hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
対光反射による非侵襲性網膜機能評価の試み

赤・青色光による対光反射は、本研究により設定された網膜機能と対光反射の基準値と併せて評価することで、網膜(視細胞・網膜神経節細胞)や視神経などの求心路とともに、自律神経障害や遠心路の症候を簡便かつ定量、非侵襲に捉えられる可能性が示唆された。網膜機能と色光による対光反射の同時記録が可能なスクリーニング機器の開発を今後の展望としたい。本研究の目的は、網膜電図や眼底検査に次ぐ網膜機能評価法として、特定波長光に対する瞳孔反応を応用した非侵襲かつ簡便な評価を試みることである。非侵襲の点から、皮膚電極型網膜電図のRETeval(LKC Technologies Inc.)を使用し、研究目的に赤・青色光の刺激提示が可能なカスタムプロトコルを企業に依頼・作成した。平均年齢21.4歳の健常若年者50名100眼を対象とし、RETevalにて得られた網膜機能・瞳孔反応のパラメータの再現性と一致性を評価するとともに、基準値を設定することができた。本結果をもとに、眼科外来に通院中の片眼性の網膜疾患を有する患者にRETevalを測定すると、赤・青色光に対する対光反射が網膜電図の波形振幅のみならず、光干渉断層計による形態変化と一致していた。本症例にて見られた色光刺激による縮瞳の差異は、視細胞と網膜神経節細胞に由来する対光反射の違いを反映していると考えられる。続いて簡便性に注目し、手持ち式赤外線瞳孔計であるPLR-3000(NeurOptics Inc.)により、平均年齢22.1歳の健常若年者30名30眼に白色光の対光反射を測定し、再現性を確認するとともに、基準値を設定した。再現性は、光刺激後の瞳孔回復を評価するパラメータが低かったものの、概して良好であった。瞳孔回復は交感神経の機能を反映する重要なパラメータであるため、本結果より、瞳孔異常に応じて光刺激の強度や記録時間などの測定条件を変更する必要性を見出すことができた。しかし得られた基準値では、30歳代以降のデータは不明であること、また臨床評価においても、片眼のみの発症例に対する評価(僚眼との比較)のため、データ数が少ない問題点がある。次年度は、これらの懸案事項を解決するとともに、疾患の検出と鑑別により特異的なパラメータを考案し、赤・青色光の刺激提示が可能なカスタムプロトコルの製品化を企業に依頼していきたい。本年度の目標であった、特定波長光による網膜機能・瞳孔反応の基準値を得ることができたため。また稀な網膜疾患を有する症例にその評価を行い、臨床応用への可能性を見出すことができたため。前半は得られたデータの解析を行うとともに、種々の網膜疾患や瞳孔異常の検出および鑑別に特異的なパラメータを検討した。RETevalでは、振幅におけるa波の変動係数が大きく、順応状態がその最たる要因と考えた。すなわち本研究では、30秒おきの連続記録としたため、順応状態の影響を受けたものと考えられ、臨床評価の際には、30秒以上の間隔をあけた測定が望ましいと結論付けた。PLR-3000では、交感神経機能を反映するT75(75%瞳孔回復時間)の再現性が概して低い結果となり、種々の瞳孔異常に応じて、光刺激の強度や記録時間などの測定条件を適宜変更する必要があることが明らかとなった。無散瞳や暗順応不要にて評価可能という両機器の利点を活かすため、20歳代の若年者を対象としたが、性差や人種差、30歳代以降の基準値は不明である。前年度にてこれらを課題としたが、残念ながら他の研究者によって、それらの基準値が示されてしまった。しかし、本研究にて得られた基準値を“参考値"として使用することは可能であると考えた。後半は特定波長光の刺激提示の製品化に向けて、企業側に特許申請もふまえて改良を依頼し、適切な学会とジャーナルに成果を発表した。まずRETevalは、測定後に健常者の基準値が提示されるようになった。残念ながら本研究のデータではないが、論文発表を通して企業への啓蒙につながったと考えている。また、特定波長光の刺激提示は、研究目的に限り今後も使用できる許可を得た。製品化には時間を要するが、さらなる研究を継続していき、いつの日か特定波長光による網膜電図と瞳孔反応の同時記録が可能な機器の開発を目指したい。一方でPLR-3000は、本研究の成果から“病態に応じた測定条件の適宜変更"という内容が受け入れられることとなった。本成果も適切なジャーナルに論文発表を行っており、広く社会に発信できた。平成28年度の研究にて得られた健常者の基準値は、主に2030歳の結果であることから、30歳代以降を対象としたデータ収集が必要である。また網膜疾患の病態や瞳孔異常は多種多様であり、現段階では片眼発症の患者に対して評価(僚眼との比較)を行っているため、解析に必要なデータ数が不足している。

本研究の最終目標は、非侵襲かつ簡便な網膜機能評価法として、臨床応用へとつなげることであり、これらの懸案事項を解決すべく、今後の研究を推進していきたい。視覚情報科学招待講演と日程が重なったことで、成果発表を行う予定であった学会総会の参加が出来なかったため。開催地は異なるものの、当初予定の学会総会にて成果発表を行うための旅費として使用する予定である。
オンチップ型フーリエ変換赤外分光（FT-IR）システムの実証

周波数領域におけるスペクトル解析はもっとも基礎的な光計測手段のひとつである.例として,光通信分野では損失や変調帯域,分散,伝送路上の信号対雑音比を含む数値を得られるほか,材料科学や環境計測の分野では分子の回転および伸縮振動に由来する吸収ピークを評価できる.既存の光スペクトラムアナライザは分散型/フーリエ変換型に関わらず,回転動作や前後移動を伴う機械式であるゆえ,空間光学系によるシステム構成が前提であった.本研究提案ではシリコン(Si)フォトニクス技術による導波路型平面光波回路を活用する.可動部品の省略および小型化を目的としたSiの熱光学効果(TO)によるフーリエ変換型オンチップスペクトラムアナライザを提案し,既存のマイケルソン干渉計に対してTO変調効果を有する可変遅延型のマッハツェンダ干渉計に置き換えることで光路長変調を実現した.取得した自己相関干渉波形(インターフェログラム)の離散フーリエ変換(DFT)により所望のスペクトル波形が与えられる.Siフォトニックプラットフォーム上に形成された素子は高抵抗Taヒーターと干渉計から構成され,そのサイズはわずか0.88mm2まで縮小できた.スペクトル分解能とSNR依存性を評価した結果,加熱電力1.69Wにおいて,20dBを越えるSNRおよび51cm-1のスペクトル分解能が得られた.加熱電力を3W程度まで上げることで25cm-1のスペクトル分解能を達成できた一方,アーム間の熱干渉効果による出力インターフェログラムの非線形性が観測された.導波路の長尺化によりこれらの現象を抑制できることから,産総研スーパークリーンルームの活用を前提とした片アーム20cmの超高密度集積された干渉計の設計を終えた.本研究事業終了後においても,非線形性改善およびスペクトル分解能向上へむけた研究に取り組む.近中赤外光域は分子の官能基における伸縮や変角振動が光エネルギーと一致するため,THz帯と並んで古くから「指紋スペクトル帯」と呼ばれる.測定対象物の透過もしくは反射光の赤外スペクトルを照査することで分子の定性および定量分析が可能である.スペクトル分析法における現在の主流は非分散型のフーリエ変換赤外分光法(FT-IR)である.一般的なFT-IR装置はマイケルソン干渉計より構成され,片アームの光路長可変ミラーにより得られたインターフェログラムを高速フーリエ変換(FFT)することによって高分解能および高S/N比の分光を可能にする.本研究提案ではシリコン(Si)導波路型平面光波回路によりマッハツェンダ干渉計への置き換えを図る.当初提案では,p-i-n構造が形成されたSiリブ導波路内へキャリア注入することで両アーム間に自由調整可能な光路差を持たせる計画であった.しかし,熱光学効果の活用により十分な遅延長を得られること,さらには屈折率変化の非線形性がキャリアプラズマ分散効果と比較して小さいことなどから,動作原理の最適化および改善を図った.続いて,本年度後半にかけて素子設計および実験環境の構築に注力した.数値計算およびサイズを意識した設計を行った結果,単一素子あたりのサイズは目標である1x1cm2を大幅に下回ることが出来た(約8.8mm2).また,分割抵抗を採用することで印加電圧を低減し,測定装置の限界を緩和した素子設計を試みた.これらアイデアを具現化した素子の作製は昨年末に完了し,狭線幅波長可変レーザおよび広帯域SLD光源を用いてインターフェログラムを取得した.FFTによって分解能を評価した結果,加熱電力3.49W(印加電圧35V)において,最高周波数分解能25cm-1を達成できることが判明した.具体的な数値計算の遂行および最新の研究報告を参照した結果,当初の提案を改善する形でキャリアプラズマ分散効果ではなく,熱光学効果を用いて光路差変調を行った.提案書に記載した材料分析および環境計測への展開には一部及ばないものの,光通信用のスペクトルモニターなどの用途では十分な性能が得られている.当初の計画通り,初年度中にデバイス設計および作製に取り掛かり,分光評価まで完了していることから,おおむね順調に進展していると判断した.周波数領域におけるスペクトル解析はもっとも基礎的な光計測手段のひとつである.例として,光通信分野では損失や変調帯域,分散,伝送路上の信号対雑音比を含む数値を得られるほか,材料科学や環境計測の分野では分子の回転および伸縮振動に由来する吸収ピークを評価できる.既存の光スペクトラムアナライザは分散型/フーリエ変換型に関わらず,回転動作や前後移動を伴う機械式であるゆえ,空間光学系によるシステム構成が前提であった.本研究提案ではシリコン(Si)フォトニクス技術による導波路型平面光波回路を活用する.可動部品の省略および小型化を目的としたSiの熱光学効果(TO)によるフーリエ変換型オンチップスペクトラムアナライザを提案し,既存のマイケルソン干渉計に対してTO変調効果を有する可変遅延型のマッハツェンダ干渉計に置き換えることで光路長変調を実現した.取得した自己相関干渉波形(インターフェログラム)の離散フーリエ変換(DFT)により所望のスペクトル波形が与えられる.Siフォトニックプラットフォーム上に形成された素子は高抵抗Taヒーターと干渉計から構成され,そのサイズはわずか0.88mm2まで縮小できた.スペクトル分解能とSNR依存性を評価した結果,加熱電力1.69Wにおいて,20dBを越えるSNRおよび51cm-1のスペクトル分解能が得られた.加熱電力を3W程度まで上げることで25cm-1のスペクトル分解能を達成できた一方,アーム間の熱干渉効果による出力インターフェログラムの非線形性が観測された.

導波路の長尺化によりこれらの現象を抑制できることから,産総研スーパークリーンルームの活用を前提とした片アーム20cmの超高密度集積された干渉計の設計を終えた.本研究事業終了後においても,非線形性改善およびスペクトル分解能向上へむけた研究に取り組む.本提案の最大目標である分光器としたの基本動作実証には成功しているが,分解能および分光効率の改善には引き続き下記項目を検討している.1.「電極配線パターンの改良」初回試作では,7ループ折返し導波路に対してベタ電極を配置することで加熱している.効率的に導波路を加熱するためには,導波路直上にのみ形成する断面構造が望しく,次回試作にて改良予定である.2.「電極材料の変更および抵抗率の向上」当初検討していたTiNではなく,Taを電極材料として用いたことから抵抗率が減少した.電極配線パターンに影響に伴い,過剰な加熱電力を要することで電源出力の上限に至る問題があった.今後,電極配線設計に適した抵抗体材料に切り替える予定である.3.「長波長分光への対応」近中赤外光領域の中でも,波長2-3um帯には多くの分子の振動/回転による吸収ピークが存在するため,長波動作化が欠かせない.従って,導波路コアの拡張および多モード干渉カプラの再設計を行う必要がある.また,本波長帯における超広帯域ファイバ出力光源や受光器など実験環境を再整備する.
固体基板に結晶性高分子をグラフトした単分子層でのラメラ晶と分子鎖の挙動

固体表面に高分子鎖末端が結合した結晶性高分子が示す構造について、グラフト密度や結晶化条件を変化させたときに形成される構造変化を系統的に明らかにする。グラフト層での分子鎖の挙動を単純な薄膜や厚膜での挙動と比較することにより、グラフトされた分子鎖の振る舞いを明らかにする。これら結果を応用につなげるため、核生成サイトやラメラ晶の成長方向などを制御する方法を模索する。最終的に、得られた結果を基にグラフト層における結晶化機構に関して提言することを目標とする。
清浄結晶表面の摩擦における原子論的エネルギー散逸機構の解明

多体効果を考慮した精密な原子間ポテンシャルを第一原理電子状態計算と熱力学計算を活用して求め,この原子間ポテンシャルにより摩擦の原子論モデルの超潤滑の安定条件を超潤滑系の分子動力学計算により解明した.具体的には,超潤滑状態が現実的な摩擦条件のパラメータ領域として,接触面が含む不純物原子・格子欠陥などの結晶の乱れや,有限のすべり速度等に対して安定に存在するかどうかを調べ,超潤滑の安定条件を示した.多体効果を考慮した精密な原子間ポテンシャルを第一原理電子状態計算と熱力学計算を活用して求め,この原子間ポテンシャルにより摩擦の原子論モデルの超潤滑の安定条件を超潤滑系の分子動力学計算により解明した.具体的には,超潤滑状態が現実的な摩擦条件のパラメータ領域として,接触面が含む不純物原子・格子欠陥などの結晶の乱れや,有限のすべり速度等に対して安定に存在するかどうかを調べ,超潤滑の安定条件を示した.実験研究については、走査型トンネル顕微鏡によって超高真空下で摩擦表面間のトンネルギャップを制御した摩擦実験装置を改良し、摩擦表面の整合性に起因して現れる摩擦異方性を高精度計測し、摩擦異方性と超潤滑に関する理論予測を実証した。具体的には、自作した超高真空走査型トンネル顕微鏡装置を改良し、ピコニュートンの高精度測定を実現した。このために、W多結晶探針先端を加熱して得られるW(011)面と、対向するSi(001)面についてトンネルギャップを制御して互いにすべらせ、表面間の摩擦によって生じたW針の曲げ変位を計測して摩擦力を測定した。また、ピコニュートンの摩擦力測定精度を実現するために、光ファイバ先端面の屈折率を多層膜形成によって最適化し高フィネスの光共振器を形成した。理論研究については、精密な原子間ポテンシャルの開発と超潤滑の安定性解析により理論の精密化を図り、実験と理論の直接対比により理論を実証した。具体的には、超潤滑状態が現実的な摩擦条件のパラメタ領域、例えば、接触面が含む不純物原子・格子欠陥などの結晶の乱れや、有限のすべり速度等に対して安定に存在するかどうかを調べ、超潤滑の安定性の条件を明らかにし摩擦と超潤滑の原子論を構築した。得られた成果は、1.多体効果を考慮した原子間ポテンシャルの開発多体効果を考慮した原子間ポテンシャルを第一原理電子状態計算と熱力学計算を用いて求めた。2.超潤滑の安定条件を明確化するために、超潤滑系の分子動力学計算により、摩擦ゼロの超潤滑状態が、(a)温度、(b)すべり速度、(c)不純物・格子欠陥等の結晶の乱れの存在に対して安定に存在する条件を示した。実験研究については、走査型トンネル顕微鏡によって超高真空下で摩擦表面間のトンネルギャップを制御した摩擦実験装置を改良し、摩擦表面の整合性に起因して現れる摩擦異方性を高精度計測し、摩擦異方性と超潤滑に関する理論予測を実証した。実験研究については,走査型トンネル顕微鏡によって超高真空下で摩擦表面間のトンネルギャップを制御した摩擦実験装置を改良し,摩擦表面の整合性に起因して現れる摩擦異方性を計測し,摩擦異方性と超潤滑に関する理論予測を実証した.具体的には,超高真空走査型トンネル顕微鏡装置を改良し,ピコニュートンの高精度測定を実現した.タングステン探針先端を加熱して得られる(011)面と,対向するシリコンの(001)面とのトンネルギャップを制御して互いにすべらせ,表面間の摩擦によって生じたタングステン針の曲げ変位を計測して摩擦力を測定した.ピコニュートンの摩擦力測定精度を実現するために,光ファイバ先端面の屈折率を多層膜形成によって最適化し高フィネスの光共振器を形成した.理論研究については,精密な原子間ポテンシャルの開発と超潤滑の安定性解析によって理論の精密化を実現した.具体的には,超潤滑状態が現実的な摩擦条件として,接触面の不純物原子・格子欠陥などの結晶の乱れや,有限のすべり速度に対して安定に存在するかどうかを見極め,超潤滑の安定条件を解明した.本研究によって得られた成果は以下である.1.多体原子間相互作用を考慮した精密な原子間ポテンシャルを新規に開発した.

2.超潤滑の安定条件を明確化するために,分子動力学計算により,超潤滑状態が,温度,すべり速度,不純物・格子欠陥等の結晶の乱れに対して安定に存在する条件を解明した.当初計画したように、今年度までに、W(011)面とSi(001)面間の摩擦力測定方法と、W(011)面とSi(001)面間の超潤滑の安定性を解析する理論計算手法を確立した。24年度が最終年度であるため、記入しない。[理論研究の進め方]原子スケール摩擦の摩擦異方性は極めて特異な性質を有し、その直接観測は超潤滑理論の実証を与える。この摩擦異方性の予備計算によると、整合接触となる接触条件で摩擦は有限となり、格子ミスフィットに対してフラクタル的な特異パターンが現れることが理論的に予測される。この特異パターンの摩擦異方性の観測は本研究課題の摩擦理論の実証を意味し、この理論実証の学術的なインパクトは極めて高い。[実験研究の進め方]表面構造や化学的性質のよく知られたシリコン等の材料表面や、工業的に有用なフラーレン、ナノチューブ等の材料表面を対象として、超高真空下での清浄表面の摩擦異方性の観測を試みる。
階層構造モデル化に基づく多変量時系列医療データからの知識発見

多変量時系列である慢性病の医療データから,病状把握や治療に役立つ知識を自動的に発見する仕組みが望まれている.そこで,本研究課題ではC型慢性肝炎の検査治療履歴を題材とし,病状のモデル化・特徴量抽出・予測とそのシステムに基づく知識発見を目指した.具体的には,自己回帰モデルと自己回帰条件付き分散不均一モデルの階層的な適用による病状記述,これらのモデルに基づく特徴量抽出,モデルの次数から必要な検査回数に関する知識を導出した.カーネルロジスティック回帰を適用して肝臓の悪化度合いを予測するシステムを開発し,さらにカーネルロジスティック回帰に識別学習を導入した新しい分類器を提案した.慢性病の医療データは大量の多変量時系列から成り,その中から病状把握や治療に役立つ知識を自動的に発見する仕組みが望まれる.本研究では慢性肝炎の検査治療履歴を題材とし,病状のモデル化とそれに基づく既知知識の記述・未知知識の発見を目指している.昨年度は,慢性肝炎の多数を占めるC型慢性肝炎に的を絞り,自己回帰(AR)モデルによる病状の記述,肝線維化ステージ予測に役立つ特徴量の提案と評価,および,肝線維化ステージ予測に役立つ分類器の検討を行った.今年度は,昨年度に特徴量として提案した検査値時系列の平均・標準偏差・LPCケプストラムの組合せを評価する実験を追加し,その有効性をより明確にした.この成果を国際会議にて発表し,学術雑誌論文を執筆投稿した.現在,学術雑誌論文は査読中である.さらに,データ点の少なさゆえにモデル推定が困難になる問題を解決するため,逐次ベイズ推定に基づくARモデルの学習手法を試みた.分類器に関しては,昨年度に,従来研究で用いられた分類器である重回帰,ロジスティック回帰(LOGR),サポートベクターマシン(SVM)を比較する実験を行った.この実験結果に基づき,今年度は,LOGRとSVMの利点を併せ持つカーネルロジスティック回帰(KLOGR)の適用を提案した.KLOGRの評価実験の一部を終え,この成果を国際会議にて発表した.多変量時系列である慢性病の医療データから,病状把握や治療に役立つ知識を自動的に発見する仕組みが望まれている.そこで,本研究課題ではC型慢性肝炎の検査治療履歴を題材とし,病状のモデル化・特徴量抽出・予測とそのシステムに基づく知識発見を目指した.具体的には,自己回帰モデルと自己回帰条件付き分散不均一モデルの階層的な適用による病状記述,これらのモデルに基づく特徴量抽出,モデルの次数から必要な検査回数に関する知識を導出した.カーネルロジスティック回帰を適用して肝臓の悪化度合いを予測するシステムを開発し,さらにカーネルロジスティック回帰に識別学習を導入した新しい分類器を提案した.長期的な観察治療を要する慢性病の医療データは多変量時系列の集合であり,人手による傾向把握には限界がある.このようなデータから,病状把握や治療に役立つ知識を自動的に発見する仕組みが必要である.そこで我々はC型慢性肝炎の検査治療履歴を題材とし,病状のモデル化・予測とそのシステムに基づく知識発見を目指した.初年度は,モデル化による病状の記述と,肝臓の悪化度合いを表す肝線維化ステージの予測を目指した特徴量(自己回帰(AR)モデルに基づくLPCケプストラム,平均,標準偏差の組合せ)の提案を行った.次年度は,実験を重ねて特徴量の有効性を明らかにした.さらに,肝線維化ステージ予測の分類器としてカーネルロジスティック回帰(KLOGR)を適用することを提案し,その有効性を実験検証した.最終年度である今年度は,特徴量の改善,特徴量に基づく知識発見,新たなモデル化・特徴量抽出,新たな分類器の開発に取り組んだ.特徴量の改善では,肝線維化ステージの予測性能を基準とし,ARモデルの次数,言い換えるとLPCケプストラムの次数を最適化した.最適化したLPCケプストラムと平均,標準偏差を組み合わせることで,予測性能を大幅に向上した.特徴量に基づく知識発見では,ARモデルの最適な次数から病状把握に必要な検査回数が分かることを示した.新たなモデル化・特徴量抽出では,検査値時系列の分散変動という非定常性を記述すべく自己回帰条件付き分散不均一(ARCH)モデルを適用し,特徴量を抽出する方法を提案した.加えて,ARモデルとARCHモデルを階層的に適用し,より詳細な病状の記述と特徴量のさらなる改善を図った.新たな分類器の開発では,データの不均衡性(陰性事例が多く,陽性事例が少ない)の問題解決を目指した.KLOGRに識別関数アプローチの学習を導入する手法を提案し,肝線維化ステージの予測性能を高めることができた.慢性病の医療データは多変量時系列であるため,人手による理解には限界があり,病状把握や治療に役立つ知識を自動的に発見する仕組みが望まれる.本研究では慢性肝炎の検査治療履歴を題材とし,知識発見の方法論の確立を最終目標とする.今年度は,慢性肝炎の多数を占めるC型慢性肝炎に的を絞り,単変量ARモデルによる病状の記述と肝線維化ステージ予測に役立つ特徴量の抽出を試みた.具体的には,検査項目の選定,選定した項目の検査値時系列の抽出,抽出した検査値時系列の基本統計量の分析,各検査項目に対する単変量ARモデルの当てはめと特徴量抽出,肝線維化ステージ予測に対する特徴量の有効性検証を行った.特徴量の抽出と検証では,医療データ特有の性質を考慮し,平均,標準偏差,単変量ARモデルに基づくLPCケプストラムの組合せを特徴量として提案した.そして,検査値時系列の動的特性を表す他の特徴量を比較対象とし,各特徴量の肝線維化ステージ予測の性能を調べた.その結果,提案する特徴量の予測性能が最も高く,病状の記述と予測に適することが確認された.

この研究に加えて,従来研究で肝線維化ステージ予測に用いられた分類器(重回帰,ロジスティック回帰,サポートベクターマシン)を比較し,将来的な分類器の改善への指針を得る実験も行った.これらの成果は,国内の研究会3件において公表した.また,次年度の公表を目指して,これらの成果に基づく国際会議講演論文と学術雑誌論文を執筆中である.今年度までに,肝線維化ステージ予測に役立つ特徴量の提案と評価,特徴量の改善(逐次ベイズ推定に基づくARモデルの学習),分類器の改善(カーネルロジスティック回帰の適用)を行った.病状のモデル化とそれに基づく既知知識の記述・未知知識の発見という最終目標に照らし合わせると,病状のモデル化については一定の成果を得たと言える.しかし,現状のモデルでは検査値時系列の非定常性を記述できず,改善の余地がある.また,当初の予定よりも実装と実験実施に時間がかかり,分類器の改善とステージ予測の性能向上,および,これらに後続する知識の記述・発見が少し遅れている.今年度はC型慢性肝炎の検査治療履歴を対象として,検査項目の選定,選定した項目の検査値時系列の抽出,抽出した検査値時系列の基本統計量の分析,各項目に対する単変量ARモデルの当てはめと特徴量抽出,肝線維化ステージ予測に対する特徴量の有効性検証を行った.病状の記述に力点を置くため,治療項目に関しては次年度以降に持ち越すことにしたが,それ以外はほぼ予定通りの進捗である.次年度は最終年度であり,本科研費課題の最終目標(モデル化から分類器までの一連のステージ予測システムに基づく知識の記述・発見)に至ることを目指す.具体的には,次年度の前半では,非定常モデルの導入,分類器の改善,ステージ予測の性能向上に重点を置く.そして,後半では,ステージ予測の実験で得られた結果を知識として解釈することを試みる.これらの遂行のため,早期に肝線維化ステージ予測システムの全機能の実装を終える予定である.今年度において,C型慢性肝炎の検査値時系列のモデル化と特徴量抽出の基礎固めができた.次年度は,モデルの表現能力を拡張し,局所的な傾向や検査項目間の相互作用の記述,および,肝線維化ステージ予測の性能向上を目指す.また,本申請の当初は想定していなかったが,近年注目を集めているベイズ主義的な枠組みでのモデル化も試みる.最終年度である次年度では,肝線維化ステージ予測システムの完成に向けて,ソフトウェア開発補助のアルバイト謝礼を増額する見込みである.また,これまでの研究成果を公表することに力を入れ,学会発表の諸経費,国際会議講演論文の英文校正料,学術雑誌論文の英文校正料と投稿料を主な使途とする.今年度は,主に研究に必要な物品,特に実験用のハイスペックデスクトップPCに研究費を使用した.次年度は,研究のさらなる推進と成果の公表に重点を置きたく,肝線維化ステージ予測システムのソフトウェア開発を補助するアルバイトの謝礼,国際会議講演論文の英文校正,学会発表の諸経費を主な使途とする.
中部太平洋環礁のためのエネルギー自立型生活排水処理手法の開発

エアカソード型MFCを用いて、都市下水に海水を混入させて処理運転を行ったところ、都市下水のみの場合よりもMFCの内部抵抗が1/20、電力出力が1,000倍改善できた。海水混入により浮遊系微生物は有機物摂取能力が都市下水のみの場合よりも抑制されることが、電力出力の改善に関係したことがわかった。次に、正極槽に気体透過膜を導入し、受動的に輸送される酸素を利用して硝化反応を行い、生成した硝酸または亜硝酸を電子受容体として利用する二槽式MFCを運転した。コークス炉模擬廃水を対象とした場合、外部エネルギーを一切用いずに曝気時の約34%の硝化性能を発現し、出力密度62mW/m2を達成できた。平成27年度の研究計画では、1)有機物の嫌気分解と硫黄酸化によるハイブリッド発電の機構解明と最適化、2)ガス透過膜の酸素の受動透過性能の評価の実施を予定していた。1)については、3年以上海水添加条件下で都市下水を処理している活性汚泥を植種源として、都市下水と海水の混合比を変えた原水を用いて、エアカソード型微生物燃料電池排水処理装置を運転した。出力-電流曲線の結果より、都市下水+海水系(海水4%)の最大出力密度は7.1mW/m2であり、都市下水系(対照系)の0.0070mW/m2に比べて100倍高かった。海水を適切に投入することにより、MFCの内部抵抗が小さくなり、出力が大きく改善できるとわかった。次に、硫酸塩還元反応により生成する硫化物を利用して、外部から+0.3Vの印加により電力回収が可能か検討した。その結果、外部からの+0.3V印加が0.036mW/m2であったのに対し、発電量は25.6mW/m2が得られた。つまり、電圧印加によるエネルギー投入量よりも700倍以上高い出力が得られた。以上のことから、目的とした有機物分解と硫黄酸化によるハイブリッド発電は実現可能であることが示された。2)については、有効容積1Lの酸素透過膜モジュールを作成し、8種類の異なる性質を持つシリコーン平膜を用いて、総括酸素移動容量を定量した。膜厚0.5mmの平膜のなかでは、最大1d-1程度の酸素の受動透過が可能であることが見出された。膜表面に硝化細菌が付着すれば、本実験条件よりも酸素濃度勾配が高くなることから、さらに総括酸素移動容量が高くなるものと考えられた。研究計画で予定していた二つの検討内容は問題なく実施することができ、順調に研究が進んでいる。当初は、中部太平洋の環礁国で広く普及しているSeptic Tankを想定して、本研究を着想した。一方、マーシャル諸島共和国などでは、トイレのフラッシュで利用した海水が生活排水に混入したものが、下水管を通じて未処理で海に放流されており、サンゴ礁破壊の原因として非常に問題視されている。本研究で得られる知見を応用すれば、下水管内での排水処理とエネルギー回収を同時に達成できる可能性があることから、最終年度は視野を広げて研究を総括したいと考えている。平成28年度の研究計画では、酸素透過膜を用いた硝化の最適化と硝酸イオンの電子受取による電力出力効率の評価を行い、研究を総括する予定としていた。最も酸素供給性能が高いシリコーン膜のKLaは1.8d-1であり、このとき供給されたすべての酸素がすみやかに硝化反応に利用されたと仮定すると、理論的な硝化速度は3.0mgN/L/dと見積もられた。一方、実際にシリコーン膜に硝化細菌を付着させると52.5mgN/L/dの硝化速度が得られ、理論値の約18倍となった。付着した硝化細菌が供給された酸素を消費することで、シリコーン膜内外の酸素の濃度勾配が大きく保たれたことにより、硝化細菌が付着していないときよりも多くの酸素が槽内に供給されたものと考えられた。次に、この酸素透過膜を正極槽に導入して二槽式MFC装置を運転したところ、負極槽内の有機物減少にともない、正極槽内の窒素の減少が確認された。硝化速度は38.8mgN/L/d、電子の受容による窒素除去速度は4.0mgN/L/dであったことから、本プロセスでは電子受容による窒素除去が律速となることがわかった。この装置の理論的なCEは5.59.2%と見積もられたが、実測のCEは2.7%であった。つまり、実際に放出された電子量は理論値の35割程度であった。これは、酸素が混入しやすいエアカソード型の運転から移行した直後であったため、槽内に競合微生物が多く存在していたためだと考えられた。当初予定していなかったアノード槽の一次元微生物膜モデルの開発も行った。既存の研究では考慮されていない発電には寄与しない競合微生物群を組み込むことにより、生物膜の剥離定数をキャリブレーションするだけで有機物除去、電流、CEを再現できることを明らかにした。また、環礁国への適用という観点では、下水管内で有機物除去と発電を達成するためのMFCの設計も検討した。

次に、正極槽に気体透過膜を導入し、受動的に輸送される酸素を利用して硝化反応を行い、生成した硝酸または亜硝酸を電子受容体として利用する二槽式MFCを運転した。コークス炉模擬廃水を対象とした場合、外部エネルギーを一切用いずに曝気時の約34%の硝化性能を発現し、出力密度62mW/m2を達成できた。平成28年度(最終年度)は、当初の計画どおり以下の二つの内容を検討する。1)ガス透過膜を用いた硝化の最適化と硝酸イオンの電子受取による電力出力効率の評価シリコーンチューブを浸漬させた排水処理装置に、海水存在下で集積した硝化細菌を植種して連続回分運転を行い、チューブに硝化細菌を付着させる。その後、チューブの有効表面積あたりの硝化速度を見積もる。最終的には陽極槽は陰極槽からの処理水を受け入れることから、この知見は陰極槽から陽極槽にかけての逐次反応が十分に進行するか判断するための重要な知見となる。硝化反応で生成する硝酸イオンを陽極での電子受取に利用すれば、窒素除去が期待できる。しかし、熱力学的には酸素に比べて硝酸イオンの酸化還元電位は小さい。また、実際には理論値よりも多く損失が出ることから、ここではどの程度の出力低下があるか実験的に調べる。具体的には、陰極槽の検討で使用したMFC装置とその陽極槽にシリコーンチューブを浸漬させた陽極槽(最適化済)に置き換えた装置を用いて、電力出力を比較する。2)エネルギー自立型排水処理装置のパフォーマンスとフィージビリティ評価これまでの検討で得た知見を総括して、MFC装置を設計し処理運転を実施する。そして、有機物・窒素除去や電力出力の性能を評価するとともに、現地で処理効率を向上させるために導入する撹拌機の稼働に必要なエネルギーを確保可能か、また、既存のボトムレスSeptic tankに本手法を導入可能かなど、中部太平洋環礁への適用を想定したフィージビリティを評価する。水環境工学
金融市場におけるバブルの発生と崩壊のメカニズム

本年度は「経済成長、金融革新(自由化)と資産価格変動」との関係を中心に研究した。以下、そこで整理された点を要約する。(1)日本経済を1970年代と1980年代とに分けて分析すると、名目経済成長率は大きく13.3%から6.3%にダウンしたにもかかわらず、金融資産残高成長率は低下せず、結果として(金融資産/GDP)比率を見ると70年代の4.2%成長から80年代には7.2%成長に増加している。要するに80年代に入ってGDPの成長率が下がったため、GDP比率で見る金融資産は大きく増加したのである。(2)この過程で家計、企業は取引動機に基づく銀行預金保有の過剰に気づき、それを他の収益率の高い金融資産、あるいは土地に徐々にシフトさせることになった。シフト後の新均衡では株式を中心とした金融資産の価格は上昇し、その期待収益率は低くなる。これがバブルの発生原因の一つと考えられる。要するに原因は高度成長の終焉である。(3)家計、企業が合理的ならばGDP成長率の低下によって株式、土地の収益は低下し、株価、地価の高騰は調整過程の一時的なものであったはずであるが、収益性に関しては高度成長の期待が続いており、極めて非合理的であったと推測される。これがバブルを発生させた後、しばらく維持させた原因と思われる。(4)問題はこの非合理的な要因もさることながら、この間、銀行預金と株式との間にミドル・リスク-ミドル・リターンの金融商品が提供されていなかったことである。これが十分に供給されていれば株式等へのシフトは部分的であり、バブルの発生もより限定的なものであったと推測される。このような資産の候補としては株式、債券の投資信託であるが当時それらは効率的に運用されておらず、決して期待される成果をもたらしていなかった。(5)また1980年代における金融自由化政策も適当でなかった。80年代後半に北欧等では同じように土地等を中心とした資産バブルが生じていたが、それは金融の自由化によって家計への金融機関融資が増え、その融資によって家計が土地を購入した結果、生じたと解釈されている。それに対してわが国での同じ目的で設立された住宅専門金融機関は専ら企業への融資を行い、企業が土地を購入し、バブルを助長した。バブルを助長した点はどちらの政策も同じであるが、少なくとも企業にさらなる融資を行う金融機関を作る必要は全くなかったと考えられる。家計への融資が本格化したのはつい最近のことであり、この点からも金融自由化が家計のために行われてこなかったことがわかろう。(6)アメリカのITバブルはわが国のあるいは北欧のバブルとは決定的に異なった原因から発生したと考えられる。それは投資家全体がIT革命、およびその成果に対して過信し、その結果、リスクを低く見積もりすぎたことによって生じたと理解するのが最も納得的と思われる。これは「過信」と言う行動ファイナンスの視点から十分に分析可能である。大きく下記の3点の側面から研究を計画、実施に移している。(1)バブル形成に関する理論的分析ゲーム論を用いて協調解としてのバブル形成を検討中。2年目の検討課題。(2)バブルの計測株価形成モデル(例えば配当割引モデル)を用いて株式収益率のリスク・プレミアムを計測し、バブル時前後でそれが如何なる動きをしているかを統計的に計測する。例えば、その間、リスク・プレミアムがマイナスになっているとバブルが発生していると想定できるので、この側面からの実証を試みている。1960年台から計測すると、1980年代からリスク・プレミアムは大きく低下し、以降多少の変動をしながら現在に至っている。特に80年代前半の水準は低く、この時期にバブルが形成され始めたことが示唆される。80年代後半の最も株価が上昇した頃は、配当の期待成長率も高くなり、リスク・プレミアムの水準はむしろノーマルな水準を維持している。(3)コーポレート・ガバナンスの機能バブル発生の過程、および崩壊後の現在において企業、銀行等のガバナンスが有効に機能していたか否かを明らかにする。例えばガバナンスが機能している企業においてはバブル発生時に過剰な設備投資、その資金調達としてのエクイティー・ファイナンスに対して規律が働いていたと推測できる。この仮説を、バブル時の日本企業、およびアジア通貨危機前における東アジア諸国の企業を対象に実証的に分析している。日本においては、メイン・バンクを保有している企業がむしろバブル時に過剰な設備投資に走った形跡があり、メイン・バンクは有効な規律付けを行っていなかったことが示唆される。また、バブル崩壊後、どのようなタイプの企業が過剰設備を抑制し、負債を返済しているかを調べると、外国人株主比率の高い企業が積極的にスリム化していることがわかり、この点でも日本的な経営の企業のスリム化が遅れていることが確認される。日本企業においては、このようにメイン・バンクではなく、外国人投資家のガバナンスが有効であることを示しているが、アジアの諸国(タイ、シンガポール、マレーシア、インドネシア)でも、傾向として同様な外国人効果が見られるものの、その有意性はそれほど高くないことがわかった。(1)日本経済を1970年代と1980年代とに分けて分析すると、名目経済成長率は大きく13.3%から6.3%にダウンしたにもかかわらず、金融資産残高成長率は低下せず、結果として(金融資産/GDP)

比率を見ると70年代の4.2%成長から80年代には7.2%成長に増加している。要するに80年代に入ってGDPの成長率が下がったため、GDP比率で見る金融資産は大きく増加したのである。(2)この過程で家計、企業は取引動機に基づく銀行預金保有の過剰に気づき、それを他の収益率の高い金融資産、あるいは土地に徐々にシフトさせることになった。シフト後の新均衡では株式を中心とした金融資産の価格は上昇し、その期待収益率は低くなる。これがバブルの発生原因の一つと考えられる。要するに原因は高度成長の終焉である。(3)家計、企業が合理的ならばGDP成長率の低下によって株式、土地の収益は低下し、株価、地価の高騰は調整過程の一時的なものであったはずであるが、収益性に関しては高度成長の期待が続いており、極めて非合理的であったと推測される。これがバブルを発生させた後、しばらく維持させた原因と思われる。(4)問題はこの非合理的な要因もさることながら、この間、銀行預金と株式との間にミドル・リスク-ミドル・リターンの金融商品が提供されていなかったことである。これが十分に供給されていれば株式等へのシフトは部分的であり、バブルの発生もより限定的なものであったと推測される。このような資産の候補としては株式、債券の投資信託であるが当時それらは効率的に運用されておらず、決して期待される成果をもたらしていなかった。(5)また1980年代における金融自由化政策も適当でなかった。80年代後半に北欧等では同じように土地等を中心とした資産バブルが生じていたが、それは金融の自由化によって家計への金融機関融資が増え、その融資によって家計が土地を購入した結果、生じたと解釈されている。それに対してわが国での同じ目的で設立された住宅専門金融機関は専ら企業への融資を行い、企業が土地を購入し、バブルを助長した。バブルを助長した点はどちらの政策も同じであるが、少なくとも企業にさらなる融資を行う金融機関を作る必要は全くなかったと考えられる。家計への融資が本格化したのはつい最近のことであり、この点からも金融自由化が家計のために行われてこなかったことがわかろう。(6)アメリカのITバブルはわが国のあるいは北欧のバブルとは決定的に異なった原因から発生したと考えられる。それは投資家全体がIT革命、およびその成果に対して過信し、その結果、リスクを低く見積もりすぎたことによって生じたと理解するのが最も納得的と思われる。これは「過信」と言う行動ファイナンスの視点から十分に分析可能である。
アジアのコベネフィット都市研究の解析方法論の構築と実証

共同研究機関である中国復旦大学キャンパス内に設置した「低炭素オンライン管理システム」の運営・管理を行い、多くの学生や職員に低炭素社会を作っていくための「意識づけ」や「具体的な行動指針」を提供し、その検証研究を推進した。実証研究では当初は、「こう行動するように命令される」というtop-downによるアプローチを行ったが、学生やスタッフの間ではうまく浸透しなかった。具体的な「行動」と「その行動によってもたらされる結果(カーボンフットプリント削減量)」を提示したところ、多くの学生やスタッフが参加した経緯がみられた。たとえば「不要な電灯を1時間消すことにより年間で381kWhのエネルギーの節約になり、また335kgの二酸化炭素の削減になる」といった情報をオンライン上で提供し実践してもらうだけでなく、学生や職員がその情報や行動をオンラインシステム上のブログで発信することで、お互いの経験から学び、新しいアイデアを共有していくことができた。このような一人ひとりの行動が大きな力となり、持続可能な低炭素社会を構築していく重要な要素となるとことが明らかになった。今回は、大学内という同質な環境下における特殊なコミュニティでの考察であったが、その他のコミュニティ、たとえば産業界やビジネス界、都市居住者などにおけるエネルギー節制や二酸化炭素削減のための行動変化は、より複雑なものになると考えられる。今後は、持続可能な低炭素社会にむけての異質な条件下での個人の行動変化について、研究をすすめていく。1.中国の復旦大学との共同研究を始めることができたことが非常に大きな成果だといえる。国連大学高等研究所、環境研究所、復旦大学の研究者で研究チームを結成した。今後、復旦大学の構内におけるエネルギー消費量や二酸化炭素排出量などのデータをケーススタディとして取り上げていく。2.中国における第一回目のフィールドワークを行った。回収したデータなどを基に、復旦大学の共同研究者と、研究計画とその手法について検討し今後の計画を設定することができた。3.2月に復旦大学の研究者を横浜へ招へいし、ワークショップを開くことができた。その際、今後のデータ収集や分析手法について、当事者だけでなく他の研究員も交えて検討することができた。4.復旦大学において、エネルギー消費量やGHG排出量のデータ収集を開始した。低炭素管理システムの基本的機能を有した第一次ウエブサイトを設定した。5.第7回アジア太平洋エコビジネスフォーラムなどのいくつかの国際会議や、中国やインドなどの発展途上国における低炭素社会の構築の例に関するセミナーなどに参加し、新しい知識や研究手法などを吸収することができた。研究課題を達成するために、現在二つのサブプロジェクトについて研究を進めている。第一に「コベネフィットアプローチによる都市開発」については、気候変動や地域の環境と開発問題の解決に貢献する政策や戦略の設計と評価を行った。中国、インド、インドネシア、日本、ブラジルの5カ国で共同研究に基づきその比較をおこなった。代表者が日本研究担当、研究分担者が中国研究を担当して、中国科学院藩陽応用生態研究所、復旦大学、香港大学との共同研究を開始を通じて解析を進めた。今後の研究パートナーとの強力な研究ネットワークを形成した。第二に「中国においての低炭素コミュニティのマネジメントシステム」の研究をおこなった。低炭素社会を実現する目的で、上海の復旦大学キャンパス内にオンラインでのマネジメントシステムを昨年度末に設置した。本年度はそのシステムを順調に稼働することができ、エネルギー消費量や二酸化炭素排出量などのデータを収集し、分析することができた。復旦大学内でグループを二つに分け、エネルギーの使用量と二酸化炭素排出量に関連したエネルギーの消費量、管理、規制、個々の行動についてのデータを収集し、現在分析中である。また、本システムは実際の数値をモニター・報告するだけでなく、中国国内や海外の、気候変動や環境保護、政策、規制などについての情報や最新の研究情報も検索できるようにしており、大学内の生徒やスタッフの環境への意識づけをおこなっている。当所研究計画通りオンラインマネジメントシステムを稼働させており、順調に達成されている。本システムを利用して中国国内でさらなるデータ収集を図る。当初予定通り、本研究の成果をほかの地域やコミュニティに適用していく。
歴史を探究する能力の育成を目指す日本とドイツの教員研修プログラムの比較研究

資質・能力育成ベースの教育課程の編成原理は、「学び続ける教員像」の理念を実現するための新たな教員研修プログラムの開発を求めている。この研究では、2016年にレアプラン(学習指導要領)を改訂し、資質・能力育成ベースの教育課程の改革をすでに進めている独バーデン・ヴュルテンベルク州の関係諸機関の実地調査を行い、歴史を探究する能力の育成に着目した、教員研修の在り方を検討することをねらいとしている。研究2年目の本年度は、1研究初年度末に行った同州の教員養成研修と教員研修機関の実地調査で得たカリキュラムなどの諸資料を翻訳・分析すること、22016年版レアプランの特色である「歴史と記憶」に関する学習を推進する社会教育機関等の実地調査を行うこと、3日本国内の教員研修機関における資質・能力育成ベースの研修カリキュラムの実態調査と研修企画者との懇談を実施し、研修カリキュラムの現状と策定のための課題を把握すること、4研究代表者が実施する各種教員研修事業において、資質・能力育成ベースの研修プログラムへの転換のための方略を提案することなどを目標に据えた。1については、歴史を探究する能力の内容とその育成状況を測る指標の理解が研修の中心に置かれており、それらを学習到達度別に運用することが重要であることが演習を通して学べるカリキュラムとなっていること、2については、独では、「記憶の文化」という着想の基、社会教育施設と連携した取組が学校教育で重視されていること、3については、「総合的な学習の時間」と関連付けたカリキュラムで実施される傾向にあるが、歴史科目のねらいとの関連性の整理が必要であること、4について、歴史を探究する能力は、歴史リテラシーの習得と一体となって育成する必要があることなどが把握できた。これらの内容は、研究代表者が行った各種教員研修事業などにおいて紹介することができた。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。資質・能力ベースの教育課程の編成原理は、「学び続ける教員像」の理念を実現するための新たな教員研修プログラムの開発を求めている。この研究では、レアプラン(学習指導要領)を2016年に改訂し資質・能力ベースの教育課程の改革をすでに進めているバーデンヴュルテンベルク州(ドイツ)の関係諸機関の実地調査を行い、歴史を探究する能力の育成に着目した、教員研修の在り方を検討することを目的にしている。研究1年目の本年度は、1州政府管区教育局を訪問調査して教育政策担当者と懇談し教員養成研修と教員研修の仕組みについて把握、2教員養成研修所と教員研修所を訪問して研修事業担当者と懇談し新しい教育課程の編成原理とそれを担保する研修カリキュラムの内容を把握、3両研修事業に参観し受講生の視点で研修カリキュラムなどを把握できた。10月と3月の実地調査により明らかにできた諸点は、次の通りである。12016年の改訂レアプランにおいては、評価指標を明確にして、歴史を探究する能力開発の指標を学習到達度別に示し、能力開発のために必要な手立てを明確にしていること、2それらを州政府管区教育局指名の教科指導員を通して現場に浸透させる仕組みを作っていること、3現場の授業改善を進めるための教員研修の講師は、教育現場の教師であるレアプラン作成協力者が中心となり進め、それは対話的な手法で行われていること、4そのような改革を教員養成研修と一体的に進めるための機関として州政府管区教育局が位置付けられていること、5歴史のリテラシーを習得させるための歴史資料(記念碑など)の活用に関する研修内容を充実させていること、などである。研究1年目に当たる本年度は、バーデンヴュルテンベルク州(ドイツ)の新レアプラン(学習指導要領)の改訂状況にかかる州政府管区教育局、教員養成研修所及び教員研修所の担当者への面談調査を行い、引き続き、管区教育局指名の歴史系教科指導員による歴史授業への参観、州政府教員養成所における教員養成研修事業への参観、州政府教員研修所による現職教員研修事業への参観を行った。前掲機関を中心にして、州政府により養成と研修の一体的な教育改革が進められており、それら事業に直接参加し、新レアプランの趣旨やその実現に伴う政策上の課題なども把握することができた。研究は概ね順調に進行している。

1については、歴史を探究する能力の内容とその育成状況を測る指標の理解が研修の中心に置かれており、それらを学習到達度別に運用することが重要であることが演習を通して学べるカリキュラムとなっていること、2については、独では、「記憶の文化」という着想の基、社会教育施設と連携した取組が学校教育で重視されていること、3については、「総合的な学習の時間」と関連付けたカリキュラムで実施される傾向にあるが、歴史科目のねらいとの関連性の整理が必要であること、4について、歴史を探究する能力は、歴史リテラシーの習得と一体となって育成する必要があることなどが把握できた。これらの内容は、研究代表者が行った各種教員研修事業などにおいて紹介することができた。3月の実地調査の過程で入手した資料の翻訳や整理を行うこと、探究する歴史授業で活用できる歴史資料(「歴史と記憶」に関わる記念碑などの画像資料、ホロコースト関係の諸資料など)を収集すること、国内の研修機関への実地調査を引き続き行い、効果的な研修事業についてまとめ、歴史を探究する能力の開発を目指す研修モデルの試案をつくることを計画している。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
水中で有効に働く固体酸触媒の作用機構解明

本研究期間において,スルホ基を有する炭素系固体酸触媒に対して,熱水中における触媒作用機構の解明、及び,得られた知見をもとに、既存の触媒よりも高機能な触媒を設計する指針を得ることを目指した。そして,スルホ基を有する様々な固体酸および様々な分子構造のスルホン酸化合物の,構造と触媒特性を調べた。その結果,炭素系担体に,鎖状炭化水素のスルホン酸基を付与した材料が,水中での多糖加水分解に有効な固体触媒となることが示唆された.バイオマス資源の有効活用において、固体酸触媒を用いたバイオマス由来化合物の変換は重要である。特に、水中で安定的に働く固体酸触媒が期待されている。スルホンカ活性炭は、アンバーリスト15などの市販イオン交換樹脂触媒と比べてスルホ基含有量は少ないが、水中での多糖の加水分解に対して高い活性を示す。その原因として、有効酸サイトの数のほかに、スルホ基の酸強度、スルホ基以外の酸性官能基、炭素材料の有機化合物との親和性、炭素材料の膨潤性などが考えられているが、未解明である。その原因を明らかすることにより,さらなる高活性触媒の開発につながると考えられる。本年度は、様々な物性および置換基濃度を有するスルホン酸含有炭素系触媒を調製し、触媒特性との関連性を調べた。また、様々なスルホン酸含有化合物の酸強度および触媒活性を調べた。その結果、これまでよりも多糖加水分解に対して高い触媒活性を有する炭素系固体酸触媒を見出した。その結果,炭素系担体に,鎖状炭化水素のスルホン酸基を付与した材料が,水中での多糖加水分解に有効な固体触媒となることが示唆された.スルホン化活性炭触媒は、従来のイオン交換樹脂触媒と比べて、水中での多糖類の加水分解反応において高い触媒活性を示す。その原因を解明することは、さらに高機能な触媒開発に有益な知見になる。そこで初年度である平成24年度は、異なる親-疎水性を有する様々な樹脂、部分炭化樹脂、炭素系材料などに、いくつかのスルホン化方法でスルホ基を付けた触媒材料の合成を試みた。そして、スルホ基、その他の酸性官能基、吸着特性の評価を行い、それら物性と主に2糖類およびデンプンの加水分解に対する触媒活性の比較検討を行った。具体的には、申請書の研究計画に従って、様々なスルホ基密度を有する固体酸触媒の調製、それら固体酸触媒のスルホ基およびその他の酸性官能基の定量、粒子観察、各固体酸を触媒に用い、重合度などの異なる水熱可溶性の多糖(オリゴ糖など)に対する加水分解活性比較を行った。特に、様々なスルホ基密度を有する固体酸触媒の調製のために、スルホ基をつける担体材料の調製およびスルホン化方法について検討し、各種の樹脂、それを部分炭化した材料を既に実績のある活性炭と比較した。その結果、既に実績のあるスルホン化活性炭よりも高活性な触媒を見出した。また、オリゴ糖の重合度と加水分解活性の関係は担体材料によって異なることを見出した。さらに、従来のスルホ基含有イオン交換樹脂触媒の場合は水熱中にスルホ基が溶出して問題となるが、スルホ基溶出度も担体材料に依存することを見出し、スルホ基の溶出を抑制し、高活性な触媒を得るための指針を得た。我々は、スルホン化活性炭触媒が,多糖から単糖への選択的な加水分解において、既存の強酸性イオン交換樹脂触媒と比較して,熱水安定性だけでなく、触媒活性およびグルコース選択性が明らかに高いことを見出している。さらに最近、他の研究者らから様々な類似固体酸触媒が報告されている。それらの触媒活性因子や触媒作用機構には未解明な点が多い。そこで本研究では,スルホ基を有する固体酸触媒の触媒作用の解明およびその応用について検討した。スルホ基を有する固体触媒として、スルホン化活性炭、強酸性イオン交換樹脂のアンバーリスト15、Nafion NR50などを中心に、室温および温和な水熱条件下での吸着作用および触媒作用を比較検討した。各固体酸触媒のキャラクタリゼーションは、元素分析法、滴定法、電子顕微鏡観察で行った。触媒反応および吸着実験の基質には、重合度などの異なるオリゴ糖、炭素数の異なる糖、官能基の異なる糖を用いた。デンプンやボールミル処理したセルロースの加水分解に対して、スルホン化活性炭はAmberlyst 15やNafion NR50などの市販の樹脂系のスルホ基含有固体酸触媒より高活性を示し、スルホ基の溶出や活性劣化は見られなかった。重合度の異なるオリゴ糖(重合度2-7)の加水分解活性を比較したところ,重合度が高いオリゴ糖ほど加水分解が速く、この傾向はH2SO4(溶液)や樹脂系の固体酸触媒とは異なり、反応に対する吸着過程の関与の可能性を示唆している。また、基質が酸性糖の場合は、スルホン化活性炭の特異性はみられず、ことのことも吸着過程の重要性を示唆している。また、固体の炭化度とスルホ基の密度をそれぞれ変えることにより、それぞれの基質に適した固体触媒を調製し、有効性を実証した。