hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
糖尿病性多発神経炎の神経再生治療の基礎的検討

糖尿病性多発神経炎(DPN)の血管内皮増殖因子(VEGF)遺伝子治療での改善機序を解明するため、この治療が著効するSTZ糖尿病マウスのDPNについて検討した。その結果このマウスでは糖尿病初期から無髄線維が選択的に萎縮しており、有髄線維は成長・発達障害があることが明らかとなった。また坐骨神経ではVEGFシグナル系の遺伝子発現が亢進し、PGE2含量の低下が認められた。ラットと異なりマウスではVEGFの逆向性軸索輸送は認められなかった。モデルマウスとして用いているSTZ誘発性糖尿病マウスの感覚性ニューロパチー発症機序を解明するため、このマウスを行動学的、電気生理学的、病理学的検査で経時的に調べた。以上のことからこのマウスは温痛覚がより障害される糖尿病性ニューロパチー(small fiber neuropathy)の病態を反映することが示唆され、表在覚の神経再生の治療薬のスクリーニングに有用であると推察された。これらの結果は論文としてまとめ、Brain and Behavior2013年1月号にpublishされた。VEGFの逆向性軸索輸送については、正常マウスの坐骨神経結紮モデルでVEGF-flag発現ベクターを筋肉に導入したが、坐骨神経の免疫染色では逆向性輸送は観察されなかった。このベクターは遺伝子を導入した筋では発現しており、ラットと異なりマウスではVEGFの逆向性軸索輸送は生じていない可能性が示唆された。VEGFやPlGF2は感覚神経培養細胞ではNP-1を介してプロスタグランジン2(PGE2)を増加させ神経再生に関与していることが示唆されている。そこで糖尿病神経障害モデルマウスの坐骨神経におけるPGE2含量を経時的に検討した。坐骨神経でのPGE2含量はSTZ投与2週後のDM群は正常マウス群と有意差はなかったが、投与6週後のDM群では1.0 ±0.4 pg/μg tissue protein (n = 6)、正常マウス群では2.0 ±0.8pg/μg tissue protein (n = 6)となり、DM群において有意な減少を認めた。痛覚鈍麻を有する糖尿病神経障害モデルマウス末梢神経でのPGE2含量の低下は初めての知見である。VEGFやPlGF2はこのマウス(in vivo)でもNP-1を介してPGE2を増加させ神経を再生させ痛覚鈍麻を改善させている可能性が示唆された。In vitroではVEGFやPlGF2は、NP-1, NP-2受容体において、SEMA分子と競合している。そこで痛覚鈍麻を有する糖尿病神経障害モデルマウスと正常マウスの坐骨神経からmRNAを抽出し、6種のSEMA遺伝子発現レベルについてリアルタイムPCR法で調べた。今回検討した結果ではいずれの遺伝子発現も統計学的に有意な変化は認められなかったが、SEMA3AとSEMA3Fは上昇傾向が認められた。またSEMA分子の受容体であるNP-1, NP-2は正常マウス群に比し発現レベルに有意差は認められなかった。VEGFやPlGF2の神経再生機序として、坐骨神経でのSEMA分子阻害による可能性は完全には否定できないと思われる。mouse heart cDNA libraryより、PCRでmouse VEGF-Flagとmouse PlGF2-Flag cDNAを得て、pCAGGSベクターに組み込み、塩基配列をダイレクトシークエンス法で確認した。この2種類のプラスミドを各々正常マウス前脛骨筋に筋注し(50μl, 1μg/μl)、エレクトロポレーションを施行し遺伝子を導入した。1週間後に筋を抽出し、パラフィン包埋し、切片を作成、HE染色にて観察したところ、新生血管の増生と単核球の浸潤が認められVEGFやPlGF2が発現していることが示唆された。次にmouse VEGF-Flagプラスミドを正常マウス前脛骨筋に遺伝子導入したあと1週間後にL4, L5, L6(マウスはL6まである)各々の後根神経節(DRG)DNAのプラスミドの有無をPCRで調べたが検出限界以下であった。従ってpCAGGSベクターそのものが逆向性軸索輸送で運ばれたのでないと思われる。次にDRG由来の蛋白でWestern blot法を行いVEGF-FlagのDRGでの存在を証明しようとしたが、どのマウスDRGも1mg以下で十分な蛋白を得るのが技術的に難しいことが判明した。一方糖尿病マウスの感覚ニューロパチーを、尾神経感覚神経伝導検査と坐骨神経を電子顕微鏡で病理学的に検討し、ストレプトゾトシン(STZ)投与1週後より感覚神経伝導速度は減少し、投与9週後には無髄線維の萎縮が生じていることを見いだした。ラットで報告されているVEGFの逆向性軸索輸送は、正常マウスの坐骨神経結紮モデルでの免疫組織化学的解析では再現できなかった。

またpreliminaryな結果だが坐骨神経組織のVEGFのELISAでも検出されていない。われわれのマウスモデルとラット糖尿病モデルでは異なる機序で感覚神経細胞が回復している可能性がある。VEGFの神経再生分子機序の検討では、STZ誘発糖尿病ddYマウスの末梢神経でVEGFシグナル系、特にAkt & Pi-3-kinase signaling pathwayが遺伝子発現レベルで亢進していることが明らかとなった。糖尿病末梢神経ではこの系が代償的に亢進していると考えられる。またこのマウスでは糖尿病初期から無髄神経線維が選択的に障害されることを明らかにしており、VEGFシグナル系が無髄神経線維の維持に重要なことが示唆された。以上の結果よりVEGFの感覚神経再生機序解明の方向性が見えてきたと思われる。VEGFの逆向性軸索輸送機序の解析については、発現ベクターを構築し、筋内で発現させることができ、PCR解析で発現ベクターそのものが輸送されるのではないことまで証明できたが、マウスDRGが十数個集めても数mgと微量なことからウエスタンブロット解析が困難なことが明らかとなり、VEGFそのものの逆向性軸索輸送の証明にはいたっていない。そこでまず正常坐骨神経で結紮により逆向性輸送蛋白を蓄積させて、免疫染色とELISA法でVEGF-Flagとmouse PlGF2-Flagで逆向性軸索輸送を証明することとしている。VEGFの神経再生機序の解明については、このddY糖尿病マウスが電気生理学的、病理学的に高血糖でまずどのような状態になっているかを経時的に検討した。その結果いままでマウスでは証明されていなかったがSTZ投与1週後より感覚神経伝導速度は減少している事や、9週後に無髄線維が選択的に萎縮していることを見いだした(論文準備中)。現在この糖尿病マウスでVEGFシグナル系が坐骨神経のmRNAレベルでどう変化しているかの検討を予定している。STZ糖尿病マウスにおけるVEGFでの感覚神経細胞の改善機序として、1.逆向性軸索輸送を介した効果、2.血液脳関門が欠如したDRGへの血流を介しての直接効果、3.表皮神経線維末端への血流を介した直接効果、の3つのルートによる改善機序が考えられる。本研究は糖尿病ラットでの研究で強調されていた1を調べたが主要な機序である可能性は低くなっており、2や3の可能性も考えられる。そこでマウス疾患モデルで逆向性軸索輸送の有無をさらに確かめるとともに、正常マウスと糖尿病マウス皮膚でVEGFやSema3Aの抗体を用いた免疫組織化学染色を行い3の可能性を探っていくこととする。VEGFの逆向性軸索輸送機序の解析についてはマウス末梢神経系の小ささを考慮し、まずは正常坐骨神経で結紮により逆向性輸送蛋白を蓄積させて、免疫染色とELISA法の2種類の方法でVEGFの逆向性軸索輸送を証明する。またVEGF-Flag発現筋と神経終末の関係を確認するためpIRES2-ZsGreen1 vectorにVEGF-Flag cDNAを組み込み、電気穿孔法で前脛骨へ遺伝子導入しVEGF-FlagとZsGreen1を同時に発現させ、発現筋とVEGF-Flagが取り込まれる末梢神経終末の関係を蛍光顕微鏡で可視可する。最終的には前脛骨筋と対応するL4とL5のDRGで逆向性軸索
遺伝子多様性データを解明する統合的分析とその発展

遺伝データの代表的なマーカーであるSNPデータについて、連鎖不平衡を利用した集積性の手法を適用し、ほかには無いブロック同定を行えた。また、遺伝子間ネットワークでの集積性の検討も行い、ケース・コントロール研究において先行研究よりも有意な結果が得られた。さらに上記の手法を応用して、保健・精神分野のデータについても、二次医療圏で集計された日本人自殺者データ集積性の検討を行い、先行研究よりも有益な結果が得られた。遺伝子多様性の研究には、多因子疾患関連遺伝子の探索を目的とした場合、従来から用いられている連鎖解析に加え、連鎖不平衡を利用した相関解析、ハプロタイプ解析が有力な手法として、世界的にも注目されている。座位数が少ないデータであるが連鎖不平衡と呼ばれる現象を解析的に把握することにより、ブロック領域というものを絞り込むことができる。Haploviewというソフトウェアで描写されたLD図というものである。ここでブロックが同定されているが、これはGabriel法という広く用いられる同定方法ではあるが、かなりブロック同定の条件が厳しいことでも知られている。Zhu, et al.(2003)はハプロタイプ推定を行い、相対頻度が0.04以上の代表ハプロタイプを用いてブロック同定へと繋げる手法を提案している。これらの二手法の良い点を取り入れた、ハプロタイプの頻度推定を繰り返し行うことにより、ブロックを同定する手法(Kamatani, et al, 2004)が提唱されているが、繰り返し推定を行う計算時間が膨大にかかる上に、最初に彩小ブロックとして定義している``minimalblock"の条件がやや厳しい(D'>0.9)ことが難点として挙げられる。我々は、これらの手法の問題を解決すべく、連鎖不平衡係数D'の2次元的な構造を把握することからブロック同定を行う方法を提唱するなど、新しい方法を他にも我々はいくつか提案した。いま挙げた手法の数値的な分析結果の比較なども行い、同定結果の妥当性、計算時間の大幅な短縮などを確認できた。また、ハプロタイプ・ディプロタイプ形の推定後に、ディプロタイプ形を考慮した遺伝情報データと量的表現型データとの関連解析を考えた。連鎖不平衡が強いblock領域の推定と空間統計学などによるハプロタイプ・ブロック同定の各種手法の比較・検討、および新しく提案する部分空間法を利用したブロック同定法との比較を実データを用いて行う。量的表現型(QTL)との関連解析のより効率的な手法を構築するため、既存の各種手法の比較・検討を行い、Tomita et al. (2011)の手法の大きな利点である確率的なディプロタイプ形への適用可能を保ちつつ、ドミナンス分散を用いたフレキシブルな発現モデルを適用した関連解析手法を提案し、検討する、としていた計画について、Tomita et al. (2011)の手法を包括したハプロタイプ解析の周辺の問題を統合的にまとめたものを「ハプロタイプ解析における推定・ブロック同定および関連解析」として投稿し、計算機統計学25(1), 53-68, (2012, 12)に掲載された。GWASにおいて検出力の面から絞り込むことはMAFによるSNPの大量破棄となってしまうかもしれない。我々の本研究によるアプローチが有効であると考える。変量の絞り込みを遺伝的な構造の面からアプローチする方法である。SNPはそれぞれが独立の変数と考えられる訳ではなく、同じ染色体上で近い近傍にあるSNPと強い関係を保っており、連鎖不平衡(LD)と呼ぶ。LDの強い領域(LDブロックと呼ぶ)を同定する方法が導かれ、代表的な方法がHaploviewというフリーのGUIソフトウェアに実装されているGabriel et al.(2002)の信頼区間ベースで考えられたstrong LDを同定するものである。これに対して、ハプロタイプ推定を繰り返し行うKamatani et al.(2004)の手法があるが、LDブロックを構成する最小ブロックについて連鎖不平衡係数D'>0.95と決め打ちしているところに疑問を持つ。我々は空間構造を把握するスキャン方法を応用して、大規模なLDブロックを同定する方法を提案し、彼らの方法よりも計算量のオーダーが小さいことを示した。また、LDブロックを同定すれば、その中の数個のSNPで他の変量は説明する代わりとなることが分かっている。このようなSNPを代表SNPと呼び、空間構造を把握するスキャン方法を応用する方法を提案した。代表SNPから更にハプロタイプを推定することで、レアな遺伝変異であるSNPの検出を可能にする場合もある。そのようなことのためには各個人のハプロタイプ対、ディプロタイプ形を推定し、関連解析を行うことが重要となる。単一な量的表現型においてはShibata et al.(2004)があるが、我々は複数の量的表現型についても厳密に発現モデルを組み込んだ関連解析を可能とした。これは先行研究であるQTLmarcよりも明らかに妥当な解析結果を得ている。生物統計学,遺伝統計学種々の連鎖不平衡ブロック同定やタグSNP選択問題があり、今までにも数多くの比較を行った結果を報告しているが、新たに提案するものを含め、再評価した。

遺伝情報データ(ハプロタイプ・ディプロタイプ形)と量的表現型データとの関連解析を考え、確率的なディプロタイプ形を扱えるだけでなく、複数の量的表現型を扱えるようにした。複数の量的表現型をよりフレキシブルな発現モデルで扱える手法を提案することが課題として残っている。ハプロタイプ解析の周辺の問題を統合的にまとめたものを「ハプロタイプ解析における推定・ブロック同定および関連解析」として投稿し、計算機統計学25(1), 53-68, (2012, 12)に掲載されたため、初年度の情報収集としては目的を達成できている。ブロック同定について、まだ検討すべき課題が残っていることと、遺伝情報データ(ハプロタイプ・ディプロタイプ形)と量的表現型データとの関連解析について、複数の量的表現型をよりフレキシブルな発現モデルで扱える手法を提案する予定である。既に取り組んでいる、Echelon以外の空間集積性の手法を利用した新しいブロック同定の方法の提案や、関連解析におけるドミナンス分散(パラメータ)を用いた新たなモデルの確定を進める。各種、関連する国際学会を中心に、研究発表および情報収集を行う。また、関係する諸分野での研究者らと研究打合せを行う。海外で行われることが多くなる予定で、研究費の大部分が旅費および学会参加費に費やされる見込みである。
子どもの消費行動と子ども向けマーケティングに関する日米中の比較研究

日本・米国・中国の子どもの消費行動と子ども向けマーケティングをめぐる現状と課題を解明するために、(1)子どもを取り囲む社会・消費環境の変化、(2)子どもの消費行動の変化、(3)企業(主に食品・飲料企業)の子ども向けマーケティングについて、文献資料調査および子ども関連事業を展開する企業に対するインタビュー調査を実施し、子ども向けマーケティングの現状と課題を明らかにした。日本・米国・中国の子どもの消費と子ども向けマーケティングの実態を検討し、少子化社会における子どもの消費行動と企業の子ども向けマーケティングをめぐる諸問題を解明するという本研究の目的のために、日本・米国を対象に、(1)子どもを取り囲む社会・消費環境の変化、(2)子どもの消費行動の変化、(3)企業の子ども向けマーケティング活動の展開について分節化して研究を進めた。具体的には、米国で問題視されてきた学校内マーケティング(In-school marketing)の展開およびその実態について、子ども関連ビジネスの現況を正確に把握するため米国の現地小学校(Academy Lafayette, MO)の教師や子どもを持つ保護者、企業の広報担当者(Balls Food Stores Co. Ltd.)等、それぞれにヒアリング調査を行った。文献調査に続く現地ヒアリング調査によって、子どもの食行動や消費行動の変化、学校内マーケティングの実態を明らかにした。1990年以降、新たなマーケティング手法として注目されてきた米国の「学校内マーケティング」の現状についてはアリゾナ州立大学(CERU : Children and Education Research Unit)のAlex Molner教授や消費者運動の団体であるConsumers Unionが中心となり、その展開と現状に対する問題提起を行ってきたが、米国内における学校マーケティングのあり方は、日本のマーケティングに大きな影響を与える新たな手法であると考えられるため、今後さらに検討・考察が進められる必要がある。日本・米国・中国の子どもの消費と子ども向けマーケティングの実態を検討し、少子化社会における子どもの消費行動と企業の子ども向けマーケティングをめぐる諸問題を解明するという本研究の目的のために、平成21年度は日本・米国を対象に、1.子どもを取り囲む社会・消費環境の変化、2.子どもの消費行動の変化、3.企業の子ども向けマーケティング活動の展開について分節化して研究を進めた。本年度は少子化が進行するなかでも、順調な拡大を示している日本国内の子ども市場の実態をとらえるため、子ども向けの事業を行うアパレル企業(高級子ども衣料:子ども衣料を専門にマーケティングを行う企業および既存の大人向け高級ブランド服の子ども向け展開を行う企業)、教育関連企業(子ども向け音楽教室)、新興のエンターテイメント(知育+エンターテイメント=エデュテイメント)関連企業、子ども専用の写真館を展開する企業のマーケティング担当者を対象としたヒアリング調査を行った。いずれの企業も日本の子ども向けの事業展開に積極的に取り組むとともに、海外市場(とりわけ中国市場)を有望市場としてマーケティングの強化を図っていることを明らかにした。先行研究でさかんに議論されているグローバル企業の子ども向けのマーケティング戦略、とりわけ「食品および飲料企業のマーケティング」をめぐるマーケティングについては、近年、米国企業を中心にした大規模な自主規制、また国境を越えた業界団体のガイドライン制定の動きがあり、その最新動向をまとめ商業学会で報告を行った。本研究の目的は、少子化や情報化といった社会変化の中で変わりゆく日本の子どもの消費行動と企業の子ども向けマーケティング活動の現状と課題を、子ども向けマーケティング競争が熾烈化し、深刻な問題に直面している米国市場の動向と世界最大の子ども人口を抱える中国市場の動向を視野に入れ、分析・解明することにある。本年度は、以下2点を主軸に研究を進めた。1)日本における子ども関連マーケティングと子どもの消費者トラブルの現状解明日本市場で展開されている子ども関連のマーケティングや子どもの巻き込まれている消費者トラブルの実態について文献資料調査およびインタビュー調査を実施した。2)子ども関連マーケティングや消費をめぐる研究動向の把握以上の研究の成果について国内外の学会で研究報告を行い、論文を執筆した。
境界形状の要素分解によるヘリカル閉じ込め配位の性能評価と改善研究

ヘリカル磁場による核融合研究において、閉じ込め性能を決定する磁場の三次元構造を、境界形状のフーリエモードを数学的に解析することにより改善することに成功した。閉じ込め磁場の特性が、基本的な低次のフーリエモードで決定されることを見いだし、基本モードの新しい組み合わせを工夫することにより、高いプラズマ圧力を持つ平衡配位において、高温プラズマの閉じ込め特性を改善した。またその磁場配位を実現するための磁場コイル形状を設計し、工学的に建設が容易なコイル形状による核融合閉じ込め装置の可能性を見いだした。研究計画の2年目としては、LHD装置の実験で用いられている磁場配位の特長を、他のヘリカル系実験装置の磁場配位と比較しながら分析するステップに進んだ。LHD装置の特長的な三種の磁場配位(内寄せ配位、標準配位、外寄せ配位)は、トロイダル・モード数n= 1、ポロイダル・モード数m= 0による、ヘリカル軸構造を示すモードと、n= 1、m= 2による、トロイダル角に対して回転する三角度断面形状を示すモードとの、二つの基本モードによって特長付けられている。これらのモードの符号は内寄せ配位、外寄せ配位に対して正負が逆転するが、その正負の組み合わせがLHD装置の磁場配位の特長となっている。これらの符号関係を他の先進的ヘリカル配位と比較すると、その違いが明瞭となる。すなわち、先進的配位とされているヘリカル型実験装置の磁場配位は、これら二つの基本モードの符号はLHD装置とは逆の関係となっている。LHD装置の磁場配位に対して、ヘリカル捕捉粒子のドリフト軌道の最適化に対して有効なモードをn= 1、m= 0のヘリカル軸構造のモード、また磁気井戸によるMHD安定性に寄与するモードを、n= 1、m= 2の三角度断面形状のモードと仮定し、モードの振幅を変えながら磁場配位の特性を調べることにより、それぞれのモードの効果を詳細に調べた。この研究の延長線上にある成果として、n= 1、m= 0のモードとn= 1、m= 2のモードとを、LHD装置とは逆の符号関係になるように組み合わせることにより、新しい磁場配位の候補を見つけることができた。この磁場配位の優れた特長の一つとして、高ベータ平衡配位において、Shafranovシフトが小さくなることが見いだされた。研究計画3年目の課題は、LHD装置の磁場配位の分析から得られた物理的理解を、世界のヘリカル装置の極めて多様な磁場配位に対して適用し、ヘリカル配位の総合的な理解を目指す研究である。まずLHD装置の磁場配位の分析に用いた、最外殻形状の二重Fourier分解に用いた係数を数学的に集約することによって、さらに磁場配位の物理的閉じ込め特性に直結した形状因子を用いることとした。数学的には複素数空間でのFourier分解を行うことと等価であるが、装置の特長を表すための係数がおよそ半分の数で足りることになる。その結果LHD装置の磁場配位の特長を、たった三つの係数でほぼ表現することが可能となった。この表現方式を他のヘリカル装置の磁場配位に適用すると、例えば非常に複雑な構造を持つとされているドイツのWendelstein 7-X装置の場合でも、9個の係数でその構造的特長を表現することができる。多くの異なるヘリカル形式のトーラス閉じ込め装置において、どの場合においても閉じ込め性能を基本的に決定する幾何学的な要素はヘリカル軸構造のモードである。この係数のみを変化させて、いくつかの代表的なヘリカル装置の閉じ込め性能を比較した。この係数の符号の正負は、ヘリカル軸構造の回転のフェイズと楕円断面の回転のフェイズとの間の差を示しているが、どの装置においてもこのフェイズ差が正の値の時に、新古典輸送特性が改善されることがわかった。それに対してどのフェイズ差において磁気井戸が形成されるかは、装置による差が現れる。LHD装置では磁気井戸の形成は、新古典輸送特性改善とは逆の符号において実現されており、この結果がMHD特性と輸送特性との両立を阻む結果となっている。LHD装置では、このような特性の一致を目指した配位改善が今後の課題となる。核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)の磁場配位を例にとり、実験で採用しているいくつかの代表的な配位の最外殻形状をフーリエ分解し、それぞれの磁場配位の持つ閉じ込め特性が最外殻形状のフーリエ係数のどの要素と結びついているかについて解析した。代表的な配位としては、磁気軸位置が3.6, 3.75, 3.9 mの配位を選び、閉じ込め特性として、捕捉粒子のドリフト軌道の性質とMHD安定性をもたらす磁気井戸の深さについて検討した。実験で用いられる配位を表現する100以上のフーリエ係数の中から、係数の絶対値の大きなものを残すことにより、それぞれの配位の特性を与えているフーリエ係数を導き出した。

その結果から、配位の特性の違いを決定付けているフーリエ係数は、トロイダル・モード数n=1、ポロイダル・モード数m=0の成分であり、物理的には立体磁気軸配位を形成するために必要となる、ヘリカル軸構造のモードであることが明らかになった。このことは、平面磁気軸構造として知られているヘリオトロン型磁場配位においても、立体磁気軸配位の構造が重要な要素であることを示している。さらに解析を進めた結果、n=1、m=2のフーリエ係数も、LHDの磁場閉じ込め特性の違いを与える重要な要素であることがわかった。これらの二つのモードを自由に組み合わせることにより、新しい磁場配位を導き出すことも可能である。適切な係数の値の組み合わせを探すことにより、捕捉粒子軌道の最適化と磁気井戸形成とを同時に満たす配位を設計することにも成功した。研究計画の最終年度は、これまで検討を進めてきた、プラズマの圧力が高い平衡配位においてすぐれた閉じ込め特性を持つ新しい磁場配位を、実際の磁場閉じ込め実験装置としてどのように実現するかという課題に取り組んだ.高温プラズマの磁場閉じ込め装置の設計では、磁場コイルの形状から生成される磁場分布を計算し、そこでのプラズマの閉じ込め特性を計算するという古典的な方法に対して、磁場の三次元分布を数学モデルによって表現し、最後にその三次元磁場分布を与える磁場コイル形状を計算する、という方法論がある.核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)は、前者の方法によって設計された装置であるが、ここ20年程のヘリカル系磁場閉じ込め研究では、後者の方法論による装置設計が主流となっている.本研究課題では、新しい磁場配位の設計においては、最外殻形状のフーリエモードを基礎とした設計法を用いており、磁場コイルの設計は後者の方法論によることになる.プラズマ閉じ込め特性を最適化した結果の磁場配位を与えて、それを実現する磁場コイルを設計する際には、何種類かの異なる形状を持った変形したトロイダル・コイルを並べた構造が多く用いられている.ヘリカル装置設計においてはモジュラー・コイル型装置と呼ばれるものである.本研究課題では、まずこの一般的な磁場コイルの設計法を用いて、新しい磁場配位を実現するためのモジュラー・コイルを設計した.一方、本研究課題で見いだした新しい磁場配位は、LHDの磁場配位を基にして改良したものであるので、LHD装置と同様の連続ヘリカル・コイル形状の磁場コイル設計の可能性も考えられる.ヘリカル・コイル形状に与える新しい設計パラメータとして、コイルの巻き枠形状を円形から楕円形とすることにより、本研究課題で得られた優れた閉じ込め特性を持つ磁場配位を、実際の実験装置として実現するための磁場コイル設計に成功した.核融合科学4年計画の大きな目標の一つは、様々なヘリカル系装置の磁場配位を統一的に分析することによって、LHD実験の将来計画に資することができる新しい磁場配位を見つけ出すことである。計画の2年目において、最終的な目標そのものではないが、LHD装置の磁場配位の改良版としての新しい磁場配位の提案ができたことは、期待以上の成果と言える。その磁場配位の特長が、低ベータの平衡配位に基づくものではなく、高ベータ配位に特徴的な有利点であったことは、研究の進展としてさらにプラスに評価できる点である。当初の研究計画における3年目の課題は、世界の多くのヘリカル閉じ込め研究において用いられている多様なヘリカル磁場配位を、統一的な手法において分析・比較することであった。
保型L函数の特殊値の明示式とその応用

前年度から取り組んでいた奇数次ユニタリ群の場合のShimura型Rankin-Selberg積分に関するDavid Soudry(Tel Aviv University)との共同研究では、局所積分の不分岐計算を完成させることが出来た。前年度までに証明できていた解析的性質と合わせることで、この局所積分の基本的性質が全て得られた。また、この不分岐計算では、適当な型のBesselモデルについて、その明示公式を与えるCasselman-Shalika型の公式を証明している。この結果は局所積分の解析とは独立して重要な結果である。これらの結果は論文としてまとめ、現在投稿中である。本年度から新たに、GL(2)の正則保型形式について、その対称積L関数の特殊値の代数性に取り組んだ。実際、Grobner-LinによるGL(n)xGL(n-1)の場合のL関数の特殊値の代数性、GL(n)の随伴L関数の特殊値の代数性と、Garrett-Harrisによる3重積L関数の特殊値の代数性、Pitale-Saha-Schmidtによる次数2のSiegelモジュラー形式の標準L関数の特殊値の代数性を組み合わせることで、4次の対称積L関数の特殊値の代数性を証明することができた。さらに、Garrett-Harrisの結果の代わりに、森本によるGL(2)の3次対称積リフトとGL(2)の正則保型形式とのテンソル積L関数の特殊値の代数性を組み合わせることで、6次の対称積L関数の特殊値の代数性を1つの点で証明することが出来た。前年度までに証明できていた偶数次ユニタリ群の場合のLapid-Mao予想についての結果、形式次数予想についての結果を論文として完成させ投稿した。4次以上の対称積L関数の特殊値の代数性は重要ではあるものの、期待された形での代数性はこれまでに証明された場合はなかった。本研究の結果は代数性についての予想であるDeligne予想の観点のみならず、その数論的応用という点から考えても非常に意義深い結果である。上記のRankin-Selberg積分は保型表現の重要な構成法であるDescent法に現れる局所セータ積分であり、この局所ゼータ積分の基本性質からはDescent法に関連した保型表現・保型L関数への応用が期待出来る。対称積L関数の特殊値に関しては、6次の場合に全ての臨界点において代数性を証明するために、Pitale-Saha-Schmidtによる次数2のSiegel保型形式の標準L関数の特殊値の代数性をより一般の次数の場合に拡張する。また全ての指標についての捻りを考察するためにベースチェンジを用いた手法を考察したい。前年度に引き続き、古澤昌秋(大阪市大)との共同研究である一般化されたBoecherer予想を考察するために、unitary dual pairについて様々な状況でWhittaker周期の引き戻しを計算する。本年度は、LapidとMaoによって予想されたWhittaker周期の明示公式の偶数次ユニタリ群の場合、古澤昌秋氏(大阪市大)との共同研究としてBoechere予想の一般化、D. Soudry(Tel Aviv University)との共同研究として奇数次ユニタリ群の場合の志村型の局所ゼータ積分の解析の三つに取り組んだ。LapidとMaoにより、偶数次ユニタリ群の場合の明示公式は適当な局所体上の等式に還元されることが証明されていた。本年度はこの局所等式の証明に取り組み、分裂しない非アルキメデス素点上では、この局所等式を一般に証明することができた。また、アルキメデス素点上では離散系列表現の場合に局所等式を証明することができた。これらから、分裂素点、アルキメデス素点、基礎体に関する適当な仮定の下では、偶数次ユニタリ群の場合にLapid-Mao予想を証明することができた。また、市野-Lapid-Maoの方法に倣い、この局所等式を用いることで、非アルキメデス体上の偶数次ユニタリ群の場合に形式次数予想を証明することができた。古澤氏との共著論文ではBoecherer予想を証明していたが、その論文では奇数次特殊直交群とメタプレクティック群との間のテータ対応が重要な役割を果たしていた。本年度はその一般化に取り組み、以前の論文とは異なるテータ対応を用いた方法による着想を得て、現在共同研究をその方針で進めている。D.Soudryとの共同研究では、保型表現の重要な構成法であるDescent法に現れる局所ゼータ積分の解析に奇数次ユニタリ群の場合に取り組んだ。結果として、収束性、非消滅、局所ガンマ因子の存在を証明する事が出来た。いくつかの仮定が必要ではあるもののWhittaker周期の明示公式は証明できており、またその結果を用いて形式次数予想をも証明することができた。これらは保型L函数の研究、p進代数群の表現の研究において重要な結果である。また、奇数次ユニタリ群の局所ゼータ積分の解析においても、あとは不分岐計算を残すのみである。このような状況から、研究は順調に進展していると思われる。

これらの結果は論文としてまとめ、現在投稿中である。本年度から新たに、GL(2)の正則保型形式について、その対称積L関数の特殊値の代数性に取り組んだ。実際、Grobner-LinによるGL(n)xGL(n-1)の場合のL関数の特殊値の代数性、GL(n)の随伴L関数の特殊値の代数性と、Garrett-Harrisによる3重積L関数の特殊値の代数性、Pitale-Saha-Schmidtによる次数2のSiegelモジュラー形式の標準L関数の特殊値の代数性を組み合わせることで、4次の対称積L関数の特殊値の代数性を証明することができた。さらに、Garrett-Harrisの結果の代わりに、森本によるGL(2)の3次対称積リフトとGL(2)の正則保型形式とのテンソル積L関数の特殊値の代数性を組み合わせることで、6次の対称積L関数の特殊値の代数性を1つの点で証明することが出来た。前年度までに証明できていた偶数次ユニタリ群の場合のLapid-Mao予想についての結果、形式次数予想についての結果を論文として完成させ投稿した。4次以上の対称積L関数の特殊値の代数性は重要ではあるものの、期待された形での代数性はこれまでに証明された場合はなかった。本研究の結果は代数性についての予想であるDeligne予想の観点のみならず、その数論的応用という点から考えても非常に意義深い結果である。Whittaker周期の明示公式の結果における分裂素点上での仮定をはずすことに取り組みたい。非分裂素点の場合と同様の議論が期待できるため、この場合のモデルの変換公式を証明できれば局所等式を証明できると思われる。また、このWhittaker周期の明示公式とテータ対応を用いることによって、一般の場合のBoecherer予想の証明にも取り組みたい。奇数次ユニタリ群の局所ゼータ積分の不分岐計算は、他の群の場合のDescent法に現れるゼータ積分を参考に取り組みたい。対称積L関数の特殊値に関しては、6次の場合に全ての臨界点において代数性を証明するために、Pitale-Saha-Schmidtによる次数2のSiegel保型形式の標準L関数の特殊値の代数性をより一般の次数の場合に拡張する。また全ての指標についての捻りを考察するためにベースチェンジを用いた手法を考察したい。前年度に引き続き、古澤昌秋(大阪市大)との共同研究である一般化されたBoecherer予想を考察するために、unitary dual pairについて様々な状況でWhittaker周期の引き戻しを計算する。本年度に参加を検討していた研究集会において、講演者やその内容が当初想定していたものと異なっており、出張を中止したため繰越分が生じた。また、繰越分については、海外で開催される研究集会に積極的に参加するための費用としたい。1月に京都大学数理解析研究所で開催された国際研究集会に講演者を1名、国外から招へいする心づもりであったが,講演者の都合によりキャンセルになり、本補助金を使用しないことになってしまった.また、今年度に新たに取り組んだ問題は重要ではあるものの、既存の結果を合わせることで証明できるものであり、他の研究者より早く論文を完成させる必要があった。
単分子で白色発光を示すd10金属二核ハイブリッド材料の開発

現在、白色有機ELは主として赤緑青をそれぞれ発光する三種の材料を適切な割合でブレンドすることにより製作されている。もし、単分子で高効率白色発光を示す材料を使用することが可能となれば、生産プロセスの大幅な簡素化が期待できる。本研究の目的は、単分子で高効率白色光を示す有機ー無機ハイブリッド材料を合成することである。緑発光材料の合成途中で副生した弱いながらも単分子で白色発光を示す材料の発光メカニズムを検討することで、その高効率化に挑む。
超臨界水中部分酸化によって生成する活性水素の反応特性の解明

超臨界水中における部分酸化を用いた水素化は、水素を直接作用させた水素化よりも迅速に進行することが知られており、この水素化種としてギ酸が作用していることが示唆されてきた。しかしながら、その反応速度について定量的に検討した例はなく、実際にギ酸が主水素化剤として作用しているかどうかも明確に示された例はない。そこで本研究においては、380400°C、25MPaの超臨界水中で連続反応器を用いてギ酸をもちいたアセトンの水素化による2-プロパノールの生成速度を定量的に測定し、ギ酸による水素化特性を調べた。ギ酸を短時間で昇温し、アセトンを含む流れと混合して反応させ、生成した2-プロパノール濃度をHPLCで測定し、別に測定した昇温部分におけるギ酸の分解速度を用いることによって、超臨界水中におけるギ酸によるアセトンの水素化速度式を導出した。分子軌道法を用いた解析も合わせて行い、中間体の予測も行った。さらに、ギ酸の昇温速度をのばした実験を行ったところ、水素化特性が急激に向上する現象を確認した。その水素化特性はギ酸による水素化特性より一桁以上大きく、ギ酸がほぼ分解によって消滅したと考えられる時点から進行した。ギ酸に変えて水素のみ、水素と二酸化炭素のみを含んだ流れを送った場合にはほとんど水素化が進行しなかったため、一酸化炭素の存在がこの迅速な水素化に有効であり、その水素化速度がギ酸によるものよりも高いことを示唆する新たな知見を得た。本年度は、超臨界水流通式反応器を作製し、過酸化水素あるいはギ酸ならびにアセトンを用いた水素化反応についての基礎的検討と、更に回分式反応器を用いた水素化反応の評価試験を行った。連続流通式反応器は、2台のHPLCポンプによって過酸化水素とグルコースあるいはギ酸とアセトンの組み合わせで溶液を送り、溶融塩翼において加熱、混合して反応を進行させるもので、設定反応時間後には熱交換管によって急冷、所定の反応時間における反応の進行を定量的に評価できるものとしている。反応温度ならびに圧力は、400°C、25MPaとし、反応時間は0.02秒から数秒まで変化させられる。触媒の添加がない場合には、ギ酸を送った場合にも水素化反応が進行しないこと、過酸化水素を添加した場合には、主に燃焼反応が進行するが、一酸化炭素も約30%の割合で生成すること、を確認している。回分式反応を用いては、窒素雰囲気、水素雰囲気、酸素雰囲気のそれぞれで、ニッケル触媒存在下でセルロースを400°C、25MPaで超臨界処理し、水素を添加することによってセルロースのガス化が大きく促進され、反応時間20分では炭素ガス化率が70%から99%近くまで増加すること、酸素を添加した場合にも同様の効果が見られること、この時に添加した酸素量は完全燃焼の12%程度でしかないことから添加した酸素による燃焼によって説明できる以上のガス化が進行すること、を確認している。リグニンを用いて、水素雰囲気、一酸化炭素雰囲気、ギ酸添加条件のそれぞれで同様の実験を行ったところ、ギ酸添加の時にのみ効果が見られ、対象とする物質によっても部分酸化ならびに水素供与の効果が異なることが確認されている。来年度は、流通式反応器でニッケル触媒の効果を定量的に明らかにしていく。
ミトコンドリアDNAからみたモンゴロイド集団の起源と系統

本研究では、種々の人類集団に由来する現代人に関してミトコンドリアDNA(mtDNA)のDル-プ領域の塩基配列を決定し、遺伝子系統樹解析を行なった。本年度は、新たに東南アジアやアメリカ由来のモンゴロイド27人のmtDNAの、Dル-プ領域の塩基配列を決定した。そして、これまでに得られたアフリカ人、ヨ-ロッパ人、モンゴロイドの三大人種のデ-タと合わせた現代人128人について、相同な482塩基対の配列を比較し、各々の配列間で起きた塩基置換数の推定も行った。この領域での128人の塩基多様性の度合は1.46%となり、これまでに報告されている、制限酵素の切断パタ-ン違いから求めた値より3倍以上高い値となった。推定した塩基置換数を基に、UPG法で遺伝子系統樹を作成した。枝別れのパタ-ンより、各系統はC1からC5で示す、5個のクラスタ-に分けることができる。ほとんどのアフリカ人は、系統樹の上で最初に分岐する、C1に属している。そしてその後に、C2に属する一部のアジア人が、続いてC3からC5のアジア人とヨ-ロッパ人が分岐している。ここで、各クラスタ-ごとの各系統の地理的分布を調べると、アフリカ人の系統はC1のほか、全てのクラスタ-でみられる。このことは、アフリカ人が最も多様性に富んだmtDNAの塩基配列を持っていることを示している。一方、多様性がもっとも低いヨ-ロッパ人の系統のほとんどは、C4に入り、他はC2、C5それぞれに2系統ずつ見られるだけである。日本人とアジア人の系統は、C1以外の全てのクラスタ-にみられ、ヨ-ロッパ人よりはずっと多様性が高いことを示している。7人のアメリカ原住民のうち、3人はC3、4人はC5に入った。このことより、調べた個体数は少ないが、ベ-リング海峡を渡ってアメリカ大陸に最初に移住した集団が、それほど大きくなかったことが示唆される。
理科教育における科学論的内容に関するカリキュラム開発と学習指導の研究

近年の国際学力調査の結果から,日本の生徒は科学的知識などの理解度については高い数値を示しているが科学論的内容というべき"Nature of Science"こついての理解が不十分であると指摘できる。こうした問題状況に対する解決策の一つとして,日本の理科カリキュラムに"Nature of Science"の内容を導入し,生徒たちに,こうした内容を直接的に教授することを挙げることができる。というのも,現在,欧米の国々の多くは,実際に,"Nature of Science"を内容として導入した理科カリキュラムが開発され,導入しているからである。このような国際的動向に鑑みると,日本も同様,理科カリキュラムに"Nature of Science"の内容を導入し,日本の生徒に"Nature of Science"の内容を教授することが有効であると考えられる。特に平成21年度は、以下の3点に取り組んだ。1理科教育における"Nature of Science"の学習指導方法を文献調査から整理した。2米国理科カリキュラムにおける"Nature of Science"の内容構成については,学年進行に伴う変化を中心に解明した。近年の国際学力調査の結果から,日本の生徒は科学的知識などの理解度については高い数値を示しているが科学論的内容というべき"Nature of Science"についての理解が不十分であると指摘できる。特に平成20年度は、米国理科カリキュラム(初等及び中等前期教育段階)における"Nature of Science"の内容構成の特質、日本の中学生・高校生の"Nature of Science"対する認識等々を解明した。(2)米国理科カリキュラムにおける"Nature of Science"の内容構成については,理科教科書の分析を中心に調査を行った。(3)日本の中学生・高校生の"Nature of Science"の認識については、質問紙調査を中心にその現状を調査した。
プラネタリー波の形成に関する力学的研究

本研究は、気象観測データの解析や大気大循環モデルを用いた数値シミュレーション等により、南北各半球における定常プラネタリー波と、全球的な非定常プラネタリー波の形成機構を明らかにすることを目的とする。非定常プラネタリー波については、その代表的モードである5日波活動度の年々変動と、大気大循環の年々変動の関係を,再解析データを用いて調べた。等圧面高度場に時空間フィルターを用いて5日波成分を抽出し、その振幅の時間変化を調べたところ、5日波は1ヵ月内外の時間スケールで不規則に出現するが、360日の移動平均で平滑化した振幅により活動度の長期変動を見ると、2年強の周期を持つ顕著な年々変動を示すことがわかった。さらに、赤道域下部成層圏の東西風に見られる準2年周期振動(QBO)と比較したところ、QBOの東風位相の時の方が西風位相の時よりも大きな振幅であった。上記の変動は、QBOに伴う熱帯域積雲対流の変動により引き起こされたものと考えられ、今後、対流活動度の変動に関する詳細な解析が必要である。定常プラネタリー波については、北半球の対流圏から成層圏にかけて見られる、気圧分布の年々変動パターンについて調べた。年々変動の空間構造は、極域を中心とした高緯度と中低緯度の間のシーソー状の変動である環状変動パターンを示すことが知られているが、このうち対流圏のものは北極振動と呼ばれている。50年間にわたる再解析データを用いて、北極振動についての詳細な検討を行った結果、対流圏で見られる北極振動は、NAO(北大西洋振動)とPNA(太平洋・北アメリカパターン)という、独立な二つの変動モードが足し合わさってできた見かけのモードであり、成層圏に見られる環状モードは、そのうちのNAOとのみ、つながっていることが明らかとなった。本研究では、長年蓄積されてきた多量の観測データの解析と、大気大循環モデルを用いた数値実験を組み合わせ、特に南半球における定常プラネタリー波と、全球的な非定常プラネタリー波の形成機構を明らかにすることを目的とする.今年度は、20年以上にわたる気象衛星データならびに気象再解析データを用いて、南半球における、高度場や温度場などの力学場、ならびにオゾン全量場における定常プラネタリー波の空間構造と相互の関係、および年々変動について詳細に調べた.10月頃のオゾン全量場に見られる南緯50度付近の緯度帯のオゾン量極大域は、南極を中心に見た場合三日月型をして存在していることからオゾンクロワッサンと言われ、基本的には東西波数1成分で説明できる.これと力学場の定常プラネタリー波の関係を調べた結果、この構造は下部成層圏における東西波数1成分の空間構造により決定されるていることがわかった。また、下部成層圏における波数1の定常プラネタリー波の位相(山が存在する経度)の年々変動を調べた結果、東経135度付近を中心にして、それより東に偏する年、西に偏する年に分かれ、その両者の構造は対流圏から異なっていることがわかった.次に、このような構造の違いの原因を調べるために、平均海面水温の年々変動との関係を調べた結果、`太平洋域の変動と高い相関を持つことがわかった。今後は、上記年々変動について、その物理的な機構を解析するとともに、大気大循環モデルを用いた数値実験による検証を行う予定である。本研究では、長年蓄積されてきた多量の観測データの解析と、大気大循環モデルを用いた数値実験を組み合わせ、特に南半球における定常プラネタリー波と、全球的な非定常

プラネタリー波の形成機構を明らかにすることを目的とする。今年度は、20年以上にわたる気象衛星データならびに気象再解析データを用いて、代表的な非定常プラネタリー波である5日波の活動度の年々変動と、大気大循環の年々変動の関係を調べた。5日波は大気の自由振動モード(ノーマルモード)の一つであり、東西波数が1の全球的空間構造を持ち、約5日周期で西進する。その励起源については、我々の大気大循環モデルを用いた研究(Miyoshi and Hirooka,1999)から、熱帯域の積雲対流に関わる湿潤過程が重要であることが示されたが、それを支持する明瞭な観測事実はいまだ得られていない。そこで、等圧面高度場データに時空間フィルターを用いて5日波成分を抽出し、その振幅の時間変化を調べたところ、5日波は1ヵ月内外の時間スケールで不規則に出現するが、360日の移動平均で平滑化した振幅により活動度の長期変動を見ると、2年強の周期を持つ顕著な年々変動を示すことがわかった。さらに、赤道域下部成層圏の東西風に見られる準2年周期振動(QBO)と比較したところ、QBOの東風位相の時の方が西風位相の時よりも大きな振幅であった.上記の変動は、QBOに伴う熱帯域積雲対流の変動により引き起こされたものと考えられるので、今後は、対流活動度の変動を詳細に解析するとともに、大気大循環モデルを用いた数値実験による検証を行う予定である。本研究では、長年蓄積されてきた多量の気象観測データの解析と、大気大循環モデルを用いた数値シミュレーションを組み合わせ、特に南半球における定常プラネタリー波と、全球的な非定常プラネタリー波の形成機構を明らかにすることを目的とする。昨年度は、全球的な非定常プラネタリー波の一つで、東西波数1の大気自由振動(ノーマルモード)の基底モードである5日波について、波動活動度の年々変動と、大気大循環の年々変動の関係を調べた。引き続き今年度は、さらに周期の長いノーマルモードの出現について、気象観測データ及び大気大循環モデルを用いた数値シミュレーションデータを用いて調べた。その結果、北半球成層圏冬季の循環を特徴づける北極中心の低気圧(極渦)が3月から4月頃に崩壊した後から8月頃にかけての期間に、東西波数1または2で、周期が2から3週間くらいの西進性波動が卓越的に現れることが、両データに共通して見られた。これらの西進性波動は、極渦崩壊を契機に出現した高次のノーマルモードと考えられ、気圧、温度などの力学場だけでなく、オゾンをはじめとする大気微量成分の場にも、対応する波動成分が見られることがわかった。以上の事実は、北半球極渦崩壊後から夏にかけての時期のノーマルモードの励起機構に、極渦の崩壊が関係している可能性を示すものと考えられ、今後さらなる研究が必要である。
単一細胞用サブピコワット高感度熱計測システム

本研究は,細胞内反応メカニズムの解明を通して,生化学/病理学分野での学術的イノベーションや医療医薬品分野/健康安心分野での社会的応用を目指し,微小電気機械システム(MEMS)を軸としたマイクロ熱センサにより,通常細胞の発熱量検知が可能である熱分解能を有する熱計測システムを開発することを目的とする.また,発熱細胞として知られる褐色脂肪細胞は発熱に伴い,その形状が変化する.細胞の発熱を多角的に評価する内容も加えて検討する.本年度はマイクロ熱センサの基礎実験と,発熱に伴う細胞の形状変化を評価する手法を検討した.本課題におけるマイクロ熱センサとして,誘電体型センサの有用性を検討した.従来研究によれば,バルクのBST(チタン酸バリウムストロンチウム)は,キュリー点付近で誘電率が大きく変化する(6.7%/K).薄膜(1um)のBSTをPLD(パルスレーザデポジション法)にて作製し,その誘電率の温度依存性を評価した.成膜条件のパラメータとして,温度,圧力があり,複数条件で製膜したBSTの誘電率温度依存性を計測した結果,最大で0.62%/Kとバルクのそれよりも1桁以上も小さな値となった.薄膜BSTでは想定していた性能を得られない,もしくは我々の有する成膜装置では適切な成膜条件を得られないことが示唆される.また,発熱に伴う細胞の形状変化を評価する手法としてひずみゲージに着目した.ひずみゲージは主に材料のゲージファクタ(GF)に依るところが大きい.そのため,まずマイクロナノ加工が可能である新規材料,アルミドープ酸化亜鉛(AZO)と酸化バナジウム(VOx)のGFを評価した.5%AZOは原子層蒸着法により原子層レベルで膜厚が制御できるが,GFは8.5と低かった.VOxは一般的な蒸着法で数10nm程度の膜厚制御が可能で,GFは259であった.薄膜BSTの評価を行ったこと,その結果,薄膜BSTでは想定していた性能を得られなかった(得られる成膜条件をまだ見出すことができていない)ものの,熱センサと組み合わせて細胞の活性を多角的に評価する案を検討し,それに係る物性評価を複数の材料で行った,そして,一般的に使用されているSi(シリコン)に比べて,ナノ構造体を作製可能なAZO(アルミドープ酸化亜鉛),Siよりも優れたゲージファクタを持つVOx(酸化バナジウム)と非常にユニークな特徴を持つ材料を報告することができたため,上記の進捗状況とした.(1)電気的マイクロ熱センサ:前年度,誘電率温度依存性の大きいBSTの成膜と成膜条件の最適化を行ったところ,薄膜ではバルクほどの温度特性が出ない,もしくは所有する成膜装置では所定の温度特性を得られない可能性があることがわかった.引き続き,BST成膜の条件出しを行うとともに,場合によっては代替案の検討を試みる.(2)デバイスの作製:前年度にてマイクロ流体チップ内における試料-センサ間熱伝導の高効率化のための設計を行ったので,解析的実験的に評価,確認する.そして,伝熱効率が改善されたマイクロ流体チップに熱センサ(現状では(1)に相当するもの)を組み込んだデバイスの作製を行う.この組み込みを考慮して前年度の研究を進めるので,特に問題は生じないと予想される.(3)デバイスの特性評価および修正:計測系を用いて,作製したデバイスの特性評価を行う.熱分解能,安定性など計測の根幹となる部分を中心に評価し,実験的に設計指針を得て,それを元にフィードバックをかけ,センサの校正や最適化を行った上で,再度デバイスを作製する.本研究は,細胞内反応メカニズムの解明を通して,生化学/病理学分野での学術的イノベーションや医療医薬品分野/健康安心分野での社会的応用を目指し,微小電気機械システム(MEMS)を軸としたマイクロ熱センサにより,通常細胞の発熱量検知が可能である熱分解能を有する熱計測システムを開発することを目的とする.また,発熱細胞として知られる褐色脂肪細胞は発熱に伴い,その形状が変化する.細胞の発熱を多角的に評価する内容も加えて検討する.本年度はマイクロ熱センサの基礎実験と,発熱に伴う細胞の形状変化を評価する手法を検討した.本課題におけるマイクロ熱センサとして,誘電体型センサの有用性を検討した.従来研究によれば,バルクのBST(チタン酸バリウムストロンチウム)は,キュリー点付近で誘電率が大きく変化する(6.7%/K).薄膜(1um)のBSTをPLD(パルスレーザデポジション法)にて作製し,その誘電率の温度依存性を評価した.成膜条件のパラメータとして,温度,圧力があり,複数条件で製膜したBSTの誘電率温度依存性を計測した結果,最大で0.62%/Kとバルクのそれよりも1桁以上も小さな値となった.薄膜BSTでは想定していた性能を得られない,もしくは我々の有する成膜装置では適切な成膜条件を得られないことが示唆される.また,発熱に伴う細胞の形状変化を評価する手法としてひずみゲージに着目した.ひずみゲージは主に材料のゲージファクタ(GF)に依るところが大きい.そのため,まずマイクロナノ加工が可能である新規材料,アルミドープ酸化亜鉛(AZO)と酸化バナジウム(VOx)のGFを評価した.5%AZOは原子層蒸着法により原子層レベルで膜厚が制御できるが,GFは8.5と低かった.

VOxは一般的な蒸着法で数10nm程度の膜厚制御が可能で,GFは259であった.薄膜BSTの評価を行ったこと,その結果,薄膜BSTでは想定していた性能を得られなかった(得られる成膜条件をまだ見出すことができていない)ものの,熱センサと組み合わせて細胞の活性を多角的に評価する案を検討し,それに係る物性評価を複数の材料で行った,そして,一般的に使用されているSi(シリコン)に比べて,ナノ構造体を作製可能なAZO(アルミドープ酸化亜鉛),Siよりも優れたゲージファクタを持つVOx(酸化バナジウム)と非常にユニークな特徴を持つ材料を報告することができたため,上記の進捗状況とした.(1)電気的マイクロ熱センサ:前年度,誘電率温度依存性の大きいBSTの成膜と成膜条件の最適化を行ったところ,薄膜ではバルクほどの温度特性が出ない,もしくは所有する成膜装置では所定の温度特性を得られない可能性があることがわかった.引き続き,BST成膜の条件出しを行うとともに,場合によっては代替案の検討を試みる.(2)デバイスの作製:前年度にてマイクロ流体チップ内における試料-センサ間熱伝導の高効率化のための設計を行ったので,解析的実験的に評価,確認する.そして,伝熱効率が改善されたマイクロ流体チップに熱センサ(現状では(1)に相当するもの)を組み込んだデバイスの作製を行う.この組み込みを考慮して前年度の研究を進めるので,特に問題は生じないと予想される.(3)デバイスの特性評価および修正:計測系を用いて,作製したデバイスの特性評価を行う.熱分解能,安定性など計測の根幹となる部分を中心に評価し,実験的に設計指針を得て,それを元にフィードバックをかけ,センサの校正や最適化を行った上で,再度デバイスを作製する.