hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
HJB量子化と確率過程量子化の融合に基づく非線形最適制御理論の構築

これにより,本年度計画の主目的である「HJB量子化に対する新しい近似解法の提案」はおおむね達成されているものと考えられる。また,本年度計画では球面型超音波モータの実機製作が挙げられていたが,現在所有している一軸回転型超音波モータに改良を施すことで提案手法の有用性を確認することができるとの結論に達したため,当該実験装置の駆動ドライバの改良および制御機構の新規構築を行った。以上により,本年度はおおむね計画通りに進展していると考えられる。24年度が最終年度であるため、記入しない。次年度は最終年度であるため,提案手法の有用性を実機実験によって確認する必要がある。提案手法の有効な改良のためには,次の三つの課題が挙げられる。一つ目は確率システムの安定性についての更なる解析である。つまり,提案手法の保証する安定性がどのようなものであるのかを明らかにしなければならない。二つ目は確率システムの安定化をより高速に達成する手法が求められる。これの達成により,提案手法が実用的な収束速度を持つようになるものと考えられる。三つ目はまた超音波モータのより実際に即した制御モデルを構築することである。これの達成なくして実機実験での有用性は判定できないだろう。以上を行った上で,超音波モータのサーボ制御により提案手法の有用性を確かめたい。
動機づけを促しストレス耐性を高めるIT版メンタルヘルスプログラムの策定と効果検証

平成30年度には,「動機づけを促しストレス耐性を高めるIT版メンタルヘルスプログラム」の土台として策定したプログラムに関して,フォローアップデータに基づき効果検証を行った.その結果,プログラム終了後においてもある一定の効果は認められたものの,フォローアップデータが得られた割合は23.0%に留まり,プログラム終了後の効果継続性の検証のためにも,今後フォローアップデータの回収率を上げる必要性が課題として残された.また,「動機づけを促しストレス耐性を高めるIT版メンタルヘルスプログラム」は改定を行いながら継続して実施しているが,前年度に課題としてあげられたIT機器の利用方法の急速な変化,具体的には,大学生の通信手段がメールからLINE等に変化しメールをチェックしない者が増加し,プログラム利用者がメッセージ等を見ないという問題への対策は遅れている状況である.その理由として,対策方法として考えられた通信手段の変更,メールからLINE等気軽にアクセス可能な連絡機能の追加には膨大な費用がかかり,その方法について研究協力者とともに模索していた状態であるということがあげられる.さらに,Ecological Momentary Assessment(以下,EMA)等スマートフォンや携帯情報端末を利用した心身医学的介入に関しては,平成30年度に研究者が試験的に使用し,プログラム利用者への施行に際し見通しが立ち,平成31年度プログラム実施時に導入する予定となった.平成29年度課題としてあげられた,IT機器の利用方法の急速な変化により,大学生の通信手段がメールからLINE等に変化しメールをチェックしない者が増加したという問題に関して,対策が遅れているためである.その対策として,研究協力者と協議しているが,メールからLINE等気軽にアクセス可能な連絡機能の追加には,当初の研究計画より必要経費が大幅に上回るため,今後の課題として継続して検討していく予定である.平成31年度には,平成30年度導入の見通しが立ったEMAに関して,「動機づけを促しストレス耐性を高めるIT版メンタルヘルスプログラム」に導入し,プログラム利用者へ施行していく予定である.そのことにより,パーソナリティ,ストレス指標等の質問紙,および心拍や睡眠等などの生理指標について測定し,主観的指標と客観的指標,両面から,心身の健康増進に関する効果検証を行う予定である.ストレスチェックが義務化される等,ストレス性疾患への対応策は急務となっている.申請者はこれまで,ITを用いた健康増進プログラムの策定を行い,減量効果やストレス軽減効果等ある一定の成果を得てきた.しかし,動機がない,あるいはストレスが高い場合には,プログラムに取り組むことそのものが困難となるケースが認められた.そのため,本研究では動機がない人,またストレスが高い人であっても,心の健康に対する意識を高め,気軽に楽しみながらストレス耐性を高めることが出来るメンタルヘルスプログラムの策定を目指す.平成28年度には,これまで施行してきた心身健康増進プログラムで得られたデータの検証を行い,その成果を報告した(齋藤ら,2016).そして,得られた研究成果に基づき「動機づけを促し」かつ「ストレスが高い人であっても負担なく取り組みやすい」,個々人の特性に応じた目標や自動送信メールおよびストレスや気分状態に応じた介入ロジックを作成した.具体的には,問診時の性格別,プログラムへの取り組み状況別に、個々人に応じたメッセージが一定期間ごとに自動送信されるロジックを組み込んだ.また、動機をより高められるよう、プログラムの導入部分である問診に関するロジックを検討し性格のタイプをより詳細に分類し,ストレスチェックの結果をグラフ化する等工夫した.さらに,そのロジックをスマートフォンの利用を主としたアプリケーションへ導入すべく,プログラムのシステム化を当初予定していた企業へ依頼した.本研究の土台となる心身健康増進プログラム「心ログ」は既に運用されており,本研究では既存のプログラムを基に1メンタルヘルスに焦点を絞る,2動機づけを高めるプロトコルの策定等を中心にロジックの改定を行った.そのため,研究を開始しやすい環境が整っていたこともあり,平成28年度は当初の予定通り順調に進展したといえる.また,既にデータベース化されているため,「動機づけを促し」かつ「ストレスが高い人であっても負担なく取り組みやすい」プログラムになるよう改定を行う際にも,これまで蓄積したデータの解析・効果検証など確実に行うことが可能であったといえ、平成28年度の主な研究内容であったプログラムの策定が問題なく進んだ理由の1つとなったと考える.平成29年度には,平成28年度に策定した「動機づけを促しストレス耐性を高めるIT版メンタルヘルスプログラム」を,大学生を対象に施行し効果検証を行った.また,プログラムを施行した大学生を対象に半構造化面接を行い,プログラムの課題について検討を行った.その結果,プログラムにある一定の効果は認められたものの,モチベーションが低い対象者の場合,その効果には限界が認められた.本研究の目的の1つとして,動機づけが低い者であっても,メンタルヘルスへの関心を高め,心身の健康増進に取り組む動機を高めることが可能なプログラムを策定することがある.そのため,プログラムの策定に際し,性格およびモチベーションの程度別に,個々人に応じたメッセージが一定期間ごとに自動送信されるロジックを組み込む,ワークへの取り組みを促す等,工夫を行った.しかし,その効果が十分に得られなかった要因として,IT機器の利用方法に急速な変化が生じており,大学生の通信手段はメールからLINE等に変化し,メールをチェックしない者が増加していることが考えられ,対象者がメッセージ等を見ないという問題が生じた.そのため,平成30年度には,その対策としてメールではなくLINEに類似した気軽にアクセス可能な連絡機能等を追加し,対象者の動機を高められるよう,プログラムの改定をする必要が考えられた.

平成28年度,当初の計画通り「動機づけを促し」かつ「ストレスが高い人であっても負担なく取り組みやすい」プログラムを策定することが出来,その結果平成29年度は大学生を対象にそのプログラムを問題なく実施することが出来たといえる.また,プログラムの効果検証に関しても,プログラムが既にデータベース化されていることから,蓄積したデータの解析など確実に行うことが可能であったため,当初の計画通りおおむね順調に進展したといえる.平成30年度には,「動機づけを促しストレス耐性を高めるIT版メンタルヘルスプログラム」の土台として策定したプログラムに関して,フォローアップデータに基づき効果検証を行った.その結果,プログラム終了後においてもある一定の効果は認められたものの,フォローアップデータが得られた割合は23.0%に留まり,プログラム終了後の効果継続性の検証のためにも,今後フォローアップデータの回収率を上げる必要性が課題として残された.また,「動機づけを促しストレス耐性を高めるIT版メンタルヘルスプログラム」は改定を行いながら継続して実施しているが,前年度に課題としてあげられたIT機器の利用方法の急速な変化,具体的には,大学生の通信手段がメールからLINE等に変化しメールをチェックしない者が増加し,プログラム利用者がメッセージ等を見ないという問題への対策は遅れている状況である.その理由として,対策方法として考えられた通信手段の変更,メールからLINE等気軽にアクセス可能な連絡機能の追加には膨大な費用がかかり,その方法について研究協力者とともに模索していた状態であるということがあげられる.さらに,Ecological Momentary Assessment(以下,EMA)等スマートフォンや携帯情報端末を利用した心身医学的介入に関しては,平成30年度に研究者が試験的に使用し,プログラム利用者への施行に際し見通しが立ち,平成31年度プログラム実施時に導入する予定となった.平成29年度課題としてあげられた,IT機器の利用方法の急速な変化により,大学生の通信手段がメールからLINE等に変化しメールをチェックしない者が増加したという問題に関して,対策が遅れているためである.その対策として,研究協力者と協議しているが,メールからLINE等気軽にアクセス可能な連絡機能の追加には,当初の研究計画より必要経費が大幅に上回るため,今後の課題として継続して検討していく予定である.
ラット聴覚野の免疫組織学的領域分析

ラット聴覚野の同定と領域分けを、組織学的に試みた。ラット聴覚野は、大脳後部、側頭葉にあたる部位にあり、完全に脳の表面に露出していることが特徴である。結果、隣接する体性感覚野、視覚野などと近い位置にある。ニッスル染色(Ni)、パルブアルブミン免疫染色(PV)、カルビンデイン免疫染色(Cd)、アセチルコリンエステラーゼ染色(AchE)、サイトクロームオキシダーゼ染色(CO)を行って比較した。結果として、パルブアルブミン、カルビンデイン、アセチルコリンエステダーゼ、サイトクロームオキシダーゼのいずれでも、視聴野と思われる部位は染色された。パルブアルブミンと、カルビンデインで染色される部位はほぼ一致するが、アセチルコリンエステラーゼ、サイトクロームオキシダーゼで染め出される部位は、それよりやや狭く、他の種との比較から、一次野に相当する部位ではないかと推定される。カルビンデインで染め出される部位は、濃淡の差は認めにくいが、パルブアルブミン染色では、中央がやや濃く、周囲に向かって、淡くなっていく、グラデイエーションが認められた。他の感覚野との距離が近いため、複数の染色を用いた方が確実な同定、領域分けができることが推定された。少なくとも5つの領域に分けられることが推定された。電気生理学的には、潜時が10msec、30msec、70msec、100msec付近に発火がみられ、周辺部はやや中央部より潜時が長い傾向がみられた。MLR、SVRの起源の一部をなしていることが推定された。ニッスル染色(Ni)、パルブアルブミン免疫染色(PV)、カルビンデイン免疫染色(Cd)、アセチルコリンエステラーゼ染色(AchE)を行って比較した。結果として、パルブアルブミン、カルビンデイン、アセチルコリンエステラーゼのいずれでも、聴覚野と思われる部位は染色された。パルブアルブミンと、カルビンデインで染色される部位はほぼ一致するが、アセチルコリンエステラーゼで染め出される部位は、それよりやや狭く、他の種との比較から、一次野に相当する部位ではないかと推定される。結果として、パルブアルブミン、カルビンデイン、アセチルコリンエステラーゼ、サイトクロームオキシダーゼでのいずれでも、聴覚野と思われる部位は染色された。カルビンデインで染め出される部位は、濃淡の差は認めにくいが、パルプアルブミン染色では、中央がやや濃く、周囲に向かって、淡くなっていく、グラデイエーションが認められた。

他の感覚野との距離が近いため、複数の染色を用いた方が確実な同定、領域分けができることが推定された。少なくとも5つの領域に分けられることが推定された。電気生理学的には、潜時が10msec、30msec、70msec、100msec付近に発火がみられ、周辺部はやや中央部より潜時が長い傾向がみられた。MLR、SVRの起源の一部をなしていることが推定された。
ヒト尿管におけるβ-アドレナリン受容体サブタイプの発現とその機能について

日常診療で度々遭遇する尿管結石症は、その疼痛のために社会生活を制限されるばかりでなく、時として腎盂腎炎・腎不全などの重篤な合併症をきたす疾患である。現在、自然排石を期待する保存的治療等の目的でNSAIDsなどの薬物治療が行われているがその効果に十分なエビデンスはなく、自然排石促進作用や疝痛発作抑制作用を有する薬剤の開発が急務とされている。そこで、選択的β-アドレナリン受容体作動薬が尿管結石症の新たな治療戦略となる可能性を有するか検討した。ヒト摘出尿管を標本としてRT-PCR法によりβ-アドレナリン受容体の各サブタイプ(β1,β2,β3)のmRNAの発現について検討したところ、いずれのβ-アドレナリン受容体のサブタイプ(β1,β2,β3)も尿管組織に発現していることが確認された。次いで、ヒト摘出尿管の顕微鏡的正常部分のブロックからパラフィン切片を作成し、免疫組織化学染色法を用いてβ-アドレナリン受容体の各サブタイプの発現ならびに局在を同定した。各サブタイプともに尿管上皮細胞ならびに平滑筋細胞での発現を認め、タンパクレベルにおいてもそれぞれの受容体の発現を確認できた。さらに、β-アドレナリン受容体への刺激が尿管平滑筋を弛緩させるか確認するために、ヒト摘出尿管標本を用いて薬理学的実験をin vitroで実施した。非選択的作動薬であるイソプロテレノールに対して濃度依存性に平滑筋切片は弛緩した。現在、β-アドレナリン受容体の各サブタイプに対する選択的作動薬や拮抗薬による作用を確認しているところであり、少なくともβ2-ならびにβ3-アドレナリン受容体作動薬は、それぞれ濃度依存性にヒト尿管平滑筋を弛緩させることが確認されており、研究を継続して実施中である。以上の研究成果から、β2-あるいはβ3-アドレナリン受容体作動薬が尿路結石症に対する自然排石促進作用や疝痛発作抑制作用を有する薬剤として、臨床応用できうると想定される。尿路胴石症は泌尿器科領域において頻度の高い疾患であるだけではなく、時に重篤な合併症をきたす重要な疾患である。経過観察が可能な尿管結石症に対しては自然排石を期待する保存的治療が推奨されているが、同治療で使用される薬物の臨床効果に十分なエビデンスは認められていない。そのため自然排石促進作用や疝痛発作抑制作用を有する薬剤の開発が急務とされている。そこで、ヒト尿管におけるβ-アドレナリン受容体のサブタイプの発現・分布やその機能について基礎研究を実施し、β-アドレナリン受容体作動薬が尿管結石症の新たな治療戦略となる可能性があるか検討した。現在、標本数を増やして定量的解析を計画中である。次いで、摘出尿管の顕微鏡的正常部分のブロックからパラフィン切片を作成し、免疫組織化学染色法を用いてβ-アドレナリン受容体の各サブタイプの発現部位を同定した。各サブタイプともに尿管上皮細胞ならびに平滑筋細胞での発現を認めたが、特に、平滑筋細胞においてはβ3-アドレナリン受容体の発現が顕著であると思われた。尿管平滑筋条片を用いたin vitroでの薬理学的実験(等尺性弛緩実験)では、β-アドレナリン受容体の非選択的作動薬であるイソプロテレノールに対して濃度依存性に平滑筋切片は弛緩した。現在、β-アドレナリン受容体の各サブタイプに対する選択的作動薬や拮抗薬による作用を確認しているところである。

現在、β-アドレナリン受容体の各サブタイプに対する選択的作動薬や拮抗薬による作用を確認しているところであり、少なくともβ2-ならびにβ3-アドレナリン受容体作動薬は、それぞれ濃度依存性にヒト尿管平滑筋を弛緩させることが確認されており、研究を継続して実施中である。以上の研究成果から、β2-あるいはβ3-アドレナリン受容体作動薬が尿路結石症に対する自然排石促進作用や疝痛発作抑制作用を有する薬剤として、臨床応用できうると想定される。
血液系腫瘍細胞におけるPRAD1/サイクリンD1の異常発現とその作用

1.PRAD1/サイクリンD1関連腫瘍の遺伝子診断の確立:我々が考案したcompetitive RT-PCR法では,RNA10ngもしくは全血1μl相当から1回のRT-PCRですべてのD型サイクリンの相対的発現量をアガロースゲル上で検出できるため,少量の検体でPRAD1/サイクリンD1関連腫瘍の診断をすることができる.45株の血液系細胞株と104症例の臨床検体から抽出したRNAを解析すると,11;14転座を有する腫瘍細胞(2細胞株および7症例の臨床検体)では明らかなサイクリンD1の過剰発現パターンが検出された.さらに染色体分析では解析できなかった症例も含めて6例の新たなサイクリンD1過剰発現例が見いだされた.また,103例の末梢血と30例の骨髄をスクリーニングしたところ,3例の陽性例を検出しえた.11;14転座型腫瘍細胞の希釈実験では,腫瘍含量50%以上でサイクリンD1過剰発現が明瞭に検出することができた.さらに,HTLV-1感染T細胞株でサイクリンD2の過剰発現が検出され,サイクリンD1過剰発現だけでなく,サイクリンD2の異常発現も検出することができる.以上から,このRT-PCRは信頼のおける臨床検査法として有用できることが確認された(Blood1997 in press).2.血液細胞におけるD型サイクリンの発現様式の検討;臍帯血由来CD34陽性細胞を用いて,上記RT-PCRを改良したnested RT-PCRを新たに開発し,正常ヒト造血細胞でのD型サイクリンの発現を解析した.サイトカインの刺激によってCD34陽性細胞でサイクリンD1の発現が誘導された.さらにCD34陽性細胞由来の366colonyを解析し,解析可能な120colonyの結果から,CFU-GEMM,CFU-GM,BFU-EやCFU-MegにサイクリンD1は発現するものの,CFU-GではサイクリンD1を発現しないことが明らかとなった.これは,末梢血中の細胞の解析と一致し,顆粒球系細胞の成熟の早期でサイクリンD1の発現が消失することを示している.1.PRAD1/サイクリンD1関連腫瘍の遺伝子診断の確立:我々が考案したcompetitive RT-PCR法では,RNA10ngもしくは全血1μl相当から1回のRT-PCRですべてのD型サイクリンの相対的発現量をアガロースゲル上で検出できるため,少量の検体でPRAD1/サイクリンD1関連腫瘍の診断をすることができる.45株の血液系細胞株と104症例の臨床検体から抽出したRNAを解析すると,11;14転座を有する腫瘍細胞(2細胞株および7症例の臨床検体)では明らかなサイクリンD1の過剰発現パターンが検出された.さらに染色体分析では解析できなかった症例も含めて6例の新たなサイクリンD1過剰発現例が見いだされた.また,103例の末梢血と30例の骨髄をスクリーニングしたところ,3例の陽性例を検出しえた.11;14転座型腫瘍細胞の希釈実験では,腫瘍含量50%以上でサイクリンD1過剰発現が明瞭に検出することができた.さらに,HTLV-1感染T細胞株でサイクリンD2の過剰発現が検出され,サイクリンD1過剰発現だけでなく,サイクリンD2の異常発現も検出することができる.以上から,このRT-PCRは信頼のおける臨床検査法として有用できることが確認された(Blood1997 in press).2.血液細胞におけるD型サイクリンの発現様式の検討;臍帯血由来CD34陽性細胞を用いて,上記RT-PCRを改良したnested RT-PCRを新たに開発し,正常ヒト造血細胞でのD型サイクリンの発現を解析した.サイトカインの刺激によってCD34陽性細胞でサイクリンD1の発現が誘導された.さらにCD34陽性細胞由来の366colonyを解析し,解析可能な120colonyの結果から,CFU-GEMM,CFU-GM,BFU-EやCFU-MegにサイクリンD1は発現するものの,CFU-GではサイクリンD1を発現しないことが明らかとなった.これは,末梢血中の細胞の解析と一致し,顆粒球系細胞の成熟の早期でサイクリンD1の発現が消失することを示している.
カーボンナノチューブを利用した生体内発電素子の開発

本研究では、生体内で光熱発電が可能なカーボンナノチューブ(CNT)を搭載した熱電変換素子の開発を行った。具体的には以下の通りである。まず、コア技術となるCNT -生体適合性ポリマー[シリコーン樹脂:ポリジメチルシロキサン(PDMS)]複合体の開発を行った。このときCNTをPDMSへ高濃度・均一分散化させるために、導電性ポリマー(ポリ3-ヘキシルチオフェン:P3HT)を利用したCNTのナノ表面改質を行った。各種分光光度計(紫外・可視分光、ラマン分光)、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡による評価の結果、P3HT -CNT複合体はPDMS中で極めて高い分散性を示すことがわかった。また、コントロール実験として、その他のカーボン材料(表面未改質CNT、フラーレン、グラファイト)、種類の異なるCNT(単層CNTおよび多層CNT)のPDMSへの複合化を行った。次に、当該複合体を表面にコーティングした熱電変換素子の開発を行った。上記CNT -PDMS複合体をビスマス-テルル系の小型熱電変換素子表面にコーティングし、目的の光熱発電モジュールを作製した。作製したモジュールに近赤外レーザーを照射し最大起電力を求めた。また、モジュールのサイズや各レーザー出力を検討することで最大起電力が得られる最適条件を決定した。次に、本光熱発電モジュールをラット体内に埋め込み、レーザー照射に伴う体内での発電効果を検討した。具体的には、作成した光熱発電モジュールをラット(Wister系統)背面皮下に埋没させ、近赤外レーザーを照射することで生体内での発電効果を検証した。さらに、解剖学的手法による本光熱発電モジュールの生体適合性評価を実施した。心臓ペースメーカーを代表とする様々な体内埋め込み型医療機器の需要が世界中で高まっている。しかしながら、当該医療機器を持続的に駆動させるための安定した電力供給システムの開発は未発達である。本研究目的は、生体透過性の高い近赤外領域(7001200 nm)のレーザー光線により容易に発熱するカーボンナノチューブ(CNT)の特性(光発熱特性)を、温度差を与えると発電する熱電変換素子に組み込むことで、生体内で機能する新しい発電技術を開発することである。最終年度は、申請者がこれまでに構築してきた光熱発電素子の発電効果をさらに向上させるために、CNT表面化学修飾法を改良することで生体適合性ポリマー[シリコーン樹脂:ポリジメチルシロキサン(PDMS)]中へのCNTの高濃度分散化を試みた。また、作製した光熱発電素子への光照射システムの改良を行った。これらの結果、前年度までに作製した素子に比較して発電効果が約5倍向上することが明らかとなった。また、改良した光熱発電素子をラット体内に埋め込み、生体適合性評価を行ったところ、血液学的ならびに解剖学的手法のいずれにおいても、前年度の従来型発電素子と同様、生体毒性が低いことが分かった。まず、コア技術となるCNT-生体適合性ポリマー[シリコーン樹脂:ポリジメチルシロキサン(PDMS)]複合体の開発を行った。各種分光光度計(紫外・可視分光、ラマン分光)、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡による評価の結果、P3HT-CNT複合体はPDMS中で極めて高い分散性を示すことがわかった。

次に、当該複合体を表面にコーティングした熱電変換素子の開発を行った。具体的には、上記CNT-PDMS複合体をビスマス-テルル系の小型熱電変換素子表面にコーティングし、目的の光熱発電モジュールを作製した。また、作製したモジュールに近赤外レーザーを照射し最大起電力を求めた。さらに、モジュールのサイズや各レーザー出力を検討することで最大起電力が得られる最適条件を決定した。最後に、本光熱発電モジュールをラット体内に埋め込み、レーザー照射に伴う体内での発電効果を検討した。具体的には、作成した光熱発電モジュールをラット(Wister系統)背面皮下に埋没させ、近赤外レーザーを照射することで生体内での発電効果を検証した。また、解剖学的手法による本光熱発電モジュールの生体適合性評価を実施した。最終構想に掲げた生体内で光熱発電が可能なCNTを搭載した熱電変換素子の開発に成功しているため。安心・安全な光熱発電素子開発のために、各種ナノカーボン材料(カーボンナノチューブやカーボンナノホーンなど)のさらなる生体適合性評価を実施する。実験器具として実験用手袋、キムワイプ、メンブレンフィルター、チップ、サンプル容器のような紙・プラスチック・ガラス製品の他にメスや針・糸などの動物実験に関わる手術用品を購入する予定である(計20万円)。論文(国際誌)投稿予定につき、役務・工事・作業費(英文校正、オープンアクセス費用)を50万円計上する。海外での発表1件を行うため外国旅費を30万円計上する。
ハイスループット細胞培養実験のためのマイクロウェル基盤ＭＥＭＳデバイスの開発

本研究課題では,細胞物理環境計測・制御がマイクロメートルスケールの空間で実現できるMEMSデバイスを開発した.具体的には,細胞力学応答実験,細胞薬剤感度試験,細胞遊走性実験が可能なMEMSデバイスである.細胞流れ負荷実験デバイスにおいては,異なる流れせん断応力を血管内皮細胞に負荷することにより細胞流れ負荷実験が可能であること,細胞薬剤感度実験デバイスにおいては異なる濃度のサポニンを内皮細胞に投与することにより薬剤濃度に対する感度実験が可能であること,細胞遊走実験デバイスにおいては繊維芽細胞の遊走時の牽引力ダイナミクスを計測することにより細胞遊走のメカニズムを力学的に検討できることを確認した.本研究課題では,細胞物理環境計測・制御がマイクロメートルスケールの空間で実現できるMEMSデバイスを開発した.具体的には,細胞力学応答実験,細胞薬剤感度試験,細胞遊走性実験が可能なMEMSデバイスである.細胞流れ負荷実験デバイスにおいては,異なる流れせん断応力を血管内皮細胞に負荷することにより細胞流れ負荷実験が可能であること,細胞薬剤感度実験デバイスにおいては異なる濃度のサポニンを内皮細胞に投与することにより薬剤濃度に対する感度実験が可能であること,細胞遊走実験デバイスにおいては繊維芽細胞の遊走時の牽引力ダイナミクスを計測することにより細胞遊走のメカニズムを力学的に検討できることを確認した.従来の細胞の力学応答解析あるいは薬剤感度試験はミリメートルスケールの培養空間の中で行われてきたものが大勢であり,高価な細胞試料や試薬類などの多量使用の問題はもちろんのこと細胞の不均質性の評価など個々の細胞を詳細に解析するには細胞培養空間スケールと細胞寸法スケールに大きな隔たりがあり最適な実験環境とは言えない.そこで本研究の目的は,研究代表者らが開発してきたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイス技術をさらに深化させ,細胞の物理環境計測・制御がマイクロメートルスケールの空間で実現できる多種多様なMEMSデバイスを開発することである.具体的には,細胞力学応答実験,細胞薬剤感度試験および細胞遊走性実験が可能なMEMSデバイスファミリーを開発する.以上の技術開発がマイクロメートル空間における次世代の細胞培養実験技術の標準化に資することを目指すものである.初年度は,細胞力学応答実験としてマイクロウェル内底面に培養した内皮細胞に任意の流れを負荷できるようマイクロチャネル層を加工し,マイクロウェルスライドと接合させて流路を形成した.流れ負荷を与えることにより内皮細胞の形態変化が観察できることを確認した.また細胞薬剤感度試験として,マイクロウェル内底面に培養した細胞に任意の濃度の試薬を負荷できるよう試薬層,希釈液層および混合層より構成される3層のマイクロチャネル層を積層化し,本デバイスの有効性を薬剤投与細胞実験により確認した.さらに細胞遊走性実験として,細胞牽引力計測用のマイクロピラーをマイクロチャネル底面に組み込み,細胞遊走時における細胞牽引力の経時応答を観察できるデバイスを開発した.従来の細胞の力学応答解析あるいは薬剤感度試験はミリメートルスケールの培養空間の中で行われてきたものが大勢であり,高価な細胞試料や試薬類などの多量使用の問題はもちろんのこと細胞の不均質性の評価など個々の細胞を詳細に解析するには細胞培養空間スケールと細胞寸法スケールに大きな隔たりがあり最適な実験環境とは言えない.そこで本研究の目的は,研究代表者らが開発してきたMEMSデバイス技術をさらに深化させ,細胞の物理環境計測・制御がマイクロメートルスケールの空間で実現できる多種多様なMEMSデバイスを開発することである.本年度は,開発を進めてきた細胞流れ負荷実験デバイスの開発,細胞薬剤感度実験デバイスの開発,細胞遊走実験デバイスの開発において,デバイスの改良にもう少し時間を必要したため,前年度の研究を引き続き平成25年8月まで継続するとともに,前年度に引き続き細胞培養実験を継続し本デバイスの有効性を確認した.その結果,細胞流れ負荷実験デバイスにおいては,異なる流れせん断応力を血管内皮細胞に負荷することにより細胞流れ負荷実験が可能であること,細胞薬剤感度実験デバイスにおいては異なる濃度のサポニンを内皮細胞に投与することにより薬剤濃度に対する感度実験が可能であること,細胞遊走実験デバイスにおいては繊維芽細胞の遊走時の牽引力ダイナミクスを計測することにより細胞遊走のメカニズムを力学的に検討できることを確認した.従来の細胞の力学応答解析あるいは薬剤感度試験はミリメートルスケールの培養空間の中で行われてきたものが大勢であり,高価な細胞試料や試薬類などの多量使用の問題はもちろんのこと細胞の不均質性の評価など個々の細胞を詳細に解析するには細胞培養空間スケールと細胞寸法スケールに大きな隔たりがあり最適な実験環境とは言えない.そこで本研究の目的は,研究代表者らが開発してきたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイス技術をさらに深化させ,細胞の物理環境計測・制御がマイクロメートルスケールの空間で実現できる多種多様なMEMSデバイスを開発することである.具体的には,細胞力学応答実験,細胞薬剤感度試験および細胞遊走性実験が可能なMEMSデバイスファミリーを開発する.以上の技術開発がマイクロメートル空間における次世代の細胞培養実験技術の標準化に資することを目指すものである.細胞力学応答実験としてマイクロウェル内底面に培養した内皮細胞に任意の流れを負荷できるようマイクロチャネル層を加工し,マイクロウェルスライドと接合させて流路を形成し内皮細胞の形態変化が観察できることを確認した.また細胞薬剤感度試験として,マイクロウェル内底面に培養した細胞に任意の濃度の試薬を負荷できるよう試薬層,希釈液層および混合層より構成される3層のマイクロチャネル層を積層化し,本デバイスの有効性を薬剤投与細胞実験により確認した.さらに細胞遊走性実験として,細胞牽引力計測用のマイクロピラーをマイクロチャネル底面に組み込み,細胞遊走時における細胞牽引力の経時応答を観察できるデバイスを開発した.26年度が最終年度であるため、記入しない。バイオメカニクス26年度が最終年度であるため、記入しない。

マイクロウェルスライドとマイクロフルイディクス層を接合する際のプラズマ処理の条件により接合が十分に達成されず,培養液漏れが生じてしまう問題があった.また,デバイス内は細胞培養条件としてやや低酸素濃度状態であり,長期培養時の条件によっては細胞が生存できない問題があった.研究実績の概要で掲げた細胞流れ負荷実験デバイスの開発,細胞薬剤感度実験デバイスの開発および細胞遊走実験デバイスの開発はほぼ順調に行われてきており,現在デバイスの検証実験を重ねハイスループット細胞培養実験デバイスとして有効であることを確認しつつある.ただし,今後さらに実験を継続していく中で改良点があれば検討し柔軟に対応していく.26年度が最終年度であるため、記入しない。細胞培養実験用MEMSデバイスの開発を引き続き進めていく.上記11で記述した問題点については,プラズマ処理条件の最適化およびマイクロフルイディクス層の薄膜化により現在デバイスの改良を進めているところであり解決可能であると考えている.これまでに開発を進めてきた,細胞流れ負荷実験デバイスの開発,細胞薬剤感度実験デバイスの開発および細胞遊走実験デバイスを用いて引き続き以下の研究項目を推進する.1.細胞流れ負荷実験デバイスの開発:引き続き細胞培養実験を継続しデータ数の増加に努める.特に形態変化に着目して異なる流れせん断応力に対する細胞応答観察を行う.また,マイクロウェル内底面に培養した細胞に層流を負荷するために,CFDによる流体解析を行い細胞周囲の流れ場を詳細に把握する.2.細胞薬剤感度実験デバイスの開発:引き続き細胞培養実験を継続しデータ数の増加に努める.試薬として細胞毒性のあるサポニンを利用し,細胞の生死判定により本デバイスの有効性を確認する.3.細胞遊走実験デバイスの開発:引き続き細胞培養実験を継続しデータ数の増加に努める.個々の細胞の経時的変化に着目し,集団細胞の遊走と個々の細胞の遊走を比較・検討する.以上の実験をまとめ,最終年度のまとめとして学会発表ならびに論文発表を積極的に行う.26年度が最終年度であるため、記入しない。マイクロウェルスライドとマイクロフルイディクス層を接合する際のプラズマ処理の条件により接合が十分に達成されず,培養液漏れが生じてしまう問題があった.また,デバイス内は細胞培養条件としてやや低酸素濃度状態であり,長期培養時の条件によっては細胞が生存できない問題があった.上記で記述した問題によりデバイス作製が予定より進まず,作製に関わる消耗品等の使用が抑えられていた.次年度はデバイスの改良に伴い消耗品等の購入を必要とするため,これにより「直接経費次年度使用額」を適切に使用する予定である.
コスモポリタンを使った種の壁の操作実験

Wolbachiaによる強い細胞質不和合(CI)によってもたらされる、寄主マメゾウムシの種分化の可能性について、実験的に検討を行った。Wolbachiaの除去実験や導入実験の結果、Callosobruchs属4種において、種分化へのWolbachiaの関与は検知できなかった。一方、4種の中でWolbachiaに寄生されているC. analisの9系統において、Wolbachiaの除去実験や導入実験を行った結果、CIは、寄主との共進化の歴史が長いほど、弱くなっていた。つまり、C. analisにおいてWolbachiaのもたらすCIの強さは、寄主との共進化の産物であった。アカイロマメゾウムシは少なくとも2種類の異なるWolbachiaが感染していることが明らかになった(今藤の貢献)。しかし、昨年(2011)行った解析の結果では、研究室で保有するアカイロマメゾウムシ9系統のうち、1系統がWolbachiaに感染されていないと判断されていたが、本年度簡易DNA抽出方法の改良を行った結果、9系統すべてがWolbachiaに感染されていることが明らかになった(徳永の貢献)。当該系統のWolbachia非感染を前提として行っていた実験がすべて振り出しに戻り、Wolbachia非感染系統はテトラサイクリンを使って作り直し、再度実験をすべてやり直すことになった。Wolbachiaのテトラサイクリンによる除去と同時に、インジェクションによる導入も試みた。前述の失敗の副産物として、すでにWolbachiaを持っている系統に、他の系統のWolbachiaを導入すると、系統の組み合わせによって細胞質不和合に一定のパターン、すなわち、当該Wolbachiaとのつきあいの長さが長ければ長いほど、細胞質不和合の度合いが低くなることを明らかにした。また、アカイロマメゾウムシのWolbachiaを、インジェクションにより同属の他種に導入する実験も行い、導入率が非感染のアカイロマメゾウムシに導入した場合に比べ、大きく低下することを明らかにした(徳永の貢献)。Wolbachiaの感染パターンとアカイロマメゾウムシの系統関係を解析した結果、片方のWolbachiaが系藤樹の根元で感染し、それに新しいWolbachiaが再度感染したという進化シナリオが明らかになった(今藤の貢献)。以上の成果を第60回生態学会にて発表した他、現在複数の論文を執筆中である。Wolbachiaを除去したCallosobruchus analisと、同属でWolbachiaに寄生されていない他種3種(Callosobruchus maculatus, C. sabinnotatus, C. rohdesianus)の掛け合わせ実験の結果、いずれも正常発生する受精卵を形成することはなかった。このことから、Wolbachiaがこれら同属内の種分化に寄与したという当初の仮説は棄却された。予備的に行ったC. maculatusとC. sabinnotetusの掛け合わせでは、Rugman-Jones and Eady (2010)らが報告している通り、C. sabinnotatusの雌とC. maculatusの雄の間ではinfertileなhybridが形成されるが、C. sabinnotatusの雄とC. maculatusの雌の間の卵は発生しないことが確認された。しかし、孵化の有無を無視して、産みつけられた卵数について調べてみると、Wolbachiaで見られるCIのパターンと似たパターンが得られた。WolbachiaがCallosobruchus属の種分化に関与している可能性がほぼ無くなったため、研究の方向性を、WolbachiaとC. analisの共進化の度合いと細胞質不和合(CI)の強さを明らかにすることにした。まずC. analisのWolbachiaを強制的にC. maculatusとWolbachiaを除去したC. analisに導入した場合、その導入個体への定着率はC. analisの方が高かった。ただし、導入されたWolbachiaはC. analisでもC. maculatusでも生殖細胞に入り込むことはなかった。また、CIを起こすC. analisと起こさないC. analisにおいて、CIを起こすWolbachiaがCIを起こさないC. analisに導入された場合に、高いCIを起こすことが明らかになった。すなわち、C. analisに見られるWolbachiaがもたらすCIの強さは、寄主であるC. analisと当該Wolbachiaの関係が長いほど、弱くなることが明らかになった。研究室に保有している地域系統(対象を当初の5系統から9系統に増加)すべてについて、単方向性および双方向性細胞質不和合のパターンを明らかにした。また、アカイロマメゾウムシに既知のWolbachia系統以外に、新たなWolbachia系統も発見し、これら2種類を区別することのできる遺伝マーカーを開発した(今藤氏の貢献)。その結果、細胞質不和合を起こすのは4系統で、そのすべてにWolbachiaが感染しており、残り5系統のうち4系統もWolbachiaに感染しており、残り1系統はWolbachiaに感染していないことが分かった(徳永の貢献)。アカイロマメゾウムシにおけるWolbachiaの伝搬率はほぼ100%であった。

一方、細胞質不和合の度合い(孵化率)は大きくばらつき、そのばらつきの度合いは、掛け合わせるアカイロマメゾウムシの系統の組み合わせ方にも大きく依存した。また、1雌由来の子孫集団に注目しても、孵化率は大きくばらつくことが分かった。この知見は従来の理論モデルの予測、すなわちWolbachiaの伝搬率が100%の時は不和合の度合いは強くなるという予測とはとは大きく異なるものであった。そこで、従来の理論モデルをレビューし、それらのモデルの元となっているFineの基本モデルについて再検討を試みた結果、Wolbachiaの伝搬率が100%の時はむしろ、不和合の強さはばらつきやすくなることを理論的に明らかにした。分子遺伝的な成果は今藤氏が中心となって、現在論文執筆中である。アカイロマメゾウムシにおける細胞質不和合のパターンや、不和合性の進化についての理論モデルについては、サイエンスインカレ、および日本生態学会にて発表を行った。これらの研究成果についても、徳永を中心に論文執筆中である。昨年度の成果としてのアカイロマメゾウムシのWolbachia感染パターンの解析に間違いがあったものの、失敗の副産物として、Wolbachiaの細胞質不和合の度合いがhostとの共進化の産物である直接的な証拠をつかむことができた。簡易DNA抽出はほぼ確立できたと思われ、数百個体規模の大量のPCR解析が廉価にできるようになった点は特筆に値すると思う。また、筑波大学生物科学専攻の千葉親文先生の御好意でマイクロマニュピュレーターを導入することができたため、インジェクションの成功率も向上することができ、等質で大量のインジェクションが行えるように技術革新することができた。当初の計画よりもアカイロマメゾウムシの系統数を増やしたものの、精力的に実験を行うことによって、すべての組み合わせについての細胞質不和合のパターンを明らかにすることができた。Wolbachiaの分子マーカーについても2012年になってすぐにプライマーを完成した。以上のように、当初の予定通りの進行状況であると判断できる。1)アカイロマメゾウムシに見られる2種類のWolbachiaの感染パターンとアカイロマメゾウムシの系統関係を明らかにする(今藤担当)。2) 2種類のWolbachiaをインジェクションすることによって、Wolbachiaとアカイロマメゾウムシの共進化の度合いを細胞質不和合の強さによって評価し、Wolbachiaのもたらす細胞質不和合のCallosobruchus属内部の種の壁への貢献度を明らかにする(徳永担当)。3)平成23年、24年度の予備実験により、アカイロマメゾウムシと近縁な3種(ヨツモンマメゾウムシ、ローデシアマメゾウムシ、C. sabinnotetus)の間では異種間交配後F2が得られないことが明らかになっている。
イオンビームプロセスによるB-C-N系ハイブリッド超硬質コーティング膜の創成

本研究ではc-BCNを含め、優れた機械的特性を有するB-C-N系薄膜の創成の可能性を探索することを目的とし、B,C原子の蒸着し、Nイオンを同時に照射する三元素同時制御によるイオンビーム支援蒸着法により成膜を行った。この方法はB-C-N系薄膜創成についての研究においては新たな手法であり、また、物性変化をもたらすパラメータである各元素の輸送比や基板温度、イオンの照射量やエネルギなどの独立制御が容易であることにより、様々な実験条件の変化に対応する微細構造、機械的特性の変化が明確にできる。1.イオンビーム支援蒸着法により形成されたB-C-N膜について・B-C-Nの3元素が5:2:3の割合で分布するB-C-N化合物であり、各元素はそれぞれ結合していた。・この構造は、基板に垂直に配向した六方晶的な相と、立方晶の構造に近い相の2相構造であった。2.Arイオンアシスト効果について・組成、結合状態はArが過剰になるまではほぼ一定であったが、構造においては立方晶的な相が相対的に増加する変化が見られた。・構造変化に伴い、硬度を最大23GPaまで向上させ、耐摩耗性も向上させることができた。・Arの割合がさらに増加、構造がアモルファスBCに近づくことにより、硬度、耐摩耗性は低下した。3.基板加熱および加速エネルギ変化による影響について・薄膜の機械的特性の改善は見られなかった。形成された、B-C-N薄膜はB-C-Nが三元的に結合する化合物であったこと、さらにArイオンアシストにより、薄膜の硬度、耐摩耗性の向上がみられたこと、またこの構造との相関を明確にでき、研究目的を満たす成果は得られた。さらに機械的特性に優れたB-C-N薄膜の創成は、立方晶組織の増加、結晶性の向上により可能であると思われる。[目的]ダイヤモンド、c-BNの中間的性質を持つといわれるc-BCNなどのB-C-N系薄膜の形成は、PVD、CVDなど様々な方法で研究されている。本研究では、イオンビーム支援蒸着法(IBAD)を用いて実験条件を変化させたときの微細構造と機械的特性の変化を明確にし、優れた機械的特性を有するB-C-N系薄膜の創成の可能性を検討すること目的とした。[実験方法]B-C-N薄膜の形成には、B,Cを同時に電子ビーム蒸着し、Nイオン、Arイオンを照射することによるIBADを用いた。基板にはSiを用い、B,Cの蒸着速度をそれぞれ6nm/s、イオン電流密度を1μA/mm^2でほぼ一定に保ち、ガス流量の比(Ar/N_2)を02、基板温度を室温723K、加速エネルギを0.51keVで変化させ、このときの膜の微細構造と機械的特性について評価した。[結果]基板温度を室温、加速エネルギを1keVとしてAr/N_2比を変化させたとき、AESによる分析でB-C-N薄膜の組成比は、Ar/N_2が01/3のとき、B:C:Nはおよそ5:2:3であったが、Ar/N_2を1、2と増加させることにより、この比が4:2:2、4:4:2へと変化し、Cが増加、Nが減少する傾向を示した。FT-IRでの分析結果は右図中央の3つのスペクトルに示されるようにAr/N_2の増加によりC≡Nは減少した。また、1400cm^<-1>

付近のピークは1300cm^<-1>付近までシフトし、結合状態はB-NからB-Cに近づく傾向にあった。ナノインデンテーションによる硬度測定では、Ar/N_2が0のとき10GPaであったが、Ar/N_2を1/3に増加させると21GPaまで上昇し、Ar添加による顕著な硬度上昇が確認された。本研究ではc-BCNを含め、優れた機械的特性を有するB-C-N系薄膜の創成の可能性を探索することを目的とし、B,C原子の蒸着し、Nイオンを同時に照射する三元素同時制御によるイオンビーム支援蒸着法により成膜を行った。この方法はB-C-N系薄膜創成についての研究においては新たな手法であり、また、物性変化をもたらすパラメータである各元素の輸送比や基板温度、イオンの照射量やエネルギなどの独立制御が容易であることにより、様々な実験条件の変化に対応する微細構造、機械的特性の変化が明確にできる。1.イオンビーム支援蒸着法により形成されたB-C-N膜について・B-C-Nの3元素が5:2:3の割合で分布するB-C-N化合物であり、各元素はそれぞれ結合していた。・この構造は、基板に垂直に配向した六方晶的な相と、立方晶の構造に近い相の2相構造であった。2.Arイオンアシスト効果について・組成、結合状態はArが過剰になるまではほぼ一定であったが、構造においては立方晶的な相が相対的に増加する変化が見られた。・構造変化に伴い、硬度を最大23GPaまで向上させ、耐摩耗性も向上させることができた。・Arの割合がさらに増加、構造がアモルファスBCに近づくことにより、硬度、耐摩耗性は低下した。3.基板加熱および加速エネルギ変化による影響について・薄膜の機械的特性の改善は見られなかった。形成された、B-C-N薄膜はB-C-Nが三元的に結合する化合物であったこと、さらにArイオンアシストにより、薄膜の硬度、耐摩耗性の向上がみられたこと、またこの構造との相関を明確にでき、研究目的を満たす成果は得られた。さらに機械的特性に優れたB-C-N薄膜の創成は、立方晶組織の増加、結晶性の向上により可能であると思われる。
希ガス原子ナノクラスターが分散した微細組織を持つ非晶質合金膜の構造解析と物性評価

本研究では、UBMスパッタ法により希ガス元素が高濃度に含有された金属ガラス膜を作製し、膜構造中に形成された希ガス原子ナノクラスターの構造および本クラスターが分散した微細組織構造を、走査透過型電子顕微鏡観察や軟X線解析を駆使して明らかにする。さらに、微細組織と膜の諸特性(機械的・熱的・電気的特性)の関係を解明する。本研究の成果により、希ガスの機能性添加元素としての新たな学術・応用分野の開拓が期待できる。
高強度レーザー場による光イオン化メカニズムの解明

本研究では、高強度レーザー光による分子のイオン化過程について研究を行った。アセチレンのイオン化では、アセチレンの1価イオンおよび2価イオンの生成において、レーザー偏光方向と分子軸が垂直な時にイオン化が起こりやすい事が観測された。これは、アセチレンの電子分布とくに最高被占軌道(HOMO)の形状を反映している事があきらかとなり、レーザー電場により電子が直接駆動されイオン化していることが明らかとなった。また、酸素分子のイオン化過程においても、1価イオンの生成はHOMOの形状を反映していることが観測されたが、一方、2価イオンでは分子軌道の形状とは異なるイオン化確率の角度依存性となっている事が分かった。今年度は,高強度レーザー場による光イオン化メカニズムの解明のための装置立ち上げを行った。フェムト秒レーザー光(800nm,50fs,6mJ/pulse)を用い,N_2およびC_2H_2をイオン化させ,質量分析器(MS)によって生成した親イオンおよびフラグメントイオンの測定を行った。研究実施計画に記載したように,本研究においては遅延時間の制御された2つのフェムト秒パルスの生成が不可欠であるため,電動ステージを購入し,パルスの遅延時間を制御できる計測系を作成し,N_2およびC_2H_2の分子配列信号を観測する事で,作成した装置の評価を行った。遅延時間を60fs程度の精度で掃引し,分子配列に由来するスパイク状の信号を観測した。シミュレーションとの比較もよく一致し,遅延時間の制御されたパルス対を生成できることを確認した。これにより,本研究で使用するイオン化光とプローブ光を生成する準備を完了した。上記のフェムト秒のシステムに加え、状態検出するためのナノ秒色素レーザーを新たに購入し,この立ち上げも同時に行った。440nmおよび600nmの波長において, 35mJ/pulse, 40mJ/pulseのエネルギーがそれぞれ得られた。状態検出するために必要な波長域は紫外領域であるため,色素レーザーの出力の2倍波(SH)を取る必要がある。BBO結晶およびコンピュータ制御の回転ステージを用いて,状態検出に必要な紫外光を発生させた。以上のフェムト秒パルス対の遅延時間システムおよびナノ秒色素レーザーのSH発生は一台のコンピュータで制御できるようにし,同時にMSからの信号もレーザー光と同期して1ショット毎に計測できるシステムを作成した。今年度,高強度レーザー場による光イオン化メカニズムの解明の実験を行った。具体的には,昨年度立ち上げた色素レーザーを用い,NO分子の回転温度を計測を行い,2K以下となっていることを確認した。回転温度が充分に冷えていることを確認したので,高強度フェムト秒レーザーパルス(ポンプ光)を種々の分子に照射し,非断熱分子配列を実現させた。イオン化過程を調べるため,分子軸が空間に固定された瞬間に,直線偏光の高強度レーザー場(プローブ光)を照射し,イオン化した。当初の計画では,生成したイオンの状態分布を計測予定であったが,本手法の方が電子運動を直接反映した情報が得られるため,ポンプープローブ法によりイオン化過程を調べた。アセチレン分子C2H2では,分子軸とイオン化光の偏光方向が平行な場合,垂直な場合に比べてイオン化確率が低い結果が得られた。これは,1価イオン,2価イオン両者が生成する場合において同じであった。この振る舞いを明らかにするため,イオン化確率の角度依存性をsin2θと仮定すると,実験結果を再現できた。これは,アセチレンの二つの炭素原子の2pz軌道の線形結合からなる最高被占軌道(HOMO)にある電子波動関数の広がりと対応しており,1価イオンの生成および2価イオンの生成は,主にHOMOから高強度レーザー場によってイオン化していることが明らかとなった。酸素分子に対しても同様の実験をおこなった。1価イオンの生成では,アセチレンと同様に,HOMO軌道からのイオン化として実験結果を上手く説明できた。しかし,2価イオンの生成に関しては,1価イオンとは異なり,分子軸と偏光方向が平行な場合,垂直な場合に比べてイオン化過程が大きくなる結果が得られた。HOMOからのイオン化ではこの結果を説明できず,HOMO-1,HOMO-2といった内側の軌道からのイオン化過程が重要な役割を果たしていると考えられる。昨年度は,一昨年度立ち上げた波長可変色素レーザーを用いて,レーザー評価のための中性NO分子のA-X (0,0)バンドを利用した共鳴多光子イオン化スペクトルの計測をおこなった。スペクトルの計測は上手く行ったが,NOサンプルガスの回転温度が充分冷ない( 20 K)問題が生じた。

さらなる低温条件(2 K以下)を実現するために,分子を噴射するパルスバルブとレーザーのタイミングの調整,サンプルの背圧を広い範囲で変化させる,パルスバルブの交換,などを行って回転温度が下がらない原因を調べている。フェムト秒レーザーは,一昨年度作成した光路長をコンピューター制御できるマイケルソン干渉計を用いて,イオン化光とプローブ光をすでに生成できるが,イオン化光とプローブ光の強度および偏光を独立に制御する必要があるため,マイケルソン干渉計の改良を行った。具体的には干渉計の片方の腕に,λ/2波長板,偏光子を入れ強度を制御できるようにし,その後にλ/2波長板を挿入しプローブ光の偏光を回せるようにした。これに伴い,干渉計内のビームスプリッターを無偏光のものに変え,偏光を回転させても出力が変化しないようにした。改良した干渉計が動作することを確認するために,プローブ光で分子配列させ,その後さまざまな偏光のイオン化光を照射してクーロン爆発によって生成したN2の二次元運動量分布を,質量分解運動量画像法を用いて行った。この結果,干渉計が上手く動くことを確認できた。さらに,イオン化光で生成したイオンの状態分布,特に回転分布を調べるためにはスペクトルから状態分布の情報を引き出す必要があり,そのために必要となるシミュレーションの計算機コードの作成も行った。具体的には,N2+イオンのA2Piu-X2Sg遷移にともなうスペクトルの回転構造をシミュレーションし,またスペクトル強度からポピュレーションを求めるプログラムを作成した。フェムト秒レーザー光によって生成したイオンを既に観測しており,また状態検出をする色素レーザーの立ち上げもほぼ完了した。本研究の重要なステップは,これらの要素を組み合わせてイオンの状態分布を観測する事である。主要な要素は今年度に立ち上がったため,研究は順調に進展している。25年度が最終年度であるため、記入しない。予定では昨年度に高強度レーザー光で生成したイオンの状態分布を計測する予定であったが,分子の回転温度が冷えない問題がありまだ状態分布の計測までは達成していない。しかし状態分布計測の色素レーザーおよびポンプ光とイオン化光のフェムト秒レーザーといった要素技術はほぼ確立した。また,スペクトルから分子の状態分布を評価するためには,初期状態分布と遷移確率からスペクトルシミュレーションを行い実験値と比較する必要がある。状態分布を求めるためには遷移確率を知っておく必要がある。そこで,N2+イオンのA2Piu-X2Sg遷移を想定した回転遷移確率(ヘンル・ロンドン因子)を求めた。今回の実験では,イオン化後の状態分布が角運動量の射影成分Mに依存していることが予測されるため,Mを含めたヘンル・ロンドン因子を導出した。これによってスペクトルから状態分布を評価することができるようになった。現在は回転温度を冷やすことに全力をあげており,まだイオンの状態分布は計測されていないが,この問題が解決することで当初の目的である状態分布の計測をただちに行うことが可能となり,研究はおおむね順調に進展している。今年度立ち上げたフェムト秒レーザーおよび色素レーザーを組み合わせ,フェムト秒レーザーで生成したイオンの状態分布の計測を行う。研究計画に関しての変更は無い。