hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
液相成長プロセスによる高性能ビスマステルライド系熱電材料の開発

高性能方向に優先方位を有するBi_2Te_3系熱電変換材料作製を行うための結晶成長法として,スライド・ボート法による液相成長プロセスを開発した.スライドボート法によりマイカおよびサファイア上に成長させた結晶は,基板と平行に高性能面が揃っていることが確認された。高配向により,p型Bi_<0.5>Sb_<1.5>Te_3のホール移動度は、同程度のキャリア濃度を有する焼結体と比較して室温で1.82倍程度の値を示した.高移動度により低抵抗化が実現され,室温における電気的性能指数(出力因子)は同程度のキャリア濃度を有する焼結体と比較して約1.31.5倍程度向上した.高性能方向に優先方位を有するBi_2Te_3系熱電変換材料作製を行うための結晶成長法として,スライド・ボート法による液相成長プロセスを開発した.スライドボート法によりマイカおよびサファイア上に成長させた結晶は,基板と平行に高性能面が揃っていることが確認された。高配向により,p型Bi_<0.5>Sb_<1.5>Te_3のホール移動度は、同程度のキャリア濃度を有する焼結体と比較して室温で1.82倍程度の値を示した.高移動度により低抵抗化が実現され,室温における電気的性能指数(出力因子)は同程度のキャリア濃度を有する焼結体と比較して約1.31.5倍程度向上した.熱電変換とはゼーベック効果を利用した温度差発電とペルチェ効果を利用した電子冷却という2つのエネルギー変換の総称であり,環境,エネルギー問題が世界規模で叫ばれる中,クリーンなエネルギー変換方式として注目されている.室温付近で良好な熱電特性を有するBi_2Te_3系材料は,結晶構造に由来する異方的な熱電物性を持つ.この異方性は電気抵抗率において顕著であることから,結晶配向制御による低抵抗化が高性能化への課題であり,簡便な技術で配向性を向上させる技術が望まれている.本研究では,高性能方向に優先方位をもつ材料の作製を行うための新しい結晶成長法として,スライド・ボート法による液相成長プロセスを開発した.スライド・ボート法は液相成長法の一種であり,原料室に仕込んだ原材料を溶融させた後,スライダを移動させることにより基板上に融体を移動させ,結晶成長を行う方法である.この方法において,本年度は,急速加熱,冷却が可能な赤外線ゴールドイメージ炉を過熱炉として用い,プロセス時間を従来の半分以下とした材料作製を試みた.その結果,約60分程度の短時間プロセスでボートのスライド方向と高性能方向が高度に揃った結晶作製に成功した.この結晶配向により, p型Bi_<0.5>Sb_<1.5>Te_3のホール移動度は同一キャリア濃度の焼結体と比較して2倍程度となった.高移動度により低抵抗化が実現され,電気的性能指数は同一キャリア濃度の焼結体と比較して約1.5倍程度向上した.本作製手法におけるキャリア濃度の最適化およびn型材への適用が今後の課題である.室温付近で良好な熱電特性を有するBi_2Te_3系材料は,結晶構造に由来する異方的な熱電物性を持つ.特に電気抵抗率においては六方晶表示した場合のc軸方向に大きく、c面内で小さいことから,結晶配向制御による低抵抗化が高性能化への課題であり,簡便な手法で配向性を向上させる技術が望まれている.本研究課題では,高性能方向に優先方位を有する材料作製を行うための結晶成長法として,スライド・ボート法による液相成長プロセスを開発した.スライドボート法は液相成長法の一種であり,原料室に仕込んだ原材料を溶融させた後,スライダを移動させることにより基板上に融体を移動させ,結晶成長を行う方法である.本年度は,マイカ,サファイア基板上にスライドボート法を用いた材料作製を行った.さらに,上記手法と並行して、焼結体および焼結体を塑性加工したものを作製し,構造・物性の比較を行った.スライドボート法によりマイカおよびサファイア上に成長させた結晶は,基板と平行に高性能面が揃っていることが確認され、配向度は焼結体および焼結体を塑性加工したものより顕著であった。高配向により,本手法によるp型Bi_<0.5>Sb_<1.5>Te_3のホール移動度は、同程度のキャリア濃度を有する焼結体と比較して室温で1.82倍程度,20Kでは8倍程度の大きな値を示した.高移動度により低抵抗化が実現され,室温における出力因子は同程度のキャリア濃度を有する焼結体と比較して約1.31.5倍程度向上した.これら配向,物性は基板を変えても変化せず,また温度,雰囲気等,作製条件が同じであれば,ほぼ同等の性能が得られることも確認した.以上,本研究のプロセスによる,熱電性能が高性能となる方向に結晶配向したBi_2Te_3系材料が簡便かつ安定に作製可能なことが示された.
炭素フラックス観測サイトへの窒素散布実験による物質循環と生物多様性変化の解明

北海道大学苫小牧研究林の冷温帯落葉広葉樹二次林において、約10ヘクタールの範囲に3年間にわたり窒素施肥を行い対照区と比較することで、窒素負荷に対する森林生態系の地下部炭素動態、窒素・リンの動態、樹木の繁殖量、植食性昆虫による食害度、の初期応答を明らかにした。これまでの多くの報告とは逆に、施肥によって細根は増加し、土壌呼吸も上昇し、若干のリン酸生成がみられた。またいくつかの樹種で繁殖量が増加する傾向にあった。施肥により2年目のミズナラとケヤマハンノキ林冠葉の形質は変化し食害度の変化はなかったが、3年目になると植食性昆虫の多様性指数が低下した。初夏と晩夏に窒素散布区と対照区のミズナラ、シラカンバ、ケヤマハンノキそれぞれ複数個体で林冠葉の形質解析と植食者群集のサンプリングを行った。また、林分単位でリターフォールによる葉の食害度を計測した。その結果食害度は、林分単位では対照区で10%、窒素散布区で15%だったが、樹種毎に応答は異なり、ミズナラは増加、シラカンバは低下、ケヤマハンノキでは変化無しだった。窒素散布区と対照区の合計約320地点から、ミズナラの細根を採取し、その呼吸活性、構造特性および連続分光反射プロファイルを測定した。窒素散布後4ヶ月後の8月末には細根のサンプリング調査を行った。その結果、呼吸速度および形態特性には窒素散布の有意差な影響は認められなかったが、呼吸速度は直径および組織密度と負の相関関係にあり、比根長とは有意な正の相関関係にあった。組織密度は窒素負荷によって低下したことから、構造的な変化を通して呼吸活性、炭素収支が将来的に変化する可能性が示唆された。近赤外波長帯の反射は根直径や組織密度が増加するに従って増大することが判明した。施肥前の4月に両試験区内のそれぞれ3ヶ所において表層から0-10cmの土壌を5繰り返しで採取し、2mmの篩を通した細土について全窒素・炭素量、無機態窒素現存量、窒素無機化・硝化速度の測定を行った。また、窒素の可動性が異なるとされる53μmで分画した粘土・シルトと結合した有機画分(以下、MAOM)、砂土と結合した有機画分(以下、POM)についても全窒素・炭素量の測定を行った。これらの項目に違いは見られず、以後、窒素負荷の影響を追跡することが可能であると考えられた。4月末に50kgN/haに相当する量を施肥し、生育最盛期の8月と生育終了期の土壌の採取を行い、上記と同様の調査を行った。施肥後もこれらの諸性質に明瞭な違いは生じなかった。窒素散布区と対照区から、ミズナラの細根を採取し、その呼吸活性、構造特性および連続分光反射プロファイルを測定した。また全体のバイオマス推定のためのサンプリング調査も行った。その結果、呼吸速度及び形態特性には窒素散布の有意差な影響は認められなかったが、呼吸速度は直径および組織密度と負の相関関係にあり、比根長とは有意な正の相関関係にあった。両試験区内のそれぞれ3ヶ所において表層から0-10cmの土壌を5繰り返しで採取し、2mmの篩を通した細土について全窒素・炭素量、無機態窒素現存量、窒素無機化・硝化速度の測定を行った。NH4+現存量と純無機化速度は窒素添加後4-13ヶ月で影響が現れ、NO3-現存量と純硝化速度は6-16ヶ月以降に影響が出た。一方MAOM-NとPOM-Nについてはまだ施肥効果が現れておらず、有機体窒素に影響を与えるのには時間がかかるものと考えられた。近年大気からの窒素負荷量が増加しており、森林生態系の物質動態や生物多様性への影響が懸念されている。本研究は北海道大学苫小牧研究林の冷温帯落葉広葉樹二次林において、約10ヘクタールの範囲に3年間にわたり窒素施肥を行い対照区と比較することで、窒素負荷に対する森林生態系の初期応答を明らかにすることを目的とした。特に地下部炭素動態、窒素・リンの動態、植食性昆虫による食害度の変化に着目した。1.地下部炭素動態一般的に施肥によって細根は減少し、土壌呼吸も低下することが報告されているが、本研究では両者とも逆の結果となった。施肥区の光合成量が高くなり、細根生産量を含む全ての炭素配分のコンポーネントが増加した可能性が考えられる。

また、窒素(あるいはリン)リミットが非常に強かったため、施肥によってまずはリミットを解除するために細根を増やしたという可能が考えられた。2.窒素・リン動態窒素培養期間中リン酸の生成はどの処理区でも小さかったが、特に施肥区ではほとんど生成されなかった。一方、窒素を添加すると、施肥区でも対照区でも若干の生成がみられた。窒素・リンはともに森林生態系での制限要因になりやすい物質であるが、窒素施肥により窒素が制限要因でなくなった結果、リンの制限がより強くなる。そこで豊富にある窒素を用いてリン酸分解酵素を生成するといわれているが、施肥区ではすでに窒素が豊富にあり、培養前からリン酸の生成が生じており、さらなる窒素負荷に応答しなかったと推察された。3.植食性昆虫による食害度の変化施肥により2年目の林冠葉の形質は変化したが、食害度に変化はなかった。しかし3年目になると植食性昆虫の多様性指数が低下した。このことは消費者群集が時間遅れで環境変化に応答していることを示していると考えられた。北海道大学苫小牧研究林の冷温帯落葉広葉樹二次林において、約10ヘクタールの範囲に3年間にわたり窒素施肥を行い対照区と比較することで、窒素負荷に対する森林生態系の地下部炭素動態、窒素・リンの動態、樹木の繁殖量、植食性昆虫による食害度、の初期応答を明らかにした。これまでの多くの報告とは逆に、施肥によって細根は増加し、土壌呼吸も上昇し、若干のリン酸生成がみられた。またいくつかの樹種で繁殖量が増加する傾向にあった。施肥により2年目のミズナラとケヤマハンノキ林冠葉の形質は変化し食害度の変化はなかったが、3年目になると植食性昆虫の多様性指数が低下した。各観測項目はいずれも予定通りに進行している。学会発表は行っているがまだ論文の公表は行われていない。27年度が最終年度であるため、記入しない。森林生態学今年度も融雪直後に施肥を継続し、昨年度と同様の比較観測を行う。成果のまとまったものから順次論文として公表する。当初大面積の施肥を業者に依頼しヘリコプター散布する予定だったが、研究林職員実行により手撒きで行ったことが主な理由である。また分担者の一人である宮崎祐子氏が産休育休をとったため、調査の一部に参加しなかったことから分担金を減らしたことも理由の一つである。今年度も融雪直後に施肥を継続し、昨年度と同様の比較観測を行う。当該助成金は翌年度の研究費と併せて大規模野外実験・観測の継続だけでなく、最終報告会の実施などに使用する。前年度に十分な研究打ち合わせを行っていたため、改めてキックオフ会議を開く必要がないと判断し旅費に余裕が生じた。また、当初野外作業の一部を謝金でまかなう予定だったが、研究林職員実行で行った。当該助成金は翌年度の研究費と併せて大規模野外実験・観測の継続だけでなく、中間報告会の実施などに使用する。
マクロファージ分化スイッチ制御による粥状動脈硬化プラーク破綻予防療法の研究開発

急性冠症候群の原因病態である動脈硬化プラーク不安定化と破綻には活性化(M1)マクロファージが関与している。マクロファージ活性化形質の制御によりプラーク破綻が予防できると仮説し、マウスモデルにおいて検討を行った。PPAR-gammaアゴニストの単球選択的投与により、マクロファージのM1分化を抑制し、ApoE-KOマウスにおけるプラーク破綻を予防する事ができ、新規治療のコンセプトを証明することができた。1)単球選択的ナノDDSの生体内動態の検証マクロファージ選択的に治療因子を導入するため、径200nmのpoly(lactic-co-glycolic acid)(PLGA)ナノ粒子を作成した。FITCを封入したPLGAナノ粒子(FITC-NP)を高脂肪食負荷ApoE欠損マウスに静脈注射したところ、末梢血ではCD11b(+)Gr-1(-)の単球に選択的取り込みを認め、網内系臓器(肝臓、脾臓)および腕頭動脈・動脈硬化巣内のマクロファージへの取り込みを認めた。2)単球選択的ナノDDSによるマクロファージ分化スイッチ制御の検討培養単球にナノDDSに封入したピオグリタゾン(Pio-NP)を投与したところ、LPS刺激に対するNF-kB活性化が抑制された。Pio-NPを高脂肪即負荷ApoE欠損マウスに静注し、3日後に腹腔内マクロファージの遺伝子発現をPCR Arrayを用いて検討したところ、NF-kBで発現調節されるMCP-1/CCL-2、RANTES/CCL-5、IL-1β、TNF-αなど炎症性サイトカインの発現抑制を認め、Pio-NPが炎症性M1マクロファージへの分化を抑制することが示唆された。M2マーカーの発現変化に関しても検討予定である。3)プラーク破綻が再現よく生じるマウスモデルの作成本研究において8週間の高脂肪食を負荷したApoE欠損マウスに4週間アンギオテンシンII持続負荷を行うことにより、腕頭動脈に急性プラーク破綻(線維性被膜の断裂、プラーク内出血)および陳旧性プラーク破綻(線維性被膜の埋没像)が観察できるマウスモデルを作成した。同マウスモデルでは、腹部大動脈瘤も生じる事が明らかとなった。4)マクロファージ分化スイッチ(M1/M2 polarity)制御によるプラーク破綻予防効果について、今後検討予定である。前年度までに、以下の検討を行ってきた。1)単球選択的ナノDDSの生体内動態の検証2)単球選択的ナノDDSによるマクロファージ分化スイッチ制御の検討3)プラーク破綻が再現よく生じるマウスモデルの作成今年度は以下の検討を行った。4)マクロファージ分化スイッチ(M1/M2 polarity)制御によるプラーク破綻予防効果上記3)のプラーク破綻モデルマウスにおいて、PPAR-γアゴニスト、ピオグリタゾン封入ナノ粒子(Pio-NP)の効果を検討した。ピオグリタゾン7mg/kg/週相当のPio-NP静脈内投与は、組織中のマクロファージM1/M2 polarityをM2にシフトし、病理学的プラーク破綻(埋没線維性被膜)の頻度を有意に抑制し、その間炎症細胞浸潤の減少、線維性被膜の増厚を認めた。同量のピオグリタゾン経口投与1mg/kg/日ではプラーク破綻抑制効果を認めなかった。結果として、マクロファージの分化スイッチ制御が粥状動脈硬化プラーク破綻予防治療となり得ることが示唆された。
三次元反射物理量を用いた癒し空間を創出する照明・音響演出支援システムの構築法

本研究の成果は、鏡面反射形状特徴量が個人の音像定位能力を向上させる指標になるとともに耳介部位を特定できる点、音像定位能力を向上させるために耳垂角度を+35°にし耳介変形に加え、能動的な頭部運動が重要であることを明らかにした点にある。耳介形状を測定するだけで音像定位能力を推定する手法を新たに構築した。さらに、非接触型のKinectセンサーを用いて、実時間の立位姿勢感情推定システムを構築し、評価を行い、概ね感情を推定することが可能になった。立位姿勢や着座委姿勢から、空間にいる時の感情や気分を実時間で推定し,癒し空間を創出する照明・音響演出支援システムへの構築の目途がたった。三次元スキャナで耳介形状を測定するだけで音像定位能力を推定し,個人に適応可能な高臨場感音場再生技術を構築する手法を提案することを目的とする。三次元音場再生の正中面の仰角方向の音像定位能力に関しては個人差があり,耳介形状差が問題の一つとしてある.そこで,MRI装置を用いて石膏でできた耳介形状を三角ポリゴンで構成される3次元データ化し、我々が開発した音源方向に依存した音源用鏡面反射物理量を計算し、提案した。当該年度はこの鏡面反射物理量を立体音場の再生手法に応用するために、音像定位能力との関係分析を行った。被験者17名に対して、当該年度以前に正中面の仰角方向の音像定位実験装置で心理実験を行い,音像定位能力の数値化(心理量)を行った。当該年度では、各被験者の耳介形状を三次元データ化し、音源方向別、かつ、鏡面反射角度別の鏡面反射物理量を計算した。その結果、119データに対して音像定位能力の心理量と鏡面反射物理量の関係を相関分析で分析した結果,相関係数がー0.57となり負の相関があることが分かった。さらに、関係する耳介部位を視覚化する手法を開発し、今後、各被験者の部位を分析することが可能になった。また、各被験者の両方の数値の散布図を分析した結果、ほとんどの被験者で高い相関があった。よって、我々が提案した鏡面反射物理量は音像定位能力と関係があることが示唆された。将来的には、未知の人の耳介形状をスキャンし、鏡面反射物理量を計算することにより、自動的に音像定位能力を推定することが可能になる。今後は、個人に適応可能な音場再生技術に応用する。さらに、当該年度以前に椅子着座時の姿勢から感情推定を行うシステムを構築したが、文化差にも着目し、感情判断の相違について分析を行った。今後は、空間にいる時の感情や気分を実時間で推定し,癒し空間を創出する照明・音響演出支援システム構築に応用する。耳介形状を測定するだけで音像定位能力を推定し,個人に適応可能な高臨場感音場再生技術を構築する手法を提案することを目的とする。三次元音場再生の正中面の仰角方向の音像定位能力に関しては個人差があり,耳介形状差が問題の一つとしてある.そこで,MRI装置を用いて石膏でできた耳介形状を三角ポリゴンで構成される3次元データ化し、我々が開発した音源方向に依存した鏡面反射形状特徴量を計算し、提案した。さらに、当該年度以前に椅子着座時の姿勢から感情推定システムを構築したが、文化差にも着目し、感情判断の相違について分析を行った。ただ、感情推定システムにおいてセンサーを装着する必要があり、非接触型センサーを用いた実時間感情推定手法が必要である。最終年度は、空間にいる時の感情や気分を実時間で推定し,癒し空間を創出する照明・音響演出支援システムを構築する予定である。当該年度は正中面の仰角方向の音像定位実験装置で心理実験を行い,音像定位能力の数値化(心理量)を行い、音像定位能力の心理量と鏡面反射形状特徴量の関係を相関分析で分析した結果、強い相関があり、個人によっては、相関係数が0.9以上になることが分かった。さらに、関係する耳介部位を視覚化する手法を用いて音像定位能力に関わる耳介の部位を特定し、アダプターを装着することによって、音像定位精度が向上するかを検証した。その結果、我々が考案したアダプターにおいては、アダプターなしと比較して、有意に差があることが分かり、有効性が確認された。さらに、非接触型のKinectセンサーを用いて、実時間の立位姿勢感情推定システムを構築し、評価を行った。「落ち着いた」などの個人差があり、腕組みなどセンサーの精度に依存する感情語については推定精度が低かったが、概ね推定することが可能であることが確認された。MRI装置を用いて石膏でできた耳介形状を三角ポリゴンで構成される3次元データ化し、我々が開発した音源方向に依存した鏡面反射形状特徴量を計算し、提案し、音像定位能力の心理量との関係を相関分析で分析した結果、強い相関があり、個人によっては、相関係数が0.9以上になることが分かった。当該年度は、関係する耳介部位を視覚化する手法を用いて音像定位能力に関わる耳介の部位を特定し、アダプターを装着することによって、音像定位精度が向上するかを検証した。

能力差の測定方法として、(1)音像定位精度には音源位置と被験者が提示する位置との差(RMS値)による誤差と(2)被験者が提示する位置のバラつき(標準偏差値)の差について分析を行った。それらの度合いによって、アダプター装着効果に4つのグループが存在することが分かった。また、音源方向が45°以上においては耳垂付近に存在する鏡面反射特徴量が上昇し、RMS値が減少(音像定位能力向上)する効果が、一方、音源方向が30°以下においてはアダプター装着が逆効果であることが示唆された。特に、未装着時に標準偏差が低いグループにはアダプター装着は必要がないことが示唆された。アダプター装着の効果が一部明確になった反面、鏡面反射特徴量と音像定位能力との因果関係に関しては更なる分析が必要であることがわかった。さらに、非接触型のKinectセンサーを用いて、実時間の立位姿勢感情推定システムを構築し、評価を行い、概ね感情を推定することが可能であることが確認された。その結果、空間にいる時の感情や気分を実時間で推定し,癒し空間を創出する照明・音響演出支援システムに応用できる目途がたった。音源用物理量と音像定位能力の関係分析・モデル構築については、1.音像定位能力と関係のある耳介部位を推定する視覚化技術を構築したので分析を開始したが、その部位と因果関係があるのか、検証まで至っていない。2.アダプターを装着することで音像定位能力が向上することが分かった。これについては、計画に記載しなかったが、新たな発見になる可能性がある。癒し空間を創出する照明・音響演出支援システム構築については、「個人に適応可能な着座姿勢感情推定システムを構築する」については、非接触型のセンサーを導入し、立位姿勢の実時間感情推定システムを構築することが出来た。しかし、癒し空間を創出する照明・音響演出支援システムの構築までには至っていない。(1)耳介形状を測定するだけで音像定位能力を推定する手法を提案すること、(2)実時間で立位姿勢から感情を読み取る仕組みを構築することを目的とする。(1)に関しては、MRI装置を用いて石膏でできた耳介形状を三角ポリゴンで構成される3次元データ化し、本研究で提案した音源方向に依存した鏡面反射形状特徴量を計算し、音像定位能力の心理量との関係を分析した結果、強い相関があった。個人によっては相関係数が0.9以上になり、関連することが分かった。さらに、鏡面反射形状特徴が存在する耳介部位を視覚化し、音像定位能力に影響を及ぼす部位を特定する手法を構築した。関連する部位は耳垂であることが分かり、耳垂にアダプターを装着し、音像定位実験を行った結果、音像定位能力が向上する被験者がいることが分かった。さらに、鏡面反射形状特徴量と音像定位能力に関係があることを検証するために、CADソフトで耳垂の角度を変えた耳介サンプルを作成し、鏡面反射形状特徴量を極大化する最適な耳垂角度(35°前後)を求めた。音像定位実験を行った結果、耳垂角度の変形と能動的な頭部運動が音像定位能力の指標であるRMS誤差値を小さくし、音像定位能力を向上させることが分かった。本研究の成果は、(i)鏡面反射形状特徴量が個人の音像定位能力を向上させる指標になるとともに耳介部位を特定できること、(ii)音像定位能力を向上させる要因として、耳垂角度を+35°にした耳介変形に加え、能動的な頭部運動をすることが重要であることが分かった点にある。(2)に関しては、非接触型のKinectセンサーを用いて、実時間の立位姿勢感情推定システムを構築し、評価を行い、概ね感情を推定することが可能になった。
花粉劣性を示すアブラナ類の花粉側S決定因子のポストゲノム解析

アブラナ科植物の自家不和合性では100以上ものSハプロタイプが存在すると言われているが、その中には2つのハプロタイプ間で優劣の関係が生じる場合がある。これまでの研究で花粉の優劣性では劣性を示すSハプロタイプの花粉側S決定因子SP11が優性を示すSハプロタイプとのヘテロ体でその発現が抑制され、その結果、優劣性が決まることを明らかにしてきたが、どのようにして劣性型SP11の発現が抑制されるのか不明である。本研究では劣性型SP11の発現抑制機構の解明を目的としている。劣性型SP11の転写抑制機構の解析SP11の転写抑制がDNAメチル化等のゲノムの構造変化を伴うものであるかどうか調べるため、劣性ホモあるいは優性/劣性ヘテロ体の葉、花弁、柱頭、成熟花粉および葯組織からゲノムDNAを抽出し、劣性SP11のプロモーターおよび構造遺伝子領域のメチル化の有無をbisulfate法で調べた。その結果、劣性ホモあるいは優性/劣性ヘテロの各組織におけるCpGメチル化は観察されなかった。しかし局所的なメチル化の可能性も考えられるため、現在、SP11の発現がみられる葯タペート組織のみを回収して同様の実験を進めている。またプロモーター配列の違いが転写因子等の結合に影響を与え、優性/劣性ヘテロ体では拮抗的に劣性系統のSP11プロモーター領域の発現が抑制されている可能性が考えられたため、劣性5系統からSP11遺伝子のプロモーター領域を単離して比較した。その結果、開始コドン上流約200bpでは8090%と高い相同性を示し、配列中には葯特異的なモチーフ配列も見出されたが、優性系統のSP11のプロモーター配列との相同性は認められなかった。またレポーター遺伝子を用いたトランジェントアッセイを行い、開始コドン上流約500bpのプロモーター配列が発現様式を決定する領域であることを明らかにした。今後、発現抑制に関わる領域の絞り込みに着手する予定である。
上皮の遺伝子発現を制御する間充織因子の研究

本研究の目的は、ニワトリ消化管をモデルに、器官形成における上皮の遺伝子発現を制御する間充織因子の探索とその生物学的性質を解析することである。本研究ではまず、消化管の分化が間充織の器官特異的誘導作用と、上皮の領域特異的反応性によってもたらされることを明瞭に示した。次いで、上皮の領域特異性が、転写因子や形態形成物質の遺伝子の発現によってもたらされることを、種々の遺伝子発現を詳細に解析することによって明らかにした。さらに、これらの遺伝子の発現が、間充織の作用によって規定されることを、実験発生学的に示した。とくに、本研究で注目したニワトリ胚期ペプシノゲンの遺伝子発現については詳細な解析がなされ、その発現に関与する間充織からの作用が現れるのに必要なプロモーター領域も決定された。間充織の作用の分子的実体については、様々な成長因子が関与していることが示唆され、とりわけ、骨形成タンパク質の関与が重要であるとの結果が得られた。このほかこの研究期間内に、この研究でも利用し、また今後の研究に極めて有用ないくつかの遺伝子をクローニングすることができた。このように本研究は、上皮の遺伝子発現と間充織の作用を解析したものであるが、さらに、間充織における層状構造の形成が上皮によって制御されていることも明らかになり、消化器官という複雑な構造が分化することのほぼ全段階に関して、従来とは全く異なるモデルを提唱することができた。本研究の課題は、ニワトリ胚において、消化管の内面を覆う内胚葉性上皮に注目し、その形成初期から分化した段階までの間に上皮細胞に発現する遺伝子やタンパク質をを同定し、その部域性との関係を明らかにし、またその発現にたいする間充織の作用を解析することである。平成6年度においては、消化管間充織の上皮細胞分化に対する作用の本質を明らかにするために、上皮-間充織結合実験と、間充織における成長因子の存在、また上皮に特異性に発現する遺伝子に対する間充織作用のメディエーターを解析した。まず、6日胚消化器官と5日胚肺(やはり内胚葉性上皮と内臓板中胚葉由来の間充織から構成される)をとり、上皮と間充織を単離して様々な組み合わせで結合して器官培養し、それぞれの培養片における上皮の分化を、ECPgやスクラーゼの発現を指標として調べた。その結果、正常発生においてECPgが前胃上皮のみに発現する機構は、上皮自体に存在する内在性のECPg発現能と、砂嚢間充織の阻害作用、ならびに前胃間充織の非特異的な支持作用によると結論された。次に、間充織の作用について調べ、とくに肺間充織の作用が上皮細胞の増殖促進作用と密接に関係していること、消化器官間充織にはHGFのような成長因子が存在することを示した。更に、間充織の作用の伝達に関して、6日胚前胃と砂嚢の上皮と間充織を単離し、それぞれを細胞に解離し、上皮細胞にリポフェクションを用いて、ECPg遺伝子の5'上流域にルシフェラーゼまたはガラクトシダーゼの遺伝子をつないだコンストラクトを導入し、上皮細胞と間充織細胞をいろいろの組み合わせで混合して培養した。これにより、ECPg遺伝子の5'上流域1kbがあれば間充織の支持的または抑制的作用は正しく伝達されること、さらに2kbがあると前胃間充織と培養された前胃、砂嚢の上皮におけるリポーター遺伝子の発現は促進されることが明らかになった。これらの結果は、間充織によるECPg遺伝子の発現制御が、この遺伝子の上流域に結合するなんらかの因子に対する作用であることを示唆する。今後はこのような因子の探索に全力を挙げる予定である。本研究の目的は消化管の発生において上皮の形態形成と遺伝子発現を制御する間充織因子を同定することである。ニワトリ胚消化管は、孵卵6日ごろから活発な形態形成を開始し、食道、胃(前胃と砂嚢)、小腸、大腸などの各器官が明瞭に分化する。ついで各器官の上皮は間充織の作用をうけて固有の遺伝子発現を開始する。

例えば、前胃の上皮は腺を形成して腺上皮は前胃に特異的なペプシノゲン遺伝子を、孵卵9にちごろから開始する。このような腺の形成とペプシノゲンの発現の関係を探るために、腺形成のような形態に重要であるといわれるコラーゲンの合成を阻害し、ペプシノゲンの発現に対する影響を調べた。その結果、コラーゲンの合成が阻害されると腺形成は完全に抑制されるが、それでも上皮細胞の内本来腺を形成する細胞はペプシノゲンを発現した。従って、上皮におけるペプシノゲンの発現は、腺形成とは独立した事象であることが結論される。また腺形成に伴って、いくつかの遺伝子や抗原(例えばsonic hedgehog,Sox2,cytokeratin,MA-antigen)の発現が完全に消失したり、発現量が著しく低下することが明らかになった。これらの遺伝子や抗原の挙動の変化はやはり間充織によって影響される。間充織の作用の本性を探るために、前胃間充織の代わりに肺間充織を用いたところ、前基間充織と同等またはそれ以上の誘導活性が示された。またその作用が、上皮の細胞増殖活性を増加させることと結びついていることが示唆された。従って、間充織の作用因子としては、種々の増殖因子を想定することができる。本研究の目的は、ニワトリ胚消化管の形態形成と分化において、上皮における種々き遺伝子発現を制御する間充織因子を探索することである。消化管上皮においては、その領域を決定する幾つかの転写因子の発現が明らかにされた。例えば、消化管の前方領域ではcSox2が、後方領域ではCdxAが発現し、この両者は決して重なって発現しない。これらの遺伝子発現は間充織によって制御されていることが示された。また、食道領域で発現しないことで特徴づけられる転写因子cGATA5も、食道上皮を前胃間充織とともに培養すると発現が誘導される。このように、消化管上皮の遺伝子発現は多くの場合に間充織の制御下にある。間充織の因子を探索するために、特に成長因子に注目して間充織での発現を検索した。その結果、骨形成タンパク質(BMP)が、消化管の発生に伴って発生段階特異的に、また領域特異的に発現することが示された。特にBMP-2は、前胃間充織が特異的な誘導作用を示す時期に間充織に発現し、その他の時期、その他の領域では発現しないので、誘導や上皮の遺伝子発現のmodulatorの候補としての特性を持っていることが示唆された。さらに、differential display法によって、砂嚢間充織特異的に発現する遺伝子のcDNAを単離した。この遺伝子は間充織における平滑筋の分化と関わっていることが予想され、しかも上皮によってその発現が調節されている可能性が実験的に示唆された。また、表皮成長因子が消化管内腔上皮の分化を促進し、間充織からの作用と拮抗的に働くことも示された。以上の研究は、今後レトロウイルスなどを用いた遺伝子の導入による機能解析に手がかりを与えるものである。
神経-グリアネットワーク変調が来す運動神経変性機序の解明

研究代表者は、これまでに神経変性疾患の病態に非神経細胞であるグリア細胞が積極的に関与することを明らかにしてきた。本研究では筋萎縮性側索硬化症(ALS)を病態モデルシステムとして、神経細胞とグリア細胞における細胞間ネットワーク調節機構の解明と、それに立脚したALSの疾患進行を遅延させる治療法開発を遂行し、神経変性疾患に対する新たな研究アプローチを開拓することを目的とする。今年度はグリア細胞の応答調節を研究する目的で、ALSモデルである変異SOD1マウスを用いて、ミクログリアの活性化様式について一部検証した。末梢マクロファージと同様に、近年神経系においてもミクログリア活性化は、細胞障害性(M1)と組織保護的(M2)の両面性があると考えられつつある。M1 microgliaは、TNFαなどの炎症性サイトカイン、活性酸素、NOなど細胞傷害性分子の放出を特徴とする細胞傷害性の活性化グリアとして従来から知られているが、M2 microgliaは、IL-4やTGF-βなどにより誘導され、神経栄養因子放出、炎症の軽減などの機能が知られている。変異SOD1マウスでは、発症期からM1 microgliaから放出されるTNFα,IL-1βなどの炎症性サイトカインの発現上昇がみられ、疾患進行とともにその発現はさらに上昇した。一方、細胞保護性と考えられるM2 microgliaに由来する分子(Arginaseなど)には有意な変動がみられないものが多かった。M1/M2への誘導因子のなかで抑制性サイトカインとしての機能が知られるTGF-β1は終末期において発現上昇が見られた。現時点までに得られたデータからは、ALSモデルの脊髄病巣では細胞障害性であるM1 microgliaが優位であり、M2 microgliaは非常に少ないと考えられる。
異常分散X線反射率法による超薄膜の電子密度深さ分布

異常分散X線反射率法とシンクロトロン放射X線を組み合わせて、超薄膜の電子密度深さ分布をモデルを仮定せずに決定した。試料としてGe単結晶上に(設計値Al30Å,C70Åの)1層及び3層を蒸着したものを用い、2種類の波長(Ge吸収端波長1.117Åとそこから離れた波長1.3Å)においてX線反射率曲線を測定した。それぞれの試料について、2個の反射率曲線をフーリエ変換して、薄膜中の電子密度深さ分布を得た。その分布はAlで山,Cで谷を示した。1層膜の試料では、(1)Al約30Å,C約30Åの膜厚、(2)AlとCの電子密度の遷移層が約13Å、(3)Al,Cの電子密度の値はバルクの値とほぼ同じであることが分かった。3層膜の試料では、(1)得られた膜厚を基板と反対側(つまり上側)から記述すると、Al約30Å,C約30Å,Al約60Å,C約30Å,Al約60Å,C約30Å(2)上の2組のAl,Cはバルクのそれぞれの電子密度の約65%と約70%であるのに対し、3組目のAl,Cはそれぞれ約85%,約30%,(3)Al,Cの界面で約10Åの電子密度遷移層があること(4)Alの電子密度プロファイルに微細構造があることが分かった。また、本方法で得た電子密度分布から実験反射率をほぼ完璧に復元できる。しかし通常の1波長の反射率データからモデルを仮定してフィットしたデータからは実験反射率曲線を不完全にしか復元できなかった。
振動励起分子イオン生成による星間空間低エネルギーイオン分子反応の研究

18年度前半から後半にかけて、17年度に製作した冷却八重極線形RFイオントラップを用いて、温度15-240KにわたるNH_3^++H_2→NH_4^++H反応速度定数kの測定を行った。この反応経路には、わずかなポテンシャル障壁(0.2eV)が存在するため、通常のイオン-分子反応には見られない特異なんの温度依存性が存在するが、本研究の測定でも過去のHerbstらによる理論値と同様に、100K付近に極小値をもつたの温度依存性が再現された。過去に行われたSelected Ion Flow Tube(SIFT)法による測定値と比べて本研究による測定値は理論値と良い一致を示した。Herbstらは過去の実験値とのずれが大きい理由として、理論計算による計算誤差が大きいためであると結論しているが、高圧力下(70Pa)でのSIFT法による測定値は、ペニングトラップによる低温・低圧力下(1020K,10^<-9>Pa)での測定値との間にも矛盾が見られる。本研究で行なった低温・低圧力(15-240K,10^<-3>Pa)下での測定結果は理論値及び20Kでの過去の測定値との一致がよい。したがって、過去の実験値と理論値の不一致は、計算誤差だけではなく、実験値における系統誤差にも原因があると予測される。本研究の結果から、星間分子雲中での分子存在比の議論を行うためには、低温・低圧力下での測定が必要であることが改めて示唆された。18年度末には、NH_3^+の振動励起状態生成のための赤外光源の立上げを行った。当初予定していたレーザーによる差周波発生法は、基底状態NH_3+によるNH_3++H_2→NH_4^++H反応速度定数の測定に予定以上の時間を要したため断念し、代替としてフィラメントからなる簡易赤外光源(Helio Works社製,EP-3963,3W)とバンドパスフィルター(バンド幅0.8nm)の組合せによる赤外光の発生を試みた。その結果、目的の振動励起状態の生成に必要な2.9μmの光パワーとして約0.2mWを得た。しかし、この光パワーによって得られる振動励起状態の割合が数%程度であると見積られたため、赤外光を入射した状態でのたの測定では、十分な結果を得ることができなかった。しかし、今後より強力な赤外光源と置き換えれることができれば、振動励起状態イオンを用いた測定が十分に可能なはずである。本研究の実施によって、振動励起NH_3^+によるkの温度依存性の測定を行う基礎を確立できたと言える。平成17年度には計画に従い、(1)レーザー励起Ca^<+*>イオンによるCa^<+*>+O_2の反応速度定数kのイオン温度依存性の測定,(2)レーザー励起Ca^<+*>イオンによるCa^<+*>+NH_3反応過程の研究,(3)NH_3ガス導入系の設置とNH_3^+イオンの生成及びトラップ実験、を行った。(1),(2)によって冷却型8重極線形RFイオントラップによる測定系の開発を行い、イオン-分子反応によって生成された分子イオンの質量分析法を確立した。(1)のCa^<+*>+O_2反応速度測定では、イオン温度T=400-800(K)において10^<-11><k<10^<-10>(cm^3/s)であることを明らかにした(以上の成果の一部をJpn.J.Appl.Phys.Vol.45No.2A951-960に公表した)。この結果が得られたことによって、今回開発した装置を用いてイオン-分子反応速度定数の測定が可能であることを確認できた。一方、(2)のCa^<+*>+NH_3反応は、本研究計画で予定されているレーザー冷却Ca^+によるNH_3^+イオンの共同冷却実験を行う上で重要となる反応過程であり、詳細に行う必要があった。そこで量子化学計算コード(Gaussian 03)を用いた反応性の検討を行った後、測定を行った。その結果、予測どおりレーザー励起されたCa^<+*>はNH_3分子との反応性が高く、CaNH^+, CaNH_2^+という分子イオンの生成が確認された。一方、予測に反してradiative association過程によりCaNH_3^+が大量に生成されるという興味深い結果も得られた。以上の結果からNH_3^+イオン生成を行うために必要なイオン源とレーザー冷却を行うためのCa^+のイオン源との差動排気系の重要性が改めて確認された。なお、極低温冷凍機用の冷却水として水道水を用いることを予定していたが、水質悪化により断念し、代替措置として冷却水循環装置を購入し対処することとなったため、冷凍機の導入が年度後半にずれ込んだ。それに伴い、赤外半導体レーザーとPPLN結晶を使用した差周波発生法によるコヒーレント赤外光源の開発は今年度達成することができなかった。一方、新たに自作による赤外光帰還型波長可変半導体レーザーの製作方法を確立することができた。

この反応経路には、わずかなポテンシャル障壁(0.2eV)が存在するため、通常のイオン-分子反応には見られない特異なんの温度依存性が存在するが、本研究の測定でも過去のHerbstらによる理論値と同様に、100K付近に極小値をもつたの温度依存性が再現された。過去に行われたSelected Ion Flow Tube(SIFT)法による測定値と比べて本研究による測定値は理論値と良い一致を示した。Herbstらは過去の実験値とのずれが大きい理由として、理論計算による計算誤差が大きいためであると結論しているが、高圧力下(70Pa)でのSIFT法による測定値は、ペニングトラップによる低温・低圧力下(1020K,10^<-9>Pa)での測定値との間にも矛盾が見られる。本研究で行なった低温・低圧力(15-240K,10^<-3>Pa)下での測定結果は理論値及び20Kでの過去の測定値との一致がよい。したがって、過去の実験値と理論値の不一致は、計算誤差だけではなく、実験値における系統誤差にも原因があると予測される。本研究の結果から、星間分子雲中での分子存在比の議論を行うためには、低温・低圧力下での測定が必要であることが改めて示唆された。18年度末には、NH_3^+の振動励起状態生成のための赤外光源の立上げを行った。当初予定していたレーザーによる差周波発生法は、基底状態NH_3+によるNH_3++H_2→NH_4^++H反応速度定数の測定に予定以上の時間を要したため断念し、代替としてフィラメントからなる簡易赤外光源(Helio Works社製,EP-3963,3W)とバンドパスフィルター(バンド幅0.8nm)の組合せによる赤外光の発生を試みた。その結果、目的の振動励起状態の生成に必要な2.9μmの光パワーとして約0.2mWを得た。しかし、この光パワーによって得られる振動励起状態の割合が数%程度であると見積られたため、赤外光を入射した状態でのたの測定では、十分な結果を得ることができなかった。しかし、今後より強力な赤外光源と置き換えれることができれば、振動励起状態イオンを用いた測定が十分に可能なはずである。本研究の実施によって、振動励起NH_3^+によるkの温度依存性の測定を行う基礎を確立できたと言える。
製鉄用添加物ドロマイトのバイオインフェクション制御材料への転換

鉄鉱業において使用されているドロマイトは、多量に産出される鉱物であるため、鉄鉱業以外での用途の拡大は重要であると考えられる。最近になり、酸化マグネシウム(MgO)と酸化カルシウム(CaO)は、暗所において強い抗菌活性を示すことが明らかとなっている。ドロマイトは、熱分解によって最終的にMgOとCaOを生成するので、鉄鉱業で使用されたドロマイトを抗菌材料に転換できる可能性があると予想できる。しかし、ドロマイトの詳細な熱分解過程や抗菌活性については、十分に明らかにされていない。そこで本研究では、ドロマイトの熱分解が開始する温度から熱分解最終生成物であるMgOとCaOになるまでの温度域に着目し、熱分解によって生成する試料の抗菌活性を評価することにより、ドロマイトの熱分解過程における抗菌活性発現を詳細に検討することを目的とした。はじめに、熱重量・示差熱分析(TG-DTA)を行い、ドロマイトの熱分解挙動を調べた。TG-DTA結果から熱分過程を詳細に検討し、種々の温度でドロマイトを加熱することで、熱分解試料を得た。X線回折測定(XRD)によって熱分解試料の生成相を同定し、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて熱分解に伴う粒子形状の変化を観察した。その後、大腸菌を用いた抗菌試験を行うことによってドロマイトの熱分解に伴う抗菌活性の発現の有無を評価した。XRD及びSEM観察結果から、ドロマイトの熱分解によって得られた試料は、炭酸カルシウム粒内にMgOナノ微粒子が析出した粒子であることが分かった。さらに、その試料は抗菌活性を発現することが分かった。したがって、ドロマイトの加熱処理は、抗菌活性を示す新たな材料を創製できるので、天然鉱物であるドロマイトを有効利用した抗菌材料への工業的応用が期待できることが明らかになった。
血液幹細胞の分化・増殖に及ぼす酸素濃度の影響に関する研究

我々は酸素濃度の血液幹細胞の分化・増殖に及ぼす影響に関する系統的研究を行い、その生理的ならびに病態生理的意義を追及し、以下に述べる如き数々の成果を得た。1.正常人血液幹細胞の分化・増殖に及ぼす酸素濃度の影響とその作用機序正常人血液幹細胞の分化・増殖に及ぼす酸素濃度の影響は5乃至20%の間において極めて大きく、低酸素濃度(510%)ではCFU-mixBFU-E,CFU-E,CFU-GMいずれのコロニー形成も著明な増加を示した。低酸素濃度における血液幹細胞のコロニー形成亢進のメカニズムとして酸素中毒の低下とともに各幹細胞の"poietin"感受性の亢進が要因の一つである事が確認された。2.各種血液疾患における研究骨髄増殖性疾患やmyelodysplas-tic syndrome(MDS)を中心に各種血液疾患における造血病態を追求する上に参考となる貴重な諸事実が明らかとなった。(1)"Endogenous"CFU-Eコロニー形成への酸素濃度の影響エリトロポエチン(EPO)無添加の"endogenous"CFU-Eコロニー形成は低酸素濃度下で著しく促進され抗EPO抗体添加で影響を受けない。(2)真性赤血球増加症の赤血球系幹細胞コロニー形成に対する酸素濃度の影響EPO反応性過敏と云われる本症のCFU-Eコロニー形成は低酸素濃度下で更に増進し、そのEPO dose-response curveは左方移動を示した。(3)MDSの血液幹細胞と酸素濃度本症の血液幹細胞のコロニー形成は低酸素濃度培養で特に著しい増加を示し、酸素中毒に対する感受性亢進と"poietin"感受性の低下が多くの例で示唆された。3.血液幹細胞と酸素中毒Superoxide dismutase(SOD)や各種還元剤を用い、血液幹細胞に対する酸素中毒のメカニズムを追求し多くの興味ある成績が得られたが今後尚、個体・系統発生学的研究を含め更に詳細な検討を続けて行く予定である。
磁性および蛍光用の新規な酸化物-硫化物複合型半導体の開発

硫化物、セレン化物や酸化物との組み合わせを考え、元素や化合物を用いた組み合わせでの熱分析やX線回折などにより、3元素以上を含む酸化物に作製した結晶・焼結体について、電気抵抗率、光吸収、PL、組成分布などで評価した。これまでの研究成果を以下に示す。(1)デラフォサイト型酸化物CuAlO_2から導き出されるAlをのLa系で置換した物質の焼結体合成を試みた。原料のCu_2Oは酸素との反応性が強く、大気中で焼成するとCu_2Oが酸化され、La_2O_3と反応するためにCuLa_2O_4が生成する。そこで雰囲気をアルゴン雰囲気にすることでCuLaO_2の単相を得ることができた。CuLaO_2の発光特性は室温で約580mmでの発光、77Kで約620mmでの発光が見られた。さらに、様々なドーピングを行った結果、著しく発光強度を増大させたのはCa、Srをドーピングした試料であり、特にCaをドーピングした時で、Caを0.5%ドーピングすることにより、アンドープに比べ約一桁強い発光を得られることを見出した。(2)紫外発光素子や透明pn接合デバイス用の期待されているLaCuOSにおいては、合成法や基礎物性などの課題が多く残されている。出発原料としてLa_2S_3+CuOを用いて作製した場合、この化合物の単相は、従来の報告にある焼成温度より200°C下げることができた。特に、今回、新たに見出した組み合わせからの合成であった。これは、薄膜作製にも適用できると考えている。また、InやYをLaと10%程度置換していくことで、発光強度を上げることが可能になることを見出した。現在、磁性、蛍光体として研究されているのは2元化合物がほとんどであるが、遷移金属、希土類、キャリアドープの原子を置換できるサイトが少なく、これ以上の多様性が望めなくなりつつある。その解決のため、より優れた磁性半導体、蛍光体性能を得る母体材料として、サイトの多様性の大きな3元素以上を含む酸化物、半導体、硫酸化物型の材料を取り上げる。まず、これらの化合物・固溶体が安定して出現する組成領域を明らかにする。また、希土類、遷移金属の原子を高濃度に添加し、発光・伝導・強磁性発現機構の解明、格子欠陥の同定を行い、各種の性能の向上のための対策も提案する。様々な硫化物、セレン化物や酸化物との組み合わせを考える。まず、元素や化合物を用いた組み合わせでの熱分析やX線回折などにより、3元素以上を含む酸化物、半導体、硫酸化物型化合物への合成過程の解析を行った。また、安定的な合成のための相図も作成した。これらを基に作製した結晶・焼結体について、電気抵抗率、光吸収、PL、組成分布などで評価した。(1)MnドープCulnSe_2結晶の相図から、Mnを10%以上過剰のCu_<1-x>Mn_xInSe_2ではMnSe, InSe化合物が、CuMn_xIn_<1-x>Se_2では、Cu_3Se_2,MnSe_2化合物が析出した。縦型ブリッジマン法により作製した単相のCu_<1-x>Mn_xInSe_2結晶はn形を示し、光学ギャップはノンドープ結晶より大きくなった。一方、CuMn_xIn_<1-x>Se_2結晶ではp形伝導を示し、光学ギャップはノンドープ結晶より小さくなった。これらから、CuInSe_2のCu, Inサイトに、ある程度のMnが置換されていることがわかった。

(3)紫外発光素子や透明pn接合デバイス用の期待されているLaCuOSにおいては、合成法や基礎物性などの課題が多く残されている。この硫酸化物について、様々な原料からの固相反応法による焼結体作製を検討した。その結果、出発原料としてLa_2O_3+La_2S_3+CuSまたはLa_2S_3+CuOを用いて作製した場合、この化合物の単相は、従来の報告にある焼成温度より200°C下げることができた。特に、後者は、今回、新たに見出した組み合わせからの合成であった。今後、それらの結果を結晶・焼結体作製条件にフィードバックさせ、安定性が高く、また組成の制御性が良く、半導体機能性が優れている単結晶・焼結体・薄膜の成長を目指す予定である。現在、磁性、蛍光体として研究されているのは2元化合物がほとんどであるが、遷移金属、希土類、キヤリアドープの原子を置換できるサイトが少なく、これ以上の多様性が望めなくなりつつある。その解決のため、より優れた磁性半導体、蛍光体性能を得る母体材料として、サイトの多様性の大きな3元素以上を含む酸化物半導体、硫酸化物型の材料を取り上げる。まず、これらの化合物・固溶体が安定して出現する組成領域を明らかにする。また、希土類、遷移金属の原子を高濃度に添加し、発光・伝導・強磁性発現機構の解明、格子欠陥の同定を行い、各種の性能の向上のための対策を提案する。まず、硫化物、セレン化物や酸化物との組み合わせを考え、元素や化合物を用いた組み合わせでの熱分析やX線回折などにより、3元素以上を含む酸化物に作製した結晶・焼結体について、電気抵抗率、光吸収、PL、組成分布などで評価した。これまでの研究成果を以下に示す。(1)デラフオサイト型酸化物CuAlO_2から導き出されるAlをのLa系で置換した物質の焼結体合成を試みた。原料のCu_2Oは酸素との反応性が強く、大気中で焼成するとCu_2Oが酸化され、La_2O_3と反応するためにCuLa_2O_4が生成する。そこで雰囲気をアルゴン雰囲気にすることでCuLaO_2の単相を得ることができた。CuLaO_2の発光特性は室温で約580nmでの発光、77Kで約620nmでの発光が見られた。さらに、様々なドーピングを行った結果、著しく発光強度を増大させたのはCa、Srをドーピングした試料であり、特にCaをドーピングした時で、Caを0.5%ドーピングすることにより、アンドープに比べ約一桁強い発光を得られることを見出した。(2)紫外発光素子や透明pn接合デバイス用の期待されているLaCuOSにおいては、合成法や基礎物性などの課題が多く残されている。出発原料としてLa_2S_3+CuOを用いて作製した場合、この化合物の単相は、従来の報告にある焼成温度より200°C下げることができた。特に、今回、新たに見出した組み合わせからの合成であった。これは、薄膜作製にも適用できると考えている。また、InやYをLaと10%程度置換していくことで、発光強度を上げることが可能になることを見出した。
近赤外領域の光トレーサーを利用した新しいエネルギー代謝評価法の開発

最近臨床医学の分野で注目を集めている近赤外光は紫外可視領域の光と比較すると生体に対する透過性が極めて高い。紫外可視光が培養細胞や組織表面への適用に限られるのに対して、近赤外光は10cmすなわち新生児の頭部の厚い組織をも透過できる。この高い透過性のために、近赤外分光法は特に脳組織の酸素モニタリングのような臨床医学の分野で広範に用いられている。循環系のヘモグロビン、筋肉中のミオグロビン、ミトコンドリアのチトクロームオキシダーゼは酸素化状態あるいは酸化状態に依存して吸収特性が大きく変わる。しかしながら近赤外領域の光の適用はこのような内在の色素に限られていた。細胞や組織内のエネルギー状態を測定する場合、従来は高エネルギーリン酸化合物を抽出して測定するか、リンのNMRを用いて行われてきたが、本研究では好気生物の場合、生命活動に用いられるエネルギーは酸化的リン酸化の場であるミトコンドリアの膜電位に依存して生成されることに注目した。このような性質を用いた可視領域の蛍光色素はすでに知られていたが、近赤外領域の色素は報告されていなかった。本研究の目的は近赤外領域に特徴的な吸収及び発光スペクトルをもつ光トレーサーを探索し、それを細胞下画分、細胞、臓器あるいは個体レベルへ適用することで、従来の方法に代わる新しいエネルギー代謝評価法を検討するものであった。レーザー色素を中心にして多くの蛍光色素を検索した結果、ローダミン800が適していることが明らかになった。近年のレーザー光学技術の急激な進歩により、かつて不可能であった光診断が可能になりつつある。特に近赤外光が持つ優れた生体透過性を利用した生体の酸素モニタニングは実用化され、さらに酸素化度の断層像として描き出す光断層イメージング技術へ発展しようとしている。これは生体組織(特に血液)による光の吸収が酸素化度によって変化する現象に基づいている。このため対象とする診断の範囲は狭い。本研究はこの限界を超えるために吸収以外の光学特性、特に蛍光に注目している。単離ミトコンドリアや遊離細胞において光トレーサーのプロトタイプのロ-ダミン800について諸性質を明らかにした(論文発表)。ミトコンドリアのエネルギー状態(ミトコンドリア膜電位)に依存して蛍光強度がリニアに対応する。構造的には長波長に吸収を持つため共役部分が長く疎水性がやや強いなど改良すべき点が見出された。光トレーサーで染色するための脳組織として代替人工血液を用いたラット灌流脳モデルを確立した(論文発表)。これにより外部から様々な条件をコントロールして脳のエネルギー状態を観察できることが期待される。光トレーサーのシグナルを定量化するために、実験動物を用いて生体における光の挙動について理論的な検討を加えた(論文発表)。生体組織のように強い散乱系では光強度変化は吸収蛍光変化ばかりでなく、光路長の変化が重なると考えられていたが、光路長は一定であるとして独立させることが可能になった。新しい蛍光色素の合成で派生した人工イオンチャンネルの機能が検討された(論文発表)。

このような性質を用いた可視領域の蛍光色素はすでに知られていたが、近赤外領域の色素は報告されていなかった。本研究の目的は近赤外領域に特徴的な吸収及び発光スペクトルをもつ光トレーサーを探索し、それを細胞下画分、細胞、臓器あるいは個体レベルへ適用することで、従来の方法に代わる新しいエネルギー代謝評価法を検討するものであった。レーザー色素を中心にして多くの蛍光色素を検索した結果、ローダミン800が適していることが明らかになった。