hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
カーボンナノチューブにおける電子状態制御と量子輸送現象の理論

カーボンナノチューブの不純物散乱に起因する磁気伝導度を強束縛模型に基づき数値的に計算した.常に金属であるアームチェア型と金属と半導体のどちらかの伝導性を示すジグザグ型について調べた結果,金属と半導体で結果を分類できるとした研究計画時の予想とは異なり,アームチェアとジグザグという型による分類が可能であることが明らかになった.磁場がチューブ軸と平行な場合,常に金属となるアームチェアナノチューブに対しては磁場を増大することにより伝導率が低下,つまり,正の磁気抵抗が得られた.これは,ゼロ磁場において不純物ポテンシャルによる後方散乱が抑制される機構が破れることによる.対照的に,金属ジグザグナノチューブでは10テスラ程度の強磁場であっても伝導率は増大し,負の磁気抵抗を得る.このチューブの構造に依存した振る舞いは有効質量方程式によれば電子のエネルギー分散の異方性を与える高次の補正項により説明される.その補正項はアームチェア型の場合には先に述べた後方散乱抑制機構に影響を与えないが,ジグザグ型では,小さいながらも,散乱を生む原因となる.軸に平行な磁場はこの補正項を相殺し,散乱を減少させることで負の磁気抵抗を生じる.半導体ジグザグチューブの場合も同様に,エネルギーギャップを生む有効磁束と印加した磁束が相殺することで負の磁気抵抗が実現する.磁場がチューブ軸と直交する時はアームチェア・ジグザグのどちらの場合も伝導率は減少し,正の磁気抵抗が得られた.これはランダウ準位の形成過程で分散が平坦化し,電子の群速度が低下することが原因と考えられる.以上の結論から,カーボンナノチューブの磁気伝導はその構造,つまり,電子状態の構造に依存する高次補正項により多彩な振る舞いを示すことが明らかとなり,通常の電子系で期待される普遍的な振る舞いが実験で得られない事実を説明する理論となりうる.金属カーボンナノチューブに一様な外部応力を印加した時の電子状態の変調と電気伝導について,強束縛模型に基づく理論的解析を行った.具体的には,外部応力を印加した結果生じるねじり変形と伸長変形による飛び移り積分の変化として電子・格子相互作用を考慮したところ,エネルギーバンドに変調が見られた.チューブの螺旋度に依存して,アームチェアナノチューブに対してはねじり変形,ジグザグナノチューブに対しては伸長変形により,エネルギーギャップが生じ,この結果は,有効質量模型による解析と一致している.エネルギーギャップ生成により半導体となれば電気伝導が大きく変化すると期待されるが,現実的な変形では,生じるギャップは非常に小さく,わずかなキャリアの注入や有限温度の効果により変形の効果を観測することは難しいように思われる.本研究では,不純物散乱を考慮することにより,外部応力による電気伝導変調がそのような効果で弱められることは無いことを明らかにした.金属カーボンナノチューブでは不純物による後方散乱が量子干渉効果により強く抑制され,コンダクタンスの量子化が実現することが知られている.外部応力による電子状態の変調はこの散乱の抑制機構を阻害し,電気抵抗を生み出す.通常の擬1次元物質は,不純物による不規則ポテンシャルがアンダーソン局在を引き起こし,絶縁体となることと対応して,金属カーボンナノチューブの長さに依存せず量子化されたコンダクタンスは、外部応力の印加により著しく減少し,チューブ長に対して指数関数的に減衰する振る舞いを示すことが明らかとなった.これは,電子状態の変調が小さいとしても,応力による対称性の変化がアンダーソン局在を誘起し,チューブ長が大きな極限では伝導が強く抑制される,と解釈することができる.外部応力を印加した単層カーボンナノチューブの電気伝導について,強束縛模型に基づき,理論的解析を行った.金属チューブでは,エネルギーバンドの谷構造ひとつあたりのチャネル数が単一の場合と複数の場合で伝導率変化が質的に異なる.前者の場合,その程度は応力の種類とチューブ構造の構造に依存するものの,応力は伝導を抑制する方向に働くが,後者の場合では伝導を増大する可能性があることを明らかにした.ただし,系統的な理解には至らず,継続して研究を続ける予定である.半導体ナノチューブにも無数の構造が存在し光学応答の振る舞いから2つのクラスに分類されているが,応力変形に対する電気伝導の変化もその2つのクラスのどちらに属するかで応答が異なることを明らかにした.また,単一チャネル状態での応力による電気伝導変化は,チューブの構造に関わらず,金属・半導体ともに,仮想的な磁束を印加した際に生じる電子状態変調により理解できることを示した.過去にグラフェン(2次元単層グラファイト)の量子効果による磁気抵抗が,通常と異なり,正となりうることを予言したが,近年実験による検証が可能となり,磁気抵抗は,はっきりと表れず,変化は非常に小さいことが明らかになってきた.ナノチューブにおける伝導の研究過程で,エネルギー分散の高次補正項が重要な役割を果たす可能性を見出したことから,その効果を考慮しグラフェンの電気伝導率の量子補正項を計算しなおした結果,実験結果と同様,伝導率は磁場にほとんど依存しなくなることを明らかにした.アンダーソン局在のユニバーサリティクラスの観点では,シンプレクティッククラスとオルソゴナルクラスの間のクロスオーバーが,高次分散項の存在がシンプレクティッククラスとユニタリクラス間のクロスオーバーに変化すると解釈できる.カーボンナノチューブの不純物散乱に起因する磁気伝導度を強束縛模型に基づき数値的に計算した.常に金属であるアームチェア型と金属と半導体のどちらかの伝導性を示すジグザグ型について調べた結果,金属と半導体で結果を分類できるとした研究計画時の予想とは異なり,アームチェアとジグザグという型による分類が可能であることが明らかになった.

磁場がチューブ軸と平行な場合,常に金属となるアームチェアナノチューブに対しては磁場を増大することにより伝導率が低下,つまり,正の磁気抵抗が得られた.これは,ゼロ磁場において不純物ポテンシャルによる後方散乱が抑制される機構が破れることによる.対照的に,金属ジグザグナノチューブでは10テスラ程度の強磁場であっても伝導率は増大し,負の磁気抵抗を得る.このチューブの構造に依存した振る舞いは有効質量方程式によれば電子のエネルギー分散の異方性を与える高次の補正項により説明される.その補正項はアームチェア型の場合には先に述べた後方散乱抑制機構に影響を与えないが,ジグザグ型では,小さいながらも,散乱を生む原因となる.軸に平行な磁場はこの補正項を相殺し,散乱を減少させることで負の磁気抵抗を生じる.半導体ジグザグチューブの場合も同様に,エネルギーギャップを生む有効磁束と印加した磁束が相殺することで負の磁気抵抗が実現する.磁場がチューブ軸と直交する時はアームチェア・ジグザグのどちらの場合も伝導率は減少し,正の磁気抵抗が得られた.これはランダウ準位の形成過程で分散が平坦化し,電子の群速度が低下することが原因と考えられる.以上の結論から,カーボンナノチューブの磁気伝導はその構造,つまり,電子状態の構造に依存する高次補正項により多彩な振る舞いを示すことが明らかとなり,通常の電子系で期待される普遍的な振る舞いが実験で得られない事実を説明する理論となりうる.
表面科学的手法による金属触媒と炭素担体間の相互作用の解明

Ptクラスターをサブナノメートルから4nmの間でサイズを制御してグラフェンに高分散担持できた。PtのサイズによってCOの電気化学的酸化がどのように変化するかを調べた結果、Ptサブナノクラスターの活性が極めて高いことがわかった。粒子サイズが大きくなるとともに活性は低下する。サイズが小さいとPtの電子状態はバルクPtのものとは大きく異なる。すなわち、Pt/グラフェン触媒における炭素担体効果は著しい。また、窒素をグラフェンにドープするとPtクラスターの触媒活性や電子状態が変化することも明らかとなった。本研究成果は、グラフェンを用いた燃料電池への応用が可能であることを意味している。代表的な成果として、グラフェンに白金のサブナノクラスターを高分散担持することに成功した。通常は触媒担体として、カーボンブラックを使用するが、その場合のPt粒子の直径は25nmであり、そのPt表面積は5080 m2/gである。どのような炭素担体に白金を担持しても、粒子径が1 nm以下のなることは報告されていない。しかし、本研究において、グラフェンに担持した白金クラスターを電子顕微鏡で観察した結果、サイズは0.50.9 nm程度であり、そのクラスターがグラフェン一面に分散していることが明らかとなった。すなわち、ひとつのPtクラスターには白金原子が38個程度しか含まれていないことになる。なぜ、サブナノメートルサイズのPtクラスターができたり、高担持量でも小粒径を保たれるかに興味が持たれる。これはPt微粒子とグラファイト系炭素との界面相互作用の結果と結論された。触媒の粒子径が小さくなると、粒子を構成するPt全原子数に対する界面のPt原子数の割合が高くなる。グラファイトにおいて単原子層のPtクラスター(直径2 nm以下)が生成することを既に見出している。このPtクラスターは通常のPt触媒とは異なった性質を示し、H2-D2交換反応活性が著しく大きく、また、COの吸着エネルギーが著しく小さい。この結果は、界面のPt炭素との界面にあるPt原子の電子状態が、バルクのPtのそれと異なっていることによって説明される。すなわち、グラファイト表面のπ軌道とPtのd軌道との間のπ-d相互作用が働くものとして説明される。金属錯体の分野では、π-d相互作用についてよく知られている。界面相互作用を利用して、高価なPtの活性を安価な炭素を用いて促進し、Ptの使用量を削減できることは極めて魅力的である。平成25年度に、Ptの担持量によって、Pt粒子径の制御ができた。10wt%Pt/GNS触媒では、平均サイズが0.87 nmである。これはサブナノクラスターの生成を意味している。担持量35wt%では2nm、60wt%では3 nm、70wt%では4nmとPt粒子径が大きくなる。次に粒子径と触媒活性およびPt電子状態の関係を調べた。COストリッピングボルタンメトリーにおけるCOの酸化開始電位に着目すると、低Pt担持量の場合に、開始電位が低いことがわかった。1020wt%の担持量での0.31Vという値が、3070wt%になると0.340.36Vと高電位側にシフトした。Pt/CB触媒では0.42Vとかなり高い。このように、グラフェンの顕著な担体効果が明らかとなった。担体効果はPtの粒子径が小さいほど大きい。サイズが小さくなると、よりグラフェンと接するPt原子の数が相対的に増えるためと考えられる。グラフェンの担体効果は、Ptのd軌道とグラフェンのπ軌道の相互作用によるものと考えられる。その結果、Ptの電子状態は変化し、触媒活性が変化するものと説明される。実際に、Ptの電子状態の変化はPt4fでも観測された。バルクPtではPt 4f7/2のピークが71.2eVに出るが、低担持量ほど高エネルギー側にシフトし、10wt%Pt/GNSでは71.8eVにXPSピークが現れた。これはPtから炭素への電子移動が起こり、Ptが若干正電荷を有することを意味する。低担持量ほどPt粒子サイズが小さくなることを考えると、界面におけるPt原子と炭素原子の化学的相互作用(化学結合)がサイズの減少と共に顕著になるものと結論される。平成24年度はi)グラフェンに担持したPt触媒の研究を深めるとともに、ii)π共役系炭素への窒素ドープの効果を調べた。グラフェンに担持したPt粒子は1nm以下のサブナノクラスターを形成することを見出したが、その生成メカニズムを調べた。触媒前駆体としてH2PtCl6を使用するが、pHにもよるがエタノール水溶液中で、[PtCl5(OH)]-、[PtCl3(OH)3]2-、[Pt(OH) 5]2-などが生成する。この時点でPt4+が生成する。

この水溶液にグラフェンを投入すると前駆体の還元が進みPt(OH)2またはPtOの微粒子が生成しグラフェンに付着する。この時にPt4+はPt2+へと還元される。これを水素還元することによって、Pt金属原子へと還元されグラフェン上を拡散しサブナノクラスターが生成することが明らかとなった。さらに、Ptの担持量と粒子径には相関があり、担持量が大きくなるにつれ粒子径は大きくなる。グラフェンの表面積は600m2程度であったが、Pt担持量が10wt%でサブナノクラスターが多かったが、20wt%になると半数以上は1 nm以上の径となる。さらに面白いことは、クラスターサイズによって電子状態が変調することである。Pt4fのXPS結合エネルギーピークはサブナノクラスター生成に伴い高エネルギー側にシフトする。Ptからグラフェンへの電子移動が起こることを示している。Pt担持率を増やすと、Pt粒子径は大きくなり、Pt4fピークは低エネルギー側にシフトしついにはバルクPtのものとほぼ同じ値になる。したがって、担持率によって、Ptの電子状態を制御することができたことになる。これは触媒化学的に重要な意味を持ち、炭素-Pt界面相互作用を利用して触媒活性を制御できることを示す。実際、COの電気化学的酸化において、Ptサブナノクラスターが高い活性を示すことを見出した。再現性良くグラフェンに白金のサブナノクラスターを高分散担持することに成功した。25年度が最終年度であるため、記入しない。Pt微粒子とグラフェンの相互作用によってPtの電子状態が系統的に変化する証拠を見出したからである。グラフェン上での白金のサブナノクラスター生成メカニズムおよびサイズ効果を調べる。窒素ドープグラフェンとの界面相互作用によるPt電子状態および触媒活性の変化を最終年度に明らかにする。
線虫モデルによる微生物の抗菌ペプチドに対する耐性機構の研究

(1)ストレス応答性シグマ因子sigBによる抗菌ペプチド耐性機構の解明:昨年度までに、sigBを過剰発現させた黄色ブドウ球菌が、抗菌ペプチド耐性を示すことを明らかにした。sigBは、多くの遺伝子の発現を一括して制御する転写因子であることから、耐性を示す本体となる遺伝子は、その下流にあると考えられる。sigBを誘導する高塩ストレス条件下で、膜を構成する脂質であるカルディオリピンの含量が著しく増加することが、明らかになった。カルディオリピンは、多くの抗菌ペプチドが親和性を示し、それを標的に選択毒性を発揮する可能性が示唆されている。カルディオリピン合成酵素が、sigBによる耐性の本体である可能性がある。現在、この酵素の遺伝子についてノックアウト系統を作出することを試みている。(2)sigB過剰発現系統の病原性の検定:線虫C.エレガンスに対して、sigBを過剰発現させた黄色ブドウ球菌系統(NKSBn)は、親株(NKSB)に比べて、有意に高い病原性を示すことを見いだした。(3)sigB過剰発現系統のASABF以外の抗菌ペプチドに対する耐性の検定:新たに見いだした線虫cecropin(αヘリックス型)に対しても、有意な耐性を示すことを見いだした。(4)新しい抗菌ペプチド耐性因子の探索:昨年度に引き続き、スクリーニングを進めたが、最終的に抗菌ペプチド耐性因子と判定されるものを得るには至らなかった。(5)新しく見いだした線虫抗菌ペプチドの特性の解明と、微生物の耐性機構の解明:(3)に記述した通り、sigB過剰発現株は、線虫cecropinに対しても、耐性を示した。従って、sigBによる耐性は、特定の構造をもつ抗菌ペプチドに対するものではなく、非特異的に対応できる機構によると考えられる。
インドのオフィスビルにおける熱的快適性に関する研究

インドでは、建築部門のエネルギー消費量はエネルギー消費量全体の47%を占めており、これはアジア太平洋の国々の間で、最も高い。さらに、インドは、中国とともに最も高いCO2減少の可能性を有している。したがって、インドの建築部門において省エネルギー型のシステムを採用することは非常に重要である。建築におけるエネルギー消費量は、熱環境制御に利用させるものが非常に多いが、インドにおいて熱環境に対する快適性の研究、特に快適温度の研究はわずかしかない。本研究では、インドにおける建築の温熱環境のデータベースの構築を行い、熱的快適性の基準を作成するのに役立てることができる。ChennaiとHyderabadの調査では80%の被験者が室内環境について不満足であるとのアンケート回答結果を得た。これはインドでしばしば起こる電力不足による空調停止も影響している。温熱環境を受容できるかどうかの回答はそれぞれ61%と67%である。また物理環境の計測結果については89%が風速0.25m/s以下であった。この低風速は低い受容性の要因の一つである。一方、東京では熱的受容性の回答は常に90%に上る。PWの値から得られる熱的受容性より高い回答結果が得られた。アンケート結果の線形回帰より得られた快適温度は、非空調時においてChennaiとHyderabadでそれぞれ26.6°Cと26.7°Cである。空調時においてはChennaiとHyderabadでそれぞれ27.9°Cと25.9°Cとなった。また、日本における調査では夏季の快適温度は27.2°Cが得られた。研究成果は既に国際学術誌に掲載されている。これらの結果は今後インドや日本におけるオフィスビルの空調設計の基礎データとして活用されることが期待できる。同氏はアメリカ合衆国のフェローシップ(a Fulbright-Nehru Postdoctoral Research Fellowship)として、カリフォルニア大学で類似したテーマで研究を続ける。現在、3編の共著論文が国際雑誌に査読中である。今後、インドと日本で収集したデータをさらに詳細に分析して、共同で国際会議や国際雑誌で論文発表する予定である。1)対象となるオフィスを選定し、研究手法を確立させるとともに、研究に必要な機器を整備を行った。ここでは、(a)エネルギーと快適温度の関係について現在の国際基準と様々なインドの基準の文献調査を行い、今回の調査方法の確立を行った。(b)研究に必要な計測機器(温湿度計・風速計・グローブ温度計)を整備し、その計測精度のキャリブレーションを行った。(c)電子メールと電話により、インドの建物の管理者と所有者に連絡をし、対象となるオフィス利用の交渉を行った。(d)熱的快適性のアンケート調査を行うためアンケート票の作成を行った。2)チェンナイとハイデラバードに行き、インドのオフィスの温熱環境の実態調査並びにアンケート調査を行った。ここでは(a)チェンナイとハイデラバードにおいてそれぞれ数例のオフィスを選定し、1)で準備した計測器を設置し、固定点の連続計測と移動による短期計測を行い、インドのオフィスおける温熱環境の把握を行った。(b)それぞれのオフィス居住者に対して1)で準備をしたアンケート用紙に基づき、アンケート調査を行い、居住者のオフィスの温熱環境に対する主観的評価を明らかにした。このアンケート結果は2000以上の回答に基づき統計的に十分な量を確保している。3)上記調査結果を論文にまとめ、2012年にイギリスで開催されるWindsor会議、日本建築学会大会学術講演会梗概、国際Journal Building and Environmentにそれぞれ投稿を行った。ただしまだ公表はされていないので学会発表欄には次回記載を行う。予定通り研究は進行している研究成果は既に国際学術誌に掲載されている。さらに現地調査を継続し、長期にわたり温熱環境とそれに対する居住者の主観的評価を明らかにするとともに、インドにおける熱的快適性の基準の策定を行う。

同氏はアメリカ合衆国のフェローシップ(a Fulbright-Nehru Postdoctoral Research Fellowship)として、カリフォルニア大学で類似したテーマで研究を続ける。現在、3編の共著論文が国際雑誌に査読中である。今後、インドと日本で収集したデータをさらに詳細に分析して、共同で国際会議や国際雑誌で論文発表する予定である。
テンプレーティングCVD法によるグラフェンナノコンフォメーションの制御と評価

前年度までに開発したCVDセル形成技術を足がかりとして、プロセス条件の最適化や高度化に注力した。実施にあたっては、すでに我々の研究グループではCu(111)単結晶面上におけるグラフェンシート作成プロセスについて十分な実績があること、サファイア基板上にて作成したCuスパッタ膜は(111)配向しやすいとの先行研究事例があること等を踏まえ、前年度に石英基板上で実施したCVDテンプレート基板の作成実績をもとに、同様の構造をサファイア基板上に作成するための基礎的な試みを行った。その結果、事前に平坦化処理したサファイア基板を用いて、これまでに石英基板上に形成したものとほぼ同様のCVDパターンの基本構造を作成する目途が立った。目下、この構造の局所コンフォメーションをポストアニール等によって調整しながら、形成されるグラフェン構造にどのような影響が出るか評価を進めているところである。また、CVDによる成膜と合わせて、基板上に形成された有機分子体の自己組織化構造の基板上結合反応によってグラフェン構造を形成させる試みも行った。この手法の強みは、原料となる有機分子の内部構造を予め調整しておくことで、基板上重合反応に先立って形成される自己組織化構造により最終的に形成されるグラフェンシートと下地テンプレートの整合性やグラフェンシートの基本物性を制御できる点にある。本年はまず炭素数30からなる直鎖状炭化水素分子(トリアコンタン)の自己組織化構造を超高真空下にてCu(111)単結晶基板上に形成させ、そのまま基板上加熱した際に進行する形態変化についてSPMやXPSにて詳細に調べた。その結果、加熱に伴い、グラフェンシートの成長核と考えられるヘキサゴナルドメインが形成される様子が走査型プローブ顕微鏡によって確認された。グラフェンシート形成に関わる触媒機能を有する金属薄膜セルの位置や形状を一連のファインプロセスに基づいて精密に制御したうえでCVDプロセスのテンプレートとして活用することで、高精度にてコンフォメーション制御された高品質なグラフェンシートを基板上に形成させるための基盤技術を開拓することが本研究の最終的な達成目標である。今年度は、テンプレートの下地部材となる酸化物基板をこれまでの石英基板からサファイア基板に変更したことで種々の成膜および加工条件に全面的な洗い直しが必要となった。これにより、CVDパターンの形成及び、それらを利用した成膜プロセス条件の最適化に予想以上の時間を要したため、CVDテンプレート作成技術の高度化やテンプレート上でのCVDプロセスの最適化、形成されるグラフェンシートの物性評価など、計画に比して若干の遅れがある。然しながら、サファイア基板上のテンプレート形成に関わる一連の作業はこれまでに進めてきたCu(111)単結晶表面上におけるグラフェンシート形成技術の蓄積を活かすためのものであり、既にCVDテンプレート作成に必要となる各種条件の再構築がほぼ完了していることから、研究の遅れについては次年度の早い段階において十分に取り戻せるものと考える。これまでの実績を足がかりとし、次年度前半はコールドウォール型CVDプロセス炉によるサファイア上テンプレートを用いたグラフェン形成プロセス条件の最適化に再優先事項として取り組む。特に、形成されるグラフェンシートの局所コンフォメーションとサファイア上に形成したCu(111)薄膜の配向状況やセル形状との相関、Cu膜圧依存性等をSPMやラマン分光装置等によって精密に評価する。これまでの実験結果により、CVDプロセスによって作成されるグラフェンシートの出来はプロセスに使用する触媒金属表面の原子配列状況に大きく影響されることが強く示唆されていることから、次年度後半はテンプレートとなる触媒金属セルの微細構造をより精密に作り込むことによって、グラフェンシートの諸物性がどこまで制御可能であるかを明らかにする。これらの成果を年度内に取りまとめ、基板上にグラフェン構造を制御性よく作り込むための技術としての「テンプレーティングCVD法」の有用性を示す。グラフェンシート形成に関わる触媒機能を持つ金属薄膜セルの基板上の位置や形状を一連のファインプロセスに基づいて精密に制御したうえでCVDプロセスのテンプレートとして活用することで、高精度にてコンフォメーション制御された高品質なグラフェンシートを基板上に形成させるための基盤技術(パターンドセルCVDプロセス)を開拓することが本研究の達成目標である。初年度の取り組みとして、まずはデバイスの基本構造や幾何学的な微細構造を模した微細パターンに基づく、構造テンプレートとしてのCVDセル作成技術の開発に着手した。試行錯誤の結果、平坦化処理を行った石英基板上に形成した厚さ100nm程度の銅薄膜に対して、ポジ型レジストを用いたリフトオフプロセスを適用することで、その形状や大きさを相応のレベルにて制御したCVDセルの基本構造を作り込むことに成功した。この成果を足がかりとしてプロセス条件やセル構造、セルサイズの最適化を進めているところである。また、このCVDセルをもとにグラフェンシート形成に関わるCVDプロセスを実施するため、これまでの真空下CVDプロセスシステムの改良発展型であるコールドウォール型真空下CVD炉を新たに開発した。このCVD炉によれば、プロセスチャンバー内の環境を高真空に保ったまま、1インチサイズの基板に対して複数のガス種による精密なパターンドセルCVDプロセスをが実施可能となることから、次年度以降の研究進捗に大きな役割を果たすものと考える。本研究の要となるCVDセルについてはその作成プロセスがほぼ確立し、目下その制御性の精密化を目的とする条件最適化を行っているところであるが、CVDプロセスを行う反応システムの構築に時間を要したため、セルの形状や構造と形成されるグラフェンシートのミクロスコピックなコンフォメーションを対応付ける段階までにはまだ到達していない。

その一方、基板上に形成された有機分子体の自己組織化構造の基板上結合反応によってグラフェンナノ構造を作成する試みについては、STMによる分子分解能観察によって、グラフェンナノ構造の形成プロセスと自己組織化構造との間に相関があることを示す興味深いデータが得られるなど予想以上に進捗している。それらから得られる知見はCVDセルのミクロスコピックな形状に基づいてグラフェン形成プロセスを精密に制御するための方法を確立する際に重要な役割を果たすものと期待される。前年度までに開発したCVDセル形成技術を足がかりとして、プロセス条件の最適化や高度化に注力した。実施にあたっては、すでに我々の研究グループではCu(111)単結晶面上におけるグラフェンシート作成プロセスについて十分な実績があること、サファイア基板上にて作成したCuスパッタ膜は(111)配向しやすいとの先行研究事例があること等を踏まえ、前年度に石英基板上で実施したCVDテンプレート基板の作成実績をもとに、同様の構造をサファイア基板上に作成するための基礎的な試みを行った。その結果、事前に平坦化処理したサファイア基板を用いて、これまでに石英基板上に形成したものとほぼ同様のCVDパターンの基本構造を作成する目途が立った。目下、この構造の局所コンフォメーションをポストアニール等によって調整しながら、形成されるグラフェン構造にどのような影響が出るか評価を進めているところである。また、CVDによる成膜と合わせて、基板上に形成された有機分子体の自己組織化構造の基板上結合反応によってグラフェン構造を形成させる試みも行った。この手法の強みは、原料となる有機分子の内部構造を予め調整しておくことで、基板上重合反応に先立って形成される自己組織化構造により最終的に形成されるグラフェンシートと下地テンプレートの整合性やグラフェンシートの基本物性を制御できる点にある。本年はまず炭素数30からなる直鎖状炭化水素分子(トリアコンタン)の自己組織化構造を超高真空下にてCu(111)単結晶基板上に形成させ、そのまま基板上加熱した際に進行する形態変化についてSPMやXPSにて詳細に調べた。その結果、加熱に伴い、グラフェンシートの成長核と考えられるヘキサゴナルドメインが形成される様子が走査型プローブ顕微鏡によって確認された。グラフェンシート形成に関わる触媒機能を有する金属薄膜セルの位置や形状を一連のファインプロセスに基づいて精密に制御したうえでCVDプロセスのテンプレートとして活用することで、高精度にてコンフォメーション制御された高品質なグラフェンシートを基板上に形成させるための基盤技術を開拓することが本研究の最終的な達成目標である。今年度は、テンプレートの下地部材となる酸化物基板をこれまでの石英基板からサファイア基板に変更したことで種々の成膜および加工条件に全面的な洗い直しが必要となった。
認知言語学的観点に立った学校英文法の再構築

本研究は,学習者にとってより負荷のかからない学校英文法を構築することを目的とし,認知言語学に基づく教授法を開発し,日本人英語学習者を対象として,教育効果の実証研究を行うとともに,教員免許状更新講習において,中学・高等学校の英語教員に対して,新しい教授法について指導を行った。その結果,本研究で開発した学校英文法およびその教授法は,中学・高等学校の英語教員が,容易に活用できるかというと,必ずしもそうともいえない部分がまだ存在するが,学習者の理解を促進する教授法であることが実証できた。平成21年度は概ね研究計画通り研究を遂行することができた。本年度はまず本研究の基礎となる,高等学校英語検定教科書のデータベース化と文献調査を主に実施した。教科書のデータベース化では,教科書の読み取り作業および修正作業に予想以上の手間がかかったため,平成21年度中に完了させることができなかったが,次年度中には中学校の検定教科書まで含めてデータベース化が完了する予定である。文献調査については,認知言語学および第一言語習得・第二言語習得に関する学術書から高等学校生徒を対象とする学習参考書まで幅広く調査することができた。また高等学校教科書および学習参考書から,文法事項が学校現場でどのように教授されているかについて調査し分析した。さらに本年度は,1)可算・不可算名詞,2)前置詞,3)五文型の3つの文法項目にっいて認知言語学に基づいた教授法を考案しワークシート等を完成させた。教員免許状更新講習において,これらの考案した教授法について高等学校の教員に講義した。内容に対する評価は大変高く,特に現場の教員からは学校現場への応用可能性を高く評価された。これらの内容について学会において口頭発表を行い,中学・高等学校の教員および大学の英語教員と意見交換をして新たな知見を得ることができた。次年度は,中学・高等学校の全英語検定教科書のデータベース化を完成させるとともに,今年度考案した教授法を実際の教室で行い,その教育効果を定量的に検証する予定である。本研究は,認知言語学の知見を学校英文法に取り入れ,学習者により負荷のかからない学校英文法を構築することを目的としている。研究2年目となる平成22年度は以下の内容について研究を行った。教科書のデータベース化については,平成21年度に引き続き,高等学校英語検定教科書(英語Iおよび英語II)のデータベース化を行った。さらに本年度は新たに3学年分の中学校英語検定教科書のデータベース化を行い完成させた。平成21年度に1)可算・不可算名詞,2)前置詞,3)文型について,認知言語学に基づく教授法およびワークシートを完成させたが,平成22年度は1)および2)についての教育的効果を定量的に測定した。特に長期的な教育効果の持続の有無という観点に着目し,従来の学校文法で用いられている教授法と認知言語学に基づく教授法を比較・検証した。その結果,本研究課題で考案した認知言語学に基づく教授法は,どちらの文法項目においても,長期的な教育効果が統計的に有意に現れていることがわかった。検証結果は,2本の学術論文を始め,学会等で発表を行い,広く公表を行った。また平成21年度に引き続き,教員免許状講習において,本研究課題で考案した教授法およびワークシートを公表し,中学・高等学校の英語教員に対して教授法についての指導を行った。平成21年度同様,現場の教員からの満足度は大変高く,学校現場への応用可能性についても高く評価された。平成23年度は,本研究課題の最終年度となるが,冠詞,関係代名詞,時制の問題など,対象とする文法項目を広げて行く予定である。また教員免許状講習において,現場の英語教員と意見交換を行い,より現場に即した学校英文法の構築を行う予定である。研究最終年度となる平成23年度は,Learnaiblity(教育効果)とTeachability(学校教育現場への応用可能性)という2つの観点を融合し,さらなる研究を行った。平成22年度に行った認知言語学に基づく前置詞の指導において,従来の教授法と比較して,認知言語学に基づく教授法の方が,長期的に学習効果が保持されるということが統計的に実証されていた。しかしどんなに学習効果がある教授法でも,認知言語学に関する専門的な知識を有しない現場の教員が活用できなければ意味がない。そこで今年度はさらに,学校現場への応用可能性という観点を加え,認知言語学の専門的知識を有しない中学・高等学校の教員が果たして認知言語学に基づいた教授法を活用できるのかという点について詳細な分析を行い,その成果を論文にまとめた。また,教育効果に関して,質的研究という観点から,認知言語学に基づく教授法がうまく作用する項目と,なかなか作用しにくい項目を抽出し,その違いについて学習者の認知という観点から分析を行い,国内外の学会においてその成果を広く公表を行った。

また平成21年度および平成22年度に引き続き,教員免許状更新講習において,研究代表者が本研究課題で考案した教授法およびワークシートを公表するとともに,中学・高等学校の英語教員に対して教授法についての指導を行った。平成21年度および平成22年度に引き続き,現場の教員からの満足度は大変高く,学校現場への応用可能性についても高く評価された。
視覚認識プランニングに基づく効率的な環境情報要約システムの研究

環境の構造と重要な物体の配置を記述した地図を生成することを環境情報要約と呼び,そのために必要となる,(1)色,エッジパターン,局所特徴など複数視覚情報の利用による物体認識手法,(2)物体認識の信頼度モデルの構築とそれを用いた物体認識成功確率の予測手法,(3)効率的な環境情報要約のための不確かさとコストを考慮した観測行動計画手法を開発した.また,これらの手法を実装した環境情報要約システムを試作し,一般オフィス環境での実験的検証を行った.環境の構造と重要な物体の配置を記述した地図を生成することを環境情報要約と呼び,そのために必要となる,(1)色,エッジパターン,局所特徴など複数視覚情報の利用による物体認識手法,(2)物体認識の信頼度モデルの構築とそれを用いた物体認識成功確率の予測手法,(3)効率的な環境情報要約のための不確かさとコストを考慮した観測行動計画手法を開発した.また,これらの手法を実装した環境情報要約システムを試作し,一般オフィス環境での実験的検証を行った.生活支援ロボットと人間がやりとりをするためには,環境の構造と重要な物体の配置を持った地図が有用である。そのような地図の自動生成において,すべての物体を認識、記述する必要は一般にはなく,どのような物体をどのような詳細度で記述するかは利用目的によって異なる。そこで,視覚移動ロボットが目的に応じて環境の構造や重要物体の配置を自律的に獲得する環境情報要約について以下の研究を行った。複数画像特徴を利用した物体認識:HSV色空間の分割に基づく色ヒストグラム及び色共起ヒストグラムの照合,およびエッジ画像の距離変換に基づくエッジパターン照合に基づく物体認識を行った。物体までの姿勢や距離の変化に応じてモデル画像を変化させることにより,柔軟な認識を実現した。認識の信頼度モデルの作成と利用:上記の各種特徴量を用いたモデル画像と入力画像との照合度の,状況ごとのばらつきや,物体までの距離に基づく変化などをモデル化し,新たな観測を行ったときの予想される照合度を予測して,観測行動をプランニングする方法を開発した。固定した手順(例えば,粗い画像から細かい画像へ順番に処理する,あるいは色ヒストグラムからエッジパターンの順番に処理する)による物体認識に比べて,認識処理の効率が向上することを実験的に示した。環境情報要約システムの試作:移動ロボットに広視野カメラ,高解像度カメラ,レーザ距離センサを装備した環境情報要約システムを試作した。環境の幾何学的構造を得るために従来のSLAMを改良し,大きなループを含む広い屋内環境で十分な精度で地図が生成できることを確認した。さらに視覚プランニングを行うことにより,重要物体を環境中から効率的に探索しながら地図上へ記述してゆく動作を実現した。生活支援ロボットと人間が位置に関する情報などをやりとりをするためには,環境の構造と重要な物体の配置を持った地図が有用である.そのような地図の自動生成において,すべての物体を認識・記述する必要は一般にはなく,どのような物体をどのような詳細度で記述するかは利用目的によって異なる.そこで,視覚移動ロボットが目的に応じて環境の構造や重要物体の配置を自律的に獲得する環境情報要約について以下の研究を行った.物体認識の信頼度モデルの作成:物体認識のための画像特徴としてSIFTを利用することとし,カメラと物体との相対位置・姿勢と観測可能なSIFT特徴数との関係をモデル化し,さらにそれを用いて物体の姿勢の確率分布を推定できることを示した.効率的な環境情報要約のためのコストを考慮した観測行動計画の生成:効率的な要約を実現するための観測行動の計画手法を研究した.まず,環境情報要約問題を(1)自由空間地図の生成,(2)特定物体の発見と記述,の2段階にわけ,それぞれについて観測地点を計画する手法を開発した.特に,後者では上述の観測の信頼度モデルを利用して,各観測候補地点での認識成功率を推定し,それを基に認識終了までのコストの期待値が最小となる観測計画を比較的短時間で生成する手法を開発した.環境情報要約システムの構築と実験的評価:移動ロボットにステレオカメラ,レーザ距離センサを装備した環境情報要約のためのロボットシステムを構築した.通常のオフィス環境において,観測行動を計画しながら環境情報要約を実現した.
日韓音楽交流史による国際理解教育教材開発研究

2002年は日韓国民交流年ということで、音楽に関する日韓交流の催しが数多く開催されたことを鑑み、その中から、2002年4月に横浜で行なわれた高木東六作曲オペラ「春香」の53年ぶりの復活再演について、集中的に研究、調査した。そもそも高木東六作曲オペラ「春香」については、これまでも基礎研究を重ねてきたが、復活再演が実現するに際し、基礎研究が復活再演の現場に応用されることを意図し、地域あるいは社会への発信型の研究発表を行なった。オペラ「春香」の公演プログラムでは、基礎研究でまとめてきたオペラ「春香」の構想から完成、初演までの経緯に、さらに53年ぶりの復活再演までの道程について加筆し、オペラ「春香」を概観するのに最も詳しく、かつ平易に記述した資料として、公演関係者および聴衆より高い評価を得た。中・四国大学音楽教育学会における口頭発表では、オペラ「春香」再演の経緯を、国際理解教育の話材として、その概略を示した上で、日韓両国でどのように活用していくことが可能かを論じた。東洋経済日報では、在日韓国・朝鮮人の戦後の音楽活動を視点にすえた上で、オペラ「春香」の交流事例がどのように評価されるべきかを中心に論じ、韓日音楽交流の金字塔として位置付け、音楽交流の模範的な事例として、広く知られるべきであることを提言した。この論考は特に在日韓国・朝鮮人読者からの大きな反響を得ることができた。
マイクロサーモメトリーによるオンライン生菌数計測

2本のビード型サーミスタ(B定数4,132K,100kΩ(25°C))を使用した差動方式による生菌数測定を行った.昨年度の結果よりこの方式によって回分式で約0.005°Cの変化まで測定可能であった.昨年度に引き続きモデル微生物として大腸菌(Echerichia coli DH1),乳酸菌(Leuconostoc mesenteroides IFO3832)および酵母(Saccharomyces cerevisiae IFO2043)の3種類を使用した.連続式測定への応用のために,500mL三角フラスコ内で培養した菌体培養液を自作の測定用カラムと流路を取り付けた自作の容器に入れて液定量ポンプでその培養液を系内で循環させた.カラム容量は約10mLで入り口部とカラム内の出口付近にサーミスタを取り付け,カラムほぼ中央に基質注入口を取り付けたものを用いた.基質としては20g/Lグルコース溶液1mLを加えた.実験は全て30°C恒温水槽内で測定を行った.液循環体積速度を0.050.5mL毎秒の範囲で変化させることによって,測定カラム内の平均液滞留時間を20020秒に変化させて実験を行った.この実験範囲では乳酸菌の発熱による温度変化は菌数を変化させてもほとんど得ることが出来なかった.これは基本的に乳酸菌の発熱量が酵母などと比較して非常に低いことが理由である.大腸菌を用いて滞留時間200秒で測定した場合,回分式で観測されたパルス型の温度変化はその時間および応答ともに20g-drycell/L以下の範囲で非常に小さく観測されたがばらつきが非常に大きく生菌数との明瞭な比例関係は得られなかった.同様に酵母を用いて滞留時間200秒で測定した場合,菌体濃度2040g-drycell/Lでパルス上の温度変化が観測されたが,感度の点では回分式よりも非常に劣った.今回行った実験範囲では菌体濃度を回分式の時よりも高濃度にしなければならなかった.2本のビ-ド型サーミスタ(B定数4,132K,100kΩ(25°C))を使用した差動式(測定および参照試験管内に生菌および死菌懸濁液(窒素制限:非増殖条件)を2mL入れ,両試験管に所定の濃度に調整したグルコース溶液1mLを加え,代謝熱による温度変化を測定)測定装置を作成し,30°C恒温水槽内で測定を行った.本測定装置によって約0.005°Cの変化まで測定可能であった.微生物として大腸菌(Echerichia coli DH1),乳酸菌(Leuconostoc mesenteroides IFO3832),紅色非硫黄性細菌(Rodobactor sphaeroides),水素細菌(Alcaligenes eutrophus H16)および酵母(Saccharomyces cerevisiae IFO2043)の5種類の使用した.実験の結果以下の事が明らかとなった.(1)本研究で行ったマイクロサーモメトリにより,グルコース投与応答代謝熱による温度変化(ステップ型)測定が可能である.(2)簡単な熱収支より得た代謝熱生成速度評価モデルにより決定された代謝熱生成速度Q[J/s]は酵母(S.cerevisiae)および乳酸菌(L.mesenteroides)の生菌数と良好な比例関係を示し,生菌数評価の工業的指標パラメータとして利用できる.(3)A.eutrophus H16およびR.sphaeroidesのような窒素制限下でPHB又はPHA等の非窒素系有機予備物質を体内に蓄積する微生物は測定できる十分な発熱が無く温度変化測定不可であった.(4)E.coliはパルス型の温度変化を示し,20g-drycell/L以下の範囲では,多少ばらつきがあるもののQと比例関係が得られた.(3)の理由としては本測定系で測定可能な微生物はグルコースを細胞内に取り込み,その代謝カスケード中の初期段階で大きな反応熱を発生させる反応が存在していることが推測される.また,今回酵母および乳酸菌の測定濃度範囲(最大値)は酵母の対数期及び定常期で1.2×10^8及び2.0×10^8CFU/mL,乳酸菌(定常期)は9.0×10^<10>CFU/mLであった.より低菌体濃度における測定系改良の検討が必要である.2本のビード型サーミスタ(B定数4,132K,100kΩ(25°C))を使用した差動方式による生菌数測定を行った.昨年度の結果よりこの方式によって回分式で約0.005°Cの変化まで測定可能であった.昨年度に引き続きモデル微生物として大腸菌(Echerichia coli DH1),乳酸菌(Leuconostoc mesenteroides IFO3832)および酵母(Saccharomyces cerevisiae IFO2043)の3種類を使用した.連続式測定への応用のために,500mL三角フラスコ内で培養した菌体培養液を自作の測定用カラムと流路を取り付けた自作の容器に入れて液定量ポンプでその培養液を系内で循環させた.カラム容量は約10mLで入り口部とカラム内の出口付近にサーミスタを取り付け,カラムほぼ中央に基質注入口を取り付けたものを用いた.基質としては20g/Lグルコース溶液1mLを加えた.実験は全て30°C恒温水槽内で測定を行った.液

循環体積速度を0.050.5mL毎秒の範囲で変化させることによって,測定カラム内の平均液滞留時間を20020秒に変化させて実験を行った.この実験範囲では乳酸菌の発熱による温度変化は菌数を変化させてもほとんど得ることが出来なかった.これは基本的に乳酸菌の発熱量が酵母などと比較して非常に低いことが理由である.大腸菌を用いて滞留時間200秒で測定した場合,回分式で観測されたパルス型の温度変化はその時間および応答ともに20g-drycell/L以下の範囲で非常に小さく観測されたがばらつきが非常に大きく生菌数との明瞭な比例関係は得られなかった.同様に酵母を用いて滞留時間200秒で測定した場合,菌体濃度2040g-drycell/Lでパルス上の温度変化が観測されたが,感度の点では回分式よりも非常に劣った.今回行った実験範囲では菌体濃度を回分式の時よりも高濃度にしなければならなかった.
思春期1型糖尿病患者のサマーキャンプによる患者教育の効果に関する検討

平成13年度には、思春期・青年期の1型糖尿病患者の療養行動の現状について、質問紙調査を実施し、全体的には自立していることが明らかになった。自分自身が血糖コントロールを行うためにどのような行動をとることが望ましいかを考え、実践する力は育っているが、自らの具体的行動については困難に思っていた。また、中学生以下と高校生以上では療養行動に自己効力感が影響しており、自己効力感を高める介入の必要性が示唆された。平成13年14年にかけて行った1型糖尿病患者のキャンプ参加へのニーズ調査では、キャンパーは同じ病気を持つ仲間との交流、仲間から得られる今後に向けての自信、病気を持つ自分を理解してくれるサポート源を求めていることが明らかになった。以上の結果を参考に、平成14年度のサマーキャンプでは、仲間作りと仲間を知ること、相談したいときに相談できる環境作り、リアルタイムでの個別の血糖コントロール指導を中心に自己効力感が高まるような教育介入を行った。その結果、キャンパーの状態を把握しないままのキャンプでは、キャンプ後の療養行動の変化は見られなかったが、キャンパーの状態に合致した教育介入を取り入れたキャンプの後は、有意に療養行動得点、自己効力感が上がり、キャンプによる教育効果が現れた。思春期1型糖尿病患者にとって、同じ病気を持つ仲間との交流は、自分をわかってくれる仲間がいるということは、安心感やこれからの生活に向けての自信につながり、糖尿病療養行動や自己効力感と影響し合っていた。今後は、糖尿病の自己管理に関する自己効力感を維持する方法の検討と運動に関する自信を高める教育介入の検討が必要であることが示唆された。さらには、適宜、1型糖尿病患者の療養行動上の問題点やその時々のニーズ、対象者の発達課題を把握しながら、1型糖尿病患者に対する教育方法の検討を重ねていく必要があることが示唆された今年度は、高知県内の思春期の1型糖尿病患者を対象に、日常生活における療養行動についての実態とソーシャルサポート、自己効力感の関係を自記式質問紙にてサマーキャンプ前に調査した。対象患者21名中10名から回答が得られ、内キャンプ参加者8名からは全員の回答を得た。それぞれの療養行動得点、自己効力感得点の相関から、以下の関係が明らかになった。食事・運動・インスリン療法ができていることと、望ましい療養行動には正の相関があった(γ=0.83、γ=0.71、γ=0.80)。食事療法ができれば、インスリン注射の打ち忘れが少なく(γ=0.70)、毎日の生活も前向きで(γ=0.70)、両親や家族の理解があると感じていた(γ=0.71)。自己効力感が強いほど全体の療養行動は良好であり(γ=0.63)、両親や家族の理解があると自覚し(γ=0.69)、低血糖への対処もできていた(γ=0.74)。日常生活における情緒的・手段的サポートは、ほぼ全項目において、家族がサポート源であった。ほとんどの患者は糖尿病であることを知られたくないと思っており、手段的なサポートに友人をあげるものは少なかった。学校での補食や注射の際、友人の目を気にしており、昼の注射の中断、低血糖時の我慢が多く見られた。キャンプ参加者には、キャンプ後、同じ内容の調査を行い、キャンプ前後の変化を比較したが、本年度のキャンプでは、特別な教育は企画せず実施したため、キャンプ前後の有意な差はなかった。今回の調査では、友人関係を保ちながらの療養行動が困難であること、望ましい療養行動には、家族の支援が必要であること、食事に伴う血糖推移にあわせたインスリン療法の習熟が望ましい療養行動に関係すること、また自己効力感を高めるような介入が必要であることが示唆された。これらの内容を次回のキャンプで強化し、療養行動の変化を量的および質的に検討する予定である。

さらには、適宜、1型糖尿病患者の療養行動上の問題点やその時々のニーズ、対象者の発達課題を把握しながら、1型糖尿病患者に対する教育方法の検討を重ねていく必要があることが示唆された
シナプスの可塑的形態変化におけるＲｈｏＡ／Ｃｄｃ４２活性化の時空間制御機構

本研究の目的は、シナプス可塑性の分子メカニズムの一端を明らかにすることである。シナプス可塑性の中でも特に、シナプスの可塑的形態変化は、アクチン骨格依存的である。そのため、アクチン骨格を制御しているRhoGTPaseのCdc42と、その活性化/不活性化因子に着目し、これらの分子動態を蛍光寿命イメージング法によって調べた。初年度はCdc42の活性化を高感度に捉えるための新規無蛍光蛍光タンパク質の開発に成功し、Cdc42のFRETセンサーや他の既存のFRETプローブにも適用できることを示した。次に2年度目は、50種類以上存在する不活化因子の中から、シナプスに局在する不活化因子の同定を行い、TCGAPの同定に成功した。そして、3年度目に、TCGAPの動態とCdc42の活性化を同時に観察することに成功した。具体的には、シナプスの可塑的形態変化を誘起するために、ケージドグルタミン酸を用いて単一シナプスを刺激した。その結果、Cdc42が活性化する直前にTCGAPが一時的に減少し、その後Cdc42が活性化するという非常に興味深い現象を捉えることに成功した。これらの結果から、作業仮説である『シナプス内の不活化因子(TCGAP)の離散により、Cdc42が活性化する』というCdc42の新しい活性化モデルを強く示唆する形となった。このように、発光しない蛍光タンパク質を開発することで、シナプス内の分子活性とシナプスの形態変化を同時に可視化することが可能な新たな実験方法を確立することに成功した。これは、今までの神経科学における観察手法の壁の一つを壊すものであるため、この手法をほかの分子にも用いることで、記憶や学習に深く関わるシナプス可塑性の解明に繋がると大いに期待できる。29年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、シナプス可塑性のメカニズムを後シナプス内のシグナル伝達の観点から明らかにする。このために、2光子蛍光寿命イメージング顕微鏡(2pFLIM-FRET)を用いてシグナル分子活性化FRETイメージングを行う。特に、シナプス内アクチン制御分子であるCdc42に着目し、これらの分子の活性化機構を明らかにする。具体的には、シナプス内でのCdc42の活性化とその活性化因子(GEF)または不活化因子(GAP)を2pFLIM-FRETで同時に観察(緑色波長域でCdc42の活性化、赤色波長域でGEFを観察)することを試みている。平成27年度は、緑色波長域でCdc42の活性化を高感度・高精度に捉えるためのFRETアクセプターの開発を行った。既に報告のある無蛍光の蛍光タンパク質(sREACh)を鋳型としてランダム変異導入を行った。実験の結果いくつかの変異体が得られ、それらの蛍光スペクトルやフォールディング効率等を調べることで、sREAChよりも優れた蛍光特性をもつ無蛍光蛍光タンパク質(ShadowG)を同定することができた。FRETアクセプターとしてのShadowGの性能を詳しく調べるため、既存のFRETセンサーにShadowGを適用して、従来我々が用いてきたアクセプター(mCherry、sREACh)と比較した。具体的には、青色光に反応して構造変化を起こすPhototropin1由来のLOV2に蛍光タンパク質を融合したFRETセンサーを作製した。これらをHeLa細胞に発現させ、青色光照射によるFRET変化量を比較したところ、ShadowGはmCherryの2倍の変化量を示しており、sREAChと同等の感度を有していた。次に、個々の細胞での変化量のバラツキを調べたところ、ShadowGを用いたセンサーはmCherryやsREAChよりもはるかにバラツキが少なかった。すなわち、ShadowGを用いることで、高精度にFRET反応を捉えることが分かった。次に、同様の実験をCdc42のFRETセンサーについても行ったところ、LOV2センサーと同様の結果を得ることができた。平成27年度は、高感度かつ高精度なFRETアクセプターである無蛍光蛍光タンパク質ShadowGの開発に成功した。さらに、Cdc42のFRETセンサーにShadowGを適用させた結果、従来のFRETアクセプターであるmCherryより高い感度を有していることが分かった。ShadowGの特徴の一つは、EGFPとのFRETを緑色波長域のみで観察できることである。これによって赤色波長域をCdc42のGEF/GAPの可視化に利用することができる。つまり、Cdc42活性とGEF/GAPの同時観察を行うことが可能となった。このために、2光子蛍光寿命イメージング顕微鏡を用いてシグナル分子活性化FRETイメージングを行う。今年度は、スパインに局在する活性化制御因子の同定を行った。本研究で検証する仮説は長期増強誘起時にRhoA/Cdc42の不活性化分子がスパインから取り除かれるためにRhoA/Cdc42が活性化するというものである。これを検証するために、まず、スパインに局在しているGAP(不活化分子)の同定から行った。