hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
顕微分光画像解析による青果物鮮度劣化メカニズムの解明

収穫後のホウレンソウ葉を対象として、特に外観的症状等が生じる以前の潜在的な青果物の鮮度低下過程における細胞膜の透過性、アクアポリン発現量、および膜脂質過酸化物の変化について定量的な検討を行った。細胞膜水伝導係数の高精度算出法を新規に提案して、その有効性を実験的に証明すると共に、収穫後における流出入方向の水透過性に差が生じること、およびアクアポリン経由、およびリン脂質二重層経由の水移動の変化を明らかにした。これにより、収穫後のホウレンソウ葉における水分保持機構の解明や鮮度保持・評価技術の発展にも寄与する成果を得た。細胞膜の水透過性を指標とする鮮度評価理論の構築を目的として、本年度は、種々の酸素濃度条件下に貯蔵したホウレンソウ葉細胞膜の物理化学的特性、およびアクアポリン遺伝子の発現量を調査した。その結果、脂質過酸化反応の最終産物であるマロンジアデヒド(MDA)当量が収穫後日数の経過に伴い増大すること、およびその増大が低酸素濃度により抑制されることを明らかにした。また細胞膜水伝導係数も収穫後の時間経過に伴い増大する傾向があるものの、その有意な増大はMDA当量が有意に増大した後に認められることを示した。このことから、膜脂質過酸化物の蓄積が膜の水透過性の増大よりも先駆的に生じることを明らかにした。また、MDA当量と細胞膜の平均破壊浸透圧との間に高い正の相関関係があることを明らかにした。平均破壊浸透圧の増大は、膜脂質過酸化物の蓄積によるゲル相領域の形成に伴う細胞膜強度の低下を示していると考えられた。収穫後におけるアクアポリン遺伝子の発現量変化は遺伝子ごとに異なったものの、収穫後の時間経過に伴って、貯蔵酸素濃度に関わらず減少することが明らかとなった。これにより、アクアポリンを経由する水移動は鮮度劣化に伴い減少すると考えられた。以上の結果から、収穫後において膜の水透過性にアクアポリンが与える影響は小さいこと、および膜透過性増大は脂質二重層の過酸化に伴うゲル相領域の形成に起因することを明らかにした。収穫後におけるホウレンソウ葉の細胞膜の水透過性を、二層流法によって測定すると同時に、脂質過酸化物の蓄積を示すマロンジアルデヒド当量の増加やそれに伴う細胞膜破断強度の低下を明らかにした。また、Real-Time RT-PCR法によって、PIPファミリーの4遺伝子、およびTIPファミリーの1遺伝子の発現量が収穫後の時間経過と共に低下することを明らかにした。これらにより、細胞膜の水透過性に影響するファクターとそれらの関係性が多面的に明らかになりつつあると評価される。他方、次年度からの顕微分光画像計測のための実験系の確立においては、広い波長帯における測定を実現するための物品の選定などに予想以上に時間を要している。以上を総合すると、本研究課題はおおむね順調に進展していると自己評価される。細胞膜の水透過性を指標とする鮮度評価理論の構築を目的として、本年度は、ホウレンソウ葉を対象に、プロトプラストの単離工程が細胞膜の健全性に与える影響、および細胞の浸透圧非応答体積が水伝導係数の同定に及ぼす影響を調査した。0.5 mol/lのスクロース溶液にプロトプラストを懸濁させた同濃度のマンニトール溶液を積層して遠心する方法と、同濃度のスクロース溶液中にプロトプラストを懸濁し遠心する方法とでプロトプラストを精製し、平均破壊浸透圧およびその分散を測定した。その結果、前者のスクロース溶液とマンニトール溶液との間に挟まれる界面からプロトプラストを回収する密度勾配遠心法を用いた場合に、平均破壊浸透圧の分散が小さい、すなわちプロトプラスト間格差が小さい単離・精製が可能であることが明らかとなった。また、当該手法は、未消化組織や残滓が少なく、観察が容易なプロトプラスト懸濁液が得られるという点でも有利であった。他方、細胞の浸透圧非応答体積を数値的に探索すると、浸透圧非応答体積の文献値を用いた場合と比較して、浸透圧差に対する細胞の体積応答関数のフィッティング精度が改善されることが示された。しかし、推定された浸透圧非応答体積の値は、不合理に小さい、または大きい場合があり、またボイル-ファントホッフプロットを線形回帰して求められる値と一致しなかった。これらの結果は、細胞の浸透圧調節機能が失われたこと、または細胞内への溶質の流入が起こったことを示唆していると考えられた。したがって、核磁気共鳴法を用いた細胞膜の透水係数との比較検討により、細胞膜水分伝導係数測定の数学モデルを再評価する必要があることが明らかとなった。ミニマムダメージのプロトプラスト単離プロトコール開発が進展し、細胞膜の水透過性を多面的かつ高精度に評価できる状況にある。播種から7週間後に収穫した水耕栽培のホウレンソウ葉の第3または第4葉から単離したプロトプラストを用いて、植物細胞膜の水透過性を示す細胞膜水伝導係数(Lp)の変化を調査した。まず、浸透圧応答に伴う細胞の体積変化画像から個々の細胞ごとの浸透圧非応答体積_(Vb)とLpを数値解析的に同時同定する新手法を開発し、ホウレンソウ葉肉細胞のVbには分布があること、および既存の研究で多用されるBoyle van't Hoff (BVH)プロットを用いる方法と比較して、当該手法がより正確で精密なLp同定に有効であることを明らかにした。

次いで、収縮(浸透脱水)時のLpは収穫日と比較して4日目に有意に増大する一方、膨張(浸透吸水)時のLpは収穫直後から2日目にかけて減少した後、4日目に増大する傾向があること、および収穫直後の膨張時のLpは収縮時のLpの1.3倍の値を示し、収穫後2日目以降にその大小関係が逆転することを明らかにした。本結果は、ホウレンソウ葉肉細胞の吸水力が収穫後の時間経過に伴い低下することを示すものであり、商業的に利用されている、いわゆる蘇生処理の効果が、鮮度劣化の進行と共に喪失するという既往の知見を支持するものである。さらに、塩化水銀を添加した場合のLpとの比較により、アクアポリンが細胞膜の水透過性の増大に対して支配的な要素であること、および水透過性は収穫後の時間経過に伴って細胞内への流入方向から流出方向に優勢が転じることが明らかとなった。以上により、細胞膜水伝導係数の高精度算出法を新規に提案して、その有効性を実験的に証明すると共に、水の流出入方向とアクアポリン経由、およびリン脂質二重層経由の水移動についての詳細な考察によって、収穫後のホウレンソウ葉における水分保持機構の解明や鮮度保持・評価技術の発展にも寄与する成果を得た。収穫後のホウレンソウ葉を対象として、特に外観的症状等が生じる以前の潜在的な青果物の鮮度低下過程における細胞膜の透過性、アクアポリン発現量、および膜脂質過酸化物の変化について定量的な検討を行った。細胞膜水伝導係数の高精度算出法を新規に提案して、その有効性を実験的に証明すると共に、収穫後における流出入方向の水透過性に差が生じること、およびアクアポリン経由、およびリン脂質二重層経由の水移動の変化を明らかにした。これにより、収穫後のホウレンソウ葉における水分保持機構の解明や鮮度保持・評価技術の発展にも寄与する成果を得た。当初の計画通り、環境要因に温度を加え、リン脂質膜の過酸化・分解現象、アクアポリンの発現と活性、および膜の力学的物性の変化等、膜の化学的・物理的・分子生物学的性質を多面的に計測することによって、各種貯蔵温度およびガス環境が細胞膜の水透過性に与える影響について検討する。また、二層流法によって得られる水伝導係数と核磁気共鳴法によって得られる拡散透水係数との比較により、細胞膜の水透過性に関するより詳細な知見を収集する。さらに、顕微分光画像計測によって、細胞膜機能劣化に関する分光学的解釈について検討する。これらによって、貯蔵・流通中における細胞膜の水透過性の変化に基づいた鮮度評価の妥当性を検証する。当初の計画通り、細胞膜の化学的、力学的、分子生物学的性質の変化とその関係性の検討により、各種貯蔵温度およびガス環境が細胞膜の水透過性に与える影響を解明する。また、浸透透水係数と拡散透水係数の比較、および水移動の方向性(細胞内から細胞外、あるいは細胞外から細胞内)の比較により、細胞膜の水透過性に関するより詳細な知見を収集する。さらに、顕微分光画像計測により、青果物の細胞膜機能劣化に関する分光学的解釈について検討する。これらにより、鮮度劣化状態が段階的に異なる試料や、異なる産物間や品種間の貯蔵・流通特性について検討し、細胞膜の水透過性の観点からみた青果物鮮度劣化のメカニズムを解明する。ポストハーベスト工学本年度に実施する顕微画像計測のために、前年度より実験系の確立の準備をする予定であった。しかし、関連の消耗品の選定に想定よりも時間を要したため、次年度使用額が生じた。具体的には、近赤外光に対応した鏡筒や対物レンズ、ステージ、光源などについて、デモ機のレンタルなどによる評価を行ったものの、価格と性能を満足させる選定が困難であった。
がん細胞とアストロサイトにおける解糖系振動および同期現象の解明と応用

細胞のエネルギー代謝に着目すると,がん細胞とアストロサイトは特殊な類似性をもっている。すなわち,がん細胞とアストロサイトは通常の細胞とは違い,好気的環境でも嫌気呼吸である解糖系を亢進させる。このような代謝特性から,両細胞が解糖系振動を起こすと期待される。本研究では,HeLa細胞以外のがん細胞に加え,アストロサイトの解糖系振動をはじめて観測することを目指している。がん細胞とアストロサイトの解糖系振動と同期現象を対比させて研究することにより,生物学的な特徴や機能が解糖系という根源的な代謝系から議論できるものと期待される。本研究は,がんの早期発見や脳の機能障害の診断などの医学的な応用も期待される。
ナノスケールで制御された微細構造を有する高信頼性鉛フリーはんだ継手

エレクトロニクス微細実装に用いられる接合材料の鉛フリーはんだ化が急ピッチで進行しているがその継手接合信頼性の確保は十分とはいえない。これは本系材料の実使用期間が短く十分な基礎データの蓄積がないことと、鉛フリーはんだが接合相手金属材料との大きな反応性を有するためである。継手信頼性のほとんどは、接合界面構造に支配されるが現状ではその解明が十分ではない。そこで、本研究では、鉛フリーはんだ及びその接合界面の微細組織観察を行い、継手の長期信頼性を調べその相関を明らかにすることを目的としている。本年度は界面組織をナノスケールで観察しその機械的特性評価の基礎検討を行うために。いくつかの鉛フリーはんだを作製し、銅と接合した。接合時間及びその後の高温保持による金属間化合物成長を検討することとした。使用鉛フリーはんだ材料は、主としてSn-3.05Ag-0.5Cuであり、接合温度は250°Cを標準とした。はんだ付時間を変化させ、溶融状態でのはんだと銅との界面反応形態の変化をみた。他に、界面反応及び金属間化合物成長に及ぼすはんだへの微量元素添加効果をみるために、Sn-0.7CuにNiを0.05%,0.10%及び0.2%添加してその影響を検討した。銅との接合界面に、はんだ付中に形成される金属間化合物はη-Cu_6Sn_5であり、はんだ付時間が長くなるにつれて成長した。また、はんだ付直後は、スカラップ状に形成され、その厚さは不均一であったが、時効すると金属間化合物厚さは全体的に平均化され、平滑な様相を示した。Ni添加はんだでは界面のη-Cu_6Sn_5へのNiの固溶が確認された。またこの相のEPMA分析結果から、NiはCuと置換しているものと思われ、金属間化合物相は、(Cu,Ni)_6Sn_5の形で表現できることを明らかにした。今後、これらの金属間化合物の機械的特性をナノインデンターを用いて計測する。
複製停止解除におけるポリメラーゼネットワーク制御機構の解明

DNA複製は、鋳型鎖上のDNA損傷部位において頻繁に停止している。この停止を解除する機構として、DNA損傷乗り越え機構が知られている。この機構は複製ポリメラーゼから、忠実度の低いTLSポリメラーゼにスイッチすることで損傷部位でのその場しのぎの複製を継続することが知られている。このほか、下流からの複製のリプライミング機構も複製停止解除に寄与することが知られている。申請者はTLSポリメラーゼのPolηとリプライミングに必要のPrimPolの関係を調査し、紫外線などのDNA損傷に対する応答において、相補的に機能することを示している。さらに、申請者は第3の複製停止トレランス経路として、複製ポリメラーゼδが損傷部位で誤りがちな複製を行い変異を伴いながら複製を継続する「複製ポリメラーゼによる損傷の乗り越え」を発見した。この機構も、TLSポリメラーゼのPolηの経路と相補的関係にあることを示している。本研究では、TLSポリメラーゼ群、複製ポリメラーゼδとε、リプライミングに必要のPrimPolプライマーゼがどのように連携し、ゲノム維持に寄与するのか解明する。2018年度には、下記3点を研究した。(1) TLSポリメラーゼの中で中心的役割を果たすPolηとその近縁酵素Polι及びPolκの2重破壊や、すべてを欠損した三重破壊細胞を系統的に作製しこれら酵素群の関係を調べ、損傷の種類(酸化、アルキル化、紫外線によるチミン二量体)ごとに異なる酵素の要求性があり、酵素の使い分けがあることを見出した。(2)複製ポリメラーゼδ複合体の相互作用因子を包括的に調査し、転写基本因子複合体の制御に関わる因子とのDNA損傷に応答した複合体形成を見出し、転写制御における損傷応答機構の一端を明らかにした。(3)ポリメラーゼεの複製フォークの安全な停止における機能を明らかにした。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、申請者が独自に発見した、新規機構「複製ポリメラーゼによる損傷乗り越え」と既知の損傷乗り越えポリメラーゼの関係や制御機構、相同組換え経路との役割分担を研究し、ポリメラーゼネットワークの制御機構の解明を行っている。H28年度には、以下5点の成果を上げた。(1)複製ポリメラーゼδの3番目のサブユニットp66はポリメラーゼζのサブユニットとしても機能し、損傷乗り越えの促進に寄与することが知られているが、p66がポリメラーゼζとは独立して損傷乗り越えに寄与することを発見した。(2)複製ポリメラーゼδは損傷箇所で機能停止すると信じられているが、損傷を乗り越えて複製を継続することができる。(3)複製ポリメラーゼδによる損傷乗り越えは、校正エキソヌクレアーゼ活性の不活性化によって大幅に上昇する。(4)複製ポリメラーゼδは正確な複製のためにDNA合成活性中心が狭い構造となっているが、損傷箇所で乗り越え反応を行う際には、構造変換をしてエラープローンな複製を行う(フィデリティースイッチ仮説)。(5)校正エキソヌクレアーゼ活性を変異で潰したPolεの変異体を作成し、複製ポリメラーゼεが複製末端に取り込んだチェーンタミネーターの除去を行うことでゲノムメンテナンスに寄与する。上記5点の主に複製ポリメラーゼδやεの、複製に付随したDNA損傷応答での新機能の発見を、遺伝学や生化学手法を使用した研究により達成し、H28年度には、7報の論文を発表した。また、上記の複製ポリメラーゼδおよびεの機能と相関して機能する経路を複数発見した(未発表)。次年度以降に実施する質量分析手法を用いたp66複合体の解明のための細胞作成や条件検討はH28年度中に終了している。計画していた複製ポリメラーゼδの研究に加え、リーディング鎖の複製を担当する複製ポリメラーゼεの研究も大きく進展し、2報の論文成果につながった。H29年度にも複製ポリメラーゼδと複製ポリメラーゼεの研究を継続し、それぞれ1報ずつ成果報告を予定している。本研究では、申請者が独自に発見した、複製ポリメラーゼのゲノムメンテナンスにおける機能について、分子機構を掘り下げるとともに、既知の損傷応答制御機構、DNA修復経路との役割分担を研究し、ポリメラーゼネットワークの制御機構の解明を行っている。H29年度には、以下の成果を上げた。(1)複製ポリメラーゼδの校正エキソヌクレアーゼ活性は、ゲノム維持に寄与し、生存に必須な働きを担う。(2)複製ポリメラーゼεの校正エキソヌクレアーゼ活性は、ヌクレオチドアナログの新生鎖への挿入を防ぐことで、ヌクレオチドアナログに対する耐性化に寄与する。(3)複製ポリメラーゼεの校正エキソヌクレアーゼ活性は、カンプトテシンによるゲノム損傷に応答した複製フォークの安全な停止に必須であり、PARP経路とエピスタシスの関係にある。(4)複製ポリメラーゼεの校正エキソヌクレアーゼ活性は損傷部位で停止した末端の相同組換え開始における削り込み反応に寄与するが、他のMre11などの2重鎖切断修復時の相同組換え反応の削り込み反応を担うヌクレアーゼは関与していない。(5)プロテオミクス研究による複製ポリメラーゼδ相互作用ネットワークを解明した。上記のようなポリメラーゼの遺伝学や生化学手法を使用した研究により、H29年度には、7報の論文を発表した。H30年度には(12)ポリメラーゼδの校正エキソヌクレアーゼ活性が果たす生存に必須の機能やヌクレオチドアナログの新生鎖への挿入防止機構を解明して論文発表する。

(3)ポリメラーゼεの校正エキソヌクレアーゼ活性によるカンプトテシン耐性化機構については、H32年度までに電子顕微鏡による解析や生化学実験を実施し分子機構を解明し論文発表する。(5)のプロテオミクス解析で解明した複製ポリメラーゼδ相互作用ネットワークについて、H30年度中に相互作用の生理的意義を解明し論文発表する。計画していた複製ポリメラーゼδの研究に加え、リーディング鎖の複製を担当する複製ポリメラーゼεの研究も大きく進展し、2報の論文成果につながった。また、PARP経路との関係についても解析が進み3報の論文(うち2報は既報)につながった。H30年度にも複製ポリメラーゼδと複製ポリメラーゼεの研究を継続し、それぞれ2報ずつ成果報告を予定している。DNA複製は、鋳型鎖上のDNA損傷部位において頻繁に停止している。この停止を解除する機構として、DNA損傷乗り越え機構が知られている。この機構は複製ポリメラーゼから、忠実度の低いTLSポリメラーゼにスイッチすることで損傷部位でのその場しのぎの複製を継続することが知られている。このほか、下流からの複製のリプライミング機構も複製停止解除に寄与することが知られている。申請者はTLSポリメラーゼのPolηとリプライミングに必要のPrimPolの関係を調査し、紫外線などのDNA損傷に対する応答において、相補的に機能することを示している。さらに、申請者は第3の複製停止トレランス経路として、複製ポリメラーゼδが損傷部位で誤りがちな複製を行い変異を伴いながら複製を継続する「複製ポリメラーゼによる損傷の乗り越え」を発見した。この機構も、TLSポリメラーゼのPolηの経路と相補的関係にあることを示している。本研究では、TLSポリメラーゼ群、複製ポリメラーゼδとε、リプライミングに必要のPrimPolプライマーゼがどのように連携し、ゲノム維持に寄与するのか解明する。2018年度には、下記3点を研究した。(1) TLSポリメラーゼの中で中心的役割を果たすPolηとその近縁酵素Polι及びPolκの2重破壊や、すべてを欠損した三重破壊細胞を系統的に作製しこれら酵素群の関係を調べ、損傷の種類(酸化、アルキル化、紫外線によるチミン二量体)ごとに異なる酵素の要求性があり、酵素の使い分けがあることを見出した。(2)複製ポリメラーゼδ複合体の相互作用因子を包括的に調査し、転写基本因子複合体の制御に関わる因子とのDNA損傷に応答した複合体形成を見出し、転写制御における損傷応答機構の一端を明らかにした。(3)ポリメラーゼεの複製フォークの安全な停止における機能を明らかにした。プロテオミクスアプローチにより、複製ポリメラーゼδやTLSポリメラーゼの動員に関わる因子を包括的に理解する取り組みを行う。具体的には、これまでに見出しているp66という複製ポリメラーゼδによる損傷乗り越えに必須の因子にタグを導入し、複製ポリメラーゼδ-p66の相互作用因子の同定を行う。このとき、損傷なしと損傷時で比較し、損傷乗り越えのときの相互作用因子をこの比較によって浮かび上がらせる。この実験で、p66による複製ポリメラーゼδと他の制御因子や他の修復経路とのクロストークを理解することができる。
心房細動治療における除神経術:心内膜下自律神経ネットワークの解明

5心房領域、計35箇所の心臓神経叢(GP)に対して高頻度刺激を加えたところ、房室ブロックを主とする迷走神経反射を誘発するactive GPは右肺静脈、左肺静脈、左房天井、下位左房にみとめたが、この中でも右肺静脈に最も多くの分布をみとめた。これらactive GPは心外膜面からの焼灼によりほとんどが電気生理学的にも除神経が得られ、心内膜面での焼灼は不要であり、かつ心内膜面でのactive GPの局在は明らかとならなかった。各activeGPを個々に焼灼しながらその他の迷走神経反射の残存、消失を確認する連続刺激焼灼方法を用いたところ、active GPネットワークの存在が明らかとなった。このネットワークは房室結節を中心とする副交感神経ネットワークであり、一個体に複数存在するactive GPの中でも下位左房のGPが最も優位なdominant GPであることがわかった。又、同一領域内では心房の内側かつ頭側、尾側にネットワークの中枢が局在することが明らかとなった。自律神経の亢進が不整脈の発症と維持に深くかかわっていることが知られている。心房細動手術によってこれらの自律神経作用を減弱させる除神経効果があるとされているが、最近、心房細動手術に心臓神経叢(GP:Ganglionated Plexi)を焼灼する除神経効果の追加によって治療成績が向上したとの報告がある。本研究の目的は心房細動手術におけるGP焼灼術の心内膜面での除神経効果を検証し、新たな"除神経術"開発の可能性について検討することである。平成21年度は肺静脈周囲の心臓神経叢への刺激、又刺激中に心表面にて心房電位を記録しえる肺静脈、および心房自由壁のマッピング電極の作成を中心に行った。肺静脈の解剖学的特徴をふまえ、犬の心房鋳型より電極シートを作成し、肺静脈周囲へ常に同じ位置関係で巻きつけるベルト型電極を考案した。また人工心肺下に心内へと挿入しうる心内膜電極の作成も行い、全ての電極を装着した上で電気生理学的検査が遂行可能であるかの検証を行った。我々が保有しているマッピングソフト内臓のコンピューター内へと電位を記録保存し、興奮伝導パターンおよび心電図変化(QRST area change)を解析し、その結果から電極接触状態や人工心肺等の医療機器使用によるノイズの影響が少なくするべく、電極のサイズおよび電極間距離を変更することで改善が得られた。今後はこれら電極および解析システムを用いて、実際の心房細動外科治療(心房焼灼)前後での電気生理学検査を行い、除神経効果について明らかとする。本研究は心房細動の発症および維持にかかわる心房筋への自律神経作用の分布、特に副交感神経のネットワークを解明することを目的とする。これにより心房細動手術では不十分な除神経効果を心外膜面、特に心内膜面で明らかにし、焼灼することで治療成績を高めることが期待される。心臓神経叢(ganglionated plexi)は心表面脂肪織または心外膜面に分布し、それらを焼灼することである程度の副交感神経作用を減弱(除神経)させ、副交感神経の亢進に起因する心房細動への治療もしくは予防効果があると期待されている。しかし、過去の研究からもGP焼灼だけでは除神経効果は不完全であり、これは心内膜面において神経作用が残存している可能性が示唆される。これら心内膜面の除神経を行うためには心房筋を全層性に切開縫合もしくは焼灼するMAZE手術の追加が必要と考えられている。しかしながら心内膜面の自律神経ネットワークに関してはいまだ明らかでなく、MAZE手術の除神経効果、またはさらに有効な焼灼方法や焼灼場所を明らかとするためにも電気生理学的な実験アプローチが不可欠である。心臓神経叢(GP)の高頻度刺激によって迷走神経反射の生じるactive GPは主に洞結節へと作用をおよぼすものと房室結節への作用を有する2つのネットワークから構成されることがわかった。これに迷走神経幹などextrisic nervoussystemからの入力が加わり、刺激部位によってvarietyに富んだネットワークが構成される。しかし迷走神経反射として顕在化するのは洞結節もしくは房室結節へのどちから一方の神経作用であり、焼灼順序によっては迷走神経反射のネットワークが変化し、または他部位における刺激反射が消失する。

これまでの研究結果において神経作用の受容体、すなわち心房筋レベルでの神経ネットワークの局在は明らかとなったが、心房細動手術において、効率的のよい除神経効果を得るためには入力レベルでのネットワークを調べる実験が必要である。本年度は刺激入力における自律神経ネットワークの同定に関し実験を行うとともに、内膜マッピング所見と合わせて治療療効果の観点で有効な心房細動手術術式の検討を行う予定である。自律神経の亢進が不整脈の発症と維持に深くかかわっていることが知られている。心房細動手術によってこれらの自律神経作用を減弱させる除神経効果があるとされているが、最近、心房細動手術に心臓神経叢(GP:Ganglionated Plexi)を焼灼する除神経効果の追加によって治療成績が向上したとの報告がある。本研究の目的は心房細動手術におけるGP焼灼術の心内膜面での除神経効果を検証し、新たな除神経術開発の可能性について検討することである。平成22年度に施行したGP刺激中および焼灼前後での心房電位波形および細動周期の変化についての解析結果より、心内膜面の心房電位記録は心外膜面のGP、特に刺激時に迷走神経反射が誘発されるactiveGPの存在に依存するとともに、actriveGPには局在があり、焼灼部位によりその他GPでの迷走神経反射が消失することからもactiveGP間にネットワークを有する可能性が示唆された。平成23年度はこのactiveGPネットワーク同定に関して焦点をしぼり研究を行った。心房細動手術中にActiveGPを同定した後、連続刺激焼灼法を用いて無作為にこれらGPを焼灼し、除神経効果を調べた。この結果、術中に同定されるActiveGP間にも房室結節への迷走神経作用の中心となるdominatGPなるものが存在し、個々の症例において全心房領域、または局所心房領域それぞれにおいてdominantGPを有するacitveGPネットワークが同定されている。これらactiveGPのほとんどは心外膜面から焼灼が可能であり、心内膜面での焼灼追加は必要とされないことがわかった。
遺伝子導入培養皮膚を利用した新しい遺伝子療法の開発

ウイルスによる遺伝子導入をさらに発展させるためにLentivirusを用いた実験を行った。遺伝子の発現性を検討するためヒト分離ケラチノサイトにGreen Fluorescent Protein(GFP)遺伝子を導入しin vitroにての遺伝子発現を観察した。またin vivoにおける遺伝子発現についてはE.coli_-galactosidase(LacZ)遺伝子導入ヒト分離ケラチノサイトをSCIDマウスに移植し、経過毎に移植片をβ-Gal染色し観察した。結果として、ヒト分離ケラチノサイトGFP遺伝子を導入し蛍光顕微鏡にて観察したところ蛍光強度は細胞により強弱を認めた。この蛍光強度のバラツキは感染後23日に至っても持続していた。同細胞をフローサイトメーターにて測定したところ全細胞の8090%に蛍光発現を認めた。GFP遺伝子導入により細胞の増殖性、角化誘導などの形態的変化は認められず非感染細胞と同様の培養経過を示した。蛍光顕微鏡における観察と同様にフロサイトメーターによる観察においても蛍光強度のバラツキが大きかった。in vivoにおけるLacZ遺伝子発現についてもβ-Gal染色にて染色性は持続しており目的遺伝子はin vivoにおいても発現した。平成15年度の考察としてin vitroに置いて認められた蛍光強度のバラツキはGFPプロモーターとして用いたサイトメガロウイルスプロモーターによる一過性発現と感染当初は考えられたがLentivirus感染後23日に至るまで持続しており一過性発現とは異なる原因があると考えられる。今研究によりLentivirusを用いたin vivoでの遺伝子導入方法を確立した。今後、同方法を用いて培養皮膚に目的遺伝子を導入し機能性を発現させる事を検討したい本年度(14年度)は(1)ゼラチンハイドロゲル徐放化プラスミッド、アデノウイルスを用いた培養皮膚への遺伝子導入実験、(2)表皮幹細胞への効率的な遺伝子導入のための基礎実験を行った。(1)培養皮膚へ遺伝し導入による生着性の変化、培養皮膚の正常の変化を検討するために一過性のレポーター遺伝子(LacZ)発現を目的とし、ベクターとしてアデノウイルスと、除放化プラスミッドDNA(LacZ)を比較検討した。除放化プラスミッドDNA(LacZ)による遺伝子導入実験ではゼラチンハイドロゲルを用い、in vitroでは良好にひとマクロファージを介して遺伝子が培養皮膚に導入される事を確認したが、in vivo移植実験でマーカー遺伝子の導入が確認されず、遺伝子導入培養皮膚の効果が確認できなかった。そのため、アデノウイルスベクターLacZの作成と力価測定(終点希釈アッセイ法)を完成させ本年度(平成14年度)は基礎実験を終えた。(2)表皮幹細胞マーカーであるδNp63をレトロウイルスを用いて、正常ヒト角化細胞へ導入した。この事はすなわち表皮系幹細胞の同定に直結する事ではないが、δNp63の機能解析が行える重要な基礎実験として行った。結果レトロウイルスLacZはFACSにより13%角化細胞に導入される事を確認した。δNp63を導入された角化細胞も同程度と予想されたが、サイトスピン標本の免疫染色でδNp63の導入が確認できなかった。その後コロニーアッセイを行ったが、機能解析に使用できる充分量の細胞に遺伝子の導入が困難であった。現在レンチウイルスをベクターに、再度このマーカーであるδNp63の正常細胞への導入を考えている。今後、同方法を用いて培養皮膚に目的遺伝子を導入し機能性を発現させる事を検討したい
細胞移植による体性幹細胞と生殖細胞の互換性の解析

Epidermal growth factor,bFGF,Glial cell-derived neurotrophic factor,LIFの添加により、胎児線維芽細胞上で培養を行い、マウス精子幹細胞を5ヶ月以上に期間にわたり増幅を行うことに成功した。増幅された幹細胞は不妊マウスの精細管内に移植することで、正常な精子・子孫を作ることができた。これまでに生殖細胞を増幅する方法としてはES細胞とEG細胞の二つが存在するが、この両者と区別するために我々はこの培養細胞にGermline stem(GS)細胞と名付けた。この方法は精子幹細胞における遺伝子操作の基盤技術となるものである。我々はこのGS細胞の分化可塑性を調べるために、成体マウスへの静脈注射実験、胚盤胞への、移植実験を行ったが、現在までのところ可塑性を認めるには至っていない。現在我々は試験管内において培養条件を更に変化させることで多分化能を持つか否かを検討している。精子形成の場である精細管の中で、他の種類の幹細胞がどのように挙動するかを調べるために、我々は2つの種類の幹細胞を不妊マウスの精細胞の中に移植した。一つは血液幹細胞、もう一つは神経幹細胞である。我々は全身にLacZを発現するROSA26マウスの骨髄細胞を分離し、c-kitチロシンキナーゼリセプターの欠損により先天不妊になっているWマウスの精細管の中に細胞移植を行った。移植後1-6週間で不妊マウスの精巣をLacZ染色を行いドナー細胞の存在を調べてみたところ、血液細胞は移植後2週間では精細管の中でコロニーを形成するものの、1ヶ月以上の長期になるとコロニーを見つけることができなかった。この結果から、血液系の細胞は一時的に精細管の中で増殖することができるものの、長期にわたって生存不可能であることが分かった。次に我々は神経幹細胞が精細管の中でどのように挙動するかを検討した。まず、脳組織地震が精細管の中で生存できるか否かを調べるために、全身にGFPを発現するグリーンマウス新生仔の脳をばらばらにし、先天不妊のWマウスの精巣に移植を行った。移植後1-4週間でドナー細胞の存在の有無をUV照射下で調べてみたところ、全例でドナーのGFPの蛍光を発する細胞のコロニーを多数観察することができた。そこで、今度は幹細胞が精細管内で増殖することが可能であるかと調べるために、培養幹細胞の移植を行った。グリーンマウスの胎仔(胎生13.5日目)の脳組織を分離・培養し、まずドナーの細胞としてGFPを発現するneurosphereを得た。約3週間後の培養後、この細胞を先天不妊のWマウスの精巣に移植を行い、移植後1,2,4,6週間で解析してみたところ、ドナーのGFPの蛍光を発する細胞のコロニーを多数観察することができた。血液の場合とは異なり、このコロニーは6週間の長期においても精細管の中に認められた。この結果は神経幹細胞自身が精細管の中で生存・増殖可能であることを示すものである。Epidermalgrowthfactor,bFGF,Glial cell-derived neurotrophic factor,LIFの添加により、胎児線維芽細胞上で培養を行い、マウス精子幹細胞を5ヶ月以上に期間にわたり増幅を行うことに成功した。
アニオンの多彩な化学的性質を利用する動的ナノ組織体の創製と機能化研究

化学刺激に応答できる動的ナノ組織体の構築は,ソフトマテリアル開発のヒントを与える。アニオン種は,その多様性に応じてルイス塩基性・形・親水性/疎水性にもとづく相互作用に関わることができるので,それを利用した取り組みをおこなった。本研究報告書では,ルイス塩基性化学種に応答できるボロネート組織体や両新媒性ポリチオフェン類を基軸とする研究展開を記述する。さらにその関連分子系から得られた成果も記す。当該年度は,以下の項目で成果を得た。1.蛍光性含ホウ素分子レセプターの合成と分子認識能ホウ素の化学的性質を利用した分子組織体研究の一環として,半球分子であるレゾルシン[4]アレーンキャビタンドに着目し,含ホウ素化をおこなった。その結果,蛍光性アリールボランの導入に成功し,その3次元構造体は紫外光励起で発光した。興味深いことに,当該分子の空孔内に相互作用可能な有機カチオン類を添加したところ,その発光特性が変化する現象を見出した。当該挙動はNOESYを含む各種機器分析から解析され,新しい蛍光性レセプターとしての機能発現が示唆された。2.両親媒性イソチオウロニウム型ポリチオフェンの機能開発両親媒性π共役ポリマーは,バルク環境や化学刺激に応答した高次構造をとりえるので,その動的機能と光学特性との協働性を探求することは機能開拓に観点から意義深い。種々の誘導体化が可能なカチオン性イソチオウロニウム基をペンダント部位にもつポリチオフェンを新規に合成した(M_n=5.68×10^5, PDI=1.4)。MES緩衝溶液中(pH=5.5)中でアニオン類添加による刺激応答性を調べたところ,フィチン酸イオンの添加は,他のアニオンよりも効果的な蛍光応答を示すことがわかった。その検出限界は83nM算出され,フィチン酸イオンを水溶液中で高感度にモニターできることかわかった。また追合成したポリマー(M_n=5.40×10^5, PDI=1.5)と塩化金酸を水溶液中で混合させたところ,還元剤がない条件でも金の成長が観測された。TEM, EDX, FE-SEMから当該ポリマーが表面被覆した金プレート体の合成に成功した。1.イソチオウロニウム導入型両親媒性ポリチオフェンカチオン性イソチオウロニウム基をペンダント部位に有する両親媒性ポリチオフェンの合成と機能化をおこなった。その成果として,光学活性部位を導入した関連ポリマーは,水系媒質中,ランダムコイル構造をとる。しかし,疎水性アニオン(PF_6^-)を添加すると,吸収スペクトルの長波長シフトが観測され,円偏光二色性スペクトルでは,ポリマーのπ-π*遷移領域に分裂型コットン効果が観測された。これは,イソチオウロニウム部位でのアニオン交換に基づいて疎溶媒効果が働き,一方向巻きに偏ったらせん会合が生じていることを示唆する。アニオンを化学刺激とするトポロジー制御に成功した。他方,両親媒性に基づく局所反応場利用を目的に,塩化金酸の添加による金ナノ結晶化をおこなったところ,反応条件のチューニングにより種々の形状をもつ金ナノクリスタル複合体が得られることを見出した。さらに,得られた無機/有機ハイブリッドに中には,ヨウ素ドープ後半導電体薄膜特性を示すものがあった。2.含ホウ素動的共有結合性をもつ刺激応答性ソフト粒子の作成ベンゼン-1,4-ジボロン酸と1,2,4,5-テトラヒドロキシベンゼンがTHF中,ピリジンの共存下で自己組織的なポリマー化が進行し,サブミクロンスケールでの球状集合体を形成することを発見した。その同定は,各種電子顕微鏡観察(FE-SEM,TEM)や粉末X線結晶構造解析などでおこなわれた。当該ソフト粒子は,pHの変化に対して可逆的な応答挙動を示すばかりでなく,糖誘導体の添加に対して選択的な形態変化をおこした。これらの性質は,ボロン酸エステル結合の可逆性に基づいて考察された。1.刺激応答性を示すボロン酸エステルソフト粒子:含ホウ素動的共有結合に着目したソフト粒子の構築をおこなった。ベンゼン-1,4-ジボロン酸と1,2,4,5-テトラヒドロキシベンゼンとの逐次的ボロン酸エステル化反応を検討したところ,適切な自己組織化条件を満たすことで階層構造をもつ球状粒子が形成した。当該粒子のTHF分散液に複数の単糖誘導体を添加し,その応答挙動を調査した。その結果,興味深いことに,フェニル-β-D-ガラクトピラノシドを添加した系においてのみ,球状構造から繊維状構造への形態変化が観察され,その応答挙動を明らかにした。2.金ナノクラスター担持ボロン酸エステル自律組織体の調製:ベンゼン-1,4-ジボロン酸とペンタエリスリトールをTHFに加え,室温で48時間静置したところ,花弁状の粒子の生成が確認された。

その機能化の一環として,析出還元法による金ナノクラスターの担持をおこなった結果,粒径が2.7nmの金ナノクラスターが固定化された。得られた複合体は触媒機能を示すに至った。3.蛍光性ボロネートヒドロゲルの調製:含ホウ素分子系の機能化研究の一環として,ポリビニルアルコール(PVA)をマトリックスに用いたボロネートヒドロゲルの調製をおこなった。当該ゲルフィルムは,PVA,架橋剤としてのベンゼン-1,4-ジボロン酸およびジヒドロキシボリル化したN-ダンシルジエチレントリアミンのDMSO溶液を室温下で混合キャストすることにより調製された。溶媒を水に交換して得られたヒドロゲルフィルムは,紫外光照射(λex=340nm)下において緑色の蛍光(λem=511nm)を示し,銅イオンとの共存下,選択的な蛍光消光が観測された。
江戸時代における〈書画情報〉の総合的研究II--『古画備考』を中心に--

朝岡興禎編『古画備考』原本(1850-51年成立、東京藝術大学附属図書館)に集成された書画に関する視覚・文字情報の分析によって初めて、自身の見聞や親しい人脈から提供された第一次情報に基づく出身の江戸狩野家、同時代の関東や江戸の諸派は詳細である一方、上方については一部の出版物に頼り、浮世絵も最新の成果が盛り込まれていないなどの偏向性が確認され、朝岡の鷹揚なアカデミズムの視点から、近代における美術史学成立直前の都市・江戸で開花した書画趣味の実態、価値観、情報の伝達経路を浮上させることに成功した。本研究は、代表者1名、分担者5名、協力者6名の合計12名から成る研究組織で推進しており、平成18年度は、全員出席の定例研究会を2回(そのうち1回はシンポジウム)、定例見学会を2回、臨時見学会を1回実施した。定例研究会の活動は、シンポジウム「狩野家絵師の多様な仕事」(於平成18年10月21日、武蔵野美術大学)の開催に集約される。これは武蔵野美術大学美術資料図書館展示室で公開された「御用絵師の仕事と紀伊狩野家展」の併催行事にも位置づけられ、研究会メンバーのうち狩野家を担当する並木誠士、五十嵐公一、野口剛を軸に、円山派の田島達也、光悦流の玉蟲敏子が相対的な視点をもって発表した。全体討議においてはメンバー外から安村敏信氏(板橋区立美術館)も加わり、16世紀から19世紀前半までの広いスパンにわたる狩野家絵師の活動の多彩さとその特質について議論した。学内のみならず、学外の研究者・学生が多く集まり、参加者100名に迫る数に達した。発表の成果は第II期の終了後に刊行が予定される研究論文集で公表されることになるだろう。定例見学会は東京・池上本門寺に所在する狩野家墓所および出土品の見学を実施した。墓石の裏面や筆塚に刻された銘文は『古画備考』に所載されるそれぞれの狩野家画人の根本資料(原典)であり、その現状確認は本研究の基礎として重要な意義をもっている。また、研究代表者は次年度以降の調査の先導を兼ねて、アメリカ東海岸の主要美術館・図書館が所蔵する江戸狩野家関係資料の調査旅行を実施した。とくにボストン美術館所蔵の狩野伊川院・晴川院関係作品は『古画備考』の成立前後の江戸の官画界の書画観を窺う上で注目される資料であり、当地にはほかにフェノロサが書画の研究法を木挽町狩野家から学ぶに際して、『古画備考』を参照したことを証明する資料も残されている。これらの調査の成果はさらなる検討を踏まえた上で、次年度以降、発表する予定である。本研究は、同題目研究の第II期に位置づけられており、第I期から引き続いて本文の校合作業、言及作品の調査・確認を行っている。後者はなかなか遅々として進まないが、第I期の報告書のデータベース編として作成した「『古画備考』原本引用書画・資料一覧(未定稿)」を、第II期の調査を簡便に進めるための基礎資料として主要な機関や研究者に配布しており、近い将来必ずや有益な所在情報が寄せられるものと確信する。ちなみに今回の海外調査に際してもニューヨークの古美術商から、本書増訂本に所載される梅軒筆「水墨観音図」の照会があり、国内のみならず海外コレクションも視野に入れる必要性がひしひしと感じられた。いっぽう、前者の校合作業はそれぞれの分担者・協力者の裁量で進められているが、本年度は活字本の底本である東京国立博物館所蔵の『古画備考』写本のカラーマイクロフィルムの撮影を実施し、いよいよ作業に必要なインフラの整備が完了しつつある。本研究は,代表者1名,分担者5名,協力者6名の合計12名から成る研究組織で推進しており,平成19年度は,全員出席の定例研究会を2回,定例見学会を2回,臨時見学会を1回実施した。第一回研究会は,美術史学会東支部例会の研究発表と兼ねて開催し,発表者の研究代表者が前年度調査した狩野伊川院・晴川院筆「和漢流書画巻」(ボストン美術館)およびフェノロサ手稿「印譜集」(仮称,ハーヴァード大学燕京図書館)について,『古画備考』と緊密な接点のある作品および資料であることを口頭で示した。とくに後者は,原本から失われた巻20の原本の復元に役立つ資料であることが確認され,より踏み込んだ研究は,担当メンバーによって今年度深められていくことだろう。定例見学会は二回とも,"昭和の古画備考"として知られる美術史家田中一松氏の残した厖大な備忘録の調査を行った。大正時代末から昭和にかけて活躍した田中一松氏は,国の文化財保護審議会や東京国立文化財研究所などの要職を歴任し,日本の美術史のあらゆるジャンル・時代に通暁した巨人である。

この資料は主に調査時のメモや最初に学術雑誌に投稿した解説や論文の自筆原稿から成るもので,画家の印譜や署名の記録のみならず,時に達者な縮図をも交え,まさに『古画備考』の研究・記述方式が近代に成立した美術史学においても作品調査の際の基礎となっていることが分かるのである。江戸後期に起こった古画古物趣味の幕府アカデミズムからの総括といえる本書の価値が明確になったといえるだろう。本研究は,同題目研究の第II期に位置づけられており,第I期から引き続いて本文の校合作業,言及作品の調査・確認を行っている。後者はなかなか遅々として進まないが,前者の校合作業については原本の本文を中心に進めることが改めて確認され,前年度に撮影した活字本の底本である東京国立博物館所蔵の『古画備考』写本のカラーマイクロフィルムを校合作業に容易いようにディジタル処理したことも本年度のインフラの整備事業として特筆されるものである。次年度は第I期,第II期合わせて6年間に掛かる同題目研究の目の最終年度であり,研究会メンバーによる論考の準備や総纏めの作業が執り行われていく予定である。本研究は、代表者1名、分担者5名、協力者6名の合計12名から成る研究組織で推進しており、平成20年度は、全員出席の定例研究会を2回、定例見学会を2回、臨時研究会を1回実施した。本年度は当該研究の最終年度に当たり、研究会においては、これまで未発表の研究分担者から分担分野の発表が行われた。本研究は同題目研究の第II期に位置づけられているが、第I期から引き続いて本文の校合作業が最大の研究課題であるため、その作業の調整と統合について研究会において多くの時間を割いて議論し、統合的なルールを作成し、かつブログを新設して校合作業上、起こってくる問題を研究分担者、協力者、補助者の間で共有し考えていく場とした。同じく第I期から引き続いている言及作品の調査・確認の作業については、その成果をまとめたデータ・べースを更新・改訂し、それを第II期の研究成果としてウェッブ上で公開することを改めて確認した。見学会では、とくに徳島城博物館において所蔵および寄託資料の調査研究を行った。成果としては、阿波藩主蜂須賀家の御用絵師で、『古画備考』の編者、朝岡興禎の兄、狩野晴川院の弟子、中山養福筆「魚草木写生図巻」のなかに番町の朝岡邸で写生された「乙女椿図」、隣家の「山桜図」が見出され、従来具体的には明らかではなかった『古画備考』が執筆された当時の朝岡邸の位置やその環境が判明したことが挙げられる。これらの成果は研究成果報告書において公表していくことになるだろう。なお、校合作業の研究成果は全体の用語や装丁の統一を図った後、改めて出版物として公表していく予定にしている。
教科教育学における授業分析方法の開発研究

1.これまで録画した授業ビデオテ-プ(約3000本)に加え、授業分析方法開発に必要な授業観察・録画の実験校として、附属大泉小学校、附属小金井小学校、附属世田谷小学校、都内の公立中学校の6校を協力校として国語・数学(算数)・社会・理科・家庭科・図工・音楽・英語等11教科の114時間の授業をビデオで録画した。2.授業分析の4つの視点・規準を内外の研究資料をもとに、各教科で開発した試案をふまえて、共通するカテゴリ-の枠組みを設定した。1)コミュニケ-ション分析(教授行動、約25項目・学習行動、約20項目)、2)内容面からの発問過程の分析(約15項目の構造)、3)子どもの反応・応答による思考の深化過程の分析(約25項目の構造)これらの分析方法によって授業分析を実施した。3.認知科学からのアプロ-チとして、学習スキ-マの意味ネットワ-クの仮説的モデルを構築し、子どもの知識獲得過程を、授業録画ビデオテ-プの授業原簿(プロトコ-ル)をもとに教師と子どもの言語行動・非言語行動から分析・検討した。4.開発された4つの視点からの分析方法と授業事例をもとに、システム工学の構造化モデルおよびISM法(Interpretive Structual Modeling)により分析方法をマイクロコンピュ-タを利用して評価(アセスメント)し、教授行動の代替の提案と改善方策を検討した。5.これらの研究の概要を平成2、3年度日本教育大学協会研究集会で発表し、冊子としてまとめられ、関係期間に配布された。1.これまで録画した授業ビデオテ-プ(約3000本)にくわえ、授業分析方法開発に必要な授業観察・録画の実験校として、附属大泉小学校、附属小金井小学校、附属世田谷小学校、都内公立中学校の6校を協力校として国語・数学(算数)・社会・理科・家庭科・図工・音楽・英語等11教科の約90時間の授業をビデオで録画した。2.授業分析方法の4つの視点・規準を内外の研究資料をもとに、各教科で開発した試案をふまえて、共通するカテゴリ-の枠組を設定した。1コミュニケ-ション分析(教授行動、約25項目・学習行動、約20項目)2内要面からの発問過程の分析(約15項目の構造)3子どもの反応・応答による思考の深化過程の分析(約25項目の構造)、これらの分析方法によって授業分析を実施した。4.認知科学からのアプロ-チとして、学習スキ-マの意味ネットワ-クの仮設的モデルを構築し、子どもの知識獲得過程を、授業録画ビデオテ-プの授業原簿(プロトコ-ル)をもとに、教師と子どもの言語行動・非言語行動から分析検討した。5.開発された4つの視点からの分析方法と授業事例をもとに、システム工学の構造化モデルおよびISM法(Interpretive Structual Modeling)により分析方法をマイクロコンピュ-タを利用して評価(アセスメント)し、教師行動の代替の提案と改善方策を検討した。

3.認知科学からのアプロ-チとして、学習スキ-マの意味ネットワ-クの仮説的モデルを構築し、子どもの知識獲得過程を、授業録画ビデオテ-プの授業原簿(プロトコ-ル)をもとに教師と子どもの言語行動・非言語行動から分析・検討した。4.開発された4つの視点からの分析方法と授業事例をもとに、システム工学の構造化モデルおよびISM法(Interpretive Structual Modeling)により分析方法をマイクロコンピュ-タを利用して評価(アセスメント)し、教授行動の代替の提案と改善方策を検討した。5.これらの研究の概要を平成2、3年度日本教育大学協会研究集会で発表し、冊子としてまとめられ、関係期間に配布された。
超音波によって内部構造をデザインした二元金属ナノ粒子の電子構造と触媒活性

超音波還元法によってAu、Pd、Ptのうち2種類からなる二元系ナノ粒子を調製し二酸化チタン粒子表面に担持して(光)触媒活性と構造の関係を調査した。暗反応では、コア・シェル構造に由来する触媒活性向上が顕著であり、活性はシェル厚さに依存し、原子数層でも活性向上への寄与が大きいことが分かった。一方、光触媒反応では、構造よりも組成への依存性が高く、Ptのような仕事関数の大きな金属は、少量でも活性向上への寄与が大きかった。超音波還元法を用いると、金/パラジウムナノ粒子を二酸化チタン粒子表面に担持することができた。これらナノ粒子は金コアおよびパラジウムシェルより構成され、コア・シェル化することで、単元ナノ粒子よりも微小化し、さらに粒径の分布も狭くなった。また例えば金75%、パラジウム25%のモル比で作成した試料の場合、パラジウムのシェルは計算上原子2-3層程度と薄く、高分解能透過型電子顕微鏡および元素マッピングでもシェルを確認できなかったが、新設した真空加熱型拡散半反射測定装置を用い、表面に吸着した一酸化炭素を定量したところ、ナノ粒子の表面はパラジウムで一様に被覆されていることが分かった。種々の金・パラジウム組成のナノ粒子を担持した二酸化チタンの触媒活性(暗反応)、光触媒活性を系統的に調査・比較したところ、コア・シェル構造に起因する触媒活性へのシナジー効果が確認でき、光触媒反応よりも暗反応の方が顕著であった。さらに反応基質と接触するパラジウムの表面積で触媒活性を規格化すると、上述の薄いパラジウムシェルを被覆した試料の活性が、純パラジウムや他の合金組成の担持触媒よりも大きくなることが確認できた。このことは、金あるいは二酸化チタンと接合することで、上述のパラジウム薄シェルの電子構造が変化することを示唆する。X線光電子分光法やあるいはフラッシュフォトリシスといった手法で、コア・シェル粒子を構成する金属の定常的あるいは光照射時の過渡的な電子構造の変化について調査が必要どの結論に至った。これまでに超音波還元法で作製し二酸化チタン表面に担持した金コア・パラジウムシェル型ナノ粒子の触媒活性、光触媒活性を評価し、パラジウムのシェル厚が原子2-3層程度のときに、シナジー効果が顕著になることを見出した。これは、金・パラジウムナノ粒子の内部構造に応じて触媒構成元素の電子構造が変化することを示唆する。X線光電子分光法で、パラジウム・シェルが薄い(金/パラジウム比が大きい)試料では、パラジウム3dのピークが低結合エネルギー側へピークがシフトすることが分かった。この結果は、密度汎用理論に基づくLinearized Augmented Plane Wave法による第一原理バンド計算結果と符合した。つまり、コア・シェル構造を模したサンドイッチ構造の金・パラジウムでは、金の割合が高く、パラジウム・シェルが薄いほど金の電子がパラジウムに多く移動することが示された。これは電気陰性度ではなく仕事関数によって説明でき、金とパラジウムが非常に近く隣接すると、トンネル効果によって両金属間での電子移動が可能となると考えた。光照射時の遷移的な電子状態はレーザーフラッシュフォトリシスで評価した。光触媒である二酸化チタンに超音波還元法で担持した金ナノ粒子の表面プラズモン共鳴吸収は、紫外線レーザーパルスに照射によってそのピーク位置が短波長側にシフトすることを確認した。これは光励起された二酸化チタンの電子が、ショットキー接合した金に濃縮され、金ナノ粒子内の電子密度が増したことを示唆する。また励起スペクトルの緩和は非常に遅く秒オーダーであることが分かった。超音波還元法で作製し二酸化チタン表面に担持した二元金属ナノ粒子の組成および構造が触媒活性、あるいは光触媒に担持した際の助触媒特性に及ぼす影響について研究を行っている。これまでのAu・Pd系に加え、今年度はPt・Pd、あるいはAu・Ptからなる二元金属を調製・担持した二酸化チタンを作製し、これらの光触媒特性を測定して、ナノ粒子の組成および構造が助触媒効果に及ぼす影響を比較評価した。Pd・Pt系ではそれぞれの粒子内に両金属が一様に分布したランダム合金構造になった。一方、Au・Pt系では一部の粒子では合金化の兆候が見られるが、コア・シェルやPt・Pd系のランダムのような明瞭な構造ではなく、また単元のAuやPtナノ粒子も確認できた。単元粒子担持二酸化チタンの混合物と比較すると、Pt・PdおよびAu・Ptの含白金系では、二元化に由来する助触媒効果がAu・Pd系よりもより顕著であった。Ptの添加は少量でも活性に対する寄与が大きい。例えばAu・Pt=75/25(モル比)では、二元系試料は混合物と比較し約2倍の高活性を示した。これは電気陰性度の高いAuと仕事関数の大きなPtをカップリングさせることで、二酸化チタンに対する光照射で生じた光励起電子が貴金属に捕捉され、正孔との再結合がより効率的に抑制できるためと結論した。

その一方で、超音波還元法は粒子を作製して所望の担体に固定化することは可能であるが、構造とサイズを同時に制御することは必ずしも叶わなかった。本課題を解決すべく別の試料調製法として、液相プラズマ法や電子線還元法も扱った。作製した試料の観察に必要な電子顕微鏡が震災の影響で復旧に時間を要したこと、加えて分光法での分析になじむ濃度、分散性、透明性を有する試料の調製に時間を要したことが研究遅延の主たる原因である。24年度が最終年度であるため、記入しない。フラッシュフォトリシス法や放射光によって、合金ナノ粒子担持二酸化チタンに紫外光照射した際の光励起電子の挙動(励起電子のナノ粒子への移動や濃縮、さらに消光後の緩和)について調査する。試料の調製方法は超音波還元法に拘らず、測定法に見合った濃度、分散性、透明性を満たす手法・試料組成を適宜選択する。過渡的な電子状態は、進捗に応じて時間分解分析が可能なD-XAFS法での分析も念頭に置く。また電子状態の第一原理計算によるシミュレーションは、早稲田大学斉藤良行教授の協力を得て継続する。合金粒子の構造と、電子状態、触媒活性の関連を調べる。金・パラジウム系合金ナノ粒子について検討を行い、進捗状況に応じて、他の金属系に拡張する。