hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
睡眠時の呼吸パターンの解明とその臨床的応用

本研究は、入眠時の呼吸パターンに着目し、睡眠改善に有効で安全な心理学的手法の開発を志向したものである。本研究により、(1)睡眠段階1と2において、呼気の時間が吸気よりも短くなること、(2)睡眠段階1と2の呼吸パターンに基づく呼吸調整によって、眠気が喚起され入眠潜時が短くなること、(3)精神疾患を有する者に対しても本法を安全に実施できること、が明らかになった。研究の意義と重要性:本邦では、成人の5人に1人が不眠をかかえているとされる。不眠症の治療の中心は薬物療法であるが、服薬に不安をいだく者も少なくない。そこで本研究では、睡眠改善に向けて安全で依存性のない心理学的手法を開発することを目指している。狭義の不眠症をはじめとして不眠傾向の者に対しても、睡眠改善の具体的方策を提供できるという点で、学術的領域においても社会的領域においてもその貢献度は大きい。研究の目的:睡眠時における呼吸の特徴について明らかにするとともに、入眠時の呼吸パターンを模倣することで睡眠に適した心理・生理的状態が喚起されるか検討する。1年目(平成23年)の実績:各睡眠段階における呼吸パターンを明らかにすることを目的にし、健常者10名を対象にして仰臥姿勢にて脳波・眼電図・筋電図・呼吸音・呼吸波形を測定した。その結果、睡眠段階1と2においては<呼気>:<休止+吸気>が約1:3となり、覚醒時および睡眠段階3と4の呼吸パターンとは異なることが明らかになった。2年目(平成24年)の実績:不眠傾向を有する大学生を対象にして、入眠時(睡眠段階1と2)における特有の呼吸パターンを模倣させることの効果について検討した。入眠時の呼吸パターンを模倣する前後で比較すると、実施後は有意に眠気が増すことが明らかになった。また、このプログラムの参加前よりも参加後において入眠潜時が有意に減少することが示された。本邦では成人の5人に1人が不眠をかかえているとされる(Kim et al., 2000)。不眠症に対して薬物療法が通常用いられるが、服薬に不安をいだく者も少なくない。その現状を踏まえ、本研究は睡眠改善に有効で安全な心理学的手法の開発を志向したものである。不眠の改善を考えるにあたり、入眠時の呼吸に着目して、(1)各睡眠段階における呼吸パターンの特徴、(2)呼吸調整(入眠時の呼吸パターンの模倣)による眠気の喚起や入眠促進の効果、(3)適用範囲、を明らかにすることを目的とした。(1)入眠時の呼吸パターン:各睡眠段階における呼吸パターンの特徴を検討した。健常者10名を対象にして仰臥姿勢にて脳波・眼電図・筋電図・呼吸音・呼吸波形を測定した。睡眠段階はRechtschaffen et al. (1968)の基準に従って判定し、1サイクルの呼吸に関しては呼気・休止・吸気の3相に分けてそれぞれの時間を求めた。その結果、睡眠段階1と2において、呼気が短く休止と吸気が長くなるという呼吸パターンが見出された。(2)呼吸調整の効果:不眠傾向を有する大学生12名を対象にして、入眠時の呼吸パターンを模倣することで眠気が喚起され入眠が促進されるか検討した。その結果、実施前よりも呼吸調整の実施後の方が有意に眠気が喚起され、プログラムの参加前よりも参加後において入眠潜時が有意に減少することが明らかになった。(3)適用範囲:精神疾患を有する外来および入院患者19名を対象にして。ストレス対処プログラムの一環として呼吸調整のセッションをおこなった。その結果、実施前よりも呼吸調整の実施後の方が有意に眠気が喚起されることが明らかになった。また、本法の実施による副作用は認められず、精神疾患を有する者を対象にしても安全に実施できることが確認された。研究の意義と重要性:本邦では成人の5人に1人が不眠をかかえているとされる。そこで、本研究では、睡眠改善に向けて安全で依存性のない心理学的手法を開発することを目指している。研究の目的:睡眠時における呼吸の特徴について明らかにするとともに、入眠時の呼吸パターンを模倣することで、睡眠に適した心理・生理的状態が喚起されるか検討する。平成23年度(1年目)の研究実績:各睡眠段階における呼吸パターンの特徴を明らかにすることを目的にした。健常者10名を対象にして、仰臥常態にて脳波・眼電図・筋電図・呼吸音・呼吸波形を測定した。睡眠段階は、Rechtschaffen and Kales(1968)の基準に従い判定した。また、1サイクルの呼吸を呼気・休止・吸気の3相に分けてそれぞれの時間を求めた。

呼気の時間を1として休止と吸気を合わせた時間との比率を求めると、覚醒期は1:2.2、睡眠段階1は1:3.0、睡眠段階2は1:2.9、睡眠段階3は1:2.5、睡眠段階4は1:2.6であった。ここから、睡眠段階1と2においては、〈呼気〉:〈休止+吸気〉が約1:3になり、覚醒期および睡眠段階3と4の呼吸パターンとは異なると言える。すなわち、覚醒から睡眠に移行する段階において、1サイクルの呼吸において呼気が短くなる独特の呼吸パターンを示すことが明らかになった。2年目(平成24年)に予定されていた実験は予定通り実施され、入眠時の呼吸パターンを模倣することにより、眠気が喚起されることが明らかになった。ただし、1年目の研究成果に関して論文投稿前の段階であり、2年目の研究においてもデータ分析を残している。以上より、2年目の研究の達成度は「やや遅れている」と評価した。平成23年度(1年目)においては、睡眠時における呼吸の特徴についての検討が予定されていた。その研究に関しては。実験実施およびデータ分析を終え、次年度に論文化の作業を進める予定である。今回の実験によって、パイロットスタディにおける手続き上の問題点も克服された。実験結果から、睡眠段階1と2に共通する呼吸パターンを見出すことができた。以上より、初年度の達成度は「おおむね順調に進展している」と評価できる。3年目(平成25年度)においては、これまでの研究成果を不眠症治療で活かすため、臨床事例の蓄積をおこない、合わせて手続きの明確化を目指す。具体的には、不眠症のクライエントへの本法を活用するなかでどのような効果および副作用があるかを検討し、CBT-I(不眠症のための認知行動療法)に何を加えていくかという実施プログラムの再編をおこなう。また、これまでの成果を論文にして公刊するとともに、地域への情報発信をおこなう。平成24年度(2年目)は、呼吸模倣を用いた睡眠誘導についての検討が予定されている。呼吸は自律的活動でありながら、意図的にコントロールすることもできる。初年度に明らかにできた、入眠時の呼吸パターンを意図的に模倣・再現することで、入眠に適した心理・生理状態を喚起できるか実験的に検討する。対象者は、不眠傾向を有する大学生40名を実験群と統制群に分けることを計画中である。呼吸模倣にあたっては、睡眠段階1ー2の呼吸を録音したCDを作成し、その音声をもとに呼吸を模倣させていく。平成25年度(3年目)は、不眠症のクライエントへの本法を適用するなかで、どのような反応が起こるか、本法を導入したことから生じる影響を捉えていく予定である。その成果を踏まえて、睡眠改善を目的とした心理教育プログラムを整える。2年目において、福島県内の精神病院の実施する震災被災者の支援プログラムの一環として1年目の研究成果を活用することを計画していた。しかし、実際には不眠症の改善に関するニーズがなく、そのかわりに病院内のストレスマネジメントの一つとして研究成果を活用することになった。そのように、研究計画の一部が縮小されたため、当該助成金が生じた。3年目(平成25年度)においては、実験実施およびデータ入力・整理・分析のための人件費をはじめとして、統計ソフトの購入、情報収集のための旅費、リーフレットや質問紙作成のための印刷代、論文化を進めるための翻訳代などを予定している。
ナノ構造セラミックスのバイオミメティック合成と高機能化

19世紀より発光現象(PSL)は報告されていZnS:Cu蛍光体は燐光を発する蛍光体として良く知られており、19世紀初頭より様々な分野で用いられてきた。この蛍光体は緑色の蛍光(530nm)を示し、人間が視覚で認識するにあたり適した波長の光である。しかし、すべての用途に対して十分な発光強度を有するわけではなく、また、2,3時間以上の発光を持続するものでもない。また、SrAl_2O_4:Eu^<2+>蛍光体も緑色の蛍光(520nm)を発することで知られている。この蛍光体の研究は主に1960年代から1970年代初期にかけてランプやカソード(CRTの陰極)として研究された。Palillaらは、初期の早い発光減衰のあと、とても低い発光レベルの長い持続光があることを報告した。1990年代に入り、SrAl_2O_4:Eu^<2+>、Dy^<3+>,CaAl_2O_4:Eu^<2+>、Nd^<3+>、SrAl_<14>O_<25>:En^<2+>、Dy^<3+>といった新しい発光材料が報告された。これらの蛍光体はとても発光強度が強く、夜中発光するだけの超寿命を有していた。これらの高い特性により、蛍光体は多くの分野で用いられるようになった。私の研究目的は、蛍光材料のセラミックタイルとしての応用を研究することであり、大気中での焼成により発光特性を有しない原因の解明、また、水溶液中での蛍光材料の作製に関するものである。電子空孔トラップ理論により説明される。Eu^<2+>がであり、SrAl2O4:Eu^<2+>が蛍光を発するか否かを決定する。Dy^<3+>は補助的な活性物質であり、蛍光体寿命および、発光強度を決定する。蛍光体中にが存在しない場合、発光しないのである。そのため、Eu^<2+>は発光材料にとって非常に重要である。なぜ高温焼結後に発光を示さないのかという疑問を、各種手法により明らかにした(XRD、TG-DTA、XPS、SEM、EDX、蛍光測定)。それは、蛍光体中のEu^<2+>がEu^<3+>に酸化され、蛍光体中に存在しなくなる為である。この問題は焼成雰囲気に窒素を用いることで解決できた。言い換えると、焼成前の蛍光体に比べて、焼成後に於いても発光強度、励起時間、発光波長等に変化はなかった。窒素焼成以外にも、蛍光体の発光特性保持に対していくつかのアプローチがなされた。透明SiO2膜での蛍光体コーティングについても研究を行った。透明SiO2ゾル膜はSi(OC2H5)4の加水分解により調整された。いくつかの蛍光材料をエタノール中に分散し、その後SiO2ゾル中に分散し、ゲル化するまで65°Cで撹拌した。ゲルは乾燥後1300°Cで1時間大気焼成した。また、この際、いくつかのモル比(蛍光体:SiO2)により実験を行った。さらに、フッ素配位子を用いての、水溶液からの蛍光体作製も試みた。

それは、蛍光体中のEu^<2+>がEu^<3+>に酸化され、蛍光体中に存在しなくなる為である。この問題は焼成雰囲気に窒素を用いることで解決できた。言い換えると、焼成前の蛍光体に比べて、焼成後に於いても発光強度、励起時間、発光波長等に変化はなかった。窒素焼成以外にも、蛍光体の発光特性保持に対していくつかのアプローチがなされた。透明SiO2膜での蛍光体コーティングについても研究を行った。透明SiO2ゾル膜はSi(OC2H5)4の加水分解により調整された。いくつかの蛍光材料をエタノール中に分散し、その後SiO2ゾル中に分散し、ゲル化するまで65°Cで撹拌した。ゲルは乾燥後1300°Cで1時間大気焼成した。また、この際、いくつかのモル比(蛍光体:SiO2)により実験を行った。さらに、フッ素配位子を用いての、水溶液からの蛍光体作製も試みた。
セラミックス/金属接合界面に生ずる活性金属の偏析層の生成機構と接合界面の組織制御

(1)Sic,AI_2O_3,ZrO_2,Si_3N_4などについてTSC(熱衝激電流)を測定すると、AIN,ZrB_2と同様電導度の増大する温度付近より発生し、セラミックスが負であり、その起電力は、温度依存性があり、最大値を持つ曲線であって、単純な熱起電力とは異質のものであることが判った。ろう付温度の1100k以上の温度で、セラミックス側が負に帯電する分極が維持される。(2)IVa族の活性金属Ti,Zr,Hfなどを含有するCuろうを用いて,セラミックスと金属を接合すると、セラミックの界面に、これら活性金属が偏析する。(3)この偏析機構を説明するために、TSC分極がDriving Forceとなっていると考へ、この程度の分極でもろう中の活性金属が電解移動することを証明するために、外部より電界を加え、微小な電界と小電流でセラミックスが正となるように電解すると,偏析を打ち消すことができることを見出した。逆にセラミクスが負である電界によって偏析が生じることを明かにできた。これらからろう材中の活性金属は電解移動しやすく、セラミックスのTSC分極は、成分の偏析移動のDriving Forceとなっていることを証明でき、新しい偏析機構説を提案するに至った。(4)外部電界によって、ろう接界面の偏析層厚さを制御できる可能性を探るため、AINと同様にZrB_2,Si_3N_4を用い験を行ない、いずれの場合も、電界の強さに比例して偏析層が厚くなること、電解時間に比例して厚くなること、温度依存性は少ないことなどを見出し、外部電界によって偏析層厚さを制御できることが明かにできた。(5)Si_3N_4の場合、TSCは負に分極する直前に正に分極しているが、ろう接温度域では再び負に分極し、活性金属の偏析が生ずるが、ろう中には、Siの溶出が見られ、セラミックス自信の電解移動も考慮する必要があることが判った。(1)AIN,ZrB_2について、熱衝撃電流(TSC)を測定した結果、絶縁生の高いAINは900k付近から負に分極するが、室温でも電導度を有するZrB_2は、500k付近から分極し,その分極起電力は、AINに比し2桁小さいことが判った。しかしながら、電導度は、ZrB_2の方が2桁以上大きいことから、得られる電気量は、大差ないことが予想されるに至った。SiC,Si_3N_4,AI_2O_3,ZrO_2についてもTSCを測定してみた結果、いずれも負に帯電し、TSC発生温度は、対となる金属及び、これの変態とは無関係に、セラミックス固有と思われる温度から発生し、その結晶構造、すなわち、共有結晶、イオン結晶性によって、発生温度に差を生ずるが、本質的には、真性半導体化する温度の高低に依存するのではないかと予想するに至った。界面に接する金属との間で、電子、正孔の消滅が原因して分極し、分極起電力を発生、融体金属に対して電界偏倚を誘発するに至るものと予測される。(2)界面における含Tiろう材中のTiは、セラミック界面に偏析し、外部電界によってその量は変化し、偏析量を制御できることを明らかにすることができた。すなわち、偏析量は、電流の大きさ、電解時間に比例する。

また通電量が一定ならば、ろう付温度には無関係に一定であることが判り、Faraday則を満足することが判った。(3)インピ-ダンス測定による解析は、未だ十分出はないが、分極と電導度とは直接関係がないように考えられる。次年度にも解析を続ける予定である。(4)この研究の過程で、この現象を利用すると、金属/セラミクス複合材の界面組織の制御のために合金成分が如何にあるべきか、合金設計の指針が得られるように思われるので、この研究の体系化により次は、健全な金属/セラミクス複合材の製造とその性能改善の為の理論として取り上げ、取り組んでみたいと考えている。(1)SiC,Al_2O_3,ZrO_2,Si_3N_4などについてTSC(熱衝撃電流)を測定すると、AIN,ZrB_2と同様電導度の増大する温度付近より発生し、セラミックスが負であり、その起電力は、温度依存性があり、最大値を持つ曲線であって、単純な熱起電力とは異質のものであることが判った。ろう付温度の1100k以上の温度で、セラミック側が負に帯電する分極が維持される。(2)IVa族の活性金属Ti,Zr,Hfなどを含有するCuろうを用いて,セラミックスと金属を接合すると、セラミックスの界面に、これら活性金属が偏析する。(3)この偏析機構を説明するために、TSC分極がDriving Forceとなっていると考へ、この程果の分極でもろう中の活性金属が電解移動することを証明するために、外部より電界を加え、微小な電界と小電流でセラミックスが正となるように電解すると,偏析を打ち消すことができることを見出した。逆にセラミックスが負である電界によって偏析が生じることを明かにできた。これらからろう材中の活性金属は電解移動しやすく、セラミックスのTSC分極は、成分の偏析移動のDriving Forceとなっていることを証明でき、新しい偏析機構説を提案するに至った。(4)外部電界によって、ろう接界面の偏析層厚さを制御できる可能性を探るため、AINと同様にZrB_2,Si_3N_4を用いて実験を行ない、いずれの場合も、電界の強さに比例して偏析層が厚くなること、電解時間に比例して厚くなること、温度依存性は少ないことなどを見出し、外部電界によって偏析層厚さを制御できることが明かにできた。(5)Si_3N_4の場合、TSCは負に分極する直前に正に分極しているが、ろう接温度域では再び負に分極し、活性金属の偏析が生ずるが、ろう中には、Siの溶出が見られ、セラミックス自信の電解移動も考慮する必要があることが判った。
高校数学科におけるテクノロジーを活用する実験教科書の作成

本年度は、研究の最終年度にあたり、成果の発表と教材の開発を行った。(1)テクノロジーを活用した統計教材の開発次期指導要領の高等数学科「数学基礎」における統計教材を、筑波大学教育研究科院生久保田聡とともに開発した。基本的には、米国の数学教師協議会(NCTM)とアメリカ統計学会(ASS)が開発したQuantitative Literacy育成のためのData Driven Approachを用いた統計教材を参考にして、日本の高校生向けの統計教材を開発した。ソフトウェアとしては汎用性ならびに普及の点からExcelを用いることを中心にした。(2)研究成果の発表サンフランシスコで開催された第70回米国数学教師協議会(NCTM)の年会のパネルディスカッション:「テクノロジーは成績に良い影響を与えるか」において、日本のテクノロジー利用の現状を紹介するとともに、研究成果の発表を行った。本年度は、(1)テクノロジー活用の方針の検討ならびに(2)「数学I」ならびに「数学A」に関する内容の決定を研究計画として予定していた。それぞれの課題に対して、次のような研究を進めた。(1)テクノロジー活用の方針様々なソフトウエアや機器を収集し、検討した結果、基本的には、利用するテクノロジーとしては数学用汎用ソフトウエアとグラフ電卓を中心とすることとし、CAIコースウエアなどのような単元や内容に依存したソフトウエアは使用しないこととした。さらに、一般に普及したソフトウエアも対象とすることとした。(2)「数学I」ならびに「数学A」に関する内容の決定指導要領の改訂に伴い現行の「数学I」ならびに「数学A」に、「基礎数学」が高校1年生の選択必修科目として加わることとなった。そのため、「基礎数学」も含んだ内容の検討を行った結果、統計領域についての教材を開発することに決定した。その決定に従い、諸外国の統計教育のテキストならびに統計教材、さらには統計教育に関する研究を収集し、検討を加えた。また、これまでの図形教育に関する研究成果を書籍として刊行した。
ＡｄＳ／ＣＦＴ対応による非平衡定常物理学への新アプローチ

本研究ではAdS/CFT対応を用いて、非平衡系の物理的性質の解析を行った。AdS/CFT対応は、非平衡系を一般相対性理論(重力理論)で記述することを可能にする対応関係である。本研究ではこの手法を用いて、物質の非平衡状態のみで見られる相転移現象を理論的に発見することができた。また非平衡定常状態で物理量の揺らぎが感じる温度、有効温度を重力理論の言葉で計算し、その振る舞いを調べることができた。さらに、平衡系で知られている熱力学と類似の法則が、非平衡定常状態でどの程度成立し得るのかについて重要なヒントを与える物理量を、重力理論で定義することができた。本年度は、前年度に発見した、新奇な非平衡相転移に関する詳細な解析をAdS/CFT対応を用いて進めた。さらに、非平衡定常系における有効温度に関する研究、量子異常が非平衡系に与える影響の研究、を進めた。1)新奇な非平衡相転移に関する詳細な解析:前年度に発見した、定常電流存在下で発現し得る新奇な非平衡相転移について、AdS/CFT対応を用いて詳細に解析し、非平衡二次転移点における臨界指数などを求めた。得られた臨界指数からは背後に平均場理論の存在が示唆され、今後のモデル構成などに対する示唆が得られた。また、実験物理学者との意見交換も進め、より実験系のセットアップに近い状況での計算も進めた。2)非平衡定常系における有効温度の研究:非平衡定常系では、着目系に対する有効温度を定義できる場合があり、その有効温度は一般に、接する熱浴の温度とは異なる。AdS/CFT対応を用いると、この有効温度に対する新たな視点が重力理論の枠組みで得られる。本研究では有効温度の具体的な計算をAdS/CFT対応を用いて進め、非平衡定常系における有効温度の挙動について、新たな知見を得た。3)量子異常が非平衡系に与える影響の研究:定常電流の流れる非平衡定常系に、カイラル量子異常がある場合の挙動について、AdS/CFT対応を用いて調べた。その結果、カイラル量子異常の大きさや、系の電流密度の大きさがある程度以上大きな系では、系に不安定性が現れることを見出した。本年度は、前年度までに発見された新奇な非平衡相転移、非平衡臨界点について理解を深めるために、モデルの詳細な解析に着手した。しかし、その解析の途上で、非平衡定常系に特有な有効温度の概念が、AdS/CFT対応の枠内では自然に現れることを見出した。具体的には、AdS/CFT対応を通じて重力理論による非平衡定常系の記述を行うと、一種のブラックホールのホライズンが現れ、そこでのホーキング温度から、非平衡定常系に固有の有効温度が定義される。この有効温度は、非平衡定常系が接している熱浴の温度とは、一般的に異なる値を持つ。そこで、当初予定を変更し、この有効温度の振る舞いを系統的に調査することにした。その結果、非平衡定常系の有効温度は、平衡状態の温度よりも下がる場合があることを発見した。この結果は一見、直観に反するが、何ら物理法則には反しておらず、既存の物性理論の研究でも、ごくまれな例として、そのような有効温度の振る舞いは知られていた。さらに、この有効温度は非平衡定常状態まわりの物理量の揺らぎと密接に関連していることを見出した。具体的には、平衡系で成立する揺動散逸関係式が非平衡定常状態に一般化され、その一般化された揺動散逸関係式に現れる温度が、上記の有効温度に厳密に一致することを見出した。また、この一般化された揺動散逸関係式から、有効温度と揺動、すなわち系の雑音の関係を得ることが出来、その結果、系を非平衡にドライブすることで、雑音が減少する場合(負性過剰雑音)があることも見出した。これらの現象は、いずれも、既存の手法ではアプローチが難しい、非線形領域において初めて見られる。このように、既存の手法では困難な領域においてAdS/CFT対応を用いて非平衡定常系の有効温度と揺らぎを解析し、興味深い多くの例を見出すことができた。本年度は、AdS/CFT対応を用いて、強相関電荷系における非バリスティックな非線形電気伝導、特にその負性微分抵抗とその振る舞いを系統的に研究した。その結果、1)非平衡定常状態における熱力学ポテンシャルの定義を提案し、さらに2)非平衡定常状態のみで見られる新規な相転移および臨界点・臨界現象を発見した。1)非平衡定常状態における熱力学ポテンシャルの定義の提案AdS/CFT対応を用いると、非バリスティックな定常電流の存在する強相関電荷系の物理量、すなわち非平衡定常状態における物理量の計算を、古典重力理論の解析力学を用いて行うことが可能となる場合がある。

古典重力理論側の解析力学に基づく計算は、基本的に変分原理に立脚しており、この意味で変分原理の拠り所となる有効作用の概念が明確となる。本研究ではこのAdS/CFT対応の顕著な性質を利用し、重力理論側の変分原理からの類推を用いて、非平衡定常状態における熱力学ポテンシャルを提案し、かつ具体的に計算することに成功した。2)新規な非平衡相転移および非平衡臨界点の発見定常電流の流れる非平衡定常状態にあるゲージ理論プラズマ(強相関電荷系)が接する熱浴の温度を変化させながら、系の非線形電気伝導を系統的に調べたところ、負性微分抵抗から正の微分抵抗への転移がクロスオーバーではなく二次相転移、あるいは一次相転移となりうることを発見した。また二次相転移点(臨界点)近傍では、伝導度などの物理量の振る舞いにスケーリング則が存在し、臨界指数を定義できることも見出した。これらの現象は、全て、定常電流存在下のみで発現する非平衡現象であり、ここで発見されたものは非平衡相転移・非平衡臨界点である。本年度は、前年度までに見出された非平衡定常系の有効温度について、その振る舞いをAdS/CFT対応を用いて系統的に調査した。前年度までの研究では、解析対象の非平衡定常系を比較的単純なものに限定していたが、本年度は、より一般的な系を解析した。具体的には以下の通りである。ここで扱う非平衡定常系の一つは、定常電流の流れる系である。従来の解析では、定常電流を担う荷電粒子として、正電荷を担う粒子と負電荷を担う粒子の双方が同数含まれる系、すなわち平均の電荷密度がゼロである系を解析していた。本年度の解析では、この電荷密度がゼロでない場合に解析を拡張した。また前年度までの解析では、荷電粒子の質量がゼロである特別な状況を扱っていたが、本年度の解析では荷電粒子の質量が一般の場合について広く解析を行った。その結果、次のような結果が得られた。荷電粒子の電荷密度を増やすことで、非平衡定常系の有効温度はより低くなる傾向が得られた。さらに、同じ傾向は、荷電粒子の質量を増やすことでも得られた。荷電粒子の質量を増やすと、系で生じている正負電荷対の対生成は抑制され、さらに電荷密度を増やすことで電流に占める対生成由来の荷電粒子の寄与は相対的に低くなることから、ここで得られた解析結果は、対生成の抑制は有効温度を下げる働きがあるものと解釈される。さらに、質量無限大の極限をとった結果は、単独の荷電粒子を外力で牽引するランジュバン系で得られた有効温度と一致することも分かった。従って、これまでの一連の解析の整合性も、この意味において確認することができた。これらの研究成果は学術論文として発表した。上記以外にも、非平衡定常状態の自由エネルギーと熱力学に関する研究、量子異常による非平衡定常系の不安定性の研究も行い、現在、いずれも論文出版の準備を進めている。また非平衡相転移の系統的解析の研究も推進し、進展が得られている。素粒子理論交付申請文書に記載した研究目的は1)AdS/CFT対応を用いて強相関電荷系における非バリスティックな負性微分伝導を解析し、その発現メカニズム、負性微分抵抗由来の電流発振現象など、関連する物理現象を明らかにする、2)非平衡定常系に対し提案されている各種関係式やオンサガーの変分原理を、平衡から離れた量子系においてAdS/CFT対応の手法で検証し一般化する、の2点であった。
分子シミュレーションに基づく和周波発生の理論の深化

液体や高分子界面を含めた幅広い界面構造解析において強力な実験計測手法である和周波発生分光法に対して、代表者は世界的に初めて分子シミュレーションに基づく理論解析手法を提案し、開発を行ってきた。本年度は水表面における和周波発生の位相測定について、理論計算に基づく精密な解析を与えた。従来より非線形感受率の位相は分子配向と関係する量として知られており、近年Shenや田原らのグループによって水表面の非線形感受率の位相が測定された。それによると水表面で強く水素結合して低波数シフトした領域では、非線形感受率の虚部の符号が正であることが明らかとなり、これは従来の水分子の配向とは対応がつかない結果を与えた。それらを受けて本研究では、精密な分子シミュレーションに基づいて、位相と分子配向の関係を理論的に明らかにした。強い水素結合を正しく記述するようにcharge response kernelの分子モデルに改良を加え、実験結果を再現することに成功した。さらにその解析の結果、非線形感受率の位相は分子配向とは必ずしも対応せず、界面特有の異方的な局所電場のために分子の配向とは異なる向きの遷移双極子モーメントが生成するためであることを明らかにした。これは分子間の配向相関を反映した効果である。非線形感受率の位相と分子配向の関係について、従来の理解を超えた扱いが必要であることを分子シミュレーションに基づいて実証した。本研究では、研究代表者が提案してきた和周波発生の理論を精密化し、より信頼性と実用性の高い理論解析方法を開発するとともに、それを界面系で実証する。本年度には、我々が提案し開発したcharge response kernel理論に分子振動を加えて拡張し、和周波分光の分子シミュレーションを行うための汎用分子モデルを開発した。それを用いて、硫酸水溶液などの電解質水溶液およびメチル基のC-H振動を表現できる分子モデルを求め、液およびでの分子シミュレーションを行ってその妥当性を確認した。とくにメチル基のC-H伸縮振動は、フェルミ共鳴を含めて多くの振動バンドが混在し、理論計算による解釈が求められていた。本分子モデルでは、メタノール液体を例にとってバルクの赤外、ラマン、および液体界面の和周波スペクトルを説明しうることを実証した。
高配向カーボンナノチューブ膜の電揚印加による高摩擦・耐摩耗機能発現

本研究では配向性カーボンナノチューブ(CNT)膜同士の摩擦において、上下方向に電場を印加し、CNTの傾倒を防ぎ、CNT同士がラチェッティング作用でかみ合うことにより高摩擦の発現を実現する事を試みる。そのため、初めに,配向性CNT膜へのダイヤモンド圧子の押し込みにおける荷重変位特性を求め,摩擦に大きな影響を及ぼす真実接触面積の推定方法を提案した.また,配向性CNT膜へのダイヤモンド圧子の押し込みの荷重変位曲線に及ぼす電場の影響を明らかにすることを試みた.得られた主な成果を以下に示す.(1)配向性カーボンナノチューブ膜の真実接触面積の推定法の提案配向性カーボンナノチューブ膜として、長さと太さの異なるカーボンナノチューブ膜を創製した。得られたCNT配向膜にBerkovich型のダイヤモンド圧子の微小押し込みを行いその際の荷重変位特性を求めた.その結果,ある押し込み荷重以上で座屈が発生した.そこで,座屈現象を考慮した押し込みモデルを提案し,微小押し込みにおける真実接触面積の推定方法を提案した.(2)電場印加時の配向性ナノチューブ膜の垂直方向剛性の測定研究代表者の現有設備である微小押し込み摩擦装置において接触点に電場を印加できるように装置の改良を施した。具体的には、現有設備の圧子と平面試験片ホルダーの周囲の絶縁を十分にとる。平面試験片上の配向性ナノカーボン膜に、最大10kVまでの直流電場あるいは交流電場を印加し、個々のカーボンナノチューブの剛性を変化させた。しかし,静電気力が大きく電場を印加しても配向性カーボンナノチューブ膜の垂直方向の剛性の明確な変化は観測されなかった.本研究では配向性CNT膜同士の摩擦において、上下方向に電場を印加し、CNTの傾倒を防ぎ、CNT同士がラチェッティング作用でかみ合うことにより高摩擦の発現を実現する事を試みる。そのため、配向性CNT膜同士の摩擦摩耗に及ぼす電場の影響を明らかにし,配向性CNT膜同士の電場印加による高摩擦・耐摩耗性の発現の可能性を明らかにする。(1)配向性ナノチューブ膜の創製と基本的摩擦摩耗特性の評価配向性カーボンナノチューブ膜として、JFCCの楠らの考案したSiCの高温分解法の基本原理を応用し、創製した。また,得られたCNT配向膜の直径8mmの窒化ケイ素球との摩擦実験を行い,剥離荷重を明らかにした.更に剥離した箇所をAFMにより詳細に観察し,根本から折れる破壊形態であることを示した.(2)電場印加時の配向性ナノチューブ膜の垂直方向剛性の測定研究代表者の現有設備である微小押し込み摩擦装置において接触点に電場を印加できるように装置の改良を施す。具体的には、現有設備の庄子と平面試験片ホルダーの周囲の絶縁を十分にとる。交直流アンプを購入し、平面試験片上の配向性ナノカーボン膜に、最大10kVまでの直流電場あるいは交流電場を印加し、個々のカーボンナノチューブの剛性を変化させる。圧子の押し込み及び水平移動時の反力を測定し、配向性ナノチューブの膜の垂直及び水平方向の剛性に及ぼす電場の影響を明らかにする.その結果,電場により剛性が変化することが明らかになった.本研究では配向性カーボンナノチューブ(CNT)膜同士の摩擦において、上下方向に電場を印加し、CNTの傾倒を防ぎ、CNT同士がラチェッティング作用でかみ合うことにより高摩擦の発現を実現する事を試みる。そのため、配向性CNT膜同士の摩擦摩耗に及ぼす電場の影響を明らかにし、配向性CNT膜同士の電場印加による高摩擦・耐摩耗性の発現の可能性を明らかにする。(1)配向性ナノチューブ膜の基本的摩擦磨耗特性の評価配向性カーボンナノチューブ膜として、長さの異なるカーボンナノチューブ膜を創製した。得られたCNT配向膜の直径8mmの窒化ケイ素球とのピンオンディスク型摩擦実験を行い,剥離荷重を明らかにした.その結果,10mN以上の荷重(最大面圧が162MPa以上)において剥離することが明らかになった.また,AFMにより詳細に観察することで,根本から折れる破壊形態であることを示した.(2)電場印加時の配向性ナノチューブ膜の垂直方向剛性の測定研究代表者の現有設備である微小押し込み摩擦装置において接触点に電場を印加できるように装置の改良を施した。平面試験片上の配向性ナノカーボン膜に、最大10kVまでの直流電場あるいは交流電場を印加し、個々のカーボンナノチューブの剛性を変化させる。圧子の押し込み及び水平移動時の反力を測定し、配向性ナノチューブの膜の垂直及び水平方向の剛性に及ぼす電場の影響を明らかにする.その結果,電場により剛性がわずかだが変化することが明らかになった.今後,種々の長さのCNTに対して行う必要が有ろうと思われる.本研究では配向性カーボンナノチューブ(CNT)膜同士の摩擦において、上下方向に電場を印加し、CNTの傾倒を防ぎ、CNT同士がラチェッティング作用でかみ合うことにより高摩擦の発現を実現する事を試みる。

そのため、初めに,配向性CNT膜へのダイヤモンド圧子の押し込みにおける荷重変位特性を求め,摩擦に大きな影響を及ぼす真実接触面積の推定方法を提案した.また,配向性CNT膜へのダイヤモンド圧子の押し込みの荷重変位曲線に及ぼす電場の影響を明らかにすることを試みた.得られた主な成果を以下に示す.(1)配向性カーボンナノチューブ膜の真実接触面積の推定法の提案配向性カーボンナノチューブ膜として、長さと太さの異なるカーボンナノチューブ膜を創製した。得られたCNT配向膜にBerkovich型のダイヤモンド圧子の微小押し込みを行いその際の荷重変位特性を求めた.その結果,ある押し込み荷重以上で座屈が発生した.そこで,座屈現象を考慮した押し込みモデルを提案し,微小押し込みにおける真実接触面積の推定方法を提案した.(2)電場印加時の配向性ナノチューブ膜の垂直方向剛性の測定研究代表者の現有設備である微小押し込み摩擦装置において接触点に電場を印加できるように装置の改良を施した。具体的には、現有設備の圧子と平面試験片ホルダーの周囲の絶縁を十分にとる。平面試験片上の配向性ナノカーボン膜に、最大10kVまでの直流電場あるいは交流電場を印加し、個々のカーボンナノチューブの剛性を変化させた。しかし,静電気力が大きく電場を印加しても配向性カーボンナノチューブ膜の垂直方向の剛性の明確な変化は観測されなかった.
タンパク質内部高秩序環境場におけるピリドキサールリン酸の光反応ダイナミックス

酸素中のピリドキサール5'ーリン酸(PLP)のシッフ塩基は,通常340nm付近と420nm付近に吸収極大を持ち,それぞれエノールイミン型(E),ケトエナミン型(K)である.今回はPLPシッフ塩基のモデル化合物として,0.1mMPLPと10mMプロピルアミンを混合して得たPLP-プロピルアミンシッフ塩基を検討した.E型をナノ秒レーザー光(347.2nm)で励起すると,過渡吸収スペクトル(λmax=460nm)が励起直後から観測される.過渡吸収強度の減衰寿命は20%エタノール-80%ジオキサン中では280ナノ秒,100%エタノール中では70ナノ秒と溶媒によって異なる.K型をフェムト秒レーザー光(398.0nm)で励起すると過渡吸収スペクトル(λmax=470nm)が励起直後から観測される.この場合の過渡吸収強度の減衰寿命は25ピコ秒と6ナノ秒の2成分である.PLP-プロピルアミンシッフ塩基のE型およびK型のいずれを励起しても約530nmに極大を持つブロードな蛍光スペクトルが得られる.蛍光減衰は寿命30ピコ秒と7.1ナノ秒で,フェムトレーザーによりK型を励起したときに得られる470nmの過渡吸収の寿命とほぼ一致してる.以上の結果より,我々は以下のように現段階では考えている.すなわち,(1)蛍光状態はK型の励起状態K^*である.(2)K型の励起によって得られる過渡吸収(λmax=470nm)はK^*の吸収である.(3)E型の励起状態E^*とK^*とは非常に速い平衡状態にあると予想される.(4)E型の励起によって得られる過渡種(λmax=460nm)は,PLPの光反応ダイナミックスのスキームのどこにくるかは不明である.酸素中のピリドキサール5'ーリン酸(PLP)のシッフ塩基は,通常340nm付近と420nm付近に吸収極大を持ち,それぞれエノールイミン型(E),ケトエナミン型(K)である.今回はPLPシッフ塩基のモデル化合物として,0.1mMPLPと10mMプロピルアミンを混合して得たPLP-プロピルアミンシッフ塩基を検討した.E型をナノ秒レーザー光(347.2nm)で励起すると,過渡吸収スペクトル(λmax=460nm)が励起直後から観測される.過渡吸収強度の減衰寿命は20%エタノール-80%ジオキサン中では280ナノ秒,100%エタノール中では70ナノ秒と溶媒によって異なる.K型をフェムト秒レーザー光(398.0nm)で励起すると過渡吸収スペクトル(λmax=470nm)が励起直後から観測される.この場合の過渡吸収強度の減衰寿命は25ピコ秒と6ナノ秒の2成分である.PLP-プロピルアミンシッフ塩基のE型およびK型のいずれを励起しても約530nmに極大を持つブロードな蛍光スペクトルが得られる.蛍光減衰は寿命30ピコ秒と7.1ナノ秒で,フェムトレーザーによりK型を励起したときに得られる470nmの過渡吸収の寿命とほぼ一致してる.以上の結果より,我々は以下のように現段階では考えている.すなわち,(1)蛍光状態はK型の励起状態K^*である.(2)K型の励起によって得られる過渡吸収(λmax=470nm)はK^*の吸収である.(3)E型の励起状態E^*とK^*とは非常に速い平衡状態にあると予想される.(4)E型の励起によって得られる過渡種(λmax=460nm)は,PLPの光反応ダイナミックスのスキームのどこにくるかは不明である.
時空相関法によるアルヴェン固有モード内部構造計測

本研究の目的は、新しいマイクロ波反射計システムを構築し、アルヴェン固有モードの空間構造を直接計測することである。将来の核燃焼プラズマにおいて、プラズマ閉じ込め特性に大きな影響を与え重要となるアルファ粒子励起アルヴェン固有モードなどのMHD不安定性の物理的な理解を深めるため、アルヴェン固有モードのプラズマ中における空間構造を計測する手法の開発を行った。マイクロ波を用いた時間・空間分解能の高い局所計測器を準光学理論を用いた角度可変型アンテナの開発や相関解析手法の適用により開発し、プラズマ内部における半径方向・ポロイダル方向の相関データ取得を目指した。今年度は、送受信角度可変のアンテナ光学系を製作し、これを大型ヘリカル装置(LHD)の真空容器内部に設置しポロイダル相関計測の開発を行った。製作した光学系では、真空容器外部から伝搬されたマイクロ波をコルゲート導波管によって低損失伝送し、プラズマ中心で焦点を持っように準光学設計した集光ミラーによって、プラズマ中へと放射されるようになっている。ビーム径には波長依存性があり、本研究で使用するVバンド領域では、約30mmとなることを確かめた。この新しいアンテナシステムによってLHDプラズマにおける反射信号を得ることができるように信号調整を行い、その結果、アルヴェン固有モードによる揺動信号を観測することに成功した。そして、既存のアンテナ系を用いた信号との相関解析により、ポロイダル相関に関するデータを取得することができた。本研究により、アルヴェン固有モードの物理機構をより深く知ることができる計測手法を得ることができた。将来の核燃焼プラズマにおいて、アルファ粒子によって引き起こされるアルヴェン固有モードなどのMHD不安定性を制御することは重要な研究課題であり、このアルヴェン固有モードのプラズマ中における空間構造を知ることは理論モデルとの比較研究を行う上で不可欠なことである。従来、アルヴェン固有モードの計測はトロイダル及びポロイダル方向に多数設置された磁気プローブによるモード解析が主流となってきたが、大型装置の場合プラズマコア部に局在化したような微少振幅のモードを計測することが困難であることが指摘されている。そのため時間と空間分解能の高い相関計測手法を開発し、局所計測器のみによるモード解析手法の確立を目指している。平成20年度は、半径方向相関計測への適用を行った。プラズマ中の異なる点での同時計測を行うためには、複数の周波数を同時に発生させる必要がある。今回は、低ノイズの搬送波信号に対し、2つの単側波帯変調が可能であることをテストベンチにおいて確認し、大型ヘリカル装置に適用してプラズマからの反射信号を得ることに成功した。このシステムは搬送波周波数が可変であるので、マイクロ波の周波数を時間的に階段状に変化(ホッピング)させ、プラズマ半径方向に時間的にスキャンを行うことができる。同時に周波数固定のシステムと同期して運用することにより半径方向の相関長の計測にも成功した。
近接場顕微分光に基づく光反応場の動的可視化・制御

金属ナノ構造を用いることで,光の電場をナノスケールの狭い空間に高強度で局在させることができ,それによる新しいタイプの光化学反応や光エネルギー変換の創成が期待される。そのための基礎として,通常の光学顕微鏡よりもはるかに高い空間分解能が得られる近接場光学顕微鏡を用いて,金属ナノ構造における光の空間分布をナノスケールでイメージとして観察し,その光学的性質を解明した。その結果,高強度局在光の効率的な発生・制御のための設計指針を得た。本研究では,金属微粒子とその集合体による光電場の局在化や空間的振動が周囲の物質系とどのように相互作用を起こすか,またそれが光-分子強結合反応場に及ぼす影響について,近接場光学イメージングの手法によって明確な根拠を与え明らかにすることを目的とし,主として以下の項目を推進する。(1)近接場イメージング手法を用い,金属ナノ構造における電場の空間分布に関する基礎的研究を行うと同時に,光(あるいはプラズモン等の素励起)と強結合した分子の過渡的応答を分光学的に検出する方法を開発する。それにより局所的な強い光電場を発生させるための構造設計指針を実証的に検討し,光-分子強結合場を解析する基礎手法を創る。他のグループで作成した金属ナノ構造へこれらの手法を適用する。また,光電変換系における微粒子プラズモンによる増強光電変換に関する近接場測定による研究を進め,金属ナノ構造の状態と増強の相関を解析する。(2)超高速過程のイメージングを通じた光-分子強結合場のダイナミクスの研究手法としての確立を図る。微粒子プラズモン間の相互作用を時間領域で観測する手段としての有効性を検討する。(3)試料のナノ形状を原子間力顕微鏡で計測しつつ,ファーフィールド光学系での試料の非線形光学応答を同時に調べるシステムを構築し,光-分子強結合場の設計評価に,近接場イメージングと相補的な方法として用いる。金属微粒子とその集合体による光電場の空間構造の制御と,それが物質系とどのように相互作用を起こし,光化学反応に影響するかを探ることを目的に,近接場光学顕微鏡を用いた研究を開始した。まず,球状金微粒子を2次元,単層に配列した集合体について増強電場のイメージングを行った。島状の集合体において,その辺縁部や欠陥部位で電場の増強とラマン活性が顕著になることが明らかになった。また球状金微粒子を直鎖状に配列した試料についての測定を開始した。電子線描画法では設計された任意の2次元形状の金属ナノ構造の作成が可能であるが,この方法で作成した円形ディスク状の金のナノ構造体では,特異なプラズモンモードを示すことを,近接場偏光測定で見いだした。大きさの異なるディスクや,二つのディスクが近接した試料の測定,また電磁気学理論による解析も進めており,これらを通じて特異なモードを示す理由が明らかとなりつつある。これらの結果は,微粒子系におけるプラズモンモードの挙動を解明・制御するための基礎として,重要な意味を持つ。更に,基板上の金薄膜に円形(直径数百nm)の孔の空いた構造(ナノヴォイド)とその配列体についても,特徴的な電場増強の空間分布を見いだし,現在解析を進めている。これは,金属ナノ構造を光反応場として利用する際の有用性が期待される。近接場測定と相補的な手法としてのファーフィールド光学測定を行うため,試料の原子間力顕微鏡測定と,同じ部位での光学測定を行うシステムを構築する必要があり,本年度はそのための原子間力顕微鏡の開発製作を行った。必要な部品は揃い,間もなく試験測定を開始する予定である。また,超高速近接場測定システムの高度化を進めた。金属微粒子とその集合体による光電場の空間構造の制御と,それが物質系とどのように相互作用を起こし,光化学反応に影響するかを探ることを目的に,近接場光学顕微鏡を用いた研究を継続して実施した。球状金微粒子を単層に配列した島状の集合体について増強電場のイメージングを行い,その辺縁部や欠陥部位で電場の増強が顕著になる、ことが明らかになっていたが,その起源について検討した。簡単なモデル計算により解析した結果,辺縁部で局在モードの状態密度が高くなり,それがこの観測結果に関係する可能性が示唆された。また新たな手法で球状金微粒子を直鎖状に配列した試料についで,増強電場のイメージングを行った。電子線描画法では,任意の2次元形状の金属ナノ構造の作成が可能である。この方法で作成した円形ディスク状の金のナノ構造体の近接場像では,特異なプラズモンモードを示す。観測波長によるイメージの変化や,大きさの異なるディスク,二つのディスクが近接した試料の測定,また電磁気学理論による解析も進め,特異なモードの起源を明らかとした。また,開口近接場プローブからの透過光強度がが,ナノディスクの存在によって異常に増大する新たな現象を見いだした。これらの知見は,プラズモンの挙動を解明・制御するための基礎として重要である。

更に,基板上の金薄膜に円形(直径数百nm)や矩形の孔の空いた構造(ナノヴォイド)とその配列体についても,特徴的な電場増強の空間分布を観測し,反転した構造であるナノ微粒子の増強電場とよい対応のあることを見いだした。近接場測定と相補的な手法としてのファーフィールド光学測定を行うため,試料の原子間力顕微鏡測定と,同じ部位での光学測定を行うシステムの構築を進めた。原子問力顕微鏡は所期性能を満たす装置を完成した。光学測定とのリンクを進めており,間もなく測定が可能となる予定である。金属微粒子とその集合体による光電場の空間構造の制御と,それが物質系とどのように相互作用を起こし,光化学反応に影響するかを探ることを目的に,近接場光学顕微鏡を用いた研究を継続して実施した。電子線描画法で作成した金ナノディスクについては,開口近接場プローブからの透過光強度が,ナノディスクの存在によって異常に増大する新たな現象を見いだしていたが,この起源について,モデル計算を併用した解析により明らかにした。こうした知見は,プラズモンの挙動を解明・制御するための基礎として重要である。更に,基板上の金薄膜に円形(直径数百nm)や矩形の孔の空いた構造(ナノヴォイド)とその配列体についても,特徴的な電場増強の空間分布の起源を,電磁気学計算等を用いた解析により明らかにした。過去の我々の研究で,三角プレートが単一微粒子として特に高い光電場の増強度を示すことが示唆されたが,様々な視点でこの展開が可能である。その例として,領域内外の共同研究で,蛋白質の光誘起結晶成長に金三角プレートを用いる研究,光誘起反応に対する三角プレートの効果に関する研究を進行中である。受光面を金ナノ微粒子で修飾した半導体光電変換素子に関して,光電変換増強機構の詳細を探るため,近接場励起による光電流特性とイメージングの研究を進めた。領域内共同研究によりpn接合層の浅い素子を用いて,金ナノ構造の効果の空間特性を明らかにしつつある。原子間力顕微鏡は当初予定以上の十分な性能な装置が完成した。また,これに用いる新規な近接場プローブの開発を行った。1)球状金ナノ微粒子の単層膜島状集合構造では,集合体の辺縁部に強い光電場が局在することを近接場二光子励起イメージで見出していた。この特徴的な電場の空間分布の起源を明らかにするため,電磁気学シミュレーションと,双極子相互作用を取り入れた簡単な物理モデルによる計算を併用して解析を行った。その結果,微粒子プラズモン間の相互作用により,集合体内部の励起が辺縁部に伝播して滞在する(別な視点でいえば,辺縁境界部に局在した集合体のプラズモンモードができる)ことが,この空間構造の起源の本質であることがわかった。これは,微粒子集合体を光一分子強結合場に用いる際に,重要な要素となる知見である。2)我々は以前に,金ナノ三角プレートが単一微粒子として特に高い光電場の増強度を示すことを示唆する結果を得ているが,この様々な展開が可能である。
プラズモン増強電場による希土類ナノ結晶の光磁気効果の影響に関する研究

これまで、ファラデー効果に理想的な物質として希土類ナノ結晶EuX(ユーロピウムカルコゲナイド:X=O,S,Se)の合成およびファラデー効果に関する研究を世界に先駆けて行ってきた。希土類ナノ結晶EuXのファラデー効果(光磁気効果)における表面プラズモンの電場増強効果を検討し、大きなファラデー効果増大および学術的機構解明を目的として、AuとEuSが結合した複合系ナノ粒子の合成を行った。複合型ナノ粒子の合成は、平均粒子サイズ15nmの立方体型EuS結晶と平均粒子サイズ10nmの球状型Au粒子をトルエン中に入れ、ヘキサンジチオールを添加して撹拌することで得た。得られた複合ナノ粒子は透過型電子顕微鏡にて状態観察を行った。さらに、吸収スペクトル測定により、複合型ナノ粒子におけるAuのプラズモン吸収バンドが長波長側へのおおきくシフトしていることが明らかとなった。これは、金ナノ粒子近傍に存在するEuSナノ粒子の影響と考えられる。得られたEuS-Au複合ナノ粒子をポリマー(ポリメタクリル酸メチル)が溶解した有機溶媒中に分散し、キャスト法にて「EuS-Au複合ナノ粒子含有ポリマー薄膜」を作製した。得られたポリマー薄膜に1.5Tの磁場を印可し、偏光の回転角度変化(ファラデー効果)に関する測定を行った。この測定の結果、プラズモン吸収バンド領域の波長において、おおきく偏光回転角が変化することが分かった。本研究により、プラズモン電場増強下におけるファラデー効果増大に初めて成功した。我々はファラデー効果に理想的な物質として希土類ナノ結晶EuX(ユーロピウムカルコゲナイド:X=O, S, Se)の合成および光のファラデー効果(磁場中で偏光が回転する効果)に関する研究を世界に先駆けて行っている[1-3]。このEuXナノ結晶のファラデー効果増大を行うため、表面プラズモンによる電場増強に着目した。金ナノ粒子の表面プラズモンによる電場増強をEuXに導くことで、EuXの光学遷移に伴う誘電率やスピン偏極率が大きく変化し、ファラデー効果増大が期待できる。本研究では金ナノ粒子によるEuXのファラデー効果増強を目的として、EuSとAuがハイブリッドとなった新しいナノ粒子合成を検討した。EuSの原料となるEu(III)錯体とAu錯体をナノ結晶合成時に混合することで、クローバー型のナノ粒子合成に成功した。さらに、EDXおよびXRD測定から、この粒子はEuSとAuがハイブリッド化した新規なナノ粒子であることがわかった。現在は原料であるEu(III)錯体とAu錯体の混合比を変化させて合成条件の確立を行っている。また、このAuの影響により吸収バンドが可視光領域に現れることがわかった。今後は、EuS-Auナノ結晶の合成条件を確立する。次に、得られたEuS-Auナノ結晶のファラデー効果を測定し、プラズモン増強電場によるEuSの光磁気特性効果について検討を行う。
DNA不安定性とミスマッチ修復遺伝子の解析によるHNPCC家系の検出と発症前診断

臨床的にHNPCCと推定された大腸癌家系10家系について原因遺伝子を解析した結果、4家系(F1、F2、F3、F4)においてhMSH2遺伝子の生殖細胞変異が明らかになった。次に、一般集団に発生した大腸癌のマイクロサテライトDNA不安定性を調べることにより、未知のHNPCC患者の検索を試みた。5領域について調べた結果、約170検体の大腸癌のうち33検体が不安定性(RER+)を示した。不安定性の程度は平均1.7/5であり、既知のHNPCC患者の癌の平均値4.3/5に比べて低かった。殆どの癌(25検体、76%)は1-2領域のみに異常を示した(mildRER+)。8検体(24%)は3-5領域で異常を示し(severeRER+)、そのうち2検体にhMSH2、2検体にhMLH1遺伝子の生殖細胞変異が検出され、HNPCC患者であることが判明した。この結果を基にして家系調査が行われ、3つのHNPCC家系(F5、F7、F8)が新たに見いだされた。以上の結果は、一般集団の大腸癌のマイクロサテライトDNA不安定性の解析が未知のHNPCC家系の発見に有用であることを示している。生殖細胞変異が判明したHNPCC家系についてPCR-SSCP法による発症前診断を行った結果、複数の新たな患者が見い出された。なお、severeRER(+)を示した残りの一般集団の癌4検体のうち1検体にhMLH1遺伝子の体細胞変異が、mildRER(+)を示した一般集団の癌25検体のうち1検体にhMSH2の体細胞変異が検出された。