hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
界面障壁変化に基づく/無機ヘテロ構造の高感度ガスセンシングに関する研究

大気汚染や悪臭など生活をとりまく環境衛生の問題は、早急に解決すべき最重要課題のひとつであり、高感度・高速に応答するガスセンサーの開発に期待が寄せられている。研究代表者らは、新しい検出方法として、金属/有機層/半導体(MIS)構造を持つセルを作製し、有機層へのガス吸着により界面ポテンシャルが変化することを利用してガスを検知する方法の可能性を検討した。金電極/金属フタロシアニン薄膜/シリコンの構造を持つセルが、アンモニアガスや二酸化窒素ガスに対して応答することを見いだした。基板としてフッ化水素処理したn型シリコンを用い、電極としては金を用いてショットキー障壁を形成し、有機層として酸化バナジウムフタロシアニン(VOPc)薄膜を挿入した。応答の様子は、VOPc層の膜厚に依存した。NH3に対する応答では、VOPcが厚い場合は、電気伝導度が減少する。VOPc層を挟まない場合は応答せず、VOPc層の厚み10nmのセルが高感度の応答をしていることがわかる。この場合電気伝導度は減少する。通常p型半導体特性を示すフタロシアニンは、電子供与性ガスのNH3の吸着により電気伝導度が減少することが知られており、VOPc層が薄い場合のMJS型センサーは逆の応答を示している。このことより、このセンサーでは、VOPc層の電気伝導度変化ではなく界面準位の変化を検出しているものと思われる。NO2に対しては、VOPc層が無くても応答するが、VOPc層の挿入により応答量が飛躍的に増大していることがわかる。酸素に対しては、電気伝導度が減少する特性を示し、NO2と区別することが可能である。このセルが、ガスの検知に使用可能であり、界面構造を制御することにより、高速応答性、高感度化、および高いガス選択性が望めると期待される。
木質系バイオマス由来熱分解タールの流動層in situ水素化分解による炭化水素の製造

本研究では木質系バイオマスの実現可能な合理的流体エネルギー化法として新たに水素化熱分解-in situ流動触媒床水素化分解法を開発し、運転操作の点でも優れているこの分解方式が高活性炭素担持金属触媒、高品質燃料油、高発熱量(炭化水素)ガスという三種高付加価値生成物の同時生産を可能とする有望な液体化プロセスであることを実証した。第一部では木材の水素化熱分解生成物(液体、気体)のin situ接触(流動触媒床使用)水素化分解では効率よく軽質油(ガソリン成分)と気体炭化水素(主にメタン)への転換が可能であり、これら高品質液体・気体の同時高収率生産のための適正条件(水素流量、分解最高温度、加熱速度、触媒種、木材対触媒の充填比)を明らかにした。さらに、水素化熱分解で得られる固体炭素の高機能化を目的とした木材原料の改質処理(脱灰、ニッケル添加、カルボキシメチル化)の生成物分布に与える影響を調べ、高活性炭素担持ニッケル触媒を製造するためのイオン交換ニッケルを導入したカルボキシメチル化木材を原料とすれば、油の品質改善と気体炭化水素の一層の高収量化が図れることを示した。この結果は、本方式の構想の優秀さを十分裏付けるものであった。第2部ではイオン交換ニッケルを担持したカルボキシメチル化木材炭化物の優れた触媒性能をCOの水素化反応を用いて実証した。即ち、木材をカルボキシメチル化してイオン交換サイトのカルボキシル基を増加させてニッケルをイオン交換で導入した後熱分解すると、得られる炭化物中に金属ニッケルが分散性よく担持され、COのメタン化に対して効果的な触媒作用を発揮した。この炭化物を水素処理すると金属ニッケルへの還元が進み、その活性や耐久性は通常の水素化用触媒、ゼオライト担持ニッケルのそれらに匹敵することがわかった。この結果は、また新規で簡単な炭素担持ニッケル触媒の調製法を開発したという点でも大きな意義を有している。木材の熱分解タールの高品質燃料(ガソリン)への転換を主目的として、木タールの流動触媒床によるIn Situ水素化分解を試みた。本分解方式はガソリンと木炭、気体炭化水素の同時生産を目指すもので、U字縦型反応管の前段で木材の熱分解(固定床)が行われ、留出タールは直ちに後段の触媒流動層に送られて水素化分解を受ける。本年度は、このIn Situ分解がタールの軽質化(水素化脱酸素)と気体炭化水素(GHC)の同時生産に好適であることを実証した。即ち、本方式では熱分解タールを直接流動触媒床に送入する場合より油層(O)、BTX(ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン)、GHCの収率が高かった。これはホモリティックに生じたタール成分が高い反応性を失うことなく流動触媒層に送られるため、容易にかつ効果的に軽質化されることを示しており、予想通りの結果であった。また、タールの軽質化反応は分解条件に大きく影響されるので、OやBTX収率の点で適正条件が存在する。触媒としてNiMo/Al_2O_3を用い、分解最高温度を400、500、600°C(室温からこの温度まで1時間で昇温、20分保持)、水素流量を触媒最小流動化速度U_<mf>、2倍のU_<mf>(流動層)、1/2のU_<mf>(固定層)と変えた場合、0とBTX収率は400°C<500°C=600°C、1/2U_<mf><U_<mf>≦2U_<mf>であった。

GHC収率は高温、高流量ほど高いが、500から600°C、U_<mf>から2U_<mf>への増加効果はそれほど大きくはなかった。従って、温度としては500°Cが適当で、流量はU_<mf>で充分と考えられた。0、BTX、GHC収率は用いる触媒によっても大きく変化した。即ち、Ni/SiO_2・Al_20_3ではGHCが相当高いが0、BTXを殆ど与えず、これに比べるとCoMo/Al_20_3やNiMo/Al_2O_3はGHCは減少するが0、BTXは高かった。従って、O、BTX製造という点では水素化用触媒より重質分の低分子化促進触媒の方が良好であり、本分解方式では適正な例媒の使用によって望ましい結果が得られる可能性が高い。本研究は木材の熱分解タールからの高品質燃料(ガソリン)の製造を主目的として木タールの流動触媒床によるIn Situ水素化分解を試みているが、本分解方式の特徴は前段の熱分解で高付加価値(高機能)炭化物、後段の流動触媒床によるIn Situ水素化分解でガソリン、気体炭化水素の同時生産を目指すところにある。本年度は、熱分解で得られる金属担持炭化物の気相水素化用触媒としての性能について検討した。ダケカンバ材に水溶液含浸でNi(OAc)_2・4H_2Oを添加し、N_2中500°Cで熱分解して得られる炭化物は600°C以上の水素中で高いガス化反応性を示したが、300400°C(低温域)ではCOの水素化によるメタン生成に対して殆ど触媒作用を示さず、500°C付近(高温域)でもその活性は僅かしか発現しなかった。そこで、炭化物中の金属ニッケルの分散性の向上を図るため、木材をカルボキシメチル(CM)化した後イオン交換法でニッケルを導入し、500°C炭化物を調製した。このCM化炭化物の触媒活性は高温域では大きく向上したが、低温域の活性はまだ不十分であった。木材のCM化の程度を増加させるとニッケル粒子の分散性は向上したが、このことは低温、高温両域の活性増大にそれほど結び付かなかった。ニッケル担持CM化炭化物を400と600°Cの熱分解で調製してそれらの活性を調べた結果、400°Cでは500°Cと大差なかったが600°Cでは低温、高温両域共に活性能が大きく向上した。これは600°C熱分解では金属ニッケルの高い分散性が失われず、ニッケル-炭素間の相互作用が軽減したためと考えられる。600°C熱分解ではガソリン留分の収率を減少させることなく、触媒層中の沈積炭素を減少させ、気体炭化水素の収量増加につながった。従って、本方式の昇温型熱分解-In Situ水素化分解の適正最高温度は600°C程度と予想された。なお、CM化炭化物の金属の高分散性を活かした他の機能材料としての利用も今後の魅力的な課題と考えられる。我々は木質系バイオマスからの機能性炭素(気相水素化用炭素担持ニッケル触媒)、高品質液体燃料(炭化水素油)、高発熱量気体燃料(気体炭化水素)の同時生産を目指して水素化熱分解-insitu流動接触床水素化分解(Hp-Hy)を開発した。本年度は炭素担持ニッケル触媒の製造を目的とした木材の化学改質前処理(カルボキシメチル化後のイオン交換ニッケル添加、Ion-Ni/CMと略)、それに関連して水溶液含浸法ニッケル添加(単にNi添加)や脱灰(D)の生成物分布に及ぼす影響を調べた。Ni添加はチャコール収量を減少させ、軽質油(LO)や含酸素ガス、気体炭化水素(特にメタン)を増加させた。
岩手県船越湾における海草藻場・タチアマモ群落の構造と葉上動物群集の解析

(1)船越湾および大槌湾の海草藻場の分布と面積を把握するため、タチアマモの花株の最盛期にあたる6月に精密小型音響測深機による船上からの探査を行った。船越湾では、吉里吉里港内の水深34mのギャップに、アマモとタチアマモがモザイク状に群落を形成している。東西方向に設置したトランセクト・ラインに添って、ライン上の海草の出現状況についての詳細なセンサスを行った。アマモおよびタチアマモ群落内は、安定した砂泥底があり、草高は潮位によって決められることが示唆された。水中光量子の分布プロファイルから、港外のタチアマモ群落の水深16m付近の光条件が、分布の限界の要因になっていることが示唆された。船越湾におけるタチアマモ群落の立地条件は、透明度が高く低い海水温、緩く傾斜した斜面のような海底地形によるものであると考えられる。(2)タチアマモの花株の花穂の生長は6月頃開始し、種子が成熟し、花穂が落下し終るのが8月末である。その後も花株は67mの長いまま生きていて、11月末頃枯れる。前年の冬から春にかけて、花株本体が伸長し始めるので、枯死するまでの期間は1年半以上かかることが示唆された。タチアマモの花株の生長期間が長いのは、年間を通じ海水温度が、冬期35度、夏期1820度と寒冷域にあることと、光環境との相互作用によるものと考えられる。(3)タチアマモの葉上動物群集に関しては、巻貝を中心に定量採集を行い、個体群の動態を調査した。葉上性巻貝の優占種は、アコヤシタダミとコムラサキバイである。アコヤシタダミが海草種・アマモあるいはタチアマモのいずれか一方に特異的に依存する繁殖特性を示すことは無かった。アコヤシタダミは、アマモに適応的な繁殖特性が見られた。(1)沿岸環境生態系のなかで、最も保全の重要性が指摘されてきている海草藻場の把握のための手法として、精密小型音響側深機を使用し、船上からの藻場の分布と面積を測定するための調査をおこなった。岩手県船越湾吉里吉里地先のアマモ及びタチアマモ群落の面積は50.6ヘクタールと試算された。分布域の最大水深は16メートルで、最大草丈が約7メートルに達するものが記録された。(2)吉里吉里の漁港内部のタチアマモ群落と、港外の群落におけるパッチ状群落内部の光条件を比較するために、メモリー光量子計による光量子の分布を測定した。測定結果は現在解析中である。(3)アマモは5月末頃より花株が急激に生長し、6月には花穂を形成して結実する。他方タチアマモの花株は秋から生長を開始し冬も長いタイプの栄養株が存在している。開花結実は6月から7月でアマモより季節的に遅れることが解った。(4)アマモとタチアマモの2種の海草群落から、それぞれ海草と巻貝を定量的に採集し、巻貝のコムラサキバイが常時アマモに優先的に生息していることが明らかになった。巻貝のアコヤシタダミの固体群密度は、海草種間で違いがなかった。両種固体群密度の季節変化は海草の現存量の変化に同調するが、アコヤシタダミでは、アマモの現存量が多い時期でも固体数が著しく減少した。

この理由として種内の餌となる海草についている付着藻類の消費にかかわる競争によるものと予測される。(1)船越湾および大槌湾の海草藻場の分布と面積を把握するため、タチアマモの花株の最盛期にあたる1997年6月下旬に精密小型音響測深機による船上からの探査を行った。船越湾では、吉里吉里港内の水深34mのギャップに、アマモとタチアマモがモザイク状に群落を形成していることが解った。港内と港外のタチアマモおよび群落内の光条件の測定を、有線式光量子計により測定した。水深に沿った光量子の分布プロファイル作成し2地点の比較をおこなった。港外のタチアマモ群落の水深16m付近の光条件が、分布の限界の要因になっているものと考えられるが、年間を通じての光量子の観測は今後の課題として残されている。(2)タチアマモの花株の花穂の生長は6月頃開始し、種子が成熟し、花穂が落下し終るのが8月末である。その後も花株は67mの長いまま生きていて、11月末頃枯れる。前年の冬から春にかけて、花株本体が伸長し始めるので、枯死するまでの期間は1年半以上かかることが示唆された。タチアマモの花株の生長期間が長いのは、年間を通じ海水温度が、冬期35度、夏期1820度と寒冷域にあることと、光環境との相互作用によるものと考えられる。(3)タチアマモの葉上動物群集に関しては、巻貝を中心に定量採集を行い、個体群の動態を調査した。葉上性巻貝の優占種は、アコヤシタダミとコムラサキバイである。アコヤシタダミが海草種・アマモあるいはタチアマモのいずれか一方に特異的に依存する繁殖特性を示すことは無かった。アコヤシタダミは、アマモに適応的な繁殖特性が見られた。船越湾および大槌湾の海草藻場の分布と面積を把握するため、タチアマモの花株の最盛期にあたる1998年6月に精密小型音響測深機による船上からの探査を行った。船越湾では、吉里吉里港内の水深34mのギャップに、アマモとタチアマモがモザイク状に群落を形成している。精密小型音響測深機の映像により、船越湾の港内のアマモおよびタチアマモ群落の分布状況を判別すると、アマモの花株が枯れた後、タチアマモの花株については識別ができるが、両種の栄養株の判別が不可能である。そのため、東西方向に設置したトランセクト・ラインに添って、ライン上の海草の出現状況についての詳細なセンサスを行った。このライン上の海草分布に関する調査を定期的に行うことにより、海草群落の盛衰の状況が把握できる。1998年9月10月におこなった調査結果から、アマモおよびタチアマモの分布と、海底のギャップ(凹凸)との関係は明確ではない。砂泥底の底質が安定していることが重要であり、草高は潮位によって決められることが示唆された。有線式光量子計により、光条件の測定をおこなった。水深に沿った光量子の分布プロファイルから、港外のタチアマモ群落の水深16m付近の光条件が、分布の限界の要因になっていることが示唆された。天候の具合により、沖からのうねりが高かったりして、特に夏期における満足な測定結果が得られなかった。年間を通じての光量子の観測は今後も継続する予定である。船越湾における海草(アマモおよびタチアマモ)群落にとっての立地条件は、周年を通じての寒冷な海水温、海水の交換が良く透明度が高く、緩く傾斜した斜面のような海底地形によるものであると考えられる。
赤道域における積雲対流と大気重力波の国際共同観測

1.対流圏・成層圏における大気波動の気球ゾンデ観測カリマンタン島赤道直下における1993-96年に亘る1日1回のラジオゾンデデータの解析を行い、大気重力波の季節依存性と成層圏準2年周期振動による変調を見出した。2000年11-12月に、インドネシア国内のジャワ・スマトラ・カリマンタン三島の各一ヶ所においてラジオゾンデを1日4回同時に放球するキャンペーン観測を行った。この3点のデータより下部成層圏の大気重力波が同定され、重力波活動性の緯度依存性が示された。鉛直波数スペクトルには重力波の飽和を示唆すると考えられる-3乗の冪則が200m程度までとかなり短い波長までみられた。しかし、Richardson数を調べたところ実際には飽和はしていないという興味深い結果を得た。2.全天イメージャーによる大気波動の観測OH発光層からの大気光を捕らえるCCD全天イメージャーを2000年8月にジャワ島バンドン郊外に設置し、発光層の密度変動から高度90km前後の大気重力波を捕らえ、重力波の水平構造と伝播の研究を行った。その結果、南向きに伝播する重力波が卓越することが示された。観測は自動運転で継続中であり、季節変動、更には年々変動が明らかになると期待される。3.流星・MFレーダーによる中間圏・下部熱圏(MLT領域)の風系の観測インドネシア航空宇宙庁と共同で運営しているカリマンタン島のMFレーダーのアンテナを拡張して、MLT領域の波動に伴う運動量フラックスを測定できるように改良を行った。このMFレーダー及びジャワ島の流星レーダーを用いて、大気重力波と長周期惑星規模波動を調べた。その結果、1996-97年には重力波、ケルビン波が特に弱かったことがわかった。またMLT領域での30-60日周期の振動が、対流圏の季節内振動と同期していることを見出した。本年度は,11月から3月にかけてインドネシアにて観測を行い、積雲対流起源の対流圏・成層圏・中間圏の重力波を調べた。●11,12月にはバンドンにて、ラジオゾンデを用い、乾季から雨期への変り目の時期における、積雲対流起源の対流圏・成層圏の重力波の観測を行った。観測で得られた結果を気象衛星ひまわりの赤外画像と照合し、解析を行った。また本観測の結果を受けて次年度効果的に観測を行うための放球間隔等を検討している。●700kmほど離れたジャカルタ流星レーダーとポンティアナMFレーダーによる観測の比較解析を行った。両レーダーで重力波が検出されたが、直接両者にまたがる重力波は検出されなかった.一方、重力波の統計的な活動度については相関がみられ、対流活動との関連性を窺わせた。●2,3月にはラジオゾンデに加えて、CCD全天イメージャーによる予備的観測を行い、光害と晴天率等、観測のための条件の調査を行った。雨期のため調査結果は必ずしも芳しくなかったが、中間圏の重力波は検出された。次年度は雨期のうちでも比較的晴天率の高い時期を選んで観測を続ける。サンプルはそれほど多くなくても波動の水平構造に関する貴重なデータが得られると期待される。●ポンティアナのMFレーダーの機能強化を検討した。その結果、新たな拡張を行うことで運動量フラックス推定が可能になるなどが示され、その拡張のための技術的準備・インドネシア当局との交渉を行った。来年度に拡張を行い、観測を開始する。

全天イメージャーによる大気波動の水平構造の観測8月にOH発光層からの大気光を捕らえるCCD全天イメージャーをジャワ島バンドン郊外に設置し、発光層の密度変動から高度90km前後の大気重力波を捕らえ、重力波の水平構造の研究を行った。その結果、南向きに伝播する重力波が卓越することが示された。観測は自動運転で継続中であり、今後大気重力波の季節変動を複数年に渡って調べていく予定である。対流圏・成層圏における大気波動の気球ゾンデ観測11・12月に、インドネシア国内のジャワ・スマトラ・カリマンタン三島の各一ヶ所においてラジオゾンデを1日4回同時に放球するキャンペーン観測を行った。この3点のデータより下部成層圏の大気重力波が同定され、重力波活動性の緯度依存性が示された。鉛直波数スペクトルを調べたところ、重力波の飽和を示唆する-3乗に近い冪則が200m程度までとかなり短い波長までみられた。しかし一方で、飽和している場合に小さくなるべきRichardson数が限られた高度範囲でしか小さくなっていないという興味深い結果を得た。流星・MF・境界層レーダーによる中間圏・下部熱圏の風系の観測インドネシア航空宇宙庁と共同で運営しているカリマンタン島のMFレーダーのアンテナを拡張して、高度60-100kmの大気重力波に伴う運動量フラックスを測定できるように改良を行った。一方でより周期の長い惑星規模波動を調べ、その季節依存性を示し、さらにこの高度帯での30-60日周期の振動が、対流圏の季節内振動と同期していることを見出した。ジャワ島平野部の境界層レーダーにおいては、海陸の温度差により生ずる海陸風の季節変化を調べた。その結果、雨季には海陸風は弱いこと、乾期でも雲量の多い日は弱いことを定量的に示した。
根の細胞膜における硝酸イオン吸収機構の遺伝子支配の解明とその育種的利用

前年度より引続き作物の幼植物の根における硝酸イオン吸収をミハエリス=メンテン式により解析した。コムギ,ライムギ,ライコムギ計7品種の播種後8日目における硝酸イオン吸収のKmは25°Cにおいて93-159μMであり,イネよりもやや高かった。また,耐湿性の異なるオオムギ品種について同様の実験を行った結果,耐湿性の強弱とKm,Vmaxの間には関係がないことが明らかになった。硝酸イオン吸収に関してキャリアーの親和度を簡便に判定する方法を考案した。すなわち,硝酸イオン吸収速度が400μMにおいてほぼプラトーに達すること注目して,400μM10μMにおける吸収速度の比を求めた。Vmaxが同程度なら40μMにおける吸収速度が大きい品種には親和力が大きいものが含まれると予想した。この仮定に基づき,イネ約150品種について両濃度からの硝酸イオン吸収を調べた。その結果,吸収速度の比に品種間差異が存在することを認めたが,その比がKmの差異を表すかどうか確認するまで実験を進めることができなかった。根の電位差と硝酸イオン吸収との関連については測定上の問題に加え,明瞭なイオン吸収の差異が認められなかったのでデータを得ることができなかった。以上の結果と前年度までの結果を併せて,ミハエリス=メンテン式の定数を用いた作物の硝酸イオン吸収能を明らかにし,吸収能の育種の基礎資料を得ることができた。硝酸イオン吸収の遺伝解明の基礎資料とするため,オオムギ,イネ,コムギ,ライムギを材料として,幼植物の硝酸イオン吸収に関するミハエリス=メンテン式の定数Km(ミハエリス定数)とVmax(最大吸収速度)を求めた。わが国で現在培養されているオオムギ12品種の播種後7日目の幼植物について,25°CにおけるKmとVmaxはそれぞれ50.9111.7μM,2.244.99μmol・g^<-1>・h^<-1>であった。これらの値はオオムギ,ヒマワリ,シロイヌナズナなどで他の研究者により報告されている値とほぼ同程度であり,硝酸吸収遺伝子に大きな種間分化がないことを示唆している。KmとVmaxは温度が低下すると小さくなったが,低下程度に品種間差異が認められた。25°Cと15°CにおけるKmについてみると,15°Cでは25°Cの1/4に低下する品種から,ほとんど変化しない品種までの差異が認められた。KmとVmaxの温度による変化については吸収キャリア-自体の特性とともにキャリア-を働かせるエネルギ-代謝の関連において調査を行う必要がある。Vmaxと幼植物の生体重,根長および第1葉長との間には相関は認められなかった。イネ,コムギ,ライムギに関するKmとVmaxの測定はまだ予備実験の段階であるが,これまでに得られた結果は3種の両パラメ-タはオオムギで得られた結果の範囲内にある。さらに,硝酸イオン吸収の誘導時間を調べたところ,イネ,ライムギは非常に短かいが,オオムギ,コムギでは約2ー3時間であり,誘導時間は種により異なることが認められた。本年度はイネ幼植物における硝酸イオン吸収のミハエリス=メンテン式による解析を中心課題とした。日本型8品種とインド型10品種の播種後15日目における硝酸イオン吸収について調査した結果、全供試品種について28°Cの条件で、Km(ミハエリス定数、吸収キャリアーの親和力を表す)は76130μmの変異を示した。日本型、インド型品種群内での変異はそれぞれ76121MM、と82130MMであった。このことは両品種群間で硝酸吸収遺伝子には差異がないことを示唆している。品種群内でみられる約1.6倍のKmの差異は硝酸吸収キャリアーを働かせる要因の差異に起因していると推察される。一方、Vmax(最大吸収速度)は供試18品種内で4.37.2μmol・g^<-1>・h^<-1>の変異があった。

同程度のKmを示す日本型とインド型品種のVmaxを比較すると、インド型品種の方が低いVmaxを示す傾向が認められた。硝酸代謝にかかわる4突然変異系統を用いて、硝酸イオン吸収のミハエリス定数について検討したところ、そのなかの1系統M605が親品種農林8号に比べてVmaxは変化せずにKmが著しく高くなっていることが認められた。M605は農林8号に比べて低濃度域において硝酸吸収能が低下していた。M605は塩素酸高感受性系統として選択されたものだが、このことと高Kmとの関係は今後の検討課題である。本実験結果は突然変異により硝酸吸収キャリアーの特性を変化させる可能性を示唆している。硝酸還元酵素欠失の2系統、塩素酸抵抗性の1系統についてはKmとVmaxとも親品種は差異はなかった。前年度より引続き作物の幼植物の根における硝酸イオン吸収をミハエリス=メンテン式により解析した。コムギ,ライムギ,ライコムギ計7品種の播種後8日目における硝酸イオン吸収のKmは25°Cにおいて93-159muMであり,イネよりもやや高かった。また、耐湿性の異なるオオムギ品種について同様の実験を行った結果,耐湿性の強弱とKm,Vmaxの間には関係がないことが明らかになった。硝酸イオン吸収に関してキャリアーの親和度を簡便に判定する方法を考案した。すなわち,硝酸イオン吸収速度が400muMにおいてほぼプラトーに達すること注目して,400muMと40muMにおける吸収速度の比を求めた。Vmaxが同程度なら40muMにおける吸収速度が大きい品種には親和力が大きいものが含まれると予想した。この仮定に基づき、イネ約150品種について両濃度からの硝酸イオン吸収を調べた。その結果、吸収速度の比に品種間差異が存在することを認めたが,その比がKmの差異を表すかどうか確認するまで実験を進めることができなかった。根の電位差と硝酸イオン吸収との関連については測定上の問題に加え、明瞭なイオン吸収の差異が認められなかったのでデータを得ることができなかった。以上の結果と前年度までの結果を併せて、ミハエリス=メンテン式の定数を用いた作物の硝酸イオン吸収能を明らかにし,吸収能の育種の基礎資料を得ることができた。
脳活動と脳循環代謝システムの連動、その局所原理と全体像の解明

本研究は,脳活動とそれを支える脳循環代謝システムの連動について,げっ歯類を用いて,その局所原理と全体像を,異なる時空間スケールで統合的に理解することを目的とした。(1)微視的時空間スケール:二光子顕微鏡を用いて, sulforhodamine 101を腹腔内に投与,大脳皮質の蛍光観察を行った。投与後の観察時間を調節することで,脳局所微小循環と,神経活動-微小循環の連動に重要な役割を果たすグリア細胞の両者を描出することが可能であった。(2)巨視的時空間スケール:急性/慢性の頭蓋窓を作製し,神経活動と微小循環の活動を計測・描出した。その結果,両者の連動は,皮質プロセスに依存して多様なパターンを示していた。この多様で非線形的な関係の統合的理解には,局所電場電位の時間スペクトル構造の解析と高周波数成分(ガンマ周波数帯域)の適用が有効であった。脳活動とそれを支える脳循環代謝システムの連動について,その局所原理と全体像を,異なる時空間スケールから統合的に解明することを目的とする。具体的には,(1)Microscopic Study:微視的時空間スケールで,神経活動,循環,代謝の変化をイメージングし,そのカップリング機構を直接支える生体分子や細胞レベルの挙動を解明する研究(2)Macroscopic Study:巨視的時空間スケールで,一個体において,脳活動の基礎状態が変動し,脳の可塑的変化か生じていく過程において,賦活時の情報処理がどのように変化するのか,電気生理学的信号と脳循環代謝由来の信号の両者を経時的に同時観測し,動的カップリングの姿を明らかにする研究の異なる階層レベルでの研究を並行して実施し,相補的に統合することで,脳循環代謝の変化から脳機能を推測する技術に必要な信号解釈の生理学的基盤,病態学的基盤を提供する本研究は,脳活動とそれを支える脳循環代謝システムの連動について,げっ歯類を用いて,その局所原理と全体像を,異なる時空間スケールで統合的に理解することを目的とした。本研究は,脳活動とそれを支える脳循環代謝システムの連動について,その局所原理と全体像を,異なる時空間スケール,すなわち,(1)微視的時空間スケールと(2)巨視的時空間スケールから統合的に解明することを目的としている。平成20年度,(1)に関しては,2光子顕微鏡の資料台にて,酸素化,脱酸素化ヘモグロビンの吸収優位波長を用い,通常のCCDカメラで内因性光学信号を取得,神経活動領域を描出する実験系をくみ上げた。その後,Quantum dot nanocrystalsを静脈内に投与,活動領域の微小循環系3次元構造を描出して,皮質穿通動静脈の血管径計測や毛細血管内赤血球のline scanを行った。結果,血管径の変化,血液量の変化は,細動脈側優位に,血球スピードの変化は細静脈側優位に観察され,fMRI-BOLD信号の起源としては,Balloon Modelで想定されるような細静脈側expansionはあまり重要ではないと推測された。(2)においてヘモグロビン2次元マッピングについては,高速フィルター変換器ではなく,多波長同時観察ユニット(Quad-View)を用いて実現した。また,活動領域で微小電極を用いて細胞外電場電位を測定,周波数解析にて,Multi-Unit Spiking Activity(MUA)と高周波数電場電位(gamma-band LFP)と低周波数LFPとに分離した。その結果,脳循環反応は,MUAとgamma-band LFPと線形的に密接に関係していることが示された。これは,Brain Mappingに用いられる脳循環反応が,背後にある大脳皮質活動のうち,どのような神経活動の要素を反映しているかを理解する上で極めて重要な結果であると考えられた。平成21年度,(1)に関しては,2光子顕微鏡を用いて,神経活動領域を描出する実験系をくみ上げた。蛍光量子ドット(Qdot 655 ITK PEG)を静脈内に投与し,体性感覚刺激を行い,活動領域の微小循環系3次元構造の変化を描出した。その結果,脳表の細動脈と脳実質内の皮質穿通動脈ないし終末細動脈の間には,脳賦活に対する時空間応答パターンの明らかな相違があることが明らかとなった(血管反応は前者から始まり,後者は時空間的に広範囲に広がる)。この観察から,血管作動性信号は,神経活動のfocusである脳実質内微小血管領域から,脳表動脈へと逆行性に伝搬することが示唆された。

(2)に関しては,多波長同時観察ユニット(Quad-View)を用いて3-4波長の反射光画像を同時に取得,画像間演算でヘモグロビンの濃度変化のマッピングを行った。また,活動領域で微小電極を用いて細胞外電場電位を測定し周波数解析にてMulti-Unit Spiking Activity(MUA)と高周波数電場電位(gamma-band LFP)と低周波数LFPとに分離した。その結果,脳循環反応は,皮質活動の異なるパターンにおいては,LFPのamplitudeというより(低周波数LFPを反映),MUAとgamma-band LFPと密接に関係していることが示された。これは,Brain Mappingに用いられる脳循環反応が,背後にある大脳皮質活動のうち,どのような神経活動の要素を反映しているかを理解する上で極めて重要な結果であると考えられた。本研究は,脳活勘とそれを支える脳循環代謝システムの連動について,その局所原理と全体像を,異なる時空間スケール,すなわち,(1)微視的時空間スケールと(2)巨視的時空間スケールから統合的に解明することを目的としている。平成22年度,(1)に関しては,2光子顕微鏡を用いて,神経活動領域の微小循環系3次元構造を描出した。今回はマウスにおいてTexus Red(sulforhodamine 101)を静脈内に投与しこれを行った。血管検出は深さ約800μmまで可能であったが,600μmより深部においては血管径の定量的な計測が困難であった。また,脳表での血管内径が比較的大きい細動脈は表層付近での分岐は観察されなかったが,比較的小さい細動脈は表層での血管分岐を多数認めた。また,脳表細動脈から脳表細静脈に至る経路長は,終末細動脈からの分岐点の深さに依存して血液の循環経路が線形的に長くなる傾向が得られた。実際に、実質毛細血管領域における平均の経路長は400μmであり平均分岐数は7回であったことから、実質毛細血管一本の平均の長さは約60μmであった。これらの基礎的データは,脳虚血,加齢,アルツハイマー病などの病態に伴う脳実質の毛細血管密度の低下を検討する上で重要と考えられた。(2)については,多波長同時観察ユニット(Quad-View)を用いて3波長の反射光画像を同時に取得,画像間演算でヘモグロビンの濃度変化のマッピングを行ったものと局所電場電位(LFP)との関係性について,片側及び両側の後肢刺電気刺激を行って検討した。結果は,反対側反応と同側反応の両者の脳循環反応に線形的に相関したのは,高周波数の電場電位(gamma-band LFP)と多ユニット活動で低周波数のLFPとの相関は不良であった。本研究は,脳活動とそれを支える脳循環代謝システムの連動について,その局所原理と全体像を,異なる時空間スケール,すなわち,(1)微視的時空間スケール(2)巨視的時空間スケールから統合的に解明することを目的としている。平成23年度は,(1)に関して,二光子顕微鏡を用いて,神経活動と脳局所微小循環のcouplingに重要な役割を果たすグリア細胞を,微小循環と共に描出する手法を確立した。A.Cranial Windowを作製したisoflurane麻酔下マウスに,suforhodamine 101(SR101:8μL/g体重)を腹腔内に投与。
ビタミンD水酸化酵素の高度利用

放線菌由来ビタミンD水酸化酵素の3重変異体を作製し、活性型ビタミンD2の製造に成功した。また、微生物由来および哺乳動物由来のビタミンD水酸化酵素を用いて多くの天然型ビタミンDおよびビタミンD誘導体の代謝物標準品製造技術を確立した。一方、ビタミンD受容体とルシフェラーゼのキメラタンパク質を用いた25-ヒドロキシビタミンD3の高感度検出システムを開発した。本研究では二つの課題を並行して実施する。課題1はビタミンD水酸化体の高効率生産で課題2は血中の25ーヒドロキシビタミンDの高感度システムの開発であるが、両者は密接な関係があり、課題1で得られる水酸化体を課題2において標準品として用いる。課題1では、従来、放線菌S.lividansを宿主としてビタミンD水酸化酵素CYP105A1変異体を発現させていたため、基質濃度を十分に上げることができず、生産性に問題があった。この問題を克服するため、宿主をR. erythropolisに変えることを試みた。この放線菌はナイシン処理によって溶菌せず、シクロデキストリンに結合したビタミンDがナイシンによって作られた孔からそのまま細胞内に入っていく。CYP105A1変異体遺伝子を発現ベクターに組み込み、R. erythropolisに導入し、CYP105A1変異体の機能発現に成功した一方、酵母を用いたビタミンD水酸化体の製造については、既に、ヒト由来CYP2R1発現酵母を用いた25-ヒドロキシビタミンD2生産技術を改良し、遺伝子破壊と遺伝子導入による25-ヒドロキシビタミンD3生産技術の開発に着手した。課題2では、疎水性ポリマーであるPDDA水溶液を電極に滴下し、室温で風乾させた。その後、3種類のシトクロムP450、CYP105A1変異体、CYP3A4、CYP21A2をそれぞれ電極に滴下した。冷蔵庫内で1時間静置した後、緩衝液で洗浄し、電気化学測定に用いた。その結果、CYP21A2溶液を使用した場合に酵素と電極間での電子の移動が観測され、基質の有無で電流の差が認められた。CYP105A1変異体については水溶性のP450であるため、疎水性ポリマーで修飾された電極に結合しなかった可能性があり、CYP3A4の場合は精製酵素ではなく膜画分を用いたため良い結果が得られなかったと推測している。本研究では二つの課題を並行して実施している。課題1はビタミンD水酸化体の高効率生産で、課題2は血中の25ーヒドロキシビタミンDの高感度システムの開発である。課題1では、CYP105A1の三重変異体による1α,25-ジヒドロキシビタミンD2の生産が可能になった。分子モデリングによりCYP105A1のMet239の側鎖が立体障害により1α位水酸化反応を妨害していると推測し、Met239を他のアミノ酸に置換したところ、AlaあるいはSer置換体において、25ーヒドロキシビタミンD2に対する1α位水酸化活性が飛躍的に上昇した。また、この三重変異体を放線菌Rhodococcus erythropolisで発現させることにも成功した。この成果により、特許を出願した。課題2では膜結合型シトクロムP450であるCYP3A4およびCYP21A2を用いてP450電極の基礎を固める研究を実施した。ジドデシルジメチルアンモニウムブロマイド(DDAB)存在下でCYP21A2を修飾した電極を用いて電気化学測定を行った。その結果、CYP21A2は酸素の4電子還元反応を触媒し、水分子を生成することがわかった。一方,基質となる17α-ヒドロキシプロゲステロンを添加したが,酵素反応による電流の変化は見られなかった。シトクロムP450の電極への固定化率を上昇させる必要があると考えている。おおむね順調に進展している。課題1はビタミンD水酸化体の高効率生産で、課題2は血中の25ーヒドロキシビタミンDの高感度検出システムの開発である。課題1では、昨年度CYP105A1の三重変異体により1α,25-ジヒドロキシビタミンD2の生産が可能になったが、今年度、二重変異体の活性を詳細に解析し、25,26-ジヒドロキシビタミンD2の高効率生産が可能になった(Hayashi et al.,Biochem.Biophys.Res. Commun.(2016)in press)。したがって、CYP105A1変異体を用いて25-ヒドロキシ-ビタミンD3およびD2、1α,25-ジヒドロキシ-ビタミンD3およびD2、25,26-ジヒドロキシビタミンD2、1α,25,26-トリヒドロキシ-ビタミンD3の高効率生産が可能になった。これらはいずれもヒト血中に見られる代謝物であり、血中代謝物測定における標準品として価値が高い。ヒト由来CYP24A1発現菌体を用いて得られる水酸化体と合わせて20種を超えるビタミンD代謝物ライブラリーを得ることができた。課題2ではCYP105A1を用いてP450電極の基礎を固める研究を実施し、種々の基質を試してみたが、酵素反応による電流の変化は見られなかった。昨年のCYP21A2の場合と同様、酸素の4電子還元反応を触媒し、水分子を生成すると考えられる。

そこで、25ーヒドロキシビタミンDの高感度検出システムとして分割型ルシフェラーゼとビタミンD受容体のキメラ蛋白質を用いたシステムの構築を試みたが、変異型ビタミンD受容体R274Lを用いることにより1α,25-ジヒドロキシ-ビタミンD3の影響をほとんど受けずに血中25ーヒドロキシビタミンD濃度を測定するシステムの開発に成功した。放線菌由来ビタミンD水酸化酵素の3重変異体を作製し、活性型ビタミンD2の製造に成功した。また、微生物由来および哺乳動物由来のビタミンD水酸化酵素を用いて多くの天然型ビタミンDおよびビタミンD誘導体の代謝物標準品製造技術を確立した。一方、ビタミンD受容体とルシフェラーゼのキメラタンパク質を用いた25-ヒドロキシビタミンD3の高感度検出システムを開発した。課題1については放線菌由来CYP105A1に三重変異体を用いた1α,25-ジヒドロキシビタミンD2の生産が可能になった。すなわち、安価なビタミンD2を基質とし、きわめて高価な1α,25-ジヒドロキシビタミンD2を生産することが可能になり、特許出願につながった。予想以上の進展が見られたと考えている。一方、課題2については電極への固定化率に問題があることが明確になり、進展がみられたとはいえないが、来年度に向けて方針が明確になった。全体としては概ね順調に進展しているという言い方ができると思う。27年度が最終年度であるため、記入しない。生化学課題1についてはCYP105A1の三重変異体を発現するRhodococcus erythropolis菌体により1a,25-ジヒドロキシビタミンD2の製造を試みる。また、マウスCYP27B1とその電子供与体であるアドレノドキシンおよびアドレノドキシン還元酵素との同時発現を試みる。また、課題2についてはCYP105A1のC末端に付加したHis-tagを利用することによりN-(5-amino-1-carboxypentyl)iminodiacetic acid (AB-NTA)を用いてCYP105A1の三重変異体を電極表面に配向させ、目的とするP450電極を完成させる。二つの課題のうち課題1については放線菌由来CYP105A1変異体を用いた研究、CYP2R1発現酵母を用いた研究ともに順調に進展しており、さらに、他のCYP分子種を用いた検討にも着手した。また、課題2についてもP450酵素電極の基礎となる技術を確立することができたため、全体として概ね順調に進展していると言える。試薬、器材などの消耗品費が当初の予定よりも少額で済んだことによる。課題1についてはナイシン処理したR. erythropolis菌体にビタミンDとシクロデキストリンを添加して反応条件を検討することにより、ビタミンD水酸化体の生産性を飛躍的に高める。さらに、1a位水酸化酵素CYP27B1のR. erythropolis内機能発現を試みる。課題2については疎水性ポリマーで修飾した電極にビタミンD24位水酸化酵素CYP24A1をに固定し、血中の25-ヒドロキシビタミンDの測定を試みる。薬、器材などの消耗品を購入する予定である。研究分担者の加納が担当する酵素電極実験に備品が必要で、そちらに使用する予定である。
コンピュータを使った『カンタベリー物語』Ｈｇ、ＥＩ写本及び刊本の言語比較

本研究の目的は、チョーサーの『カンタベリー物語』の2つの写本(Hengwrt MS=Hg, Ellesmere MS=El)とそれに対応する2つの刊本(Blake 1980, Benson 1987)、4つのテクストのパラレルコンコーダンスを作成し、チョーサーの本文批評及び言語解析に貢献することである。既に作成済みの韻文テクストに加え散文テクストの写本パラレルコンコーダンスを作成した。散文においても、写本の異同が観察された。否定表現に関し、2012年7月、ポートランドで開催された新チョーサー学会で発表した。本研究は写本・刊本の電子化に基づき、チョーサーの言語の新しい研究手法を提案している。本研究の目的は、コンピュータを利用し、『カンタベリー物語』について、2つの代表的な写本と2つの代表的な刊本を取り上げ、4つのテクストを対応させたコンコーダンスを作成し、Chaucerの言語研究及びtextual criticismに貢献することである。写本は、Hengwrt (以下、Hg)写本とEllesmere(以下、El)写本を、そして刊本は、Hgに依拠したN. Blake (1980)とElに依拠したBenson (1987)を取り上げた。上記の研究の成果の一部は、2012年アメリカポートランドで開催された第18回新チョーサー学会で発表した。特にチョーサーの否定表現に着眼して、HgとEl写本での類似点と相違点をパラミターを設けて統計的に検証した。散文と既に作成済みの韻文を合わせ、次には4刊本のパラレルコンコーダンスを作成する。本研究の目的は、G.チョーサーの『カンタベリー物語』(The CanterburyTales)の2つの代表的な写本とそれに対応する2つの代表的な刊本を取り上げ、4つのテクストのパラレルコンコーダンスを作成し、チョーサーの本文批評及び言語解析に貢献することである。2つの写本は、当該作品80余写本のうち最も注目されているHengwrt (以下、Hg)写本とEllesmere (以下、El)写本、2つの刊本は、Hgに依拠したN. Blake, ed. (1980) The Canterbury Tales, Edward ArnoldとElに依拠したL. D. Benson, ed. (1987) The Riverside Chaucer, OUPを取り上げた。4つのテクストのパラレルコンコーダンスはこれまで作成されてはいない。既に作成済みの韻文テクストに加え散文テクストの写本のパラレルコンコーダンスを完成させ、た。Adam Pinkhurstが両写本の写字生であると指摘されて久しいが、韻律の影響を強く受けない散文においても、写本の異動が確認された。写字生の編集方法、また現代の編集者の写本への態度に対して、学会に対して有益な資料が収集できた。2012年7月にアメリカポートランドで開催された新チョーサー学会では、特に否定表現に注目して、写本の異同及び刊本の処理について発表した。本研究は、チョーサー及び中英語テクストに関して、写本まで含めた電子コーパス化という国際的研究動向に対応している。『カンタベリー物語』の写本と刊本を組み合わせ、編集方針を相対化する比較コンコーダンスは、国内外でこれまで作成されていない。ここでは同一の写字生の編集過程と現代の刊本での編集過程が同時的に比較・記述でき、チョーサーの言語に対する新しい研究手法を提案できる、と考えている。本研究の目的は、コンピュータを利用し、『カンタベリー物語』について、2つの代表的な写本と2つの代表的な刊本を取り上げ、4つのテクストを対応させたコンコーダンスを作成し、チョーサーの言語研究及びtextual criticismに貢献することである。写本は、Hengwrt (以下、Hg)写本とEllesmere(以下、El)写本を、そして刊本は、Hgに依拠したBlake (1980)とElに依拠したBenson (1987)を取り上げた。第17回新チョーサー学会(Siena, 2010/7/19)で、研究成果の一部(形態論)を発表した。平成23年度は、既に作成済みの韻文テクスト2写本のコレーション・コンコーダンスに加え、散文テクスト2写本のコレーション・コンコーダンスの作成を行った。上記のコンコーダンスは、Stubbs (2000)のCD-ROM及び関連データに大きく依拠し、国際的連携の一環として行われた。テクストは電子処理されたが、2写本散文テクストの対応行数の処理と外字処理とが課題として残った。写本の対応行数を調整中である。コレーションに関する処理ソフト開発も更に改善する必要が出てきた。

2写本・2刊本の言語研究の一端は、第18回新チョーサー学会(Portland, 2012/7)において、バーミング大学、Peter Robinson教授の座長のもと、コンピュータによるデータ処理の多様性とそこから明らかになる言語特徴という題目で、発表することが決定している。2写本・2刊本、4つのテクストの言語特徴(語彙・統語特徴)を計量的・統計的に精査し、それぞれのテクスト、写本間の関係性及び写本と刊本との関係性を明らかにすることは、オリジナル原稿が発見されていないチョーサーのテクスト研究において、第一級の言語資料を提供できると期待される。『カンタベリー物語』について、2つの代表的な写本、Hengwrt (以下、Hg)写本とEllesmere (以下、El)写本に関して、残っていた散文のコレーションコンコーダンスを作成したが、行の精緻な対応と特殊文字と句読点の扱いにおいて、更に編集調整する箇所を残している。刊本は、Hgに依拠したN. Blake (1980)とElに依拠したBenson (1987)を取り上げているが、写本に加えて、2刊本をパラレルに並べる作業が残っている。両刊本についてはすでに電子化されているので、4テクストをプログラム上で対応させ、当該部分について最終調整をする必要がある。対応コンコーダンスに基づき、言語データの統計的な処理を行い、研究の精緻化を図る必要もある。散文の比較は韻文に比べて行の対応そして作業において時間を要し、達成度としては若干遅れ気味である。Hengwrt写本とEllesmere写本の散文テクストの電子化とコレーション・コンコーダンスに伴う処理で、散文テクストの対応行数の処理と、同時に外字の処理に課題が残った。散文は韻文のように、1行で切れず、かと言って一文で捉えれば、句読点の問題も出てくる。写本のヴァーギュールに合わせて、対応行数を調整中である。コレーションに関する処理ソフト開発も更に改善する必要が出てきた。散文に現れる特殊外字あるいは装飾文字については、写本イメージに合わせて新たに作成する必要が生じた。散文のコンコーダンスについて、まず次の2点を遂行する。対応行の調整を類似点と相違点に留意し行うこと、特殊文字と句読点に関して編集調整をすること、がそれである。かくしてコンコーダンスの精確度のアップをはかりたい。次にHg写本とEl写本の韻文のコレーションコ・ンコーダンス(既に電子化済み)に散文の両写本のそれを加え、両写本のパラレルコンコーダンスを完成させる。次にはBlake版とBenson版の刊本(電子化済み)を結び付け、4テクストのコレーション・コンコーダンスを完成させる。語彙および統語法に関するテクストを計量的・統計的に処理し、チョーサーの原テクストの再建を行いたい。言語処理場のプログラムについては、分析のイメージを明確にしながら、専門家に開発してもらいながら、研究を推進する予定である。Oizumi (1991)とBenson (1993)の両コンコーダンス、Stubbs (2003)の電子データ、そしてBlake (1980)とBenson (1987)の刊本を参照して、複数行に跨る散文の行を切る合理的な方針を確定する予定である。
自己組織化分子と超薄膜による電極界面のデザインと機能発現

一部の有機ゲルは温度変化に伴って体積相転移を示す。本研究では、ゲルに金属錯体の超構造を導入したり、ゲルの体積変化速度を促進するための超構造を設計し、より精密なゲルの電子移動反応および物性の制御、相転移速度や体積変化率の制御などを行うことを目的とした。熱相転移を示すポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)ゲルにフェロセニル基を導入し、酸化還元活性なゲルを合成した(NIPA-VFゲル)。このゲルは水溶液中で、低温側では膨潤し、高温側では収縮した(光学干渉顕微鏡PMIMを用いて観測)。また、30°C付近においては、フェロセニル基を電気化学的に酸化・還元することによって、ゲルの体積を制御できることがわかった。また、NIPA-VFゲルのフェロセニル基のかわりにピリジンなど、金属イオンに配位結合可能な官能基を導入することにより、酸化還元活性官能基を交換可能なゲルを合成することができた。ルテニウムEDTA錯体などを配位結合により取り込ませたゲルが、NIPA-VFゲルと同様の特性をもつことが示された。このような超構造の導入により、ゲルの物性変化を誘起する酸化還元電位を制御したり、解媒能、エレクトロクロミック特性などの新たな機能を導入することが可能になった。また、高分子鎖どうし、高分子鎖と溶媒との相互作用が異なる数種類の酸化還元活性ゲルを合成し、ゲルの構造と体積変化率、体積変化速度、電子伝達速度などについて調べた。それにより、高分子鎖構造を最適化することができた。