hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
金属架橋カプセルによる生体必須分子の識別法の開発

水溶性の生体関連分子、例えば、複数の水酸基を持つ糖類は、水中で強く水和されているにもかかわらず、多点の水素結合ポケットを持つ生体レセプターで選択に捕捉される。一方、人工レセプターを使った糖の認識は、有機溶媒中で報告されているが、水中ではほとんど例がない。本研究では、分子カプセルが持つ芳香環で囲まれたナノ空間を利用することで、身近な砂糖のスクロースを水中で強く捕捉することに成功した。また、カプセルは二糖の混合物からスクロースを選択的に識別し、さらに、人工甘味料も捕捉できることを見出した。本研究では、他の生体必須分子についても、特異な内包挙動が観測された。本研究の目的は、自己組織化により構築した分子カプセルのナノ空間を利用して、水中での生体必須分子の高感度な識別法を開発することである。その戦略として、申請者が開発した金属架橋カプセルを活用し、その多環芳香族骨格で囲まれたナノサイズの空間による多点相互作用により、狙いとする生体分子の選択的な内包による識別を達成する。本年度は特に、(1)キサンチン類の識別を達成すると共に、(2)生体分子識別のための新たな分子カプセルの合成に成功した。また、(3)テルペン類の蛍光識別法を開拓した。以下にその研究成果の概略を述べる。さらに、ステロイドホルモンの識別に関する予備的な知見を得た。1.分子カプセルによるキサンチン類の識別キサンチン類は天然に広く存在し、メチル基の個数の違いによって異なる薬理活性を示す。そこで本研究では、水溶性の金属架橋カプセルのナノ空間を利用して、水中でそれらの識別に挑戦した。その結果、3つのメチル基を持つカフェインが高選択的に内包されることが、競争実験より明らかになった。また、結晶構造解析により、この識別にはCH-パイ相互作用が重要な役割を果たしていることも解明した。2.カチオンおよびラジカル骨格を有する分子カプセルの合成既報の金属架橋カプセルは、中性のアントラセン骨格に囲まれたナノ空間を有する。そこで生体分子の幅広い識別を目指して、アクリジウム骨格を有するカチオン性カプセルとジヒドロフェナジン骨格を有するラジカル性カプセルを合成した。それらの構造はNMR、MSおよびX線結晶構造解析によって決定し、分子内包能を明らかにした。3.分子カプセルによるテルペン類の蛍光識別法テルペン類を蛍光識別する新手法を開発した。アントラセン骨格を持つ分子カプセルに水中でテルペン類を内包することで、その構造に由来して異なる蛍光性を示し、その3Dマッピングに成功した。本年度の研究課題として計画していたステロイドホルモンの識別に関して、予備的なデータを集めつつ、生体分子のキサンチン類およびテルペン類の識別に関して十分な成果が得られた。特に、前者については、CH-パイ相互作用を活用することで、前例のないカフェインの高選択的な識別を達成した。また、後者に関して、種々のテルペン類を蛍光で高感度に識別できることを見出した。本研究では、自己組織化により構築した分子カプセルのナノ空間を利用して、これまで困難であった水中での生体必須分子の高感度な識別法を開発することを目的とした。その戦略として、申請者が開発した金属架橋カプセルを活用し、その多環芳香族骨格で囲まれたナノサイズの空間による多点相互作用で、狙いとする糖やステロイドなどの選択的な内包による識別を目指した。また、蛍光性能を持つ金属架橋カプセルを用いることで、それらの簡便かつ高感度な蛍光センシングにも挑戦した。以下に本年度の研究成果の概略を述べる。1.天然糖の混合物からのスクロースの選択的内包:分子カプセルと二糖のスクロースを混合したところ、水中で1分子のスクロースが80%以上の収率で内包された。NMRの滴定実験から結合定数は約1100 /Mであり、主にエンタルピー駆動で内包されることが判明した。さらに、トレハロースやラクトースなどの二糖とスクロースの混合物から、カプセルはスクロースを選択的に捕捉することが明らかとなった。すなわち、分子カプセルが水中でスクロースレセプターとして機能することが判明した。これらの結果は、理論計算による内包前後の結合エネルギー変化からも支持された。内包体の最適化構造から、スクロースとカプセルの内部空間の形と大きさが合致し、多点のCH-π相互作用が示唆された。2.人工甘味料および天然糖に対する内包能の比較:工甘味料と天然のスクロースとの内包の競争実験を行った。人工甘味料として、スクロースの3つの水酸基が塩素に置換されたスクラロースとジペプチドのアスパルテームを検討した。それぞれ水中で、分子カプセルに強く内包され、その順序はスクラロース>アスパルテーム>>スクロースであった。

今年度に得られた知見を基に、来年度は水中での識別がより困難なオリゴ糖に挑戦する。有機溶媒中での識別は幾つか報告例があるが、水素結合が競合する水中のオリゴ糖の厳密な識別は達成されていない。また、開発した蛍光センシング法を活用し、オリゴ糖の微量検出を達成する。さらに、合成に成功した異なる多環芳香族骨格(カチオン性およびラジカル性)を有する分子カプセルを利用した生体分子の識別に検討する錯体化学今年度は小規模実験を中心に基盤となる研究を行ったため、次年度使用額が生じた。今年度の知見を基に、次年度は大規模での合成実験とその化合物を使った様々な分析機器による精密物性解析を行う。
医療の質と安全を保証する臨床看護知識の構造化

臨床看護の知識要素の特定,臨床看護の動態をよりよく表現する構造の特定,電子コンテンツの事例整備を行い,コンテンツ事例(がんの手術を受ける患者状態,がん以外の手術を受ける患者状態,疾患別の患者状態,症状別の患者状態,周産期の母体と新生児,在宅患者)を作成し,書籍化した.これら知識コンテンツは,臨床における看護の思考プロセスを誘導するツールとなり得ること,看護実践と看護記録の質向上を推進するものとなると考えられた.臨床看護の知識要素の特定,臨床看護の動態をよりよく表現する構造の特定,電子コンテンツの事例整備を行い,コンテンツ事例(がんの手術を受ける患者状態,がん以外の手術を受ける患者状態,疾患別の患者状態,症状別の患者状態,周産期の母体と新生児,在宅患者)を作成し,書籍化した.これら知識コンテンツは,臨床における看護の思考プロセスを誘導するツールとなり得ること,看護実践と看護記録の質向上を推進するものとなると考えられた.本研究では,臨床看護の知識要素特定・臨床看護の動態をよりよく表現する構造特定・看護を含む標準医療計画(PCAPS電子コンテンツ)の開発支援を行い,実際のケースへの適用も試みる.標準計画・個別計画・実施計画・実施・実施後観察という臨床のプロセスの中で,どのように看護の経験知が組み込まれ,医療の質安全保証にどのように貢献しているのかを,「臨床における看護知識の構造化」という手段であきらかにする.これらの作業を通して抽出された経験知を構造化し,知識を再利用するための「医療の質安全保証に必要とする,臨床における看護知識の生産と管理を支援するシステム」の設計を行う.H21年度は以下を実施した.・研究素材として用いる患者状態適応型パス(PCAPS)標準電子コンテンツを,結腸がん(結腸切除術)・乳がん(全摘・温存・再建)・慢性硬膜下血腫・訪問看護と決定した.・PCAPS研究会メンバー(医師3名・看護師15名)および看護実践標準用語マスター作業班の協力を得て,コンテンツの開発・分析を行った.・PCAPS標準電子コンテンツとして作成されたこれら標準計画を,臨床看護知識抽出の視点から分析した.・標準計画に存在する臨床看護知識の構造として,「結腸がんコンテンツ:合併症発生およびその徴候の監視」「乳がんコンテンツ:患者ニーズへの新たな医療技術導入による反映」「慢性硬膜下血腫コンテンツ:治療に対する安静度の調整」「訪問看護コンテンツ:患者状態変動に対応するケア履歴」等を分析の観点として設定し,臨床看護知識の抽出を試みた.・基本システム仕様に対する条件等を検討した.・成果報告:国内(医療情報学会ワークショップ2009年11月・広島)海外(国際看護情報学会議2009年6月・ヘルシンキ)海外(アジア品質ネットワーク国際会議2009年9月・バンコク)本研究では,標準計画・個別計画・実施計画・実施・実施後観察という臨床のプロセスの中で,どのように看護の経験知が組み込まれ,医療の質安全保証にどのように貢献しているのかを,「臨床における看護知識の構造化」という手段であきらかにする.これらの作業を通して抽出された経験知を構造化し,知識を再利用するための「医療の質安全保証に必要とする,臨床における看護知識の生産と管理を支援するシステム」の設計を行う.H22年度は以下を実施した.(1)看護要素に関する知識ベースである看護マスター(観察編・行為編)の英訳化(2)フィンランド標準看護ターミノロジーと日本の看護マスターとのマッピング可能性と看護実践比較の検討会議を東フィンランド大学で3名の教授と開催した.同様な看護行為の存在を確認し,共同研究を行うこととなった.(3)患者状態別の看護実践知識カタログコンテンツを開発した.構造は,合併症と有害事象発生の状態監視と,合併症・有害事象防止ケアであると判断された.外科系:結腸がん手術・胃がん手術内科系:肺炎周産期:妊娠・出産・産褥プロセス症状別:悪心嘔吐・下痢・長期臥床によるADL低下(4)患者状態別の看護実践知識カタログの活用を,某病院で,看護部長を統括としたプロジェクトとして行うことになった.開発された看護カタログを編集して某病院標準とすることになった(5)看護要素に関する知識ベースである看護マスターの普及状況調査を実施した.2500病院に調査用紙を送付し,500強の病院から回答を得た.電子的に活用している病院が70弱存在し,有用性と普及可能性が示唆された.(6)3つの学会における成果報告を行った.看護管理学会(横浜):発表6件,インフォメーションイクスチェンジ1件医療情報学会(浜松):発表2件,ワークショップ1件医療の質安全学会(幕張):発表2件急性期病院における医療の質安全を保証する上で,看護のふるまいと力量は大きく影響する.現時点では,このようなふるまいや力量は,経験知にもとづいているため,エキスパートナースの経験知を暗黙知から可視化された状態にし,知識の共有化を図ることが必要である.ナースは医行為とケア行為の両者を行うが,それらは当該患者の状態に適応させたタイミングで実施している.本研究では,臨床における看護知識のコアコンテンツ(臨床看護の知識要素)特定・臨床看護の動態をよりよく表現する構造特定・電子コンテンツの事例整備(看護を含む標準医療計画の作成)を行い,電子コンテンツ事例を実際のケースに適用あるいはシミュレーションを行い,標準計画・個別計画・実施計画・実施・実施後観察という臨床のプロセスの中で,どのように看護の経験知が組み込まれ,医療の質安全保証にどのように貢献しているのかを,「臨床における看護知識の構造化」という手段であきらかにする.これらの作業を通して抽出された経験

知を構造化し,知識を再利用するための「医療の質安全保証に必要とする,臨床における看護知識の生産と管理を支援するシステム」の設計を行う.H23年度は,「PCAPS外科系手術コンテンツ」,「PCAPS内科系コンテンツ」,「PCAPS周産期コンテンツ」,「PCAPS訪問看護コンテンツ」の素材から看護の臨床知識を抽出し,以下に示す領域のコンテンツとして,看護知識を組み込み,当該コンテンツの効果・効用を,研究チーム側と臨床ユーザ側の双方から検討した.協力候補先は,九州・近畿・東京の病院と訪問看護ステーションである.フィンランドとシンガポールにおける看護関係者からの評価も受けた.また,知識を再利用するための「医療の質安全保証に必要とする,臨床における看護知識の生産と管理を支援するシステム」の設計を行い,書籍を発行した.1,がんの手術を受ける患者状態2.がん以外の手術を受ける患者状態3.疾患別の患者状態4.症状別の患者状態5.周産期の母体と新生児6.在宅患者
男子乳癌におけるエストロゲン作用の解明―内分泌療法の向上を目指して―

男子乳癌組織におけるエストロゲン受容体(ER)の発現および組織中エストロゲン濃度の測定、エストロゲン応答遺伝子の発現解析を行った。組織中エストラジオール濃度は非腫瘍部と比較して腫瘍部で有意に高かった。また、男子乳癌組織においてもエストロゲン合成酵素の発現が認められた。対象とした男子乳癌組織30例は全てERが陽性で、プロゲステロン受容体と正相関を示した。エストロゲン応答遺伝子の発現をマイクロアレイにて検索したところ、発現プロファイルは男女間で異なっていた。以上より、男子乳癌組織ではエストロゲンが合成酵素によって局所で合成されて作用しているが、その作用は女子乳癌と質的に異なることが示唆された。1.男子乳癌における組織中性ホルモン濃度の測定組織中性ホルモン濃度をLC-MS/MS法にて測定した。組織中エストラジオール濃度は、非腫瘍組織と比較して男子乳癌組織において有意に高値(中央値で14倍)であり、女子乳癌組織と比較しても高い傾向(中央値2.8倍)であった。男子乳癌患者の血中エストロゲン濃度は健常者の2倍程度と言われていることから、男子乳癌組織においては女子乳癌組織と同程度もしくはそれ以上に局所エストロゲン合成が行われているものと示唆された。2.男子乳癌組織におけるエストロゲン合成酵素の発現次に、男子乳癌組織におけるエストロゲン合成酵素の発現を免疫組織化学的方法にて検索したところ、アロマターゼおよび1形17β水酸化ステロイド脱水素酵素の発現が正常乳腺組織と比較して亢進していた。また、それらの発現頻度は女子乳癌と同程度であった。一方、ステロイドスルファターゼの発現はほとんど認められなかった。3.男子乳癌組織におけるエストロゲン受容体の発現意義の解析(平成24年度より継続)男子乳癌におけるエストロゲン受容体の発現と各種臨床病理学的因子との相関を解析したところ、両者の間に有意な相関は見られなかった。これは、検索した症例がいずれもエストロゲン受容体の発現が陽性で、発現量も軒並み高かったため、陰性症例もしくは低発現の症例が少なかったためと考えられる。男子乳癌におけるエストロゲン受容体の発現意義をより詳細に検討するためには、症例数を増やした更なる検討が必要と考えられた。本研究に関する平成24年度の主な研究成果は以下の如くである。1.男子乳癌組織におけるエストロゲン受容体の発現意義の解析男子乳癌30例および閉経後女子乳癌70例を対象とし、エストロゲン受容体(ER)alphaとERbetaに対する免疫染色を施行し、結果を比較した。その結果、男子乳癌におけるERalphaおよびERbetaの発現は女子乳癌と比較して有意に高頻度かつ高値であることを見出した。また、ERalphaとその応答遺伝子であるプロゲステロン受容体(PR)の間に有意な正相関を認め、男子乳癌においてもエストロゲンが十分に作用していることが示唆された。現在、対象症例の臨床病理学的情報の収集中であり、ERの発現と臨床病理学的因子との関連を引き続き解析していく予定である。2.男子乳癌におけるエストロゲン応答遺伝子の発現プロファイルの検討男子乳癌凍結組織および閉経後女子乳癌凍結組織各4例からtotal RNAを抽出し、マイクロアレイ解析に供した。既知のエストロゲン応答遺伝子に限定して解析を行ったところ、エストロゲン応答遺伝子の発現プロファイルは男女間で大きく異なっており、男子乳癌でより高発現する遺伝子と女子乳癌で高発現する遺伝子を同定した。これらの遺伝子に対して免疫染色を施行したところ、マイクロアレイ解析と同様の結果が得られた。これらより、男子乳癌と女子乳癌ではエストロゲンの作用に差異があることが示唆された。この作用の違いと抗エストロゲン療法の感受性との関連について今後検討していきたいと考えている。予定していた性ホルモン受容体およびエストロゲン応答遺伝子の発現解析は概ね終了している。また、次年度に予定している組織中性ホルモン濃度の測定についても準備が整いつつある。平成24年度の研究によって男子乳癌組織における性ホルモンの重要性が十分に示唆されたため、平成25年度は引き続き性ホルモン局所合成経路の探索の実験を行う。病理標本作製関連費用として10万円を計上していたが、対象症例の一部に関し既製標本を使用することができたので余剰が発生した。平成25年度に予定している組織中性ホルモン濃度の測定に関し、エストロゲンの前駆体であるアンドロゲンの濃度の測定も追加したいと考えており、24年度に発生した余剰を性ホルモン濃度の測定に充てる予定である。
光増感作用の細胞内情報伝達系にたいする効果

肥満細胞では、生理的な開口放出が起こる際に細胞内のカルシウムイオン濃度が上昇する。このカルシウムイオン濃度上昇については大部分が細胞外からの流入に依存している。本研究により、Sulphonated aluminium phthalocyanine(SALPC)による光増感作用が分泌を抑制することが明らかとなったことから、今年度は細胞内カルシウムイオン濃度変動にたいする光増感作用について検討を加えた。G蛋白質を直接刺激してヒスタミンの分泌を促進すると考えられているcompound 48/80は、細胞内のカルシウムイオン濃度を容量依存性に増加させた。SALPCを前負荷し、光照射を加えて光増感作用を惹起しても、このcompound 48/80刺激による細胞内カルシウムイオン濃度上昇は影響を受けなかった。カルシウム画像解析法により、細胞内カルシウムイオン濃度の空間的変動も詳査したが、やはり影響は認められなかった。カルシウムイオン解析に用いた同一細胞における開口放出活性について、開口放出のプローブであるsulphorhodamine Bで検討したところ、光増感作用によって開口放出が強く抑制されていることが確認された。さらに一重項酸素の消去薬であるアジ化ナトリウムは光増感作用による開口放出抑制を一部解除した。以上の知見と昨年度の結果より、細胞内情報伝達系、特に分泌に関わるシグナルトランスダクションにたいする光増感作用のメカニズムについて以下のように結論した。光子エネルギーによって一重項酸素生成薬から一重項酸素が遊離し、遊離された近傍で細胞内情報伝達系に関わる特に機能蛋白質の構造と機能を変化させる。肥満細胞の場合は、その蛋白質はカルシウムイオンの上昇より下流にある機能蛋白質であると推測される。開口放出時には果粒膜と細胞膜が相互作用する際に数種類の機能蛋白質が関与していると考えられており、またそれらの相互作用にカルシウムイオンも密接に関係しているとされている。光増感作用の作用部位としてこれら開口放出に関与する機能蛋白質の可能性が強く示唆されるので、今後はこれらについて検討を加えたい。遊離肝細胞においてノルアドレナリン(NA,50nM)は、細胞内カルシウムイオン濃度([Ca^<2+>]_i)に対して、1)振動性の増減、2)後半に漸減するプラトー相を伴った上昇、および3)プラトー相から振動性変動に変わる変化のいずれかを惹起した。25nMおよび50nMでは振動性変動が大半であり、100nMおよび1μMではプラトー相を伴った上昇が多く認められた。Sulfonated aluminiumphthalocyanine(SALPC,5μM)による光増感作用は、[Ca^<2+>]_iに対して、1)無効、2)単相性のスパイク状変動、あるいは3)プラトー相を伴った増加のいずれかを引き起こした。50nM NA刺激による振動性変動は光増感作用によって完全に消失したが、通常プラトー相を伴った上昇を引き起こす200nM NAを同一標本に引き続き加えたところ、振動性変動が再び現れた。以上の知見から、光増感作用は肝細胞にたいしてアドレナリン作動性受容体を脱感作することが示唆された。脂質を分泌する外分泌腺であるハーダー腺はプロトポルフィリンIX(PPIX)を含むポルフィリンを腺細胞内に大量に含有しているが、その生理学的な意義は不明である。本研究では[Ca^<2+>]_i変動に焦点をあてて検討した。Ca^<2+>感受性蛍光色素であるfura-2を負荷した腺細胞に紫外励起光(340nmおよび380nm)を照射したところ、[Ca^<2+>]_iが上昇した。これは紫外光によって光増感作用が引き起こされたことを示唆する。可視光カルシウムプローブであるfluo-3を負荷して[Ca^<2+>]_i変動を検討したところ、10μMカルバコールは[Ca^<2+>]_iを上昇させた。カルバコール非存在下では不変であった。SALPCと可視光による光増感作用が[Ca^<2+>]_iを上昇させることはすでに確認されている。従って本知見はラットのハーダー腺に存在するPPIXは光感受性物質としての役割を担っていて、光によって[Ca^<2+>]_iが上昇し、それに続いて脂質分泌が惹起されるものと考えた。

以上の知見と昨年度の結果より、細胞内情報伝達系、特に分泌に関わるシグナルトランスダクションにたいする光増感作用のメカニズムについて以下のように結論した。光子エネルギーによって一重項酸素生成薬から一重項酸素が遊離し、遊離された近傍で細胞内情報伝達系に関わる特に機能蛋白質の構造と機能を変化させる。肥満細胞の場合は、その蛋白質はカルシウムイオンの上昇より下流にある機能蛋白質であると推測される。開口放出時には果粒膜と細胞膜が相互作用する際に数種類の機能蛋白質が関与していると考えられており、またそれらの相互作用にカルシウムイオンも密接に関係しているとされている。光増感作用の作用部位としてこれら開口放出に関与する機能蛋白質の可能性が強く示唆されるので、今後はこれらについて検討を加えたい。
同位体計測高度化のための誘導結合プラズマ共鳴イオン化質量分析法の開発

本研究は、新しい同位体分析技術として、誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)とレーザー共鳴イオン化質量分析(RIMS)の測定原理を結合することで、それぞれの長所を活かしつつ弱点を相補う質量分析法:「誘導結合プラズマ共鳴イオン化質量分析(ICP-RIMS)」の概念を構築し、その原理実証に成功すると共に、分析能の最適化に向けた系統的な基礎実験・解析と実用化のためのシステム設計検討を行った。本研究は、同位体理工学における最も重要な要素技術である質量分析技術に関して、誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)とレーザー共鳴イオン化質量分析(RIMS)の測定原理を結合し、それぞれの長所を活かしつつ弱点を相補うことで、超高感度でほぼ万能の新しい質量分析法:「誘導結合プラズマ共鳴イオン化質量分析(ICP-RIMS)」の概念を構築し、その成立性の実証とともに、分析能の最適化に向けた系統的な基礎実験と実用化のためのシステム設計提案を行うことを目的としている。平成17年度は、本研究の立ち上げのため、以下の準備研究を実施した。(1)本研究の基幹装置部として、市販のICP-MS装置を改造し、前段の大気圧下レーザーアブレーション試料導入系および後段のRIMS部とのカップリングが可能な「誘導結合プラズマイオン化装置」の設計・試作を行った。本装置の開発に関して、セイコーインスツルメンツ(株)より、全面的に技術サポートを受け、所定の性能を確認するとともに、本研究に適した柔軟性の高い基幹装置部を構築できた。(2)基幹装置前段部の試料導入系として、既設YAG(Nd)レーザーを大気圧下でのアブレーションに用いる試料チェンバーの設計を行い、製作図の作成および必要物品を購入した。(3)基幹装置後段部のRIMS開発に関して、これまで当研究グループで実績のあるCa同位体の検出を対象に、既設の波長可変レーザーおよびTOFMS系を用いて、検出感度・選択性(S/N比)の観点から、イオン引抜電極の改良や静電レンズの活用によるコンパクト化を実験的に検証し、この結果をもとに、RIMS用チェンバーおよび光学系設計を行った。以上、今年度製作した「誘導結合プラズマイオン化装置」に試料導入系とTOFMS/RIMS系のチェンバー製作を現在進めており、次年度早々に装置組み立てと基本性能試験に着手予定である。本研究は、同位体理工学における最も重要な要素技術である質量分析技術に関して、誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)とレーザー共鳴イオン化質量分析(RIMS)(特にドップラー速度選択方式RIMS:DS-RIMS)の測定原理を結合し、それぞれの長所を活かしつつ弱点を相補うことで、超高感度でほぼ万能の新しい質量分析法:「誘導結合プラズマ共鳴イオン化質量分析(ICP-RIMS)」の概念を構築し、その成立性の実証と共に、分析能の最適化に向けた系統的な基礎実験と実用化のためのシステム設計提案を行うことを目的としている。平成18年度は、以下の研究項目を実施した。ICP-TOFMSの検出効率および質量分解能向上を目指し、イオン引き抜き電極の再設計・試作および評価を行った。後段のDS-RIMSに関して、質量分解能を評価し、Ca(質量数40-48)に対して質量分解能m/Δm60が得られ、各同位体を分離して測定可能であることがわかった。また、静電イオンレンズの効果を実験的に検証し、装置のコンパクト化という観点でその有用性を確認した。さらに本方式における質量分別効果について検討を行い、蒸気温度によっては数%程度の質量分別効果が生じるという知見を得た。(3)位置敏感型イオン検出器の性能試験DS-RIMSで用いる位置敏感型イオン検出器を組み込み、位置分解能等に関する性能試験を行った結果、位置分解能0.45mmが得られ、DS-RIMSで利用するのに十分な性能が確認された。本研究は、同位体理工学における最も重要な要素技術である質量分析技術に関して、誘導結合プラズ々質量分析(ICP-MS)とレーザー共鳴イオン化質量分析(RIMS)の測定原理を結合し、それぞれの長所を活かしつつ弱点を相補うことで、超高感度でほぼ万能の新しい質量分析法:「誘導結合プラズマ共鳴イオン化質量分析(ICP-RIMS)」の概念を構築し、その成立性の実証と共に、分析能の最適化に向けた系統的な基礎実験と実用化のためのシステム設計提案を行うことを目的としている。平成19年度は、以下の研究項目を実施した。1.長寿命準位を経由する新しい共鳴イオン化スキームに関する検討ICPにより励起可能な長寿命準位を経由する新しい共鳴イオン化スキームをCaおよびSrを例として検討した。その結果、準安定準位を始準位とする共鳴イオン化スキームは十分成立し、共鳴イオン化用レーザーの波長に対する要求を緩和することが確認された。このことから、長寿命準位を経由する新しい共鳴イオン化スキームは、ICP-MSとRIMSをカップリングする場合、有用であるという知見を得た。2.プラズマ源とレーザーイオン化部のカップリングに関する概念設計共鳴イオン化用のレーザーには、イオン化効率、汎用性等を考慮するとパルス発振レーザーが適している。

一方、ICPからは連続的に試料原子が真空容器内に導入されるため、ICPプラズマ源とレーザーイオン化・質量分析プロセスのカップリング効率が重要となる。ICPプラズマにより生成される原子のイオン化と電場による輸送過程を模擬したシミュレーション計算の結果、10kHzの繰り返し率のレーザーおよび垂直引き抜き方式飛行時間型質量分析器を採用することで約10%の効率が得られることがわかった。また、これをもとにレーザーにより生成されるイオンを引き抜くための電極の設計および試作を行った。本研究は、同位体理工学における最も重要な要素技術である質量分析技術に関して、誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)とレーザー共鳴イオン化質量分析(RIMS)の測定原理を結合し、それぞれの長所を活かしつつ弱点を相補うことで、超高感度でほぼ万能の新しい質量分析法:「誘導結合プラズマ共鳴イオン化質量分析(ICP-RIMS)」の概念を構築し、その成立性の実証と共に、分析能の最適化に向けた系統的な基礎実験と実用化のためのシステム設計提案を行うことを目的としている。平成20年度は、最終年度で、以下の研究項目を実施した。1. ICPプラズマより引き出されるイオン・原子の系統的な実験的評価ICP-RIMSシステムに最適なプラズマ生成のために、ICPプラズマがスキマーを介して真空中に引き出されたジェット流中のイオンおよび原子の速度分布測定法を開発した。イオンについてはパルス電場で、原子についてはレーザーによるイオン化により検出器方向にはじき、偏向電圧によるイオン軌道の変化より、ICPで導入されたイオンおよび原子の初期速度分布を測定し、理論的な検討を行った。試料元素としてICPに導入されたCuに対し波長463.6nmの色素レーザーを照射することで、2光子共鳴励起・イオン化過程によるCuイオンを生成・検出し、ICP-RIMSの原理実証に成功した。ここで、ICPより導入されるイオンは、その初期速度分布をもとに設計したイオン光学系により効率的に除去できた。また、ICP-RIMSの総合的なシミュレーション計算を行い、レーザー共鳴イオン化からTOF質量分析へのプロセスの実験的な解明とともに、これらの知見をもとにした最適化を図ることで、本分析システムの実用化に向けた技術課題の抽出と工学設設計提案を行った。
人間型ロボット動作の最適化に関する研究

平成22年度は、前年度に基本アルゴリズムを構築した、倒立振子モデルに2次システムのモデルを適用した人間型ロボットのオンライン歩行パターン生成手法のコントローラを構築した。従来研究で用いられていた線形の倒立振子モデルに対して予見制御を適用する方法は、動的に安定な歩行生成に適しているが、実際のロボットとの質量分布の差異を、ダイナミクスを考慮した補償器により吸収する必要があった。そこで、このような補償を用いずに直接分布質量系を2次システムでモデル化し、動的に安定な2足歩行動作を導出することを目指す。昨年度構築した、非線形の2次システムに対して最適化手法を適用して目的軌道に追従する動的歩行動作をオフラインで導出する基本アルゴリズムを拡張し、オンラインで歩行動作を生成する手法を導出した。2次システム最適化の計算負荷を低減するため、現在の状態の近傍で2次システムを線形化することでこれを実現した。さらに、2次システムのサブシステムとして線形システムを構成し、2次システムとの誤差を制御により低減するオンライン動作生成システムも構築した。また、最適化手法の別の適用例として、人間型ロボットの実行可能性を考慮したオンライン動作パターン生成についても研究を行った。入力された歩行経路が、ロボットの脚や足どうしの干渉のため実行不可能な場合があるが、事前にこれらをすべて指定することは難しい。そこで、これらの干渉回避を最適化問題の制約として考慮し、これを2足歩行の遊脚軌道など緩和可能な他の制約より優先して、高速な線形最適化手法に適用することで、オンラインで実行可能な歩行動作を生成する手法を構成した。上記で構築した制御手法を、ヒューマノイドロボットプラットフォームHRP-2、人間の外観に近い形で設計されたヒューマノイドロボットHRP-4C上で安定して動作することを確認し、有効性を検証した。平成20年度は,最適化手法に基づく人間型ロボットの軌道に時間パラメータ決定手法の構築に取り組んだ.通常,運動計画で出力される経路は,コンフィグレーションとして列で与えられ,時間軸は与えられていない.時間パラメータ決定は,準静的な経路を最短時間で実現する動的に安定な軌道へと変換することが目的である.これにより,例えば運動計画器により計画された時間を考慮していない経路を,実際のロボットに適用可能な軌道に変換することができる.最適化手法における評価関数は動作時間であり,これに安定性やロボットの動作限界を考慮した制約を付与し,最短時間で動作する軌道を導出する.これまでの研究では,ロボットの運動の1回微分である関節速度の限界のみを考慮した簡単化した手法を適用してこれを行っていた.本研究では,運動の2階微分である関節の加速度限界とトルク限界を組み込めるようにこれまでの手法を拡張し,より一般的な時間パラメータ決定手法の枠組みの構築を行った.これにより,出力となるロボットの動作軌道はロボットの限界を超えないことが保証できる.構築した手法は,産業技術総合研究所に設置されている人間型ロボットHRP-2により検証した.片足で全身を支えて前に手を伸ばすような非常に制約の多い動作に適用し,動的な安定を保ちつつロボットの実機で計画した経路を実現することが確認できた.実記による運動を計測した結果は,提案する手法により予測される動作と非常に近い運動が得られた.これらにより,提案手法の有効性が確認された.平成21年度は,まず前年度に構築した最適化手法に基づく人間型ロボットの軌道に時間パラメータ決定手法における制約を、パラメータに多項式表現となるように再定式化した。これにより、最適化手法の収束速度を改善した。これに加え、最適化問題が凸であることを証明し、局所的最適化手法を適用することで大域的な最適解を導出できることを示し、ヒューマノイドロボットHRP-2を用いてその有効性を証明した。次に、人間型ロボットの動的な歩行運動を信頼性高く実現するため、システム同定手法によるZMPを規範とした制御システムの性能向上に関して研究を行った。この手法は、歩行ロボットの歩行パターン生成のための倒立振子モデルに2次システムのモデルを適用することで、単純な倒立振子モデルに比較して安定性の高い動作が導出されることを示した。日本人女性の平均の体格をモデルとして産総研で最近開発されたHRP-4Cに対してこの手法を適用し、動的に安定な歩行運動を導出した。実機による実験を行って、新たに導出した手法の有効性を確認した。さらに、HRP4-Cのように、より人間に近い形態を持つロボットの自然な動作を生成するための研究を進めた。モーションキャプチャにより取得した人間の動作をヒューマノイドへの移植は、骨格構造の差異や、関節動作や安定性の制約により困難な問題となる。そこで、最適化手法を適用することでこれらの制約を満たしつつ動的に安定な動作を導出する手法を導出し、シミュレーションにより有効性を確認した。

昨年度構築した、非線形の2次システムに対して最適化手法を適用して目的軌道に追従する動的歩行動作をオフラインで導出する基本アルゴリズムを拡張し、オンラインで歩行動作を生成する手法を導出した。2次システム最適化の計算負荷を低減するため、現在の状態の近傍で2次システムを線形化することでこれを実現した。さらに、2次システムのサブシステムとして線形システムを構成し、2次システムとの誤差を制御により低減するオンライン動作生成システムも構築した。また、最適化手法の別の適用例として、人間型ロボットの実行可能性を考慮したオンライン動作パターン生成についても研究を行った。入力された歩行経路が、ロボットの脚や足どうしの干渉のため実行不可能な場合があるが、事前にこれらをすべて指定することは難しい。そこで、これらの干渉回避を最適化問題の制約として考慮し、これを2足歩行の遊脚軌道など緩和可能な他の制約より優先して、高速な線形最適化手法に適用することで、オンラインで実行可能な歩行動作を生成する手法を構成した。上記で構築した制御手法を、ヒューマノイドロボットプラットフォームHRP-2、人間の外観に近い形で設計されたヒューマノイドロボットHRP-4C上で安定して動作することを確認し、有効性を検証した。
単一細胞内の光合成膜環境順応ダイナミクスを解明する3次元超解像時間分解顕微分光

(1)葉緑体やシアノバクテリアの酸素発生型光合成膜が示す微細構造ごとの蛍光スペクトルを高速に得るための顕微分光装置を完成させた。励起レーザーとしては2光子励起が行えるチタンサファイアレーザーを用いた。レーザーの入射角度を高速に走査し、線状の領域を高速に往復させるこた。線状の領域全体の蛍光スペクトルを各点毎に空間分解しながら記録するために性能のよいイメージング分光器を用いてEMCCDカメラで1度の露光時間で記録できる。一点一点ごとの記録に比べて約50倍の高速化を現した。空間分解能(点像分布関数の半値全幅)は685nmの蛍光波長において、0.33x0.39x0.59mmを記録した。これは横方向には波長の半分、奥行方向には理論限界を達成している。(2)シアノバクテリアのチラコイド膜については従来一様な性質を仮定されてきたが、本研究においてクロロフィル蛍光とフィコビリゾームの蛍光比率が細部の内部側と細胞の外側で異なることを示すことが出来た。蛍光スペクトル測定を吸収スペクトル測定とともに同一の細胞について行うことで、この差異が細胞自身による散乱や吸収の影響でみえるものではなく、本質的に異なるチラコイド膜の分子構成や色素タンパク質間の相互作用に由来することを確認できた。(3)緑藻と植物の葉緑体を比較し、電子顕微鏡で得られている定性的な違いを光学顕微鏡で確認することに成功した。また、植物葉緑体の系II蛍光と系I蛍光の分布について従来記述されてこなかった定性的に新しい知見を得た。本年度は京都大学、大阪大学の双方で、ラン色細菌と緑藻の培養を開始し、顕微分光に用いるための培養条件、観察条件を検討した。ともに順調な生育を確認したが、ラン色細菌を窒素欠乏条件で育成することができなかったが、現時点では、その原因は、窒素充足条件で境内培養を長期にわたっておこなっていた試料であったためと考えている。来年度には、窒素不足条件培養株を入手して再開する。また生育環境の光環境を変化させることも順次行っていく。京都大学において、レーザー励起型共焦蛍光顕微鏡をラン色細菌と緑藻について行い、3次元蛍光像が得られることを確認した。これまではアルゴンイオンレーザー励起だけであったものを、チタンサファイアレーザーによる2光子励起に切り替えた。2光子励起により、焦点以外における励起をなくし、資料への余計な損傷を劇的に減らすことが期待される。緑藻の葉緑体内部を3次元解像した結果、チラコイド膜内部構造と思われる微細構造を観察することができた。今後、解像力の向上やスペクトル情報、時間分解分光の情報などを得て、各微細構造ごとの直接空間分解ではわからない情報へ得ていく予定である。シアノバクテリアにおける細胞内部構造については今後の課題として残された。吸収型顕微分光に用いるための白色光光源として、フェムト秒白色光の発生をフォトニッククリスタルファイバーで行った。500nmより長い波長の可視全領域、および近赤外にわたる白色光を得た。集光性の高さを利用して高い空間分解能で吸収スペクトル変化を探査可能にすることができる。平成17年度には、緑藻、藍藻の両方の試料について、膨大な基礎データを取得することができ、その結果、光合成を行うチラコイド膜の動作機構解明につながる多くの研究課題を確認することができた。我々の研究で、同時に観測対象とできるのはぜいぜい数個の細胞であるので、まだまだ多くのデータの蓄積を待つ必要はあるものの、多くの仮説を立てられたわけで、平成18年度において、さらにデータを蓄積すれば、幾つかの仮説を実証できる見込みである。(1)ラン色細菌の細胞において、規則的な微細構造と局所蛍光スペクトルの間に成り立つ法則性を発見した。

その法則性は一見小さな蛍光スペクトルの形状変化に過ぎないものの、自己吸収効果などでは説明できず、チラコイド膜の性質が細胞内で変化しながら分布している状況を定量的に裏付けることができた。(2)ラン色細菌において、光照射条件を変えた場合(環境変化)に発現する、チラコイド膜形状変化と、色素蛋白複合体の存在比率の変化の間に成り立つ法則性を見出した。この環境順応が単調な変化ではなく、最低限2段階の定性的に異なる変化を含んでいることを見出した。(3)植物であるタバコについて、組織毎に異なる葉緑体の形態と蛍光スペクトルについて、一定の法則性を発見することができた。この結果を遺伝子の発現量と比較した結果、整合性のある解釈が可能で、植物葉緑体研究に新たな手法を提案できると思われる。またこれまでの蛍光顕微分光の走査速度を数倍向上きせる第二の顕微鏡システムの構築を行った。ハードウェアは一通り揃い、くみ上げたので、あとは制御ソフトウェアの完成を完成させるだけである。平成18年度には、緑藻、藍藻、植物の全ての試料について、光化学系1、光化学系2、フィコビリゾームが発する蛍光スペクトルとその細胞内(葉緑体内)発光領域に関する膨大な基礎データを取得することができ、その結果、光合成を行うチラコイド膜の動作機構解明につながる多くの知見を発見することができた。多数の細胞、葉緑体の精密顕微スペクトル画像を得るために、ラインスキャン半共焦点二光子励起蛍光スペクトル顕微鏡を完成させた。これは線状領域の全ての点からの蛍光スペクトルを一度の露光時間で得るもので3次元走査時間を1桁以上改良することができた。それを用いて以下の知見を得た。(1)ラン色細菌の細胞において、自己吸収効果や分解能の波長依存性では説明できない細胞内蛍光スペクトル変化を見出した。特にフィコビリゾームと光化学系2の間の強度比がチラコイド膜形態との間に高い相関を示した。(2)植物(トウモロコシ)の葉緑体で、夜間に採取した葉緑体と昼間に採取した葉緑体の間で、系統的な差を見出すことができた。それは巨視的計測でこれまで知られてきた現象ではあるが光学顕微鏡としては最高の解像力の空間レベルで確認されたのは初めてであろう。そして、チラコイド膜のグラナ領域とそれ以外の領域を系1蛍光と系2蛍光の強度比から識別するための波長領域を決定することができた。(3)緑藻クロレラでは明順応した場合と暗順応した場合とでチラコイド膜の性質(空間分布)が非常に異なっていることを発見した。我々の研究は葉緑体内のチラコイド膜構造を観察するための方法論を提案しており、今後、蛍光検出感度、解像力の向上によってさらに精密な葉緑体観察法として発展できる可能性が明確に示された。シアノバクテリアの観察結果は今のところ顕微鏡専門国際誌に投稿済みで、最終的な受理とはなっていないが、査読の第一段階では、軽微な修正で受理される可能性が高いと言う返事を得ている。植物葉緑体の論文も鋭意執筆中である。
血流豊富な妊娠組織遺残を維持する分子機構の分泌性蛋白質スクリーニングによる探索

流産や中絶後の妊娠組織遺残の一部は、子宮筋層から著明な血流を受け、多量性器出血の原因となる。子宮動脈塞栓術が行われることが多いが、妊孕性への影響は否定できない。内科的に遺残組織の血流を減少させる方法があれば、出血予防や妊孕性温存の点でメリットが大きい。そこで本研究は、遺残組織が分泌する血管拡張因子に着目し、血流豊富な妊娠組織遺残の病態を分子基盤から解明することを目的とした。遺残組織のマイクロアレイ解析やデータベース検索などから候補となる血管拡張因子を抽出し、免疫染色とリアルタイムPCR法で遺残組織での発現を検証する。病態に関わる血管拡張因子が同定されたら、受容体拮抗薬等による治療法を探索する。
高蛋白減量食と有酸素運動による減量が重量挙選手の身体組成と運動諸機能へ及ぼす影響.

重量挙選手の減量時に有酸素運動を用いることにより、体脂肪量を効果的に減少しLBW(除脂肪体重)の減少を抑制することが可能か否か、かつ運動諸機能を低下させずに減量できるかを明らかにするために、1日のエネルギー摂取制限が850kcalとなる高蛋白質減量食(蛋白質は2.0g・kg^<-1>・day^<-1>,脂肪はエネルギー比の27.5%)と有酸素運動(1回当たり300kcalを消費する50%VO_2max程度のトレッドミル走)を週に3日間用いた際の大学重量挙選手の20日間の減量が身体組成と運動諸機能へ及ぼす影響を検討した。被験者は大学生男子5名であった。減量期間中は栄養調査を毎日行い残菜量を確認した。その結果、エネルギーと各栄養素の摂取量は十分にコントロールされたことが確認できた。体重の減少量は、平均で2.95kg(1.45kg5.66kg)となり、5名とも試合へ出場する体重階級に達した。その体重減少分の内訳は体脂肪量が-2.97kg,LBWが+0.02kgであり、体重減少は体脂肪量によるものであり、LBWが維持できることが明らかとなった。さらに、MRIによる筋断面積と皮下脂肪断面積(腹部,大腿部,下腿部,上腕部)の変化は、上腕部を除いて各部とも皮下脂肪断面積が平均で20.2%31.1%減少し、筋断面積が維持され、身体組成の変化を裏づける結果となった。血液成分からは異常がみられなかった。また、尿中総窒素排泄量から推定した窒素出納は5名とも正出納であった。運動諸機能については、最大等尺性収縮による筋力(握力,背筋力,腕伸展力,腕屈曲力,脚屈曲力),体重当たりの最大酸素摂取量,最大無酸素パワーの各項目はいずれも減量前の値を維持し、減量によるマイナスの影響を受けなかった。以上のことから、男子重量挙選手が高蛋白質減量食と50%VO_2max程度の有酸素運動を用いて減量することにより、体脂肪量を効果的に減少しLBWが維持できることが可能となり、かつ運動諸機能も十分に維持して減量できることが明らかとなった。
脳内ナトリウムセンサーチャンネルの実証

Naxチャンネルは、永らくチャンネル開口の機序もその生理的役割も全く不明の分子であった。これまでの研究で私は、Naxチャンネルが脳の体液ナトリウム濃度検出部位と推定される脳室周囲器官に特異的に発現していること、Nax遺伝子欠損マウスは渇水時に塩分を過剰摂取することを発見した。これらの結果より、Naxは脳においてナトリウムセンサー分子として働いていると考えられる。本研究では、この仮説を検証するために細胞培養系においてNaxチャンネルの機能再構成を試み、活性型Naxチャンネルを発現する株細胞の開発に成功した。今後、本株細胞はNaxチャンネル研究の進展に大きく貢献すると考えられる。免疫電顕法によって、Naxチャンネルは脳室周囲器官のグリア細胞薄膜に特異的に発現していることを見いだした。すなわち、脳室周囲器官におけるグリア細胞と神経細胞との相互作用がナトリウム受容に必須であることが示唆された。さらには、アデノウイルス発現ベクターをNax遺伝子欠損マウスの脳弓下器官に注入することによって、Nax遺伝子欠損マウスの行動異常のレスキューに成功した。本実験結果は、脳にはナトリウム濃度を検出する機構が内包されており、この検出機構には脳弓下器官のNaxが必須の役割を担っていることを証明している。本研究によって見いだされた数々のNax分子に関する新発見の出現によって新たなる研究の潮流が生まれると確信している。動物の体液中にあるナトリウムイオンは、濃度が一定になるように恒常的制御がなされている。しかしながら、その体液中濃度を検出しているセンサー機構は永らく不明であった。本研究では、脳に発現しているNaxと呼ばれるナトリウムチャンネルがナトリウムレベルセンサーであることを実証していくことを目的としている。本年度はテトラサイクリン制御下にあるプロモータに組み込んだNaxチャンネルcDNAを定常的に発現することのできる細胞株によって、Naxの活性制御機構を解析した。通常の培養条件ではNaxの発現を誘導し細胞外ナトリウムの濃度を上昇させても、細胞内へのナトリウムイオンの流入は観察することができなかった。そこで、Naxを誘導した細胞に各種刺激をスクリーニングしたところ、エンドセリン刺激によってNaxの活性が観察されることを見いだした。さらに検討を加えた結果、エンドセリンA型受容体の特異的アンタゴニストでは、Naxは活性化されなかったが、B型受容体の特異的アンタゴニストで活性化された。また、エンドセリンB型受容体の特異的プロッカーによって、エンドセリンによるNax活性化は完全にブロックされた。以上の結果から、Naxの活性を維持するためには細胞外からの何らかの特異的な刺激が必要であることが明らかとなった。また、同様の現象はジブチルcAMPの投与によっても起こることから、Naxを活性化するための細胞内シグナルの一つはcAMP系を介していると考えられる。動物の体液中のナトリウムイオンは、濃度が一定になるように恒常的制御がなされている。本恒常性は動物の正常な活動にとって極めて重要であり、その摂取量も極めて厳密にコントロールされている。しかしながら、その体液中ナトリウム濃度を検出しているセンサー機構は永らく不明であった。昨年度に引き続き本年度もテトラサイクリン制御下にあるプロモータに組み込んだマウスNaxチャンネルcDNAを定常的に発現することのできる細胞株によって、Naxチャンネルの活性制御機構及びNaxチャンネルが細胞へ伝えているシグナルについての解析を行った。その結果、Naxチャンネルは細胞外ナトリウム濃度の上昇に応じてナトリウムを細胞内に流入させるだけではなく、グルコース流入も引き起こすことが判明した。このグルコース流入は細胞外ナトリウム濃度依存的に生じた。また、同様にNaxチャンネルは、細胞外ナトリウム依存的に乳酸の放出も劇的に上昇させることが明らかとなった。すなわち、Naxチャンネルは、細胞のエネルギーメタボリズムを制御しているセンサーチャンネルであることが明らかとなった。すなわち、生体内ではグリア細胞に発現しているNaxチャンネルが、グリア細胞のエネルギーメタボリズムを変化させることによって、神経細胞の活動を制御し、動物のナトリウム摂取行動を制御しているものであると考えられる。
グラフ理論的解析による化学動力学系の相空間構造のデザインと反応制御理論への応用

本研究は,化学動力学系の相空間構造を有向グラフによって近似的に表現し,そのグラフ構造に基づいて化学反応過程を解析することで,化学反応制御の理論的指針を与えることを目的としている.本年度は,昨年度定式化した非断熱化学動力学系の相空間構造の有向グラフ表現の理論的基礎付けを再検討し,有向グラフ表現の新しい計算手法を開発・実装した.これにより,有向グラフ表現に基づく化学反応過程の理解・予測の枠組みとしての理論的完成度と予測精度の向上を達成した.非断熱化学動力学は一般に複雑な様相を呈するが,本枠組みに基づけば複雑な過程も視覚的に捉えられ,従来解明が困難であった化学反応過程の機構を直観的に理解することができる.この新しい理論的枠組みに関する論文は現在投稿準備中である.本年度はさらに,昨年度見出したアルカリハライド分子光解離反応における冪的挙動に関して,議論を一層深めて,その成果を論文として出版した.有向グラフ表現に基づく解析により,この冪的挙動は化学動力学系の相空間構造と核波束の量子干渉効果に起因するものであることが分かった.この反応は,相空間構造のパターンが反応速度に大きな影響を与える例となっている.この例のように有向グラフ表現に基づく枠組みによって相空間構造と反応速度の関係が理解できるということは,本枠組みが化学反応制御の理論的指針の導出に有用である可能性を示している.上記のアルカリハライド分子光解離反応における冪的挙動の発見と機構解明は,当初の計画になかった成果である.一方で,当初計画していた有向グラフ表現に対するグラフ理論的解析手法の適用に関しては,有向グラフ表現の理論的定式化の部分に時間がかかったため,十分な成果がまだ得られていない.有向グラフ表現の化学反応制御問題への体系的応用は,今後の課題である.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。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,反応制御問題を化学動力学系の相空間構造のデザインの問題として捉え,相空間構造を有向グラフで近似的に表現し,そのグラフの解析(最短経路探索など)によって最適反応経路を抽出するという方策を以って,反応制御問題へと理論的にアプローチする.今年度は,「化学動力学系の相空間構造のグラフ化手法の確立」に取り組んだ.以下に主な研究成果を記す.(1)1自由度・多準位の非断熱化学動力学系の相空間構造の「有向グラフ表現」を定式化し,これを自動構築するアルゴリズムを開発した.この有向グラフ表現において,頂点は転回・分岐・解離などの特徴的な動力学的イベントを表し,有向辺はイベント間の遷移を表す.イベント間の遷移には,遷移時間と遷移振幅の二つの定量的情報が付随する.この遷移時間・遷移振幅はLandau-Zener理論とHerman-Kluk理論を用いて半古典力学的に求める.非断熱化学動力学はこの有向グラフ上の確率振幅の輸送として半古典力学的にモデル化される.(2)有向グラフ上の確率振幅輸送を記述する「転送方程式」を定式化し,それを用いて反応時系列などの観測量の時系列を計算するアルゴリズムを開発した.この転送方程式の数値計算の結果,長時間領域以外では上記の有向グラフによるモデルは核波束動力学計算の結果をよく再現することがわかった.長時間領域における不一致については解消に向けて考察を進め,モデルの改良を現在試みている.(3)LiF分子光解離反応において未解離分子のポピュレーションの減衰が指数1/2の冪減衰になることを見出し,その冪減衰のメカニズムを上記の有向グラフ表現の理論を用いて定量的に説明することに成功した.この研究成果は研究計画にはない副産物的な成果であるが,相空間構造を有向グラフで表現することの意義を示す一つの事例である.当初の計画通り,化学動力学系の相空間構造を有向グラフで近似的に表現するための理論の構築を概ね終えることができたため.この有向グラフによるモデルは,最低でも核波束の振動周期に対して10倍程度の時間までは核波束動力学計算の結果をよく再現する.したがって,このモデルは反応制御問題を考えるために十分な記述精度を持つと判断する.本研究は,化学動力学系の相空間構造を有向グラフによって近似的に表現し,そのグラフ構造に基づいて化学反応過程を解析することで,化学反応制御の理論的指針を与えることを目的としている.本年度は,昨年度定式化した非断熱化学動力学系の相空間構造の有向グラフ表現の理論的基礎付けを再検討し,有向グラフ表現の新しい計算手法を開発・実装した.これにより,有向グラフ表現に基づく化学反応過程の理解・予測の枠組みとしての理論的完成度と予測精度の向上を達成した.非断熱化学動力学は一般に複雑な様相を呈するが,本枠組みに基づけば複雑な過程も視覚的に捉えられ,従来解明が困難であった化学反応過程の機構を直観的に理解することができる.この新しい理論的枠組みに関する論文は現在投稿準備中である.本年度はさらに,昨年度見出したアルカリハライド分子光解離反応における冪的挙動に関して,議論を一層深めて,その成果を論文として出版した.有向グラフ表現に基づく解析により,この冪的挙動は化学動力学系の相空間構造と核波束の量子干渉効果に起因するものであることが分かった.この反応は,相空間構造のパターンが反応速度に大きな影響を与える例となっている.

この例のように有向グラフ表現に基づく枠組みによって相空間構造と反応速度の関係が理解できるということは,本枠組みが化学反応制御の理論的指針の導出に有用である可能性を示している.上記のアルカリハライド分子光解離反応における冪的挙動の発見と機構解明は,当初の計画になかった成果である.一方で,当初計画していた有向グラフ表現に対するグラフ理論的解析手法の適用に関しては,有向グラフ表現の理論的定式化の部分に時間がかかったため,十分な成果がまだ得られていない.有向グラフ表現の化学反応制御問題への体系的応用は,今後の課題である.来年度は,今年度構築した相空間構造の有向グラフ表現に基づき,最短経路探索などのグラフ理論的解析によって最適反応経路を抽出するための手法を開発する.さらに,開発した手法によって得られた制御レーザー場と,既存の最適反応制御理論の結果との比較を行う.また,今年度の研究成果を論文としてまとめ発表する.平成30年度が最終年度であるため、記入しない。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。