光測定法では検査溶液と光センサーが対向していることによる幾何学的な制約により、等方的に拡散する ATP 発光の集光効率は極めて低く、細菌の検出下限数は 100 個にも及ぶ。本研究では光センサーとして、フォトダイオードを溝状に形成したトレンチ構造型フォトダイオードを提案する。この溝に検査溶液を注入することで、100%に迫る集光効率が可能となり、細菌 1 個体レベルの衛生検査が可能となる。トレンチ構造型フォトダイオードの試作・機能評価を行った。

〔研究経過および成果〕に 100%に迫る集光効率にて検出できる。

図１に提案する新しい衛生検査用光センサー（トレ

図２に試作した光センサーのチップ写真を示す。

ンチ構造型フォトダイオード）の断面概略図を示す。

検査溶液

正孔

ATP発光

図 2 試作した光センサーのチップ写真

トレンチ構造型
フォトダイオード

基板は FZ シリコンで、チップサイズは 20mm×5mm で

電子
空乏層
図１

ある。光センサーは幅 100μm、深さ 300μm のマイク

N領域

ロ流路形状で、トレンチ構造型フォトダイオードである。

P型シリコン基板

長さが異なる二種類の光センサーを作製している。ト

提案する衛生検査用光センサー

レンチ構造型フォトダイオードの N 領域からの信号読

シリコン基板を P 型半導体、信号検知側を N 型半導み出し電極（カソード）、P 基板からの逆バイアス電極体とした PN 接合型シリコンフォトダイオードをトレンチ（アノード）を形成している。本研究ではまずは細菌で状に形成する。このトレンチに検査溶液を直接流し込はなく、ATP 標準試薬と発光酵素（ルシフェラーゼ）み、ATP 発光を光電変換にて電子正孔対として検出の混合溶液を注入口に注入して光センサーへ流し込する。トレンチは検査溶液を囲っており、複雑な光学

み、ATP 発光の受光特性評価を行った。

系を組むことなく ATP 発光を 4πジオメトリ計測のよう

図３に、試作した光センサー（図 2 の左側の光セン

68で、帰還抵抗を 100kΩとして暗時（検査溶液なし）でサー）の電流電圧特性を示す。

約 1.165V の出力電圧 Vout とし、電源電圧 2.5V から120の差分の約 1.5V の余裕を取った。回路の発振防止

ダイオード電流[μA]100のために、1pF の帰還容量を接続した。

80
60

ATP 標準試薬と ATP 発光酵素を用いて ATP 濃度

40203.3×10－5M の検査溶液を調合し、試作光センサー

0にこの検査溶液 5μℓを滴下した。光センサーへの滴

‐20
‐40
‐5

‐4

‐3

‐2

‐1

0

1

下 ATP 量は 0.16nmol と見積もった。図 5 に、出力電2ダイオード電圧[V]

圧信号のオシロスコープ画面を示す。図 5(a)は検査

図 3 提案する衛生検査用光センサー

溶液滴下前、図 5(b)は検査溶液滴下直後である。
順方向・逆方向ともにダイオード特性を示した。測定

(a)

(b)

時、電流値は 100μA で制限をかけている。逆バイ
アス電圧-2V にて、11.65μA の暗電流を示した。これを動作点とする。図 4 に測定回路系を示す。

ATP発光

帰還抵抗

図 5 ATP 発光の検出信号

帰還容量

検査溶液滴下前において、出力電圧値は約 1.05V

－
＋

光センサー

Vbias

であった。暗電流は 11.65μA、帰還抵抗は 100kΩでVout

あ る の で 、 予 測 出 力 電 圧 値 11.65 μ A × 100k Ω=1.165V とほぼ一致する。検査溶液滴下直後におい0V

ATP量に比例て 、 出 力 電 圧 値 の 変 化 量 は 約 0.1V で あ っ た 。
0.16nmol の滴下 ATP 量による発生光電流から出力

図 4 ATP 発光測定回路系

電圧値の変化量を見積もったところ 0.13V と計算され、試作した光センサーのアノードに逆バイアス電圧 Vbias

実測値は見積もりより 20%ほど低かった。この差は、トを印加し、カソードをオペアンプに接続する。オペア

レンチの深さ 300μm に対して幅が 100μm あり、ATP

ンプは±2.5V の電源にて駆動させる。光センサーの発光の集光効率が 90%程度であることと、検査溶液のカソード部は構造上、検査溶液に直接触れているの一部がトレンチから漏れたことに起因すると思われる。

で、電気化学反応を起こすことを防ぐために仮想接トレンチを形成していない光センサーについても同様

地にて電位をゼロとする。ATP 発光を光センサーがな実験を行い、出力電圧値の変化量は約 0.02V であ受光すると発生した光電流が帰還抵抗を流れ、出力った。以上により現状では、フォトダイオードをトレン

信号 Vout を得る。前述したとおり、光センサーは逆バ

チ構造型とすることで、5～6 倍程度の ATP 発光の集イアス電圧-2V に対して暗電流 11.65μA であったの

光効率の改善となることが示された。

69

【助成 35 -36】
最先端の遺伝子工学技術を用いた線条体における学習メカニズムの解明

福島県立医科大学医学部 特任助教

瀬戸川将

〔研究の概要〕体育・スポーツで“動作”を熟達するためには、外部の感覚情報に対して適切な行動を選択し、動作を実行できるようになる必要がある。この知覚運動学習には、大脳基底核における線条体の前方部が重要な役割を果たすと考えられてきた。申請者は独自に確立した全脳神経活動の網羅的マッピン
グ技術により、知覚運動学習において背側線条体の前部と後部の神経活動が学習の異なるタイミン
グで賦活化されることを発見した。本研究では、線条体前・後部の薬理学的破壊実験ならびに神経活動の一過性の阻害実験を行う事で線条体前・後部と学習との因果関係を明らかにした。

〔研究経過および成果〕

に関する多くの研究で報告されてきた“線条体の前【背景】

方部が学習に最も重要である”という既存の概念とは身体活動やスポーツは、健やかな日常生活を送る

異なり(Yin et al、 2009、Gremel & Costa。、 2013)、

上で重要である。その際に「できなかった」ことが「で“線条体の前方部は学習よりも行動の実行に重要できる様になる」ことは、身体活動を“継続”するためのあり、主に後方部が学習に関与する”という新たな仮

モチベーションを左右する。しかしながら、運動技能説を提起する。この仮説を実証するためには、特定の獲得能力には個人差があり、場合によっては獲得の学習段階と相関関係にある脳領域が、行動の実行自体が困難な場合もある。この学習困難性は、運動や学習に対してどのような機能を有するか明らかにす

習慣の定着を阻み、結果的に継続的な健康維持をる必要がある。

阻害する。この問題の解決には、運動技能の獲得をそこで本申請課

もたらす脳内メカニズムを解明し、神経科学的根拠に

題では、事前の研基づいた学習困難者への新たな運動処方の創出が究より得られた“学望まれる。

習依存的に異なる

これまで申請者は、小動物脳機能イメージング法

神経活動パターンを用いた新規の実験系を確立し、感覚情報をもとにしを示す線条体の前た適切な行動選択を学習(知覚運動学習)する際の方・後方領域”を薬“大脳基底核・線条体にて生じる学習依存的な神経

理学的な慢性破壊可塑性”について研究を進めてきた。その中で、ラット

法と化学遺伝学的手法で一過性に機能阻害することが聴覚弁別行動を獲得する際に線条体前方部の神で (Roth、 2016)、異なる学習段階において異なる

経活動が学習初期に増加し、後方部が後期に増加

線条体領域が学習や行動の実行に対して、どのようすることを発見した(図 1)。この結果は、線条体と学習な機能的役割を有するか明らかにした。

70

【実験方法】
慢性破壊法および一過性の神経活動阻害法
線条体の前後の領域をそれぞれ慢性的に破壊する
ために神経毒イボテン酸を用いた。また、神経活動を選択的かつ一過性に操作するために、DREADDsを用いた。この技術は、ウイルスベクターを媒介した（図 2 左：前部破壊：右：後部破壊）。また、個々のて人工的な受容体を遺伝子工学的に神経細胞へ発現

個体の学習曲線からシグモイド関数を用いて、学習させ、特定の薬剤(Clozapine-N-Oxide:CNO)を抹消の開始時点を推定した。その結果、線条体前部の破投与することで数時間のあいだ神経細胞を操作する

壊群のみ、コントロール群と比較して学習開始の遅延ことができる。

がみられた。この結果は、脳機能イメージング実験時

聴覚弁別課題によって得られた、線条体前部の脳活動が学習の初本研究では、知覚運動学習時のデータを効率的か期に増加するという事前の結果を支持する。

つ安定的に取得するために、独自のプログラムにてまた、慢性制御されたオペラント実験装置を用いる。実験には、破壊実験では、

聴覚弁別課題を用いる。この課題は、ラットが 2 種

破壊領域を実類の音刺激に応答して左右のレバーを押し分けるこ験後に確認可とを学習させる。脳機能イメージング実験にて神経能な事から活動の増加が確認された線条体前方部、または後方“領域と行動部へイボテン酸あるいはウイルスベクターを微量注の因果関係”

入し、数週間の回復期間後に行動実験を開始する。

を正確に検討可能な一方で、学習中の“どのタイミ

聴覚弁別課題中の異なる学習段階における神経活動

ング”でその領域が関与するかが分からない、そこを一過性に阻害するために、実験開始後 2 日目、6で線条体の神経活動を選択的かつ一過性に操作す日目および 10 日目に CNO (3mg/kg)を腹腔内投与るために、DREADDs 法を用いた実験を行った。

して行動への影響を検討した。また、DREADDs に

その結果、学習初期における線条体前部の神経活

よる神経活動の操作が、認知・学習以外の運動機能動不活化が聴覚弁別行動を一過性に阻害すること

へ非特異的な影響を及ぼさない事を確認するために、が明らかとなった（図 3）。一方で、全ての実験に

単純レバー押し課題、ロータロッドテストやオープ

おいて単純レバー押し課題、ロータロッドテスト、ンフィールドテストを行った。

オープンフィールドテストに薬剤投与の影響は観【結果】察されなかった。

全てのラットは、10 日以内に聴覚弁別課題を獲得し【結論】た。線条体の前・後をイボテン酸にて破壊した群は、本研究により、線条体前・後部と聴覚弁別学習の因

どちらの郡もコントロール群と比較して学習が遅延し果関係が明らかとなった。

71

【助成 35 -37】
再生医療応用に向けた光応答性の動的培養足場による細胞挙動制御システムの創成

広島大学 大学院工学研究科 助教 今任景一
早稲田大学 先進理工学部 教授 武田直也
〔研究の概要〕本研究では、著者らが過去に開発した、光刺激により表面の【A】親疎水性が可逆的変化する、【B】ナノ微細構造が転換する、2 系の高分子薄膜を基盤として、分子・界面の設計改善や機構解析とともに細胞挙動の制御へと展開して、新たな動的培養足場の開発と設計論の確立を目指した。【A】では、同程度の分子量だが異なる化学組成の高分子薄膜の光応答性を評価し、親疎水性の可逆的変化が起こる機構を明らかにした。また、その知見をもとに培養足場へと応用して、単一細胞の選択的光剥離を達成した。【B】でも、高分子組成や基板−薄膜界面を変えて光応答性を評価し、ナノ微細構造の光転換の機構を提案した。さらに、従来は微細構造の復元に必要であった熱を用いることなく、UV と可視光のみによる光可逆的な転換を実現した。この薄膜上での細胞培養により、ナノ微細構造の転換が細胞の一時的脱着を引き起こすという興味深い現象も見出した。

〔研究経過および成果〕
創傷治癒、組織再生、がん転移などに深く関わる
細胞挙動（接着や分化など）を制御できる技術の開発
は、健康増進や医療発展において極めて重要である。
従来は化学因子の導入により制御されてきたが、コストの高さと細胞組織への副作用が懸念されている。このような背景から、近年、培養足場の性質のみで細胞挙動を制御する技術が開発されてきたが、生体内が動的環境であるにも関わらず、これまでの多くは性質が不変の静的な足場であった。そこで著者らは、光応答性分子のスピロピラン（SP）を有するジブロック共重合体（dBCP）の高分子薄膜（数十 nm 厚）を作製し、光刺激で性質が変化する動的足場として、細胞挙動の精密な制御を検討してきた（図 1）。特に、表面の【A】
親疎水性が可逆的に変化する系と【B】ナノ微細構
造（相分離構造）が転換する系を開発し、【A】ではSP の光異性化に伴う極性変化とは反対の親疎水性変化を示すこと、【B】では UV 光照射により微細構
図 1. 【A】と【B】系の概要.

72

造が消失すること（復元には熱が必要）を見出した。ま

細構造は UV 光照射で消失し、可視光照射で復元すた、両系を培養足場として、細胞の接脱着を制御した。

ることがわかった。UV-vis 吸収測定による SP 異性化

本研究では、様々な高分子薄膜の光応答性評価からの評価と薄膜断面の走査型電子顕微鏡による膜厚の各機構を解明し、その知見を活かして、単一細胞操評価から、図 3 の機構が考えられる。従来の基板修飾

作や光可逆的な細胞挙動制御などが可能な新たな時の高分子化は絡み合いを生じ、dBCP 高分子鎖を動的培養足場の開発と設計論の確立を目的とした。

束縛するが、単分子膜を形成する本修飾では dBCP

【A】同程度の分子量だが、異なるモノマーやユニ高分子鎖の運動性が向上したため、可視光のみで微ット比で構成される高分子とその薄膜を作製した（図細構造が転換したと考えられる。この薄膜上において、

1）。UV 照射前後の水中接触角測定から、ポリエチレ

C2C12 は UV 照射前後の両表面に良好に接着したが、ングリコール（PEG）ブロックがない高分子薄膜の表面

UV あるいは可視光照射による微細構造の消失・復元

は SP の極性変化と同じく疎水性から親水性に変化し、のどちらの場合でも脱着した（図 3）。さらに興味深い

一方で PEG を持つ dBCP 薄膜の表面は SP の極性変ことに、この脱着は一時的で数時間後には再接着し化と反対の親水性から疎水性へと変化した。また、前た。接着性は分化などの多くの細胞挙動に重大な影者の薄膜上ではマウス筋芽細胞（C2C12）などの接着響を及ぼすため、今後、光照射の時間パターンを設

性を光制御できなかったが、後者の薄膜上では光刺計することで、細胞挙動の精密制御が期待できる。

激によって接着性に顕著な差が見られ、さらに特定の細胞のみにレーザー光を照射することで、単一細胞の剥離も可能であった（図 2）。以上の結果から、本系
では図 2 の機構が考えられる。また、モノマー種に依存せず、PEG ブロックの導入のみで細胞接着性を光制御できたため、今後、多様な物性・機能を持つ高分子材料への適用も期待できる。

図 2. 【A】系の成果（単一細胞剥離）と予想機構.

図 3. 【B】系の成果と予想機構.

【B】新たな dBCP を合成し、疎水性単分子膜を形〔発表論文〕

成させたガラス基板上に様々な膜厚の薄膜を作製し１． K. Nagata, T. Kurebayashi, K. Imato, N. Takeda, J.

た（図 1）。薄膜表面の原子間力顕微鏡観察から、微Mater. Chem. B 2018, 6, 2052–2056. (Back Cover)73【助成 35 -38】
移民社会の複合性指標（MSPEX）の構築

研究者 宇都宮大学国際学部 准教授 松尾昌樹

〔研究の概要〕本研究では移民社会のグローバル比較に有効性を発揮する、「新複合性指標」（NPI：Neo-Plural Index:）を構築する。近年の国際的な移民現象の中心はアジアに移っており、そこではヨーロッパを始めとする先進工業国で移民社会の基礎として維持されている「包摂」概念は希薄であり、むしろ受入国の国民と移民が互酬的な社会関係を形成しない傾向が強い。民族学では、社会的接触機会が希薄な複数の集団で構成される社会を説明する概念として「複合社会 Plural Society」が知られている。本研究ではこの概念を援用して新たに「新複合社会 Neo-Plural Society」の概念を作り、移民統計を元に国民-移民関係の希薄さ/濃密さを「複合性」の観点から NPI（新複合性指標）として指標化し、この指標を用いて各国の移民社会の差異を生み出す原因を、多変量解析を通じて明らかにした。

〔研究経過および成果〕

中の Policy on Naturalization で採用されていた３分

データの利用可能性や欠損値を検討した結果、当類 （ Yes / Restricted / No ） を 元 に 、 Yes に -1 、初の研究計画に修正を加え、別の方法で指標を作

Restricted と No に 1 を代入することで得られる。帰化成する必要が発生した。具体的には、国連が各国の政策（Policy on naturalization）は、移民に国民と等し移民政策を調査して作成した International Migration

い権利を与える政策であり、移民を法的に当該国にPolicies 2013 Wall Chart に 含 ま れ る Integration

完全に統合することを意味する。移民の社会統合を

Policy を元に、新たに指標を作成することとした。この図る要素には様々あるが、完全な統合でありまた各

結果、Integration Policy データが 2013 年のものに限

国で比較可能な統合政策は帰化政策を置いて他に定されるために一時点での分析となったが、分析対ない。ただし、単純にある国が制限のない帰化政策

象国が 181 カ国に増加し、よりグローバルな比較が可を施行していたとしても、当該国における移民人口割能となった。

合が極端に小さい、例えば限りなく０に違い場合には、

本指標（NPI）は以下の数式で求められる。

この政策の意義もまた限りなくゼロに等しくなる。つまり、移民の包摂・非包摂は、単に制度の有無ではなく、

NPI=IP×Sm×100

その制度の影響を受ける集団のサイズが重要となる。
このため、IP の影響を受けるサイズとして当該国におここで、IP は移民統合政策（Integration Policy）、Sm

ける移民人口割合（Sm）を用いる。Sm は国連が毎年は 当 該 国 の 人 口 に 占 め る 移 民 割 合 （ Share of

作成している国際人口・移民統計である Trends in

Migrants）である。IP は、上記の Integration Policy のInternational Migrant Stock: Migrants by Destination74

and Origin を元に、各国が受け入れている移民人口

統合が進む）。さらに、中東湾岸産油国ダミーを投入

を当該国の総人口で除した値である。なお、数値がすると政治体制と「距離」の効果は消失し、GERD と中小さくなる傾向があるため、算出された数値を 100 倍

東湾岸ダミーのみが有意となる。最後に、工業国ダミすることで NPI とした。

ーを投入すると政治体制と GERD の有意性が低下す

NPI は、帰化政策に移民人口割合を掛け合わせるる。

ことで、包摂・非包摂制度の「有無」だけでなく、むし

これらのことから、以下のことを導き出せる。第一に、ろ受入国での社会的影響を間接的に計測することを移民を受入国社会に統合させる効果は民主主義より可能としている点に特徴がある。また非常にシンプル

も産業構造（知的産業）の方が強い。第二に、近隣国であるため、誰でも容易に算出・理解することが可能

出身の移民に依存する国では移民の統合が進む。

である。

第三に、アジアで最も移民を吸収している中東湾岸

なお、NPI は上記の算出方法から明らかなように、産油国は、遠方からの移民が多く、石油経済に依存

数値が正の方向に大きくなればそれだけ「複合性」がするために GERD も推進していないため、移民の統高まること、すなわち国民と移民の社会的地位が異な合が全く進まない。このような例外的な中東湾岸産油る蓋然性が高まることを意味し、負の方向に大きくな国が最大の移民吸収力を持つため、グローバルな移ればそれだけ負の複合性、すなわち「包摂性」が高く民現象に特異な現象を引き起こしている。

なることを意味する点には注意が必要である。

アジア地域において移民を統合しない傾向が強い

本研究では、従来から移民制度に影響を与えると指のは、第一に工業化の程度が先行する先進工業国

摘されている「政治体制」（民主主義の度合い）と、受よりも弱く、それゆえに GERD の程度が低いためと考入 国 の 文 化 と 移 民 の 文 化 の 差 異 に 加 え 、 GERD

えられる。また、第二に、アジア地域の経済成長は、（Gross of Expenditure of Research and Development、

開発投資よりも人件費削減や人口ボーナスによってGDP にしめる研究開発費）の影響、ダミー変数として達成されている部分が大きく、こうした経済成長経路

中東湾岸産油国ダミーと、工業国ダミーを加えて多が移民社会のあり方に影響を与えていると考えられ変量解析を行った。各変数の作成方法については、る。

Matsuo, M.（2018）を参照されたい。
この分析こから、以下のことが明らかとなった。

〔発表論文〕

多変量解析の結果から、NPI スコアに最も影響を与

１． Matsuo, M. (2018) “Neo-Plural Society: a Model

えるのは GERD である。政治体制は NPI に一定の効

of Non-Inclusive Migration Society in Asia”,

果を持つ（民主主義的であればそれだけ複合性は低IPSA Brisbane 2018 paper.

下する）が、GERD の方がより強い負の効果を持つ

２． 松尾昌樹(2019)「湾岸アラブ諸国の移民社会―（GERD が増加すれば複合性は低下する）。また、「文新複合社会試論」『中東研究』第 534 号:57-70

化的近接度」は GERD と同様に常に強い負の効果を持つ（隣国出身の移民が多ければ、それだけ移民の75【助成 35 -39】
幼児の身体像に接近するための臨床描画法に関する実証研究

研究者 星美学園短期大学 専任講師 太田 研
星美学園短期大学 准教授

遠藤 愛〔研究の概要〕本研究では、身体を心と環境の境界として捉え、幼児が抱く身体像を「動的学校画（KSD）」により把握することを試みた。人物画のみの描画と KSD を対象にした有資格心理士による解釈の差異から、身体像に接近する方法として KSD の有効性が示唆された。さらに、KSD の描画特徴と活動範囲の関係を検討するために、園庭における幼児の活動範囲を GIS データとしてマッピングした。その結果、移動の軌跡が多い幼児ほど、人物以外の対象物を大きく描く傾向があった。幼児が抱く身体像を KSD 上の人物以外の特徴からも解釈できる可能性を見出した。

〔研究経過および成果〕

物のみが描かれた描画３枚（HFD）と園で他者と何か研究目的をして遊んでいる様子が描かれた描画３枚（KSD）の身体は、環境の中に在る物質ではなく、心と環境の計６枚であった。描画対象物や空間の使い方に注目境界である。本研究では、幼児が抱く身体像に接近しできるように、研究者が白黒に加工した描画を提示しようとする際、言語能力の影響を受け難い描画に注目た。描画は、13inch のノートパソコンのモニターに 1 分した。とくに、幼児の身体像に接近するために「動的間提示された。心理士は 1 枚の描画を観察した後、7

学校画（KSD）」が適用可能であると考えた。KSD では、

分間、以下の３点について解釈を筆記にて記録した。

描画者が捉える現実や興味関心の対象が投映され①身体概念（BC）：身体部位等の概念的理解

やすいという特徴がある。

②身体知覚（BP）：空間内における身体感覚③身体情緒（BA）：身体に対する自信などの情緒

そこで、（１）幼児の身体像を捉えるための KSD の適用可能性を検討すること、（２）幼児が園庭で遊ぶ

これらの記述を KH Coder（Ver. 2.Beta.32c: 樋口，

活動範囲と活動内容を観察し、KSD に表れる特徴と2015）を用いて、テキストマイニングした。本稿では、の関連を評価することを本研究の目的とした。

対応分析の結果のみを報告する。

研究成果（結果と考察）研究１：人物画と動的学校画に対する観察差異

HFD および KSD に対する心理士の解釈をテキスト（目的）人物のみが描かれた描画と園で他者と何かをデータとして、対応分析（図１）したところ、①KSD では、している様子が描かれた描画に対して、有資格心理周囲の環境との距離や関わりから身体像を捉えようと士の観察結果がどのように異なるのかを調査した。

すること、②KSD と HFD では、身体概念の記述は類（方法）有資格心理士６名が参加した。心理士に対し似しているが、身体知覚や情緒の記述では差異が見て、年長児３名が描いた描画を提示した。描画は、人

られる。

76

以上の結果から、身体を環境へ働きかけ、環境か

図２ 低活動性 A 児の園庭活動 GIS データ
図１ HFD と KSD に対する心理士解釈の対応分析

全体的に、活動性の高い幼児は、GIS データ上にら情報を得るための媒介とする本研究にとって、KSD

おいて、移動の軌跡が多かった。一方、活動性の低は有効な臨床描画法であることが示唆された。

い幼児は移動の軌跡が少なく、一定の場所にとどまる

研究２：KSD と活動範囲、内容との関係の検討ことが多かった。KSD の特徴としては、移動の軌跡の（目的）KSD において描かれた活動内容や人物、人

多さは、人物以外の面積と関連があった。また、相互物間の距離と活動範囲データの特徴について、関連作用が少ない幼児の場合、KSD の人物間の距離が性を事例的に検討すること目的とした。

長くなる傾向があった。

（方法）関東圏内保育所に在園している６名の幼児が〔発表論文〕

参加した。このうち３名は、活動性の低さ、対人相互作

１． 太田 研・遠藤 愛（2018）. 自然物へのアクティ

用の少なさという点で担任保育士が気になっていた

ブタッチが幼児の人物画描出に及ぼす影響―ア

幼児であった。他の３名は、担任保育士から活動性がクティブビジョンとの比較から― 日本保育学会

高く、頻繁な相互作用が見られると判断された。本研

第 71 回大会発表要旨集，263．

究実施前に、保護者と本人に対して調査の目的を説

２． 太田 研（査読中）．幼児によって描かれる人物

明し、同意を得た。園庭での３０分間の自由遊び時におよびアイテムのサイズへの能動的触知覚活動

参加児に GPS ロガーを装着し、活動範囲に関するの影響 発達人間学研究．

GIS データを収集した。また、遊びの種類や相互作用

３． Ota, K., （2019 発表予定）. A Case Study on the

人数について、行動観察データを収集した。後日、Relationship Between Kinetic School Drawing by

KSD を実施し、描画上の面積等を測定した。

Preschool Children and the Range of Movement in（結果と考察）the School Grounds. 20th PECERA International
Conference, Taipei, Taiwan, July.

図２に、低活動性の１名の GIS データを例示した。

77

【助成 35 -41】
環境問題を題材に人類史を反省するとともに今日的な統計的リテラシーを備えた人材を育成する実証的研究

研究者 岡山理科大学 教育推進機構 教職・学芸員センター（理学部 応用数学科） 助教 福田 博人
共同研究者 新潟県聖籠町立聖籠中学校 教諭 橋本 善貴
共同研究者 筑波大学附属高等学校 教諭 三輪 直也〔研究の概要〕超高度情報化社会に突入している現代を背景とし，今日的な統計的リテラシーを育成するような体系的な統計教育カリキュラムを開発することを本研究の目的とした．そのために，小学校から高等学校までを一貫する体系的なカリキュラムとしての機能を有する教授単元に着目した．そして，意思決定が自然に発生するように解答が一意に定まらない環境問題を文脈とする因果探究を主題とし，教授単元「環境エコロジーと因果関係」の開発を行った．この教授単元を用いた教授実験を中学校で実施し，その有効性を確認することができた．

〔研究経過および成果〕

主に数学的で時々心理学的な背景）」の 4 つの条件

大転換期に位置付く現代社会の特徴として欠かすを充たすものであり，これら 4 つの観点で象徴される

ことができない点は，情報量の急速な増加である．あものである(Wittmann，1984，2001)．教授単元の特徴る情報が生まれるとその情報を別の見方によって変は，教材内容や教授方法などを適切に調節すれば，換されたり，また別の情報と統合したりすることによっ

小学校用の教材にも中学校や高等学校用の教材にて，新たな情報を生む．こうして無尽蔵に増え続け，もなり得る点にある．すなわち，教授単元は，小学校

今後も増え続けるであろう情報を有効に用いることがから高等学校までを一貫する体系的なカリキュラムとできるかどうかが，これから求められる教育像である．

しての機能を有する．

本研究においては統計的リテラシーと呼んでおり，こ福田(2017)によって，我が国の統計教育の課題としれはどこかの校種や学年で局所的に育成されるべきて，合理的な意思決定を生徒にさせるような問題のではなく，全校種・全学年にわたって大局的に育成さ設定ならびに解答に文脈が含まれるような問題の設れるべきである．こうした背景に基づき，本研究の目定が為されていない点を挙げている．そこで，解答に的を今日的な統計的リテラシーを育成するような体系文脈が含まれるように，解答が一意に定まらないよう的な統計教育カリキュラムを開発することと設定した．

な文脈として環境問題に焦点を当てた．これまでの研究の目的を達成するために，数学教育研究の成時代では人類の利益向上が目的であったのが，その果である Wittmann 氏が提唱した教授単元に着目しことによってこれまで耐え続けてきた地盤自体に影響た．この教授単元は「目的」・「題材」・「問題（単元のが出てきたことによって，特に環境という地盤に対し文脈から生じる数学的問題）」・「背景（単元に関するて，人間は考えざるを得なくなった．それ故に，人間78

中心主義による臨界点を迎えた今日の社会において，も同時に行わせた．そして，図 1 が一人の生徒が個

人類が歩んできた社会や文化を振り返り，反省する

人で最終的に作成した特性要因図である：

機会が必要となる．本研究では，環境問題の中でも温暖化問題を取り上げることにした．温暖化の原因をインターネット上に存在する多数の情報を探索することによって，自らの意思を決定し，説得的に説明を行うことを意図している．こうして開発された教授単元が次のようになる：
教授単元「環境エコロジーと因果関係」
目的：他者の環世界との対話を通して自己の環世

図 1：一人の生徒の最終的に作成した特性要因図

界を反省し，自己の環世界を更新するという特筆すべきは，結果「温暖化」に対する原因と意思決定．批判的－数学的レベルの統計的して，「産業革命」や「森林破壊」という人類が行

リテラシーの獲得．

ってきた活動が入っている点である．このような題材：環境問題に関する因果探究．

人類が行ってきた活動を原因として組み入れてい問題：環境問題の原因について様々な関係図が作る生徒は 25 名中 20 名（80%）いた．したがって，成されている．自分なりの関係図を作成し，デ原因と結果から成る因果を探究しながら，人類とータと文脈の両方の観点から言葉で説明せよ．

温暖化の関係性について生徒自身で考察すること

ただし，インターネットや計算機などは使ってができており，解答が一意に定まらない問題に対も構わない．

して意思決定を行うことができているといえる．
このことから，開発した教授単元の一定程度の有

背景：データ探索と文脈探索による因果探究．人類の文化的社会的な史的変遷の反省ならびに効性を確認することができた．

環境問題に対するトレードオフ問題への意〔発表論文〕

識．

１． Fukuda, H. (2018). Development of Teaching

この教授単元を用いた教授実験を，公立中学校のUnit on Causality Focusing on Environment. In

第 2 学年の生徒に対して，全 6 時間の授業として実F.-J Hsieh (Ed.). Proceedings of the 8th

施した．温暖化の原因が一意には定まっていないこ

ICMI-Eastとを，「CO2 は原因である」派の意見と，「CO2 は原因

Mathematics Education (Vol. 1, p.371). Taipei,ではない」派の意見の両方を提示することで共有し，Taiwan: EARCOME.

Asia

Regional

Conferenceon

インターネットを用いて班に分かれて探究活動を行っ

２． 福田博人・橋本善貴・三輪直也 (発表前). 「統た．そして班で纏めた結果を教室全体で発表・共有

計教育における因果探究を意図した教授単元のした上で，最後に個人の意見を記述して授業を終え開発研究」. 全国数学教育学会第 49 回研究発た．その際，原因と結果から成る特性要因図の作成

表会.

79

【助成 34 -02】
粒子内原子配列の実空間モデリングによる階層構造科学の創成

研究者 筑波大学数理物質系 教授

西堀 英治〔研究の概要〕本研究の目的は、0.001 ナノからミクロンメータスケールの階層的構造をすべて原子配列として観測し、原子の移動が機能を発現する二次電池材料などの高機能化に直結する情報を提供することである。ミクロ
ンサイズの紛体粒子の集合体を利用する Li イオン二次電池等において、単一粒子の表面、粒界、粒子内部すべてを原子の配列および電子分布や静電ポテンシャル分布として可視化し、その動作原理の解明から機能発現の学理構築から高機能化の指針を導出する。この目的のために、粒子の集合体から、各粒子のサイズ、形状分布、表面、内部形状の分布を原子配列として解明する方法を構築する。方法には独自に発案した粒子内原子配列の実空間モデリングによる解析法を用いる。

〔研究経過および成果〕

ユニット、圧力制御ユニット、試料ホルダーの 3

本研究の目的は、0.001 ナノからミクロンメータ

点で構成される。試料ホルダーは合成対象の試薬

スケールの階層的構造をすべて原子配列として観測を挿入したキャピラリを保持し、X 線回折計に固することである。この第一歩としてナノ材料を対象定される。温度制御ユニットは試料を加熱するヒに研究を開始した。ナノ物質の内部構造を含む微細ーターとコントローラ、空気を送出するコンプレ構造を見る手段として、透過型電子顕微鏡（TEM）、ッサーで構成される。コンプレッサーが送出した

コヒーレント X 線回折（CXD）、単結晶 X 線回折や粉空気をヒーターが暖め、試料を加熱する。圧力制

末 X 線回折（XRPD）がある。本年度はナノ材料合成

御ユニットは高圧送液ポンプ、配管、圧力計で構をしながら X 線回折により構造を評価するためにナノ成される。ポンプが送出した液体が配管を通って材料の X 線回折その場観察装置の開発を行った。合キャピラリへ到達し、試料を加圧する。2 つのユ

成法には超臨界ナノ材料合成法を採用した。

ニットがキャピラリ中で高温高圧の超臨界水熱合

超臨界その場 X 線観測の実現には高温かつ高圧成場を実現する。このキャピラリに放射光 X 線を下で回折データを測定する必要がある。超臨界ナ

照射し、ナノ粒子の回折データを得る。

ノ材料合成装置は耐圧の金属製であり、X 線を利開発した測定環境を利用して、ナノ粒子の合成用しても回折データを得ることが困難である。回過程に対する in situ 測定を SPring-8 の BL02B2 で折実験を可能とする装置を開発するため行った。実験ハッチ内の回折計に試料ホルダーを

Bremholm らを参考に、超臨界水熱合成の過程に固定した。圧力の制御ユニットは実験ハッチ外に対して in situ 放射光 X 線回折測定を実施する装置配置した。BL02B2 の高温窒素吹付装置と温度コを開発した。図 1 に装置の概略を示す。温度制御

ントローラを温度制御ユニットとして利用した。

80

再現性のある粉末回折パターンを測定するために

約 0.1Å3 であった。このことは、超臨界水中と亜実験条件を最適化した。

臨界の溶液では格子体積・粒子系に圧力が与える測定した粉末回折パターンに対して Rietveld 解析

影響が異なることを意味する。

を行った。CeO2 ナノ粒子の変化を決定した。スケール因子、粒子の平均径、格子定数の時間変化を調べた。格子定数から計算した単位胞体積の粒
子径依存性を決定した。

図2
存性

CeO2 ナノ粒子の単位胞体積の粒子径依〔発表論文〕
１． Hydrothermal reactor for in-situ synchrotron

図１ 開発した装置

図 2 に超臨界条件、液相条件、気相条件におけるradiation powder diffractionat SPring-8 BL02B2

CeO2 ナノ粒子の単位胞体積の粒子径依存性を示

for quantitative design for nanoparticle.T. Fujita,

す。横軸は粒子径である。縦軸は単位胞体積であH.

る。粒子径 43nm、単位胞体積 160.9Å3 に存在す

Supercritical Fluids, 2019 inpress.

Kasai,

E.

Nishibori,

The

Journalofる四角形の点が 20MPa-673K の気相条件である。

２． Structure factors and charge-density study of

粒子径 20nm から 35nm の範囲に外れて分布する

diamond at 800K. Y. Deguchi, E. Nishibori. Acta

ひし形は、30MPa-523K の液相条件である。黒丸

Cryst. (2018). B74, 651-659.

と白丸は、温度 673K の超臨界条件である。黒の３． Tightly binding valence electron in aluminum

三角形と白の三角形は、温度 623K の超臨界に近observed through X-ray charge density study.

い亜臨界と呼ばれる液相条件である。亜臨界と超Tomoaki Sasaki, Hidetaka Kasai, Eiji Nishibori,

臨界の結果に着目する。

Scientific Reports 8,11964 (2018)

亜臨界の 20MPa-623K と 30MPa-623K では、10MPaの圧力変化に対して単位胞体積と粒子径の関係はほとんど変化しなかった。47nm の粒子径では、単位胞体積の差は約 0.01Å3 であった。超臨界の23MPa-673K と 30MPa-673K では、7MPa の圧力変化に対して単位胞体積と粒子径の関係が明確に変化した。47nm の粒子径では、単位胞体積の差は81

【助成 34 -04】
匂い濃縮素子と単原子金属を用いた嗅覚センサ

研究代表者 東京工業大学科学技術創成研究院 教授 中本高道
共同研究者 東京工業大学科学技術創成研究院 教授 曽根正人

〔研究の概要〕匂い濃縮素子と電気化学センサを組み合わせた匂いセンシングシステムの研究を行っている。匂い濃縮には
弾性表面波素子をペルチェ素子で冷却し、香気成分を濃縮させる原理を用い、その動作を確認した。電気化学
センサの部分には電極上に金属原子クラスタを堆積させ、その触媒作用により高感度なセンサを実現することを目指す。現在、金属原子クラスタを堆積させることが可能となり、サイクリックボルタモグラム曲線によりプロパノー
ルとイソプロパノールの識別が可能との見通しを得た。

〔研究経過および成果〕

安定な有機物質であるポリアニリンで金属原子クラ１． はじめにスタをアイソレートさせる。ここでは金の金属原子安全安心な社会を実現する上で嗅覚センサは重要クラスタを堆積させる。金属原子クラスタは触媒とである。本研究では安全安心な社会を実現するためして機能する。金原子で修飾したポリアニリン膜をに、嗅覚センサに焦点をあてる。匂いセンサに関して

図１に示す。この膜を成膜するのに用いた実験装置

は、主にセンサデバイスに関する研究が多いが、まだを図２に示す。フローセルに設置した作用極電極

十分な感度や選択性を有するものは実現されていな(WE)上に金属原子クラスタを堆積させる。作用極電い。

極にはあらかじめプログラムした電位シーケンスをそこで、本研究では、匂い濃縮素子と単原子状金

ポテンシオスタットにファンクションジェネレータ

属を組み合わせて高感度高選択性の嗅覚センサをを介して印加する。また、KAuCl4 溶液と HCIO4 溶

実現し、安全安心な社会を実現するために実用に供

液は３方電磁弁を介してフローセルに導入する。図

するようなセンサシステムを実現する。本年度は単原

３は金原子クラスタを堆積前後の作用極の写真であ子状金属にもとづいた電気化学センサの検討を行っる。同図のように金原子クラスタ堆積後に色が変わた。金属原子クラスタの堆積により高い触媒活性が期っているのがわかる。

待でき、その結果高感度なセンサを実現できると考え

この金原子堆積電極を用いて、サイクリックボル

られる。

タモメトリを行い、構造異性体である n-プロパノー

２．電気化学センサ

ル及びイソプロパノールの識別実験を行った。その金属クラスタを堆積させた電極を用いた電気化学

結果を図４に示す。それぞれ-0.2V 及び+0.15V 付近

セルの実験について述べる。ここでは個々の原子をにピークが観察されるが、n-プロパノールでは-0.2V

１層ごとに積み上げて金属原子クラスタを形成し、付近のピークの方が大きいのに対して、イソプロパ

82ノールでは+0.15V 付近のピークが大きくサイクリックボルタモグラム曲線が異なるために両者を識別できることがわかった。

(a)
図 1．金原子で修飾したポリアニリン(b)
図 4．サイクリックボルタモグラム曲線 (a)n-プロパノール、(b)イソプロパノール〔発表論文〕
１． Yu-An Chien, Parthojit Chakraborty, Wan-Ting
Chiu, Tso-Fu Mark Chang, Takamichi Nakamoto,

図２．成膜用実験装置

Masato Sone,IEEJ Sensor Symposium, 2018,

latenews, L-311.
２． Parthojit Chakraborty, Yu-An Chien,Wan-Ting
Chiu, Masato Sone, Takamichi Nakamoto, Designand development of fuel cell type gas sensor withatomic Au decorated PANI/Pt composite, IEEE
図３．金属原子クラスタ堆積前(左)と堆積後（右）のSensors 2018, 1047-1050.

３． Parthojit Chakraborty, Wan-Ting Chiu, Masato

作用極の写真Sone, Takamichi Nakamoto,

Design and

５．まとめ

development of novel gas sensor by

現在、電気化学センサの安定性、再現性の確認、

electrochemical deposition of gold cluster on

濃度依存性の検討、ガスセンシング特性の検討を行

electrode surface, 電気学会E部門総合研究会、っており、気相センシングの可能性を見出した。

2018, CHS-18-001.

83【助成 34 -36】
発光機能をもつ環境応答性金属錯体の分子設計と放射線による殺細胞効果の評価への応用

研究者 青山学院大学理工学部

教授

田邉 一仁

〔研究の概要〕放射線による癌治療効果を向上すべく、細胞内酸素濃度変化を可視化する分子プローブを開発した。本研究では、酸素応答性のりん光を発するルテニウム錯体にさらなる化学修飾を加え、高機能酸素プローブの開発を目指した。まず、配位子にブロモピレン基を導入したルテニウム錯体(Ru-BrPy)は、従来のルテニ
ウム錯体よりも高い酸素応答性を示すと共に、細胞に速やかに取り込まれ、酸素応答性の発光を示すことを明らかした。また、細孔内にルテニウムを錯体を備えた多孔性ナノ粒子(MSN-Ru)によって、毒性の低減化に成功した。

〔研究経過および成果〕てきた。２０１８年度は、ルテニウム錯体をナノ

現行の放射線療法は必ずしも最適な照射条件で

粒子 1)に修飾し、さらなる高機能化を図った。

進められていないことがわかってきた。放射線療法は、がん部位に直接放射線を照射することで殺ナノ粒子化ルテニウム錯体の開発

細胞効果を得るものであるが、その効果は、組織

りん光発光性ルテニウム(Ru)錯体は、低酸素プ

内の酸素濃度に大きく依存することが知られる。

ローブとしての活用しうる一方、励起光照射時に放射線治療は充分な酸素濃度をもつ腫瘍には高い発生する一重項酸素(1O2)による細胞毒性と、錯体

殺細胞効果を示す一方で、酸素濃度が低い場合にそのものが発現する細胞毒性が確認され、これらはその効果は約 3 分の 1 程度に弱まる。これまで、は幅広い生体応用の妨げとなっていた。本テーマ

腫瘍は酸素濃度が低いと言われてきたが、近年、では、ルテニウム錯体が抱えるこれら課題の解決

腫瘍内の酸素濃度は必ずしも低酸素状態で一定でを目指し、更なる機能付与を試みた。

はなく、短い時間間隔で変動していることが示さ

多 孔 性 シ リ カ ナ ノ 粒 子 (Mesoporus silica

れた。すなわち、腫瘍内の酸素濃度が高まった時

nanoparticles : MSN)の細孔内部に光機能分子を導点で放射線を照射すれば非常に効果は高いが、酸入すると光照射によって発生する活性種の機能を素濃度が低い時点で照射しても治療効果は限られ制御できることが明らかにされてきた。例えば、る。そこで我々は、腫瘍内の酸素濃度を発光をモ

光増感剤を細孔内に導入すると、励起光照射によニターするだけでリアルタイムに計測する診断シって発生する 1O2 は細孔外部に放出される前に失ステムを構築することを目指した。これまでに当活し、細胞毒性を示さない。そこで、本テーマでグループではルテニウム錯体の酸素依存的なりん

は MSN の細孔を活用し、毒性を持たない新規り

光発光を活用した酸素検出プローブの開発を進め

ん光発光性 Ru 錯体プローブ(MSN-Ru)を設計した。

84すなわち、細孔内に Ru 錯体を固定化することで、（Ru-Py）を選択し、MSN-Ru と Ru-Py の毒性を発生する 1O2 を細孔内に閉じ込め、細胞内への拡比較した。まず、HeLa 細胞に MSN-Ru と Ru-Py

散を抑制することに加えて、Ru 錯体と生体内物質

を Ru 錯体の物質量が等しくなるように投与し、との直接的な相互作用を阻害できると期待した。

それぞれの殺細胞効果を調べた。その結果、Ru-Py
は大量に投与すると細胞の大半が死滅した一方、
MSN-Ru を投与した細胞はほとんど生存した(Fig.
2A)。次に、励起光照射時に発生する 1O2 の影響を評価するために、HeLa 細胞に MSN-Ru またはRu-Py を取り込ませ、波長 450nm の光を照射した。

MSN-Ru はマレイミド基を持つ Ru 錯体とチオー

Fig. 2B に示したように、Ru-Py は照射時間の増加

ル基で修飾された MSN（細孔サイズ 4nm）とのと共に増大する殺細胞効果を示したが、MSN-Ru

縮合反応を経て合成した。MSN-Ru の粒径を透過は長時間照射してもほとんど効果を示さなかった。

型電子顕微鏡(TEM)により測定したところ、487 ±これらのことは、Ru 錯体を MSN 細孔に導入する

54 nm であった。

ことによって、Ru 錯体および光反応によって発生

次 に 、 MSN-Ru の 発 光 挙 動 を 調 べ た 。

する 1O2 を原因とする毒性を大幅に低減できたこ

1%DMSO/PBS 溶液に異なる濃度の酸素ガスを通とを示している。

いりん光発光が観測された。高酸素濃度条件では、
りん光は抑えられたことから、酸素濃度応答性がCell viability (%)

Cell viability (%)

気し、励起光を照射したところ、低酸素条件で強確認できた。
次に、MSN-Ru の機能をヒト子宮頸がん由来 HeLa
細 胞 を 用 い て 調 べ た 。 細 胞 に MSN-Ru (0.02
mg/mL)を投与し、24 時間インキュベートした。

〔発表論文〕

続いて、蛍光顕微鏡で観察したところ、細胞から

１． Confinement of singlet oxygen generated from

Ru 錯体の発光が確認できたことから、MSN-Ru はruthenium complex-based oxygen sensor in the

細胞に速やかに取込まれたことがわかった。また、

pores of mesoporous silica nanoparticles. Kitajima,

培地の酸素濃度を 0%、20%と変化させたところ、N.; Umehara, Y.; Son, A.; Kondo,; Tanabe, K.

低酸素条件でより強い発光が観察されたことから、

Bioconjugate Chem. 2018, 29, 4168–4175.

MSN-Ru は細胞内においても酸素濃度に応答した発光を示すことを確認した。
次に、MSN-Ru が示す細胞毒性を評価した。参照
化合物として MSN に固定化していない Ru 錯体

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令和元年5月1日 発行