hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
胎児の脳機能発達と母親のストレスとの関連：オリジナル胎動記録装置を用いた検討

記録方法は、胎動記録装置とともにポリグラフィを利用して、母親の信号の混入を最小限に抑える方法を明確にし、投稿中であったMedical Engineering Physicsに記述し、受理された。良好に妊娠経過を経ている妊婦の胎動記録を行い、上記解析ソフトを利用して妊娠週数経過に伴う胎動数の変化の結果を国際睡眠学会(Worldsleep2011, Kyoto)で発表した。なおこの学会で、子宮内胎児死亡を経験した妊婦の今回の妊娠経過、すなわちリスク要因が高い妊婦の胎動記録ができたので、ケース報告もした。今後、胎児の活動・休息リズム解析を検討する予定である。胎動の活動・休息リズムの解析において、アーチファクト除去に手間取り、さらに胎動データをアスキーにして、次のステップに進む解析に手間どった。特に妊娠後期に出やすい、下肢(Periodic Limb Movements)のアーチファクトが多く、これが胎動信号に影響をしているので、完全に取り除かなければならないという問題が生じた。そこで少々遅れた。また、ストレスが多いであろうと考えられる妊婦は、なかなか見つからず、とりあえず、妊娠経過と唾液コルチゾールの変化を検討した。例数が少なかった。胎動チャンネルからアーチファクトを除き、真の胎動信号を抽出し、胎動変化指数(時間当たりの胎動数等)を算出する解析ソフトは、概ね達成できている。本年度の申請書実施計画通りである。その意味で、(2)を選んだ。しかし胎児の活動・休息リズムの解析ソフトのフローチャートを完成させて、次のステップを推進したかったが、アーチファクト除去開発ソフトに時間がかかり、困難であった。このための予算を次年度に繰り越した。実験は、妊婦自身の参加型実験であるが、実験前の説明を十分に行い、常に連絡を保っているので、大きな問題がなく、データ収集ができている。今年は、研究課題の最終年であるので、上記不十分な点をスピードアップする。また、2年間かかって完成度を高めた、解析ソフトについては、その解析結果を含めて、論文にする。現在、その一部をアメリカ睡眠学会・日本睡眠学会に発表予定である。本課題目標である、胎児の脳機能の発達をリズム解析から見て、受胎週数経過とともに検討する。また妊婦のストレスレベルを見るために、グループにこだわらす、例数を増やし、妊娠週数のコルチゾールのレベルの変化を見る予定であり、胎児のリズム形成過程と関係があるのか否かを明らかにする予定である。胎児の活動・休息リズムの算出ソフトの開発を研究初年度からスタートさせようと計画したが、困難であり、その部分の予算が繰り越された。胎児の活動・休息リズムの算出は、新生児のリズム解析に応用した自己相関関数法を用いて行う予定である(Nishihara, et al, 2012)。すなわち胎動解析ソフトで抽出された胎動信号を自己相関関数法で解析できるソフトを開発し、今まで記録したデータの解析を行って、ソフト改良・再解析を繰り返し行い、結果を得る。実験計画については、計画とおりに続行する。アメリカ睡眠学会・日本睡眠学会出席の旅費、データ収集のスピードアップのために、エフマムレコーダを購入する予定。物品費:42万、旅費:60万、人件費・謝金:30万、その他:40万今年は、昨年の研究結果を海外(ヨーロッパ睡眠学会・オーストラリア睡眠学会)に発表する予定である。そのため旅費を多く計上した。
花器官数の正確性と確率性を調節する発生基盤の数理解析

同種の集団中に於ける花器官数の確率的なばらつきの野外調査を進めて、その統計解析から多くの種に共通する花器官数の頻度分布法則を発見した。キンポウゲ科の複数の属の花被片、および、キク科の舌状花に共通する法則(数の平均値μとある特別な数dとの差が数の標準偏差σの平方根に一致する; σ=|μ-d|1/2)を見出した。花器官数の確率性に、科を超えた普遍性とともに、属および器官特異性(dの値の違い、他)が明らかとなった(Annals of Botany 2016)。加えて、以下2件の領域内共同研究を進めた。(1)Arabidopsisの側根間隔を調節する側方抑制モデルをと共に構築した。この数理モデルは、側根間隔の頻度分布の実験データ(野生型と間隔が乱れる変異体)を統一かつ定量的に再現した。(2) Arabidopsis根端メリステムのドーム形状を定量的に解析した。主根と側根で共通して、楕円であることを見出した。一方で、側根原基は楕円ではなくより尖った形状を持つことも見出した。これらを細胞増殖と変形から理解するために、側根形成初期の内鞘細胞(形態、分裂の面とタイミング)の情報をライブイメージングデータからCell vertex modeに導入した。各内鞘細胞の力学特性が側根原基のドーム形状に与える影響をモデルで解析した。27年度が最終年度であるため、記入しない。真正双子葉植物に広く現れる5数性と4数性を決める花器官配置、及び、花器官の数の確率性の発生学的基盤の解明を目標とし、モデル植物の分子的知見と数理モデルの予測の対応づけと多様な植物の野外調査とを融合した研究を推進した。正確性:4数性と5数性の同心円状配置(whorl)が現れる発生学的条件を数理モデルの数値計算と解析計算から示した。このモデルは、5数性を示すナデシコ科の萼および花弁原基の配置を定量的に再現する。対応する分子生物学的な仕組みとして、オーキシンの表層から内層へ流出(NPY/MAB,他)、および、器官の境界形成(CUC,他)を予測し、シロイヌナズナArabidopsisなどにおけるこれらの遺伝子変異体における花器官配置との整合性も確認できた(PLOS Comp. Biol. 2015)。確率性:同種の集団中に於ける花器官数の確率的なばらつきの野外調査を進めて、その統計解析から多くの種に共通する花器官数の頻度分布法則を発見した。キンポウゲ科の花被片数のばらつきの発生学的メカニズムとして、器官配置の数理モデルからホメオシス(花器官原基の発生運命の確率的変化)を予測した(Frontiers Plant Sci. 2014)。対称性:上述の器官配置のモデルを拡張して、左右対称性および回転対称性を切り替える発生学的性質を探索した。その結果、キンギョソウAntirrhinumの野生型(左右対称)とCYCLOIDEA変異体(回転対称)の萼片と花弁の原基配置とその出現順序の再現に成功した。計画書の核心の1つである確率性に関する論文を1報出版し、もう1つの核心である正確性に関するもう1報が採択された。確率性に関する統計解析から新規の法則を見出しつつあり、さらに解析をすすめて論文出版を目指す。また、領域内共同研究をさらに進める。
神経細胞の分化と機能維持におけるsrc遺伝子の役割

1.重金属でsrc遺伝子の誘導可能な細胞株の作製まず、トリ由来のv-src遺伝子をセンスならびにアンチセンス方向にして、ヒトメタロチオネインプロモーターの下流に組み込んだプラスミドを作製した。次に、このプラスミドをpSV2neo(G418耐性遺伝子を含む)と一緒に、神経細胞分化のモデル系であるラット褐色細胞腫PC12細胞に導入し、G418存在下で培養を続け数十のクローンを得た。これらのクローンについて、重金属添加によるv-src遺伝子の発現変化をRNAベルで観察したところ、重金属の有無によりv-src mRNAの発現量が変化する細胞株がいくつか存在し、実験目的に適いそうな細胞株を得ることができた。2.RT-PCR法によるNGF mRNAの発現変化の解析PC12細胞においてNGF刺激によるNGF遺伝子の発現をRT-PCR法により解析した結果、(1)mRNAレベルでは常にNGFの発現が見られること(2)NGF刺激により特異的な形のNGF mRNAが発現することが明らかになった。現在、src可誘導細胞株を用いて、src遺伝子の発現促進または抑制によるNGF遺伝子の発現変化や形態変化などについて解析を行うと共に、NGFのpromoter領域を単離しNGFの発現調節機構について解析を進めているところであり、NGFとの関連性を含めたsrcの生理的役割についてより深く理解していく予定である。
マルチスケールモデルによる無機材料とRC構造工学のシステムインテグレーション

本年度得られた成果は以下に列挙される.1.本研究で提案する劣化予測手法を実構造物に適用するため、既存の炭酸化反応モデルの高度化を図った。具体的には、炭酸化前後の空隙構造変化を反応理論に基づき定式化し、さらに気体移動・イオン平衡・反応速度に関する数理モデルを温度変動条件で適応可能とした。本手法を用いて実験室環境における促進試験と、実環境下での炭酸化進行の関連(時間上の縮尺)を得ることができた。2.水分子一個に相当する層間水、およびナノマイクロメートルの細孔内に存在するゲル水・毛細管水に対して、液状水-水蒸気の平衡関係を任意の温度条件下で記述することに成功した。また、それらの水分状態と若材齢コンクリートの力学的特性を直結することで、様々な乾湿・荷重履歴下における体積変化・変形の時間依存挙動が追跡可能となった。3.既存の空隙構造形成モデルの精度向上、ならびに適用範囲の拡張を試みた。具体的には、生成される水和物の固有空隙率および分布状態を温度条件にあわせて変化させ、低温高温下で形成される細孔構造の差異を表現することに成功した。また、新たにポルトランダイトとC-S-Hゲルのキャラクターを別々に取り扱うこととした。これにより種々のセメントまた混和材を添加した際の空隙構造形成を適切に表現できるようになった。4.セメント系複合材料のみならず地盤材料を含む多孔体中のカルシウムイオン移動・平衡モデルを導入した。移動モデルは空隙構造に起因する屈曲度と収れん度を考慮し、また平衡モデルは水和モデルと直結することで、使用材料および水和度に応じて動的に変化するモデルを採用している。5.前年に引き続き、高炉スラグ微粉末ならびにポゾランを使用した系における塩分平衡特性について検討した。混和材を使用した際には、水和物のキャラクターが大きく異なることで、吸着性状に顕著な差が見られることが明らかになった。本年度得られた成果は以下に列挙される.1.任意温湿度環境下における,セメント硬化体中の水分平衡に関する時間依存挙動の数理モデルの構築と実証実験を行った.Åからμmスケールの幅広い範囲に存在する水分挙動を各々実験的に抽出・分離することに成功し,水分平衡の履歴・時間依存挙動の定量化を行った.また内部水分状態と,コンクリートの力学挙動(収縮・クリープ)を直結させたモデルの高度化と実証実験を行った.2.申請者が過去に提案した,物質移動則とイオン平衡論に基づく炭酸化反応モデルの改良を行った.具体的には,内部水分状態と多孔体内部の気体移動の相互依存性に着目し,反応モデルの高度化を行った.その結果,実環境(CO_2濃度:0.03%)から促進環境(CO_2濃度:15%程度)の範囲における炭酸化反応を,任意の配合,湿度条件において予測するシステムの構築に成功した.3.セメント硬化体中の塩分平衡挙動を,化学的に固定される塩分と細孔壁面に吸着される成分に分離し定量化することに成功した.その結果,セッコウ添加量の多寡によって間隙相の水和プロセスが大きく異なり,フリーデル氏塩として固定化される成分が大きく変化することが明らかになった.また,普通・早強・低熱セメントといったセメントの種類によって,大きく固定化性状が異なることを示した.4、現存の数値解析システムに,新たな解析自由度としてCa^<2+>とOH^-イオンを追加し,水和物溶出現象を予測する手法を提案した.検証実験として,空隙構造が大きく異なるセメント改良土と一般のモルタルを作製し,溶出するイオン挙動を系統的に調べた.その結果,空隙構造,温度等によって変化する溶出現象を概ね追跡する数理モデルと解析システムの構築に成功した.以上の研究成果に関して,現在6編の論文を投稿している.そのうち,2編は原稿受理され最終出版準備中であり,4編については査読中である.本年度得られた成果は以下に列挙される.1.本研究で提案する劣化予測手法を実構造物に適用するため、既存の炭酸化反応モデルの高度化を図った。

移動モデルは空隙構造に起因する屈曲度と収れん度を考慮し、また平衡モデルは水和モデルと直結することで、使用材料および水和度に応じて動的に変化するモデルを採用している。5.前年に引き続き、高炉スラグ微粉末ならびにポゾランを使用した系における塩分平衡特性について検討した。混和材を使用した際には、水和物のキャラクターが大きく異なることで、吸着性状に顕著な差が見られることが明らかになった。
生物学的特性からみた食道扁平上皮癌の新しい治療方針の確立

食道扁平上皮癌における、エストロゲンレセプターのsubtypeであるエストロゲンレセプターα(ERα)、エストロゲンレセプターβ(ERβ)の発現を免疫組織化学的に証明し、ERβ発現が食道癌の予後不良因子であることを明らかにしてきた。今後、いくつかの因子に注目し、食道癌の新たな治療体系の構築を目指していく。本年度、以下の成果を得た。2.肺癌におけるERα,βの発現とEGFR変異の解析を行い、その相互関係を証明した。(JCO,2009,27,411-417)上記の結果を踏まえ、以下の食道癌の研究へと展開している。A.食道癌細胞のRNAレベルでのERα、ERβの発現を検討するため食道癌細胞株(TE series)を入手し、細胞培養を開始した。また、保存され使用可能な食道癌切除標本の凍結切片を選別した。食道癌細胞株の培養および食道癌切除標本の凍結切片からRNA抽出および発現の検討を行うにあたりreal time RT-PCR法のprimer設定や諸条件とantibodyのblotting設定条件を調整している。1997年1月から2007年12月までの食道扁平上皮癌切除症例48例のうち、解析可能な検体が存在した29例(男性31例,女性3例)を対象とし、topoisomerase-Iの発現を免疫組織学的染色法にて解析した。結果は、陽性例は29例中18例で陽性率62%であった。陽性率は男性62%、女性67%であった。陰性例と陽性例の分化度をみると、陰性例のうち、高分化は1例(9%)、中・低分化は10例(91%)であり、陽性例では、高分化0例、中・低分化6例(100%)で両群間に有意差を認めなかった(p=0.19)。t因子別では陰性例でt1:5例(45%)、t2:1例(9%)、t3:3例(27%)、t4:2例(18%)、陽性例でt1:4例(22%)、t2:1例(6%)、t3:12例(67%)、t4:1例(6%)であり、両群間に有意差は認めなかった。病理病期別では陰性例で0期:1例(9%)、I期:1例(9%)、II期:5例(45%)、III期:1例(9%)、IV期:3例(27%)、陽性例で0期:0例、I期:2例(11%)、II期:6例(33%)、III期:8例(44%)、IV期:2例(11%)であり、両群間に各臨床因子との有意な相関は認めなかった。発現別の5年生存率は、陰性23.6%、陽性37.3%であり、陽性例において予後良好の傾向にあった。食道癌において、topoisomerase-Iの発現を認める症例を約60%に認めたが、これらの症例でCPT-11の効果予測が可能か検討を継続する。さらに、今後も食道癌の予後因子および治療効果予測因子となる分子の検索を続けていく。昨年度は、食道癌におけるトポイソメラーゼIの発現解析を行い、CPT-11の効果予測が可能か検討を行った。今年度は、アンスラサイクリン系の抗癌剤の感受性の指標となるトポイソメラーゼIIaの発現の解析を免疫組織学的染色法にて行った。抗体は、TOP-II.(Novocastra)を用い、判定は50%以上の陽性細胞を認めたものを陽性、50%未満を陰性とした。トポイソメラーゼIIaの発現の陽性例は29例中16例で陽性率55%であった。病理病期別に検討すると陰性例では0期:1例(8%)、I期:1例、II期:5例、III期:2例、IV期:4例で、陽性例では0期:0例、I期:2例、II期:6例、III期:7例、IV期:1例であり、両群間に有意差は認めなかった。予後については、陽性例5年生存率は52.4%で陰性例では5年生率が18.5%であり、陽性例において予後良好の傾向にあった。次に、免疫療法を行う上で重要なHLA class I分子の発現と臨床病理学的因子の解析を行った。抗体は、HLA class I抗体(EMR8-5)を用いて免疫組織学的染色を施行した。発現率80%以上を正常発現、20%以上80%以下を低発現、20%未満を重度低発現と分類した。結果は、正常発現2例、低発現23例、重度低発現4例であった。病理病期別の解析では、正常発現に比べ低発現・重度低発現症例でより病理病期の進行した症例が多かった。予後を比較すると、正常発現の5年生存率は100%であるのに対し、低発現28.2%、重度低発現37.5%と正常発現に比べ、低発現・重度低発現では予後不良であった。トポイソメラーゼIIaおよびHLA class I分子の発現は、いずれも陽性例において、予後が良好である傾向が認められた。今後も食道癌の予後因子および治療効果予測因子となる分子の検討を進めていく。
製鉄業における熱および物質循環の最適化

平成12年度の実績は以下の通り。昨年までに現行製鉄業における各種プロセスの最新操業データを入手したのち、プロセスの物質収支の確認に着手し、ほぼその流れをつかむことに成功した。さらに、修正エンタルピー法に基づき製鉄所内全体のエンタルピーフローを明らかにした。今年度は整理された操業データに基づき、現行および省エネ前のデータに基づきエクセルギーフローを計算する事が可能となり、一部着手することができた。これらの計算は関連するすべての物質の温度依存性を考慮した熱力学データを組み込んだ計算機プログラムを開発して、大規模計算を行うことにより可能とした。さらに昨年度は得られたデータに基づき、現行の鉄鋼業がかかえる問題点、すなわちエクセルギーが大きく消費されている場所と量に注目して、新システムを考察し、予備的実験を行った。すなわち、高炉スラグ(酸化物多元系融体、1600°Cを有するものの現在すべて廃棄されている。)や転炉排ガス(CO-CO2系燃焼排ガス、1600°Cの超高温で排出されるがその回収方法は不十分。)などエクセルギーが大きく消費されている部分に着目してそれらを減少させるプロセスを基礎的に検討した。さらにこれらの結果を受けて、本年度はセメントおよび鉄鋼業の共生の可能性を検討した。その結果、スラグ廃熱使うならば、セメント産業で行われている石灰石の熱分解を行える十分な能力を有しており、その量は1000万トン程度にのぼることが明らかとなった。
地域在住統合失調症者の再発リスクを軽減する包括的環境支援評価システムの開発

前年度までのデータ収集と検討作業をふまえて,ストレングスモデルに基づく包括的環境アセスメント(Comprehensive Environmental assessment based on Strengths model:CES)と実施マニュアルを作成した.CESは,本人の願望や熱望を実現するための環境のストレングスに焦点を当て,未来志向の健康的な生活を支援することを目的とする.アセスメントシートは生活領域7項目で構成され,以下の6つの内容を明らかにする構成となっている.1.将来の願望・熱望:自然な会話や通常の交流を通し,各生活領域で「何がしたいか」「何が欲しいか」を明らかにする.2.優先順位:各生活領域の願望・熱望より,本人が優先するものを4つ以内で選択,合わせて順位を定める.3.環境のストレングス:本人の願望・熱望を達成するために役立つ環境のストレングス(資源)をそれぞれ明らかにする.4.環境の充実度:願望・熱望を実現するための環境がどのくらいあると思うか5件法にて自己評価する.5.共同作業の確認:アセスメントの内容が本人との共同作業の結果であることを示す. 6.環境のギャップ:支援者がそれぞれの願望・熱望に対する環境の充実度を評価し,環境のギャップを算出する.CESの作成後,統合失調症により入院治療を受けて退院し,地域生活を送っている者を対象に調査研究を実施した.対象は精神科デイケア6か所,精神科訪問看護5か所,相談支援事業所1か所,障がい者支援施設1か所の利用者で,退院から6か月以内の者とした.これらの対象者に基本的・医学的情報と機能の全体的評定(Global Assessment of Functioning:GAF)に関する情報を収集し,CESによるアセスメントを実施した.加えて,退院から1年後の転帰を確認し,統合失調症の再発防止に必要な環境要因を明らかにした.本年度は地域精神保健医療福祉に携わる専門職を対象としたコンセンサス法を実施し,統合失調症者の再発防止に必要な環境要因とその客観的な評定基準を明らかにすることを目的に研究を実施した.しかし,コンセンサス法の第1段階から第3段階として,Nominal group techniqueを実施するための検討資料を作成するためには,包括的環境要因調査票に含まれる環境要因が当事者の地域生活にどのような影響を及ぼしているのかを明らかにしておく必要があると判断された.そこで,精神科デイケア等を利用する統合失調症者の環境要因が,地域生活における自己効力感,レジリエンス,アイデンティティに及ぼす影響を検討するために,構造方程式モデリングのベイズ推定(マルコフ連鎖数3,シミュレーション10000回)を用いて分析した.作成したモデルはPotential scalereductionが1.1以内で収束した.このモデルより,統合失調症者の環境要因はアイデンティティや自己効力感に影響することが明らかとなった.特に,アイデンティティの確立や日常生活の自己効力感への影響が強く,本研究課題の対象における環境要因の特徴を示す重要な知見が得られたと考えられる.これらの結果をふまえ,Nominal group techniqueを実施するための検討資料を作成し,統合失調症者の再発防止に必要な環境要因の内容的妥当性を検討する予定である.平成27年度は地域精神保健医療福祉に携わる専門職を対象としたコンセンサス法を実施し,統合失調症者の再発防止に必要な環境要因とその客観的な評定基準を明らかにする予定であった.しかし,Nominal group techniqueを実施するための検討資料として,包括的環境要因調査票に含まれる環境要因が当事者の地域生活にどのような影響を及ぼしているのかを明らかにしておく必要があると考えられた.その研究を実施した分,コンセンサス法による検討を開始することができず,研究の進行が遅延した.平成28年度は,統合失調症者の再発防止に必要な環境要因の内容的妥当性を明らかにすることを目的とした研究を実施した.具体的には,包括的環境要因調査票の構成概念を原案として,評価項目の内容的妥当性や評定基準を検討する予定であった.しかし,国内外の関連研究の精査から,統合失調症者を対象とした包括的環境支援には,環境によるエンパワメントを通して,リカバリーのプロセスを支援するストレングスモデルを活用する必要性が明らかとなった.ストレングスモデルの有用性について,Bjorkmanら(2002)による精神障害者を対象としたランダム化比較試験を通して,ケア必要度の低下,入院期間の減少,サービス満足度の向上という効果が示されている.また,重度の精神障害者を対象としたAssertive community treatment (ACT)との治療効果の比較においても,ストレングスアプローチはACTより有意に症状を改善させることが明らかとなっている(Barryら,2003).包括的環境支援評価システムの開発においては,Rappら(2011)が提唱したストレングスアセスメントのツールを参考にした.このツールは,「家/日常生活」「財産・経済/保険」「就労/教育/専門知識」「支援者との関係性」「快適な状態/健康」「レジャー/余暇」「スピリチュアリティ/文化」の7つの生活領域に対して,「過去」「現在」「未来」という3つの時間軸より評価するものである.

本研究では,各生活領域に対して,過去から現在の環境のストレングスを観察や面接によって明らかにし,各領域における将来の願望を聴取する.そして,それらの願望を達成するために環境がどのくらい充実しているのか7件法で客観評価できる評価シートの暫定版を作成した.平成29年度は暫定版評価シートを実際のクライエントに実施し,評価システムの初版を開発する予定である.今年度はNominal group techniqueを実施するための検討資料を作成し,包括的環境要因調査票の構成概念を原案とした評価項目の内容的妥当性や評定基準を検討する予定であった.しかし,国内外の関連研究の精査を通して,統合失調症者を対象とした包括的環境支援には,環境によるエンパワメントを通して,リカバリーのプロセスを支援するストレングスモデルを活用する必要性が明らかとなった.そこで,評価項目や評定基準の検討方法を変更し,ストレングスモデルを参考にした評価シートの暫定版を作成したために研究の進行が遅延した.平成29年度は,ストレングスモデルに基づく包括的環境アセスメント(Comprehensive Environmental assessment based on Strengths model:CES)の暫定版シートを実際の対象者に実施し,シートの改訂と実施マニュアルの作成を行った.対象者は統合失調症者5名(男性4名,女性1名)で平均年齢は56.2歳であった.また,直近の退院日からの経過日数は平均176.2日であり,主な利用サービスは精神科デイケア2名,施設入所支援(自立訓練)2名,精神科訪問看護1名であった.暫定版シートは生活領域7項目で構成され,参与観察や自然な会話で将来の願望・熱望と環境のストレングスを明らかにする.さらに,本人が優先する願望・熱望を4つ以内でその順位とともに確認する.そのうえで,各生活領域の願望・熱望を実現するための環境の充実度を5件法(3点から-1点)で評定する.暫定版シートでは,比較検討のために本人評価と客観評価の評定をそれぞれ行う.対象者5名にこの暫定版シートを実施した結果,本人が最も優先する願望・熱望は,生活領域別に「就労/教育/専門知識」2名,「支援者との関係性」2名,「快適な状態/健康」1名,「スピリチュアリティ/文化」1名であった(2つの生活領域を1位とした者あり).評定合計は本人評価で最高16点,最低1点,客観評価で最高16点,最低7点であった.これらの結果をふまえ,研究代表者や分担者,データ収集担当者3名でCESシートの改訂作業を行った.主な改訂内容は,「休息/睡眠」の生活領域追加,将来の願望・熱望の確認方法変更,評定の変更(「十分ある」4点,「ある」3点,「少しある」2点,「ほとんどない」1点,「全くない」0点)であった.平成30年度はCESシートを活用した調査研究を実施し,再発・再入院と環境の充実度との因果関係を検討する.本研究課題の申請当初は,3年間の研究期間内に地域在住統合失調症者の包括的環境支援評価システムを開発し,対象者の追跡調査から1年間の再発・再入院の有無と環境要因との因果関係を明らかにする予定であった.しかし,平成28年度に環境によるエンパワメントを通して,リカバリーのプロセスを支援するストレングスモデルに評価システムの構成概念を変更した.
リエントラント超伝導体Ho_<1-X>Y_XNi_2B_2Cのスピン秩序と弾性異常

金属間化合物RNi_2B_2C(Rは希土類元素)は、超伝導と希土類元素のスピン秩序が共存・競合し、超伝導、スピン秩序、フォノンのソフト化が密接に関係する。特に、R=Hoではスピン秩序温度(T_N5K)と超伝導転移温度(T_C7K)が近接し、かつT_N近傍で一旦壊れた超伝導が磁気秩序が確立された後に復活(リエントラント)する等の複雑な磁気・超伝導相図を示す。本研究は,HoNi_2B_2Cを対象に、Hoのスピン秩序と格子異常の観測から超伝導とスピン秩序の共存・競合のメカニズムを明らかにすることを目的とした。本研究では、赤外線集中加熱炉で作成した単結晶試料で超伝導特性の試料依存性を調べた後、超音波測定と1軸応力下での磁化測定を行なった。超音波測定では、[110]方向の歪みと結合した弾性定数C_66がT_Nの遥か高温(80K)よりT_Nまで60%にもおよぶ大きなsofteningを起こし更に5K近傍で多段の不連続な変化を示すこと、この歪みがc面内Hoの強磁性秩序(揺らぎ)と強く結合していることを明らかにした。一方、[001]方向の歪みに結合した弾性定数C_<33>はその変化量は極めて小さいながら同じく高温よりsofteningを起こし,更に低温(2K)ではメタ磁性転移によってもsofteningが起こることを明らかにした。C_<33>はc面間の磁気秩序と結合しており、c面間交換相互作用の面間距離依存性を明らかにした。1軸応力下での磁化測定では、[110]方向に応力を加えた場合には静水圧の場合に比べて1桁程度大きい割合でT_Nが上昇すること、他方、c軸方向に応力を加えた場合には今回の実験精度内ではT_Nの変化がないことを明らかにした。。応力実験の結果はC_<66>と磁気秩序の結合が大きいとする超音波実験の結果と定性的に一致する。なお、今回の測定応力範囲ではいずれの方位の応力に対しても超伝導転移温度に変化はなかった。上記実験の他、放射光により非共鳴磁気Bragg散乱を観測し,低温での反強磁性相とメタ磁性転移後に現れるフェリ磁性相のc軸方向の周期性を確認した。。金属間化合物RNi_2B_2C(Rは希土類元素)は、超伝導と希土類元素のスピン秩序が共存・競合し、超伝導、スピン秩序、フォノンのソフト化(格子異常)が密接に関係する。本研究ではスピン秩序温度(Tx5K)と超伝導転移温度(Tc7K)がほぼ等しく、またリエントラント超伝導を示すR=Hoに焦点を絞り、希土類元素のスピン秩序と格子異常(この系では希土類元素の軌道秩序とも密接に関係する)の観測から超伝導と希土類元素のスピン秩序の共存・競合のメカニズムを明らかにすることを目的として、電子物性測定、超音波測定、放射光によるX線磁気散乱の実験を行った。赤外線集中加熱炉により作製した単結晶の超伝導特性のアニール条件依存性を交流帯磁

率と電気抵抗測定により詳細に調べた。その結果、アニール条件により超伝導転移温度と超伝導の体積分率が顕著に変化すること、以前に可能性が指摘された超伝導転移の電流方向に対する異方性は存在しないこと、が明らかになった。超音波実験では、C面のせん断歪みに対応する弾性定数C_<66>が80K以上の高温から大きくソフト化し、およそ5Kで最小となることを見出した。さらに磁場中の実験によりC_<66>のソフト化の振る舞いは加える磁場とその方向に大きく依存し、C軸方向の磁場では影響を受けないのに対し、C面内の磁場ではソフト化が抑制されることが明らかになった。Spring8(BL19)による放射光非共鳴(30keV)X線磁気散乱では、5K以下で反強磁性秩序による(0,0,7)磁気ブラッグ反射と磁場中メタ磁性転移後の(0,0,22/3)反射を観測し、メタ磁性転移後のフェリ磁性相の磁気構造を決定した。さらに反強磁性秩序相の高温側に隣接するc軸不整合相の磁気反射を観測することにも成功した。金属間化合物HoNi_2B_2Cは、超伝導転移温度(T_c7K)と希土類元素Hoのスピン秩序温度(T_N5K)がほぼ等しく、また磁気秩序と関連してリエントラント超伝導現象を示す。本研究は超伝導と希土類元素のスピン秩序の共存・競合のメカニズムを格子との関係で明らかにするために、Hoのスピン秩序に伴う弾性異常を超音波測定により観測し、磁気転移と超伝導転移温度の格子変形依存性を一軸応力下の磁化測定により調べた。超音波実験では、種々モードの弾性定数の温度と磁場に対する依存性を詳細に測定した。1)C_<66>はc面内の磁気秩序(揺らぎ)と強く結合した結果、80Kの高温から顕著にソフト化し、約5Kで数10%に達する飛びを示すこと、2)(C_<11>-C_<12>)/2もc面内の磁気秩序と結合しているがC_<66>ほど顕著な異常を示さないこと、3)C_<44>はc面間の磁気相関と結合し、それが発達する10K近辺より低温で顕著にハード化すること、4)C_<33>はc面間の磁気秩序と結合し、低温でのメタ磁性転移に対応した磁場変化を示すこと、を明らかにした。4)の結果からはc面間の交換相互作用の距離依存性を求めることができた。一軸応力下の磁化測定では、一軸応力の方向が[110]の場合、dT_N/dp=7K/kbarに及ぶT_Nの上昇が観測された。この上昇率は、以前に報告がされている静水圧での値の100倍に達する。他方、応力方向が[001]の場合、今回の測定範囲(0-200bar)では実験精度内で変化が観測されなかった。この結果は、磁気秩序がc面の変形に結合していることを示しており、超音波測定の結果と矛盾がない。本系では異方性の強いフェルミ面や異方的超伝導ギャップが提案されていることからT_cの一軸応力依存性を期待したが、[110],[100],[001]方向の何れの応力に対しても今回の研究では変化を観測するには到らなかった。
早期骨再生を目指した生体分子付与型アパタイト/コラーゲンナノ複合体の合成

まず、水酸アパタイト/コラーゲン骨類似ナノ複合体(HAp/Col)の合成時にDNAを加え、複合体の形成と同時にDNAを担持する手法の確立を試みた。その結果、HApに対するColとDNAの吸着反応が競争反応となるため、充分なDNA担持を実現することはできなかった。一方、平成22年度に確立した生体分子担持HAp層をHAp/Col上に形成する手法を用い、DNA担持層の形成条件の最適化を行った。Ca/Pモル比を2.0に固定した上で、体液のCa及びPイオン濃度の1倍から4倍のコーティング液を作製した。この溶液にHAp/Col膜を浸漬して、SEMによる表面観察を行ったところ、Ca及びPイオン濃度が2倍以上の溶液で、リン酸カルシウム層が形成されることが確認された。粉末X線回折法により、得られたリン酸カルシウム層はアパタイトと推定された。これら2倍から4倍のCaP層形成溶液にルシフェラーゼプラスミドDNAあるいはDNAに加えて、フィプロネクチン、遺伝子導入補助作用のある脂質を添加し、DNA担持アパタイトコーティング層をHAp/Col膜上にDNA担持アパタイト層を形成した。ポジティブコントロールとして、遺伝子導入が可能であることが確認されているDNA・フィプロネクチン・脂質を含んだリン酸カルシウム層を形成したエチレンビニルアルコール(EVOH)を用いた。これらの基板の上で、CHO-K1細胞を培養し、ルシフェラーゼアッセイにより遺伝子導入効率を測定した。その結果、DNAのみを含んだHAp/Col基板でも、EVOH基板と同等の遺伝子導入効率を示し、HAp/Colがフィプロネクチンや脂質と同程度に遺伝子導入の効果があることが示唆された。さらに、フィプロネクチンと脂質を含んだDNA担持層を形成したHAp/Col上では、EVOHに比べて、コーティング液の濃度が2倍のもので約3倍、濃度が3倍のもので約2倍の遺伝子導入効率を示した。したがって、これら2種類のコーティング液を用いてDNAを担持することで効率的かつ局所的に遺伝子を導入できる材料を合成できることが明らかとなった。HAp/Colナノ複合体上にモデル遺伝子であるルシフェラーゼ遺伝子を効率的に担持することに成功し、ポリスチレン基板を用いた時に比べて有意に高い(23倍)遺伝子導入効率を実現した。即ち、骨内で骨形成関連遺伝子の導入をすると同時に基板そのものは通常の骨代謝で分解され自分の骨に置換される材料の実現に近づいた。DNAの担持をHAp/Col骨類似ナノ複合体の合成と同時に行うことは、DNAの安定性や担持孔率の関係から実現には時間がかかると考えられるため、平成23年度に最適化したDNA担持表面を用いることで、骨形成関連遺伝子の導入を試みる。アパタイト/コラーゲン骨類似ナノ複合体(HAp/Col)を我々のグループで開発した同時滴下法にて合成した。この際、HAp/Col質量比を8:2および7:3の二種類とすることで、短線維と長線維をそれぞれ合成し、純水中で混合後ろ過することで、フレキシブルなシート状に成型した。これを生体分子であるBMP-2遺伝子あるいは塩基性線維芽細胞増殖因子-2(FGF-2)を含んだリン酸カルシウム過飽和溶液中に浸漬することで、HAp/Colシート表面に生体分子の担持層を形成を試みた。しかし、従来の手法では担持層を形成することができなかったため、HAp/Col表面への生体分子担持法を再検討した。その結果、HAp/Colシート上に生体分子担持HAp層を形成することに作製した。それと平行して、HAp/ColへのCaおよびMgイオンの吸着について検討を行った。その結果、HAp/ColへのCaおよびMgの吸着は細胞の増殖を阻害するほど高いことが確認された。これらが、従来法でHAp/Col上への生体分子担持HAp層の形成を阻害していることが示唆された。未処理のHAp/Col、CaおよびMg単体溶液あるいは両イオンを含んだ溶液で処理したHAp/Col、およびポリスチレン培養皿上でMC3T3-E1細胞を培養したところ、各イオン単体溶液で処理したHAp/Colでは、ポリスチレンよりも高い細胞増殖効率を示し、両イオンを含んだ溶液で処理したHAp/Colでは各イオン単体溶液で処理した場合よりも高い密度で細胞が増殖していた。これらの結果は、HAp/Colの優れた生体機能性を証明しただけでなく、平成23年度以降の「生体分子担持」とそれによる「細胞機能制御」を実現するための基礎データとして有効である。

これら2倍から4倍のCaP層形成溶液にルシフェラーゼプラスミドDNAあるいはDNAに加えて、フィプロネクチン、遺伝子導入補助作用のある脂質を添加し、DNA担持アパタイトコーティング層をHAp/Col膜上にDNA担持アパタイト層を形成した。ポジティブコントロールとして、遺伝子導入が可能であることが確認されているDNA・フィプロネクチン・脂質を含んだリン酸カルシウム層を形成したエチレンビニルアルコール(EVOH)を用いた。これらの基板の上で、CHO-K1細胞を培養し、ルシフェラーゼアッセイにより遺伝子導入効率を測定した。その結果、DNAのみを含んだHAp/Col基板でも、EVOH基板と同等の遺伝子導入効率を示し、HAp/Colがフィプロネクチンや脂質と同程度に遺伝子導入の効果があることが示唆された。さらに、フィプロネクチンと脂質を含んだDNA担持層を形成したHAp/Col上では、EVOHに比べて、コーティング液の濃度が2倍のもので約3倍、濃度が3倍のもので約2倍の遺伝子導入効率を示した。したがって、これら2種類のコーティング液を用いてDNAを担持することで効率的かつ局所的に遺伝子を導入できる材料を合成できることが明らかとなった。HAp/Colナノ複合体上にモデル遺伝子であるルシフェラーゼ遺伝子を効率的に担持することに成功し、ポリスチレン基板を用いた時に比べて有意に高い(23倍)遺伝子導入効率を実現した。即ち、骨内で骨形成関連遺伝子の導入をすると同時に基板そのものは通常の骨代謝で分解され自分の骨に置換される材料の実現に近づいた。DNAの担持をHAp/Col骨類似ナノ複合体の合成と同時に行うことは、DNAの安定性や担持孔率の関係から実現には時間がかかると考えられるため、平成23年度に最適化したDNA担持表面を用いることで、骨形成関連遺伝子の導入を試みる。
機能グライコミクスを利用したマイナーシアル酸のインフルエンザウイルス受容体評価

N-グリコリルノイラミン酸(Neu5Gc)はインフルエンザA型ウイルス(IAV)の受容体の一つと考えられてきた。しかし、Neu5Gc結合性を示す多くのヒトIAVおよびウマIAVは、ヒト由来細胞にNeu5Gcを発現させたとき感染が抑制された。Neu5Gcは赤肉やミルクなどの食物からヒト細胞に取り込まれる。ヒト細胞に存在するNeu5Gcは多くのIAVに対して感染防御に機能しているかもしれない。インフルエンザウイルスの受容体と言われるノイラミン酸(シアル酸)の分子種は、N-アセチル体(Neu5Ac)とN-グリコリル体(Neu5Gc)に大別される。Neu5Gcは、ヒトのみが合成できず、パンデミックを起こす新型ウイルス発生の場になるブタなどの中間宿主動物で、ウイルス受容体として機能することが予想される。インフルエンザウイルス受容体に関する大部分の研究は、Neu5Acで行われてきた。本研究は、新型ウイルス発生に関与することが予想されるNeu5GcのIAV結合性とインフルエンザウイルス受容体としての機能性、パンデミックとの関連性をウイルス学的および糖鎖生物学的アプローチを用いて解析することを目的とする。前年度までにサル腎COS7細胞由来Neu5Gc合成酵素(CMP-Neu5Ac hydroxylase; CMAH)遺伝子を導入したヒト乳癌MCF7細胞が、Neu5Gcがほとんど検出されない親細胞株と比較して豊富なNeu5Gcを安定的に発現することが確認された。本年度の研究は、1)Neu5Gc高発現細胞と親細胞の間で、Neu5Gc結合性の高いウマインフルエンザウイルスの感染性を比較、2)Neu5Gc高発現細胞と親細胞の間で、ヘマグルチニンへの変異導入によりNeu5Gc結合性を獲得させたヒトインフルエンザウイルスの感染性の比較、を実施した。本研究は、新型ウイルス発生に関与することが予想されるNeu5GcのIAV結合性とインフルエンザウイルス受容体としての機能性、パンデミックとの関連性を解析することを目的とする。本年度の研究実績として、1)Neu5Gc発現細胞における多くのヒトインフルエンザウイルスおよびウマインフルエンザウイルスの感染性の比較、2)Neu5Gc前駆体であるN-グリコリルマンノサミン(ManNGc)を添加したヒト由来細胞におけるヒトインフルエンザウイルスおよびウマインフルエンザウイルスの感染性の比較、3)Neu5Gc結合性を示すウイルスのNeu5Gc発現細胞における細胞侵入抑制、4)バキュロウウイルス-タンパク質発現システムによる活性型CMAHの産生、が挙げられる。具体的には、サルCMAH遺伝子やManNGcを添加したNeu5Gc発現ヒト細胞は、Neu5Gc結合性を示す多くのヒトインフルエンザウイルスおよびウマインフルエンザウイルスの感染性が低下した。この感染性低下はNeu5Gc発現細胞におけるウイルスの細胞侵入抑制に由来していた。しかし、一部のウマインフルエンザウイルスの感染性はNeu5Gc発現により増加した。Neu5Gcを受容体として利用できるウイルス株がいるものと示唆された。また、バキュロウイルス-タンパク質発現システムにより産生したサルCMAHの活性を確認した。本年度の研究実績として、1)サル由来細胞からのNeu5Gc合成酵素(CMP-Neu5Ac hydroxylase; CMAH)遺伝子のクローニング、2)ヒト由来細胞へのCMAH安定発現、3)CMAH安定発現細胞のNeu5Gc発現の評価、4)Neu5Gc発現が多い培養細胞株の探索が挙げられる。具体的には、サル腎臓由来COS7細胞からクローニングしたCMAH遺伝子をヒト乳癌MCF7細胞へ導入した。CMAH遺伝子を安定発現したMCF7細胞に豊富なNeu5Gcが発現することを、Neu5Gc抗体による免疫染色、およびHPLCによる化学的シアル酸分子種の分析で確認した。一方、株化された培養細胞のNeu5Gc/Neu5Ac比は、検討したすべての細胞で15%であり、Neu5Gcの多い細胞は見い出せなかった。

遺伝子工学的手法によりNeu5Gc高発現細胞が取得できたことは、今後の研究推進の基礎として大きな成果である。ヒト由来細胞はCMAH遺伝子の一部欠損により、CMAH活性体を発現せず、Neu5Gcを合成できない。サル由来細胞から完全なCMAH遺伝子をクローニングし、ヒト由来細胞へ導入することによりNeu5Gcを高発現する細胞の作製を試みた。前年度までに遺伝子工学的にサルCMAH遺伝子をヒト由来細胞に導入することでNeu5Gc高発現細胞を作製することに成功した。そこで当初の計画通りに、親細胞とNeu5Gc高発現細胞の間でインフルエンザウイルスの感染性の比較を試みた。本年度では、Neu5Gc結合性の高いウマインフルエンザウイルスにおいて、親細胞とNeu5Gc高発現細胞の間で感染性を比較した。また、リバースジェネティクス法により作製した、ヘマグルチニンへの変異導入によりNeu5Gc結合性を獲得させたヒトインフルエンザウイルスにおいても、親細胞とNeu5Gc高発現細胞の間で感染性を比較した。Neu5Gc結合性の高いウマインフルエンザウイルスは、親細胞と比較してNeu5Gc高発現細胞で有意に感染性が低下した。さらに、Neu5Gc結合性を獲得させたヒトインフルエンザウイルスもウマインフルエンザウイルスと同様の結果であった。一方、Neu5Gc結合性のないヒトインフルエンザウイルスの感染性は両細胞間で差が見られなかった。両細胞間のNeu5Acのウイルス受容体機能は有意な差が見られなかった。本研究はNeu5Gcの受容体としての機能評価を目的としていたが、この結果はNeu5Gcが受容体と機能するというよりはウイルス感染に対して抑制的に作用することを示していた。今後は、ウイルスのNeu5Gc結合性と細胞上のNeu5Gc発現との間の関連性を明確にするために、ウイルス株数を増やしての感染性の比較を実施する。また、Neu5Gc発現によりウイルス感染性が低下する機構を調査する。Neu5Gcを豊富に発現する細胞株の探索およびNeu5Gc高発現細胞の作製は、本研究の基盤であり、研究推進のための最大の課題でもある。現在のところ、検討した培養細胞株はすべてにおいて、Neu5Gc含量はNeu5Acと比較して極めて小さかった。CMAH活性が欠損している一般的なヒト由来細胞であってもNeu5Gcが少量検出された。これは、培地に含まれる牛血清中のNeu5Gcが細胞へ取り込まれたためと考えられる。Neu5Gc発現が多いと言われるウマ由来の初代培養細胞を用いたが、Neu5Gc含量は小さかった。細胞株の探索は良い結果が得られなかったことから、遺伝子工学的にCMAH遺伝子をヒト由来細胞に導入することでNeu5Gc高発現細胞を作製することにした。サルCMAH遺伝子をヒト乳癌細胞へ安定発現させたことにより、Neu5Gc高発現細胞の作製に成功した。
半導体テラヘルツ光源に関する研究

本研究は、テラヘルツ帯におけるコンパクトな光源として期待されるテラヘルツ帯量子カスケードレーザに着目し、その性能向上を目的としている。量子カスケードレーザの活性層構造や導波路構造の最適構造の検討、更にレーザ素子としてのダイナミクスの実験的評価を行い、構造の工夫により更なる性能向上が期待できること、またレーザ駆動時の素子内部の挙動について新たな知見が得られた。本研究はテラヘルツ(THz)領域の光源実現を目的とし、特に量子カスケードレーザ構造の検討を行っている。本年度は引き続きシミュレーションを進めると共に、得られた結果を設計に反映することで、実際の作製も始めた。(1)THz帯量子カスケードレーザは、多重量子井戸内に形成されるレーザ発光遷移を担う量子準位間でなるべく大きな反転分布ができることが重要であり、良好な温度特性を有するレーザとするためには、電子のキャリアダイナミクスの理解が不可欠である。前年度準備を進めた第一原理計算環境を用い、活性層構造を変えた際の発光特性へ与える影響を調べた。その結果、ある設計パラメータ範囲内で、利得や温度特性の向上が期待できる構造が可能であることが分かった。この構造を基に、量子カスケードレーザ構造の作製を開始した。(2)上記のレーザ活性層構造の検討と共に、前年度より行っている導波路特性(導波路損や熱伝導特性など)の検討も引き続き行った。THz帯量子カスケードレーザは、導波路サイズが幅100μm程度と広いため、熱の対策が非常に有効であるが、同時に光伝搬の観点からの検討も必要である。今回、熱特性・導波特性の双方を考慮したFigure of merit(FOM)を新たに定義し、マルチストライプ導波路の構造パラメータによる影響を調べた。その結果、熱特性と伝搬モードの間には一種のトレードオフのような関係があり、FOMとして最適な値となる構造が存在することが判明した。この構造は、現在のプロセス技術で作製可能な範囲内である。(3)レーザ活性層のキャリアダイナミクスの実験な理解を得るため、外部励起パルス光を入射することにより活性層内部に擾乱を与え、レーザ出力への影響を調べた。パルス光照射前の初期の状態に戻るまでの緩和時間が長いという測定結果が得られていたが、外部光による熱的影響が強く示唆されることが分かった。本研究では、テラヘルツ(THz)領域の光源の実現を目的としており、特に新たな高性能THz帯量子カスケードレーザ構造の検討を、本年度はシミュレーションに重点を置いて行った。(1)THz帯量子カスケードレーザは、その発振のために、量子井戸内に形成される量子準位間でキャリアの大きな反転分布ができることが必要であるが、良好な温度特性を有するレーザとするためには、電子のキャリアダイナミクスの理解が不可欠である。しかし、活性構造に起因する複雑さ故、挙動を理解することは容易ではない。そこで、第一原理計算により、活性層構造を変えた際のキャリアダイナミクスの検討を行うべく、活性層構造の数値計算環境の整備を行った。(2)上記はレーザ内部の物理的側面からの動作の解明、特性向上についてのものであるが、一方でレーザは、いわば一つのモジュールでもあるために、活性層構造のみでなく、構造体としての特性(導波路損や熱伝導特性など)もレーザ発振特性や温度特性に大きな影響を与える。しかも従来の通信レーザと比して、導波路サイズと発振波長の比率も大きく異なってくる。そこで、THz帯の発振波長を有するレーザが、どのような導波路構造を取るべきかについて、熱-電流解析により検討し、熱的に有利な導波路構造を考案した。さらに、この構造はTHz光の伝搬モードをほとんど乱すことが無いことも電磁界解析により確認した。(3)レーザ活性層のキャリアダイナミクスを実験的にも調べるため、外部励起光を入射することにより活性層内部に擾乱を与え、レーザ出力への影響を調べた。その結果、(初期的ではあるが)活性層の量子準位が関与するとみられる応答が得られた。本研究では、テラヘルツ(THz)領域の光源の実現を目的としており、特に新たな高性能THz帯量子カスケードレーザ構造の検討を行っている。研究計画の最終年度にあたる本年度は、昨年度から行ってきたシミュレーションを元に構造設計を行い、実際に結晶成長を行うと共にデバイス作製とその評価を行った。前年度から検討してきた活性層構造の設計指針を基に、GaAs/AlGaAs系材料を用いたエピタキシャル結晶成長をMBE法により行った。このエピウェハーについてレーザ作製プロセスを行ったが、今年度から稼働を始めたプロセス装置を利用することにより、安定的なレーザプロセスが可能となった。これにより作製したmetal-metal導波路構造を有するTHz帯量子カスケードレーザ素子について、デバイス評価を行ったところ、レーザ発振は得られなかったが、設計通りの電流-電圧特性は得られ、また設計動作電圧付近にて、熱の効果以外の光出力が観測されており、今後の研究に期待ができる結果が得られた。

また、レーザ素子のキャリアダイナミクス等の物理的理解を得るため、外部から励起光を入射し、レーザ素子内部に擾乱を与えることにより、これがレーザ動作へ与える影響について調べた。レーザ端面にフェムト秒パルスを照射すると、発振スペクトルのシフトが起こり、そのシフト量やスペクトル形状はレーザのバイアス電流によっても異なることが観測された。このスペクトルの挙動は、光誘起四光波混合による横モードのモードホッピング・ピークマージとして理解できることが分かった。更に外部励起光の強度を上げて強励起状態にすると、スロープ効率の変化を観測することができ、こちらは引き続き理論との比較を行いながら、活性層内部のキャリアダイナミクスを検討していく。これらの結果は、今後のTHz帯量子カスケードレーザ開発にフィードバックしてゆく。工学今年度は、シミュレーションにおいて、活性層構造・導波路構造の双方について行い、おおよその設計指針が得られた。特に導波路構造では最適パラメータ範囲を見出すことができたことは意義があり、また活性層構造についても設計指針が得られた点では進展と見ることができる。しかしながら、量子カスケード構造の作製に関しては、(内的な事情によりクリーンルーム全体をシャットダウンしなければいけなかった理由があるとはいえ)ウェハの結晶成長のみに留まってしまい、やや遅れていることを認めざるを得ない。また、活性層内のキャリアダイナミクスについては、実験的な検討が順調に進み、デバイス特性改善へ繋がる進展と言える。以上を鑑み、上記の自己評価とした。今年度は、シミュレーションによる最適な構造の検討を重点おいている。導波路構造の検討について、THz帯の光学モードを乱さないまま、熱特性を(形状により)大幅に変えることができることを見出したことは、大きな進展と見ることができる。しかしながら、活性層構造の検討については、(種々の理由があるとはいえ)数値計算環境の整備とそれを用いた簡単な検討に留まったことは、やや遅れていると言わざるを得ない。また、活性層内のキャリアダイナミクスについて、(端緒についたばかりではあるが)実験的な検討を開始できたことは、計画外の進展と言える。前年度から引き続き高性能THz帯量子カスケードレーザ構造・作製の検討を行い、量子カスケードレーザ構造の作製・評価を行う。[量子カスケードレーザ構造の作製・評価]:前年度に行った構造設計を基に量子カスケード構造の結晶成長を行う。この際、ドーピング量や活性層内におけるドーピング位置が重要であることが認識され始めているため、層構造も含めた特性を、X線解析装置やCVプロファイラなどを駆使することにより測定し、実際に作製した素子の電気・発光特性等と比較検討する。[量子カスケードレーザ導波路構造の作製・評価]:前年度から引き続き行っているシミュレーションをもとに、導波路構造の作製(導波路自身やその周辺構造・プロセス手順など)に関し、THz光を扱うのに最適なレーザ導波路構造・作製条件を検討する。具体的には、電磁界解析・熱解析により得られた導波路構造の作製に最適なプロセスの検討を行う。