hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
環境調和型材料創成を志向したシリカ重合促進タンパク質グラシン利用の基盤技術

本課題では六放海綿類カイロウドウケツのシリカ骨格から単離されたシリカ形成促進タンパク質グラシンについて,このタンパク質のうち,シリカ形成促進に関わる領域を特定した.また,グラシンをタグとして組換えタンパク質を作製することにより,活性を保持したまま当該タンパク質をシリカに固定する技術を確立した.この成果は,当初の目的を達成したものであり,グラシンの産業利用に道を拓くこととなった.さらに,グラシンが金属イオンに強く結合するという新たな機能が見出された.六放海綿類カイロウドウケツのシリカ骨格中に見出された,中性pHにおいてシリカ形成を促進する新規タンパク質グラシンについて,(1)グラシンの配列とシリカ形成との関係を明らかにし,シリカ形成におけるグラシンの分子機構を理解し,(2)グラシンやその部分ペプチドを組換えタンパク質と融合させ,組換えタンパク質のシリカへの固定化を試みることで,グラシンの新たなタンパク質固定化のタグとしての利用可能性を探ることを目的としている.本年度は(1)について,グラシンの各領域の機能を明らかにする実験の準備として,各領域,繰り返しのユニット,グラシン分子を発現するベクターの構築および組み換えペプチドの構築を計画した.目的とするcDNAのPCR法による増幅やPCR産物のベクターへの挿入を試みたが,グラシンは繰り返し配列が多く存在し,一部にGCリッチな配列が存在することから,コドンユーセージの変換を施した上で,遺伝子の増幅とベクター構築を行った.(2)については,融合タンパク質発現系の構築と組換え融合タンパク質の発現,精製を実施することとし,Streptomyces septatus TH-2 aminopeptidase (SSAP)をモデル酵素として,この酵素にグラシンまたは部分ペプチドをタグとして付与して発現させ,精製や固定化に有効であるかどうかを検討することとした.これに先立ち,各操作段階の確認が容易となるよう,オワンクラゲ緑色蛍光タンパク質(GFP)をモデルタンパク質とした発現系を確立した.これまでに,グラシンとGFPおよびグラシンとSSAPとの融合タンパク質の発現ベクター構築を完了し,組換えタンパク質を発現させ,GFPおよびSSAP活性を確認した.グラシンの各領域の機能を明らかにする実験の準備として,各領域,繰り返しのユニット,グラシン分子を発現するベクターの構築および組み換えペプチドの構築を計画し,これを試みたところ,目的とするcDNAのPCR法による増幅やPCR産物のベクターへの挿入が困難であった.これは,グラシンには繰り返し配列が多く存在し,一部にGCリッチな配列が存在することに起因すると考え,コドンの変換を施した上で,遺伝子の増幅とベクター構築を行った.この操作により課題が解消された.融合タンパク質発現系の構築と組換え融合タンパク質の発現においては,コドンを変換した人工配列のグラシンを利用して, SSAPとの融合タンパク質発現ベクターの構築および組換えタンパク質発現を完了した.これに先立ち,オワンクラゲ緑色蛍光タンパク質(GFP)をモデルタンパク質とした発現系を確立した.グラシン-GFP融合タンパク質発現ベクターの作成およびグラシン-GFP融合タンパク質の利用により,各操作段階の確認が容易となった.グラシン遺伝子ベクター構築では,計画に遅れを生じたが,融合タンパク質発現系構築と発現確認が予想以上に順調に進んだことから,課題は結果的にほぼ予定通りに進行している.六放海綿類カイロウドウケツのシリカ骨格中に見出されたシリカ形成を促進する新規タンパク質グラシンについて,(1)グラシンの配列とシリカ形成との関係を明らかにし,シリカ形成におけるグラシンの分子機構を理解し,(2)グラシンやその部分ペプチドを組換えタンパク質と融合させ,組換えタンパク質のシリカへの固定化を試みることで,グラシンの新たなタンパク質固定化のタグとしての利用可能性を探ることを目的としている.昨年度は, (1)について,各領域,繰り返しのユニット,グラシン分子を発現するベクターの構築を行った.(2)については, Streptomyces septatus TH-2 aminopeptidase (SSAP) ,オワンクラゲ緑色蛍光タンパク質(GFP)をモデルタンパク質とした融合タンパク質発現系を確立し,両融合タンパク質の発現と活性を確認した.本年度は,(1)について,各領域,繰り返しのユニットを発現させたが,部分ペプチドが低分子のため,精製が困難であったことから,グラシン及びその部分配列をglutathione S-transferase (GST)との融合タンパク質として組換えタンパク質を発現させ,グルタチオンアフィニティクロマトグラフィーにより精製を行った.GST融合タンパク質は,領域によりシリカ形成促進活性が異なることを見出した. (2)については,グラシンがヒスチジンリッチであることからHisタグとして利用することを発案し,Ni-nitrilotriacetic acidカラムを用いて融合タンパク質の精製を試みた.GFP融合タンパク質は精製することに成功したが,SSAP融合タンパク質はカラムへの吸着が見られず精製に至らなかった.精製したグラシン-GFPをシリカに固定し,この融合タンパク質が固定化後も活性を保持していることを確認した.グラシンの各領域の機能を明らかにする実験の準備として,各領域,繰り返しのユニット,グラシン分子を発現するベクターの構築を昨年度に終え,組換えグラシンおよび部分配列を発現させたところ,部分配列は精製が困難であるという課題が生じた.そこで,グラシン及びその部分配列をGSTとの融合タンパク質として発現させ,グルタチオンアフィニティクロマトグラフィーを使用して精製を行った.各融合タンパク質は良好に精製された.GST-グラシン融合タンパク質は,シリカ形成促進活性が備わることを確認した.また,GST-グラシン部分配列融合タンパク質は,グラシンの領域により異なるシリカ形成促進活性が見られた.

この結果は,当初の目標を達成したものといえる.タンパク質の固定化においては,GFPの場合,融合タンパク質の精製と固定化を行い,固定化タンパク質の活性保持を確認することができた,当初の目標を達成した.一方,SSAPにおいては,グラシンがHisタグとして機能しなかったことから,グラシン-SSAP融合タンパク質については固定化を行うことができなかった.この課題については,グラシンとSSAPの間にリンカー配列を挿入する,あるいはGST-グラシン融合タンパク質を用いて固定化を行ってみるなど,来年度さらに検討することとする.本研究では,六放海綿類カイロウドウケツのシリカ骨格中に見出された,中性pHでシリカ形成を促進する新規タンパク質グラシンについて,シリカ形成におけるグラシンの分子機構を理解し,グラシンやその部分ペプチドを組換えタンパク質と融合させ,組換えタンパク質のシリカへの固定化を試みることで,グラシンの新たなタンパク質固定化のタグとしての利用可能性を探ることを目的としている.昨年度までに,グラシン及びその部分配列をglutathione S-transferase (GST)との融合タンパク質として組換えタンパク質を発現させ,グルタチオンアフィニティクロマトグラフィーを使用して精製を行った.GST融合タンパク質は,領域により異なるシリカ形成促進活性が備わることを確認した.また, Streptomyces septatus TH-2 aminopeptidase (SSAP),オワンクラゲ緑色蛍光タンパク質(GFP)をモデルタンパク質とした融合タンパク質発現系を確立し,両融合タンパク質の発現と活性を確認した.さらに,グラシンがヒスチジンリッチであることから,グラシン自身をHisタグとして利用し融合タンパク質を精製することに成功した.精製したグラシン融合タンパク質はシリカ固定後も活性を保持していることを確認した.本年度は,精製したGSTとの融合タンパク質からグラシンおよび部分配列を切断したタンパク質についてもその領域特異性を確認することができた.GSTとの融合タンパク質を用いて定量的に評価を行い,グラシンを用いた固定化タグとしての有用性および汎用性を確認した.以上の結果より,グラシンの新たなタンパク質固定化のタグとしての利用が可能であり,特定の領域を使用することで固定化タグの利便性を高めることができるとの結論を得た.本課題では六放海綿類カイロウドウケツのシリカ骨格から単離されたシリカ形成促進タンパク質グラシンについて,このタンパク質のうち,シリカ形成促進に関わる領域を特定した.また,グラシンをタグとして組換えタンパク質を作製することにより,活性を保持したまま当該タンパク質をシリカに固定する技術を確立した.この成果は,当初の目的を達成したものであり,グラシンの産業利用に道を拓くこととなった.さらに,グラシンが金属イオンに強く結合するという新たな機能が見出された.
鼻腔化学受容器(嗅覚、フェロモン、鼻粘膜血管受容器)の臨床的研究

向精神薬誘発性と考えられる鼻閉について(目的)日常診療において、鼻閉を愁訴として来院する患者さんの中に向精神薬を長期にわたり使用し、鼻閉コントロールが困難となる症例に対し、多面的な検討を行った。(方法)向精神薬を長期にわたって使用している症例につき、その前鼻鏡所見、5000倍ノルアドレナリン経鼻投与前後における鼻腔通気性の変化、CT所見、採取した鼻粘膜の病理所見およびその粘膜収縮力の評価を行った。なお、鼻腔通気性の変化はacoustic rhinometryにより測定し、粘膜収縮力の評価はin vitro bioassay法を使用し、肥厚性鼻炎症例の鼻粘膜(通常のヒト鼻粘膜)と比較した。(結果)前鼻鏡では著しい粘膜肥厚を認めた。ノルアドレナリン投与前および5分後のacoustic rhinometry所見では、C-notchの断面積や鼻腔容積に影響をほとんど与えなかった。また、CT所見では著しい下鼻甲介の腫脹を認めた。採取した鼻粘膜の病理所見では腺組織周囲に細胞浸潤を認め、粘膜固有層は著しく増生した線維化組織および浮腫を認めた。粘膜収縮力は手術的に切除された標本にノルアドレナリンを投与してそのdose-response curveを比較検討したが、向精神薬使用症例は肥厚性鼻炎症例に比較して収縮閾値の上昇と最大収縮力が低下していた。(考察)クロルプロマジンを代表とするフェノチアジン系抗精神薬は強いα1受容体遮断作用を有しており、この薬理作用がヒト鼻粘膜の収縮作用低下をおこす引き金になったと推察される。また、鼻粘膜に線維化を引き起こした症例などでは通常の鼻粘膜浮腫を改善する薬剤の効果は期待できないため、手術治療のよい適応になると考えた。
理論と観測の融合による銀河発生学の探究

3次元の銀河の化学力学進化シミュレーションを駆使して、銀河の形成・進化過程を調べた。その結果、ライマンアルファ輝線天体は超新星爆発が大量に発生している原始銀河であることが分かり、しばらくすると銀河は星からの連続光が支配的となるライマンブレイク銀河へと変化することが分かった。そして、そこからのサブミリ波での表面輝度の進化過程を3次元輻射輸送シミュレーションにより調べた。観測との詳細な比較を行った。最終的に、これらの銀河の物理的特性を議論した。本研究では、"高赤方偏移で発見されている様々な銀河天体が、近傍宇宙のハッブル系列を構成する銀河の進化経路の一側面を見ているに過ぎない"という仮説を掲げ、銀河の化学力学モデルという武器を駆使して、銀河の発生について詳細な理論模型を構築することでこの仮説を検証する。いわば高赤方偏移天体を内包する銀河系統樹を作り上げることを目標とする。そのために、本年度は標準ACDMモデルによって示唆されるダークマターハローの密度分布の力学的安定性を調べ、そのハローを初期条件としていろいろな質量の銀河進化シミュレーションを行った。ここでは、星やダークマターは自己重力多体系として取り扱う一方で、ガスなどの流体系に関しては有限体積法をベースにしたスキームを採用している。シミュレーションによって得られたライマンアルファ輝線から理論的な輝線強度と空間分布等を算出し、実際の観測データとの直接比較を行った。また、このような銀河進化と銀河中心のブラックホールの進化の関係を検討した。さらに銀河形成の標準的描像のボトムアップシナリオを精査するため、近傍銀河であるアンドロメダ銀河で発見された銀河衝突の痕跡の数値解析をおこなった。これにより、最近近傍で見つかっているライマンアルファ輝線銀河の正体や、遠方銀河で頻繁に起こっているはずのマイナーマージャーを考える上で非常に重要となる知見を得ることができた。昨年度に引き続き、初期条件はΛCDMモデルで現在標準的に使用されている宇宙論パラメータ(密度パラメータΩ_0=0.3、宇宙項Ω_Λ=0.7、ハッブル定数h=0.7)のダークマターの密度揺らぎを考え、ダークマターハローの総質量とビリアル半径を色々と変化させた場合の銀河形成シミュレーションを実行した。また、このような計算で得られた結果と、実際の観測データを直接比較するため、ガスからの放射に関してはMAPPINGSIIIコード(Sutherland & Dopita 1993)を使って、計算結果のガスの密度、温度、重元素量からの放射を計算し、そのSpectral Energy Distributionを求めるた。そして理論的に予想されるライマンアルファ輝線の空間分布と研究協力者の共同研究者らによって得られたSSA22領域の観測データとの精密な比較をおこなった。特に着目したのは、銀河風として原始銀河から流出する複雑なガスの流れと観測されるライマンアルファエミッター(LAE)の形態との間の定量的な比較である。さらに、最近近傍宇宙で発見されているLocal LAE(TypeII LAE)とマイナーマージャーとの関連を大規模流体シミュレーションを用いて調べるための予備計算を行った。銀河衝突がTypeII LAEと密接に関係しているなら、LAEの正体の謎を解く大きな鍵になると考えられる。その為の銀河衝突シミュレーションを用いた解析を精力的に行い、近傍銀河で見られた銀河衝突現象を再現するシミュレーションモデルを構築した。前年度に引き続き、初期条件はΛCDMモデルで現在標準的に使用されている宇宙論パラメータ(密度パラメータΩ0=0.3、宇宙項ΩΛ=0.7、ハッブル定数h=0.7)のダークマターの密度揺らぎを考え、ダークマターハローの総質量とビリアル半径を色々と変化させた場合の銀河形成シミュレーションを実行した。また、このような計算で得られた結果と、実際の観測データを直接比較するため、ガスからの放射に関してはMAPPINGSIIIコード(Sutherland & Dopita 1993)を使って、計算結果のガスの密度、温度、重元素量からの放射を計算し、そのSpectral Energy Distributionを求めた。現在観測されているライマンアルファエミッターの内、質量の大きなものがライマンアルファブロッブである可能性について詳細な検討を開始した。ライマンアルファエミッターの一部は大質量の楕円銀河が形成している現場であることを示唆しているが、典型的なライマンアルファエミッターにおいてもライマンアルファブロッブと同様なガス流や形態を示す兆候について理論と観測両面から調べた。さらに理論的に予想されるライマンアルファ輝線の空間分布と研究協力者らによって得られたSSA22領域の観測データとの精密な比較をおこなった。さらに、最近近傍宇宙で発見されているLocal LAE(TypeII LAE)とマイナーマージャーとの関連を大規模流体シミュレーションを用いて調べるための本計算を開始した。銀河衝突がTypell LAEと密接に関係しているなら、LAEの正体の謎を解く大きな鍵になると考えられる。その為の銀河衝突シミュレーションを用いた解析を精力的に行い、アンドロメダ銀河で見られた銀河衝突現象を再現するシミュレーションモデルについて詳細に調べた。

初期条件としてΛCDMモデルで現在標準的に使用されている宇宙論パラメータのダークマターの密度揺らぎを考え、その総質量や質量分布等を変化させた場合のシミュレーションを実行した。また、このような計算で得られた結果と、実際の観測データを直接比較するため、ガスやダストからの放射に関してはMAPPINGSIIIコード(Sutherland & Dopita 1993)等を使って、計算結果のガスの密度、温度、重元素量からの放射を計算し、そのSpectral Energy Distributionを求めた。そして理論的に予想されるライマンアルファ輝線の空間分布と研究協力者の共同研究者らによって得られたSSA22領域の観測データとの精密な比較をおこなった。また、ダストからの赤外線放射との関係についても輻射輸送計算を行い調べ、サブミリ銀河とライマンアルファ輝線銀河との関係について詳細に解析した。さらに、銀河風として銀河から流出するガスの流れとダークマターハローの構造との関係を詳細に調べ、近傍銀河との比較も行った。最近近傍宇宙で発見されているLocal LAE(TypeII LAE)とマイナーマージャーとの関連を大規模流体シミュレーションを用いて調べるための予備計算を行った。また、ライマンアルファ輝線天体やライマンブレイク銀河、赤外銀河等の物理状態において銀河衝突が重要な役割を担っている可能性を鑑みて、銀河衝突シミュレーションを用いた解析を精力的に行い、近傍銀河で見られた銀河衝突現象を再現するシミュレーションモデルを構築した。理論と観測の相互のフィードバックサイクルを徹底的におこないながら銀河の標準進化模型の構築を推し進めた。MPI並列における計算コードの最適化も進みシミュレーションの実行時間短縮され、効率よく計算を行えるようになった。25年度が最終年度であるため、記入しない。予定通り粛々と計算を進めるとともに、観測との比較検討を行っていく。一方、星形成に関して輻射輸送の影響を考慮する必要性について検討を始めた。
生理活性を有する微生物由来環状ペプトイドの簡便合成

CH_3I-Ag_2Oによるペプチド化合物のN-メチル化反応を利用した生理活性環状ペプトイドの簡便合成法の開発を目的とし、以下の研究を行った。1-4の合成は、まず11残基の鎖状ペプチドを段階伸張法とセグメント縮合法を駆使して高純度に合成し、これらをウロニウム系縮合剤であるHATUを用いて環化させて純粋な目的ペプチドを得ることに成功した。環化位置はAla-D-Ala間が最適であった。これにより当初の研究計画の通り非メチル化CsO合成の方法を確立できた。前年度合成した非メチル化CsOアナログ(cyclo(D-Ala-Leu-Leu-Val-Leu-Nva-Sar-MeLeu-Val-Leu-Ala)のN-メチル化反応を行う前に、CsOの立体構造に関する知見を得る必要があると考え、標品の液相全合成を行うことにした。まず、Cs類の合成研究における問題点である、N-メチルアミノ酸残基が連続する難合成配列(MeLeu-MeLeu-MeVal-MeLeu)を含む保護テトラペプチドをCH_3I-Ag_2OによるN-メチル化を経由して非メチル化前駆体から1段階で収率よく調製する方法を確立した。この方法は、従来まで行われてきた保護N-メチルアミノ酸を段階伸張する方法よりも高収率であった。このフラグメントを利用してCsOの液相全合成を全収率21%で達成した。各種2次元NMRスペクトル及びIRスペクトル解析の結果、合成品は、CsAと同様に4本の分子内水素結合を形成していることを明らかにした。また、他の分子との結合サイトを導入する目的でNva残基をL-α,γ-ジアミノ酪酸(Dab)に置換したアナログが有用であると考え、保護Dab誘導体の環境調和型新規合成法を確立した。以上の知見に基づき、次年度はCsOにN-メチル化反応を施し、4つの分子内水素結合に対する反応性を調べ、14年度に合成した非メチル化CsOアナログのN-メチル化反応を行う予定である。
デンドロン型リガンドを用いた金属ナノ粒子のサイズ・形状制御

金属ナノ粒子の諸物性は粒子のサイズ・形状に依存する。したがって、これらを制御することは基礎研究、応用を問わず重要である。サイズ・形状制御法として、我々はマイクロフローリアクターと逆ミセルを選択した。マイクロフローリアクター系では、まずアミノ基を焦点部にもつポリベンジルエーテルデンドロン(PBED)(世代1-4)を合成した。次に、これらのデンドロンを保護剤とし種々の条件(温度、線速度、体積速度、前駆体濃度、保護剤濃度)下で酢酸パラジウム/ジフェニルエーテル溶液を熱還元してPdナノ粒子を調製し、TEM写真から粒子サイズを測定した。その結果、以下のことが分かった。(1)反応温度の上昇(140-200°C)とともに粒子サイズは増加する(2.7-4.8nm)。(2)体積速度一定下では管径の増大(150-320μm)とともに粒子サイズは増加する。(3)線速度一定下では粒子サイズは管径に依存せず一定である。(4)[保護剤]/[前駆体]濃度比が1-2のとき、粒子サイズは極小となる。(5)保護剤デンドロンの世代が2のとき、粒子サイズは最小となる。またバッチ式と異なり、(6)マイクロフローリアクター系では前駆体濃度が増加(1-27mM)しても粒子サイズは一定で良好な単分散性を保つ。さらに、鈴木-宮浦カップリング反応においてデンドロン型リガンドは一般の直鎖状リガンドと比べて高い触媒活性を示し、触媒の安定性も高いことが分かった。これらの結果から、マイクロフローリアクターを利用してサイズ制御されたデンドロン保護金属ナノ粒子を調製し高活性触媒として利用できることが示された。一方、逆ミセル系では、ポリエチレングリコール(PEG)鎖を焦点部にもつPBEDリガンド(世代2)を合成した。このリガンドはPEGの鎖長によってリガンドの親水・疎水性が変化する。最初に合成した鎖長6のものは水を可溶化しなかった。そこで、PEG鎖長を8,11.5と伸ばしたものを合成したところ、平均鎖長11.5のものは少量の水を可溶化することが分かった。しかし、金属ナノ粒子の調製までには至らなかった。金属ナノ粒子、特に直径が2nm以下の微小なナノ粒子のサイズや形状を制御することは、ナノ粒子の電子物性や触媒特性の基礎研究にとって重要な課題である。この目的のため、我々は2つの方法でアプローチしている。1)デンドロン型リガンドを保護剤として、逆ミセル中で金属イオンを還元し、ナノ粒子を生成させる方法。2)デンドロン型リガンドを保護剤として、マイクロリアクター中の流体特性を利用し、その中で金属塩を熱分解させ、ナノ粒子を生成させる方法。平成18年度は、おもに、リガンドとなるデンドロンの合成を行った。デンドロンとしては、ポリ(ベンジルエーテル)デンドロン(PBED)の焦点部を硫酸エステル化したものを合成した。反応は、焦点部に水酸基をもつPBED-OHをピリジン中でクロロスルホン酸と反応させ、エーテルから再結晶した。構造の確認は^1H-NMRに拠った。

金属ナノ粒子の諸物性(光学・電気・触媒特性など)はそのサイズや形状に強く依存する。従ってサイズ・形状の揃った単分散ナノ粒子の調製法の確立は、学問的にも工業的にも重要である。単分散金属ナノ粒子の調製には、粒子の結晶成長を制御し粒子相互の凝集を抑制するための保護剤(リガンド)とともに、粒子の調製方法もキーポイントとなる。例えばアルカンチオールは金属表面と化学吸着するため、単分散金属ナノ粒子の調製と分散安定化に多く利用されてきた。しかし、アルカンチオールは金属表面への被覆率が高いため、金属表面の活性を下げ、触媒特性を低下させる傾向がある。一方、傘状の分子構造をもつデンドロンは、その柄に相当する焦点部のみで金属粒子表面に吸着するため、被覆率が低く、金属表面の活性を保つことができる。また、嵩高い分子構造のため、粒子間凝集も効果的に抑制できると考えられる。そこで、本研究ではまず焦点部にチオール基またはアミノ基を有するポリ(ベンジルエーテル)デンドロン(PBED-SH,PBED-NH_2)、および焦点部にポリオキシエチレン鎖を付与したポリ(ベンジルエーテル)デンドロン(PBED-PEG)を合成し、次にこれを用いてパラジウム(Pd)ナノ粒子の調製を行った。調製方法はマイクロリアクター系と逆ミセル系の2種類を試みた。(1)マイクロリアクター系:初めにPd金属前駆体であるパラジウム(II)アセチルアセトナト錯体(Pd(acac)_2)とPBED-SHおよびPBED-NH_2(世代G1-G3)をモル比1:1-1:5で高沸点溶媒であるジフェニルエーテル(bp.259°C)中に溶解させた。次にその溶液をマイクロシリンジに装填し、体積速度2.5-500μl min^<-1>でシリーカキャピラリー中に排出した。シリカキャピラリーの内径は150,200,320μmの3種類を用いた。キャピラリーの全長は2mであり,中間部の1.5mシリコンオイル熱浴中に浸した。熱浴の温度は140-200°Cに設定した。Pd(acac)_2は熱浴中で熱分解し、acac配位子の酸化脱離と共にPd(II)イオンが還元されてPdナノ粒子を生成することが、UV-vis吸収スペクトルから確認された。Pdナノ粒子のサイズは線速度の増加に伴い減少すること、線速度一定の下では体積速度とキャピラリー内径に依存しないことが分かった。また粒子サイズはデンドロンの世代増加(G1-G3)に伴って減少するが(4.7-2.8nm)、前駆体濃度(1-27mMには依存せず一定値(3.1±0.2nm)を示し良好な単分散性(相対標準偏差〓10%)を保った。一方、バッチ系では前駆体濃度の増加と共に平均サイズの増加と単分散性の低下が顕著に見られた。これらの結果はナノ粒子の大量合成にマイクロリアクターが利用できることを示している.(2)逆ミセル系:疎水性のデンドロン部G2-PBEDとエチレンオキシド鎖が6のものを合成した。これはトルエンおよびアニソールに可溶であったが、逆ミセルの形成には至らなかった。
体内動態追跡を目的とした細胞標識のための多機能性量子ドットの開発

生体内に投与した細胞の体内分布および挙動は、細胞移植による治療効果を左右する重要な情報である。強い蛍光を有する量子ドットは細胞の蛍光標識に有効である。本研究では、PAMAMデンドリマー修飾量子ドットの開発により幹細胞への取り込み増大により蛍光標識効率を向上させることができた。さらに、エンドソームからの脱出促進により、量子ドットの蛍光強度の低下を抑制し、蛍光観察できる期間を延長させることができた。量子ドットのような微粒子はエンドサイトーシスにより細胞に取り込まれた後、エンドソーム、リソソームとpHの低い環境にさらされる。量子ドットを各種pHの水溶液中における蛍光強度を測定したところ、pH4においては急激な蛍光強度の低下が認められた。そこで低pH環境下における量子ドットの退色を回避するために、緩衝能を有するPAMAMデンドリマーを修飾した量子ドットを作成した。作成した量子ドット1個当たり約8個のPAMAMデンドリマーが修飾されており、未修飾の量子ドットと蛍光強度はほぼ同じであった。PAMAMデンドリマー修飾量子ドットを細胞へ取り込ませると、未修飾量子ドットと比較して、細胞質へ分散する様子が観察された。更に、PAMAMの有する正電荷により未修飾量子ドットではゼータ電位は-20mVだったが、PAMAMデンドリマー修飾量子ドットでは+3mVになった。さらに細胞膜との静電的相互作用により細胞への取り込み量が増大した。最後に、PAMAMデンドリマー修飾または未修飾量子ドットを同程度の蛍光強度になるように細胞へ取り込ませた後、経日的に蛍光強度を観察したところ、未修飾量子ドットは3日後には蛍光強度が明らかに減少したが、PAMAMデンドリマー修飾量子ドットはほとんど退色していなかった。またPAMAMデンドリマー修飾量子ドットは少なくとも40nMまで細胞毒性は観察されなかった。以上、本年度は、機能性分子としてPAMAMデンドリマーを修飾した量子ドットを作成し、細胞内動態を制御することにより量子ドットの蛍光強度の減少を抑制することができた。また、次年度にむけて、多機能性量子ドットの作成を開始した。量子ドットは、強い蛍光を発光し、励起光に対する退色がほとんどない、などin vivoのイメージングに適した性質を有する。しかしながら、エンドサイト-シスを介した取り込み後、エンドソーム内に滞留し、pHの低下にともない蛍光が消光するため、エンドサイト-シスを介した取り込みによる長期蛍光標識は困難である。昨年度本研究課題で作成したPAMAMデンドリマー修飾量子ドットはPAMAMデンドリマーのbuffering能により量子ドットのエンドソームからの脱出を促進し、蛍光強度を持続させることができた。本年度は、まず、PAMAMデンドリマー修飾量子ドットで標識されたマウス由来初代培養間葉系幹細胞を用いた、移植後の間葉系幹細胞追跡を行った。蛍光標識された幹細胞は、静脈内投与後、30分後は肺で高い集積が観察されたが、6時間後には、肺における集積は減少し、肝臓および脾臓における高い集積が観察された。また、心臓、腎臓にはほとんど集積は認められなかった。また、高速撮影が可能な共焦点レーザー顕微鏡を用いて、生きたマウスの腹部に小さな開口を作成し、麻酔下において肝臓内の血管を血流とともに流れる蛍光標識間葉系幹細胞を観察することにも成功した。更に、まず、PAMAMデンドリマーに代わり生体親和性を有し、buffering能を有するアミノ酸であるヒスチジンやリジンから構成されるアミノ酸デンドリマーを合成し、蛍光微粒子に修飾し細胞内動態を観察したところ、PAMAMデンドリマーの場合と同様にエンドソームからの脱出が促進される様子が観察された。以上、量子ドットにbuffering能を有する分子を修飾することにより、細胞への取り込み促進およびエンドソームからの脱出促進により、細胞の効率的な蛍光修飾かつ蛍光標識の持続が可能となり、マウス体内の細胞の動態を可視化することに成功した。
大学生の心身の健康問題に対処しうる独創的体育プログラム開発のための企画調査

運動・身体活動・スポーツ活動の心理的、社会的、身体的効果は、これまで多くの研究で明らかにされている。しかし、近代化、都市化、機械化、省力化の進んだ今日の生活環境は、少子化と相俟って、子どもや青少年たちの室内遊びや身体的不活動への傾向を加速させている。その影響を反映してか、最近の大学生においては、メンタルヘルスの悪下、コミュニケーションスキルや体力の低下が顕著であり、大学が抱える問題の一つとなっている。本研究グループは、これら大学生の心身の健康問題に対処しうる独創的な体育プログラムの開発を進める大型研究プロジェクトを立ち上げるため、本年度は研究打ち合わせ会(3回)を中心として、大学訪問実態調査、全国アンケート調査、そして企画調査報告会(1回)を行った。全国で展開されている健康・体力づくりを意図したユニークな大学体育授業は、実際に大学を訪問し、実技、演習の授業を参観しながら、実施の理念、目的、方法、シラバス、学生の反応等々を調査した。実技種目としては、一般スポーツ型、演習型、野外体験型、武道系など、様々な授業形態を調べた。また、企画調査報告会では、プログラム内容として、特別講演、招待講演、シンポジウム、一般研究発表で構成し、招待講演者のDr.Rafer Lutz氏(アメリカ、ベイラー大学)には、ワシントン大学、アリゾナ州立大学、ベイラー大学の体育プログラムの現状と、ベイラー大学におけるユニークな体育教員養成プログラムについて話題を提供して貰った。これらの調査結果は報告書としてまとめられている。
分子生物学的手法と高次構造解析による情報伝達機構の解析

本研究の目的は、生体膜を介した情報伝達の問題を解明するために、いくつかの情報伝達に関与する重要な膜蛋白質を遺伝子工学によって大量生産し、構造解析に供することである。まず、バキュロウィルスと昆虫の細胞培養系を用いて、グルタミン酸受容体(NMDAレセプター)、mas癌遺伝子産物(アンジオテンシンレセプター)などいくつかの重要な情報伝達に関与する膜蛋白質の大量生産を試みた。筆者が用いた系は目的遺伝子と同じ転移プラスミド上にbeta-ガラクトシダーゼ遺伝子を組み込んであり、beta-ガラクトシダーゼ活性を指標に組み替え体ウイルスを選別する系である。まず、EGFレセプター遺伝子、NMDAレセプ夕一遺伝子、mas癌遺伝子産物をこの転移プラスミドにクローニングした。これらのプラスミドと直線化したバキュロウィルスDNAとをコトランスフェクションを行い、組換え体ウイルスを選択できた。EGFレセプターにおいてはEGF結合活性を示すプラークが得られた。ただし、量的には従来培養細胞などから得られる量と比べて多くなく、二次元結晶化に供するほどの量が得られなかった。NMDAレセプター、mas癌遺伝子産物においては現在、発現をチェック中である。また、P糖タンパク質の一部分をこのパキュロウイルスの系で生産したところ、バクテリアの系に比べて100分の1ほどしか蛋白質を生産しないことがわかった。このことから系全体を見直し、メタノール資化性菌を使った強力な真核細胞の発現系を平行して使用し、大量発現に道を開こうとしている。
ロシア・アヴァンギャルドにおける文化現象としての音

本研究は、20世紀前半のロシア・ソ連文化、とりわけロシア・アヴァンギャルドという芸術運動における、文化現象としてあらわれる「音」を横断的に検証し、それを可能とした感覚・知覚の時代的布置を明らかにすることを目的とします。そのことを通して、たとえば、音の複製技術の登場、電子音楽等の音楽装置の発明、環境音への自覚化など、技術革新や音の概念の拡張が、同時代の社会及び諸芸術や文化に与えた影響を詳らかにします。また、積極的に、ここで得られた研究成果のアウトリーチにつとめ、当時の音響実験装置や電子楽器等の実物展覧会やそれにあわせたシンポジウムの開催なども予定しています。
電界発光青色複素環色素の合成設計

本研究では有機発光素子、とりわけ無機化合物では困難な青色発光素子を開発する目的で、代表的ケイ光性芳香族化合物であるp-ターフェニルのコアの芳香環を縮合複素環で置き換えた化合物を合成し、発光素子としての評価を行った。具体的な成果を以下に箇条書した。1)3,4-ジアロイル置換ピロール類とシアノメチルアミン及びヒドラジンとの縮合反応により縮合含窒素複素環化合物であるピロロ[3,4-c]ピリジン及びピロロ[3,4-d]ピリダジン類を合成した。前者は強いケイ光を発するのに対し、後者はほとんどケイ光性を示さず、縮合含窒素複素環の効果が明確に認められた。2)強ケイ光性のシアノピロロ[3,4-c]ピリジンに4個のパラ置換フェニル基を導入することにより、アモルファス状態を安定化することに成功した。これは、置換基の立体障害のため、分子が平面性を失い結晶化が妨げられたためである。3)テトラアリール置換シアノピロロ[3,4-c]ピリジンは緑から橙色のケイ光を発するが、ピロール環上の2個のアリール基を除去したジアリール置換シアノピロロ[3,4-c]ピリジンにおいて青色ケイ光を発することに成功した。安定性は未だ不十分であるが、初期の目的である青色ケイ光発光を達成できた。4)本研究で用いた基本化合物の合成研究中、新規なピロール環形成反応を見出した。また、汎用性の高い、新規な隣接ジアミン合成法を開発した。
X線及びシンクロトロンX線を用いた顕微鏡的三次元骨微細構造の解析

1.骨粗鬆症治療薬は、骨吸収抑制作用と骨形成促進作用を有する薬剤に分類されるが、卵巣摘除ラットを用いた実験結果では、前者は骨梁連結性の維持に、後者は骨梁幅増加に対して効果が高いことが考えられた。2.骨吸収抑制剤は、幾多の海外の大規模臨床試験において、骨量増加効果(8%増加)以上に骨折抑制効果(50%抑制)が大きいことが示されてきたが、その理由は解明されていなかった。有限要素解析(FEA)の結果によると骨梁連結性維持効果に基づくことが明らかにされた。3.FEAによると、骨梁構造が保たれた状態では海綿骨と皮質骨の骨強度への貢献度は同等であるが、骨梁構造が破綻すると皮質骨によって強度のほとんどが支えられているという事実が明らかになった。海綿骨強度に最も関与する因子はSMI(structure model index)で表される骨梁の形態であり、骨強度に最も関与するパラメターは皮質骨容積であり、全骨(海綿骨+皮質骨)強度に最も関与するパラメターは、bone volume fraction(BV/TV)およびtrabecular bone pattern factor(TBPf)であることが判明した。4.高輝度放射光施設であるSPring-8のシンクロトロンX線CTでは海綿骨梁表面の吸収窩の描出が可能であり、走査電顕SEMで認められた像と一致することが確認できた。また骨梁表面に沿ったimmatureな石灰化の部分が、シンクロトロンX線CT二次元像で描出でき、contact microradiographyの像と一致することが確認できた。また骨量吸収係数(カルシウムと炭素)はエネルギーに応じて変化することより、15,17,25,40KeVのエネルギーでスキャンして、次の式よりカルシウム密度を算出した。1.骨微細構造と骨強度との間には一次あるいは二次相関が認められた。微細構造を表すパラメターのうち、骨梁の連結性の指標であるTBPfが最も骨強度との相関が高かった。2.アルファカルシドール(ALF)投与による骨微細構造と骨密度、骨強度の変化を検討したが、エストロゲンの存在の有無によってALFの作用機序が異なっていることが確認できた。ALFの骨吸収抑制作用はエストロゲン分泌の有無と関係なく認められた。一方エストロゲン分泌(+)よりもエストロゲン分泌(-)の方がALFによる骨形成抑制作用がなく、薬用量でエストロゲン分泌(+)の状態と同程度まで微細構造、骨密度、骨強度が改善された。またエストロゲン分泌がない状態では、皮質骨多孔化が進行し、ALF投与にても抑制はできなかった。但し薬用量の範囲では骨強度に影響を及ぼすような皮質骨多孔化は生じなかった。3.有限要素解析を用いた評価により、海綿骨骨梁構造の保たれている骨では骨梁構造が骨強度に大きく関与し、骨梁構造が劣化している骨では骨強度は皮質骨に依存していることが明らかとなった。

3.FEAによると、骨梁構造が保たれた状態では海綿骨と皮質骨の骨強度への貢献度は同等であるが、骨梁構造が破綻すると皮質骨によって強度のほとんどが支えられているという事実が明らかになった。海綿骨強度に最も関与する因子はSMI (structure model index)で表される骨梁の形態であり、骨強度に最も関与するパラメターは皮質骨容積であり、全骨(海綿骨+皮質骨)強度に最も関与するパラメターは、bone volume fraction (BV/TV)およびtrabecular bone pattern factor (TBPf)であることが判明した。4.高輝度放射光施設であるSPring-8のシンクロトロンX線CTでは海綿骨梁表面の吸収窩の描出が可能であり、走査電顕SEMで認められた像と一致することが確認できた。また骨梁表面に沿ったimmatureな石灰化の部分が、シンクロトロンX線CT二次元像で描出でき、contact microradiographyの像と一致することが確認できた。また骨量吸収係数(カルシウムと炭素)はエネルギーに応じて変化することより、15,17,25,40KeVのエネルギーでスキャンして、次の式よりカルシウム密度を算出した。
軟X線CTによる土壌間隙構造の定量化と土壌生態系の解析への応用に関する基礎研究

本研究の目的は、供試土壌中の間隙構造の軟X線影像から三次元位置情報を高精度で求めるためのシステム開発である。そのために、今まで手作業で行ってきた軟X線非破壊検査装置(現有)に含まれる試料移動台の平行移動および移動台に内蔵するターンテーブルの回転移動をコンピュータで制御できるための基本プログラムを作成し、ステッピングモーターのステップ角0.1度、位置精度0.01度、平行移動精度0.005mmの精度での平行・回転移動を可能とした。これを用いて、一回の撮影で0度から90度までステップ角10度で合計10枚の軟X線影像を撮影するプログラムを作成した。次に得られた1組10枚の影像から供試土壌中の管状間隙(以下、孔隙)の陰影を対象に目視で位置同定し、三次元座標を求めるためのプログラムを作成した。別途目視で測定した孔隙径を入力して、その三次元画像を表示するプログラムを作成し、軟X線土壌孔隙影像と比較し、その精度を検証した。実際に、土壌孔隙が発達していると思われる灰色低地水田土壌の深さ5060cmのグライ層にて100cm^3標準サンプラで採取した供試土壌を対象に上記システムを使って土壌孔隙の三次元画像を求めた。次に測定精度を検証するために、三次元画像を各影像に投影し、同定時に入力した陰影の位置との差を計算した。その結果、0度から90度までどの画像においても差は1.3mm以内であった。これは既往の研究である平行移動台を用いて撮影したステレオ影像から求めた三次元画像の孔隙位置とステレオ影像のそれとの差の最大値15.4mmの1/10以下であり、このシステムの有用性が検証された。造影剤を供試土壌上部に適量滴下し、軟X線非破壊検査装置で観察すると造影剤が孔隙中をさらにマトリクスに至るまで拡散していく様子が見られる。それをビデオにて記録し、上記システムを用いて孔隙内部を拡散してゆく様子を定量的に記録し、比較・評価した。また、軟X線非破壊検査装置内部に定水位飽和試験装置を組み込むことができるようにし、造影剤の陰影の挙動をビデオにて記録した。土壌の管状間隙(以下、孔隙)構造は、土壌中の水や空気の動態(例えば透水性や保水性など)に大きく影響すると考えられている。このため、その形状を三次元画像として再構築することで、土壌中で生じているであろう様々な現象を解析するうえで有用な情報が提供できると考えられる。その点を踏まえた上で、本年度は軟X線非破壊検査装置(現有)をコンピュータで制御することを中心に以下の内容で研究を進めた。1.装置内に設置した資料移動台の移動回転を外部のパソコンで制御するためのソフトウェアを開発した。2.装置内のX線カメラ画像をコンピュータに直接取り込むための機器を整備し、およびソフトウェアを開発した。3.供試土壌を回転させて異なる方向から土壌孔隙のX線画像を取得し、目視による三次元位置の計測から孔隙の骨格構造を求め、別途撮影したフィルム画像から孔隙径を計測し、再現するシステムを開発した。その際、方向の異なる画像を何枚撮影すれば、孔隙の空間位置を正確に捉えることができ計測の労力を最小限に抑えることができるか検討した。4.軟X線撮影と同時に定水位透水試験を行うことが可能な実験装置を試作した。5.透水試験中に造影剤を流しこんでその流れをX線撮影によりビデオ撮影するためのソフトウェアを開発した。6.X線透過率の優れたアルミニウムを用いて軟X線撮影をするなど、少しでも鮮明な孔隙影像を得るように工夫した。

造影剤を供試土壌上部に適量滴下し、軟X線非破壊検査装置で観察すると造影剤が孔隙中をさらにマトリクスに至るまで拡散していく様子が見られる。それをビデオにて記録し、上記システムを用いて孔隙内部を拡散してゆく様子を定量的に記録し、比較・評価した。また、軟X線非破壊検査装置内部に定水位飽和試験装置を組み込むことができるようにし、造影剤の陰影の挙動をビデオにて記録した。
自己少量角膜輪部組織の幹細胞―ニッシェスフェロイド維持培養法の確立

少量組織から角膜輪部ニッチ培養法について検討した。培養1ヶ月後、形成したスフェロイドの凍結切片を作製し、組織学的解析を行った。また、形成したスフェロイドのコロニー形成能および細胞周期の比較も行った。培養1ヶ月後において少量組織から形成したスフェロイドは輪部の採取部位により形成数が異なっていた。スフェロイド形成数の多い部位では比較的大きなコロニーの形成ならびにSlow cycling cellsも多く観察され、一部組織ではN-cadherinも発現していた。輪部機能不全モデルウサギへスフェロイドの移植を行ったところ、移植1週間後において生着し、角膜へ上皮が進展しているのを確認した。角膜輪部には角膜上皮幹細胞が存在し、骨髄幹細胞のようにそのニッチの存在が考えられる。これまでに1角膜輪部組織から1ヶ月以上培養可能なニッチ様構造を維持したスフェロイドの作成が可能であることを報告してきた。今回は自己の限られた組織を想定し、少量組織から角膜輪部ニッチ培養法について検討した。自己の限られた組織を想定するため、角膜移植後の輸入角膜輪部組織から直径2.5mmの少量組織を採取し、collagenase処理を行った。処理後上皮とその直下周辺組織を回収し、マトリゲル中に播種した。培養は角膜輪部フェノタイプを維持するKGF+Y27632添加培地を用いて行った。スフェロイド中の未分化細胞を検出するため、最初3日間のみBrdUラベルを行った。形成したスフェロイドの凍結切片を作製し、組織学的解析を行ったところ、スフェロイド形成数の多い部位では未分化な細胞でみとめられるp63とslow cycling cellsで観察されるBrdU陽性細胞が多く存在し、一部N-cadherinの発現も観察した。スフェロイドのコロニー形成能および細胞周期の比較も行ったところ、スフェロイド形成数の多い部位では比較的大きなコロニーの形成ならびにG0/G1期の細胞も多く観察された。これまでの事から、少量角膜輪部組織からニッチ様構造を維持したスフェロイドの培養が可能であるが、輪部組織の部位によってその形成能力に違いがあることが示唆された。当初、計画した計画通り進んでいる。本研究の昨年度においては、少量角膜輪部組織からニッチ様構造を維持したスフェロイドの培養が可能であることを見出し、輪部組織の部位によってその形成能力に違いがあることもわかってきた。また、スフェロイド形成数の多い部位では比較的大きなコロニーの形成ならびにSlow cycling cellsも多く観察され、一部組織ではN-cadherinも発現していることがわかってきた。本年度においては、スフェロイドの保存条件を検討するため、研究協力者(兼子)と協力し、保存後における角膜輪部上皮増殖能への影響を検討している。作成したスフェロイドを回収し、-80C保存ならびに液体窒素保存を行った。また、保存時における保存液の量についても検討するため、これまで一般的に使わている量と少ない量とで保存し、増殖能への影響を検討した。増殖能の解析は回収したスフェロイドをシングルセルに分離し、コロニー形成能をRhodamine B染色にて観察した。今回の検討では-80Cならびに液体窒素での保存による増殖能への大きな違いは観察されなかった。また、保存液量においてもこれまでの液量と少ない保存液での保存による増殖能への大きな影響は観察されなかった。来年度においても引き続き作成したスフェロイドの保存条件の検討を行うとともに、移植法を確立し、その後の解析を行う予定である。当初、計画した予定でおおむね順調に進展していると考えられる。角膜輪部には角膜上皮の幹細胞が存在し、骨髄幹細胞のように幹細胞を維持する環境であるニッチの存在が考えられる。本研究の昨年度においてはこの長期培養が可能なスフェロイドの保存条件を検討するため、研究協力者(兼子)と協力し、短期保存後における角膜輪部上皮増殖能への影響を検討してきた。本年度においては長期保存における影響についても検討した。方法は昨年度と同様に、1ヶ月間培養したスフェロイドを少量の保存液でも保存可能か検討するため、直接液体窒素が触れることがない2段階容器を用いて保存を行った。短期保存は1週間後、長期保存は昨年保存しておいた1年後のスフェロイドを用いて行った。保存終了したスフェロイドをあらかじめ用意しておいたマイトマイシンC処理した3T3上に播種し、10日から1週間培養を行った。形成した上皮のコロニーはローダミンBにて染色した。短期保存では昨年度と同様に-80Cならびに液体窒素での保存では増殖能への大きな違いは見られなかったが、1年間の長期保存では-80Cではほとんど増殖が見られなくなっていることがわかってきた。一方、保存液の量による影響も検討したが、大きな違いは観察されなかった。

また、本年度においてはスフェロイドの移植法の開発を行うため、ウサギ輪部機能不全モデルを作成し、スフェロイドの移植を行っており、現在移植後の解析を行っているところであり、本研究の成果報告書で報告する予定である。少量組織から角膜輪部ニッチ培養法について検討した。培養1ヶ月後、形成したスフェロイドの凍結切片を作製し、組織学的解析を行った。また、形成したスフェロイドのコロニー形成能および細胞周期の比較も行った。培養1ヶ月後において少量組織から形成したスフェロイドは輪部の採取部位により形成数が異なっていた。スフェロイド形成数の多い部位では比較的大きなコロニーの形成ならびにSlow cycling cellsも多く観察され、一部組織ではN-cadherinも発現していた。輪部機能不全モデルウサギへスフェロイドの移植を行ったところ、移植1週間後において生着し、角膜へ上皮が進展しているのを確認した。今後はスフェロイドの保存方法の確立、移植法の確立ならびにその経過観察を行う予定である。来年度においても引き続き作成したスフェロイドの保存条件の検討を行うとともに、移植法を確立し、その後の解析を行う予定である。眼科学使用計画はほぼ予定通りであったが、一部製品の購入価格が易く購入出来た事等によって、122,079円分次年度使用学として生じた。会計的に本年度として計上されなかったが継続して購入している物もあり、次年度開始からスムーズに研究が出来る物と考えられる。一部製品の節約を行うことができたので、109,877円次年度の物品費として使用する予定である。継続して行っている物品費の購入を行って、実験をスムーズに行うものとする。また、一部は培養試薬として購入する予定である。次年度においても本年度から継続して行う実験があるため、その試薬購入費として使用する。
分子静電気エレクトロニクスに向けた光学手法によるトライボ発電ミクロ起源の研究

摩擦電気は物と物を擦り合わせることで電気が発生する現象として広く知られています。摩擦により発生する電気は、いろいろな製品を製造するときに問題を引き起こすので、摩擦しても電気を発生しない工夫や、発生した電気を逃がしてしまうようにする手法がとられてきました。一方で、近年では摩擦電気を電池の代わりにエネルギー源として利用することもできるようになってきています。摩擦電気をエネルギー源として利用するには、摩擦から多くの電気を発生させるための研究が必要です。ところが摩擦電気が発生する仕組みは良くわかっているとはいえません。それは、電気が目に見えず、材料のどのような性質が摩擦したときに電気を生みだすのかを研究する手段が限られているからです。本研究では、SHG測定が摩擦電気のミクロな起源(「電荷」と「双極子」)を可視化できる方法であることを実験により実証しました。そして、材料表面の電荷と双極子が、ものとものを擦り合せたときにどのように発生するのかを動画撮影できるようになりました。ポリイミド、ポリエチレンなどの摩擦電気を光学的に撮影できます。ポリイミド(PMDA-ODA)ではレーザー波長1140 nm(SHG波長570 nm)で電荷を、レーザー波長570 nm(SHG波長285 nm)で双極子を可視化できます。また、パルスレーザーによる時間分解測定系を構築し、ミリ秒よりも早い摩擦電気の発生過程を測定することにも成功しました。これらの成果をさらに発展させて、摩擦により発生する電荷と双極子、それらの間の関係を明らかにするために研究を進めています。本研究では、非線形光学手法であるEFISHG測定による摩擦電気発生のミクロ起源(「電荷」と「双極子」)を特定して可視化する手法を実現する。これにより、エネルギー源としての摩擦発電を利用した、静電気分子エレクトロニクスのための新しい材料評価基盤を実現する。本年度は申請時の計画に従い、下記の成果を得た。(A)摩擦電気の起源の特定:ポリイミドの電荷と双極子を特定して可視化するレーザー波長でSHG測定を実施した。さらに、ポリエチレンの電荷測定波長も決定することに成功した。熱刺激電流測定とSHG測定を同時に行うことができる測定系を新たに構築し、摩擦電気のエネルギー準位と空間分布を同時に測定できるように測定系の拡張を行った。(B)摩擦電気発生ダイナミクスの解明(時間発展):摩擦帯電の時間分解測定を行う測定系を構築した。パルスレーザーの繰り返し周期(0.1s又は1ms)で制約されたSHG測定の時間分解能の限界を克服し、パルスレーザー幅(4ns又は80fs)まで時間分解能を上げることが原理的に可能である。現在の測定システムでは摩擦を行うためのピエゾステージの応答速度の制約からマイクロ秒の時間分解能で制限されている。(C)摩擦電気の電荷と双極子の相互作用:ポリイミド表面を摩擦すると双極子が配向して負電荷が表面に発生する。SHG測定で電荷を選択的に可視化した画像と双極子を選択的に可視化した画像を比較し、その相互作用を検討した。本研究では、非線形光学測定であるEFISHG測定を摩擦電気の新しい測定手法として実現する。これにより従来の静電的測定方法の限界を克服して摩擦電気の「電荷」と「双極子」を選択的に可視化する新技術とし、静電気分子エレクトロニクスのための材料評価基盤を確立する。これまでに、光学的手法の特徴を活かして、「電荷」と「双極子」の可視化、動画撮影、時間分解測定を実現し、静電的測定方法とは異なる観点から摩擦電気に迫る実験手法を確立できた。この成果を受けて、今後の推進方策を下記の通りとして研究をさらに発展させる。1.摩擦電気の電荷と双極子の相互作用の明確化:測定手法としての研究は当初計画した項目は実現できたことから、摩擦電気発生過程を「電荷」と「双極子」を選択的に可視化し、その間の相互作用を実験の立場から明確化する。EFISHG測定可能な摩擦電気発生材料は本課題ではポリイミドとポリエチレンを特定した。この2つの材料の摩擦電気発生過程の「電荷」と「双極子」を可視化して電荷と双極子の間の相互作用を明確化する。2.摩擦電気発電過程のその場観察:前年度までにEFISHG時間分解測定を実現し、ミリ秒よりも高速の電荷発生と双極子配向過程を可視化できる状態にある。従来の静電的手法では制約のあった摩擦電気発生過程を実験で明確化する。3.摩擦の定量化:ラビングマシンを構築し、摩擦量を定量化して議論できるようにする。以上の推進方針で研究を実施し、成果の統括を行う。摩擦電気を利用するトライボ発電は、摩擦材料の開発により急速に発電面密度が向上している。本研究は、研究代表者独自の光学的静電気評価手法の波長選択性と時間分解能を活かして、摩擦発電の分子レベルでの起源を特定する世界初の手法を確立し、分子静電気エレクトロニクスへ向けた材料評価基盤を構築することを目的とする。初年度は研究実施計画に従い、EFISHG測定により摩擦電気を可視化する評価システムを新たに構築した。そして、EFISHG測定を用いれば摩擦電気を光学的に可視化できること(ー500Vの摩擦帯電で発生するEFISHG光をCCDで画像撮影できること)を実証した。研究実施計画の項目ごとの成果の概要は下記通りである。これらの成果は主に国内学会発表により公表した。(A)