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双直交関数系および離散・超離散可積分系の研究とその応用

直交多項式の理論と廣田のタウ関数の理論を用いることで,古典直交関数系と非自励離散可積分系を手がかりに双直交関数系の解析をすすめた.この解析の中で,歪直交多項式に付随する離散可積分系の導出,楕円パンルベ方程式の楕円超幾何関数解の導出とパデ補間の関係を明らかにすることに成功した.また,古典双直交有理関数系に付随する非自励離散可積分系から,3重対角行列束に対する一般化固有値問題に対する減算のない安定なアルゴリズムを与えた.直交多項式の理論と廣田のタウ関数の理論を用いることで,古典直交関数系と非自励離散可積分系を手がかりに双直交関数系の解析をすすめた.この解析の中で,歪直交多項式に付随する離散可積分系の導出,楕円パンルベ方程式の楕円超幾何関数解の導出とパデ補間の関係を明らかにすることに成功した.また,古典双直交有理関数系に付随する非自励離散可積分系から,3重対角行列束に対する一般化固有値問題に対する減算のない安定なアルゴリズムを与えた.本年度は,直交多項式の理論と廣田のタウ関数の理論を用いることで,古典直交関数系と非自励離散可積分系を手がかりに以下の2項目について理論的解析を中心にすすめた。1.【古典直交多項式と可積分系のスペクトル保存変形理論】直交多項式における古典性については,漸化式と微差分方程式の間の双対性や線形汎関数に対する議論など様々な等価な特徴付けがなされている。本年度は,Gomez-Ullate, Kamran, Milsonによって導入された例外型古典直交多項式について解析した.ここではスペクトル保存変形の理論を用いることで,例外型Jacobi多項式および例外型Laguerre多項式に対する新たな導出法とその漸化式構造を明らかにした.特に,5項間以上の漸化式など従来の古典直交多項式では表れない特徴付けを与えた.2.【超離散系への応用】直交多項式の理論を用いた超離散可積分系への応用として,有限格子上の非自励戸田格子方程式の超離散化を与えることに成功した.ここで対応する超離散系としては,長さ制限付きの箱玉系が表れることを明らかにし,従来の速度制限付きの箱玉系との関係を明らかにし,対応する厳密解を与えた.ここで得られた結果,次年度以降の減算のない高精度アルゴリズムの基礎理論を与えるものであり,数値計算アルゴリズムへの応用へとつながるものと考えている.理論と応用をつなぐ重要な役割を果たしている直交多項式をはじめとする特殊関数は、可積分系における基礎方程式の一つである戸田格子と密接な関係を有していることはよく知られている。さらに最近の研究の中で、種々の直交性および双直交性を有する多項式や有理関数についても対応する可積分系が次々と明らかになっている。最近の特殊関数に関連する話題の中で、古典直交多項式の一般化である楕円超幾何関数12V11は特に重要であり、種々の性質に明らかにすることが求められている。本研究では,これまでに累積されてきた双直交関数系および離散・超離散可積分系に関する理論研究とその応用を具体化するために、特に古典性を有する直交関数系について、離散可積分系理論を用いて解析を進めることで以下の成果を得た。1.【歪直交多項式の離散スペクトル変換に付随する離散可積分系】パフィアンで表される歪直交多項式に対して、直交多項式において有用であったクリストッフェル変換を導出し、そのコンパクトな表現を与えた。さらに、逆変換も導入することで対応する離散可積分系を与えた。この離散系は、Pfaff格子の離散類似を与えている。2.【Bannai-Ito多項式の解析】これまであまり直交多項式として議論されることがなかったBannai-Ito多項式の古典直交多項式としての様々な性質を明らかにした。3.【パデ補間とパンルベ方程式】楕円超幾何関数12V11を要素として持つ行列式の比で表される有理関数に対応するパデ補間を明らかにすることで、楕円パンルベ方程式の特解を与えることに成功した。これまでの本研究にて蓄積されてきた双直交関数系および離散・超離散可積分系に関する理論研究をさらに発展させ、その応用を具体化するために、以下の課題について取り組んだ。1.例外型古典直交多項式に関する研究古典直交関数系と離散可積分系の理論を用いることで,例外型古典直交多項式と「超可積分系」との対応関係を明らかにし、例外型ヤコビ多項式をもとに新しい超可積分なハミルトニアンを構成し,その超可積分性の証明を与えた。さらに,例外型直交多項式に対する組織的な構成法を与えることに成功し,これにより例外型直交多項式に対する新しい特徴付けを与え,積分表示や級数表示など具体的に与えた。また,双直交性を有する楕円超幾何関数に対しても、例外型古典直交多項式の観点からの解析を加えた。2.一般化固有値問題に付随する可積分系とアルゴリズムに関する研究2つの3重対角行列によって定式化される一般化固有値問題に付随する離散可積分系としてR2型格子を超離散化可能な形に書き換えることで,超離散R2格子の導出と同時に減算のない高精度計算可能な一般化固有値問題アルゴリズムを提案した。R2型格子の漸近挙動を与えることにより,アルゴリズムの収束も示すことに成功し,具体例によって提案アルゴリズムの速度および制度における優位性を明らかにした。

また,超離散R2格子と従来から知られている速度制限箱玉系(運搬車付き箱玉系)との関係を明らかにするためのの足がかりを得た.まず、双直交関数系に関して、可積分系の解析手法て"ある廣田のタウ関数を組織的に導入することにより、様々な成果が得られている。歪直交多項式、楕円超幾何関数など特に重要な関数系を取り上げて、可積分系やパンルベ系との直接的な関係について明らかにすることに成功している。また、数値計算アルゴリズムなどへの応用であるが、現在までのところ、理論の進展に合わせて基礎的理論を構築している。ここでは、箱玉系と双直交関数系との関係が明らかになっており、実際に一般化固有値問題などとの理論的な対応関係に関する理解が深まった。以上の成果を総括するとおおむね順調に研究計画は進展しているといえる。24年度が最終年度であるため、記入しない。これまでの本研究にて蓄積されてきた双直交関数系およひ"離散・超離散可積分系に関する理論研究をさらに発展させ、その応用を具体化することが今後の方針である。この方針を具体化する方策として、まず、双直交関数系の理論を古典的な直交多項式の一般化としての例外型直交多項式、1型直交多項式、多重直交多項式について代数的、固有関数なと"廣田のタウ関数の観点から研究をすすめていく。さらに、双直交関数系に付随する超離散可積分系の理論から、対応する数値計算アルゴリズムを定式化し、数値実験などを通じて汎用的なツールの構築を目指す。
近赤外ファブリ・ペロー分光器の開発と大質量星のスペクトル同定観測

本研究では、星団や銀河形成においてその膨大な放出エネルギーや終末期の超新星爆発の結果として周辺環境へ多大な影響を及ぼす大質量星に関して、主に近赤外分光観測からその形成と進化について解明することを目的としている。本課題の結果として、miniTAO近赤外線観測装置を用いた観測データから、大質量星クラスターの構成要素の分類や特有のタイプの大質量星の質量放出に関する新しい知見が得られた。また、平行して新たな分光器の基礎開発も行い、期待されていならがこれまで実運用例がほとんどない冷却波長走査型面分光装置開発に向けた技術要素(低温における光学素子の駆動手法)を確立した。平成25年度は研究実施計画に記載したファブリ・ペロー分光器作成のための基礎設計を行った。分光素子であるエタロンが近赤外分光に最適化された条件(波長域、使用温度)を満たすための素材・反射面成膜条件・ウェッジ角などの設計である。またエタロンを駆動するための機械的検討(支持機構、駆動素子、ギャップ測定・制御機構)も行った。このうち、光学素子の基本設計は終了している。しかしそれを保持・駆動するための機構について、複数のメーカー、機種について仕様を満たす性能を有するかどうかなどを検討したが、現在迄に技術的な問題もあり、最終的な製作に至っていない。現在この技術課題に関して素材や製造レベルでの再検討を行っている。もう一つの研究計画の一つである大質量星探索サーベイは引き続き遂行している。国内での観測として県立ぐんま天文台・150cm望遠鏡搭載の近赤外線カメラを用いた、主に北天での大質量星クラスターをターゲットとしたサーベイ観測を行った。前年度までに新たに内挿した[CIII], Brγ輝線のピックアップを目的とした近赤外狭帯域バンドフィルターも用いている。観測条件(天候など)や観測装置の不具合などもあり、新発見となるデータの取得はできていないが、サイトの観測時間のフレキシビリティを活かして今後も観測を継続する予定である。さらにチリ・アタカマにある東京大学mini-TAO望遠鏡近赤外線カメラ(ANIR)を用いた観測も行った。これまでに大マゼラン雲内の大質量星クラスターサーベイを行ってきた。近赤外狭帯域2バンドと広帯域Ksバンドの3色を用いることで、進化段階の異なる複数領域のクラスターについて、星の構成成分の違いを明らかにすることに成功した。この結果については現在論文としてまとめている。さらに25年度は、金属量が少ない小マゼラン雲内の星団の観測も行っており、これについては現在解析を進めている。平成26年度は研究実施計画に記載した内容のうち、開発の部分については分光素子の駆動系の検討・設計を主に行った。低温・真空で用いられるため、駆動には非接触型の駆動素子を用いる必要がある。これには別の共同研究で行っているボイスコイルモーター(VCM)の利用を進めている。試験用VCMは入手済みで単体での性能・特性評価試験の結果、分光素子駆動系として利用可能であることを確認した。さらにプトロタイプのVCMの設計が終了し、現在製作を行っている。動作試験を経て、分光器実機に最適化した駆動機構の製作に移る予定である。研究計画の一つである大質量星探索サーベイ観測については、平成26年度はチリ・チャナントール山頂の東京大学アタカマ天文台miniTAO望遠鏡ならびに周辺環境整備不良、天候等の状況により、計画していた観測を実施することができなかった。しかしながら前年度までに取得したデータが当初の研究目的を補完するものとなっており、その解析を中心に進めた。観測対象は近傍矮小銀河である大小マゼラン銀河内の活発な星形成領域、データは近赤外3バンド撮像観測データで、大質量星クラスターの構成要素決定、クラスター進化における環境依存性への制限という結果が期待されている。また、国内での観測として県立ぐんま天文台・150cm望遠鏡に搭載されている近赤外線カメラを用いた北天の大質量星クラスターの狭帯域撮像観測も継続している。観測装置不具合などもあり、最新の科学的成果につながる結果は得られていないが、不具合の対処や装置の最適化は実施しており、観測に対応できる体制は整えている。新しい科学的成果の報告として、これまで得られた観測について国内外で研究発表を行った。さらにそれらを学術論文として公表すべく、連携研究者ともに投稿論文を作成中である。近年、様々な大質量星および大質量星クラスターの観測サンプルの増大により、より統計的な議論が可能になってきた反面、様々なタイプの大質量星が発見されており、その進化シナリオはこれまで提唱されてきたものと異なる様相を呈している。本研究ではその問題を解決すべく、新しい観測手法を用いた研究を推進している。平成27年度は研究計画に記載した内容の中で、これまで行ってきた大質量星クラスター研究のための探索サーベイ観測の結果について再度データを見直し、詳細解析を中心に行った。我々の観測領域は星間物質による減光が大きな領域であることが特徴的である。これらは物理環境が異なる複数クラスターのサンプルであり、特に金属量に着目した質量放出の議論が可能となっている。現在各領域毎にその特徴をまとめた論文と、質量放出に特化した論文を作成中である。尚、計画書に記載した追加のデータを取得するための観測は、当初予定していた東京大学アタカマ天文台mini-TAO望遠鏡ならびに観測装置、周辺環境整備の不良により遂行することができなかった。研究課題のうち、新規開発項目については以下のような進展があった。

分光器は低温・真空で用いられるため、分光素子の駆動機構として、非接触型の駆動素子を用いる必要がある。平成27年度はその原理としてボイスコイルモータを用いた機構の検討・設計・製作・特性試験を行った。低発熱・低ヒステリシス・高出力等の条件を満たすため、コイルに超伝導線を用いる、また磁石に特殊材料を選択するなどの工夫を行った。性能実証器を用いた試験の結果、材料の物性値や最適な設計パラメータが分かってきた。これを基に要求を満たす駆動機構の基本的な設計概念が構築されつつある。現在は既に設計が終了している光学素子と合わせた最終的な分光器の設計・製作へと進められる状態になっている。提案している研究計画の中、近赤外ファブリ・ペロー分光器の開発が遅れている。この分光器はエタロンと呼ばれる高い面精度を持った2枚の光学素子の平行度を保ちながら変位させることが、高い分光性能を達成・維持するために重要である。同様の目的で開発を行っている他の共同研究では、これを極低温・真空下で行うことが必須である。このような環境で動作させるには、駆動系に対する要求が高いものになる。それにはボイスコイルモータに用いられる線材や磁石の選定は勿論、モータの構造などにも様々なパラメータ出しが必要である。そこで平成27年度は材料の物性を実験的に得るための基礎実験に多くの時間を費やすこととなった。結果として、使用する線材や磁石の物性的な基礎データの取得をすることができ、これは今後開発を行う上で非常に重要な情報となった。新しい観測データの取得については、観測を計画していた東京大学アタカマ天文台の運用体制の制限や観測環境の未整備などにより行うことは出来なかった。必要なデータを取得するのに最適なチリ・チャカントール山山頂に設置されているmini-TAO望遠鏡の運用には多くの事前準備項目と費用が必要である。TAO6.5m望遠鏡の建設が本格化してきた現在、mini-TAOにその費用と人的リソースを投入することは難しい。そのため、新たな観測によるデータ取得は行わず、これまでに取得したデータの詳細解析や他の観測所での観測に方向性を変えることで、本課題の目標達成を考えている。近年、様々な大質量星および大質量星クラスターの観測サンプルの増大により、より統計的・系統的な議論が可能となってきた反面、様々なタイプの大質量星が発見されてきており、その進化シナリオはこれまで提唱されてきたものと異なる可能性が高まっている。本研究ではその問題を解決すべく、新しい観測手法を用いた研究を推進している。平成28年度は研究計画に記載した内容の中で、これまで行ってきた大質量星クラスターの探索サーベイ観測の結果について再度データを精査を行った。我々の観測領域は星間物質による減光が大きな領域であるとともに、物理環境が異なる複数クラスターのサンプルであることが特徴である。そのため特に環境金属量の違いに着目した星の種族や要素数の議論が可能となっている。現在、銀河系内大質量星クラスターおよび大小マゼラン星雲における観測結果を議論中であり、早期の論文化を進めている。
宮座文書における「差定状」の管理史および儀礼史の解明：物質文化研究の視点から

この研究では滋賀県および周辺地域の伝統的な祭祀組織である宮座で管理されてきた文書のフィールドワークを行い、とくに「差定状」とよばれる古いタイプの文書が、さまざまな宗教儀礼をともないながら、宮座組織のなかで長期的に管理されてきたことを見出した。これにより、これまでの研究では中世後期には衰退・消滅すると考えられていた古典的な頭役祭祀が、中近世移行期の村社会でも存続することが明らかになった。調査研究の初年度にあたり、まず近江国(滋賀県)における宮座文書のなかでもとくに古い様式を示す頭役差定文書の実態調査を開始した。県内の野洲市大篠原(大笹原神社)、同三上(御上神社)、守山市幸津川(下新川神社)、多賀町(多賀大社・敏満寺)を中心に、奈良県香芝市・同御所市・同天理市・千葉県市川市・埼玉県越谷市等でも類似する頭屋祭祀儀礼・文書の調査を進めた。このうち野洲市大篠原では頭人差定の現状について調査を実施した。同三上では10月のずいき祭りの詳細な参与観察調査を実施するとともに、長之屋総公文の保管する差定状に関連する現用文書の調査に着手することができた。後者には未紹介の差定原本綴りや頭役帳が含まれており、頭役祭祀における差定主体の文書管理のありかたを復原する有力な手掛かりとなる。さらに守山市幸津川では、淡水魚神饌を用いた神事に関連する「差定書」を新たに見出すことができた。この差定書は神事当日に掲示されるほか、神事の定書(規約)として成文化されたものが書写されるなど、近世には多様な文書管理・儀礼を発達させていることが明らかになりつつある。このほか差定儀礼として早くから知られる多賀町の多賀大社でも、多賀町教育委員会と多賀大社の協力により詳細な神事調査に着手することができた。以上のように、新出の差定関連文書を複数見出すことができたことは、一般に中世後期には衰退・消滅すると考えられてきた古典的な頭役祭祀が、中近世移行期の村社会で意外にも活動的であった事実を明らかにする有力な根拠となる。初年度に計画していた調査地のほぼすべてについて、順調に調査を進めている(ただし当初予定湖北地方は、多賀大社の差定儀礼の調査に代えることとしたが、そのことによる懸念はほとんどない)。とくに勤務地である琵琶湖博物館の立地する湖南地方に調査拠点をおき、安定した調査データの蓄積を進めることが可能になっている。野洲市大篠原の調査に関しては論文公表も順調に進捗しているほか、あらたに着手した守山市幸津川の調査成果の公表にも着手できている。科学研究費補助事業の二年目にあたり、宮座文書のなかでも極めて古い様式を示す頭役差定文書を重点的に調査した。今年度は、鎌倉期からの頭役祭祀で知られる多賀大社(多賀町多賀)の「馬頭人祭」について、多賀町教育委員会・多賀大社による調査事業に本格的に参画した。年頭の差定式に始まる祭祀の全行程を記録し、現在も生きている文書儀礼のモノグラフ作成を進めている。あわせて近世近代期の複数の差定状原本の撮影に着手し、多賀大社の差定システムに関する体系的な研究に弾みをつけることができた。これに並行して、「ずいき祭り」で知られる御上神社(野洲市三上)では、差定状原本を含む未紹介の頭役祭祀文書の整理と目録作成を進めた。同じく「すし切り神事」を伝える下新川神社(守山市幸津川)では、神事の場に掲示される「差定書」と、その背景にある当番組ごとの大量の引き継ぎ文書の存在が明らかになった。奈良県五條市でも、事実上の新出といってよい中世末期「頭文」の原本調査の機会を得たほか、差定文書ではないが、奈良県天理市の大和神社の宮座でも、慶長期に始まる引き継ぎ文書の撮影・調査が実現した。上記の調査から、一般に中世後期には衰退・消滅すると考えられてきた古典的な頭役祭祀が、中近世移行期の村社会でも被差定圏を再編しつつ持続的に展開する過程が具体的に明らかになってきた。これら進行中の調査の成果として、2016年度の期間中に学術論文など数編が刊行されたほか、宮座・頭役祭祀研究に関する総説1編を脱稿した。一方、初期の頭役祭祀文書は存在しないと思われていた関東村落の共同調査でも、千葉県市川市史編さん事業におけるオビシャ調査グループの調査をきっかけとして、近畿地方に匹敵する慶長寛永期のオビシャ文書が相次いで(再)発見された。これについても共同調査の体制を整え、成果を順次公表しつつある。当初計画していた近江国の頭役差定文書については、新出のものを含む複数地点の差定状の調査を順調に継続でき、本研究の課題としていた近江国の差定状の悉皆把握に近づいている。また多賀大社の差定状については、多賀大社・多賀町教育委員会による調査事業との連携により、単なる文書撮影だけでなく、文書に伴う管理・儀礼の全容を記録することができ、差定状の儀礼史・管理史をテーマとする本研究課題にとっては期待以上の調査資料が得られた。これらの研究成果の発信についても、複数の学術誌に公表するなど順調に進んでいることから、近江国における調査は、当初の計画以上に順調に推移していると判断している。なお当初の申請時に調査予定地域としていた湖北地方については、湖南・湖東の調査が順調に進んでいることから、現地調査ではなく文献調査で代えることとしたが、進捗状況を左右するものではないと判断している。

また上記に加えて計画していた近江国周辺の頭役差定文書については、昨年度の香芝市下田の調査に続き、今年度も奈良県の複数地点の「頭文」の調査が実現したことで、やはり計画どおりの知見が得られつつある。さらに当初の計画には含めていなかった南関東地域の村落祭祀組織における文書について、申請者を含む共同調査によって慶長寛永期に遡る未知の文書が相次いで(再)発見され、関東でも初期祭祀文書の管理・儀礼の実態に迫る手がかりを得ることができた。その途中経過は学会分科会で共同報告ずみで、さらに具体的な成果公表の準備も進んでいることから、やはり当初の期待以上に順調に推移しているものと判断した。なお当初の申請課題では福井県若狭地方の差定状調査を計画していたが、資料としては既知のものであり、上記の新出文書調査の緊急度を上回るものではないことから、今年度は実施しなかった。これも全般的な研究の進捗状況を左右するものではないと判断している。科学研究費補助事業の最終年度にあたり、宮座文書のなかでもごく古い様式を示す頭役差定文書について、一部の県内調査を継続しつつ、研究成果をもとにした祭祀組織の変遷像の構築とその公表を進めた。まず鎌倉期からの頭役祭祀で知られる多賀大社(多賀町多賀)の「馬頭人祭」について、新たに多賀大社所蔵文書の検討を行ったほか、近隣の胡宮神社(多賀町敏満寺)でも差定儀礼があることが判明したため、4月の春祭りと1月1日の差定式の調査を実施した。このうち多賀大社所蔵文書は中世近現代の差定儀礼や差定拒否、頭役サイクルの変動などが判明する重要資料である。あわせて2017年度は、中世惣村文書で著名な今堀日吉神社(東近江市今堀)の宮座行事のうち、頭指しや引き継ぎ式を含む年末・年頭の行事(12月3月)を調査し、惣村宮座の体制内でも「頭指し」が儀礼的意味を持ち続ける様相を見出した。このほか御上神社(野洲市三上)、下新川神社(守山市幸津川)、八王子神社(近江八幡市南津田)の文書調査を進め、それぞれ目録等の完成が間近となった。上記の調査から、1一般に中世後期には衰退・消滅すると考えられてきた古典的な頭役祭祀は、中近世移行期の村社会でも持続する、2これに中世後期の惣村宮座(およびそれに由来する長老制の宮座)や近世の「家」を単位とする各種の当屋祭祀が形成・合流する、3その結果、現在の祭祀組織の地域的多様性が構成される、という通史的な変遷像を得ることができた。これらの研究成果として、平成29年度には頭役祭祀に関する論文1編が刊行され、また辞書原稿1編を脱稿した。さらに関東地方で見出された初期の頭役祭祀文書、オビシャ文書に関しては、昨年度の調査の成果として論文1編等を脱稿しており、これらをもとにした共編著『オビシャ文書の世界』(仮題)がまもなく刊行される。この研究では滋賀県および周辺地域の伝統的な祭祀組織である宮座で管理されてきた文書のフィールドワークを行い、とくに「差定状」とよばれる古いタイプの文書が、さまざまな宗教儀礼をともないながら、宮座組織のなかで長期的に管理されてきたことを見出した。これにより、これまでの研究では中世後期には衰退・消滅すると考えられていた古典的な頭役祭祀が、中近世移行期の村社会でも存続することが明らかになった。二年度目の調査計画に沿い、滋賀県外の頭役祭祀と文書管理に調査地域を拡大する。また初年度に開始した多賀大社の差定儀礼は、現地関係者と協力関係を維持しつつ、今後も調査を継続する。2017年度は、これまでの2年間に得られた近江・近畿地方の調査データを補足しつつ、これを全国的視野から位置づけ、その成果発信を進める時期として計画している。
制振技術の適用による空間構造の耐震性能向上に関する研究

本研究では、応答スペクトルとモード組合せ(CQC法)に基づいた制振構造の応答予測を行ってきた。本研究で提案する手法は特に、非比例減衰系である制振構造を、複素モードを用いずに実数モードに基づいて評価する点に特長があり、良好な精度が得られることを示してきた。しかしながら、その適用性についてはあいまいな部分もあり、平成17年度は、通常のせん断棒モデルを用いて実数モードによる応答予測の精度向上の試みと、応答性状に関する考察を行った。この結果、システムの固有周期が長くなり、高次モードの影響が大きい部分では、実数モードのみで変形や応力(せん断力)を予測することが難しく、さらに、仮に複素モードとCQC法を組み合わせても、評価結果のばらつきが大きくなることがわかった。ただし、高次モードの影響が小さい短周期領域では、実用的な精度が得られると考えられる。システムの減衰が大きい場合の対処については、既に平成15年度に検討した。また通常の耐震設計では、初期段階でベースシアと層せん断力係数の分布(一般の重層構造ならAi分布)が与えられ、得られた静的な設計用層せん断力に対して建物を設計する。ただし、この層せん断力係数の分布には減衰の影響は考えられていないのが現状である。制振構造の実用的かつ合理的な設計のために、静的設計外力に対する減衰の影響を把握することは重要と考えられる。そこで、ここでもまずせん断棒モデルを用いて分析を行い、減衰を考慮した層せん断力係数分布の提案を行った。制振を適用した空間構造においても静的設計用外力の提案が近年行われており、本研究で試みた手法が適用可能となると考えられる。平成15年度は,地震の水平成分入力時の応答スペクトル法による応答評価手法の開発を行った。また,応答評価にはダンパーの時刻歴解析モデルの開発も不可欠で,粘弾性ダンパーの構成則および解析モデルの開発も行った。実験については予算が不足したことから,試験体を発注するに留めた。1.モーダルアナリシスに基づく応答評価これまでは動的応答をモードに分解し,それらを減衰振動と剛体振動に分類して応答評価を行っていたが,この分類方法にあいまいさを残していた。そこで,通常,ホワイトノイズを想定して決定されるCQC法の重み係数を,地震波のスペクトルを2つのパラメータで模擬する手法を採用したところ,前述の減衰振動,剛体振動といった分類を考慮することなく,通常のCQC法と同じ単純な組合せ手法が適用可能であることがわかった。この重み係数の表現は冗長であるが,ダンパーの有無に関わらず適用可能であり,包括的な評価手法となった。2.ダンパーの構成則モデル対象とする空間構造へのダンパーの適用は,主に粘弾性ダンパーを想定しているが,時刻歴解析のためには粘弾性体の温度・振動数・振幅依存性を再現できる精密な解析モデルが必要となる。近年は,架構への負担を低減する目的から振幅依存性のある粘弾性ダンパーが開発されているが,これに実績のある分数微分モデルの適用を試みたところ,温度・振動数依存性を高精度に再現できることがわかった。さらに振幅の変化に伴い,モデルのパラメータを変化することで,振幅依存性までも再現することができた。平成16年度は,引き続き地震動入力時の応答スペクトル法による応答評価手法の開発を行った。また,応答評価にはダンパーの時刻歴解析モデルの開発も不可欠で,高精度な粘性ダンパーの構成則および解析モデルの開発も行った。この成果は,第13回世界地震工学会議にて発表した(ポスターセッション)。2.ダンパーの構成則モデル対象とする空間構造へのダンパーの適用は,主に粘弾性ダンパーを想定しているが,実際の設計でより需要の多い粘性ダンパーについてもモデル化を試みた。時刻歴解析のためには粘性体の温度・振動数・振幅依存性を再現できる精密な解析モデルが必要となる。この材料に実績のある分数微分モデルの適用を試みたところ,温度・振動数依存性を高精度に再現できることがわかった。

システムの減衰が大きい場合の対処については、既に平成15年度に検討した。また通常の耐震設計では、初期段階でベースシアと層せん断力係数の分布(一般の重層構造ならAi分布)が与えられ、得られた静的な設計用層せん断力に対して建物を設計する。ただし、この層せん断力係数の分布には減衰の影響は考えられていないのが現状である。制振構造の実用的かつ合理的な設計のために、静的設計外力に対する減衰の影響を把握することは重要と考えられる。そこで、ここでもまずせん断棒モデルを用いて分析を行い、減衰を考慮した層せん断力係数分布の提案を行った。制振を適用した空間構造においても静的設計用外力の提案が近年行われており、本研究で試みた手法が適用可能となると考えられる。
ケイ素をスピロ中心にもつ光学活性スピロ化合物の触媒的不斉合成

本研究は,ケイ素をスピロ中心にもつ軸不斉スピロ化合物「スピロシラン」の触媒的不斉合成法の開発を目的とする.すなわち,分子内に二つのオレフィンと二つのSi-H結合をもつビス(アルケニル)ジヒドロシランを出発原料として用いたRh(I)錯体を触媒とする二段階不斉分子内ヒドロシリル化により光学活性スピロ骨格の構築を行う.いくつかのタイプの基質を用いて検討し,不斉配位子および触媒系,環員数などの諸要因について統括的に評価することにより,スピロシランの不斉合成法の確立を目指すものである.本年度は,以下の2点について検討した.1.光学活性2,5-ジチエニルシロールの合成の試み基質として2,5-ジチエニルシロールを基本骨格としてもつビス(アルケニル)ジヒドロシランを設計した.これを原料とする分子内ヒドロシリル化により,2,5-ジチエニルシロールのπ共役平面がキラルに制御されたπ電子系の構築について検討を行い,そのモデル化合物となる新規シロールπ電子系の合成に成功した.しかし,不斉配位子を用いた触媒的不斉合成の達成には至らなかった.今後さらに検討を続ける予定である.2.光学活性スピロシランの応用:自己集合によるキラルナノ構造の構築すでに触媒的不斉合成を達成しているチオフェン環が縮環した5-シラスピロ[4.4]ノナン誘導体(以下これをスピロシランとよぶ)を新規直交型構成素子として用い,自己集合を利用したキラルナノ組織体の構築を図った.5-シラスピロ[4.4]ノナン誘導体の官能基化によりスピロシランジカルボン酸を合成した.この化合物が結晶構造において,光学活性ならせん構造をもつ1次元ネットワークを形成することを明らかにした.これは他のC_2対称軸不斉スピロ化合物のジカルボン酸誘導体にはみられない現象である.その容易ならせん形成の原因について考察した.本研究は,ケイ素をスピロ中心にもつ軸不斉スピロ化合物「スピロシラン」の触媒的不斉合成法の開発を目的とする.すなわち,分子内に二つのオレフィンと二つのSi-H結合をもつビス(アルケニル)ジヒドロシランを出発原料として用いたRh(I)錯体を触媒とする二段階不斉分子内ヒドロシリル化により光学活性スピロ骨格の構築を行う.いくつかのタイプの基質を用いて検討し,不斉配位子および触媒系,環員数などの諸要因について統括的に評価することにより,スピロシランの不斉合成法の確立を目指すものである.本年度は,以下の2点について検討した.1.光学活性2,5-ジチエニルシロールの合成の試み基質として2,5-ジチエニルシロールを基本骨格としてもつビス(アルケニル)ジヒドロシランを設計した.これを原料とする不斉分子内ヒドロシリル化により,2,5-ジチエニルシロールのπ共役平面がキラルに制御されたπ電子系の構築が可能になるものと期待される.この基質の合成には,多段階合成が必要であり,現在その合成について検討中である.2.光学活性スピロシランの応用:自己集合によるキラルナノ構造の構築すでにビス(アルケニル)ジヒドロシランの不斉分子内ヒドロシリル化により,チオフェン環が縮環した5-シラスピロ[4.4]ノナン誘導体の触媒的不斉合成を達成している.この光学活性スピロ化合物のマテリアルサイエンスへの応用の可能性を示すことを目的に,スピロシランを構成素子として用いたナノ組織体の構築について検討した.5-シラスピロ[4.4]ノナン誘導体の官能基化により得られるスピロシランジカルボン酸が,その結晶構造において,光学活性ならせん構造を持つ1次元ネットワークを形成することが明らかとなった.本研究は,ケイ素をスピロ中心にもつ軸不斉スピロ化合物「スピロシラン」の触媒的不斉合成法の開発を目的とする.すなわち,分子内に二つのオレフィンと二つのSi-H結合をもつビス(アルケニル)ジヒドロシランを出発原料として用いたRh(I)錯体を触媒とする二段階不斉分子内ヒドロシリル化により光学活性スピロ骨格の構築を行う.いくつかのタイプの基質を用いて検討し,不斉配位子および触媒系,環員数などの諸要因について統括的に評価することにより,スピロシランの不斉合成法の確立を目指すものである.本年度は,以下の2点について検討した.1.光学活性2,5-ジチエニルシロールの合成の試み基質として2,5-ジチエニルシロールを基本骨格としてもつビス(アルケニル)ジヒドロシランを設計した.これを原料とする分子内ヒドロシリル化により,2,5-ジチエニルシロールのπ共役平面がキラルに制御されたπ電子系の構築について検討を行い,そのモデル化合物となる新規シロールπ電子系の合成に成功した.しかし,不斉配位子を用いた触媒的不斉合成の達成には至らなかった.今後さらに検討を続ける予定である.2.光学活性スピロシランの応用:自己集合によるキラルナノ構造の構築すでに触媒的不斉合成を達成しているチオフェン環が縮環した5-シラスピロ[4.4]ノナン誘導体(以下これをスピロシランとよぶ)を新規直交型構成素子として用い,自己集合を利用したキラルナノ組織体の構築を図った.5-シラスピロ[4.4]ノナン誘導体の官能基化によりスピロシランジカルボン酸を合成した.この化合物が結晶構造において,光学活性ならせん構造をもつ1次元ネットワークを形成することを明らかにした.
インスリンパルスを用いた温血液心筋保護法に関する研究

温血液心筋保護法の特徴は、代謝促進であるため、その有効性は血液中のエネルギー基質を効果的に利用できるか否かにかかっている。しかし、開心術中は、副腎皮質ホルモン等の過剰分泌により糖代謝は抑制された状態にあり、温血液心筋保護法にとっては不利な条件である。従来開心術中の冷却晶質液心筋保護法として用いられてきた糖、インスリンおよびカリウム(GIK)療法では代謝促進効果は得られないことが判明している。そこで温血液心筋保護液に直接高濃度のインスリンを添加することは、糖代謝を促進して温血液心筋保護法の効果を高めると考えられる。家兔の交叉体外循環モデルを用いて、開心術時と同様な糖代謝抑制状態を誘導した家兔の摘出心に温血液心筋保護を施行する。温血液心筋保護を投与する間隔は40分とした。この温虚血時間は、心筋細胞に不可逆的な障害を惹起しうる時間であると考えられている。インスリンの温血液心筋保護液中への添加が、長時間の温虚血によって障害された心機能を改善しうるか否かを、血行動態的に以下の3群に検討した。しかしすべての群で再潅流後の左室機能に差は認められず、再潅流後経時的にdonor血清のCK-MBレベルを測定したが差は認められなかった。I群:温血液心筋保護液のみを使用した群。今後インスリンの投与法を変えて実験を進める。
ナノバブルを用いた腫瘍新生血管標的性リアルタイム超音波分子導入システムの開発

本研究は,EPR(Enhanced and Permeability Retention)効果で固形腫瘍内の血管を流れ,漏出・滞留するナノバブルをコンピューター制御下にある超音波で破壊し,このとき発生するキャビテーション気泡の衝撃圧で血管壁周辺組織に治療性分子を導入し,「血管新生の抑制を目指す実時間超音波分子導入システムの開発」と「がん遺伝子治療」への応用を目的にしている.従来の血管を介したマイクロ気泡と超音波を利用した遺伝子導入の研究では,プラスミドDNAとマイクロ気泡の混合液が使用されてきた.この方法では,血液中に大量に存在するエンドヌクレアーゼの作用でDNAが急激に分解される確率が高いことが知られている.本年度では,液体とガスが同時に封入されるナノバブルの作製と定量化をおこなった.査型電子顕微鏡観察から,ガスと液体が同時に封入される割合は20%であった.液体だけが内封されるリポソームの場合には,プラスミドDNAの封入率は30%である.実時間での分子導入法の開発では,ナノバブルの移動で得られる超音波の画像の閾植をトリガー信号にして超音波の照射が可能な実時間分子導入法をすでに開発している.この手法を用いることで,ナノバブル集積箇所でナノバブルを破壊してナノバブルに含まれる薬剤を選択的に導入できるシステムの開発が可能になった.本研究の実施期間2年以内に,当初の目標を達成することができた.本研究を臨床に意味ある手法に展開するために,遺伝子導入後の遺伝子発現を陽電子放出断層撮影(PET)で可視化するイメージング法の開発に着手した.本研究は,今後,このPETイメージング法の開発とともに展開されることになる.本研究は, PER効果で固形腫瘍内の血管を流れ,漏出・滞留するナノバブルをコンピューター制御下にある超音波で破壊し,このとき発生するキャビテーション気泡の衝撃圧で血管壁周辺組織に治療性分子を導入し,「血管新生の抑制を目指す実時間超音波分子導入システムの開発」と「がん遺伝子治療」への応用を検証することを目的とする.従来の血管を介したマイクロ気泡と超音波を利用した遺伝子導入の研究では,プラスミドDNAとマイクロ気泡の混合液が使用されてきた.この方法では,血液中に大量に存在するエンドヌクレアーゼの作用でDNAが急激に分解される確率が高いことが知られている.そこで,本年度では,液体とガスを同時に封入されるナノバブルの作製をおこなった.平均直径200nmであるナノバブルを作製し,走査型電子顕微鏡写真観察から,内部にガスと液体が封入されていることを確認した.これにより,液体にDNAを溶かすことで,ドラッグキャリアの機能と超音波造影性を有するナノバブルの開発が可能になった1実時間での分子導入法を確立では,ナノバブルの移動で得られる超音波の画像の閾値をトリガー信号にして超音波の照射可能な実時間分子導入法を開発した.これにより,ナノバブル集積箇所でナノバブルを破壊してナノバブルに含まれる薬剤を選択的に導入できるシステムの開発が可能になった.次年度は,この成果をもとにDNAを封入させたナノブルを開発し,これをリアルタイムで導入可能は,分子導入システムとして開発する.本研究は,EPR(Enhanced and Permeability Retention)効果で固形腫瘍内の血管を流れ,漏出・滞留するナノバブルをコンピューター制御下にある超音波で破壊し,このとき発生するキャビテーション気泡の衝撃圧で血管壁周辺組織に治療性分子を導入し,「血管新生の抑制を目指す実時間超音波分子導入システムの開発」と「がん遺伝子治療」への応用を目的にしている.従来の血管を介したマイクロ気泡と超音波を利用した遺伝子導入の研究では,プラスミドDNAとマイクロ気泡の混合液が使用されてきた.この方法では,血液中に大量に存在するエンドヌクレアーゼの作用でDNAが急激に分解される確率が高いことが知られている.本年度では,液体とガスが同時に封入されるナノバブルの作製と定量化をおこなった.査型電子顕微鏡観察から,ガスと液体が同時に封入される割合は20%であった.液体だけが内封されるリポソームの場合には,プラスミドDNAの封入率は30%である.実時間での分子導入法の開発では,ナノバブルの移動で得られる超音波の画像の閾植をトリガー信号にして超音波の照射が可能な実時間分子導入法をすでに開発している.この手法を用いることで,ナノバブル集積箇所でナノバブルを破壊してナノバブルに含まれる薬剤を選択的に導入できるシステムの開発が可能になった.本研究の実施期間2年以内に,当初の目標を達成することができた.本研究を臨床に意味ある手法に展開するために,遺伝子導入後の遺伝子発現を陽電子放出断層撮影(PET)で可視化するイメージング法の開発に着手した.本研究は,今後,このPETイメージング法の開発とともに展開されることになる.
糖尿病性腎症に対する新規バイオ医薬TGF-β1 PIポリアミドの抑制効果の検討

糖尿病性腎症において、メサンギウム基質の増生と糸球体毛細血管壁の肥厚、足細胞の障害、尿細管基底膜肥厚、間質の線維化にTGF-βが関与しているが、我々は新規バイオ医薬TGF-β1 PIポリアミドがストレプトゾトシン(STZ)糖尿病性腎症に対する抑制効果を確認した。さらに最近、USF1は、髙糖条件でTGFβ1発現を特異的に上昇させる転写因子である事が報告された。2018年度はUSF1に対するPIポリアミドのTGF-β1のプロモーターに対し複数のPIポリアミドを分子設計し、PIポリアミドを島津社製ペプチド合成機PSSM-8を用いて固相合成した。このPIポリアミドをTGF-β1のプロモーター活性、メサンジウム細胞でのTGFβ1 mRNAの発現を検討した。HEK293細胞にTGF-β1プロモータープラスミドを導入し、高糖条件でルシフェラーゼ活性を測定した。ラットUSF1結合E-boxに対するPIポリアミドを分子設計・合成し、ゲルシフトアッセイを行った。メサンジウム細胞での高糖条件下におけるTGF-β1 mRNA発現に対するUSF1 PIポリアミドの効果を検討した。結果としてゲルシフトアッセイにてPIポリアミドのターゲットdsDNAへの結合を確認した。HEK293細胞において、高糖条件下ではTGF-β1のルシフェラーゼ活性は上昇した。メサンジウム細胞において、高糖条件下でTGF-β1のmRNAは上昇し、ラットUSF1に対するPIポリアミドはTGF-β1 mRNA発現を抑制した。このようにUSF1に対するPIポリアミドは高糖条件下において、TGF-β1の発現を抑制した。USF1に対するPIポリアミドは糖尿病性腎症の新規遺伝子制御薬として開発出来ると考えられた。2017年度までに、ラットTGF-β1に対するPIポリアミドのSTZラットでの糖尿病性腎症の進展を抑制する効果の実験は終了し、2018年度は高糖状態で特異的にTGF-β1のプロモーター活性を上昇させる転写因子USF1に対するPIポリアミドを複数設計、合成しその内リード化合物を決定し、in vitroで高騰状態でのTGF-β1のプロモーター活性の上昇、さらにTGF-β1 mRNA発現に対する抑制を確認できた。現在、STZ糖尿病ラットにUSF1に対するPIポリアミドをin vivoで腹腔内投与し、糖尿病性腎障害、タンパク尿に対する効果を検討している。USF1 PIポリアミドのSTZラット糖尿病腎症への抑制効果が確認されれば、off targeting効果評価法、腎髄質のマイクロRNAを行う。さらにヒトUSF1 PIポリアミドの糖尿病性腎症への効果の確認の為、ヒトとゲノム構造に相同性のある霊長類コモンマーモセットにSTZで糖尿病モデルを作成する。さらに薬学部にてPIポリアミドを脂溶製剤化にて除放化し、筋肉注射での組織へのデリバリーと糖尿病腎症への効果を確認する。我々は糖尿病腎症の進展におけるTGF-β1の関与とTGF-β1に対するPIポリアミドの糖尿病性腎症での組織学的変化への効果を検討した。WKYラットのメサンジウム細胞を高糖培地(25 mM)で経時的に培養しTGF-β1発現量をリアルタイムPCRを用いて評価した。8週齢のWistarラットにStreptozotocin (STZ 60mg/Kg体重)を頚静脈的に投与し1型糖尿病ラットを作製した。コントロール群とSTZ群に分け3ヶ月飼育・追跡した。糸球体ポドサイトで糸球体内皮細胞の間葉への組織化の指標であるmicroRNA21,23aの比較を行った。さらにSTZラットに対しPIポリアミドを腹腔内投与し変化を観察し、FITCラベリングしたPIポリアミドを用いて腹腔内投与におけるPIポリアミドの薬物動態の検証も行った。高糖負荷6h後の細胞にて優位にTGF-β1発現が増加した。STZラット群はコントロール群に対して1ヶ月時点で尿蛋白・尿中アルブミンの増加を認めた。また腎臓組織のmicro RNA21,23aもSTZ群で増加を認めた。TGF-β1に対するPIポリアミド投与1ヶ月経過にて蛋白尿の減少を認めたが3ヶ月では有意な抑制効果は認めなかった。PIポリアミド投与3ヶ月の腎臓組織のmicroRNA21,23aは抑制された。電子顕微鏡にてSTZ群に比べPIポリアミド3ヶ月群の方でポドサイト障害が軽度であった。PIポリアミドの腹腔内投与の薬物動態検索したところ3日目に核内移行ピークとなり7日目にPIポリアミドが核内から排泄されていることが確認された。糖尿病腎症の進展、間質線維化、ポドサイトを含めた糸球体傷害にTGF-β1が関与し、TGF-β1に対するPIポリアミドは抑制効果を示したと考えられた。平成29年度の研究予定はIn vitro実験として培養ラットメサンジウム細胞の高糖培養でのTGF-β1上昇を確認し、PIポリアミドGB1203が効果的に抑制する事を確認できた。また糸球体内皮細胞の間葉への組織化の指標であるmicroRNA21,23aはGB1203で抑制される事を確認できた。In vivo実験としてSTZ糖尿病ラット腎障害に対するTGF-β1 PIポリアミドの効果を尿中TGF-β1の測定、蛋白尿を測定にて、尿蛋白が出現した時点で、腎臓を摘出しEMT、EndMTの評価を組織学的に行宇事が出来た。さらに糸球体内皮細胞とポドサイトクロストークの破綻に対しGB1203の効果を評価できた。

糖尿病性腎症において、メサンギウム基質の増生と糸球体毛細血管壁の肥厚、足細胞の障害、尿細管基底膜肥厚、間質の線維化にTGF-βが関与しているが、我々は新規バイオ医薬TGF-β1 PIポリアミドがストレプトゾトシン(STZ)糖尿病性腎症に対する抑制効果を確認した。さらに最近、USF1は、髙糖条件でTGFβ1発現を特異的に上昇させる転写因子である事が報告された。2018年度はUSF1に対するPIポリアミドのTGF-β1のプロモーターに対し複数のPIポリアミドを分子設計し、PIポリアミドを島津社製ペプチド合成機PSSM-8を用いて固相合成した。このPIポリアミドをTGF-β1のプロモーター活性、メサンジウム細胞でのTGFβ1 mRNAの発現を検討した。HEK293細胞にTGF-β1プロモータープラスミドを導入し、高糖条件でルシフェラーゼ活性を測定した。ラットUSF1結合E-boxに対するPIポリアミドを分子設計・合成し、ゲルシフトアッセイを行った。メサンジウム細胞での高糖条件下におけるTGF-β1 mRNA発現に対するUSF1 PIポリアミドの効果を検討した。結果としてゲルシフトアッセイにてPIポリアミドのターゲットdsDNAへの結合を確認した。HEK293細胞において、高糖条件下ではTGF-β1のルシフェラーゼ活性は上昇した。メサンジウム細胞において、高糖条件下でTGF-β1のmRNAは上昇し、ラットUSF1に対するPIポリアミドはTGF-β1 mRNA発現を抑制した。このようにUSF1に対するPIポリアミドは高糖条件下において、TGF-β1の発現を抑制した。USF1に対するPIポリアミドは糖尿病性腎症の新規遺伝子制御薬として開発出来ると考えられた。2017年度までに、ラットTGF-β1に対するPIポリアミドのSTZラットでの糖尿病性腎症の進展を抑制する効果の実験は終了し、2018年度は高糖状態で特異的にTGF-β1のプロモーター活性を上昇させる転写因子USF1に対するPIポリアミドを複数設計、合成しその内リード化合物を決定し、in vitroで高騰状態でのTGF-β1のプロモーター活性の上昇、さらにTGF-β1 mRNA発現に対する抑制を確認できた。現在、STZ糖尿病ラットにUSF1に対するPIポリアミドをin vivoで腹腔内投与し、糖尿病性腎障害、タンパク尿に対する効果を検討している。PIポリアミドGB1203のSTZラット糖尿病腎症へのoff targeting効果評価法、腎髄質のマイクロRNAを行う予定。PIポリアミドにoff targetingが無いことが確認されば、臨床開発のため、ヒトTGF-β1 PIポリアミド(GB1101)の糖尿病性腎症への効果の確認の為、ヒトとゲノム構造に相同性のある霊長類コモンマーモセットにSTZで糖尿病モデルを作成する。さらに薬学部にてPIポリアミドを脂溶製剤化にて除放化し、筋肉注射での組織へのデリバリーと糖尿病腎症への効果を確認する。USF1 PIポリアミドのSTZラット糖尿病腎症への抑制効果が確認されれば、off targeting効果評価法、腎髄質のマイクロRNAを行う。さらにヒトUSF1 PIポリアミドの糖尿病性腎症への効果の確認の為、ヒトとゲノム構造に相同性のある霊長類コモンマーモセットにSTZで糖尿病モデルを作成する。
水溶液中において生体分子の赤外吸収スペクトルを測定する試み

水は極めて強い赤外吸収を有するため、通常の赤外分光測定で希薄な水溶液中の溶質分子の赤外吸収を得ることは不可能である。本研究課題において、赤外超解像顕微鏡法の高感度かつ高空間分解能の特性を利用して、水溶液中におけるローダミン6G色素の測定を行ったところ、観察赤外波長が1600 cm-1において非常に強い過渡蛍光信号の観測に成功した。また、この過渡蛍光信号を観察しながら、空間分解能を極限(800 nm)まで最適化したところ、1100-1800 cm-1の領域においてローダミン6G色素の赤外スペクトル測定にも成功した。本研究課題では、赤外超解像顕微鏡法の高感度かつ高空間分解能の特性を利用して、水溶液中における溶質分子の赤外振動情報を測定できないかと考えた。具体的には、顕微鏡条件下において、試料セル表面のごく近傍(5マイクロメートル以下)の領域に赤外光を集光し、さらに可視光を入射することで生じる過渡蛍光の検出を試みる。赤外の光路長が極めて短いため、水の強い赤外吸収に妨害される前の信号抽出が期待される。研究期間中において、まず第一に、共焦点型ピコ秒赤外超解像顕微鏡の構築を行った。基本となるのは赤外超解像顕微鏡法であり、ピコ秒赤外光及び可視光を同軸・同方向からレーザー蛍光顕微鏡光学系に導入し、対物レンズを通して試料セルの表面近傍に集光した。対物レンズは中赤外波長領域の透過率を確保するために反射対物レンズを用いた。試料から生じる過渡蛍光は同じ対物レンズで集めて、共焦点光学系のピンホールを通した後に光電子増倍管で検出した。試料位置は3次元で走査され、蛍光強度を位置の関数として記録し、3次元断層像を得ることが可能な装置とした。構築した共焦点型ピコ秒赤外超解像顕微鏡を用いて、水の振動共鳴条件下(3 μm帯)におけるローダミン6G分子の過渡蛍光(赤外情報に相当)の検出を試みたところ、過渡蛍光の検出に成功した。この装置の深さ方向の空間分解能は、およそ2μm程度であり、セル表面ごく近傍のみの領域のみを赤外超解像顕微鏡観察することで、水の振動共鳴条件下においても溶質分子の赤外情報の抽出が可能であることが明らかになった。周知の通り、水は極めて強い赤外吸収を有するため、通常の赤外分光測定で希薄な水溶液中の溶質分子の赤外吸収を得ることは不可能である。本研究では、赤外超解像顕微鏡法の高感度かつ高空間分解能の特性を利用して、水溶液中における溶質分子の赤外振動情報を測定できないかと考えた。光路長は極めて短いため、水の強い赤外吸収に妨害される前の信号抽出が期待される。平成24年度は、共焦点型ピコ秒赤外超解像顕微鏡の構築を行った。構築した共焦点型ピコ秒赤外超解像顕微鏡を用いて、水の振動共鳴条件下(3マイクロメートル帯)におけるローダミン6G分子の過渡蛍光(赤外情報に相当)の検出を試みたところ、過渡蛍光の検出に成功した。この装置の深さ方向の空間分解能は、およそ2マイクロメートル程度であり、セル表面ごく近傍のみの領域のみを赤外超解像顕微鏡観察することで、水の振動共鳴条件下においても溶質分子の赤外情報の抽出が可能であることが明らかになった。

具体的には、顕微鏡条件下において、試料セル表面のごく近傍(5マイクロメートル以下)の領域に赤外光を集光し、さらに可視光を入射することで生じる過渡蛍光の検出を試みる。赤外の光路長は極めて短いため、水の強い赤外吸収に妨害される前に信号抽出が実現できるのではないかと考えた。平成26年度は、前年までに構築した共焦点型ピコ秒赤外超解像顕微鏡を用いて、1)赤外波長領域を生体分子の構造解析にかかせない6ー9マイクロメートルの中赤外領域まで拡張する、2)赤外スペクトルを測定する、ことに注力した。過渡蛍光検出赤外分光法は赤外波長が溶質分子の振動に共鳴した時のみ過渡蛍光が観測されるので、赤外光の波長を掃引することで赤外スペクトル測定が原理上可能である。試料にローダミン6G色素を用いて実験を行ったところ、赤外波長が1600 cm-1において非常に強い過渡蛍光信号を観測した。また、この過渡蛍光信号を観察しながら、空間分解能を極限(800 nm)まで最適化したところ、1100-1800 cm-1の領域においてローダミン6G色素の赤外スペクトル測定にも成功した。これらの結果は、1)赤外波長を中赤外領域まで拡張しても空間分解能の低下が起こらない、2)中赤外領域の方が水の赤外吸収が弱いため妨害を受けにくい、ことが利点として作用したと考えている。この手法を生体分子に適用することで、これまで観察不可能であった水溶液中における生体分子の赤外スペクトルを直に観測することが実現でき、その構造/機能解析に役立つものと期待する。物理化学本研究において、水の振動共鳴条件下(3 μm帯)におけるローダミン6G分子の過渡蛍光(赤外情報に相当)の検出を試みたところ、過渡蛍光の検出に成功した。この装置の深さ方向の空間分解能は、およそ2μm程度であり、セル表面ごく近傍のみの領域のみを赤外超解像顕微鏡観察することで、水の振動共鳴条件下においても溶質分子の赤外情報の抽出が可能であることが明らかになった。これは画期的な成果といえるが、まだ、本研究課題で最終目標としていた生体分子への適用には至っていない。これについては26年度も延長して研究を続ける過程で達成したいと考えている。平成24年度は、以下の4つの項目が達成目標であった。1)共焦点型ピコ秒赤外超解像顕微鏡の構築、2)過渡蛍光信号の観測、3)溶媒(水以外)の振動共鳴条件下における溶質分子の過渡蛍光(赤外情報に相当)の検出、4)水溶液中における溶質分子の赤外吸収情報の抽出1)、2)については、対物レンズに中赤外波長領域の透過率を確保するために反射対物レンズを採用することで、過渡蛍光の信号観測に十分な光学系構築に成功した。もちろん、過渡蛍光信号の観測にも成功した。この装置の空間分解能は、過渡蛍光の波長と反射対物レンズのNAで一意に決まるが、本研究では、溶質分子にローダミン6Gを使用したので過渡蛍光波長:565 nm、反射対物レンズのNA = 0.4を使用した結果、およそ900 nmの空間分解能を達成した。また、深さ方向の空間分解能(焦点深度)は、およそ2マイクロメートルであった。非常に高い空間分解能を達成したため、まず、3)の項目を検証した。赤外吸収の比較的弱いクロロホルムおよびアセトニトリルといった非水素結合性溶媒を用いてその振動共鳴条件下におけるローダミン6G分子の過渡蛍光信号の検出を試みた。その結果、3マイクロメートル帯におけるCH伸縮振動の共鳴条件下でも強い過渡蛍光の検出に成功した。さらに、ローダミン6G水溶液を用いて、4)の検証を行った。水のOH伸縮振動は極めて強い赤外吸収を示すため、過渡蛍光信号が観測できるのか危惧していたが、信号強度は弱いものの水溶液のOH伸縮振動共鳴条件下においても過渡蛍光の検出に成功した。以上により、平成24年度は当初の研究計画を全ての項目において達成できたと考えている。