hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
遷移金属錯体の化学反応ダイナミクス:手法の開発と動的挙動の解明

本研究課題は、遷移金属錯体の関与する化学反応の動的挙動を理論的に解明することを目的としており、本年度においては遷移金属錯体の関与する、理論的にも応用化学的にも興味深い化学反応の本質的な理解を与えること目標とした。まず、励起状態が関与する化学反応の例として、ルテニウムポルフィリンによるオレフィンの光誘起エポキシ化反応に対する理論的な研究を行った。本反応は、高い位置選択性を示す反応であり、合成化学的にも重要な反応であるが、その反応メカニズムは不明であった。本研究では、密度汎関数法(DFT)と多配置性を考慮した方法であるCASSCF法とを併用することにより、信頼性の高い量子化学計算を実現し、その計算結果に基づいて適切な化学反応メカニズムを示すことができた。さらに、高周期典型元素化合物として注目を集めている、ジホスフェンおよびその金属錯体の結合性や異性化反応に関する理論的研究を行った。近年、嵩高い置換基を用いることによってトランス体からシス体への異性化反応が進行することが報告された。本研究においてはこれらの反応系を理論計算により検討し、錯体への配位エネルギーの差異がシス・トランス異性体により大きく異なることが明らかとなった。その結果、ジホスフェン-金属錯体の相互作用を適切に評価することが異性化反応のダイナミクスを理解する上で本質的に重要であることが示された。また、現実系の化学反応を定量的に検討する新規手法として、溶液中における自由エネルギーを適切に評価する、溶質-溶媒間相互作用を考慮した回転のエントロピー評価法を考案した。これらの成果により、遷移金属原子を適切に取り扱う理論的手法が化学反応の記述にとって不可欠であることが示された。この成果は化学反応の動的挙動を理解するための基礎を与えるものであり、本研究課題の目的は本年度における成果により達成されたものと考えることができる。本研究課題の目的は、遷移金属錯体を含む化学反応の動的挙動を理論・計算化学を用いたアプローチにより解明することである。本年度においては、反応速度及び動的挙動の観点から興味深い反応であるイリジウム錯体とオスミウム錯体による酸素原子移動反応を対象とし、理論化学によるアプローチに基づく検討を行った。その結果、両錯体の反応速度の差異は分子の構造変化と電荷移動の双方が重要な役割を果たしていることが解明された。また、上記の反応においては溶液中の並進エントロピーを補正することにより高精度な自由エネルギーを算出することに成功したが、信頼できる自由エネルギーの評価のためには回転の相互作用も考慮する必要がある。このような回転を考慮したエントロピー補正の手法も現在開発中である。さらに、化学反応のみならず発光現象の動的挙動の解明も本研究課題の興味深い研究対象である。本年度においては、銅・ハロゲンを含む錯体の発光過程を対象とし、CASSCF法などの多参照波動関数を用いた計算手法により励起状態の検討を行った。その結果、主に銅からの電荷移動励起状態が発光を導くことが明らかとなった。また、上記の研究に加えて、有機・合成化学的に興味深い反応である、パラジウム錯体によるアリールのクロスカップリング反応に対する理論的研究も行った。その結果、反応系中におけるベンゾキノンの有無により反応メカニズムが大きく変化することが解明された。以上のように、本年度では具体的な反応系を対象とし、理論・計算化学的なアプローチによりその反応メカニズムを解明した。次年度においては、本年度の計算結果に基づいた動的挙動の解明、自由エネルギー計算手法の発展などが課題である。
絨毛腫瘍の発生病理と増殖因子及び受容体の関係

胞状奇胎、絨毛癌で代表される絨毛性腫瘍の発生病理を個体特異的なDNA多型性であるミニサテライトDNAプロ-ブ33.15を用いたDNA指紋解析によって分子レベルで検討を試みた。胞状奇胎はDNA指紋解析ではすべての多型性をしめすバンドは父親型のDNA多型性のバンドに一致しており、胞状奇胎は雄核発生であることを分子レベルで証明した。(placenta1989,10,pp309)。更にこのDNA指紋解析によって従来臨床的に鑑別が困難である胞状奇胎と胎盤の水腫様変性を明確に鑑別することが可能であることを見いだし、科学誌「Am Jobstet Gynecol」に発表した(1990 163,pp634)。また胞状奇胎の核以外の細胞質は卵細胞由来であるとされるが、我々は核外でDNAをもつミトコンドリアに着目し、このミトコンドリアDNAをpolymerase Chain reaction法で増幅し、RFLP解析することで胞状奇胎の核外成分は雌性発生であることを証明した(Gynecol Oncol 1991,40,pp29)。絨毛癌の発生は先行胞状奇胎と疫学的に強い相関を示すが、その発生病理は未だ明確ではなく、我々はDNA指紋解析をこの発生病理に応用した。その結果、絨毛癌は先行妊娠の胞状奇胎より発生する雄核発生のものと、患者のdiploidの卵細胞より発生すると考えられる2種類のものが存在することを証明し得た。本研究の要旨は科学誌「Cancer Research」に発表した(1990,50,pp488)。絨毛性腫瘍の増殖を促進する因子を解明する目的でマウスにおいて絨毛細胞の刺激因子とされるcolonyーstimulating factor 1(CSFー1)に着目し、ヒト胎盤でのmacrophagecolonyーstimulatingfactor(MCSF)及びそのレセプタ-であるプロトオンコジ-ンcーfmsの発現をNorthern blot hybridization法で検討した。妊娠7週の胎盤においてすでにMCS、cーfmsの発現が認められ、週数をおって発現量が増加することを認めた。またホルモンで刺激した子宮内膜および脱落膜においても両者の発現を認め、MCSFが絨毛細胞の増殖因子である可能性を報告した(Am J Reprod Immunol 1990,24,pp99)。胞状奇胎7例、絨毛癌3例の腫瘍組織、患者、患者の夫の末梢血由来単核球より高分子DNAを抽出した。抽出DNAを制限酵素HinFIで切断後、1%のアガロ-スゲルに電気作動した。ミニサテライトDNAプロ-ブ33.15を用いて、サザンブロントハイブリダイゼ-ションを行い、-80°Cで約48hrオ-トラジオグラフィ-を行い、腫瘍組織、患者、患者の夫の間でDNA指紋を比較した。その結果以下のことが明らかとなった。1)胞状奇胎のDNA指紋を構成する総てのハンドは夫由来であり、更に夫のハンドのいくつかのものは胞状奇胎において認められなかった。これは胞状奇胎の発生病理が脱核した卵と正常精子の受精による「雄核発生」を分子レベルで証明するものである。

2)3例の絨毛癌のDNA指紋のうち1例は胞状奇胎と同様に総てのバンドは夫より由来していたが、2例は総てのバンドは患者のものと一致した。これは絨毛癌の発生病理が胞状奇胎と同じものと、患者の胚細胞由来の2種類存在する事を示すものである。妊娠各期の絨毛細胞、子宮内膜、子宮筋、胞状奇胎組織、絨毛癌組織よりpoly(A)_+RNAを抽出、MCSF、c-fmsのcDNAをプロ-ブに用いてノ-ザ-ブロッティングにより、MCSFとc-fmsの発現の解析を進めている。現在、絨毛細胞、妊娠中の子宮内膜、絨毛癌細胞にMCSF、c-fmsのmRNAが発現し、その発現がプロゲステロン、エストロゲンによりコントロ-ルされている事を確認している。現在更にその他の成長因子、それらの受容体の発現について研究を進めている。昨年の報告において、ミニサテライトDNAプロ-ブ33.15を用いたDNA指紋解析によって胞状奇胎の雄核発生を分子レベルで証明したことを報告した(placenta 1989,10,pp309)。本年度はこの研究を更に発展させ、このDNA指紋解析によって従来臨床的に鑑別が困難である胞状奇胎と胎盤の水腫様変性を明確に鑑別することが可能であることを見いだし、科学誌「Am J Obstet Gynecol」に発表した(1990 163,pp634)。また胞状奇胎の核以外の細胞質は卵細胞由来であるとされるが、我々はミトコンドリアに着目し、このミトコンドリアDNAをpolymerase chain reaction法で増幅し、RFLP解析することで胞状奇胎の核外成分は雌性発生であることを証明した(Gynecol Oncol 1991,40,pp29)。絨毛癌の発生は先行胞状奇胎と疫学的に強い相関を示すが、その発生病理は未だ明確ではなく、我々はDNA指紋解析をこの発生病理に応用した。その結果、絨毛癌は先行妊娠の胞状奇胎より発生する雄核発生のものと、患者のdiploidの卵細胞より発生すると考えられる2種類のものが存在することを証明し得た。本研究の要旨は科学誌「Cancer Research」に発表した(1990,50,pp488)。絨毛性腫瘍の増殖を促進する因子を解明する目的でマウスにおいて絨毛細胞の刺激因子とされるcolonyーstimulating factor 1 (CSFー1)に着目し、ヒト胎盤でのmacrophagecolonyーstimulatingfactor (MCSF)及びそのレセプタ-であるプロトオンコジ-ンcーfmsの発現をNorthern blot hybridization法で検討した。妊娠7週の胎盤においてすでにMCSF、cーfmsの発現が認められ、週数をおって発現量が増加することを認めた。またホルモンで刺激した子宮内膜および脱落膜においても両者の発現を認め、MCSFが絨毛細胞の増殖因子である可能性を報告した(Am J Reprod Immunol 1990,24,pp99)。
高等真核生物におけるフレームシフトミューテーター遺伝子の同定

(1)ヒト及びマウスのcDNAライブラリーからDinBと相同性を持つ蛋白をコードする可能性の高いESTの配列を見い出し、その配列を基にして、PCRプライマーを合成し5'-及び3'-RACE法によって全長の長さを持つものを分離した。ヒト及びマウスのDinBホモログはそれぞれ870個、852個のアミノ酸をコードすることが明らかになった。(2)Northern blotting及びRT-PCRを用いてこれらの遺伝子がどの臓器によって発現されているかを調べたところ、ヒト及びマウスの両方ともに精巣において最も強く発現されていた。(3)マウスのcDNAをCMVプロモーターの下流につないだ後にマウス培養細胞(m5S)にトランスフェクトして過剰発現させ、hprt遺伝子内に生じた突然変異によって起こる6-thioguanine耐性変異の発生頻度を調べたところ、再現性良く約10倍程度の上昇が認められた。(4)RT-PCRによって変異の生じたhprt-mRNAを増幅してそれらの塩基配列を決定した。解析した18個の変異はいずれも異なる位置に変異が生じたものであることが明らかになった。そのうちの15個の変異は点突然変異であり、5個はフレーシフト変異そして残りの10個は一塩基置換変異であった。
視細胞・嗅細胞の環状ヌクレオチド感受性イオンチャンネルと情報伝達機構

脊椎動物の視細胞と嗅細胞は、シリア(せん毛)構造を有する。また、一般にシリア構造部分に環状ヌクレオチド合成酵素が局在する。これらから視細胞などに環状ヌクレオチドが関与する共通な機構の存在を我々は予想した(蛋白質核酸酵素1984年)。この予想は両細胞に於て環状ヌクレオチドがイオンチャンネルを開閉する事で情報伝達が行われる事の解明によって的中した。視細胞のcGMP依存イオンチャンネル我々が発見した分子量250KのcGMP結合蛋白質について、前年度の成果をもとに、この蛋白質を純品まで精製すべく、等電点電気泳動法の微量用装置を自作した。等電点分画まで進展したが、純化には至らなかった。嗅上皮シリアのcAMP依存イオンチャンネルの解析食用がエルを用いて以下の進展を得た。(1)前年度確立したCaイオンショック法と庶糖密度勾配遠心法で精製した嗅上皮繊毛から45%庶糖と界面活性剤CHAPSにより膜蛋白質を可溶化した。可溶化後リポリームに組み込み、封入したCaイオンのcAMPによる流出をArsenazoIIIにより検出できた。この様にして測定したイオンチャンネル活性はcAMP、cGMPいずれでも100μM1mM付近にわたって開かれる事が判った。(2)イオンチャンネル蛋白質を精製すべく、cAMPアガロースによるアフィニティクロマトグラフィを行い、すでに我々が報告した分子量約35KのcAMP結合蛋白質を中心に数種の特異的な蛋白質を検出した。考察嗅上皮繊毛膜蛋白質をリポリームに組み込みイオンチャンネル活性を検出した例は本研究が初めてである。蛋白質の精製とcDNAを用いた一次構造の決定が今後の課題である。視細胞と嗅細胞の類似性を考えると、その進化的背景は興味深い。このシステムを用いてイオンチャンネル蛋白質の分子レベルでの進化的解析が可能である。脊椎動物の視細胞と嗅細胞は、シリア(せん毛)構造を有する事、他の細胞でシリア構造部分には環状ヌクレオチド合成酵素が局在する事、これらの事から視細胞と嗅細胞には環状ヌクレオチドが関与する共通な機構の存在を我々は予想した(蛋白質核酸酵素19年)。この予想は両細胞に於いて環境ヌクレオチドがイオンチャンネルを開閉する事で情報伝達が行なわれる事の解明によって的中した。視細胞のcGPM依存イオンチャンネル我々が発見した分子量250KのcGMP結合蛋白質に焦点をしぼり、(1)CHAPSによる可溶化、庶糖密度勾配遠心、cAMPアガロース、によって純度約50%まで精製した。(2)250K蛋白質画分をリポソームに組込み、チャンネル活性を検出した(生物物理、28、S209、1988)。(3)アミノ末端からのアミノ酸配列をエドマン分解法で解析した。Mat-Ser-Phe-Gly-Ala-LysーVal-?-Leu-Leu......。嗅細胞シリアのcAMP依存イオンチャンネルの解析食用ガエルを材料として以下の進展を得た。(1)カエル嗅上皮からのCaCl_2ショック法によってシリアを分離した。ほぼ100%脱離する事を走査電顕で確認した。分離したシリアを20%、40%、60%の段階的庶糖勾配遠心法にかけ、40%と60%の界面に純度の良いシリアを回収した。(2)部分精製したシリアを超音波破砕し、膜蛋白質画分からCHAPSで可溶化した蛋白質をcAMPアガロースにかけた。

吸着した蛋白質をEDTAやKClで脱着し、分子量3040Kの蛋白質を得た。これは、我々がすでに報告した分子量35KのcAMP結合蛋白質と考えられる。なお、SDS PAGE後の銀染色法による微量蛋白質の解析の際、DTTによるアーティファクトバンドはDTTを予め活性炭処理する事により除去できた。考察視細胞、嗅細胞の構造上の類似性を考えると、その進化的背景は興味深い。両細胞のイオンチャンネル蛋白質の構造上の共通性をその塩基配列から解析するために、チャンネル蛋白質の同定とそのmRNAやcDNAの調整が今後の課題である。
新高分子材料の電子線照射効果と電気伝導機構

試料として、25,50,75MGyおよび100MGy照射したポリエーテルエーテルケトン(PEEK)とポリイミド(PI)を用いた。伝導電流は印加電界を0.2MV/cm一定にし、PEEKの場合260°Cまで、PIの場合500°Cまで測定した。PEEKの場合、照射試料の伝導電流は200210°Cの間で小さなピークを示し、PEA法では測定できない密度の空間電荷が形成された。さらに、照射による架橋効果によって伝導電流は小さくなり、ホッピング距離も短くなった。一方、PIの場合、照射試料の伝導電流は250°C付近から急増するが、空間電荷の形成は認められなかった。次に、ポーリング電圧(V_p)を、0.5、1.0、1.5kV、ポーリング温度(T_p)を100、140、180°Cに変化させたときの照射PEEKの熱刺激電流(TSC)のピーク温度は、線量が増加するにつれて高温側へ移行するが、V_pによって変化せず一定となった。活性化エネルギーは、照射線量が多くなるにつれて小さくなった。また分極電荷量(Q_<TSC>)は、T_pが180°Cの場合50MGy照射試料が最大となり、それより線量が多くなると徐々に減少した。XPS装置を用いて結合エネルギーを測定し、それらのケミカルシフトを解析した結果、線量が多いほど、C-OおよびC=Oの強度は増加し、C-Cの強度は減少した。これらの結果から、照射によって架橋が起こる一方、崩壊反応も同時に起こり、双極子量が増加することを明らかにした。さらに、構造変化と直流バイアス電圧(V_b)印加による空間電荷形成との関係をPEA法により調べた。V_bを印加することによって、電極から電荷が注入されてホモ空間電荷が形成されるが、線量の増加とともに空間電荷が形成されにくくなった。また、PIに比較してPEEK中の空間電荷が消滅しやすいことも明らかになった。平成10年度の研究成果を実施項目1、2に分けて示す。1パルス静電応力(PEA)法による空間電荷測定の装置製作についてこの装置は、測定器本体、デジタルオシロスコープ(HP-5482OA)、パルスジェネレータ(パルス幅5ns、周波数400Hz)、コンピュータ(FMV-5200T4)から構成され、測定器本体中に、厚さ10μmのLiNbO_3センサーと40dBの増幅器をセットした。この装置の測定位置分解能は10μmであり、また試料と電極の密着度を向上させるため、上部電極には半導電層材料を用いた。本装置の動作確認をすでに終了し、現在実際の試料を用いて一部実験を行っている。2熱刺激電流(TSC)に及ぼす電子線照射効果と物性評価について日本原子力研究所高崎研究所の2号電子加速器を使用し、PEEKへの電子線照射を空気中で行った。線量は、50、75MGyおよび100MGyとし、照射後バイアス温度(T_b)を100、140°Cおよび180°C、バイアス時間を1hr、そしてバイアス電圧を1.0kVと設定し、昇温速度を1°C/minとしてTSCを測定した。初めに、電界10kV/mmを3hrs印加後、電界を零にしてPEA法により未照射PEEKの空間電荷分布を測定した結果、この条件では空間電荷がほとんど現れないことが明らかになった。

次に、TSCを測定した結果、それぞれのT_bあてTSCスペクトルが現れ、そのピーク温度は線量が多いほど高温側へ移行し、そのピーク値は未照射より50MGyの方が大きく、線量が50MGyより大きくなるとピーク値は小さくなった。XPS装置を用いて光電子スペクトルを測定し、それらのケミカルシフトを解析した結果、線量が多いほどC-0およびC=0の強度は増加し、C-Cの強度は減少することがわかった。これらの結合基について試料表面から厚さ方向へ分析した結果、上述した傾向は厚さを変化させても変わらなかった。また、それぞれの強度はいずれの試科も表面に近づくにつれて多少増加する傾向になった。平成11年度の研究成果を実施項目1、2に分けて示す。1伝導電流と空間電荷挙動の関係昨年度完成させたPEA装置を用いて、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)とポリイミド(PI)へ電子線を照射した後の空間電荷密度を測定した。線量として、25、50、75MGyおよび100MGyの4種類を用いた。照射後の空間電荷密度は、試料の種類および線量にかかわらず観測されなかった。次に、PEEKとPIの伝導電流の温度特性について検討した。印加電界を0.2MV/cm一定にし、測定温度はPEEKの場合260°Cまで、PIの場合500°Cまでとした。PEEKの場合、照射試料の伝導電流は200210°Cの間で小さなピークを示し、PEA法では測定できない密度の空間電荷が形成された。また、この試料について再度温度特性を測定した結果、ピークは消失した。一方、PIの場合、照射試料の伝導電流は250°C付近から急増するが、空間電荷の形成は認められなかった。2構造変化と空間電荷の相関ポーリング電圧(V_p)を0.5、1.0、1.5kV、ポーリング温度(T_p)を100、140、180°Cに変化させた時の照射PEEKの熱刺激電流(TSC)特性について検討した。TSCのピーク温度は線量が増加するにつれて高温側へ移行するが、V_pによって変化せず一定となった。分極電荷量(Q_<TBC>)は、T_pが180°Cの場合を除いて線量とともに増加し、またQ_<TSC>はV_pの増加とともに大きくなった。さらに、構造変化と直流バイアス電圧(V_b)印加による空間電荷形成との関係をPEA法により調べた。V_bを印可することによって、電極から電荷が注入されてホモ空間電荷が形成されるが、線量の増加とともに空間電荷が形成されにくくなった。また、PIに比較してPEEK中の空間電荷が消滅し易いことも明らかになった。
気体軸受によるヘリウム膨張タ-ピンの振動制御システムの試作開発

本研究は3パッド・ラジアル型気体軸受のパッドの位置と回転を能動制御して知的化することにより、ヘリウム冷凍液化機用膨張機に用いることができる軸受を開発することを目的とした。本研究組織が開発したラジアルタービン型ヘリウム膨張機の試作機を改良して、パッドの位置と回転を能動的に制御できるようにした。即ち本研究代表者が研究して来た圧電アクチュエータを用いてパッドの位置と角度を変える装置を作成し、気体軸受に取り付け、能動制御を行った。これにより回転軸の振動を抑えることができ、信頼性を高めることができた。次いで回転軸の弾性モードによる振動を理論解析し、230,000rpm以上で発生する不安定振動現象を明らかにすると共にパッドの位置と回転を能動制御することにより、300,000rpmまで回転できるようにして、高性能化した。以上の研究成果をもとに信頼性・超高速・小型気体軸受の実用化を目指して信頼性と耐久性および超高速性能の確認試験を行い、経済的な設計基準を完成させた。制御可能な気体軸受を試作し、試作済みの膨張機に能動空地軸受を組み込み回転振動実験を試み成功した。シミュレーション結果と比較し、結果の妥当性を確認した。そこで弾性ロータに対しても可能なシミュレーションプログラムを開発した。(1)ヘリウム冷凍液化機用膨張機には一般に混流式ラジアルタービンが使用され、通常150,000rpm以上の高速回転で、しかも作動温度が80K以下の極低温で運転される。従って、油膜軸受の使用は困難であり、作動媒体自身による気体軸受の使用が不可欠である。しかし、現在開発しつつある動圧ヘリウム気体軸受では、約10,000と20,000rpmにある回転軸の1次と2次剛体モードの固有振動数との共振振幅を十分に抑制できない。振幅を小さくするには、気体軸受の剛性と粘性が増すため能動的に制御する必要がある。(2)本研究は、3パッド・ラジアル動圧気体軸受のパッドの位置と回転を能動制御して知的化することにより、ヘリウム冷凍液化機用膨張機に用いることができる軸受を開発することを目的とする。(3)圧電アクチュエータを用いてパッドの位置と角度を変える装置を作製し、気体軸受に取り付け、能動制御を行う。これにより回転軸の振動を抑えることができ、信頼性を高めることができる。次いで回転軸の弾性モードによる振動を理論解析し、230,000rpm以上で発生する不安定振動現象を明らかにすると共にパッドの位置と回転を能動制御することにより、300,000rpmまで回転できるようにして高性能化する。本研究は3パッド・ラジアル型気体軸受のパッドの位置と回転を能動制御して知的化することにより、ヘリウム冷凍液化機用膨張機に用いることができる軸受を開発することを目的とする。本研究組織が開発したラジアルタービン型ヘリウム膨張機の試作機を改良して、パッドの位置と回転を能動的に制御できるようにする。すなわち本研究代表者が研究してきた圧電アクチュエータを用いてパッドの位置と角度を変える装置を作製し、気体軸受に取り付け、能動制御を行う。次いで回転軸の弾性モードによる振動を理論解析し、230,000rpm以上で発生する不安定振動現象を明らかにするとともにパッドの位置と回転を能動制御することにより、300,000rpmまで回転できるようにして、高性能化する。以上の研究成果をもとに高信頼・超高速・小型機体軸受の実用化を目指して信頼性と耐久性および超高速性能の確認試験を行い、経済的な設計基準を3年計画で完成させる。本年度は、前年度購入した機材を用いて、制御可能な気体軸受を試作した。そして試作済みの膨張機に能動空気軸受けを組み込み回転振動実験を試みたが、完全には成功しなかった。そこでシミュレーションを再度行い、パラメータの選び方を検討しなおした。一方、シミュレーションは弾性ロータに対して可能なプログラムを開発した。

本研究は3パッド・ラジアル型気体軸受のパッドの位置と回転を能動制御して知的化することにより、ヘリウム冷凍液化機用膨張機に用いることができる軸受を開発することを目的とした。本研究組織が開発したラジアルタービン型ヘリウム膨張機の試作機を改良して、バッドの位置と回転を能動的に制御できるようにした。即ち本研究代表者が研究して来た圧電アクチュエータを用いてパッドの位置と角度を変える装置を作製し、気体軸受に取り付け、能動制御を行った。これにより回転軸の振動を抑えることができ、信頼性を高めることができた。次いで回転軸の弾性モードによる振動を理論解析し、230,000rpm以上で発生する不安定振動現象を明らかにすると共にパッドの位置と回転を能動制御することにより、300,000rpmまで回転できるようにして、高性能化した。以上の研究成果をもとに高信頼・超高速・小型気体軸受の実用化を目指して信頼性と耐久性および超高速性能の確認試験を行い、経済的な設計基準を完成させた。制御可能な気体軸受を試作し、試作済みの膨張機に能動空気軸受を組み込み回転振動実験を試み成功した。シミュレーション結果と比較し、結果の妥当性を確認した。そこで弾性ロータに対しても可能なシミュレーションプログラムを開発した。
アシネトバクター属におけるオーダーメイド治療戦略の新規確立に関する研究

Acinetobacter属には多数の菌種が属しており、薬剤耐性も含めた病原性の違いなどが指摘されているが詳細は分かっていない。Acinetobacter属は喀痰から多く分離されることから喀痰分離株を用いて、薬剤耐性を含めた病原性の解析を行った。Acinetobacter gen. sp. 13BJより、抗菌薬耐性遺伝子として、IMP-34が検出された。IMP-34産生Acinetobacter gen. sp. 13BJは、本邦初の報告である。本遺伝子がプラスミド上に存在すること、本菌種がコリスチンに自然耐性を示すことから、今後もっとも注意が必要な菌種であることが示唆された。アシネトバクター属が感染症を起こした場合、多剤耐性化による問題により、効果的な抗菌薬が不可能となり治療に難渋する事が近年報告されるようになってきた。また、市中感染型の劇症型アシネトバクター属肺炎も国内で報告されるようになり、アシネトバクター属による感染症の効果的な治療方法の確率は喫緊の課題となっている。近年、菌種の違いによってアシネトバクター属による感染症の治療反応性やその予後が異なる可能性が報告されはじめている。現在、アシネトバクター属はその生化学的性状が属内で非常に類似していることから、国内の一般的な検査室で行われている細菌同定検査方法では、菌種レベルまで正確に同定することは不可能であると考えられている。正確に菌種レベルまで同定するためには、遺伝子検査の技術を用いて同定するしか、現段階では方法はない。したがって、本研究では集めた菌株を遺伝子検査を用いた方法で菌種レベルまで正確に同定を行った。その結果、今まで、アシネトバクター属の中ではアシネトバクター・バウマニーが多いという報告が多い中、本研究ではアシネトバクター・ノソコミアリスが最も多く21%、次いでアシネトバクター・ソリーが18%という結果となった。アシネトバクター・バウマニーの分離頻度は11%であった。菌種毎に病原性などの違いが報告されていることからも、これらの分離頻度の結果は非常に興味深く、今後、菌種毎の病原性を評価していく必要性を示唆するものであると考えられる。菌株の収集は患者状態により、多少の差が出ることがあるが、当初の予測より、現段階では収集株数が少ないため、当研究全体の予定としてはやや遅れている状況にある。カルバペネム系抗菌薬に耐性を示したアシネトバクター属が分離され、それが感染症の原因菌だった場合、その耐性機序を明確にすることは、治療上または感染対策上においても非常に重要な医学的ポイントになる。しかしながら、メタロベータラクタマーゼなどのカルバペネマーゼ産生株を一般検査室で簡単に同定することは今までは困難であった。しかし、メタロベータラクタマーゼはプラスミドなどを介して菌種を超えて伝播することが知られているため、一般検査室であってもメタロベータラクタマーゼを含めたカルバペネマーゼ産生株かどうかは確認できるべきである。一方、一般検査室でも比較的容易に検査可能なCarbapenem Inactivation Method(CIM法)が近年行われるようになり、カルバペネマーゼを比較的容易に検出できるようになってきた。しかしながら、アシネトバクター属へのCIM法の応用は感度・特異度の点から推奨されていなかった。そのような状況の中、オーダーメイド治療戦略の中でアシネトバクター属におけるカルバペネマーゼ産生菌を検出する一般検査室においても可能な方法の構築は必須の課題であった。今回の研究ではアシネトバクター属へも応用可能なCIM法を開発した。その感度は100%であり、特異度は96%であり、本方法は一般病院に設置してある一般的な機器のみで簡易に短時間で実施可能であることから、病院内で日常的にアシネトバクターへ行えるカルバペネマーゼ産生菌のスクリーニング方法であると考えられた。オーダーメイド治療を行うにあたり、アシネトバクターの薬剤耐性機序を明確にかつ簡便にスクリーニングすることが必要であった。その、方法の確立に時間を要したことが、遅れている原因である。しかしながら、今回、その方法を確立することができた。Acinetobacter属が感染症を起こした場合、治療に難渋する症例が近年報告されるようになってきた。また、菌種の違いによって治療反応性やその予後が異なる可能性が指摘されはじめている。しかしながら、現状はAcinetobacter属の菌種レベルまでの正確な同定がなされることは少なく、菌種ごとの確立された治療法が存在しない。一方、臨床検体においては、喀痰からの分離が最も多いといわれているが、分子疫学的知見は明らかにされていなかった。したがって、本研究では、東北大学病院において臨床分離された喀痰由来Acinetobacter spp. 61株について、分子疫学的解析を行った。研究対象株のうち、最も分離頻度の高かったのは、A. nosocomialis、次いでA. soli、A. pittiであった。その他、A. baumannii、Acinetobacter gen.sp 13BJ、A. ursingiiなど多様な菌種が分離された。カルバペネム耐性株は5株あり、すべてnon-A. baumanniiであった。

耐性機序はIMP-34の産生とporinの欠損の関与が示唆された。これらはすべて同一のインテグロン構造を有しており、耐性遺伝子が菌種を超えて伝播していることが示唆された。カルバペネム耐性株はIMP-34産生によるものであり、IMP-34を含むインテグロン構造は、カルバペネム耐性株にすべて共通しており、菌株の地域特性、さらにはIMP-34の地域内における拡散の可能性が示唆された。特にA. soliと、Acinetobacter gen. sp.13BJ/14TUはclass1インテグロン構造であり、最も上流にIMP-34が配置され、AacA4とOXA-1をコードする同一の構造であった。Acinetobacter gen. sp.13BJ/14TUはOXA-58も有し、その上流と下流にISAba3が配置されたトランスポゾンの構造をとっていた。本インテグロンは既知の報告とは構造が異なり、腸内細菌科のInc type plasmidを保有していないことから、既出のIMP-34とは由来が異なる可能性が示唆された。Acinetobacter属には多数の菌種が属しており、薬剤耐性も含めた病原性の違いなどが指摘されているが詳細は分かっていない。Acinetobacter属は喀痰から多く分離されることから喀痰分離株を用いて、薬剤耐性を含めた病原性の解析を行った。Acinetobacter gen. sp. 13BJより、抗菌薬耐性遺伝子として、IMP-34が検出された。IMP-34産生Acinetobacter gen. sp. 13BJは、本邦初の報告である。本遺伝子がプラスミド上に存在すること、本菌種がコリスチンに自然耐性を示すことから、今後もっとも注意が必要な菌種であることが示唆された。菌株の収集を継続的に行っていく。さらに、研究計画に従い、病原性の評価を含めた全ゲノムシークエンス解析も予定している。引き続き菌種別の病原性評価も行っていく。臨床微生物学当初計画していた菌株が収集が遅れているため、解析にかかる費用が減少した。しかしながら、菌株収集は継続しているため、次年度使用額が生じた。カルバペネマーゼの検出系の確立に時間を要したため。次年度使用額は、当初計画していた菌株が収集を次年度に継続延期することによって生じたものであり、継続延期した菌株収集に伴い菌種レベルでのシークエンス解析、薬剤感受性試験、メタロ-β-ラクタマーゼの確認試験、カルバペネマーゼ確認試験、薬剤耐性遺伝子の解析などに必要な経費として平成28年度請求額と合わせて使用する予定である。次年度以降は遅れている病原性の解析を進めていく。
持久性トレーニングによる赤血球容積増加の背景には何があるか

持久性トレーニングを縦断的に4年間追究すると、赤血球数(RBC)の低下に伴い、平均赤血球容積(MVC)と平均血色素量(MCH)の増加が生じ、本研究課題となった。血管内を流れる赤血球に関する問題となるので、この変化には至適な現象が存在していることは当初から予測できた。MCVだけが増大すればヘマトクリット値(HCT)が高まり血液粘度が大きくなり、酸素輸送は悪くなる。したがってMCV増大の背景には少なくともRBCとの関係があるはずである。一方MCVが大きくなるための素材はどこにあるかが問題となる。Plasma HDLは血管の補修素材であるため、MCVへの素材の可能性は考えられる。またMCVそれ自体にも特性があるはづで、in vitroによりその要因について検討した。その結果大きなMCV変化を示した選手では、トレーニング開始時のRBCが高く、トレーニング後のRBCに有意な低下が認められた(P<0.05)。中程度のMCV変化の選手では前後のRBCに統計的な差は出現していないが、小さなMCV変化の選手では逆にRBCの有意な増加となり、MCV増加の背景にはトレーニング初期のRBCに依存していることを明らかにした。またMCVとPlasma HDLとの間には有意な相関を示す選手と示さない選手に別れ、これら相関係数(r)と10,000m走との間に指数関係が成立していた。したがって素材としてのPlasma HDLを保持していることも、MCV増大に関係していた。in vitro研究では、CO2に対し、MCVは正の相関を示し、低いO2水準ではMCVが大きいが、160mmHgを越えると、MCVは急俊に小さくなる。pHの酸性側では大きく、中性並びにアルカリ性では小さく、高温で小さくなるなどの特性も見い出された。このようにMCVの背景にはトレーニングに関する種々な要因と、RBCを中心とする個人差が大きく関与していた。持久性トレーニングを行った36名の学生長距離選手について、4年間のMCV変化を見ると、初期値MCVによって、MCVの変化量(ΔMCV)に違いがあった。大きなΔMCV(7.4±1.8)、中程度のΔMCV(4.4±0.5)、小さいΔMCV(1.2±0.9)に分けその背景を検討した。MCHとMCVの関係では、およそ50%の対象者に相関が成立していなかったが、88μ^3以上を示す対象者では有意な相関が成立していた(p<0.05)。特に大きなΔMCVを示す対象者では、0.88±0.30pgの大きなΔMCHを示した。ところが持久性に大切なヘモグロビン量(ΔHgb)についてみると、大きなΔMCV群ではΔHgbは減少し、小さなΔMCV群では逆に増加していた。この背景を赤血球数(RBC)の変化量に求めたところ、同じ持久性トレーニングを実施しているにもかかわらず、大きなΔMCV群では、RCBの減少が大きく、逆に小さなΔMCV群ではRCBが増加していた。この背景を赤血球数の初期値に求めると、大きなΔMCV群ではこの初期値が高く、小さなΔMCV群ではこの初期値が小さいことが明らかとなった。従って、赤血球容積増加の背景には持久性トレーニング前の赤血球数によりその変化が全く異なる。

これらの背景を生化学的面から検討するため、MCVとplasma HDL、plasma particle image(PPI)、血清Feとの関係を求め、持久性トレーニングはPPIを小さくし、MCVとplasma HDLとの関係を強め、血清Feが必須の役割を演じていることも明らかとなってきている。現在は赤血球膜蛋白質と脂質について検討を継続している。長距離選手の持久性トレーニングに伴う赤血球MCVの増大には、同等のトレーニングを実施しているにもかかわらず、個人差があり、その違いはトレーニング開始時の赤血球数(RBC)が高い選手で赤血球の低下とこれに伴うMCVの増加が代償的に発現していた。このような現象の認められる選手は42名中9名で、全ての選手に発現している現象ではなく、トレーニング初期の赤血球数が503.2±32.4(×10^4/μl)であり、470万/μl以下ではΔMCVが小さく、高い毒赤血球保持者に限定して出現し、その結果が5000m、10,000m走の記録更新に結びついていた。PlasmaHDLと赤血球MCVとの間には相互関係が認められ、赤血球MCVの増大には、plasmaHIDの増加が伴っていなければならない。その証拠に、この相互関係と10,000m走の自己記録との間に有意な指数関係が見い出され、plasmaHDL、LCAT、赤血球膜PC、赤血球MCVが一連の関係として成立し、これらの関係のどの部分でも不成立となれば、MCVの増大、或いは記録の更新と結びつかなくなることも明らかとなった。更に、赤血球MCVの直接的変化要因として、in vitroによる実験を加えた。その結果、生理的不活性な条件下(低温、酸性、低酸素濃度、高炭酸ガス濃度)では、赤血球MCVは大きく、逆に、活性条件下(高温、高酸素濃度、低炭酸ガス濃度)では、赤血球MCVは小さくなることを見い出した。従って、運動、持久性トレーニングに伴う赤血球MCV増大の背景には、運動に伴うこれらの生理的不活性条件の成立が関与していると考えられる。しかし、これらの変化(ΔMCV)が大きくなるのは、トレーニング初期の赤血球数が高いことが望まれ、この差が個体差を生じていた。
Ｂリンパ球の分化と自己免疫に関するマウスｇｐ４９Ｂの機能解析

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
精原細胞の自己複製と分化のバランスを制御するヒストン修飾の役割

哺乳動物の生殖細胞の発生過程において、ヒストンのエピジェネティックな修飾が著しく変動することが知られている。我々はヒストンH3K4/H3K36の脱メチル化酵素であるFbxl11の精子形成における機能を明らかにすることを目的として、生殖細胞特異的Fbxl11 KO (Fbxl11 cKO)マウスを作成しその解析を行った。その結果、Fbxl11 cKOマウスの精巣上体には精子形成がほとんど存在せず、精子形成に重篤な異常が生じていることが明らかになった。さらに、免疫組織化学的な解析の結果、Fbxl11cKOマウスでは、精原細胞の体細胞分裂には大きな影響は見られない一方で、初期分化が正常に進行せず分化型の精原細胞の出現が著しく抑制されることが明らかになった。次に、Fbxl11 cKOマウスの精原細胞の遺伝子発現をRNA-seqによりゲノムワイドに解析した結果、精原細胞の分化に重要な役割を果たすことが知られているmTORCのシグナルに関連する遺伝子の発現が有意に異なることが明らかになった。そこで、Fbxl11cKOマウスの精原細胞におけるmTORの機能に着目して解析を行ったところ、Fbxl11 cKO精原細胞ではmTORC活性の低下が起こっていることが明らかになった。このmTORの活性低下は出生直後のマウスの精巣においても観察されたことから、mTOR活性の低下が精原細胞の分化不全に関与することが強く示唆された。現在はCRISPR/Cas9を用いてmTORの抑制因子のKOマウスを作成し、Fbxl11cKOとのダブルKOマウスで精子形成不全の表現型が回復するかを確認中である。マウスの交配やサンプリングが予定通り進み、これまでに1、2年目に計画をしていた精原細胞の培養系の確立とRNA-seqによるゲノムワイドな遺伝子発現解析まで終えている。CRISPR/Cas9によるゲノム編集を用いて、3年目に計画をしている表現型レスキュー実験に必要なマウスの親世代までの作成を終えている。現在はそれらを交配させることで解析に用いるダブルKOマウスの作出を進めている。必要なマウスが得られ次第、常法に基づいて表現型の解析を進める。Fbxl11 cKOマウスの精原細胞の遺伝子発現をマイクロアレイで解析したところ、精子形成や減数分裂に関与する遺伝子群の発現が有意に低下していた。また、H3K4me3特異的抗体を用いたFbxl11 cKO精原細胞のChIP-seq解析を行ったところ、広範なゲノム領域においてH3K4me3の亢進が起こっていた。さらに、ChIP-seqとマイクロアレイ解析で共通して変動する遺伝子群の中から、精原細胞の分化に重要な役割を果たすことが知られているmTORCのシグナルに着目して解析を行ったところ、Fbxl11 cKO精原細胞ではmTORCの抑制因子であるREDD1の発現亢進ならびにmTORC活性の低下が起こっていること、およびRedd1遺伝子のプロモーター領域でH3K4のメチル化が亢進していることを明らかにした。このことから、Fbxl11欠損に起因した精子形成不全は、mTORCの抑制による精原細胞の分化異常によることが強く示唆された。マウスの交配やサンプリングが予定通り進み、これまでに1年目に計画をしていた精原細胞の培養系の確立と、Fbxl11欠損精原細胞の自己複製能および分化能についての解析を終え、2年目に計画をしているChIP-seqのうちH3K4のゲノムワイドの修飾パターンの解析まで終えている。2年目に計画をしている残りのChIP-seqとRNA-seqについても、既に解析に向けたサンプル調製を進めているところである。

そこで、Fbxl11cKOマウスの精原細胞におけるmTORの機能に着目して解析を行ったところ、Fbxl11 cKO精原細胞ではmTORC活性の低下が起こっていることが明らかになった。このmTORの活性低下は出生直後のマウスの精巣においても観察されたことから、mTOR活性の低下が精原細胞の分化不全に関与することが強く示唆された。現在はCRISPR/Cas9を用いてmTORの抑制因子のKOマウスを作成し、Fbxl11cKOとのダブルKOマウスで精子形成不全の表現型が回復するかを確認中である。マウスの交配やサンプリングが予定通り進み、これまでに1、2年目に計画をしていた精原細胞の培養系の確立とRNA-seqによるゲノムワイドな遺伝子発現解析まで終えている。申請書に書いたとおり、H30年度にRNA-seqおよびChIP-seqを行うことでFbxl11欠損に起因したトランスクリプトームの変化、ならびにゲノム上へのFbxl11の結合パターンとH3K4およびH3K36のメチル化パターンの変動を明らかにする。さらに、H29・H30年度に得られたデータをもとにしてH31年度には遺伝子改変技術を駆使することで精原幹細胞におけるFbxl11の標的候補遺伝子を実証的に探索する。CRISPR/Cas9によるゲノム編集を用いて、3年目に計画をしている表現型レスキュー実験に必要なマウスの親世代までの作成を終えている。現在はそれらを交配させることで解析に用いるダブルKOマウスの作出を進めている。必要なマウスが得られ次第、常法に基づいて表現型の解析を進める。初年度は最も費用がかかると予想される次世代シーケンサー解析については、サンプリングを主に行い解析は2検体しなかったため、当初申請金額よりも少額の仕様となった。それらのサンプルは2年目である本年度にまとめて解析を行う計画である。計画していたRNA-seq、およびChIP-seqのうちH3K4については予定でどおり遂行した一方で、H3K36については機能する抗体が見つからなかったことから2019年度に改めて解析を行う予定ある。その解析費用を2019年度の計画分と併せて使用する。
おとり遺伝子を用いた純国産戦略による癌の血管新生抑制療法の開発

1)サイトカイン刺激や微小環境の変化による血管新生因子群の遺伝子発現の解析培養癌細胞や腺癌細胞を用いて,TNFα,EGFなどのサイトカイン刺激によるVEGF,FGF,PDGF,トランスフォーミング増殖因子β1(TGFβ1)あるいは組織因子(TF)の発現亢進を確認した.2)血管新生因子群の発現に関与する転写因子群の解明各培養癌細胞において,サイトカイン刺激および低酸素環境下での培養により,転写因子Sp1AP-1あるいはHIF-1が活性化することを,ENSAにより培養癌細胞において確認した.3)遺伝子導入条件の確立おとり遺伝子をHVJ-リポソーム法を用いて各種の培養細胞に導入する条件を確立した.また,遺伝子導入により細胞障害が発生しないことを確認した.4)血管新生抑制効果の検討Sp1のおとり遺伝子を培養癌細胞に遺伝子導入すると,各種のサイトカイン刺激や微小環境の変化で促進される血管新生因子群の発現亢進を制できる事を解明した1)サイトカイン刺激や微小環境の変化による血管新生因子群の遺伝子発現の解析培養癌細胞や腺癌細胞を用いて,TNFα,EGFなどのサイトカイン刺激によるVEGF,FGF,PDGF,トランスフォーミング増殖因子β1(TGFβ1)あるいは組織因子(TF)の発現亢進を確認した.2)血管新生因子群の発現に関与する転写因子群の解明各培養癌細胞において,サイトカイン刺激および低酸素環境下での培養により,転写因子Sp1AP-1あるいはHIF-1が活性化することを,ENSAにより培養癌細胞において確認した.3)遺伝子導入条件の確立おとり遺伝子をHVJ-リポソーム法を用いて各種の培養細胞に導入する条件を確立した.また,遺伝子導入により細胞障害が発生しないことを確認した.4)血管新生抑制効果の検討Sp1のおとり遺伝子を培養癌細胞に遺伝子導入すると,各種のサイトカイン刺激や微小環境の変化で促進される血管新生因子群の発現亢進を制できる事を解明した血管新生抑制を介した癌の増殖制御を目的とし,おとり遺伝子治療法の効果について研究を行った.VEGFやHGFなどの血管新生因の発現はTNFαにより活性化された転写因子Sp1の作用が重要である.そこで,TNFαで活性化するSp1をおとり遺伝子治療法の標的として以下の実験を行った.[おとり遺伝子の合成]おとり遺伝子すなわちSp1が認識する塩基配列(7塩基)と,その上下流のダミー配列8-10塩基により設計した二本鎖合成オリゴヌクレオチドを調整した[HVJ-リポソームによる導入法の確立]おとり遺伝子導入にはHVJ-リポソーム法を用いた.すなわち,リン脂質とコレステロールによりおとり遺伝子を封入した陰イオン帯電リポソームを調整しHVJと融合させ,おとり遺伝子含有HVJ-リポソームの調整法を確立した.さらに,培養細胞への様々な導入条件を検討し,常時100%の導入効率を示す導入方法を決定した.[おとり遺伝子導入の効果]おとり遺伝子をHVJリポソーム法により培養癌細胞に導入すると,TNFαにより亢進されるVEGFやHGFあるいはTissue factorなどの複数の血管新生因子の産生を同時に抑制することができた.また,Sp1を標的としたおとり遺伝子の導入は,癌細胞の増殖能や細胞遊走能も抑制されていた.以上の結果よりSp1を標的としたおとり遺伝子治療法は複数の血管新生因子の産生を制御するのみでなく,癌細胞の増殖や浸潤・遊走も抑制する事が可能であり,効果的な癌遺伝子治療法として臨床応用できる可能性が示唆された,今後,動物の腫瘍モデルにおいて検討を行い,臨床研究にむけて,研究を展開していく予定である.1)培養癌細胞を用いた実験による各種サイトカイン刺激や微小環境変化による血管新生遺伝子の発現状況の生化学的解析培養口腔扁平上皮癌細胞,唾液腺癌細胞を用いて,TNFαやEGFなどのサイトカイン刺激や低酸素環境などによる血管内皮増殖因子(VEGF),トランスフォーミング増殖因子β1(TGFβ1)および組織因子(TF)の発現亢進をNorthernblotで確認した.2)血管新生因子の産生に関与する転写因子の解明実験に使用した培養癌細胞において,TNFα刺激および低酸素環境下での培養により,転写因子Sp1,AP-1あるいはHIF-1が経時的に活性化することを,バンドシフトアッセイにより確認した.3)HVJ-リポソーム法による遺伝子導入条件の確立HVJ-リポソーム法により,おとり遺伝子を100%の培養細胞に導入する条件を確立した.また,遺伝子導入により細胞障害が発生しないことを確認した.4)おとり遺伝子導入による血管新生抑制効旺の検討Sp1やHIF-1のおとり遺伝子をHVJ-リポソーム法により培養癌細胞に遺伝子導入すると,TNFαや低酸素環境で促進されるVEGF,TGFβ,TFの発現亢進を同時に抑制できることを解明した.1)培養口腔癌細胞を用いた培養実験による各種サイトカイン刺激に関する血管新生遺伝子群の解析培養口腔扁平上皮癌細胞や唾液腺癌細胞をTNFαやEGF刺激スルト血管内皮増殖因子(VEGF),線維芽細胞増殖因子-2(FGF-2)や組織因子(TF)の発現が亢進していた.2)血管新生因子群の発現増強に関与する転写因子群の解明各培養癌細胞において,TNFα刺激および低酸素環境下での培養により,転写因子Sp1,およびAP-1がそれぞれ活性化することを,バンドシフトアッセイにより確認した.3)おとり遺伝子導入による血管新生因子群の発現抑制効果の検討Sp

1やHIF-1に対するおとり遺伝子をHVJ-リポソーム法により培養癌細胞に遺伝子導入すると,TNFα刺激や低酸素環境で促進されるVEGF,TGFβ,TFやFGF-2の発現亢進を同時に抑制することができた.さらに,実験動物に作成した実験的腫瘍の増大を制御することが可能であった.
光共振器を利用した水素負イオン温度計測法の開発

水素負イオンとは水素原子に1つ電子が多くついたイオンである。水素負イオンを粒子ビームとして用いる水素負イオン源が核融合炉の加熱装置の一つ中性粒子ビーム入射装置NBIに用いられている。NBIの更なる高性能化には水素負イオン源の高性能化が重要な開発要素の一つである。本研究において、水素負イオン源の高性能化に寄与する基礎研究に必要な水素負イオン温度を、光共振器を用いた方法で計測する手法を開発に成功した。既存の光共振器を用いた水素負イオン密度計測法を応用した物であり、水素負イオン密度と温度を同時計測可能となった。研究は、核融合科学研究所の開発用水素負イオン源を用いて行った。既存の水素負イオン密度を計測するためのCavity Ringdown(CRD)法で用いているNd:YAGレーザー(1064 nm)の入射光学系からレーザーを分岐して、水素負イオン温度計測用のレーザー入射光学系を構築した。これにより、本研究の条件である、水素負イオン密度と温度を同時計測可能な光学系となった。また、水素負イオン温度計測に、より高いレーザーパルスエネルギーが必要となる。これを実現するために、密度計測系の光検出器をavalanche photodiodeにして検出感度を上げた。これにより、元のレーザーパルスエネルギーの最大95 %以上を温度計測に使用可能となった。なお、温度計測用の検出信号のレーザーパルスエネルギー依存性を調べるために、レーザー光学系上に可変型Beam Attenuator配置した。温度計測のためには光共振器内のレーザー径をなるべく大きくする必要がある。光共振器の安定性を考慮しつつ、大きな曲率半径を持つミラーおよび出口用に平坦な面を持つミラーを選択した。また、光共振器用ミラーには高反射率が必要である一方、温度計測用の光共振器内はにはなるべく多くの光子を入れる必要がある。このために、光共振器入口ミラーには密度計測用光共振器ミラーに比べて低い反射率のものを採用し、出口ミラーには密度計測用と同程度の高い反射率のミラーを採用した。水素負イオン源のビーム引出効率を上げるとことでイオン源性能の向上が期待される。水素負イオンの生成からビームとして引き出されるまでのダイナミクスを理解は、より高いビーム引出効率を持つイオン源設計に役立つ。本研究の目的は、このダイナミクス解明のための基礎物理パラメータとなる水素負イオン温度の計測法の開発である。水素負イオン温度計測法は既存のCavity Ringdown法(CRD)による水素負イオン密度計測システムをベースとして開発した。CRD法はレーザー吸収分光法の一種である。通常、CRD法による水素負イオン密度計測では、計測レーザー内の密度変化を無視できる程度のレーザーを導入する。一方、新たに開発した水素負イオン温度計測では大強度のレーザーを導入し、その応答を観測することで、水素負イオン温度を評価する。まず、単純な熱拡散モデルで数値計算を行い、既存のYAGレーザーを用いて想定される水素負イオン温度計測が可能であることを確認した[H. Nakano, Plasma Conference 2014, 20PB-120]。水素負イオン温度計測装置開発は核融合科学研究所の開発用大型水素負イオン源(フィラメントアーク放電)を用いて行った。計測位置はプラズマ電極(ビーム引出境界の電極)から13mmとした。大強度レーザーを導入することで、水素負イオン温度に起因する応答を検出した。数値計算モデルと比較することで、水素負イオン温度は約0.1eVであった。この値は先行研究において小型フィラメントアーク放電型水素負イオン源で別の手法で得られたものと一致した。またレーザー強度に応じた水素負イオン温度0.1eVに相当する検出信号の変化を検出した。十分にレーザー強度を下げることで水素負イオン密度が計測できることを確認した。以上より、同じシステムで水素負イオン密度と水素負イオン温度を計測する手法の開発に成功した[中野治久他,日本物理学会第70回年次大会, 22pBH8]。プラズマ計測Nd:YAGレーザーの入射光学系の設計、機器購入、構築を行い、水素負イオン密度計測と同時に水素負イオン温度計測法の開発ができる環境ができた。水素負イオン温度計測用の光共振器ミラーについて、最適なミラーセットを見つけるために、理想的な条件を仮定した計算をした。この結果を元に既製品の中から数種類のミラーを選択し、購入した。しかし、水素負イオン源実験のマシンタイムの都合上、プラズマを用いた実験を遂行する事ができなかった。本研究最終年度となる2年目は、1年目に構築したレーザー入射光系および水素負イオン温度計測用光共振器ミラーを用いたプラズマ実験を2年目の前半に行う。これにより、初期的な問題を解決するとともに、最適な水素負イオン温度の絶対値の計測精度および空間精度が得られる計測条件を見出す。この計測条件には独自仕様の光共振器ミラーが必要になり、長納期が予想される。

2年目後半において、最適な計測条件のもと、水素負イオン温度の評価値と理論予想値を比較し、水素負イオン温度計測値の妥当性を確認すると共に、水素負イオン温度計測法を確立する。当初、購入を予定していた光共振器用ミラーマウントについて、まずは簡易型を考案し、これを作成した。また、水素負イオン温度計測の光共振器用ミラーについて、計画当初より低価格で販売しているメーカが見つかった。このため、次年度使用額が生じた。次年度使用額分は、研究の進捗に応じて、当初予定していた光共振器用ミラーマウントの購入を予定している。また、特別注文となり高額になる事が予想される、水素負イオン温度計測に最適な光共振器用ミラーの購入にも充てる。翌年度分は当初計画通り、使用予定である。