hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
パッシブダイナミック制御適用空気圧ゴム人工筋アクチュエータの開発

パッシブダイナミック制御PDCは、ブレーキ操作により位置制御や速度制御を行う、安全性の高い制御方式である。本研究では、空気圧ゴム人工筋を用いた2リンクマニピュレータを水平面2タイプと鉛直面1タイプ開発し、PDCの有効性を示した。また、PID制御を併用する改良PDCを提案し、制御性ではPDCの問題点を補う成果を得た。さらに、揺動型空気圧シリンダを用いた2リンクマニピュレータや新しいメカニズムに基づくパワーアシスト装置を開発し、PDCの効果を確認した。1.2リンクPDC空気圧ゴム人工筋マニピュレータの安全高精度制御に関する研究:申請者らが提案しているパッシブダイナミック制御(PDC)を適用するため開発した空気圧人工筋2リンクマニピュレータ実験装置を用いて、水平面における連続位置決め制御と円軌道追従制御実験において、PID制御との比較を行い、良好な結果が得られた(論文2)。さらに、大きな負荷に耐えられる新しいメカニズムの2リンクマニピュレータを開発し、有効性を検証した。2.PDC空気圧ゴム人工筋アクチュエータの重量物持ち上げ制御に関する研究:鉛直方向に設置した1リンク実験装置を用いて、重量物の位置決め制御実験を行った。持ち上げ制御では、移動によって基本の平衡状態が崩れるという問題点に対し、PDC併用制御法を適用し、有効性を確認した(発表3)。また、平衡装置と移動装置を分けるメカニズムを検討し、実験装置を作製中である。さらに、拮抗型の2リンクマニピュレータを作製し、持ち上げの位置決め制御実験を行った。3.PDC併用制御システムの検討:PDCにPID制御を併用する制御法を提案し、1リンク実験装置により有効性を検証した(発表3)。2リンクマニピュレータに対しては、制御法を検討中である。4.PDCを包含する安全な制御に関する研究:ブレーキを用いる軌道追従制御「囲い込み制御」を揺動型空気圧シリンダを用いたマニピュレータに適用し、1リンク実験装置ではスライディングモード制御との比較を行い、2リンク実験装置では軌道追従制御実験により、それぞれ有効性を示した(論文1;発表1,2)。1)2リンクPDC空気圧ゴム人工筋マニピュレータの安全高精度制御に関する研究:申請者らが提案している本質的安全設計に基づく制御方式「パッシブダイナミック制御(PDC)」を適用するため、MRブレーキと必要なセンサを取り付けた空気圧人工筋2リンクマニピュレータを開発した。PDCでは、比例弁は用いずにON/OFF弁だけを使用し、MRブレーキの操作によって制御を行う。2本のアームは軸によって接続するが、元のアームの先端には軸受が設置されているため、先端アームは元アームの駆動の影響を受けない構造である。この装置を用いて、水平面における軌道追従制御を行った。連続位置決め制御と円軌道追従制御実験において、PID制御との比較を行い、良好な結果が得られた。円軌道追従は、提案したブレーキ操作方法の有効性が確認できた。続いて、新しいメカニズムの2リンクマニピュレータを開発した。2)PDC空気圧ゴム人工筋アクチュエータの重量物持ち上げ制御に関する研究:PDC空気圧ゴム人工筋アクチュエータを鉛直方向に設置した構造の1リンク実験装置を製作し、重量物の位置決め制御実験を行った。基礎実験では、PID制御と比較して、PDCの効果を確認した。この研究では、バランス操作とブレーキ力の調整が重要になるが、この点で問題点が見付かり、その対策を検討中である。3)囲い込み制御に関する研究:ブレーキを用いる軌道追従制御「囲い込み制御」を揺動型空気圧シリンダを用いた2リンクマニピュレータに適用し、制御法の有効性を確認した。最終年度に実施した研究の成果申請者らが提案しているパッシブダイナミック制御(PDC)を適用するために開発した、MRブレーキ付き空気圧人工筋2リンクマニピュレータ実験装置を用いて、PDCにPID制御を併用する方法とPID制御とを比較、検証し、その有効性を示した(発表2)。しかし、この方法では、通常と変わらない空気圧を必要とするという問題が残る。そこで、平衡操作と移動操作を2つの拮抗型人工筋で別々に行う装置を開発し、基礎実験により、小さな空気圧で移動操作(目的制御)を実現する結果が得られた。さらに、拮抗型人工筋と揺動型シリンダを組み合わせた新しい2自由度マニピュレータを作製し、基礎実験を行った。また、PDCを適用したダイレクトハンドリング可能な新しいパワーアシスト装置を開発し、力センサを用いる方法との比較において、有効性を示した(論文1、発表1)。研究期間全体を通じて実施した研究の成果PDCを適用するため開発した空気圧人工筋2リンクマニピュレータ実験装置を用いた、水平面における連続位置決め制御や円軌道追従制御実験により、PID制御などと比較して良好な結果が得られた。ON/OFF弁のみの使用で、ブレーキ操作の効果が示された。また、鉛直方向に設置した1リンク実験装置を用いて、重量物の位置決め制御実験を行った。

持ち上げ制御では移動によって基本の平衡状態が崩れるという問題点に対し、PDC併用制御法を適用し、有効性を確認した。さらに、ブレーキを用いる軌道追従制御「囲い込み制御」を揺動型空気圧シリンダを用いたマニピュレータに適用し、1リンク実験装置ではスライディングモード制御との比較を行い、2リンク実験装置では軌道追従制御実験により、それぞれ有効性を示した。複合新領域1.2リンクPDC空気圧ゴム人工筋マニピュレータの安全高精度制御に関する研究:おおむね計画通り運んでいる。拮抗型の2リンクマニピュレータを異なるメカニズムで2種類作製し、軌道追従制御実験によりブレーキ制御に基づくPDCの有効性を示した。制御に数学モデルを必要としない制御であるが、PID制御より精度良い制御が実現できた。2.PDC空気圧ゴム人工筋アクチュエータの重量物持ち上げ制御に関する研究:おおむね計画通り運んでいる。昨年度、1リンクの基礎実験で見付かった問題点を解決する方策を2つ考案し、PDC併用制御システムが有効であることは示すことができた。もう一つの方策に関しては、実験装置を作製中である。3.PDC併用制御システムの検討:おおむね計画通り運んでいる。上記持ち上げ制御において、1リンク実験装置でPID制御を併用する制御法が有効であることを示した。さらに、開発した2リンク実験装置を用いた基礎実験を行っている。4.PDCを包含する安全な制御に関する研究:やや遅れている。揺動型空気圧アクチュエータを用いる2リンクシステムに対して「囲い込み制御」を適用し、スライディングモード制御との比較を行った。しかし、安全な制御に関する考察はまだである。1)2リンクPDC空気圧ゴム人工筋マニピュレータの安全高精度制御に関する研究:ほぼ計画通り運んでいる。空気消費量と電力消費量の比較は、基礎実験においては、PID制御と比較してPDCの優位性は得られなかった。これは、使用するデバイスの影響が大きいと考えられ、詳細な比較検討は今後の課題である。2)PDC空気圧ゴム人工筋アクチュエータの重量物持ち上げ制御に関する研究:やや遅れている。1リンクの基礎実験で、PID制御に対する優位性は確認できたが、予想していなかった問題点が見付かり、24年度に製作予定だった2リンク実験装置は、設計段階でペンディング状態である。基本方式にこだわる方法、従来の制御を併用する方法、力制御の検討など、方策を検討中である。3)PDC併用制御に関する研究:概ね計画通りに進んでいる。久留米高専で、揺動型空気圧アクチュエータを用いる2リンクシステムに対して「囲い込み制御」を適用し、軌道追従制御実験を行った。スライディングモード制御との比較を進めている。1.2リンクPDC空気圧ゴム人工筋マニピュレータの安全高精度制御に関する研究:引き続き、現有の実験装置で制御性の向上を目指す。さらに、拮抗型人工筋と揺動型シリンダを組み合わせたマニピュレータを開発中であり、連続位置決め制御や軌道追従制御において、より効果的なブレーキ制御方法を開発するとともに、安全性の検証実験を行う。
トリアジン骨格を巧みに利用した励起状態プロトン移動特性を持つ星型発光性分子の創製

本研究では、励起状態分子内プロトン移動(ESIPT)特性を有する星型発光性分子の創製を目的とした。当初計画に従い、3-ヒドロキシチオフェンをプロトンドナー部位、1,3,5-トリアジンをプロトンレセプター部位、異なる官能基を有するアリール基を発光特性制御部位として構成される2,4,6-トリス(5-アリール-3-ヒドロキシ-2-チエニル)-1,3,5-トリアジンを合成し、物性評価を実施した。いずれの標的分子も、可視領域に発光帯を示したが、量子収率は極端に低く、非発光性であることが確認された。また、ヒドロキシ基をメトキシ基に置換し、ESIPTを阻害した比較誘導体よりも、標的分子群の吸収と発光波長の差が小さいことから、ESIPTを経由した発光ではないと判断される。プロトンレセプターとなるトリアジン窒素原子の塩基性が低く、ESIPT発光の発現に必要な分子内水素結合が弱いことが要因と考えられる。これらの知見を踏まえ、トリアジン骨格上の二つの側鎖を電子供与性のジメチルアミノ基に変更することでトリアジン窒素原子の塩基性を向上させた2,4-ビス(ジメチルアミノ)-6-(5-アリール-3-ヒドロキシ-2-チエニル)- 1,3,5-トリアジンを新たな標的分子として合成し、物性評価を実施した。いずれの標的分子も紫外領域に吸収帯、可視領域に発光帯を示し、アリール基の種類に応じて異なる発光色が視覚的に検出された。また、ヒドロキシル基をメトキシ基に置換した比較誘導体よりも、標的分子の吸収と発光波長の差が非常に大きいことから、ESIPT由来の発光であることが示唆された。これにより、標的分子群が紫外光を吸収して可視光を発光する「波長変換特性」を有することを明らかとした。また、標的分子は環境応答性を有し、発光色変化として溶媒やイオンを視覚的に検出可能な蛍光プローブとして機能することを見出した。本研究では、励起状態分子内プロトン移動(ESIPT)特性を有する星型発光性分子の創製を目指し、3-ヒドロキシチオフェンをプロトンドナー部位、1,3,5-トリアジンをプロトンレセプター部位として構成される2,4,6-トリ(3-ヒドロキシ-2-チエニル)-1,3,5-トリアジンを基本ユニットに用い、π共役拡張部位として各種アリール基を導入した標的分子群の合成と特性評価を目的とする。平成28年度は標的分子の合成経路を確立すべく、合成検討を行った。3-メトキシチオフェンと1,3,5-トリアジンから2,4,6-トリ(3-メトキシ-2-チエニル)-1,3,5-トリアジンを合成した後、メトキシ基をヒドロキシル基に変換することで基本ユニットとなる2,4,6-トリ(3-ヒドロキシ-2-チエニル)-1,3,5-トリアジンを合成した。その後、ヒドロキシル基の保護、臭素化、π共役拡張部位としてのアリール基の導入、脱保護を経由して2,4,6-トリ(3-ヒドロキシ-5-アリール-2-チエニル)-1,3,5-トリアジン誘導体の合成を達成した。また、2,4,6-トリ(3-メトキシ-2-チエニル)-1,3,5-トリアジンから臭素化、カップリング反応を経てヒドロキシル基をメチル保護した比較化合物に相当する2,4,6-トリ(3-メトキシ-5-アリール-2-チエニル)-1,3,5-トリアジンの合成を達成した。合成した分子群については、核磁気共鳴法、質量分析法、元素分析法を用いて構造解析を行い、その分子構造を確定した。標的分子として設計した2,4,6-トリ(3-ヒドロキシ-5-アリール-2-チエニル)-1,3,5-トリアジン誘導体の合成経路を確立するに至った。また、ヒドロキシル基をメチル保護した比較化合物の合成も達成できており、現在合成した分子群の特性評価を進めている。合成検討結果として、標的分子の合成経路を確立できたため、概ね研究計画通りに進んでいると判断する。平成29年度は、昨年度までに合成を達成した2,4,6-トリス(5-アリール-3-ヒドロキシ-2-チエニル)-1,3,5-トリアジン、比較化合物として合成した2,4,6-トリス(5-アリール-3-メトキシ-2-チエニル)-1,3,5-トリアジンの特性評価を実施した。標的分子の一つである2,4,6-トリス[5-(4-N,N-ジブチルアミノフェニル)-3-ヒドロキシ-2-チエニル]-1,3,5-トリアジン、その比較化合物となる2,4,6-トリス[5-(4-N,N-ジブチルアミノフェニル)-3-メトキシ-2-チエニル]-1,3,5-トリアジンは、溶液中において、いずれも可視領域に発光を示したが、ヒドロキシ体は発光量子収率が低く、ほぼ非発光性であったのに対し、メトキシ体では発光量子収率が高く、発光色の視覚的な検出が可能であった。励起状態分子内プロトン移動(ESIPT)を経由する発光は、吸収と発光波長の差(ストークスシフト値)が非常に大きくなることが知られているが、ESIPTが起きないメトキシ体よりもヒドロキシ体のストークスシフト値が小さく、また、溶媒極性増加に伴う発光波長の長波長シフトが観測されたことを考慮すると、ヒドロキシ体で観測された発光は、ESIPTを経由した発光ではなく、分子内電荷移動(ICT)を経由した発光であると考察される。

両分子のプロトン酸に対する応答性を調査した結果、アミノ基並びにトリアジンの窒素原子がプロトンレセプターとして作用するプロトンセンシング特性を有することを明らかとした。特にメトキシ体では、トリアジン窒素原子のプロトン化、引き続くアミノ基のプロトン化に基づく吸収と発光波長の段階的なシフトの結果として、プロトンを溶液色と発光色の二段階変化として視覚的に検出可能な高感度プロトンセンサーとして機能することを見出した。標的分子として設計した2,4,6-トリス(5-アリール-3-ヒドロキシ-2-チエニル)-1,3,5-トリアジン誘導体の合成を達成し、物性評価までを実施した。これら標的分子群は、溶液中において発光量子収率が低く、ほぼ非発光性であり、研究目標である分子内三か所で励起状態分子内プロトン移動(ESIPT)を経由する発光性分子の創製は達成できていないが、吸収・発光特性並びに環境応答性(溶媒極性変化、プロトン)についての詳細を解明できたため、概ね研究計画通りに進んでいると判断する。また、興味深い研究成果として、比較化合物として合成した2,4,6-トリス(5-アリール-3-メトキシ-2-チエニル)-1,3,5-トリアジンが優れたプロトン応答性を示すことを明らかとし、溶液色・発光色変化としてプロトンを視覚的に検知可能な高感度プロトンセンサーとしての応用可能性を見出すことに成功した。本研究では、励起状態分子内プロトン移動(ESIPT)特性を有する星型発光性分子の創製を目的とした。当初計画に従い、3-ヒドロキシチオフェンをプロトンドナー部位、1,3,5-トリアジンをプロトンレセプター部位、異なる官能基を有するアリール基を発光特性制御部位として構成される2,4,6-トリス(5-アリール-3-ヒドロキシ-2-チエニル)-1,3,5-トリアジンを合成し、物性評価を実施した。いずれの標的分子も、可視領域に発光帯を示したが、量子収率は極端に低く、非発光性であることが確認された。また、ヒドロキシ基をメトキシ基に置換し、ESIPTを阻害した比較誘導体よりも、標的分子群の吸収と発光波長の差が小さいことから、ESIPTを経由した発光ではないと判断される。プロトンレセプターとなるトリアジン窒素原子の塩基性が低く、ESIPT発光の発現に必要な分子内水素結合が弱いことが要因と考えられる。これらの知見を踏まえ、トリアジン骨格上の二つの側鎖を電子供与性のジメチルアミノ基に変更することでトリアジン窒素原子の塩基性を向上させた2,4-ビス(ジメチルアミノ)-6-(5-アリール-3-ヒドロキシ-2-チエニル)- 1,3,5-トリアジンを新たな標的分子として合成し、物性評価を実施した。いずれの標的分子も紫外領域に吸収帯、可視領域に発光帯を示し、アリール基の種類に応じて異なる発光色が視覚的に検出された。また、ヒドロキシル基をメトキシ基に置換した比較誘導体よりも、標的分子の吸収と発光波長の差が非常に大きいことから、ESIPT由来の発光であることが示唆された。これにより、標的分子群が紫外光を吸収して可視光を発光する「波長変換特性」を有することを明らかとした。また、標的分子は環境応答性を有し、発光色変化として溶媒やイオンを視覚的に検出可能な蛍光プローブとして機能することを見出した。今後は、合成した2,4,6-トリ(3-ヒドロキシ-5-アリール-2-チエニル)-1,3,5-トリアジン及び比較化合物となる2,4,6-トリ(3-メトキシ-5-アリール-2-チエニル)-1,3,5-トリアジンの吸収・発光特性評価を実施し、分子内3か所での励起状態分子内プロトン移動(ESIPT)を経由する発光の発現が可能かを検証する。
有機系太陽電池の高性能化を目指した固体電解質の探索とナノハイブリッド構造の構築

近年、注目が高まっているペロブスカイト太陽電池の高性能化を目的に研究を行った。本研究において、特筆すべき業績としては、ペロブスカイト太陽電池の高効率化の新しい方向性を見出したことである。ペロブスカイト太陽電池は、スピンコートなどの溶液プロセスにより簡便な設備で作製できることに加え、エネルギー変換効率としても15%以上の値が報告されるなど、有機系太陽電池のみならず、無機系太陽電池の研究者を含め、世界規模で注目が高まっている。しかしながら高効率な太陽電池を再現性良く安定的に作製することが、一つの重要課題となっている。ペロブスカイト太陽電池は、透明導電性ガラス上の酸化チタンや酸化アルミなどの金属酸化物メソ多孔体にペロブスカイト型有機金属化合物を充填積層した後に、正孔輸送層を形成し、上面電極として金電極を蒸着した構造が、代表的な太陽電池構成の一つである。この時、複雑な細孔形状を有するメソ多孔体への均質なペロブスカイト型有機金属化合物層の形成が、高性能な太陽電池を作製するための一つ重要な鍵となる。本申請者は、有機金属ハロゲン化物ペロブスカイト結晶(CH3NH3Pb3-xClx)を用い、酸化チタンメソ多孔体の代わりに、緻密な酸化チタン膜を用いた平面積層型構造としたペロブスカイト太陽電池による高性能化を試みた。セル作製雰囲気の湿度を制御し、構成材料の膜厚や積層方法を種々検討することにより、高い被覆率でペロブスカイト層を酸化チタン上に形成できることを見出した。その結果として、単純なセル構造にも関わらず17.3%(Jsc=23.5 mA/cm2, Voc=1.05 V, FF=70%)と世界最高水準に相当するエネルギー変換効率を得ている。本研究課題は平成26年度が最終年度のため、記入しない。本研究は、色素分子を吸着させた酸化チタンナノ多孔体への固体電解質の均一充填を達成するために、分子量や置換基の種類等に着目して各種有機系固体電解質を合成し、酸化チタンナノ多孔体と固体電解質の最適な組み合わせを見出し、高効率な固体型色素増感太陽電池を開発することを目的としている。本年度は全固体化用の色素分子を優先して研究するために、有機色素やRu錯体色素を中心に検討し、固体電解質は、代表的な有機固体電解質であるspiro-OMeTADを用いた。酸化チタンナノ多孔体の膜厚は、固体電解質の充填に都合の良い2μm程度とした。酸化チタンのナノ多孔質層を透明導電性基板に成膜し、500°Cで焼成を行った後に、各種有機色素の溶液に浸漬して光電極を作製した。その後、spiro-OMeTADをスピンコート法で充填し、Au電極を真空蒸着法で成膜することで、全固体色素増感太陽電池を作製した。このとき、酸化チタンの粒径、spiro-OMeTADのスピンコート溶液濃度やスピン回転速度や時間などを各種検討した。これまで検討した殆どの色素分子で、エネルギー変換効率は4%を超えた。特に、D102を用いた場合は、既報の最高値4.1%(Adv.Mater.,17(2005)813)を凌駕する、4.5%に達した。この高効率化に寄与した物理化学的要因を把握することが、今後の色素や固体電解質の探索を加速させるために必要である。そこで、複素インピーダンス法により検討を行い、色素から酸化チタンに注入された電子の寿命と、開放電圧に一定の相関があることを確認した。これは、酸化チタン・色素と固体電解質の界面の状態に関する重要な知見であり、今後の高効率化に向けた成果である。平成25年度には、新規インドリン系有機色素を用い、酸化チタンメソ多孔体の細孔サイズに着目し、全固体型色素増感太陽電池の高効率化検討を行った。また、色素増感太陽電池の固体化研究の知見を活用し、光捕集材料並びにキャリア輸送材料としての機能を有する有機金属ハロゲン化物(CH_3NH_3PbI_<3-x>Cl_x、以下、ペロブスカイト)を用いたペロブスカイト太陽電池の高効率化研究に取り組んだ。以下に主な研究内容を示す。[全固体型色素増感太陽電池の高効率化]色素を吸着させた酸化チタンメソ多孔体への固体電解質(電解質として、spiro-OMeTADを使用)の均一充填や、光捕集効率を高めるための酸化チタン粒子の形状やサイズの最適化、酸化チタンメソ多孔体の作製法の検討を行った。その結果、細孔サイズを300nm程度としたときに、検討した範囲で最も高性能化することができた。一般に大きな細孔サイズや薄層の酸化チタンメソ多孔体を用いると、ホール輸送材料の均一充填には都合が良いが、色素吸着表面積の低減をまねくために、両者の最適化が重要になる。本研究では、300nm程度の細孔サイズで、最もバランスが取れたことが、高効率化に繋がった要因と考えられる。[ペロブスカイト太陽電池の高効率化]ペロブスカイト太陽電池は、酸化チタンメソ多孔体を用いたセルと、平坦な緻密酸化チタン膜を用いた平面積層型セルの2通りで検討を行った。酸化チタンメソ多孔体にペロブスカイトの前駆体をスピンコートしたところ、酸化チタンメソ多孔体上に均一なペロブスカイト層を形成することが難しかった。

一方、平坦で緻密な酸化チタン膜を用いた場合は、成膜条件を検討することで、均一に被覆したペロブスカイト層を酸化チタン上に形成することができた。その結果、酸化チタンメソ多孔体を用いたセルのエネルギー変換効率(7.5%)よりも高効率化(9.4%)することができた。更に、セルの作製条件などを検討することで、H25年度末には15.2%を達成した。近年、注目が高まっているペロブスカイト太陽電池の高性能化を目的に研究を行った。本研究において、特筆すべき業績としては、ペロブスカイト太陽電池の高効率化の新しい方向性を見出したことである。ペロブスカイト太陽電池は、スピンコートなどの溶液プロセスにより簡便な設備で作製できることに加え、エネルギー変換効率としても15%以上の値が報告されるなど、有機系太陽電池のみならず、無機系太陽電池の研究者を含め、世界規模で注目が高まっている。しかしながら高効率な太陽電池を再現性良く安定的に作製することが、一つの重要課題となっている。ペロブスカイト太陽電池は、透明導電性ガラス上の酸化チタンや酸化アルミなどの金属酸化物メソ多孔体にペロブスカイト型有機金属化合物を充填積層した後に、正孔輸送層を形成し、上面電極として金電極を蒸着した構造が、代表的な太陽電池構成の一つである。この時、複雑な細孔形状を有するメソ多孔体への均質なペロブスカイト型有機金属化合物層の形成が、高性能な太陽電池を作製するための一つ重要な鍵となる。本申請者は、有機金属ハロゲン化物ペロブスカイト結晶(CH3NH3Pb3-xClx)を用い、酸化チタンメソ多孔体の代わりに、緻密な酸化チタン膜を用いた平面積層型構造としたペロブスカイト太陽電池による高性能化を試みた。セル作製雰囲気の湿度を制御し、構成材料の膜厚や積層方法を種々検討することにより、高い被覆率でペロブスカイト層を酸化チタン上に形成できることを見出した。その結果として、単純なセル構造にも関わらず17.3%(Jsc=23.5 mA/cm2, Voc=1.05 V, FF=70%)と世界最高水準に相当するエネルギー変換効率を得ている。一連の研究成果は、国際的に強い影響力のある学術論文に投稿を行った。また、太陽光発電に関わる世界最大の国際会議の一つであるWCPEC-6(6th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion、京都国際会館、2014年11月24日27日)において、特に優秀な発表を行った若手研究者に与えられるYoung Awardを受賞した。本研究課題は平成26年度が最終年度のため、記入しない。本研究員は、有機系太陽電池の中でも、最もホットな領域の一つであるペロブスカイト太陽電池において、世界トップレベルの研究を行っている。本研究員の一連の研究により、高効率なペロブスカイト太陽電池を安定的に構築する方向性が示された。今後は更なる高効率化を目指す。一方で、ペロブスカイト太陽電池の光電変換特性の理解を基礎的に深める。全固体色素増感太陽電池において、4%を超える値が得られている。特に、D102を用いた場合は、既報と比較しても高い、4.5%に達した点は、本研究領域において大変意義深い。さらに、当初計画には含まれていなかった、太陽電池の複素インピーダンス計測を取り入れて、色素から酸化チタンに注入された電子の寿命と、開放電圧に一定の相関があることを明らかにした。
BBN膀胱発癌実験モデルの腫瘍発育過程におけるPyNPase活性の経時的変動

まず、臨床研究においては、膀胱癌症例におけるPyNPase値を多数症例で測定することにより、PyNPase値と患者背景、腫瘍因子との関係を詳細に検討した。対象は、1995年11月より1996年12月までの間に集積した膀胱癌症例で、検体(組織)はcold cup biopsyにより切除し、(1)腫瘍部(T)、(2)腫瘍近傍正常粘膜部(AN:腫瘍より1.5cm以内の正常と思われる粘膜)、(3)正常粘膜部(N:腫瘍より少なくとも5cm以上はなれた外見上正常と思われる粘膜)の3ヵ所より採取した。PyNPase値はELISA法にて測定し、年齢、性別、初発/再発、腫瘍の数(単発/多発)、大きさ、腫瘍の形態、深達度、異型度、浸潤増殖様式との相関につき検討した。110例の登録症例中、適格例は102例であった。全体の組織別PyNPase値は、Tが42.1±51.3(Unit/mg protein)、ANが17.5±22.2、Nが12.7±19.2で、NとANの間(p=0.01)、ANとTの間(p<0.001)に各々有意差がみられた。次いで、腫瘍組織中のPyNPase値と背景因子の相関をみたところ、腫瘍の形態、異型度、浸潤増殖様式との間に有意な相関がみられた。とくに異型度では、Glが28.7±26.8、G2が34.1±32.5、G3が81.7±86.8(p=0.0034)と著明に相関がみられた。一方、深達度とは相関がみられなかった(p=0.4727)が、異型度と深遠度を含めたriskによりlow risk群、high risk群に分けての検討でも有意差(p=0.0048)がみられた。以上を基礎的データとして、次にラットおよびマウスによる動物実験を行った。すなわち、F344雄性ラットとC3H/He雌性マウスを用いて、膀胱発癌剤であるN-butyl-N-(4-hydroxybutyl)nitrosamine(BBN)を8週または12週投与し、4週毎に経時的に屠殺し病理学的検索と同時に膀胱組織のPyNPase値をHPLC法にて測定した。現在、その結果、病理組織学的には、従来のわれわれの膀胱発癌実験と同様に過形成ならびに腫瘍(ラットでは乳頭状非浸潤性癌、マウスでは非乳頭状浸潤性癌)の発生が経時的に認められた。一方、PyNPase値の変動につき検討したところ、ラットでは12週目に、マウスではBBN終了時(8週群)と実験終丁の20週時(12週群)にピークを示した。以上の結果は、PyNPaseが血管新生因子の一つであるPD-ECGFと同一蛋白であることから、膀胱発癌過程における血管新生因子の関与を示唆する興味ある基礎的データと考えられた。動物実験の開始に先立ち、まず臨床例の解析を行った。本臨床研究では、膀胱癌症例におけるPyNPase値を多数症例で測定することにより、PyNPase値と患者背景、腫瘍因子との関係を詳細に検討することを目的に行ったものである。対象は、1995年11月より1996年12月までの間に集積した膀胱癌症例で、検体(組織)はcold cup biopsyまたは開腹手術により切除し、(1)腫瘍部(T)、(2)腫瘍近傍正常粘膜部(AN:腫瘍より1.5cm以内の正常と思われる粘膜)、(3)正常粘膜部(N:腫瘍より少なくとも5cm以上はなれた外見上正常と思われる粘膜)の3ヵ所より採取した。PyNPase値はELISA法にて測定し、年齢、性別、初発/再発、腫瘍の数(単発/多発)、大きさ、腫瘍の形態、深達度、異型度、浸潤増殖様式との関連につき検討した。とくに異型度では、G1が28.7±26.8、G2が34.1±32.5、G3が81.7±86.8(p=0.0034)と著明に相関がみられた。一方、深達度とは相関がみられなかった(p=0.4727)が、異型度と深達度を含めたriskによりlow risk群、high risk群に分けての検討でも有意差(p=0.0048)がみられた。これらの解析結果を臨床の基礎データとして、次にラットおよびマウスによる動物実験を開始した。すなわち、F344雄性ラットとC3H/He雌性マウスを用いて、膀胱発癌剤であるN-buty-N-(4-hydroxybutyl)nitrosamine(BBN)を8週または12週投与し、経時的に屠殺し病理学的検索と同時に膀胱組織のPyNPase値をHPLC法にて測定するものである。

現在、最終の20週時点までの屠殺が完了し、病理組織スライド標本およびHPLCの測定結果待ちの段階であるが、屠殺時の肉眼的所見にてvisible tumorは従来のわれわれの膀胱発癌実験と同様に観察されており、膀胱発癌過程におけるPyNPase値の変動につき検討する予定である。まず、臨床研究においては、膀胱癌症例におけるPyNPase値を多数症例で測定することにより、PyNPase値と患者背景、腫瘍因子との関係を詳細に検討した。対象は、1995年11月より1996年12月までの間に集積した膀胱癌症例で、検体(組織)はcold cup biopsyにより切除し、(1)腫瘍部(T)、(2)腫瘍近傍正常粘膜部(AN:腫瘍より1.5cm以内の正常と思われる粘膜)、(3)正常粘膜部(N:腫瘍より少なくとも5cm以上はなれた外見上正常と思われる粘膜)の3ヵ所より採取した。PyNPase値はELISA法にて測定し、年齢、性別、初発/再発、腫瘍の数(単発/多発)、大きさ、腫瘍の形態、深達度、異型度、浸潤増殖様式との相関につき検討した。110例の登録症例中、適格例は102例であった。全体の組織別PyNPase値は、Tが42.1±51.3(Unit/mg protein)、ANが17.5±22.2、Nが12.7±19.2で、NとANの間(p=0.01)、ANとTの間(p<0.001)に各々有意差がみられた。次いで、腫瘍組織中のPyNPase値と背景因子の相関をみたところ、腫瘍の形態、異型度、浸潤増殖様式との間に有意な相関がみられた。とくに異型度では、Glが28.7±26.8、G2が34.1±32.5、G3が81.7±86.8(p=0.0034)と著明に相関がみられた。一方、深達度とは相関がみられなかった(p=0.4727)が、異型度と深遠度を含めたriskによりlow risk群、high risk群に分けての検討でも有意差(p=0.0048)がみられた。以上を基礎的データとして、次にラットおよびマウスによる動物実験を行った。すなわち、F344雄性ラットとC3H/He雌性マウスを用いて、膀胱発癌剤であるN-butyl-N-(4-hydroxybutyl)nitrosamine(BBN)を8週または12週投与し、4週毎に経時的に屠殺し病理学的検索と同時に膀胱組織のPyNPase値をHPLC法にて測定した。現在、その結果、病理組織学的には、従来のわれわれの膀胱発癌実験と同様に過形成ならびに腫瘍(ラットでは乳頭状非浸潤性癌、マウスでは非乳頭状浸潤性癌)の発生が経時的に認められた。一方、PyNPase値の変動につき検討したところ、ラットでは12週目に、マウスではBBN終了時(8週群)と実験終丁の20週時(12週群)にピークを示した。以上の結果は、PyNPaseが血管新生因子の一つであるPD-ECGFと同一蛋白であることから、膀胱発癌過程における血管新生因子の関与を示唆する興味ある基礎的データと考えられた。
尿路上皮癌の浸潤転移に関与するMMP、T1MP、MT−MMP、接着因子の解析

浸潤性,非浸潤性尿路上皮癌細胞において検討したMMPsのうち発現の違いが認められたのはMMP-2のみであり,浸潤性尿路上皮癌株に強く発現いていた。他の文献に報告されているMMP-9の発現は認められなかった。TIMPsではTIMP-1の発現のみが浸潤性・非浸潤性尿路上皮細胞株双方に認められたが,発現量に差は見られなかった。MT-MMPは両腫瘍株に発現していたが,浸潤性腫瘍株により強く発現していた。一方,免疫組織染色では,MMP-2は腫瘍細胞で染色された。浸潤性尿路癌組織ではMMP-2が強く発現していることより,尿路上皮癌の浸潤にはMMP-2が最も重要な因子であると考えられた。また,MMP-2の活性化に必要と考えられているMT-MMPの浸潤性への関与も示唆された。2.尿路上皮癌細胞株の確立とその性質の検討SCIDマウスに継代している浸潤性尿路上皮癌から細胞株を樹立した。培養細胞の染色体には複雑な核異状が認められ,DNAフローサイトメーターではtetraploidの増加が見られた。膀胱に再移植すると,継代細胞株と同じ浸潤性の組織所見を示した。また皮下にも再移植可能であった。この浸潤性尿路上皮癌細胞株を用いて,MMPs,TIMPs,MT-MMPその他の接着因子について検討する予定である。
粒子線治療の生物学的特性における分子機構の解明

粒子線は高LET放射線であり、細胞に対してより致死的なDNA損傷をもたらすものと考えられているが、粒子線とX線照射後のDNA修復機構に相違があるか否かは明らかでなく、その分子機構を解明することによって多くの悪性腫瘍で放射線感受性を予測し、より適切な粒子線治療法の確立を目的に研究を行った。粒子線照射は放医研及び兵庫県立粒子線医療センターより供給される炭素イオン線を使用した。clonogenicassayによって各LETにおける放射線感受性を調べた後に、DNA二重鎖切断修復関連蛋白発現量の経時的変化や、mRNAの発現量の変化を解析した。また、レーザー顕微鏡を用いてDNA二重鎖切断修復関連蛋白が形成する核内のfociと呼ばれる蛋白複合体の局在や個数の経時的変化を解析し、量的かつ視覚的に放射線照射後と粒子線照射でどのようなDNA修復径路が働いているかを解析した。DNA二重鎖切断と修復能の定量にはcomet assayを用いて評価を行った。さらに、DNA修復関連蛋白のひとつであるRad51に対するアンチセンスオリゴヌクレオチドを粒子線及び放射線照射に併用して使い、放射線抵抗においてDNA二重鎖切断修を阻害し放射線感受性の変化を調べた。X線照射においては、DNA二重鎖切断修復能の阻害が放射線感受性の増加につながったが、粒子線照射では感受性の変化は少ないことを突き止めた。これらの実験結果から、粒子線照射によって発生したDNA二重鎖切断はDNA二重鎖切断修復機構によって修復されにくいものと推察され、X線照射と比べ粒子線照射の高い生物学的効果をもたらす一因と考えられた。粒子線照射やX線照射によって生じるDNA二重鎖切断の修復経路は相同組換えと非相同末端組換えの二種類であるが、粒子線とX線照射後のDNA修復機構に相違があるか否かは明らかではなく、その分子機構を解明することによって多くの悪性疾患で放射線感受性を予測することを目的とした研究を施行中である。前立腺癌細胞を対象として放射線照射後のDNA修復蛋白質の量的な変化やmRNAの発現量の変化を解析する。また、レーザー顕微鏡を用いてDNA修復蛋白質が形成するFocusと呼ばれる蛋白複合体の局在や個数の変化を解析し、量的かつ視覚的に放射線照射後どの様なDNA修復経路が働いているかを解析する。放射線感受性の評価にはcolonogenic assayを行い、DNA二重鎖切断の定量にはcometassayを用いる予定である。さらにDNA修復蛋白質の一つであるRad51蛋白質のアンチセンスオリゴヌクレオチドを放射線照射に併用して用い、放射線抵抗性腫瘍においてDNA修復経路を阻害することが放射線感受性に改善につながることを確認及び検討する予定である。これまでの結果では、粒子線照射やX線照射後にはRad51やATM.Ku70など、数種類のDNA修復に関与する蛋白質群の活性化が見られ、細胞種に応じてその修復経路が異なることが解りつつある。今年はその経過及びシグナルの解明に尽力する予定であるが、修復蛋白のみならずmRNAの発現レベルも併せて解析していく予定である。粒子線照射やX線照射による殺細胞効果は主にDNA二重鎖切断によるものと考えられるが、照射により発生したDNA二重鎖切断のすべてが致死的となるわけではなく、大部分は細胞が持つDNA損傷修復能によって修復されるものと考えられている。前立腺癌細胞を対象として粒子線及び放射線照射後のDNA損傷修復関連蛋白質の量的な変化や、mRNAの発現量の変化を解析した。また、レーザー顕微鏡用いてDNA修復蛋白が形成する核内のfocusと呼ばれる蛋白複合体の局在や個数の経時的変化を解析し、量的かつ視覚的に放射線照射後と粒子線照射でどのようなDNA修復経路が働いているかを解析した。

各種のLETの粒子線及び放射線感受性の評価には、clonogenic assayを行った。DNA二重鎖切断と修復能の定量にはcomet assayを用いて評価を行った。さらに、DNA修復関連蛋白のひとつであるRad51に対するアンチセンスオリゴヌクレオチドを粒子線及び放射線照射に併用して使い、放射線抵抗性腫瘍においてDNA修復経路を阻害することが放射線感受性の改善につながるものの、粒子線照射では感受性の増加は非常に少ないことを突き止めた。これらの実験結果から、粒子線照射によって発生したDNA二重鎖切断はX線照射によって発生したものと比べ修復されにくく、DNA損傷修復機構によって修復されにくいことが明らかとなった。これらの結果を、2002年ヨーロッパ放射線腫瘍学会及び、北米放射線会議にて報告した。
固体高分解能NMR分光法によるペプチドの結晶中における静的および動的構造解折

本研究ではβ-ターン構造をとることが知られているN-acetyl-Pro-Gly-Phe、インシュリンのフラグメントであるGly-Phe-Phe、および生理活性ペプチドであるエンケファリンについて、結晶中におけるこれらペプチド分子の静的こよび動的構造解析を固体高分解能NMR分光法を用いて行なった。(1)静的構造解析のために、^<13>C,^<15>Nで二重標識したN-acetyl-Pro-Gly-Pheの核間距離を、回転エコー二重共鳴法(REDOR)を用いて精密に測定した。この時、分子間の標識核からの寄与を考慮することにより、高い精度で核間距離を決定した(Chem.Phys.Lett.,224,729,1994)。立体構造の情報を得るため、4結合離れた核間距離を求め、隣り合うペプチド面の二面角の組み合わせを決定した。また、7結合離れた核間距離の情報から可能な二面角を2種類に限定することが可能となった。この結果、REDOR法で得られた立体構造の1つはβ-ターン構造をとることが判明した。(2)ペプチドの動的構造の情報を得るため、フェニル環を重水素で標識したインシュリンのフラグメントGly-Phe-Pheについて固体重水素NMRを測定した。この結果、水和結晶においてはフェニル環の運動は140°Cに上げても観測されなかったが、水和水が結晶から抜けることによって、フェニル環の運動性が格段に高くなることが判明した(J.Mol.Structure,in press)。(3)エンケファリン(Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu)結晶については核磁気緩和時間(T_1,T_<1p>)の測定を行ない、エンケファリン分子の運動性について検討した。この結果、側鎖ではチロシル環がフリップ運動をもつことが判明した。さらに主鎖においてもGly部分は高い運動性をもつことが判明した。N端のTyrは受容体と相互作用することが知られており、本研究からこの部分の運動性の高いことが明らかになった。
骨代謝における骨細胞(osteocyte)の機能解析とその重要性に関する研究

I.骨細胞由来の骨吸収抑制タンパク質に関する研究で以下の事が明らかとなった。(1)骨細胞中には破骨細胞の骨吸収を抑制する非分泌型の因子があり、その因子の1つは、Pho-GDIの一部と相関性を持つ分子量18.5kDaのタンパク質である。(2) 18.5kDaのタンパク質は、破骨細胞に直接作用し、骨吸収を抑制する。(3) 18.5kDaのタンパク質を破骨細胞に直接注入すると、破骨細胞のポトゾーム構造が消失する。骨細胞と破骨細胞間におけるこのタンパク質の作用機構は不明であるが、骨のリモデリングにおける新しいモデルを示唆する。II.ビタミンDは骨細胞におけるカルシウム受容体遺伝子の発現量を制御する。ビタミンDは頭頂骨のカルシウム受容体の遺伝子発現量を抑制するが、長管骨では増加させることが明らかとなり、扁平骨と長管骨では違いのあることが明らかとなった。活性型ビタミンDの骨代謝への作用で、力の加わっている骨とかからない骨では逆であることは大変興味深い。本年度、我々は、生化学的・遺伝子工学的手法により骨細胞におけるCaSRの存在を検討した。その結果、培養骨細胞および頭蓋冠中の骨細胞に、CaSRタンパク質が発現していることを抗CaSR抗体を用い明らかにした。さらに、骨細胞を含む未分画全骨細胞、また、骨細胞のみを含む骨片ではCaSRmRNAを検出できたが、株骨芽細胞、破骨細胞にはCaSRmRNAを検出できなかった^<1)>。このことから、骨細胞はCaSRを発現し、Caのシグナルを感知、応答していることが考えられた。しかし、骨細胞のCaSRの役割については不明である。II骨細胞による成熟破骨細胞の活性抑制我々は、ニワトリ胚の頭蓋冠から単離した骨細胞を用いて、破骨細胞の骨吸収機能における骨細胞の役割を解析した。まず、骨細胞を単離破骨細胞と象牙片上で共培養したところ、破骨細胞による吸収窩形成は、骨細胞の添加数に依存的に抑制されることが明らかになった。この骨細胞由来の骨吸収抑制因子を、ニワトリ胚の頭蓋冠を材料として精製し、18.5kDaの分子量を示す活性蛋白質を得ることができた。この18.5kDa蛋白質は、マウスおよびウサギ長管骨由来の全骨細胞、さらにヒト巨細胞腫由来細胞を用いた系において、いずれも顕著な吸収窩形成抑制活性を示した。また、ウサギ単離破骨細胞を用いた系においても破骨細胞の骨吸収機能を抑制したことから、18.5kDa蛋白質は破骨細胞に直接作用すると考えられる。われわれは,本蛋白質のN末端25アミノ酸の配列を決定し、低分子量G蛋白質RhoとGTPの結合を抑制する細胞内蛋白質であるRho-GDIの一部と68%の相同性を示すことを明らかにしたが、残念ながら、全アミノ酸配列の同定には至っていない^<2)>。(2)18.5kDaのタンパク質は、破骨細胞に直接作用し、骨吸収を抑制する。(3)18.5kDaのタンパク質を破骨細胞に直接注入すると、破骨細胞のポトゾーム構造が消失する。ビタミンDは頭頂骨のカルシウム受容体の遺伝子発現量を抑制するが、長管骨では増加させることが明らかとなり、扁平骨と長管骨では違いのあることが明らかになった。
細胞レベルでの食品の毒性・安全性評価手法に関する研究

本研究は、食品由来の病原体、アレルゲン、毒素、重金属、農薬残留物、添加物等の物質の毒性・安全性を迅速かつ効率的に検出する新しい評価手法の構築を目的とする。ヒトの細胞を用いたOrgan-on-a-Chip(以下、チップ)により、従来の評価系では判断が困難であった、細胞レベルでの食品の毒性・安全性評価手法の構築を目指す。食品の安全性評価手法の開発は、近年の規制強化と消費者意識の高まりに伴い急速に進化しているが、従来の分析法は迅速性や簡便性に欠け、また、ヒトの細胞レベルでの安全性の評価は困難であった。これらの課題を解決するために、本研究では、チップを用いた新たな食品の毒性・安全性評価系を構築する。
微量元素動態による放射線照射後のアポトーシス検出と、癌治療、放射線被爆評価の開発

平成14年度平成15年度;放射線照射後の人悪性リンパ腫細胞、OCI/AML-2(P53+/+)、OCI/M2(P53-/-)細胞に関して、アポトーシス発生における微量元素動態をmicro PIXE cameraを用いて研究し、アポトーシス初期に、細胞質に点状の高集積が発生する事、アポトーシス発生後期に、核中にカルシウムの高集積が発生する事を見出した。これに関しては、アポトーシス実行機構と密接な関係が認められ、アポトーシス発生初期の鉄の点状集積に関しては、ミトコンドリアから細胞質内へのサイトクロームCと細胞内Feの点状集積が経時的に一致し、ミトコンドリアからのサイトクロームC放出をBCL-2の発言によって抑制した所、細胞内:Feの点状集積が消失した事から、ミトコンドリアから細胞質内へのサイトクロームC放出を表していると考えられた。また、アポトーシス発生後期の核中のカルシウムの集積増強に関しては、Caspase-3,-9活性との関連性が認められ、Caspase-3,-9を抑制すると、アポトーシス発生後期における核中のカルシウム集積も消失する事から、同カルシウムの核中におけるカルシウム集積増強は、Caspase-3,-9を表しているものと考えられた。平成15年度平成16年度:鉄とCytochrome-C動態、カルシウムとCaspase-3,-9との関連性を、マウス実験腫瘍L1210,L1210 radioresistant variantに関して、において、確認する実験を行った。IN VIVOにおいても、Cytochrome-Cと鉄動態との関連性、カルシウム動態とCaspase-3,-9との関連性は、認められたが、逆に、Cytochrome-C尾静脈投与による鉄動態の変化や、カルシウム投与によるCaspase-3,-9の変化は認められなかった。これに関しては、鉄剤やカルシウムを尾静脈より投与しても、腫瘍に限局的に高濃度に作用しないためと考えられた。この問題を解決するためには、放射線により内容を放出する、皮下注、あるいは尾静脈より投与可能なマイクロカプセルの開発が必要不可欠と考えた。平成16年度平成17年度:アルギン酸が放射線により収縮する事、ヒアルロン酸が放射線で発生したROSにより分解する事の二点に着目し、アルギン酸とヒアルロン酸からなるマイクロカプセルを考案した。そのマイクロカプセルの素材決定のため、アルギン酸とヒアルロン酸を種々の割合で決定し、カルシウム下で重合させると、アルギン酸とヒアルロン酸の割合が、重量比2:1の時に、最も効率的に放射線により内容を放出する事を見出した。アポトーシス感受性人白血病細胞OCI/AML-2,アポトーシス抵抗性人白血病細胞のOCI/M2に60Coγ線、5Gy,および10Gyを照射し、以下3項目の関連性に関して検討を行った。(iii)

比色分析法によるcaspase-3、-8活性化測定結果、アポトーシス感受性であるOCI/AML-2細胞においては、照射24時間後まで、98.6±2.6%の細胞がアポトーシスに陥った。照射69時間後に、細胞質鉄の点状集積が認められ、照射1224時間後に核内カルシウム上昇が認められた。細胞内鉄点状集積が認められた照射69時間後には、ミトコンドリアから細胞質へのCytorchrome-C放出が起こり、核内カルシウム上昇が認められた照射1224時間後にはcaspase-3,-8の活性化が起こった。同細胞にBcl-2を強発言させ、ミトコンドリア膜を安定化させた所、細胞質鉄点状集積、ミトコンドリアから細胞質への放出は認められず、Caspase-3,-8の阻害を行った所、核へのカルシウム集積増強は起こらなかった。また、アポトーシス抵抗性であるOCI/M2細胞においては、これらの変化は起こらなかった。これらより、アポトーシス実行機構におけるCytochrome-C放出と細胞質鉄点状集積、caspase-3,-8と活性と核中カルシウム集積増強との間には密接な関連性が示唆された。また、アポトーシスが放射線感受性、放射線被曝線量評価の指標となる事から、鉄、カルシウムがあらたな放射線治療評価、および放射線被曝線量評価の基準となる事が示唆された。放射線照射後のアポトーシス発生における微量元素動態をmicroPIXE cameraを用いて研究し、アポトーシス初期に、細胞質に点状の高集積が発生する事を見出した。これに関しては、アポトーシス実行機構と密接な関係が認められ、ミトコンドリアから細胞質内へのサイトクロームCと細胞内Feの点状集積が経時的に一致し、ミトコンドリアからのサイトクロームC放出をBCL-2の発言によって抑制した所、細胞内Feの点状集積が消失した事から、アポトーシス発生初期に認められた細胞質内の点状集積は、ミトコンドリアから細胞質内へのサイトクロームC放出を表していると考えられた。Micro PIXE cameraによって得られた微量元素分布が細胞内小器官の何処に存在するかを決定するのは、現在まで困難であった。今回我々は、測定後のターゲットの顕微鏡写真をmicroPIXE cameraの画像にコンピューター上で重ね合わせる事により、microPIXE cameraによる微量元素分布がどの細胞内小器官に存在するかを確定する方法を確立した。即ち、micro PIXE測定後の標本を顕微鏡にて観察、micro PIXE cameraで測定した細胞を検索し写真撮影を施行、その写真をフィルムデジタイザーでデジタル化した後、マイクロコンピューターに取り込んだ。このデジタル写真をコンピューター上にてmicroPIXE cameraの画像と重ね合わせ、観察する事により、micro PIXE cameraで得られた微量元素の分布が、どの細胞内器官に存在するかを明確にした。平成14年度から15年度:micro Particle Induced X-ray Emission (PIXE) cameraによる、細胞内微量元素動態画像化を開始した。人悪性リンパ腫細胞、OCI/AML-2(P53+/+)、OCI/M2(P53-/-)細胞に関して、60Coγ線5 Gy照射、3,6,9,12,24時間後の細胞に関し観察を行った。結果、OCI/AML-2細胞では、アポトーシス発生が、照射後24時間後に99.6±2.6%に達した。
大強度パルス重イオンビーム照射により材料表面の汚染層を剥離して除去する技術の開発

本年度は,まず昨年度に建設したレーザーイオン源と誘導線型加速器からなる大強度パルスイオンビーム発生装置からビームを取り出し,ビーム電流測定及びビーム集束試験を行った.ポリエチレンターゲットをレーザーで照射して陽子ビームの発生を試みたが,炭素イオンが混合して陽子ビームの純度が低下することが分った.またポリエチレンは低融点のためレーザーの照射により表面に凹凸が生じ,短時間でビーム出力が著しく低下することが分った.そこで,レーザー照射に対して耐久性があり,長時間安定にビームを発生できる黒鉛ターゲットを用い,炭素イオンビームを照射することにした.イメージングプレート及び感熱紙を照射してビーム径の測定を行い,同心球状電極のほぼ中心でビームが集束することを確認した.レーザーの照射強度を調整し,焦点でビーム電流密度約1A/cm2を得た.次に表面を鏡面研磨したオーステナイト系ステンレス鋼試料にビームを照射し,表面層の剥離除去実験を行った.積算照射量の増加とともに表面の黒化が見られた.結局,固溶限を超える濃度の炭素原子を注入することに成功した.しかし表面の剥離は観察できなかった.照射後試料に10MeVの35Clビームを入射角30度で照射し,弾性反跳検出分析(ERDA)法により打ち込まれた炭素原子の深さプロファイル測定を試みた.一次イオンビーム,試料標的及び荷電粒子検出器等の配置に基づく運動学的計算との比較を行った結果,深さ60nmをピークとして炭素イオンが注入されていることが明らかになった.絶対濃度もビーム照射量からの計算結果と10%程度の誤差範囲内で一致した.ピークの深さ60nmはモンテカルロ計算コードTRIMによる計算結果の半分程度であり,この差は試料表面の粗さに起因することが分った.今年度は,主に本研究の遂行に十分な強度のパルス陽子ビームを得るためのレーザーイオン源及び誘導線型加速器系の準備を行った.まず試料照射実験用スペースの確保のために実験室既存装置の再配置を行った後,140kV誘導線型加速器本体及びパルス電源,制御系の移設を行った.これらに試料照射用真空容器とターボ分子ポンプを取り付け,調整後に真空排気を行い,イオン源内部,加速ギャップ及びビーム輸送部で実験に必要な真空度を達成した.引き続きフラッシュランプ励起QスイッチパルスYAGレーザー本体とミラー,集束レンズ等,光学系の取り付け調整を行った.レーザー発振とビーム引出・加速電圧発生の同期を取るための遅延パルス発生回路系を構築し,励起用フラッシュランプ,Qスイッチ及び加速電圧のタイミング調整によりビーム強度を最適化調整できる見通しを得た.レーザープラズマからのビーム引出し面の形状制御のために,メッシュグリッドを取り付けた半球状引き出し電極を持つダイオード構造を製作した。グリッドバイアス電圧を供給するための回路系を設計・製作し,真空試験の後,誘導加速器の高電圧端子内に設置し動作試験を行った,また陽子ビーム発生のためのポリエチレンターゲットを製作した.これらの作業により,ビーム照射・イオン注入装置系の準備がほぼ完了した.並行して,弾性反跳イオン分光測定による水素イオン注入層の深さプロファイル測定に備え,一次イオンビーム,試料標的及び荷電粒子検出器等の配置に関する運動学的設計計算を行った,その結果,注入した水素原子を反跳させて十分な深さ分解能を確保するためには一次重イオンビームとして10MeVの^<35>Clイオンが最適であることが分った.本年度は,まず昨年度に建設したレーザーイオン源と誘導線型加速器からなる大強度パルスイオンビーム発生装置からビームを取り出し,ビーム電流測定及びビーム集束試験を行った.ポリエチレンターゲットをレーザーで照射して陽子ビームの発生を試みたが,炭素イオンが混合して陽子ビームの純度が低下することが分った.またポリエチレンは低融点のためレーザーの照射により表面に凹凸が生じ,短時間でビーム出力が著しく低下することが分った.そこで,レーザー照射に対して耐久性があり,長時間安定にビームを発生できる黒鉛ターゲットを用い,炭素イオンビームを照射することにした.イメージングプレート及び感熱紙を照射してビーム径の測定を行い,同心球状電極のほぼ中心でビームが集束することを確認した.レーザーの照射強度を調整し,焦点でビーム電流密度約1A/cm2を得た.次に表面を鏡面研磨したオーステナイト系ステンレス鋼試料にビームを照射し,表面層の剥離除去実験を行った.積算照射量の増加とともに表面の黒化が見られた.結局,固溶限を超える濃度の炭素原子を注入することに成功した.しかし表面の剥離は観察できなかった.照射後試料に10MeVの35Clビームを入射角30度で照射し,弾性反跳検出分析(ERDA)法により打ち込まれた炭素原子の深さプロファイル測定を試みた.一次イオンビーム,試料標的及び荷電粒子検出器等の配置に基づく運動学的計算との比較を行った結果,深さ60nmをピークとして炭素イオンが注入されていることが明らかになった.絶対濃度もビーム照射量からの計算結果と10%程度の誤差範囲内で一致した.ピークの深さ60nmはモンテカルロ計算コードTRIMによる計算結果の半分程度であり,この差は試料表面の粗さに起因することが分った.