hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
咀嚼運動を対象とした6自由度顎運動計測システムの開発

咀嚼運動は、機能的で生理的なものであると共に、獲得性、無意識および習慣性のものであるとされており、これまでの測定器では測定条件を十分満たすことが困難であった。そこで、咀嚼運動がもつ機能的で生理的な運動の特性を追究するには、まず測定器によるヒトへの生理的な影響を十分考慮した高性能な測定器が必要であった。本研究では、ヒトへの生理的な影響が極めて少なく、6自由度で100μm以下の測定性能を有する顎運動測定器を開発すると共に、咀嚼運動のもつ機能的で生理的な運動の特性が追究可能な計測システムの開発を行った。開発した6自由度顎運動計測システムは、顎運動検出機構部、データ処理部およびノート型パソコンより構成した。開発にあたっては、まず設計に必要な資料収集を行い、これらの資料を基にして基本設計を行った後に、模型実験から問題点を探り、試作器を製作した。具体的には、検出機構部の設計を中心に行い、上下顎の歯列に装着するメカニカルな機構を採用して、「軽量化」と「動きの滑らかさ」を追究した。また、ヒトへの生理的な影響を十分考慮した装着方法の研究も行い、小児の被験者を対象にガム咀嚼の運動を測定した。本研究の目標はほぼ達成でき、工学の立場より顎口腔機能の研究に取り組んだこれまでの業績に対して、日本顎口腔機能学会から学会賞をいただくことができ、学術大会で記念学術発表の機会が得られ、本研究での成果の一部も報告することができた。今後の研究では、検出機構部をヒトに装着した後に、食卓で顎運動が計測できる状態にまで仕上げ、歯科医師が知りたい顎機能診断情報をリアルタイムでモニタ上に提供できるシステムの開発を考えている。そのためには機構部の動的な評価方法など、解決しなければならない基本的な問題が、まだまだ多く残されており、今後も引き続き努力する所存である。本研究の目的は、ヒトへの影響が極めて少なく、6自由度で100μm以下の測定性能を有する顎運動測定器を開発すると共に、咀嚼運動のもつ機能的で生理的な運動の特性が追究可能な計測システムを開発することである。本年度の実施計画では、測定器の検出機構部を設計し製作すると共に、ヒトへの検出機構部装着方法を検討した。その結果、以下の成果を得たので報告する。1.検出機構部の設計は、我々が作成した基本的な設計図に対して、より軽量化を実施するために専門的知識の提供をうけ、改良図面の作成を終えた。2.検出機構部の部品は、新素材を積極的に活用するための調査・研究を行い、専門的知識の提供をうけ、少しでも機能的で生理的な咀嚼運動が高精度に計測可能な材料を検討し、加工実験を重ね軽量で剛性を重視した製作を行っている。3.変位検出センサは、回転センサの検討を終え購入も終えた。しかし直線センサについては、当初予定していた製品が発売中止となり代用品を検討中である。4.検出機構部の組み立ては、部品の部分試作や改良が生じ、一部を来年度に実施しなければならない。また直線センサの状況によっては変更が必要である。5.装着治具は、小児を対象に試作し、他の測定器を用いて検討した。実験では、歯列への固定は良好であったが、測定器の固定に細かい改良が必要である。以上、本年度は計画の実施時期が遅れたが、予定した目標はほぼ達成でき、得られた成果は、日本顎口腔機能学会、日本補綴歯科学会等で発表できた。

本研究の目的は、ヒトへの影響が極めて少なく、6自由度で100μm以下の測定性能を有する顎運動測定器を開発すると共に、咀嚼運動のもつ機能的で生理的な運動の特性が追究可能な計測システムを開発することである。本年度の実施計画は、測定器の検出機構部に改良を加えると共に、主としてデータ処理部のハードウェアならびにソフトウェアの設計および製作であった。その結果、以下の成果を得たので報告する。1機構部は、少しでも機能的で生理的な咀嚼運動が高精度に計測可能な状態になるように専門的知識の提供をうけ、機構および重量に改良を加えた。2データ処理部は、計測システム組み込み用データ処理装置(パーソナル・コンピュータ)を購入して改良を加え、制御部との接続回路を設計・製作した。3機構部とデータ処理装置を結ぶ電子回路部は、インタフェースを設計・製作して接続を行い、センサ信号処理のハードウェアを製作中である。4データ処理部のソフトウェアは、測定ならびに解析に必要なソフトウェアプログラムを独自で開発し、ひき続き作業を進めている。5顎運動に関する情報収集は、カロリンスカ大学、チューリッヒ大学およびベルリン自由大学を訪問し、顎運動に関する最新の情報を収集した。以上、本年度予定した目標はほぼ達成でき、得られた成果の一部は、日本顎口腔機能学会第21回学術大会で口頭発表する予定である。本年度は、研究期間の終了でもあり、測定器の検出機構部、データ処理部のハードウェアおよびソフトウェアの設計・製作に改良を加えると共に、システム全体の完成度を高め、得られた成果をまとめる計画で、以下の成果を得たので報告する。1機構部は、少しでも機能的で生理的な咀嚼運動が高精度に計測可能な状態になるよう「軽量化」と「動きの滑らかさ」に専門的知識の提供をうけ改良した。2データ処理部は、機構部と計測システム組み込み用データ処理装置(ノート型パソコン)とのインタフェースを改良し、全体のタイミング調整を行った。3データ処理部のソフトウェアは、測定ならびに解析に必要なソフトウェアプログラムを独自で開発し、ひき続き作業を進めている。4本研究によって得られた結果をまとめ成果報告書を作成した。以上、本年度の計画はほぼ達成でき、工学の立場より顎口腔機能の研究に取り組んだこれまでの業績に対して、日本顎口腔機能学会から学会賞をいただくことができ、第21回学術大会において記念学術発表の機会が得られ、本研究での成果の一部も報告することができた。また、財団法人四国産業・技術振興センター発行の「STEPねっとわーく」誌にも新技術紹介として成果の一部を掲載した。
7億年前に地球は全球凍結したか? ナミビアの縞状炭酸塩岩による検証

本研究は、ナミビアで採集した縞状炭酸塩岩の解析に基づいて、スノーボール・アース仮説を検証することである。現生代後期の氷河堆積物を覆う縞状炭酸塩岩は温暖な気候で堆積したものと考えられており、地質学における大きな謎であるとされた。氷河堆積物と縞状炭酸塩岩の組み合わせは、地球表面が前面的に凍結したとすると合理的に説明ができる。しかし、そのようなことは気候学的にありえないとされてきた。申請者らは、ナミビアで採集したラストフ縞状炭酸塩岩の化学的分析を行い、縞の解析から堆積速度の見積もりを試みてきた。層厚14mの縞状炭酸塩岩は、酸素、炭素同位体比からみて、3つの区間に区分されることが明らかになった。酸素同位体、炭素同位体比の変動は、スノーボール・アース仮説から導かれる論理的帰結と合致しているものと解釈された。現生代後期の炭酸塩岩の堆積環境の解析に、酸素同位体比が利用できることを世界に先駆けて示すことができた。一方、縞の解析では、区間2にメートルオーダーの明瞭な堆積サイクルが認められていた。このサイクルは、カルサイトに富んだ部分とドロマイトに富んだ部分の繰り返しで特徴づけられる。それぞれのサイクルには、ミリメートルスケールのラミナがあり、メートルスケールの堆積サイクルには、約1500枚のラミナが含まれていることが明らかになった。ラストフ縞状炭酸塩岩のラミナが1年ごとの環境の繰り返しを反映していることを論じた。一方、ナミビアのマイエバーグ縞状炭酸塩岩にはミリメートルスケールの縞とセンチメートルスケールの縞が形成されている。このような縞が潮汐リズムを反映したものである可能性を指摘した。この解釈によるとマイエバーグ縞状炭酸塩岩の堆積速度は、約25cm/年となる。これらの縞の解析から縞状炭酸塩岩に記録された炭素同位体比の変動の時間スケールは、数1000年であると見積もられた。これは新生代古第三紀の突発的温暖化事件(LPTM)における炭素同位体比の変動の時間スケールに比べ、一桁近く小さいことになる。以上の結果を総合すると、われわれが採集した氷河堆積物を直接覆う縞状炭酸塩岩の地球化学的特徴は、スノーボール・アース仮説と符合していることが明らかになった。今、原生代後期に地球全体が凍結したとする全球凍結仮説(Snowball Earth hypothesis)が注目を集めている。申請者は、この仮説の提唱者であるP.F.Hoffman教授らとナミビアで調査を行い、全球凍結状態から急激に温暖化したときに堆積したとされる縞状炭酸塩岩(Rasthof cap carbonate)を連続的に採集してきた。試料の全長は15mに達する。この試料をプレート状に加工し、走査型蛍光X線顕微鏡で元素マッピングを行った。また、酸素、炭素同位対比の測定を行った。炭素、酸素同位対比は、層序に対応して系統的に変化しており、下位から順にステージ1、ステージ2、ステージ3に区分された。

ステージ1では、全球凍結から温暖化を経て通常の状態に回復するまでの出来事を記録していることが読みとれた。ステージ2には、カルサイト/ドロマイトの存在度、Mn存在度に明瞭なサイクルが認められた。全球凍結仮説を支持するデータを提示したことは本研究の大きな成果である。Rasthof cap carboneteの縞が年縞であるとすると、炭素、酸素同位対比の変動の時間スケールは数1000年である。Maieberg cap carbonateの堆積リズムにはセンチメートルスケールとミリメートルスケールの縞が刻まれており、それらが潮汐リズムを反映しているとすると、堆積速度は25cm/yearとなり、Maieberg cap carbonateに記録された炭素、酸素同位対比の変動の時間スケールも1000年オーダーであると見積もられた。本研究は、ナミビアで採集した縞状炭酸塩岩の解析に基づいて、スノーボール・アース仮説を検証することである。現生代後期の氷河堆積物を覆う縞状炭酸塩岩は温暖な気候で堆積したものと考えられており、地質学における大きな謎であるとされた。氷河堆積物と縞状炭酸塩岩の組み合わせは、地球表面が前面的に凍結したとすると合理的に説明ができる。しかし、そのようなことは気候学的にありえないとされてきた。申請者らは、ナミビアで採集したラストフ縞状炭酸塩岩の化学的分析を行い、縞の解析から堆積速度の見積もりを試みてきた。層厚14mの縞状炭酸塩岩は、酸素、炭素同位体比からみて、3つの区間に区分されることが明らかになった。酸素同位体、炭素同位体比の変動は、スノーボール・アース仮説から導かれる論理的帰結と合致しているものと解釈された。現生代後期の炭酸塩岩の堆積環境の解析に、酸素同位体比が利用できることを世界に先駆けて示すことができた。一方、縞の解析では、区間2にメートルオーダーの明瞭な堆積サイクルが認められていた。このサイクルは、カルサイトに富んだ部分とドロマイトに富んだ部分の繰り返しで特徴づけられる。それぞれのサイクルには、ミリメートルスケールのラミナがあり、メートルスケールの堆積サイクルには、約1500枚のラミナが含まれていることが明らかになった。ラストフ縞状炭酸塩岩のラミナが1年ごとの環境の繰り返しを反映していることを論じた。一方、ナミビアのマイエバーグ縞状炭酸塩岩にはミリメートルスケールの縞とセンチメートルスケールの縞が形成されている。このような縞が潮汐リズムを反映したものである可能性を指摘した。この解釈によるとマイエバーグ縞状炭酸塩岩の堆積速度は、約25cm/年となる。これらの縞の解析から縞状炭酸塩岩に記録された炭素同位体比の変動の時間スケールは、数1000年であると見積もられた。これは新生代古第三紀の突発的温暖化事件(LPTM)における炭素同位体比の変動の時間スケールに比べ、一桁近く小さいことになる。以上の結果を総合すると、われわれが採集した氷河堆積物を直接覆う縞状炭酸塩岩の地球化学的特徴は、スノーボール・アース仮説と符合していることが明らかになった。
生活習慣病における飲食料品中終末糖化産物の寄与の解明

体内や飲食品中では糖質と蛋白質が反応した糖化産物が常に形成されている。本助成研究により、研究代表者が見出した悪玉物質が食後の高血糖によって形成されること、飲食品中には悪玉物質のもとになる単純糖質と糖化産物が多量に含まれること、飲食品中糖化産物が生体内悪玉物質の作用を増強することが明らかになった。飲食品中の糖化産物や単純糖質の摂取制限と言う概念が、生活習慣病の予防を考える上で、重要な理論の一つになることが示された。これまで我々は、生体内で形成される終末糖化産物(AGEs)の中でも特にglyceraldehyde由来AGEsがAGEs受容体のRAGEを介して糖尿病血管合併症などの発症・進展に強く関わっていることを解明し、toxic AGEs(TAGE)病因説を提唱するに至っている。一方、食品中に含まれるAGEsが糖尿病などの生活習慣病と関連しているとする論文が報告されている。しかしながら、これらの論文で用いられているAGEs測定方法は、褐色も蛍光も有さないN-carboxymethyllysine(CML)抗体を用いて測定したものであり、食品中AGEsと疾病の関連を議論する上では実際の食品中AGEs量を反映していないことが危惧される。このような背景から、各種AGEsの中でも特に飲食料品中に多く含まれることが予測されるglucose-derived AGEs(AGE-1)とfructose-derived AGEs(Fru-AGE)特異抗体を作製し、競合ELISA法により各種AGEs量を測定した。その結果、乳飲料や乳酸菌飲料の中には多量のAGEsを含むものが市販されていることが明らかになった。AGEsの影響を検討するため、正常ラットへ高AGEs含有飲料を8週間経口投与した結果、肝臓におけるRAGE遺伝子などの発現が増大し、生体内で形成されるTAGEの細胞障害作用を増強することが示唆された。また、保存期腎不全患者へのクレメジン投与により、血中TAGE量が低下するだけでなく、RAGE遺伝子などの発現も抑えられ、飲食品中AGEsの摂取制限や吸着除去という概念が、生活習慣病の発症・進展予防において非常に重要な理論になりえることが示唆された。これまで私達は、生体内で形成されるAGEsの中でも特にglyceraldehyde由来AGEs (toxic AGEs, TAGEと命名)がAGEs受容体(RAGE)を介して糖尿病血管合併症の発症・進展に強く関わっていることを解明してきた。最近では,認知症,がん,高血圧,非アルコール性脂肪性肝炎(NASH)などの疾患にも関与することが明らかとなってきており,TAGEの影響を抑えることが生活習慣病の発症・進展の予防及び治療戦略上,必要なことがわかってきた。一方、AGEsは高血糖下で内因性に産生されるだけでなく,外因性に飲食品中からも摂取されることが報告されている。今回,私達は市販飲食品約千種類について各種AGEs (glucose由来AGEs (AGE-1),fructose由来AGEs, TAGEなど)含有量を比較検討し,市販飲食品には多量のAGEsを含むものがあることを明らかにした。実際に高AGEs含有飲料を正常ラットに経口投与し, TAGE病因説への影響を検討した結果,ラット肝臓におけるRAGE遺伝子などの発現が増大した他,肝臓でのTAGEの蓄積が認められた。また,2型糖尿病モデルGKラットを用いた制限給餌系において, HbAlcやAGE-1の変動はみられないが, TAGEは食後の高血糖の繰り返しに伴って形成されることも見出した。さらに,飲食品中AGEsの除去効果を検討するため,保存期腎不全患者に経口吸着剤・クレメジンを3カ月間投与した結果,血中TAGE量が低下するだけでなく, RAGE遺伝子の発現も抑えられることが明らかになった。すなわち,飲食品中AGEsの摂取制限や吸着除去と言う概念が,生活習慣病の発症・進展予防を考える上で,重要な理論の一つであることを裏付けているものと思われる。
脈動流型バルブレスマイクロポンプ流路内の非対称な流動特性の評価

本課題では,脈動流によって駆動するバルブレスマイクロポンプに対し,内部の流動状態とポンプ性能への具体的な影響を調査する.本課題は,開発したバルブレスマイクロポンプに採用されるディフューザ形状流路の内部の流動状態を可視化およびPIVにより観測し,脈動流の駆動条件・流路形状ごとに整理,評価を行った.観測した内部流れは脈動流の吐出し過程において大きな渦が発生し,このときの渦度の2乗がポンプ性能と強い相関をもつことが明らかになった.一方,数値解析による結果からも同様の流れが確認できている.これらの結果より,無次元数で整理したポンプ性能や駆動条件と内部の流動特性を関連付けて評価することが可能となった.本課題では,脈動流によって駆動するバルブレスマイクロポンプに対し,内部の流動状態とポンプ性能への具体的な影響を調査する.本課題は,開発したバルブレスマイクロポンプに採用されるディフューザ形状流路の内部の流動状態を可視化およびPIVにより観測し,脈動流の駆動条件・流路形状ごとに整理,評価を行った.観測した内部流れは脈動流の吐出し過程において大きな渦が発生し,このときの渦度の2乗がポンプ性能と強い相関をもつことが明らかになった.一方,数値解析による結果からも同様の流れが確認できている.これらの結果より,無次元数で整理したポンプ性能や駆動条件と内部の流動特性を関連付けて評価することが可能となった.脈動流によって駆動するバルブレスマイクロポンプの内部流れを詳細に理解する目的で,ポンプ流路の可視化用模型を製作し,PIV(Particle Image Velocimetry)測定を実施した.供試ポンプは従来開発を行ったディフューザ型バルブレスマイクロポンプとし,ディフューザ角および深さを変更した異なる形状を14種類準備した.流路幅は可視化が比較的容易な寸法として4 [mm]とし,これまで蓄積したReynolds数,Wormersley数の無次元特性よりポンプ運転条件を決定した.脈動流はステッピングモーターに取り付けられたクランク機構とシリンダーによって発生させた.可視化は流路内の作動流体にトレーサー粒子を懸濁し,流路本体側部よりレーザーシート光を照射することでその散乱光を撮影した.正味のポンプ性能は流量計と圧力計により同時に測定を行った.PIV測定結果より,流動抵抗の非対称性は,脈動流の1周期の吐出し行程(ディフューザ形状流路において拡散方向に流れる時間)における流れが減速する時間に流路内部で発生する渦よるものと確認できた.発生する渦の様相は,高いポンプ性能を示すほど大きくなり,また回転方向が変化することが明らかになった.さらに,発生する流れの渦度がポンプ性能と相関をとる重要な知見が得られた.これらの関係を内部流れの支配パラメータである無次元数と関連付けて評価することでバルブレスマイクロポンプの流体輸送現象が明確になると考えられる.・脈動流によって駆動するバルブレスマイクロポンプの内部流れを詳細に理解する目的で,ポンプ流路の可視化用模型を用いて,昨年度より引き続きポンプ流路形状および運転条件を変更しながら流れの可視化を行い,PIV(Particle Image Velocimetry)測定を実施した.・流路内部の発生する渦流れの規模について,渦度の2乗を空間および時間で積分した値を用いて定量的に評価した結果,ポンプ性能と明確な相関関係が得られた.高いポンプ性能(特にポンプ揚程)を示す高いReynolds数(振動流の流速振幅を代表速度としたReynolds数)の運転条件や小さな流路高さの場合に,大きな渦度の2乗値を示す傾向となった。特にポンプ内部流れの振動流の吐出し流れで減速が開始した時刻で最も渦の規模が大きくなり,ポンプ性能に影響することが明らかになった.・汎用流れ解析ソフトを用いて内部流れの数値解析を行った.モデルは3次元とし実験条件と同様の条件にて非定常計算を行った.計算結果は実験結果と良好な一致を示し,内部流れを十分に再現することができた。流体工学平成25年度の計画として以下の項目について実施し,その状況は下記の通りである.・ポンプ内部流動の可視化装置の製作:本実験装置は,ポンプ流路にの下部に,ステッピングモーターに取り付けられたクランク機構とシリンダーによる脈動流発生装置を取り付けて一方向流れ実現した.ポンプはマイクロポンプの力学的相似をから観察が容易な寸法(幅4mm)で設計し,材料をアクリルとすることで内部の流れが可視化可能なものとした.ポンプ流路,高速度カメラ,光源を固定するステージを設計製作し,ポンプ性能測定には超音波流量計および圧力トランスデューサを取り付け完成させた.・数値解析による内部流れ解析:流路内部の数値解析には汎用流れ解析ソフトを用い計算を実施中である.現在,比較的周波数,振幅共に低い条件での計算を完了しており,Reynolds数の高くなる高い周波数,振幅の条件での計算における乱流モデルの適用について検討中である.・予備データの取得(ポンプ性能試験):製作した装置を用い脈動流の周波数,振幅,流路の形状の変化に対するポンプ性能の測定を実施した.正味のポンプ性能については数値解析と概ね一致することを確認している.入口,出口の流量の時間履歴についてはセンサー破損のため取り替えて現在実施中である.また,ポンプ内部流れの可視化を実施し,撮影条件およびPIV解析の条件について確立した.内部流れのPIV測定と評価方法について並行して実施し,ディフューザ形状流路内部の渦流れをポンプ性能と関連付けて評価を行い上述の通り良好な関係が得られている.

平成26年度においては以下の計画で研究を推進する予定である.・数値解析による内部流れ解析:モデルの検討が完了次第計算を継続する.計算は機関内に現有する計算機を数台確保しており,これらを用いて効率的に進める予定である.・内部流れのPIV解析および測定結果の評価:予備実験データの結果を元にポンプ流路入口・出口の流量・圧力と内部流れとの同時測定を実施していく.測定結果の評価については当初の計画通りに実施するのに加えて,予備データより明らかになった渦度による流れ場の評価を無次元数による流れの分類の評価指数として測定結果を整理する.整理されたデータをもとに,目標値である揚程40kPaを達成可能なポンプを提案・製作する.データ整理は膨大な量となることが予想されるため,実験補助に研究室学生を補助員として採用して実施すると同時に,機関内研究者(機械工学科藤原誠之准教授)との議論や本技術の共同出願者である九州工業大学宮崎康次教授とのEmailなどを有効活用したデータの検証によって研究を効率的に進める計画である.
溶液クラスタービームによる機能性有機薄膜の作成

本年度は、昨年度完成した部品類を用いて溶液クラスタービーム装置の組立、調整、ならびに装置を用いての有機超薄膜作製の試みを行った。具体的に行ったことを、以下の箇条書きで示す。(1)装置の組立を行い、真空チェックを行った。(2)ついで実際に水を用いて、液体を真空中に噴射する予備実験を行った。噴射ノズルの調整などを行った結果、2つのスキマ-を通して液体ビームを噴射できるようにすることができた。(3)この状態の装置を用い、ロ-ダミンBの水溶液、並びにエタノール溶液を用いて、ガラス基板上に膜を作製することに成功した。噴射口の温度、並びに送液量を変化させ、種々の膜を作製した。(4)このようにして作製した膜について、偏光顕微鏡観察、可視吸収スペクトル測定、蛍光測定、X線光電子分光法などによる評価を行った。このように、装置は膜作製を実際に行える状態にまで稼働している。現在はまだ微小結晶が基板上に散在する状態の膜か、溶液が液滴として基板に付着後に乾燥した膜しか作製できていないが、今後(a)溶媒、噴射パラメーター、ノズル温度などの実験パラメーターについてのさらなる最適化(b)液体ビームのパルス化(c)電場や加熱など、単なる噴射ではなく、積極的にビームを加工する試みなどの手法によって、真に有効な膜作製法へと発展させる目算が着いたと考えている。また、試料としてもより興味深いシアニン色素などの膜作製により、J会合体作製の制御などの膜制御を行うべく、種々の試料を試みる予定である。本年度は、溶液クラスタービーム作成のための装置の設計、製作を行った。既に同様のクラスタービーム発生の実験を行っている九州大学理学部西研究室のご援助を得て同様の装置の設計を行ったが、基板上に膜を作成するのが本研究の目的であるので、西研では質量分析計を設計している部分に膜基板を設置する形式とした。装置は、(1)試料溶液、液送システム、(2)液吹きだし口(3)スキマ-と中間排気システム、(4)基板部より成っている。これらについての設計、製作は大体終了し、現在、部品の組立を進めている。真空テストを行って、各真空ポンプなどは予定通りの性能を発揮することを確認した。本実験装置の心臓部は、ビームを発生する、液を送り出すパイプの先端部であり、ここからの液の送り出しや、温度制御のテストを行っている段階である。これが順調に進めば、本年度中にもシアニン色素水溶液についての膜作成の実験を行い、続いて溶媒、ビーム吹きだし口の温度、基板温度についての最適化を進めたいと考えている。具体的に行ったことを、以下に箇条書きで示す。(2)ついでに水を用いて、液体を真空中に噴射する予備実験を行った。現在はまだ微小結晶が基板上に散在する状態の膜か、溶液が液滴として基板に付着後に乾燥した膜しか作製できていないが、今後(a)溶媒、噴射パラメーター、ノズル温度などの実験パラメーターについてのさらなる最適化

(b)液体ビームのパルス化(c)電場や過熱など、単なる噴出ではなく、積極的にビームを加工する試みなどの手法によって、真に有効な膜作製法へと発展させる目算が着いたと考えている。また、資料としてもより興味深いシアニン色素などの膜作製により、J会合体作製の制御などの膜制御を行うべく、種々の資料を試みる予定である。
歯胚再生実現化へ向けた歯原性間葉細胞のHDAC3阻害による歯根長制御の試み

これまで行ってきた遺伝子改変マウスの解析結果から,HDAC3阻害剤が歯原性間葉組織の分化を調整し,歯根の成長を制御できる可能性に着目している。そこで,1各種歯原性間葉細胞に対するHDAC3阻害剤を添加することで,阻害剤の影響を真に受ける細胞を同定する。2マウスへのHDAC3阻害剤投与による歯原性間葉組織への直接的な影響を検証する。3器官原器法におけるHDAC3阻害剤投与が歯根形態に及ぼす影響を検証する。これらの実験から本申請研究は,HDAC3阻害剤が将来的に歯根長制御に有効な薬剤となり得るか明らかにし,歯胚再生の実現化へ向け,歯根長を人為的に操作する技術基盤を確立することを目的とする。
スペクトル拡散および双方向通信を用いた高効率情報伝送に基づく情報処理パラダイム

VLSIシステムの極限微細化・高速化に伴い、Gbpsオーダの高速な信号伝送技術が要求されている.本課題では、チップ間高速高効率信号伝送のためのイコライザ回路のダイナミック書き換え技術を検討した.チップ間高速信号伝送においては、伝送路中の寄生素子(R,C成分等)に起因する帯域制限の影響によりデータ伝送速度が律速される.ローパス特性を有する伝送路で劣化した信号をハイパス特性を有する等化回路(ポストイコライザ)で高周波成分を強調し補正することにより高速信号伝送が可能である。本年度の研究成果として、従来1次であったイコライザの次数を2次とし、伝達関数のゲイン係数を調整することにより、複雑な劣化波形に対応可能なイコライザ回路の構成を種々(フィードバック方式、インダクタピーキング方式等)検討した.さらに、2次イコライザの効果を確認するために、プログラマブルアナログデバイスであるFPAAにイコライザ回路を実装した.しかしながら、ゲインの調整のための値を毎回PC上のGUIで設定後、FPAAにダウンロードする必要があり、最適なゲイン係数の設定が難しいという問題があった.そこで、FPAA設計ツールのソースコードを解析し、リアルタイムにゲイン係数を変更可能なFPAA設計環境を構築し、FPAAのダイナミック書き換えを試みた.変化させるパラメータ(ゲイン係数)をGUI上のスライダで変化させることにより、リアルタイムでイコライザ回路のパラメータを変更し、イコライザ出力波形を観測しながら、最も波形が補正可能な最適値を決定することが出来た.VLSIシステムの極限微細化・高並列化・低電圧化に伴う内部配線数およびノイズの増大等、配線に起因する諸問題の軽減を目的として、本研究者は多重化、等化技術等の通信技術をチップ内・間の通信に用いた高効率情報伝送方式を検討している。今年度は、伝送路の帯域制限による信号劣化の影響を補正するための波形強調(プリエンファシス)技術と波形等化(ポストイコライズ)技術のアルゴリズムの検討、回路の設計手法および実装に関する検討を行った。まず、波形をあらかじめ強調して伝送するプリエンファシス技術においては、種々の伝送路における複雑な波形劣化に対応するため、強調点を従来砂1点かち4点に増加させ、それらの最適電圧値を遺伝的アルゴリズム(GA)を用いて最適化するアルゴリズムを検討した。これにより、伝送線路の伝達関数の逆特性が算出困難な場合でも、最適なプリエンファシス電圧強度を設定可能となった。さらに、200世代の進化に必要な長時間の計算を16台のPCクラスタを用いて並列化し、高速化を図った。次に、ポストイコライズ回路においては、カットオフ周波数、ゲイン等の値を決定する素子パラメータ値をEDA最適化ツールを用いて最適化し、復元可能な信号の周波数帯域の拡張を可能とした。これにより、人手による回路設計の帯域を約3倍にまで拡張可能となり、高速な信号復元動作が可能となった。さらに、アナログ回路をプログラム可能なFPAAを用いて最適化されたイコライザ回路を実装し、原理実験による波形等化の動作確認も行った。本年度の研究成果として、従来1次であったイコライザの次数を2次とし、伝達関数のゲイン係数を調整することにより、複雑な劣化波形に対応可能なイコライザ回路の構成を種々(フィードバック方式、インダクタピーキング方式等)検討した.さらに、2次イコライザの効果を確認するために、プログラマブルアナログデバイスであるFPAAにイコライザ回路を実装した.しかしながら、ゲインの調整のための値を毎回PC上のGUIで設定後、FPAAにダウンロードする必要があり、最適なゲイン係数の設定が難しいという問題があった.そこで、FPAA設計ツールのソースコードを解析し、リアルタイムにゲイン係数を変更可能なFPAA設計環境を構築し、FPAAのダイナミック書き換えを試みた.変化させるパラメータ(ゲイン係数)をGUI上のスライダで変化させることにより、リアルタイムでイコライザ回路のパラメータを変更し、イコライザ出力波形を観測しながら、最も波形が補正可能な最適値を決定することが出来た.
病的近視による眼球変形機序の四次元時空的解明と分子標的治療の確立

病的近視眼では、視神経や黄斑部網膜を含む眼球後極部の変形により視覚障害が生じるが、眼球変形のメカニズムは不明であった。本研究では、高度の眼軸延長と強膜菲薄化の両方を再現する新規実験近視動物モデルとして、視覚刺激遮断によるラット近視モデルを確立した。ラット近視眼において、強膜菲薄化と近視進行を抑制するために、ヒト由来の線維芽細胞をラット強膜に沿って移植したところ、移植細胞が強膜に沿って遊走し、in situで新たなコラーゲンを産生して強膜を肥厚化し、近視を抑制することに成功した。自分自身の線維芽細胞を用いる自家移植による眼球変形の新しい治療になるものである。視覚刺激遮断により高度の眼軸延長を生じる実験近視モデルとして、コモン・マーモセットおよびラットを用いて研究を行った。両動物種において、視覚刺激遮断により、近視の発生および眼軸延長が認められたが、マーモセットでは個体間のばらつきが大きく多数を検討することが困難であるため以降の実験はラットを用いて施行した。ラット実験近視モデルの後部強膜に沿って、GFP遺伝子導入したヒト由来線維芽細胞を注入し、1週間では後部強膜に沿って細胞の生着を認め、同部位でコラーゲンの産生を認めた。注入2週間後には、免疫抑制剤使用していたが生着細胞は消失していた。しかし産生されたコラーゲンは残存しており、透過型電子顕微鏡でも新しく産生されたコラーゲン線維が確認され、免疫電顕にてヒト細胞由来のコラーゲンであることが確認された。さらに実験近視モデルに線維芽細胞を強膜に沿って注入することにより、眼軸延長や近視化の抑制に成功した。以上から、移植細胞消失後にも局所で産生されたコラーゲンが近視化の抑制には十分機能していることが示された。さらに、2D MRIで撮影された画像を用いて、3D MRIに近い精度で眼球形状を解析できるソフトウェアを大日本印刷との共同研究で開発した。本ソフトウェアを用いて異なる眼球形状の症例の画像の解析を進めたところ、3D MRIと違い、2D MRIでは最も変形が高度にみられる画角を同定することが難しい症例もみられた。2D MRI撮影の段階でこの点を改善するべく検討を進めている。コモンマーモセットで安定した実験近視の作成には至らなかったものの、その後ラットモデルに変更したところ、実験手技の向上に伴い、安定した動物モデルとして確立できたことによりその後の実験がおおむね順調に進行することとなった。さらに、後部強膜に沿った細胞注入も当初トライアンドエラーがあり、注入した細胞がくも膜下腔から脳内に迷入し個体が死亡する事例もみられたが、注入部位を眼底検査で良く同定するなどの手技の向上に伴い、正確にかつ安全に注入できるようになった。以上の実験手技の向上が、研究計画がおおむね順調に進行する原因となったと考えられる。昨年度の研究成果により、動物の実験近視モデルにおいて、後部強膜に沿って移植したヒト由来の線維芽細胞がin situでコラーゲンを産生し、移植細胞が排除された後にも、新たに産生されたコラーゲンが局所に残存し、後部強膜を補強できていることを確認することができた。さらに、後部強膜の肥厚に伴い、線維芽細胞の移植をしていない実験近視眼に比較して、約40%近視の進行を抑制できることを、屈折度測定および眼軸長測定により明らかになった。今後はさらに実験近視動物モデルの数、および経過観察期間を増やし、上記効果の再現性及び長期成績を明らかにする予定である。また、ヒト強度近視患者への臨床応用に向け、プロトタイプのスキャン長20 mm、スキャン深度5 mmの超広角光干渉断層計(OCT)を用い、過去に3D MRIによる眼球形状解析を施行された症例に対し、広角OCTによる検査を施行し、治療適応となる患者の早期診断に向けての広角OCTの有効性について解析を進めている。ラット実験近視モデルが確立でき、後部強膜に沿ったヒト線維芽細胞の移植後に細胞が生着し、局所で産生されたコラーゲンが細胞消失後にも残り、成熟したコラーゲン線維が観察できたことから、今年度はさらに上記の細胞治療が近視化の抑制に有効であるかを検討し、ヒトでの臨床応用へと進める。研究を推進するために、ヒトへの臨床応用において、対象となる強膜菲薄化のみられる病的近視眼を的確に同定することが重要となる。従来3D MRIにより対象患者の同定を進めてきたが、近年の広角OCT技術の進歩により、preliminaryな検討において非侵襲的に短時間で外来で強膜菲薄化を同定できることがわかってきた。そこでこのOCTを本研究に用いることにより、3D MRIの撮影および画像の構築にかかる時間を大きく短縮し、研究を推進したいと考えている。動物の実験近視モデルにおいて、後部強膜に沿って移植したヒト由来の線維芽細胞がin situでコラーゲンを産生し、移植細胞が排除された後にも、新たに産生されたコラーゲンが局所に残存し、後部強膜を補強できていることを確認することができた。

また、ヒト強度近視患者への臨床応用に向け、プロトタイプのスキャン長20 mm、スキャン深度5 mmの超広角光干渉断層計(OCT)を用い、過去に3D MRIによる眼球形状解析を施行された症例に対し、広角OCTによる検査を施行し、治療適応となる患者の早期診断に向けての広角OCTの有効性について解析を進めている。病的近視眼では、視神経や黄斑部網膜を含む眼球後極部の変形により視覚障害が生じるが、眼球変形のメカニズムは不明であった。本研究では、高度の眼軸延長と強膜菲薄化の両方を再現する新規実験近視動物モデルとして、視覚刺激遮断によるラット近視モデルを確立した。ラットモデルでは効率よく眼軸延長を誘導でき、強膜コラーゲン線維の狭細化も電子顕微鏡的に観察された。ラット近視眼において、強膜菲薄化と近視進行を抑制するために、ヒト由来の線維芽細胞をラット強膜に沿って移植したところ、移植細胞が強膜に沿って遊走し、in situで新たなコラーゲンを産生して強膜を肥厚化し、近視を抑制することに成功した。自分自身の線維芽細胞を用いる自家移植による眼球変形の新しい治療になるものである。また、実験近視モデルとしてマウス近視眼において、特殊なプローブを用いて強膜コラーゲン光架橋を行った。光架橋後の強膜を摘出して伸展装置を用いてYoung moduleを算出することにより、照射後の強膜の硬度が増加していることが確認できた。また、UV照射に伴う網膜の障害は組織学的に認められなかった。さらに、小児期から若年までの強度近視患者に超広角光干渉断層計および3D MRIを施行して眼球変形の初期変化を検討した。その結果、小児期に将来の変形が始まる部位に一致した脈絡膜厚不均一が観察された。その後、経年的にBruch膜の変化や連続性の破綻、強膜の変形が生じていた。ラット実験近視モデルが確立でき、後部強膜に沿ったヒト線維芽細胞の移植後に細胞が生着し、局所で産生されたコラーゲンが細胞消失後にも残り、成熟したコラーゲン線維が観察できたことから、今年度はさらに上記の細胞治療が近視化の抑制に有効であるかを検討し、ヒトでの臨床応用へと進める。研究を推進するために、小動物であるラットの屈折度数測定、および眼軸長測定に習熟した技術が必要であるが、分担研究者の吉田武史が熟練しているため、測定に専任的に従事してもらうことにより測定にかかる時間を短縮する。さらに、ヒトへの臨床応用において、対象となる強膜菲薄化のみられる病的近視眼を的確に同定することが重要となる。従来3D MRIにより対象患者の同定を進めてきたが、近年の広角OCT技術の進歩により、preliminaryな検討において非侵襲的に短時間で外来で強膜菲薄化を同定できることがわかってきた。
圧縮性流体方程式系の解の安定性の研究

圧縮性Navier-Stokes方程式の初期値境界値問題については,定数平衡状態の近くの小さい初期値に対する解の減衰●価の解析,有界領域における圧縮性Navier-Stokes-Poisson方程式の初期値境界値問題では,時間大域的解の存在に●いての解析.時間依存劣微分発展方程式系では物理や工学上の数理モデルの解析を行った。半空間における圧縮性Navier-Stokes方程式の初期値境界値問題では,定数平衡状態の周りでの線形化方程式の解の●現公式の漸近展開の解析から,解は,拡散項,拡散波動項,高減衰項に分類され,拡散項の第一近似は,非定常Stok●方程式の解の速度場であり.従って,熱方程式の解が第一近似である全空間の場合と異なること,また,非線形相互作●も全空間と半空間では異なるという結論が得られた.圧縮性Navier-Stokes方程式を典型的な例としてもつようなある準線形双曲型-放物型方程式系に対して,一般の領域●での初期値境界値問題に対する局所可解性を示し,半空間における圧縮性Navier-Stokes方程式を流出境界条件のもと●考え,平面的定常解の安定性を示した.また,無限層状領域における圧縮性Naiver-Stokes方程式の定数定常解のまわ●での線形化作用素が生成する半群の時間無限大での漸近挙動を解析した.有界領域における圧縮性Navier-Stokes-Poisson方程式の初期値境界値問題では,エネルギー有限な時間大域的弱●の存在を示した.時間依存劣微分発展方程式系では,非線形退化放物型方程式のNeumann境界値問題では解が存在するための必要十分●件を与えた.任意の極大単調グラフに関する非線形退化放物型方程式のDirichlet境界値問題では,解の適切性を証明●た。任意の極大単調グラフに関する非線形退化放物型方程式のDirichlet境界値問題を生成する凸関数とその劣微分を●義し、劣微分発展方程式の理論を応用して解の存在を証明した。時間に依存するDirichlet境界条件のもとでPenrose-Fi●型相転移方程式系では,解の存在を証明した。圧縮性Navier-Stokes方程式の初期値境界値問題については,定数平衡状態の近くの小さい初期値に対する解の減衰評価の解析,有界領域における圧縮性Navier-Stokes-Poisson方程式の初期値境界値問題では,時間大域的解の存在についての解析.時間依存劣微分発展方程式系では物理や工学上の数理モデルの解析を行った。半空間における圧縮性Navier-Stokes方程式の初期値境界値問題では,定数平衡状態の周りでの線形化方程式の解の表現公式の漸近展開の解析から,解は,拡散項,拡散波動項,高減衰項に分類され,拡散項の第一近似は,非定常Stokes方程式の解の速度場であり.従って,熱方程式の解が第一近似である全空間の場合と異なること,また,非線形相互作用も全空間と半空間では異なるという結論が得られた.

圧縮性Navier-Stokes方程式を典型的な例としてもつようなある準線形双曲型-放物型方程式系に対して,一般の領域上での初期値境界値問題に対する局所可解性を示し,半空間における圧縮性Navier-Stokes方程式を流出境界条件のもとで考え,平面的定常解の安定性を示した.有界領域における圧縮性Navier-Stokes-Poisson方程式の初期値境界値問題では,エネルギー有限な時間大域的弱解の存在を示した.時間依存劣微分発展方程式系では,様々な境界条件のもとでの非線形退化放物型偏微分方程式が解をもつための必要かつ十分な条件を初期条件と境界条件に与え,また楕円・放物型変分不等式では,時間大域的有界性と周期界の存在を示し,熱流が温度に関する任意の極大単調グラフのBoussinesq方程式系では,その弱解の大域的存在,多孔性媒質中の流れの数理モデルとしてあらわれる楕円・放物型変分不等式では,その時間大域的有界性と周期界の存在を証明した。これらの研究成果は学術論文として本年度中に公刊または公刊予定であり,さらに、これらの研究成果について、国内・国外の国際研究集会・学会などで招待講演・一般講演による発表を行った。Euler-Poisson方程式では,半導体やプラズマの場合,定常解は定数平衡状態に近い形の解だけであるが,気体星の場合は,圧力が密度の指数関数のとき,その指数によって非自明な定常解があり,この定常解の安定性,非安定性が気体星の形成を示唆することが予想されている.今年度は,3次元有界領域において,粘性を考慮した圧縮性Naver-Stokes-poisson方程式を考察し,圧力の密度関数の指数が3/2より大きい場合で,Poisson項がノイマン境界条件のとき,時間大域的弱解の存在の存在を示した.本来気体星の運動は,自由境界値問題であり,その意味で,全空間で考察することが自然であるが,本研究のPoisson項がノイマン境界条件は全空間の近似になっていること,エネルギー不等式が近似方程式で保持される等の利点があることがわかる.準線形双曲型-放物型方程式系では,十分滑らかな境界をもつ領域における初期値境界値問題の局所可解性を示した.ここで考察した方程式系は,単独の輸送方程式と強放物型方程式系とからなる連立系で,圧縮性Navier-Stokes方程式を典型的な例としてもつような系である.半空間における圧縮性Navier-Stokes方程式では,流出境界条件のもとで考え,平面的定常解の安定性を示した.また,無限層状領域における圧縮性Naiver-Stokes方程式の定数定常解のまわりでの線形化作用素が生成する半群の時間無限大での漸近挙動を解析した.非線形退化放物型方程式のNeumann境界値問題では解が存在するための必要十分条件を与えた.任意の極大単調グラフに関する非線形退化放物型方程式のDirichlet境界値問題では,解の適切性を証明した。任意の極大単調グラフに関する非線形退化放物型方程式のDirichlet境界値問題を生成する凸関数とその劣微分を定義し、劣微分発展方程式の理論を応用して解の存在を証明した。時間に依存するDirichlet境界条件のもとでPenrose-Fife型相転移方程式系では,解の存在を証明した。
キノコバエの特殊な性フェロモンの誘引性における菌体信号物質の役割

ナガマドキノコバエの特殊な性フェロモンの誘引性における菌体信号物質の役割を解明するため、シイタケ菌床の揮発性成分捕集と、ガスクロマトグラフ質量分析計、昆虫の触角等を用いた電気生理学的手法、ガスクロマトグラフ触角電位検出法を用いて分析し、電気生理学的に活性のあった主成分リモネンをはじめ数成分を決定し、Y字管を用いた室内行動選択試験と粘着フィルムトラップを用いた栽培舎での誘引試験、および、ナガマドキノコバエの触角を用いた触角電図測定法で評価した。菌体揮発性主要成分及び二酸化炭素は性フェロモンに対して、室内行動試験、触角電図法のいずれの試験においても相乗的な誘引力増強効果は及ぼさないことを確認した。ナガマドキノコバエ未交尾雌成虫を用いて、群馬県産ナガマドキノコバエ合成フェロモンを用いて行動誘引試験を行った。従来の風洞による誘引試験法を改良し、揮発性の低い本種フェロモンを適度に揮散させ、偶然のメス個体の捕獲による誘引源の攪乱を防ぐことのできる新たな生物検定装置を開発し、性フェロモンの誘引活性を再現することができた。シイタケ菌床の揮発性成分をGC-MS分析した結果、テルペノイド化合物、アルデヒド化合物、芳香族化合物等いくつかの成分ピークを確認でき、主成分の一つがリモネンであることが判った。シイタケ菌床害虫ナガマドキノコバエの幼虫を、徳島県小松島市シイタケ栽培農家の栽培舎にて2012年7月に、群馬県富岡市シイタケ栽培農家の栽培舎にて2012年8月に捕獲し、研究室に持ち帰り、恒温室内でプラスチックケースと市販のシイタケ完熟菌床を用いて継代飼育した。また、別途プラスチックケース内で市販のシイタケ完熟菌床にてシイタケを培養し、キノコ出現初期から末期における揮発性成分を固相マイクロ抽出装置(SPME)を用いて捕集した。また人工飼育によりに得られたナガマドキノコバエ未交尾雌雄成虫を、ノルマルヘキサンにより抽出し、粗抽出物を得た。各地域の雌のノルマルへキサン抽出物に対して、同所の雄成虫は同所の雌抽出物に対して羽ばたき行動を行うことが観察できた。得られたSPMEファイバー、及びノルマルヘキサン抽出物を、生物検定およびガスクロマトグラフ質量分析装置(GCーMS)、及びガスクロマトグラフ直結触角電位検出装置(GCーEAD)等を用いて各種微量機器分析に供試した。SPMEファイバー、及びノルマルヘキサン抽出物に対するGCーEAD分析及びGCーMS分析の結果、徳島県小松島市のメス成虫抽出物由来の揮発性成分と、群馬県富岡市のメス成虫抽出物由来の揮発性成分ではプロファイルに違いが認められ、性フェロモン成分及び類似性フェロモン候補成分の組成に違いが認められた。また、シイタケ菌床から発生した揮発性成分のうち主要成分であるモノテルペン化合物を特定した。フタマタナガマドキノコバエの特殊な性フェロモンの誘引性における菌体信号物質の役割を解明するため、シイタケ菌床の揮発性成分捕集と、ガスクロマトグラフ質量分析計(GC-MS)、昆虫の触角等を用いた電気生理学的手法、ガスクロマトグラフ触角電位検出法(GCーEAD)を用いて分析し、電気生理学的に活性のあった主成分リモネンをはじめ数成分αピネン、カンフェン、1オクテン3オール、ヘキサノール等を決定した。決定したナガマド誘引候補化合物を用いた栽培舎での粘着フィルムトラップ法を考案し誘引試験も行ったが、栽培舎においては室内環境が特殊なため、匂い成分を用いたトラップ試験は安定した結果が得られなかった。シイタケ菌体匂い成分の活性成分に対しては、性フェロモンに対する協力効果を、Y字管を用いた室内行動選択実験を行いて評価した。さらにシイタケ菌体匂い成分の性フェロモンに対する協力効果を、カシナガの触角を用いた触角電図(EAG)測定法で評価した。菌体揮発性成分の主要成分であるリモネンや1オクテン3オール、ヘキサノール等と性フェロモンにに対してEAG活性はそれぞれ明確に応答が見られたが、室内行動試験、触角電図法のいずれの試験においても明確な相乗効果を示すような組み合わせは認められず、また、二酸化炭素付加条件においても、明確な誘引力増強効果、忌避性は認められないことを明らかにした。得られたデータをアメリカ昆虫学会で報告した。

化学生態学群馬県産ナガマドキノコバエ合成フェロモンを用いた行動誘引試験において従来の風洞による誘引試験法を改良し、揮発性の低い本種フェロモンを適度に揮散させ、また偶然のメス個体の捕獲による誘引源の攪乱を防ぐことのできる新たな生物検定装置を開発するなど、性フェロモンによる誘引活性を再現することができ、また、シイタケ菌床の揮発性成分を分析し、主成分の一つを突き止めることができる等、着実に成果が上がっている。シイタケ菌床害虫菌体ナガマドキノコバエの採集し、一定数の成虫生体を一定間隔に確保することができており、定期的に生物検定が行える状態を維持できている。揮発性成分から菌体信号物質の候補化合物としていくつかの成分を検出することができており、初年度の目標は達成できている。シイタケ菌床の揮発性成分捕集と、各種微量機器分析を繰り返し、各構成成分の化学構造を決定する。加害昆虫に特異的な化学物質も想定し、昆虫の触角等を用いた電気生理学的手法を用いて分析し、電気生理学的に活性のあった成分に対しては、室内行動選択実験を行い、その成分の誘引性忌避性について評価し、これらをもとに、シイタケ菌体匂い成分の性フェロモン誘引力増強効果、二酸化炭素の影響を検証する。ナガマド誘引候補化合物を用いた栽培舎でのトラップ法を提案する。得られたデータを学会等で報告する。検出した菌体信号候補化合物において、それぞれの成分について、ナガマドキノコバエ成虫を用いた行動実験を用いた生物検定においてその機能を評価する。気候変動等により予定の実験材料である対象昆虫の採集ができなかったため、余剰ができた。実験材料の採集のための旅費に使用予定。試験供試用の虫の採集のため徳島および大分、群馬に出張する。成分分析および、行動試験のための試薬と器具を購入する。菌体成分の分析結果に関して国際学会で報告し、最新の機器分析手法の情報を収集する。
ナノ空間内物質輸送現象の解明と一分子インピーダンス計測

制限ナノ空間における流体中の物質輸送現象を解明するために、ナノギャップ電極組込型ナノポアデバイスを作製するとともに、インピーダンス分光手法を開発した。ナノギャップ電極をガラス基板上に作製する事によって寄生容量をfF以下にまで低減し、GΩ以上のハイインピーダンス計測が可能な測定系を構築した。以上の測定系を用いてナノギャップーナノポアでの拡散現象の計測に成功した。本研究の目的は、制限ナノ空間による流体中の物質輸送現象を分子レベルで解明し、この知見をもとにイオン電流変化とインピーダンスの同時測定による一分子識別を実現することである。具体的には、ナノポアを介したイオン電流の時間変化からナノポアを通過する物質の体積を測定し、ナノポアに組み込まれたナノギャップ電極間の交流インピーダンス(インピーダンスと位相角)測定から物質通過中の抵抗・容量測定を行う。これらの同時測定により、制限ナノ空間内の通過物質の物性と物質輸送のダイナミクスを一分子レベルで解明する。更に、体積の等しい一分子であっても、その材料物性(金属・絶縁体)によって識別可能であることを実証する。上記課題の達成のため、本年度はガラス基板上でのナノ電極作製とインピーダンス計測装置の構築を行った。ナノギャップ電極の作製基板をシリコン基板上からガラス基板に代えることにより、シリコン基板上ではnF程度あった電極の寄生容量をfF以下にまで低減することができた。また、自作の高感度電流アンプを用いた計測系の開発により、TΩを超えるハイインピーダンス領域の計測も可能となり、一分子計測に向けた基盤技術を構築することができた。一方、上記のようなナノデバイスにおいては、測定結果のみで絶対値を高い確度で議論することは難しい課題である。そこで、有限要素法による電界・流体のシミュレーションと比較する事により、開発したデバイスと測定系の定量的な評価を現在行っている。本年度は昨年度構築した計測系をもとに、ナノーマイクロデバイスの作製とそれを用いたインピーダンス計測を行った。ガラス基板上に作製したナノギャップでは寄生容量はfF以下に低減できていたが、一方で測定結果にはデバイスの設置位置や配線に起因した容量の変動も観測され、これが無視できない大きさであることが分かった。そこで、ナノギャップ組込み型ナノポアの近傍に微小流路を形成し、溶液導入前後でのインピーダンス変化について計測を行った。その結果、交流周波数10Hz以下の領域において拡散に起因するワールブルグインピーダンスが観測された。これはナノギャップーナノポア内での溶液拡散を反映するものと考えられ、ナノ空間内での流体の挙動に関する知見を得ることができたと考えられる。しかしながら、配線やデバイスの歩留まりといった技術的な問題が残っており、一分子計測に関する系統的な計測には課題が残ったかたちとなった。本年度は、当初研究計画に沿ってガラス基板上でのナノギャップ電極作製とインピーダンス計測系の構築を行った。作製したナノギャップ電極では寄生容量をfF以下に抑えることに成功しており、極めて小さな容量変化を計測する必要のある一粒子・一分子の計測のための基盤となるデバイスの作製が達成できた。また計測系の構築については、当初LCRメーターの前段に自作の増幅器を組み込むことにより、GΩ以上の高インピーダンス領域の計測を計画していたが、自作の増幅器で低周波数・高インピーダンス領域を測定し、LCRメーターで高周波数・低インピーダンス領域を測定することで、より広範囲のインピーダンスと周波数の帯域について評価することができた。また前著のように、当初計画の実験に加えて有限要素法を用いた計算実験も行った。これは、ボトルネックとなる局所領域の情報が強く影響する直流計測に対して、本研究で取り組む交流計測では、計測系全体のマクロなデバイスの情報も測定結果に影響するという知見が得られたためである。そこで、ナノ電極はもとより、一粒子・一分子を導入するマイクロ流路等の様々な構成部品を含めたシミュレーションを行い、開発したデバイスに対する定量的な評価を現在行っている。本年度は、上記の通り、一粒子・一分子計測に向けた基盤技術の開発に成功し、その定量的な評価にまで進むことができたことから、当初計画のお通りおおむね順調に進展しているものと言える。化学今後は、有限要素法による電界・流体のシミュレーション結果も合わせた実験を行う。

具体的にはナノギャップ電極に加えてマイクロ流路も組み込んだうえでのデバイス最適化(測定対象を効率的に輸送する流路形状や、その駆動力となる電界分布を考慮した電極配置)を行い、一粒子・一分子計測に向けたデバイス作製を行う。開発したデバイスを用いてポリスチレン粒子と金粒子の測定を行い、イオン電流変化とインピーダンスの同時測定による物質識別の原理実証を行う。本年度の研究により、本課題の達成にはナノ電極だけでなく、マイクロ流路などの他のマイクロ・ナノコンポーネントも含めた設計の最適化が重要であることが分かった。そのため物品費の一部を、次年度のマイクロ流路の設計・試作に用いる事とした。マイクロ流路の鋳型の設計・試作と、流路を形成する母材の購入費に充てる。