hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
各種血管作動薬の脊髄鎮痛機構に及ぼす影響に関する研究

方法体重平均約3kgの成ネコを用いて酸素-笑気-エンフルラン麻酔下にて、気管切開、総頚動静脈カニュレーション、腰部椎弓切除及び両側中脳網様体の除脳を行った後、L1-L2で脊髄を横断した。その後パンクロニウムと純酸素にて維持し、一般状態を生理学的に正常範囲に保ちながら、微小電極をL7根の入る付近にマイクロドライバーを用いて反応性を確かめながら、脊髄表面より約1500ミクロンの深さに挿入して、Rexed第5層型単一細胞活動を細胞外微小電極誘致法にて記録した。実験は自発発射数及びピンチ法による誘発発射数の対象値を測定した後、微小電極刺入付近の脊髄表面にジルチアゼム10mg/ml(10mg群)または20mg/ml(20mg群)を1ml投与し5分毎に自発及び誘発発射数を測定した。発射数の回復するまで観察した。クロニジンについては5μg(1ml)及び50μg(1ml)を投与した。結果いずれの群も単一細胞発射が減少した。ジルチアゼムでは用量依存的な反応が見られたが、クロニジンでは見られなかった。考察血管作動薬も脊髄レベルで疼痛を制御する可能性が示唆された。各種血管作動薬が疼痛制御機構に影響を与えることが数々の研究や臨床経験からも報告されてきた。ジルチアゼムやクロニジンがネコの脊髄後角Rexed第V層型単一細胞に対してその活動の抑制作用を有することは昨年度の研究で報告した。本年度はクロニジン軟膏をニューロパシックペインの代表疾患である帯状疱疹後神経痛の患者に適応して、痛みの程度に影響を与えるかどうかについて検討した。クロニジン軟膏(60 microgram,150 microgram,300 microgram/軟膏1 gramの3種類)を作成し、疼痛部位に塗布を行い、その有用性について検索した。その結果、軟膏の効果がみられたのは70%であり、やや効果有りも含めると有効率は90%であった。濃度的には、150 microgramが最も多く使われた。いずれも副作用は、認められなかった。クロニジンの作用は脊髄レベルのみならず、神経終末レベルにおいても鎮痛効果が期待された。これらの一連の研究からも血管作動薬が疼痛制御に大きく関わっていることが明確となってきた。また臨床への応用が期待された。1、カルシウムチャネル桔抗薬ジルチアゼムやα2アドレナリン作動薬クロニジンがネコの脊髄後角Rexed第V層型単一細胞に対する作用を研究した。約3kgの成ネコを用いて、両側中脳網様体の除脳を行い、脊髄を露出し、L1-L2で脊髄を横断した。Rexed第V層単一細胞活動を細胞外微少電極誘導法にて記録した。実験は自発発射及ピンチ法による誘発発射の発射数の対照値を測定した後、微少電極刺入付近の脊舳表面にジルチアゼム10mg/ml(D10mg群)又は20mg/ml(D20mg群)を1ml投与し,自発発射及誘発発射を測定した。クロニジンについても同様の実験を行った。5マイクロg(1ml)(C5群)及び50マイクロg(1ml)(C50群)を投与した。その結果、いずれの群も単一細胞の自発発射及び誘発発射が減少した。ジルチアゼム実験では用量依存的な反応が見られたが、クロニジン実験では見られなかった。この結果、カルシウムイオンチャネルとα2アドレナリン受容体が疼痛制御機構に関与しており,慢性難治性疼痛患者への疼痛治療に応用され得る可能性を示した。
記憶学習において作動する神経回路の遷移

ショウジョウバエの匂い連合学習では、記憶の獲得・保持・読み出しの過程を明確に区別でき、その全ての過程がキノコ体と呼ばれる単一の脳構造で処理される。本研究では、記憶の素過程を定義するキノコ体出力神経の機能パターンと、その遷移を理解することを目的とする。研究代表者らの研究グループは、キノコ体の出力を担う21種類の出力神経を全て同定した。つまりキノコ体は、全ての神経種が遺伝学的に標識でき、機能操作と行動出力との因果関係を明らかにすることができる独自のモデル回路である。本研究ではこの遺伝学的リソースを用い、キノコ体の出力を構造と機能の両面から解析する。2018年度は、キノコ体の異なる記憶の素過程における出力パターンを調べるために、嗅覚報酬・嗅覚罰記憶の各素過程における各出力神経の必要性を定量した。全ての出力神経について、その神経伝達を各素過程特異的に阻害し、記憶学習実験を行った。各出力神経の記憶に対する阻害効果から、各素過程での貢献度を定量することで、キノコ体からの出力コードが時間とともに変化する様子を明らかにした。さらに、各素過程の機能コードを実際の顕微鏡画像上にプロットし、その出力先、放出される神経伝達物質を可視化した。各出力神経細胞種の形態的特徴と記憶の各素過程の機能コードを統合することにより、例えば報酬記憶の獲得に共通する神経回路モチーフを同定した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。2017年度は、全ての出力神経の細胞種を同一の三次元画像上で比較し、キノコ体出力神経の投射領域の相対的な位置関係を網羅的に明らかにした。具体的には、各出力神経に細胞膜マーカー、前シナプスマーカー、後シナプスマーカーを発現させ、各細胞の詳細なシナプスの位置を可視化した。共焦点レーザー顕微鏡により取得した複数細胞種の三次元画像を、脳のランドマーク構造に基づいて数学的に重ね合わせた。これを全ての細胞種に対して行うことで、同一画像上に全ての出力神経をマップした。神経伝達物質や入出力部位などの情報と併せて解析することにより、キノコ体の各区画からどのような情報が出力されるのか、さらには収束、発散、ループなどの構造的な特徴を見出した。学習実験装置に不測の不具合が生じ、原因の所在の探索、実験装置の修理・部品取り寄せ、実験条件の再調整などに時間を要したため、当初の予定よりも進捗が遅延した。2017年度に構築したキノコ体出力神経マップをもとに、記憶の獲得、保持、読み出しという過程において、全てのキノコ体出力神経の「貢献度」を測定することで機能コードを明らかにし、素過程間での多様性を定量化する。さらに機能コードを出力地図に投射し、構造的特徴と統合することで、記憶において作動する神経回路の遷移を包括的に理解する。
ミネラル・骨代謝異常における酸化ストレスの関与の解明

骨組織は、骨吸収と骨形成を破骨細胞と骨芽細胞により繰り返しているが、骨代謝にカルシウムと共に重要な役割を果たしているリンの骨芽細胞に対する効果については必ずしも明らかではない。そこで、リンの骨芽細胞機能に及ぼす効果とその機序の解明を目的として本研究を行った結果、細胞外のリンはROS産生やNADHPoxidaseを介した活性酸素種産生により、骨芽細胞分化に対して抑制的に作用するものと考えられた。骨芽細胞系細胞株MC3T3-E1を用い、細胞培養液中のリン、およびカルシウムを変化させた際の活性酸素種(reactive oxygen species : ROS)産生を、nitroblue tetrazoliumアッセイにより評価した。その結果リン負荷でROS産生が亢進し、リンとCaの同時負荷でROS産生はより増加する傾向を示した。このリンによるROS産生は、NADPH oxidaseの阻害剤であるdiphenyl isodoniumで抑制されたことから、NADPH oxidaseを介するものと考えられた。またリン輸送阻害剤であるfoscarnetは、リンによるROS産生を抑制した。従って細胞内へのリンの輸送が、ROS産生に必要と考えられた。このROS産生が骨芽細胞分化に及ぼす影響を検討するため、MC3T3-E1をbone morphogenetic protein-2 (BMP-2)の存在下、および非存在下で培養し、アルカリフォスファターゼ活性に及ぼすリンの効果を検討した。その結果細胞外のリン濃度の上昇により、BMP-2の有無にかかわらず、培養期間の増加によるアルカリフォスファターゼ活性の上昇が抑制された。またこのアルカリフォスファターゼ活性の抑制は、foscarnetにより解除された。これらの結果から、リンは細胞内に輸送されることによりNADPH oxidaseを介してROS産生を促進し、骨芽細胞分化に抑制的に作用する可能性が明らかとなった。今後MC3T3-E1細胞に発現するNADPHoxidaseのタイプを検討すると共に、NADPH oxidaseの阻害が骨芽細胞分化に及ぼす効果についても検討する予定である。骨芽細胞系細胞株MC3T3-Elを用い、細胞培養液中のリン、およびカルシウムを変化させた際の活性酸素種(reactive oxygen species:ROS)産生及びリンの骨芽細胞分化におよぼす影響を検討した。その結果リン負荷でROS産生が亢進し、リンとCaの同時負荷でROS産生はより増加する傾向を示し、NADPHの特異的な阻害剤であるDPIとapocyninをリン負荷と同時に添加することによって、高リン負荷時のROS産生が有意に抑制される一方、xanthine oxidase阻害剤であるoxypurinolやミトコンドリア呼吸鎖の阻害剤であるrotenoneを添加しても、リン負荷時のROS産生の抑制は認められなかった事より、リンによるROS産生の亢進は主としてNADPHoxidase(Nox)を介して行われることが考えられた。また、MC3T3-ElをBMP2の添加された培養液中で培養しリン負荷によるアルカリホスファターゼ活性の変化の検討の結果MP2と同時にリン溶液を加えた群ではアルカリホスファターゼ活性が有意に低下しており、またナトリウム-リン共輸送体阻害剤のfoscarnet添加によってリンの細胞内流入を阻害することでアルカリホスファターゼ活性抑制が回復することより、リンによってBMPが誘導する骨芽細胞分化が抑えられることが明らかとなった。一方ROS産生に及ぼす効果と同様、Na_2SO_4によってはALP活性の抑制は認められなかった。従ってリンによるBMP2誘導性骨芽細胞分化抑制は、リンに特異的なものと考えられた。またリン負荷によりMC3T3-El細胞の細胞数は減少しなかった事から、このリンの効果は非特異的な細胞障害によるものではないと考えられた。慢性腎臓病に伴う高リン血症等のミネラル異常は骨代謝に影響を来たすことが知られているが、リンの骨芽細胞に対する効果は必ずしも明らかでは無い。今回、骨芽細胞様細胞株MC3T3を用いてリンの骨芽細胞機能に対する効果を検討した。リンは骨芽細胞のROS産生を容量依存性に促進した。リンによって促進されたMC3T3細胞のROS産生はXanthine oxdase阻害剤やミトコンドリア呼吸鎖阻害剤では抑制されず、Na-P共輸送体阻害剤のfoscanet、及びNADPH oxidase阻害剤やNoxに対するsiRNAにより抑制された。またリンはMC3T3細胞においてBMP2誘導性のALP、Runx2、オステオカルシンの発現を抑制した。更にリンによるALP活性促進の抑制はfoscanetやNADPHoxidaseの阻害剤で解除された。ALP活性を指標として評価した骨芽細胞分化抑制は、NADPH oxidaseの阻害剤により解除された事から、リンは主にROS産生の促進を介して骨芽細胞分化を抑制するものと考えられた。一方リンはERKのリン酸化を惹起することも知られている。

MC3T3細胞はリンによりERKのリン酸化を促進したが、MAPK/ERK kinase (MEK)阻害剤であるPD98059は、PD98059自体がALP活性促進作用を示し、またリンによるALP活性抑制作用はPD98059により完全には回復せず、リンによるERKのリン酸化は、リンによる芽細胞分化抑制作用の少なくとも主要な経路ではないものと考えられた。本研究により、細胞外のリンはNADPH oxidaseを介したROS産生によって、骨芽細胞様細胞株MC3T3-E1細胞の分化に抑制的に作用することが明らかとなった。このリンの作用機序、さらにはin vivoにおいても同様のリンの効果が認められるかについては、今後の検討が必要である。23年度の研究実地計画書に記載した骨芽細胞様細胞株MC3T3-El細胞の分化に細胞外のリンが重要な役割を示すことを本研究で解明した。24年度が最終年度であるため、記入しない。1.リンによるFGF23産生調節機構の検討リンによるFGF23産生調節機序を明らかにするために、リン、およびFGF受容体を介するシグナルによって変化する遺伝子群を網羅的に解析する。培養細胞株やマウスを用い、まずはリン負荷やFGF受容体のアゴニスト、阻害剤により、実際にFGF23発現が変化することをreal time PCRや細胞培養液中、血中のFGF23濃度測定により確認する。
コンドリュールの年代測定と局所酸素同位体分析

隕石を用いた局所分析的手法の確立とコンドリュールの年代測定をめざした.以下に研究実績の概要を箇条書きにする.*二次イオン質量分析法を用いた微小分析法の技術的開発を行った.ディオ・レンズを導入し,プローブ・ビーム径をこれまでの約半分にまでしぼることを可能とした.自動センタリング手法を開発し適用した.その結果試料のマウント間での別状態の違いが再現性に最も影響を与えることがわかった.*同位体分析における再現性を向上させるために自動研磨の手法を開発した.この結果マウント・レズンと試料の高さの違いを1ミクロン以下におさえることが可能となった.同一試料内での精度が0.2‰であるのに対して,異なるマウントに載る同一試料の再現精度を1‰にまで高めることができた.*コンドリュール・ガラスの酸素同位体分析における確度を向上させるためにコンドリュール・メルトに近い組成をもつをもつ10種のガラス試料の合成(An-Ab, En-Diシリーズ)を行った。これらの試料の同位体組成は昨年度作成したスパイクを用いて変化させ,実際の同位体組成はレーザー加熱型ガス質量分析法を用いて0.1‰の精度で求めた.*上記の試料を用いて,コンドリュール・ガラスの酸素同位体分析を行った.酸素同位体組成と比較し二次変質の影響を受けやすいアルカリ元素の局所同位体分析を同一試料に対して行い水質変成プロセスを検討した.また二次変成プロセスに注目して,コンドリュールのアルカリ年代測定を行った結果,報告されている鉛年代と比較して有意に若い年代を得た.隕石を用いた局所分析的手法の確立をめざした。以下に研究実績の概要を箇条書きにする。・大きなコンドリュールを含む,隕石母天体での水質変成・熱変質の比較的少ないアレンデ隕石を用いたマウントを多数作成した。マウントにあたりレズンの化学組成を検討した。また洗浄法について検討,汚染を減らす事に成功した。エレクトロン・プローブを用いて試料のシステマティックな元素マップを作成し,岩石学的な記載を行った。・二次イオン質量分析法を用いた微小分析法の技術的開発を行った。再現性と精度を向上させるために自動ピーク・センタリング手法を確立した。また標準試料を系統的に分析するための自動ステージ移動ルーチンの開発を行った。この結果0.05%(±1σ)の分析精度を確立した。・酸素同位体分析における確度を向上させるために標準試料の作成を行った。酸素同位体組成の異なる試料を合成するために,酸素スパイクの作成を行った。内圧式ガス圧装置を用いSiO_2粉末と^<18>Oに富んだ水を反応させ^<18>Oに富むSiO_2スパイクを作成した。また天然のかんらん石スピネル,ジルコン,マグネタイト,輝石を用いた酸素同位体標準試料を作成した。それぞれについて二次イオン試料分析法を用いて0.1%での均一性を確認し,レーザー加熱型ガス質量分析法を用いて同位体組成を求めた。・酸素同位体と軽元素,希土類元素を組み合わせた隕石分析を行うために軽元素と希土類元素の分析手法の確立を試みた。軽元素の元素存在度の検出限界を20ppbにまで下げる事ができた。・上記で準備した隕石試料と標準試料を用いて,軽元素の定量分析と同位体分析を行った。引き続き酸素同位体組成を求める予定である。これらの試料の同位体組成は昨年度作成したスパイクを用いて変化させ,実際の同位体組成はレーザー加熱型ガス質量分析法を用いて0.1‰の精度で求めた.*上記の試料を用いて,コンドリュール・ガラスの酸素同位体分析を行った.酸素同位体組成と比較し二次変質の影響を受けやすいアルカリ元素の局所同位体分析を同一試料に対して行い水質変成プロセスを検討した.また二次変成プロセスに注目して,コンドリュールのアルカリ年代測定を行った結果,報告されている鉛年代と比較して有意に若い年代を得た.
三次元流体解析による脳動脈瘤の発生危険度と破裂危険度の予知

脳動脈瘤の成因のひとつとして、血管壁にかかる壁面せん断応力(wall shear stress)の関与が過去の報告で示唆されている。脳動脈瘤の好発部位である血管分岐部近傍にかかる壁面せん断応力が、血管径や血管分岐角の違いによってどのように変化するのかを明らかにするため、数値流体力学(computational fluid dynamics : CFD)の手法を用いて検討した。3D-CADソフトウエアを用いて作成した三次元Y字管モデルを熱流体解析ソフトウエアに移植して解析した。Y字管モデルは1本の親管と、血管径および分岐角を変化させた2本の娘管を組み合わせ、計15種類のモデルを作成した。解析結果から、分岐角が大きくなるほど壁面せん断応力は高くなる傾向が示唆された。また、2本の娘管の血管径を1:1から1:2に変化させると、分岐直後の壁面せん断応力は細い娘管側で高くなる傾向が示唆された。よって、脳動脈瘤は分岐角の大きい細い分岐血管寄りに発生しやすいと考察される。次に、動脈瘤様の半球形構造をY字管の分岐部に接続した、三次元脳動脈瘤モデルを3D-CADソフトウエアを用いて作成した。瘤の大きさやアスペクト比を変化させたバリエーションを作成し、熱流体解析ソフトウエアで同様に解析を行った。この解析結果については再検証の上、学会等で報告する予定である,また、これら単純モデルでの解析結果に基づき、今後は実際の脳動脈瘤症例においても検証する予定である。このために医用画像DICOMの3次元ボリュームデータ処理ソフトウエアと可視化ソフトウエアを導入し、臨床症例の数値流体解析を開始している。
腰痛に対する理学療法実践の筋電図学的根拠となる立位・座位時の屈曲弛緩現象の研究

静的な屈曲弛緩現象として体幹前傾保持中の体位(立位、座位)、構え(直立したupright、脱力したslump)、体幹前傾角度(8水準)の3要因の違いが背筋群の筋活動に及ぼす影響を検討した。結果、体幹前傾角度が深いほど筋活動量が増加し、座位よりも立位での筋活動量が高値となった。座位での筋活動量は立位よりも浅い前傾角度の段階で一定となり、slump座位では特に低値を示した。以上のことから、立位では深い前傾まで背筋群の筋活動が必要となるリスクと、座位では浅い前傾での過剰な筋活動は筋性腰痛の可能性があり、いわゆる不良肢位であるslump座位が長期化すると筋萎縮による腰痛発症のリスクが示唆された。立位と座位での屈曲弛緩現象について、静的に体幹屈曲保持中の屈曲角度の違いで比較検討し、背筋群をリラクゼーションすべき角度、逆に背筋群の筋活動を賦活させ脊柱安定化すべき角度、この両者が立位と座位で異なるか否かを明確化することによって、姿勢と角度で痛みが異なる腰痛症者への有用な治療選択基準を確立することを目的に健常者を対象とした筋電図学的な基礎的検討を行った。その結果、体幹の屈曲角度が大きいほど筋活動量も増加し、全ての条件において座位よりも立位での筋活動量が高い値となった。また座位での筋活動量は立位の状態よりも浅い屈曲角度の段階で筋活動量が一定となった。屈曲弛緩現象について筋電図以外の知見としては筋圧の検討があり,ある一定の屈曲角度からは筋圧が一定値をとるとされ、脊柱の支持機構が筋系から靱帯系に移行したものとされる。今回、姿勢保持が深屈曲位になるにつれ筋活動は増加するが、ある屈曲角度以降では筋活動量が有意に増加しない結果となった。これは筋圧の報告と同様に筋系から靭帯系へ支持機構が移行した可能性が考えられた。また立位と比較して座位では多裂筋を含めた脊柱起立筋群の筋活動が浅い屈曲角度位保持の段階で既に変化しなかったことは靭帯系への移行が座位ではより早期に行われていた可能性が考えられた。以上のことから、座位では背筋群をリラクゼーションすべき角度が立位よりは浅く、逆に立位では深屈曲位まで背筋群の筋活動を賦活させて脊柱安定化をはかるべきであることが示唆された。動作速度や動作筋電図計測の限界の影響を受けづらい静的な筋活動での量的指標となりうる本結果は、静的保持により生じうる姿勢性腰痛に対する理学療法手法選択の有益な一指標になりうる点で意義があると考えられる。屈曲弛緩現象について、体位(立位と座位)、構え(骨盤中間位で直立させたuprightと骨盤後傾位で脱力させたslump)、体幹前傾角度(8水準)での違いを筋電図学的に比較検討した。腰痛既往のない健常成人30名(平均年齢23.9歳)を対象とした。胸・腰部背筋(UES・LES)、多裂筋(MF)、大殿筋(GMa)、大腿二頭筋(BF)を導出筋として表面筋電計で筋活動を測定し、最大随意収縮時の筋活動量で正規化した%MVCを算出した。結果、FRPは座位での出現角度が立位の半分の段階となり、特にslumpではその傾向が強まった。Slump座位では浅い前傾の段階から背筋群の活動張力よりも静止張力や靭帯性の支持に移行していた可能性が考えられた。Slump座位での背筋群は体幹前傾角で筋活動量に差がなく、その値も低値であったことから、この姿勢での背筋群はリラクゼーションしているべきであり、筋が過活動を呈している場合は過剰収縮による腰痛を検討する必要性が示唆された。Slump座位よりも、upright立位、slump立位、upright座位では体幹前傾に伴って筋活動量が高まり、やがて筋活動量が一定となったことから、筋活動が弱化した腰痛症者では体幹前傾の早期段階で筋を賦活させることが有効になりうると考えられ、筋活動が不十分な場合は外乱などに対する体幹部の支持性の破綻が腰痛発生のリスクとなりうることも考えられた。26年度が最終年度であるため、記入しない。理学療法学26年度が最終年度であるため、記入しない。計画通り進行し、結果の一部について論文化、学会発表を行った。また研究内容の一部を講演にて紹介したため順調に進展していると考える。

初年度から発展させ、運動課題を直立した姿勢からだけではなく、脱力した姿勢から、体幹を多段階の屈曲角度にて保持させる運動とする。
レーザーカオス光励起による光化学反応の高効率化

1.高出力なカオス光と云う点からモード同期レーザーで励起した同期励起色素レーザー系で, periodic-doubling→多重周期発振→カオスの径路の可能性について基礎実験を試みた.また,レーザーカオスの特性指数を検討した.2.同期励起色素レーザーでのカオス光発生:励起用レーザー共振長L,同期励起色素レーザーのそれをlとすると,色素レーザーのパルス発生繰返し周波数fは励起レーザーのそれFのm/n=L/l倍となる.励起光が十分大きいとn=1となり整数m倍の周波数の多重パルスを得る.カオス光発生の一つの径路であるパルス列多重化は共振器長の調整と励起の増して観測できる.モード同期ガラスレーザー(L=1m)の第2高調波(530nm)でロダミン6G色素レーザ(l=0.5m)を同期励起し,共振器長整合をとり励起光強度を増大させて色素レーザーパルス列を観測した.(1)厳密に共振器長整合(l=L/2)のとき最短20PSのパルス幅を得た.(2)励起光偏光面に平行なパルス成分I〓はレーザー発振閾値を少し越えた所でパルス幅が最短となる.垂直成分I〓は閾値入力の約10倍附近でパルス幅が最短となる.その間偏光度Pはほゞ一定値を保ちながら僅かに振動している. (3)このように励起光強度の大きい所ではガラスレーザーのパルス数の2倍の色素レーザーパルス列が観測されていて, periodic-doublingの検証を行っている.3.レーザーカオス光の特性指数:種々のフラクタル次元のうち,観測できる変数が1つのときは, 2点間相関積分を出力時系列の観測から実験的に求め,それから相関次元D2及び2次エントロピーK2を特性指数にとるのが有効であり,さらに一般化次元Dq,高次エントロピーKqを用いてカオス状態を比較することを検討している.むすび:同期励起色素レーザーで高出力カオス光の発生観測と特性指数の決定を行い,多原子分子の励起光として用い光学的応答による分光実験を行う予定である.1.高出力なカオス光と云う点からモード同期レーザーで励起した同期励起色素レーザー系で, periodic-doubling→多重周期発振→カオスの径路の可能性について基礎実験を試みた.また,レーザーカオスの特性指数を検討した.2.同期励起色素レーザーでのカオス光発生:励起用レーザー共振長L,同期励起色素レーザーのそれをlとすると,色素レーザーのパルス発生繰返し周波数fは励起レーザーのそれFのm/n=L/l倍となる.励起光が十分大きいとn=1となり整数m倍の周波数の多重パルスを得る.カオス光発生の一つの径路であるパルス列多重化は共振器長の調整と励起の増して観測できる.モード同期ガラスレーザー(L=1m)の第2高調波(530nm)でロダミン6G色素レーザ(l=0.5m)を同期励起し,共振器長整合をとり励起光強度を増大させて色素レーザーパルス列を観測した.(1)厳密に共振器長整合(l=L/2)のとき最短20PSのパルス幅を得た.(2)励起光偏光面に平行なパルス成分I〓はレーザー発振閾値を少し越えた所でパルス幅が最短となる.垂直成分I〓は閾値入力の約10倍附近でパルス幅が最短となる.その間偏光度Pはほゞ一定値を保ちながら僅かに振動している. (3)このように励起光強度の大きい所ではガラスレーザーのパルス数の2倍の色素レーザーパルス列が観測されていて, periodic-doublingの検証を行っている.3.レーザーカオス光の特性指数:種々のフラクタル次元のうち,観測できる変数が1つのときは, 2点間相関積分を出力時系列の観測から実験的に求め,それから相関次元D2及び2次エントロピーK2を特性指数にとるのが有効であり,さらに一般化次元Dq,高次エントロピーKqを用いてカオス状態を比較することを検討している.むすび:同期励起色素レーザーで高出力カオス光の発生観測と特性指数の決定を行い,多原子分子の励起光として用い光学的応答による分光実験を行う予定である.
巨大ヘモグロビン複合体の構造生物学

能登半島九十九湾の水深25m付近に生息する無脊椎動物Oligobrachia mashikoiは口も消化管も無く、共生する細菌が化学合成する有機物を利用してエネルギーを獲得する有鬚動物である。宿主のヘモグロビンは細胞外に存在し、分子量が約45万と巨大であり、酸素だけでなく共生細菌に硫化水素を運搬するという特徴ある機能を有している。本研究では巨大ヘモグロビン複合体の結晶化と立体構造の解明により超分子複合体形成の生物学的意義を解明することを目的に、本タンパク質の結晶化とX線結晶構造解析を試みた。その結果、(1)Oligobrachia mashikoi巨大ヘモグロビンの結晶を得るために様々な条件でハンギングドロップ法を用いて結晶化に取り組み、前年度より大きな結晶を得ることに成功した。(2)京都大学理学部三木邦夫教授との共同研究により、同結晶をガラスキャピラリに封入し、室温でのX線回折実験を行った。その結果、最大で4Å前後の回折像が観測された。しかしながら、室温での測定でもありX線による損傷のため、フルデータを収集するには至らなかった。一方、鹿児島湾に生息する有髭動物LamellibrachiasatsumaはOligobrachia mashikoiと異なり、分子量45万と400万の2種類のヘモグロビンを持つ。本研究では、両ヘモグロビンの結晶化を試みたが、分子量45万ヘモグロビンの結晶は得られなかった。一方、分子量400万のヘモグロビンに関しては良好な結晶が得られた。しかしながら、この結晶は温度感受性が高く、また、分子量400万としては、その大きさが微小な為に未だにX線回折像は得られていない。能登半島九十九湾には、マシコヒゲムシと呼ばれる有鬚動物が生息する。マシコヒゲムシは、食べることを放棄し、口も消化管も肛門もない世界的にも貴重な動物である。マシコヒゲムシは数千メートルの深海の熱水噴出孔付近に生息するハオリムシと同じ仲間であり、ハオリムシが硫化水素を酸化して得られる化学エネルギーを利用して炭酸固定を行う化学合成細菌を持つことから、マシコヒゲムシも類似した細菌を有し、それがつくり出す有機物を栄養源にしていると考えられている。本研究は、宿主には酸素、共生細菌には硫化水素を供給するという哺乳動物のヘモグロビンとは異なる機能を有する巨大ヘモグロビンの構造機能相関を解明することを目的として、本年度は立体構造解析に必要な結晶の調製を試みた。マシコヒゲムシの巨大ヘモグロビンの分子量は約45万であり、巨大であることから、Sephacryl S-300(50mMTris-HCl, pH8.0+0.2MNaClで平衡化)によるゲルろ過を2回行なうことにより、電気泳動的均一にまで精製することができた。精製したヘモグロビンを76mg/mlまで濃縮した後、HAMPTON RESEARCH社の結晶化スクリーニングキットによりハンギングドロップ蒸気拡散法により結晶化条件を検討したところ、0.1M Imidazole pH7.0+1.0M Sodium Acetate trihydrateで再現よく結晶を得ることに成功した。さらに、蛋白溶液と結晶化バッファーの混合率、pH、蛋白質濃度等の条件を検討したところ、種々の型の結晶を得ることに成功し、現在は、シツテングドロツプ法での結晶化を試みている。
化学発光基質を用いたin situ hybridization高感度検出系の開発

In situハイブリダイゼーションの検出系には、ブローブに放射性同位元素を標識しオートラジオグラフィーで検出する方法や、プローブに何らかの分子を導入しそれを抗体等で検出して最終的に酵素基質反応で可視化する方法などが採られている。今回試みた化学発行基質はフィルターハイブリダイゼーションにおいて最近用いられるようになり、放射性同位元素を使わないという利点があるとともに高感度である。化学発行基質の組織学的検出系への応用という観点から考えると、既に広く用いられている酵素抗体法においても同様に応用され得るはずである。この点に着目して、まず酵素抗体法で予備検討を行った。対象として手術材料から得られたヒト扁桃を用い、ホルマリン固定、パラフィン包理切片を作製し、細胞増殖マーカーであるPCNAまたはMIB-1の1次抗体希釈系列を反応、2次抗体にペルオキシダーゼまたはアルカリフォスファターゼ標識抗体を用い、基質として前者にはECL検出試薬(Amersham)を後者にはスマイライトルミステイン(住友金属)を反応させた。化学発光の検出にはArgus-50/VIM3(浜松ホトニクス)を用いた。通常の光学顕微鏡レベルの酵素抗体法では1次抗体至適希釈倍率は500倍であったが、化学発光基質をではいづれの基質を用いた場合でも5000倍から10000倍が適当であり、それより濃いと非特異的発光が強く見られた。すなわち常法より10倍から20倍の検出感度が得られた。次に、ヒト子宮頚部組織を用いパピローマウイルスDNAに対するプローブを用いたin situハイブリダイゼーションで検討を行い、本法が検出系として応用可能であることを確認した。すなわち、化学発行基質の組織学への応用により、放射性同位元素を用いない高感度検出系を確立可能であることが示された。今後、検出に用いる装置の簡略化および分解能の向上がより進めば、組織学の分野でも広く用いられる可能性のある方法と考えられる。
サブ臨界密度プラズマ中での磁気渦の生成消滅過程の解明と荷電粒子加速への展開

本研究では、1.プラズマ中の磁場計測、2.クラスターターゲットの評価、3.プラズマシミュレーション、の3項目を効果的に融合させ、クラスターを含むプラズマ中での磁気渦生成の最適条件、磁場に蓄えられたエネルギーが効果的にイオンのエネルギーに変換される条件を探り、レーザー駆動イオン加速の高エネルギー化(核子あたり80MeV以上)のための手法を開発することを目的としている。H22年度は、1.プローブレーザー光のファラデー効果を利用した磁場計測法、及び、プロトンバックライトを用いた電磁場計測法に関する検討を行い、2.散乱法・干渉法によるクラスターターゲット評価装置の設計を行った。3.プラズマ粒子シミュレーションでは、レーザー(波長800nm、レーザー強度3×10^<19>W/cm^2)に照射されたクラスターの電離過程、エネルギー吸収過程、クラスター崩壊過程の詳細を解析し、イオン加速におけるクラスター半径依存性を評価した。その結果、半径が200nmの時は、クーロン爆発と両極性拡散が重畳し、大きな加速(核子あたり16 MeV程度)となることが分かった。また、H22年3月に実施したクラスターターゲットによるイオン加速実験結果の解析を進めるため、原子力機構高崎研のTIARAイオン照射施設を用いた固体飛跡検出器(CR-39)の校正実験を実施した。その結果、核子あたり50 MeV程度のエネルギーを有するヘリウムイオンが生成している可能性が高いことが示された。さらに、トムソンパラボラ、蛍光スクリーン、及び、CCDカメラを組み合わせたリアルタイムイオン検出器の動作試験に成功した。なお、本研究は、最先端・次世代研究開発支援プログラム(課題名:革新的レーザー駆動イオン加速手法の開発)に採択されたことによる重複受給制限のため、H23年度以降は辞退となる。
東アジア(日本・韓国・中国)における在宅での家族看護実践に関する国際比較研究

文化に感受性の高い看護実践への示唆を得ることを目的として、在宅での家族看護実践にみられる看護師の行動差に関する国際比較研究(日本・韓国・中国)を実施した。文献検討や各国におけるインタビュー調査から家族看護実践における看護師の行動差を把握するための質問紙を作成し、それを用いて病院や在宅で働く看護師に質問紙調査を実施した。以上の取り組みから、各国の家族看護実践における文化的特徴を考察した。平成20年度は、家族看護実践における看護師の行動差を把握するための各国語版の質問紙調査に用いる質問項目の作成、および、次年度の質問紙調査に向けた先方国の研究者との調整を行った。具体的には以下のことを行うことにより、次年度の質問紙調査実施のための準備を整えることができた。1.文献検討、インターネット検索、筆者の先行研究の再分析により、日本・韓国・中国の各国の社会的・経済的背景、保健医療システム、看護教育制度・資格制度、および、3力国間における看護師の行動や意識の違いについて、情報の収集と分析を行った。2. 1.をもとに、インタビューガイドを作成し、日本・韓国・中国の3力国において、家族のあり方や家族看護実践における日本と韓国/中国との相違点に関するインタビュー調査を行った。具体的には、韓国については、韓国に在住する日本人(日本での看護師経験をもつ者を含む)および韓国人合計18名、中国については、日本に在住する中国人看護師(日本で看護学の学習・研究を行なっている者)3名と日本への留学経験をもつ中国人医師2名のあわせて5名へのインタビュー調査を実施した。3.韓国および中国に赴いて先方国の研究者と面会し、次年度の質問紙調査実施に向けた調整、および、筆者と行った先行研究の分析結果に関する討議を行った。日本と韓国/中国間に違いのみられた項目について、その違いが対象者の教育背景、看護実践経験、文化的背景など、どのようなものに影響を受けているのかについてディスカッションを行い、3カ国間の看護の相違点について考察を深めることができた。2年計画で行う本研究の最終年度である今年度は、昨年度の調査結果を基に作成した家族看護実践における看護師の行動と信念を把握するための質問紙を用いた調査の実施、韓国/中国の看護研究者との意見交換、昨年度のインタビュー調査の学会発表を実施した。1.インタビュー調査から得られたデータを日本と韓国/中国との相違に焦点を当てて分析した結果、家族観については、《家族の入院中の付き添い》《親の介護に対する子の責任》《家族員間のコミュニケーションのオープンさ》《入院中の患者ケアにおける家族のかかわり》など、家族看護実践については、《付き添う家族に期待する役割》《付き添う家族への看護師の気配り》《患者・家族に看護師自身の情報を開示する程度》などの違いが見出された。この結果について、文化看護学会第2回学術集会にて口演発表を行った。2.家族看護実践における看護師の行動と信念を把握するための質問紙を作成し、調査を実施した。対象は高齢者への看護を実施している看護師とし、家族看護実践における行動と信念を尋ねる質問項目は病院看護師74項目、訪問看護師62項目であった。質問紙を関東近県の訪問看護師408名、病院看護師310名に配布し、訪問看護師148票(回答率36.3%)、病院看護師240票(77.4%)の回答が得られた。3.翻訳した調査票を用いて韓国/中国の研究者と討議した結果、韓国では日本のように介護サービスが充実していないため療養場所の選択肢がないこと等システムの違いや家族看護の概念が様々であることが指摘された。そのため、韓国/中国で働く看護師に調査票を用いて回答を求めることに加え、家族看護に関する意見の聴取を引き続き行う。以上の取り組みを通じ、日本の家族看護実践の特徴及び、日本・韓国・中国の家族看護のあり方の一端が明らかになった。
室温・大気中グラフェンナノリボン合成とトランジスタ応用

グラフェンは高い電荷キャリア易動度を有することから、高速電子素子への応用が期待されている。しかし、バンドギャップを有さないために、スイッチング素子応用に適さないという大きな欠点を有する。これに対し、極細のグラフェン(グラフェンナノリボン)は量子閉じ込め効果により有限のバンドギャップを有するため、スイッチング素子応用が期待されている。そのため、これまでに数多くのナノリボン合成手法が報告されてきた。本研究は、グラフェンナノリボンを室温・大気中にて合成可能な新規手法の開発と、得られたナノリボンのトランジスタ応用を目指すものである。本手法は、研究代表者がこれまでに見出した新規現象「ゲート制御型端選択的グラフェン光酸化」を用いる。この現象は、動作中(即ちゲート電圧・ドレイン電圧を印加中)のグラフェン電界効果トランジスタに対し紫外光照射を行うと、グラフェンの端から中央部へと酸化が進行していくというものである。酸化グラフェンは絶縁体であるため、酸化の進行を全酸化の直前で停止させれば、グラフェンナノリボンを残すことができると期待される。本現象は室温・大気中という穏和な条件下で発現するため、熱に弱い柔軟性基板上でもナノリボン合成が可能になると期待される。まず、ゲート制御型端選択的グラフェン光酸化における種々の実験パラメータの影響を調査し、当該現象の概形を理解した。これにより再現性高く当該現象が発現する実験条件(負ゲート、有限のドレイン電圧、高湿環境、長チャネル、長めの紫外光照射前待機時間など)に設定することで、本手法によるグラフェンナノリボン合成を目指した。その結果、トランジスタの室温での電流オンオフ比を3から50程度へと向上させることに成功した。これはグラフェンナノリボン化によるバンドギャップ導入の成功を示唆するものである。27年度が最終年度であるため、記入しない。これまでの予備的研究により、光酸化の進行が電極接合部において遅いことを確認している。従って、電極接合部の影響を正しく理解することが望まれる。今年度、層間ポテンシャル差異によりバンドギャップ形成が可能な二層グラフェンを調査した。表面吸着子等からの界面電荷移動によってもポテンシャル差異導入は可能であるから、電子デバイスに必須の電極接合においても形成されるはずである。そこで、バンドギャップ形成に伴って期待される超線型な電流電圧特性に着目し、二層グラフェンの電極接合部におけるバンドギャップ形成の確認に初めて成功した。本研究は、グラフェンの光酸化による端からの絶縁体化を用い、非絶縁体グラフェンチャネルの狭細化を狙う。そこで、酸化度の影響を調査するために、水中紫外光照射と200°Cの真空加熱により形成した低酸化度グラフェンの外来水分子吸着センシングを調査した。高感度検出には、紫外光照射直後の高濃度pドープ状態ではなく、電荷中性点付近の状態が望ましい。0.024%の酸化度では上記の真空加熱によっても高pドープのままであったが、0.01%という極低酸化度では電荷中性点付近の状態が容易に実現され、また、pristineなグラフェンよりも検出感度が高いことを確認できた。

まずは「ゲート制御型端選択的グラフェン光酸化」の各種パラメータに対し、酸化進行速度がどう依存するかを詳らかにしなくてはならない。これまでに、負のゲート電圧でのみ酸化が進行すること、大きなドレイン電圧で進行速度が速まること、周囲環境の相対湿度(空気中の水蒸気量)が多いほど酸化度が高いことを見出しているが、まだナノリボンを得るまでには至っていない。しかし、本現象にも大きな影響を与える電極接合に関して二層グラフェンの電極接合部におけるバンドギャップ形成の実験的証左の初観測に成功するとともに、光酸化グラフェンの酸化度の影響に関して極低酸化グラフェンが水分子吸着センサとして有効であることを示している。これらは当初の研究計画には無かった進展である。以上を総合的に判断し、上記の自己評価とした。27年度が最終年度であるため、記入しない。今後はナノリボン化の達成に向け、主に残された他のパラメータについて調査することで、エッチングレートの精密制御を達成する。また、基板表面状態の影響を知るために、二酸化ケイ素基板表面の疎水化処理を行うとともに、昨年度末に導入したアライメントステージを用い、種々の基板上に転写したグラフェン層を利用して調査する。更に、形成したグラフェンナノリボンを用いたFETのバンド構造を決定するために、ロックインアンプを導入し高感度分光測定に挑戦する。
三次元知覚の脳内過程の無侵襲計測とモデル化

両眼視差融合にともなう誘発脳波と脳磁気の計測およびそれらを用いた逆問題解法による人間の3次元知覚の情報処理過程の一端を解明する目的で以下の装置の作製と実験をおこなった。(1)脳波多点計測デ-タから脳内活動を電流双極子近似で表現する逆問題を解くためには16点計測では不十分であることが明らかになってきたのでこれに対処するために32点計測が可能なシステムをパ-ソナルコンピュ-タ(NEC9801)を中心にして構成した(このような機能を持つシステムは市販されてはいるが価格および脳磁デ-タの処理系との整合を今後取って行くために自作した)。(2)偏向型立体表示システムを駆動するための多義性のある3次元知覚を生ずるランダムドットステレオグラムを生成するプログラムを作成した。これらを用いて視差融合時と融合再構成時の誘発脳波パタンの比較を可能にする呈示パラダイムを考案し脳波計測とその処理を継続中である。(3)SQUIDによる脳磁気測定のために上記(2)のランダムドットステレオグラムを磁気シ-ルドル-ムに導入・呈示するための装置を試作中である。これは非金属製で可撓性をもつ必要があるためオプティカルファイバと非磁性体製の支持系をもつレンズ系を組み合わせたものであるがオプティカルファイバの価格の関係上呈示画面を縮小せざれをえずその限界を探索するために計画実施が多少遅滞している。
論理的文章改訂支援のための文章解析手法に関する研究

本研究では,文章理解手法の具体的な応用課題として,論文・技術資料などの論理的な文章の作成を支援するシステムの研究を行った.このシステムは,接続詞などの表層表現をキ-として,文のタイプを判断し,拡張文脈自由文法による解析をチャート法により行って,文章構造を判定する.あいまいさを含む解析結果を使用者に提示するユーザインタフェースをエディタNEmacs上に作成した.筆者は表示された文章構造を見て,自分の意図した構造が現れなかった場合には,もう一度文章を読み直し,問題があれば改訂を行う.作成した構造解析プログラムおよび文章改訂支援のためユーザインタフェースを,論文作成の熟練者(博士後期学生,教官)および初心者(卒論学生)に使用してもらい,性能評価を行った.次に,同様の改訂作業を熟練者および初心者に手作業で行ってもらい,プログラムを利用した場合との比較を行った.これらの実験,調査結果から,初心者の文章は,1文当りの最大語数・文字数が熟練者のものに比べかなり大きい,並列などのあいまい接続表現・関係が比較的多い,1文1段落の場合説明が不足していることが多いことが分った.また,熟練者による改訂作業は早期の稿であるほど接続関係に注目していることが分った.改訂実験からは,文章構造を表層表現に基づいて解析した結果をユーザに提示することで,ある程度の改訂支援が可能であることが分った.本研究では,文章理解手法の具体的な応用課題として,論文・技術資料などの論理的な文章の作成を支援するシステムの研究を行った.このシステムは,接続詞などの表層表現をキ-として,文のタイプを判断し,拡張文脈自由文法による解析をチャート法により行って,文章構造を判定する.あいまいさを含む解析結果を使用者に提示するユーザインタフェースをエディタNEmacs上に作成した.筆者は表示された文章構造を見て,自分の意図した構造が現れなかった場合には,もう一度文章を読み直し,問題があれば改訂を行う.作成した構造解析プログラムおよび文章改訂支援のためユーザインタフェースを,論文作成の熟練者(博士後期学生,教官)および初心者(卒論学生)に使用してもらい,性能評価を行った.次に,同様の改訂作業を熟練者および初心者に手作業で行ってもらい,プログラムを利用した場合との比較を行った.これらの実験,調査結果から,初心者の文章は,1文当りの最大語数・文字数が熟練者のものに比べかなり大きい,並列などのあいまい接続表現・関係が比較的多い,1文1段落の場合説明が不足していることが多いことが分った.また,熟練者による改訂作業は早期の稿であるほど接続関係に注目していることが分った.改訂実験からは,文章構造を表層表現に基づいて解析した結果をユーザに提示することで,ある程度の改訂支援が可能であることが分った.本年度は,まず,表層表現を用いた文章解析手法を検討し,その結果を用いて文章構造の解析プログラムおよび文法規則を作成した。これは,接続詞,文末表現,テキスト・フォーマッタのコマンドなどから文の特長を抽出し,これを終端記号として拡張文脈自由文法により解析を行うものである。解析アルゴリズムとしては,チャート法を用いた。次に,この出力を用いる文章改訂支援のためのユーザインタフェースを試作した。これは,UNIX上のNemacsエディタの拡張機能として実現した。学生のレポート作成に使用し,その効果・問題点を明らかにした。文レベルでの曖昧さを検出・指摘するプログラムおよび照応表現の解析アルゴリズムについては検討を行ったが,プログラムとして実現し,システムに組み込むには至らなかった。本年度は,まず,平成5年度に試作した表層表現を用いた文章構造解析プログラムおよび文章改訂支援のためのユーザインタフェースを,論文作成の熟練者(博士後期学生,教官)および初心者(卒論学生)に使用してもらい,性能評価を行った.次に,同様の改訂作業を熟練者および初心者に手作業で行ってもらい,プログラムを利用した場合との比較を行った.これらの実験,調査結果から,初心者の文章は,1文当りの最大語数・文字数が熟練者のものに比べかなり大きい,並列などのあいまい接続表現・関係が比較的多い,1文1段落の場合説明が不足していることが多いことが分った.また,熟練者による改訂作業は早期の稿であるほど接続関係に注目していることが分った.改訂実験からは,文章構造を表層表現に基づいて解析した結果をユーザに提示することで,ある程度の改訂支援が可能であることが分った.しかし,初心者は,実際に論旨の飛躍があるにもかかわらず,接続表現を用いることで一応の完結して見える文章を作成してしまう.そのため,接続表現タイプ毎の機能を調査分類した上で,接続関係にある文がその機能に合っているかどうかを調べることが必要である.また,初心者には,どのように改訂すべきかを指示しないと,現実問題として,より良い文章にはならない.改訂場所の指示だけでなく,改訂方法のヒントが必要であることも明かになった.文レベルでの曖昧さを検出・指摘するプログラムおよび照応表現の解析アルゴリズムについては検討を行なったが,プログラムとして実現し,システムに組み込むには至らなかった.
新規ジルコニア薄膜におけるマルチフェロイック特性の発現に関する研究

本年度は強誘電性ジルコニア薄膜へのドーパント効果を4価イオンまで拡張し、極性付加に関する重要な結果を得た。具体的には添加元素の量に応じて強誘電特性を与えるドメインの発現を整理するため、組成を多岐にわたる薄膜組成の試料をターゲットとなるペレット焼結組成を変えることで作成し、さらに熱処理により結晶化することで所望の酸化物相を得た。これらの薄膜に対する組織ならびに構造評価を原子レベルにまで遡って行う必要があるが、そのため当該研究員は収差補正型透過電子顕微鏡を駆使し、断面方向からのZコントラストならびに動力学的効果を含むコントラストを検証した。これらの結果を電気的応答と対応させ、強誘電性の発現に対する一貫した結論を得た。さらに膜厚効果、基板からの束縛による応力効果に関する研究項目に関しても当初の予想を越える研究成果を出している。たとえば、一定の厚さ以上では強誘電体相は消滅することを実験的に立証しており、最終的な実機化に対するプロセッシング条件の確立のための基本となるデータを出すことに成功した。これらの内容は応用物理学会における口頭発表、セラミックス協会におけるポスター発表などの形で公表しており、現在、論文にまとめている。以上の見解を持って、当該研究員は予想以上の成果を出している者と結論した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。1年目は結晶構造の解明に向けてFe添加ジルコニア薄膜中に準安定Orthorhombic相を形成するための製膜条件を確立することが目標である。そのため、固相反応法を用いてFe2O3粉末の仕込み組成(x)が異なるスパッタリングターゲットを作製し、室温でイオンビームスパッタリング法を用いて(100)YSZ基板上に蒸着した。蒸着した後、窒素雰囲気で急速熱処理を行うことでアモルファス状態の薄膜を結晶化させ、XRDとTEMおよびSTEMを用いて作製した薄膜の結晶構造評価を行った。XRD測定の2theta-omega scanによって、(100)YSZ基板上に作製したnon-dopedのジルコニア薄膜はYSZ基板と同じ結晶構造を表わしてしることが確認された。一方、Fe添加ジルコニア薄膜は薄膜から起因したピークが観察され、Fe添加によってジルコニア薄膜の結晶構造が異なることが分かった。しかし、Fe2O3の仕込み組成による薄膜のピークの変化は観察されなかった。また、XRD結果より安定なMonoclinic相と準安定なOrthorhombic相の相同定は困難であったことからSTEMを用いて詳細な相同定を行った。その結果より、Feを添加することによって準安定なOrthorhombic相が存在していることが分かった。さらに、熱処理温度によるFe添加ジルコニア薄膜の結晶構造変化を調査した結果によって、1000°Cが最適な熱処理温度であることが分かった。以上より、ジルコニア薄膜中に準安定なOrthorhombic相を安定化する条件を検討し、Feを添加することでジルコニア薄膜中に準安定なOrthorhombic相を形成することに成功した。これより、1年目の目標を達成したと考えられ、2年目の目標に向けて研究を行うことで準安定なOrthorhombic相から起因する強誘電性や磁性的特性の検討を行う。1年目は、Fe添加ジルコニア薄膜の結晶構造の解明に向けて、Fe添加ジルコニア薄膜中に準安定なOrthorhombic相を形成するために製膜条件を確立することを目標にした。1年目の目標を達成するために、Feの添加量(Fe2O3粉末の仕込み組成)、熱処理温度のような製膜条件を検討した。これより、(100)YSZ基板上にFe添加ジルコニア薄膜を製膜し、XRDとTEMおよびSTEMを用いて作製したFe添加ジルコニア薄膜の結晶構造を評価した。結晶構造の調査によって、Fe2O3の仕込み組成が0.03でありジルコニア薄膜に準安定なOrthorhombic相が存在していることが観察された。また、窒素雰囲気で1000°C、10分の熱処理が準安定なOrthorhombic相を形成することで最適な条件であることが分かった。これより、1年目の目標であった準安定なOrthorhombic相を形成するための製膜条件を確立することを達成した。さらに、(100)YSZ基板上にFe添加ジルコニア薄膜中に準安定なOrthorhombic相を形成することに成功した。以上の実験から得られた結果を用いて、日本顕微鏡学会学術講演会と日本セラミックス協会2018年年会で参加し、ポスターを発表した。また、応用物理学会秋季学術講演会では口頭発表で得られた結果を報告した。このような成果により、申請者の研究はおおむね順調に進展していると考えられる。さらに、1年目の目標を達成したことから2年目の目標であるFe添加ジルコニア薄膜の電気特性を解明することに向けて研究を進行することが出来ると考えられる。

これらの薄膜に対する組織ならびに構造評価を原子レベルにまで遡って行う必要があるが、そのため当該研究員は収差補正型透過電子顕微鏡を駆使し、断面方向からのZコントラストならびに動力学的効果を含むコントラストを検証した。これらの結果を電気的応答と対応させ、強誘電性の発現に対する一貫した結論を得た。さらに膜厚効果、基板からの束縛による応力効果に関する研究項目に関しても当初の予想を越える研究成果を出している。たとえば、一定の厚さ以上では強誘電体相は消滅することを実験的に立証しており、最終的な実機化に対するプロセッシング条件の確立のための基本となるデータを出すことに成功した。これらの内容は応用物理学会における口頭発表、セラミックス協会におけるポスター発表などの形で公表しており、現在、論文にまとめている。以上の見解を持って、当該研究員は予想以上の成果を出している者と結論した。2年目の目標は、1年目の目標であったFe添加ジルコニア薄膜の作製条件の検討による準安定なOrthorhombic相の形成に成功したことから、Fe添加ジルコニア薄膜の電気特性を解明することを目指す。電気特性を評価するために、固相反応法によりエピタキシャル成長したITO電極(下部電極)を単結晶基板上へ作製する。結晶化温度および結晶化時間を検討し、XRD測定およびTEM観察により、結晶構造と膜質について調査する。さらに、上部電極としてPtを蒸着することで、Fe-ZrO2薄膜を電極で挟んだキャパシタ構造を作製する。強誘電性評価には、強誘電体テスターを用いて、P-Eループを測定する。また、強磁性評価には、SQUIDを用いて、D-Hループを測定する。以上の研究計画を遂行することで、申請者はTEMの操作が上達し、多様な材料の結晶構造評価が可能となると考えられる。1.下部電極作製:強誘電性を評価するために、キャパシタ構造を作製する必要がある。下部電極はYSZ単結晶基板上にエピタキシャル成長可能なITOを用いる。ITO電極は、室温で膜厚50 nmに堆積した後、熱処理温度900-1000oC、時間1-10分で作製条件を検討する。作製条件検討のために基板の購入が必須である。ITO電極は結晶構造を評価するために、XRDとSTEM観察が必須である。また、共同機器の収差補正STEMの使用のために、機器利用費が必須である。2.強誘電性および強磁性評価:強誘電性評価は、強誘電体テスターを用いてP-Eループを測定し、結晶構造と強誘電性の関係を明らかにする。強磁性評価は、SQUIDを用いてD-Hループを測定し、強磁性の起源を明らかにする。そこで、共同機器のSQUID使用のため、機器利用費が必須である。その成果発表のために学会参加旅費と論文投稿費が必須である。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。