hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ナノトンネル構造を有する鉄鉱物を用いたヒ素・フッ素複合汚染土壌の不溶化

自然由来の重金属等による汚染土壌の不溶化対策技術に資する研究開発を行うことを目的として、ナノトンネル構造を有する陰イオン交換性鉄鉱物であるアカガネアイトを用いたヒ素やフッ素の陰イオン吸着挙動についての評価を実施した。本年度は、アカガネアイトの合成条件のさらなる最適化に向けた検討と、アカガネアイトに対するヒ酸イオンとフッ化物イオンの吸着特性および吸着形態の評価を行った。アカガネアイトの合成条件の検討では、原料である塩化第二鉄の水溶液からより高効率でアカガネアイトを生成させることを目指して、沈殿を生じるさせるpHを調整した系で検討を行い、固体の収量を増加させることができた。また、得られた沈殿物については鉱物学的キャラクタリゼーションにより、アカガネアイトの生成を確認した。アカガネアイトに対するヒ酸イオン・フッ化物イオンの吸着特性の評価では、まず地球化学モデリングソフトを用いた化学平衡計算により、液相中の陰イオンの化学種を考察し、次に、それぞれの陰イオンの吸着試験から得られた吸着等温線の型から、アカガネアイトに対する高い親和性が解釈できた。ヒ酸イオンの吸着形態の検討では、粉末X線回折測定や赤外分光分析、またゼータ電位測定を行い、アカガネアイトに対するヒ酸イオンの特異的な吸着形態の形成が示唆された。イオンの吸着特性と吸着形態についての情報は、イオンの脱離し易さ(安定性)を評価する上で有益な知見となる。アカガネアイトの合成条件の検討においては、合成時のpHを調整することでアカガネアイトの収量を増やすことができ、合成条件をより最適化することができた。アカガネアイトに対するヒ酸イオン・フッ化物イオンの吸着特性の評価においては、それぞれの陰イオンの吸着試験の結果から、アカガネアイトに対する高い親和性を確認することができた。アカガネアイトに対するフッ化物イオンの吸着形態の評価のため、検出可能な分光学的手法による分析を検討する。アカガネアイトの不溶化資材としての適性を評価するため、ヒ酸イオン・フッ化物イオンを吸着させたアカガネアイトについて陰イオンの脱離試験を実施し、陰イオンの安定性の評価を進める。自然由来の複合汚染土壌から溶出が懸念される有害物質、特に報告事例の多いヒ素とフッ素について、鉄鉱物を用いた不溶化技術の開発を開始した。ヒ素およびフッ素の不溶化資材として、陰イオン交換能を持ち、酸・アルカリに対する安定性も高い鉄鉱物のアカガネアイトに着目した。アカガネアイト結晶はナノトンネル構造を有することから、ナノトンネル構造内にヒ素・フッ素陰イオンを取り込み、安定的に保持することが期待される。アカガネアイトの合成条件について検討を行った。塩化第二鉄試薬を原料として用い、溶液濃度・合成温度・合成時間ついて条件を検討し、それに伴う溶液pHの変化についても追跡した。合成物の鉱物学的キャラクタリゼーションを、粉末X線回折分析、蛍光X線分析、走査型電子顕微鏡観察により実施した。鉱物相の同定と化学組成を明らかにし、アカガネアイトの生成量と結晶性について評価した。最適化した合成方法で得られたアカガネアイトに対して、ヒ酸イオン・フッ化物イオンの吸着実験を実施した。ヒ酸イオンおよびフッ化物イオンをそれぞれ単独で添加したときのアカガネアイトに対する吸着特性を評価するため、固液比を定めたバッチ式の吸着試験により、所定時間振とうした後、固液分離し、溶液中に残存したイオンの濃度を測定した。ヒ酸イオンの分析には誘導結合プラズマ質量分析計を、フッ化物イオンの分析には共存する鉄イオン等の影響を避けるためイオンメーターを用いた方法で濃度測定を行った。アカガネアイトの合成条件の検討においては、用いた原料の塩化第二鉄の溶液濃度、合成温度と合成時間を変えた実験を実施し、合成物の生成量と結晶性を評価することで、アカガネアイトの最適な合成条件を探索することができた。アカガネアイトに対するヒ酸イオンおよびフッ化物イオンの吸着実験においては、イオンの正確な定量分析手法の確立と、それぞれのイオン単独での吸着特性を評価することができた。

アカガネアイトの合成条件の検討においては、合成時のpHを調整することでアカガネアイトの収量を増やすことができ、合成条件をより最適化することができた。アカガネアイトに対するヒ酸イオン・フッ化物イオンの吸着特性の評価においては、それぞれの陰イオンの吸着試験の結果から、アカガネアイトに対する高い親和性を確認することができた。今後、アカガネアイト合成物の収率がより高くなる条件について検討を行い、高効率で工業化可能な合成方法の確立を目指す。不溶化技術の開発においては、ヒ酸イオンおよびフッ化物イオンを共存させた様々な濃度条件において、アカガネアイトに対する吸着特性を評価する。また、アカガネアイトに吸着したヒ酸イオンおよびフッ化物イオンの安定性を評価するため、試薬を用いたイオンの脱離試験を実施していく。アカガネアイトに対するフッ化物イオンの吸着形態の評価のため、検出可能な分光学的手法による分析を検討する。アカガネアイトの不溶化資材としての適性を評価するため、ヒ酸イオン・フッ化物イオンを吸着させたアカガネアイトについて陰イオンの脱離試験を実施し、陰イオンの安定性の評価を進める。旅費・人件費・謝金等の支出において、別予算を使用することができたため。次年度計画に沿って適切に執行する予定。物品費、人件費・謝金等の支出において、別予算を使用することができたため。
巨大ブラックホールと母銀河の共進化の解明に向けたブラックホール質量の観測的研究

銀河進化のプロセスを解明する事は、近代の天文学において最も重要な課題のうちの一つである。近年では、ほぼ全ての銀河中心に超巨大ブラックホールが存在することが明らかになってきている。また、ブラックホール(Black Hole: BH)質量とそれを含む銀河(母銀河)の基本的な物理量(銀河全体の明るさや星質量、星の速度の分散値など)との間に強い相関がある事も観測と数値シミュレーションの両方から知られはじめている。この二つの事実は銀河とブラックホールが互いに影響を及ぼし合いながら成長してきた事を示唆しており、銀河進化の解明の示準となる物理量としてBH質量が注目されている。さらに、共同研究者であるイギリス・オクスフォード大学のMartin Bureau氏や同カーディフ大学のTimothy Davis氏と共著でもBH質量導出に関する論文を作成し、出版した。最後に、これらの内容を博士論文にまとめ、理学博士の学位を取得した。28年度が最終年度であるため、記入しない。本研究では、近傍銀河で観測できる分子ガスの運動を使って力学的にBH質量を求める手法を確立し、より多くの天体でBH質量を導出する事を短期的な目的としている。平成26年度にはアタカマミリ波サブミリ波干渉計(ALMA)を用いて近傍銀河NGC 1097を観測したデータを使い、重力ポテンシャルのモデルから導かれた速度場とのフィッティングを行ってBH質量を導出した。また、この結果とそれに至るまでの議論を論文にまとめ、投稿した(Onishi et al. 2015)。これにより、近年の電波干渉計によって観測される分子ガスの速度場からBH質量が導出可能である事を示すことができた。また、この手法における問題点や改善すべき箇所を指摘し、さらにこの手法が晩期型銀河におけるBH質量の導出においても有用であることを世界で初めて報告した。さらに、我々に対して先行研究を行った研究グループのメンバーの一人である、イギリス・オックスフォード大学のMartin Bureau氏のもとを2014年9月-11月と2015年1月-3月の二回に分けて訪れた。本研究に関する共同研究として、新たに近傍銀河NGC 3665について同様の手法を用いてBH質量の導出を行い、モデルの改良などについて議論をしながら投稿論文にまとめる準備をしている。平成27年度にはアタカマミリ波サブミリ波干渉計(ALMA)を用いて近傍銀河NGC 1097を観測したデータを使い、BH質量を導出した結果とそれに至るまでの議論を論文にまとめ、出版した(Onishi et al. 2015)。さらに、我々に対して先行研究を行った研究グループのメンバーの一人である、イギリス・オクスフォード大学のMartin Bureau氏のもとを2015年9月-11月と2016年1月-2月の二回に分けて訪れた。本研究に関する共同研究として、新たに近傍銀河NGC 3665について、観測された分子ガスの運動状態を説明する質量分布を求める手法で、出版した論文からさらにフィッティング法を発展させた手法を用いてBH質量の導出を行い、論文にまとめて投稿した(Onishi et al. submitted)。当初の予定通り、近傍銀河NGC 1097におけるアタカマミリ波サブミリ波干渉計(ALMA)によるブラックホール質量の導出研究に関する論文を出版した(Onishi et al. 2015)。また、イギリス・オクスフォード大学のMartin Bureau氏との共同研究を前年度に引き続き推進し、さらに発展させた手法を用いて、近傍銀河NGC 3665におけるブラックホール質量導出を行った結果を論文にまとめ、投稿した(Onishi et al. submitted)。

これらの研究と、先行研究で近傍銀河NGC 4526のブラックホール質量を導出したDavis et al. (2013)の3つにより、分子ガスの運動学を使ってブラックホール質量を求める手法が、様々な進化段階の銀河について適用可能である事が示された。本手法に関して改善すべき点や結果のエラーを大きくする要因などの議論は申請者の出版した論文(Onishi et al. 2015)において世界で初めて論じられており、さらに申請者が新たに投稿した論文(Onishi et al. submitted)では本手法をさらに一般化させたため、申請者は本手法の確立を行ったと言える。さらに、本研究に関する口頭発表を4つの国際研究会で行い、様々な研究者に成果を知ってもらうと共に、多様な議論を交わす事ができた。さらに、Bureau氏のグループとの共同研究をさらに推進させる事もできた。具体的には、Bureau氏のグループが占有するデータで、近傍銀河NGC 4429における分子ガスの運動の様子をALMA望遠鏡で観測したものを解析し、そこからブラックホール質量を求めた。現在この結果を含めた論文を作成中である。ここまでで合計3つの天体について、本研究で確立させてきた手法を適用し、ブラックホール質量を導出した。これらの研究結果を受けて2016年4月には、所属機関である総合研究大学院大学から未来科学者賞を受賞する事ができた。以上の点を踏まえて、研究は計画通り進展していると考える。銀河進化のプロセスを解明する事は、近代の天文学において最も重要な課題のうちの一つである。近年では、ほぼ全ての銀河中心に超巨大ブラックホールが存在することが明らかになってきている。また、ブラックホール(Black Hole: BH)質量とそれを含む銀河(母銀河)の基本的な物理量(銀河全体の明るさや星質量、星の速度の分散値など)との間に強い相関がある事も観測と数値シミュレーションの両方から知られはじめている。この二つの事実は銀河とブラックホールが互いに影響を及ぼし合いながら成長してきた事を示唆しており、銀河進化の解明の示準となる物理量としてBH質量が注目されている。さらに、共同研究者であるイギリス・オクスフォード大学のMartin Bureau氏や同カーディフ大学のTimothy Davis氏と共著でもBH質量導出に関する論文を作成し、出版した。最後に、これらの内容を博士論文にまとめ、理学博士の学位を取得した。当初の予定通り、近傍銀河NGC 1097におけるアタカマミリ波サブミリ波干渉計(ALMA)によるブラックホール(Black Hole: BH)質量の導出研究に関する論文を投稿し、ほぼ受理されるところまで達成することができた。この研究と、先行研究で近傍銀河NGC 4526のBH質量を導出したDavis et al. 2013の二つにより、分子ガスの運動学を使ってBH質量を求める手法が複数の天体について適用可能である事が示された。また、本手法に関して改善すべき点や結果のエラーを大きくする要因などの議論は申請者の投稿した論文(Onishi et al. 2015)において世界で初めて論じられている事から、申請者は本手法の確立を行ったと言える。
介護事故リスクマネジメント活動に関する効果検証方法の開発

介護老人福祉施設におけるリスクマネジメント活動における効果検証方法について考察した。開発した効果検証シートを利用し、リスクマネージャーが、事故分類ごとに事故リスクを定期的に評価し、とられた対策について効果検証を繰り返すことにより、介護事故が減少した。経営者に対する報告と意見、現場職員による効果についてのコミュニケーションを関連させて、これを効果検証のプログラムに位置づけたことが、リスクの低減につながったものと思われる。本研究は、特定の介護事故について発生頻度を調査し、優れた施設における発生頻度をべンチマークとし、有効な事故防止の実践方法(ベスト・プラクティス)を考察するものである。これとともに、施設において実践されている事故防止方法が有効なものであるか効果検証の方法を考察することにねらいがある。本年度は、研究一年目にあたり、アメリカの介護施設におけるリスクマネジメント活動に関する文献の講読をつうじ、リスクマネジメント活動の実効をあげるための方法について研究した。ベンチマークによる効果検証方法についての理解を深めた。また、わが国の介護事故に関する裁判例の検討を行なった。研究会は、介護施設のリスクマネージャーの参加をえて開催したが、研究会において介護事故に関する裁判例の報告し、類似の重大事故について、施設においてとられている対策について協議した。また、各施設のリスクマネジメント活動の取り組み状況やリスクマネージャーの役割・力量にも違いがみられるものの、特定の事故を防止する上で有効と思われる実践方法(ベスト・プラクティス)について、共通理解がつくられつつある。発生頻度と重大性を評価し、より優先的に行なうべき対応を標準化することが求められる。今後は、ベンチマークによるリスクコントロールを試みるため、特定の事故(発生頻度が高く、重大な事故につながるもの)について、施設ごとに発生頻度を調査し、対応が有効なものであるか検証したい。本研究は、介護事故リスクマネジメント活動に関する効果検証の方法について、実証的研究を行うものである。介護施設においては、事故防止のための活動が行われているが、必ずしもとられた対策についての効果検証が十分ではなく、発生した事故の対応に追われている施設も少なくない。こうした介護施設の現状から、効果検証についての標準的な方法論の確立が課題といえる。こうした問題意識から、幾つかの介護施設のリスクマネージャーの協力・参加をえて、定期的に研究会をもち、リスクマネジメント活動についての効果検証の方法を協議してきた。本年度は、大学院において、院生とともにアメリカの医療・介護のリスクマネジメントに関する教科書を輪読し、リスクマネジメント活動についての理解を深めるとともに、介護事故についての裁判例の検討を行った。介護施設のリスクマネージャーとの研究会では、リスクマネージャーに対し特定の介護事故についての発生頻度についての報告を求め、有効な事故防止の実践方法(best practice)について協議した。しかし、発生頻度の低い施設における取り組みが必ずしも有効な事故防止の実践方法(best practice)とはいえないこと。有効な事故防止の実践方法(best practice)も、施設の構造や職員の経験年数や熟練度などの違いから効果が確認できないなど、効果検証が難しいことなどが明らかになった。グループ全体の発生頻度についてベンチマークを設定し、事故防止の効果検証を行う方法の有効性については、懐疑的な意見が多かった。本研究は、介護事故リスクマネジメント活動に関する効果検証方法について、リスクマネジメントに関わる施設職負と実証的研究を行うものである。本研究では、協力施設の施設職員と効果検証のためのシートを開発し、協力施設において効果検証シートを活用し、昨年からの半年ごとの効果証を行ってきた。さらには、効果検証シートの改訂・見直しに取り組んできた。そして、施設における効果検証シートの活用方法や効果検証のシート活用の意義について協議してきた。施設職員との研究会では、類別された当該事故の重大性や残存リスクの評価については、評価者のリスク・アセスメントにかなりのバラつきがあり、施設ごとの比較指標とならないことが明らかになった。今後の運用上の課題とすれば、こうした効果検証シートの活用においては、評価者の研修をつうじて、類別された当該事故の重大性や残存リスクに対する評価方法について、標準化することが大切である。こうした標準化が可能であれば、研究目的として掲げていた類別された事故パターンごとに、ベンチマークを設定することも可能となる。これに対して、施設内における効果検証の方法として、開発した効果検証シートを活用し、残存リスクなど数値化されたベンチマークを設定することには、再発防止の実効確保という面からも意義があることが明らかになった。また、施設長や理事長に対し、効果検証報告書を作成し報告することも、事故の予防について、経営者からの具体的な関わり(コミットメント)を引き出すことになる。経営者にとっても、事故リスク全体をみて、優先順位をつけながら、事故防止の対策について意見を述べる機会となる。こうした経営者の関わりが、事故防止に取り組む介護職員のやるきにつながるものと考える。実際に効果検証を経営マネジメントの仕組みのなかに取り組むことにより、事故防止の効果が上がっていることが確認できた。
虚血再灌流時の心筋細胞死とミトコンドリア機能とのミッシングリンクを解く

ラット心筋梗塞モデルにおいて,ischemic preconditioning,およびmitochondria K-ATP channel openerとしてニコランジルとジアゾキサイドを用いて30分虚血再灌流後の心筋梗塞サイズ抑制効果について検討した.いずれの操作においても心筋梗塞サイズの有意な減少を認め,mitochondria K-ATP channelの開口現象が梗塞サイズの抑制に重要な役割を果たすことを示した.さらに,梗塞作成後3週間の時点における左室リモデリングの程度を左室圧-容積関係を用いて検討し,有意な左室リモデリングの抑制効果を認めた.この左室リモデリング抑制効果は心筋梗塞サイズ抑制効果と相関し,急性期の介入による梗塞サイズ縮小効果は慢性期の左室リモデリング抑制効果ももたらすことが証明された.さらに,ニコランジルとジアゾキサイドはいずれもミトコンドリアのATP感受性カリウムチャネルを選択的に開口するが,その開口機序に違いがあることを示した.ニコランジルの効果はprotein kinase Cの選択的阻害薬chelerythrineによって部分的に抑制されるが,ジアゾキサイドではそのような効果は認められなかった.そこで,Langendorff灌流心を用いて,protein kinase Cisoformの活性化の違いをWestern blotによる細胞内転位をみることで評価した.PKC δとPKC εが細胞質からミトコンドリアへ転位することが示され,さらにニコランジルのNO様作用がPKCの活性化を介してミトコンドリアK-ATPチャネルを開口し,心筋梗塞抑制に働くことが示された.また,培養心筋細胞を用いたミトコンドリア膜電位の測定を,JC-1蛍光色素を用い,細胞内カルシウム濃度をFura2-AMを用い,レーザー共焦点顕微鏡にて同時測定を行った.ミトコンドリアK-ATPチャネルの開口がどのような機序で心筋保護に働くかを検討した.PKCの下流のシグナル伝達についてはPKCと結合する蛋白の同定を,免疫沈降法によって確認し,新たなアダプター蛋白の存在を確認した.ラット心筋梗塞モデルにおいて,ischemic preconditioning,およびmitochondria K-ATP channel openerとしてニコランジルとジアゾキサイドを用いて30分虚血再灌流後の心筋梗塞サイズ抑制効果について検討した.いずれの操作においても心筋梗塞サイズの有意な減少を認め,mitochondria K-ATP channelの開口現象が梗塞サイズの抑制に重要な役割を果たすことを示した.さらに,梗塞作成後3週間の時点における左室リモデリングの程度を左室圧-容積関係を用いて検討し,有意な左室リモデリングの抑制効果を認めた.この左室リモデリング抑制効果は心筋梗塞サイズ抑制効果と相関し,急性期の介入による梗塞サイズ縮小効果は慢性期の左室リモデリング抑制効果ももたらすことが証明された.さらに,ニコランジルとジアゾキサイドはいずれもミトコンドリアのATP感受性カリウムチャネルを選択的に開口するが,その開口機序に違いがあることを示した.ニコランジルの効果はprotein kinase Cの選択的阻害薬chelerythrineによって部分的に抑制されるが,ジアゾキサイドではそのような効果は認められなかった.そこで,Langendorff灌流心を用いて,protein kinase Cisoformの活性化の違いをWestern blotによる細胞内転位をみることで評価した.PKC δとPKC εが細胞質からミトコンドリアへ転位することが示され,さらにニコランジルのNO様作用がPKCの活性化を介してミトコンドリアK-ATPチャネルを開口し,心筋梗塞抑制に働くことが示された.また,培養心筋細胞を用いたミトコンドリア膜電位の測定を,JC-1蛍光色素を用い,細胞内カルシウム濃度をFura2-AMを用い,レーザー共焦点顕微鏡にて同時測定を行った.ミトコンドリアK-ATPチャネルの開口がどのような機序で心筋保護に働くかを検討した.PKCの下流のシグナル伝達についてはPKCと結合する蛋白の同定を,免疫沈降法によって確認し,新たなアダプター蛋白の存在を確認した.ラット心筋梗塞モデルにおいて,ニコランジルとジアゾキサイドの梗塞抑制効果に違いを見いだした.いずれの薬物もミトコンドリアのATP感受性カリウムチャネルを選択的に開口すること知られているが,ニコランジルの効果はprote in kinase Cの選択的阻害薬chelerythrineによって部分的に抑制されるが,ジアゾキサイドではそのような効果は認められなかった.そこで,Langendorff灌流心を用いて,protein kinase Cのisoformの活性化の違いをWestern blotによる細胞内転位をみることで評価した:PKC δとPKC εが細胞質からミトコンドリアヘ転位することが示され,ニコランジルのNO作用がPKCの活性化を介してミトコンドリアK-ATPチャネルを開口し,心筋梗塞抑制に働くことが示された.また,H9C2培養細胞を用いたミトコンドリア膜電位の測定を,JC-1蛍光色素を用い,レーザー共焦点顕微鏡にて行った.今後,薬剤の効果を検討していく予定である.ミトコンドリア内膜に存在するadenylate kinaseの活性化が心筋保護効果に関連するかどうかを検討するため,ischemic preconditioning,またはdiazoxide投与により,adenylate kinase自身のリン酸化の有無,及び,そのアダプター蛋白のリン酸化の有無をリン酸化抗体と免疫沈降法によって確認しているところである.虚血プレコンディショニンゲの機序にプロテインキナーゼCが関与していることが最近明らかになったが、PKCの下流の機序については不明な点が多い。われわれはLangendolff摘出灌流心モデルを用い虚血プレコンディショニングおよびミトコンドリアATP感受性カリウムチャネル開口薬を用いてPKC isoformのミトコンドリア膜分画への転位をWestern Blottingにて検討し、PKCδの有意な転位をみいだした。

また、虚血再灌流障害の予防においては、ミトコンドリアK-ATPchannelの開口が虚血時の代謝を改善することによって、虚血再灌流障害を軽減するのにたいし、Calcium paradoxにおいてはミトコンドリアによる代謝制御は大きな影響をもたらさないことが判明した。このことは、Ischemic preconditioningの機序として虚血中の心筋代謝の制御がミトコンドリアK-ATP channelを解した機序で行われるのに対し、細胞膜のprimaryな変化によって引き起こされる心筋障害にはミトコンドリアK-ATP channelは作用しないと考えられ、虚血再灌流障害の予防に対する方策に異なった機序が存在することが明らかとなった。さらにラット新生児培養心筋を用いた活性酸素によるアポトーシスの検討ではミトコンドリア膜電位の変化を抑制するベータ遮断薬によりアポトーシスの発生が有意に抑制されることを見出し、活性酸素によるアポトーシスにミトコンドリアを介する経路が関与し、その遮断に、ある種のベータ遮断薬が有効であることが判明した。このことは虚血再灌流障害の機序のひとつに活性酸素の関与が指摘されているが、ある種のベータ遮断薬がミトコンドリアを介したアポトーシス抑制により虚血再潅流障害の改善が期待されることが示唆された。
再生組織工学の手法を用いた頭頸部における臓器再生の研究

本研究では頭頸部癌術後の機能障害を最小限にとどめることを最終目標に、再生組織工学の手法を用いて、頭頸部の臓器再生に関する研究を行ってきた。基礎実験として、ポリプロピレンメッシュとコラーゲンスポンジからなる自己組織再生型の生体材料を開発し、耐圧縮強度の比較を行ったところ正常気管と同等の強度を保持することが確認できた。動物実験としてビーグル犬の骨髄を採取し、骨髄間葉系幹細胞を含む細胞群(BSCs)をコラーゲン内で選択的に3次元培養する方法を確立した。応用実験として、ビーグル犬の動物実験で作製した生体材料を輪状軟骨、気管の欠損部に移植したところ、気道の内腔には線毛上皮の再生を認めた。枠組みとしての強度は移植後5年間頸部気管として経過した人工気管の物性を測定したところ、生体気管と同等の耐圧性を示した。有効性と安全性を確認し臨床応用への基礎データを提供した。Y字型に作った人工気管で分岐部気管の再建を行ったところ気管分岐部でも内面は上皮が再生した。次に、損傷した声帯にコラーゲン内で3次元培養したBSCsを移植することで声帯の組織再生をはかった。コラーゲンはBSCsの増殖に対し適切な足場になることが確認された。声帯隆起の再生に対し喉頭内腔を型取りしたポリプロピレンメッシュシートにコラーゲンスポンジを付加した生体材料を作製し、ここにBSCsを移植したところ、安定した結果は得られなかったが、内腔面が上皮化した声帯隆起を作製できた。臨床応用としては、京都大学病院および福島県立医科大学病院倫理委員会の承認の上で、開始している。内視鏡、CTなどの評価により全例現時点では経過良好である。本治療は我が国にて世界に先駆けて実現されたことから、国民福祉への寄与が期待され、注目を集めている。基礎実験1.生体適合材料の作製と頭頸部における臓器の形態保持自己組織再生型の人工材料の形状は円筒状およびシート状で、マーレックスメッシュに組織親和性を高めるためにコラーゲンスポンジを付加した。機械的圧縮試験では、再生組織は正常組織と同等の支持力を示し、甲状軟骨については声帯の隆起は不十分であるが枠組みは形成できた。基礎実験2.骨髄間葉系幹細胞のコラーゲン内での3次元立体培養ビーグル犬8頭を用いて大腿骨より採取した骨髄を培養し、シャーレの底面にシート状になった細胞のみ選択的に増殖させた。また、これらの細胞が中胚葉系細胞のうち大半が造血系細胞を含まない間葉系細胞であることを確認した。この細胞を、1%HCLアテロコラーゲン内で3次元培養を行った。応用実験1:実験にはビーグル犬13頭を用い、5頭は輪状軟骨約1/2周を切除、3頭は輪状軟骨と気管を約1/2周切除、5頭は喉頭部分切除を行った。人工材料は,気密性と血液内の循環調節因子の働きを期待し、自己血液で湿潤させてから、欠損部に合わせて形状を調節し吸収糸で縫合した。術後、3ヵ月から20ヵ月の観察で、全例喉頭の内腔面は上皮に覆われていた。全例で気道は十分保たれ、人工材料は生体組織に取り込まれ、内腔には線毛上皮の再生を認めた。応用実験2:傷害を加えた声帯に3次元培養した骨髄間葉系細胞と1%HCLアテロコラーゲンを注入した1群と、1%HCLアテロコラーゲンのみを注入した2群で比較すると、明らかに1群の治癒機転が良好であった。

1%HCLアテロコラーゲンは間葉系細胞増殖に適切な足場となることが確認された。気管に関しては十分臨床応用可能な結果が得られていることから、京都大学医学部倫理委員会の承認のもと、世界初のヒト頸部気管の再生治療を行った。術後、10ヵ月の時点では再建した内腔は上皮化し良好な経過である。この結果を科学雑誌に投稿中である。本研究では頭頸部癌術後の機能障害を最小限にとどめることを最終目標に、再生組織工学の手法を用いて、頭頸部の臓器、特に喉頭、気管の再生に関する研究を行ってきた。基礎実験として、ポリプロピレンメッシュとコラーゲンスポンジからなる自己組織再生型の生体材料を開発し、骨髄間葉系幹細胞を含む細胞群(BSCs)を選択的に培養する方法を確立した。応用実験として、ビーグル犬の動物実験でこの生体材料を輪状軟骨、気管の欠損部に移植したところ、気道の内腔上皮と枠組みを安定して再生することができた。有効性と安全性を確認し臨床応用への基礎データを提供した。次に、損傷した声帯にBSCsを移植することで声帯の組織再生をはかった。声帯隆起には喉頭内腔を型どりしたポリプロピレンメッシュシートにコラーゲンスポンジを付加した生体材料を作製し、ここにBSCsを移植したところ、安定した結果は得られなかったが、内腔面が上皮化した声帯隆起を作製できた。さらに、再生気道の上皮化を加速するために、ラット気管上皮細胞を分離、培養し、コラーゲンスポンジ上で気管上皮細胞を培養した移植片を作製した。免疫染色にて移植した細胞は気管上皮細胞の性質を有した。作製した移植片をラット気管欠損モデルに移植し、創傷治癒、移植細胞の生着について評価した。気管上皮細胞層-コラーゲンスポンジ層のハイブリット構造が確認できた。移植細胞は局所にとどまり、組織再生に影響を与えている可能性が示唆された。臨床応用としては、倫理委員会の承認の上で、2002年から喉頭、気管の再生治療を開始し、京都大学病院および福島県立医科大学病院で4例に施行してきた。内視鏡、CTなどの評価により全例現時点では経過良好である。本治療は我が国にて世界に先駆けて実現されたことから、国民福祉への寄与が期待され、注目を集めている(報道:平成16年5月9日朝日新聞東京本社朝刊に掲載)。
陣羽織の素材、技法の科学的分析と染織史学的立置づけに関する研究

本報告書は、平成16-18年度に行った江戸時代後期の陣羽織に関する調査、分析報告書である。調査した陣羽織は、昭和39年に東京国立博物館の佐藤貫一氏、山辺知行氏、今永清士氏並びに尾張一ノ宮の毛織物工業会社である艶金興業社長墨敏夫氏によって蒐集された104領の陣羽織と、共立女子大学が所蔵する2領の陣羽織である。本研究では、その形態、構成技法、使用された衣服材料及びその素材(繊維、染料、媒染剤)を科学的に分析することにより、各陣羽織についての詳細なデータを得て、当時の染織技法及び南蛮貿易の影響を明らかにすると共に、染織史学的立場からの検討を行った。報告書では、調査と科学分析の内容と方法、106領の写真、調査、分析結果を1点ずつ示した。さらに得られた成果を染織史学的立場から長崎巌が、形態及び構成技法の立場から河島一恵が、素材及び技法の科学分析の立場から齊藤昌子がまとめた。またこの研究に関する学会誌掲載論文4編を巻末に掲載した。艶金興業株式会社墨資料館が収蔵する103領の陣羽織を2度にわたって調査した。その結果、次の成果を得た。1.陣羽織の形状は、袖を持つものと袖を持たないもののおおむね二種類に分けることができ、調査した陣羽織には圧倒的に後者が多い。陣羽織はその発生当時から袖のあるものとないものがともに存在していたが、江戸時代以前においては袖のあるものは絹製、袖の無いものは麻や紙子といった素材でつくられていた。本研究で調査した陣羽織は袖のないものが多いが、生地は毛織物がほとんどであることからほとんどが江戸時代であることが分かる。また、太刀受けをつけるものがほとんどであり、太刀受け自体が装飾化しているので、江戸時代でも後期作品が多いと判断できる。(長崎)2.103領という多量の資料が一つの研究施設に保管されていたことは、同じ仕様で調査する上で好都合であった。研究の視座を確認し、染色史学的位置づけを検討する上で、陣羽織の形態、法量、構成技法の調査の結果は基礎となるデータを提示している。資料の多くは、江戸時代後期のものであるが、背幅(両肩の間隔)と裾幅の比が1対1.21.3という、やや裾広がりの形骸化された形態には、<用の変容>が窺い知れる。(河島)3.調査した103領のうち、赤色の陣羽織が多数を占めた。その赤色を測定した結果、大きく5色に分類することができた。これまで、陣羽織の赤色は緋色、緋羅紗などと呼ばれていたが、その色を科学的に測定して、数値で表すのは、本研究がはじめてである。今後、これらの染料を化学的に分析して、緋羅紗の色と染料を明らかにしていく予定である。(齋藤)墨資料館が収蔵する103領の陣羽織の主要素材である毛織物は、ヨーロッパで製織、染色され、オランダ人によって日本へ運ばれたものである。これらの舶載毛織物の色は、赤色がその4割を占めている。これらの赤色を測色した結果、紫色系の赤と黄色系の赤に大別された。これらの布の染料を高速液体クロマトグラフィ(HPLC-PDA)で分析した結果、コチニール、ラック、コチニールと茜、コチニールとラック、コチニールと不明染料の5種であった。また、媒染剤を蛍光X線分析法で分析した結果から、Al、AlとSnの2種が存在し、紫色系の赤はAl媒染、黄色系の赤はAlとSn媒染が行われ、媒染剤によって赤色の色相が異なることが判明した。Snを用いた錫媒染は、オランダ人によって1603年に発明され、その後急速に黄色系の赤が広まったことが染色技法書から判明し、科学分析の結果と一致した。また、錫媒染には必ずAlも併用されていることが分析結果から明らかになった。墨資料館が収蔵する104領の陣羽織及び共立女子大学が所蔵する2領の陣羽織について、既に得られた研究成果を整理し、全般について把握し、南蛮文化などの海外文化との関連について考察するとともに、染織史学的な立場からの位置づけ、考察を行った。又、黄色染料、紫色染料の高速液体クロマトグラフィによる分析を行った。

調査した陣羽織は、形態的な特徴からそのほとんどが江戸時代の制作で、加飾技法にはボタンと受け緒などの日本衣服文化と西洋衣服文化の混成がみられる。又、染料及び媒染剤の分析から、赤色染料はコチニール、ラック、ラックとコチニールの重ね染め、コチニールと西洋茜の重ね染めで、ケルメスは検出されなかった。又、コチニールによる赤色染織布には紫色系の赤色と黄色系の赤色があり、紫色系の赤色には媒染剤としてアルミニウムが、黄色系の赤色にはアルミニウムとスズが用いられていることが判明した。年代的には、まず紫色系の赤色が先に作られ、その後黄色系の赤色へと変化したことが、陣羽織の形状などから判明した。これらのことは、1670年頃オランダ人コルネリウス・ドレッペルがコチニールをスズ媒染することで、黄色味の強い赤色に染色できることを発見したことと時期的に一致した。これらの成果から、その当時のヨーロッパにおける染料、染色技法、製織技法が明らかになった。
複雑ネットワークの情報処理への応用

本研究では、複雑ネットワークを情報処理へ応用したときの性能評価を行った。複雑ネットワークのひとつであるゆとりニューラルネットワークにスケールフリー則を応用させたときの学習能力・汎化能力および耐久性にどのような特徴があるかの調査を行った。また、社会性ネットワーク構造をもつ新しい人工ニューラルネットワークを提案し、連想記憶においてその有効性を確認した。さらに、提案したニューラルネットワークの回路実装を行った。本年度の研究計画では、ゆとりニューラルネットワークだけでなく、その他の複雑ネットワークの情報処理との関係を調べることであった。また生物学メカニズムを導入した複雑ネットワークの提案および回路実装によるネットワークの調査も本年度の目標であった。我々はまず、新しい複雑ネットワークとして、社会ネットワークで見られるような構造を持ったニューラルネットワークを提案し、そのネットワークに連想記憶を行わせたときの想起能力についての調査を行った。社会ネットワークの構造を持たせることで従来のニューラルネットワークよりも想起能力が向上する場合があることを確認できた。さらに、社会ネットワーク構造をもつ結合マップシステムの提案を行い、結合が弱い部分から、同期が外れ、ある複数のグループだけで同期を行うクラスタリング現象を観察することができた。これまでの結合マップネットワークでは、結合構造はリングや格子状など規則的なものが多く、実際に存在するネットワーク構造を用いた本研究成果は非常に新規性が高いといえる。また、ネットワークの回路実装として、結合カオス回路を2次元状に配置させ、回路間の距離に応じて結合強度が決定されるネットワークシステムの提案を行った。すなわち、近くのカオス回路同士は同期しやすく遠いカオス回路とは同期しにくいシステムである。本システムに対して、カオス回路間の同期現象を用いてクラスタリングを判定できるアルゴリズムを開発することに成功した。本年度の研究計画として、複雑ネットワークプロパティと情報処理能力の関係についての調査および新しい指標の提案があった。また、複雑ネットワークの回路実装も本年度の研究課題のひとつであった。我々はこれまで本研究課題において、複雑ネットワークとして、「スケールフリー則を応用した階層型ゆとりニューラルネットワーク」、「社会ネットワークの構造をもったホップフィールドニューラルネットワーク」を提案し、その有効性を確認してきた。本年度は、これらネットワークのどのようなプロパティ(特徴・性質)が情報処理に対して優れているかについての調査を行った。まず、ゆとりニューラルネットワークの学習プロセスに着目した。ゆとりニューラルネットワークでは、学習の毎更新時に動作ニューロンと非動作ニューロンが切り替わる。そのため、ニューロン間の結合が時間的に変化するネットワーク構造を持つことになる。これにより、同じ学習パターンに対しても、異なるニューロン群で学習を行うことになる。この一見非効率に見える学習プロセスが、人工ニューラルネットワークの情報処理能力向上に影響していることを計算機シミュレーションによって確認した。また、時間的にネットワーク構造が切り替わる回路モデルの提案を行った。本回路モデルでは、回路間の結合がある確率によって繋がったり、切れたりするものである。結合の確率を変化させたときの、回路ネットワーク全体の同期状態について調査を行った。本年度の研究計画では、複雑ネットワークの一種であるゆとりニューラルネットワークに着目し、どのような特徴があるのかについて調査し、情報処理へ応用することであった。また、提案するネットワークの回路実装に向けた準備も本年度の研究課題であった。我々はまず、ゆとりニューロンの動作方法として、ネットワークプロパティのひとつであるスケールフリー則による選択方法を行った場合のゆとりニューラルネットワークの性能調査を行った。カオス時系列の学習を行った際、スケールフリー選択のほうが、ランダム選択よりもよい性能を示すことを確認した。また、中間層ニューロンの発火頻度をスケールフリー則に従うゆとりニューラルネットワークを提案し、パターン認識問題でその有効性を確認できた。さらには、新しいネットワーク構造として実社会ネットワークで観測されるネットワークプロパティを持つ人工ニューラルネットワークの提案を行った。これら研究成果は、重要となるニューロンの選択があるネットワーク則に従うことで、情報処理能力が向上することを示しており、それらが何らかの関係性があることを示唆する結果となっている。最後に、提案ニューラルネットワークの回路実装の実現に向けて、複雑な結合構造をもつ結合発振器システムの提案を行い、そのシステムで観測される現象についての調査を行った。本成果によって、回路実験を行う際の技術を習得することができた。また、複雑ネットワークを大規模した回路実装に対する課題も確認することができた。年間計画で提示した課題をほぼ遂行できている。今後も研究計画・内容で示した課題を遂行していく。特に次年度は本プロジェクトの最終年度であるので、複雑ネットワークの新しい指標の提案や、回路実装によるネットワークの特徴抽出について調査を行っていきたい。また、年間計画・内容の課題を遂行するだけで満足せずに、常に新しい課題をみつけ、より詳しい調査・考察を行っていきたいと考えている。特にこれからは、新しい複雑ネットワークの提案を行ったり、その回路実装をするなど、より本格的な研究ステージへと進んでいくので、今まで以上により計画的に研究をすすめていく予定である。また、年間計画・内容の課題を遂行するだけで満足せずに、新しい課題を見つけ、より詳しい調査・考察を行っていきたいと考えている。次年度は、計画どおり回路実験で必要なオシロスコープとデータ解析を行うためのパーソナルコンピュータを購入予定である。
超解像顕微鏡を用いた細胞の力学量測定法の確立

細胞群が器官などの3次元形態を形成する過程では、個々の細胞がランダムに移動するのではなく、決まった方向に細胞集団で運動(協調的運動)する必要がある。本研究では、細胞集団が協調的に運動する際の力学情報と生化学情報を計測することで、細胞集団の運動機構の一端を明らかにした。細胞集団が協調的な運動を行うためには、細胞間の接着が重要であることが明らかとなった。胚発生過程では、細胞集団が協調的に運動することで器官のような3次元構造を形成します。しかしながら、細胞集団による協調的な運動のメカニズムは不明です。本研究課題では、細胞ー基質間ならびに細胞ー細胞間の力学量計測を通じて、細胞集団による協調的な運動のメカニズムを解明します。そのために、2次元もしくは3次元環境下で各種細胞株の運動を観察するシステムを構築します。また、細胞集団の周辺のゲル基質を染色し、蛍光像の時間変化から細胞外基質における応力分布を解析するプログラムを開発します。数値シミュレーションを用いることによって、細胞集団の協調的運動に適した数理モデルを構築します。本年度は、細胞核を蛍光ラベルしタイムラプス観察することで、細胞集団における個々の細胞の運動を評価する技術を確立し、細胞運動の持続時間の計測が可能になりました。また、遺伝子改変細胞の集団が出す力を評価するシステムを構築しました。これにより、ヒトAAVS1遺伝子座への遺伝子改変には、細胞の力が変化することを明らかにしました。また、細胞外基質の粘性を変化させた際に、細胞集団の運動性ならびに細胞集団から成る3次元組織の形状に大きな影響が生じ、3次元形状は、細胞の力と基質の物性とのバランスによって決定されることを明らかにしました。更には、細胞外基質の弾性変化は、細胞運動様式を大きく変化させることも発見しました。これらの研究成果ならびに新しい知見を研究集会(2015年水谷武臣、第10回細胞運動研究会)で発信しています。上皮細胞集団における細胞ー細胞間の力学情報の計測に成功しているため。本年度は、細胞や細胞集団が細胞外基質に発生させる力の空間分布を計測する技術を開発しました。これにより、細胞運動と力の方向との相関関係を計測することが可能となりました。また、超解像顕微鏡と免疫蛍光法を用いて、細胞ー細胞間に発生した変形を評価することにも成功しました。蛍光標識したコラーゲンゲル中に細胞を培養し、細胞が活動する様子を観察することで3次元環境下での力学量の計測にも成功しました。更には、3次元環境下での細胞の生化学応答を調べることにも成功しています。上皮細胞集団運動モデル細胞を用いて、力を出している細胞とそうでない細胞の空間的な制御に成功しています。更に、生体内での細胞ー細胞間接着タンパク質が与える影響を明らかにするために、細胞間接着タンパク質を発現抑制した状況でのゼブラフィッシュの胚発生の異常を見出しています。当初計画したとおりに進めていく。生物物理学年度末に執筆した論文の投稿費用の請求が次年度に跨いでしまったために、繰り越し手続きを行った。上述した論文費の繰り越し分を除き、当初の計画通りに進めていく。
銅同位体を用いた海底自然銅鉱床の形成機構に関する研究

千葉県房総半島の海山を構成していたと考えられているアルカリ玄武岩から、比較的低温の硫黄に乏しい中性-アルカリ性熱水から晶出した熱水性自然銅を発見した。この自然銅の産状や化学組成は、米国ミシガン州に産出する熱水性自然銅に類似している。熱水性自然銅は、過去の中央海嶺、大陸洪水ソレアイト質玄武岩等からは多数知られているが海洋島アルカリ玄武岩からは世界初である。これらの熱水性自然銅の銅同位体比の多くは、母岩の火山岩よりもわずかに高い値を示すことから、火山岩中の熱水性自然銅は、主に母岩起源の銅が比較的低温の熱水活動に関連して濃集し、形成されたことを示唆する。日本国内に分布する、過去の海洋性マフィック火山岩中に自然銅を確認し、試料を採集した。試料の薄片、マウント厚片を作成した後、詳細な顕微鏡観察、電子線マイクロアナライザー(EPMA)分析を行った。その結果、この自然銅は、方解石等の熱水性鉱物に含有されることが判明し、斑晶や石基鉱物中には含有されないことから、マグマから直接晶出するタイプの自然銅ではなく、熱水から直接晶出する、熱水性自然銅であることが明らかになった。自然銅の周辺にはマラカイト等の銅の二次鉱物はみられなかった。熱水性鉱物に含まれる、微細なフルイドインクルージョンの均質化温度の測定結果や、熱水性鉱物の鉱物組み合わせの結果から、この熱水性自然銅は、百数十度の温度の熱水から晶出したことが示唆された。EPMAにより分析した自然銅の化学組成は、Cu=ca.100wt.%と極めて純粋な組成であり、硫黄はEPMAの検出限界以下であった。自然銅を産出する海洋性マフィック火山岩中には、黄銅鉱等の銅硫化鉱物や、磁硫鉄鉱、黄鉄鉱等の硫化鉱物は含まれない。以上の結果から、この熱水性自然銅は、硫黄に乏しい、還元的な熱水環境下で晶出したことが明らかになった。次年度は、この熱水性自然銅の銅同位体比をレーザーアブレーション装置とMCーICPーMS装置とを組み合わせて測定する計画であるが、その前準備として、世界で最も有名な熱水性自然銅の産地である米国ミシガン州キウィーナウ半島で採集した自然銅の銅同位体比を測定した。その結果、熱水性自然銅の同位体比は、マグマ性自然銅、二次性自然銅とは異なることが明らかになり、銅同位体比により、自然銅の成因を識別することが可能であることを示唆する。日本国内の付加体火山岩には中性ーアルカリ性の熱水活動に特徴的な熱水鉱物(方解石等)に伴って自然銅が散在していることが明らかになった。熱水鉱物や母岩の火山岩には、硫化鉱物や硫酸塩鉱物がみられないことから、これらの自然銅は、硫黄に乏しい中性ーアルカリ性の熱水から、還元的な環境で晶出したことが明らかとなった。EPMAによる化学組成分析を行った結果、自然銅と自然銅を伴う熱水鉱物は試料全体を通して均質な組成を示すことから、自然銅を晶出させた熱水は均質な組成であった可能性が高い。また、方解石に捕獲された流体包有物の均質化温度と塩濃度の測定では、自然銅を晶出させた熱水が、およそ130ー180°C(1ー4wt.%, NaCl)であったことが分かった。これらの自然銅の産状や鉱物化学組成は,米国ミシガン州に産出する熱水性自然銅の産状や化学組成に類似している。今まで、熱水性自然銅の母岩は、世界的にソレアイト質玄武岩、島弧玄武岩のみが知られていたが、千葉県の房総半島嶺岡帯に露出する、海山起源のアルカリ玄武岩の中から発見した熱水性自然銅は、世界で初めての海洋性アルカリ玄武岩からの産出であることが明らかになった(Ikehata et al., 2016)。付加体火山岩中と米国ミシガン州の熱水性自然銅の銅同位体比は、MC-ICP-MSによる分析の結果、比較的均質な同位体比をもつ母岩の火山岩よりもわずかに高い値を示した。しかし、蛇紋岩化作用や二次富化作用により、初成銅硫化鉱物から形成される自然銅のもつ銅同位体比とは明らかに異なることが分かった。したがって、火山岩中の熱水性自然銅は、主に母岩起源の銅が比較的低温の熱水活動に関連して濃集し、形成されたことを示唆する(Ikehata et al., 2014, 2015)。今年度は、熱水性自然銅を含有する海洋性マフィック

火山岩を採集し、詳細な記載、基本的な化学組成分析を行った。その結果、本熱水性自然銅は、百数十度の硫黄に乏しい、還元的な熱水環境下で晶出したことが明らかになった。また次年度に行う、銅同位体比の前準備として、米国ミシガン州キウィーナウ半島で採集した熱水性自然銅等の分析も行い、銅同位体比は自然銅の成因を識別する有用な指標となることが明らかになった。岩石学、鉱床学、地球化学海洋性マフィック火山岩に含有される熱水性自然銅のマウント鏡面研磨厚片を多数作成し、それらの銅同位体比をレーザーアブレーション装置とMCーICPーMS装置とを組み合わせて測定する計画である。自然銅の形状や自然銅を含有する熱水鉱物の違いにより、銅同位体比に差異があるか確認する。米国ミシガン州キウィーナウ半島で採集した熱水性自然銅の分析数はまだ少ないため、同様の観点で同位体分析を行う予定である。これらの結果から、自然銅が晶出した環境や銅元素の挙動に関してより詳細な情報が得られることが期待される。当初の予定より、短期間の野外調査で海洋性マフィック岩中に産する熱水性自然銅の採集を行うことができたため、その調査にあてる予定の旅費が未使用となった。熱水性自然銅の銅同位体比は、京都大学に設置されているレーザーアブレーション装置とMCーICPーMS装置とを組み合わせて測定する計画である。その前処理は、筑波大学のクリーンルームで実施する計画であるが、耐震工事に伴い、このクリーンルームは半年以上使用することができない。そのため、この前処理も、最も効率よく行うことのできると考えられる京都大学のクリーンルームで実施する計画であり、前年度の未使用研究費は、この旅費にあてる計画である。また、本自然銅は微細であるため、上記の局所分析法でも精度・確度の良いデータを得ることのできる粒子の数が限られる可能性がある、その場合は、追加で試料を採集するための旅費にあてる予定である。
高機能プラズモン特性を有する低コスト金属種から成るナノ構造体の構築

本研究では,通常のプラズモニック金属種(金・銀)と比して低コストな銅種から成る規則的なナノ構造体の増強光電場特性を調査した.まず,銅の本質的な内部遷移よりも長波長域に表面プラズモン共鳴(LSPR)の発現波長を制御することで,効率良くLSPRを発現させることに成功した.また,LSPRの発現に伴う増強された光電場が,プローブ分子(ポルフィリン誘導体,インドシアニングリーン)の可視近赤外域における蛍光シグナルを大きく増強させることを見出した.以上の結果より,低コスト金属種で構成されるプラズモニック構造体が高い光アンテナ効果を有することを確認することが出来た.本研究では,プラズモニック材料として汎用であるが高価な金・銀の代替として低コスト金属種の活用を図る.具体的には銅・アルミニウムナノ構造体の構築と可視領域におけるプラズモニック特性を検証した.まず,シリカ微粒子から成る二次元コロイド結晶を作製し,その上面上に熱蒸着法によって,銅・アルミニウム薄膜を修飾することによって,規則的な銅・アルミニウムナノ構造体を構築した.アルミニウムの表面プラズモン共鳴は本質的には紫外領域にて発現するが,シリカ微粒子の粒子径を制御することによってその発現波長を可視領域に制御することに成功した.また,銅は通常,内部遷移が強い波長域でプラズモンを発現するため効率的な発現が困難であるが,内部遷移の弱い波長域に発現波長を制御することで,効率的な発現に成功した.次に,銅ナノ構造体は大気中で容易に酸化し,プラズモンの減衰を誘起することが予測されたため,機能性官能基を有するアルカンチオールの自己組織化単分子膜を構造体上に修飾することによって,大気中における数時間の酸化耐性の付与に成功した.この酸化抑制層を介して表面ゾルゲル法によって蛍光プローブ分子としてポルフィリン分子を修飾したところ,銅薄膜上と比して約90倍もの蛍光増強が誘起されることを見出した.また,この増強が銅による蛍光消光効率を凌ぐほど多大なものであることを検証できた.また,可視領域のみならず,近赤外領域に発現した銅のプラズモンが近赤外蛍光分子(インドシアニングリーン)の蛍光をガラス基板上と比して約28倍にも増強させることを見出した.以上の結果から,銅の表面プラズモン共鳴を介して発現する局在電場は,近傍に配置された分子の蛍光を多大に増強させるほど強く,有用性の高いものであることを検証することができた.本研究では,通常のプラズモニック金属種(金・銀)と比して低コストな銅種から成る規則的なナノ構造体の増強光電場特性を調査した.まず,銅の本質的な内部遷移よりも長波長域に表面プラズモン共鳴(LSPR)の発現波長を制御することで,効率良くLSPRを発現させることに成功した.また,LSPRの発現に伴う増強された光電場が,プローブ分子(ポルフィリン誘導体,インドシアニングリーン)の可視近赤外域における蛍光シグナルを大きく増強させることを見出した.以上の結果より,低コスト金属種で構成されるプラズモニック構造体が高い光アンテナ効果を有することを確認することが出来た.本研究では,当該研究領域においてこれまでに活用されてこなかった,低コスト金属種(銅,アルミニウム)を用いてナノ構造体を構築し,可視領域における強局在電場の発現の実現を目指している.当該年度では,まず,これを達成するための規則性ナノ構造体を構築した.シリカ微粒子表面の界面エネルギーを利用して気/液界面上にシリカ微粒子を配列させ,これをガラス基板上に転写することで,シリカ微粒子の二次元コロイド結晶を平方センチメートルオーダーで構築することに成功した.この基板上に銅を真空下で熱蒸着することにより,規則性銅ナノ構造体を構築した.次に,この構造体の光特性について調査した.シリカ微粒子の粒子径を350 nm以上にした場合のみ,600 nm以上の波長領域において銅の表面プラズモン共鳴が大きく発現することを見出した.通常の銅ナノ粒子では,銅の本質的な性質により,表面プラズモン共鳴が大きく減衰される.それ故,構造形態を精緻に制御することで,銅の表面プラズモン共鳴を明確に発現させることに成功したことは非常に意義深い.この構造体上で発現する局在電場特性を検証するために,蛍光プローブとしてポルフィリン分子から成る単分子膜を構造体上に形成させ,その蛍光特性について調査を行なった.結果,600 nm以上において表面プラズモン共鳴が発現した時のみ,参照とした銅薄膜上と比較して,ポルフィリンに由来する蛍光が約100倍にまで増強されることを見出した.この結果は,銅ナノ構造体上で発現する強局在電場によるものと考えられる.すなわち,当該研究領域で汎用な金な銀よりも,遥かに安価な金属種である銅で構成されたナノ構造の局在電場が,分子の分光特性を劇的に変化させるほどの強い局在電場を発現することを証明できた.以上の成果は,金属ナノ構造体の局在電場を活用する高感度光センサーチップ等の実用を加速させるものと言える.本研究の目的は,当該研究領域において研究例が少なく,安価な金属種である銅・アルミニウムから成るナノ構造体を構築し,表面プラズモン共鳴の可視領域への発現制御,および強局在電場の発現を実現するものである.これに伴い,1表面プラズモン共鳴の発現波長を制御可能なナノ構造体の構築(平成24年度),および2蛍光・ラマンプローブ分子との複合化による局在電場特性の解析(平成25年度),の二つのフェーズから構成される研究計画を立てた.