hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
Metastatic dormancy活性化ニッチ分子機構解明と癌転移治療の応用

申請者の先行研究よりCAFsが癌細胞のmetastaticdormancy活性化のnicheとして作用することが予期されている。CAFsは癌細胞に作用し接着・凝集能を亢進しクラスターを形成することにより細胞間で増殖シグナルを亢進する。この細胞間増殖シグナル亢進により、metastatic dormancy活性化能がリプログラムされ、癌細胞が遠隔臓器で転移コロニー増殖を亢進することが予測される。本研究では、患者大腸癌より複数のPDXモデルを樹立した。大腸癌PDXをcollagenaseでdissocaiteしたcell suspensionとCAFsあるいは対照の正常線維芽細胞を高度免疫不全NOGマウスに皮下移植後、肝臓および肺に転移を調査した。結果として、CAFsと移植した群において、PDXs由来癌細胞は優位に肝臓および肺に転移をすることがわかった。この結果は、CAFsが近傍の癌細胞に作用し、浸潤を促進するのみならず、遠隔臓器に播種した後もdormancyになることなしに、増殖して転移コロニー形成を促進することが示唆された。この転移コロニー形成能は、遠隔臓器におけるnicheの形成能の反映している可能性も示唆された。癌微小環境がMetastatic dormancyの活性化をニッチとして制御していることが示唆されている。しかしながら、ニッチとして寄与する間質細胞や遺伝子シグナルに関しては不明な点が多い。申請者の研究グループでは、癌微小環境に多数存在する癌内線維芽細胞(CAFs)が近傍の癌細胞に浸潤・転移能を教授することを見出している。対照正常線維芽細胞で教育されたヒト乳癌細胞と比較して、CAFsで教育された乳癌細胞は癌進展過程で、細胞-細胞接着・凝集能を亢進することにより、癌細胞クラスター(集合体)を形成して、細胞死抑制能を増し、血液循環中に侵入し遠隔臓器に著明な転移を形成することが示唆されている。H28年度の成果としては、CAFsで教育された癌細胞において、E-cadherinを中心とした細胞ー細胞接着因子の発現抑制が、癌細胞クラスターの形成を抑制し、肺における転移コロニー形成を抑制したことが明らかになった。以上の結果はCAFsがMetastatic dormancyの活性化をニッチとして寄与していることを示唆するものである。CAFsで教育された大腸および乳癌細胞におけるE-cadherinを中心とした細胞ー細胞接着因子の発現抑制が、癌細胞クラスターの形成を抑制し、肺における転移コロニー形成を抑制したことを明らかにすることができた。CAFsがMetastatic dormancyの活性化をニッチとして寄与している可能性を示唆するものである。癌死亡の90%は転移再発に起因している。癌診断時に臨床的に転移が認められないが、原発巣治療後数年以内に転移再発で命を落とす患者数は少なくない。転移再発は、遠隔臓器の新しい環境に適応できず細胞増殖を停止している(dormant)癌細胞の再増殖に依存している。もし癌細胞のdormancyを制御することができれば、転移癌細胞との共存が可能になるかもしれない。申請者は癌微小環境の主な構成細胞である線維芽細胞(carcinoma-associated fibroblast:CAFs)が近傍の癌細胞に作用して癌悪性化を促進することを見出している。この先行研究を基に、CAFsがmetastatic dormancy活性化nicheとして作用する可能性を推測している。本研究では、CAFによるmetastatic dormancy活性化の分子機構を解明し新規癌転移治療法の開発を試みた。5例の患者より摘出された大腸癌組織よりCAFsの樹立を試みたが、樹立された細胞のほとんどが、急速に細胞老化に陥り、実験に使用できる数まで増殖させることが困難であった。他の多くの研究者が患者大腸癌由来CAFsの樹立に成功していることより、急速なCAFsの細胞老化の原因は不明である。今回は既に樹立されている乳癌由来CAFsの患者大腸癌由来tumor organoidの転移能に対する影響を調べた。対照の乳腺由来の線維芽細胞と比較して乳癌由来CAFsは、患者大腸癌由来tumor organoidと免疫不全マウスの皮下に移植された時に、有意に肝臓や肺への自発転移を促進した。今後は、CAFsの転移促進ニッチとしての作用機構を解明する予定である。すでにCAFsで教育された大腸および乳癌細胞におけるE-cadherinを中心とした細胞ー細胞接着因子の発現抑制が、癌細胞クラスターの形成を抑制し、肺における転移コロニー形成を抑制したことを明らかにすることができた。この結果はCAFsがMetastatic dormancyの活性化をニッチとして寄与している可能性を示唆する。また乳癌由来CAFsが患者大腸癌由来tumor organoidの転移能に及ぼす影響を動物実験によって示した.以上から本研究は概ね順調に進展していると考えられる。大腸癌PDXをcollagenaseでdissocaiteしたcell suspensionとCAFsあるいは対照の正常線維芽細胞を高度免疫不全

NOGマウスに皮下移植後、肝臓および肺に転移を調査した。結果として、CAFsと移植した群において、PDXs由来癌細胞は優位に肝臓および肺に転移をすることがわかった。この結果は、CAFsが近傍の癌細胞に作用し、浸潤を促進するのみならず、遠隔臓器に播種した後もdormancyになることなしに、増殖して転移コロニー形成を促進することが示唆された。この転移コロニー形成能は、遠隔臓器におけるnicheの形成能の反映している可能性も示唆された。CAFsで誘導された細胞ー細胞接着能およびクラスター形成能を媒介する細胞内因子を同定し、Metastatic dormancyの活性化との関与を調査する。また、CAFsで誘導された癌細胞クラスターは転移巣での細胞死が抑制され増殖能を亢進している。今後は、CAFsで誘導された増殖能が正常であり細胞死の抑制がみられないdormant状態の細胞集団の解析も含めて進めていきたい。今後は、CAFsの転移促進ニッチとしての作用機構を解明する予定である。CAFsで誘導される細胞ー細胞接着能を媒介するE-cadherinを中心とした遺伝子に対するレンチウイルス由来shRNA vectorの構築に予想以上に時間を要したため、マウスの実験の開始に遅延が生じたため。研究は順調に進行しているが、研究室のストック材料などを一部に使用した結果、解析にもちいる試薬や機材などに残額が生じた。CCAFsで誘導された増殖能が正常であり細胞死の抑制がみられないdormant状態の細胞集団の解析も含めて進める。次年度は実験遂行に必要な試薬・器具などの購入に当てる。研究の潤滑な推進のために、アルバイトの雇用も検討している。また本研究における研究成果を公表するとともに関連研究における最新情報を取得するため、学会出席を予定しており旅費が必要である。上記の結果の再現性をとるために、1遺伝子あたり少なくとも2つのshRNAを構築して、癌細胞内に導入し、予期した結果が得られるか否かを検討する。H30年度予定のこれらの細胞ー細胞接着因子への中和抗体の作製も並行して進める予定である。
共焦点レーザー高温顕微鏡による超クリーンスティール製造プロセスの研究-溶解金中微小介在物の凝集・分離過程の直接観察解析-

共焦点レーザー顕微鏡を用いて、1500°C以上の溶鋼表面での、アルミナ系・シリケート系の微小非金属介在物の衝突・凝集挙動とその形態・組成依存性、および固液界面での捕捉・押出し挙動の観察を行なった。1.低炭素A1Lキルド鋼では、複数個のアルミナ粒子の凝集体が互いに50μm以下に近づくと約10^<-16>10^<-13>Nの凝集力が働き、加速度的に衝突・凝集するが、この衝突・凝集挙動は溶鋼の[S]には影響されない。2.Ca処理高張力低合金鋼中のCaO-Al_2O_3系の溶融介在物では、互いに5μmぐらいにまで接近しても引き合わない。3.Siキルド極低炭素鋼中のSiO_2およびCaO-SiO_2-Al_2O_3介在物では、SiO_2の不定形粒子の場合はAl_2O_3粒子の場合同様の衝突・凝集が起こり、CaO-MgO-SiO_2-Al_2O_3の溶融球状粒子の場合は接触する程度に接近しても引き合わない。4.Ca処理高炭素鋼内のCaO-Al_2O_3系介在物では、Al_2O_3濃度が低い溶融球状粒子間では引き合わず、Al_2O_3濃度が80%を超える固体粒子間では引き合う。5.14の挙動を解析した結果、固体介在物粒子間には溶鋼との接触角が大きいためキャピラリー効果に起因する引力が働き衝突・凝集が進むが、液体介在物粒子間には溶鋼との接触角が小さいためこの引力が生じないことが判明した。この現象を利用してガス吹込攪拌による溶鋼の超清浄化プロセスを検討中である。6.成長する鋼の結晶により、介在物が捕捉または押出される場合の固液界面の臨界成長速度の観察がAl_2O_3粒子およびCaO-Al_2O_3系介在物について成功し、捕捉が起こる臨界成長速度を種々の介在物について決定した。鋼材の特性、特に転動疲労、高度の冷間加工、低温衝撃などに対する耐性はアルミナを主体とする酸化物系非金属介在物の含有量を極小化できれば格段に向上することがある程度実証されている。従来の研究は介在物の溶鋼からの除去に関する解析を巨視的・平均的・現象論的に扱うか、仮定の多いモデル解析で扱うかに大別され、クラスタ化に至る過程を観察に基づいて解明した例はない。本研究では共焦点レーザー顕微鏡と赤外線イメージ炉を組み合わせた顕微鏡を用いて、1500°C以上の溶鋼表面においてアルミナ系・シリケート系の微小介在物の運動・凝集過程、および固液界面に微小介在物が捕捉される様子を詳細に観察した。微小介在物の凝集については、アルミナ系の不定形な粒子はある距離(数10μm)以下に近づくと粒子が加速され、衝突・凝集することが明らかになり、この時衝突・凝集する2粒子間に作用している力を定量的に求めることができた。シリケート系の球形介在物ではこの加速される現象が観察されず、衝突・凝集がアルミナ系介在物に比べ起こりにくいことも明らかにできた。また、固液界面への捕捉については、成長する鋼の結晶によりアルミナ粒子が捕捉される場合の固液界面の臨界成長速度の観察に成功している。

臨界速度は大きな粒子の場合には小さく、小さな粒子の場合には大きくなっている。これらの一連の観察過程において鋼の凝固現象を鮮明に観察することにも成功した。介在物の運動・衝突を支配する因子として溶鋼中での温度勾配・溶質濃度勾配による表面エネルギ勾配の影響が考えられる。この影響を明らかにするために、溶鋼中の温度勾配を精密に測定できるように装置の改良を計画している。また、現在観察・解析を進めている溶鋼上(2次元)での介在物の運動・衝突・凝集・捕捉を溶鋼内部(3次元)へ演繹することは、まだ未解決でありさらに研究を要する。共焦点レーザー顕微鏡を用いて、1500°C以上の溶鋼表面での、アルミナ系・シリケート系の微小非金属介在物の衝突・凝集挙動とその形態・組成依存性、および固液界面での捕捉・押出し挙動の観察を行なった。1.低炭素Alキルド鋼では、複数個のアルミナ粒子の凝集体が互いに50μm以下に近づくと約10^<-15>10^<-14>Nの凝集力が働き、加速度的に衝突・凝集するが、この衝突・凝集挙動は溶鋼の[S]には影響されない。2. Ca処理高張力低合金鋼中のCaO-Al_2O_3系の溶融介在物では、互い5μmぐらいまで接近しても引き合わない。3. Siキルド極低炭素鋼中のSiO_2およびCaO-SiO_2-Al_2O_3介在物では、SiO_2の不定形粒子の場合はAl_2O_3粒子の場合同様の衝突・凝集が起こり、CaO-MgO-SiO_2-Al_2O_3の溶融球状粒子の場合は接触する程度に接近しても引き合わない。4. Ca処理高炭素鋼中のCaO-Al_2O_3系の介在物では、Al_2O_3濃度が低い溶融球状粒子では引き合わず、Al_2O_3濃度が80%を越える固体粒子では引き合う。5. 14の挙動を解析した結果、固体介在物粒子間には溶鋼との接触角が大きいためキャピラリー効果に起因する引力が働き衝突・凝集が進むが、液体介在物粒子間には溶鋼との接触角が小さいためこの引力が生じないことが判明した。この現象を利用してガス吹込攪拌による溶鋼の超清浄化プロセスを検討中である。6.成長する鋼の結晶により、介在物が捕捉または押出される場合の固液界面の臨界成長速度の観察がAl_2O_3粒子について観察されたの同様にCaO-Al_2O_3系介在物についてもに成功成功している。
病院内の自殺事故の実態調査および病院管理者と医療者に対する自殺予防教育

自殺は、病院における主要重大医療事故の一つである。報告者らは、自殺事故予防対策を策定することを目的に、全国の病院を対象に病院内の自殺事故と事後対応の詳細を調査した。その結果、精神科病床の無い432の一般病院の19%で107件、精神科病床を有する63の一般病院の67%で74件、そして63の精神科病院の79%で81件の入院患者の自殺事故が2012ー15年の3年間に生じていたことが分かった。精神病床以外の病棟での自殺事故の50%を癌患者が占めていたことも分かった。また、事故発生直後の医療者当事者に対する専門的なケアの不足の実状が明らかとなり、各種トラブルなどの実状も明らかとなった。1.日本医療機能評価機構と協力し、主として、医療安全管理者と心理臨床従事者(医師、看護師を含む)を対象とした自殺事故予防のための研修プログラムを計3回実施した。プログラムの内容は、1自殺と自殺企図者の本質の理解、2患者安全、および自殺の1次ー3次予防の原則に立脚した病院内の自殺予防対策の必要性と、その病院管理業務への導入、3自殺予防対策を含む病院の安全管理システムの構築であった。研修参加者は、計103名で、このうち病院管理職者は、計36名で、内訳は、病院管理者0名、医師管理職5名、看護管理職26名、その他の管理職者5名であった。これらの参加者に対して、研修の効果測定を目的に質問紙調査を実施した。2.医療スタッフを対象に、自殺事故予防のための教育プログラムのための資材を開発した。具体的には、1メンタルヘルス不調への気づき、2声掛け、3傾聴、4(自殺の)リスク確認、5安全確保、6問題解決、7情報提供、8相談勧奨、9セルフ・ケアの強化、10家族支援、の10の行動目標を設定し、相応するモジュールを作成し、パイロット・プログラムを開発した。3.2005年実施の“病院内の自殺事故の実態調査(岩下ら,2006;Kawanishiら,2007)"を基盤として、“10年後調査"のための調査紙作成について検討を行った。調査の対象は、2005年実施の時と同様に、日本医療機能評価機構認定病院を対象に行うこととし、調査項目は、前回同様に、1過去3年間における自殺事故発生数、2発生場所、3自殺手段、4治療主担当科と診断名、5患者に見られた危険因子と発生状況、6自殺事故後の対応、7医療者の事故後のケア、8通常実施されている自殺事故対策等とし、これに新たに、病院内の自殺予防と事後対応に関する学習機会情報知悉の有無、こららの研修会への参加実績、そして自殺予防と事後対応実施の障壁を問う項目を追加した。病院内の自殺事故の実態調査を実施した。平成26年度に作成した実態調査票案について確定版を作成し、平成27年度の9月から10月の期間内に国内の1113病院(いずれも日本医療機能評価機構認定病院患者安全推進協議会会員病院)を対象に調査紙を配布し、2015年を含む過去3年間の病院内の自殺事故の詳細について調査を実施した。この中には、自殺事故発生後の対応、当事者となった医療スタッフへのケアも含まれた。すでに回答は回収し、集計を行ったが、今後、続けて正確な集計データのとりまとめを行い、このデータ・セットを用いた詳細な解析を行う予定である。病院内の自殺事故の予防と事後対応のための研修会に関する研修満足度調査については、平成26年度は102名の参加者に対して調査を行い、講義に対する満足度(とても参考になる、参考になる)は100%、グループワークに関する満足度(とても役に立つ、役に立つ)は90.2%と高い評価を得た。他に、ほとんどの参加者において知識、技術の習得度、困難感の軽減についても効果的であったとの回答を得た。一方で、これらの各項目評価について、管理職、あるいは非管理職といった参加者属性間に差異はほとんどなく、管理職に特異的なプログラムのあり方についてはさらに検討を要するものと考えられた。病院内の自殺事故の予防と事後対応のための研修会は、これも計画通りに平成27年度内に2回実施し、参加者に各種調査を継続的に実施した。1.病院内の自殺事故の実態調査は、実態調査票を予定通りに確定し、年度内の9月から10月の期間内に国内の1113病院(いずれも日本医療機能評価機構認定病院患者安全推進協議会会員病院)を対象に調査紙を配布し、調査を実施した。結果については、年度内に回答を介入し、現在、データ集計と解析を実施中である。2.病院内の自殺事故の予防と事後対応のための研修会の満足度調査については、平成26年度は102名の参加者に調査を行い、講義に対する満足度(とても参考になる、参考になる)は100%、グループワークに関する満足度(とても役に立つ、役に立つ)は90.2%と高い評価を得ている。3.病院内の自殺事故の予防と事後対応のための研修会は、これも計画通りに平成27年度内に2回実施し、参加者に各種調査を実施した。

岩下ら(2006年)、Kawanishiら(2007)の先行研究により、わが国の病院で多くの自殺事故が発生しており、わが国の自殺者総数の数%を占めていることが示唆された。報告書らは、平成27年度に公益財団法人日本医療機能評価機構認定病院患者安全推進協議会に所属する全国1376病院を対象に、病院内の自殺事故とその詳細、事故後の事後対応を調査し対策を検討する目的で研究を行った。当該調査に際して、精神科病床のない、あるいはこれを有する一般病院、および精神科病院に対応した質問紙が作成された。質問紙は平成27年中に配布・回収され、平成28年度中に集計・解析した。結果として、529病院(38.4%)より回答があり、432の「精神科病床のない一般病院」の19%で3年間に107件、63の「精神科病床を有する一般病院」の67%で74件、そして34の「精神科病院」の79%で81件の入院患者の自殺事故が2012ー2015年の間に生じていた。一般病院の自殺事故の36%はがん患者であり、精神科病床以外の病棟で生じた自殺事故の50%を占めていた。その他、自殺手段、自殺の生じた場所・時間帯、直前の出来事、そして罹患していた疾患(精神・身体疾患)など詳細な臨床データと病院カテゴリーごとの特徴が明らかとなった。さらに、事後対応においては、事故発生直後の医療者当事者に対するケアの不足の実状が明らかとなり、事故後の各種トラブルの実状も明らかとなった。これらの結果は、日本医療機能評価機構患者安全推進協議会が事業として実施している院内自殺の予防と事後対応研修会プログラムに反映され、また、同協議会による院内自殺予防対策と事後対応強化のために予定されている提言の初案作成に援用された。自殺は、病院における主要重大医療事故の一つである。報告者らは、自殺事故予防対策を策定することを目的に、全国の病院を対象に病院内の自殺事故と事後対応の詳細を調査した。その結果、精神科病床の無い432の一般病院の19%で107件、精神科病床を有する63の一般病院の67%で74件、そして63の精神科病院の79%で81件の入院患者の自殺事故が2012ー15年の3年間に生じていたことが分かった。精神病床以外の病棟での自殺事故の50%を癌患者が占めていたことも分かった。また、事故発生直後の医療者当事者に対する専門的なケアの不足の実状が明らかとなり、各種トラブルなどの実状も明らかとなった。1.当初、病院管理職を対象とした研修プログラムの開発を予定していたが、まずはじめに、既存の標準的な研修プログラムにおける管理職者の研修効果を測定することとし、その結果を得て研修プログラムの開発を行うこととした。これにより、何等かのデータ、根拠に基き高品質の研修プログラムの開発が期待されると考えられた。管理職者の研修効果については、年度末の研修参加者のデータを合わせて解析中である。2.心理臨床従事者と、それ以外の臨床従事者を対象とした自殺事故予防のための研修プログラムの個々の資材の開発は予定通りに完了した。3.2005年実施の“病院内の自殺事故の実態調査(岩下ら,2006;Kawanishiら,2007)"を基盤とした“10年後調査"のための調査紙作成については、ほぼ予定通りに原案を作成した。1.病院内の自殺事故の実態調査は、予定通りに調査は遂行したので、回収した回答について、回答率、調査内容の結果詳細などについて集計、解析を継続実施する。そしてその解析結果等を段階的に内外に公表し、論文作成も行う。2.病院内の自殺事故の予防と事後対応のための研修会の満足度調査については、平成26年度ー27年度、28年度の経年的データを集計、解析する。3.病院内の自殺事故の予防と事後対応のための研修会は、平成27年度も少なくても2回実施し、参加者に各種調査を実施する。
蛍光性超修飾ヌクレオシドの合成研究

題記標的化合物3-β-D-リボフラノシルワイブチン(1)の塩基部のキラル合成はWittig反応及びHeck反応を鍵とする2方法によって達成していたので、この両方による1の合成を試みた。前者はヌクレオシドレベルでは全く目的物を与えず、ホスホニウム塩を塩化物から分子内塩にしたり、窒素上の置換基を改変することを試みたけれども、いずれも目的を果たせなかった。後者の反応に必要な3環性ヌクレオシドのハロゲン化体は対応する未置換体を炭酸水素ナトリウム存在下ヨウ素で処理するという簡単な方法で収率よく得ることができた。一方、オレフィン要素として平なビニルグリシン誘導体は文献記載の方法では光学的に純粋な原料を得ることが難しく、加水分解酵素を用いることによって効率的な合成法を実現した。これらを原料として用いるHeck反応は円滑に進行し、接触還元、メチル化に引き続く脱保護を経て1の最初の合成を実現することができたかに思えた。しかし、ながら、ここに得られた1はそのジアステレオマ-との混合物であることが判明したので、タイプの異なるビニルグリシン誘導体を用いるHeck反応や、反応機構的に立体異性化を伴わないと考えられる他の炭素炭素間結合形成反応などを試みたが、いずれもよい結果を与えなかった。そこで、1をそのジアステレオマ-から分離することに本格的に取り組んだ結果、最終的には1の合成中間体の段階で逆相系の高速液体クロマトグラフィ-を用いて分離することに成功した。かくして得られた1のグリコシル結合の加水分解速度は、酵母フェニルアラニン転移リボ核酸から単離されたワイブトシンの加水分解速度と同程度であった。化合物1のトリアセチル体はそのジアステレオマ-と高速液体クロマトグラフィ-などによって明瞭に区別することができるので、ワイブトシンの単離同定は安定なトリアセチル体で行なうのが得策である。この線に添った作業を鋭意続行中である。1.題記標的化合物3-β-D__=-リボフラノシルワイブチン(l__)を合成するために、新しいタイプのWittig試薬としてアミノ基を9-フェニルフルオレニル基で保護したアミノ酸エステルのホスホニウム塩の合成を企画した。L__=-セリンメチルエステルにこの保護基を導入し、ついでトシル化することに成功したが、トシル体をより活性なヨード体に変換することはできなかった。そこで、トシル体を直接トリフェニルホフフィンと反応させ、低収率ながら目的のホスホニウム塩を得た。このものはベンツアルデヒドとのWittig反応において有望な結果を与えたが、この試薬の合成収率を実用レベルまで改善できなかったので、このルートによる合成計画は中断している。2.第2の合成ルートのHeck反応に必要なヨウ化アリール体は、本研究担当者らがすでに合成法を確立している3-β-D__=-リボフラノシルワイのトリアセチル体を塩基存在下ヨウ素と処理するのみで高収率で得た。このものとL__=-N__ー-メトキシカルボニルグリシンのHeck反応はJefferyの方法に準じて行ない、一応満足すべき結果を得た。生成物を接触還元、メチルエステル化に続き脱保護することによってl__の最初の合成が実現した。l__のグリコシル結合は、緩和な酸性条件下速やかに加水分解をうけ、その速度は転移リボ核酸から単離されたワイブトシンの加水分解速度と同等であった。

このようにして得られた塩基ワイブチンの光学純度は、すでに本研究担当者らがWittig反応によって得ているものに比して低く、上記のHeck反応においてl__のアミノ酸部分の立体異性化が起っていることが示唆された。そこで、Heck反応の反応条件がl__の異性化及び収率に及ぼす影響を種々検討した結果、収率を改善することには成功したが、異性化を防ぐことはできなかった。現在、立体化学的に純粋なl__の合成法を更に検討中である。1.題記標的化合物3-β-D-リボフラノシルワイブチン(1)を合成するために、すでに塩基部の合成において成功を収めているWittig反応の改良を計り、ホスホニウム塩を塩化物から分子内塩型に改変した。本試薬はモデル反応では好結果を与えたにもかかわらず、1の合成には応用できなかった。そこで、すでに1をそのジアステレオマ-との混合物として与えることが分かっているHeck反応の改良を企画し、ビニルグリシンのアミノ部の置換基をメトキシカルボニルから非置換型、アラルキル型、およびアシル型に変換したが、いずれも却って好ましくない結果に終わった。つぎに、最近報告された新しい炭素炭素間結合形成反応としての有機亜鉛化合物を用いるパラジウム触媒存在化の反応およびReformatsky型反応を試みたが、いずれも目的を果たせなった。従って、現在のところ立体化学的に純粋な1を選択的に得る新しい合成法を実現させるには至っていない。2.昭和63年度の成果として、立体異性体の混合物として1を得ているので、酵素分解による手法を用いて1をそのジアステレオマ-から分離しようと試みたが、1のカルバメ-ト部はアシラ-ゼによって加水分解を受けないことが分かり、この試みは成功しなかった。しかしながら、1の合成中間体は逆相系の高速液体クロマトグラフィ-によって各ジアステレオマ-に分離できることが分かり、これをメチル化、引き続き脱アセチル化することによって、1及びそのジアステレオマ-を立体化学的に純粋なサンプルとして初めて得ることができた。これらのトリアセチル体は光学的性質の差によって区別することができるうえに、そのグリコシル結合は比較的安定である。従って、生体試料からのヌクレオシドをこの形に導いて同定しようとする当初の計画は妥当なものであることが分かった。目下、酵母からの当該ヌクレオドの分離を準備している。
断層変位による表層地盤の変形と構造物被害軽減に関する研究

表層地盤が、横ずれと縦ずれ断層変位をともに受ける場合に、表層地盤内で形成されるせん断帯(地震断層)について調べた。正断層変位に加えて僅かに右横ずれ断層変位を受ける場合は、地表で右ステップのせん断帯が形成される可能性があること、横ずれ断層変位に加えて僅かに逆断層変位を受ける場合は、より狭い領域にせん断帯が形成されるなど、実際に観察された断層と調和的な結果を得た。埋設管が断層変位を受ける場合の変形について調べ、管が地盤から受ける力と、管ー地盤間の相対変位の関係を明らかにし、また、地盤の変形が大きくなる領域の端部に大変形を許容するジョイントを設けると管の他の箇所での変形が抑えられることを示した。地盤内部の断層変位の進展について、正断層にわずかに横ずれ断層成分を含む変位を受けた場合は、横ずれ断層変位だけを受ける場合とは逆ステップの雁行パターンを示す可能性があることを示し、2011年4月11日福島県浜通の地震において、いわき市大久保地区で観察された地震断層の雁行パターンが、このことに起因する可能性があることを示した。基盤における断層のずれを、表層地盤内の構造物位置におけるずれと想定することが適当でない場合があり、地盤内の断層変位進展プロセスを考慮する必要性を示す成果となっている。断層変位を受ける埋設管について、管を有限要素法、地盤を個別要素法を用いた数値解析を行い、断層変位の進展に伴って、管が地盤から受ける力とその変化について調べた。その結果、基盤の断層変位が増して断層変位が管まで進展する過程では管に作用する力が増す一方、さらに基盤変位が大きくなると、地盤内部で破壊が進展することによって管に作用する力は減少すること、管に作用する力は、基盤断層の延長上からやや離れたところで最も大きくなることを示した。また、管が存在することによって、地盤の変形形状や地盤内部の断層変位の進展パターンが、管が存在しない場合とは変化し、そのため、管に作用する力は、断層を挟んで地盤が剛体的に変位する場合とは異なってくることを明らかにした。断層変位による埋設管の変形を考える上で、管の周囲の地盤の変形を考慮する必要性を示す成果となっている。地盤については粒子の集合体として表現する個別要素法、管については有限要素法を用いた数値解析を行い、埋設管が断層変位を受ける際に地盤から作用する力について、断層変位に伴う地盤の変形過程との関係性を考慮しながら、断層変位量との関係および地盤と管の相対変位量との関係を求め、地盤と管の間の相互作用について、より詳細に明らかにした。断層変位を受ける埋設管の安全性のより精確な照査につながる可能性がある成果となっている。また、管の一部に、大きな変形を許容するジョイントを用いることで、断層変位を受ける管の変形にどのような影響が及ぶか解析し、断層変位によって地盤が大きく変形する領域の端部にジョイントを設けることで、管の他の箇所の変形が大きく抑えられること、管本体に比べてジョイント部分が曲がりやすいほど、管本体の変形を抑える効果が期待できることを示した。活断層の位置や断層変位量が分かっている場合に、適切なジョイントを設置することで、埋設管の機能を損なわない程度に被害を抑えたり、被害を受ける箇所をジョイント部分に限定することで早期の復旧が可能になることにつながる成果となっている。さらに、模型実験により、断層変位を受ける部分の管を緩衝材で覆うことで、埋設管の変形を抑えられることを示した。緩衝材としてふさわしい特性を明らかにし、適切な材料を見いだすことができれば、埋設管の断層変位による被害の軽減につながることが期待できる。構造物周辺での断層変位の進展と構造物被害に関しては、数値解析を行って、断層変位の進展過程や埋設管の変形形状を明らかにしつつあり、概ね、計画通り進んでいる。また、埋設管の被害軽減策についても、いくつかの手法とその効果を示しており、進展しているが、正確な材料特性を考慮していないこともあって定量的な評価に欠く部分があり、また、地盤材料が断層進展プロセスに与える影響の解明も当初の計画よりも遅れている。表層地盤内部を進展する断層変位に関して、断層変位が複雑なプロセスを経て地盤内を進展する斜めずれ断層を対象として解析を行った。個別要素法を用いた解析により、過去に行われた実験で観察された断層変位の進展過程を再現できることを示した上で、地盤内に作用する力と断層変位の進展過程の関係を明らかにした。2011年福島県浜通り地震の際に井戸沢断層で観察された地震断層の再現を試み、観測結果と調和する結果を得た。さらに、1995年兵庫県南部地震の際に淡路島の野島断層で観察された地震断層の再現を試み、横ずれに加えて逆断層成分も考慮することで、観測結果とより調和的になることを示すなど、表層地盤を進展する断層変位の進展プロセスやメカニズムをより詳細に明らかにした。断層変位を受ける地中埋設管の被害に関して、模型実験により、埋設管を緩衝材で覆うことで、断層変位に伴う埋設管の変形が小さくなること、管の周りに断層変位を散逸させるような障害物を配することでわずかではあるが管の変形が抑えられることなど、管の被害を軽減する可能性がある方法について検討した。

また、数値解析を行い、断層変位や管から地盤が受ける力によって地盤が破壊すると、埋設管が地盤から受ける力が減少すること、特に逆断層変位を受ける場合は、管が浅い方へ大きく撓むことで、管より上部に位置する地盤が薄くなって一層周囲の地盤から受ける力が減少し、管に生じる変形も抑えられる可能性があることを示すなど、埋設管と周辺の地盤が及ぼし合う力も考慮して解析することで、断層変位を受ける地中埋設管の変形プロセスやメカニズムをより詳しく明らかにした。表層地盤が、横ずれと縦ずれ断層変位をともに受ける場合に、表層地盤内で形成されるせん断帯(地震断層)について調べた。正断層変位に加えて僅かに右横ずれ断層変位を受ける場合は、地表で右ステップのせん断帯が形成される可能性があること、横ずれ断層変位に加えて僅かに逆断層変位を受ける場合は、より狭い領域にせん断帯が形成されるなど、実際に観察された断層と調和的な結果を得た。埋設管が断層変位を受ける場合の変形について調べ、管が地盤から受ける力と、管ー地盤間の相対変位の関係を明らかにし、また、地盤の変形が大きくなる領域の端部に大変形を許容するジョイントを設けると管の他の箇所での変形が抑えられることを示した。構造物周辺での断層変位の進展と構造物被害に関しては、数値解析を行って、断層変位の進展過程やそれによる埋設管の変形形状を明らかにしつつあり、概ね、計画通り進んでいる。一方、26年度は、基盤断層の変位方向が地盤内を進展する断層の進展プロセスに与える影響の解明に当初の計画よりも多く時間を割いたため、地盤材料が断層進展プロセスに与える影響の解明が当初の計画よりも遅れている。今年度提案した断層変位による被害軽減策について、より正確な材料特性を考慮することで、被害をどの程度軽減可能か、定量的に評価することを目指す。また、地盤材料が断層変位の進展プロセスや構造物の変形に及ぼす影響についても、実験・数値解析によって明らかにすることを目指す。地震工学適切な地盤材料を用いることによって構造物被害を軽減することが可能か、模型実験により、地盤材料が断層進展プロセスに与える影響、構造物の変形に与える影響の把握を試み、実験を対象とした数値解析によってメカニズムの解明を目指す。構造物周辺での断層変位の進展と構造物被害に関しては、引き続き解析を行って、構造物周辺での断層変位の進展プロセスをさらに詳細に調べるとともに、模型実験結果ともあわせて、構造物が地盤によって大きく変形する条件、地盤が大きく変形する一方で構造物の変形が小さくなる条件の解明を目指す。所有機器が順調に稼働し、予定していた更新の必要性がなかったこと、および、今年度の実験においては計測機器を新規購入せずに計測が可能であったため。26年度は数値解析を優先的に行い、実験は期末近くになってから始めたことにより、当初実験用に計上していた経費がわずかであるが残ったため。模型実験においてより多くの計測を行うことを予定しており、計測機器等に使用する計画である。模型実験を行うに当たって、埋設管模型や計測機器に使用する計画である。
誘電泳動を利用した異種細胞のパターニング技術の開発

細胞の誘電泳動特性の評価について詳細に検討し,ネガティブ誘電泳動の作用する周波数領域を調査した.この結果を基に,ネガティブ誘電泳動による細胞の大量一括で迅速なライン配列技術を確立できた.ネガティブ誘電泳動を利用すると細胞は電場強度の弱い方向に移動するため,電場強度の強い電極表面へ接触することなく配列させることが可能であった.電極に交流電圧を印加して1分程度での細胞ラインの形成が可能であった.3-5分間電圧印加状態を保持すると細胞は基板表面に付着した.さらに,デバイスを電極基板と細胞配列基板に分離し,配列化細胞を培養することができた.細胞配列に要する印加電圧,周波数および印加時間と細胞のバイアビリティーの関連について詳細に評価できた.また,細胞の電極表面への接触による破裂,電極の汚染を低減させるために電極表面をアモルファスフッ素樹脂の薄膜でコーティングすることにより,ポジティブ誘電泳動による電極表面での細胞のペアリングおよび数珠状の細胞ワイヤを創製できた.上下の基板にくし型マイクロバンドアレイ電極を配置した3次元アレイ電極を用いたネガティブ誘電泳動により細胞をバンドの格子点にドット状に配列できた.さらに,上下基板の4本のバンド電極で構成されるグリッド内へ細胞を捕捉し回転させることができた.これは,4本の電極へ印加する交流電圧の周波数を90度ずつ位相をずらすことにより達成された.この方法を用いると大量の細胞を一括で回転させることができるため,1回の実験で細胞膜表面の特性を統計学的に高精度で解析可能となる.実際に,細胞膜に提示された表面タンパク質(CD7)を発現しているヒトTリンパ種および発現していないヒト単球では,同周波数条件で回転速度が異なった.この研究課題を遂行するにあたり誘電泳動の新たな応用展開を多方面で示した.マイクロ電極を組み込んだ微小流路デバイスを作製して細胞(マウスミエローマ,3T3等)を導入し,誘電泳動特性を調査した.細胞には低周波数領域(100kHz以下)においてネガティブ誘電泳動が,高周波領域(1MHz)においてポジティブ誘電泳動が作用した.電極の溶液との接触面積を既定することにより,誘電泳動により細胞を培地中でマニピュレーションできた.使用した培地(10%牛血清を含むRPMI1640)の誘電率は1.32S/mであり,極めて高いイオン濃度を有する溶液中における自在な細胞操作を達成した.さらに,交互くし型マイクロ電極を用いて,ネガティブ誘電泳動の反発力を利用すると培養用基板上に細胞の繰り返しラインパターンを迅速に一括で作製することができた.交流電圧を3分間印加するとパターンされた細胞は基板に接着し,そのまま培養が可能であった.マイクロ流路デバイスの上下基板にくし型電極を直交させて配置させた3次元配列電極を作製した.この電極デバイスは4電極で構成されており,それぞれの電極へ印加する交流電圧および周波数に依存して,多種多様な配列を一括で創成することができた.例えば,上面および下面の交互くし型電極に100kHz程度の周波数の交流電圧を同位相で印加すると,特定の電極格子点に細胞を集積することが可能である.また,周波数および位相を制御することにより細胞を配置させる格子点を選択できた.さらに,電極の幅およびギャップ間隔を調節することにより1つの格子点に単一細胞を配列させることができた.マウスミエローマ細胞のビオチン化を行い,誘電泳動特性を調査した.ビオチン化細胞の誘電泳動特性に顕著な変化は観測されなかったが,ビオチン-アビジン結合を介して金属ナノ微粒子を結合させることにより,誘電泳動特性を大きく変化させることができた.細胞の誘電泳動特性の評価について詳細に検討し,ネガティブ誘電泳動の作用する周波数領域を調査した.この結果を基に,ネガティブ誘電泳動による細胞の大量一括で迅速なライン配列技術を確立できた.ネガティブ誘電泳動を利用すると細胞は電場強度の弱い方向に移動するため,電場強度の強い電極表面へ接触することなく配列させることが可能であった.電極に交流電圧を印加して1分程度での細胞ラインの形成が可能であった.3-5分間電圧印加状態を保持すると細胞は基板表面に付着した.さらに,デバイスを電極基板と細胞配列基板に分離し,配列化細胞を培養することができた.細胞配列に要する印加電圧,周波数および印加時間と細胞のバイアビリティーの関連について詳細に評価できた.また,細胞の電極表面への接触による破裂,電極の汚染を低減させるために電極表面をアモルファスフッ素樹脂の薄膜でコーティングすることにより,ポジティブ誘電泳動による電極表面での細胞のペアリングおよび数珠状の細胞ワイヤを創製できた.上下の基板にくし型マイクロバンドアレイ電極を配置した3次元アレイ電極を用いたネガティブ誘電泳動により細胞をバンドの格子点にドット状に配列できた.さらに,上下基板の4本のバンド電極で構成されるグリッド内へ細胞を捕捉し回転させることができた.これは,4本の電極へ印加する交流電圧の周波数を90度ずつ位相をずらすことにより達成された.この方法を用いると大量の細胞を一括で回転させることができるため,1回の実験で細胞膜表面の特性を統計学的に高精度で解析可能となる.実際に,細胞膜に提示された表面タンパク質(CD7)を発現しているヒトTリンパ種および発現していないヒト単球では,同周波数条件で回転速度が異なった.この研究課題を遂行するにあたり誘電泳動の新たな応用展開を多方面で示した.
人為起源物質の環境中の循環と制御ー基礎班

研究小領域「人為起源物質の環境中の循環と制御」では、特に人間生存に大きな影響を与える各種汚染物質、難分解物質の環境中での動態を明らかにし、人間と自然環境の調和を長期的に維持して行くために必要なこれらの人為起源物質の制御方法を確立するために、(1)大気汚染物質の循環と制御(酸性雨原因物質の発生源対策と酸性雨による陸上生態系被害の制御、微量温室効果ガスの環境中における動態と制御、大気・海洋間における二酸化炭素交換速度の評価)(2)水・土壌系における汚染物質の動態解析と制御(微生物関連汚濁に対応する水質改善技術、自然浄化機能の強化と制御、河口・内湾域における陸起源物質の生態学的制御、先端産業関連化合物中の有害元素の制御・処理)(3)生物の環境浄化機能の向上と環境適合性(重金属循環における生物制御システムの開発、環境浄化のためのDNA組換え微生物の育成とその活用)(4)人為起源物質の制御にはたす動的リスク管理手法の開発の4分野、10研究課題について研究班を構成し、さらにこれらを補足するために45の公募研究課題を加えた。本研究では基礎班会議、全体会議を通じてこれら多数にわたる研究課題の進展状況の把握を行うことに努め、成果を挙げた。基礎班会議は平成2年7月18日に第1回、平成2年11月29日に第2回、平成3年2月1日に第3回を開催し、重点領域研究の運営に関する連絡を行うとともに、環境科学シンポジウムおよび成果報告会スケジュ-ル、報告集作成要項などについて検討した。全体会議は平成2年7月1718日に第1回を京都で開催し、各班の研究計画と研究組織について各々の代表者が公募研究課題も含め目的、方法等について説明を行った後、全体で討論を行った。平成3年1月31日2月1日に第2回を東京で開催し、本年度の研究成果について発表と討論を行った。
ミクロン領域同位体分析法の開発から展開する銅の安定同位体地球化学

1990年代以降、多重検出器型のプラズマイオン源質量分析装置によって銅の同位体比(^<65>Cu/^<63>Cu)の精密測定が行われ、各種天然試料のδ^<65>Cuは、標準物質NIST-SRM976に対して-16.3‰から+10.0‰まで変動することが示された。しかし、微小鉱物や粒子ごとの同位体比変動は不明のままであるため、微小領域同位体分析法の開発が進められた。本研究では、従来のチタンサファイヤ・フェムト秒レーザー(Ti:Sレーザー)を短波長化することにより、同位体分析のさらなる高精度化と分析空間分解能の向上を達成し、光学系の改造により、試料中の微小な銅鉱物の正確な観察と、より位置精度の高いレーザー照射を可能とした。さらに超微細鉱物試料(10ミクロン以下)に対する分析性能の向上を目指して、質量分析装置の高感度化と液中レーザーアブレーション法の実用化を図った。本研究により実用化した装置と実験法を用いて測定した各種天然試料銅の同位体比のデータをまとめて、銅の安定同位体地球化学の構築を図っている。フェムト秒レーザーを用いることにより、Cu試料など金属試料の化学組成・同位体組成分析の信頼性が飛躍的に向上する。本研究では、従来のチタンサファイヤ・フェムト秒レーザー(Ti:Sレーザー)を短波長化することにより、同位体分析のさらなる高精度化と分析空間分解能の向上を目指す。本年度は、Ti:Sレーザー光学系に3倍高調波変換器を導入し、従来の近赤外(波長780nm)から紫外光(波長260nm)に変換するとともに、高エネルギー紫外線レーザー光による光学系部品の劣化を低減する改造を行った。レーザー波長を紫外線化することにより、試料の掘削速度(サンプリング速度)の制御性が向上し、また、レーザービーム径を従来の20ミクロンから15ミクロン程度まで小さくすることができた。本年度開発した紫外線ブェムト秒レーザーの基本性能を評価するために、レーザーアブレーションにより生成される試料エアロゾルのサイズ分布を調べたところ、赤外線では80-150nmのエアロゾルが生成されるのに対し、紫外線では80nm以上のエアロゾルは殆ど生成されないことがわかった。エアロゾルの粒径が100nmを超えると、試料によっては質量分析計内で完全にイオン化されない可能性があるため、レーザーアブレーションの段階で、粒径の大きなエアロゾルが生成されないことは非常に意味が木きい。粒径の小さなエアロゾルを安定して生成できることから、イオン化効率のさらなる向上が期待できるため、分析領域を絞り込んでも、従来と同等の分析感度が期待できる。来年度は、ここで開発した紫外線フェムト秒レーザーアブレーション装置をプラズマイオン源質量分析計に応用し、分析条件の最適化を図るとともに、実試料の同位体分析を進めていく。質量分析計の進歩により、これまで検出できなかったわずかな同位体組成変動を正確にとらえることが可能となり,試料から全く新しい地球化学的知見を引き出すことができるようになった.本研究の目的は,天然に普遍的に存在しているCuの同位体比を先端的な分析手法を開発し,微小鉱物一粒子毎の正確なCu同位体データに基づき,固体地球における新しい物質循環に関する議論を展開することにある.この研究目的のために,短パルス紫外線レーザー(Ti:Sフェムト秒レーザー)を用いた局所銅同位体分析法の開発を進めてきた.本年度は,分析性能の向上(レーザービーム径の絞り込みと深さ方向の分析空間分解能の改善)をはかるとともに,分析装置としての性能の安定化(長時間にわたって分析性能を維持できる分析システムの構築)を進めた.レーザー光の収束光学系を変更し,焦点面に光学レンズを配置しない光学系をとることで長時間分析での性能劣化を最小限に抑えることが可能となった.本年度開発した分析装置を使って銅の同位体分析を行ったが,世界標準物質が少ないことから銅だけでは同位体データのトレーサビリティを保証することが難しいことも明らかとなった.この問題を解決するために、本年度は銅同位体分析にくわえ,同位体標準物質が市販されており,また銅と同様な地球化学的性質をもつ鉄に対しても局所同位体分析を行い,基礎同位体分析データの蓄積を進めた.

その結果,銅と鉄のいずれも局所同位体分析結果と文献値がよい一致を示し,分析法としての信頼性を実証することができた.ただし,本年度の分析は銅・鉄の同位体標準物質が中心となったものであり,分析性能の客観的評価には不十分である。このため,自然物質からの同位体データの取得に関しては,実験計画最終年度も銅同位体データベース構築と並行して継続することとした.フェムト秒レーザーを用いることにより、金属試料の化学組成・同位体組成分析の信頼性は飛躍的に向上する。本研究では、従来のチタンサファイヤ・フェムト秒レーザー(Ti:Sレーザー)を短波長化することにより、同位体分析のさらなる高精度化と分析空間分解能の向上を目指す。本年度は、Ti:Sレーザー光学系に3倍高調波変換器(紫外線化装置)を導入するとともに、より微小な試料に対する観察性能を改善する目的で、倍率可変光学系を独自に製作し、対物レンスの倍率を自動で変化(5倍および50倍)できるようにした。これにより、試料中の微小な銅鉱物の正確な観察とより位置精度の高いレーザー照射が可能となった。さらに本年度は、試料形成過程の議論に不可欠な超微細鉱物試料(10ミクロン以下)に対する分析性能の向上を目指して、質量分析装置の高感度化と液中レーザーアブレーション法の実用化を図った。液中レーザーアブレーション方式では、複数の微細銅鉱物試料をレーザー照射し、アブレーションされた銅を液中に捕獲・積分することが可能となる。これにより微小試料一粒子では正確な同位体分析が難しい場合でも、複数の試料を積分することで正確な銅同位体情報を引き出すことが可能となった。本研究により実用化した局所・高精度同位体分析装置ならびに、超微小鉱物試料中の銅同位体分析を行う際に有力となる液中レーザーアプレーション法は、安定同位体地球化学を展開する上で最も信頼生が高く、また汎用性の高い次世代局所同位体分析法として広く活用されるものと期待できる。
半導体レーザー励起超短パルス高強度固体レーザーの開発研究

本研究の目的は、半導体レーザーで直接励起可能な次世代の超短パルス固体レーザーを開発することである。高平均出力、高効率動作が可能な新しいレーザー媒質として77K程度の低温で動作するYb: YAG結晶に着目し、昨年度までに基礎特性の測定及び高平均出力動作の実証を行った。本年度は最終段階として高平均出力超短パルス増幅器を開発した。また、開発したレーザーの応用先の一つである超短パルスレーザー加工に関する基礎研究を行った。これまで半導体レーザー励起超短パルスレーザー増幅器の平均出力は、固体レーザー媒質内で生じる熱効果により10W程度に制限されてきた。本研究ではレーザー結晶を低温冷却して熱効果を抑える手法により、高平均出力化に成功した。Yb: YAG結晶を用いたモードロック発振器及びマルチパス増幅器からなるピコ秒レーザーシステムを開発し、サブミリジュール級短パルスレーザー増幅器としては世界最高出力となる平均出力23.7Wを得た。熱解析の結果、このシステムは容易にスケールアップ可能であることが示され、半導体レーザー励起による100W級ピコ秒レーザーを実現する見通しが得られた。開発した高平均出力超短パルスレーザーは、高スループットのレーザー加工を可能にする。超短パルスレーザー加工の基礎研究として、シリコン単結晶に超短パルスレーザーを照射した場合に生じるアブレーション及びアモルファス化について実験を行った。表面反射率の時間分解測定によりフルーエンスの高い箇所から、アブレーション、非熱的融解,熱的融解の3つの現象が発生することがわかり、アブレーションが発生しない場合でもアモルファス化が起こることを示した。アブレーション閾値以下で行う新しいレーザー加工として今後の応用が期待できる。半導体レーザー励起超短パルス高強度固体レーザー開発の第一段階として、レーザー媒質の特性調査および選定を行った。その結果、新しいレーザー媒質として注目したのが液体窒素温度程度の低温で動作するYb : YAG結晶である。低温のYb : YAGの諸特性は十分に明らかになっていない。10K300Kにおける分光特性およびレーザー発振特性を詳細に測定した結果、100K以下の温度では著しくレーザー特性が向上することを明らかにした。低温でのCW発振実験では、理論限界のスロープ効率90%を達成した。低温動作における効率の向上は、誘導放出断面積の上昇および準位系の4準位化に起因しており、低い励起強度で高効率動作が可能となる。さらに、低温では熱伝導率が劇的に向上するため、高出力化が可能である。100W級の励起光による高出力発振実験を行った結果、スロープ効率80%、光-光変換効率70%を達成し、高出力動作においても非常に高い効率で動作することを実証した。この高出力発振実験では、サファイアを用いたレーザー結晶の冷却方法を考案し採用した。サファイアは低温において金属以上の熱伝導率を持ち、機械的強度も非常に高いため冷却媒質として最適である。さらに励起光と発振光に対して透明で光学的品質が高いため、これまでにない励起、冷却構成が可能となる。薄いレーザー結晶をサファイアで挟み込む冷却構成を始めて実施し、低温でのサファイアを用いた冷却の有用性を実証した。計算機シミュレーションによる詳細な熱解析の結果、この冷却構成によりキロワット級以上の高ビーム品質レーザーが実現できることがわかった。本研究の目的は、半導体レーザーで直接励起可能な次世代の超短パルズ固体レーザーを開発することである。高平均出力、高効率動作が可能な新しいレーザー媒質として77K程度の低温で動作するYb : YAG結晶に着目し、諸特性の詳細な測定及び高平均出力動作の実証実験を行った。熱伝導率は高平均出力レーザーを設計する上で最も重要なパラメータである。4300Kにおける熱伝導率の温度依存性とYb濃度依存性の測定を行い、低温ではYb添加による熱伝導率の低下が顕著になることを明らかにした。熱伝導率は±5%の絶対精度で測定し、得られたデータを用いて数値解析を行うことにより、半導体レーザー励起時に生じる熱レンズ効果が精度よく予測できることを実証した。これにより低温Yb : YAGを用いた高平均出力レーザーの詳細な設計が可能になった。また、近年、新しいレーザー媒質として注目されているYb : YAGセラミックスについても同様の測定を行い、低温における熱伝導率のふるまいを明らかにした。セラミックスは200K以上の温度では単結晶と同じ熱伝導率を示したが、それ以下の温度では低い熱伝導率を示した。低温における単結晶との熱伝導率の違いは最大で一桁程であった。Yb : YAG結晶の熱伝導率は低温で劇的に向上するため、高平均出力・高ビーム品質動作が可能である。液体窒素冷却したYb:YAG結晶を用いた高性能な高平均出力Qスイッチレーザーを開発した。最大平均出力74Wが得られ、70W級のQスイッチレーザーとしては世界で最も高い60%という非常に高い光-光変換効率と高いビーム品質(M^2<1.4)を同時に達成した。

これまで半導体レーザー励起超短パルスレーザー増幅器の平均出力は、固体レーザー媒質内で生じる熱効果により10W程度に制限されてきた。本研究ではレーザー結晶を低温冷却して熱効果を抑える手法により、高平均出力化に成功した。Yb: YAG結晶を用いたモードロック発振器及びマルチパス増幅器からなるピコ秒レーザーシステムを開発し、サブミリジュール級短パルスレーザー増幅器としては世界最高出力となる平均出力23.7Wを得た。熱解析の結果、このシステムは容易にスケールアップ可能であることが示され、半導体レーザー励起による100W級ピコ秒レーザーを実現する見通しが得られた。開発した高平均出力超短パルスレーザーは、高スループットのレーザー加工を可能にする。超短パルスレーザー加工の基礎研究として、シリコン単結晶に超短パルスレーザーを照射した場合に生じるアブレーション及びアモルファス化について実験を行った。表面反射率の時間分解測定によりフルーエンスの高い箇所から、アブレーション、非熱的融解,熱的融解の3つの現象が発生することがわかり、アブレーションが発生しない場合でもアモルファス化が起こることを示した。アブレーション閾値以下で行う新しいレーザー加工として今後の応用が期待できる。