hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
標識化合物を用いたダニ類由来脂肪族エステルの代謝機構の解明

NMR解析により同位体標識された炭素原子を全て帰属した結果、2種のギ酸エステルはリノール酸とオレイン酸がそれぞれ前駆体であることが判明した。さらにギ酸炭素原子と脂肪酸のカルボニル炭素が共に同位体で標識されたことから、脂肪酸が脱カルボニル化されることなく1段階で酸化的にギ酸エステルに変換されていることが強く示唆された。すなわちアルデヒドを基質としたBaeyer-Villiger酸化反応を触媒する新奇な酵素が関与していると推測した。アルデヒドをギ酸エステルに変換する酵素の報告例はない。本研究ではアルデヒドを基質としたBaeyer-Villiger酸化酵素の同定を目的として、ダニの粗酵素を用いて同位体で標識した基質の変換反応をin vitroで検討した。基質はリノール酸とオレイン酸を原料として高収率で得ることができた。粗酵素抽出液は、ダニの細胞を破砕後、高速冷却・超遠心分離機を用いて調製した。基質を用いた変換条件(補酵素、反応時間等)を検討する準備が整った。未知のBaeyer-Villiger酸化酵素が関与するギ酸エステルの生成機構解明に向けて、粗酵素抽出液を用いた変換反応を詳細に検証する。生物有機化学今年度に予定していた同位体標識化合物の取り込み実験が順調に実施でき、その結果、2種のギ酸エステルの前駆体はリノール酸とオレイン酸であることがde novo合成の観点から直接的に証明できた。また13C NMRスペクトルの解析により、ギ酸エステルおよび脂肪酸のカルボニル炭素シグナルが全て同位体標識されていたことから、変換反応にはこれまで例のないBaeyer-Villiger酸化が関与していると仮説を立てた。脂肪族アルデヒドからギ酸エステルに誘導する酵素は知られていないため詳細な検証が必要であるが、現時点では微生物のみで報告例のある酵素BaeyerVilligermonooxygenaseとは全く異なる新規タンパク質が本変換反応に関与していると考えている。平成24年度に予定していた2種の脂肪族ギ酸エステルの合成を、短行程で達成することができた。これで次年度以降の生合成研究で使用する標品を準備できたことになる。平成25年度に予定していた同位体標識化合物の取り込み実験が、前倒しで予備的に行えたことで、今年度と次年度に予定している生合成研究の方向性が定まった。昆虫で報告されている炭化水素の生合成機構は、まず前駆脂肪酸がアルデヒドに誘導され、酸素分子とシトクロムP450が作用し、脱炭酸を伴って起こると報告されている。コナダニ類は特有の炭化水素を分泌する種が多いにもかかわらず生合成研究は行われていないため、昆虫とは異なる生成機構を有する可能性がある。また本研究で注目するギ酸エステルもまたアルデヒドが前駆体と推定している。そこで、炭化水素とギ酸エステルの生合成機構を解明するため、同位体標識したアルデヒドを合成し、まずはダニから調製した粗酵素を用いて変換条件を検討する。変換条件が確立でき次第、それぞれの反応に関わる酵素の精製を進め、同酵素のアミノ酸配列を決定する。ギ酸エステル2成分を分泌するCaloglyphus sp. “sasagawa"を用いて、摂食による同位体標識[1-13C]-酢酸ナトリウムの取り込み実験を行う。
内因性心筋再生メカニズムの解明

爬虫類や魚類などの下位脊椎動物の心筋細胞は旺盛な分裂能を持っており、傷害により心筋細胞が失われてもほぼ完全に再生されることが知られている。ヒトを含む哺乳類の成体の心筋細胞は再生しないと考えられているが、新生児心筋細胞は下位脊椎動物と似た心筋再生能を保存していることが知られている。また、最近の報告では、頻度は極限られていいるが、成体心筋細胞も分裂能を有しているとの報告もある。我々は、哺乳類の成体心筋細胞はほんとに分裂するのか、分裂するならばどのような心筋細胞が分裂するのか、また、そのメカニズムはどのように制御せれているのかを知るために、本研究を開始した。まず初めに、thymidine analogを用いて、心筋細胞の核酸合成能を調べた。それによると、8週齢の成体マウスでは約0.025%/週の心筋細胞が核酸合成しているにとどまるのに対し、左室圧負荷マウスでは約1%/週と40倍もの心筋細胞が核酸合成を行っていた。マウス心筋細胞は、細胞質分裂を伴わない核分裂をし、多核化するので、核酸合成が起こることが、細胞分裂の存在を証明することにはならない。そこで、ランゲンドルフ装置を用いて、タンパク分解酵素を冠動脈より逆行性に潅流させ単一心筋細胞を分離し、心筋細胞中の核数を調べた。左室圧負荷を行った早期では、核酸合成が行われた心筋細胞中、単核細胞の割合が増加し、その後多核細胞の割合が増加していた。これらの所見は、核酸は細胞分裂の過程で合成されたこと考えられた。次に、新たに産生されたと考えれれる心筋細胞は、どのように作られたかを調べるために、genetic fate mapping法を用いて検討を行った。その結果、新生心筋は、あらかじめ存在する心筋細胞が分裂することにより産生されたことが示された。26年度が最終年度であるため、記入しない。
大規模相互作用系の確率解析とその応用

揺動界面の成長を記述するKPZ方程式の不変測度の解析を行った。この確率偏微分方程式は発散項を含み、数学的扱いには困難を伴う。動的2次元ヤング図形の非平衡揺動問題を論じ、スケール極限の下で確率偏微分方程式を導いた。自己組織的に集成する生物系に対し流体力学極限の手法を適用し巨視的描像へのリンクを与えた。動的ランダム行列理論において現れるAiry点過程、Ginibre点過程について、無限次元確率微分方程式の一意的強解の存在や堅牢性を示した。その他、パーコレーション、非線形拡散方程式、安定型雑音を伴う確率偏微分方程式等の研究を行った。大規模相互作用系とは、巨視的に観測される様々な現象を微視的レベルから解析し理解するために導入される数理モデルの総称である。対象とする系は、一般に莫大な量の自由度を有する。以下、本年度の研究実績からいくつか具体的に述べる。1.代表者の舟木は、Otto,Villaniらによる解析的手法を応用して、凸ポテンシャルを持つ∇φ界面モデルの流体力学極限を示した。Gibbs分布の長距離相関が問題を困難にする。さらに、一様統計および制限付き一様統計に対応する2次元Young図形の運動について、以前示した流体力学極限の周りの非平衡揺動問題を論じ、極限の線形確率偏微分方程式を求めた。また、その不変測度が、平衡系における揺動極限として現れるGauss測度と一致することを示した。2.分担者の樋口は、2次元Ising modelのパーコレーションについて、臨界磁場近辺におけるRussoの公式を証明した。適用できる集合に条件は付くが、arm eventsには適用可能であることを確認した。3.神経パルスの伝播は細胞の3次元構造を考慮すると細胞膜上の擬微分方程式で記述される。分担者の俣野は、作用素の擬正値性という概念を導入することにより、細胞が有限の大きさを持つ場合について解の一様有界性を示した。また、大域アトラクターの性質について調べた。4.分担者の長田は、Ginibre点過程のPalm測度について、条件付けた粒子の個数が等しいときにはPalm測度が互いに絶対連続であり、そうでないときは、特異になるという結果を示した。5.分担者の乙部は、確率論の手法を用いた量子力学系の再帰性についての研究を行い、それがエルゴード的となる条件を求めた。また、雑音の影響を受けた線形輸送方程式に対する逆問題の定式化と解の存在およびその収束の速度に関する評価を得た。界面揺動を記述するKardar-Parisi-Zhang(KPZ)方程式の研究が注目を集めている。これは一種の確率偏微分方程式であるが、発散項を含み、数学的意味を与えることは難しい。しかし、その(形式)解のCole-Hopf変換を考えると、乗法的ノイズを持つ線形確率熱方程式に帰着される。研究代表者の舟木は、このようにして得られる線形確率熱方程式について、幾何的ブラウン運動の分布が不変測度であることを示した。舟木は、フェロモンにより自己組織的に集成する生物の挙動を記述する巨視的な交差拡散モデルを提示し、対応する微視的レベルの個体運動モデルを考えた。特異極限と流体力学極限の手法により、巨視的描像と微視的描像のつながりを与えた。舟木は、空間的に非一様な物理量を保存量としてもつ粒子系の平衡状態についてアンサンブル同値を示した。これはランダムな2次元ヤング図形のスケール極限の解析において必要になる。分担者の樋口は、2次元Isingモデルのパーコレーションの高温域での無限クラスターの種と呼ばれるものの分布が存在する事を確かめた。分担者の長田は、Airy点過程に付随する無限次元確率微分方程式の一意的強解の存在を証明した。分担者の乙部は、線形および非斉次のガウス型雑音を伴う輸送方程式に対する順問題および係数決定の逆問題について、解の一意存在およびその表現公式を得たほか、収束の速度についての評価も得た。研究は代表者と分担者の協力の下に進められているが、研究実績は研究者ごとに述べる。

代表者の舟木は、自己組織的に集成する生物の挙動を記述するミクロ・メゾ(微視的・中間的)系の範囲を広げることにより、流体力学極限の手法に基づいて得られるマクロ(巨視的)な交差拡散方程式のクラスの拡張を行った。また、界面揺動を記述するKardar-Parisi-Zhang方程式に関する確率解析的研究を継続して行った。特に、Cole-Hopf変換が使えない多要素系についても、平衡解の研究を進める手がかりを得た。分担者の俣野は、空間1次元非線形拡散方程式に現れる進行テラス解、空間非周期的な媒質中の進行波、退化した拡散方程式が生成する無限次元力学系、非線形拡散方程式の特異極限の下で現れる遷移層の形状などについて多方面からの研究を行った。Isingモデルのパーコレーションを高温相で考えるとき、外部磁場の臨界値においてインシピエント無限クラスターの分布の極限が定義できるが、分担者の樋口はその分布に関する平均からの偏差についての情報を得た。分担者の長田は、Airy点過程について逆温度βが1,2,4の場合に、平衡分布の準ギブス性を証明し、さらに対数微分を計算して無限次元確率微分方程式を解くことに成功した。分担者の乙部は、無限次元空間上の安定雑音を伴う放物型の偏微分方程式への応用を目指して、無限次元空間上の独立同分布な確率変数の和の収束の問題についての研究を行った。特に、安定雑音の場合については、確率の末尾分布の漸近挙動と積率の和の収束による収束判定条件について、伊藤-西尾型の一般論には帰着できない場合についても証明が得られた。大規模相互作用系とは、巨視的に観測される様々な現象を微視的レベルから解析し理解するために導入される数理モデルの総称である。対象とする系は、一般に莫大な量の自由度を有する。以下、本年度の研究実績からいくつか具体的に述べる。本研究は、研究代表者と研究分担者らの協力の下に進められたが、研究実績は研究者ごとに述べる。代表者の舟木は、ランダムな界面揺動を記述するKPZ方程式のCole-Hopf解の不変測度について調べた。また、多成分がカップルしたKPZ方程式への拡張を行った。舟木はさらに、弱いピンニングの効果を持つGauss的ランダム場のスケール極限に関する研究を行った。対応する大偏差原理の速度汎関数の最小点が一意的ならば、スケール変換されたランダム場に対して大数の法則が成立し、一意的な最小点が極限になる。一方、最小点が複数個ある場合には、極限の特定は非自明である。しかし、そのような場合についてもスケール極限として現れる最小点を決定した。水中の泡の運動を記述するRayleigh-Plesset方程式の確率摂動についても考察した。分担者の俣野は、2次元のKPP方程式における波面の広がり速度を最大化する係数を決定する問題について考察した。また、非線形Stefan問題の解の正則性と漸近挙動を論じた。分担者の長田は、Ginibre点過程について、Palm分解およびrestore密度公式という、空間のrigidityを示す結果を得た。またこれらを用いて、対応する無限次元確率力学のrigidityを証明した。分担者の乙部は、白色安定雑音を伴う放物型の確率偏微分方程式に対して、その解の存在および一意性と、解の正則性についての研究を行い、特に安定分布に従うバナッハ空間上の独立確率変数の和についての収束の条件を得た。分担者の樋口は昨年発表した論文の証明の簡素化に成功した。
腰椎ローカル筋群の腰椎安定化に及ぼす影響

腰痛の発症率は非常に高く,腰痛症患者に対し様々な治療が行われている中,近年「腰椎安定性」が腰痛マネージメントに関与する因子として注目されている.腰椎安定化には,体幹深部に位置し腰椎に直接付着する筋(ローカル筋)の機能が重要と言われており,臨床においてもローカル筋の神経・筋協調性を再教育する「腰部安定化トレーニング」が盛んに行われている.しかし,生体においてローカル筋機能が動的な腰椎挙動を制御し得るか否かを検討した研究は少ない.そこで本研究は,ローカル筋機能が腰椎の動的安定性に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした.8名の健常成人男性(年齢2325歳)に対し,腋窩支持でのぶら下がり状態で腰部・下肢に屈曲一伸展方向への振り子運動を行わせた際の矢状面腰椎挙動及び体幹筋活動を測定した.腰椎挙動計測には第12胸椎(T),第3腰椎(L),第1仙椎(S)棘突起上の皮膚表面に貼付した磁気式三次元位置センサーを用いた.体幹筋活動の測定には筋電図を使用し,腹直筋,外腹斜筋,脊柱起立筋には表面電極,腹横筋,多裂筋にはワイヤ電極を用いた.試技は体幹を弛緩させる「Relax条件」,下腹部を引き込ませる「Hollowing条件」,腹部全体の筋収縮を意識させる「Bracing条件」,股関節を軽度屈曲させる「HipFlex条件」の4条件であり,試技間においてT-L,L-S,T-Sの角度変化及び各筋の活動量を比較した.さらに,試技間の腰椎挙動の変化に最も関与している筋を検討した.2008年3月現在、実験を終了し、腰椎ローカル筋の体幹安定性に及ぼす影響を評価すべく、データの解析を行っている。腰痛の発症率は非常に高く,腰痛症患者に対し様々な治療が行われている中,近年「腰椎安定性」が腰痛マネージメントに関与する因子として注目されている.臨床においても,体幹深部に位置する筋の神経・筋協調性を再教育し腰椎を安定化させる「腰部安定化トレーニング」が盛んに行われているが,生体において体幹深部筋機能が動的な腰椎挙動を制御し得るか否かを検討した研究は少ない.よって,体幹深部筋機能が腰椎の動的安定性に及ぼす影響を明らかにすることを目的に本研究を行った.4名の健常成人男性(年齢2326歳)に対し,ぶら下がり状態で腰部・下肢に屈曲-伸展方向への振り子運動を行わせた際の矢状面腰椎挙動をX線シネ撮影装置及び,第10胸椎,第3腰椎,仙椎棘突起上の皮膚表面に貼付した3次元位置センサーにより測定した.試技は「体幹を弛緩させる条件」「腹部を引き込ませる条件」「股関節を屈曲させる条件」の3条件で,各試技の2周期目の角度変化を試技条件間で比較した.3次元位置センサーにより測定した結果から,体幹深部筋群の活動を促進させると予想される「腹部を引き込ませる条件」「股関節を屈曲させる条件」での腰椎挙動は「体幹を弛緩させる条件」に比べ挙動が抑制される傾向を認めたが,抑制されない者も存在し個人差が見られた.X線シネ画像から得られた結果では,腰椎を鮮明に写し出せた画像が少なかったため,各椎間挙動の測定や試技条件間での挙動の比較をすることは困難であった.生体における腰椎の動的安定性を画像所見により評価した研究は少なく,本研究ではX線シネ撮影装置を用いて試みたが,第1腰椎から第1仙椎までを撮影するには撮影範囲が不十分であり限界があった.今後は,腰椎挙動をより正確に評価し得る測定手法を再考した上で,他の測定項目と合わせて腰椎の動的安定性を多角的に検証していく必要があると考える.腰痛の発症率は非常に高く,腰痛症患者に対し様々な治療が行われている中,近年「腰椎安定性」が腰痛マネージメントに関与する因子として注目されている.腰椎安定化には,体幹深部に位置し腰椎に直接付着する筋(ローカル筋)の機能が重要と言われており,臨床においてもローカル筋の神経・筋協調性を再教育する「腰部安定化トレーニング」が盛んに行われている.しかし,生体においてローカル筋機能が動的な腰椎挙動を制御し得るか否かを検討した研究は少ない.そこで本研究は,ローカル筋機能が腰椎の動的安定性に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした.8名の健常成人男性(年齢2325歳)に対し,腋窩支持でのぶら下がり状態で腰部・下肢に屈曲一伸展方向への振り子運動を行わせた際の矢状面腰椎挙動及び体幹筋活動を測定した.腰椎挙動計測には第12胸椎(T),第3腰椎(L),第1仙椎(S)棘突起上の皮膚表面に貼付した磁気式三次元位置センサーを用いた.体幹筋活動の測定には筋電図を使用し,腹直筋,外腹斜筋,脊柱起立筋には表面電極,腹横筋,多裂筋にはワイヤ電極を用いた.試技は体幹を弛緩させる「Relax条件」,下腹部を引き込ませる「Hollowing条件」,腹部全体の筋収縮を意識させる「Bracing条件」,股関節を軽度屈曲させる「HipFlex条件」の4条件であり,試技間においてT-L,L-S,T-Sの角度変化及び各筋の活動量を比較した.さらに,試技間の腰椎挙動の変化に最も関与している筋を検討した.
うつ病におけるセロトニンレセプター神経伝達機構の分子生物学的研究

セロトニン(5HT)・レセプターはうつ病において重要な役割を果たしていると考えられている。今までは5HT-1Aおよび2Aレセプターに研究の主眼がおかれていた。ところが最近になって5HT-2Cレセプターが注目されるようになってきた。その理由として5HT-2Cレセプターは5HT-2Aレセプターと同じセカンドメッセンジャーであるイノシトールリン脂質系と連関しているが、5HTに対する親和性は10倍以上である。5HT-1Cレセプターは5HTを髄液に産生している脈絡叢に多く分布していることがあげられる。今回我々はセロトニン2Cレセプターにおける抗うつ薬の影響について培養細胞を用いて研究した。5HT-2CレセプターはCHO細胞に発現させた。5HT,5-HT-2CレセプターのアゴニストであるMcPP、5HT-2Cおよび2AレセプターのアゴニストであるDOIは5HTによる細胞内Caを急激に増加させた。5HTレセプターのアンタゴニストであるmianserin、mesulergine、ritanserin、ketanserinはこの反応を有意に抑制した。抗うつ薬であるamoxapineも5HTによる細胞内Caの増加を完全に抑制し、amitryptyline,nortriptyline,imipramineは約50%減少させた。これらのことは5HT-1Cレセプターがうつ病において何らかの重要な働きをしていると考えた。我々は5HT1Cレセプター遺伝子を導入した細胞を用いることで、5HT1Cアゴニスト、アンタゴニストを用いて細胞内カルシウム動員から5HT1Cレセプターの伝達機構を明らかにした。5HTおよび5HTアゴニストは濃度依存的に細胞内カルシウムを増加させた。このED50は従来5HT2レセプターで報告されいるものより約510倍近く高い親和性を示した。5HTレセプター・アゴニストのうちmCPP,DOIは5HTと同様の細胞内カルシウムの増加を示したが、8OHDPAT,RU24969による細胞内カルシウムの増加はごく軽度であった。また5HT1Cレセプターのアンタゴニストであるmianser in,mesulergine,ritanserinは5HTによる細胞内カルシウムの増加をほぼ完全に抑制したが、ketanserinの抑制力はこれらの薬物に比べて弱く、spiperoneはほとんど抑制しなかった。5HTは継時的に5HTによる細胞内カルシウム増加を抑制した。すなわち5HT1Cレセプターは脱感作を示した。5HT1Cレセプターに対する5HTの細胞内カルシウムの増加は5HT2レセプターに比べて高い増加を示した。脱感作も短時間で急速であった。このことは5HT1Cレセプターが高い親和性を持ちレセプター以後の神経伝達に対して5HT2レセプターに比べて優位に働いていると思われる。Spiperoneが5HTによる細胞内カルシウム増加を抑制できなかったことは従来の報告とよく一致している。

5HTレセプターのアンタゴニストであるmianserin、mesulergine、ritanserin、ketanserinはこの反応を有意に抑制した。抗うつ薬であるamoxapineも5HTによる細胞内Caの増加を完全に抑制し、amitryptyline,nortriptyline,imipramineは約50%減少させた。これらのことは5HT-1Cレセプターがうつ病において何らかの重要な働きをしていると考えた。
大脳辺縁系における異種脳領域間のネットワークによる情報変換機構

本研究は、大脳辺縁系内の複数の脳領域に存在し、異なる機能を有するニューロン間の相互作用を解析することにより、ニューラルネットワークにおける情報変換機構を解明することを目的とする。本年度は、自由行動下ラットに慢性的に取り付けるマイクロドライブ付マルチ電極を新たに開発し、異なる領域に埋め込んだ2本のマルチ電極を独立に駆動させることに成功した。実験は2種類行い、視覚誘導性報酬課題では、十字迷路の4隅のライトを特定の順番で点灯させ、ラットにライトの点灯したボックスに順番に進入して水を摂取するように学習させた。このとき、ラットの訪れる順番に従って各ボックスの報酬価を水7,5,3,1滴(一滴:30μml)にした。次に4つのライトを同時に点灯させ、ラットに同じ順番で各ボックスを訪れることを学習させた(記憶誘導性報酬課題)。この2種類の課題遂行中に海馬体および側坐核から同時にニューロン活動を記録し、相互相関法により両領域ニューロン間の発火パターンを解析した。記録した総数154組のニューロンペア(海馬体65個,側坐核56個)のうち、108組が少なくとも1つの迷路アームで有意な相互相関を示し、そのほとんどが4つのうち1つのアームでだけ有意差がみられた(場所選択的相関)。多くの海馬体ニューロンの発火は側坐核より1030ms先行し、海馬体から側坐核へ1方向性に投射しているという神経解剖学的事実と一致した。また、3つの異なる行動期に分けて解析した結果、報酬領域の近辺で強い相関がみられた。さらに、相関の高い18組のうち、10個の海馬体ニューロンで9HzのΘリズムが認められ、そのうち8ペアでΘリズムの相互相関が観察された。以上より、海馬体および側坐核の同期性は場所および行動依存性があり、Θリズムが海馬体-側坐核の機能的結合性に重要な役割を果たしていることが示唆された。
持続可能な地域の実現に貢献するサステイナブル・キャンパスモデル構築に関する研究

1.大学キャンパスと、それが立地する母都市の関係に着目し、地方都市が持続的に発展していくために、大学キャンパスの存在が大きな役割を果たすことを、海外調査事例等を通じて実証した。2.大学キャンパスが持つ環境・施設などの空間要素と、知財・人材などの非空間要素に着目し、持続可能性に貢献する定量的指標と定性的指標の相関関係から、サステイナブル・キャンパスの評価システム(試行版)を構築した。3.サステイナブル・キャンパスの実現に取り組む我が国独自の大学間ネットワークを構築し、今後の研究推進基盤とするとともに、同様の海外大学ネットワークとより一層の連携を推進した。初年度の研究では、(1)大学と地域の連携関係のバリエーションの抽出、(2)都市環境総体に対する大学の貢献を前提とした計画理念、(3)大学側の計画であるキャンパス計画と都市側の都市計画などの計画の連動性、の視点を活かしながら、評価指標抽出と評価ツール構築のための基礎情報を得ることを目的とし、大学と都市における、国ごと、地域ごとの特徴を把握するために、研究組織で連携・分担して調査し、分析と検討を行った。1)評価指標抽出のためのヒアリングと情報収集(担当:研究組織全員)Webによる情報収集、ISCN(International Sustainable Campus Network)の研究者とメールによる事前情報交換を行うと共に、スエーデン・イエーテボリで開催されるISCNシンポジウムに参加し、欧米におけるSC研究の実態把握とサステイナブル指標の抽出に資する知見を得た。2)国内外既存評価ツールの比較分析(担当:恒川、鶴崎)CASBEE(日本)、BREEAM(英国)、LEED(米国)等の既存の環境負荷低減評価ツールに関する情報収集と比較分析を行うとともに、3)個別評価項目の評価指標の明確化(担当:小篠、上野)4)北海道大学が主催するサステイナブルキャンパス国際シンポジウム2011にパネラーとして参加し、各自の研究を発表する共に、米国からの参加者と意見交換を行った。(担当:研究組織全員)最終年度の研究では、前2年の研究成果である評価指標抽出と評価ツール構築のための評価システムモデル暫定案を利用して、国内9大学に対する試験評価を実施した。さらに、大学と都市における、国ごと、地域ごとの特徴を把握するために、研究組織で連携・分担して調査し、以下の分析と検討を行った。1)評価指標の抽出のためのヒアリングと情報収集/Webによる情報収集、ISCN(International Sustainable Campus Network)の研究者とメールによる事前情報交換を行うと共に、シンガポール国立大学で開催されたISCNシンポジウムに参加し、サステイナブル指標の抽出に関する意見交換を行った。さらに、ザグレブ大学、ナンヤン工科大学、シンガポール経営大学、香港大学、香港工科大学を訪問し、サステイナブルキャンパス評価と地域形成に関わる情報交換を実施した。2)評価システムモデル作成/前年度作成した評価システムモデル暫定版を用いて、9大学(千葉大学、北海道大学、東北大学、大阪大学、高知大学、九州大学、琉球大学、立命館大学、東京電機大学)において試験評価を行った。4)国内ネットワークの形成/本研究の成果を活用して、サステイナブルキャンパス推進協議会(CAS-Net Japan)の設立および、同協議会に関連する国際シンポジウムに参加した。2年目の研究では、初年度に引き続き1大学と地域の連携関係のバリエーションの抽出、2都市環境総体に対する大学の貢献を前提とした計画理念、3大学側の計画であるキャンパス計画と都市側の都市計画などの計画の連動性、の視点を活かしながら、評価指標抽出と評価ツール構築のための評価システムモデルの作成を行い、大学と都市における、国ごと、地域ごとの特徴を把握するために、研究組織で連携・分担して調査し、以下の分析と検討を行った。1)評価指標の抽出のためのヒアリングと情報収集/Webによる情報収集、ISCN(International Sustainable Campus Network)の研究者とメールによる事前情報交換を行うと共に、オレゴン大学で開催されたISCNシンポジウムに参加し、サステイナブル指標の抽出に関する意見交換を行った。さらに、オランダ自由大学、オックスフォード大学、ケンブリッジ大学を訪問し、サステイナブルキャンパス評価に関わる情報交換及を実施した。2)評価システムモデル作成/CASBEE(日本)、BREEAM(英国)、LEED(米国)等の既存の環境負荷低減評価ツールに関する情報収集と比較分析を行うとともに、評価システムモデルを作成し、研究者所属大学において適応可能性評価を行った。ISCNを通じた海外大学との情報交換、AASHEが採用するSTARSという評価システムの検討、さらには、サステイナブルキャンパス国際シンポジウム2011での研究発表等、当初の計画に沿った形で順調に研究を行うことができた。25年度が最終年度であるため、記入しない。ISCNを通じた海外大学との情報交換、AASHEが採用するSTARSという評価システムへの参加、さらには、サステイナブルキャンパス評価のモデルシステム作成等、当初の計画に沿った形で順調に研究を行うことができた。23年度の研究成果をもとに、定量的指標と定性的指標の相関関係を明らかにし、評価ツールの設計と、それを用いた既存キャンパスの評価を行う。

1)定量的指標と定性的指標の相関関係検討(担当:鶴崎、上野)・定量的指標と定性的指標を統合するシステムをISCNと連携しながら検討する。2)キャンパス評価ツールの設計(担当:研究組織全員)・既存の環境負荷低減評価ツールやSTARSの評価指標をベースにしながら、都市の持続可能性に貢献するキャンパス評価ツールを開発に着手するとともに、評価ツールを担当者が所属する大学、キャンパスに適用し、大学の規模、地域特性などが反映されているかに注意しながら検証を行う。3)ISCNシンポジウム2012でのヒアリングや、海外他大学と連携したワークショップの企画を行う。(担当:研究組織全員)25年度が最終年度であるため、記入しない。23・24年度の研究成果をもとに定量的指標と定性的指標の相関関係を明らかにし、モデル設計した評価ツールの有効性の検証を、国内既存キャンパスに適用して実施して、研究最終年度のとりまとめを行う。1)ISCNシンポジウム2013での成果発表と情報交換(担当:上野、小篠)2)定量的指標と定性的指標の相関関係検討(担当:小篠、鶴崎)/定量的指標と定性的指標を統合するシステムをISCNと連携しながら検討する。3)キャンパス評価ツールの設計(担当:研究組織全員)/既存の環境負荷低減評価ツールやSTARSの評価指標をベースにしながら、都市の持続可能性に貢献するキャンパス評価ツールを開発に着手するとともに、評価ツールを担当者が所属する大学、キャンパスに適用し、大学の規模、地域特性などが反映されているかに注意しながら検証を行う。
フレームレス超高解像度映像による東京オリンピックの博物館資料化

本研究は、2020年に開催される東京オリンピックをこれまでのテレビ映像のように、競技中の特定の選手だけを記録するのではなく、フィールド内やベンチにいるすべての選手、関係者、また、観客席で応援する市民、さらには、将来有形の文化財となるであろうスタジアムの建築物まですべての風景をフレームレスな超高解像度映像として記録し、博物館資料にするものである。最終年度は、各種競技団体の協力のもと、各種スポーツ(陸上競技、バスケットボール、バレーボール、卓球、体操)を4Kや8Kカメラに魚眼レンズをつけて撮影するドーム映像だけでなく、近年急速に普及し始めた全天球カメラを使ったVR映像としても撮影した。また、それらの映像を実際に営業中のプラネタリウム館を借用して投影実験を行った。また、国内の主なプラネタリウムメーカーなどに集まってもらい、生中継をする際のファイル形式(具体的には、プラネタリウムで標準的なドームマスター形式を使うのか、VR映像で標準的なエクイレクタングラー形式を使うのかなど)や伝送方法について議論した。ドームマスターの場合、正方形フォーマットであり、通常の映像伝送の16:9や2:1の長方形フォーマットでないために、ドームマスター形式であっても長辺を切り取らない形式や、エクイレクタングラー形式がふさわしいという結論に達した。オリンピックの撮影や中継に関しては、様々な権利問題があるため、研究素材としては利用しにくいため、ドーム映像と平面映像、さらにはVR映像との比較実験などは、一般的な風景を用いて行った。ドーム映像に関しては教育効果で言えば、導入時に効果があり、興味関心を持ったあとは、注目すべき被写体にフォーカスをした平面映像が効果が高いことがわかった。また、ドーム映像とVR映像との比較では、視聴行動に明らかな違いが認められ、その効果に関しては引き続き研究を続けている。本研究はオリンピックに代表されるスポーツイベントを、その瞬間、ゲームの中心でプレイしている選手だけを記録する一般的な映像ではなく、フィールド内にいるすべての選手、審判、フィールド外の控え選手やコーチなど関係者、観覧席に集まった観衆の応援や服装などの風俗、さらには有形文化財としてのスタジアムなど、ゲームが行われている空間にあるすべてをフレームレスの全方位超高解像度の映像で記録するシステムを開発し、その技術的課題を解決するものである。研究に着手する前に我々が所有していた撮影システムは4Kカメラを用いたものであるが、これを使って例えば、バスケットボールのゲームを撮影した場合、すべての選手の動きを記録することができたが、ゲームを観戦する上で重要な選手のゼッケンナンバーを解読できるか、できないかギリギリの解像度であった。そこで、4Kカメラを5台使って解像度を高める実験を行ったが、使用した安価なカメラの光学系の解像度が足りず、画素数では十分な解像度を持っているにも拘わらず、ゼッケンナンバーをシャープに記録することに失敗した。そこで、カメラメーカーの協力を得て、開発中の単眼で解像度の高い8Kやそれ以上の解像度のカメラを借り、我々がこれまで使っていたシステムの魚眼レンズを装着することで、画素数に応じた高精細な映像を撮影することに成功した。しかし、これらのカメラはビデオフレームの動画の撮影ができず、今後のメーカーの開発を待たねばいけない。一方で、球技のような平面上での競技だけでなく、立体的な動きのある映像サンプルとして水中映像や鉄道博物館での撮影、投影を行い、それらのノウハウを用いて、壁を登るクライミングの競技の撮影も行い、展示会や研究会で映像を紹介するなどし、オリンピック組織委員会などの関係者の意見を収集した。当初の計画であった複数のカメラを使って解像度を高める方法では、画像の画素数はカメラの台数に合わせて高くすることができたが、使用する安価なカメラの光学系の性能のために、実際の解像度を高めることに失敗した。そこで、単眼カメラで高い解像度の映像を得るためにカメラメーカーに協力を求め、開発中のカメラを借りて実験することで、目標とする解像度の映像の撮影に成功した。このように当初の計画通りには進まなかったものの、別の方法で目標を達成できたので(2)の「おおむね順調に進展している」と判断した。本研究は、2020年(平成32年度)に開催される東京オリンピックをこれまでのテレビ映像のように、競技中の特定の選手だけを記録するのではなく、フィールド内やベンチにいるすべての選手、関係者、また、観客席で応援する市民、さらには、将来有形の文化財となるであろうスタジアムの建築物まですべての風景をフレームレスな超高解像度映像として記録し、博物館資料にするものである。具体的には、全国に300館以上あるプラネタリウム館のドームスクリーンに投影できる映像コンテンツとして東京オリンピックのレガシーにすることである。今年度はオリンピック組織委員会や各競技団体などのスポーツ関係者、さらにはメディアなどの協力を得て、様々なスポーツ(野球、バレーボール、ウェイトリフティング、体操)をドーム映像として記録し、ドームスクリーンに投影する実験を行った。また、視聴者によるドーム映像の評価指標として感性工学で用いられるSD法を使うことで、映像コンテンツという主観的な対象を客観的に評価できることを明らかにした。さらに、研究団体や内閣府や総務省の協力を得て、東京都内のプラネタリウム館を借り切り、スポーツ映像だけでなく、観光映像も含めた上映会を2度開催し、多くの視聴者からの評価を得ることができた。加えて、ドーム映像としてはダイナミックレンジの広さでもっともリアルな表現が困難な皆既日食の映像を各地のプラネタリウム館の協力を得て投影実験を行った。最終目標である東京オリンピックのフレームレス映像としての博物館資料化であるが、実現のための前提として、国内のオリンピック組織委員会(その先にはIOC)の同意が必要である。

その先には、放送関係者(国内ではNHKや民放からなるジャパンコンソーシアム、国際ではオリンピック放送機構OBS)との同意、さらにはスポンサー企業(特に映像機器メーカー)の同意が必要になる。そのため、今年度はこの多くの組織との調整作業に多くの時間と労力をかける結果になった。結果的には、すべてのレベルの調整が終わっておらず、最終的な目標が達成できるか不透明であるが、多くの関係者と交渉をすることにより、オリンピック映像に関わる権利の構造を理解することができた。本研究は、2020年に開催される東京オリンピックをこれまでのテレビ映像のように、競技中の特定の選手だけを記録するのではなく、フィールド内やベンチにいるすべての選手、関係者、また、観客席で応援する市民、さらには、将来有形の文化財となるであろうスタジアムの建築物まですべての風景をフレームレスな超高解像度映像として記録し、博物館資料にするものである。最終年度は、各種競技団体の協力のもと、各種スポーツ(陸上競技、バスケットボール、バレーボール、卓球、体操)を4Kや8Kカメラに魚眼レンズをつけて撮影するドーム映像だけでなく、近年急速に普及し始めた全天球カメラを使ったVR映像としても撮影した。また、それらの映像を実際に営業中のプラネタリウム館を借用して投影実験を行った。また、国内の主なプラネタリウムメーカーなどに集まってもらい、生中継をする際のファイル形式(具体的には、プラネタリウムで標準的なドームマスター形式を使うのか、VR映像で標準的なエクイレクタングラー形式を使うのかなど)や伝送方法について議論した。ドームマスターの場合、正方形フォーマットであり、通常の映像伝送の16:9や2:1の長方形フォーマットでないために、ドームマスター形式であっても長辺を切り取らない形式や、エクイレクタングラー形式がふさわしいという結論に達した。オリンピックの撮影や中継に関しては、様々な権利問題があるため、研究素材としては利用しにくいため、ドーム映像と平面映像、さらにはVR映像との比較実験などは、一般的な風景を用いて行った。ドーム映像に関しては教育効果で言えば、導入時に効果があり、興味関心を持ったあとは、注目すべき被写体にフォーカスをした平面映像が効果が高いことがわかった。また、ドーム映像とVR映像との比較では、視聴行動に明らかな違いが認められ、その効果に関しては引き続き研究を続けている。撮影するカメラシステムを単眼システムに決定したことから、今後は実際のスポーツ競技の撮影を繰り返すことでカメラ位置や角度などの最適解を求めたり、高解像度のドームを使っての投影実験と、それらの評価実験を行う。また、ヘッドマウントディスプレイなどを使ったドームを使わない映像表現の実験を行い、それらの差異を評価し、博物館の展示環境に合った映像展示の方法を考察する。
多剤併用による認知機能低下回避を目指した臨床-基礎融合研究による相互作用解明

薬剤性認知機能障害とポリファーマシー解消に役立つエビデンス創出を目指して、薬歴情報から問題となる組み合わせを抽出するためのデータベース化ツール作成と、薬物動態学/薬力学的相互作用解析のための脳内受容体占有測定法の構築を目的とした。薬歴情報から、患者情報、処方薬情報、有害事象発現情報をデータベース化するツールを、Excel VBAを利用して作成し、入力規則、ファイルチェック、エラーチェックを組み込んだ調査票とデータベースとの連動に成功した。このデータベース化ツールは、高齢者入居施設における抗コリン薬服用患者の薬歴情報データベース化に実用可能であった。まだ少数のデータであるが、高齢者入居施設における有害事象発現率は、インタビューフォーム記載の臨床試験における有害事象発現率とは異なることが示された。高齢者における薬歴情報のデータベース化の重要性は高いと考えられる。ラットを用いた動物実験により、ムスカリン性アセチルコリン受容体を含む複数受容体の同時測定系を、質量分析計を用いて構築することができた。すなわち、複数の受容体リガンドをラットに同時に静脈内投与後、脳を摘出し顆粒画分への結合を測定し、小脳部位の結合を非特異的結合として見積もることにより、大脳皮質および線条体部位における特異的結合の測定に成功した。以上の結果から、本研究を推進するために必要な薬歴情報データベース化と、相互作用解析のための受容体占有率測定法を確立することができ、臨床-基礎融合研究の基盤を確立することができた。臨床研究を進めるために必須の薬歴情報データベース化ツールと、動物実験による相互作用解析の基盤となる受容体占有率測定法を確立できたことから、臨床と基礎の融合研究を推進するための基盤が整い、臨床-基礎融合研究による相互作用解明に向け、大きな成果があったと考えられるため。薬歴情報データベース化の効率化をすすめながら、データベースの規模を拡大し、認知機能障害を含む有害事象を発現する危険性の高い薬剤の組み合わせを探索する。臨床研究から探索された薬剤の組み合わせで起こる相互作用解析のため、質量分析計を用いた相互作用解析系をブラッシュアップするとともに、相互作用解析から有害事象発現メカニズムを解明する。(理由)平成30年度購入予定であった消耗品費が当初予定よりも低予算で済んだため、次年度使用額が発生した。(使用計画)次年度使用額(898,268円)については消耗品費として使用する予定である。
電磁超音波センサを用いたCFRP積層板における層間はく離の非破壊評価

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)は軽量かつ高強度であるため航空機などに用いられるが,プリプレグシートを重ねて成形した積層板は衝撃により層間はく離が発生すると圧縮強度が著しく低下する.本研究では層間はく離の非破壊評価を目的として電磁超音波センサにより板波音速を測定した.板波は音速が周波数と板厚の積に依存する分散性を示すことから,板厚減少を引き起こす層間はく離を板波音速変化として検出することを試みた.電磁超音波センサはコイルと磁石とから構成され,材料中に発生した渦電流と静磁場の相互作用によるローレンツ力により超音波を発生させる.CFRPはある程度の導電性を有しており,さらに渦電流を発生させやすいと期待される平織りクロスプリプレグを用いた積層板を用いることで本来金属用である電磁超音波センサの適用を可能にした.電磁超音波センサは従来の圧電センサのように測定対象の表面処理や音響結合剤を必要とせずセンサの走査が容易である反面,変換効率が低い.まず,静磁場を反転させた受信波形の差をとると送信信号の漏れと重畳された状態から板波波形を抽出できること,積層板裏面の受信センサ対向位置に軟鋼ブロックを置くことにより信号強度を向上できることを確認した.さらに電磁石により静磁場を与えて信号増幅を試みたが,十分な静磁場強度は得られなかった.人工はく離を段階的に導入した積層板において板波の群速度測定を行った結果,各周波数成分の群速度は健全部よりはく離部で大きいことが確認された.伝ぱ距離に対する伝ぱ時間の傾きがはく離部で変化することを利用したはく離評価について検討したが,はく離導入前の群速度とはく離導入後の健全部の群速度が一致しないため十分な精度が得られなかった.ただし,健全であることが既知である領域が存在する場合には,その領域での伝ぱ距離-伝ぱ時間関係を基準としてはく離領域の評価が可能であるといえる.炭素繊維強化プラスチック(CFRP)は軽量かつ高強度であるため航空機などに用いられるが,プリプレグシートを重ねて成形した積層板は衝撃により層間はく離が発生すると圧縮強度が著しく低下する.本研究では層間はく離の非破壊評価を目的として電磁超音波センサにより板波音速を測定した.板波は音速が周波数と板厚の積に依存する分散性を示すことから,板厚減少を引き起こす層間はく離を板波音速変化として検出することを試みた.電磁超音波センサはコイルと磁石とから構成され,材料中に発生した渦電流と静磁場の相互作用によるローレンツ力により超音波を発生させる.CFRPはある程度の導電性を有しており,さらに渦電流を発生させやすいと期待される平織りクロスプリプレグを用いた積層板を用いることで本来金属用である電磁超音波センサの適用を可能にした.電磁超音波センサは従来の圧電センサのように測定対象の表面処理や音響結合剤を必要とせずセンサの走査が容易である反面,変換効率が低い.まず,静磁場を反転させた受信波形の差をとると送信信号の漏れと重畳された状態から板波波形を抽出できること,積層板裏面の受信センサ対向位置に軟鋼ブロックを置くことにより信号強度を向上できることを確認した.さらに電磁石により静磁場を与えて信号増幅を試みたが,十分な静磁場強度は得られなかった.人工はく離を段階的に導入した積層板において板波の群速度測定を行った結果,各周波数成分の群速度は健全部よりはく離部で大きいことが確認された.伝ぱ距離に対する伝ぱ時間の傾きがはく離部で変化することを利用したはく離評価について検討したが,はく離導入前の群速度とはく離導入後の健全部の群速度が一致しないため十分な精度が得られなかった.ただし,健全であることが既知である領域が存在する場合には,その領域での伝ぱ距離-伝ぱ時間関係を基準としてはく離領域の評価が可能であるといえる.CFRP積層板に発生した層間はく離の検出を目的として,電磁超音波センサを用いて板波音速測定を行った.板波の音速は周波数と板厚に依存するため,層間はく離が発生して板波の伝ぱ経路の板厚が減少すると音速が変化する.この板波音速変化から層間はく離を検出する手法をCFRP積層板に適用する.導電性のないGFRP積層板に対しては,コイルを積層板中に埋め込みその上に磁石を置いて構成した電磁超音波センサで板波の送受信が可能であることが確認されている.CFRP積層板にはある程度の導電性があるため,渦電流と静磁場との相互作用であるローレンツ力を利用する金属用電磁超音波センサを適用できる可能性がある,蛇行コイルおよび永久磁石とからなる板波用電磁超音波センサを製作し,CFRP積層板中の板波の送受信を試みた.試料として,渦電流を発生させやすくするため,平織りクロスプリプレグを積層しオートクレープ成形したものを用いた.まず,送受信いずれかのセンサの静磁場を逆向きにすると板波の位相が反転することを利用し,送信センサの磁石を反転させて送信信号の漏れと重畳された波形から板波信号だけを抽出する手法を用い,さらに受信センサ設置面の裏側に軟鋼ブロックを接触させて静磁場強度を増加させることにより,電磁超音波センサが従来の圧電センサと比較して変換効率が低いことを補えることを確認した.次に,人工はく離を導入した積層板において送受信子間距離を変化させながらそれぞれの伝ぱ距離に対する波形を取り込み,中心周波数近傍の周波数成分の音速を求めた.

はく離によるわずかな音速変化をとらえる可能性は確認できたが,端面エコーとの干渉があるため,試験片の周囲四辺を端面エコーが受信されないように加工する必要があることがわかった.CFRP積層板の圧縮強度を著しく低下させる層間はく離の検出を目的とし,電磁超音波センサにより板波音速の測定を行った.板波は音速が周波数と板厚の積に依存する分散性を示すことから,板厚減少を引き起こす層間はく離を板波音速変化として検出することを試みた.電磁超音波センサとはコイルと磁石とから構成されるセンサであり,材料中に発生した渦電流と静磁場の相互作用によるローレンツ力により超音波を発生させる.CFRPはある程度の導電性を有しており,さらに渦電流を発生させやすいと期待される平織りクロスプリプレグを用いた積層板を用いることで本来金属用である電磁超音波センサの適用を可能にした.電磁超音波センサは従来の圧電センサのように測定対象の表面処理や音響結合剤を必要とせずセンサの走査が容易である反面,変換効率が低い.昨年度の研究では,静磁場を反転させた受信波形の差をとると送信信号の漏れと重畳された状態から板波波形を抽出できること,積層板裏面の受信センサ対向位置に軟鋼ブロックを置くことにより信号強度を向上できることが確認された.今年度は永久磁石ではなく電磁石により静磁場を与えて信号増幅を試みたが,十分な静磁場強度は得られなかった.人工はく離を段階的に導入した積層板において板波の群速度測定を行った結果,各周波数成分の群速度は健全部よりはく離部で大きいことが確認された.伝ぱ距離に対する伝ぱ時間の傾きがはく離部で変化することを利用したはく離評価について検討したが,はく離導入前の群速度とはく離導入後の健全部の群速度が一致しないため十分な精度が得られないことがわかった.ただし,健全であることがわかっている領域が存在する場合には,その領域での伝ぱ距離-伝ぱ時間関係を基準としてはく離領域の評価が可能であることが明らかになった.
界面現象を利用した高プロトン伝導体の合成と新規燃料電池システムの創成

リン酸系無機複合ガラス電解質を合成し、プロトン伝導特性について検討を行った。ガラス電解質内で生成した微粒子とガラス界面においてプロトン導電率の上昇効果が観測され、中温域(150-300°C)で作動可能な結晶-アモルファス界面を利用したイオン伝導体の設計指針を提案した。また、250°C近傍で作動する中温作動燃料電池を作製し、アルコール類(エタノール、エチレングリコールおよびグリセリン)の電極反応活性を検討したところ、白金触媒上での迅速な酸化反応の進行が観測され、その反応機構の詳細について明らかにした。界面における特異なイオン輸送現象を利用した新規な無機複合プロトン伝導体の合成と界面でのイオン輸送機構の包括的な理解、および新しい概念に基づく燃料電池システム(プロトン型中温作動燃料電池)の提案をめざす。界面現象における期待される効果を以下に示す。(1)界面における空間電荷層の生成(界面近傍でのイオン空孔の生成)による導電率上昇(2)界面におけるイオン伝導体の構造制御(ナノ粒子生成等)に伴う導電率の上昇プロトン伝導体としては、リン酸系無機プロトン伝導性材料およびそれらに関連したプロトン伝導性リン酸系ガラス電解質材料(MOx-P_2O_5(M=Ti,Zn)等)を中心に検討する。さらに新規プロトン伝導体の特徴を生かした燃料電池を作製し、広い温度域の電極反応観測を通じて、室温から300°Cもしくは500°C近傍まで動作可能な新しい概念の燃料電池システムの提案を目的とする。燃料多様化も視点に入れ、アルコール燃料等の電極反応追跡および反応機構解析および電極触媒に関する検討を行う。界面におけるイオン伝導特性の向上を利用した新規な無機プロトン伝導性複合電解質材料の開発および新規燃料電池システムの創成を目的とし、平成20年度(初年度)は、プロトン伝導性リン酸亜鉛ガラス電解質にピロリン酸チタン(TiP_2O_7)微粒子を導入した無機ガラス-微粒子複合体(ZnO-P_2O_5-TiP_2O_7)を合成し、その伝導特性について検討した。特にTip_2O_7微粒子の添加効果について検討した。その結果、加湿雰囲気において生成したリン酸亜鉛ガラスゲルとTiP_2O_7微粒子の界面においてプロトン導電率の上昇効果が見いだされた。プロトン導電率はTiP_2O_7微粒子の体積分率が20%の時に最大値を示し、10^<-2>S/cmの非常に高い導電率を示した。また、今回合成した材料は、加湿雰囲気条件下に限定されるが、80°Cから200°Cの広い温度領域で高いプロトン導電率を保持することがわかった。次年度は、得られた知見を基に低加湿条件で作動可能な材料開発に展開する。新規燃料電池システムの創成に向けて、250°C付近の中温域で作動する中温作動燃料電池は、電極触媒である白金触媒量の低減、発電効率の向上および廃熱の有効利用の観点から有効な発電システムである。本年度は、250°C付近のアルコール類(メタノール、エタノール)の電極酸化反応について、半セルを用いた検討を行った。メタノールおよびエタノールの反応生成物を新規に構築した質量分析測定システムで観測したところ、両者のアルコールにおいて二酸化炭素までの完全酸化反応の進行が確認された。また、固体高分子形燃料電池と比較して、より低電位での酸化電流が観測された。この結果は、中温作動燃料電池の優位性を示す結果である。次年度は、新たに発電システム装置を構築し、詳細な反応機構解析の検討に着手する。新規無機プロトン伝導性複合電解質材料の開発の一環として、今年度(平成21年度)は、昨年度検討した無機ガラス-微粒子複合体(ZnO-P_2O_5-TiP_2O_7:以下ZPTと略記する)に加え、SrO-P_2O_5系(以下SPと略記する)の複合ガラス電解質の合成とイオン伝導特性について検討を行った。ZPTについては、加湿雰囲気において生成したリン酸亜鉛ガラスゲルとTiP_2O_7微粒子の界面におけるプロトン導電率の上昇効果の観測結果を充実させ、ジャーナルへの投稿を行った(現投稿中)。SPについては、種々の組成(La_2O_3、SnO等の組成も含む)を検討した結果、200°C近傍において10^<-2>S/cm程度の非常に高い導電率を示すことがわかった。一方、SP系電解質では潮解性が観測された。P-O結合の化学的安定性の向上が必要であり、耐水性を向上させる組成の調整あるいは結晶性微粒子の複合化による材料合成が次年度の検討課題となる。さらに上述の電解質材料の合成と並行して250°C付近の中温域で作動する中温作動燃料電池を作製し、アルコール燃料における燃料極反応の観測を通じて中温作動燃料電池の特徴について検討を行った。

昨年度から今年度にかけて構築した電気化学測定と同時に反応生成物分析が可能な装置を用いて、エタノールに加えエチレングリコールの白金触媒上での反応性を詳細に検討したところ、中温域ではそれらアルコール類のC-C結合解裂が進行し、完全酸化反応が比較的効率よく進行することが示された。この反応経路の進行は、従来の低温作動型の燃料電池(PEFC)では一般に困難であり、中温作動燃料電池の特徴を示す現象であったといえる。この成果は、化学工学会、電気化学会および電池討論会の場で公表した。今年度(平成22年度)は、界面現象を利用した無機プロトン伝導性複合電解質材料の開発の一環として、新たにTiO_2-P_2O_5系(以下TiPと略記する)の複合ガラス電解質の合成とイオン伝導特性について検討を行った。ゾルゲル法により、原料組成および温度制御等の実験条件を精密に制御することでTiPガラスを合成し、かつ適切な熱処理温度を施すことにより、ガラス系内に単相のTiP_2O_7微粒子が生成する条件の抽出に成功した。また、昨年度から検討を続けきたZnO-P_2O_5-TiP_2O_7系複合ガラス電解質については、専門誌への掲載が決定している。昨年度から継続して、CsH_2PO_4と白金/カーボン電極触媒(Pt/C)をそれぞれ電解質と電極触媒に用いた単電池を作製し、250°C近傍でエタノールの電極酸化反応の詳細な速度論的解析を行った。エタノールのCO_2電流効率(観測された全酸化電流のうちエタノールの直接電極反応による完全酸化(CO_2生成)によって得られた酸化電流の寄与の割合)は最大で80%に達した。さらに、C-C結合解裂の割合も90%を超えていることが明らかになった。このように250°C近傍の中温域への作動温度の上昇によってアルコール類の電極反応の活性化に大きな効果を及ぼすため、中温域における発電特性の大幅な向上が実証された。エタノールの成果は専門誌で出版済みである。この成果は、エチレングリコール等の多価アルコールに応用展開が可能であり、現在詳細な速度論的解析を継続中である。平成23年度(最終年度)は、主に中温作動燃料電池(ITFC)の発電状態における電極反応機構の検討を行った。電極触媒として白金/カーボン触媒(Pt/C)を用い、白金上のアルコール類の電極酸化反応の速度論的検討を通じて、本研究の中心課題である250°C近傍で作動するITFCシステムの特徴を明らかにすることを試みた。プロトン伝導性固体電解質として、酸素酸塩であるリン酸二水素セシウムを使用した。多価アルコール燃料としてエチレングリコールおよびグリセリンを選択し、250°C近傍でのそれらアルコール類の電極酸化反応の詳細な速度論的解析を行った。昨年度検討したエタノール等の一価のアルコールに加え、多価アルコールの電極酸化反応機構を比較検討することで、これらの反応機構の詳細な知見を得ることができる。なお、グリゼリンはバイオディーゼル燃料の副産物として生成するため、近年その用途拡大が望まれている。80°C近傍で作動する通常の固体高分子形燃料電池(PEFC)の場合では、エチレングリコールおよびグリセリンの二酸化炭素への完全酸化の割合は低いことが示唆されているが、ITFCによるエチレングリコールの電極酸化反応を観測したところ、C-C結合の開裂の割合が95%に達し、完全酸化反応が速やかに進行することが明らかになった。