hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
生細胞における超高解像度DNA多色イメージングによる分裂期染色体構造の解明

これまでの研究でCRISPRイメージングによりセントロメア、およびテロメアの配列を生細胞内で検出できることを確認した。複数の標的配列を同時に検出することを試みるために、gRNAの3'末端にRNAモチーフであるPP7、boxBおよびMS2を付加し、それぞれのRNAモチーフに結合するタンパク質に蛍光蛋白質を融合したPCP-GFP、N22-RFP、およびMCP-RFPを細胞内で発現させた。しかしながら、PCP-GFP以外の蛋白質は核小体や細胞質のシグナルが強く、標的DNA特異的なシグナルの検出には至らなかった。PCP-GFPでセントロメアを可視化すると、正常細胞では6-8個の輝点が観察されるのに対し、癌細胞であるHeLa細胞ではその数が10個以上に増加することが観察された。このことから、CRISPRイメージングでは特定の染色体のセントロメアが検出されており、細胞の癌化に伴う染色体数異常により観察される輝点が増加すると考えられる。そこで、マルチカラーFISH解析とCRISPRイメージングによるセントロメアの検出を同時に実施することで、セントロメアのシグナルが検出される染色体を調べた結果、1番、12番、19番染色体からのシグナルが50%以上の細胞から検出され、本研究で用いたgRNAでは特定の染色体のセントロメアが高頻度で検出されることが明らかとなった。また、正常細胞では、細胞老化に伴うセントロメア領域におけるクロマチンの凝縮異常が観察されており、細胞老化のイメージングに本研究で構築した実験系を利用できることが示唆された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では細胞内で複数のゲノムDNA配列を可視化し染色体凝縮時のDNAの時空間的挙動を明らかにし、染色体凝縮メカニズムの解明を目指している。本年度は、DNA可視化に必要なベクター構築、およびヒト培養細胞(HeLa細胞)へのトランスフェクションを行なうことで、標的配列を実際に細胞内で検出した。本研究では、標的DNAを検出するためにゲノム編集技術であるCRISPR/Cas9を応用し、標的DNAにgRNAを介してヌクレアーゼ活性が欠損したdCas9を結合させる。ここで、gRNAの3'末端側に特定のRNA結合蛋白質が認識するために必要なモチーフ(PP7)を付加し、PP7に結合するPPC蛋白質にGFPを融合することで、gRNAを介して標的DNAを蛍光で検出することが可能になる。このため、標的DNAを検出するためには、1)dCas9発現ベクター、2)gRNA-PP7発現ベクター、3)PPC-GFP発現ベクターの3種類が必要となるため、これらのベクターを構築した。また、sgRNAの標的配列としてはテロメア配列(TTAGGG)を選択した。これらの構築したベクターをHeLa細胞に導入することで、核内にテロメア様の輝点を多数検出することに成功した。また、細胞内でカルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの二価陽イオンがDNAの凝縮を制御する因子である事を示すことにも成功しており、今後本システムを用いて二価陽イオンが染色体凝縮時のDNAの挙動に与える影響の詳細が明らかになる可能性がある。本年度計画していた、生細胞内DNAイメージングを行うために必要な基本的なベクターを構築することができ、実際にこれらのベクターを用いて標的配列を検出できていると思われるポジティブな結果が得られている。また、分裂期におけるDNAの挙動に細胞内のカルシウムイオンやマグネシウムイオンが大きく関わることを示すことができ、本成果を論文発表ならびにプレスリリースした。本年度は、昨年度構築したDNA可視化に必要なベクターをヒト培養細胞(HeLa細胞)へトランスフェクションをし、標的配列のシグナルを細胞内で検出した。リピート配列であるテロメアとセントロメアのαサテライトを標的とするgRNAを作製して用いた。トランスフェクション後の細胞をスライドガラス上に展開し、FISHを行うことで標的シグナルが予想通り染色体のテロメアとセントロメアから検出され、CRISPR/dCas9を利用して標的DNAの動態を観測できることを確認した。しかしながら、2種類の蛍光蛋白質を用いた多色イメージングは、RNA結合蛋白質N22にRFPを結合させたものが核小体に蓄積してしまうため成功には至っていない。今後は、他のRNA結合蛋白質や他種族由来のdCas9を利用するなどして多色イメージングを試みるとともに、セントロメア、テロメア以外の染色体構造を標的としたgRNAを作製し、染色体構造の検出を試みる。分裂期におけるDNAの凝縮には蛋白質のリン酸化が関与すると考えられているが、染色体構造の一つである染色体スキャフォールド構造がKIF4Aとコンデンシンのリン酸化によって制御されているを明らかにし論文発表を行った。また、染色体の動原体構造に2価陽イオンの一つであるカルシウムイオンが関与することを明らかにし論文を発表した。このため、蛋白質のリン酸化やカルシウムイオンが染色体構造に与える影響を本イメージングシステムと超解像度顕微鏡法を組み合わせて詳細に解析する予定である。CRISPR/dCas9システムを利用して、テロメア、セントロメアをターゲットとして検出されたシグナルがそれぞれの構造に由来するシグナルであることをFISH法を用いて確認することができ、構築したベクターを用いて標的DNAを細胞内で検出可能であることを実証することができた。

一方で、細胞内での多色DNAイメージングを行うために、gRNAの3'末端にRNAモチーフであるPP7及びboxBを付加し、それぞれのRNAモチーフに結合するタンパク質に蛍光蛋白質を融合したPCP-GFP及びN22-RFPを細胞内で発現させた。その結果、PCP-GFPは予想通り核内に局在し、標的配列からのシグナルを検出することができたが、N22-RFPは核小体に蓄積し、標的配列のシグナルの検出が困難であった。このため、他のRNA結合蛋白質とRNAモチーフの組み合わせを検討したり、複数種族由来の蛍光標識dCas9を利用することを検討している。また、カルシウムイオンが染色体の動原体構造の構築に関与し、カルシウムイオンの欠乏が染色体整列異常を引き起こすことを示し、論文発表ならびにプレスリリースを行った。これまでの研究でCRISPRイメージングによりセントロメア、およびテロメアの配列を生細胞内で検出できることを確認した。複数の標的配列を同時に検出することを試みるために、gRNAの3'末端にRNAモチーフであるPP7、boxBおよびMS2を付加し、それぞれのRNAモチーフに結合するタンパク質に蛍光蛋白質を融合したPCP-GFP、N22-RFP、およびMCP-RFPを細胞内で発現させた。しかしながら、PCP-GFP以外の蛋白質は核小体や細胞質のシグナルが強く、標的DNA特異的なシグナルの検出には至らなかった。PCP-GFPでセントロメアを可視化すると、正常細胞では6-8個の輝点が観察されるのに対し、癌細胞であるHeLa細胞ではその数が10個以上に増加することが観察された。このことから、CRISPRイメージングでは特定の染色体のセントロメアが検出されており、細胞の癌化に伴う染色体数異常により観察される輝点が増加すると考えられる。そこで、マルチカラーFISH解析とCRISPRイメージングによるセントロメアの検出を同時に実施することで、セントロメアのシグナルが検出される染色体を調べた結果、1番、12番、19番染色体からのシグナルが50%以上の細胞から検出され、本研究で用いたgRNAでは特定の染色体のセントロメアが高頻度で検出されることが明らかとなった。また、正常細胞では、細胞老化に伴うセントロメア領域におけるクロマチンの凝縮異常が観察されており、細胞老化のイメージングに本研究で構築した実験系を利用できることが示唆された。作製した標的DNAを可視化するためのベクターを用いて、生きた細胞の分裂期の染色体において、検出されているシグナルがテロメアであることをFISHにより確認する。標的DNAの可視化が成功していた場合、さらに別のRNA結合モチーフ(BoxB)とRNA結合蛋白質(N22)の組み合わせを用いて、テロメアと同時に別の標的DNA配列、例えばセントロメアを検出することを試みる。また、STORMやStructured Illumination Microscopy (SIM)といった超解像度顕微鏡法を用いることで、in vovoでの詳細なクロマチン構造の検出を試みる他、テロメアやセントロメア以外のDNA配列、特に染色体構造に重要と考えられるコンデンシンなどの結合配列を検出する。さらに、がん細胞であるHeLa
大気中重水濃度のモニタリング法の確立とファイトレメディエーション研究へのその応用

陽子移動反応質量分析計を用いて重水由来イオンとしてm/z20と38を同定した。イオンカウント量からm/z20がより高感度に測定できることを明らかにし、水蒸気濃度による影響を受けるため、その補正式を求めた。根から吸収された重水の葉からの蒸散を測定し,植物体内の包括的な水移動速度を求め、同時に経根有機物質の葉からの蒸発をPTR-MSでモニタリングすることで,植物体内の物質移動性を水の移動性を基準に比較した。13Cでラベルしたトルエンを用いることで,経根吸収されたトルエンは根に最も存在し、葉へ輸送される量は少ないこと、トルエンの一部は最終的に二酸化炭素として放出されることを明らかにした。本研究は,陽子移動反応質量分析計(PTR-MS)を用いて,植物体内の水移動特性やファイトレメディエーション機能の動態を明らかにする.今年度はまず、PTR-MSを用いて,大気中の重水濃度をリアルタイムモニタリングする手法を確立し、次いで根から吸収された重水の葉からの蒸散を測定し,植物体内の包括的な水移動速度を求める手法を確立した。DHOの陽子移動反応時の生成物であるm/z 20と38のイオン量は、サンプル空気中の水蒸気濃度とドリフトチューブ内の反応エネルギーの影響を受けるため、独立変数として、1ドリフトチューブに印加する電圧(反応エネルギーを設定するため)、2サンプルガス中のDHO濃度、3サンプルガス中の水蒸気濃度、を取りあげ、測定条件の最適化を図った。サンプル空気中の湿度を変えるため露点発生器を用い、重水濃度はパーミエータ内に設置する重水を入れたガラス管の内径を変えることで調整した(内径大→蒸発量大)。ドリフトチューブの電圧はPTR-MSのオペレーションソフトを用いて、一般的な500 Vを挟むように、400 Vから600 Vまで50 V刻みで変化させた。DHO由来のイオンであるm/z20のイオンカウント量はm/z38のそれの約10倍と感度がより高かった。両イオンともいずれの電圧条件でも、水蒸気濃度の影響を強く受けたため、他のイオンを同時測定する際、推奨される反応エネルギーである120 TDになるよう、電圧、ドリフトチューブの圧力と温度を設定することとした。次に、この設定を用いて課題2に取り組み、水耕栽培のヒマワリで重水の蒸散をモニタリングした。3度の実験とも翌朝に重水由来イオン(m/z 20 or 38)が急に上昇しだした。夜間に吸い上げられ葉に達した重水が、朝に気孔が開くとともに蒸発された結果である。このように、今年度の実験によって、重水測定のためのPTR-MSの特徴づけができ、根から吸収された重水の葉からの放出のリアルタイム測定の手法を確立できた。昨年の実験により重水濃度をPTR-MSを用いて正確に測定できるようになった。そこで植物の根から吸収された物質が葉から放出されるまで継時的に計測した。測定には、陽子移動反応質量分析計(以下PTR-MS)を用た。VOC溶液は0.1 mLのベンゼン、トルエン、メタクロレイン、メチルイソブチルケトン(以下MIBK)を純水1Lに溶かし作成した。植物はフッ素樹脂製の袋に地上部を入れ、内部のVOC濃度を計測した。2回の実験ともに、溶液に交換した後の明期中に葉から重水やVOCは放出されなかった。ランプが消灯し暗期を経過した後、午前6時にライトが点灯すると、重水由来イオン濃度と、実験に用いたすべてのVOC濃度が上昇した。これは植物の気孔が開いたことにより実験で用いたすべての物質が放出されたためである。各物質が放出されるとフッ素樹脂袋内の濃度が上昇するが、物質間で濃度差が大きかった。今回計測した物質の中ではメチルイソブチルケトン(以下MIBK)の濃度が最も高く、多量に放出されていた。次いで、ヒマワリの根に13Cトルエンを吸収させ、暗呼吸速度を計測し、呼吸で放出される二酸化炭素の13C比を測定した。測定には、レーザー分光CO2安定同位体比計(Aerodyne Inc.Boston, Maine, USA)を用い、ヒマワリの暗呼吸中に13C-phenyl-tolueneの代謝最終産物である13CO2を測定した。13C-phenyl-tolueneをあらかじめ1週間根から吸収させたヒマワリと純水のみ(対照区)を吸収させたものを用いた。暗呼吸時に放出されるCO2の同位体比をkeelingΔ値を用いて評価した。根からトルエンを吸収させた区では13CO2のkeelingΔ値は対象区のそれに比べて有意に低かった(P<0.01)。このことから植物の中にある13C-phenyl-tolueneneが代謝分解され、呼吸時に最終産物の13CO2として放出されたと考えられた。本年度は、植物体内の包括的な水と有機物質の移動速度を、PTR-MSでモニタリングすることで求めた。樹高34 mのハナミズキ成木(鉢植)の3高度(1m, 2m, 3m)に位置する枝に透明フッ素樹脂袋をかぶせ、白金触媒で浄化した清浄空気を流量1.5 L/minで送った。袋内の空気をPTR-MSで測定した。0.04%(vol/vol)の重水、メチルエチルケトン、クロトンアルデヒド、トルエン、ジクロロエタンを鉢に与えた。実験は3回行った。

各実験とも給水後3時間から4時間経過すると、下層の枝葉から重水の放出が認められた。その12時間後に下層の枝葉からメチルエチルケトンの放出が起こった。中層と下層の枝葉からは、翌日の朝から昼に重水放出が始まり、13時間遅れてメチルエチルケトンが放出されだした。中層と上層を比較すると、両物質ともに放出時期に差はなかった。他方、クロトンアルデヒド、トルエン、ジクロロエタンについては、どの枝からも放出が認められなかった。このようにPTR-MSを用いることで、各物質の移動速度の違いをモニタリングできる技術を確立した。トルエンが葉から全く放出されなかった理由を明らかにするため、さらに同位体質量分析計を用いることで,13Cでラベルした13C-phenyl-tolueneをヒマワリの根から吸収させ,植物体内の分配,代謝を評価した。対照区に対して13C-phenyl-toluene吸収区ではδ13Cの値が、ヒマワリの根、茎、葉とも高くなり、根では有意差が認められた。茎では6日後より後の個体で有意差が認められ、葉でも12日経過したものとでは有意差が認められた。対照区との差が大きかったのは、根で次いで茎、葉の順であった。13C-phenyl-tolueneは根で吸収された後多くは根に蓄えられ、また一部の13Cが植物体内の維管束を移動し、最終的に葉まで到達したと考えられるが、葉への移動が非常に遅く、また代謝変換されるため放出は起こらなかったと考えられた。陽子移動反応質量分析計を用いて重水由来イオンとしてm/z20と38を同定した。イオンカウント量からm/z20がより高感度に測定できることを明らかにし、水蒸気濃度による影響を受けるため、その補正式を求めた。根から吸収された重水の葉からの蒸散を測定し,植物体内の包括的な水移動速度を求め、同時に経根有機物質の葉からの蒸発をPTR-MSでモニタリングすることで,植物体内の物質移動性を水の移動性を基準に比較した。13Cでラベルしたトルエンを用いることで,経根吸収されたトルエンは根に最も存在し、葉へ輸送される量は少ないこと、トルエンの一部は最終的に二酸化炭素として放出されることを明らかにした。陽子移動反応質量分析計のレンタル会社との連絡が不十分であったため、レンタルが11月となり、野外での高木を用いた実験を行えなかったが、同位体の測定が順調に行え、もっとも大事なデータが取れた。27年度が最終年度であるため、記入しない。植物大気環境学H27年度以降は以下の2課題を推進する。根から吸収された重水の葉からの蒸散を測定し,植物体内の包括的な水移動速度を求める.同位体質量分析計を用いることで,13Cでラベルした有機物質の植物体内の分配,代謝を定量的に評価する.以上の研究で,植物体内の水移動特性やファイトレメディエーション機能の動態を明らかにする.推進に当たっては、連携研究者の谷亨に協力を仰ぎ、同位体質量分析計を用いる。課題とした研究項目を順調に実施し、満足のいく結果を得たため。高額な13Cトルエン(10万円相当)の購入が保管分でまかなえたためなど。
廃酸を使用したコンクリート用骨材の回収システムの検討

近年は環境負荷低減のためコンクリート塊をリサイクルする動きがあり、再生骨材やそれを使用したコンクリートの耐久性の調査が進められている。再生骨材の製造方法には、加熱すりもみ法やパルス法があるが、これらは多くのエネルギーを必要としている。そこで、本研究は、廃棄物同士の掛け合いで有価物を生成する方法を考えた。つまり、廃コンクリートを廃硫酸により溶解し、溶け残ったものが骨材であるとしたものである。本研究の目的を廃硫酸を用いて高品質な再生粗骨材を複数回回収することとした。その結果、次の結果を得た。(1)5mm以上25mm以下の試験片を廃硫酸で溶解すると、溶解開始3日目までは反応が活発だが徐々に反応が穏やかになり、35日間で溶解が完了した。(2)廃コンクリートと廃硫酸が反応すると硫酸カルシウムが析出した。硫酸カルシウムは水に不溶であるため容器内に沈殿したものを単純にろ過することで回収することができた。(3)廃硫酸を用いてコンクリートを35日間溶解することで、再生粗骨材Hの規格を満たす粗骨材を複数回回収することが出来た。(4)回収した再生粗骨材を用いて作製した再生骨材コンクリートの圧縮強度は、リサイクルの回数が増えると若干低下するが、普通コンクリートとしては十分な強度を持っていた。(5)2サイクル目までは高品質の再生粗骨材を回収することが可能である。鋼材洗浄に使用された,鉄分と硫黄分の含有が多い硫酸(鋼材洗浄時の硫酸濃度は13%)の廃酸を使用した。まず、廃酸濃度100,50,20%の水溶液400mlにモルタル片35gを入れ,振とう器で7日間振とうさせ(110回転/分)、溶解実験を行った。なお溶解中に適時、モルタル片の質量を計測した.その結果、溶解7日目では、廃酸を用いた場合、著者が過去の研究で溶解に最適と判定した塩酸濃度20%の水溶液より、多くのモルタルが溶解した。これより、塩酸濃度20%の水溶液より廃酸の水溶液の方が、溶解能力が高いことが分かった。しかし、廃酸のみによる溶解では時間がかかり過ぎる点が問題視された。よって、次に、溶解速度を上げる試みとして、廃酸と塩酸,蟻酸,酢酸との混合溶液を作製し、同様の溶解実験を行った。廃酸濃度100%の溶液200mlに各酸濃度20%の溶液200mlを混ぜたものを使用した。モルタル片の溶解率の変化を見ると,廃酸と塩酸の混合溶液で、廃酸のみによる溶解より溶解速度が上昇し、良好な結果が得られた。これは,廃酸(硫酸)のモルタルの溶かし方と塩酸のモルタルの溶かし方がそれぞれ違い,それらが混ざり合うことにより溶解率が上がったと考えられるが、溶解のメカニズムについては今後の課題である。また、廃酸の骨材への影響を見るために、廃酸に粗骨材を浸漬され、その変化を観察した。その結果、カルシウムの含有量が少ない黒味の粗骨材では、浸漬後も質量の変化はなかったが、カルシウムの含有量が多い白味の粗骨材では、浸漬により骨材の質量の減少を確認した。これにより、使用されている骨材種により、溶解による骨材回収の方法が取れない可能性があることが分かった。なお、平成28年度は、当該年度に得られた研究成果をまとめ、公表する時間を十分に持てなかった。そのため、平成28年度内に研究成果の公表に至らなかった。交付申請書に掲げた平成28年度の研究実施計画に従い、(1)廃酸(強酸、弱酸)による溶解の可否とモルタルの溶解に最適な濃度の決定、(2)廃酸の骨材への影響を検討した。その結果、以下の成果を得た。(a)廃酸によりモルタルを溶解することが可能であった、(b)溶解速度を上げる試みとして、廃酸と塩酸,酢酸,蟻酸との混合溶液で実験を行った結果、廃酸と塩酸の混合溶液で良好な結果が得られた、(c)粗骨材のみを酸溶液に含浸し、コンクリート溶解を行った際に起こりうる骨材への影響を観察した結果、カルシウムの含有が多い骨材では、骨材自身が酸溶液により溶解することが分かった。以上より、平成28年度の研究計画は順調に進行し、有用な成果を得た。ただし、廃酸により発生する気体の調査は、発生気体量が少なかったため実施できなかった。これより、研究達成度を85%と評価する。昨年度の研究において、カルシウムの含有量が多い骨材では、酸浸漬により骨材自体の溶解を確認した。これは、昨今使用実績が上がっている石灰岩骨材を対象とした場合、本方法では石灰岩骨材の回収は困難であることが容易に予想された。したがって、本年度では、コンクリート用骨材として使用されている4種の骨材を用いて、酸浸漬による骨材への損傷を確認した。使用した骨材は、石灰岩、安山岩、硬質砂岩2種である。その結果、予想どおり、カルシウムを多く含有している石灰岩では、酸浸漬により骨材自体が溶解することを確認した。カルシウムの含有量が少ない骨材では、骨材自体の溶解を確認できなかった(質量減少率は小さいものであった)。さらに、酸溶解後の廃液を対象に、廃液からの成分分離を実施した。溶解後の廃液に濃度28%のアンモニア水を滴下し中和した。

滴下後、しばらくすると赤褐色の沈殿物と透明な溶液とに分離した。ろ過して沈殿物を取り去り、透明な溶液に重曹とクエン酸を加え、溶液を炭酸化した。その結果、白色の析出物を得た(炭酸カルシウムと予想)。現在、X線による成分分析を手配している段階である(2017年度中の分析は出来なかった)。また、廃硫酸を使用した研究に関しては、廃棄物排出者・東京都市大学・東京都との間の契約書等の締結に大幅が時間が掛かってしまい、2017年度において十分な実験を行えなかった。2018年度は研究最終年度になるため、すべてのスケジュールを前倒しにして研究を遂行する予定である。酸溶解による再生骨材の回収に関して、対象骨材の含有成分の影響や溶解後の廃液からの成分分離に関して、一応の目処が立つ結果を得た。しかし、「研究実績の概要」で述べたように廃硫酸を使用した研究に関しては、廃棄物排出者・東京都市大学・東京都との間の契約書等の締結に大幅が時間が掛かってしまい、2017年度において十分な実験を行えなかったことにより、実験スケジュールを見直す必要が生じてしまった。近年は環境負荷低減のためコンクリート塊をリサイクルする動きがあり、再生骨材やそれを使用したコンクリートの耐久性の調査が進められている。再生骨材の製造方法には、加熱すりもみ法やパルス法があるが、これらは多くのエネルギーを必要としている。そこで、本研究は、廃棄物同士の掛け合いで有価物を生成する方法を考えた。つまり、廃コンクリートを廃硫酸により溶解し、溶け残ったものが骨材であるとしたものである。本研究の目的を廃硫酸を用いて高品質な再生粗骨材を複数回回収することとした。その結果、次の結果を得た。(1)5mm以上25mm以下の試験片を廃硫酸で溶解すると、溶解開始3日目までは反応が活発だが徐々に反応が穏やかになり、35日間で溶解が完了した。(2)廃コンクリートと廃硫酸が反応すると硫酸カルシウムが析出した。硫酸カルシウムは水に不溶であるため容器内に沈殿したものを単純にろ過することで回収することができた。(3)廃硫酸を用いてコンクリートを35日間溶解することで、再生粗骨材Hの規格を満たす粗骨材を複数回回収することが出来た。(4)回収した再生粗骨材を用いて作製した再生骨材コンクリートの圧縮強度は、リサイクルの回数が増えると若干低下するが、普通コンクリートとしては十分な強度を持っていた。(5)2サイクル目までは高品質の再生粗骨材を回収することが可能である。平成28年度の成果を受け、平成29年度は以下の実験を行っていく。(1)廃酸により、コンクリートを溶解し、溶解期間中における再生骨材の密度及び吸水率の変化を調査する。(2)廃酸でコンクリートを溶解した後の酸溶液から、カルシウム分の成分分離実験を行う。また、平成29年度は、平成28年度に得た研究成果をまとめ、研究成果の公表を行う。平成30年度は以下の実験を行っていく。(1)廃硫酸による溶解方法の決定(2)廃硫酸によるコンクリート溶解実験(3)回収した再生骨材の品質調査(4)溶解後の廃液からの成分分離実験(カルシウム分の回収)さらに、平成30年度中までの成果をまとめ、平成31年度に論文投稿を行い、成果を公表する予定である。薬品の購入での使用を想定していたが、平成28年度での薬品使用量が減り、残額が残ったものである。(理由)廃硫酸の購入費・送料等および廃液の中和用薬品や廃棄処分費を見込んでいたが、東京都との契約等に大幅に時間がかかり、予算が執行されず残額を生じたためである。(使用計画)
圧力と磁場によって創出されるイッテルビウム化合物の重い電子状態の研究

本研究ではYb化合物が示す重い電子状態や新奇な電子状態を明らかにするため、純良単結晶を育成し、高圧、低温、強磁場下で物性測定を行った。以下に本研究で得た知見を挙げる。1) 2価に近い電子状態のYbCu2Ge2は加圧下で電子の有効質量が増大することを見いだした。またx線吸収、および回折実験により、Ybの価数、体積の圧力依存性を評価し、価数が2.8価を超える10 GPa辺りから有効質量が急激に増大することを明らかにした。2)重い電子系YbT2Zn20 (T: Rh, Ir)のx線吸収実験を行い、ほぼ3価に近かったYbの価数が低温で有意に減少することがわかった。この変化はそれぞれの物質の熱膨張測定の結果から推定される価数の変化とも一致しており、価数の変化率は近藤温度TK付近最も大きくなることが分かった.これらはYb化合物が重い電子系に変化する際に結晶の膨張を伴うことを表す典型例だと考えられる。3)重い電子系YbCo2Zn20の強磁場下における電気抵抗測定から、H || [111]で現れる磁場誘起反強四極子秩序(FI-AFQ)相の相図を明らかにした。また中性子散乱実験を行い磁場誘起相や結晶場状態に関する知見を得た。さらにYbCo2Zn20のFI-AFQ相と重い電子によるメタ磁性の圧力効果をより詳細に調べ、臨界圧である1.8 GPa付近でメタ磁性による異常が観測されなくなり、2.2 GPa以上で圧力誘起反強磁性(AFM)が観測された。5 GPa付近まではAFM相はFI-AFQ相と共存していることがわかった。以上のように、圧力はYbの電子状態をコントロールし新奇な状態を生み出す有効な手段であることがわかった。本研究を進める間に育成され新しいYb化合物もいくつかあり、今後も世界初のYb化合物の圧力誘起超伝導体の探索を継続して行なう予定である。24年度が最終年度であるため、記入しない。本研究を通して、以下を明らかにした。重い電子系物質YbT_2Zn_<20>(T: Co,Rh,Ir)は大きな電子の有効質量と重い電子系特有のメタ磁性を示し,その電子状態は量子臨界点近傍にある.圧力下における研究から,YbRh_2Zn_<20>は5.2GPaで量子臨界点に達し電子比熱係数が通常金属の約2万倍の20J/(K^2・mol)にも達するスーパーヘビーともいえる電子状態になることがわかった.2)YbCo_2Zn_<20>の磁場誘起反強四極子相と圧力誘起反強磁性との競合関係YbCo_2Zn_<20>では重い電子によるメタ磁性の他に磁場誘起による反強四極子秩序(FIOP)相が見いだされた.つまり4f電子の「遍歴的」な性質である重い電子状態と「局在的」な性質である反強四極子秩序が同時に発生する.さらに圧力下では圧力誘起の「局在的」な反強磁性が加わり,複数の秩序変数が絡んだ電子状態を生み出すことがわかった.3)YbCu_2Ge_2の圧力下での重い電子状態への移りかわりYbの価数が2価に近いYbCu_2Ge_2では圧力でYbの価数を2価から3価に制御することで,価数揺動状態,(磁気,価数)量子臨界点,磁気秩序相と基底状態が連続的に移り変わることが期待できる.現在約20GPaまでの測定を行っており,圧力下で明らかにYbの3価の成分が顔を出していることが分かってきた.この圧力では有効質量が常圧に比べて,1桁程度大きくなり,重い電子状態を形成しはじめていることが分かった.本研究ではYb化合物が示す重い電子状態や新奇な電子状態を明らかにするため、純良単結晶を育成し、高圧、低温、強磁場下で物性測定を行った。

さらにYbCo2Zn20のFI-AFQ相と重い電子によるメタ磁性の圧力効果をより詳細に調べ、臨界圧である1.8 GPa付近でメタ磁性による異常が観測されなくなり、2.2 GPa以上で圧力誘起反強磁性(AFM)が観測された。5 GPa付近まではAFM相はFI-AFQ相と共存していることがわかった。以上のように、圧力はYbの電子状態をコントロールし新奇な状態を生み出す有効な手段であることがわかった。本研究を進める間に育成され新しいYb化合物もいくつかあり、今後も世界初のYb化合物の圧力誘起超伝導体の探索を継続して行なう予定である。24年度が最終年度であるため、記入しない。カゴ状物質YbT2Zn20(T:Rh,Ir)が示す量子臨界点における巨大な有効質量や圧力誘起磁性を結晶育成と圧力技術を融合した物質開発の手段により明らかにした。またYbCo2Zn20でYb化合物でははじめてとなる磁場誘起四極子秩序を発見した。重い電子状態である「遍歴」と四極子が顔を出す「局在」の2つの電子状態が絡んでいて興味深い。またYbCu_2Ge_2の電子状態を圧力により変化させる実験が進行中である。次年度は以下の点に着目して、Yb、Ce化合物で発現する重い電子状態の解明と新物質探索を進めて行きたい。1)YbCo2Zn20の価数揺らぎ,磁場誘起秩序相の微視的研究YbCo2Zn20の重い電子状態に価数ゆらぎの兆候があることがわかってきた。核磁気共鳴測定で価数の状態を直接反映する核四重極共鳴周波数を極低温で調べ、微視的見地から価数ゆらぎの存在を明らかにする。また、本研究で見つかったYbCo2Zn20の磁場誘起反強四極子秩序相について明らかにするため中性子散乱実験を行う。2)Yb化合物における量子臨界点、世界初のYb系圧力誘起超伝導の探索YbCu2Ge2のYbの価数が2価から3価へと少し近づき有効質量が増加することがわかった。超高圧力発生技術を駆使して,価数と磁気揺らぎによる重い電子状態の形成過程を解明し,量子臨界点近傍で期待される超伝導の探索を行う。3)価数ゆらぎを媒介とした新量子臨界現象の理論の確立と実験的検証数十年の間希土類化合物が示す多彩な電子物性は磁気モーメント間の相互作用や磁気的な揺らぎにより引き起こされるといういわゆるドニアックの相図に基づいて説明されてきた。一方でCeTIn5の超伝導やYbCo2Zn20の重い電子状態などで新たな軸である「価数」のゆらぎが重要であると思える現象が次々と観測されている。価数のゆらぎが生み出す新しい物理現象を探索し、ドニアックの相図を超える新しい量子臨界理論の検証を行う。
渓流の落葉分解過程に及ぼす河川地形条件と流量変動の影響

東京大学秩父演習林内の小渓流において,流速,水位,微地形の異なる様々な場所に,渓畔植生中の優占樹種であるフサザクラの落葉について,圧縮条件を2通りに設定して作成したリターバッグを1994年12月に設置し,落葉の分解速度,化学成分分析,葉に付随する微生物活性を測定した。その結果,以下の諸点が明らかとなった。(1)落葉の分解速度は,圧縮度の低い淵のゆるやかな堆積,および圧縮度は高いが水の転換効率の大きい瀬の堆積では同程度であったが,圧縮度が高く水の転換効率が低い淵尻および岸際の堆積では遅かった。(2)落葉の窒素含有率,微生物の活性速度は,淵あるいは瀬の堆積に比して淵尻および岸際の堆積において低く,微地形による落葉分解速度の差は,微生物による分解によって生じているものと推察された。(3)瀬の落葉堆積においては,フル-ド数で示される水理環境が分解速度に影響を与えていた。この条件は,水流による機械的分解作用の差を生じることによって,および水理環境を介した無脊椎動物の分布に影響を与えることによって,分解速度に影響をもたらしているものと考えられた。(4)淵,よどみの落葉堆積においては,平均水位が小さく本流から隔離される確率が高い堆積では,窒素含有率,微生物の活性速度が低いにもかかわらず分解速度が顕著に高い場合があることが認められた。岸際の構造的複雑性は,流量の低下にともない落葉堆積と粉砕分解者である無脊椎動物の隔離を生じ,落葉の分解を促進する場合があることが示唆された。以上の結果より,河川微地形と流量変動の相互作用は,微生物活性および無脊椎動物の分布様式を変化させることにより,落葉の分解速度に影響を及ぼすことが明らかとなった。
放射線治療後に発生する変異遺伝子の定量による二次発癌予測法の開発

二次発癌の原因は現在のところ放射線照射や化学療法により生ずる遺伝子の突然変異と考えられているが、その同定法は確立されていない。癌治療には放射線や抗癌剤が多種多様な方法で併用されている現在、その危険性を予測するために短期間で行える細胞または動物実験レベルでのスクリーニングが必要である。本研究では、多種多様な放射線療法と化学療法の併用により発生すると推測される突然変異を、新たな試みとして、比較的検出が簡単であるhypoxanthine-guanine phosphorybosyl tranceferase (hprt) locusの変異を指標として検出し、二次発癌の可能性を予測する方法を開発することを目的とした。V79細胞を単層培養にて増殖させ、対数増殖期の細胞に2 Gyの放射線照射を施行する。放射線照射の前または後に、培養液中にサイクロファスファマイド、アドリアマイシン、シスプラチンの化学療法剤を、各種の濃度の組合せで30分間作用させ、2-6Gy線量を化学療法剤と照射の間隔を1-12時間とした。10^6個の生存細胞を培養し6日間のexpressionperiodをおく。6日目に6-チオグアニン(10μg/ml)を含む培養液中に細胞をまき(培養液1mlあたり10^4個の濃度が適当である)、hprt locusの変異を起こした細胞のみ増殖させ、1週間後に形成されたコロニーの数から細胞10^6個あたりの変異数を計算する。この検討からは化学療法剤を併用することにより、放射線照射単独の場合より変異の出現が多くなるとは言えなかった。動物実験でマウスの脾臓を照射し、8週間のexpression periodの後、マウスより脾臓を摘出し脾細胞の単細胞浮遊液を作成する。数回の洗浄の後Histopaqueを通してリンパ球分画を得て、hprt locusの変異の出現頻度を検討したが、細胞細胞で得られた結果と同様であった。
固結力を有する地盤材料の三次元条件下における変形・強度特性

構造物基礎の支持地盤の変形量を正確に予測するうえで、地盤の異方性がしばしば問題となる。本研究では異方性の評価に、高精度にひずみを測定できる角柱供試体を用いた三主応力制御試験装置が有効であることを示した。しかし、正確な三次元変形特性を評価するためには、鉛直・水平方向の載荷板と供試体の間に摩擦軽減層を設けて過剰な摩擦力が生じないように実施する必要があることが分かった。堆積軟岩を対象とした試験結果から微小ひずみレベルにおける弾性変形特性として次の点が明らかになった。対象とした2種類の試料は、原位置上載圧で等方圧密するとヤング率について顕著な固有異方性を示さなかった。すなわち原地盤の鉛直方向と水平方向のヤング率にあまり違いがない。これは、ひずみを載荷軸やキャップの変位から求めている従来の三軸圧縮試験によりしばしば得られる結果と異なる傾向である。しかし応力状態が変化すると、弾性変形特性は応力状態誘導異方性を示した。その結果は、ある方向Aに生じる直ひずみ増分dε_Aから定義するヤング率E_Aは、その方向に作用する直応力σ'_Aに基本的に依存すると考えると合理的に説明できる。すなわちE_A=f(σ'_A),E_B=f(σ'_B)のように表されることが明らかになった。一方でポアソン比は、軸対称の側圧一定下(σ'_x=σ'_y)では応力比σ'_z/σ'_xの増加とともに、ポアソン比ν_<zy>=-dε_y/dε_z,ν_<zx>=-dε_x/dε_zはやや増加傾向にあり、ν_<yz>=-dε_z/dε_yはやや減少傾向を示した。またひずみレベルが微小ひずみレベルより大きくなると、ヤング率と同様にポアソン比も非線形変形特性を示すことを明らかにした。これは局所的に高精度なひずみを測定して得られた知見である。従来の間接的測定な方法でポアソン比を評価し、これが一定となる部分を弾性変形領域と見なすことは不合理であることを示した。地盤材料を対象に三方向の主応力を独立に制御でき、かつ三方向の主ひずみを0.001%のひずみレベルから高精度に測定できる三主応力制御試験システムを構築した。二主応力の制御と一方向の主ひずみの高精度な測定を行っていた既往の三軸試験システムを発展させたものである。この三主応力制御試験システムに固結度の強い堆積軟岩を用いて試験を実施し、得られた結果から弾性変形特性の異方性について検討した。最大1.8MPaまでの等方載荷試験では、粘土等が圧密降伏応力を越えて塑性変形を示すのとは対照的に強い弾性変形特性を示すことが明らかになった。また、いろいろな応力レベルで行った「鉛直応力のみを微小振幅で増減させる鉛直微小振幅繰返し載荷」と「一方向の水平応力のみを同様に増減させる水平微小振幅繰返し載荷」から鉛直方向と水平方向のヤング率をそれぞれ独立に求めることができ、弾性変形特性の異方性の評価が可能となった。これにより、ヤング率は鉛直方向・水平方向とともに等方応力の増加とともに増加することが明らかになった。ところが、等方応力状態(490kPa)から鉛直応力のみを圧縮破壊に至るまで増加させてせん断試験を行った結果、鉛直方向のヤング率は鉛直応力とともに増加する一方で、水平方向のヤング率はほぼ一定で基本的に鉛直応力に依存しない異方性を示した。実際の施工により生じる応力は圧密降伏応力以下の場合が多く、弾性変形量が卓越するものと考えられる。これらの試験結果は堆積軟岩に対して線形等方弾体としての適用の限界を示すものである。そこで応力状態誘導異方性を示す異方弾性体としての検討を行い、鉛直方向のヤング率は鉛直応力の関数、水平方向のヤング率は水平応力の関数としてモデル化を行った。これにより堆積軟岩地盤を対象とした実際の開削工事において測定されたヤング率が室内の三軸試験の結果から合理的に評価できることを示した。

すなわちE_A=f(σ'_A),E_B=f(σ'_B)のように表されることが明らかになった。一方でポアソン比は、軸対称の側圧一定下(σ'_x=σ'_y)では応力比σ'_z/σ'_xの増加とともに、ポアソン比ν_<zy>=-dε_y/dε_z,ν_<zx>=-dε_x/dε_zはやや増加傾向にあり、ν_<yz>=-dε_z/dε_yはやや減少傾向を示した。またひずみレベルが微小ひずみレベルより大きくなると、ヤング率と同様にポアソン比も非線形変形特性を示すことを明らかにした。これは局所的に高精度なひずみを測定して得られた知見である。従来の間接的測定な方法でポアソン比を評価し、これが一定となる部分を弾性変形領域と見なすことは不合理であることを示した。
有用な新規複合電子伝達系触媒の設計と機能解明

遷移金属による酸化反応において、効率的な複合電子伝達系触媒を開発することで有用な酸化系が構築された。パラジウムの酸化遷元プロセスを機能的に行なわせるためパラジウムーオルトキノン触媒系を用いてワッカ-反応の効率化を図ったところ、酸化脱水素酵素の補酵素であるPQQのトリメチルエステル(PQQTME)がキノンとして有効であった。UVーVIS,CV測定でPQQTMEの配位子としてのレドックス過程が確認され,パラジウム触媒は酸素雰囲気下、効率的な触媒サイクルを形成していることが明らかとなった。分子軌道計算による考察も行なった。PQQTMEが配位するとともに、酸素雰囲気下、可逆的なレドックス系を形成することで効果的な酸化システムが構築でき、有用な合成化学的手法を提供した。Pー450モデル反応であるMnTPPClによるオレフィンのエポキシ化反応において過酸化水素を酸化剤として用いた場合、系中にオルトキノンを共存させると反応の加速および生成物であるエポキシドの収率に向上が見られた。オルトキノンがメディエ-タ-として酸化反応に関与していると考えられUVーVISによる考察より過酸化水素がオルトキノンと付加体を形成していると推測される。一電子移動に基づく酸化反応を合成化学的に有用なものとするため、オキソバナジウム化合物による酸化反応でカルボニル化合物の酸化的変換法や酸化的炭素ー炭素結合開裂法を明らかにしている。後者では、複素環系多座配位子を導入し、触媒反応の効率化を実現した。Mn(oAc)_2触媒による酸素酸化反応では、酸化還元に基づくアルコ-ルが選択的に得られ、遷移金属の差異により反応様式を多様化できた。酸化剤としてヨ-ドソベンゼンを用いるとエポキシドへ変換されることが判明した。以上、遷移金属の効率的なレドックスに基づく酸化系が構築された。
極域氷床コア・降雪の有機地球化学

本研究では、グリーンランド(Site-J)で採取した氷床コア中に生物起源の脂肪酸を検索し、炭素数7から32の脂肪酸を検出した。海洋生物起源の脂肪酸(C_<12>-C_<18>)の濃度は、1930-1950年代に高く1970年代にいったん減少した後、1980年代に増加することがわかった。濃度増加が認められた時代は、温暖な時期に相当しており、この時期には海氷の後退と低気圧活動の活発化によって海水表面からの大気への物質輸送が強化されたものと考えられる。また、シュウ酸(炭素数2のジカルボン酸)から炭素数11までのジカルボン酸を検出した。ジカルボン酸の炭素数分布の特徴は、コハク酸(C_4)がほとんどの試料で優位を示したことであったが、19世紀以前は優位でなかったアゼライン酸(C_9)が20世紀になって急激な濃度増加をし、1940年代に大きなピークを示した。アゼライン酸は生物起源の不飽和脂肪酸の光化学反応によって選択的に生成される有機物であることから、この結果は、海洋生物由来の有機物の大気への寄与がこの時期に大きく増加したことを示すとともに、それらが大気中で光化学的に酸化されたことを意味する。南極H15アイスコア中にUCM炭化水素やPAHを検出したことにより、人為起源物質が南極氷床まで大気輸送され、保存されていることが明らかとなった。これらの濃度は1900年以降増加しており、この結果はグリーンランドアイスコアの傾向と一致した。このことから、1900年代以降、全球的に大気中の人為起源物質が増加したことが示唆された。不飽和脂肪酸や低分子ジカルボン酸の組成比から推定された大気の酸化能力は、過去350年間において大きく変動したと考えられる。アゼライン酸とその前駆体である不飽和脂肪酸の濃度比は、1970年代以降急激に増加しており、南極における対流圏の光化学的酸化能力が、1970年代以降、成層圏オゾン濃度の現象に対応して増大している可能性が示唆された。氷床コアは、降雪やドライフォールアウトによって大気中から除去された化学成分を保存していることから、大気を通した物質の輸送過程及び変質を解明する上で重要である。本研究では、グリーンランド(Site-J)で採取した氷床コア中に生物起源の脂肪酸を検索し、陸上高等植物の寄与及び海洋生物の寄与を評価することを目的とした。本研究で用いた氷床コア試料(長さ206m、約450年)は、1989年5-6月にグリーンランド(Site-J,66°51.9′N,46°15.9′W,標高2030m)にて採取した。試料は融解後、6M塩酸で酸性(pH=1)にし塩化メチレン/酢酸エチル(2:1)で抽出した。抽出物より中性成分を除いた後、酸性成分(カルボン酸)を分離し、メチルエステルに誘導体化した。更に、シリガゲルカラムクロマトグラフィーを用いて脂肪酸メチルエステル画分を分離した。エステルの測定には、オンカラムインジェクター付キャピラリーGC及びGC一質量分析計を用いた。氷床試料中に炭素数7から32の脂肪酸を検出した。脂肪酸の分布は、偶数炭素数の優位性を示し、生物起源であることを意味している。

低分子脂肪酸(C12-C18)と共に高分子脂肪酸(C20-C32)が検出されたが、前者は主に海洋生物起源、後者は、陸上高等植物起源である。C16,C18などの不飽和脂肪酸が高い濃度で存在したことは、生物中での脂肪酸組成により近いことを示しており、大気中での不飽和脂肪酸の分解は、それほど進行していないことを示唆した。また奇数炭素数の脂肪酸では、分枝のものが直鎖と同程度存在した。これら脂肪酸の全濃度は3-19μg/Lであった。海洋生物起源の脂肪酸の濃度は、1930-1950年代に高く1970年代にいったん減少した後、1980年代に増加することがわかった。濃度増加が認められた時代は、温暖な時期に相当しており、この時期には海氷の後退と低気圧活動の活発化によって海水表面からの大気への物質輸送が強化されたものと考えられる。降雪は、大気中から除去された化学成分を保持していることから、それらの分析をとおして、大気物質の輸送過程及び変質など地球表層で起こっている地球化学的諸過程を解明することができる。また、氷床コアは大気環境の変化に関する歴史的な情報を記録していることから、自然環境の変遷を解明するための有力な試料として近年その重要性が認識されている。本研究では、グリーンランドで採取した氷床コア中に水溶性有機物を検索し、その深度分布から海洋起源の有機物の大気への輸送を明らかにし、その光化学反応生成物の解析から大気の酸化能力の変化について検討することを目的とした。本研究で用いた氷床コア試料(長さ206m、約450年)は、1989年5-6月にグリーンランド(Site-J,66°51.9'N,46°15.9'W,標高2030m)にて採取した。試料は融解した後、ロータリーエバポレーターにて濃縮しその中に含まれるカルボン酸をブチルエステルに誘導体化した。エステル類をヘキサンで抽出したのち、キャピラリーガスクロマトグラフ(GC)及びGC/質量分析計を用いて化合物の測定をおこなった。氷床試料中にシュウ酸(炭素数2のジカルボン酸)から炭素数11までのジカルボン酸を検出した。ジカルボン酸の炭素数分布の特徴は、コハク酸(C4)がほとんどの試料で優位を示したことであったが、深度分布の特徴は、19世紀以前は優位でなかったアゼライン酸(C9)が20世紀になって急激な濃度増加を示し、1940年代に大きなピークを示すことである。アゼライン酸は生物起源の不飽和脂肪酸の光化学反応によって選択的に生成される有機物であることから、この結果は、海洋生物由来の有機物の大気への寄与がこの時期に大きく増加したこと、また、それらが大気中で光化学的に酸化されたことを意味する。不飽和脂肪酸もこの時期に増加したが、アゼライン酸の増加はその傾向よりもはるかに強いものであった。このことから、1940年代の大気の酸化能力は増加したものと考えられる。1940年代のアゼライン酸の増加は、北極の気温が上昇した事実と一致しており、海洋と大気の物質の循環が強化されたものと考えられる。また、アゼライン酸を気象記録が存在しない時代の大気環境を復元するための指標として使える可能性が指摘された。本年度は、南極H15アイスコア中の脂質成分の分析結果から、過去350年間の大気環境の情報を得ることを目的に、アイスコアの脂質分析を行うとともに、南極の降雪試料についても分析を行った。アイスコア試料は、南極H15地点において1991年に掘削、採取されたものを用いた。高分解能GC及びGC/MSを用いることにより、アイスコア中にn-アルカン及びUCM炭化水素、PAH、n-アルコール、モノカルボン酸、ジカルボン酸、オキソ酸を検出し、その深度分析を明らかにした。
3次元空間に描かれた文字情報の自動抽出

本研究は、都市の生活空間に存在する掲示や案内表示などの文字情報をマシンビジョンの研究対象として選び、生活環境に存在する文字情報の抽出と取得を目的とするものである。したがって対象とする入力画像は、日常的な照明および撮影条件下で撮影される事を想定しており、必ずしも良好な撮影条件での画像入力が保証される訳ではない。このような前提に立ち、本研究では適応的に二値化閾値を求める事により得られる高品位な二値化画像から文字領域を抽出し、得られた文字の配置情報を利用して撮影時のカメラと対象文字列との3次元的な関係を推定して補正する事により、文字認識に適した二値文字画像の正面撮影像を生成する手法を確立した。研究初年度は実験室内に構築した種々の照明条件を制御可能な撮影環境下において、3次元環境の平面上に配置した文字列を、多様なライティング、色調およびコントラストの基で撮影し、光源条件に左右されにくいロバストな二値化アルゴリズムの開発を行った。次に、室内環境に配置された文字列を含む二値化画像として書籍の表紙を対象に文字領域抽出アルゴリズムを構築した。色情報やストローク情報、そして個々の文字の直線的配置など文字列の特徴に着目し実験を行い、本研究のアルゴリズムによって複雑な背景を持つ文字列画像の二値化画像中からも、文字列の領域を抽出可能である事が確認された。上記の研究と並行してホワイトボードなどの平面上に描かれた長方形の列を対象として、平面に対し斜め方向から撮影した画像を用いて3次元パラメータを推定するアルゴリズムを構築した。次年度は、3次元パラメータからの正対文字列画像の生成アルゴリズムを開発し、前年度に構築したロバストな二値化と文字列抽出アルゴリズム、そして3次元パラメータ推定アルゴリズムとあわせてひとつのシステムに統合し、実環境での実験を行い良好な結果を得た。一般に文字画像はイメージスキャナにより取得され、二値化および文字認識処理が行われている。これは、読み取りの対象が、書籍や文書などのイメージスキャナにかけることの出来る2次元の紙媒体であるならば、イメージスキャナによる入力が最も確実な文字画像の入力方法だからである。しかし書籍や文書などの形態をとらない文字情報も我々の身の回りにはたくさん存在している。たとえば駅構内の案内標識や掲示板、そして道路の行き先案内標識、地番表示のプレートなど、実に多くの文字情報が文書や書籍以外の形態として表示されている。イメージスキャナ入力により得られる二値化前の多値画像は、比較的均一な照明条件のもと、高分解能でディジタイズされるのに対し、実世界に掲示もしくは表示されている文字情報はカメラ入力に頼る他は無く、光学系によるシェーディングに加えて、照明条件も極めて不均一で、解像度もイメージスキャナに比較して低くならざるを得ない。そこで我々はシェーディングや光源の影響を受けにくく、且つ低分解能にも対応したパラメータとして、文字の辺縁を構成する画素におけるグラディエントに注目し、新しい二値化アルゴリズムを構築し、良好なシミュレーション結果を得た。次に我々は文字領域の特徴を線分の集合と捉え、また文字外縁の等方性および文字列における文字配置の特徴を考慮した文字領域推定のアルゴリズムを構築した。

このような前提に立ち、本研究では適応的に二値化閾値を求める事により得られる高品位な二値化画像から文字領域を抽出し、得られた文字の配置情報を利用して撮影時のカメラと対象文字列との3次元的な関係を推定して補正する事により、文字認識に適した二値文字画像の正面撮影像を生成する手法を確立した。研究初年度は実験室内に構築した種々の照明条件を制御可能な撮影環境下において、3次元環境の平面上に配置した文字列を、多様なライティング、色調およびコントラストの基で撮影し、光源条件に左右されにくいロバストな二値化アルゴリズムの開発を行った。次に、室内環境に配置された文字列を含む二値化画像を対象として、文字領域抽出アルゴリズムを構築した。個々の文字が直線的に配置される事の多い文字列の特徴に着目し、案内表示など1行程度の文字列に対し実験を行い、本研究のアルゴリズムによって複雑な背景を持つ文字列画像の二値化画像中からも、文字列の領域を抽出可能である事が確認された。上記の研究と並行してホワイトボードなどの平面上に描かれた長方形の列を対象として、平面に対し斜め方向から撮影した画像を用いて3次元パラメータを推定するアルゴリズムを構築した。次年度は、'3次元パラメータからの正対文字列画像の生成アルゴリズムを開発し、前年度に構築したロバストな二値化と文字列抽出アルゴリズム、そして3次元パラメータ推定アルゴリズムとあわせてひとつのシステムに統合し、実環境での実験を行い良好な結果を得た。