AI等の活⽤を推進する研究データエコシステム構築事業シンポジウム
2023年9⽉28-29⽇

ユースケースの創出

ESR 装置群を基軸とする研究データ流通･利活用エコシステムの構築
佐藤 和信、松岡 秀人†、土江 松美、臼杵 克之助
大阪公立大学
大学院理学研究科† 現所属：北海道教育大学

研究基盤共用センター

先端研究基盤共用促進事業（新たな共用システム導入支援プログラム）（研究機器相互利用ネットワーク導入実証プログラム（SHARE））
大阪大（代表機関）、大阪市大、奈良高専• 大阪公立大学が有する研究設備及び機器の共同利用を推進することにより、本学及び他の研究機関の研究力の向上と研究活動の活性化に貢献することを目的として発足• 阪奈機器共用ネットワークの中核として機器利用を通じた産学官連携を推進

大阪大・大阪公大・奈良高専の強みを活かした連携を基軸に機器共用・機器分析を介した、阪奈地区における「知の共創」と「地域産学官共創」を目指す
大阪大

バラエティ豊かな固体用NMR、X線回折装置、質量分析装置など

大阪公大

国内有数のESR（電子スピン共鳴装置）、共焦点三次元蛍光X線分析装置(試料内部の元素分析)など

奈良高専

50nm空間分解能をもつ走査型電子顕微鏡(構造観察と元素分析)、X線光電子分光装置など

化学分析を支える分析センターとして大型機器の運用と活用支援

研究基盤共用センター

学術研究推進本部
研究基盤共用センター
運営委員会
••

中百舌鳥専門部会
杉本・阿倍野専門部会

阪奈機器共用ネットワーク

研究設備の共用
機器利用と技術相談

大学連携研究設備ネットワーク

大学連携研究設備ネットワークに公立大学として初めて参画

研究データ流通･利活用エコシステムの構築（共用機器利用により得られるデータ等の利活用）
研究基盤共用センター
共用機器（抜粋）
透過型電子顕微鏡

クライオ透過型電子顕微鏡

共焦点3次元蛍光X線
分析装置

単結晶X線
解析装置

共用機器 96台
55台（杉本・阿倍野）
41台（中百舌鳥）

Qバンド
ESR装置

磁場型質量分析装置

600MHz
NMR装置
Xバンド
ESR装置

OS：openSUSE Linuxor MS Windows 10

旧２大学のネットワークから新大学ネットワーク（OMUNET）へ

400MHz
NMR装置OS：MS Windows 7

磁気共鳴（NMR/ESR）装置群

学内外ユーザーがオンライン上で各自の測定データにアクセスできる環境
整備とデータ処理・解析環境の構築 → GakuNin RDMとmdxの活用磁気共鳴分光
核磁気共鳴（NMR）

分子内の核スピンの測定
原子核上に局在化

電子スピン共鳴（ESR） 分子内の不対電子スピンの測定
磁場中でのゼーマン分裂（ゼーマン相互作用）が電子スピンは核スピンよりも660倍大きい （電子の質量は水素核の1/1840）
ESR 高感度NMR 高分解能

上向きスピン∆𝐸より高感度・高分解能を実現するための方向性は、NMR・ESRともに高磁場化
磁気共鳴画像（MRI）は磁気共鳴の原理を応用したものℎ𝜈

下向きスピン

磁場

NMRは化学系における主要な化合物分析技術の一つ
汎用化が進んでおり、学生を含めユーザーが多数多くの大学で共通機器として管理運営

さまざまなレベルのユーザー層が利用

NMR
超電導磁石

ESR電磁石共用機器で得られる測定データの利活用

環境構築
分析機器の運用における課題•

装置の老朽化◎ 測定機器のライフサイクルは長いため、継続利用可能データ活用の観点から☓ 安定な運用のため、分析機器のネットワークから独立☓ レガシーOS上での制御ソフトウェア利用（OSのセキュリティ機能の低下）

分光器の独立性を優先的に確保

非サポートOS

データ活用に関するユーザー共通の課題として、測定データ管理とデータ処理の汎用化・効率化
データ解析や評価に必要な環境の提供

共用分析機器の利便性の向上
セキュアな
単一方向
データ通信

測定データの解析・評価
支援NMR測定事例

FID

NMR スペクトル

共用機器で得られる測定データの利活用

環境構築
分析機器の運用における課題•

装置の老朽化◎ 測定機器のライフサイクルは長いため、継続利用可能データ活用に関するユーザー共通の課題として、データ活用の観点から☓ 安定な運用のため、分析機器のネットワークから独立☓ レガシーOS上での制御ソフトウェア利用（OSのセキュリティ機能の低下）

分光器の独立性を優先的に確保測定機として占有

非サポートOS

測定データ管理とデータ処理の汎用化・効率化
データ解析や評価に必要な環境の提供

共用分析機器の利便性の向上
セキュアな
単一方向データ通信

測定データの解析・評価
支援

データ処理

スペクトルデータの例
磁気共鳴（ESR/NMR）の測定データセット
測定パラメータセット／測定データ（バイナリーデータ、実数 or 複素数）
一次元データ： 10KB程度
多次元データ： 数百MB（データセットが巨大化）
電子スピン磁化の時間応答(FID)
時間軸スペクトル

周波数軸スペクトル

H
MeO
MeO

実部

OMe.

OMe

HH
OMe

OMe

B0 = 342.02 mT
T = 240 K

二次元スペクトル
虚部

学内外の測定データ利活用
OMUNET

ESRやNMR等の磁気共鳴測定データを管理する分
析データ集約･配信システム(3セット)を導入•分析機器室

旧OSシステム(分光装置)とNASとのセキュアなデータ
通信
測定室内外から分光装置へのアクセスを遮断装置間の通信不可
測定機能への影響を低減
NASは学内の登録されたネットワーク

有線LANのみからのみアクセス可能••NAS

学内ユーザー
学内ネットワークから測定データの読出しのみ可能
学外ユーザー
学認RDMを活用によりデータを共有し、学外から測定データの読出し現状）NASからGakuNin RDMにクラウド
ストレージを介して接続• セキュリティ機能はクラウドストレージに依存• 監理者によるサポートが必要
学内外ユーザーが研究データを活用できる環境を整備
大容量ファイルの取り扱い可能

学内NW許可したVLANのみ

学内ユーザー
Cloud Storage
GakuNin RDM

学外ユーザー

測定データの解析と評価（ESR）

実測スペクトル

シミュレーション

線幅や線形を含めた
磁気的性質を反映する
パラメータの決定
実測スペクトルの再現

電子状態
電子・分子構造
スピン分布の知見

H
MeO
MeO

OMe

.

OMe

HH
OMe

OMe

実測

3個の水素が等価18個の水素が等価
Ueda, A. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 4795–4799.

二次元相関スペクトルの計算
H
MeO
MeO

OMe

.

OMe

HH
OMe

OMe

スピン空間

S , I 1 , I 2 ,  I 212S  I2 の行列

電子スピン 1個
水素核スピン 3個
水素核スピン 18個

 I Memdxの活用
データ利活用
データのセキュアな転送・蓄積（VLAN, VPN）
GakuNin RDM
実測データのデータ処理・可視化
各種データフォーマット対応

データ可視化・解析環境の提供とプログラム共有
ブラウザー上で活用できると理想的データ解析・評価
スぺクトルの再現（スペクトルのシミュレーション）
物質の磁気的パラメータの決定→ 多変数の最適化問題
物質のスピン物性評価
磁気的パラメータの分子論的な理解
電子スピン分布・スピン間相互作用（電子-核／電子-電子）→ 量子論に基づく磁気パラメータの理論計算

分子構造・電子状態の理解

データ解析・理論計算
手法の共用化と効率化

ハイパフォーマンス計算
環境の利用
共用機器で獲得する研究データを解析・評価する環境プラットフォー
ムを整備⇓
研究力の底上げ

まとめ• 分析データの効率的な利活用に資するデータ集約・配信システムの構築– レガシーOS上のデータを学内外で利活用
ルーターによる機能制限– GakuNin RDMとの連携による学外ユーザーの利便性向上• 分析データの効率的な活用に向けた環境構築– mdxの仮想環境– mdxとの連携によるデータ活用・可視化、解析プラットフォームへの展開– データ解析、量子化学計算にmdxのハイパフォーマンス計算基盤の活用