hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
栽培オオムギの地域適応を紐解く数理モデルの構築

本年度は,栽培進化によって広域適応的に分化した栽培オオムギの品種群毎の開花時期制御の変異を,(1)数理モデルによる温度閾値と暴露期間の推定,(2)QTL解析による「秋播性」自然変異の遺伝解析を通して明らかにすることを目的とした.(1)播性程度の異なる6系統(IIIV,各2系統ずつ)の過去6年分の圃場栽培データと栽培期間中の日平均気温データから,各系統の温度閾値および暴露期間を推定したところ,播き性程度IIIでは15°C程度が閾値であるのに対して,IVおよびVでは10°C前後であり,オオムギが低温と感じる閾値温度が異なることが明らかとなった.IVとVとの間では必要な暴露期間に違いがあり,「秋播性」の変異を数理的な手法により記載することに成功した.(2)「秋播性」同士の交配由来の分離集団を用いたQTL解析の結果,「秋播性」の量的変異を説明する4つのQTLを見出した.これらのうち3つのQTLはそれぞれVRN1, VRN2, VRN3を含む領域に見出され,QTL解析で推定される遺伝効果と矛盾のない構造変異および発現差が検出されたことから,これらの遺伝子の関与が強く示唆された.(1)で温度閾値および暴露期間を推定した6系統のVRN1, VRN2, VRN3の塩基配列を比較したところ,VRN1でのみ推定したパラメーターと連関する構造変異が見出された.一方,3H染色体で見出されたQTL領域には既知の春化或いは花芽分化に関わる遺伝子は報告されておらず,「秋播性」の量的変異を支配する新たな遺伝子座と考えられた.さらにVRN1領域および3HのQTLは,倉敷市での圃場秋播栽培での圃場出穂日QTLとしても検出されたことから,「秋播性」の量的変異をモデル化し開花予測に取り組むためには,この新規QTLの原因遺伝子を特定すると共に,変動環境下における発現パターンを明らかにする必要がある.26年度が最終年度であるため、記入しない。26年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では,オオムギの開花時期制御の鍵となる遺伝子(低温要求性・日長反応性)の発現量の季節変化を追跡し、気温・日長データと合せて解析することにより,地域毎に分化したオオムギ系統毎に,開花時期制御の数理モデル構築と変動環境下における開花予測を目的とする.(1)温度操作実験系を用いた開花制御遺伝子群の発現モニタリング:本年度は開花制御遺伝子の発現動態の解析を開始した.集団構造に基づいて選定した9系統を材料に, 0-5週間の低温処理(4,10,15,20°C)を施した後,長日(16時間)日長処理区をグロースキャビネットで設定し,低温処理終了時点(0日)から3ヶ月間,二週間毎のサンプリングを継続中である.(2)圃場栽培条件下における開花制御遺伝子群の発現モニタリング:申請者が圃場栽培実験を実施する岡山大学資源植物科学研究所(倉敷市)の慣行栽培は,11月下旬播種,5月下旬収穫である.既にサンプリング,RNA抽出を完了しているH24-H25シーズンの圃場サンプルに加えて,2シーズン目の圃場サンプルとしてH25-H26の圃場栽培条件での発現モニタリングに向けて,平成25年11月に解析用の系統を播種し定期サンプリングを実施している.解析には(1)で選定した9系統を供試する.これらを材料に,2月上旬から5月末までの約20週にわたって圃場で1週間毎に定期サンプリングを継続中である.並行して,発現モニタリング実験に用いる系統のi)春化要求性遺伝子, ii)日長反応遺伝子のリシークエンス解析を実施し,qRT-PCRによる発現解析の準備に着手している.本研究では,(1)で> 5,000サンプル,(2)では約500サンプル/シーズンが解析対象となるため,解析単価の低コスト化は必須である.今年度は,実験の各ステップにおける小規模化を試み,低コスト化の実現に向けた実験系の最適化にも取り組んでいる.本年度は,栽培進化によって広域適応的に分化した栽培オオムギの品種群毎の開花時期制御の変異を,(1)数理モデルによる温度閾値と暴露期間の推定,(2)QTL解析による「秋播性」自然変異の遺伝解析を通して明らかにすることを目的とした.(1)播性程度の異なる6系統(IIIV,各2系統ずつ)の過去6年分の圃場栽培データと栽培期間中の日平均気温データから,各系統の温度閾値および暴露期間を推定したところ,播き性程度IIIでは15°C程度が閾値であるのに対して,IVおよびVでは10°C前後であり,オオムギが低温と感じる閾値温度が異なることが明らかとなった.IVとVとの間では必要な暴露期間に違いがあり,「秋播性」の変異を数理的な手法により記載することに成功した.(2)「秋播性」同士の交配由来の分離集団を用いたQTL解析の結果,「秋播性」の量的変異を説明する4つのQTLを見出した.

これらのうち3つのQTLはそれぞれVRN1, VRN2, VRN3を含む領域に見出され,QTL解析で推定される遺伝効果と矛盾のない構造変異および発現差が検出されたことから,これらの遺伝子の関与が強く示唆された.(1)で温度閾値および暴露期間を推定した6系統のVRN1, VRN2, VRN3の塩基配列を比較したところ,VRN1でのみ推定したパラメーターと連関する構造変異が見出された.一方,3H染色体で見出されたQTL領域には既知の春化或いは花芽分化に関わる遺伝子は報告されておらず,「秋播性」の量的変異を支配する新たな遺伝子座と考えられた.さらにVRN1領域および3HのQTLは,倉敷市での圃場秋播栽培での圃場出穂日QTLとしても検出されたことから,「秋播性」の量的変異をモデル化し開花予測に取り組むためには,この新規QTLの原因遺伝子を特定すると共に,変動環境下における発現パターンを明らかにする必要がある.26年度が最終年度であるため、記入しない。26年度が最終年度であるため、記入しない。特に,(1)温度操作実験系の構築(人工気象機の選定や,条件設定)や実験系の低コスト化に時間を要したため.基本的には当初の計画書通り,研究を進める.次年度は,実験系の小規模化を実現し低コスト化した実験系を駆使して,対象とする発現データの取得を速やかに進め,数理モデル構築,圃場データに基づく開花予測解析に注力する.
化学物質による細胞障害の機構

本研究の目的は、毒科学の研究活性化とレベルアップを企図して、毒科学会学術研究推進運営委員会の協力の上に毒性学、薬理学、分子生物学の研究者が一堂に会し、細胞障害・細胞死を分子レベルで理解することにより、これが毒性学・創薬に応用可能であるという共通認識を確立することであった。まず平成7年9月5日,東京大学山上会館において,5名のシンポジスト(アポトーシス関連2題,薬物代謝1題,神経細胞死1題,行政関連1題),及びスエ-デン・カロリンスカ研究所から来日中のSten Orrenius教授を招待講演に招き(演題「カルシウム誘発細胞死の最近の知見」),シンポジウムを開催し,同日,班会議をもった.また,平成8年1月30日には,大阪千里ライフサイエンスセンターにおいて,5名のシンポジスト(アポトーシス関連3題,薬物代謝関連1題,金属毒性1題)を招いてシンポジウムを開催し,班会議を行った.両シンポジウムにおける議論や,その反響,更に,班会議その他における班員間の議論の過程で、新しいトキシコロジーのトレンドを創出する必要性,広い分野の研究者を啓発し,大きな研究の流れを形成する必要性は,非常に重要かつ緊急性を有するとの共通認識が得られ,重点領域研究として発展させるべきであるという結論に達した.そこで,今回の研究代表者,長尾択を申請代表者とし,班員菅野盛夫及び班員外から遠藤仁(杏林大医)の2名を班長として班構成し,平成9年度発足重点領域申請書「細胞障害の分子機構-トキシコロジーの新展開-」としてまとめ,申請を行った.本研究の目的は、毒科学の研究活性化とレベルアップを企図して、毒科学会学術研究推進運営委員会の協力の上に毒性学、薬理学、分子生物学の研究者が一堂に会し、細胞障害・細胞死を分子レベルで理解することにより、これが毒性学・創薬に応用可能であるという共通認識を確立することであった。まず平成7年9月5日,東京大学山上会館において,5名のシンポジスト(アポトーシス関連2題,薬物代謝1題,神経細胞死1題,行政関連1題),及びスエ-デン・カロリンスカ研究所から来日中のSten Orrenius教授を招待講演に招き(演題「カルシウム誘発細胞死の最近の知見」),シンポジウムを開催し,同日,班会議をもった.また,平成8年1月30日には,大阪千里ライフサイエンスセンターにおいて,5名のシンポジスト(アポトーシス関連3題,薬物代謝関連1題,金属毒性1題)を招いてシンポジウムを開催し,班会議を行った.両シンポジウムにおける議論や,その反響,更に,班会議その他における班員間の議論の過程で、新しいトキシコロジーのトレンドを創出する必要性,広い分野の研究者を啓発し,大きな研究の流れを形成する必要性は,非常に重要かつ緊急性を有するとの共通認識が得られ,重点領域研究として発展させるべきであるという結論に達した.そこで,今回の研究代表者,長尾択を申請代表者とし,班員菅野盛夫及び班員外から遠藤仁(杏林大医)の2名を班長として班構成し,平成9年度発足重点領域申請書「細胞障害の分子機構-トキシコロジーの新展開-」としてまとめ,申請を行った.
ポジティブ心理学的観点による歴史的トラウマの継承と平和教育プログラムの開発

本研究は,原爆被爆体験の次世代への心理社会的影響を明らかにし,心理学的観点から「平和」を捉え直し,得られた知見の平和教育への還元を目的に,以下の3点を検討する。1.原爆被爆体験の次世代(二・三世)への心理社会的影響について,負の側面だけでなく,世代を超えてトラウマ体験を乗り越えてきた心理的働きに着目し,ポジティブ心理学の観点から検討する。2.平和に対する認識を測定する尺度を開発し,個人の平和の認識と状態に関連する要因を,親世代・個人のトラウマ体験の有無や性格特性などの観点から検討する。3.心理学の知見を取り入れた心理学的平和教育プログラムを開発する。
地震時に液状化地盤中を伝播する重力波による構造物への影響について

固体である地盤を伝播する地震波は重力の作用を無視するが,流体に近い性質を持つと考えられる液状化地盤では重力の作用を無視することができるとは限らない.重力の作用を考慮した数値解析手法によって,液状化地盤を伝播する波をシミュレートしたところ,せん断剛性の低下に対応して表面波が流体中の重力波に似た性質をもつようになること,またスロッシング現象が顕著になることを明らかにした.固体である地盤を伝播する地震波は重力の作用を無視するが,流体に近い性質を持つと考えられる液状化地盤では重力の作用を無視することができるとは限らない.重力の作用を考慮した数値解析手法によって,液状化地盤を伝播する波をシミュレートしたところ,せん断剛性の低下に対応して表面波が流体中の重力波に似た性質をもつようになること,またスロッシング現象が顕著になることを明らかにした.本年度は,液状化した地盤を伝播する波の特徴を明らかとするために,2相混合体理論による有効応力解析を用いて数値解析による検討を行った.重力の影響を支配方程式に導入することで,重力の影響を考慮したところ,ポアソン比が0.5に近づくにつれて重力の影響が小さくなる結果となった.これは,既往の研究(Chavez-Garcia and Bard, 1993)においても指摘されていた現象である.ところが実際の流体はポアソン比0.5であり,かつ重力を駆動力として波が伝播するため,矛盾していると考えられる,この矛盾について来年度検討を加えたいまた,地盤を伝播する弾性波の特性として,水平多層地盤を鉛直に伝播する2次元SH波を対象とした新しい物理量Normalized Energy Densityに着目してその性質を調べた.表層と基盤とからなる2層系の場合は,表層と基盤のそれぞれで定義されるNormalized Energy Densityが一致することを解析的に証明した.3層以上の多層系の場合は解析的に示すことが難しいため,Monte Carloシミュレーションを実施した.3層系,4層系,10層系についてシミュレーションを実施したところ,各層のNormalized Energy Densityは等しいと考えられ,層に依存せず深さ方向には一定ではないかと思われる.しかし,多層系の場合の解析的証明は未解決であるので,今後の課題である通常の地盤のように固体と考えられる媒質では,表面に沿って表面波が励起して伝播することが知られている.一方,水のような液体では,液面において海の波のように重力の影響による波,すなわち重力波が励起して伝播する.液状化地盤や軟弱な堆積層の地表面に波が励起する場合,単純に固体として考えることも液体として考えることもできないため,その中間的な性質をもつような波(重力波)の存在が考えられる.具体的には,重力の影響を受けて通常の表面波と小田なる特徴を有する波となることが考えられる.そこで,本研究では,地盤材料の非線形性,得に液状化による影響を考慮して,地表を伝播する重力波の存在と,その性質について議論し,種々の地中構造物や地上構造物に与える影響について検討している.昨年,東北地方太平洋沖地震が発生し,東北地方から関東地方にかけての広い範囲で液状化被害が報告されている.特に東京湾沿岸部と茨城県霞ヶ浦周辺では液状化被害が深刻であった.昨年度はその被害調査も実施し,被災メカニズムの分析を進めている.また,基礎的な事項として,S波速度が有限値である固体のように振る舞う地盤から液体のように振る舞う液状化状態までを統一して記述できる支配方程式を定式化し,これを反映した非線形有限要素法,有効応力解析プログラムの開発を続けている.本研究は,S波速度の非常に小さいような低せん断剛性の地盤の表面を伝播する波について,流体の表面を伝播する重力波のように重力の作用による影響がどのように表れるかを検討する基礎的な内容である.昨年度までに,地盤材料が非線形特性を示さない線形材料であると仮定して,地表面に励起される表面波に対する重力の影響について調べている.鉛直に地表を動的載荷すると,固体のように材料のせん断剛性による復元力が重力の作用に比べて十分大きい場合には,進行方向に対して後ろ向きに回転しながら進むレイリー波特有の粒子軌跡が観察される.一方,せん断剛性が低下するに従って,進行方向に対して前向きに回転しながら進む流体に生じる重力波のような粒子軌跡が観察された.しかし,昨年度までに使用していた数値解析手法は,解析対象が複雑であるがために,その妥当性を検証することができていなかった.そこで本年度は,重力の作用が支配的である流体のスロッシング現象に着目し,せん断剛性を持たない媒質である場合に流体時のスロッシング現象の解と一致するか確認することで,数値解析手法の妥当性を検証した.この結果,改めて提案する支配方程式と数値解析手法は,流体時と固体時の双方で既往の解析結果と十分な精度で一致する結果を与えることを確認した.また,材料が流体であるか固体であるかをポアソン比のみで特徴付けることで,固体から流体までを統一して取り扱えることを確認し,その遷移領域におけるスロッシング現象の特徴について考察した.現在,論文投稿準備中の解析手法を含めて,順調に進められていると考えている.24年度が最終年度であるため、記入しない。液状化した地盤に対する検討を進めるために,非線形有限要素法を用いて数値解析を実施する.また,東北地方太平洋沖地震で確認された重力波による影響と考えられる様々な事象に対して検討を行う.24年度が最終年度であるため、記入しない。
空間認知能力の低い利用者に向けた大規模空間情報のデザイン要素に関する研究

18年度の研究結果では、地図のデザイン表現方法によって、理解しやすい場合は移動が円滑になり、理解しにくい場合は移動が困難になるということが確認できた。19年度は、具体的な地図のデザイン表現方法の違いによって空間を移動する際の分かりやすさにどのような違いがあるかを検証した。1:多階層空間の表現方法、地図中のランドマークの表現方法、色彩要素、地図上の文字回転、方位などを変化させた新しいデザインの地図を25種類作成した。2:渋谷駅構内、渋谷駅周辺街路、武蔵野市の住宅地、東工大大岡山キャンパスにおいて道に迷いやすいと自覚する利用者を中心に延べ60人の比較移動実験を行った。この中には高齢者・弱視者を含む。実験中は観察者が利用者の行動について5段階評価を行い、実験後、各種の地図表現の効果と理由等について、個別ヒアリングを実施した。3:この結果、主に次のことが観察・示唆された。●多階層空間の表現方法では、多階層を1つの面に表す地図は理解が難しく、斜視的な立体表現でルートを示す矢印とともに表す地図が最も理解が容易であった。●地図を回転させる利用者でも文字は逆さ方向からでも十分読めるため、文字の回転は必ずしも必要ではない。●ランドマークを文字のみで表現した地図と、文字と建物の写真、文字と交差点の写真で表現した地図では特に差がなかった。●羞明のある弱視者ではダークグレー・黒・白をレイアウトし、ポイントに色彩を利用した地図が最も利用しやすかった。●道に迷いやすい利用者には、複雑な場所だけでなく碁盤目に整備された地域で迷いやすい人、見通しの良い田舎道で迷いやすい人などが存在する。●人によって適切なランドマーク情報量は異なる。●高齢であることと、好ましい地図表現については関係が見出せなかった。今後はこれらの結果について、自覚的空間認知能力と、利用しやすい地図表現要素の関係を分析する予定である。1:都心の大規模な駅や、大規模商業空間等で特に複雑な配置・構造を持つ施設を訪れ、情報提供がどのようになされているのか、特に地図や経路案内のビジュアルマテリアルの種類、デザイン的なバリエーション、音声情報提等についての予備調査を行った。2:空間認知能力と地図、空間移動にっいての基礎文献調査を行った。3:質問紙方式による予備調査を行い、方向感覚が良いと自覚する被験者、悪いと自覚する被験者(学生、高齢者、弱視者を含む)を選定した。4:現状の空間情報表示と空間移動の問題点を明確化するための実験を行った。4-1:空間認知能力の低い被験者と標準的な被験者に対して、大規模空間の利用実態について、オブザベーション調査を行った。非常に不規則な地理的配置の特徴を持つ施設3箇所(六本木ヒルズ・東京ディズニーシー・東工大大岡山キャンパス)を取り上げ、各施設エリア内にコースを設定し、複数の情報提供方法(各種の地図、看板等)を個別に利用して空間を移動する実験とそのオブザベーションを行った。4-2:実験後、各種の地図情報の利用状況と効果、欠点等について、アンケート・個別ヒアリング調査を実施した。5:上記研究から観察された空間認知能力の低いグループの被験者の特徴5-1:実際の生活においては地図の利用が困難なことが多いため、何度も人に尋ねて移動している5-2:手持ち地図よりも実空間に配置された矢印看板等の情報を多用する5-3:具象的なイラストマップには移動を円滑にする効果があったが、表現方法によっては逆さにした時、理解が非常に困難となった5-4:特に地図の方向と実空間の方向を一致させることができない被験者では看板地図を多用する5-5:ルートマップについては地図よりもテキスト情報を好む人がいる5-6:地図上の部分的写真は効果的な情報源とならない場合がある今後はこれらの示唆についてさらに検証を行う。

●人によって適切なランドマーク情報量は異なる。●高齢であることと、好ましい地図表現については関係が見出せなかった。今後はこれらの結果について、自覚的空間認知能力と、利用しやすい地図表現要素の関係を分析する予定である。
PCR-DD法による心慢性拒絶反応に関する新規遺伝子クローニングの試み

本研究は移植心冠状動脈硬化症の未知の病態を明らかにすることを目的に行われた。65種のラット免疫分子の遺伝子発現を定量的に測定する方法を新たに確立し、PCR-DD法による差異遺伝子同定の手法と合わせてラット心再移植モデルに応用し、心慢性拒絶反応の分子病態を実験的に研究した。1:アロ反応性T細胞の移植心への一過性の浸潤は、急性拒絶反応を引き起こすには不十分であるが、遠隔期に慢性拒絶反応(移植心冠状動脈硬化症)を起こすには十分であった。2:再移植心における遺伝子発現動態を経時的に検討した結果、活性化T細胞分泌分子(IFN-γ,Fas ligandなど)、血管平滑筋増殖因子(TGF-β,PDGF-βなど)、一部のケモカイン/受容体システム(IP10-CXCR3,RANTES-CCR5,MCP1-CCR2)の病態への関与が示唆された。3:Diiferential displayにより、移植心冠状動脈硬化症の進展期には移植心へのB細胞浸潤が有ることが示された。この知見は従来報告されていない新しい知見であった。またB細胞活性化分子とB細胞遊走因子遺伝子の発現検討から、浸潤するB細胞は単に受動的に集積するのではなく、能動的に遊走し、活性化状態にある事が示唆された。したがってB細胞の抗原提示機能が移植心冠状動脈硬化症の進展に関与する可能性が考えられた。以上、分子生物学的手法を新しい心慢性拒絶反応の動物モデルに応用することで、これまで知られていなかった本症の分子病態の一部を明らかにすることが出来た。しかし、今回用いた従来のPCR-DD法は検出感度と再現性の面で必ずしも満足すべきものでないことが同時に明らかになった。今後、より感度と再現性に優れたRFDD法を本実験モデルに応用すれば、さらに意義の深い研究成果が得られるものと期待される。WKYラット心をLEWラットに移植し,3または5日後に(WKYxLEW)F1ラットに再移植した.再移植後1,14,30,60日後に移植心を摘出し,組織学的に動脈硬化病変の判定量的評価を行った.その結果,3日目に再移植した心臓には有意な血管病変は発生しないが,5日目に再移植した心臓では再移植後30日以降に有意かつ進行性の動脈硬化病変が発生することが明かとなった.各標本からRNAを精製し,定量的RT-PCR法にて20種類の既知遺伝子発現を測定したところ,動脈硬化病変の進行にともなったT細胞活性化分子,マクロファージ遊走因子,接着分子および平滑筋増殖因子遺伝子の特異な経時的発現パターンが認められた(論文投稿中).既知遺伝子の発現パターンから推察して,5日目再移植心において再移植14日以後に発現が増加する遺伝子は,心慢性拒絶反応の病態から考えて,T細胞活性化と平滑筋細胞増殖の間に介在する分子である可能性のあることが予想された.そこで,前記の標本から抽出したRNAを用いて,PCR differential display法を開始した.総計120種のArbitary primer setsを用いたが,ほとんどのバンドが3,5日再移植心の両方に認められ,5日目再移植心で再移植14日以後にのみ強く検出されたバンドは2種類のみであった.現在この2種類のPCR産物を再増幅,クローニングを行い核酸配列の決定を行っている.配列決定後にホモロジー検索,前記RNA標本でのRT-PCRにて予想通りの発現パターンが得られるかどうかの確認が必要で,これらの検討の結果,病因意義をもつ可能性が示されれば全長cDNAのクローニングを試みる予定である.

昨年同定した5日目再移植心の血管病変進行期(再移植1430日)に選択的に発現する約420bp(3CB1)と約1.1kbp(3EB2)の2本の差異バンドをクローニングし、核酸配列を決定した。3CB1の配列はラットイムノブロブリンk鎖の定常部と99%一致した。3EB2からは2種類の異なった核酸配列が同定された。その核酸配列はどちらも既知の遺伝子配列とは相同性が極めて低かった。同定された計3種の遺伝子配列に対し、各々の遺伝子に特異的なPrimer,Probeセットを作成し、TaqMan RT-PCR assayで各々の遺伝子が3日または5日再移植心にどの様に発現するかを検討した。Igk鎖は5日再移植心で再移植後30日をピークとした発現パターンをとり、同時期の3日再移植心と比較して10倍以上、正常心の800倍以上の発現誘導を示し、本遺伝子が再移植心の血管病変進行期に選択的に発現する遺伝子であることが確認された。しかし、3EB2由来の2遺伝子では再移植後どの時点においても有意な発現差が確認出来ず、Differential displayの結果は、偶然バンドが重なったための人為的なものであると考えられた。Igk鎖の発現は予期しないB細胞の存在を示唆するが、その役割を推察するために定量的RT-PCR法でB細胞遊走および活性化に関与する分子の発現を再移植後全時間経過に渡って検討したところ、CD40L,B7-2,BLC遺伝子がIgk鎖とほぼ同様の発現パターンをとることが明かとなった。この結果は移植心中のB細胞は単にBystanderとして存在するのではなく、能動的に遊走し活性化されていることを示すものと考えられた。以上、再移植心にPCR-DD法を応用することで慢性拒絶心局所におけるB細胞の意義という新たな病態解明への手がかりが得られた。
二波長式光学的膜電位多領域同時測定法の大脳皮質への適用による機能マップ作製と解析

膜電位の光学的測定法を用いて脳表面の多領域から光学的に膜電位を同時測定することが可能になりつつあるが、動物の脳表面が呼吸や循環に伴ない動くことが光散乱の変化を来たし、アーティファクトとして光学シグナルに重畳することが問題となっている。本研究は、心房を対象に心拍動によるアーティファクトを減らす目的で開発した二波長式光学的膜電位測定システムを、大脳皮質からの膜電位の光学的測定に適用し、呼吸や心拍動に起因する動きの影響を極力受けずに、1020ヶ所の膜電位を同時測定することを目的とする。まず、透過光測定方式に作られている測定装置を螢光測光用に改造した。光源は超高輝度発光ダイオードを対物レンズを囲むように設置し、螢光測光用フィルターを設置した。実際に、ラットの大脳皮質を対象に光学的測定を試みた結果、記録したい部分の実像面にフォトダイオードを設置し、焦点を合わせるのが困難であることが判明した。そこで、ラットを脳定位固定装置ごと位置制御する光学ステージを新たに開発した。当面の間は、電気刺激ごとに緑色励起と赤色励起を交互に行い、加減算処理する方式で用いることにした。この方式は、高速にchoppingさせる方式に比較し、時間分解能が大きく取れる上、二波長のデータ間のクロストークも大幅に小さく出来ることが判明し、加算処理が必要な限り、より有効なサンプリングシステムと考えられるからである。ラットの足蹠を電気刺激し、膜電位感受性色素RH-414で生体染色した対側の大脳皮質感覚野から光学的に測定した結果、限局した領域から脱分極性の応答が記録できた。この光学応答は、双極電極を用いてフィールドで記録したデータで、電流密度が最も高くなる位置に時間も場所も一致しており、足蹠の電気刺激に対する大脳皮質感覚野応答が光学的に記録出来たと考えられる。近年、膜電位の光学的測定法の導入により脳表面の多領域から膜電位の同時測定が可能になりつつあるが、現在用いられている市販の膜電位の光学的測定装置では、加算処理をせずにシナプス後電位を測定することは極めて困難である。その大きな理由の一つは、生きた"まるごと"の動物の脳表面は、呼吸や循環の影響を受けて微小に動くが、そのな動きが、光学的測定においては大きな光散乱の変化を来たし、アーティファクトとして膜電位変化のシグナルに重畳することである。本研究は、11年度までに心房内の膜電位測定を目的に心房筋の動きによる成分を減少させる目的で独自に開発した、超高輝度発光ダイオードを光源とした二波長式光学的膜電位測定システムを改造して神経系へ適用し、大脳皮質の膜電位を加算処理することなく同時測定し、機能マップを作製すること目的とするものである。光学的測定装置は独自に開発したもので、超高輝度二色発光ダイオード光源を用いた透過光測定法で、高速の二波長同時測光を可能としたものである。神経系への適用には、時間分解能が十分でなく、まら脳表面の膜電位測定は透過光測定では不可能の為、落射螢光か着色散乱を応用して行う必要がある。初年度の今年度は、光学系を着色散乱測光方式への変更で光源の問題はほぼクリアすることが出来た。しかし、サンプリングの高速化に関しては、当初予想されなかった問題が出現し、ハードの更なる改造が必要なことが判明した。一方、ソフト的にも電気刺激の呼吸・循環との同期、さらに微小な膜電位変化に対応した加算処理等神経系の実験に不十分な点が判明し、その改造も併せて行っている所である。

初年度に透過光測定方式の装置を大脳皮質からの膜電位螢光測光用に改造する方針で開発した測定システムを用いて、実際にラットの大脳皮質から光学的測定を行った。その結果、解析したい部分にフォトダイオードを設置し、焦点を合わせるのが非常に難しいことが判明した。そこで、ラットを脳定位固定装置に固定したまま、10μmの精度で脳定位固定装置ごと位置制御することが出来る光学ステージを作製した。また、背景光強度が小さいので、システムの能力を最大に活用できるレベルまで光学シグナルを増幅するアンプを作製し、測定システムに組み込んだ。また、励起光は透過できず螢光のみを透過する、螢光測光用の色ガラスフィルターは写真撮影用レンズ内に設置することにした。測定結果から、ノイズ成分が大きく、1回の掃引では膜電位に依存した光学シグナルが認識出来ず、加算処理が必要なことが判明した。そこで、当面は緑色発光ダイオードだけによる緑色励起と赤色発光ダイオードだけによる赤色励起を交互に行い、加減算処理する方式で用いることにした。この方式の方が、時間分解能が大きく取れる上、二波長のデータ間のクロストークも大幅に小さく出来るので、加算処理が必要な限り、より有効なサンプリングシステムと考えられる。ラットの足蹠を電気刺激し、膜電位感受性色素RH-414で染色した対側の大脳皮質感覚野から光学シグナルを測定した結果、限局した領域から脱分極性の応答が記録できた。この光学シグナルのピークの時間は、光学的測定後に最も応答の大きく記録された部位付近に双極電極を置いてフィールドで記録したデータでは、電流密度が最も高くなる位置に一致しており、本装置を用いて足蹠の電気刺激に対する大脳皮質感覚野における応答が光学的に記録出来たと考えられる。
小径ボアホール音波計測による高精度材料評価

本研究では,超音波を用いた高精度な材料評価を目的として,まず,演算子積分法時間領域多重極積分方程式,異方弾性体に対する基本解, EFIT法の3つの効率的かつ高精度な波動解析技術を開発した.次にボアホール内の波動場の数値シミュレーションを行なって漏洩表面波やガイド波の特性を明らかにし,計測によって漏洩表面波を用いた材料評価の有効性を示した.さらにより高度な材料評価法としての線形化逆散乱解析とTG法を開発した.本研究では,超音波を用いた高精度な材料評価を目的として,まず,演算子積分法時間領域多重極積分方程式,異方弾性体に対する基本解, EFIT法の3つの効率的かつ高精度な波動解析技術を開発した.次にボアホール内の波動場の数値シミュレーションを行なって漏洩表面波やガイド波の特性を明らかにし,計測によって漏洩表面波を用いた材料評価の有効性を示した.さらにより高度な材料評価法としての線形化逆散乱解析とTG法を開発した.コンクリートや地盤・岩盤の材料定数を定める際にはしばしばコア抜きやボーリングなどによってコア供試体を抜き取る破壊試験が行なわれる.このような試験のあとに残ったボアホールの側面は材料内部に形成された新たな材料表面であるとみなすことができ,ボアホールにおける音波計測を行えば材料内部のより詳細な評価が可能になると考える.本研究では,石油資源探査の分野でよく発達している音波検層技術を,建設材料に空けられた小径ボアホールにおける音波計測に応用して,高い精度で材料内部の評価を行おうとするものである.まず,ボアホール内の波動解析のためのプログラム開発を行った.境界要素法並びに高速多重極境界要素法による3次元異方弾性体波動解析プログラムを開発し,既存の音波に対する解析プログラムと連成させた.その際,送受信に用いる計測装置の影響を無視することはできないので,送受信装置を適切にモデル化し,解析に取り入れた.具体的には,monopoleとdipoleという2つのモードを考え,両モードによる送信音波と受信プロセスの数理モデルを構築した.作成した解析プログラムを用いて,異方性弾性定数や周波数などを変化させ,様々な数値シミュレーションを行った.ボアホール内では,ガイド波が発生し,その分散性を検討することによって,周囲の材料定数の推定を行う.ボアホール中のガイド波は2次元波動を重ね合わせた2.5次元解として得られるので,2.5次元解析による固有値解析を行いガイド波の分散特性を明らかにした.そして,最後に,モルタルを用いてボアホールを模擬した試験体を作成し,圧電送信子と受信マイクロフォンを用いて基礎的な音波実験を行い,ボアホール内の水中音波の特性を検討した.本研究では,石油資源探査の分野でよく発達している音波検層技術を,建設材料に空けられた小径ボアホールにおける音波計測に応用して,高い精度でコンクリートや地盤・岩盤などの建設材料の内部の評価を行おうとするものである.そのために,平成19年度は波動の順解析,逆解析,及び計測センサーの試作を行った.順解析では,2次元並びに3次元異方弾性体の動的解析のための境界要素法プログラムの開発並びに効率化を図った.異方弾性体の動的境界要素法プログラムは世界的に見ても研究例が少ない.異方弾性体に特有の放射パターンや散乱特性など,貴重な解析結果を得ることができた.ただし,解析コードの効率化については,計算時間の短縮のために並列計算などをさらに進める必要があることが課題として残っている.逆解析では,シミュレーションや実験で得られた波形群に周波数並びに時間域における線形化逆散乱解析法を適用し,材料内部の画像化を行った.通常よく用いられる開口合成法による結果との比較から,逆散乱解析は開口合成法よりもより鮮明な画像を得ることができた.また,TDTG法と呼ばれる新しい逆解析法によって音波の散乱源を高精度に画像化できることもわかった.計測センサーについては,大口径のセンサーを用いると十分なS/N比で音波を計測することができたが,小径のセンサーでは十分なS/N比が得られなかった.センサーの感度の向上については来年度の課題である.本研究では,石油資源探査の分野でよく発達している音波検層技術を,建設材料に空けられた小径ボアホールにおける音波計測に応用して高い精度でコンクリートや地盤・岩盤などの建設材料の内部の評価を行うことを目的として,異方弾性体における波動の順解析,逆解析などに関する基礎的な研究及び計測への応用を行ったものである.最終年度である平成20年度は,順解析において境界要素法による異方弾性体の動的解析を進めると共に,EFIT(動弾性有限積分法)を用いた非均質異方弾性体の解析を行った.解析コードの並列化を行い,計算効率の向上に努めた結果,実用上必要な大規模な解析を実行できるようになった.逆解析においては,アレイ超音波装置の利用を念頭にS-SAFT(セクター開口合成法)と逆散乱イメージング法の比較を行った.その結果,物理モデルに基づいた定式化がなされている後者の逆散乱イメージング法の方が精度の高いことを確認した.なお,今回用いた逆散乱イメージング法は高速フーリエ変換を利用した信号処理を用いており,開口合成法や通常の逆散乱解析法と比べて高速でイメージを作成することができるという特徴を有している.計測への応用に関しては,非均質異方弾性体のような複雑は波動現象が発生する材料に対しても解析による波動の逆伝搬解析から求めた遅延時間を各アレイ素子に与えることによってアレイ超音波における受信波形のS/N比を大幅に向上できることを確認した.
ショウジョウバエ脚のパターン形成機構の解析

生物の形態は種によって多様であるが、共通性も多く見いだされる。このことは、形態形成のメカニズムには先祖型があり、それに修正を加えつつ多様な形態が生み出された可能性を示唆している。そこで、我々はショウジョウバエの脚をモデル系に用いて、形作りの基本メカニズムを明らかにし、形の多様性を生み出す機構を解析するための基本的情報を得たいと考えている。ショウジョウバエの脚は、胚期に誘導された原基が幼虫期に増殖・パターン形成を行い、蛹期に形態形成運動をすることによって形成される。我々は、胚期に翅・脚原基が誘導されるメカニズムについて、さらに幼虫期における近遠軸パターンの形成機構について解析し、新たなモデルを提出するに至った。しかし、脚形成機構の全貌を明らかにするにはほど遠い。というのも、脚の形成に関わる遺伝子のかなりのものが未知だからである。そこで、我々は脚形成に関わる遺伝子を網羅的に検索するために、Ga14を用いたエンハンサートラップ系統を作成・スクリーニングし、胚期と幼虫期に脚原基で発現している系統、および成虫の脚の形態に異常を示す系統を同定した。さらに、上述のスクリーニングで同定された系統のすべてについて、挿入箇所の同定を進めている。ショウジョウバエでは、全染色体の塩基配列を決定するゲノムプロジェクトが修了しており、その情報は本年度末あたりに公開される予定である。その情報をもとに、各系統で同定された発現パターンを示す遺伝子の候補を得る予定である。その結果、脚原基において、どのような遺伝子が、どのような発現パターンを示しているかを網羅的にリストアップすることができ、脚の形成機構メカニズムの解明に大きな進歩をもたらすことができるのではないかと考えている。
二次的トラウマティックストレスの観点による福祉援助者への支援に関する研究

1、児童養護施設における職員へのSTS援助プログラムの作成これらは現在行われている施設管理者やコンサルテーションの専門家などによる職員への支援・対応を補完するものである。研究代表者である藤岡が関わっている児童養護施設で、STSの評定を行なった。その結果、共感疲労の高いリスクを持った職員は複数おり、共感疲労がバーンアウト対策のおける1予防的な役割を果たす可能性が見出された。施設へのコンサルテーションとして、一人一人に対して、バーンアウトリスクや共感疲労の結果を示した個人票を個別に配布することで援助者のバーンアウト予防になることが示唆された。2、STS評定尺度の標準化STS評定尺度である「共感満足・共感疲労尺度」の日本語版の標準化を試みた。尺度開発者(フィグリー教授ら)の意見も取り入れながら、完成訳をさらに検討した。この尺度を用いることで、STSの初期アセスメントを効率化することが可能になると考えられた。3、STSに対する活動の日米比較及びアメリカのSTS対策プログラムの導入フィグリー教授と共に、日米におけるSTS対策プログラムのシンポジアムに参加し、ピアサポートなどを含めた様々な支援技法について議論を深めた。さらに、このプログラムのSTS・バーンアウト対策に果たす役割を特定化しながら日本において実践を試みた。その結果、共感疲労には、ストレス優位とトラウマ優位の二つのタイプがあることが示唆された。4、日本における二次的トラウマティックストレス(STS)への理解と活動内容に関する検討被虐待児を養育している児童福祉施設内の職員に対して面接調査を行い、日本におけるSTS、バーンアウトの実態と対応の活動内容について調査・検討を加えた。その結果、職員のストレスはきわめて高く、バーンアウトによる退職者などを出してしまっている施設もあり、早急な対応が必要であることが見出された。特に、研修の際、バーンアウト対策を打ち出した内容を盛り込むことはどの施設においても必要であると考えられた。1、日本における二次的トラウマティックストレス(STS)への理解と活動内容に関する検討被虐待児を養育している児童福祉施設内の職員に対して面接調査を行い、日本におけるSTS、バーンアウトの実態と対応の活動内容について調査・検討を加えた。尺度開発者(フィグリー教授ら)の意見も取り入れながら、完成訳を作成した。次年度大量データによる多変量解析を行い、日本語版の標準化を行う予定である。この尺度を用いることで、STSの初期アセスメントを効率化することが可能になると考えられる。3、STSに対する活動の日米比較及びアメリカのSTS対策プログラムの導入フィグリー教授の、アメリカにおけるSTS対策プログラムの研修に参加し、ピアサポートなどを含めた様々な支援技法を詳細に検討する機会を得た。さらに、STS・バーンアウト対策に果たす役割を特定化しながら日本において実践を試みる。4、児童養護施設における職員へのSTS援助プログラムの作成これらは現在行われている施設管理者やコンサルテーションの専門家などによる職員への支援・対応を補完するものである。その結果、バーンアウトリスクの高い職員はいないものの、共感疲労の高いリスクを持った職員は複数おり、共感疲労がバーンアウト対策のおける予防的な役割を果たす可能性が見出された。今後さらに、個別ケアを含めた日本独自のSTS対策の構築を試みる。1、児童養護施設における職員へのSTS援助プログラムの作成

これらは現在行われている施設管理者やコンサルテーションの専門家などによる職員への支援・対応を補完するものである。研究代表者である藤岡が関わっている児童養護施設で、STSの評定を行なった。その結果、共感疲労の高いリスクを持った職員は複数おり、共感疲労がバーンアウト対策のおける予防的な役割を果たす可能性が見出された。施設へのコンサルテーションとして、一人一人に対して、バーンアウトリスクや共感疲労の結果を示した個人票を個別に配布することで援助者のバーンアウト予防になることが示唆された。2、STS評定尺度の標準化STS評定尺度である「共感満足・共感疲労尺度」の日本語版の標準化を試みた。尺度開発者(フィグリー教授ら)の意見も取り入れながら、完成訳をさらに検討した。この尺度を用いることで、STSの初期アセスメントを効率化することが可能になると考えられた。3、STSに対する活動の日米比較及びアメリカのSTS対策プログラムの導入フィグリー教授と共に、日米におけるSTS対策プログラムのシンポジアムに参加し、ピアサポートなどを含めた様々な支援技法について議論を深めた。さらに、このプログラムのSTS・バーンアウト対策に果たす役割を特定化しながら日本において実践を試みた。その結果、共感疲労には、ストレス優位とトラウマ優位の二つのタイプがあることが示唆された。4、日本における二次的トラウマティックストレス(STS)への理解と活動内容に関する検討被虐待児を養育している児童福祉施設内の職員に対して面接調査を行い、日本におけるSTS、バーンアウトの実態と対応の活動内容について調査・検討を加えた。その結果、職員のストレスはきわめて高く、バーンアウトによる退職者などを出してしまっている施設もあり、早急な対応が必要であることが見出された。特に、研修の際、バーンアウト対策を打ち出した内容を盛り込むことはどの施設においても必要であると考えられた。
反復学習型フィードフォワード制御のためのサンプル値逆システムに関する研究

本研究では,まず連続時間予見フィードフォワード制御器の設計問題について,両側Laplace変換を導入することでこれをモデルマッチング問題として取り扱うことを検討した.このアプローチによれば,Stable inversion型の予見フィードフォワード制御器について,時間領域での具体的な計算法と周波数領域での性質を同時に見ることが容易となる.さらに,この予見フィードフォワード入力を因果的システムの応答に基づいて計算する方法を明らかにした.また,そのフィードフォワード入力は共役システムに基づく反復学習制御によって得られる入力と同じであることも示した.共役システムに基づく反復学習制御アルゴリズムが伝達関数で表されたことで,その適用可能範囲が無限次元系まで拡張することができた.これらの結果は,簡単な数値実験と1リンク柔軟アームの先端制御実験によって検証した.つぎに,反復学習制御は試行運転を記録する必要があり通常サンプル値系として実現されるためサンプル値逆系の性質について研究を行った.サンプル値系の伝達関数は対応する連続時間系のそれが不安定零点を持たない場合でも不安定零点を持つことがあるため,連続時間系の反復学習制御をそのままサンプル値系に適用して良いかどうかは不明である.連続時間系およびサンプル値逆系の反復学習制御の対応を明らかにするため,非因果的逆系を導入して単位円外に零点を持つサンプル値逆系に有界な逆系を割り当てることを行った.そして,任意の相対次数を持つ連続時間系についてもそのサンプル値の非因果的逆系がサンプル周期をOに近づけることで連続時間逆系を近似することを証明した.この結果により,非因果的枠組みではサンプル値系の反復学習制御がサンプル点においてのみ出力の偏差を最小化すれば,サンプル点間のリップルはサンプル周期をOに近づければ小さくできることが保証された.フィードバックを含むアナログ制御系に同一周期の0次ホールドとサンプラを接続した場合のディジタル制御系を対象とし、ディジタル制御系の逆系ともとのアナログ制御系の逆系の関係について研究を行った。とくに、もとのアナログ制御系の伝達関数に不安定零点がなくディジタル制御系の伝達関数に不安定零点が現れる場合(アナログ制御系の伝達関数の相対次数が2以上の場合)について、サンプル周期を0に近づけた場合の逆系の関係を調べた。その結果、ディジタル制御系の逆系を、因果性が満たされる条件の下で考えればアナログ制御系の逆系と一致することはなく、非因果性も許容する枠組で逆系を定義すればサンプル周期を0に近づけたとき両者が一致することが分かった。このことは、数値実験によっても検証された。伝達関数が不安定零点をもつ場合の逆系を考える際に、非因果性を許容する枠組を持ち込むと都合が良いことが、上記のとおり明らかとなったため、この非因果的逆系の性質についてさらに詳しく検討を行った。とくに、ここまでの研究では、逆系を伝達関数から状態空間表現に変換した上で定義していたため不安定零点と逆系の関係が直接見えにくかったため、この点で便利な理論的枠組の探求を行った。その結果、これまでの制御系設計ではあまり用いられることの無かった両側ラプラス変換を利用して議論することで、逆系を伝達関数で直接定義することができることが判明した。さらに、これによってフィードフォワード制御および反復学習制御の設計問題を、H無限大最適フィードバック制御における基本問題であるモデルマッチング問題として扱えることも判明した。これによって、非因果的なフィードフォワード項をふくむ2自由度制御系のH無限大最適設計法を確立することにも見通しを立てることができた。本研究では,まず連続時間予見フィードフォワード制御器の設計問題について,両側Laplace変換を導入することでこれをモデルマッチング問題として取り扱うことを検討した.このアプローチによれば,Stable inversion型の予見フィードフォワード制御器について,時間領域での具体的な計算法と周波数領域での性質を同時に見ることが容易となる.さらに,この予見フィードフォワード入力を因果的システムの応答に基づいて計算する方法を明らかにした.また,そのフィードフォワード入力は共役システムに基づく反復学習制御によって得られる入力と同じであることも示した.共役システムに基づく反復学習制御アルゴリズムが伝達関数で表されたことで,その適用可能範囲が無限次元系まで拡張することができた.これらの結果は,簡単な数値実験と1リンク柔軟アームの先端制御実験によって検証した.つぎに,反復学習制御は試行運転を記録する必要があり通常サンプル値系として実現されるためサンプル値逆系の性質について研究を行った.サンプル値系の伝達関数は対応する連続時間系のそれが不安定零点を持たない場合でも不安定零点を持つことがあるため,連続時間系の反復学習制御をそのままサンプル値系に適用して良いかどうかは不明である.連続時間系およびサンプル値逆系の反復学習制御の対応を明らかにするため,非因果的逆系を導入して単位円外に零点を持つサンプル値逆系に有界な逆系を割り当てることを行った.そして,任意の相対次数を持つ連続時間系についてもそのサンプル値の非因果的逆系がサンプル周期をOに近づけることで連続時間逆系を近似することを証明した.この結果により,非因果的枠組みではサンプル値系の反復学習制御がサンプル点においてのみ出力の偏差を最小化すれば,サンプル点間のリップルはサンプル周期をOに近づければ小さくできることが保証された.
有機ヘテロ接合界面における有機分子の配向性及び電子準位接続に関する研究

今年度は、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物(PTCDA)と各種金属(金,銀,銅)界面の界面電子構造(真空準位シフトや界面準位形成)を紫外光電子分光により調べたところ、金属d電子帯とPTCDAの電子準位(最高占有準位(HOMO)・最低非占有準位(LUMO))の相互作用が、界面電子構造を決める上で非常に重要であることが分かった。つまり、(1)引力的な相互作用(金属d電子帯とPTCDAのLUMO間の相互作用)と、(2)斥力的な相互作用(軌道の直交化エネルギー)のバランスによって界面電子構造が決定されることが分かった。PTCDA/金界面では、斥力的な相互作用が強く、引力的な相互作用は弱いため、吸着エネルギーの小さい物理吸着系であり、この界面における真空準位シフトは金属表面に染み出た電子雲が、有機分子吸着により押し戻される「押し戻し効果」によるものと考えられる。一方、PTCDA/銀,銅界面では、斥力的な相互作用は弱いが、引力的な相互作用が強いため、吸着エネルギーが大きい化学吸着系となる。UPSスペクトルには金属とPTCDAの電子軌道が混成した界面特有の電子構造(界面準位)が観測された。それにより「界面準位への電荷の再分配」が起こり、真空側が負に帯電する分極が生じ、電気二重層が形成されたことが、PTCDA/銀,銅界面における真空準位シフトの主要因であると考えられる。以上のように、金属d電子が関連している、引力的・斥力的な相互作用を見積もることで、観測された界面電子構造を説明できることが分かった。本研究によって、これまで詳細が不明であった有機/金属界面電子構造の重要な決定要因である、有機分子と金属表面電子との相互作用を明らかにすることができた。これらは、昨今の有機電子デバイスの研究・開発においても重要な知見となる。今年度は、(1)新規高分解能角度分解紫外光電子分光器(オミクロン社製AR65アナライザー)の立ち上げ、(2)高エネルギー加速器研究機構フォトンファクトリー(KEK-PF)及び分子科学研究所極端紫外光研究施設(UVSOR)での実験を行った。(1)では光電子強度増加のため、光源として用いる真空紫外放電管(オミクロン社製HIS13)のキャピラリー径を1.7mmから2.2mmに変える改造をした。現在その光源を用いてアナライザーを調整中である。(2)の実験の内、KEK-PFでは吸収端近傍X線吸収微細構造(NEXAFS)測定により、GeS(001)上での亜鉛フタロシアニン(ZnPc),ヘキサデカフルオロ亜鉛フタロシアニン(F_<16>ZnPc)及び銅テトラキスチアジアゾールポルフィラジン(CuTTDPz)膜中での基板表面に対する分子の配向角を求めた。多層膜(膜厚約5nm)での配向角はZnPcで10±3.5°、F_<16>ZnPcで15±4°、CuTTDPzで35±5°であることが分かった。以前の測定結果では、単分子層におけるZnPc分子の配向角は約15°であったことから、ZnPc膜中での分子は積層によって基板表面に対しより平行な配向になったことが分かった。一方、F_<16>ZnPcやCuTTDPzでは単分子層ではほぼ平行な配向であったことから、積層により分子面が傾いていくことが分かった。UVSORでは以前の測定結果からは分かっていなかった、GeS(001)上におけるF_<16>ZnPc分子の基板面方位に対する回転角についての情報を得るために、光の入射方向による角度分解紫外光電子分光(ARUPS)スペクトルの変化を調べた。現在この結果を解析中である。この結果と以前に測定した低速電子線回折の結果とあわせてGeS(001)面上でのF_<16>ZnPc分子の配列・配向を完全に求めることができると考えている。今年度は、(1)昨年立ち上げを行った新規高分解能角度分解紫外光電子分光器(オミクロン社製AR65アナライザー)の性能評価及び再現性の確認、(2)有機半導体/金属界面におけるエネルギー準位接続の解明を目的とした実験を、AR65アナライザー、分子科学研究所極端紫外光研究施設(UVSOR)及び高エネルギー加速器研究機構フォトンファクトリー(KEK-PF)において行った。(1)では前装置との性能比較・再現性を評価するため、前装置において角度分解光電子分光測定を行ったGeS(001)面上にヘキサデカフルオロ亜鉛フタロシアニン(F_<16>ZnPc)を単分子層程度積層させた試料を、AR65アナライザーで測定した。その結果、より高分解能の測定ができ、スペクトルの再現性についても確認できた。(2)では、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物(PTCDA)と各種金属(Au, Cu, Co)間での電子準位接続を光電子分光により調べた。その結果、以下のことが分かった。A)AuとPTCDA分子間での相互作用は非常に弱く(物理吸着)、PTCDA/Au界面における界面電気双極子は、PTCDA分子の吸着によるAu表面にしみ出した電子雲の押し戻し(push-back効果)によるものと考えられる。

B)PTCDA/Cu界面では界面電気双極子がPTCDA/Au界面のものとは逆向きに現れ、また、界面準位が観測された。これはCuからPTCDAへの電荷移動によるものと考えられる。C)PTCDA/Co界面においてもPTCDAへの電荷移動が原因と思われる界面電気双極子が観測されたが、界面準位は観測されなかった。これは、PTCDA/Co及びPTCDA/Cu界面ではPTCDA分子1個に対して電子がそれぞれ約1/5個及び約1/2個移動していたことから、この電荷移動量の違いが原因と考えられる。今年度は、3,4,9,10-ペリレンテトラカルボン酸二無水物(PTCDA)と各種金属(金,銀,銅)界面の界面電子構造(真空準位シフトや界面準位形成)を紫外光電子分光により調べたところ、金属d電子帯とPTCDAの電子準位(最高占有準位(HOMO)・最低非占有準位(LUMO))の相互作用が、界面電子構造を決める上で非常に重要であることが分かった。つまり、(1)引力的な相互作用(金属d電子帯とPTCDAのLUMO間の相互作用)と、(2)斥力的な相互作用(軌道の直交化エネルギー)のバランスによって界面電子構造が決定されることが分かった。PTCDA/金界面では、斥力的な相互作用が強く、引力的な相互作用は弱いため、吸着エネルギーの小さい物理吸着系であり、この界面における真空準位シフトは金属表面に染み出た電子雲が、有機分子吸着により押し戻される「押し戻し効果」によるものと考えられる。一方、PTCDA/銀,銅界面では、斥力的な相互作用は弱いが、引力的な相互作用が強いため、吸着エネルギーが大きい化学吸着系となる。UPSスペクトルには金属とPTCDAの電子軌道が混成した界面特有の電子構造(界面準位)が観測された。それにより「界面準位への電荷の再分配」が起こり、真空側が負に帯電する分極が生じ、電気二重層が形成されたことが、PTCDA/銀,銅界面における真空準位シフトの主要因であると考えられる。以上のように、金属d電子が関連している、引力的・斥力的な相互作用を見積もることで、観測された界面電子構造を説明できることが分かった。本研究によって、これまで詳細が不明であった有機/金属界面電子構造の重要な決定要因である、有機分子と金属表面電子との相互作用を明らかにすることができた。これらは、昨今の有機電子デバイスの研究・開発においても重要な知見となる。