hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
GluK3含有カイニン酸受容体による不安行動制御の解明

さらにこの培養神経細胞でのGluK3の局在を免疫染色で調べた。GluK3とプレシナプスマーカーのシナプトフィジン、そして興奮性のポストシナプスマーカーであるPSD95、または抑制性のポストシナプスマーカーのgephyrin、これらの三重染色でGluK3局在シナプスの特徴を調べたところ、GluK3は両方のシナプスで高密度に発現していることがわかった。その染色像は他のサブタイプのGluK2などとはかなり異なることが明らかとなった。行動解析では生理食塩水の投与により不安行動が増加してしまい、不安行動の変化に対する評価が遅れている。また、新たに解析に組み込んだ培養神経細胞の解析から、GluK3が発現する神経細胞には多数の性質を示すものがあることが分かり、GluK3の関与する神経回路は広範に渡って制御されているために、この回路の特徴を見出すことに当初の予定より時間がかかっている。育児休暇から復帰したので、当初予定していた計画のまま一年先送りし、研究を再開する。その最初の段階として、速やかにGluK3欠損マウスの繁殖を行う。繁殖が安定するまで、GluK3の脳内での発現領域のGluK3遺伝子改変マウス間での違いを育児休暇以前に作成し保存していた凍結切片を用いて免疫染色を行い形態観察する。その中で、特に変化がみられる部位に着目して生化学的解析を行う。また皮質の培養神経細胞の技術を習得したので、今後の実験計画に追加で組み込む。具体的には、皮質培養神経細胞において、モノアミンレセプターを刺激した時に、GluK3や他のカイニン酸受容体の発現量やさらに細胞膜上での発現量に変化がみられるのかウェスタンブロット法で調べる。行動解析では生理食塩水やハロペリドールを用いた薬剤投与後の解析条件の検討がより必要であることがわかったため、薬剤投与後の行動解析をする時間を検討する。行動解析で異常が明らかとなった薬剤投与後のマウスの脳を採取し生化学解析を行いGluK3発現量の増減を確認する。また培養神経細胞で内在性のGluK3の刺激による局在変化を免疫染色で見るには、神経細胞の種類によってGluK3の発現パターンが異なるため評価が難しいことが分かった。そこで蛍光標識したGluK3発現ベクターを作製し培養神経細胞に発現させ、薬剤刺激時のGluK3の局在変化を解析する。これまでの解析ではどこの領域がGluK3による不安制御を中心的に行っているのかは明らかにできていない。野生型とGluK3KOマウスの脳切片を免疫染色し、主要な興奮及び抑制性の神経伝達に重要な分子の発現の差を脳全体で検討する。また、野生型とGluK3KOマウスの脳領域を切り分けて、それぞれ質量分析にかけ、発現に差がある分子群を網羅的に解析する。さらにGluK3を介した不安制御神経回路の解析は、回路に関係する候補分子を絞る。そのために、GluK3が大脳皮質のシナプスに高発現していることが免疫染色で明らかとなったのでGluK3結合タンパク質を免疫沈降実験と質量分析法で調べる実験を追加し、シナプスにおける受容体や足場タンパクとの相互作用を改めて解析に組み込む。育児休暇で研究を中断していたため、一年延長申請をしたため。申請者は2018年度から育児休暇後復帰し、研究継続期間が一年間あるため次年度使用額が生じた。復帰とともに研究室を異動したため、当初の計画とは異なる神経細胞の培養や免疫染色による解析を行っている。
細胞分化に伴うマウスGATA-1遺伝子発現の量的制御機構の解明

(1)BACトランスジェニックマウスを用いたin vivoでの定量的なレポーター解析系の確立Gata1遺伝子の翻訳領域をGFP cDNAに置換したマウス大腸菌人工染色体(BAC)を用いてトランスジェニック(TG)マウス(GATA-1BAC GFP TGマウス)を4ライン樹立した。GFPの発現は内因性Gata1遺伝子の発現様式を忠実に再現しており、GFPmRNA量および蛍光強度はトランスジーンのコピー数に依存していた。この系によって、Gata1遺伝子に存在するシスエレメントがGata1発現量にどの程度貢献しているかについて、マウス個体を用いて解析することが可能となった。(2)Gata1遺伝子のシスエレメントを欠失させたBAC GFP TGマウスの解析(1)の系を用いてGata1遺伝子の発現において強力なエンハンサーとして機能するGata1 hematopoietic enhancer (G1HE)領域に欠失や変異を加えたTGマウスを作成した。その結果、骨髄での赤血球系細胞にGFP陽性細胞の減少とGFP発現強度の低下が観察された。赤血球の分化段階を追って解析した結果、Gata1の発現量が最大となる前赤芽球では、GFP強度は1/5程度にまで減少していたもののGFP陽性細胞の数は保たれていた。一方、前赤芽球より未熟な細胞や分化した細胞ではGFP陽性細胞数が著しく減少していた。これらの結果から、前赤芽球ではG1HEに依存しない制御様式が存在しているが、分化の初期および後期ではG1HEはGata1の発現に必須であることが示唆された。さらに、G1HEに含まれるGATA boxに変異を加えただけでほぼ同様の結果が再現されたことから、GATA-1,GATA-2によるGata1遺伝子の自律的な制御がエンハンサー機能の中心的な役割を担っていると考えられた。マウスGata1遺伝子座を含むマウス大腸菌人工染色体(BAC)クローンを材料として、相同組み換えによって翻訳開始点にGFPまたはLuciferase cDNAを挿入した組み換えBACを作成し、トランスジェニック(TG)マウスを作成した。樹立したGATA-1BAC GFP TGマウスの赤血球におけるGFP発現量はBACの挿入コピー数に依存していた。すなわち、GATA-1BAC GFP TGマウスは位置効果の影響を受けにくい状態でレポーターの発現強度を定量的に解析できるマウスであることが示唆された。また、マウスGata1遺伝子の約8.5kbpの領域を用いたGFPマウスに比較して未分化な赤芽球での発現をより効率よく再現していることが示唆された。2.血球特異的発現に必要なコア・シスエレメントを欠失させたGFP BACトランスジェニックマウスの作成マウスGata1遺伝子における血球系エンハンサー(HE)を欠失させた、GATA-1BAC GFP(delta G1HE)を用いてTGマウスを作成した。GFPの発現は赤芽球前駆細胞のうち分化の早い時期では全く消失しており、分化が進んだ細胞集団のGFP強度が低下していた。これらの結果からHEの機能的貢献が細胞の分化段階によって異なっていることが示唆された。3.組織特異的プロモーター選択によるGATA-1発現の量的制御に関する解析マウスGata1遺伝子における精巣セルトリ細胞特異的なシス領域(TAR)を欠失させた、GATA-1BAC GFP(delta G1TAR)を用いてTGマウスを作成したが、精巣でのレポーター発現低下はみられず、赤血球への発現への影響もみられなかった。(1)BACトランスジェニックマウスを用いたin vivoでの定量的なレポーター解析系の確立Gata

1遺伝子の翻訳領域をGFP cDNAに置換したマウス大腸菌人工染色体(BAC)を用いてトランスジェニック(TG)マウス(GATA-1BAC GFP TGマウス)を4ライン樹立した。GFPの発現は内因性Gata1遺伝子の発現様式を忠実に再現しており、GFPmRNA量および蛍光強度はトランスジーンのコピー数に依存していた。この系によって、Gata1遺伝子に存在するシスエレメントがGata1発現量にどの程度貢献しているかについて、マウス個体を用いて解析することが可能となった。(2)Gata1遺伝子のシスエレメントを欠失させたBAC GFP TGマウスの解析(1)の系を用いてGata1遺伝子の発現において強力なエンハンサーとして機能するGata1 hematopoietic enhancer(G1HE)領域に欠失や変異を加えたTGマウスを作成した。その結果、骨髄での赤血球系細胞にGFP陽性細胞の減少とGFP発現強度の低下が観察された。赤血球の分化段階を追って解析した結果、Gata1の発現量が最大となる前赤芽球では、GFP強度は1/5程度にまで減少していたもののGFP陽性細胞の数は保たれていた。一方、前赤芽球より未熟な細胞や分化した細胞ではGFP陽性細胞数が著しく減少していた。これらの結果から、前赤芽球ではG1HEに依存しない制御様式が存在しているが、分化の初期および後期ではG1HEはGata1の発現に必須であることが示唆された。さらに、G1HEに含まれるGATA boxに変異を加えただけでほぼ同様の結果が再現されたことから、GATA-1,GATA-2によるGata1遺伝子の自律的な制御がエンハンサー機能の中心的な役割を担っていると考えられた。
新規DAMPsタンパク質の機能解析

生体は始終生体内外からの侵襲に曝されているが,それらを巧みに処理・対応することで生体の恒常性を維持している。このうち生体外からの侵襲は微生物由来の分子群であるPathogen Associated Molecular Patterns(PAMPs),生体内からは内部で生じた壊死細胞由来,あるいは障害を受けた組織由来の分子群であるDamage Associated Molecular Patterns(DAMPs)と呼ばれる。特にDAMPsは細胞がネクローシスした時だけでなくアポトーシス、ネクロプトーシス、パイロプトーシスと言った多様な細胞死のシグナルを受けて受動的あるいは能動的に分泌する細胞の『ダイイング・メッセージ』とも呼ばれ、主に炎症性の細胞応答を誘導することが明らかとなっている。本研究では新規のDAMPsタンパク質の同定およびその分泌経路と機能解析を行うことで、細胞死シグナルにおける各種DAMPs因子の『ダイイング・メッセージ』としての生理的意義を明らかにするべく研究を進める。この目的のために本研究では1)新規DAMPsタンパク質の同定、2)候補因子の分泌と細胞死シグナルと関係性に関する解析、3)候補因子の分泌後の生理的機能解析、4)創薬ターゲットとしての候補因子の評価の4つのステップについて段階的に研究を進めていく。2018年度では2017年度に開発したルシフェラーゼ解析を応用したsELISA法に代わる新たな内在性タンパク質の分泌解析手法とケミカルライブラリーを用いて新規DAMPsタンパク質の分泌解析を実施した。本研究に先立ち実施したクリーニングにより同定した新規DAMPsタンパク質候補の13因子について内在性タンパク質の分泌解析を行い、現在のところ2因子について内在性タンパク質の非アポトーシス的刺激下における細胞外の分泌し、炎症を惹起することも確認することができている。また特に2018年度では特異的な抗体が必要となるsELISA法に代わる手法としてルシフェラーゼ解析を応用した内在性タンパク質の分泌解析法とケミカルライブラリーを用いてDAMPsタンパク質の分泌を阻害する薬剤の同定にも成功している。2019年度ではこれら知見を活用し、新規DAMPsタンパク質の分泌機構と生体内での生理機能を明らかにしていく。2019年度では2018年度に実施したケミカルライブラリーを用いたスクリーニングによって同定したDAMPsタンパク質分泌阻害薬に関して作用機序から推察できるシグナル経路とDAMPsタンパク質分泌機構との関係性を解析していく。またマウスに対して各新規DAMPsタンパク質に対してルシフェラーゼタンパク質タグのノックインおよびペプチドタグをゲノム編集にてタギングを実施し、生体内での創薬ターゲットとしての新規DAMPsタンパク質の有用性を評価する。平成29年度では本研究に先立ち実施したクリーニングにより同定した新規DAMPsタンパク質候補の13因子について内在性タンパク質の分泌解析を行った。またルシフェラーゼ解析を応用したsELISA法に代わる新たな内在性タンパク質の分泌解析手法の開発を行った。本研究に先立ち実施したクリーニングにより同定した新規DAMPsタンパク質候補の13因子について内在性タンパク質の分泌解析を行い、現在のところ2因子について内在性タンパク質の非アポトーシス的刺激下における細胞外の分泌を確認することができた。またこれらタンパク質がサイトカインの誘導するといった炎症反応を惹起することも精製タンパク質を用いた解析から明らかにすることができた。さらに特異的な抗体が必要となるsELISA法に代わる手法としてルシフェラーゼ解析を応用し、内在性タンパク質の分泌解析法も開発することができた。この手法も用いて、平成30年度では新規DAMPsタンパク質の分泌機構と生体内での生理機能を明らかにしていく。

この目的のために本研究では1)新規DAMPsタンパク質の同定、2)候補因子の分泌と細胞死シグナルと関係性に関する解析、3)候補因子の分泌後の生理的機能解析、4)創薬ターゲットとしての候補因子の評価の4つのステップについて段階的に研究を進めていく。2018年度では2017年度に開発したルシフェラーゼ解析を応用したsELISA法に代わる新たな内在性タンパク質の分泌解析手法とケミカルライブラリーを用いて新規DAMPsタンパク質の分泌解析を実施した。本研究に先立ち実施したクリーニングにより同定した新規DAMPsタンパク質候補の13因子について内在性タンパク質の分泌解析を行い、現在のところ2因子について内在性タンパク質の非アポトーシス的刺激下における細胞外の分泌し、炎症を惹起することも確認することができている。また特に2018年度では特異的な抗体が必要となるsELISA法に代わる手法としてルシフェラーゼ解析を応用した内在性タンパク質の分泌解析法とケミカルライブラリーを用いてDAMPsタンパク質の分泌を阻害する薬剤の同定にも成功している。2019年度ではこれら知見を活用し、新規DAMPsタンパク質の分泌機構と生体内での生理機能を明らかにしていく。平成30年度では引き続き、新規DAMPsタンパク質の精製タンパク質を用いて細胞に対する機能を解析していく。また平成29年度ではCRISPR/Cas9システムを用いて細胞・マウスに対してルシフェラーゼタンパク質タグをノックインすることで内在性タンパク質の分泌解析行うシステムを開発したことを応用し、各新規DAMPsタンパク質に対してルシフェラーゼタンパク質タグのノックインをシステマティックに実施する。また生体内での創薬ターゲットとしての新規DAMPsタンパク質の有用性を評価できるように、このルシフェラーゼタンパク質タグに対する中和抗体も作製していく。2019年度では2018年度に実施したケミカルライブラリーを用いたスクリーニングによって同定したDAMPsタンパク質分泌阻害薬に関して作用機序から推察できるシグナル経路とDAMPsタンパク質分泌機構との関係性を解析していく。またマウスに対して各新規DAMPsタンパク質に対してルシフェラーゼタンパク質タグのノックインおよびペプチドタグをゲノム編集にてタギングを実施し、生体内での創薬ターゲットとしての新規DAMPsタンパク質の有用性を評価する。(理由)sELISA法に代わる手法としてルシフェラーゼタンパク質タグが有用であることが平成29年度の解析から明らかとなったので、このタグに対する抗体作製に取り掛かることになった。
中国の介護市場に進出した日本式介護の質評価指標の開発および実証研究

申請者は、現在の中国が抱える介護の課題に対して、日本で培われた質の高い「日本式介護」サービスの導入が有効であると考える。実際に近年、「日本式介護」は中国の介護市場に進出したが、一方で利用者獲得困難や現地サービスとの差別化に苦慮している。そこで、日本式介護サービスの導入を促進するために、その質の高さと意義を実証的に示すことが本研究の目的である。具体的には、第1に国内外の介護の質評価の指標と理論を検討し、独自な評価指標を開発する。第2、何をもって日本式介護サービスの質が高いと言えるか、日中比較の視点から実証的に明らかにするものである。
福島事故で発生したデブリの大気圧非平衡プラズマと固体吸着剤を用いた化学処理法

「デブリの熱化学計算等による化学的特性の評価と模擬デブリの試作」熱化学計算では、炉内デブリ、MCCI生成物の塩素化反応に関するギブズエネルギー変化を熱力学データベースMALTを用いて計算し、有意に生じる化学反応を評価した。この結果、塩素ガスより四塩化炭素ガスを用いた方が効率的に塩素化が進むこと、コンクリート中のカルシウム化合物が優先的に塩素化されること、金属ZrはZrO2に比べて容易に塩素化されること等を示した。模擬デブリの試作では、ウラン・ジルコニウム・鉄を共沈させた後に還元して焼成する手法の検討を行った。「デブリ化学転換及び溶解に関する基礎研究」二酸化ウランペレットと試作した模擬デブリを用いて熱酸化反応による粉体化および酸化現象の比較検討を行った。「固体抽出剤の開発と核種分離に関する基礎研究」長鎖アミド基を交換基とする複数のモノアミド樹脂を合成し、硝酸および塩酸系にて種々の金属イオンに対する吸着特性をバッチ法により検討した。その結果、交換基の化学構造の僅かな差異によってもウラン(VI)を始めとするアクチノイドイオンや一部のFPに対する吸着挙動が異なることを明らかにした。マイナーアクチノイドの分離除去についても検討を行い、ピリジン樹脂を用いて硝酸系でマイナーアクチノイドと希土類元素の分離可能性を見出した。無機イオン交換体の研究では、タングステン、モリブデン、アンチモン、スズを含む無機イオン交換体を作製し、いずれもアモルファス構造をとっていて微細な構造を有することを確認した。0.1mol/L塩酸溶液中でアンチモンを含むものについては、ストロンチウムの吸着性能を持つことを確認した。タングステンを含む無機イオン交換体はパラジウムを吸着し、スズを含むものは、鉄およびモリブデンを吸着することを確認した。貴金属の回収については、新規有機抽出剤についても分子設計をもとに開発を始めた。本研究課題は、東日本大震災に伴う福島第1事故で発生した、難溶解性のデブリに関して化学転換を行い溶解し、適切な核種分離を実施することにより、測定法の確立や処理・処分に資するために行っているものであり、デブリの化学的性質を評価するための熱化学計算等に研究、模擬デブリの試作、試作した模擬デブリを用いた化学転換及び溶解に関する基礎研究、デブリ中に含まれるウラン等のアクチノイドの分離・回収や様々な元素・核種の分離に係わる研究を実施している。それぞれの研究で当初の予定通りに研究が進捗しており、多くの成果が得られいる。また、分離に用いる吸着体については、試験の結果を反映し、適宜、物質を修正もしくは新たな手法を取り組むなどにより新たな抽出剤を得るなどしており、予想外の新たな知見も得られている。デブリの熱化学計算等による化学的特性の評価に関しては、2元系合金の凝固解析プログラムを多元系の酸化物凝固解析プログラムに改良し、溶融燃料とコンクリートの溶融凝固による組織形成挙動を含めた化学特性評価を行う予定である。模擬デブリの試作に関しては、化学転換試験で用いるため複数の異なる模擬デブリを作成する。化学転換では、模擬デブリを用いることにより、化学転換の課題が明確になったので、熱化学反応を用いて酸化現象と還元現象による粉体化と塩素化反応の確認を行う。また、プラズマ化学反応による反応促進については、装置の改良を進め、特に酸化還元による粉体化を中心に実施する予定である。。アクチノイドの分離・回収に関しては、更に新規の長鎖型モノアミド樹脂合成に取り組むと共に、ウランおよび他のアクチノイドに対する吸着データを取得する。また、カラム試験による核種の相互分離についても検討する。更には3価のアクチノイドについても希土類元素との分離とアクチノイド間の相互分離法についても検討を行う予定であり、吸着特性を評価するために必要な分析に関しても質量分析を用いた方法を発展させる予定である。吸着特性を評価するために必要な分析に関しても質量分析を用いた方法を発展させる。タングステン酸系、ニオブ酸系の無機イオン交換体の作製を行い、使用済み燃料に含まれている元素(白金族、希土類、ルビジウム、バリウム、ジルコニウム、モリブデン等)の混合溶液の吸着試験を予定している。回収されるアンチモンの利用も考慮し、アンチモン酸系の無機イオン交換体についても再検討する。また、白金族系(パラジウム、ロジウム、ルテニウム)の分離に関しては窒素系の抽出剤を新規合成する。「デブリの熱化学計算等による化学的特性の評価」では、熱力学平衡計算ソフトFactSage6.4、熱力学データベースNUCLEAを用いてU-Zr-O系の酸素ポテンシャルー温度図を作成し、(U,Zr)O2が高次の酸化物への酸素ポテンシャルはUO2、ZrO2の比率によらず一定であること、また、ZrO2の固溶によるUO2の酸化の抑制効果は、ギブズの自由エネルギーの低下で説明できることを示した。「大気圧非平衡プラズマによるデブリ化学転換及び溶解に関する基礎研究」では、不定形のデブリに対応できるフロー型プラズマリアクターの試作を行い、二酸化モリブデンを用いた模擬デブリで酸化試験を行い、この試験装置により酸化現象が起きることを確認した。

「固体抽出剤の開発と核種分離に関する基礎研究」では、ウラン等のアクチノイド吸着体に係わる研究として、主に一段階の付加重合で合成可能な複数のアミド型樹脂を合成し、硝酸および塩酸系にて種々の金属イオンに対する吸着特性をバッチ法で検討し、樹脂の交換基の化学構造と金属イオンに対する吸着特性の関係は必ずしも明確でなく、今後交換基の主な配位原子である酸素の電子供与性等についても検討すべきであることを確認した。核種分離に関しては、モリブドリン酸アンモニウムおよびタングストリン酸アンモニウムを用いてバッチ試験により、セシウムへの選択的吸着を確認し、続いてカラム法で使用で切る様に造粒を試みた。造粒法としては多孔性シリカビーズ中でこれら吸着体を合成する方法で、合成可能であることを確認した。また、アモルファス構造をもつアンチモン酸スズ、およびスズ酸についても合成成功し、アンチモン酸スズは、ストロンチウムをよく吸着し0.1mol/L塩酸溶液中で約90%吸着すること、更には、ルテニウムも比較的よく吸着することを確認した。白金族軽吸着体として活性セラミック型吸着剤の開発を行った。デブリの科学特性については、熱力学平衡計算ソフト、熱力学データベースを活用し、炉内デブリの主要構成成分であるU-Zr-O系の熱力学特性の評価を終了している。難溶解性デブリの化学転換に関しては、トーチ型大気圧非平衡プラズマ装置の試作を行い、模擬デブリによる試験まで行っている。固体吸着剤に関しては、ウラン吸着用のアミド型樹脂の開発まで行っており、核種分離用の無機イオン交換体については、種々核種分離用の吸着体の合成と核種選択性の確認までできている。「デブリの熱化学計算等による化学的特性の評価」では、溶融燃料とコンクリートの溶融凝固過程による相生成及び組織形成をシミュレーションするため、これに発展可能な2元系合金の凝固解析プログラムを作成し、物性値による結晶構造や結晶成長への影響、固・液相内の濃度勾配や温度勾配の時間変化を評価した。「大気圧非平衡プラズマによるデブリ化学転換及び溶解に関する基礎研究」では、二酸化ウランの焼結体を作成し、熱酸化反応による粉体化の確認と四塩化炭素を用いた熱塩素化反応を行い、X線回折による生成物の構造解析を行った。「固体抽出剤の開発と核種分離に関する基礎研究」では、誘導結合プラズマ質量分析装置を用いたアクチノイドの測定法について確認した後、アクチノイド吸着に関しては、ウランに特異的に吸着することが期待される長鎖アミド基を交換基とする複数のモノアミド樹脂を合成し、硝酸および塩酸系にて種々の金属イオンに対する吸着特性をバッチ法により検討した。その結果、ウラン(VI)の吸着に関しては、(i)従来検討していた短鎖型の方が総じて優れている、(ii)塩酸系の吸着特性は一般的な強塩基性陰イオン交換樹脂と類似していることを明らかとした。また、その他の核種の分離・吸着に関する研究では、タングストリン酸やモリブドリン酸系無機イオン交換体によるセシウム除去の研究を実施し、構造を確認すると共にセシウムの選択的吸着を確認した。また、タングステン酸を基体とする吸着剤の作成も行いそれらがアモルファス構造で且つ微細な構造を有することを確認し、ルテニウムやパラジウムの吸着とモリブデンの吸着を確認した。更に活性セラミックス吸着剤では、軽白金族のパラジウム、ロジウム、ルテニウムを数回吸着操作を繰り返すことによりこれら3金属の分離が可能である可能性を見出した。
生体冠動脈硬化プラークの組織性状同定を可能にする新型血管内カラーエコー法の開発

急性心筋梗塞などの心血管イベントの主要病態は、動脈硬化プラークの表面に存在する線維性被膜の突然の断裂と、それに伴う血栓の惹起であると言われている。プラークの易破綻性の主な規定因子の一つに、線維性被膜の非薄化がある。動脈硬化プラークの断面像を生体で描出できる有用な方法として血管内エコー法(IVUS)があるが、従来の白黒画像はプラークの大きさの定量には有用であっても組織性状同定能には大きな限界があると以前から指摘されていた。その中で申請者はIVUSカテーテルが動脈内腔における位置(超音波入射角度)によってプラークのエコー輝度が変化することに着目し、その輝度変化が線維性被膜に顕著に認められることを過去に報告した。そしてこの事によりエコー輝度超音波入射角度依存性の測定が組織性状同定法に応用できる可能性を示唆した。本研究では、その角度依存性をカラーマッピングする方法を新たに開発し、組織性状同定への有用性を検討することにある。カラーマッピングは、カテーテルの位置の変化に伴う関心領域のエコー輝度の変動を連続的に記録し、輝度が最大になる画像から最小になる画像を位置補正した後デンタルサブトラクションし、その結果をカラーコーディングすることにより行った。この方法によりプラークの表面に線維性被膜が描出可能となりその厚さが0.1mmのオーダで測定できることが判明した。すなわち組織切片で測定した実際の長さとの回帰分析の結果はr=0.81,P<0.0001であり、Bland-Altmanのバイアス値は0.00±0.10mmであった。この方法は生体で線維性被膜の厚さを測定できる可能性を示した世界で初めての方法であり、この方法によって動脈硬化プラークの易破綻性を評価できうるため臨床的意義が大きいものと考えれられた。血管内エコー法は、先端に超音波探触子を装着した直径約1mmのカテーテルを直接生体の血管に挿入し血管壁の断面像を生体から得る唯一の方法として開発されたものである。申請者は、この血管内エコー法が動脈硬化プラークの組織性状や物理的硬度についてどれだけの情報をもたらしてくれるかについて詳細に検討した結果、動脈硬化病変の組織性状、特に脂肪領域やコラーゲン含有量などを同定することに関しては、従来の白黒画像方式の血管内エコー法はあまりにも信頼度が低い方法であることが判明した。そこで、とくに心筋梗塞や狭心症など動脈硬化病変を有しかつ緊急に診断を要する患者について、もっと視覚的でリアルタイムに冠状動脈硬化病変の組織性状の情報を提供してくれる方法の開発が望まれる。今回申請者は組織のエコー輝度の超音波入射角度依存性に着目した。そしてそれを、通常の血管内エコー法と重ね合わせてカラーマッピングする方法を開発した。この新しい方法により従来の白黒血管内エコー法では不可能であった動脈硬化プラークの線維性被膜の同定が可能となる。これについてはすでに予備的な研究を行っていたが、平成12年度は画像表示に関するコンピュータプログラムの開発を行ったほか、基礎的データを論文にまとめ学術雑誌に投稿し受理された。心筋梗塞などを含む急性冠症候群は冠動脈プラークの表面を覆う線維性被膜が断裂して血栓が形成されることにより起こるとされている。線維性被膜が菲薄化したプラークは不安定プラークと呼ばれ、心筋梗塞に至りやすいとされる。このように線維性被膜の厚さは動脈硬化病変の安定性を決めるきわめて重要な因子であり、それを生体で描出できる意義は極めて大きいと考えられ、今後臨床応用を行う予定である。

急性心筋梗塞などの心血管イベントの主要病態は、動脈硬化プラークの表面に存在する線維性被膜の突然の断裂と、それに伴う血栓の惹起であると言われている。プラークの易破綻性の主な規定因子の一つに、線維性被膜の菲薄化がある。動脈硬化プラークの断面像を生体で描出できる有用な方法として血管内エコー法(IVUS)があるが、従来の白黒画像はプラークの大きさの定量には有用であっても組織性状同定能には大きな限界があると以前から指摘されていた。その中で申請者はIVUSカテーテルが動脈内腔における位置(超音波入射角度)によってプラークのエコー輝度が変化することに着目し、その輝度変化が線維性被膜に顕著に認められることを過去に報告した。そしてこの事によりエコー輝度超音波入射角度依存性の測定が組織性状同定法に応用できる可能性を示唆した。本研究では、その角度依存性をカラーマッピングする方法を新たに開発し、組織性状同定への有用性を検討することにある。カラーマッピングは、カテーテルの位置の変化に伴う関心領域のエコー輝度の変動を連続的に記録し、輝度が最大になる画像から最小になる画像を位置補正した後デジタルサブトラクションし、その結果をカラーコーディングすることにより行った。この方法によりプラークの表面に線維性被膜が描出可能となりその厚さが0.1mmのオーダで測定できることが判明した。すなわち組織切片で測定した実際の長さとの回帰分析の結果はr=0.81,P<0.0001であり、Bland-Altmanのバイアス値は0.00±0.10mmであった。この方法は生体で線維性被膜の厚さを測定できる可能性を示した世界で初めての方法であり、この方法によって動脈硬化プラークの易破綻性を評価できうるため臨床的意義が大きいものと考えれられた。
光子流束が誘起するマクロ系の自律運動

本研究では、cmスケールの物体を可視光レーザーにより遠隔操作により搬送することを可能にするような、新規な方法論の確立を目指した。中でも、単一のグリーンレーザーを用いて、上方から、cmサイズの液滴を、照射させたときに生じる、自律運動について、新しい発見を行うことができた。レーザーの出力を上げていくと、微細なゆらぎの状態から、焦点を中心とする往復運動へとモード分岐する。更に出力を上げていくと、焦点のまわりの公転運動に分岐することを見出し、理論的にもそのメカニズムを明らかにすることができた。光子は運動量の運搬体でもあることから、光による物体の搬送についての研究は数多い。しかしながら宇宙空間を除くと、地球上で輸送可能な物体のサイズは、実質的には数十μm程度が限界であった。本研究では、cmスケールの物体を光泳動や、光誘起の自律的運動を中心課題としている。研究の方法論としては、光照射によって引き起こされる、cm-mmのマクロ物体上の界面張力の空間勾配を駆動源とする。界面張力の空間勾配の生成には、1)光吸収による温度勾配の発生、2)光による有機分子の異性化反応、3)集光による誘電ポテンシャルによって誘起される液相の相転移(相分離)の、3つの異なる実験手法を用いる。本年度は、上記の実験系の確立を中心に研究を行い、以下の2つの成果を報告した。イオン液体と液晶を混合させた溶液にレーザーを入射するとその焦点に定常的な特異構造が形成される。これは非平衡条件下における、空間特異性を持った相分離構造であると思われる。水面上にオレイン酸液滴とオレイン酸ナトリウム顆粒を個々に浮かべた場合、界面に分子が広がる以外に特に大きな現象は起きない。ところが、両者を接触させた状態で浮かべると、長時間に渡ってそのコンポジットの自発運動が起きるという事が明らかになった。液滴に非常に大きなマランゴニ対流が誘起される事によって駆動しており、液滴と顆粒を組とした自律運動系である。今回は特に、下流の大きさを系統的に変化させた際の、コンポジットの運動モード変化に着目して系を解析した。また、現象論的なモデルを作成し実験と良い相関が得られた。昨年度までに1の課題の実験を行い、センチメータースケールの液滴や固体をレーザー光によって搬送することに成功している。レーザー照射部位近辺の温度の上昇した領域では、界面エネルギーが低下(界面張力が減少)する。液滴の重心付近にレーザーが照射されたときには、全体としては界面エネルギーの減少した面積が増大するため、液滴は系の自由エネルギーのより低い方向に移動する。これを、対流測定や温度測定から明らかにした。今年度は、対流や温度分布等を測定する実験と、理論やシミュレーションとの対応から、その運動メカニズムを解明した。現在論文投稿中である。同様に、空気中に浮遊するマイクロメータースケールの液滴にレーザー光等の光を照射した際に誘起される逆泳動を解明した。通常、光圧を考えれば光のポインティングベクトルの向きに液滴が動かされる事が普通であり、実験でもそれが再現される。同時に、ある特定条件下ではそれと逆方向に動く現象が知られていた。しかし、その逆泳動のメカニズムは明らかになっていない。本年度は理論・実験め両面から逆泳動のメカニズムを明らかにし、論文として出版した。また、昨年度は固体と液滴のコンポジットによって効率的に自律運動する実験系を発見した。並進運動と回転運動を取り出すとともに、それらの運動モード変化を系統的に調べ、固体と液滴の進行方向に対する前後の非対称性が制御パラメータであることを明らかにした。現在論文作成中である。しかしながら宇宙空間を除くと、地球上で輸送可能な物体のサイズは、実質的には数十マイクロメーター程度が限界であった。本研究では、cmスケールの物体を可視光レーザーにより遠隔操作により搬送することのできる、新規な方法論の確立を目指した。

具体的には、1)光吸収による温度勾配の発生、2)光による有機分子の異性化反応、3)集光による誘電ポテンシャルによって誘起される液相の相転移(相分離)の、3つの異なる実験手法について、本研究を3年間に渡って推進し、いずれも当初の予想を越えた成果が得られている。本年度は、その中でも、単一のグリーンレーザーを用いて、上方から、cmサイズの液滴を、照射させたときに生じる、自律運動について、新しい発見を行うことができた。レーザーの出力を上げていくと、微細なゆらぎの状態から、焦点を中心とする往復運動へとモード分岐する。更に出力を上げていくと、焦点のまわりの公転運動に分岐し、これらは、いずれも亜臨界型の、不連続かつ履歴のあるモード分岐の特徴を示す。このような実験から見出した新しい型のモード分岐について、理論的な考察を勧めた。レーザー照射による局所的な温度の上昇と、それによる熱マランゴニ効果が引き起こす空間的運動の二つのパラメータを基本とする、連立微分方程式により、レーザーによって引き起こされる自律運動とそのモード分岐を説明することにも成功している。このように、cmサイズの物体をレーザーにより搬送し、さらには、自転・公転・往復運動などの多様なモードの運動を引き起こすことが、本萌芽研究により可能となった。申請当初の見込みよりも多くの成果が得られている。25年度が最終年度であるため、記入しない。順調であるので、現在の方針を維持し、研究を推進する。
造精細胞におけるestrogen receptorおよびAh receptor-insitu NASBA法によるmRNA発現の検討-

ヒト精子数が減少しているという疫学調査が報告され、その一因としてエストロゲン作用を有する内分泌撹乱物質やダイオキシン類の関与が疑われている。内分泌撹乱物質の造精への影響は動物実験では明らかにされているが、その機序については不明である。そこで、これらの内分泌撹乱物質の受容体が精巣組織においてどのように発現しているのかを明らかにすることを目的として、正常造精能を有する男性ならびに造精能障害を有する男性の精巣組織を用いて、エストロゲン受容体(ER)αとERβ、さらにダイオキシン受容体(AhR)の発現を、免疫組織染色を用いてタンパク質レベルで、さらにin situ NASBA法ならびにin situ RT-PCR法を用いてmRNAレベルで検討した。現在、結果をまとめ、投稿準備中である。ヒトの造精機能に対する内分泌撹乱物質やダイオキシン類の影響について調査することを目的として、ヒトの精巣組織におけるエストロゲン・レセプター(ER)ならびにAhレセプター(AhR)のmRNA発現を、in situ NASBA(nucleic acid sequence-based amplification)法を用いて検討している。NASBA法に用いるT7promoterを付けたreverse primerとsence primerを、ERα,ERβ,およびAhRのmRNA sequenceをもとに作成した。その妥当性と反応条件等について、ERはヒト子宮内膜組織を、AhRはラット肝臓を用いて確認し、良好な結果が得られた。現在、精巣腫瘍により除睾術が施行された妊孕性を有する男性の凍結精巣組織を対象としてin situ NASBA法を行っており、正常の造精機能を有する精巣組織中におけるレセプター発現についていくつかの知見が得られている。さらに、近年、これらのレセプターのモノクローナル抗体も入手可能になったので、実験の信頼性を高めるために免疫組織染色も同時に行っている。今後、造精機能障害を有する男性の凍結精巣組織を用い、in situ NASBA法と免疫組織染色を行う予定である。また、今年度中にすべての実験を終了し、結果を発表する予定である。
生物時計のシステム理解

本研究の目的は、哺乳類の生物時計を多数の概日振動体からなる階層的システムとしてとらえ、その機能を分子レベルから細胞、個体レベルで総合的に理解することにある。1.視交叉上核概日振動系の分子機構1)細胞レベルの解析:Per1,2、Cryl,2、Bmal1の時計遺伝子とその産物(蛋白質)で構成されるフィードバックループ(コアーループ)の動態、コアーループとDec1,Dec2遺伝子の関係、コアーループとBmal1関連ループの関係、コアーループからの出力系、を明らかにした。2)組織レベルの解析:視交叉上核全領域におけるPer1,2、Dec1,Dec2の各遺伝子発現リズムと光反応、視交叉上核全領域におけるPerl,2遺伝子発現リズムの光周期反応を明らかにした。2.システムとしての視交叉上核概日振動系Naチャネル阻害剤であるTTX投与により細胞間コミュニケーション遮断下における各種遺伝子発現リズムの動態、シナプス形成が未熟である新生児視交叉上核の機能、視交差核単一細胞における時計遺伝子発現リズムの光周期反応を明らかにした。3.視交叉上核概日振動系と末梢振動系1)個体レベル:行動量が著しく減弱するヒスタミン合成酵素ノックアウトマウスの生物時計を行動リズムと中枢、末梢振動系における時計遺伝子発現リズム、ヒト睡眠覚醒リズムのモデルであるメタンフェタミン慢性投与マウスの中枢、末梢振動系における時計遺伝子発現リズム、中枢、末梢振動系における時計遺伝子発現リズムの非光刺激(運動や飼育)に対する反応を明らかにした。2)培養組織レベル:デキサメサゾンによる概日リズム誘導メカニズム、末梢振動系のオートフィードバック機構、遺伝子強制発現に対する末梢振動系振動ループの反応を明らにした。4.発光レポターを用いた時計遺伝子発現のリアルタイムモニタリング発光酵素cDNAを導入してPerl、Bmal1発現をモニターする遺伝子改変マウスを作成した。1.多重ループからなる分子振動系と細胞内シグナルトランスダクション2)CLOCK蛋白が変異し、恒常暗で行動リズムが消失するClock変異マウスの視交叉上核におけるDec1、Dec2の発現リズムをin situ hybridization法で解析した。その結果、遺伝子発現は大きく抑制されたが、概日リズムは残っており、ただし、位相が6時間ほど後退していた。Dec(s)の遺伝子発現にはCLOCKが重要なことが明らかにとなった。2.システムとしての視交叉上核振動系1)ラット視交叉上核の分散培養系と組織培養系を用いて、単一ニューロンの電気活動リズムを測定し、リズム周期が長いほど視交叉上核の統合性が失われることを明らかにした。3.視交叉上核振動系と末梢振動系1)視交叉上核から行動リズムなどの末梢振動系への支配が未だ確立されていない幼弱期のラット視交叉上核のPer1、Per2の発現リズムと視床下部室傍核のAVP、CRH遺伝子発現リズムをin situ hybridization法で測定した。その結果、室傍核AVP遺伝子発現リズムは生後7日で認められ、この時期に少なくとも脳レベルでは視交叉上核と抹消振動系との結合が完成していることが明らかにとなった。2)分泌型と非分泌型の異なる2種類の生物発光酵素のcDNAをPer1、BMAL1のプロモーターに結合させたコンストラクトを作成し、遺伝子導入マウスを作成した。視交叉上核の組織培養系、細胞培養系、肝臓や網膜などの末梢組織の組織培養系において生物発光に概日リズムを認め、生物発光による時計遺伝子発現のモニター系を確立した。1.多重ループからなる分子振動系

1)Per1の転写を抑制するDec2の転写活性はBMAL1/CLOCKによって亢進し、PER1/CRY、Dec1、Dec2によって抑制されることを示した。また、視交叉上核におけるDec1とDec2発現分布が異なることを示し、分子振動ループの要素は細胞により異なることを示唆した。マウス肝臓における遺伝子発現リズムをDNAアレーにより網羅的に測定し、分子タイムテーブルを作成した。2)マウスおよびラット視交叉上核組織培養系を用いて、TTXによりニューロン電気活動を完全に抑制した条件下で、Per1およびBMAL1の発現リズムを生物発光レポーターおよびin situ hybridization法を用いて測定し、電気活動リズムが消失しても持続することを示した。2.システムとしての視交叉上核振動系1)デキサメサゾンによるラット線維芽細胞時計遺伝子発現リズムを生物発光レポーターにより解析し、概日リズムの消失は個々の細胞におけるリズム振動が脱同調した結果である可能性を示した。2)ラット視交叉上核におけるDec1,Dec2,Per1の発現トポロジーをin situ hybridization法を用いて解析し、概日リズムと光照射により遺伝子発現部位には差はあるが、脱同調は確認されなかった。3.視交叉上核振動系と末梢振動系1)ヒスタミン合成酵素欠損マウス(HKOマウス)は野生型に比較し行動量が有意に低下しており、また行動リズムのフリーラン周期も有意に延長していた。一方、視交叉上核のPer1、Per2、Bmal1発現リズムには有意差を認めなかったが、大脳皮質など他の脳部位では時計遺伝子の発現に差を認め、ヒスタミンが末梢振動系から中枢振動系のフィードバックに関与している可能性を示唆した。2)発光波長の異なる3種類のルシフェラーゼcDNAをそれぞれPer1,Bmal1,ROREのプロモーター下流に挿入し、NIH3T3細胞に導入して3種類の異なる遺伝子発現を同時に測定する系を確立し、RORαがBmal1とPer1の転写を同時に双方向性に制御していることを明らかにした。本研究の目的は、哺乳類の生物時計を多数の概日振動体からなる階層的システムとしてとらえ、その機能を分子レベルから細胞、個体レベルで総合的に理解することにある。1.多重ループからなる分子振動系1)分子振動系ループのダイナミクス解析Bmal1遺伝子発現を生物発光でモニターする遺伝子改変マウス(PVBFマウス)の培養視交叉上核は、コアループを停止させる蛋白阻害剤投与後は、PER蛋白の合成開始を始点として振動を再開することを明らかにした。2)コアループからの細胞内情報伝達系Per1遺伝子発現を生物発光でモニターする遺伝子改変マウス(PLマウス)の培養視交叉上核では、Naチャネル阻害剤を作用させ発射活動を停止させた後も、時計遺伝子発現リズムは持続することを明らかにした。2.システムとしての視交叉上核1)視交叉上核個別ニューロンにおける遺伝子発現リズムPLマウス培養視交叉
磁化プラズマにおけるスパイラル構造形成の理論

回転プラズマに観測されたホール構造の形成過程をしらべ、定常解をもとめた。遠心力と圧力とのバランスによる構造形成として考えられる台風に対して、回転プラズマで観測されたホールは、バーガース渦と同じ構造を持つことが実験から確かめられ、その定常解を求め、実験結果とあうパラメータを同定した。これによれば粘性係数が古典粘性の10^6倍でなければならず、そのことを矛盾無く説明する問題が残された。しかし一方で、物理的には回転はExBドリフトであることから、実験で得られるポテンシャル分布を用いる現象論的アプローチを取れば、密度分布を再構成できるだけでなく、速度場や渦度も求めることができて、しかもこれらの動径依存性はバーガース渦の近傍場のそれと一致しており、さらに遠方場も求めることができる。このことから、ホール解は、スパイラル構造解と同じ範疇に入る自己組織化解であるといってもさしつかえなく、渦解の多様性を明らかにしたことになる。また、同じ実験装置で観測された三重極渦は、ExBドリフトとは反対方向の回転を行うが、これはイオンと中性粒子の衝突による電荷分離過程の運動量変化に基づくドリフトであることを同定し、三重極解を求めた。これは非線形定常解であって、その特性は実験結果と似ているが、まだ安定性を調べておらず、実験のロバストネスを示したことにはなっていない。マイクロ波を電子サイクロトロン波に変換し、プラズマを生成・維持する装置で観測されたスパイラル渦、台風様のホール渦、三重極渦に対して、共通の基礎方程式から出発してそれらの理論構築を行い、パラメータ領域における物理に依存して、それぞれの解が記述できることを示すことができた。このことは回転プラズマにおける極めて一般的な特性として重要であり、これを基礎に生成方法の異なるプラズマにおける渦形成を調べ、銀河系などの回転系への拡張を図りたい。この研究は、核融合研究所の田中雅慶助教授の実験グループと、ベルギー・ルーヴェンカトリック大学のVranjes博士、Poedts教授らとの国際協力の下で行われたものである。磁化プラズマにおけるスパイラル構造形成の理論的枠組みつくりを行い、マイクロ波生成プラズマで観測されているスパイラル構造の物理過程を同定した。電子サイクロトロン波で生成されたプラズマでは、電子が磁化されている条件のもとで、磁力線方向に逃げるが、イオンは大きなラーマー半径のため壁方向に逃げる。これによって生成されるポテンシャルがEXBドリフトを励起し、回転によってプラズマを閉じ込める。閉じ込められたプラズマの密度は壁に向かって減少するので、ドリフト波を励起するが、中性粒子との衝突により電荷分離を中和することが出来ずドリフト不安定を引き起こし、また、回転の遠心力によって重力不安定にもなっている。この不安定性によって励起された揺動がスパイラル構造を作って落ち着くことを示したのが次の論文である。次いで、同じECRプラズマにおいて観測されたホールに対する理論の構築を試み、回転数の大きいプラズマでは、遠心力と圧力によるバランスで、密度が中空の回転ホールが形成されることを示し、あわせて、多重極渦形成の条件を調べた。これらは次の論文にまとめられている。上記の仕事は不均一な流れの存在が、渦形成に本質的であることが示しており、渦形成の一般的性質であることを確かめるために、電磁揺動の構造化を調べたものが次の論文である。平衡状態におけるプラズマの不均一性を考慮して、磁化された電子プラズマの線形安定性と非線形定常状態としての渦構造を調べた。

一様磁場の下では、シアのある流れをもつプラズマはフルートタイプの不安定性を引き起こし、スパイラルモードとして伝播することを示し、非線形発展の結果、3重極渦に緩和することを示した。この渦は背景の流れによって運ばれる。すでに海や実験室の回転流体において、ここでの3重極渦は観測されており、プラズマでも観測されることが期待される。磁場にシアがある場合は、固有値問題を解くことによって、不安定性が安定化されることを示したが、磁力線方向の不均一は、異なる磁気面からのモードの結合を励起し、磁場のシアによる安定化をさまたげ、さまざまの非線形定常状態へと緩和する可能性を示した。これらは、3重極渦に加えて、多重極渦や渦鎖である。まだこうした非線形定常解の安定性を調べていないので、実際にどれが実現されるのか不明であるが、実験室実験が待たれる。ここで調べたプラズマにおける構造形成の起源は、流れのシアとヴェクトル的な非線形性にあるが、これは昨年調べたスパイラル構造の形成にとっても本質的なものであった。流れのシアは不安定性を引き起こし、非線形成長を遂げた揺らぎがヴェクトル的非線形性によって回転運動へと組織化されて渦を形成する。スパイラル渦は散逸の効果で回転が閉じないことに拠ったが、散逸や粘性がなければ回転が閉じ、渦が形成されるという共通のシナリオが確認できた。磁化プラズマにおける構造形成の理論は、実験に後押しされて、多くの成果を得た。プラズマ密度が台風様に中空になるプラズマ密度ホールの観測、その回転方向がEXBと反対方向であるような三重極渦の観測は、そうした例である。台風のホール構造は、回転の遠心力と圧力がつりあってできると考えられているが、プラズマホールはバーガス渦と同定されたが、そこでは粘性がきわめて重要である。三重極渦は、電離過程が重要な働きをして、電離リコイルによるドリフトがEXBドリフトにうちかつ時に生ずるためにEXBと反対方向に回転する渦となることが示せる。こうした構造形成が、ダストの影響でどう変化するかを調べたものが以下の論文である。天体プラズマではダストが重要な働きをし、直接の観測は難しいにしても、理論的知見を整理しておくことは重要である。磁化プラズマにおける構造形成の研究は、プラズマにとどまらず、連続体の構造形成のシナリオと共通する数学的構造を持つことが示されて、渦の普遍性とロバストネスが理解されたといえる。
伸張歪により吸収増強したGeの基礎物性解明と次世代多接合太陽電池への応用

太陽電池のさらなる高効率化のためには、幅広い波長域にわたる太陽光の吸収を、異なる波長感度をもつ材料で分担する「多接合構造」の採用が有望である。この実現のためには、太陽光スペクトルのすべての波長域で高い光吸収係数をもつ材料群が必要となるが、特に波長1200nm以上の近赤外領域の光を効率的に吸収できる材料の開発が遅れており、全体の高効率化を阻むひとつの要因になっている。本研究は、この領域における新規光吸収材料として「伸張歪Ge」に注目し、その多接合太陽電池への応用をめざしている。これまでに、理論解析により太陽電池材料としての有望性を見出し、分子線エピタキシ装置を用いInGaAsバッファ上への伸張歪Geの結晶成長プロセスを確立し、太陽電池応用への基礎を築いた。しかし、本格的な太陽電池応用に向けては、伸張歪Ge膜中の不純物の低減・開放電圧の向上という2つの大きな課題が残されている。平成23年度は、この2つの課題に対する取り組みを行った。これまで問題となっていた、InGaAs層からのAs原子の拡散を抑制するため、Asを含まない新しいバッファ層材料としてInGaPを導入した。さらに、結晶成長雰囲気からの不純物取り込みの低減が狙える新たなIII-V族基板洗浄法として「Geアシスト酸化膜エッチング」法を開発し、このプロセスを用いて初めて、Geにとって最も悪影響の大きいV族元素を全く用いずに、InGaP上にGeをエピタキシャル成長することに成功した。さらに、開放電圧の向上が狙える「ダブルヘテロ構造」を新たに提案し、伸張歪Geと物性の近いGe基板を用いてこの構造を作製し、非集光下で214mV、集光下で305mVという、Geの中では比較的高い開放電圧を達成した。これらの成果は、伸張歪Geの太陽電池応用に向けた重要な一歩であり、これまで開発の遅れていた、近赤外領域の光吸収を担う高効率太陽電池の実現に向け大きく近づいた。今年度の目標は、(1)「伸張歪Geへの不純物拡散の抑制と光学特性評価」(2)「シミュレーションによる伸張歪Geを用いた太陽電池構造の設計」(3)「伸張歪Ge太陽電池の作製プロセスの開発」の3点であった。(1):GaAs/Ge界面に窒化によるGaN膜を挿入することを試みた。その結果、従来10^<19>cm^<-3>以上の砒素原子が含まれていたが、窒化膜挿入により1桁程度、砒素原子を低減することに成功した。重要である窒化・不純物濃度の評価を外部専門機関に依頼したが、本研究費補助金を利用させていただいた(「その他」に計上)。さらにフォトルミネッセンス測定を行い、伸張歪によるGeのバンドギャップ縮小を確認した。(2):伸張歪GeをInGaAsで挟む「ダブルヘテロ構造」太陽電池を新たに提案し、伸張歪Ge採用によるGe使用量の大幅(1/100)削減・多接合太陽電池の設計・製造の自由度の増加などの多くのメリットを、シミュレーションにより示すことができた。この結果は国際学会(次ページ"SSDM")で発表、学術論文(次ページ"JJAP")にも投稿し受理され4月に掲載予定である。(3):MBEで作製した伸張歪Ge/InGaAsサンプルを、樹脂を用いてガラス上に固定し、リン硝酸による選択エッチングでInGaAs層を除去することに成功し、Ge層の伸張歪が保たれることを示した。このような伸張歪Geのガラス上への転写は世界初である。この件でも評価を外部専門機関に依頼し、本研究費補助金を利用した(「その他」に計上)。

これらの成果は、伸張歪Geの太陽電池応用に向けた重要な一歩であり、これまで開発の遅れていた、近赤外領域の光吸収を担う高効率太陽電池の実現に向け大きく近づいた。