hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
蝸牛外側壁構成細胞の加齢性変化-連続切片走査型電子顕微鏡法による3次元解析-

加齢性難聴はコミュニケーション障害をきたし高齢者の孤立、抑うつ、認知機能低下にも繋がり、国民的課題であると言えるが、有効な予防法や治療法は確立されていない。加齢性難聴の組織学的所見については過去にも報告があり血管条の萎縮はそのひとつとして挙げられるが、血管条を含む蝸牛外側壁の立体構造についての研究はほとんど行われていない。研究者は連続切片走査型電子顕微鏡法により、これまで観察が困難であった蝸牛外側壁の構成細胞、特に根細胞の立体配列について、蝸牛外側壁のラセン靭帯下部領域において樹木根状の細胞集塊を形成し、II型線維細胞が分布するラセン靭帯下部領域に伸展していることを既に示し報告した(Shodo et al. Biomed Res 2017)。この手法を応用し、蝸牛外側壁構成細胞の加齢性変化を3次元的に解明することを目的とする。研究計画に基づき、平成30年度は正常モデルの観察を行った。2カ月齢ラットを灌流固定し、蝸牛を摘出、パラフィン包埋切片を作成した。光学顕微鏡で蝸牛外側壁を中心に観察しデータ収集した。固定状態が不良であり、適切な固定条件を模索している。このため電子顕微鏡用のエポン試料を作成できておらず、進捗状況としては遅れている。パラフィン包埋試料の固定状態が不良であり、適切な固定条件を模索している。平成30年度に行えなかった正常モデルの電子顕微鏡観察を令和1年度に行い、加齢性難聴モデルの観察を令和2年度に行う予定である。経費は概ね予定通りであり、残額は次年度に持ち越して使用予定である。
計算機画像処理による光学顕微鏡の長焦点深度化

昨年度における研究により、対物レンズと観察対象の距離を逐次変えながら複数の画像を撮影し、画像処理によりそれらの画像からピントのあった部分を抽出して1枚の画像に合成するという方法についての基礎的な研究を行い、対物レンズの駆動距離間隔×撮影枚数に相当する焦点深度をもった長焦点深度画像の合成に成功した。本年度は動画像の合成を目的とした画像処理システムの開発を中心課題として研究を行った。高速な計算機、CCDカメラ、フレームメモリにより画像処理システムを構成し、金属顕微鏡により得られる画像の実時間合成を試みた。本年度の研究実績をまとめると次のようになる。1)光学顕微鏡画像の合焦部分と非合焦部分を判別するいくつかのアルゴリズムについて定量的評価を行い、動画像の合成に最適なアルゴリズムを完成した。この結果、画像合成の速度の面からは、画像の輝度分布の分散による評価法が有利であること、処理速度は若干劣るものの画像合成の精度の面からはアダマ-ル変換を利用した合焦判定法が有利であることが明らかになった。2)顕微鏡の対物レンズを高速に前後に駆動可能な圧電素子駆動方式の対物レンズフォーカスユニットを用いて動画像合成を試み、毎秒10枚程度の画像合成を行い長焦点深度顕微鏡観察を行えることを明らかにした。3)本計算機画像処理による長焦点深度顕微鏡システムを表面形状の三次元表示、微小部品の寸法・形状計測に応用し、測定、組立作業などの作業支援システムとして有効であることを示した。平成6年度の研究計画は画像の合成を目的とした画像処理システムの開発が中心課題となった。このために、計算機、CCDカメラ、フレームメモリにより画像処理システムを構成し、金属顕微鏡により得られる画像の合成を試みた。当該年度に行った研究内容をまとめると次のようになる。1)光学顕微鏡画像の合焦部分と非合焦部分を判別する複数のアルゴリズムについて定量的評価を行い、動画像の合成に最適なアルゴリズムを完成する。2)顕微鏡の対物レンズを高速駆動している状態で画像を連続的に取り込み、実時間での画像合成を試みる。以上の内容に関し、以下の成果が得られた。1)対物レンズと観察対象の距離を逐次変えながら複数の画像を撮影し、画像処理によりそれらの画像から焦点の合った部分を抽出して1枚の画像に合成するという方法についての基礎的な研究を行い、対物レンズの駆動距離間隔×撮影枚数に相当する焦点深度をもった長焦点深度画像の合成に成功した。また、焦点の合った部分の抽出法法として、輝度分布の分散を求める方法、コントラストを求める方法、アダマ-ル変化による方法などを試み、演算時間が短いこと、合成の精度が高いことからアダマ-ル変換による方法が最も優れていることを明らかにした。また、本手法を実際の顕微鏡観察に用い、重ね合わされた複数の平板、ネジ山、標準粗さ試験片、リレーの接点などの通常の光学顕微鏡での観察が不可能な3次元形状物体を明瞭に観察できることを明らかにした。2)連続的に画像を取り込み、実時間での画像合成処理を行い動画像を合成することに関し、対物レンズをアクチュエーションしている状態で画像を連続的に取り込み、実時間で合成する実験を試みた。その結果、計算機の処理能力との関係で、画像のサイズはやや小さくなるが、毎秒5フレーム程度の画像を合成し、モニター上に表示することができた。本年度の研究実績をもとめると次のようになる。1)光学顕微鏡画像の合焦部分と非合焦部分を判別するいくつかのアルゴリズムについて定量的評価を行い、動画像の合成に最適なアルゴリズを完成した。

この結果、画像合成の速度の面からは、画像の輝度分布の分散による評価法が有利であること、処理速度は若干劣るものの画像合成の精度の面からはアダマ-ル変換を利用した合焦度判定法が有利であることが明らかになった。2)顕微鏡の対物レンズを高速に前後に駆動可能な圧電素子駆動方式の対物レンズフォーカスユニットを用いて動画像合成を試み、毎秒10枚程度の画像合成を行い長焦点深度顕微鏡観察を行えることを明らかにした。3)本計算機画像処理による長焦点深度顕微鏡システムを表面形状の三次元表示、微小部品の寸法・形状計測に応用し、測定、組立作業などの作業支援システムとして有効であることを示した。
新規抗ガン剤の創製を目指したCRK-C3G相互作用阻害剤のイン・シリコ分子設計

アダプタータンパク質CRKとグアニンヌクレオチド交換因子C3Gを阻害する化合物は新規な抗ガン剤になる可能性がある。そこで、我々は、疎水性を指標にした標的サイトの決定、PDBbindデータベースを用いた標的サイトに結合しそうなリガンド原子団の抽出、および分子ドッキング計算からなるイン・シリコ創薬技術によりこの二つの蛋白質の相互作用を阻害できそうな化合物を探索した。本年度は、新規な抗ガン剤開発の標的となる癌遺伝子CRK nSH3ドメインとグアニンヌクレオシド交換反応促進因子C3Gの相互作用について、水溶液中でのMDシミュレーションを用いた詳細な解析を行った。1先ず、CRK nSH3ドメインとC3G由来の10残基ペプチドの複合体X線結晶構造(PDB : 1CKA、C3GペプチドのC末端Arg残基については座標が与えられていなかったため、モデリングにより構築した)を水の箱に入れ、水溶液中でのMDシミュレーションを全部で10ns行なった。次に、初期構造からの座標に関するRMSDをプロットすることで、MDシミュレーションが2nsから10nsの間で平衡に達していることを確認した。そこで、2-10ns間から40ps毎に全部で200スナップショットを抽出し、CRKnSH3-C3Gペプチド複合体の溶液構造アンサンブルとした。2 C3GペプチドのC末端Arg残基をAla残基に変異させたペプチドは、CRK nSH3との結合親和性が低下することが報告されている。そこで、1で得られた溶液構造アンサンブルを用いて、C3GペプチドのC末端Arg残基について詳細な解析を行った。その結果、C3G-1ペプチドのC末端Arg残基は、溶液中でCRK nSH3ドメインのD163やP165と動的な相互作用を形成していることが明らかとなった。今後は、本年度得られた溶液構造アンサンブルから代表溶液構造を選択し、その代表鍵穴構造を用いてスクリーニング計算を行う予定である。本年度は、癌遺伝子CRKのnSH3ドメインとグアニンヌクレオシド交換反応促進因子C3Gの相互作用界面を標的としたin silicoスクリーニングを行った。1.癌遺伝子CRKのnSH3ドメインの相互作用界面上には、P_<+3>、P_<+2>、P_0、P_<-1>、P_<-3>、およびP_<-4>と呼ばれる6個のサブサイトがある。そこで、先ず本研究室で開発された疎水性サイト検索プログラムHBOPを用いて、6個のサブサイトの疎水性を評価した。すると、P_0、P_<-1>、およびP_<-3>の疎水性が高いことがわかった。一般に、低分子量阻害剤は、疎水性の高いサイトに結合することが知られているので、P_0、P_<-1>、およびP_<-3>サブサイトを具体的な標的とすることにした。2.次に、P_0、P_<-1>、およびP_<-3>サブサイトとよく似たリガンド結合サブサイトを有する他のタンパク質をProtein databank(PDB)から探索し、さらにそのリガンド結合サブサイトに結合しているリガンド原子団を抽出することで、商用化合物データベースからリード化合物候補を検索するためのクエリーを決定した。これは、よく似たサブサイトに対しては、同一原子団が結合できると考えられるからである。3.続いて、決定したクエリーを用いて商用化合物データベースから1次リード化合物候補を選択した。そして、1次リード化合物候補のCRKのnSH3ドメインに対するドッキング計算を行い、ドッキングスコアが上位にくる2次リード化合物候補を選択した。最後に、2次リード化合物候補に関して化学構造特性に関するクラスター解析を行い、化学構造的に多様な3次リード化合物候補(全15化合物)を購入した。今後、入手した15化合物について、阻害能測定を行う予定である。高精度ドッキング計算によるイン・シリコスクリーニング由来の阻害剤候補化合物群の順位付け平成22年度のイン・シリコスクリーニングで得られたCRK-C3G相互作用阻害剤の候補化合物群(全15個)の中から、現在構築中のアッセイ系で優先的に評価する化合物を選別するために、候補化合物群とCRKの間の高精度ドッキング計算を行い、その結合親和性を評価した。この計算は、ドッキング計算プログラムGlide XPモード(シュレディンガー社)を用いて行った。その結果、15個中5個の候補化合物のドッキングスコアが非常に良いことが示された。したがって、この5個の候補化合物についての実験的アッセイを優先的に行うことにした。CRK-C3G相互作用のようなタンパク質-タンパク質相互作用に対する化合物の阻害能を測定する場合には、蛍光団を有する基質を用いることができる酵素アッセイ系とは異なる系が必要である。そこで、研究協力先である北海道大学医学部・田中伸哉博士とのディスカッションにより、FRET(fluorescent energy transfer)システムを用いてアッセイ系を構築することにした。具体的には、CRKにはYFP(Yellow fluorescent protein)、およびC3GにはCFP(Cyan fluorescent protein)を融合させ、CRKとC3Gが結合した時に生じるFRET反応を96Wellマイクロ

プレート上で測定する系を構築し、阻害剤候補化合物群のFRET反応阻害能を測定する。現在、アッセイ系の構築が行われている。
安全性と操作性を考慮した遠隔運転天井クレーン液体タンク搬送システムの開発

タンク内の液体振動を抑え且つ,目的地に短時間で自動的に障害物を回避搬送する「安全性と操作性を考慮した遠隔運転天井クレーン液体タンク搬送システムの開発」のため,次のことを行った.まず,昨年度の成果として,ロッド及び容器内液面の振動を抑制する制御系として,容器内液体の振動を計測せず,ノッチフィルタによるフィードフォーワードコントローラと混合H2/H∞制御系設計を用いたフィードバックコントローラによる2自由度制御系を設計している.この研究成果を基に,(1)天井クレーンによるタンク内液体搬送制御システム(ソフトウェア)の開発に対して,3次元(とくにX,Yの2次元)搬送に対する各種タンク形状でのスロッシング抑制効果を検証を行った.具体的には,タンク形状として,直方体タンクと円筒形タンクを用い,それぞれ液体の液位を変化させ調査を行った.(2)さらに,液面振動抑制を考慮した2自由度搬送制御系の有用性を各種タンクで検証した.ただし,検証実験で制御系の有用性は検証されたが,制御系設計に関する新たな知見を得ることはなかった.(3)液体タンクと同様な2自由度振動系の簡易実験装置を製作し,開発済みの制御系の操作性に関する検討実験を行った.実験解析を行ったところ,位置決めを行う際の細かな入力を与えた場合に対して,振動的な挙動をすることが分かった.(4)上記(3)の知見をもとに遠隔制御を行った際の考慮すべき事項を検討した.また,バーチャルリアリティによるクレーンシミュレータを用いた荷振れ抑制操作技能習得のための教示訓練システムの開発や搬送軌道指示とそれに基づく障害物回避と荷振れ抑制を考慮した搬送軌道計画法の開発を行った.研究計画書記載の平成30年度の(2)天井クレーンによるタンク内液体搬送制御システム(ソフトウェア)の開発について,各種搬送に対する直方体タンクや円筒形タンクに対する搬送制御系の有用性について検証を行った.予想された成果を収めることができた.また,遠隔制御を行い際の人間の操作入力に対して,目標地点での位置決めを行う際の高周波の細かな入力に対して,開発した制御系が不安定になることが明らかになった.2019年度の遠隔制御搬送制御システムの開発について,昨年度検証した人間の操作入力に対する制御系の検討について,ペンダント(ボタン)スイッチなどへの適用も考えた制御系設計を行う.また,被験者の熟練度などに対する検討も行う.タンク内の液体振動を抑え,且つ,目的地に短時間で自動的に障害物を回避し搬送を行う「安全性と操作性を考慮した遠隔運転天井クレーン液体タンク搬送システムの開発」のために次の研究を行った.(1)天井クレーンのオペレータから操作入力による2次元搬送を可能にする入力デバイスの製作を行った.(2)天井クレーンによる液体搬送のためのロッドータンクモデルの周波数応答を分析し,液面振動の抑制効果のあるロッドータンク内液体連成系のロッド長及びタンク形状の設計について考察した.そして,天井クレーンによる液体搬送の液面振動抑制のために,振動に関する入力周波数成分をカットするノッチフィルタを用いたフィードフォーワード制御系を設計し,シミュレーションと実験によりその有用性を明らかにした.(3)天井クレーンによる液体容器搬送制御システムに対して,その搬送経路は自由に選択できる非定常な操業,すなわちオペレータからクレーンへ非定常な入力を与えるものとし,容器内に充填される液位やロッド長さの変化に対してロバストな制御系の設計について提案した.また,提案する制御系は,ロッド及び容器内液面の振動を抑制する制御系として,容器内液体の振動を計測せず,ノッチフィルタによるフィードフォーワードコントローラと混合H2/H∞制御系設計を用いたフィードバックコントローラによる2自由度制御系を設計した.設計した制御系の有用性を実験により示した.(4)障害物を回避する際の振動ならびに操作性に関する検討を行った.研究計画書記載の平成29年度(前半)の(1)操作者による入力装置と現有の障害物認識・回避経路計画システムとの統合については,2次元搬送を可能にする入力デバイスの製作を行い,障害物を回避する際の振動ならびに操作性に関する検討を行った.平成29年度(後半)の(2)天井クレーンによるタンク内液体搬送制御システム(ソフトウェア)の開発については,液面振動の抑制効果のあるロッドータンク内液体連成系のロッド長及びタンク形状の設計について考察を行い,オペレータからクレーンへ非定常な入力を与えるものとし,容器内に充填される液位やロッド長さの変化に対してロバストな搬送制御系を設計し,その有用性を実験により確認した.なお,障害物回避経路計画システムで得られた経路以外の経路入力をした場合において,2次元の入力装置へ反力として与え,操作者が入力する方向が触覚で判るようにする操作支援機能については,開発ができていない.タンク内の液体振動を抑え且つ,目的地に短時間で自動的に障害物を回避搬送する「安全性と操作性を考慮した遠隔運転天井クレーン液体タンク搬送システムの開発」のため,次のことを行った.まず,昨年度の成果として,ロッド及び容器内液面の振動を抑制する制御系として,容器内液体の振動を計測せず,ノッチフィルタによるフィードフォーワードコントローラと混合H2/H∞制御系設計を用いたフィードバックコントローラによる2自由度制御系を設計している.この研究成果を基に,(1)天井クレーンによるタンク内液体搬送制御システム(ソフトウェア)の開発に対して,3次元(とくにX,Yの2次元)搬送に対する各種タンク形状でのスロッシング抑制効果を検証を行った.

具体的には,タンク形状として,直方体タンクと円筒形タンクを用い,それぞれ液体の液位を変化させ調査を行った.(2)さらに,液面振動抑制を考慮した2自由度搬送制御系の有用性を各種タンクで検証した.ただし,検証実験で制御系の有用性は検証されたが,制御系設計に関する新たな知見を得ることはなかった.(3)液体タンクと同様な2自由度振動系の簡易実験装置を製作し,開発済みの制御系の操作性に関する検討実験を行った.実験解析を行ったところ,位置決めを行う際の細かな入力を与えた場合に対して,振動的な挙動をすることが分かった.(4)上記(3)の知見をもとに遠隔制御を行った際の考慮すべき事項を検討した.また,バーチャルリアリティによるクレーンシミュレータを用いた荷振れ抑制操作技能習得のための教示訓練システムの開発や搬送軌道指示とそれに基づく障害物回避と荷振れ抑制を考慮した搬送軌道計画法の開発を行った.研究計画書記載の平成30年度の(2)天井クレーンによるタンク内液体搬送制御システム(ソフトウェア)の開発について,各種搬送に対する直方体タンクや円筒形タンクに対する搬送制御系の有用性について検証を行った.予想された成果を収めることができた.また,遠隔制御を行い際の人間の操作入力に対して,目標地点での位置決めを行う際の高周波の細かな入力に対して,開発した制御系が不安定になることが明らかになった.自動的な経路計画による入力と振動抑制効果のための制御入力,およびバイラテラル制御による反力提示による操作性について検討を行う.操作性の検証については,被験者の熟練度や人間のストレスなどの指標も検討する.また,障害物回避経路計画で導出する経路については,リアルタイム性や振動抑制を考慮してシステム開発を行う.2019年度の遠隔制御搬送制御システムの開発について,昨年度検証した人間の操作入力に対する制御系の検討について,ペンダント(ボタン)スイッチなどへの適用も考えた制御系設計を行う.また,被験者の熟練度などに対する検討も行う.金額が少額であり,次年度物品等の購入計画があるため翌年度に繰り越した.残金が少額のため,次年度購入物品等もあることから繰り越しを行った.
ハンチンチンタンパク質の核外輸送の分子機構

ハンチンチンタンパク質(htt)のアミノ末端の17アミノ酸残基からなるペプチドをCFPまたはYFPの蛍光タンパク質のカルボニル末端に結合させた融合タンパク質(CFP/YFP-N17)が蛍光共鳴エネルギー転移(FRET)を起こし、核外移行することから、このアミノ末端配列だけで二量体を形成し、核外移行シグナル(NES)として働くことを確認した。このペプチドは両親媒性のヘリックス構造をとることが、その配列より予測されるため、2アミノ酸づつアラニンに置換して、核外移行に重要な残基を決定した。その結果、疎水性のロイシンやフェニルアラニンをアラニン置換した場合に、核外移行が妨げられ、FRETも起こらなくなった。しかしながら、親水性残基のグルタミン酸やリジン残基をアラニンに置換した場合には核外移行は影響されなかった。このことは、両親媒性のヘリックスの疎水性部分で二量体を形成し、親水性の残基が露出していることを示している。さらに、3つあるリジン残基をアラニンに置換した変異体においてFRETが検出された。これらの結果より、7番めのロイシンから11番目のフェニルアラニンまでが中心となって二量体を形成し、NESとして働いていると考えられる。YFP-N17を発現させた細胞を一般的な核外移行阻害剤であるレプトマイシンBで処理するとその核外移行が阻害された。このことは、httのNESが一般的なCRM1/Exportin1により認識され核外移行されていることを示している。この結果は、CRM1はhtt-N17のアルファヘリックスの疎水的な領域に結合することから、CRM1に認識されたhtt分子は二量体を形成していないことを同時に示唆しており、httが二量体をポリグルタミン部分以外ですることにどのような意味があるのかは、今後の検討課題となった。ハンチンチンタンパク質のアミノ末端の17アミノ酸残基からなるペプチドをCFPまたはYFPの蛍光タンパク質のカルボニル末端に結合させた融合タンパク質が蛍光共鳴エネルギー転移(FRET)を起こし、核外移行することから、このアミノ末端配列だけで二量体を形成し、核外移行シグナル(NES)として働くことを確認した。また、NES配列としてよく研究されているMEKとRevタンパク質のNESは二量化を起こさないことから、ハンチンチンに見られるNESは新規のものであり、二量化して初めて働く非常にユニークなものであると考えられる。次に、ハンチンチンが核内にはいるためには、どのようなことが起こっているのかを調べた。その結果、ハンチンチンの8番目のメチオニンから翻訳がはじまることにより、NESとして機能しないペプチドを持つタンパク質がかなりの割合で産生されることを確認した。

つまり、ハンチンチンタンパク質はNESをもつ完全長のもの以外に、7アミノ酸短いものが含まれ、そのタンパク質が、拡散により核内に入っていくことが示唆される。今後、その短いハンチンチンの毒性について検討していく。ハンチンチンタンパク質(htt)のアミノ末端の17アミノ酸残基からなるペプチドをCFPまたはYFPの蛍光タンパ19質のカルボニル末端に結合させた融合タンパク質(CFP/YFP-N17)が蛍光共鳴エネルギー転移(FRET)を起こし、核外移行することから、このアミノ末端配列だけで二量体を形成し、核外移行シグナル(NES)として働くことを確認した。このペプチドは両親媒性のヘリックス構造をとることが、その配列より予測されるため、2アミノ酸づつアラニンに置換して、核外移行に重夢な残基を決定した。その結果、疎水性のロイシンやフェニルアラニンをアラニン置換した場合に、核外移行が妨げられ、FRETも起こらなくなった。しかしながら、親水性残基のグルタミン酸やリジン残基をアラニンに置換した場合には核外移行は影響されなかった。このことは、両親媒性のヘリックスの疎水性部分で二量体を形成し、親水性の残基が露出していることを示している。さらに、3つあるリジン残基をアラニンに置換した変異体においてFRETが検出された。これらの結果より、7番めのロイシンから11番目のフェニルアラニンまでが中心となって二量体を形成し、NESとして働いていると考えられる。YFP-N17を発現させた細胞を一般的な核外移行阻害剤であるレプトマイシンBで処理するとその核外移行が阻害された。このことは、httのNESが一般的なCRM1/Exportin1により認識され核外移行されていることを示している。この結果は、CRM1はアルファヘリックスの疎水的な領域と結合することから、CRM1に認識されたhtt分子は二量体を形成していないことを同時に示唆しており、httが二量体をポリグルタミン部分以外ですることにどのような意味があるのかは、今後の検討課題となった。また、httのN末端にはSUMOが結合するという報告があり、強制的にN末端のリジン残基にSUMOを結合させたYFP-N17およびYFP-httQ62の高頻度で核に蓄積することを確認した。この結果は、SUMO化によりhttのNESか機能しなくなることを示唆している。
男女賃金格差と少子化：職場慣行に注目して

本研究の核心をなす問いは、日本の労働市場と人口構造の大きい変化の中で、少子化を緩和し、かつ、就業中断のない共働き社会に向かうための雇用慣行のルールの在り方、社会的保護の在り方を、米国等、海外との国際比較を通じて実証的に探ることである。これは正規雇用者と非正規雇用者とで大きく分かれている日本の雇用慣行や社会保険加入の在り方を見直し、また企業内の人材養成だけにとどまらず、企業横断的な職技能形成を拡充する方策の在り方を分析することでもある。この目的のために既存の政府統計を33条申請し、計量的な分析を行う。
有機金属気相選択成長法を用いたナノ結晶の作製とそのフォトニックデバイスへの応用

光通信波長帯域の光を発光可能なインジウム燐系材料を用いた二次元フォトニック結晶スラブ発光素子への応用を目指し、有機金属気相選択成長法を用いてインジウム燐・インジウムガリウム砒素の二次元空孔周期配列の作製に取り組み、またその実現に向けインジウム燐系へテロ構造周期配列の作製に取り組んだ。空孔配列の作製は、六角形形状の酸化シリコンマスクを三角格子状に周期的に配列したインジウム燐(111)基板上に、インジウム燐やインジウムガリウム砒素を、有機金属気相成長装置を用いて結晶成長することにより、マスク開口部からのみ結晶成長が開始され、垂直な側面を持つ均一な六角ネットワーク(空孔)構造を形成出来る。フォトニック結晶の効果(フォトニックバンドギャップによる光の閉じ込め等)を得るには、その空孔サイズや周期、成長高さ等を最適化しなくてはならないが、有機金属気相選択成長法では、成長条件によっては縦方向の成長だけでなく横方向の成長が支配的になり、空孔が埋まってしまうことがある。そのため、基板面方位、成長条件の依存性を確認することにより、(111)B面基板に650700°Cで成長することにより、マスク基板を踏襲した横方向成長の少ない空孔配列を、光通信波長帯域でフォトニックバンドギャップが出現する500nm周期で作製することに成功した。さらには、上記成長条件を用いてインジウムガリウム砒素量子井戸を内包したインジウム燐空孔配列を作製することにも成功し、フォトルミネッセンス測定では量子井戸層からの強い発光を確認している。これは、量子井戸層を上下だけでなく、横方向成長により側面もバリア層で覆っているため、表面再結合等を抑制し発光効率が向上したためと考えられる。以上より、空孔配列の空孔サイズや周期等を発光波長に合わせて最適化することにより、フォトニック結晶の効果を持った発光素子の実現が可能であると考えられる。有機金属気相選択成長法を用いて作製した化合物半導体空孔周期配列の二次元フォトニック結晶スラブへの応用のため、空孔構造変化の成長条件及びマスク構造依存性を確認した。ガリウム砒素(111)B基板上へ六角空孔構造を作製すると、基板に垂直方向への成長だけでなく、空孔側面(横方向)への成長も促進する。空孔側面は(110)面ファセットによって形成されており、(111)B面とは最表面の原子配列の違いから成長条件が異なっている。そのため、成長温度や砒素供給量等を制御することにより、横方向成長による空孔構造の変化を制御することが可能であることが明らかになった。また、偏波無依存なフォトニックバンドギャップの形成が期待される三角空孔周期配列において、空孔構造制御のマスクパターン依存性を調べた。実験結果より、六角マスクを周期的に配列したパターン基板を用い、さらに三つのコーナーからの横方向成長の利用により、成長条件の変化に対し空気孔充填率の変化がゆるやかになり、構造制御性が向上することが明らかになった。さらには、アルミニウムガリウム砒素をバリア層としてガリウム砒素の量子井戸を埋め込んだ空孔構造を作製し、その発光特性を確認した。フォトルミネッセンス測定の結果、量子井戸層からの発光ピークが観測でき、今後構造の最適化により発光した光をフォトニック結晶で制御することが可能であると考えられる。また、ガリウム砒素は一般的に表面準位の影響を受けやすい。しかし、この方法は上記のように横方向にも成長するため、発光層を側面も含めて完全に埋め込むことができ、そのため表面パッシベーションの効果により発光が可能になったものと考えられる。以上の結果から、有機金属気相選択成長法によって作製したガリウム砒素系空孔型周期配列は形状の制御が可能なこと、またフォトニック結晶発光素子への応用に優位なことが明らかとなった。

以上より、空孔配列の空孔サイズや周期等を発光波長に合わせて最適化することにより、フォトニック結晶の効果を持った発光素子の実現が可能であると考えられる。
相関の強い電子系の超伝導の理論

本年度は3年計画の最終年度に当たり、研究の完成を目指して努力した。1.特に銅酸化物高温超伝導に関しては超伝導転移温度Tcを定量的に求めることを課題とした。佐々木、新開等の学生の協力と池田の精力的な研究によって、ほぼTcを決める要因が明らかになった。2.その第一は異方的な電子問の相互作用である。元々電子間のクーロン相互相互作用から生じるものであるが、多体効果を通じて運動量依存性を持ち異方的超伝導を生じる。3.有効質量が電子間の相互作用によって重くなる。この逆数である波動関数の繰り込み因子zがエネルギースケールを決めるので、準粒子のバンド幅や転移温度Tcはzに比例して小さくなる。5.こうして強相関電子系で起こる超伝導の対称性と転移温度を定量的に求める方法が確立されつつある。この方法は重い電子系や有機導体の超伝導にも共通の普遍的なものである。6.現在、最終段階で行っている研究は超伝導相互作用と自己エネルギーをクーロン相互作用の4次まで計算して、Dyson-Gorikov方程式を解くことを試みている。近いうちに、系統的な結果が得られると思われる。この結果を見ることによって、相関の強い電子系の超伝導機構が自己エネルギーの周波数依存性を含めて具体的に明らかになるものと期待される。相関の強い電子系の研究として、今年度はオンサイトクーロン斥力Uに関する摂動理論を様々な系に適用した。最大の成果は野村拓司によってなされた4次までの摂動計算である。ハバード模型から出発して斥力Uの4次まで入れた相互作用で超伝導を導出するものである。その結果によるとハーフ・フィルドに近い電子数ではd-波が実現し、対波動関数を含めて収れん性が非常によいことがはじめて確認された。これは乱雑位相近似でも残る項が重要な働きをしてd-波を実現するもので、反強磁性スピン揺らぎによってd-波の超伝導が実現することを一般化したものである。スピン3重項のP-波の超伝導に関してはハーフ・フィルドn=1から、0.2-0.4程度はずれた電子数で実現するが、奇数次まででとめると転移温度が高くなり、偶数次で止めると転移温度が低くなることがわかった。これは粒子・粒子散乱の寄与が大きいためで、その散乱を無限次まで集めたラダー近似を用いると収れん性を回復し、3次までの摂動計算を再現することが示された。以上の結果は摂動計算の正当性を示す重要な結果である。一方、3次摂動理論による計算を以下の系に適用し、異方的超伝導が実現していることが示された。PuCoGa5はd-波の高い転移温度をもつ超伝導体である。CeIn3は3次元単位格子で低い転移温度を持つd-波超伝導体である。さらにCoO2を含む2次元3角格子のスピン3重項f-波の可能性を検討した。本年は科研費研究期間の中間に当たり、相関の強い電子系の超伝導の理論をより深く、より広く適用した。1.スピンラダー系に摂動理論を適用してスピン三重項超伝導の可能性を探った。実は藤原たちの実験によるとスピンラダーがスピンギャップを形成した後超伝導になり、しかもナイトシフトが超伝導転移後も減少しないのでスピン三重項かも知れないからであった。スピン三重項超伝導も不可能では無いがd-波のスピン一重項の可能性も否定できない結果となった。2.NaxCoO2の超伝導の機構を研究した。Eg軌道の6個の小ホールによるスピン3重項超伝導の可能性を検討し、メカニズムを提案した。3d電子系の異方的超伝導は銅酸化物以来であり、今後の発展が楽しみである。3.有機導体の超伝導体の磁場侵入長及び転移温度Tcの圧力依存性を説明した。4.強磁性と超伝導が共存するモデルを提案し、その現実性を検討した。以上の計算をまとめることになるが、高温超伝導体で、La系とYBCO系のTcの違いを説明する理論を検討した。

結局、d-ホール数が1に近いかどうかで有効質量が変わり、繰り込みの結果生じる有効フェルミエネルギーの違いが本質的であるという結論に達した。これ以外に両系のエネルギースケールの違いが説明できないことがわかった。これはHubbardモデルでは不十分でd-Pモデルでd-電子数を考慮することが定量的な計算では不可欠であることを示している。本年度は科研費の最終年度にあたり、研究課題を総合的に検討した。1.銅酸化物高温超伝導については転移温度決定の機構を詳しく検討した。一般に有効質量の増大因子の逆数である波動関数の繰り込み因子がエネルギー・スケールを決める上で重要であることが指摘されてきた。このことが重い電子系と銅酸化物で転移温度が2桁違う理由であると考えられてきた。今年度はこのことが銅酸化物系内部でも有効質量の違いによって転移温度を決定していることが確認された。具体的にはLa2-xSrxCu04系(LSCO)とYBa2Cu307系(YBCO)で転移温度が2倍程度異なるが(LSCO系の方がYBCOより低い)、その理由は次のように理解できる。d-軌道のエネルギーが高くd-ホール数が1に近いLSCO系では電子相関が強く働き、有効質量が大きくなる。このことは新開によってHubbard模型やd-P模型の有効質量を4次まで計算することによって確認された。さらに池田・新開によって自己エネルギーと相互作用をクーロン相互作用の4次まで入れて、Dyson-Gorkov方程式を解く計算が行われており、最終的な結果が近く出る予定である。2.同時に重い電子系の超伝導やNaxCo02の超伝導について引き続き研究した。以上の結果、転移温度を定量的に計算する方法と、超伝導対称性を決定する方法について現在の理解を確立できた。ただし、自然は豊かであり、実験の進展によってより新しい理論の発展を促すことが期待される。
高電圧印加に伴う高分子の階層構造変化追跡と絶縁破壊機構の解明

ポリフッ化ビニリデンなど誘電物性に優れた種々の高分子フィルムを対象に、高電圧印加時の階層構造変化過程を広角・小角X線散乱および透過赤外スペクトルの同時高速測定実験に基づき詳細に追跡する。その結果に基づき、それらフィルムの絶縁破壊機構を様々の階層構造から解明するとともに、絶縁破壊に強い高次構造、分子鎖集合状態を探り、究極的には、そのような物性を有する新しい高分子化学構造を探り出す。
ポリグルタミン病モデルを用いた神経細胞維持・変性に関わる新たな転写制御機構の同定

Protein-DNAアレイ(Panomics)を用いたスクリーニングにより、ハンチントン病モデルマウスの線条体、皮質でDNA結合活性が変化している転写因子を複数同定した。このうちE-box結合因子について、変異ハンチンチン凝集体に結合すること、さらに、ChIP-chipや遺伝子発現アレイにより、その直接の下流遺伝子を同定すると共に、その一部はハンチントン病モデルマウス脳で発現低下していることも見いだされ、その病態への関与が期待された。一方、別の転写因子NF-Yについて、ノックアウトマウス解析やChIP-chip等により、NF-Yを介した遺伝子発現制御が神経変性に関わっている事も明らかとした。ハンチントン病等のポリグルタミン病は、優性遺伝性の神経変性疾患であり、原因遺伝子内のCAGリピートの異常伸長が観察される。その結果、異常伸長したポリグルタミン鎖を有する変異タンパク質が産生され、これが、神経細胞の核内に凝集体を形成し、神経変性が引き起こされると考えられている。DNA microarray解析等の結果から、様々な遺伝子の発現異常と病態進行との関連が指摘されているが、その分子メカニズムの詳細については不明な点が多い。これまでに、我々は、ポリグルタミン病モデルを用いたスクリーニング的解析により、ポリグルタミンタンパク質の新規ターゲットとして、転写因子NF-Y, Brn-2を同定し、これらが、皮質、視床下部という異なる部位での神経変性・機能障害に関わっている事を明らかとしてきた。本研究では、これまでのストラテジーを用いてさらに解析を進め、ポリグルタミン病モデルマウスの神経変性に関わる遺伝子発現異常の全貌の解明を試みる。本年度は、ハンチントン病の病態進行に関わる転写因子をさらに同定するため、ハンチントン病モデルマウスより、脳皮質・線条体を単離し、Protein-DNA arrayにより、転写因子の活性変化を指標としたスクリーニングを行った。その結果、脳皮質において、E-box結合因子のDNA結合活性が低下していることが新たに明らかとなった。この転写因子は、変異ハンチンチン凝集体に結合すること、一方そのmRNA量は変化しないことから、共凝集がその活性低下に関与していると考えられる。さらに、クロマチン免疫沈降ーDNAアレイ(ChIP-chip)により、E-box結合因子の直接の下流遺伝子を同定することに成功した。これら遺伝子の発現異常が何らかの機構を介してハンチントン病の病態にかかわっていると期待される。ハンチントン病等のポリグルタミン病は、優性遺伝性の神経変性疾患であり、原因タンパク質内のポリグルタミン鎖が異常伸長し、これが神経細胞の核内で凝集することにより発症すると考えられている。これまでに、我々は、病態モデルを用いたスクリーニング的解析により、ポリグルタミンタンパク質の新規ターゲットとして、転写因子NF-Y, Brn-2を同定してきた。本研究では、これまでのストラテジーを用いて、神経変性に関わる新たな遺伝子発現異常の解明を試みた。まず、Panomics社のProtein-DNAアレイを用いた250因子のスクリーニングにより、ハンチントン病モデルマウスの線条体、皮質で、それぞれ28個(17;減少、11;亢進)、10個(6;減少、4;亢進)の転写因子についてDNA結合活性が変化していることを見出した。このうちの1つ、E-box結合因子についてさらに解析を進めたところ、この転写因子は、変異ハンチンチン凝集体に結合することが確認され、共凝集がその活性低下に関与していると考えられた。さらに、クロマチン免疫沈降ーDNAアレイ(ChIP-chip)により、E-box結合因子の直接の下流遺伝子を同定すると共に、その一部はハンチントン病モデルマウス脳で発現低下していることも見いだされ、これら遺伝子の発現異常がハンチントン病の病態にかかわっている可能性が示唆された。一方、NF-Yについて、ノックアウトマウスの解析やChIP-chip等により、NF-Yを介した遺伝子発現制御が神経変性に関わっている事も明らかとした。本研究では、これまでのストラテジーを用いてさらに解析を進め、ポリグルタミン病モデルマウスの部位特異的神経変性に関わる遺伝子発現異常の全貌の解明を試みる。本年度は、ハンチントン病の病態進行に関わる転写因子をさらに同定するため、皮質、線条体といった変性の強い領域を単離し、転写因子の活性・発現変化を指標としたスクリーニングを行った。まず、活性変化については、ハンチントン病モデルマウスについて、機能阻害される転写因子を、Protein-DNA arrayで検索を行った。その結果、DNA結合活性が変化していると目されるいくつかの転写因子が同定されてきた。

一方、発現変化については、ハンチントン病モデルマウスの皮質、線条体について、DNA microarrayを行ったところ、発現変化する転写因子群を同定した。これらをさらにFANTOM4データベースサイトにおいて転写因子のネットワークを構築し、より上位に位置する転写因子をさらに絞り込んだ。これらについては、定量PCRにおいても発現変化を確認済みである。興味深いことに、これら同定された転写因子のうちいくつかは部位特異的な活性・発現変化を示す事が観察され、変性部位で異なる転写制御異常がおこっている事が期待される。今年度の研究により、ポリグルタミンタンパク質のターゲットとしてE-box結合因子を新たに同定できた。またChIP-chipを用いた網羅的解析により、その機能抑制がポリグルタミン病での遺伝子発現異常の一端に関与している可能性が期待された。しかしながら、その生理的重要性についてはさらに検討する必要がある。また、線条体を用いたスクリーニングからも活性変化する転写因子をいくつか同定しつつあるが、まだ最終的な結論は得られておらず、これらについてもさらに実験を遂行する必要がある。転写因子のスクリーニングについては順調に進んでおり、興味深い因子が同定されつつある。1.ハンチントン病モデルマウスの皮質でのE-box結合因子の抑制の生理的意義の検討これまでに、ハンチントン病モデルマウス脳皮質を用いたGene expression array等による解析から、様々な遺伝子が発現変化していることが示されている。これに対するE-box結合因子の活性抑制の寄与について、Gene expression arrayとChIP-chipの解析結果を比較することにより検討し、発現変化のメカニズムとその生理的意義について明らかとする。2.ハンチントン病モデルマウスの線条体で阻害される転写因子の解析線条体で活性変化する転写因子について、その最終的確認を行うと共に、その活性変化と遺伝子発現異常との関連について同ストラテジーを用いて検討する。また、皮質・線条体での相違についても検討し、部位特異的病態との関連についても検討する。1.ポリグルタミンタンパク質との相互作用の検討より直接的なターゲットを同定するため、上記の活性変化する転写因子とポリグルタミン凝集体との結合を、生化学的、免疫組織学的に検証する。また、発現変化する転写因子については、そのプロモーター領域に着目し、その調節制御因子の検索・同定を試み、さらに、これらとポリグルタミン凝集体との相互作用を検討する。2.ポリグルタミン病モデルマウスを用いたレスキュー実験ポリグルタミン病モデルマウスにおいて、同定した転写因子のウイルスベクターを作製し、これを用いて、それぞれの機能阻害部位に導入し、病態への影響を、組織学的、行動学的に検討する。3.正常マウスを用いた機能阻害実験同定した転写因子を遺伝子ノックダウンやノックアウト等により機能阻害し、神経細胞の生存・形態や機能への影響を観察する。
オールカーボン太陽電池および燃料電池を指向した新規化学修飾グラフェン材料開発

本研究では、これまでに、新規化学修飾グラフェン材料を開発するためのベース材料として酸化グラフェンを用いてきた。酸化グラフェン(GO)は、グラフェン骨格に様々な酸素官能基が付加した構造を持つため、高いプロトン伝導性を示し、更にGOを還元したrGOは、その還元手法(熱・化学・電気化学・光等)により電子伝導度の制御ができることが確認できている。そのためこれらの特性を活かした燃料電池や太陽電池といったデバイス化への糸口が見出されつつある。一方、GOの官能基に注目し、種々の還元方法を考えた場合その基準となる特性値が定まっていない上、GOの研究は非常に盛んに進んでいるに対してリファレンスとなる理論計算系の報告が少ないことが現状の課題である。そこで、本研究では、これまでGOの各種還元方法に基づいた理論計算、及び様々な化学修飾などにより、新しいGOの検討を進めてきた。本年度はGOの修飾及びGOと比較するために、他の二次元構造を持つナノシートに注目し、これを合成し、GOとの積層、GOとの比較を検討してきた。その中で新しい二次元ナノシートの合成及びGOとの積層化に成功した。本研究では、まず初期に、GOの持つ官能基、欠陥等の構造に注目し、理論的な面からGOを知り、中盤そして終盤において、GO化学修飾法及びGOの積層化を通じ新しいGOの修飾法等を見出すことができたと考えている。本研究では、新規化学修飾グラフェン材料を開発するためのベース材料として酸化グラフェンを用いる。そこで、本年度はGOの各種還元方法に基づいた理論計算を実施することにより基準となるモデル及び計算方法を検討するために、ベースとなる炭素骨格と官能基1つ1つの構造から特性を結び付けることに注力した。ベースとなるGOのモデルを導くために、GOの炭素数や官能基等を考慮し、基本骨格を決めた。また、各種還元手法において特徴的な情報(欠陥生成、CH基やOH基増加等)を設定し系統的な計算を進めた。さらに、様々な元素ドーピングや機能性分子、酵素などを用いた化学修飾グラフェンを合成するために、官能基の情報等があらかじめ報告されている材料(セルロースファイバー等)用い、修飾方法を検討し、酸化グラフェンへ活かしその修飾に一部成功した。デバイス化時に重要なrGOの状態を把握するために酸化グラフェンの理論計算のベース設計をすることができた。更に、水溶液中でのGOへの酵素固定によるGOの化学修飾法を検討した。これより酵素の活性能を安定化させ、長時間その活性を維持させることに成功した。現在、一部の酵素では、修飾されたGOの官能基の種類により、酵素活性能維持に差がでることを見出した。しかしながら、デバイス化へ活かす手法の検討等未達であるため課題が残る。そこで、本研究では、GOの各種還元方法に基づいた理論計算を実施する。昨年度までに基準となるモデル及び計算方法を検討するために、ベースとなる炭素骨格と官能基1つ1つの構造から特性を結び付けることに注力し、ベースとなるGOのモデルを導くために、GOの炭素数や官能基等を考慮し、基本骨格を決めた。また、各種還元手法において特徴的な情報(欠陥生成、CH基やOH基増加等)を設定し系統的な計算を進めてきた。本年度は、様々な元素ドーピングや機能性分子、酵素などを用いた化学修飾グラフェンを合成するために、官能基の情報等があらかじめ報告されている材料(セルロースファイバー等)用い、修飾方法を検討し、酸化グラフェンへ活かす手法の確立に一部成功した。次年度はこれらを結び付けた研究へ進めていく予定である。昨年度から本年度にかけrGOの状態を把握するために酸化グラフェンの理論計算のベース設計をすることができた。更に、今年はGOの化学修飾へ活かすために、他材料での修飾法や評価方法を見出し、理論と実験系から研究の進め方を導きだしてきた。しかしながら、その効果的かつ具体的なな活かし方(デバイス化)の確立ができていない。次年度はこの点に注力し新しいGOの活かし方を模索したいと感がている。

酸化グラフェン(GO)は、グラフェン骨格に様々な酸素官能基が付加した構造を持つため、高いプロトン伝導性を示し、更にGOを還元したrGOは、その還元手法(熱・化学・電気化学・光等)により電子伝導度の制御ができることが確認できている。そのためこれらの特性を活かした燃料電池や太陽電池といったデバイス化への糸口が見出されつつある。一方、GOの官能基に注目し、種々の還元方法を考えた場合その基準となる特性値が定まっていない上、GOの研究は非常に盛んに進んでいるに対してリファレンスとなる理論計算系の報告が少ないことが現状の課題である。そこで、本研究では、これまでGOの各種還元方法に基づいた理論計算、及び様々な化学修飾などにより、新しいGOの検討を進めてきた。本年度はGOの修飾及びGOと比較するために、他の二次元構造を持つナノシートに注目し、これを合成し、GOとの積層、GOとの比較を検討してきた。その中で新しい二次元ナノシートの合成及びGOとの積層化に成功した。本研究では、まず初期に、GOの持つ官能基、欠陥等の構造に注目し、理論的な面からGOを知り、中盤そして終盤において、GO化学修飾法及びGOの積層化を通じ新しいGOの修飾法等を見出すことができたと考えている。3今後は以下を中心に研究を推進する。1)理論計算による検討:これまでにモデル化できたベース酸化グラフェンを用い、酸化グラフェンの各種還元体と電子伝導の関係を明らかにする。2)酸化グラフェンの各種還元体の観察:高分解能なAFMとTEMを用いて、酸化グラフェン還元体の局所構造を観察する。3)化学修飾法の検討:これまでに検討してきた酵素固定化法を利用し化学修飾電極作製方法と確立させる。また修飾の種類や用いる酵素等により、酸化グラフェンの各官能基における修飾部位の機能へ及ぼす役割を明らかにする。4)デバイス化の検討:申請時に提案した酸化グラフェンを用いた太陽電池および燃料電池の作製についても検討する。今後は以下を中心に研究を推進する。1)GOへの化学修飾法の適応法の検討:これまでに検討してきた酵素固定化法や他材料で導いてきた修飾法を利用し化学修飾電極作製方法と確立させる。2)デバイス化の検討:申請時に提案した酸化グラフェンを用いた太陽電池および燃料電池の作製についても検討する。熊本震災等により当初計画通りの購入が進まなかったため、次年度使用額が生じた。この研究を開始した当初、熊本震災が起き、設備等の再構築及び研究面での大幅な計画変更が必要となり、色々取り組み改善し、ここまで進めて参りました。しかしながら、最終的に仕上げるためには更に1年必要だと判断しましたので次年度に繰り越しして使用したいと考えております。次年度も当初の計画通り、原料及び評価・分析のための費用としてこれらを使用したいと考えております。そして最終的にこれまでの研究を形付けるよう進めて行きたいと考えております。
TEM-マイクロカロリメータEDSによる高精度分析の実現と金属材料

我々は透過型電子顕微鏡(TEM)でのエネルギー分散型X線分光(EDS)分析の高精度化を目的として、超伝導遷移端型マイクロカロリメータX線検出器を応用したTEM-EDS分析システムを開発してきた。本課題では、本装置を実用的な分析に供するための解析基盤技術の検討を実施するとともに、複雑な組織・組成を持つ金属材料への応用に展開し、偏析や析出などの微小な組成変動を高感度かつ高精度に分析する手法を構築した。透過型電子顕微鏡(TEM)でのエネルギー分散型X線分光分析(XEDS)の高精度化を目的として、高いエネルギー分解能を持つマイクロカロリメータX線検出器を応用したTEM-XEDS分析システムを開発している。本研究ではこれまでに開発した装置を、実用的な分析に供するための解析基盤技術の検討を実施する。それにより、複雑な組織・組成を持つ金属材料への応用に展開し、偏析や析出などの微小な組成変動の検出と定量化を試みる。平成22年度は、現有装置の基礎特性評価と試験的応用を実施した。具体的には、現有装置を用いて、次の四項目についての実験および評価を実施した。1.ポリキャピラリレンズと検出器の位置関係によるスペクトルの変化の測定。双方の光軸が合っていない場合、スペクトル形状が変化するので正しい定量分析ができない。検出器位置を変化させて測定を行った結果、ポリキャピラリのゲインは大きく検出器位置によって変化してしまうことがわかった。2.スペクトルの形状評価:検出器の設定値によるスペクトルの変化の測定。検出器の動作温度、動作パラメータを変化させて種々の測定を行った。装置のハードウェアの不具合があり、検出器動作温度が安定しなかったので、取得データ数は依然不足している。3.スペクトルの形状評価:エネルギー分解能のエネルギー依存性の測定などのシステム特性評価。上記の各種パラメータ変化とともに、システム全体の評価を実施した。また、4.応用研究の課題を選定し、試料の準備を開始した。現在、軽元素の検出下限値評価を目的として、微量添加元素として存在する異なる窒素濃度を持つ鉄鋼材料と、定量精度評価を目的として、組成傾斜した非鉄系二元合金の二種類を検討している。我々はこれまでに透過型電子顕微鏡(TEM)でのエネルギー分散型X線分光(XEDS)分析の高精度化を目的として、マイクロカロリメータ型検出器を応用した、TEM-XEDS分析システムを開発している。現在までに従来型のSi(Li)検出器のエネルギー分解能(130eV)よりも一桁以上高い7.6eVを達成している。この装置の高いエネルギー分解能により、近接ピークの分離や最小検出限界の向上が期待でき、より高精度な組成分析が可能になると考えられる。本研究では、これまでに開発した装置を実用的な分析に供するための解析基盤技術の検討を実施するとともに、複雑な組織・組成を持つ金属材料への応用に展開し、偏析や析出などの微小な組成変動の検出と定量化を試み、高感度かつ高精度な微量元素の定量分析手法を確立することを目的とする。本研究では、現有装置の基礎特性評価とその試験的応用を主とし、手法の構築全体を三年間を目処として完成させる。その初年度である平成22年度は装置の基礎特性評価を実施した。その結果を考慮したうえで、平成23年度は下記の事項を実施した。なお、平成22年度末に、東日本大震災により装置が被災し使用不能になったため、平成23年度は九州大学にある類似装置(SEM-マイクロカロリメータEDS)を利用して実験を継続した。1.X線ポリキャピラリレンズの特性測定やアライメント方法の改良を実施した。2.スペクトル形状の特長を定量的に理解するために、これまでに取得したスペクトルを精査し、本検出器の最小検出限界に関する知見を得た。3.SEM-マイクロカロリメータEDSシステムはSDD型半導体検出器も併設されているため、異なる検出器で同時に測定を行い、それぞれの特性の違いを考察した。本研究では、我々がこれまでに開発してきた「マイクロカロリメータ型検出器を応用した電子顕微鏡分析システム」を実用に供するための解析基盤技術の検討を実施するとともに、金属材料における偏析や析出などの微小な組成変動の検出と定量化を試み、従来より高感度かつ高精度な微量元素の定量分析手法を確立することを目的としている。これまでに、取得したスペクトルの定量評価に必要な諸特性データの取得や、装置・実験手法の最適化を実施した。その結果、X線を効率的に集光するために利用するX線ポリキャピラリレンズの設置精度がスペクトルに大きな影響を与えてしまうことなどが明らかになった。その知見をもとに、平成24年度は下記項目を実施した。1.平成23年度に一部実施したX線ポリキャピラリレンズの特性測定を詳細にわたって実施した。平成23年度に購入した微動ステージを用い、X線ポリキャピラリレンズを微小量移動させながらレンズの焦点のエネルギー依存性などを自動測定する装置を構築し、スペクトルの定量化に必要な伝送特性を把握するための測定を実施した。

2.これまでに開発してきたTEMに新検出器を搭載した現有装置は震災で損傷し現在修理中であり、新たなデータを得ることができなかった。そのため、九州大学に設置してあるSEMに新検出器を搭載した装置を活用し、金属材料中の微量添加元素の粒界偏析の測定や検出下限値の評価等を実施した。その装置は、当方の現有機とは異なるデザインのX線ポリキャピラリレンズを用いているため、直接的なスペクトルの定量解析は実施していないが、装置固有のX線ポリキャピラリレンズの伝送特性を測定しなおすことによって解析が可能であることを示した。当初計画では、我々が開発したTES型マイクロカロリメータEDSをTEMに装備した装置を用いて種々の測定を行う予定であった。しかし、平成22年度末の東日本大震災により装置が被災し使用不能になった。そこで九州大学で実施している「九州地区ナノテクノロジー拠点ネットワーク・超顕微解析支援」に依頼し、同種の検出器がSEMに取り付けてある装置を利用して進めることになった。基本的には当初計画で予定していた通りの実験が実施できたが、TEMに特有の項目が実施できていない状態である。一方で、当初計画外のSEMでのデータが得られたことは貴重で、終了時までには当初計画以上のデータが得られる予定である。24年度が最終年度であるため、記入しない。当該検出器をTEMに設置した装置は、本年(平成24年)後半には、被災前より高度な検出器を新たに搭載して稼動する予定である。それまでにX線ポリキャピラリレンズの特性評価をTEMに取り付けた状態で終了させておけば、当初計画通りに終了する予定である。研究計画の変更は考えていない。