hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
キサンチンオキシドリダクターゼ遺伝子の生体における役割

キサンチンオキシドリダクターゼ(XOR)遺伝子欠損マウスの腎障害の機序は、多量のキサンチン・ヒポキサンチンと中性脂肪に富んだ物質の尿細管管腔内への蓄積により、炎症・酸化ストレス・虚血・アポトーシスなどが引き起こされ腎障害が進展したと考えられた。虚血再灌流障害に関しては、XOR+/-はXOR+/+マウスに比べ虚血再灌流による腎障害が軽度であった。また、腎障害の程度は、再灌流後血清尿酸値が高いほど軽かった。1.XOR遺伝子欠損に伴う腎障害の機序。(1)血液中のBUN、Crは生後7日以降上昇し、xanthine,hypoxanthineは生後より血中・尿中高値を認めた。尿生化では電解質排泄亢進を認めたが尿蛋白はむしろ低下し、糸球体障害よりも間質障害が示唆された。(2)Masson Trichrome染色では生後2週くらいより間質に線維化領域を認めた。(3)線維化に関与する遺伝子TGF-β,α-SMA,vimentin,CTGFの発現亢進を、real time RT-PCR法・Western Blot法・免疫組織染色を用いて同定した。(4)炎症に関連するTNF-α,osteopontin,F4/80,gp91phox,MCP1の発現亢進を同様に同定した。(5)ホモマウスでは、虚血部位に蓄積するpimonidazole、虚血で発現が亢進するHif1αの発現亢進を認めた。(6)活性酸素に関しては、DNAの酸化障害(8-oxodG)、脂質の酸化障害(4-HNE、MDA)や蛋白質の酸化障害(ニトロタイロシン)産物の蓄積をホモマウスで認めた。(7)細胞増殖に関してはPCNA,Ki67の発現亢進を、アポトーシスに関してはTUNEL陽性細胞の増加をホモマウスで認めた。(8)ホモマウスで認めた黄色沈着物は、尿細管管腔内に沈着しOil Red O染色陽性で中性脂肪に富んだ物質であった。脂肪の分化などに関与するC/EBP-α,-β,PPAR-α,-γ、の発現がホモマウスで著明に亢進していた。(9)ホモマウス由来の尿細管上皮培養細胞は、培養中TGF-β,α-SMA,vimentinなどの発現を伴って線維芽細胞への形質転換を認めた。XORホモマウスの腎障害の機序としては、XOR遺伝子欠損により1)尿酸欠失、2)尿中キサンチン・ヒポキサンチン排泄亢進、3)脂質異常が惹起され、その結果炎症・酸化ストレス・虚血・細胞増殖・アポトーシスなどが引き起こされる。また、XOR遺伝子欠損により尿細管上皮細胞から線維芽細胞への形質転換も誘導されやすくなり、尿細管間質の線維化が進展し腎障害が引き起こされると考えられた。腎臓におけるXOR遺伝子の役割として、1)マウス腎臓の生後発育に必須。2)脂肪の分化などに関与。3)尿細管上皮細胞の線維芽細胞への形質転換に関与。の3点が明らかとなった。2.XOR遺伝子欠損と虚血再還流障害。3.XORマウスバッククロス。バッククロス終了。今後C57Bl/6Jにバッククロスが終了したマウスを研究に使用。バッククロス終了。XORホモマウスの腎障害の機序としては、XOR遺伝子欠損により1)尿酸欠失、2)尿中キサンチン・ヒポキサンチンの排泄亢進と尿細管管腔内への沈着3)脂質異常に伴う中性脂肪に富んだ物質の尿細管管腔内への蓄積が惹起され、その結果炎症・酸化ストレスの増大・虚血・アポトーシスなどが引き起こされると考えられた。さらに、XOR遺伝子欠損により尿細管上皮細胞から線維芽細胞への形質転換が誘導されやすくなり、尿細管間質の線維化が促進され、腎障害が進展すると考えられた。マウス腎臓におけるXOR遺伝子の役割としては、1)腎臓の生後成熟に必須である。2)腎臓における脂肪分化に関与。3)尿細管上皮細胞の線維芽細胞への形質転換の制御に関与。以上の3点が明らかとなった。2.XOR遺伝子欠損と虚血再灌流障害。虚血再潅流障害モデルマウスでは、血中BUN, Crの増加、組織学的には皮髄境界を中心に尿細管上皮の壊死・剥離などを認めた。免疫組織学的には線維化に関連するTGF-β,α-SMA, Vimentinなどの発現亢進、マクロファージの浸潤を意味するF4/80陽性細胞の増加、Nitrotyrosineや4-hydroxy-2-nonenalなどの活性酸素障害に伴う産物の増加を認めた。XOR+/+とXOR+/-

マウスの比較では、XOR+/+マウスは虚血再潅流後のBUN, Crの増加が有意で、組織学的にも免疫組織学的にも組織障害が顕著であった。虚血再潅流後の血清尿酸値とBUN, Cr値との間には有意な負の相関、つまり虚血再潅流後の血清尿酸値が高いほど組織障害が弱かった。以上の結果より1)XOR+/-マウスは野生型マウスに比べ、腎臓の虚血再潅流障害に対して抵抗性である。2)虚血再潅流後の血清尿酸値と腎組織障害との間には負の相関を認めることが明らかとなった。
光誘起電子移動反応を応用した新規な光電変換素子の開発

D部位としてルテニウム錯体、A部位としてビオローゲンを組み込んだ「D-2A-金」型光電変換素子の光電変換能力をより定量的に評価するために必要となる基礎的な測定データを「D-A-金」型光電変換素子を用いて収集・検討・考察を行った。また、より包括的な系として、チタン酸化物を用いて光捕集系を組み込んだ光誘起電荷分離分子集合体を電極上に形成し、その光電変換能の評価を行い、本研究の展開につながる「光捕集系による光電変換の高効率化」についての基礎的知見を得た。その後、「D-2A-金」型光電変換素子を構築するための分子の合成に成功し、自己集合法を用いて金電極表面に固定を行った。この「D-2A-金」型光電変換素子は、対応する分子構造を持つ「D-A-金」型光電変換素子よりも被覆率が低い結果であった。この理由として、A部位間の静電反発がその原因であると考えられる。この「D-2A-金」型光電変換素子を三極式電解セルの作用極とし、犠牲試薬の存在下で光を照射する事で、安定なアノード光電流を発生する事が明らかになった。さらにこの光電流の波長依存性から、D部位の光励起が光電変換に寄与していることを確認した。また、この光電流は電極に印可する電圧を正側に変化させるにつれて増大し、D→A→電極という電子の移動経路が光電変換に用いられている事が示された。より定量的評価を行うために、電極表面に固定されたD部位の単位個数あたりの光電変換効率を求めたところ、「D-2A-金」型光電変換素子は対応する分子構造を持つ「D-A-金」型光電変換素子の約2倍の光電変換効率を示し、電子移動経路の増加が光電変換効率向上に寄与する事が明らかになった。また、この光電変換効率の向上には「D-2A-金」型光電変換素子のA部位間の電子拡散による逆電子移動抑止効果も寄与している可能性があると考えられるため、今後、より詳細な分光学的評価を行う必要がある。自己集合法を用いて形成された「D-A-金」型光電変換素子(D:ルテニウム錯体、A:ビオローゲン誘導体をそれぞれ組み込んだ)によって実現された光電変換の効率を向上させる指針を得るため、詳細な検討を行った。その結果、D-A間の電子移動効率と光電変換素子の光電変換挙動には相関があることが判明したので、このまとめを学術雑誌に報告した。同時に、さらなる光電変換効率の向上を目指し、「D-2A-金」型光電変換素子(同様にD:ルテニウム錯体、A:ビオローゲン誘導体を用いた)を設計し、素子形成に必要な、電子拡散機能を持つD-2A分子の合成を行った。また合成したD-2A分子の光化学的性質、電気化学的性質について測定を行い検討した。電気化学測定、吸収スペクトル測定の結果、D部位と2A部位の間には基底状態での相互作用はないことがあきらかになった。また、発光スペクトル測定の結果、D-2A分子は対応する構造のD-A分子に対して、電子移動効率が著しく向上し、光励起したD部位の電子は、その90%以上が2A部位へ移動していることがわかった。また、それぞれの測定結果を総合的に解釈したところ、2A部位での電子拡散が生じている可能性があることがわかった。実際にこのD-2A分子を金表面に自己集合法を用いて固定し、「D-2A-金」型光電変換素子の光電変換能について測定を行ったところ、対応する構造を持つ「D-A-金」型光電変換素子よりも、光電変換効率が高いことが判明したので、このまとめを現在学術雑誌に投稿中である。現在、より詳細にD-2A分子の光化学的性質、電気化学的性質(特に2A部位の電子拡散機能について)と、「D-2A-金」型光電変換素子の光電変換挙動との相関をあきらかにするため、蛍光寿命測定、過渡吸収スペクトル測定などの手法を用いて検討中である。

また、この光電流は電極に印可する電圧を正側に変化させるにつれて増大し、D→A→電極という電子の移動経路が光電変換に用いられている事が示された。より定量的評価を行うために、電極表面に固定されたD部位の単位個数あたりの光電変換効率を求めたところ、「D-2A-金」型光電変換素子は対応する分子構造を持つ「D-A-金」型光電変換素子の約2倍の光電変換効率を示し、電子移動経路の増加が光電変換効率向上に寄与する事が明らかになった。また、この光電変換効率の向上には「D-2A-金」型光電変換素子のA部位間の電子拡散による逆電子移動抑止効果も寄与している可能性があると考えられるため、今後、より詳細な分光学的評価を行う必要がある。
生物試料の原子吸光多元素同時直接定量における合成標準試料に関する基礎的研究

我々は黒鉛ミニチュアカップを開発することによって、原子吸光分析法によるいろいろの粉末試料中の微量元素の直接定量について検討してきた。この原子吸光分析-固体試料の直接定量法で問題とされてきたのは標準試料の選定であった。これについて、我々は有機試薬共沈試料が固体試料に対して、合成標準試料として使用しうる可能性があることを示してきた。本研究では、有機試薬共沈合成標準試料作成にあたり使用するキャリア-金属の影響について特に検討したので、その研究成果の概要を次に列記する。1)有機試薬としては、多元素同時共沈の可能なオキシンを使用した場合、キャリア-金属としてマグネシウムが最適であった。このオキシン-マグネシウム共沈はCd、Pb、ZnなどほかCu、Mn、Al、Co、Ni、Feなどの直接定量に対する合成標準試料として使用することが可能であった。その理由を検討した結果、生物試料に多量のマグネシウムが共存する場合が多く、これらの元素に対するマグネシウムの共存効果はMatrix modifierとして役割であることが明らかとなった。2)Ni、Pdに対して特異的である有機試薬、ジメチルグリオキシム(DMGO)を用い共沈キャリア-金属イオンとしてニッケルを用いた場合、他の元素を共沈させるときは、目的元素に対して特異的な補助錯化剤の添加を必要とする。したかって、本研究では共沈した元素に対するニッケル共存の影響について検討することにした。本研究では特に銅に対するニッケルの影響について詳細に検討した結果、ニッケル共存下てはニッケル量の増大にともなって銅の吸光度が増大することが明らかとなった。従ってDMGO/Ni系は銅の合成標準試料としては適さず、今後他の元素についても詳細に検討する必要があることが明らかとなった。
門レベルの系統群に分類される未培養環境微生物の分離培養ストラテジー

本研究は新規分離培養ストラテジーに基づいて、門レベルの分類系統群を構成する微生物群(Candidate division微生物群)を対象に分離培養を目的とするものである。活性汚泥を対象とした次世代シーケンス解析の結果、Candidate division TM7、OD1、SR1、BD1-5細菌群が比較的高頻度で検出されたため、対象細菌群とした。これらの細菌群の門レベルでの詳細な系統樹を作成でき、それに基づいて特異的なFISHプローブを設計することができた。TM7門に関してはMAR-FISH法によって増殖可能な有機物を特定することができた。H26年度は、「対象細菌群の系統解析とFISH法による可視化」および「MAR-FISH法による対象細菌群の増殖可能有機炭素源の特定」を実施した。まず、予備的調査として、広島大学近辺の下水処理場の活性汚泥からDNAを抽出し次世代シーケンサーによる16S rRNAアンプリコンシーケンスを行った。これにより低頻度に検出される未培養細菌群を網羅的に解析した。その結果、Candidate division細菌群としてTM7(現在はSaccharibacteria)が11%、BD1-5(Gracilibacteria)が0.3%、SR1が0.5%検出された。そこで、BD1-5とSR1に関して既報の特異的プライマーセットを文献から選定し、ARBソフトを用いて特異性を確認後、PCR増幅し、クローニングを行った。それぞれ48クローンずつ得られたので、ARBで詳細な系統学的位置関係を決定後、現在は可視化のためのFISHプローブの設計・最適化を行っている。次に、活性汚泥中に高頻度で検出されるTM7を対象に、基質利用特性をMAR-FISH法にて把握した。その結果、糖類を主に取り込むことが明らかになった。次にグルコースなどの糖を唯一の炭素源としてTM7の集積培養を試みた。この際にTM7が実際に増殖したかどうかを定量PCR法を用いて評価した。これにより、適切な培養温度、pH、基質濃度等を決定することができた。H26年度で実施した活性汚泥に対する次世代シーケンサーによる細菌叢網羅解析の結果、TM7門が2.4%、OD1が4.9%、BD1-5が0.3%、SR1が0.2%検出された。これらの細菌群のうち、OD1を除く3門に特異的なFISHプローブをそれぞれに対して複数設計することができた。H27年度では、純粋培養株が得られていない、これらの細菌群に対してClone-FISH法を適用し、それぞれのプローブに対して最適ホルムアミド濃度を決定できた。実際に活性汚泥サンプルに適用したところ、既報の論文にあるような形態を有する細菌の可視化に成功している。TM7門に関してはMAR-FISH法での基質利用特性の把握に加え、ELF-FISH法により細胞表面の酵素活性を明らかにすることができた。さらに活性汚泥からの集積培養を回分培養にて試みたところ、増殖が見られる温度、pHなどの培養条件を最適化することができたが、定量PCR法での増殖の有無の確認法とFISH法での増殖確認法では違いが見られ、プライマーセットもしくはFISHプローブの特異性のどちらかに問題があると考えられた。新規分離手法に関しては、複合微生物系からのセルソーターによる対象微生物の分離は可能になった。Candidate division細菌群に対しては、今後適用予定である。対象細菌の一部について増殖可能有機炭素源の特定が把握できていないため。土木環境システム対象細菌のうちBD1-5とSR1については、FISH法での可視化が出来次第、MAR-FISH法により増殖可能有機炭素源の把握を行うとともに、最適培養条件の検討を行う。TM7に関しては26年度に決定した培養条件を最適化するとともに、バイオリアクターを用いて連続的に集積培養を試みる。対象細菌の一部について増殖可能有機炭素源の特定が把握できていないため、次年度に使用する予定である。増殖可能有機炭素源の特定に用いる標識基質を消耗品として購入予定である。
初期瑜伽行派における三性説の研究-『大乗荘厳経論』を中心として-

本研究においては、初期喩伽行派における三性説、及びそこにおけるMahayanasutralamkara(『大乗荘厳経論』)の位置づけの解明に当たり、最も基本的な概念の一つであるnimittaに焦点を当てて研究を進めることとした。このnimittaという語は、広く原因・特徴・根拠などを意味する語であるが、単に三性説との関連のみならず、特に同学派の主要学説の一つである五事説の一項目としても列挙されるものであって、その五事説と三性説との関連という意味でも極めて重要な概念である。本年度の研究では、MahayanasutralamkaraとMadhyantavibhaga(『中辺分別論』)におけるnimittaの扱いに関して、両論書に対するSthiramati(安慧)の注釈であるSutralamkaravrttibhasyaとMadhyantavibhagatikaの記述を踏まえて、詳細な考察を加えた昨年度の成果を踏まえた考察を深めるとともに、Mahayanasutralamkaraの骨子を継承し、初期鍮伽行派の学説を大成したMahayanasamgraha(『摂大乗論』)及びそれに対する二つの注釈との比較考察を行い、その過程において、Mahayanasamgrahaにおいて、識の対象としての部分として用いられている場合のnimittaと識自体との関係が、従来の理解とは若干異なることなどを明らかにできた。また以上の考察は、初期喩伽行派におけるMahayanasutralamkaraの位置づけにあたり、nimittaという観点から解明を試みたものであり、今後の多面的な解明のための研究の一つの基盤となるものであると考えている。本研究においては、初期瑜伽行派における三性説、及びそこにおけるMahayanasutralamkara(『大乗荘厳経論』)の位置づけの解明に当たり、最も基本的な概念の一つであるnimittaに焦点を当てて研究を進めることとした。第一年次の研究内容は具体的には以下の通りである。まず、MahayanasutralamkaraとMadhyantavibhaga(『中辺分別論』)におけるnimittaの扱いに関して、両論書に対するSthiramatiの注釈であるSutralamkaravrttibhasyaとMadhyantavibhagatikaの記述を踏まえて、詳細な考察を加えた。その結果として、両論書におけるnimittaという概念に対する理解の相違、それによる三性説における位置づけの変化、さらにはそれらに対する同一注釈者による注釈態度の相違を明らかにできたと思われる。さらに現在これを踏まえて、Mahayanasamgrahaにおけるnimittaの位置づけとの比較考察に関して研究を進めている。この論書には、Mahayanasutralamkaraのもう一つの注釈Mahayanasutralamkaratikaの作者であるAsvabhEvaによる注釈Mahayanasamgrahopanibandhanaがあり、このAsvabhavaによる二つの注釈が考察の主になっている。
力学刺激を用いた細胞核内ＤＮＡ分散誘導による細胞機能制御

遺伝子発現が細胞核内のDNAの物理的な分布の違いに影響されることが認識され始めている.例えば血管平滑筋細胞は組織内ではDNAが核膜付近に集中しているのに対し,数週間培養し増殖が盛んになるとDNAが核内に満遍なく拡がってくる.DNAが核内で満遍なく拡がることによりDNAの2重ラセンが緩みやすく,よってmRNAの合成が生じやすく,結果として蛋白合成,更には増殖が活発になると推定される.そこで本研究では,細胞核を定量的に変形させた後のDNA分布の変化を顕微鏡下で詳細に調べる装置を開発し,核変形によるDNA分散と細胞機能の変化との関係を調べる.遺伝子発現が細胞核内のDNAの物理的な分布の違いに影響されることが認識され始めている.例えば血管平滑筋細胞は組織内ではDNAが核膜付近に集中しているのに対し,数週間培養し増殖が盛んになるとDNAが核内に満遍なく拡がってくる.DNAが核内で満遍なく拡がることによりDNAの2重ラセンが緩みやすく,よってmRNAの合成が生じやすく,結果として蛋白合成,更には増殖が活発になると推定される.そこで本研究では,細胞核を定量的に変形させた後のDNA分布の変化を顕微鏡下で詳細に調べる装置を開発し,核変形によるDNA分散と細胞機能の変化との関係を調べる.
マウス生殖系列へのリプログラムに関わるニッチェ形成機構の解明

マウス始原生殖細胞の形成に関わるニッチェを構成する環境要因としては、BMPシグナル及びWntシグナルが考えられているが、その作用機序の詳細に関しては不明な点が多く残されている。生殖細胞の形成不全を示すDullard欠損マウス胚の解析から、BMPシグナルでなく、Wntシグナルに依存して生殖細胞の形成不全が生じることが明らかとなった。DullardによるWntシグナル活性の適正量の調節には、Dishevelled 2を介したcanonical Wntシグナルの制御機構の存在が考えられた。以上より、Wntシグナル活性の適正量の調節が、マウス生殖細胞形成に重要であることが明らかとなった。マウスの生殖細胞形成は、BMPシグナル及びWNTシグナルの2つの分泌因子により、原始外胚葉上端分にその前駆細胞が誘導され始まる。しかし、BMPシグナル及びWNTシグナルがどのように生殖細胞形成を誘導していくのか、その詳細な分子メカニズムについては、十分には明らかにされていない。我々は、Dullard遺伝子欠損胚とWnt3遺伝子の欠損胚を用いた遺伝学的解析より、原腸陥入後のマウス胚におけるWNTシグナルの適切な活性調節が始原生殖細胞形成に必須であることを明らかにした(Tanaka et al., 2013)。次いで、BMPシグナルの下流で始原生殖細胞形成に働く因子の同定を、1) BMP4欠損胚で発現が減少している、2)生殖細胞に発現している、3)そのloss-of-functionにより始原生殖細胞の形成不全をおこす遺伝子として探索した。その結果、転写因子Six1/Six4を見いだした。Six1とSix4は、その単独欠損胚では始原生殖細胞は正常に形成されるが、その2重欠損胚では、形成される生殖細胞数が約半数に減少していた。その減少は、Ifitm3陽性、及びPrdm1/Blimp1陽性の前駆細胞集団形成の段階から観察された。さらに、Six1/Six4とBMP4とのconpound mutant(トリプルへテロ)でも、形成される生殖細胞数が減少したことから、Six1/Six4は、BMPシグナルの下流で始原生殖細胞形成に働く因子として考えられた。現在、Six1/Six4の生殖細胞形成における作用機序について解析を進めている。我々は、WNT3欠損マウス胚において発現が低下する遺伝子の中で、生殖細胞形成に関わる候補因子の1つを見いだした。その候補因子である転写調節因子をコードするSall4は、生殖前駆細胞集団で欠損させると、生殖細胞/幹細胞プログラムの再活性化はおこるが、体細胞プログラムの発現が抑制されず、内胚葉へと移動できずにやがて細胞死をおこした。そのような細胞では、Hoxa1等の体細胞遺伝子の発現が脱抑制されていた。Sall4は、ヒストン脱アセチル化酵素と複合体を形成することが知られており、標的遺伝子のプロモーター領域のヒストンを脱アセチル化し、その発現を抑制していることが知られている。そこで、Hoxa1遺伝子のプロモーター領域でのヒストンのアセチル化状態を分化させたES細胞で調べた結果、Sall4欠損ES細胞では、Sall4の発現ベクターを用いてレスキューしたSall4欠損ES細胞(コントロール)に比べ、高アセチル化状態になっていた。このことから、Sall4の欠損によりヒストン脱アセチル化酵素がリクルートされずに脱抑制がおこり、結果標的遺伝子の発現が上昇すると考えられた。また、生殖細胞の内胚葉へと移動に関しては、Sall4を欠損した始原生殖細胞では、Ifitm1の抑制がおこらないため、内胚葉へと移動しないことが考えられた。マウス生殖細胞の発生において、その発生運命決定のボトルネックとなる過程は、胚の胚後端部領域での前駆細胞集団による細胞塊形成と、その集団からの生殖細胞の選択である。申請者らが作出したDullard -/-マウス胚では、Prdm1及びIfitm3陽性の生殖前駆細胞集団の細胞塊が形成されず、PGCを欠損する。この前駆細胞集団による細胞塊の形成不全は、BMPシグナル非依存的であったことから、他のシグナルカスケードがこの細胞塊形成を制御していることが考えられる。我々は、Dullard -/-マウス胚での生殖細胞の形成不全にWntシグナルが重要な役割を担っている事を見いだした。1) )Dullard -/-

マウス胚と同様にWnt3-/-マウス胚でも、Prdm1陽性の前駆細胞集団の細胞塊が形成されずPGCを欠損すること、2) DullardとWnt3のそれぞれのヘテロマウス胚(Dullard +/-; Wnt3+/-)では、形成されるPGC数が減少すること及び、3) Dullard -/-マウス胚よりWnt3 alleleを1本除くと(Dullard -/-; Wnt3+/-)、PGCが形成されるようになることを明らかにした。さらに、Dullard -/-マウス胚では、Wnt3やDkk1の発現が上昇しており、その結果、全体のcanonical Wntシグナル活性が低下していることを見いだした。一方、Dullard -/-; Wnt3+/-胚では、Wnt3の発現上昇が部分的に押さえられ、また、全体のcanonical Wntシグナル活性は部分的に回復していた。これらの結果から、Wntシグナルがこの細胞塊形成に重要な役割を担っている事が明らかとなった。マウス細胞塊形成を誘導する分子機構の解明、特にその形成に関わるシグナルカスケードの解析については、順調に進んでいる。マウス細胞塊形成を誘導する分子機構の解明については、順調に進んでいる。前駆細胞集団からの生殖細胞の選択の制御機構の解明については、レポーターマウス等のトランススジェニックマウスの作製をおこなった。しかし、得られたトランススジェニックマウスが、不妊となってしなったため、再度、コンスタント等に工夫を加えて、不妊とならないよう作製を試みる予定である。前駆細胞集団からの生殖細胞の選択の制御機構の解明については、レポーターマウス等のトランススジェニックマウスの作製をおこなったが、期待通りほどの組織特異性と強いシグナルが得られなかったので、再度、コンスタント等に工夫を加えて、作製を試みる予定である。研究計画の変更等は、特になし。
積分方程式理論に立脚した構造揺らぎの統計力学とダイナミックス

前年度までの研究では、生体内分子の溶媒和を理解する上で有用である、MC-MOZ法の高効率並列化に成功するとともに、排除体積を正しく補正することで精密な溶媒和自由エネルギーを得られる方法を提案した。今年度はこれまでに開発してきた方法(flexible-RISM)を踏まえつつ、構造揺らぎに関する研究を重点的に推進した。具体的には結合長と結合角を固定したn-アルカン(直鎖状分子)を対象として、構造分布関数を求めるための複数の方法を検討した。この系ではサイト間の距離は二面角のみの関数として表され、全ての二面角がトランス型を取る場合に末端間距離が最長となり、一次元分子内相関関数では鋭いピークとなる。一方それ以外の配座はとりうる数も増し、ピークもブロードとなる。(1)三次元空間における構造揺らぎを記述するためのモデルを検討した。1,4-間の相関関数を重ね合わせることで、近似的に直鎖状分子の相関関数を記述することを試みた。(2)系を構成する各二面角φに関する1変数の分布関数a(φ)を導入し、他の二面角については統計平均を取り、これらの積として全体の分布関数を表す。これを用いて再び平均場近似したa(φ)を求める。以下、これを自己無撞着になるまで繰り返す。(3)1変数の分布関数a(φ)を得るためにGenerating関数法を用い、これらの積として全体の分布関数を表す。(2)と同様に自己無撞着になるまでこの操作を繰り返す。(2)および(3)はペンタンに適用し、特に前者についてはモンテカルロ法と良好に一致する結果が得られた。また、これら3つのモデルの他に、flexible-RISMを無限希釈系に適用できるように拡張を行い、構造エントロピーの効果を含めた溶媒和自由エネルギーの評価を実現した。水中の直鎖ブタンの溶媒和自由エネルギーの温度変化は、既往の計算および実験値と比較しても良好な一致を示した。24年度が最終年度であるため、記入しない。生体内分子系の理解において溶媒和は重要な要素である。とりわけ溶媒和構造と溶媒和自由エネルギーは最も基本的な量であり、その高精度計算は本質的な意味を持つ。今年度は液体の積分方程式理論に基づく、これらを求める方法を確立した。具体的には以下の二つの大別される。(1)液体の積分方程式理論においてHNC近似に基づく表式では水和自由エネルギーを系統的に過大評価することがよく知られており、以前からその改善が試みられてきた。RBC(repulsive bridge correction)はその一つであるが、一般の有機溶媒など水以外の系においては適切な補正ができないことをこれまでに見いだしてきた。この原因が排除体積部分の評価に問題があることを突き止め、溶媒分子を構成する結合情報を用いることで、一意的に正しく補正する新しい手法の開発に成功した。ベンゼンやクロロホルム溶媒の場合は本法が極めて有効であり、従来補正法を大幅に改善する一方で、水については従来補正法とほぼ同等の結果を与えることがわかった。(2)最近我々が開発した三次元溶媒和構造を求めるMC-MOZ法は、3次元フーリエ変換を必要とせず、極めて並列化効率の高い方法である。しかしながら、その初期値生成の際にRISM法を用いていたため、この部分のみ並列化できておらず、全体のボトルネックになっていた。そこでこのアルゴリスズムを改善することで512 CPUまでのベンチマークに成功し、完全な並列化を達成した。四つの初期値生成法を検討したところ、簡単な分子については溶媒和構造および溶媒和自由エネルギーを与える一方で、カーボンナノチューブのように溶媒分子が複雑化してくるこうした初期値が数値的に重要であることを見いだした。

また、これら3つのモデルの他に、flexible-RISMを無限希釈系に適用できるように拡張を行い、構造エントロピーの効果を含めた溶媒和自由エネルギーの評価を実現した。水中の直鎖ブタンの溶媒和自由エネルギーの温度変化は、既往の計算および実験値と比較しても良好な一致を示した。24年度が最終年度であるため、記入しない。効率よくかつ正確に溶媒和構造と溶媒和自由エネルギーを計算することは、溶液系の理論的取り扱いにおいて、もっとも本質的で重要な要請である。これら二点に対して有用な方法論の開発に成功し、その成果は学術論文として掲載済み、もしくは投稿済みの状況になっている。こうした観点から当初の目的を十分に達成しているものと考えられる。本課題では溶媒和および構造揺らぎに関わる理論構築を目標として掲げており、前者については既に完成をみている。平成24年度は実施最終年度にあたり構造揺らぎに関する研究を重点的に、引き続き推進する。
嫌気性付着増殖型反応器における生物膜形成機構におよぼす細胞外ポリマ-の役割

本年度の研究では嫌気性微生物群の自己固定化機構を解明するため、糖系基質により培養した微生物集塊(グラニュ-ル)をUASB反応器により形成し、各種の方法により微生物集塊の破壊及び凝集実験を行った。始めに抽出方法による違いを検討するため、水蒸気抽出、水フェノ-ル抽出、NaOH抽出、EDTA抽出などを比較したところ、EDTA抽出により菌体から採取した溶液中にはカオリンを凝集させる物質が含まれることがあきらかになった。次にEDTAにより抽出された物質がカオリン以外の物質を凝集しうるかどうかについて検討したところ、分散処理された活性汚泥や嫌気性グラニュ-ルを凝集する能力はあるものの活性炭やセルロ-スなどは凝集しなかった。このような凝集現象がおこるには細菌からの抽出ポリマ-の他にカルシウムなどの多価カチオンが2mM以上必用であった。これらの現象を引き起こすポリマ-についてさらに詳しく分析するため、蛋白質分解酵素、蛋白質変性剤などを用いて抽出ポリマ-を処理したところいづれも凝集能を失った。またゲルクロマトグラフィ-による分子量分析を行ったところ分子量4×10^7程度の蛋白質がカオリンの凝集に関与することがあきらかとなった。また除蛋白質処理により糖の大半も失われることからこのポリマ-は糖蛋白の形で存在するものと考えられた。この凝集機構を説明するため、カチオンがカオリンの表面電荷を中和する形で吸着し、さらにその上に糖蛋白質が互いに蛋白をカオリンに接するようにブリッジする凝集モデルが提案された。嫌気性生物膜反応器の処理性能を適切に評価し、より信頼性、安定性のある処理技術として発展させる為には、嫌気性生物膜の付着増殖機構、すなわち自己固定化メカニズムを解明し、それに基づき生物保持能を増大させる技術を開発する必要がある。本研究の目的は、嫌気性生物膜の付着増殖機構を細胞外ボリマーの生化学的役割から解明し、あわせて生物膜の剥離におよぼす流体せん断応力の影響も定量化することである。前者の研究対象としては、スラシジブランケット型反応器で形成した嫌気性グラニュール汚泥の走査・透過電顕による形態学的構造の観察と細胞外ポリマーの生化学的特性を検討した。後者の研究対象としては、チューブラー型反応器で形成させた脱窒素細菌生物膜の付着・剥離作用に及ぼす生物膜構造(生物膜厚、膜乾燥密度、細胞外ポリマー含量等)について検討した。本研究で得られた知見は以下の通りである。(1)メタン生成グラニュール汚泥から抽出した細胞外ポリマーの構成中性糖はグルコース>ラムノース>ガラクトース>マイノース〓リボースの順であった。酸生成菌の分泌する細胞外ポリマーは細胞同志の付着・凝集作用に寄与し、特にガラクトウロニック酸を含む酸性多糖が細胞付着に大きく関与していた。(2)チューブラー反応器に付着増殖した脱窒生物膜は、生物膜の生長に伴って、膜乾燥密度は増大し、膜密度と生物膜厚との間に正の相関があった。(3)生物膜内の細胞同志の付着力に相当する生物膜の降伏値は、剥離が生じる時の流体せん断応力よりもはるかに高く、剥離現象は生物膜自体の内的因子が重要である。(4)生物膜乾燥密度が増加すると生物膜の降伏値が高くなり細胞同志の付着力は強くなる一方、生物膜が生長してゆくと気泡が増大し、付着力のない空洞部分が形成される。(5)生物膜剥離速度は、単位面積生物膜量と高い正の相関があり、細胞外ポリマー含量と負の、気泡体積率とは正の相関があった。
一般家庭における徘徊老人の外出感知および電子保護と徘徊データ収集システム

痴呆症状が重度で徘徊行動をともなう老人の介護では、不意の外出による交通事故が想定される。介護者は、徘徊者の身体の安全に常に注意しなければならない。本システムは徘徊老人の外出感知と救護ネットワークを、無線LANを用いて近隣家庭間と確立した。また、特別な受信装置を必要とせず、救護のネットワークを構築できる特徴をもつ。平成11年度は、家庭と地域を含めた保護システムの基本な部分を完成することを目標とした。携帯用送信機は受信装置を含め、一般家庭での運用と近隣地域報知を考慮したシステムに改良した。また、受信機はインターフェイス回路を付加し、パソコンとネットワークを構成できるようにした。さらに、警報報知用に携帯電話やPHSと実験し、その有効性を確認した。徘徊時刻、徘徊回数、出入口などの徘徊データ収集用ソフトウエアも開発した。平成12年度は、在宅徘徊データの収集のため公衆回線を想定し、公衆回線エミュレータで警報伝送や徘徊データ収集の実験を行った。そこでは、携帯電話やPHS等に警報を伝送できることを繰り返し実験した。家庭から電話回線を通じて送られてくる徘徊データの受信を、パーソナルコンピュータを中心として構成した。最終年度は一般家庭と近隣地域を含めた保護システムネットワークの運用を通し、信頼性や救護状況、経済性などを確認した。また、携帯用送信機にセンサーを付加して、バイタルサインデータの送信実験を実施した。今後の重点は、携帯電話のiモードを使った安価な保護ネットワークに速やかに移行することが重要であると思われる。平成11年度は、家庭と地域を含めた保護システムの基本的骨格を概略完成することを目標にした。本研究者らがすでに提案し試験運用されているシステムにもとづいて、携帯用送信機と受信装置を、一般家庭での運用と近隣地域報知を考慮したシステムに改良した。(1)老人の行動を追跡把握するために必要な携帯用送信機については、すでに本研究者らが開発した個人識別可能な携帯用送信機を用いた。また、受信機はインターフェース回路を付加してパソコンとネットワークが構成できるようにした。そのために、インターフェイス回路を各種電子部品を用いて設計し、実際に動作確認を繰り返し行った。(2)介護者に老人の外出を知らせる警報器の改良を行い、報知用にPHSや携帯電話ど汎用品を活用できるようにした。また、一般家庭での運用と近隣地域を含めた保護システム運用が可能となる様に、無線LANとの接続を可能とした。(3)徘徊老人の徘徊時刻、徘徊回数、出入口などの徘徊データを収集可能にするソフトウエアとネットワークのソフトウエアの概略を完成した。平成12年度は、在宅徘徊データの収集を可能とした。このために、実際の公衆回線を想定して回線エミュレーターを製作し、警報伝送や徘徊データ収集のための疑似システムを実験した。(1)前年度に改良したシステムを、公衆回線エミュレーターに接続し、疑似警報信号を送信し、PHSや携帯電話等に警報を伝送できることを繰り返し詳細に実験した。また、無線LANによる伝送実験も行って、近隣住民への警報報知(音響やモニター画像)が実際に可能であることを確認した。(2)実際に徘徊をモニターしたり、老人の外出の際の救護がどのように行い得るかを家庭と家庭以外の場合を想定し詳細に検討した。(3)家庭から電話回線を通じて送られてくる徘徊データが確実に、管理側(研究室)で受信できることを確認した。このため監視システムをパーソナルコンピュータを中心として構成し、これを有効に稼働するためのソフトウェアを開発した。また、受信データを後になって老人の行動やシステムの分析に役立てられるように、警報回数等を月別にグラフ化し処理した。平成13年度(最終年度)は一般家庭での運用と徘徊データの収集を行った。即ち、管理側から徘徊データの遠隔収集記録を行った。その結果、徘徊行動、心理的特性など分析のためのデータベースとして利用できるように、天候別の徘徊頻度や傾向について解析し処理をした。

(1)無線LANを利用した、一般家庭と近隣地域を含めた保護システムネットワークの運用を繰り返し行った結果、本システム取り扱い上からも十分満足な性能が確認できた。(2)本システムの一般家庭での運用において、システムの使い安さ、徘徊感知の信頼性、有効性など、実用的な検討と改良を行った。携帯用送信機を徘徊者に装着する場合、出入り口に向かって受信機を左側に設置した場合、徘徊者の左肩に装着すると送信機電波の減衰が低いことなど確認した。そこで、送信機袋を左肩に縫い付け送信機を挿入し運用した。(3)携帯用送信機に各種のセンサーを付加し実験の結果、体温と脈拍については、ほぼ測定可能であった。さらに、データの変調送信については、さらに技術的にも検討し送信できるように携帯用送信機の改良調整を必要とする。本システムの送信機を今後さらに改良し、医療の面からも心電図や脳波測定に利用できるように改良する予定である。
STAT3による細胞老化誘導とその後のクリアランス機構の解明

サイトカイン情報伝達分子gp130の下流で動くStat3の活性制御機序解明の一環として質量分析法により新規STAT3蛋白質修飾を見いだした。この部位の変異は標的遺伝子発現に影響した。詳細機序解明のため新規STAT3リン酸化状態認識抗体の作成を行い条件により使用可能な抗体が得られた。正常2倍体細胞におけるgp130-Stat3下流で機能発揮に関与する分子であるIGFBP5遺伝子の転写活性化にStat3シグナルに直接働く可能性が示唆された。gp130-Stat3下流で動く2種の新規老化関連分子を見いだし、IGFBP5以外にこれらが細胞老化誘導に働く可能性が示唆された。1STAT3の修飾と制御機序については、STAT3のセリン727のリン酸化が、これまで知られる転写活性の増強作用に加えて、核内のチロシン脱リン酸化酵素TC45を通じてリン酸化チロシン705の脱リン酸化を促進することで、STAT3活性の持続を短くするという新規役割を見いだしてきたが、更に詳細な機序を明らかにするためにSTAT3の各種の変異体を作成し、リン酸化チロシン705の脱リン酸化に寄与する新たな部位を特定した。この部位を含む合成アミノ酸並びに大腸菌発現精製蛋白を調製し表面プラズモン共鳴法での結合・解離の状況を解析する系を構築中。2STAT3と機能的に協調的に働く可能性のあるS1-1蛋白の性状解析を行った。各種の欠失型並びに部位特異的変異体を作成し、核内局在を決定する領域を解明した。S1-1内の3つの領域が協調的に働き核内局在に寄与することを明らかにした。1STAT3の修飾と制御機序については、質量分析において新規と思われる修飾部位を同定した。STAT3ノックダウン細胞において、この部位に変異を与えたSTAT3変異体が発現できるような細胞株をレンチウィルスベクターの系で樹立した。野生型STAT3復帰株に比較して、この変異体導入細胞株においては、IL-6応答性の遺伝子発現が抑制されていることがわかった。現在機序を検討中である。2STAT3の修飾と制御機序については、STAT3のセリン727のリン酸化が、核内のチロシン脱リン酸化酵素TC45を通じてリン酸化チロシン705の脱リン酸化を促進することで、STAT3活性を低下するという新規役割を見いだしてきたが、詳細な機序を明らかにするためにSTAT3の各種の変異体を作成し、脱リン酸化に寄与すると思われる部位を特定した。これまでの結果を含め、日本生化学会年回において報告を行うことができた。この部位を含む合成アミノ酸並びに大腸菌発現精製タンパクを調製し表面プラズモン共鳴法での結合・解離の状況を解析したが結合は認められなかった。他の方法によるタンパク質調整法を検討中。STAT3の蛋白質修飾と制御機序の解明を目的として、質量分析において新規の可能性がある修飾部位を同定した。ヒト肝実質細胞株においてSTAT3をノックダウンした細胞株において、ノックダウン効果に影響されずかつ修飾部位に変異を与えたSTAT3変異体発現できるような細胞株をレンチウィルスベクターの系で樹立した。野生型STAT3復帰株に比較して、変異体導入細胞株においては、IL-6応答性の遺伝子発現が抑制されていることがわかった。しかしながら、活性型STAT3に新規修飾部位に変異を与えた場合は、抑制効果が認められなかった。現在、更なる変異体を用いた詳細な機序の解析を行っている。STAT3の活性化に関わると考えられる新規の修飾部位をみつけ、新しい活性制御機序の解明につながると思われる点で,今後の発展が期待される。修飾の変化を質量分析法により定量的に把握することは現在までに困難と考えられ、新たな検出系の樹立が必要とされている。前項1おいて述べたようにSTAT3の活性化に関わる新規の修飾部位を見出し、新しい活性制御機序の解明につながると思われ、今後の発展が期待された。2において、途中経過を学会発表により報告することができたものの、論文化には更なる実験結果の蓄積を必要としている。STAT3の活性化に関わると考えられる新規の修飾部位の検出系を樹立し、活性における役割を明かにしていく。分子細胞生物学STAT3の活性化には複数の修飾が関与し、それらが連動することにより活性のON/OFFが制御されていると考えられ、今後、抗体を作成し、修飾部位の役割の連動性を明らかにするとともに、更に新たな修飾部位の解明、修飾に関わる分子の同定と機序の解明並びに表現型における位置づけを明らかにしていく。STAT3の修飾・活性制御に関わる分子のうちリン酸化チロシン705の脱リン酸化に関わる新たな分子機序が明らかになりつつある。協調的に働く可能性のある分子も明らかになりつつある。

次年度繰越金が生じたが、スタート時から進展があった一部のプロジェクトに今期は重点をおいたため、関連経費が予定よりも低く抑えられたため発生した。次年度繰越金が生じたが、スタート時から進展があった一部のプロジェクトに今期は重点をおいたため、質量分析並びに細胞培養関連試薬経費が予定よりも低く抑えられたため発生した。次年度の方針として、細胞培養関連試薬を使用した研究を予定しておりその経費として充当したい。複数の修飾が関与すると考えられ、今後更に新たな修飾部位を明らかにするとともに、修飾に関わる分子の同定と機序の解明並びに表現型における位置づけを明らかにしていく。次年度の推進方策として、抗体作成並びに細胞培養関連試薬を使用した研究を予定しておりその経費として充当したい。次年度の推進方策として、質量分析並びに細胞培養関連試薬を使用した研究を予定しておりその経費として使用したい。
芳香族塩素化合物異性体の分離

ポリクロロビフェニル(PCB:209種)、ポリクロロジベンゾダイオキシン(75種)、およびポリクロロジベンゾフラン(135種)など、環境科学において重要な芳香族塩素化合物には多数の同族体が存在し、その中の特定の同族体が非常に大きな毒性と変異原性をもつので、これら芳香族塩素化合物の生物学的効果や環境動態などを研究するためには正確な分離、分析手段が不可欠である。本共同研究においては、液体クロマトグラフィ-法および動電クロマトグラフィ-法によるPCBおよびダイオキシン類の同族体および異性体の分離を検討した。目的としたクロマトグラフィ-分離には二つの側面があり、一つは標準品の供給のための合成混合物からの各同族体の分取精製であり、他の一つは環境試料や生物体試料のマススペクトル分析の前段階となる芳香族塩素化合物同族体および異性体の一斉分離である。第一に、従来困難であった芳香族塩素化合物の高速液体クロマトグラフィ-分離のために、2ー(1ーピレニル)エチルシリル化シリカゲルおよびニトロフェニルエチル化シリカゲル固定相を開発し、最強の毒物といわれる2,3,7,8ー置換体を含む22種のテトラクロロジベンゾダイオキシン異性体の分離に適用して、すべての異性体の相互分離に成功した。これによりすべてのテトラクロロジベンゾダイオキシン異性体をミリグラムスケ-ルで分取精製することができ、標準品の供給を可能とした。また、これまでの充填剤が溶質の疎水性を識別して分離を行うのに対して、これらの芳香族結合型シリカゲル充填剤は溶質分子の立体的構造の差および電子密度の偏りを識別して高い分離能力をもたらし、ダイオキシンの分離定量を妨害し、それ自身環境科学で問題とされるポリクロロジベンゾチオフエン、あるいはPCB、クロロピレン等の同族体の単離精製とともに、多数の構造類似有機化合物、異性体の高速分離を可能とした。第二の目的についても、これら芳香族結合型充填剤とアルキル基結合型充填剤とを組み合わせることにより、高速液体クロマトグラフィ-によるPCBやダイオキシン同族体および異性体の一斉分離の可能性を示すことができた。また従来のガスクロマトグラフィ-あるいは液体クロマトグラフィ-法にかわる超精密分離法として、高性能キャピラリ-電気泳動法の芳香族塩素化合物同族体分離への適用を試みた、これまで電気泳動による分離法は、電荷を持たない化合物には適用できないと考えられてきたが、シリカキャピラリ-中に無機電解質を含むミセル水溶液を充填し、水溶性をもつ有機化合物のミセルー水間の分配と、電場の下でのミセルの電気泳動ならびにシリカの表面電荷による電気浸透流とを組み合せて分離を行う動電クロマトグラフィ-は、電荷をもたない化合物についての電気泳動に基づく高性能分離を可能とした。芳香族塩素化合物については、PCBやダイオキシンなど非水溶性化合物の分離を可能とするために、芳香族化合物を選択的に取り込むことのできるシクロデキストリンを水溶性キャリア-としてミセル系に共存させ、ミセル中とキャリア-水溶液中との間の溶質の分配の差を分離に利用した。この新しい動電クロマトグラフィ-法は、マススペクトル分析に必要とされる同一置換度のPCB、ダイオキシンの分離において、現在最も分離能力が高いと考えられているキャピラリ-ガスクロマトグラフィ-によっても分離されない異性体について高い分離性能を示し、これまで困難とされてきた異性体間の分離を短時間で可能とした。以上のように本研究は、環境動態の把握、生物学的効果の検討の前提となる芳香族塩素化合物同族体の分離について、現在のガスクロマトグラフィ-法以外に液体クロマトグラフィ-ならびに動電クロマトグラフィ-がきわめて有効であり、これまで困難であった芳香族塩素化合物異性体の標準品の供給および同族体の一斉分離の可能性と同時に、これらのクロマトグラフィ-法とマススペクトル分析法との結合が、将来重要な課題となることを示した。

また、これまでの充填剤が溶質の疎水性を識別して分離を行うのに対して、これらの芳香族結合型シリカゲル充填剤は溶質分子の立体的構造の差および電子密度の偏りを識別して高い分離能力をもたらし、ダイオキシンの分離定量を妨害し、それ自身環境科学で問題とされるポリクロロジベンゾチオフエン、あるいはPCB、クロロピレン等の同族体の単離精製とともに、多数の構造類似有機化合物、異性体の高速分離を可能とした。第二の目的についても、これら芳香族結合型充填剤とアルキル基結合型充填剤とを組み合わせることにより、高速液体クロマトグラフィ-によるPCBやダイオキシン同族体および異性体の一斉分離の可能性を示すことができた。また従来のガスクロマトグラフィ-あるいは液体クロマトグラフィ-法にかわる超精密分離法として、高性能キャピラリ-電気泳動法の芳香族塩素化合物同族体分離への適用を試みた、これまで電気泳動による分離法は、電荷を持たない化合物には適用できないと考えられてきたが、シリカキャピラリ-中に無機電解質を含むミセル水溶液を充填し、水溶性をもつ有機化合物のミセルー水間の分配と、電場の下でのミセルの電気泳動ならびにシリカの表面電荷による電気浸透流とを組み合せて分離を行う動電クロマトグラフィ-は、電荷をもたない化合物についての電気泳動に基づく高性能分離を可能とした。芳香族塩素化合物については、PCBやダイオキシンなど非水溶性化合物の分離を可能とするために、芳香族化合物を選択的に取り込むことのできるシクロデキストリンを水溶性キャリア-としてミセル系に共存させ、ミセル中とキャリア-水溶液中との間の溶質の分配の差を分離に利用した。この新しい動電クロマトグラフィ-法は、マススペクトル分析に必要とされる同一置換度のPCB、ダイオキシンの分離において、現在最も分離能力が高いと考えられているキャピラリ-ガスクロマトグラフィ-によっても分離されない異性体について高い分離性能を示し、これまで困難とされてきた異性体間の分離を短時間で可能とした。以上のように本研究は、環境動態の把握、生物学的効果の検討の前提となる芳香族塩素化合物同族体の分離について、現在のガスクロマトグラフィ-法以外に液体クロマトグラフィ-ならびに動電クロマトグラフィ-がきわめて有効であり、これまで困難であった芳香族塩素化合物異性体の標準品の供給および同族体の一斉分離の可能性と同時に、これらのクロマトグラフィ-法とマススペクトル分析法との結合が、将来重要な課題となることを示した。
圧電場を用いたニアフィールド顕微鏡(複素誘電率顕微鏡)の研究

本研究は,圧電効果によって生じる圧電場を利用し,圧電結晶表面近傍の媒質を調べる顕微鏡の開発である.具体的には,弾性表面波(以下SH-SAW)伝搬に伴って発生する圧電ポテンシャルをプローブとし,伝搬面表面と接する媒質(特に液体)の情報を検出すること目的としている.液体中に含まれる情報を検出する手法として,自己較正型レシオメトリック法を考案した.これは,1つの過渡応答波形の立上り・立下り間の時間差を2つ取り出し,その比をとる方法である.この結果,実験環境に依存した情報を低減することができ,液体の情報のみを効果的に摘出することが可能となった.次に,システムの大幅な改良を行った.従来では1回の測定に50分かかる.そこで,複素誘電率に対して高感度な30MHZのSH-SAWセンサを利用し,流量を変えて測定した.また,フローセルの配置についても検討した.その結果,従来とは逆さまにした配置により,溶液内に含まれるイオンの情報が波形に表れることが分かった.例えば,市販のミネラルウォータの場合,ボトルの上側には1価のイオンが,また底部には2価のイオン多くあり,ボトル内で均一に分散していないことが判明した.このような現象は,センサ表面に局在したエバネッセント場である圧電場を用いることによりはじめて観測された.以上のように,本研究により,圧電場を用いたニアフィールド顕微鏡の有効性が確認された.今後は,本システムの実用化を目指した研究を行う.本研究は,圧電効果によって生じる圧電場を利用し,圧電結晶表面近傍の媒質を調べる顕微鏡の開発である.具体的には,弾性表面波(以下SH-SAW)伝搬に伴って発生する圧電ポテンシャルをプローブとし,伝搬面表面と接する媒質(特に液体)の情報を検出すること目的としている.本年度は,ベクトル電圧計を購入し計測を行う計画であった.しかし,予算的に購入が困難であったため,ディジタルオシロスコープを購入し,計測系の自作を試みた.また,SH-SAWセンサを液体フロー系に接続し,波形応答波形から液体中に含まれるイオン種の推定を試みた.なお,推定には人工ニューラルネットワーク(ANN)を利用した.SAW発振器を信号源(Asinωt)とする.この信号がセンサ部で変化し,Bsin(ωt-α)になったとする.Bとαを検出する方法として,センサ出力に入力信号および位相を90度ずらした信号(Asinωt,Acosωt)を掛ける.ローパスフィルタを利用することにより,0.5ABcos(α)と0.5ABsin(α)が得られる.これらはDC成分なので,AD変換により容易にPCに取りこむことが可能である.位相が90度正確にずれた信号を生成する回路(50MHz帯用)を設計・製作を行っている.液体フロー系の過渡応答波形からイオン種を推定するため,これまではパターンマッチングを行ってきた.しかし,アルゴリズムが複雑となり自動化に適さない.そこで,ANNを利用した.また,過渡応答波形の立上りと立下り間の時間差を利用することにより,流路長など測定系に依存せずに識別可能となった.センサ表面は平坦な方が好ましい.これは本研究にも当てはまる.もし表面が凹凸ならばどうなるのだろうか.表面に溝を設けたセンサで液体を計測した.その結果,圧電場とともに伝搬するひずみの摂動により,密度と粘度の分離検出が可能であることが判明した.これは新しい物理現象として,物性検出に利用できる.本研究は,圧電効果によって生じる圧電場を利用し,圧電結晶表面近傍の媒質を調べる顕微鏡の開発である.具体的には,弾性表面波(以下SH-SAW)伝搬に伴って発生する圧電ポテンシャルをプローブとし,伝搬面表面と接する媒質(特に液体)の情報を検出すること目的としている.液体中に含まれる情報を検出する手法として,自己較正型レシオメトリック法を考案した.これは,1つの過渡応答波形の立上り・立下り間の時間差を2つ取り出し,その比をとる方法である.この結果,実験環境に依存した情報を低減することができ,液体の情報のみを効果的に摘出することが可能となった.次に,システムの大幅な改良を行った.従来では1回の測定に50分かかる.そこで,複素誘電率に対して高感度な30MHZのSH-SAWセンサを利用し,流量を変えて測定した.また,フローセルの配置についても検討した.その結果,従来とは逆さまにした配置により,溶液内に含まれるイオンの情報が波形に表れることが分かった.例えば,市販のミネラルウォータの場合,ボトルの上側には1価のイオンが,また底部には2価のイオン多くあり,ボトル内で均一に分散していないことが判明した.このような現象は,センサ表面に局在したエバネッセント場である圧電場を用いることによりはじめて観測された.以上のように,本研究により,圧電場を用いたニアフィールド顕微鏡の有効性が確認された.今後は,本システムの実用化を目指した研究を行う.