hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
バースマークの評価技術の確立

実世界でのソフトウェアの盗用を簡単に発見するため,バースマーク技術に着目した.提案されているバースマークを調査し,特に簡易に利用できる使用クラスバースマークに着目した.客観的に評価するため,使用クラスバースマークを用いて,ソフトウェアの分類を試みることにより,当該バースマークの評価手法が確立できた.また,初心者の書いたプログラムの盗用を防ぐための特徴を見つけ出すべく,それらを収集・分析した.本研究は,盗用を発見するための手法であるバースマークの評価基準を導出し,盗用を発見する方法を手順化するものである.本研究は大きく4つの段階に分けられる。まず,今までに報告されている盗用の事例や攻撃者の行動から,盗用のパターンを記述する記述ガイドラインを策定する.次に,既存のバースマークの調査を行い,攻撃方法に対するバースマークの耐性を整理する.そして,今までの調査結果からバースマークの評価基準を導き出し,バースマークそれぞれの評価を行う.最後に,今までの結果から,盗用発見方法の手順化を行う.実世界でのソフトウェアの盗用を簡単に発見するため,バースマーク技術に着目した.提案されているバースマークを調査し,特に簡易に利用できる使用クラスバースマークに着目した.客観的に評価するため,使用クラスバースマークを用いて,ソフトウェアの分類を試みることにより,当該バースマークの評価手法が確立できた.また,初心者の書いたプログラムの盗用を防ぐための特徴を見つけ出すべく,それらを収集・分析した.本研究の最終目標は,実世界で現在起きているソフトウェアの盗用を発見する手法の手順化である.手順化することで誰もが簡単に盗用を発見することができるようになり,盗用の抑止力を高められることとなる.そのための手段としてソフトウェアバースマーク技術に着目している.ソフトウェアバースマークとは,個々のソフトウェアが動作するために不可欠な情報を抽出したものであり,バースマーク同士を比較することで,ソフトウェアの類似性を計測するものである.初年度である本年度はソフトウェアバースマークについての盗用のパターンの整理,既存バースマークの調査を行った.盗用のパターンの整理では,ソフトウェアを盗用しようとする攻撃者はどのような行動を行い,ソフトウェアに対してどのような攻撃を行うのかを整理した.盗用のパターンは表にまとめることができ,縦軸は盗用の粒度(ソフトウェアのどの部分が盗用されたか.全体か,モジュール単位か,一部を切り取られたか),横軸はどのような改変が施されたか(改変なし,ツールによる改変,手作業による改変)とした.また既存バースマークの調査では,バースマークの比較方法を中心に調査を行った.バースマークはどのような情報をバースマークとして扱うかも重要な調査項目であるが,それ以上にどのように比較するのかがより重要である.なぜなら,比較方法を変更することで特定の攻撃に対する耐性を持たせることも可能であるためである.比較方法として様々なパターンマッチングアルゴリズムが適用できる.そこで,バースマークを様々なパターンマッチングアルゴリズムで比較できるように,試作システムを作成した.本研究の最終目標は,世界中で起こっているソフトウェアの盗用を発見する手法の手順化である.手順化することで誰もが簡単に盗用を発見することができるようになり,盗用の抑止力を高められることとなる.そのための手段としてソフトウェアバースマーク技術に着目している.ソフトウェアバースマークとは,ソフトウェアの特徴のことを指す.個々のソフトウェアから,実行に不可欠な情報をソフトウェアの特徴として抽出し,抽出した情報(バースマーク)同士を比較することで,ソフトウェアの類似性を計測するものである.本年度は提案されているバースマーク(ソフトウェアの特徴)のうち,使用クラスバースマークに着目して,ソフトウェアの機能面での分類を試みた.クラスの種類と出現頻度に基づき,ソフトウェア間の距離を算出して階層的クラスタリングにより分類する.各クラスの重み付けにtr-idf法を用い,距離の算出にユークリッド距離を用いた場合に,もっとも妥当な分類結果となった.ソフトウェアの分類は,似たソフトウェアを見つけ出すことであり,盗用されたソフトウェア(元のソフトウェアと似たソフトウェア)を見つけ出す手段として応用できる.そのため,この分類法は使用クラスバースマークの評価方法として用いることができると考えられる(研究実施計画の(3)に相当).また,ソフトウェアのどのような特徴がどのように埋め込まれるのかを確認する必要がある.これが確認できれば,より効果的なバースマークとその評価法が確立できるためである.その第一歩として,プログラム初学者が起こすコンパイルエラーを自動的に収集するシステムを構築した.収集したデータから,初学者のプログラムの特徴を導き出すことを目指す.本研究の最終目標は、世界中で起こっているソフトウェアの盗用を発見する手法の手順化である。手順化することで誰もが簡単に盗用を発見することができるようになり、盗用の抑止力を高められることとなる。そのための手段としてソフトウェアバースマーク技術に着目している。ソフトウェアバースマークとは、ソフトウェアの特徴のことを指す。個々のソフトウェアから、実行に不可欠な情報をソフトウェアの特徴として抽出し、抽出した情報(バースマーク)同士を比較することで、ソフトウェアの類似性を計測するものである。本年度はバースマークの攻撃に対する耐性を調査した。この調査はバースマークが特定の攻撃に弱いことを明らかにし、また、攻撃方法を特定できれば、そのバースマークを使用しないようにできるためである。そこで,プログラムの攻撃方法として難読化手法を調査した。難読化とは本来はプログラム読みにくく変換することで、クラックから防止するための手法である。しかし、プログラムを改変することから、バースマークへの攻撃ととらえることもできる。その難読化手法について調査し、ツールとして実装した(研究実施計画の(3)に相当)。このツールを使ってプログラムを攻撃し、攻撃前と後でバースマークがどのように変化するかを調べられるようになる。

また、初学者のプログラムの特徴を分析するため、コンパイルエラーを自動収集するシステムを前年度に構築した。そのシステムを使い、初学者に簡単なプログラムを作成してもらい、多くのエラーが収集できた。本研究の最終目標は、誰もが盗用されたソフトウェアを容易に発見できるような手順を確立するものである。盗用してもすぐ見つけられることから、盗用の抑止力の向上が期待できる。そのための手段として、本研究ではソフトウェアバースマーク技術に着目している。ソフトウェアバースマークとは、バイナリから抽出可能なソフトウェアに含まれる実行に不可欠な情報を指す。実行に不可欠であるため、除去は不可能であり、改変に対する耐性が求められる。そして、ソフトウェアからバースマークを抽出し、バースマーク同士を比較することで、ソフトウェアの類似性を計測できる。本年度は今までの成果のまとめと検証、特に攻撃に対する耐性についての研究を行った。これは、バースマークが耐性を持つ攻撃とそうでない攻撃を明確にするものである。明確にすることで、特定の攻撃が行われた場合は、その攻撃に脆弱なバースマークを使わず、堅牢なバースマークを使うなど、より精度の高い検査が行えるようになる。この目的において、Java言語の動的バースマークの堅牢性の議論を行うため、Java言語を対象とした動的難読化を提案した。この手法はJava言語の動的バースマークを改ざんできるようになる。この提案により、今後の動的バースマークの評価として、提案した難読化手法への耐性を議論できるようになった。また、初学者のプログラミング教育における盗用を効果的に発見するためにバースマークを使うことも考えられる。その場合、初心者に特化したバースマークを使うことも考えられる。前年度までに初学者のコンパイルエラーとソースコードを収集するシステムを構築した。そこで、そのシステムを使い収集したソースコードとコンパイルエラーを分析し、初心者に特有のプログラムの傾向を示せればより効果的なバースマークが考案できるようになる。分析の結果、誤りに陥っている際の行動パターンが観測された。
血管壁のRemodelingにおける細胞外マトリックスとマクロファージの役割

(1)家兎を普通餌又はコレステロール含有餌下に飼育し、胸部下行大動脈にステンレス製ステントを留置した。術後2ケ月まで経時的に屠殺し、細胞外マトリックス(ECM)成分とマクロファージに対する免疫染色を行い、肥厚内膜における平滑筋細胞(SMC)のフェノタイプとの対比検討を行った。さらにデコリン、バイグリカン、TGF-β及びIL-1βの遺伝子の発現動態をin situ hybridization法で検討した。その結果、新生内膜におけるECMは内膜の構成成分としてばかりでなく、デコリンやバイグリカンなどのECM成分はTGF-βとの相互作用を介してSMCの増殖やフェノタイプの変化と機能的な連関があり、内膜肥厚の進展に関与していること、又、デコリンの発現はマクロファージの集積動態と関連があることが示唆された。(2)脳卒中易発症高血圧ラット(SHR-SP)を用いて免疫組織学的染色を行い、高血圧性血管病変の形成過程を検討した。生後20週令までのSHR-SPを屠殺し、脳、腎臓から標本を作成し、PCNA、ED1(単球・滲出マクロファージ)、ED2(在住マクロファージ)、OX1(MHC class II)、CD4、CD5、CD8(Tリンパ球)に対する免疫組織学的染色を行った。16週以後の脳には出血、梗塞を認め、血管病変は皮質の小・細動脈レベルの血管には血管壊死が多発し、炎症細胞の浸潤がその周囲に認られた。免疫組織学的検討から、脳と腎臓で認められた高血圧性血管病変の性状の違いは病変形成早期における免疫学的に活性化されたMHC classII陽性の滲出性マクロファージの動員様式が臓器によって相異があることが関連している可能性があり、脳血管周囲に存在している在住マクロファージは、高血圧性病変の進展とともに減少、さらに消失していた。【方法】家兎を普通餌又はコレステロール含有餌下に飼育し、胸部下行大動脈にステンレス製self-expandable型GianturcoZステントを留置した。術後2日から2ケ月まで経時的に屠殺し標本を摘出し、種々の細胞外マトリックス(ECM)成分に対する免疫染色を行い、肥厚内膜における平滑筋細胞(SMC)のフェノタイプ(SMemb:胎児型、SM2:成人型)との対比検討を行った。さらにデコリン、バイグリカン、TGF-β及びIL-1βの遺伝子の発現部位とその時期をin situ hybridization法で検討した。【結果】(1)普通餌兎では、ステントワイヤーによって傷害された血管の中膜でSMCが脱分化・増殖した後、ワイヤーを薄く覆うように新生内膜が形成されたが、この内膜肥厚は留置後14日でほぼ停止し、その後胎児型SMCから成人型SMCへの再分化が認められ、マクロファージやデコリンの集積はほとんど認められなかった。また、TGF-β及びバイグリカンのmRNAはステントワイヤーによって傷害された中膜の周囲に7日目に一過性に発現を認めたが、56日目にはほぼ消失した。(2)一方、高脂血症兎では、ステント留置後持続的な内膜肥厚を示し、胎児型SMCが優位であった。また、ステントの周囲にはマクロファージの集積が認められ、遺伝子発現の検討では7日目にワイヤーを囲むように、TGF-β、バイグリカン、IL-1βのmRNA発現が認められ、また、56日目にはワイヤー周囲のマクロファージに一致してIL-1βmRNAが強く発現、またデコリンのmRNAもこのIL-1β遺伝子の発現部位に隣接するように発現していた。【結論】ステント留置後の新生内膜におけるECMは内膜の主要な構成成分として重要であるばかりでなく、一部のECMはTGF-

βとの相互作用を介してSMCの増殖やフェノタイプの変化とも密接な関連性を持ち、内膜肥厚の進展に関与していることが示唆された。【目的】高血圧性血管病変は退行性病変が主体となる血管壊死と細胞線維性肥厚を主体とする硬化性変化に分けられる。この違いが生じてくる理由を解析する目的で、脳卒中易発症高血圧ラット(SHR-SP)を用いて、免疫組織学的染色を行い、細胞外マトリックスとマクロファージの果たす役割について検討を加えた。【方法】生後20週令までのSHR-SPと正常血圧ラットを屠殺し、脳、腎臓、心臓、大動脈から標本を摘出し、パラフィン切片あるいは凍結切片を作成した。一般的組織染色に加えて、α-アクチン、コラーゲン、PCNA,ED1(単球・滲出マクロファージ),ED2(在住マクロファージ)、OX1(MHC class II),CD4,CD5,CD8(Tリンパ球)に対する特異抗体を用い、免疫組織学的染色を行った。【結果】SHR-SPでは16週以後のラットの脳に出血、梗塞を伴った広範な脳浮腫を認めた。血管病変は頭頂葉を中心にした皮質領域に多く認められ、小・細動脈レベルの血管には血管壊死が多発し、その周囲には炎症細胞の浸潤を認めた。免疫組織学的には、12週からα-actinの染色性低下と血管周囲のED2陽性存在マクロファージの減少が認められ、16週以後では存在マクロファア-ジは消失して血管壊死が認められた。又、単球に由来するED1陽性滲出マクロファージは、血管壊死病変の周囲に多数浸潤していた。腎臓では12週の小葉間動脈においてα-actinの染色性低下とMHC classII陽性の滲出マクロファージ、Tリンパ球の集積が血管周囲に認められ、16週以後では外膜側からの炎症細胞の浸潤とともにPCNA陽性細胞と細胞線維性肥厚が多数認められた。【結論】脳と腎臓で認められた高血圧性血管病変の性状の違いは、病変形成早期における免疫学的に活性化されたMHC classII陽性の滲出マクロファージの動員様式が臓器によって相異があることが関連している可能性があると考えられた。
膵臓導管細胞に機能発現する内向き整流性KチャネルのKイオン依存性活性化機構

膵臓導管細胞に機能発現する内向き整流性Kチャネル(Kir2.0)の分子基盤および細胞外Kイオン依存性活性化機構を明らかにするため、導管細胞におけるKir2.0蛋白の分布を調べるとともに、チャネル機能に影響する抗体の作製を試みた。ラットから膵臓導管を遊離し、抗cytokeratin20および抗CFTRモノクローナル抗体を用いた免疫組織化学法により導管細胞を同定した。そして、介在部導管または小葉内導管細胞にKir2.1、Kir2.2、およびKir2.4蛋白の発現を認めた。また、Kir2.1蛋白の細胞外領域に位置するアミノ酸配列(CVTDECPIA)を抗原とする抗Kir2.1ポリクローナル抗体を作製した。そしてKir2.1を強制発現させたHEK293細胞から蛋白を抽出し、ウェスタンブロッティング法で抗体の特異性を確認した。さらに免疫組織化学法により、Kir2.1強制発現細胞におけるKir2.1蛋白の細胞膜への局在性を認めた。しかし、パッチクランプ法によるホールセル電流測定において、この抗体はKir2.1電流を遮断できなかった。以上の結果から、Kir2.0蛋白がホモまたはヘテロでチャネルを構成し膵臓導管細胞に機能発現している可能性が示唆された。また、Kir2.1蛋白の細胞外領域に位置するアミノ酸残基がチャネル活性化に関与する証拠は抗Kir2.1ポリクローナル抗体を用いた機能解析からは得られなかった。今後は、この抗体を断片化したFabを用いた機能解析が期待される。
慢性炎症の単球走化因子としてのリボゾームS19蛋白二量体

慢性関節リウマチ肉芽巣抽出液から精製した単球走化因子は、アミノ末端部の配列が蛋白合成装置リボゾームのS19蛋白と相同であり、しかも分子量が2倍であったことから、この走化因子はS19蛋白の架橋化2量体と想定した。本研究では、この仮説を実証するために、ヒトS19リボゾーム蛋白組み換え体を2種作成した。1種はアミノ末端部にマルトース結合蛋白を融合したキメラ蛋白で、他の1種は同末端部に(His)6タグを付属させたもので、共に大腸菌を用いて発現させた。これらの組み換え体をアフィニティーカラムを用いて精製し実験に供することにより以下の結果を得た。結果はいずれの組み換え体を用いた場合も同様であった。結果、1)S19蛋白組み換え体単量体は、単球走化活性を有さなかった。2)S19蛋白にトランスグルタミナーゼ(活性型XIII因子と細菌性トランスグルタミナーゼの2種を用いた)を作用させたところ、S19蛋白2量体が形成され、これと同じ経時変化で、単球走化活性が発現した。3)この反応系に、架橋化の競合阻害剤であるダンシルカダベリンを共存させると、その濃度依存性に走化活性の発現が抑制された。4)S19蛋白2量体を含む上記反応液をゲル濾過カラムクロマト法で展開したところ、2量体を含む分画にのみ走化活性が存在した。5)この画分をモルモット皮内に接種したところ、単球/マクロファージ優位の白血球浸潤が惹起された。以上の結果は、上記の仮説、すなわちS19リボゾーム蛋白は、架橋2量体化により単球特異的走化活性を発現することを実証した。慢性関節リウマチ肉芽巣抽出液から精製した単球走化因子は、アミノ末端部の配列が蛋白合成装置リボゾームのS19蛋白と相同であり、しかも分子量が2倍であったころから、この走化因子はS19蛋白の架橋化2量体と想定していた。本研究では、この仮説を実証するために、ヒトS19リボゾーム蛋白組み替え体を2種作成した。1種はアミノ末端部にマルトース結合蛋白を融合したキメラ蛋白で、他の1種は同末端部に(His)6タグを付属させたもので、共に用いて発現させた。これらの組み換え体をアフィミティーカラムを用いて精製し実験に供することにより以下の結果を得た。結果1)S19蛋白組み換え体単量体は、単球走化活性を有さなかった。2)S19蛋白にトランスグルタミナーゼ(活性型XIII因子と細菌製トランスグルタミナーゼの2種を用いた)を作成させたところ、S19蛋白2量体が形成され、これと同じ経時変化で、単球走化活性が発現した。以上の結果は、上記の仮説、すなわちS19リビゾーム蛋白は、架橋2量体化により単球特異的走化活性を発現することを実証した。
蝸牛感覚上皮におけるCキナーゼの分子多様性と機能に関する基礎研究

我々は、蝸牛感覚上皮の外有毛細胞におけるinositol 1,4,5-triphosphate(IP3)およびdiacylgrycerol(DG)セカンドメッセンジャーシステムの活性化による運動能の調節について検討し、蝸牛外有毛細胞ではムスカリン受容体とプリン受容体がIP3とDHの放出に関係していることを明らかにした。放出されたIP3は細胞内Caイオン濃度を上昇させ、DGはCaイオンに対するProtein kinase C(PKC)の親和性を増大させることによりPKCを活性化し外有毛細胞の運動能を調節していると考えられる。我々はPKCの組織内局在を免疫組織学的に検討し、PKCが内、外有毛細胞、特に外有毛細胞に広く分布していることを確かめた。今回の研究においては、モルモットの蝸牛感覚上皮に対し、PKCのisozymeであるPKCα,βI,βII,γ,δ,ε,ζのそれぞれに対する抗体を作用させることによってPKCのisozymeの蝸牛感覚上皮での局在について免疫組織学的に検討した。モルモットを抱水クロラール腹腔内注入にて麻酔後、パラフォルムアルデヒドにて灌流固定し、側頭骨を摘出した。さらに、蝸牛外側の骨壁を削開し蝸牛感覚上皮を摘出し、上記の各抗体を作用させ発色させ光学顕微鏡下に観察した。その結果PKCαとPKCδは内外有毛細胞に分布し、PKCβIとPKCγは外有毛細胞に分布、そしてPKCβII,PKCε,PKCζは蝸牛感覚上皮に存在しないことが判明した。しかし、蝸牛感覚細胞に発現するそれぞれのisozymeの機能は未だ明かでなく、今後の検討が必要である。
機能性ナノ共役分子の創製・物性・応用

主要な研究成果を以下に列記する.1.集光機能型ナノ分子の開発:人工光合成分子素子や高効率光電変換分子素子の開発を目指し,高い集光能を有するナノ分子として高溶解性フタロシアニン化合物の開発を行った.従来のフタロシアニンのベンゼン環の代わりにチオフェン部位をc縮環し,そのα位を選択的にアルキル化したチオフェン縮環ポルフィラジンの合成に初めて成功し,また各種の溶液物性の検討に加え,単結晶X線構造解析を行った.構薄膜での物性調査のため,溶液法により試作した有機FET素子において,銅-フタロシアニン蒸着膜を超える電界効果移動度が認められた.2.ナノ共役分子の自己組織化による機能化(ナノ分子の増感色素への応用):ナノ分子の機能化として色素増感太陽電池への応用を試みた.種々の鎖長(4,8,12量体)のオリゴチオフェンにカルボン酸をアンカーとして導入し,二酸化チタン上へ吸着させてセルを作製し特性を評価した.4から8量体では,オリゴチオフェン鎖の伸長に伴い効率は向上するものの(最高で1.5%@AM1.5程度の光電変換効率を達成),12量体とするとオリゴチオフェン部の酸化電位が下がりすぎるため効率が低下した.一方,カルボン酸の代わりにシアノプロペン酸を導入した系では,4,8,12量体としても効率が低下せず,12量体において最高で光電変換効率4.0%@AMに達した.3.自己組織可能を有するナノ分子の有機電界効果トランジスタへの応用:縮合多環系に長鎖アルキル基を導入したナノ分子が溶液の塗布により基板上で自己組織化した層状構造体を形成すること見出した.これをチャネルに用いた薄膜トランジスタでは縮合多環構造により特性が大きく変化するものの,最高で溶液プロセス有機トランジスタとしては最高の2.7cm^2/Vsの移動度をもつことが分かった.主要な研究成果を以下に列記する.1.集光機能型ナノ分子の開発:人工光合成分子素子や高効率光電変換分子素子の開発を目指し,高い集光能を有するナノ分子として高溶解性フタロシアニン化合物の開発を行った.従来のフタロシアニンのベンゼン環の代わりにチオフェン部位をc縮環し,そのα位を選択的にアルキル化したチオフェン縮環ポルフィラジンの合成に初めて成功し,また各種の溶液物性の検討に加え,単結晶X線構造解析を行った.構薄膜での物性調査のため,溶液法により試作した有機FET素子において,銅-フタロシアニン蒸着膜を超える電界効果移動度が認められた.2.ナノ共役分子の自己組織化による機能化(ナノ分子の増感色素への応用):ナノ分子の機能化として色素増感太陽電池への応用を試みた.種々の鎖長(4,8,12量体)のオリゴチオフェンにカルボン酸をアンカーとして導入し,二酸化チタン上へ吸着させてセルを作製し特性を評価した.4から8量体では,オリゴチオフェン鎖の伸長に伴い効率は向上するものの(最高で1.5%@AM1.5程度の光電変換効率を達成),12量体とするとオリゴチオフェン部の酸化電位が下がりすぎるため効率が低下した.一方,カルボン酸の代わりにシアノプロペン酸を導入した系では,4,8,12量体としても効率が低下せず,12量体において最高で光電変換効率4.0%@AMに達した.3.自己組織可能を有するナノ分子の有機電界効果トランジスタへの応用:縮合多環系に長鎖アルキル基を導入したナノ分子が溶液の塗布により基板上で自己組織化した層状構造体を形成すること見出した.これをチャネルに用いた薄膜トランジスタでは縮合多環構造により特性が大きく変化するものの,最高で溶液プロセス有機トランジスタとしては最高の2.7cm^2/Vsの移動度をもつことが分かった.平成17年度の研究実績として以下の各項目で顕著な成果を得た。(1)集光機能型ナノ分子の開発:人工光合成分子素子や光電変換分子素子の開発を目指すには、設計する分子骨格中に集光機能を導入することが不可欠である。そのような集光機能型ナノ分子として、光アンテナーとしてポルフィリンやフタロシアニンなどの強い光吸収系で修飾されたオリゴチオフェン分子の開発に成功した。さらに高溶解性オリゴチオフェン骨格を用いた新規近赤外色素の開発にも成功した。(2)長距離電荷分離型ナノ分子の開発:光で誘起される電荷分離は人工光合成や光電変換素子(太陽電池)の基本となる物性であり、長寿命電荷分離系の構築が最重要課題となっている。長寿命系設計の一つのアプローチとして電荷分離された二つの電荷をナノ分子の遠い位置に離すことが考えられる。このコンセプトに適う分子として、長距離に電子の流れを保つようにエネルギー準位を並べたオリゴチオフェン-オリゴチオフェン-フラーレン多成分ナノ分子系の開発を行い、効率の良い光電変換機能を有することを見いだした。また、外部刺激により電子移動をコントロールできるゲート機能付き分子ワイヤーとしてポルフィリン-クラウン型オリゴチオフェン-フラーレン三元系の光誘起電子移動の開発を行った。その研究で制御部位でのアルカリ金属イオンの捕捉に応答して、オリゴチオフェンを経由する電子移動やエネルギー移動が切断できることを見出した。(3)光電変換機能ナノ分子の開発:

実用的なプラスティック有機太陽電池の実現を目指すために、オリゴチオフェン/フラーレン連結系化合物に着目して、オリゴチオフェンの側鎖に多くのフラーレンを付けた化合物を開発し、ホール輸送と電子輸送がバランスをとることにより光電変換効率の向上を図れることを見出した。これまでの研究成果を受け,本年度は主に以下の三点について研究を進めた.1.集光機能型ナノ分子の開発:人工光合成分子素子や高効率光電変換分子素子の開発を目指すには,集光機能部位の導入が不可欠であり,そのような集光部位として高溶解性フタロシアニン化合物の合成を検討した.具体的にはフタロシアニンのベンゼン環の代わりにチオフェン部位をc縮環し,そのα位を選択的にアルキル化したチオフェン縮環ポルフィラジンの合成に初めて成功し,また各種の溶液物性の検討に加え,単結晶X線構造解析も行うことが出来た.この分子はチオフェンの縮環部の向きにより幾つかの構造異性体が考えられるが,構造解析の結果,確かにチオフェン部には乱れは認められるものの,アルキル基部分の乱れが抑えられていることが明らかとなった.さらに,薄膜での物性調査のため,溶液法により試作した有機FET素子において,銅-フタロシアニン蒸着膜を超える電界効果移動度が認められたことから,固体物性やデバイス特性に関して構造の乱れは大きな影響を及ぼさないことが確認できた.2.ナノ共役分子の自己組織化による機能化(ナノ分子の増感色素への応用):ナノ分子の機能化の一つ色素増感太陽電池への応用を試みた.具体的には種々の鎖長(4,8,12量体)のオリゴチオフェンにカルボン酸をアンカーとして導入し,二酸化チタン上へ吸着させてセルを作製し,特性を評価した.その結果,4から8量体では,オリゴチオフェン鎖の伸長に伴い効率は向上するものの(最高で1.5%@AM1.5程度の光電変換効率を達成),12量体とするとオリゴチオフェン部の酸化電位が下がりすぎるため効率の低下がおこった.一方,カルボン酸の代わりにシアノプロペン酸を導入した系では,4,8,12量体としても効率が低下せず,12量体において最高で光電変換効率3.5%@AMに達した.色素の溶液物性の詳細な検討から,基底状態における双生イオン構造の寄与が考えられ,これが光励起により生じた電荷分離状態の安定化をもたらし,逆電子移動を防ぐことで色素部の酸化電位の影響を最小限にどどめたものと考えている.3.機能集積型ナノ分子の合成と評価:異なる機能を分子内に全て導入した機能集積型ナノ分子のプロトタイプとして,正孔輸送型分子ワイヤー,他端に電子輸送型分子ワイヤー,それらの間に発光部位を導入したオール-イン-ワン型の単一成分電界発光分子を合成した.期待通り,溶液法により製膜した薄膜を二種の電極でサンドイッチした単層型素子で比較的高い発光が認められ,機能集積型ナノ分子として挙動することを明らかにした.本年度は以下のようにナノ分子や機能性分子の電子デバイスへの応用を志向して研究を行った.以下に主な成果を列記する.1.ナノ共役オリゴマーの光電変換材料への応用:昨年度,分子内分極の効果をもつシアノプロペン酸アンカーを導入したオリゴチオフェン誘導体を用いた色素増感型太陽電池において光電変換効率3.5%を達成したが,本年度はこれをさらに検討して変換効率4%程度まで上昇することに成功した.さらに,分子内分極の効果を強めることを意図し,双生イオン構造を安定化できる材料を設計・合成した.これらの新材料の太陽電池での予備的な評価では光電変換特性は示すものの効率は高くないことが明らかになっている.
ナノバイオロジーのためのMEMS電子顕微鏡技術の確立と細菌の動態研究への応用

通常、電子顕微鏡で試料を観察するためには試料を真空に配置する必要があるが、電子顕微鏡の中で液体の中の細菌を観察できる技術をマイクロマシン技術で開発した。「電子顕微鏡の中に細菌の培養環境を構築する試料ホルダ」と「真空と液体を隔離する電子線透過膜を持つマイクロ流路デバイス」を開発した。これらを用いて、気泡や液滴の挙動を観察し、培養環境にあるシアノバクテリアを長時間にわたり観察することに成功した。液中に存在する細菌を生きた状態で電子顕微鏡観察するための技術開発として、細菌に培養液を供給するためのマイクロ流路付液体セルと電子顕微鏡試料室内に培養環境を構築するための電子顕微鏡用培養チャンバに関する要素技術の開発を行った。培養液を供給するためのマイクロ流路付液体セルに関しては、シリコンチッ化膜の電子線透過膜とジメチルポリシロキサン(PDMS)の接合技術とPDMS製マイクロ流路と電子線透過膜を接合後に電子線透過膜を破らずに培養液を送液する技術を開発した。接合のためには、エキシマランプでシリコンチッ化膜とPDMSを紫外線照射して表面を活性化し、接触した状態で加熱することで、これらを接合することに成功した。その際、PDMS製マイクロ流路に犠牲層を成膜し、接合時にシリコンチッ化膜にPDMSが接合しないようにし、接合後にエタノールで犠牲層を除去することでマイクロ流路を有する液体セルを製作した。製作した液体セルに送液したところ、シリコンチッ化膜を破ることなく液体を循環させることに成功した。電子顕微鏡試料室内における培養環境の構築に関しては、電子顕微鏡用培養チャンバに不可欠な温度制御、光照射、ガス供給、培養液供給の機能を実装した。温度制御のためには培養チャンバ内にヒーターと熱電対を実装し、10時間にわたり一定温度を保つことに成功した。光照射はLEDを培養チャンバに実装し、光合成細菌が光合成するのに不可欠な光強度を確保した。ガス供給と培養液供給に関しては、それぞれを導入するための4本のチューブを培養チャンバに実装した。これらにより、電子顕微鏡試料室内に培養環境を実現することに成功した。本研究は、液中に存在する細菌を生きた状態で電子顕微鏡観察するための、技術開発を行うことである。昨年度は本研究の要素技術となる「マイクロ流路付液体セルの開発」と「電子顕微鏡内部の細菌培養システム」を開発することを完了した。当初計画においては、まず電子線ダメージを低減することを計画していたが、電子線ダメージの評価を行うためには、液体セルを細菌の培養環境に配置し、細菌を培養した状態で電子顕微鏡観察するための要素技術を先立って開発する必要があった。そのために必要な2つの要素技術を繰り上げて開発したことで、本年度以降の研究開発をスムーズに進めることが可能となる。液中に存在する細菌を生きた状態で電子顕微鏡観察するための技術開発として、低加速電圧の電子線での電子顕微鏡観察技術の開発を行った。低加速電圧電子線を透過可能な電子線透過膜と高感度反射電子検出器を開発し、細菌観察システムとして開発した技術の統合を行った。低加速電圧の電子線でも透過可能な電子線透過膜として、昆虫を生きた状態で観察することができるナノスーツ膜を試みた。ナノスーツ膜は界面活性剤であるTween20の溶液に大気プラズマを照射することで、溶液表面にできる炭素重合膜のことである。Tween20の濃度やプラズマのパワー、照射時間などを変えた様々なナノスーツ膜を作製し、液体セルに実装した。電子線透過膜として試してみたが、真空度が上昇すると耐圧不足で耐え切れず破れてしまい、本用途で使用することが困難であることが分かり、従来のシリコンチッ化膜を使用することにした。高感度反射電子検出器としては、ショットキー型とpn接合型を検討した。ショットキー型は既存の反射電子検出器に比べ感度が低く、pn接合型はショットキー型に比べ109高い感度を得ることができた。最後にマイクロ流路と電子線透過膜、電子顕微鏡内培養技術を統合した実験系を用いて、液体の導入の様子を観察した。電子顕微鏡のチャンバ内を培養条件(38°C、還流、光照射有)で維持した状態で、マイクロ流路に液体をシリンジポンプで導入したところ、液の導入に伴うコントラストの変化を観察することに成功した。昨年度は「低加速電圧電子線用の電子線透過膜の検討」と「高感度反射電子検出器の開発」に取り組んだ。さらに、これまで開発してきた技術を統合し、培養条件でマイクロ流路に液体が導入される様子を動的に観察することに成功した。計画では細菌を観察することを掲げていたが、後は観察するだけの状態であり、おおむね順調に進展していると言える。液中に存在する細菌を生きた状態で電子顕微鏡観察するための技術を開発してきた。しかし、実験の成功率が低い上に、実験中にシリコンチッ化膜が破れて実験が中断してしまうことが頻繁に起こった。そこで、シリコンチッ化膜が破れても同一デバイスで実験するための観察窓の複数化と流路壁とシリコンチッ化膜の接触によるシリコンチッ化膜の破れ防止のためのマイクロ流路の再設計を行った。これまでの液体セルは200μm四方の観察窓が1つであったが、観察窓を25個以上有する液体セルに改良した。本液体セルは観察窓が破れても、破れた箇所をエポキシ樹脂で補修することで、同一デバイスで複数回の実験が可能となった。また、流路壁とシリコンチッ化

膜の接触を回避するために、流路幅を大きく流路高さを高くした流路を用いることで、シリコンチッ化膜の破れを抑制し歩留まり向上に成功した。本デバイスを用いて、電子顕微鏡を用いた気泡や液滴の動態観察を行った。デバイスに培養液を還流すると、培養液内部に存在する100μm級の気泡が観察窓を通過する様子を観察することに成功した。また、水が観察窓部に存在せずその周囲に存在する状態でチャンバ内の温度を昇温したところ、シリコンチッ化膜表面に直径数μmの液滴が複数形成する様子を観察できた。さらにこれらの液滴が互いに融着し、そのサイズが大きくなる様子も観察した。これらの結果から、長時間にわたる動態観察が可能であることを実証した。ただし、流路の幅を大きく高さを高くしたことで、シアノバクテリアの観察が困難になった。そこで、電子顕微鏡を上下逆転することで、重力によりシアノバクテリアをシリコンチッ化膜に接触することにした。その結果、シアノバクテリアの観察が可能となり、光照射下でシアノバクテリアの培養を行った。30分に一度観察したが、シアノバクテリアの増殖は見られなかった。通常、電子顕微鏡で試料を観察するためには試料を真空に配置する必要があるが、電子顕微鏡の中で液体の中の細菌を観察できる技術をマイクロマシン技術で開発した。「電子顕微鏡の中に細菌の培養環境を構築する試料ホルダ」と「真空と液体を隔離する電子線透過膜を持つマイクロ流路デバイス」を開発した。これらを用いて、気泡や液滴の挙動を観察し、培養環境にあるシアノバクテリアを長時間にわたり観察することに成功した。前年度までに開発した細菌に培養液を供給するためのマイクロ流路付液体セルと電子顕微鏡試料室内に培養環境を構築するための電子顕微鏡用培養チャンバを実装し、細菌の短時間の動態観察を行う。さらに細菌の、元素分布の時間変化を取得するために、エネルギー分散型X線分析を電子顕微鏡に装着する。これにより元素分布を正確に調べることが可能となる。これにより、細菌の形状と元素分布を調べられるようになる。また、長時間にわたる細菌の動態変化を観察・分析するには、長時間にわたる電子線照射による細菌へのダメージを考慮する必要がある。細菌への電子線ダメージを低減するため、電子線の低加速電圧化、電子線照射に伴う発熱・帯電の低減、そして短時間電子線照射を試みる。電子線の低加速電圧化においては、電子線透過膜であるシリコンチッ化膜をさらに薄膜化するとともに、透過率の高い材料を用いた薄膜を用いる。電子線照射に伴う発熱・帯電を低減するために、電子線透過膜に金属電極をパターニングし、細菌に溜まった熱や電荷を迅速に散逸することを試みる。短時間電子線照射は高感度反射電子検出器を開発することで、微弱な反射電子を検出可能とし、短時間の電子線照射でも鮮明な画像の取得を可能とする。これらを実現することで、細菌の動態変化を調べることが可能となる。細菌の形態変化と元素分布変化を長時間にわたり観察し、従来見つけることができなかった新たな現象を調べることを目指す。平成29年度は、液中の細菌を電子顕微鏡で観察することを試みる。
STEM-HAADFによる固溶原子拡散の直接観察

AlにAu, Re, Wを微量ドープした試料をアーク溶解により作製し、STEMのビームスキャン速度やビーム強度を変えた実験を行い、ドーパントのジャンプ頻度に関する系統的な実験を行った。その結果、原子ジャンプはAu>Re>Wの順に活発であること、また、その頻度は明らかに電子ビームのスキャン速度やビーム強度に依存することが判明した。Auはジャンプが速すぎ、Wはあまりジャンプ頻度が高くないので、ジャンプ頻度の追跡にはReドープ材を用いることとした。[100]入射でSTEM像をスキャン毎ごとに取り込み、Re原子位置を示す各輝点の位置変化をスキャン像ごとに丁寧に追跡した。(1)原子ジャンプの起源解明:AlにAu、Re、Wを微量ドープした試料をアーク溶解により作製し、STEMのビームスキャン速度やビーム強度を変えた実験を行い、ドーパントのジャンプ頻度に関する系統的な実験を行った。またその結果を用いて、原子ジャンプが純粋に熱振動に起因するのか否かについて確認した。観察には、既存の走査型透過電子顕微鏡を利用した。Auについては、高温域におけるAl中の不純物拡散データが報告されている。またReやWについては拡散活性化エネルギーに関する理論計算結果が報告されている。そこで、この様な既存の情報と観察結果を比較することで、原子ジャンプの起源について解明した。(2)原子ジャンプ過程の観察と解析:ジャンプ頻度の追跡に最も適すると考えられるReドープ材について、原子位置を示す全輝点の位置変化を丁寧に追跡し、ジャンプが全隣接サイトに対し等方的か否かを明確にした。ジャンプが空孔拡散機構により生じているとすれば、ジャンプ直後に後ろに残してきた空孔へ再ジャンプする頻度が高いため、ジャンプに異方性が生じる(相関因子)。そこで、実験結果を解析することで、理論的に予測されている相関因子の有無を明らかにし、その値を具体的に見積もった。(3)析出物固溶度の決定手法の開発:a)AlにAuを適量ドープした試料を作製し、既存の状態図を参考にして溶体化と時効熱処理を行った。その後、析出物の構造を固定した後、STEM原子像における輝点の密度を求め、マトリクスに溶け込むAu濃度(固溶度)を算出した。この時、膜圧はEELSや等厚干渉縞を用いて評価しておいた。b)a)で作製した試料について、電気抵抗の温度依存性を測定し、その変化から合金の固溶度線を決定した。以上のようにSTEMと電気抵抗から決定した溶解度が互いに整合性を持つか比較することで、STEMによる固溶度決定手法の有用性を明らかにした。STEM-HAADFを用いた原子像の観察や、輝点の移動挙動を系統的に調査、またそのジャンプと拡散との関連について考察が出来た。またSTEMと電気抵抗から決定した溶解度が互いに整合性を持つか比較することで、STEMによる固溶度決定手法の有用性を明らかにすることが出来た。その結果、ジャンプは全隣接サイトに対し、比較的等方的に生じていることを明確にした。しかし、1つ1つの原子の軌跡を確認したところ、同じRe原子であっても明らかにジャンプ頻度の高い原子と低い電子が共存していることが判明した。この様な奇異な拡散挙動について考察を試みてきたが、現在のところその起源は不明である。(そのために論文化が遅れている)STEM原子像における輝点の密度を求め、マトリクスに溶け込むAu濃度(固溶度)を算出した。この時、STEM観察に用いられた薄膜の厚さが重要であるため、観察試料についてFIB加工を行い断面の直接観察により試料厚を計測した。得られた固溶度は、電気抵抗測定により報告されているものと比較的良い一致が得られた。また、低温時効により予め析出させたGPゾーンを観察したところ、析出物の消滅過程を観察することができた。なお、本研究で培った観察技術を用いてNi2MnIn合金の逆異相界面に生じるInの偏析現象を解析することができたことを付記したい。

H27年度と同様にジャンプ頻度の追跡に最も適すると考えられるReドープ材について、原子位置を示す全輝点の位置変化を丁寧に追跡し、ジャンプが全隣接サイトに対し等方的か否かを明確にする。ジャンプが空孔拡散機構により生じているとすれば、ジャンプ直後に後ろに残してきた空孔へ再ジャンプする頻度が高いため、ジャンプに異方性が生じる(相関因子)。そこで、実験結果を解析することで、理論的に予測されている相関因子の有無を明らかにし、その値を具体的に見積もる。さらにAlにAuを適量ドープした試料を作製し、既存の状態図を参考にして溶体化と時効熱処理を行う。その後、析出物の構造を同定した後、STEM原子像における輝点の密度を求め、マトリクスに溶け込むAu濃度(固溶度)を算出する。この時、膜厚はEELSや等圧干渉縞を用いて評価しておく。b)a)で作製した試料について、電気抵抗の温度依存性を測定し、その変化から合金の固溶度線を決定する。以上のようにSTEMと電気抵抗から決定した溶解度が互いに整合性を持つか比較することで、STEMによる固溶度決定手法の有用性を明らかにする。またAlに時効で析出が生じる程度の適量のAuをドープした合金を作製し、高温で溶体化した単相試料をSTEM観察する。Al中のAu原子は盛んにジャンプするので、その場観察により核生成過程を観察できる可能性がある。もし、観察できない場合には、加熱ホルダーで昇温して観察する。また、低温時効により予め析出させたGPゾーンを観察しながら加熱ホルダーで昇温し、析出物の消滅過程を観察することも試みる。金属材料学実験のための消耗品が当初の予定より少なくて済んだため。引き続き、実験のための消耗品(透明石英管)の購入を予定している。
新抗癌物質の探索とその有用性に関する基礎的研究

本研究班では新しい化学構造を有する優れた抗癌剤の生産的開発ならびにそれらの有用性について組織的に研究している。新抗癌剤の合成開発研究分野からは、放射線制癌における新規低酸素性癌細胞増感剤としてニトロトリアゾール誘導体の開発、カンプトテシン系新規抗癌剤の新しい簡便合成法のための重要中間体の好収率合成、抗腫瘍性天然物メガホン、スパトールなどの能率的不斉全合成、新規核酸系抗癌性化合物2′、3′-ジデオキシ-2′-(または3′-)置換リボフラノシルシトシンの開発、抗腫瘍活性シソ科ジテルペンの一種シコクシンの活性増強化、分子軌道法的計算を基盤とする抗腫瘍性シクロペンテンジオン類の合成開発、脳腫瘍の化学療法改善を企図するオキシセルローズ-アドリアマイシン複合体の合成開発、制癌性トロポロン誘導体の合成と構造活性相関の解明などに成功した。天然資源からの新規抗癌剤の探索に関する分野においては、中国産シソ科植物から抗癌性ジテルペン、ラブドロキソニンAの単離構造決定、抗腫瘍性多糖体誘導血清内腫瘍退縮因子の癌治療の応用に関する問題点の解明、放線菌代謝産物から新規抗癌性天然物ラクトキノマイシン-A及び-B、カズサマイシン、アワマイシン、トリエノマイシン-A及び-Bなどの単離構造決定、茜草根より抗癌活性スペクトル幅の広い2環性ヘキサペプチドの単離と化学構造の解明などに成功した。新規抗癌性化合物SM-108、ネプラノシンA、MST-16などの投与法、他の薬剤との交叉耐性ならびに作用機序に関しても興味ある新知見を得た。本年度は本研究班が認可されて2年目になるが、上述の通り数々の新知見ならびに有望な新規抗癌性化合物が、合成と天然資源からの探索の両面から見出されており、可成りの成果が得られたと考えている。さらに各分野研究者の専門的知識と情報を結集して本研究課題を強力に推進させたい。
癌遺伝子AKT1を分子標的とした新規口腔癌治療

癌遺伝子Akt1に対する合成small interfering RNA(siAkt1)は、アテロコラーゲンと混合し生体内へ投与することにより、選択的にヒト口腔扁平上皮癌移植腫瘍組織に送達されることが明らかとなった。また、siAkt1の治療効果を予測する方法として血清オステオポンチン値およびin vitro感受性試験の有用性を示した。以上の結果より、ヒト口腔扁平上皮癌細胞ではAkt1が癌遺伝子として重要な機能を担っており、Akt1が新しい治療標的になる可能性が示唆された。われわれは、これまでの研究で口腔癌において共通して発現亢進し、その増殖を支持する癌遺伝子としてAkt1を同定し、さらにAkt1を特異的に標的とする超効率型合成small interfering RNA (siAkt1)を見出した。本研究では、Akt1を分子標的とした新規口腔癌治療法の確立のためにsiAkt1の臨床応用を目指して、その抗腫瘍効果予測法の開発を試みた。まず、口腔癌ヌードマウス背部移植腫瘍より腫瘍細胞を分雑し、分離した腫瘍細胞にsiAkt1を導入後、アテロコラーゲンゲル中にて培養した。7日間無血清培養したのちWST-8を添加し、吸光度を測定することにより細胞数を評価した。対照群とsiAkt1処理群の吸光度を比較検討したところ、siAkt1の著明な抗腫瘍効果が確認できた。つづいて、培養ヒト口腔扁平上皮癌細胞に標的配列の異なるsiAkt1を2種類個々に導入し、48時間後にtotal RNAと蛋白質を抽出し、Akt1の蛋白質発現抑制率をWestern blot法にて評価した。80%以上の抑制効果が得られていることを確認したのちに、そのtotal RNAを用いてマイクロアレイによる網羅的遺伝子発現解析を行った。その結果、標的配列の異なるsiAkt1導入群に共通して認められる発現変動遺伝子で、かつ可溶性分泌蛋白質をコードする遺伝子の一つとしてOsteopontinを同定した。以上の結果より、口腔癌患者の腫瘍組織あるいは血清Osteopontin値よりsiAkt1の抗腫瘍効果を予測できる可能性が示唆された。近年、癌遺伝子への依存が癌の有用な治療標的となることが示されている。これまでに、われわれは口腔癌において共通して発現亢進し、その悪性形質を支持する癌遺伝子としてAkt1を同定し、さらにAkt1を特異的に標的とする超効率型合成small interfering RNA(siAkt1)を見出した。本研究では、siAkt1の癌治療への応用を目指して、種々のヒト癌細胞に対する抗腫瘍活性とアテロコラーゲンを担体とした生体への全身投与における動態および安全性と治療効果予測法について検討した。siAkt1はヒト口腔扁平上皮癌および唾液腺癌のみならず前立腺癌、膵癌、肺癌細胞の増殖を著明に抑制したが、ヒト胆管癌細胞に対する増殖阻害効果は認められなかった。また、ヌードマウス尾静脈内に投与されたsiAkt1は選択的にヒト口腔扁平上皮癌細胞背部皮下移植腫瘍組織に送達され、RNA干渉(RNAi)効果と抗腫瘍活性を示した。一方、主要臓器(肺、肝、腎)においてはRNAi効果およびインターフェロン応答は全く認められなかった。さらに、口腔扁平上皮癌患者の切除腫瘍組織由来の初代培養細胞を用いた検討においてもsiAkt1の著明な増殖抑制効果が確認された。以上の結果は、Akt1によりその増殖すなわち悪性形質が支持されている癌を見分けることは技術的に可能であり、それに対応したsiAkt1による治療が有用かつ安全である可能性を示唆した。これまでに、.われわれは口腔癌において共通して発現亢進し、その悪性形質を支持する癌遺伝子としてAkt1を同定し、さらにAkt1を特異的に標的とする超効率型合成small interfering RNA (siAkt1)を見出した。本研究では、siAkt1の癌治療への応用を目指して、送達担体となるアテロコラーゲンの全身投与における安全性とsiAkt1の口腔扁平上皮癌に対する感受性について検討した。合成siAkt1をアテワコラーゲン0.1%(低用量)、0.2%(高用量)と混合し、マウス尾静脈内に投与した。投与5日後に剖検し、器官および組織の肉眼的および病理組織学的評価を行った。高用量投与群においては腎臓、肺に不溶化したアテロコラーゲンの塞栓が観察され、一部の動物では死亡が認められたが、低用量投与群では若干の塞栓は確認できるもののそれによる著しい機能的および器質的変化は認められなかった。次に、手術標本より口腔癌原発および転移腫瘍組織を用いて初代培養を試みた。無血清培地下での腫瘍細胞の増殖を確認後、siAkt1をリバーストランスフェクションし、3日後に生細胞数をWST-8にて定量した。対照群とsiAkt

1処理群の吸光度を比較することにより、個々の腫瘍細胞のsiAkt1に対する感受性を評価した。口腔扁平上皮癌10症例を用いて検討したところ全症例においてsiAkt1による細胞増殖抑制効果が確認された。以上の結果より、siAkt1とアテロコラーゲン(0.1%以下)の複合体は口腔癌の新規治療薬となる可能性が示唆された。
真空中に生成した液滴の熱力学過程の計測と生体分子解析への展開

真空中に直径60ミクロン程度の液滴を生成して保持する技術を開発し、水およびエチレングリコールを試料として研究を行った。液体は真空中で急速に蒸発するため、すぐに温度が低下して凍結すると予想される。水液滴では、凍結までの約10ミリ秒間を観察し、過冷却状態の水の凍結核生成速度の温度変化を明らかにした。これに対して、生理環境のような無機塩水溶液では、純水よりも蒸発が遅いことを見出した。一方、蒸気圧の低いエチレングリコールでは、蒸発冷却と輻射加熱が競合し、数十秒もの長時間にわたって液相を保つことを見出した。これら当初予期しなかった現象の発見を含め、真空中での液体利用に向けた価値ある成果を上げた。研究実施計画に沿って研究を進め、真空中に60ミクロン程度の大きさの液滴を一滴ずつ生成する技術、それを帯電させてイオントラップに捕捉し、数十秒間保持する技術をまず開発した。大気圧下では、液滴が大気との摩擦で減速されるため捕捉が容易であり、しかも完全に静止させることができたが、真空中では減速効果がないことが技術上の困難となった。この問題に対して、発生後の液滴をパルス電場で減速する工夫をして対処した。こうして50秒以上の長時間にわたって液滴の捕捉を可能とした。この液滴を光学レンズ系で拡大し、2ミクロン程度の空間分解能で撮像した。最初に、エチレングリコールを液体試料とした。エチレングリコールは水などと比べて蒸気圧が低く、真空中で比較的長く液相が保たれると考えた。そこで、蒸発冷却を考慮したシミュレーションを行い、凍結までの時間を5秒程度と予測した。実験では、発光時間2マイクロ秒のLEDを遅延時間を変えながら捕捉した液滴に照射し、液滴発生後50秒まで撮像した。取得した画像から液滴の大きさを評価し、時間とともに半径が直線的に減少する様子を捉えた。同時に、ナノ秒パルスレーザー光を照射し、その散乱画像から液滴が液相か固相かを判定した結果、50秒後にもまだ液相を保っていた。これらの実験結果から、エチレングリコール液滴は、真空中で液相を保ったまま蒸発を続けていると結論した。これは、5秒程度で凍結するとした当初の予想を覆す結果であり、その原因をさらに探った。その結果、液滴を取り囲む実験装置が室温に保持されており、その輻射による加熱が蒸発冷却と拮抗し、液滴が凝固点以上の温度に保たれることを突き止めた。このように真空中においても液体はすぐには凍結せず、単純な予想よりも長く液相を保つ可能性があることを見出した。以上により、真空中での液体利用に向けた重要な成果を上げた。当初、真空中の液体は蒸発冷却の効果によって速やかに凝固・凍結すると予想していた。ところが、エチレングリコールのように蒸気圧が比較的低い液体の場合、室温程度の輻射が加熱に寄与するために単純な予想よりも極めて長く液相が保持されるという、当初の予想を覆す事実を見出し、真空中での液体利用に向けて大きく研究が進展した。また、この研究に取り組んだ大学院学生が、2015年9月の分子科学討論会で優秀ポスター賞を受賞した。前年度に真空中のエチレングリコール液滴が1分以上にわたって過冷却状態の液相を保つことを見出したことに続き、本年度は、研究の最終目標である水液滴の研究に取り組んだ。水は、エチレングリコールよりも蒸気圧が100倍程度高く蒸発冷却効果が大きいため、10 ms程度で凝固することがまず分かった。そこで、数百個の水液滴について、凝固したか否かを照射したレーザー光の偏光解消を計測して判定し、凍結までの時間を統計的に測定した。その結果、発生後8.5 msから凍結が始まり、10 msまでにすべてが凍結することを見出した。凍結時の液滴温度は蒸発冷却モデルによるシミュレーションから233235 Kと見積もられた。液滴サイズを直径5070ミクロンの範囲で調節して同様の測定を行ったところ、サイズの増大とともに凍結までの時間は長くなったが、凍結温度は変化しないことが明らかとなった。この温度は純水の均質凍結温度232 Kとほぼ一致する結果となった。一方、ラマン散乱を利用して液滴の温度を計測する実験を試みた。エチレングリコールのバルク液体を試料として、265292 Kの温度範囲でスペクトルを測定した。その結果、3400 cm-1を中心とするO-H伸縮振動バンドの強度が、高温ほど高波数側が増大し、低波数側は低下した。両者の積分強度比の対数値と温度の逆数との間に直線関係が得られ、これを較正曲線としてスペクトル形状から温度がわかることを示した。真空中では、液滴をトラップ内で静止させることが実験上の次の課題となった。なお、当初予期しなかった現象として、水液滴の実験中に凍結過程で破砕する液滴を多数捉えた。これは凍結が液滴表面から進むことを示唆する結果であり、内部凍結時の体積膨張で破砕したと考えられる。この確証を得るために、さらに実験と解析を継続して成果をまとめることとした。真空中の水液滴について、液滴内部よりも表面が優先的に凍結することを示唆する現象が観察された。表面が急冷される真空中の液滴に固有の現象と考えられ、従来の研究では指摘されてこなかった発見があった点で研究が大きく進展した。