hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
フォトクロミックスイッチングユニットによるπ共役分子鎖の光機能化

フォトクロミック分子によるπ共役系スイッチングを目指して、さまざまなπ共役系を有するフォトクロミック分子の開発とその評価を行った。フォトクロミックターアリーレンの中央のアリール部に対してπ共役ユニットを導入したところ、π共役系の拡張に伴って吸収の長波長シフトが見出された。さらにフォトクロミック反応前後の吸収波長はそれぞれの構造におけるπ共役系の広がりに対応して変化することが見出され、ターアリーレン系フォトクロミック分子においてπ共役系の方向切り替えが可能であること明らかになった。一方、光によりπ共役分子ワイヤーの形成を目指して、光照射に伴って安定な芳香族ユニットが形成する新しい光化学反応の開発に成功した。この分子では光反応後に形成する中間体から、自発的にメタノールが脱離し、安定な芳香族分子を形成し、さらにπスタックによる超分子集合体を形成することが見出された。類似の反応は従来は酸素などの酸化剤の存在が必要であったらが、脱離ユニットを安定なアルコールとすることで、自発的な光脱離反応が可能となった。π共役系の共役長を外場制御できれば新たな分子スイッチングや分子メモリの可能性が期待される。光レセプター機能を有するフォトクロミック分子ユニットは光照射により可逆に分子構造を変え、これに伴って分子内のπ共役系の連結様式が大きく変化することが知られている。本研究ではπ共役系からなる分子鎖にフォトクロミック分子ユニットを導入し、電子・光物性が光照射によって可逆制御可能な分子メモリシステムの開発を目的とする。今年度はフォトクロミック分子によるπ共役系のスイッチングを分子間集積構造の光制御に適用することを目指して、反応性アリール基にイミダゾリウム基を組み込んだカチオン性ジアリールエテン誘導体の合成を行った。イミダゾリウム基は芳香族性を示し正電荷は複素環構造に非局在化しているが、その光閉環体においては芳香族性が失われ、電荷の局在化が強まることが考えられる。このためイオン間相互作用をフォトクロミック反応で制御可能であると期待できる。合成した化合物は、溶液中ならびに無溶媒状態で無色⇔赤の可逆的なフォトクロミック反応を示した。さらに、その光閉環着色化合物は溶媒変化によるソルバトクロミズムならびに、イオン性化合物添加に伴うイオノクロミズムなど多様なクロミズム特性を有することが明らかとなった。いずれにおいても明確な等吸収点が観察されることから、これらのソルバトクロミズム、イオノクロミズム特性はイミダゾリウム環における2つの窒素原子のいずれかに正電荷が局在化した二つの共鳴構造が寄与していることが強く示唆された。今年度はフォトクロミック分子ユニットとしてπ共役系の方向切り替え能が高い、ターアリーレン系フォトクロミック分子ユニットを取り上げ、そのフォトクロミック特性の解明と熱および光による分子スイッチング特性を検討した。ターアリーレン系フォトクロミック分子ユニットに置換基としてフェニルエチニル基を導入すると、室温における消色速度が規約的に加速可能であることを見出した。さらに、量子化学計算の結果、この現象が熱開環反応に寄与するCC伸縮振動とフェニルエチニル基の振動モードの倍音共鳴に基づくフェルミ共鳴現象によるものであることを明らかにした。一方、新たなπ共役スイッチングユニットとしてイミダゾリウム基に着目し、π共役系にイミダゾリウム基を導入したπ共役系低分子および高分子を開発した。DFT量子化学計算などの結果から、π共役主鎖状におけるイミダゾリウム基間の静電相互作用に起因して、π共役すぁイヤーがねじれることを明らかにした。

π共役系の共役長を外場制御できれば新たな分子スイッチングや分子メモリの可能性が期待されることから本研究ではπ共役系からなる分子鎖にフォトクロミック分子ユニットを導入し、電子・光物性が光照射によって可逆制御可能な分子メモリシステムの開発を目的として研究を進めた。今年度はフォトクロミック分子ユニットとしてπ共役系の方向切り替え能が高い、ターアリーレン系フォトクロミック分子ユニットについて、新たに反応点炭素原子にπ共役系分子ワイヤーを導入することに成功した。さらにこの新規なアリールエチニルターアリーレンが可逆なフォトクロミック反応を示すことや、特徴的な熱反応性を示すことを見出した。量子化学計算の結果、この現象が熱開環反応に寄与するCC伸縮振動とフェニルエチニル基の振動モードの倍音共鳴に基づくフェルミ共鳴現象によるものであることを明らかにした。また、赤外吸収スペクトルの計測結果と量子化学計算との計測結果が良い一致を示すことを見出した。また、スイッチング分子としての特性を評価する際に重要となる固体状態でのフォトクロミック反応性を検討する目的で、アモルファス固体を形成する新たなターアリーレン誘導体を合成した。その結果、固体状態においても高い反応性を示すことを見出した。フォトクロミック分子によるπ共役系スイッチングを目指して、さまざまなπ共役系を有するフォトクロミック分子の開発とその評価を行った。フォトクロミックターアリーレンの中央のアリール部に対してπ共役ユニットを導入したところ、π共役系の拡張に伴って吸収の長波長シフトが見出された。さらにフォトクロミック反応前後の吸収波長はそれぞれの構造におけるπ共役系の広がりに対応して変化することが見出され、ターアリーレン系フォトクロミック分子においてπ共役系の方向切り替えが可能であること明らかになった。一方、光によりπ共役分子ワイヤーの形成を目指して、光照射に伴って安定な芳香族ユニットが形成する新しい光化学反応の開発に成功した。この分子では光反応後に形成する中間体から、自発的にメタノールが脱離し、安定な芳香族分子を形成し、さらにπスタックによる超分子集合体を形成することが見出された。新しい光応答型π共役分子ワイヤーが可能となった。類似の反応は従来は酸素などの酸化剤の存在が必要であったが、脱離ユニットを安定なアルコールとすることで、自発的な光脱離反応が可能となった。
傾斜鏡型浮遊帯域法による大口径化技術の新規シンチレータ結晶への応用

キセノンランプを加熱光源とした赤外線集中加熱炉を用いた浮遊帯溶融法によりPr添加Lu3Al5O12(PrLuAG)結晶の育成を行った。加熱光源をハロゲンランプから変更することで育成結晶の長尺化に成功した。育成結晶のシンチレターとしての光学特性はハロゲンランプを光源として育成した結晶や量産法のCZ法で育成した結晶と同等であったことに加えて育成結晶の結晶性は同等以上であった。ただ、育成結晶にはクラックが多数見られたことから、その抑制が必要であることがわかった。対象として偏析係数が0.06と著しく小さなPrを賦活剤として添加するLu3Al5O12(Pr:LuAG)単結晶を選んだ。これは、偏析係数の小さな元素を添加する結晶程、引き上げ法による量産が困難であるからである。結晶合成の出発原料として用いるLu2O3は非常に高額な試薬である。そのため、融点が2043°CのPr:LuAGとほぼ同程度の融点を有するSrTiO3(STO)の単結晶育成を行って、高融点材料の挙動を調べた。当初の計画通り、加熱効率の向上目指した集光加熱炉の改造を行った。しかし、想定したような効果が得られず、更に加熱炉に工夫を加えて、STOを加熱溶融できるようになった。将来的に育成結晶の大口径化と長尺化を両立させるためには一層効果的な加熱を実現する必要があった。育成雰囲気を酸素気流中等の酸化雰囲気から酸素分圧を系統的に下げ、還元性のアルゴン水素混合ガス(Ar95%H25%)にすると加熱溶融が容易になった。育成時の集光鏡の傾斜角度を変化させた条件でSTO単結晶を育成し、結晶断面を機械研磨し、化学エッチングすることで結晶欠陥を評価したところ、傾斜角度の増加により、結晶欠陥が低減できることを見出した。この結果はSTOでも固液界面が凸状の形状をしており、その度合いが変化していることを示唆しているものであった。そこで、Pr:LuAGについても同様の効果が得られると考え、Pr:LuAG結晶の育成実験を同様の還元雰囲気で行った。溶融帯の観察から、Pr:LuAGの場合、界面はむしろ凹状となっていることが示唆され、界面形状の挙動をより詳しく調べる必要があることがわかった。また、育成結晶の長尺化に伴い育成結晶の結晶性が向上するにつれて、加熱効率が低下し、加熱溶融が困難となる現象も見出した。そのため、育成結晶の長尺化を先ず実現した上で界面形状の挙動を調べる必要があることがわかった。空港の保安検査場や医療現場やなどで、内部を非接触に調べるために広く用いられている撮像装置の性能と価格は、各撮像装置に用いられるシンチレータ単結晶の結晶性とその製造コストに大きく依存しているため、良質かつ安価なシンチレータ単結晶を製造することが重要である。Pr添加Lu3Al5O12(以下Pr:LuAG)はシンチレータとして優れた結晶であるが、賦活剤として添加するPrの偏析係数が0.06と1比べて著しく小さいため、引き上げ法では著しいPrの偏析が生じる。そのため、結晶育成過程における歩留まりが非常に悪く、これが撮像装置全体の性能と価格に大きな影響を及ぼしている。代表者が従事してきた浮遊帯溶融法では偏析制御が可能で育成方向に均一組成の長尺結晶を育成できるが、単結晶の大口径化が難しいため、シンチレータ単結晶の製造には用いられていない。本研究では、代表者が加熱方法の工夫によって最近見出した大口径化技術をPr:LuAG単結晶の育成に適用することで育成結晶の大口径化と長尺化の両立による低コスト化を目指した。ハロゲンランプを加熱光源とした実験では、育成結晶の結晶性は、良好であることを示すことができた。しかし、Pr:LuAGの融点が2080°C程度と非常に高いことと育成結晶が比較的透明であることに起因して、結晶育成可能な結晶径はせいぜい6 mm程度に過ぎないことに加えて、結晶育成の進行とともに溶融帯の保持に必要なランプ出力が増大し、育成長が15 mm程度になるとランプ出力を最大としても溶融が困難となり、育成結晶を長尺化することが困難であった。高融点物質の単結晶育成に適したキセノンランプを加熱光源とした実験では、育成結晶の長尺化と大口径化は進展したが、育成後に結晶中にクラックを生じた。この抑制に育成条件を最適化する必要があることがわかった。Pr:LuAGの育成において、これまで用いていた1.5kWのハロゲンランプを用いた条件では、Pr:LuAGの溶融には出力上限に極めて近く、結晶育成の進行に伴って育成結晶の結晶性が向上するにつれて、熱の散逸が多くなり、結晶育成の継続が困難になった。そのため、大容量の2.5kWのハロゲンランプを用いた育成を試みた。

しかし、2.5kWのランプではフィラメントサイズが1.5kWのランプに比べて大きくなることに起因して、集中加熱に用いる回転楕円鏡の焦点位置から離れた場所からの発光の割合が高くなり、反ってPr:LuAGを溶融することが困難になった。そこで、Lu2O3-Al2O3系状態図に基づき、アルミニウム過剰の共晶組成の溶媒を用いることで状態図上では2043°Cの調和溶融温度から1885°Cの共晶温度まで最大158°C融液温度を低下させることが期待できる。その結果、育成長を20mm程度にまで長尺化することができた。溶媒量を調整した結果、異相の析出を抑制することにも成功した。育成結晶の終端部分を切り出し、賦活剤として添加したPrの結晶中の固溶量の定量を試みた。その結果、EPMAで定量することは困難であった。しかし、切り出した結晶を両面鏡面研磨し、吸収スペクトルなどの光学特性や発光量等のシンチレーション特性、XRDを用いた結晶性の評価等を行った。光学特性から、Prの3d-4f遷移や4f-4f遷移に起因した吸収等が確認され、育成結晶中にPrが固溶していることが確認できた。発光特性も標準的なシンチレーターのBGOに比べて23倍の発光量であることがわかり、CZ法で育成したPr:LuAG結晶で報告されている発光量と同程度であることが確認された。XRDを用いたロッキングカーブ測定からは育成結晶の結晶性がCZ結晶よりも高いことが確認された。STOの育成で確認できた傾斜効果を利用した条件で育成した結晶に見られたエッチピットの低減効果は、当初の想定通りの結果で、傾斜効果により、溶融帯の固液界面形状の凸度が減少し、平坦に近くなっていることを示唆するものであった。平坦に近い界面は、溶融帯の安定化を意味し、育成結晶の大口径化も容易にする効果が期待できるものであった。しかし、これ以外においては、申請時の計画では想定できなかった問題が多く見出され、大口径化技術をPr:LuAGシンチレータ結晶に十分に適用できていないのが実情である。先ず、加熱効率の向上を目指した集中加熱法の工夫が十分な効果を示さず、集中加熱法に一層の工夫を加える必要があった。また、Pr:LuAG育成時の溶融帯の観察からPr:LuAGの成長界面の形状は、凹型になっていることを示唆していた。申請時の大口径化技術は、凸状の界面を平坦に近くすることで溶融帯の安定化を実現し、育成結晶の大口径化につなげようとするものであったことから、凹状の界面を平坦に近づけることを想定していなかった。そのため、その対応も可能となるように集中加熱炉に工夫を加える必要があった。単結晶育成にはもちろん、その固液界面形状の変化を系統的に調べるには、少なくとも20mm以上の結晶を育成したりする必要がある。しかし、Pr:LuAGの場合、溶融帯を形成し、育成を進め、育成結晶の結晶性が次第に向上するに従って、集中加熱の効率が低下し、結晶育成を継続することが困難となる新たな問題を生じた。そのため、10mm以上の長尺結晶を育成するには集中加熱に用いる光源の数あるいは、一光源当たりの出力を増加させるあるいは、より低融点でPr:LuAG原料を溶解する溶媒を用いた育成が必要であることがわかった。25年度が最終年度であるため、記入しない。溶媒を用いることで育成結晶の長尺化に成功し、育成結晶の結晶性が十分向上するまでの育成が可能となった。育成結晶の発光特性は、CZ法で育成した結晶と同等であり、XRDで評価した育成結晶の結晶性はCZ結晶よりも良好であった。
感覚受容器の細胞内情報伝達系におけるイノシトールリン脂質代謝系の役割

感覚受容器の応答発現機構を研究してきた。無脊椎動物の視角系は一時IP_3をセカンドメッセンジャとする説が提唱されたが、その後様々な矛盾のあることから、脊椎動物の視角系に比較して整理されておらず、いまだに混沌とした状況にある。そこで無脊椎動物であるウミウシの視細胞を対象として、我々はこれまで電荷感受性のチャネル開閉モデルを提案してきた。これは細胞膜中に存在するPIP_2が、フォスフォリパーゼCにより加水分解される際におこる電荷の局所移動に着目したものであった。すなわち、5価の負電荷を持つ膜中のPIP_2が加水分解され、膜には中世のジアシルグリセロールが残り、細胞質には5価の負電荷を持つIP_3が遊離する。したがって細胞膜は5価の負電荷が取り去られることになり、これによる電界変動がイオン非選択的なNaチャネルを開けるというものである。これまで電荷変動を中和するための正に帯電した種々のポリアミン、アミノグリコシド系抗生物質を細胞内注入して、光応答の変化を観察してきたが、電荷変動をおこす別の要因として細胞内の水素イオン濃度変化(pH変化)に対する光応答を調べた。その結果、細胞内pHが上がると光応答は増強され、逆に下がると減弱するという電荷変動モデルに対応する結果が得られている。このモデルを有毛細胞に適用するための第一歩として、有毛細胞の特定も行った。これはピエゾ素子から加えられる微小振動に対する有毛細胞応答と、細胞の相対的位置と形態を対応ずけた。今回選んだ有毛細胞はcaudalにあり、連合学習時に最も大きな変化が報告されている細胞で、その形態はルシファ黄による細胞内染色によった。
腸管免疫系の炎症誘発に関わるTh17細胞の機能・分化におけるPI3Kの役割

腸管免疫系において炎症反応を司ると考えられる新たなCD4^+ TサブセットであるTh17細胞の存在が明らかになったが、その分化や機能に関しては不明な点が多い。前年度までに、phosphoinositide 3-kinase (PI3K)はTh17細胞分化を正に制御しているが、その分化に重要でありIL-6シグナルの下流に存在するSTAT3には影響しないことを示した。そこで本年度は、それ以外の転写因子に着目して解析を行った。TGFβシグナルにより発現しTregの分化に重要なFoxp3は、Th17細胞分化でも発現しRORγtの活性を抑制する。しかし、Th17細胞分化においては同時にIL-6シグナルによってFoxp3が抑制されるため、抑制が解除されてRORγtが活性化し、IL-17の転写を促進する。そこでPI3KがTh17分化を正に制御するのは、PI3K活性がFoxp3発現を抑制することが原因であるかについて検討を加えた。まず、野生型CD4^+ TをTh17細胞に分化させる際にPI3K阻害剤を加えたところ、Foxp3発現はむしろ減少した。また、機能的Foxp3を欠損するScurfyマウス由来CD4^+ TをTh17細胞に分化させたが、そこにPI3K阻害剤を加えてもTh17細胞分化は抑制された。さらに、RORγtの遺伝子発現量についても解析したが、PI3K活性を抑制してもRORγt発現は抑制されなかった。以上の結果から、PI3KによるTh17細胞分化制御は、Foxp3やRORγtの発現量調節によるものではないことが示唆された。腸管免疫系において炎症反応を司ると考えられる新たなCD4^+TサブセットであるTh17細胞の存在が明らかになったが、その分化や機能に関しては不明な点が多い。我々はまず、in vitroにおけるTh17細胞の分化におけるPI3Kの役割について検討した。PI3Kの制御サブユニットであるp85αを欠損する(KO)マウスあるいはコントロール(HT)マウスからナイーブCD4^+T細胞を単離し、これにIL-6、TGFβ、IL-21、IL-23を加えて3、4日培養してTh17細胞に分化させ、回収して再刺激の後に産生されるTh17細胞の割合をフローサイトメーターにより、また産生されるIL-17Aのタンパク量をELSAにて測定した。するとKO由来細胞ではコントロールに比べてTh17細胞の割合及びIL-17A産生量が有意に減少していた。また、HT由来細胞をTh17細胞に分化させる際に、PI3K特異的阻害剤を加えた場合にも、同様の結果が得られた。すなわち、PI3KがTh17細胞の分化を正に制御している可能性が示された。Th17細胞の分化にはSTAT3の活性化が重要であるため、次にSTAT3のリン酸化についてPI3Kの関与を検討した。しかし、KO由来細胞あるいはPI3K阻害剤を使用した場合であってもHT由来細胞と同程度のリン酸化が見られ、STAT3のリン酸化に関与しないことが示唆された。更に分化に必要とされるRORγtの遺伝子発現をRT-PCRで確認したが発現量に差がなく、PI3Kが関与しないと考えられた。以上より、PI3KはSTAT3-RoRγt経路を直接的に抑制しないことが示された。すなわし、PI3Kはこの経路へ間接的に関与することが示唆された。
筋特異的ユビキチン連結酵素MAFbxの不全心病態形成における役割の検討

心不全の病態形成における解析を行うために、マウスを用いて圧負荷誘導性の心肥大・心不全モデルの作成を行った。C57/B6マウスに、人工呼吸器管理下に横行大動脈に狭窄を作成した。術後2週で有意な左室肥大が、術後4週で肺うっ血を生じ心不全が起こることを確認した。筋特異的ユビキチン連結酵素MAFbxが、術後1週、2週と時間依存的にその発現レベルが有意に増加していくことを確認した。MAFbx欠損マウスに圧負荷モデルを作成し、MAFbx欠損マウスでは圧負荷による左室肥大は有意に抑制された。MAFbxは圧負荷に伴う心肥大および心臓リモデリングを制御している可能性が示唆された。蛋白品質管理機構である、ユビキチンープロテアソームシステムが、心不全治療の新たな介入点となりうるか否かを探求することを目的として研究を進めている。12から16週57/B6マウスに、気管内挿管後、人工呼吸器管理下に左第二肋間を切開、鈍的に横行大動脈を露出させ28G注射針とともに結紮し、その後注射針を引き抜いて横行大動脈に狭窄を作成した。術後2週で有意な求心性の左室肥大、術後4週で有意な肺うっ血が起こることを確認した。ユビキチンープロテアソームシステムのなかで、筋組織に特異的に発現することが報告されているユビキチン連結酵素MAFbxに注目し、MAFbxの発現レベルを圧負荷誘導性の心不全モデルで検討した。MAFbxは、コントロールでわずかに発現しており、術後1週、2週と時間依存的にその発現レベルが有意に増加していくことを、ウエスタンブロット法で確認した。このことは、MAFbxが心肥大病態形成に関与する可能性が示唆された。さらに、MAFbxの役割を明らかにするために、MAFbx欠損マウスに圧負荷モデルを作成した。大動脈結紮後2週で野生マウスでは左室重量の増加が確認されたが、MAFbx欠損マウスでは圧負荷による左室肥大は有意に抑制された。さらに、大動脈結紮後4週で野生マウスでは肺重量の増大を認めたが、MAFbx欠損マウスの肺重量は増加していなかった。以上の結果からMAFbxは圧負荷に伴う心肥大および心不全の進行、心臓リモデリングを制御していることが明らかになった。今後、心臓の線維化や胎児遺伝子発現を評価するとともに、MAFbxの心臓リモデリング制御のメカニズムに迫るべく、網羅的遺伝子解析を行う。そのプロファイリングの解析からMAFbxの新規ターゲットの同定を試みる。蛋白品質管理機構である、ユビキチン-プロテアソームシステムが、心不全治療の新たな介入点となりうるか否かを探求することを目的として研究を進めた。心不全の病態形成における解析を行うために、マウスを用いて圧負荷誘導性の心肥大・心不全モデルの作成を行い、術後2週で有意な求心性の左室肥大、術後4週で有意な肺うっ血が起こることを確認した。筋組織に特異的に発現するユビキチン連結酵素MAFbxの発現レベルは、コントロールでわずかに発現しており、術後1週、2週と時間依存的にその発現レベルが有意に増加していくことを、ウエスタンブロット法で確認した。心臓の組織学的検討から、MAFbx欠損マウスでは、圧負荷に伴う心筋細胞肥大が抑制されていた。さらに、TUNEL染色にて、MAFbx欠損マウスでは野生マウスと比較して心筋細胞アポトーシスが有意に減少していることが明らかになった。さらに、シリウスレッド染色により線維化の評価を行ったところ、MAFbx欠損マウスでは線維化の抑制が見られた。以上の検討から、内因性の筋特異的ユビキチン連結酵素MAFbxは、圧負荷に伴う心臓リモデリング及び心不全発症に対して促進的に作用している可能性が示唆された。
多様な抗菌活性スペクトルを示す銀(I)および金(I)錯体の合成と構造活性相関

補助金交付期間に行った研究で得られた新たな知見・成果は以下の通りである。1.グリシン、アスパラギン酸、アスパラギンなどのアミノ酸配位子による水溶性(I)錯体を合成し、固体状態および溶液中の構造の違いを考察した。銀原子の配位様式からアミノ酸銀錯体は4つのタイプに分類された。いずれも広いスペクトルの優れた抗菌抗カビ活性を示した。2.AuSPコアおよびAuNPコアの直線2配位金(I)-トリフェニルホスフィン錯体のグラム陽性菌に対する選択的な抗菌活性は脂肪族チオール(D-ペニシラミン、2-メルカプトプロピオン酸など)との配位子交換性に基づいて説明された。3.2-メルカプトニコチン酸配位子による水溶性銀(I)錯体は"シクロヘキサンいす型"骨格のAg_6クラスターであった。2-メルカプトプロピオン酸とトリフェニルホスフィン(PPh_3)配位子による銀(I)錯体は車輪型Ag_8クラスターであり、対応する金(I)錯体はAuSPコアの直線2配位錯体であり、二つのカルボキシル基間の水素結合による二量体を形成していた。一方、6-メルカプトニコチン酸とPPh_3配位子による金(I)錯体もAuSPコアの直線2配位錯体であったが、カルボキシル基とピリジン環窒素間の水素結合およびPPh_3配位子のフェニル基の分子間でのπ-πスタッキングなどによる超分子構造をとっていた。4.チオセミカルバゾン多座配位子やヒノキオール配位子による金属錯体(亜鉛(II)、ニッケル(II)、銀(I)、アルミニウム(III)、コバルト(II)、ビスマス(III)など)の合成、構造解析を行い、抗菌活性を調べた。これらの錯体による抗菌作用は分子構造よりも中心金属に強く依存していた。同一金属で類似のコア構造を有するものは類似の抗菌スペクトルを示した。平成13年度の交付申請書に従って、いくつかの銀(I)錯体、金(I)錯体および関連する金属錯体を合成し、それらの抗菌活性を調べて、以下のような新しい知見・成果を得た。1.水溶性の銀(I)錯体として、ゲリシン、アスパラギン酸、アスパラギン、ヒスチジン、アラニンなどS原子を含まないアミノ酸によるいくつかの銀(I)錯体を合成した。単結晶X線構造解析、固体^<13>Cおよび^<15>N NMR、水溶液中の^1H,^<13>C NMR測定により固体状態の構造と溶液中の構造の違いを考察をした。銀原子の配位様式からアミノ酸銀錯体を4つのタィプに分類した。2.合成したアミノ酸銀錯体はいずれも広いスペクトルの優れた抗菌抗カビ活性を示した。構造と抗菌活性の相関について考察した。3.関連する銀(I)錯体として、チオル基配位子による銀(I)錯体、複素環窒素配位子による銀(I)錯体、ヒノキチオール銀(I)錯体、銀一酸素結合を有する種々の銀(I)錯体を合成し、それらの抗菌活性を調べた。

4.直線一配位のAuSPまたはAuNPコアの金(I)錯体として、芳香族配位子(2-メルカプトニコチン酸、6-メルカプトニコチン酸、ピラゾールなど)を含む金(I)PPh_3錯体を合成し、脂肪族チオール(D-ペニシラミン、2-メルカプトプロピオン酸)との配位子交換性を調べた。5.金(I)錯体は銀(I)錯体に比べて抗菌のスペクトルが狭いが、一般に配位子交換の余地を残している金(I)錯体ほど抗菌活性を示す傾向がある。6.貴金属錯体の抗菌作用との関連で、チオセミカルパゾン配位子による金属錯体の合成、構造解析を行い、抗菌活性を調べた。平成14年度の交付申請書に従って、いくつかの銀(I)錯体、金(I)錯体および関連する金属錯体を合成した。以下のような新しい知見成果を得た。(1)ラセミ体の2-メルカプトプロピオン酸(2-H_2mpa)とトリフェニルホスフィン(PPh_3)配位子による銀(I)錯体[H_4Ag_8(2-mpa)_6(PPh_3)_6]・EtOHを合成し、X線構造解析を行った。それは銀(I)の八核クラスターであり、6個のAg(μ_3-S)_2Pユニットから構成される車輪と中央にAg-Ag相互作用をもつ2個のAg(μ_3-S)_3ユニットからなる車軸をもっていた。(2)対応する金(I)錯体として、ラセミ体の2-メルカプトプロピオン酸(2-H_2mpa)とPPh_3配位子による金(I)錯体[Au(2-Hmpa)(PPh_3)]を合成し、X線構造解析を行った。この化合物はAuSPコアの直線2配位錯体でカルボキシル基は配位に関与していなかった。固体状態でR-体錯体とS-体錯体の二つのカルボキシル基間の水素結合による二量体(meso-体)を形成していた。(3)関連する金(I)錯体として6-メルカプトニコチン酸(6-H_2mna)とPPh_3配位子による[Au(6-Hmna)(PPh_3)]を合成し、X線構造解析を行った。この錯体もAuSPコアの直線2配位錯体であるが、固体状態ではカルボキシル基プロトンとピリジン環窒素間の水素結合およびPPh_3配位子のフェニル基の分子間でのπ-πスタッキングによる超分子構造をとっていた。(4)PPh_3配位子を含む直線2配位の金(I)錯体はグラム陽性菌に対する選択的な抗菌活性を示すものが多い。それは、それらの金(I)錯体と脂肪族チオール(D-ペニシラミン、2-メルカプトプロピオン酸など)との配位子交換性と密接に関係していた。すなわち配位子交換できる錯体は抗菌性を示し、配位子交換できない錯体は抗菌性を示さない。(5)関連する研究として、ヒノキチオール配位子によるAg(I),Cu(II),Co(II),Al(III)など数多くの金属錯体を合成し、X線構造解析に基づいた構造分類を行った。抗菌性に関する構造活性相関を考察した。(6)チオセミカルバゾン三座および五座配位子による亜鉛錯体、ビスマス錯体などを数多く合成し、抗菌性に関する構造活性相関を考察した。平成15年度の交付申請書に従って、種々のタイプの金属錯体の構造解析を行い、錯体による抗菌作用の構造活性相関を調べて、以下のような新しい知見・成果を得た。(1)AuSPコアおよびAuNPコアの直線2配位金(I)-トリフェニルホスフィン錯体のグラム陽性菌に対する選択的な抗菌活性は、配位子交換性と相関があり、配位子交換性を示す錯体は抗菌活性を示し、配位子交換性を示さない錯体は抗菌活性を示さなかった。(2)2-メルカプトニコチン酸(H_2mna)配位子による水溶性銀(I)錯体Na_4(Tris)_2[Ag(mna)]_6の単結晶X線構造解析に成功した。それは"シクロヘキサンいす型"骨格のAg_6クラスターであり、既知の不溶性銀(I)錯体
レジリエンスの分子機構：プロラクチン放出ペプチドによるニューロン新生仮説の検証

社会的敗北ストレスによって視床下部背内側核、延髄弧束核、延髄腹外側核に存在するプロラクチン放出ペプチド産生ニューロンが活性化した。プロラクチン放出ペプチド遺伝子欠損マウスは恐怖の作動閾値が低下していることを見出した。プロラクチン放出ペプチドは心的外傷後ストレス障害(PTSD)の発症を抑制できる可能性がある。ストレスを負荷された状態から正常な状態に戻ろうとする復元力・回復力(レジリエンス)が不十分だとストレス関連精神神経障害を発症するという概念がある。しかし、その根拠となる分子基盤は判っていない。申請者はレジリエンスを担う候補因子としてプロラクチン放出ペプチドを見出した。本研究はPrRPにはレジリエンス作用があり、この作用はニューロン新生を介して起こるという仮説をPrRP産生ニューロンを時間的・空間的に選択破壊できる新規の遺伝子改変動物を用いて検証を行う。ラットおよびマウスに慢性ストレスを負荷するため、社会的敗北ストレスを用いた実験系を構築した。社会的敗北ストレス負荷時にプロラクチン放出ペプチド産生ニューロンが活性化するかを解析するため、マウスに対し急性に社会的敗北ストレスを負荷した。その結果、延髄孤束核、延髄腹外側部に存在するプロラクチン放出ペプチド産生ニューロンが活性化することが判った。ストレスが負荷された状態から正常に戻ろうとする復元力・回復力(レジリエンス)が十分働かないと、ストレス関連精神神経障害が発症するという概念がある。申請者はレジリエンスを担う候補分子としてプロラクチン放出ペプチドを見出した。本研究はプロラクチン放出ペプチドにレジリエンス作用があることを示し、その作用機序を明らかにすることを目的としている。ラットおよびマウスに慢性的な社会ストレスを与えるために社会的敗北ストレスを用いる。我々が独自に作製したプロラクチン放出ペプチド産生ニューロンを時間的、空間的に選択破壊できる遺伝子改変動物を用いた破壊法の開発を行った。プロラクチン放出ペプチド産生ニューロンを時間的、空間的に選択破壊する実験系の開発を行った。すなわち、作製したプロラクチン放出ペプチド産生ニューロン特異的にヒトIL-2受容体αサブユニットを発現するBACトランスジェニック動物に、ヒトIL-2受容体αサブユニットに対するイムノトキシンを脳内局所投与する。これにより局所のプロラクチン放出ペプチド産生ニューロンを破壊する。現在、イムノトキシン投与による破壊の効果を確認している。ストレスを負荷された状態から正常な状態に戻ろうとする復元力・回復力(レジリエンス)が不充分だとストレス関連精神神経障害を発症するという概念がある。申請者はレジリエンスを担う候補因子としてプロラクチン放出ペプチド(PrRP)を見出した。本研究はPrRPにはレジリエンス作用があるという仮説をPrRP遺伝子欠損動物、PrRP産生ニューロンを時間的・空間的に選択破壊できる新奇の遺伝子改変動物を用いて検証する。以下に成果を記載する。1社会的敗北ストレス負荷によりPrRP産生ニューロンが活性化するかを解析した。その結果、延髄孤束核、延髄腹外側核、視床下部背内側核のPrRP産生ニューロンが活性化することが判った。2PrRP遺伝子欠損動物に5日間の慢性的な社会的敗北ストレスを負荷した。1日目と5日目の社会的敗北ストレス中の行動を解析した結果、PrRP遺伝子欠損動物は異系統の攻撃者へ敗北姿勢を示すまでの時間が顕著に早いことが判った。また、社会行動、不安行動、うつ様行動の解析を行った。その結果、PrRP遺伝子欠損動物は慢性ストレスによって同系統の動物に対する探索行動が減少していた。以上の結果からPrRP遺伝子欠損動物は恐怖の感受性が上昇しており、慢性ストレスにより恐怖記憶が般化している可能性が考えられた。3PrRP産生ニューロンを時間的・空間的に選択破壊できる遺伝子改変動物を用いて、PrRP産生ニューロンの特異的な破壊法を開発した。マウスおよびラットに対し慢性ストレスを負荷し、うつ症状を惹起するため、社会的敗北ストレスを用いた実験系を構築した。急性の社会的敗北ストレス負荷によりプロラクチン放出ペプチド産生ニューロンが活性化することを明らかにした。プロラクチン放出ペプチド産生ニューロンを選択的に破壊できるラットおよびプロラクチン放出ペプチド遺伝子欠損マウスに対し社会敗北ストレスを用いた慢性的ストレス負荷を与え、プロラクチン放出ペプチドのレジリエンス作用を検証する。生理学社会的敗北ストレスを用いた慢性ストレス負荷実験を用いて、来年度はプロラクチン放出ペプチドにストレスからの回復を促進させるレジリエンス作用があるかを明らかにし、PrRPの機能が減弱するとストレスからの回復が阻害されるかを検証する。
分子標的薬の腎障害メカニズムの解明―大規模データから検出された新規リスクの検討―

分子標的薬は、がん細胞に特異的に作用するため副作用の発現は少ないとされている。しかし、一部の症例では腎障害により治療継続が困難となることがある。申請者らは大規模副作用データベースを用いた先行研究で、世界で上市されているすべての分子標的薬について腎障害リスクの検索をおこなった。その結果、5つの分子標的薬に高い腎障害リスクの可能性を見出した。本研究では、尿細管に対する傷害作用と修復阻害作用の双方に着目して、分子標的薬の腎障害メカニズムを解明することを目的としている。
モノアシルグリセロールの腸管における吸収代謝動態の解明

食事性脂質の消化産物の小腸細胞における動態を明らかにするため、細胞質輸送体の一つである脂肪酸結合タンパク質に対するモノアシルグリセロール(MG)および脂肪酸の結合を評価した。その結果脂肪酸の炭素鎖長が重要であることが確認されたが、MGについては競合性が弱く結合性の特徴は明確でなかった。加えて、脂肪酸輸送担体の一つであるCD36を発現させた小腸モデル培養細胞株を樹立し、実験動物においては異なる脂質を投与したときのリンパ液における脂質構成を評価することが可能となった。腸管細胞細胞質に存在する種々の脂質結合タンパクのうち脂肪酸と結合するものとしてI-FABPとL-FABPが知られている。I-FABPは遊離脂肪酸のみを結合することが知られているが、L-FABPは基質特異性が低く、モノグリセリド(MG)が結合し得ることがこれまでに報告されている。しかし、その結合様式や強度については検討があまり進んでいない。そこで、FABPタンパク質に対するMGの結合実験を行った。方法として蛍光発光のクエンチングを指標とした結合アッセイを用いた。L-FABPについては、海外共同研究者であるJudith Storchより提供を受け、脂肪酸の蛍光アナログとして汎用されているBODIPY FL C16を用い、本基質に対する競合アッセイを行った。使用するMGとして、市販品および連携研究者(渡辺嘉)によって合成された結合位置(1位または2位)の異なる種々のMGを用いた。これらのMGおよび構成要素である遊離脂肪酸を用いたFABPとの結合に関する構造相関の検討を行ったところ、オレイン酸(C18:1)の結合能が最も高く、アラキドン酸(C20:4)ではそれに準ずる強さが観察された。一方で、炭素鎖の短いカプリン酸(C10:0)は殆ど結合しなかった。MGについて検討したところ、競合による蛍光クエンチングが観察されなかったが、オレイン酸とアラキドン酸のMGにおいてはむしろ蛍光が増強する傾向がみられた。海外共同研究者であるDr.Storchの研究により、オレイン酸のMGがL-FABPに結合することが最近示された(未発表データ)ため、今回の実験結果より、用いた蛍光アナログ(BODIPY FL C16)が分子サイズとして大き過ぎるために、競合が示されなかったと考えられ、現在別のアナログの使用を検討している。本研究では食事脂質の消化産物であるモノアシルグリセロール(MG)の腸管吸収代謝の詳細を明らかにすることを目的としている。昨年度に引き続き、MGの細胞内輸送に関わると考えられる脂肪酸結合タンパク質(L-FABP)に対する結合性評価を行った。結合を競合アッセイにより測定するために脂肪酸の蛍光アナログを使用するが、昨年度選択したBODIPY FL C16が適さなかったため、今年度はcis-parinaric acid (CPA)を使用した系の確立を目指した。その結果、L-FABPおよびI-FABPに結合したCPAはオレイン酸と置換されることがわかったが、MGについては弱い活性が示唆されるものの明確ではなかった。使用する濃度等の検討ならびに現在研究協力者(渡辺嘉・大阪市工業研究所)らのグループで合成しているエーテル型MGを用いた再実験を行う必要がある。培養細胞を用いたMGの取り込み解析実験においては研究協力者(高橋信之・京都大学)の協力により、脂肪酸輸送担体の一つであり、ヒト小腸モデルであるCaco-2細胞に発現していないことが知られるCD36を発現させた安定株を樹立することができた。これにより脂肪酸の膜輸送担体の一つであるCD36のMGの膜輸送への影響を明らかにすることが可能となったので、引き続き取り込み実験を実施する。さらに、吸収後の腸管細胞内イベントを明らかにするために、リンパカニュレーションラットを用いた。含有脂肪酸比が類似したトリグリセリド(TG)とリン脂質を投与し、リンパ液における脂質構成を評価することで、MGと脂肪酸の吸収代謝の特徴を見出すことが可能となった。
半無限計画法の理論およびこれに基づく最適制御の数値解法に関する研究

本研究は,半無限計画問題に対する実用的な数値解法の開発を第1の目的とし,動的システムに対する最適制御の実用的な数値解法の開発を第2の目的とする.半無限計画問題の決定変数は有限次元であるが,無限個の制約条件を持つため双対変数は無限次元ベクトルとなる.そのため本研究では,関数解析的な手法を用いて最適性条件の解析およびこれに基づいた算法の設計を進めた.初年度は,主に非線形半無限計画問題に対する数値解法の開発を行なった.特に連続微分可能性の仮定の下で,Karush-Kuhn-Tucker型の最適性条件を満たすLagrange乗数(双対変数)の集合は空集合でない限り必ず有限の台を持つ測度を含むことを示し,さらに凸性とSlater型の制約想定を仮定し,双対理論に基づく数値解法を開発した.本年度は,非凸の非線形半無限計画問題に対する数値解法として,双対理論と逐次2次計画の概念に基づいた数値解法について考察し,信号処理等工学の分野で実際に扱われる具体的な問題に対して数値実験を行なった.次に,動的システムに対する数値解法の開発については,前年度は主に半無限計画問題の自然な双対とみなせる特殊な種類の問題について解析したが,今年度は一般の制約条件つき最適制御問題,特に状態に関する不等式制約条件を持つ最適制御問題に対する数値解決について考察した.その他,特殊な構造を持った半無限計画とみなせる非線形min-max問題や一般化半無限計画問題についても考察したが,これらに対する数値解法の開発は今後の課題である.今年度の成果については,国際学会で2件発表し,さらに来年度の会議に3件採択されている.また論文としては,国内誌に1編,国際会議の会議録に1編掲載,1編が掲載予定であり,2編が査読中である.本研究は,半無限計画問題に対する実用的な数値解法の開発を第1の目的とし,動的システムに対する最適制御の実用的な数値解法の開発を第2の目的とする.本年度は,主に非線形半無限計画問題に対する数値解法の開発を行い,双対理論および内点法に基づいたアルゴリズムについて考察した.半無限計画問題の決定変数は有限次元であるが,無限個の制約条件を持つため双対変数は無限次元ベクトルとなる.そのため本研究では,関数解析的な手法を用いて最適性条件の解析およびこれに基づいたアルゴリズムの設計を進めている.特に,連続微分可能性の仮定の下で,Karush-Kuhn-Tucker型の最適性条件を満たすLagrange乗数(双対変数)の集合は空集合でない限り有限の台を持つ測度を必ず含むことを示し,さらに凸性とSlater型の制約想定を仮定し,双対理論を用いた数値解法を開発した.現在,信号処理等の分野で実際に扱われる具体的な問題に対して数値実験を行っている.次に動的システムに対する数値解法の開発については,今年度はまず半無限計画問題の自然な双対とみなせる種類の特殊な問題について解析したが,来年度はより一般の制約条件付き最適制御問題に対する数値解法の開発を行う.今年度の成果については,学会等で2件発表(うち1件は国際会議)し,さらに来年度の国際会議に1件採択されている.また論文としては国際学会誌に1編掲載され,2編が掲載予定である.本研究は,半無限計画問題に対する実用的な数値解法の開発を第1の目的とし,動的システムに対する最適制御の実用的な数値解法の開発を第2の目的とする.半無限計画問題の決定変数は有限次元であるが,無限個の制約条件を持つため双対変数は無限次元ベクトルとなる.そのため本研究では,関数解析的な手法を用いて最適性条件の解析およびこれに基づいた算法の設計を進めた.初年度は,主に非線形半無限計画問題に対する数値解法の開発を行なった.特に連続微分可能性の仮定の下で,Karush-Kuhn-Tucker型の最適性条件を満たすLagrange乗数(双対変数)の集合は空集合でない限り必ず有限の台を持つ測度を含むことを示し,さらに凸性とSlater型の制約想定を仮定し,双対理論に基づく数値解法を開発した.本年度は,非凸の非線形半無限計画問題に対する数値解法として,双対理論と逐次2次計画の概念に基づいた数値解法について考察し,信号処理等工学の分野で実際に扱われる具体的な問題に対して数値実験を行なった.次に,動的システムに対する数値解法の開発については,前年度は主に半無限計画問題の自然な双対とみなせる特殊な種類の問題について解析したが,今年度は一般の制約条件つき最適制御問題,特に状態に関する不等式制約条件を持つ最適制御問題に対する数値解決について考察した.その他,特殊な構造を持った半無限計画とみなせる非線形min-max問題や一般化半無限計画問題についても考察したが,これらに対する数値解法の開発は今後の課題である.今年度の成果については,国際学会で2件発表し,さらに来年度の会議に3件採択されている.また論文としては,国内誌に1編,国際会議の会議録に1編掲載,1編が掲載予定であり,2編が査読中である.
韓半島におけるコラーゲンの安定同位体分析を用いた家畜の認定について

韓国ではブタがいつから存在していたのか、家畜はいつからであろうかについての問題ははっきりしていない。特に、ブタについては野生種としてイノシシが生殖し、区別するのが困難である。しかし、動物考古学では野生動物と家畜を見分ける研究が行われている。この方法は動物が家畜になる過程で骨に起きる様々現象、即ち家畜化現象を把握して分類する。現在はこれに加えて理科学的な方法を用いて韓半島における家畜認定を行っている。この研究では動物考古学的方法として歯の大きさの計測、病変、頭蓋骨の形態変化の観察などに加え、炭素と窒素の安定同位体分析による食性の差異を用いて認定を行うことと、ウシ・ウマについても食性分析を行い、家畜飼育における飼料の問題についても考える。そのため、このような動物遺体が出土した韓半島の南東海岸地域の五つの遺跡(芳芝里(バンジリ)遺跡、勒島(ヌクド)遺跡、会?洞(フェヒョンドン)遺跡、楽民洞(ナクミンドン)遺跡、古村(コチョン)遺跡)を中心とする。さらに、各遺跡は貝塚であり、動物遺体の撹乱を把握するため骨のコラーゲンによる炭素14年代測定を用いてより正確な年代を求めている。このような研究によりブタとイノシシの区別と、ウシ・ウマの飼育形態についての問題が少し解明されることが期待される。さらに、骨の炭素14年代測定によって家畜登場時期について考察し、中国、日本をつなぐ、東アジアにおける家畜の拡散や伝播の問題を解決するに重要な韓半島の実態が明かされると考えられる。そのため、このような動物遺体が出土した韓半島の南東海岸地域の五つの遺跡(芳芝里(バンシリ)遺跡、勒島(ヌクド)遺跡、会〓洞(フェフョンドン)遺跡、楽民洞(ナクミンドン)遺跡、古村(コチョン)遺跡)を中心とする。
フェムト秒レーザーによる表面ナノ加工技術の開発

フェムト秒レーザーパルスを固体表面に照射することによってナノメートルサイズの周期構造体を形成・制御するための基礎研究を行い、直線性の良い最小25 nmの格子構造を均一に形成することに世界で初めて成功した。固体表面に励起された自由電子の集団運動(表面プラズモンポラリトン)と、その周囲に発生する高強度の局所場(光近接場)を制御するため、2ステップアブレーションプロセス法を開発した。高強度なフェムト秒レーザーパルスを照射することによって固体表面に励起される表面プラズモンポラリトンとそれに付随した近接場を空間制御するため、レーザーの照射条件(入射角、パルスエネルギー、パルス数)を精密に制御した結果、窒化ガリウム表面に均一で直線性の良いナノ格子を作製することに成功した。具体的には、Ti:sapphireレーザーシステムから出力される中心波長800nm、パルス幅10ofs、繰り返し10Hzのレーザーパルスを2ステップのアブレーションプロセスに用いることにより、窒化ガリウム表面に周期190nm、深さ600nmの周期構造を形成した。電子回折像および格子像によると、この表面構造は結晶で構成されていることも分かった。さらに、試料の初期表面形状、レーザーの照射条件により、表面プラズモンの励起モード変化させ、10nmオーダーで制御できることを初めて明らかにした。レーザー光による光プロセスは原理的に光の波長以下の構造を形成することができないが、以上の成果はフェムト秒レーザーで励起される表面プラズモンのモードを適切に制御できるようになれば、入射波長よりもずっと小さな構造を大気中にて作製できる新しいナノ加工技術へ発展することを示している。得られた成果は、次世代のレーザーナノ加工技術として2012年10月24日付の国際光工学会のトップニュース(SPIE Newsroom)でプレス発表された。これまでに高強度なフェムト秒レーザーパルスを照射することによって、固体表面に励起される表面プラズモンポラリトンとそれに付随した近接場を空間制御するため、簡便な2ステップのアブレーションプロセスを提案した。その手法とレーザーの照射条件(入射角、パルスエネルギー、パルス数)を精密に制御した結果、窒化ガリウム表面に均一で直線性の良いナノ格子を成功することに成功している。表面プラズモンポラリトンは入射光の波長に大きく依存するため、紫外のフェムト秒レーザーを用いた場合、周期は数10 nmとなることが予想されることから、平成25年度はこれまでに明らかにしてきた物理過程モデルを利用した微細化に取り組んだ。具体的には、まずTi:sapphireレーザーシステムから出力される中心波長800 nm、パルス幅100 fs、繰り返し10Hzのレーザーパルスを、BBO結晶、波長板、カルサイト基板に通過させ、3倍波である波長267 nm、パルス幅300 fsのフェムト秒レーザーパルスへと変換し、ターゲットである窒化ガリウムに照射した。基本波を用いて行ってきた実験方法と同様に、2ステップアブレーションプロセスを用いたところ、周期50 nmの均一なナノ格子を形成することに成功した。また、この周期をレーザーパルスのエネルギー密度を上昇させることにより制御できることも分かり、周期60 nmのナノ格子を形成することにも成功した。以上の結果は、2013年応用物理学会秋季学術講演会にて注目論文として選出された。当該年度において以下の2つの研究成果を得た。1.金属表面へのナノ格子形成高強度なフェムト秒(fs)レーザーパルスを照射することにより、半導体・誘電体表面にナノメートルサイズの周期を持った微細構造が形成されるメカニズムを明らかにし、その制御によって均一で直線性の良い格子構造を形成することにこれまでに成功している。しかし、金属表面へのナノ周期構造の生成メカニズムの詳細は未解明であり、本現象をユニバーサルなレーザーナノ加工技術として確立するためには、金属表面の物理メカニズムも明らかにする必要がある。本研究では、前年度までに考案した2ステップのアブレーションプロセスによって金属表面にナノ格子を形成することを試みた。その結果、チタンおよびステンレス鋼表面に300 nmオーダーの均一なナノ格子を形成することに成功した。これにより、金属においても表面プラズモンポラリトンの励起がナノ構造生成の主要な物理過程であることを明らかにした。2.ナノ構造生成における複数のfsレーザーパルス照射の役割の解明固体表面にナノ構造を生成するには、単一パルスよりも低いエネルギー密度のfsレーザーパルスが必要で、ナノ秒パルスや比較的高いエネルギー密度のfsパルスでは生成されないことが知られている。しかし、明確な理由が分からず、ナノ構造の形状制御の阻害要因となっていた。本研究では、ポンプ・プローブ法により、複数のfsレーザーパルスでアブレーションするSi表面の過渡的な反射率変化を観測し、励起自由電子密度と格子温度を評価した。得られた結果から、微細な表面ナノ構造生成には、fsパルスによって非熱的に誘起されるアブレーション過程が必須であることを明らかにした。以上の結果をまとめた論文は、レーザー加工の基礎過程解明に大きく貢献したため、レーザー学会業績賞を受賞した。26年度が最終年度であるため、記入しない。非線形光学、レーザー工学26年度が最終年度であるため、記入しない。

現在までに、フェムト秒レーザーによる固体表面(誘電体および半導体)への表面プラズモン励起とそれに付随した高強度な光近接場によるナノアブレーションをモデル化し、実証することに成功している。さらに、表面プラズモンの励起モードを制御することにより、周期サイズを10nmオーダーで制御することに初めて成功したことは、当初の計画通りである。現在までにフェムト秒レーザーによる固体表面(誘電体及び半導体)への表面プラズモンポラリトン励起とそれに付随した高強度な光近接場によるナノアブレーションをモデル化し、実証することに成功している。平成25年度はこの表面プラズモンの励起モードを入射したレーザー波長によって制御することにより、周期サイズを50 nmまで微細化することに成功したことは当初の計画通りである。26年度が最終年度であるため、記入しない。予定通りの進捗状況であるため、当初計画通りに進めていく予定である。これまでに行ってきたナノ加工は、レーザースポット内部の数100ミクロンの範囲にしか形成できなかったため、今年度はmmオーダーの範囲に加工ことを目指すべく実験を行う。これまで半導体、誘電体をターゲットとして予定通り研究を進めてきた。しかし、金属のナノ構造生成についてその物理過程が不明であるため、平成26年度は2ステップのアブレーションプロセスを用いてその詳細を明らかにする予定である。この成果によって金属も含めた種々の固体媒質をターゲットとしたユニバーサルなレーザーナノ加工技術となることを目指すべく実験を行う。加工領域の結合構造を分析するため、スペクトルマッピング可能な顕微ラマン分光装置を作製する。そのための電気および機械部品を購入する。平成26年度に予定している研究推進方策のために購入する物品に、学術研究助成基金助成金を使用したいため加工領域の結合構造を分析するため、スペクトルマッピング可能な顕微ラマン分光装置を作成する。そのための電気及び機械部品を購入する。
イオン液体とナノ構造を利用した金属イオンの異常高速拡散誘起

ポリスチレンナノビーズをテンプレートとして半球状の穴(以下、ディンプル)を表面上に周期的に形成させたAu電極基板を作成、種々のイオン液体を電解液として、インピーダンス測定を行った。BMI-TFSAを電解液として用いた場合、ディンプルの直径に関係なくすべての電極において、0.3 V vs. Pt参照極近辺において、キャパシタンスが山を持つことが確認された。この電位付近では、電極最近接層がカチオンからアニオンに変わる(負から正へ掃引時)ことが過去の他グループの研究により分かっているが、キャパシタンスが極大値を持つのも、この層構造の変化によるものと考えられる。興味深いことに、直径160 nmのディンプルを持った電極において、キャパシタンスの特別に極大値が大きくなる現象が観察された。また、この大きなキャパシタンスを持つディンプルの直径は、イオン液体種によって大きく変化することが分かった。一方、数ナノメートルの直径を持つポーラスシリカ中にAu3+イオンを溶かしたイオン液体を充填させ、ポーラス内の状態を詳しく調べたところ、仕込み濃度の10倍以上の濃度のAu3+イオンがポーラス内に存在することが分かり、濃度濃縮が起きていることが分かった。一方、ポーラス内にCOガスを導入したところ、バルクイオン液体内と比較して、非常に早い速度で内部に拡散していくことが分かった。示差熱測定などの結果より、ポーラス内のイオン液体は固体様になっていることが分かっているが、このことを考慮すると、特殊な拡散様式で拡散しているものと考えられる。本年は、ナノ構造空間に閉じ込められたイオン液体の構造について詳しく調べていった。その結果、ディンプル内においては、そのディンプル直径に依存して、イオン液体の局所構造が大きく変わることが分かった。現在のところ、この原因として、次のような仮説を考えている。イオン液体は電極付近においてカチオン、アニオンが交互に並んだ層構造を持つことが知られているが、これらの分子は横方向(電極表面並行方向)に周期構造を持つ。ディンプル内では、その曲率により、この周期構造に歪みが生じるが、基板最近接の層とその上方の層では歪みの程度が異なる。層によって異なる構造周期をもたらし、それらが干渉して新しい周期構造(モアレ様構造)が形成される。この新しい周期構造が、ディンプルの直径と対応した際に、非常に高配向配列した分子層が出来るのではないかと考えている。こうしたことは、今回観察されたキャパシタンスなどの電気物性だけでなく、金属イオン種を溶解させたときの、それらの拡散挙動に大きく効いてくると思われる。ポーラス材料内のイオン液体についても、ポーラス内で特殊な配向構造をとったり、イオン比がバルク内と大きく異なることが分かってきた。いずれも、ナノ空間が、イオン液体の局所構造に大きな影響を与えることを示している。本年は、ナノ空間内におけるイオン液体局所構造(配向構造)の発現を観察して、それらの発現メカニズムについて、仮説を提案するところまでいった。また、ポーラス内においては、これらの構造が、バルク内では考えられないような早い分子拡散を誘発することも明らかにした。しかし、現時点においては、これら特殊な配向構造の発現メカニズムや、それらが特殊な拡散挙動を誘発するメカニズムについての解明にはいたっていない。今後は、ディンプル内の配向形成メカニズムについてさらに詳しく調べていくとともに、キャパシタンスのような電気的な性質だけでなく、金属イオンを溶解させた際の拡散挙動について直接観察していきたい。また、ポーラス細孔内においても同様で、COの高速拡散は観察されたものの、そのメカニズムはまだ明確でない。今後は、異なる細孔径やイオン液体を用いて、異なる配向構造を作成し、これらが金属種の拡散挙動にどのような影響を与えるかを詳しく観察することにより、メカニズムの解明に取り組んでいきたい。