hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
哺乳類動物細胞の生理機能を利用した鉄鋼資材の環境負荷度評価

鉄鋼には、亜鉛やニッケルといった生体金属が多数使用されており、鉄鋼からの生体金属類が環境に及ぼす影響が懸念されている。しかし、それらの有効な評価法は確立されていない。本研究では、哺乳動物細胞の生理機能を用いて鉄鋼資材のための簡便な環境負荷評価法の構築をめざし、チャイニーズハムスター肺由来細胞V79の細胞増殖能を指標とした評価系を確立した。続いて構築した評価系で鉄鋼資材の環境負荷度を検討した結果、鉄鋼の腐食の進行に伴って細胞増殖が抑制されることが分かった。鉄鋼には、亜鉛やニッケルといった生体機能維持に重要な金属(生体金属)が多数使用されており、鉄鋼からの生体金属類が環境に及ぼす影響が懸念されている。本研究では、哺乳動物細胞の生理機能を用いて鉄鋼資材のための簡便な環境負荷評価法の構築を行った。平成24年度には、評価法で使用する細胞と細胞機能の選定を行い、チャイニーズハムスター肺由来細胞V79の細胞増殖を指標とした評価系を構築した。平成25年度には、前年度に構築した評価系を用いて鉄鋼資材の環境負荷度を評価した。鉄鋼試料としてSUS304、SPCCおよびSK4を使用し、対照として鉄板を使用した。まず各々の試料をV79の培養液に入れて共培養を行った。培養後、細胞は回収して細胞増殖を計測し、培養液中の金属濃度をICP-AESで測定した。また、鉄鋼試料については、蛍光X線分析装置で表面組成を計測し、レーザー顕微鏡で表面状態を観察した。結果、増殖抑制効果はSK4とSPCCが顕著であり、SUS304は鉄板よりも少なかった。この時の鉄鋼試料表面の形状は、培養前と比較すると、SK4、鉄板およびSPCCでは表面の凹凸が大きくなっており、腐食が進行していたと考えられる。一方、SUS304はほとんど腐食していなかった。また、いずれの鉄鋼試料についても、培養前後の表面元素組成変動は1%未満であった。以上のことから、V79の増殖抑制は、鉄鋼の腐食が進行するにつれて大きくなり、腐食に伴って鉄鋼(表面)から培養液中に溶出される金属が影響を与えていることが分かった。また、溶出した金属の中で、マンガン溶出量が多いと細胞増殖抑制作用が高い傾向にあることが分かった。鉄鋼には、亜鉛やニッケルといった生体機能維持に重要な金属(生体金属)が多数使用されている。そのため、鉄鋼からの生体金属類が環境に及ぼす影響が懸念されているのだが、それらの有効な評価法は確立されていない。そこで本研究では、哺乳動物細胞の生理機能を用いた鉄鋼資材のための簡便な環境負荷評価法を構築していく。平成24年度では、鉄鋼資材の環境負荷度の評価に適した(1)細胞種と(2)細胞機能の選定を行った。細胞種については、チャイニーズハムスター肺由来細胞V79、ヒト肝由来細胞株HepG2およびラット副腎髄質由来細胞PC-12を使用した。なお、細胞機能変化が見られたのは、細胞増殖能および細胞障害性についてであった。細胞形態の変化や細胞の大きさについては、金属濃度の増加に伴って変化の割合は顕著になったものの相関は低かった。また、電気信号を利用した検出系では、活動電位変化は検出されたものの、こちらも金属濃度との相関はえられなかった。結果、細胞増殖能および細胞障害性を指標とした評価を行った。上記で構築した評価系を用いて、亜鉛およびニッケルについて細胞間で金属濃度に対する変化を比較した。亜鉛濃度に対する感受性はV79が最も高く、HepG2、PC-12の順に小さく、亜鉛取り込み能と関連があると予想された。ニッケルに対する感受性については、V79が最も高く、PC-12、HepG2と続き、亜鉛添加時の反応と異なることが分かった。本研究では、鉄鋼資材の環境負荷の程度を簡便かつ定量化する評価系の構築を目的としている。その手段として哺乳動物細胞の生理機能変化を利用することを計画し、光化学反応」、「顕微鏡画像」あるいは「電気信号」を利用した検出系で生理活性変化を定量した。チャイニーズハムスター肺由来細胞V79、ヒト肝由来細胞株HepG2およびラット副腎髄質由来細胞PC-12という3種類の哺乳類動物細胞を選定後、各々の細胞種について細胞機能変化を計測した。これらのうち、生理機能変化の程度が試験した金属濃度と相関があったものは、光化学反応のうち細胞増殖能および細胞障害性であった。しかしながら、より高精度な(金属濃度)変化を検出するには、細胞数計測とトリパンブルー染色法による生死判定を利用した法が良いことも分かった。このため、使用する検出系の変更が必要であった。続いて、3種類の哺乳動物細胞間で、鉄鋼で使用される亜鉛とニッケルを対象として、各々の金属が哺乳類動物細胞の増殖能と細胞障害性に与える影響を比較した。結果、細胞種間で亜鉛およびニッケルの作用濃度が異なっていた。

また、亜鉛とニッケルを同時に細胞に作用させた場合には、各々の金属を添加した場合よりも亜鉛の場合にはより低濃度で作用し、ニッケルの場合にはより高濃度で作用した。これらの結果から、複数の金属種を組み合わせた場合には、個々の金属を作用させた場合とは異なる作用をするものと推測される。従って、複数の金属を組み合わせた場合の細胞機能の変化および金属の作用機構の解明も行っていく必要がある。まず、選定した3種の細胞間で、亜鉛取り込み能が異なる原因を解明するため、亜鉛取り込みに関連するタンパク質発現について比較する。現在候補にしているのは、亜鉛トランスポーターとメタルチオネインである。また、鉄鋼資材で頻繁に使用されている金属を対象に、増殖能および細胞障害性に対する濃度の影響を比較していく。対象とする金属は、亜鉛、鉄およびクロムである。この時、個々の金属だけでなく複数種の金属の組み合わせた場合についても影響を比較する。さらに、哺乳動物細胞の生理活性評価系を利用し、実際の鉄鋼資材の環境負荷度を評価する。環境負荷が問題となるのは、鉄鋼資材の劣化・腐食によって金属が溶出するからだと考えられるため、培養器を半透膜で上下に分離し、下部には鉄鋼資材の切片を入れ、上部には哺乳動物細胞を入れて培養し、増殖や細胞障害性を評価する。このシステムでは、鉄鋼資材が継時変化で劣化(腐食)されると、そこから溶出した生体金属(化合物)類が半透膜を通過して細胞に取り込まれる。一方、細胞から分泌されるタンパク質などの高分子は半透膜を通過しないため、生理活性測定には支障がないと考えられる。続いて、生理活性変化が確認された時点で培養系から鉄鋼資材を取り出し、鉄鋼資材の物性分析を実施する。これについては、鈴鹿高専の兼松教授と三重県工業研究センターの樋尾博士の協力を得て、X線光電子分光法と走査型電子顕微鏡(SEM)による表面分析、誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICPーAES)による培養液中の生体金属濃度を測定する。細胞種間で亜鉛取り込み能が異なる原因を解明するため、亜鉛取り込みに関連するタンパク質発現量を比較していく。関連タンパク質の検出法として、対象とする亜鉛トランスポーターやメタルチオネインを抗原とした抗体を利用し、蛍光顕微鏡観察やプレートリーダーを用いて定量する。なお、使用している3種の細胞は、各々由来(動物種)が異なるため、同一な抗体を使用できず、1種類のタンパク質の検出に対して2種類の抗体が必要となるため、合計で12種類使用予定である。また、細胞増殖および細胞障害性に対する亜鉛や鉄、クロムの影響を解明するため、引き続き哺乳動物細胞を利用した評価を行っていく。このため、細胞培養に必要な培地ならびに培養器材を購入する。続いて、実際の鉄鋼資材を対象として、細胞増殖および細胞障害性に与える影響を哺乳動物細胞の生理機能を利用して評価していく。この時には、細胞培養に必要な培地、半透膜を有する培養器材ならびに鉄鋼資材の購入が必要となる。また、評価後の鉄鋼資材の分析で使用するSEM、培養液中の金属濃度の分析に使用するICPーAESについて、運転に必要な試薬類の購入も行う。なお、当該年度の成果を公表するために、7月、9月および3月に開催される関連学会で発表準備を進めている。
枯死材分解過程における大型穿孔虫と微生物の共生関係および窒素動態の解明

本年度も昨年度に引き続き、共同研究者(棚橋薫彦)を中心にクワガタムシ科を用いた解析を行った。まず、昨年度クワガタムシ科の多くの種の雌において腹部端に近い位置に菌嚢状器官をもつことが明らかになったが、本年度の研究で日本産のクワガタムシ科で最も祖先的なグループだと考えられているマグソクワガタについてもこの菌嚢状器官が存在することがわかった。すなわち、この器官がクワガタムシ科全体に広く存在する可能性が高いと考えられた。複数の種の菌嚢状器官から分離されたキシロース分解能の高いグループに属する酵母の遺伝子情報(リボゾームDNA)とともに、これらの成果はクワガタムシに菌嚢状器官が存在することを初めて示した論文として公表された。白色腐朽材には多量のキシロースが含まれているため、これに穿入するクワガタムシは酵母との共生によってキシロースの効率的な利用を図っている可能性が示唆される。さらに、クワガタムシ科幼虫の空中窒素岡定としてはこれまでにアセチレン法によって現象面から示唆されているだけだが、本年度コクワガタとルリクワガタ属3種の雌菌嚢状器官と幼虫を用いて、空中窒素固定バクテリアの遺伝子検出を試みた。それぞれについて雌成虫の菌嚢状器官、腸管、を摘出し、窒素固定に関わる遺伝子nifHのプライマーを用いてPCR反応を試み、増幅をしたものについてブラスト分析を行った。その結果、コクワガタ幼虫の腸管のみPCR反応による増幅が確認され、既知のnifHに近いシーケンスが得られたため、空中窒素固定バクテリアの存在が強く示唆された。クワガタムシで初めて遺伝子から存在場所を示唆した例となる。ルリクワガタ属3種では確認できなかったため、空中窒素固定バクテリアとの共生は、コクワガタのように派生的なクワガタムシのグループで進化した特性かもしれない。・窒素動態解明のためのホスト材の物質分析平成19年度は主として野外個体群の解析を中心に行った。枯死材の破砕への貢献が大きいと考えられるコクワガタを材料として、幼虫が穿孔している樹木の、生木、腐朽木、孔道内の破砕部分、糞、虫体等を試料として物質分析を試みた。C/N比については前述の順に低くなり、菌の蔓延による材の栄養状態の改善が示された。また、腐朽木と孔道内の破砕部分の間でもC/N比の差異がわずかに認められ、共生微生物の影響が示唆されたが、次年度以降確認する必要がある。これらの試料は安定同位体比の測定も行う予定であったが、測定依頼先の機器の関係で、本測定は平成20年度に持ち越されることになり、試料を前処理段階まで調整してある。また、近縁種間で異なるホスト材選好性を示すのではないかと考えられるルリクワガタ属の種について、各地で種ごとにホスト材を採取し、物質分析を試みた。その結果、コルリクワガタのホスト材はルリクワガタのホスト材よりもC/N比が低く、栄養改善が進んでいると考えられる他、物理的強度も低下していることが明らかになった。さらに知見の乏しいマメクワガタのホスト材の性質について野外調査を取りまとめた。・共生微生物検出の試みクワガタムシ科複数種において、雌後腸末端近くに微生物を保持する嚢状器官を発見し、内部に存在する生物の検討を行っている。現在、バクテリアのニトロゲナーゼ遺伝子の探索により窒素固定バクテリアの検出を試みているところである。・腐朽材食性穿孔虫の種同定に関する基礎的検討近縁種の多い腐朽材食性のコブヤハズカミキリ類において、今後の種間比較に必要な正しい種同定のために交尾器形態の詳細な検討を行った。本研究は微生物との共生関係、特に空中窒素固定を含む窒素動態に注目をして、穿孔虫類が枯死材から成長に必要な栄養をどのように獲得しているのかを明らかにすることを目的としている。本年度は昨年度に引き続き、クワガタムシ科を用いた解析を行った。まず、コクワガタ幼虫の穿入した枯死材の窒素動態、特に空中窒素固定の有無を検討するため、野外で採取したヤナギ属の生材、腐朽材、幼虫の噛み砕いた材、糞、虫体について窒素・炭素の安定同位体比を測定した。残念ながら材の窒素含有率が極めて低かったため、使用できた同位体マスによる測定が困難であった上に誤差が大きく、解析に耐えうるデータを得ることはできなかった。一方、共同研究者(棚橋薫彦)を中心にクワガタ各種の解剖を行い、これまでに検したすべての種(コクワガタ、スジクワガタ、ミヤマクワガタ、ノコギリクワガタ属、チビクワガタ属、ルリクワガタ属、ツヤハダクワガタなど)の雌において腹部端に近い位置に菌嚢状器官をもつことが明らかになった。これはクワガタムシ科では初めての発見である。この菌嚢状器官は雄には認められなかった。雌から取り出した菌嚢状器官の中には酵母状の微生物が多量に含まれていたため、これを取り出し、培養に成功した株のリボソームDNAの配列を決定し、ブラスト分析を行った。その結果、これらの微生物はキシロース分解能の高い酵母の種か、それにごく近縁な種であることが強く示唆された。また、取り出したクワガタの種によって、酵母の塩基配列にも一定の変異が認められた。

まず、昨年度クワガタムシ科の多くの種の雌において腹部端に近い位置に菌嚢状器官をもつことが明らかになったが、本年度の研究で日本産のクワガタムシ科で最も祖先的なグループだと考えられているマグソクワガタについてもこの菌嚢状器官が存在することがわかった。すなわち、この器官がクワガタムシ科全体に広く存在する可能性が高いと考えられた。複数の種の菌嚢状器官から分離されたキシロース分解能の高いグループに属する酵母の遺伝子情報(リボゾームDNA)とともに、これらの成果はクワガタムシに菌嚢状器官が存在することを初めて示した論文として公表された。白色腐朽材には多量のキシロースが含まれているため、これに穿入するクワガタムシは酵母との共生によってキシロースの効率的な利用を図っている可能性が示唆される。さらに、クワガタムシ科幼虫の空中窒素岡定としてはこれまでにアセチレン法によって現象面から示唆されているだけだが、本年度コクワガタとルリクワガタ属3種の雌菌嚢状器官と幼虫を用いて、空中窒素固定バクテリアの遺伝子検出を試みた。それぞれについて雌成虫の菌嚢状器官、腸管、を摘出し、窒素固定に関わる遺伝子nifHのプライマーを用いてPCR反応を試み、増幅をしたものについてブラスト分析を行った。その結果、コクワガタ幼虫の腸管のみPCR反応による増幅が確認され、既知のnifHに近いシーケンスが得られたため、空中窒素固定バクテリアの存在が強く示唆された。クワガタムシで初めて遺伝子から存在場所を示唆した例となる。ルリクワガタ属3種では確認できなかったため、空中窒素固定バクテリアとの共生は、コクワガタのように派生的なクワガタムシのグループで進化した特性かもしれない。
口腔内局所浸潤麻酔の浸潤様式の解明と奏効困難改善に関する研究

佐竹弘らの報告(麻酔と蘇生、32、61-65、1996.)を参考にし、リドカイン-テトラフェニルホウ酸イオン対、フタル酸ジ-nオクチル及びポリ塩化ビニール(PVC)をテトラヒドロフランに溶解し、PVC管に固定した銅線の表面に被覆してリドカイン選択性被覆線型電極を作製した。PVC感応膜の肥厚は、0.4mm程度になるようにした。そして対極の基準電極に銀-塩化銀電極を使用し、リドカイン選択性被覆線型電極を指示電極として東亜電波工業社製イオンメーター(HM-40V)にて、リドカイン濃度の試験的測定を行った。測定対象は、ビーカーに入れた市販の局所麻酔薬キシロカイン1%及び2%溶液(アストラ社製)とした。それぞれの濃度で電極電位の応答を得た。次に、リドカインの拡散速度を分析して浸潤様式をシュミレーションするための試験的実験として、電極をスポンジの中央に挿入し、局所麻酔薬をスポンジの端から注入して得られる電位の経時的変化をコンピュタ-(モンテシステム社製BIO PAC MP100)に取り込みデータ処理を行った。リドカインの濃度変化を経時的に観察でき、拡散速度を分析できることを確認した。次に、ウサギの口腔粘膜にリドカインを注射した後の濃度変化の採取やビーカーに入れた血液にリドカインを溶解してその濃度を測定した。これらの生体では、電位値と濃度の相関が不安定であった。そのため、本研究の当初の計画では電極設置場所を犬の歯肉及び歯根膜と考えていたが、歯髄を抜髄し死腔となった根管の尖部に挿入することを計画している。また、生体における測定で安定性を向上させるため、タンパク質の影響ができるだけ少ない被覆材料を試験中であり、再度電極製作を行っている。
視蓋/小脳の発生・分化におけるFgfシグナル伝達経路の解析

鳥類以下の脊椎動物では中脳胞背側から視覚の中枢である視蓋が分化し、菱脳胞の最も前側の後脳胞背側からは小脳が分化する。ニワトリ胚を用いた移植実験により中脳/後脳境界領域(峡)は視蓋/小脳のオーガナイザーとして働き、その本体はFgf8だと考えられている。私のこれまでの研究により、峡部周辺の神経上皮では、Fgf8シグナルが強いときにはRas-ERK経路が活性化され、小脳が分化するのに対し、Fgf8シグナルが弱いときにはERK経路が活性化されずに、視蓋が分化することが明らかとなった(Sato et al.,Development 128,2461-2469,2001、および、平成14年度の結果)。優位抑制型Rasの強制発現によりRas-ERK経路を遮断すると、後脳胞背側から小脳が分化せずにかわって異所的な視蓋が分化した。平成15年度は、優位抑制型Ras(RasS17N)を強制発現したときの様々な遺伝子マーカーの発現変化を調べた。RasS17Nを強制発現すると、後脳胞において中脳マーカーOtx2の発現が誘導され、後脳マーカーのGbx2の発現が消失した。Eh1/2、Pax2/5、Fgf8はお互いにその発現を誘導し、峡部のオーガナイザー活性が維持されるが、RasS17Nの強制発現によってそれらの発現がすべて細胞自律的に抑制された。次に、Fgf8aおよびFgf8bのin vivoでの役割について調べるため、siRNAを用いてアイソフォーム特異的に発現を低下させる実験を行った。すると、Fgf8b-siRNAではERKのリン酸化が低下し、Otx2の発現が後脳胞までシフトした。Fgf8a-siRNAではERKリン酸化ならびにOtx2の発現に変化がみられなかった。したがって、Ras-ERK経路を活性化し小脳を分化させているのは、Fgf8bアイソフォームであることが明らかとなった。私のこれまでの研究により、峡部周辺の神経上皮はFgf8シグナルの強弱によりその発生運命の方向が決定されることが明らかとなった(Sato et al.,Development 128,2461-2469,2001)。すなわち、Fgf8シグナルが強い後脳胞は小脳として分化し、シグナルの弱い中脳胞は視蓋として分化する。平成14年度は、Fgf8シグナルの下流にRas-ERKのシステムが働いているかについて検討した。活性型ERKに対する抗体を用いて免疫組織化学的解析を行ったところ、Fgf8mRNA発現領域においてERKが強く活性化されていることを確認した。予定中脳領域のERKは比較的弱く活性化されていた。Fgf受容体の阻害剤SU5402を峡部に作用させると、ERKの活性は消失したことから、ERKの活性化はFgfシグナルに依存することが明らかとなった。ところで、Fgf8aを強制発現させると視蓋は肥大化し、Fgf8bを強制発現させると中脳胞背側は小脳へ分化する。Fgf8aを強制発現させると中脳胞および後脳胞でERKは活性化されないが、Fgf8bではERKが強く活性化されることを見出した。したがって、ERKの活性化状態と中脳/後脳の発生運命は強く関連づけられることが明らかとなった。さらに、優位抑制型Rasの強制発現により、後脳胞背側から異所的な視蓋が分化することを形態/組織学的に確認した。

すると、Fgf8b-siRNAではERKのリン酸化が低下し、Otx2の発現が後脳胞までシフトした。Fgf8a-siRNAではERKリン酸化ならびにOtx2の発現に変化がみられなかった。したがって、Ras-ERK経路を活性化し小脳を分化させているのは、Fgf8bアイソフォームであることが明らかとなった。
ミズクラゲ幼生の変態を制御するインドール酢酸生合成ネットワークの解明

ミズクラゲ幼生体内に存在するIndole-3-acetic acid (IAA)関連物質を分析するため、LC-MS/MSを用いた定量系の確立を試みた。広島大学共通機器のACQUITYUPLC-TQD (Waters)を使用して、IAAとTryptamine (TAM)の合成標品について測定系を検討した結果、親イオンおよびフラグメントイオンの検出に成功し、定量系確立の目途を立てた。これまでに得られたミズクラゲIAA生合成酵素群の候補遺伝子のうち、ミズクラゲにおけるAromatic L-amino acid decarboxylase (AADC)の相同遺伝子と考えていた2種の遺伝子(Unigene8596、Unigene12993)と、他の動物に存在する同族の遺伝子群との間で詳細に分子系統解析を行った結果、いずれもAADCでない可能性が高いことが判明した。現在までに、これら以外のAADC相同遺伝子が見つかっていないので、解析の対象をMonoamine oxidase (MAO)およびAldehyde dehydrogenase (ALDH)に絞ることとした。MAOとALDHの発現細胞を特定するために、whole-mount in situ hybridization法による組織染色を試みた。定法に従い、DIGラベルした一本鎖DNAプローブを調製して、whole-mount固定したポリプおよびストロビラを染色したが、バックグラウンドのシグナルが高く、特異的な染色結果が得られなかった。一方、切片標本に対するin situ hybridization法を視野に入れて、ポリプおよびストロビラを固定した後にパラフィン包埋し、切片を作成した。これまでにHE染色、活性染色、抗体染色などを行い、良好な結果が得られている。研究実施計画で予定していたLC-MS/MSを用いたIAA関連物質の定量系について、合成標品を用いた実験ではほぼ確立できている。IAA生合成酵素群の酵素活性を確認するために、組換えタンパク質の調製を進めている。いくつかの遺伝子について、大腸菌用発現ベクターpET32に各酵素遺伝子のORF領域を組み込んだプラスミドを構築した。IAA生合成酵素群の発現細胞を特定するため、whole-mount in situ hybridization法による組織染色を試みたが、特異的な染色結果が得られなかった。whole-mount染色は困難であると考え、切片標本のin situ hybridization法に方針を切り替えた。これまでのところ、ポリプおよびストロビラの固定・パラフィン包埋・切片作成法を確立し、HE染色、活性染色、抗体染色などで良好な結果が得られている。【Exp.1】「LC-MS/MSを用いたIAA関連物質の分析」については、LC-MS/MSを用いたIAAとTAMの分析系をほぼ確立できている。今後は、この分析系を用いて、ポリプおよびストロビラの抽出物中のIAA関連物質を定量したい。【Exp.2】「IAA生合成酵素群の酵素活性測定」については、現在構築中のプラスミドベクターを大腸菌に導入し、組換えタンパク質を調製した後、酵素活性測定を試みる。【Exp.3】「IAA生合成酵素群の発現解析」については、ポリプ・ストロビラの切片を作成し、in situ hybridizationを試みる。また、【Exp.4】「ポリプ化活性物質TAMの曝露実験」については、TAMの投与条件(濃度、投与時期など)を検討した後、曝露実験に取りかかりたい。ミズクラゲ幼生体内に存在するIndole-3-acetic acid (IAA)関連物質を分析するため、抽出法を検討した。ポリプまたはストロビラを50匹以上集め、冷メタノール2 mL中でホモジナイズした後、遠心分離をおこない、上清を回収した(メタノール画分)。さらに、残渣に冷2 %食塩水を加え、ホモジナイズした後、遠心分離をおこない、上清を回収した(食塩水画分)。各抽出画分について、生物検定法による変態調節活性の有無を調べた結果、ポリプのメタノール画分には変態開始阻害活性が、ストロビラの食塩水画分にはポリプ化活性が検出された。以上の結果から、この抽出条件では、IAA(変態開始阻害活性物質)はメタノール画分に、Tryptamine (TAM)(ポリプ化活性物質)は食塩水画分に回収されることが示唆された。IAA生合成酵素群の候補遺伝子について再検討した。トランスクリプトーム解析により、ミズクラゲ幼生ではAromatic L-amino acid decarboxylase (AADC)、Monoamine oxidase (MAO)、Aldehyde dehydrogenase (ALDH)の3酵素によってIAAが生合成されることが予想された。さらに、local BLASTによって、それぞれの相同遺伝子を探索しなおした結果、AADCでは2個、MAOでは1個、ALDHでは4個の相同遺伝子が存在することが判明した。このうち、いくつかの遺伝子について部分配列しか得られていなかったため、inverse PCR法やRACE法による両末端の未知配列部分の増幅を試みた。これまでに、AADCの1つを除いた全ての遺伝子の全長塩基配列を明らかにしている。現在、培養細胞を用いた各酵素タンパクの発現のため、end-to-end PCRによる全長cDNAのクローニングを進めている。研究実施計画で予定していたLC-MS/MSを用いたIAA関連物質(TAM, IAAなど)の分析系の確立については、現在までに良好な結果が得られていない。広島大学共通機器のACQUITYUPLC-TQD (Waters)を使用して、市販の合成標品を用いた条件検討をおこなったが、標品のシグナルを検出できなかった。したがって、【Exp.1】のIAAとその生合成中間体の分析については、ミズクラゲ幼生からの抽出法を確立したものの、各物質の分析には至っていない。

研究実施計画では、ミズクラゲのIAA生合成経路を構成すると考えられる3つの酵素について、培養細胞による発現系を用いて酵素タンパクを調製し、それぞれの活性を確認する予定であった。しかし、各酵素をコードする遺伝子について再検討をおこなったところ、AADCとALDHでは複数の相同遺伝子が存在すること、酵素遺伝子のいくつかは部分配列しか得られていないためにORFの一部のアミノ酸配列が不明であることの2つの問題に直面した。培養細胞による発現に進める前に、これら全ての酵素遺伝子の全長配列を得る必要があるため、現在は全長cDNAのクローニングを進めている段階である。IAA生合成酵素群の候補遺伝子、Aromatic L-amino acid decarboxylase (AADC)、Monoamine oxidase (MAO)、Aldehyde dehydrogenase (ALDH)についてクローニングを進めた。先のトランスクリプトーム解析およびlocal BLASTによって、AADCでは2種、MAOでは1種、ALDHでは4種の相同遺伝子が存在することが判明した。これらの中で、部分配列しか得られていなかった遺伝子については、end-to-end PCRによる全長cDNAのクローニングをおこなった。これら全遺伝子の塩基配列をおこない、分子系統解析をおこなった結果、2種のAADC相同遺伝子(Unigene8596、Unigene12993)のうち、Unigene12993がAADCのオーソログと考えられることが判明した。さらに、RT-PCRによる発現解析の結果、ALDH(Unigene4358)の1種のみがストロビラ特異的に発現し、それ以外はポリプ、ストロビラ両方で発現していた。Tryptamine (TAM)の曝露実験に先駆け、TAMのポリプ化活性物質の条件検討をおこなった。低温処理(10°C培養)によりストロビラへの変態を誘導した後にTAM(50μM)を投与し、引き続き10°Cで培養した結果、100%のストロビラで異所性触手が生じ、ポリプ化活性が確認された。一方、投与後に25°C培養した場合には、約50%のストロビラでポリプ化活性が確認されたものの、残りのストロビラでは正常に変態が進んでエフィラを放出した。また、変態誘導物質である5-methoxy-2-methylindoleで変態を誘導した後に投与した場合(25°C培養)には、ポリプ化活性は観察されなかった。以上の結果から、TAMによるポリプ化活性は温度依存的であることが示唆された。研究実施計画で予定していたLC-MS/MSを用いたIAA関連物質(TAM, IAAなど)の分析系の確立については、現在までに良好な結果が得られていない。したがって、内在性のIAAとその生合成中間体の分析には至っていない。
オフィスの節電照明の変化実態把握と新しい省エネルギー光環境への展開

本研究では東日本大震災後の首都圏節電下のオフィスの光環境の実態の記録を残すとともに、そこからオフィス照明の基本要件を抽出し、省エネルギー照明手法の開発を行った。節電によって、照明のエネルギー削減はランプや器具の効率の向上の他に、必要照度を下げる、照射面積を小さくする、照射時間を短くすることによる効果が大きいことが示された。これらは「光環境の質を落とす」と考えられ触れられてこなかった方法である。照明の基本的要件の見直しから着手し、照射面積・時間、昼光利用を考え、人の視覚特性を利用した「不均一・変動照明」による照明手法の提案を行い、これらに基づいた新しい照明基準作成の準備を行った。本研究では2011年の大地震から引き起こされた電力不足によるオフィスの節電実態の記録を残すとともに、そこからオフィス照明の基本要件を抽出し、省エネ照明手法の開発を行う。24年度は前年から継続して節電オフィス照明の実態調査を夏季に関西、関東で実施した。建築学会、照明学会の協力も得て、管理者・執務者アンケートの継続調査を全国規模で実施し、オフィス執務室の照明の節電実態を分析した。管理者アンケートの結果を基に各節電手法についてシミュレーションを行い、エネルギー削減効果を条件別に示した。これら結果の一部は日本建築学会環境系論文集等で公表している。調査から得られた省エネルギー手法として、不均一照明、変動照明、昼光照明をとりあげ、次年度以降の準備を含め予備実験・調査を行い、以下の知見を得た。不均一照明については実オフィス空間でのアンケートおよび実測調査を通して、アンビエント照明の空間的不均一性の許容範囲を確認し、不均一性の指標として変動係数の有効性を明らかにした。また快適で省エネルギーなタスクアンビエント照明システム開発のため、高齢者の眼球内散乱光を配慮した間接照明方式の天井吊り下げ型アンビエント照明器具を試作した。このアンビエント照明には演色性向上のために白色LEDに赤色LEDを加え、適正混光比を実験により求めている。変動照明については、一日を通して常時一定の照明環境より、夕方にかけて照度を低下させることで、執務者の作業効率の低下を緩和できることを示した。タスクアンビエント照明に連続調光を取り入れた実験も行い、執務者の知覚や不満から適切な調光パターンについて検討を行っている。昼光照明については不快グレア抑制制御ブラインドを用いた天井照射型昼光利用アンビエント照明を提案した。年間シミュレーションを行い、ブラインドスラット反射率等の影響を明らかにした。オフィス照明実態調査については、これまでの調査対象にアンケート調査を行い、照明の節電対策の継続的実施状況、作業空間の明るさに対する意識・満足度の変化について明らかにした。文献調査により実際のオフィスの照度や、照度に対する執務者の評価の対応関係も時代により変化してきたことを確認した。あわせてオフィス照明の変遷に与えた要因として照度基準,ランプ・器具効率,社会情勢など多角的な調査を行い、対応関係を明らかにした。節電以降のオフィス照明についても設計事務所等にアンケート調査を行い、節電以降は運用照度と設計照度で差があることを示した。分散制御照明を実現するための照明の空間的不均一性の許容範囲に関しては、模擬オフィスにおける長期実大実験を通して、平均照度ごとの必要均斉度(照度変動係数)に関する知見を得た。さらに、被験者実験により、視点位置での視野方向の鉛直面照度を増加(明るさの増加に相当)させると、作業面で必要な水平面照度を下げられる可能性があることを導いた。タスク・アンビエント照明(TAL)方式については、アンビエント照明に間接照明方式を用いたTAL方式の小規模オフィスで、印象評価と消費電力測定を行なった結果,陰鬱さやまぶしさによる不快感を排除しながら少なくとも40%の消費電力を削減できることを実証した。変動照明についてはオフィスを模した実験室実験により、朝から夕方にかけて照度を緩やかに低下させることで、視覚疲労を軽減しつつ、作業効率の低下も緩和できることを明らかにした。執務者の気づきにくい照度の連続調光の設定については、TAL照明・全般照明時にそれぞれ適切な設定パターンを検討し、執務者の負荷の少ない人感センサー連動による電力削減方策への知見を得た。昼光照明については、昨年提案した不快グレア抑制制御ブラインドを用いた天井照射型昼光アンビエント照明手法による電力削減効果を示した。26年度は、省エネルギー照明手法の提案を目的に、1.不均一照明、2.変動照明、3.昼光利用照明についてエネルギー削減と質の確保を目指し、さらに4.新しい照明基準の作成・提案の準備を行った。1.不均一照明:全般照明方式によるオフィスの照明環境の不均一性を担保する指標として、均斉度に変わる変動係数による指標を提案し、実オフィスと実験空間における長期被験者実験でその有効性を検証し、不均一性に関する許容範囲を示した。また、間接照明を用いたタスク・アンビエント照明方式の実大オフィス実験を継続し、エネルギー利用効率と居心地の良さの向上を実証した。

模型を用いて、上述の照明方式と各種照明方式との比較を行い、上述の照明方式の居心地の良さに関する優位性を見出した。2.変動照明:変動照明が執務者の知覚に及ぼす影響を検討するため、実験により、変動照度幅と変化速度、照明器具位置、昼光の影響を検証し、省エネルギーと最小限の執務者影響を両立させる調光方式の知見を得た。また、窓からの採光量を考慮した照度・相関色温度の変化が、居住者の視環境・生理に与える影響を被験者実験により検証した。午前から夕方にかけて徐々に低照度・低色温度化することは生理的な好影響をもたらし、300 lx程度でも視的快適性は担保されることを示した。3.昼光利用照明:屋外照度から窓面のまぶしさを予測しブラインドを制御する昼光照明手法を提案した。さらに年間シミュレーションを行い、提案した昼光照明手法利用時のアンビエント照明の省エネルギー効果を示した。4.新しい照明基準の作成・提案の準備:作業空間における明るさと許容照度の関係、昼光を含めた空間の明るさに関する一連の検討を行い、多様な条件を組み込んだ照明シミュレーションによる検討を通じて、代表的な指標である輝度と照度との関係についての整理を行った。26年度が最終年度であるため、記入しない。建築環境工学26年度が最終年度であるため、記入しない。全体にほとんど計画通りの進展となっている。24年度計画の節電環境におけるオフィス光環境の実態把握調査は順調にデータを収集し、一部は既に査読論文として公表している。また、エネルギー削減効果の検討、執務者に許容される基本要件の抽出についても成果を学会発表している。光環境の質の確保に関わる実験の準備についても、時刻変動、空間的不均一ともに各分担研究者が準備を進めている。25年度計画では、(1)節電環境におけるオフィス光環境の実態把握調査の経年変化、(2)空間的不均一によるエネルギー削減と質の確保に関わる実験、(3)変動照明によるエネルギー削減と質の確保に関わる実験、(4)昼光利用照明によるエネルギー削減と質の確保に関わる実験の4つを挙げており、研究実績の概要に記載したような成果を上げている。(1)では3年間のオフィス環境評価調査データ分析をさらに照明の変遷調査に展開させており、これは計画以上の進展である。(4)の昼光利用照明の質に関する実験が予備実験にとどまったが、本年度前半に本実験が行える見込みである。いずれの成果も学会発表を行っており、最終年度である本年度中には論文投稿を行う予定である。よっておおむね順調に進展していると評価できる。25年度も当初の計画通り、(1)オフィス節電照明実態調査に加え、省エネルギー手法として(2)不均一照明、(3)変動照明、(4)昼光照明をとりあげ、質の確保(最低要件抽出)とエネルギー削減効果の検討を行う。これら(1)(4)は分担した形で行い、25年度末から26年度のエネルギーシミュレーション、基準の作成・提案に向け統合を図る計画になっている。
メタボリックシンドローム・コンソミック系統の開発

NZO/HILtJマウスはメタボリックシンドロームを発症するが、C3H/HeJマウスは発症しない。我々はNZO/HILtJマウスより複数の肥満、糖代謝異常および高血圧に連鎖する量的形質遺伝子座(QTL)を同定した。メタボリックシンドロームの発症機構解明に有用なモデル動物作製のため、NZOマウスの第7、第12及び第17染色体をC3Hマウスのそれらに置換したNZO/HILtJ-Chr 7^<C3H/HeJ,>NZO/HILtJ-Chr12^<C3H/HeJ>およびNZO/HILtJ-Chr17^<C3H/HeJ>コンソミックマウス3系統の作製に成功した。これら3系統のコンソミックマウスについて肥満、糖代謝および血圧について検討したところNZO/HILtJマウスと有意な差が見られなかった。NZO/HILtJマウス第7、第12及び第17染色体には単独でNZO/HILtJマウスのメタボリックシンドローム発症に関わる遺伝子は存在しないことが明らかとなった。さらに我々はNZO/HILtJマウス繁殖支持系統においてトランスポゾン媒介によるFgf5欠損自然発生変異マウスを発見した。Fgf5はヒト高血圧と強く連鎖することより、今後高血圧やメタボリックシンドロームの基礎研究におけるモデルマウスとなる可能性が期待された。NZOマウスは、肥満、高血圧に加え、高インスリン血症、インスリン抵抗性、トリグリセライド血症等の糖代謝および脂質代謝異常異常を発症することよりメタボリックシンドロームのモデルとして注目されているが、その責任遺伝子は現在まで未同定である。そこで本研究ではNZOマウスのメタボリックシンドローム発症における責任染色体の決定およびメタボリックシンドローム研究のためのコンソミックマウスモデルの開発の」ため、NZO/HIマウスおよびC3H/HeJマウスのF2子孫におけるグルコースレベル、インスリンレベル、レプチンレベルおよび体重を支配する量的形質遺伝子座(QTL)解析、制限給餌によるNZO/HIマウスの糖尿病発症遅延と繁殖効率増加への影響の検討、NZO/HILtJ-Chr<C3H/HeJ>/Utrマウスの作製、NZO/HILtJ-Chr<C3H/HeJ>/Utrマウスの形質評価を実施した。本研究においては、最高血圧値を示したNZO/HIJにおける高血圧形質を支配している量的形質遺伝子座(Quantitative Trait Loci:QTL)をゲノムワイドに解析することと、NZO/HIJの高血圧遺伝子座の領域を最小限にするためハプロタイプ解析を実施し、候補遺伝子を探索することを目的とする。【コンジェニック・コンソミック系統の作製】血圧QTLを含む領域について、NZOとC3Hマウス間で戻し交配し、C3H遺伝背景に高血圧形質を支配する遺伝子座を導入する系統と、NZO遺伝背景に低血圧形質を支配する遺伝子座を導入する系統を作製中である。初年度のQTL解析および他の研究より第1、第4、第5、第7、第8、第11、第12、第15、第17、第18染色体に標的遺伝子が存在する可能性があることが明らかとなり、それら染色体のコンソミック化に取組み始めた。しかし、NZOマウスの糖尿病発症率は本施設において極めて高く、戻し交配に支障が生じた。そこで、糖尿病発症の遅延誘導ため、制限給餌による育成方法を試た。結果、制限給餌においてNZOマウスの糖脂質代謝および繁殖能力に改善が見られ、NZOコンソミック系統作製に制限給餌方法を取り入れた開発方法が有効であることが確認された(執筆準備中)肥満、糖代謝異常、高血圧に連鎖するQTLが存在する10本の染色体(第1、第4、第5、第7、第8、第11、第12、第15、,第17、第18染色体)について、NZOマウスを基盤とし、候補染色体をC3Hにそれぞれ置き換えた10系統のコンソミック系統を開発途上である。コンソミック系統作製は、86個のマイクロサテライトマーカーおよび74個のSNPsマーカーを用いた。

現在までに多くの系統が戻し交配の第5世代目まで到達した。一部の系統は第7世代目がゲノムワイドにNZOの遺伝的背景に置き換わっていることが判明した。完全なコンソミック系統がまだ作製されていないため未解析である。肥満、糖代謝異常、高血圧に連鎖するQTLが存在する10本の染色体(第1、第4、第5、第7、第8、第11、第12、第15、第17、第18染色体)について、NZOマウスを基盤とし、候補染色体をC3Hにそれぞれ置き換えた10系統のコンソミック系統の開発を進行中である。コンソミック系統は、86個のマイクロサテライトマーカーおよび74個のSNPsマーカーを用いた。現在までにNZOマウスとC3Hマウスを交配して、NCN1マウスを作製し、このNCN1オスマウスをNZOメスマウスに交配し戻し交配個体NCN2マウスを得た。その後、目的のC3Hマウス由来の染色体はヘテロ接合体として維持し、他の染色体はゲノムワイドにNZOマウスに置き換わっている個体を選別し戻し交配を繰り返した。現在までに多くの系統が第5世代まで到達した。一部の系統は第7世代目がゲノムワイドにNZOマウスの遺伝背景に置き換わっていることが明らかとなった。当初考えていた以上にNZOマウスの繁殖能力が低く、制限給餌による繁殖改善方法を取り入れることとなったが、まだ現在も戻し交配に苦慮しており、ホモ化までに時間を要している。ホモ化後各系統の形質解析がスムースに流れるようにコンソミック作製過程の複数の系統のヘテロ個体を用い、肥満は体重、血漿レプチンレベルおよびin vivo CT画像解析装置による腹腔内脂肪量を計測によって評価、糖代謝は血漿インスリンレベル、血漿グルコースレベル、糖負荷試験、脂質代謝は血漿コレステロール、血漿トリグリセライド、リポタンパクプロファイリング、血漿遊離脂肪酸、血圧についてはTail-cuffによる非観血式血圧測定器を用い収縮期、拡張期血圧を測定のシステム化を図った。前年度と同様にコンソミック系統を構築するため、肥満、糖代謝異常、高血圧に連鎖するQTLが存在する10本の染色体(第1、第4、第5、第7、第8、第11、第12、第15、第17、第18染色体)について、NZO/HILtJマウスを基盤とし、候補染色体をC3H/HeJにそれぞれ置き換えた10系統のコンソミック系統開発を実施した。第7、第8、第12、第17、第18染色体コンソミック系統は第7世代まで到達し、第1、第15染色体コンソミック系統は第8世代目が候補染色体以外ゲノムワイドにNZO/HILtJマウスの遺伝背景に置き換わっていることが明らかとなった(第4及び第5染色体コンソミック系統は繁殖困難に至った)。そこで主要な3系統について染色体の特質を明らかにするため以下の実験を実施した。また、全ての系統は凍結受精卵にて系統保存を行った。複数のメタボリックシンドローム形質と連鎖する遺伝子座(QTL)が存在する第7染色体及び第12番染色体、さらに体重に高いLODスコアー示した第17番染色体コンソミックマウスはホモ化を行い、肥満は体重、血漿レプチンレベルおよびin vivo CT画像解析装置による腹腔内脂肪量を計測によって評価、糖代謝は血漿インスリンレベル、血漿グルコースレベルを検査、血圧は非観血式測定方法にて各形質が解析された。しかしながら、3種類系統のコンソミックマウスNZO/HILtJマウス間において各形質とも有意な差は観察されなかった。
救急領域における死を看取る援助-看護実践能力を修得するために必要な教育について-

救急領域で行われている死を看取る援助の実態を調査するために、『危篤状態にある患者家族への援助8項目』についての質問紙を作成し、全国の救命救急センターに勤務する看護師1860名に質問紙を郵送した。アンケートの回収率は56.6%。そのうち、1035名が有効な回答であった。得られたデータは、対象者の基本属性や救急看護に関する学習経験と、援助8項目の実施状況との回答の比率の差を、クロス集計、カイ2乗分析を用いて分析し、以下の結果を得た。1.学生時代の救急看護に関する学習経験の有無と、援助8項目の実施状況に関しては、有意差はみられなかった。2.救命救急センターに就職した後、救急看護に関する講習会や研修会等への参加の有無や自己学習の有無は、援助8項目の実施状況と、5%水準で有意差がみられるものがあった。4.年齢と、援助8項目の実施状況に関しては、援助8項目のうち、「患者と家族が近づけるような配慮をする」以外は、回答の比率に5%水準で有意差がみられた。5.臨床経験年数と、援助8項目の実施状況に関しては、援助8項目の全てにおいて、回答の比率に5%水準で有意差がみられた。6.援助8項目のうち、最も実施が困難となっている援助は、臨床経験4年未満では「患者の尊厳を守りながら最期まで最善の患者ケアを行う」であり、4年以上では「患者の病状や予後など患者にかかわるさまざまな情報を収集し、その情報を家族の理解を確認しながら伝える」である、という興味ある知見が得られた。以上の結果をふまえて、救急領域において死を看取る援助実践能力を修得するために必要な教育方法・内容を今後も明らかにしていきたい。今年度は、平成14年から15年にかけて収集した、救急領域で熟練看護師が行っている患者死亡時の家族援助についてのデータを再分析し、熟練看護師が家族援助を行えるようになった発達プロセスと、熟練看護師が行っている患者死亡時の家族援助の実践内容を明らかにした。その結果、熟練した家族援助の実践には、「患者の尊厳を守りながら最善の患者ケアを行う」、「家族を多角的にとらえる」、「家族を支える」、「家族の感情表出をはかる」、「情報を提供する」、「情報を共有する」、「家族成員同士で支えあえるように家族関係を整える」、「患者と家族の関係を整える」、「家族援助ができるように業務を調整する」というカテゴリーを見いだした。これらのカテゴリーとカテゴリーを構成するサブカテゴリーをもとに、救急領域における死を看取る援助の実態を調査するための質問紙を作成し、研究2年目に向けて、質問紙の配布と、データの収集・分析の準備を進めている。また、熟練した家族援助を行えるようになった発達プロセスとして、「家族援助を実践するゆとりがない」、「家族援助実践へのとまどい」、「家族援助に関する知識の不足」、「家族援助実践に対する評価を行う」、「積極的に家族援助を実践する」、「知識の増大と整理」というサブカテゴリーを見いだした。しかし、家族援助の実践能力を獲得するまでに至った経過や明確な獲得時期について明らかにすることができなかったため、研究の2年目の分析において明らかにするのが課題である。
結晶Siタンデム型太陽電池に向けたSi系ワイドギャップ新材料の探索

本研究では、Ba(Si,C)2において、禁制帯幅拡大を実現することを目的とした。プロパンをRFプラズマ状にしてC源に用い、a軸配向CドープBaSi2膜を成長した。a軸の格子定数を求めたが、全ての試料で約0.892nmであり、RFパワー依存性は得られなかった。全ての試料において、C濃度は1cc当たり10の21乗程度であった。試料によりC濃度に差が無いのは、アンドープBaSi2膜中に多数の空孔欠陥があるからではないかと考えた。そこで、Ba/Si堆積レート比を1.0から5.1まで変えた試料を成長した。分光感度は堆積レート比に極めて敏感であり、また、キャリア密度は、堆積レート比が2.2で最少となった。本研究では、半導体BaSi2をベースとして、Si原子の一部を等電子的な炭素(C)原子で置換したBa(Si,C)2を薄膜成長し、結晶Si基板上にエピタキシャル成長可能な禁制帯幅が約1.6eVの半導体を作製することを目的とする。2接合タンデム型太陽電池に最適な禁制帯幅の組み合わせは、1.1eV(結晶Si)と1.6eVの半導体である。結晶Si太陽電池のエネルギー変換効率は、ヘテロ接合型で25.6%が最高であり0.6%の向上に約20年要した。結晶Si上に高品質成長が可能な禁制帯幅1.6eVの半導体を組み合わせることで、将来、Si系でも大幅なエネルギー変換効率向上が期待できるため、本研究は重要である。まず、プロパン(C3H8)ガスをプラズマ化することで、C源として働くか否かを確認する実験を行った。プラズマ出力が40W以上では、C3H8が分解されて低次のC-H化合物が形成されること、さらに、プラズマ出力を上げると、C3H8の分解が促進されることを、プラズマのスペクトルから確認した。さらに、C源となり得ることを、加熱したSi(111)基板にプラズマを供給して、3C-SiC膜が形成されたことで確認した。次に、CドープBaSi2膜を形成した。まず、Si(111)基板上に熱反応堆積法により厚さ5nmのBaSi2膜を成長し、これを種結晶としてCドープBaSi2膜の形成をMBE法で試みた。アンドープBaSi2膜と同様に、Si(111)基板上ではa軸配向で成長した。しかし、反射電子線回折パターンはリングであり、ドメインが面内で回転した多結晶膜であった。また、プラズマ出力が大きくなるほど、つまり、BaSi2膜中のC濃度が増加するにつれて、a軸の格子定数が減少した。減少幅は、最大約0.3%であった。この結果から、BaSi2膜中のSi原子の一部がC原子に置換された可能性が高いといえる。C3H8ガスをプラズマ化することで、C源として働くことを実証し、さらに、CドープBaSi2膜のa軸高配向成長に成功した。ドープしたC量は、プラズマ出力と線形の関係にあり、C量の増加とともに、CドープBaSi2膜のa軸格子定数が減少した。このように、a軸配向したCドープBaSi2膜の形成に成功し、次年度のエピタキシャル成長達成に向けて準備が整っており、おおむね順調に進展しているといえる。p-BaSi2/n-Siヘテロ接合型太陽電池において、エネルギー変換効率約10%を達成した。この値は、半導体シリサイドを用いた中では世界最高の値である。作製した太陽電池の変換効率の経時変化を調べたところ、BaSi2は大気中の酸素と反応して変換効率はすぐに低下すると予想していたが、予想に反し、2016年2月以来、エネルギー変換効率の低下は見られなかった。また、エネルギー変換効率が高い素子では、BaSi2膜中には、1019cm-3以上の酸素が深さ方向にほぼ均一に入っていること、さらに、酸素濃度が高い方が、分光感度特性も大きいことが分かった。そこで、第一原理計算により、酸素原子がBaSi2格子に入るときに、Ba原子、Si原子および格子間サイトのどこに入りやすいか、形成エネルギーを計算することで予想した。その結果、格子間サイト(4cサイト)に最も入りやすいこと、このとき、禁制帯内に再結合中心として働く局在準位を形成しないこと、さらに、禁制帯幅が拡大することが分かった。これは、p型およびn型にドーピングする際に用いる13族(B, Al, In)または15族元素(P, As, Sb)とは異なる結果である。これらの不純物は、Si原子を置換する際に最も形成エネルギーが小さくなり、このためキャリアタイプの制御に用いられるが、格子間サイトに侵入すると局在準位を形成することが第一原理計算から分かっている。このように考えてくると、BaSi2太陽電池が一般的な室内においても、変換効率が低下しないのは、空気中の酸素原子の侵入が悪さをしないためと考えることができる。結晶Siをベースとするタンデム型太陽電池を実現するために、BaSi2のSi原子の一部をC原子で置換して禁制帯幅拡大を目指す研究を2年目の前半も行ってきた。それと並行して、p-BaSi2/n-Siヘテロ接合型太陽電池の研究を行ったところ、約10%のエネルギー変換効率が得られ、さらに、一年以上もエネルギー変換効率の低下が確認されなかった。

この原因を調べたところ、BaSi2中に含まれる酸素が原因と考えられる結果を得た。酸素がBaSi2の分光感度特性を格段に向上することは、予期していない結果であった。太陽電池は外気にさらされるため、酸化されやすい。このため、BaSi2中の酸素原子が悪さをしないことは、太陽電池材料として、非常に有利な特徴といえる。また、第一原理計算により、酸素がBaSi2格子内の最も安定なサイトに侵入すると、禁制帯幅が拡大するとの結果を第一原理計算より得た。このような実験結果を受けて、今後は、BaSi2の他の4cサイトにも積極的に酸素を添加して(現状の1019cm-3台の100倍以上)禁制帯幅を1.5eV以上にし、結晶Si太陽電池とのタンデム型に見合うトップセル材料を開拓する構想に至った。BaSi2格子内の4cサイトに酸素を、また、Siサイトに炭素をドーピングして、禁制帯幅拡大の実験を行う計画であったが、その前段階として、そもそもBaSi2中に点欠陥が発生するのか否かを調べることが重要と考えた。このため、BaSi2薄膜堆積中のBaとSiの供給レート比Rに注目し、供給レート比を変えたn-BaSi2/Si(111)の結晶性や電気・光学特性を評価することで、BaSi2光吸収層の高品質化を検討した。実験では、成長時のSiの堆積レートを0.9 nm/minに固定し、Baの堆積レートを0.9 nm/minから4.6 nm/minに変えることで、供給レート比を1.0から5.1の間で変えた試料を成長した。試料のBaとSiの原子比を測定するためにラザフォード後方散乱分析も行った。また、分光感度測定と反射率測定を行い、内部量子効率も求めた。作製した試料の分光感度特性から、堆積レート比の変化に対して分光感度スペクトルがとても敏感に変化することを明らかにした。次に、各試料のキャリア密度を測定し、分光感度とキャリア密度の関係を検討した。その結果、堆積レート比が2.0から2.6までの範囲でp型伝導を示し、その他の範囲ではn型伝導を示すとを明らかにした。また、堆積レート比が2.2に近付くにつれてキャリア密度が減少し、2.2で最少のホール密度(1cc当たり10の15乗)を記録した。よって、多数キャリア密度が小さくなることによって光生成したキャリアとの再結合が減少し、少数キャリア寿命が向上したために、分光感度特性が向上したと考えられる。以上より、高品質なBaSi2膜の作製には、BaSi2膜形成時の堆積レート比を精密に制御する必要があるとの重要な結果を得た。このことは、期待以上の成果であり、高く評価できる。本研究では、Ba(Si,C)2において、禁制帯幅拡大を実現することを目的とした。プロパンをRFプラズマ状にしてC源に用い、a軸配向CドープBaSi2膜を成長した。a軸の格子定数を求めたが、全ての試料で約0.892nmであり、RFパワー依存性は得られなかった。全ての試料において、C濃度は1cc当たり10の21乗程度であった。試料によりC濃度に差が無いのは、アンドープBaSi2膜中に多数の空孔欠陥があるからではないかと考えた。そこで、Ba/Si堆積レート比を1.0から5.1まで変えた試料を成長した。分光感度は堆積レート比に極めて敏感であり、また、キャリア密度は、堆積レート比が2.2で最少となった。1年目の実験でCドープBaSi2膜においてa軸配向膜は得られたが、ドメインが面内で回転した多結晶膜であった。