hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高齢者における心機能の特殊性解析と機能的標準化

高齢者を対象とする心機能の標準化にむけて次の作業を行った。1)本研究の初年度に日本核医学会として2年間の作業部会「日本人における心筋SPECTデータの標準化」を組織した。日本医科大学、国立循環器病センター、慶応義塾大学、北海道大学、金沢大学、虎の門病院、東邦大学の臨力の下に、心筋標準データの収集を行った。この過程で、各施設の倫理委員会や臨床研究指針に適合させた。その後、統合ワークステンションのデータフォーマットに変換し転送した。同時に標準作成後のソフトウェア作成に関連して、国際的にも最も用いられている心筋SPECTソフトウェアの開発者である、Germano氏(Cedars Sinai Medical Center),Garcia氏(米国Emory大学)の協力も得て、多機種にて利用できる環境を整えた。2)核医学会としては2005年11月-2007年10月までの研究計画で心筋血流、心筋I-123 BMIPP、MIBGのSPECT標準を作成する。本科研費の期間内では、心筋血流標準までの作成を終了し、学会活動と連動して研究を進めている。研究成果は、学会作業部会報告としても公表される。3)I-123放射性医薬品用の胸部・心筋ファントムを試作し、評価実験を行った。この標準ファントムを用いて、データ収集を行い、異なるカメラ・コリメータにてその標準化の検討を行った。複数のエネルギーウィンドウを同時に開いてデータ収集を行う方法が、実現可能な方法として選択された。4)心筋gatedSPECTによる予後研究J-ACCESS(西村恒彦主任研究者)のデータは日本で初めての心臓核医学に関する大規模調査研究であった。そこで日本人4670人の中から正常に近い低リスク群268人を抽出し、このデータを元に駆出分画、容積を等の日本人標準を作成した。有意の男女差と、年齢による差が認められ、高齢者ではこれらの標準を用いる必要があることも示された。心筋標準のためのファントム作成、データ互換性の検討、多施設研究のための基礎が達成された。1.ファントム作成について。I-123コリメータの差が定量に大きな影響を及ぼし、結果的に施設を超えた標準作成の大きな障害となっているとことに鑑みて、新たにブロックファントムを作成し、5エネルギーを同時収集することによって、I-123 2エネルギーウィンドウおよび3エネルギーウィンドウ法を考案した。このブロックモデルによる検討を数学的に求めた理論値と比較して、補正が可能となる見込みが示された。そこでこのアイデアに基づいて、4種類のファントムの作成を終了した。次年度で、本ファントムを用いて、実際に標準作成のための実験に入る予定である。2.標準化のための協力施設における準備多施設による協力を得るために、日本核医学会をとおして、作業部会を組織した。「日本人における心筋SPECTデータの標準化」として平成17年10月に学会の認可をうけ、代表者中嶋憲一ほか、国立循環器病センター、東京女医科大学、慶応大学、北海道大学、金沢大学、虎の門病院の各施設で、標準作成のために、臨床試験管理センターや倫理委員会等で申請を行っている。また、国内5社のワークステーションにデータの移行が可能であるかどうかの検討を行った。同時に核医学的な心機能の解析ソフトの作成者であるG.Germano氏(Cedars Sinai Medical Center, USA)の協力も得て、データ移行と標準作成にかかる問題点を抽出して対策を検討中である。

現状では、関連する核種の種類、SPECTデータの収集機器、データ収集法に依存するところが大きく、日本全体で統一するためには多くの課題があるが、解析の基礎は本年度で確立したため、次年度に実際のデータ収集に入る予定である。3.次年度の解析について核種毎に3期に分けてデータ収集を行い、一つのワークステーションに転送を行う。このデータについて、統一した条件で解析を行い、日本人の標準を作成する。高齢者を対象とする心機能の標準化にむけて次の作業を行った。1)日本核医学会として2年間の作業部会「日本人における心筋SPECTデータの標準化」を組織した。日本医科大学、国立循環器病センター、慶応義塾大学、北海道大学、虎の門病院、東邦大学、金沢大学の協力の下に、心筋標準データの収集を行った。この過程で、各施設の倫理委員会や臨床研究指針に適合させた。その後、統合ワークステンションのデータフォーマットに変換し転送した。同時に標準作成後のソフトウェア作成に関連して、国際的にも最も用いられている心筋SPECTソフトウェアの開発者である、Germano氏(Cedar Sinai Medical Center),Garcia氏(米国Emory大学)の協力も得て、多機種にて利用できる環境を整えた。2)核医学会としては2007年10月までの研究計画で心筋血流、心筋I-123 BMIPP、MIBGのSPECT標準を作成する。本科研費の期間内では、心筋血流標準までの作成を終了し、学会活動と連動して研究を進めている。研究成果は、学会作業部会報告としても公表される。3)I-123放射性医薬品用の胸部・心筋ファントムを試作し、評価実験を行った。この標準ファントムを用いて、データ収集を行い、異なるカメラ・コリメータにてその標準化の検討を行った。複数のエネルギーウィンドウを同時に開いてデータ収集を行う方法が、実現可能な方法として選択された。4)心筋gatedSPECTによる予後研究J-ACCESS(西村恒彦主任研究者)のデータを用いて、心機能の標準データを作成した。このデータベースは日本人4670人からなるSPECTデータと臨床的背景データを有している。そこで、このデータから、心事故が認められなかった低リスク群268人を抽出した。このデータをもとに、基本的な心機能パラメータである、駆出分画および容積の男女別および年齢毎の正常範囲を決定した。女性では駆出分画が有意に高く、また年齢との相関も認められ、特に性別と年齢を考慮した診断体系を構築する必要があることが示された。
マクロファージの炎症応答における飽和リン脂質の機能解明

マクロファージは外敵の侵入に対して防御的に働く細胞である。これまでの研究結果から、マクロファージには二本の脂肪酸鎖がパルミチン酸であるホスファチジルコリンdipalmitoylphosphatidylcholine(DPPC)が豊富に存在すること、DPPCはToll-like receptor 4(TLR4)を介して炎症性サイトカインを放出させ、TLR4のリガンドであるLipopolysaccharide(LPS)刺激に対する応答性を増強することがわかった。そこで本研究ではDPPCによる炎症応答と、LPS応答性増強のメカニズムの解明とマクロファージにおけるDPPC産生酵素の同定を目指す。
細胞の構造と機能の原因となる遺伝子モジュールの網羅的収集

細胞の「かたち」や「はたらき」の違いを遺伝子モジュールで表す研究を行った。まず、データ源として共同研究者から計210細胞/組織に対して35951の遺伝子発現データを取得した。また、ヒトの細胞種約100種類の顕微鏡画像データを共同研究者などから得た。ここから、細胞の形を測定するために、ノイズに強い画像測定法を開発した。さらに大規模遺伝子発現データから網羅的な遺伝子と細胞の組合せのパターンを抜き出すため、高速バイクラスタリング法を開発した。この両手法を用いて、遺伝子発現データからは遺伝子モジュール、細胞画像データからは細胞や核の輪郭と細胞の並び度に関するパラメータを測定した。結果を解析したところ、異なる細胞で共通または発現が逆転する遺伝子モジュールが網羅的に得られた。これにより、デジタルディファレンシャルディスプレイが容易になり、例えば、脳細胞と心臓で全く発現が逆転する遺伝子群としてリセプターやチャネルまた転写因子などを全て含む遺伝子モジュールが探索できていた。実施計画書には記載していないが、細胞の「かたち」を遺伝子発現状態から予測するため、サポートベクターマシンを用いて学習を行い、テスト細胞に対してその形態パラメータ18種を予測したところ、69.178.2%の精度で細胞の「かたち」を予測することが可能であった。本成果は2つの学会講演および3つの論文に掲載され、遺伝子モジュール検索と解析を行うサーバーを立ち上げた。現在は全体をまとめる論文を執筆中である。この成果によって作製された1次および2次データはその価値が認められ、当研究所によってデータベースとして公開をするための整備プロジェクトを平成20年度より開始した。【データベース作成過程】研究分担者(大久保)において測定されたヒト細胞・組織の遺伝子発現データ(Sese et al. Nucl.Acids Res.2001)を取得し、遺伝子発現データのリソースとした。同時に、この遺伝子発現データのリソース細胞に対応する細胞の画像を分担者においてプレパラートから撮影した。これを、代表者(藤渕)が開発したノイズに強い画像解析ソフト(特許申請を行った)によって、細胞の形態的特徴量(面積や円形度、縦横比etc.)とテキスチャー的な特徴量(細胞内容物の密度や均質性etc.)でパラメータ化することに成功した。これらのデータは、細胞の遺伝子発現状態と遺伝予の染色体上での分布や代謝パスウェイデータとともに、情報を集約するための専用のWWWページを開設し(http://cellumntage-dev.cbrc.jp/FACER-dev/要承認)、データベース環境の基礎を築いた。【遺伝子モジュール解析過程】全ての細胞のプロファイルを比較して、細胞種に共通な発現パターンを示す遺伝子セットをモジュールとして網羅的に取り出す新しい方法を開発し、発表した(研究発表の欄に記述)。具体的には、これまで遺伝子発現モジュールの全探索には膨大な時間がかかることが問題であったが、消費者が商品を購入する傾向を解析するために用いられていた「クローズドアイテムセット探索アルゴリズム」と呼ばれる方法を遺伝子発現モジュールの問題に置き換えることが可能であることを発見した。これを用いたところ、約3000遺伝子で200実験からなる大規模な遺伝子発現データであっても、わずか5分程度で全てのモジュール候補を探索することが可能であった。次年度はそのモジュール遺伝子を細胞の構造(や機能)パラメータに網羅的にマップする方法を開発する。昨年に引き続き、細胞データの作成(大久保)とデータベースの作成)(藤渕)とそこから抽出した遺伝子モジュールの解析と意味付け、統合化を行った。特に、統合化には重点をおいて研究を行った。【データベース作成過程】細胞を100種以上についてiAFLP遺伝子発現データと画像写真データを収集し、昨年度開発したノイズに強い細胞の画像解析ソフトを利用して細胞のパラメーター(面積、円形度、縦横比、細胞整列度など)を測定した。【遣伝子モジュール解析過程】【遺伝子モジュールの意味付けと統合化】
液体呼吸剤を利用した経気管支標的治療の開発

今年度は佐藤肺癌株を用いた転移性肺腫瘍モデルを作成し、腫瘍微小循環に対する液体呼吸剤の影響を検討した。(対象)佐藤肺癌株10^7個を静脈注射して転移性肺腫瘍を作成したドンリュウラット。(方法)観察領域は左肺横隔膜面の領域を観察用のボックスに固定し、0.01%アクリジンレッドで白血球を生体染色しながら蛍光顕微鏡を通して液体呼吸剤(PFOB8ml/kg)の腫瘍微小循環内での好中球の接着性に及ぼす影響を検討した。好中球の活性化を促すためエンドトキシン(1μg/g)を静脈注射した。液体呼吸剤を投与した群(液体呼吸群)、何も投与しない群(対照群)の各群についての好中球の接着性を観察領域は左肺横隔膜面の領域を観察用のボックスに固定し、蛍光顕微鏡を通して自家蛍光を発する好中球の接着性を観察した。(接着性の判定)好中球の接着性を停滞性と鑑別するため、2分以上停滞する好中球を接着好中球と診断した。(結果)対照群ではエンドトキシン投与後15分で腫瘍辺縁を中心として好中球が接着し1時間後には接着した好中球により顕著な微小循環傷害を認めた。一方、液体呼吸剤を経気道投与した液体投与群はエンドトキシンを投与しても好中球の接着性は亢進せず、微小循環障害も生じなかった。(結語)エンドトキシンがもたらす急性期の腫瘍辺縁の微小循環障害を液体呼吸剤は改善し、腫瘍の血流を保つことによって薬物運搬能を改善することが示唆された。液体呼吸剤は優れた酸素運搬能を有するばかりでなく高い表面活性を有するため、正常な構築を失い表面張力の亢進した病的肺胞にも十分に浸透し酸素を供給できることを、我々の研究室で明らかにしてきた。さらに液体呼吸剤の比重が大きいという特性のため、重力の影響を受ける領域を中心に薬剤が浸透することによりARDSへの治療効果が尚一層期待できるものと考えられる。本年度は遺伝的に白血球が蛍光標識されているGFPラットを塩酸吸入させ、個体差の少ない急性肺損傷モデルを作成した。ラット肺病巣へ移行する白血球の動態を生体蛍光顕微鏡によりリアルタイムに可視化した。その結果、塩酸吸入により白血球が集積し肺毛細管血管壁に付着し、肺循環障害が生じることを明らかにした。今後はこの肺損傷モデルに対し、ステロイドと液体呼吸剤の乳剤を作成し、肺障害病巣での白血球動態を蛍光顕微鏡で可視化することによって、液体呼吸剤を利用した経気管支標的治療の有用性を検討する予定である。今年度はエンドトキシンにより急性肺損傷を誘発したGFPラットモデルを用いて白血球動態を可視化し、液体呼吸剤を媒体としたステロイドの経気管支治療の有用性を検討した。(対象)エンドトキシン静脈注射(1μg/g)により、急性肺損傷を起こした自家緑色蛍光発色(GFP)ラット。(方法)液体呼吸剤(PFOB8ml/kg)を媒体としてmethyl predonisolone(50ng/kg)を経気道的に投与した群(液体治療群)、液体呼吸剤のみ投与した群(液体呼吸群)、methyl predonisolone(50ng/kg)を静脈注射した群(静脈治療群)、何も投与しない群(対照群)の各群についての白血球の接着性をエンドトキシン投与後から同一視野で経時的に観察した。観察領域は左肺横隔膜面の領域を観察用のボックスに固定し、蛍光顕微鏡を通して自家蛍光を発する好中球の接着性を観察した。(結果)対照群ではエンドトキシン投与後15分で白血球が接着し1時間後には接着した好中球により顕著な微小循環傷害を認めた。

一方、methyl predonisoloneを経気道投与した液体治療群は静脈注射した群と同様にエンドトキシンを投与しても好中球の接着性は亢進せず、微小循環障害も生じなかった。(結語)ARDSに対して、液体呼吸剤を媒体としたステロイドの経気管支標的治療は有用で臨床応用可能と考えられた。今年度は佐藤肺癌株を用いた転移性肺腫瘍モデルを作成し、腫瘍微小循環に対する液体呼吸剤の影響を検討した。(対象)佐藤肺癌株10^7個を静脈注射して転移性肺腫瘍を作成したドンリュウラット。(方法)観察領域は左肺横隔膜面の領域を観察用のボックスに固定し、0.01%アクリジンレッドで白血球を生体染色しながら蛍光顕微鏡を通して液体呼吸剤(PFOB8ml/kg)の腫瘍微小循環内での好中球の接着性に及ぼす影響を検討した。好中球の活性化を促すためエンドトキシン(1μg/g)を静脈注射した。液体呼吸剤を投与した群(液体呼吸群)、何も投与しない群(対照群)の各群についての好中球の接着性を観察領域は左肺横隔膜面の領域を観察用のボックスに固定し、蛍光顕微鏡を通して自家蛍光を発する好中球の接着性を観察した。(接着性の判定)好中球の接着性を停滞性と鑑別するため、2分以上停滞する好中球を接着好中球と診断した。(結果)対照群ではエンドトキシン投与後15分で腫瘍辺縁を中心として好中球が接着し1時間後には接着した好中球により顕著な微小循環傷害を認めた。一方、液体呼吸剤を経気道投与した液体投与群はエンドトキシンを投与しても好中球の接着性は亢進せず、微小循環障害も生じなかった。(結語)エンドトキシンがもたらす急性期の腫瘍辺縁の微小循環障害を液体呼吸剤は改善し、腫瘍の血流を保つことによって薬物運搬能を改善することが示唆された。
原発性アルドステロン症:超選択的副腎静脈サンプリングに基づく機能温存手術の探求

原発性アルドステロン症患者に対して副腎部分切除術の適応はあるか、両側性原発性アルドステロン症患者を対象に解析した。超選択的副腎静脈サンプリングを施行後、腹腔鏡下両側副腎摘除術(部分温存)を施行した。その結果副腎内の静脈分布図が明らかになった。その結果を基に42例に腹腔鏡下両側副腎摘除術(LBASpc)を施行した。全症例でアルドステロン濃度は正常化した。98%の症例で降圧剤の減量が達成された。ステロイド補充からの離脱率は72%であった。LBASpcは適切な症例選択により、両側副腎腺腫による原発性アルドステロン症の治療オプションとなり得る。研究初年度にあたり、「副腎静脈サンプリングに基づく機能温存手術の探求」に向けて研究分担者海法康裕等は手術症例の蓄積に努めた。従来の腹腔鏡下全摘術のみならず、選択的な副腎静脈サンプリングを遂行することにより着実に部分切除(=機能温存)の症例が増加してきている。右副腎内の血管分枝は上枝、水平枝と下降枝の3枝に分かれること、左副腎は1本の枝が縦走することがほぼ明らかになった。これらの枝に選択的にカテーテルを進めてサンプリングを行うことにより、CT画像における腺腫の局在とは別個に、アルドステロンを過剰分泌する責任領域のマッピングが可能となる。このマッピングをガイドに、症例を選んで機能温存ー腹腔鏡下副腎部分切除術を重ねている。研究分担者高瀬圭は選択的な副腎静脈サンプリング技法の確立に向けて専用マイクロカテーテルの開発を遂行している。さらに副腎静脈サンプリング技法の普及に向けて精力的に啓蒙活動、技術指導を行っている。研究代表者石戸谷滋人は副腎腹腔鏡手術の実施に加えて、研究チーム全体の統括を行っている。具体的には、データベースを管理して手術後のアウトカムを分析、高血圧の改善治癒を追跡している。初年度の成果から、原発性アルドステロン症における手術戦略として、「信頼性の高い副腎静脈サンプリングの結果に基づけば、従来の腹腔鏡下全摘術に代わって部分切除術が標準治療として適応される症例が存在すること、その内分泌学的アウトカムは全摘術と同等であること」の強い感触を得ることが出来た。研究最終年度に入り、データの蓄積、解析、そして発表が順調に進捗した。「副腎静脈サンプリングに基づく機能温存手術の探求」に向けて、研究分担者の海法康裕と川崎芳英は原発性アルドステロン症の手術症例を更に増加させた。川崎芳英は全米泌尿器科学会を始め、各種の学会でその成果の公表を開始している。研究分担者高瀬圭は、本邦有数の副腎静脈サンプリング経験症例数を下に、1具体的な手技とデバイスを確立、2副腎内静脈分枝の解剖の詳細を明らかにした。その成果として機能温存部分切除へ向けての、「超選択的副腎静脈サンプリング」の概念を確立、複数の論文業績として上梓した。この新たなサンプリング手法は全国に普及しつつある。研究代表者石戸谷滋人は副腎腹腔鏡手術の実施に加えて、研究チーム全体のマネジメントを続行、データ解析を総括している。本研究の一部として、アウトカム・QOL調査と排尿機能評価も平行して遂行されている。研究2年目の成果からは、「原発性アルドステロン症に対する選択的副腎静脈サンプリングに基づいた機能温存手術は、術後QOLを有意に改善させる」というエビデンスが得られた。更に今年度は注目すべきデータが得られた。「原発性アルドステロン症患者に対して腹腔鏡手術により血中アルドステロン値を正常化させると、性別に依らず夜間頻尿が改善する」ことが明らかとなった。この新知見は既に研究分担者川崎芳英が学会発表しており、近日中に論文上梓予定である。医歯薬学我々の研究グループは原発性アルドステロン症患者に対して研究分担者高瀬圭(放射線科)の協力の下、他施設では施行が難しい選択的副腎静脈サンプリングを継続的に行い得ている。その結果を下にした従来の全摘手術に変わる機能温存手術(部分切除術)の症例集積が順調であることから、研究期間内に解析・成果発表が可能と考えている。引き続き原発性アルドステロン症に対する機能温存手術の症例を蓄積していく。そのアウトカム(高血圧や他の臓器障害の進行抑制・改善)が全摘手術と比較して非劣性であることを明らかにしたい。前回の基盤C研究(22591804)で我々の発表してきたデータの多くは、標準治療として「原発性アルドステロン症の診断治療ガイドラインー2009ー」に採用された。本研究の成果も新たなエビデンスとして採用されることを期待している。

また、川崎芳英を新たに研究分担者に加えることとし、研究体制の強化を図る。研究成果蓄積中であり、成果発表の旅費や論文執筆・投稿にかかる費用が次年度に持ち越しとなったため。平成25年度に得た成果発表とさらなる情報収集目的で、国際学会(2014.4月第29回ヨーロッパ泌尿器科学会総会:ストックホルム、2014.9月国際泌尿器内視鏡学会総会:台北)、国内学会へ参加する。それらのデータ、成果を解析するための電子機器やソフト類(コンピューター関連)を購入する。英文誌(International Journal of Urologyを予定)への論文投稿費用も想定している。未使用金は平成26年度分と合わせて使用する。
低被ばく肺がんCT検診の画像を用いて乳房内の病変を検出することは可能か

本研究の目的は、乳がん検診として実施されているマンモグラフィや超音波検査で検出される乳房内病変が、肺がん検診として実施する低被ばくCT検査の画像においてどのように描出されるか明らかにすることである。平成30年度は、協力施設である北海道対がん協会札幌がん検診センターにおいて症例を収集した。対象は、乳がん検診として受診したマンモグラフィもしくは超音波検査において、何らかの所見が指摘された受診者とした。所見が微小石灰化のみであった症例は、CT画像における描出が期待できないため対象外とした。対象者に対して本研究のインフォームドコンセントを実施し、同意いただいた28名に対し、本研究費で検査費用を全額負担して低被ばく肺がんCT検診を受診していただいた。通常の肺がん検診として肺野の評価を実施し、追加で乳房の評価を実施した。症例別の視覚評価結果を次に示す。1嚢胞性病変:6ヶ月もしくは12ヶ月の経過観察と診断されたため、針生検は実施されなかった。サイズにかかわらず、ほとんどの症例において、CT画像で病変を検出することができなかった。ごく少数ではあるが、周囲の正常乳腺よりも高いCT値で病変が描出された症例が存在した。2構築の乱れ:嚢胞性病変と同様に、6ヶ月もしくは12ヶ月の経過観察と診断されたため、針生検は実施されなかった。すべての症例において、CT画像で病変を検出することができなかった。3腫瘤性病変:良性を疑われ経過観察と診断された症例と、悪性を疑われ針生検を実施した症例が存在した。CT画像においては、周囲の正常乳腺よりも高いCT値で病変が描出された症例と、検出困難な症例が存在した。しかし、症例数が少ないため、その特徴を明らかにするには至らなかった。このように平成30年度の成果として、肺がん検診として実施する低被ばくCT検査の画像において検出可能な乳房内病変の存在が明らかになった。症例収集を本格的に開始できたのが当初の予定よりも遅い1月からであったため、症例が目標数に達しなかった。年間を通して症例収集できる体制を整える。また、針生検の対象となる症例を重点的に収集し、CT画像における所見との関連性を明らかにする。収集した症例が目標数に達しなかったため、検査費用が当初の計画よりも低かったことが理由である。繰り越し分を用いて、次年度は当初の予定よりも収集する症例数を増やす予定である。
反復性経頭蓋磁気刺激による大うつ病の治療メカニズム及び治療反応性予測因子の探索

治療抵抗性大うつ病に対する反復性経頭蓋磁気刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation:rTMS)による治療の際に、各種生物化学指標(高感度CRP、炎症性サイトカイン、コルチゾル、脳由来神経栄養因子(BDNF)、ノルアドレナリン代謝産物(MHPG))を測定し、同時に脳画像検査(SPEC、MRI)及び認知機能としての前頭葉機能検査を行い、それらの結果からrTMSの治療機序を探索するとともに、それらの指標がrTMSの治療反応予測因子となり得るかどうか明らかにすることを目的としていた。中前頭回の拡散テンソル画像によるfractional anisotropy(FA)の改善と一部の前頭葉機能の改善との関係について、2018年6月20日の日本精神神経学会の一般演題、2018年9月の日本生物学的精神医学会のシンポジウムで発表した。平成30年度はこれまで実施済みであった25症例に加え、7症例に対してrTMSを実施した。生化学指標として上記のコルチゾル、BDNFに加え、その他の生物学的指標(proBDNF、S-100B、IL-1β、MBP)について測定を実施し解析中である。その結果を、2019年6月20日の日本精神神経学会の一般演題及び同月23日の生物学的精神医学会の一般演題で発表予定である。また、頭部MRI検査による拡散テンソル画像及び前頭葉機能検査結果について解析を行った。これまでの結果では、治療抵抗性大うつ病に対してrTMSの有効性は改めて示された。前頭葉機能の一部はrTMSにより有意に改善を示した。また、中前頭回の拡散テンソル画像によるFAの改善と一部の前頭葉機能の改善とは有意な相関を示さなかった。rTMSの作用機序に関して前頭葉機能の改善にFAの改善が関与していない可能性が示唆される。症例がおおむね順調に集まっている。生化学指標のサンプルとして脳脊髄液の収集が平成30年度は4症例を追加し、計5症例となった。また、脳脊髄液検査の同意はrTMS施行の同意とは別途設けているため、その他の検査を収集することができている。脳機能画像と前頭葉機能との関連で有意なものが現時点では出ていないが、生化学指標との関連について現在解析中である。引き続きrTMS治療の症例を集めていく。既に得られた知見について学会発表や論文作成を行っていく。平成29年度はこれまで実施済みであった21症例に加え、4症例に対してrTMSを実施した。生化学指標として上記のコルチゾル、BDNFに加え、その他の生物学的指標(proBDNF、S-100B、IL-1β、MBP)について測定を実施したが、有意な所見は認めなかった。また、中前頭回の拡散テンソル画像によるfractional anisotropy(FA)の改善と一部の前頭葉機能の改善とが有意に相関を示した。rTMSの作用機序に前頭葉機能の改善とFAの改善が関与している可能性が示唆されることが判明した。得られた結果を2018年6月20日の日本精神神経学会の一般演題、2018年9月の日本生物学的精神医学会のシンポジウムで発表することが決定している。生化学指標のサンプルとして脳脊髄液の収集が平成29年度はなかったが、想定範囲内であり、脳脊髄液検査の同意はrTMS施行の同意とは別途設けているため、その他の検査を収集することができている。生化学指標との関連で有意なものが現時点では出ていないが、脳機能画像と前頭葉機能との関連について結果が出始めている。

その結果を、2019年6月20日の日本精神神経学会の一般演題及び同月23日の生物学的精神医学会の一般演題で発表予定である。また、頭部MRI検査による拡散テンソル画像及び前頭葉機能検査結果について解析を行った。これまでの結果では、治療抵抗性大うつ病に対してrTMSの有効性は改めて示された。前頭葉機能の一部はrTMSにより有意に改善を示した。また、中前頭回の拡散テンソル画像によるFAの改善と一部の前頭葉機能の改善とは有意な相関を示さなかった。rTMSの作用機序に関して前頭葉機能の改善にFAの改善が関与していない可能性が示唆される。症例がおおむね順調に集まっている。生化学指標のサンプルとして脳脊髄液の収集が平成30年度は4症例を追加し、計5症例となった。また、脳脊髄液検査の同意はrTMS施行の同意とは別途設けているため、その他の検査を収集することができている。脳機能画像と前頭葉機能との関連で有意なものが現時点では出ていないが、生化学指標との関連について現在解析中である。引き続きrTMS治療の症例を集めていく。既に得られた知見について学会発表や論文作成を行っていく。今年度はサンプル収集と並行して随時検体測定、解析をおこなっている途中段階である。サンプルが十分収集された後に、最終的な検体に関する種々の測定を行う予定である。唾液サンプルに対する生化学的指標の測定が未施行症例があることと、髄液検体の症例収集が少なく、髄液検体に対する生物学的指標の測定が未施行であるため。検体収集を進め、生化学的指標の測定を施行していく計画である。
モバイル・ユビキタス環境における空間情報アクセスに関する研究

本研究の目的は、モバイル・ユビキタス環境での空間(地理)情報へのアクセスにおいて、従来のような対象オブジェクトの具体的な名称のみを用いた参照ではなく、外観や概念階層も活用することでより柔軟な参照を実現するため、実世界オブジェクトの外観や概念階層に関するデータベースをWeb上の情報資源をもとに自動構築することである。本年度からは、オブジェクトの画像メディアとしての外観情報をWebから検索する研究に本格的に着手し、オブジェクトの典型的な外観情報(記述および画像)だけでなく、Webから抽出したオブジェクトの特異な外観記述(色名)を特異な外観特徴量(色特徴量)に変換することによってオブジェクトの特異画像をWebから検索する手法を考案した。Webサービスとして一般に提供されている画像検索システムや従来手法(画像内容に基づくクラスタリングやVisualRank等)との比較を行い、提案手法による検索精度の改善を検証し、今後の研究の課題などの考察も行った。また、オブジェクトの外観に関するデータベースの構築の重要性を明に示すため、オブジェクトの外観情報を活用した応用システムとして、実世界で出遭った名称不明なオブジェクトの情報を精度良く検索するための外観記述によるオブジェクト名検索システムを開発した。一方で、オブジェクトの概念階層(is-a関係やhas-a関係)の知識をWebから自動抽出する新しい手法も考案した。"x such as y"や"y isa x"といった構文パターンに基づく従来手法とは異なり、各語概念の典型的な性質(部分語や振る舞い語)をWebから抽出した上で、対象の語概念間に性質継承があるか否かによって、is-a関係があるか否かを評価する手法である。既に提案を行っていたオブジェクトの言語メディアとしての外観情報のWebからの抽出手法を出発点として、まず、オブジェクトの画像メディアとしての外観情報をWebから検索する手法について取り組んだ。オブジェクトの情報抽出に関する先行研究の調査を行った上で、外観情報に特化した抽出手法を実現するために必要な基盤技術を洗い出しを行った結果、Webから抽出した言語メディアとしての外観情報(特に色名)を画像特徴量に変換し、その画像特徴量に基づいて画像検索を行うことで、対象オブジェクトの「典型的な画像」を検索する手法を考案した。次に、これまでの研究を進め、オブジェクトのコンテキストに依存する外観情報をWebから抽出する手法の開発に取り組んだ。これまでの提案手法により典型的な外観情報は抽出できるが、オブジェクトの外観は一般に、その対象オブジェクトや観測者の置かれているコンテキスト(時間や空間、状況)に依って変化するため、ユーザの置かれているコンテキストが時々刻々変化するモバイル・ユビキタス環境における空間情報アクセスで利用するには典型的な外観情報だけでは不十分である。そこで、典型的な外観ではないが、対象オブジェクトの外観が変化するようなコンテキスト(語)をWebから抽出し、そのコンテキスト毎に言語メディアとしての外観情報をWebから抽出したり、画像メディアとしての外観情報を検索したりする初歩的な手法を考案した。この初歩的な研究の結果、典型的な外観情報についてはWeb上にある程度十分な量存在するが、コンテキスト毎の(特に言語メディアとして)外観情報はWeb上にあまり十分な量が存在しないことも分かった。
超伝導性金属ジチオレン錯体の開発

本研究では非対称ドナー:EDT-TTF(エチレンジラオテトラチアフルバレン)と金属ジチオレン錯体M(dmit)_2を用いて新分子性超伝導体の開発をめざした。EDT-TTFはテトラチオフルバレン環の片側をBEDT-TTF:もうー方をTTF骨格をしたドナー分子で(DBiTF)〔Ni(dmit)_2〕と同様、横方向相互作用がもう少し強くなるとドナー・アクセプター電荷移動型錯体として金属を作る可能性もある。α塩はPTの空間群をもちa=6.654、b=7.614、c=27.44A^°、α=93.3、β=91.43、γ=119.22°である。α塩は14Kに抵抗の極大を示すが1.5Kまで金属である。この様子は最初の分子性伝導体となったフランスのグループによる(TTF)〔Ni(dmit)_2〕_2とよく似ており、高圧下での新しい超伝導体出現が期待され、現在高圧実験の準備を進めている。14Kにおける抵抗の極大は、何らかの一次元不安定性に関係していると思われるが、この問題は今後の興味ある課題である。一方Pd(amit)_2の系で、α、β〔(CH_3)N〕〔Pd(dmit)_2〕_2及び〔(CH_3)_4As〕〔Pd(dmit)_2〕_2を合成した。B塩及びAs塩は超伝導体となった〔(CH_3)_4N〕〔Ni(dmit)_2〕_2と同型であり、α塩は低温において二倍周期構造が現れる。しかしβ塩やAs塩では低温で格子の変化はみられなかった。これらの錯体もα、α'-(TTF)〔Pd(dmit)_2〕_2と同様かなり高い圧力下では超伝導となる可能性も大きい。
プログラムされた電子伝達系を活用する光物質変換

Ruポルフィリンをコアとするフェニルアゾメチンデンドリマーは、ゲスト分子をその形状で認識することが可能である。この配位空間を利用し、触媒の形状に対する活性の依存性を調査した。一例としてオレフィンのエポキシ化反応を採り上げ、その基質の形状を変えたバリエーションに対して活性値を反応速度(TOF)として調べた。第四世代のデンドリマー(RuP-G4)を触媒とし、スチレンのo,m,p-のそれぞれの位置にメトキシ基が導入されたo-メトキシスチレン(o-MS)、m-メトキシスチレン(m-MS)、p-メトキシスチレン(p-MS)を基質とし、その反応速度Vを測定し比較した。また、G4デンドリマーの分子形状認識性を確認するため、比較として第一世代のRuP-G1を触媒に用いて同条件で実験を行った。結果、RuP-G4を触媒とした場合を見ると、全体的にRuP-G1を触媒としたときと比べて反応速度が1桁ほど小さくなっている。これは、嵩高いG4デンドロンによって活性中心となるRuポルフィリンが覆われており、基質との接触確率が減少するためだと考えられる。しかし基質ごとの反応速度の傾向は、RuP-G1を触媒としたときと似てはいるものの、RuP-G4とRuP-G1の反応速度比(VG4/VG1)ではm-MSが認識されており、反応速度が速いことが分かった。同様にフェニルスチレンを基質とした場合でも同じような傾向が見られた。分子モデリングで予想された分子の形状認識の予想と一致する結果となった。デンドリマーのシェルを隔てた光誘起電子移動と組み合わせ、光を駆動力とした選択的な精密触媒反応が可能になると期待される。第四世代のデンドリマー(RuP-G4)を触媒とし、スチレンのo, m, p-のそれぞれの位置にメトキシ基が導入されたo-メトキシスチレン(o-MS)、m-メトキシスチレン(m-MS)、p-メトキシスチレン(p-MS)を基質とし、その反応速度Vを測定し比較した。ルテニウムポルフィリンをコアに有するフェニルアゾメチンデンドリマーをコンバージェント法により新規に合成した。流体力学半径の計測より従来から合成している亜鉛ポルフィリンコアのデンドリマーと同等の分子サイズを有していることが明らかとなった。

光誘起電子移動についてはベンゾニトリル中で0.5MのTBAPF6を支持塩として2.5 mMの2,6-dichlorobenzoquinoneとの電荷分離を試みたところ、寿命が390μsでの電荷分離を確認した。電荷分離状態では680nmの吸収が増大するが、これは亜鉛ポルフィリンコアで観測されていたものと同じ挙動である。デンドリマーではないRuTPP(CO)と比較して、7倍の電荷分離長寿命化に成功した。同様にアクセプター分子であるフラーレン(C60)誘導体であるPCBMを用いて同様の条件で電子移動の計測を行った。ポルフィリンだけでなくフラーレンも直接励起されるので700nm付近にPCBMの三重項励起状態の吸収が現れたが、共存下での減衰は加速した。650nmの過渡吸収の時間減衰が緩やかに減衰していることから、ルテニウムコアととPCBMとの間の電荷分離状態形成を確認した。指数関数によるフィッティングで電荷分離寿命は290μsとなった。また、選択的分子変換触媒としての展開にむけて基礎的な知見を得るため、デンドリマーの内部空間を活用した分子の形状認識について調べた。様々な形状を有するピリジン誘導体をゲスト分子として用い、デンドリマーとの会合定数をUV-vis吸収を用いた滴定や等温滴定カロリメトリー(ITC)より算出した。結果、特定形状(Y字型)の分子が選択的に強く相互作用することが確認された。この傾向は亜鉛ポルフィリンがコアのデンドリマーでも同様であり、デンドリマー内部のキャビティが分子の取り込みの選択性を決めていることが確かめられた。当初の予定通り、ルテニウムポルフィリンをコアにしたデンドリマーの合成を行い、その基礎物性および光誘起電子移動による安定な電荷分離状態生成まで完了した。また、分子認識の基礎的な知見まで得られている。当初の予定通り、暗反応における分子変換触媒としての基本的な特性を明らかにし、電子移動計と組み合わせて光を駆動力とした分子変換を実現する。前年度と同様、経費の大部分は試薬等の消耗品に充てる。また、学会発表等を行うための旅費、その他として共通機器の使用料なども計上する。
科学の方法論に基づく理解活動支援システムの開発

本研究は、カリフォルニア大学バークレイ校で開発されたConvinceMEという、命題集合の論理的整合度を数値的に計算するコンピュータシステムを用いて、利用者の推論能力の向上に役立てることを目的としたものである。ユーザーは、複数の解釈が可能な事象について、それぞれの解釈にかかわる仮説と証拠にあたる命題、それら命題間の関係を与える。同時に、ユーザーは、おのおのの命題の妥当性を各自の判断に基づいて数値的に与える。ConvinceMEは、ThagardのTEC(theory of explanatory coherence)理論に基づいて、命題や関係の内容や意味には踏み込まずに、命題と関係が成すトポロジーのみから、おのおのの命題の妥当性を数値的に計算する。ユーザーは、自分が与えた妥当性の値とConvinceMEが求めた妥当性の値を比較して、乖離があった場合にその理由を考察し、自身の命題の構造について検討する。これまでの研究では、ユーザの概念が、混沌とした状態から整理された状態へと変化することが示されてきた。本研究では問題解決型学習の支援に用いるケースについてその効果を調べた。また、本研究では、ConvinceMEを単独で利用した場合と、2人の人間がConvinceMEは使わずに互いに相談しながら問題解決を進める共同学習の条件と比較した。課題は与えたゴミを可燃ゴミ、資源ゴミなどに分別するものであり、個々のゴミを何ゴミに分類するか、より整合度の高い理由づけをするよう求めた。その結果、ConvinceMEを単独で利用した学習者は、利用せずに利用した者と比べて、ゴミを適切に分類できるようになったことが示された。また、2人が相談しながら学習した場合もゴミを適切に分類できるようになったが、転移課題ではConvinceMEを用いて単独で学習した場合に劣ることが示された。本研究の目的は、対象を構成要素に分解し、それらを合成し直すことによって、対象への理解を深める、という科学の方法論の、教育への応用である。本年度は、計画に従い、主に次の2点を行った。すなわち、1)カリフォルニア大学バークレー校で開発された、論理的無矛盾性よりも概念間の整合性を重視した思考を支援するConvinceMEというコンピュータシステムについて、日本語化を行ったこと、および、2)概念の分解・再合成という枠組みで心理学的な実験を行った。1)のConvinceMEについては、元開発者と相談しながら、オリジナル版のあまり本質的ではない機能を取り除き、改良を加えた。その結果、動作が軽快になり、操作性が向上したという結果を得た。2)については、ConvinceMEを用いて考えさせるグループと用いないグループの2つを設定し、家庭用ゴミの分別課題を実施した。この分別課題では、家庭から排出されるゴミをいくつか挙げて、その成分を吟味させた上で、分類基準と照らし合わさせ、それぞれが、「可燃ゴミ」、「不燃ゴミ」などのどれに分類されるべきか答えさせた。これは心理学における概念形成学習課題になっている。この報告書を作成している時点では、実験が終了したところなので解析は済んでいないが、おおむね、つぎの2つの結果を得た。すなわち、ConvinceMEを用いたほうが分類成績が向上する、すなわち理解が進むこと、および、対象の分解・再合成だけでは理解は必ずしも向上しないことである。
大気海洋境界過程の直接観測による海洋生態系モデルの高精度化

外洋域において波浪、水温、塩分、溶存酸素濃度、クロロフィル濃度、濁度等を漂流しながら連続的に計測可能な多機能観測ブイを新たに開発して、海上風の変動が風波の変動を介して海洋表層の栄養塩類及び植物プランクトンの鉛直分布に与える影響の実態を観測し、従来の海洋生態系モデルで利用されていた大気・海洋間の運動量・熱フラックスおよび表層混合層の変動過程を推定する手法の改良を行い、モデルの精度を向上させた。当該研究の目的は,外洋域における大気海洋の境界過程とこれが海洋表層生態系に与える影響の実態を直接観測により解明し、海洋生態系モデルの精度を向上させることである。そのため,平成22年度は,(1)GPS波浪ブイの多機能化と試験,および(2)既往の海洋生態系モデルの検証,を実施した。(1)GPS波浪ブイの多機能化と試験では,まず,応募者所有のGPS波高計センサ付設の漂流ブイ(GPS波浪ブイ)の精度検証を,神奈川県平塚市の2km沖合に設置された東京大学平塚観測塔にGPS波浪ブイを係留して実施した。観測塔に設置されている超音波式波浪計と比較したところ,GPS波浪ブイの測定誤差は,有義波高で10cm未満,有義波周期で0.3s未満であり,実用に十分耐える精度を有することを確認した。続いて,GPS波浪ブイに,水温・塩分・クロロフィル・溶存酸素センサから構成される多項目水質計を付設し,平成23年2月25日3月11日の学術研究船白鳳丸KH-11-3次航海(前半)において,試験運用を実施した。波浪データをはじめ,各水質データを問題なく計測・送受信できることを確認し,GPS波浪ブイの多機能化の第1段階をクリアした。続いて,同航海の後半(3月13日3月25日)において,大気乱流・海洋表層乱流観測と同時に本多機能ブイの観測を行って,大気海洋相互作用と海洋表層生態系の同時直接観測を世界で初めて実現する予定であったが,3月11日に発生した東日本大地震の影響で本航海の後半日程が中止となったため,実施できなかった。この観測については,平成23年度に別途航海を申請して実施する予定である。次に,(2)既往の海洋生態系モデルの検証では,物理場をデータ同化した海洋の低次栄養段階の生態系モデルによる追算実験を実施し,上記航海および既往の観測データと比較して、モデルの問題点を抽出した。当該研究の目的は、外洋域における大気海洋の境界過程とこれが海洋表層生態系に与える影響の実態を直接観測により解明し、海洋生態系モデルの精度を向上させることである。そのため、平成23年度は、(1)多機能ブイの実海域における運用、および(2)海洋生態系モデルの高度化、を実施した。(1)多機能ブイの実海域における運用では、昨年度に開発し、試験を行った多機能ブイについて、平成24年4月9日16日の学術研究船淡青丸KT-12-5航海「黒潮強流帯フロント域における3次元移流・拡散過程が海域の栄養塩供給、プランクトン種組成、イワシ類仔魚分布・生残に与える影響の解明(研究代表:小松幸生)」において、黒潮内側域に2日間漂流させ、低気圧通過時の波浪の発達に伴う表層の水温・塩分・クロロフィル・溶存酸素-濁度の連続的な変化を観測した。次に、(2)海洋生態系モデルの高度化では、昨年度に引き続き、物理場をデータ同化した海洋の低次栄養段階の生態系モデル(Komatsu et al.,2007)による追算実験を実施し、上記航海および既往の観測データと比較して、モデル精度を検証した。特に、表層混合層内においてモデルで推定した鉛直拡散係数と乱流計で直接計測した拡散係数とを比較し、また、計測した波浪情報(波高と波齢)でパラメタライズすること混合層モデルに波浪のインパクトを導入することにより、混合層モデルの再現性が向上することを確認した。外洋域における大気海洋の境界過程とこれが海洋表層生態系に与える影響の実態を直接観測により解明し、海洋生態系モデルの精度を向上させることを目的として、平成24年度は、(1)多機能ブイによる実海域での観測データとの比較によるモデルスキームの改良、(2)改良したモデルスキームの海洋生態系モデルへの導入、を実施した。(1)では、平成24年4月9日16日に学術研究船淡青丸KT-12-5航海(研究代表:小松幸生)を実施し、昨年度までに本課題で開発した多機能ブイを遠州灘沖の黒潮内側域で2日間漂流させた。観測期間中、ブイの直上付近を爆弾低気圧が通過し、強風時の波浪の発達に伴う表層の水温・塩分・クロロフィル・溶存酸素・濁度の連続的な変化を連続的に観測することができた。得られたデータと比較することにより、まず、運動量フラックスのスキームを改良した。

既存のスキームではJanssen et al. (2002)のものが最も妥当であり、波齢への依存パラメータを強化することで再現性が向上することが分かった。次に、混合層モデルの検証・改良を実施した。当該海域では内部波の影響が強く、混合層内部の構造および変動の再現には既往の混合層モデルでは再現性が低いが、風波の直接的影響が大きい表層においては、Qiao et al. (2004)のモデルが再現性に優れており、波齢に加えて波高をパラメータとして導入することでその再現性が向上することが分かった。続いて(2)では、物理場をデータ同化した低次栄養段階の海洋生態系モデル(Komatsu et al., 2007)に以上の改良を組み込んで強風時の植物プランクトンの応答特性を数値実験で調べた。その結果、改良したモデルでは強風時に数10km程度のパッチ構造が再現できることを確認した。多機能ブイを新たに開発し、実海域において運用をしており、また、既存の海洋低次生態系モデルの精度を検証し、混合層モデルに波浪のインパクトを導入し、その精度を向上させていることから、当初の計画通り順調に進展していると判断できる。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後は、当初の計画通り、海面フラックスのスキームと混合層スキームの改良を海洋生態系モデルに導入し、台風や前線域などの風が急変する海域での海上風に対する栄養塩と植物プランクトンの応答特性を明らかにする。
高圧パルス放電による超臨界二酸化炭素の分解

超臨界二酸化炭素、あるいは高圧二酸化酸素雰囲気下での電極反応に用いるために、酸性溶液中での置換メッキ法を利用した新規白金修飾銅電極を作製した。この手法は、銅電極の形状および、結晶性を問わず、浸漬時間と錯体の濃度によって、白金の量を容易に制御可能であった。また、金、銀、電極上に作製した自己組織化単分子膜に塩化白金酸イオンを静電的に結合させた後、電気化学的に還元、更に、有機膜であるチオールの膜を還元脱離法によるて脱離して作製した、白金/金電極も作製した。電極の作成法としては、比較的濃度の低い1mM塩化白金酸溶液を用いて浸漬時間を変化させることで修飾する白金の量を変化させて、白金を薄く修飾することができた。実験条件を検討した結果、白金修飾銅電極の作製には低濃度の塩化白金酸を使用するほうが望ましいことがわかった。酸素の還元において白金修飾銅電極は、白金の修飾時間が短時間(10sec,30sec)である場合、銅と似た挙動を示した。酸素の還元電位は、Cu電極上での酸素還元の場合に比べて100mVほどネガティブシフトし、水素発生はわずかながらポジティブシフトした。また白金の修飾時間が長時間(5min,10min)の場合、酸素還元において白金とほぼ同じ電位で酸素の還元が生じ、銅と同様に水素発生が確認された。すなをち、銅と白金の両方の特徴が見られた。二酸化炭素の還元においてギ酸生成の電流効率は白金修飾銅電極(10sec:37.0%,30sec:25.8%,300sec:30.3%)は銅電極の場合(6.9%)よりも高くなった。一方、メタンの生成の電流効率は、白金を短時間(10sec)で修飾したもの(17.6%)において、銅電極の場合(118%)よりも高い値が得られた。つまり二酸化炭素の還元においては比較的少量の白金を修飾した白金修飾銅電極が高い触媒効果を示すと考えられる。本年度は超臨界二酸化炭素の直接還元を行うために共溶媒および支持電解質等の種々の電解条件の検討並びに二極法による還元を行い、生成物の同定並びに電流効率の検討を行った。N, N-ジメチルホルムアミド(DMF)、エタノール、アセトニトリルを共溶媒として用い、超臨界二酸化炭素中で導電性を比較したところ、アセトニトリルを共溶媒として用いた場合のみ40mA (1×10^<-5>A/cm^2)の電流が流れた。共溶媒にアセトニトリルを用い、温度、圧力、支持電解質、金属電極の条件を変え導電性の検討を行った。臨界温度付近である35°C、臨界圧力付近である8.0Mpa、支持電解質[CH_3(CH_2)_3]_4NPF_6、銀電極の場合に最も導電性が高くなった。また、この条件で超臨界二酸化炭素中で酸化炭素の還元反応を行い、HPLC、GC、GCMSを用いて生成物の分析を行った。分析結果からギ酸と一酸化炭素の生成が確認された。その他の生成物としては分子量280の物質が検出されたが、物質の特定までは至らなかった。印加電圧に対する還元生成物の電流効率の変化について検討した。陽極に銅を用いた場合、OV付近の電位では一酸化炭素よりも優先的にギ酸が生成した。電極電位がより負になるに従って、一酸化炭素の電流効率は大きくなったが、ギ酸の電流効率は小さくなった。高電位では反応速度が速く、超臨界二酸化炭素中では溶液中にH^+が少ないためにCH_4やC_2H_4は生成せずCOが多く生成したものと考えられる。この手法は、銅電極の形状および、結晶性を問わず、浸漬時間と錯体の濃度によって、白金の量を容易に制御可能である。二酸化炭素の電解生成物は、主にギ酸、一酸化炭素、メタンであり、副生成物として水素発生も起こる。銅電極、白金電極、及び1mM H_2PtCl_6にそれぞれ10sec,30sec,5min,銅電極を浸漬させて作成した白金修飾銅電極を用い、2MPaの高圧条件下において、-2.5Vで定電位電解を行ったところ、銅電極では、メタン、ギ酸が確認された。それぞれの電流効率は、11.8%,6.9%となった。白金では有機物ガスは確認できず、ギ酸のみが確認された。その電流効率は、5.0%だった。Cu-Pt(1>電極では、メタン及びギ酸が確認された。それぞれの電流効率は、17.6%,37.0%となった。Cu-Pt(2)電極では、メタン及びギ酸が確認された。それぞれの電流効率は、7.4%,25.8%となった。Cu-Pt(3)電極では、一酸化炭素及びギ酸が確認された。それぞれの電流効率は、12.7%,30.3%だった。Cu-Pt(3)電極でのみ一酸化炭素が得られたこと及び、Cu-Pt(1)電極でメタン及びギ酸の一番高い電流効率が得られたことより、白金の修飾量が変化することにより、電極表面上での反応性が変化すると考えられ、また、白金を極微量修飾すると二酸化炭素の還元において、高い触媒機能奇示すと思われる。

超臨界二酸化炭素、あるいは高圧二酸化酸素雰囲気下での電極反応に用いるために、酸性溶液中での置換メッキ法を利用した新規白金修飾銅電極を作製した。この手法は、銅電極の形状および、結晶性を問わず、浸漬時間と錯体の濃度によって、白金の量を容易に制御可能であった。また、金、銀、電極上に作製した自己組織化単分子膜に塩化白金酸イオンを静電的に結合させた後、電気化学的に還元、更に、有機膜であるチオールの膜を還元脱離法によるて脱離して作製した、白金/金電極も作製した。電極の作成法としては、比較的濃度の低い1mM塩化白金酸溶液を用いて浸漬時間を変化させることで修飾する白金の量を変化させて、白金を薄く修飾することができた。実験条件を検討した結果、白金修飾銅電極の作製には低濃度の塩化白金酸を使用するほうが望ましいことがわかった。酸素の還元において白金修飾銅電極は、白金の修飾時間が短時間(10sec,30sec)である場合、銅と似た挙動を示した。酸素の還元電位は、Cu電極上での酸素還元の場合に比べて100mVほどネガティブシフトし、水素発生はわずかながらポジティブシフトした。また白金の修飾時間が長時間(5min,10min)の場合、酸素還元において白金とほぼ同じ電位で酸素の還元が生じ、銅と同様に水素発生が確認された。すなをち、銅と白金の両方の特徴が見られた。二酸化炭素の還元においてギ酸生成の電流効率は白金修飾銅電極(10sec:37.0%,30sec:25.8%,300sec:30.3%)は銅電極の場合(6.9%)よりも高くなった。一方、メタンの生成の電流効率は、白金を短時間(10sec)で修飾したもの(17.6%)において、銅電極の場合(118%)よりも高い値が得られた。つまり二酸化炭素の還元においては比較的少量の白金を修飾した白金修飾銅電極が高い触媒効果を示すと考えられる。
炭酸ガス、ー酸化炭素の高効率・選択的還元電極(ad-atom法による合金、半導体電極触の設計)

本年度は、Cu-Sn、Cu-Zu合金を取り上げ、その組成、結晶構造とCO_2還元選択性との関係について詳細に検討して来た。電解還元はCO_2を飽和の0.05M KHCO_3水溶液中で行い、生成物はガスクロマトグラフ、液クロマトグラフを用いて定量した。合金はこれ迄と同様、金基板電極上に電析により形成させ、電解還元実験後にX線回折法で結晶相の解析を行い、その後王水で溶解してICP分析法で全組成を決定した。先ず、ピロリン酸浴、シアン浴から電析したCu/Sn≒50/50合金の電流効率の電位依存性を検討した。前者では蟻酸が主に生成し、またCOもかなり高効率で生成した。何れも可逆電位から生成し、電流効率即ち選択性は過電圧の増加と共に増大し、蟻酸に対しては最大60%の電流効率が得られた。他方、シアン浴から得た合金上ではCOが主生成物であり、また生成に大きな過電圧を要した。両者の著しい違いは、析出微結晶の結晶相の違いによることが、X線解析の結果から明らかになった。即ち、前者はCu/Sn=1/1組成の金属間化合物、固溶体微結晶から成り、後者はこの全組成からずれた組成の微結晶から成っていることが分かった。結晶相の差が単に選択性のみならず、著しい可逆性の違いをもたらす事は、特筆に値する。そこで次に、シアン浴中で種々の組成のCu-Sn合金の電析を行い、その結晶相とCO_2還元電流効率との関係を調べた。全組成Cu/Su=5/1にほぼ等しい組成の金属間化合物Cu_<5.6>Sn、固溶体の微結晶上で、最大のCO生成効率が得られ、その効率は6080%となる事が分かった。Cu-Zn合金に関して同様に検討した結果、全組成とほぼ等しいCu_5Zn_8合金相に於いて、最大80%のCO生成効率が得られた。シアン浴から作成した上記合金では、高い選択性は得られたものの、可逆性は低く、大きな過電圧を要した。以上から、反応選択性、反応可逆性の支配因子は、全組成ではなく特定結晶相、言い替えると異種原子の配位状態にある事が分かった。