hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
レーザー蒸発型エアロゾル質量分析計を用いたブラックカーボンの新規データ活用法開発

6)については、本研究ではすでに取得済みのデータを解析することとしたが、再解析する中で、過去に測定した(3)グラファイト炭素粒子のデータは、測定時の濃度が低く、有意なシグナルではなかったため、本研究課題において、再度測定を行った。(4)については、以前の研究(若手研究(A)21681004)で確立した手法を利用することとし、設備の再立ち上げを行い測定した。(7)は他の研究プロジェクトで燃焼発生源等の測定を行う場合にSP-AMSの測定も行うとした。H29年度は、A重油を燃焼させている固定発生源を測定する機会を得た。さらに、CFRPを扱う作業現場における測定の機会(基盤研究(B)26305023と連携)を2017年9月に得た。それぞれの測定の前に、SP-AMSの質量分析計のチューニング、粒径軸およびイオン化効率のキャリブレーションを行った。測定時には、SP-AMSに加えて他のBC測定装置も並行して稼働した。さらにエアロゾルを石英フィルターに捕集し、元素状炭素としての熱分離法による分析も行った。2017年5月には中国北京で行われたAMSユーザーミーティングに参加し、データ解析法およびPMF解析法の講習を受け、それらのスキルを高めた。習得したPMF解析を、炭素繊維強化プラスチックを扱う作業現場で得られたデータに適用し、有機エアロゾルおよびBCそれぞれの発生源寄与解析を行った。4つの因子に分けた場合について考察し、屋外環境由来の因子、工場内の非CFRP由来の因子、CFRPの加工時の発塵の因子、工場内の燃焼等の影響を受けた因子に分けられた。これまで、計画通りに推進してきている。引き続き(7)のその他の測定例を増やしていき、より幅広い発生源情報を蓄積していく。またスペクトルの類似性を評価する方法を考えていきたい。質量スペクトルと共に、炭素分析による熱分離のプロファイル、光吸収性の波長依存性の情報を組み合わせて、精緻な分離を目指していく。また燃焼発生源については燃料以外にも燃焼温度や酸素濃度によっても違いがないか、質量スペクトルの違いは何に起因しているのか等、先行研究の調査や実験的に確認していきたい。海外の研修にかかった旅費について、別予算で実施した。物品費、人件費についても別予算で支出することができたため、予定よりも初年度の支出が鈍った。使用計画としてはプロパン燃焼発生装置の修理費用やエアロゾル質量分析計の消耗品に充てたい。
体内の代謝・無臭化機能に基づく、代謝酵素群を用いた連続計測可能な高感度匂いセンサ

代謝酵素であるFALDHの固定化膜を隔膜とするフローセルと、光学素子であるUV-LED及びPMTを利用したNADH蛍光計測システムを開発し、組み合わせることにより、揮発性有機化合物であるFAを選択的かつ高感度に連続モニタリング可能な生化学式ガスセンサを開発した。本センサは、2.5ppb15.0ppmの濃度範囲にてFAを定量可能であり、FAガスに選択性があり連続モニタリング可能であった。平成20年度において申請者は、生体の消臭・無臭化に役立っている体内の代謝酵素を認識素子として用いて、多様な匂い成分の計測が可能な生化学式ガスセンサを構築した。生体には摂取した物質を代謝分解する酵素群が存在し、その一つである窒素化合物を分解するFMO(フラビン含有モノオキシゲナーゼ)酵素系を現有設備である光ファイバ計測ユニットに組込み、酵素群の代謝による生成物等を蛍光や発光にて匂い成分を計測し、生化学式ガスセンサの応答性や定量特性、選択性を調べた。魚臭症候群という遺伝疾患において、魚臭成分であるトリメチルアミンは生体より呼気や汗などの体臭として放出されることが報告されており、近年の研究により魚臭症候群の患者では上述の代謝酵素のFMO酵素系の異性体type-3(FMO-3)が遺伝的に欠損することで、トリメチルアミンの体内での無臭化が行われないことが原因と報告された。そこでこのFMO-3のトリメチルアミン代謝分解機構を応用することで、魚臭成分であるトリメチルアミンの計測を可能とした。実験ではこれらの知見に基づき、代表的な匂い物質である、揮発性窒素化合物(トリメチルアミン)についてFMO-3を利用して、高感度センサを個別に開発した。また代謝酵素系の微弱な反応を高感度に検出するため、現有の設備に加えて新たに光学系装置を導入して、高感度光学系を構築した。本システムでは、代謝酵素を固定化した酵素膜を二軸光ファイバの先端感応部に装着して用いた。今後、新規に構築した光学計測系を用いて、匂い成分の高感度計測化を進める。21年度には、昨年度の代謝酵素群を利用した生化学式ガスセンサ素子の開発と特性評価を継続すると共に、化学リサイクリング増幅反応を組み込むことで、匂い成分の高感度計測を進めた。代謝酵素をセンサデバイスに利用する時に最も問題となるのは代謝酵素の活性が極めて低いことで、一般な酵素では触媒能力を示す比活性が数10μmol/(mg・min)なのに対して、代謝酵素は数100pmol/(mg・min)程度と4桁程度低く、代謝酵素をバイオセンサに利用してもセンサ出力が確認できないことがある。そこで申請者は「測定対象となる基質から酵素触媒により産生された生成物を化学的に再度基質へと戻す」化学リサイクリング機構を利用し、この化学リサイクリング技術を高感度光学計測システムと組み合わせた。実験では代謝酵素FMOに、化学リサイクリング反応のため還元剤であるアスコルビン酸を利用することで、トリメチルアミンが代謝酵素により酸化・生成された「酸化トリメチルアミン(TMA-O)」を、アスコルビン酸により還元することで再度、トリメチルアミンに戻す。これにより酵素反応の還元反応の化学リサイクリングが行われ、微量トリメチルアミンにおいても消費される酸素量が増し、その変化を酸素計測光ファイバで計測することで、センサの光シグナルを増幅することが可能となる。実際に代謝酵素と還元剤を使った化学リサイクリング反応にて、その反応速度を調べると共に最適な還元剤濃度を検討して、シグナル増幅を行ったところ、センサ出力を数倍増幅することに成功し、特に低濃度領域の出力増幅により感度の増加及び検出感度の向上が図れた。最終年度である22年度は、高感度匂いセンサシステムについて、低濃度[pptレベル]での複合標準ガス発生装置を導入し、低濃度レベルでの連続計測特性を調べ、人嗅覚を凌駕する人工嗅覚へと発展させた。申請者らは単独の匂い成分を1chでppt-レベルにて発生する技術、そしてppb-レベルでのガスを多chで発生させるガス発生装置を保持しており、高感度な匂いセンサの開発において、単成分の出力比較だけではなく、多様な匂い成分が混じりあった複合臭気でのセンサ特性(選択性)評価が極めて重要である。そこでppt-レベルでの「低濃度複合標準ガス発生装置」を導入した。導入した低濃度複合標準ガス発生装置では、ホルムアルデヒドガスを21.5pptの低濃度で発生させることに成功した。そこで、開発した高感度匂いセンサの特性評価(検出下限界、選択性、連続計測能)などを調べたところ、極めて高いガス選択性を持って、サブppbレベルでの感度を有し、連続的にガス濃度をモニタリング可能なセンサの開発に成功した。また開発したセンサの生体臭診断や食品臭計測、住環境計測を想定して、アルコール類やアルデヒド類の揮発性成分について生体内でそれぞれ代謝分解する代謝酵素を選択し、高感度センサをそれぞれ個に開発し、性能を評価した。本申請課題では、体内の代謝・無臭化機能に基づき、代謝酵素群を匂い成分の認識素子として用い、高感度な光学計測システムと組み合せることで、高感度・高選択性かつ連続計測性能を有する新規な高感度匂いセンサを開発することに成功した。
大腸菌進化実験を用いた環境適応ネットワークの構成的理解

生物システムは動的に変化する環境条件に対し、柔軟にその内部状態を変化させることによって適応をする能力を持つ。近年の分子生物学の発展は、その適応に関与する多くの要素を同定した一方で、こうした複数の構成要素からなる環境適応ネットワークが、進化の過程によってどのように出現したかについては、不明な点が多く残されている。そこで本研究では、多数の異なる環境下での大腸菌進化実験を行い、その進化ダイナミクスをトランスクリプトーム解析やゲノム変異解析によって定量する。そうした定量データに基づき、細胞モデルの進化シミュレーションを援用しつつ、環境適応ネットワークの進化ダイナミクスが持つ一般的な性質を明らかにする。平成28年度は、96種類の異なるストレス(酸・アルカリ・重金属・抗生物質など)を付与した環境下での大腸菌の進化実験系を実施した。それぞれのストレス環境下において、6つの独立系列で30日程度の植え継ぎ培養による進化実験を行い、87種種類の環境においてストレス耐性能(最小阻害濃度)の有意な上昇を観測した。これらの耐性株について、ゲノム変異解析のためのサンプル取得と、トランスクリプトーム解析のための実験系の構築が完了しており、29年度に定量データの取得を行う。また並行して、単純化した細胞モデルの計算機シミュレーションと理論解析により、表現型進化が少数次元のダイナミクスによって拘束される現象を見出した。この結果は、大腸菌の進化実験の結果においても、トランスクリプトーム空間において可能な表現型の変化が少数次元の空間に拘束されていることを示唆している。今後、この予測を定量的に評価し、環境適応と進化のダイナミクスと、それをもたらすネットワークが持つ一般的な性質を明らかにする。多数のストレス環境下での進化実験を実施し、耐性株の取得に成功をしている。今後は、これら耐性株の表現型と遺伝子型の変化を解析することにより、環境適応・進化のダイナミクスが持つ一般的な性質を解析することが可能になる。また、細胞モデルの計算機シミュレーションと理論解析の結果においても、表現型進化が少数次元のダイナミクスに拘束され得ることを示すことに成功した。この結果と実験データ解析を統合し、環境適応と進化における一般的性質を明らかにするため基盤構築が出来ている。上述の多数のストレス環境や、時間的に変動する環境下での進化実験を行い、耐性株を取得する。トランスクリプトーム解析とゲノム変異解析を用い、その進化ダイナミクスを特徴づける表現型と遺伝子型の変化を抽出する。また、細胞モデルを用いた変動する環境下での進化シミュレーションを行い、そこで出現する反応ネットワークが持つ一般的な性質を抽出する。これら実験研究と理論研究を統合し、環境適応ネットワークが出現するメカニズムの理解を試みる。こうしたネットワークは、複数の要素とそれらの間の適切な相互作用があって初めて機能的になり、それによって適応度が上昇する。ゆえに、その進化の途中段階では選択圧が生じるとは限らない。おそらくは、既存の分子ネットワークの「使い回し」によって新規の環境適応ネットワークが構築されると考えられるが、その進化過程においてどのように環境と細胞内部状態の動的かつ適切な相互作用が出現するか、理解が進んでいないのが現状である。そこで本研究では、多数の異なる環境下や、時間的に変動する環境下での大腸菌進化実験を行い、その進化ダイナミクスをトランスクリプトーム解析やゲノム変異解析によって定量する。平成27年度は、100200種類の異なるストレス(酸・アルカリ・重金属・抗生物質など)を付与した環境下での大腸菌の進化実験系を立ち上げた。進化実験は研究代表者が開発したラボオートメーションを用いた全自動培養システムを用い、24時間間隔での植え継ぎを長期にわたり行うことにより、ストレス耐性を持った菌株を取得する。並行して、pHの変化など時間的に変動する環境下での進化実験系を立ち上げた。さらに、単純化した細胞モデルの進化シミュレーションを行い、進化過程においてどのような反応ネットワークが出現するか解析した。多数のストレス環境や、時間的に変動する環境下での進化実験系の立ち上げに成功した。今後この系を用いることにより、進化過程における表現型と遺伝子型の対応を解析することが可能となっている。

これらの耐性株について、ゲノム変異解析のためのサンプル取得と、トランスクリプトーム解析のための実験系の構築が完了しており、29年度に定量データの取得を行う。また並行して、単純化した細胞モデルの計算機シミュレーションと理論解析により、表現型進化が少数次元のダイナミクスによって拘束される現象を見出した。この結果は、大腸菌の進化実験の結果においても、トランスクリプトーム空間において可能な表現型の変化が少数次元の空間に拘束されていることを示唆している。今後、この予測を定量的に評価し、環境適応と進化のダイナミクスと、それをもたらすネットワークが持つ一般的な性質を明らかにする。多数のストレス環境下での進化実験を実施し、耐性株の取得に成功をしている。今後は、これら耐性株の表現型と遺伝子型の変化を解析することにより、環境適応・進化のダイナミクスが持つ一般的な性質を解析することが可能になる。また、細胞モデルの計算機シミュレーションと理論解析の結果においても、表現型進化が少数次元のダイナミクスに拘束され得ることを示すことに成功した。この結果と実験データ解析を統合し、環境適応と進化における一般的性質を明らかにするため基盤構築が出来ている。平成28年度は、上述の多数のストレス環境や、時間的に変動する環境下での進化実験を行い、耐性株を取得する。トランスクリプトーム解析とゲノム変異解析を用い、その進化ダイナミクスを特徴づける表現型と遺伝子型の変化を抽出する。また、細胞モデルを用いた変動する環境下での進化シミュレーションを行い、そこで出現する反応ネットワークが持つ一般的な性質を抽出する。これら実験研究と理論研究を統合し、適応ネットワークが出現するメカニズムの理解を試みる。上述の多数のストレス環境や、時間的に変動する環境下での進化実験を行い、耐性株を取得する。これら実験研究と理論研究を統合し、環境適応ネットワークが出現するメカニズムの理解を試みる。
LHCでの光子-光子衝突過程による標準模型を越える 物理の研究

(1)前年度までに得られたe+ e-コライダーにおけるレプトン・フレーバーの破れ(lepton flavor violation, LFV)に関する成果を発展させ、将来の加速器実験におけるLFV検証可能性に関する研究を推進した。前年度までの研究では6つあるLFV結合定数のうち、一つだけが支配的であるという仮定(single coupling dominant hypothesis)を採用していたが、複数の結合定数間の相関について調べる、左及び右巻き電子に関する2つのスカラー結合定数に対して将来実験からの制限がどのように与えられるかを示した。(2)前方検出器を用いた、光子・陽子衝突過程による新粒子探索としてスピン1媒介粒子によるフェルミオン暗黒物質の生成およびその探索可能性について調べた。媒介粒子が暗黒物質および標準模型フェルミオンとそれぞれベクトルおよび軸性ベクトル型相互作用する際の結合定数をパラメータとし、前方検出器を用いた光子・陽子衝突過程からの制限を求めた。(3)暗黒物質が「直接検出実験」と呼ばれる、原子核との散乱実験において反応が抑制される機構を、複素スカラー粒子を導入した標準模型の拡張模型において示した。この模型では、スカラーポテンシャルに対してCP対称性を要請することで暗黒物質の安定性が保証され、複素スカラー粒子の虚数部分が暗黒物質として振る舞う。同粒子の実数部分と標準模型ヒッグスの混合した質量固有状態の将来コライダーにおける探索可能性について調べた。(4)ある種の暗黒物質模型がゲージ結合定数の統一を実現する可能性について調べた。SO(10)大統一模型の枠組みで暗黒物質粒子となる表現を選ぶことにより、SO(10)が標準模型ゲージ群へと対称性を破る際に暗黒物質の安定性を保証する離散対称性が現れることを示し、模型のコライダー実験における探索可能性を議論した。(1)超対称大統一理論における、ゲージ結合定数の統一可能性に関する研究を行った。E6対称性を持つ大統一模型では素粒子標準模型のSU(3), SU(2), U(1)ゲージ対称性に加えて余分なU(1)ゲージ対称性が存在し、またE6群の基本表現の大きさから、3世代を構成する物質場の数が標準模型よりも増える。そのため、ゲージ相互作用が漸近的自由とならない。本研究ではゲージ結合定数の2ループの繰り込み群方程式(RGE)を考慮した場合に模型がで摂動論的に振る舞うための条件を調べた。2ループ補正と同レベルの補正としては軽い質量スペクトル、及び重い質量スペクトルによる敷居補正がある。本研究ではRGEの解をQED, QCD結合定数およびワインバーグ角の実験データと比較した。2ループRGEと軽い質量スペクトルの敷居補正ではこれら観測量と無矛盾な大統一は実現できず、重い質量スペクトルによる敷居補正が必須であることを示した。重い質量スペクトルの敷居補正はE6対称性を破るヒッグス場の決定等、模型の構成に依存するため、本研究では現象論的に必要な重い敷居補正の大きさを評価した。結合定数の統一を実現する、模型の新粒子の質量は5TeV以上となり、LHC実験等での探索は困難であることがわかった。(2) e+ e-コライダーにおけるレプトン・フレーバーの破れ(LFV)を検証する可能性について研究を行った。LFVを起こす4体フェルミ型相互作用を想定し、終状態が電子とミューオン、電子とタウになる場合を検討した。ミューオンやタウの、LFV崩壊過程に対する既存の実験結果より、e+ e- ->e+ \mu-過程に対する感度は既存の実験より低いことがわかった。一方、\mu-の代わりに\tau-が現れる過程については、将来実験で想定されているエネルギーやルミノシティで一定の感度があり、LFV結合定数に対する下限を与えた。(1)超対称E6大統一模型は超弦理論が予言する低エネルギー有効理論の一つであり、模型のゲージセクターは標準模型よりも余分にU(1)ゲージ対称性を持ち、また基本表現である27次元表現の大きさから標準模型には含まれない多数の物質場を持つなど、複雑な構造を持っている。このような模型における、標準模型を越える粒子の質量スケールの予言は模型の持つフリーパラメータの多さから困難である。本研究では2ループレベルの繰り込み群方程式と高エネルギー・スケールでゲージ結合定数が摂動領域で統一すること、という条件から、模型の詳細なパラメータにあまり依存すること無く、新粒子の質量スケールについて予言することができた。それによりこのタイプの模型の、LHC実験での探索可能性について一定の知見を得ることができた。(2)レプトン・フレーバーの破れはニュートリノ質量の発見による、直接的な帰結であり、標準模型を越える素粒子模型の存在を示唆する現象である。従来はさまざまな動機によってレプトン・フレーバーを破る相互作用を内包する素粒子模型を考案し、模型を規定するパラメータ領域を探索する手法が主に取られていた。本研究では模型の詳細に依存しない解析方法を選んだ。レプトンと相互作用する重い新粒子があった場合、その質量がコライダーの衝突エネルギーより十分に大きければコライダー実験においてその相互作用は4体フェルミ型相互作用として扱うことができる。本研究により、将来実験で探索可能な、レプトン・フレーバーを破る結合定数の大きさを模型に依存することなく求められ、それは重いゲージボソンや新たなスカラー粒子等によるレプトン・フレーバーを破る模型のパラメータに容易に適用することができるようになった。(1)前年度に引き続き、e+ e-コライダーにおけるレプトン・フレーバーの破れ(LFV)の検証可能性に関する研究を引き続き推進した。

前年度に得られた成果に基づき、LFVを起こす4体フェルミ相互作用において、終状態がe+ tau-となる場合について、より詳細な検討を行った。LFV結合定数に対して以前のBファクトリ実験で得られた制限に対する本研究の有意性を示すため、シグナル過程に対する、背景(BG)過程の影響を減らすための方法を検出器シミュレーションのレベルまで含めて検討した。その結果、終状態レプトン達の4元運動量で定義されるtransverse massという運動学変数分布がシグナルとBGを分離するのに効果的であることがわかった。更に始状態電子・陽電子の偏極もBG過程を減らすのに有効であることも指摘し、LFV結合定数に対するe+ e-コライダー実験の感度のBファクトリ実験に対する優位性を衝突エネルギーの違い(250 GeV, 500 GeV, 1 TeV)毎に明らかにした。(2)暗黒物質を含む、標準模型とは直接相互作用しない、いわゆる「ダークセクター」と標準模型を媒介する粒子の可能性としてダークセクターのU(1)ゲージボソンであるダークフォトンがあげられる。このダークフォトンのLHCにおける生成崩壊を検証する可能性として前方検出器を用いることの優位性について研究を行った。LHCでの陽子・陽子衝突において片方の陽子から放出された光子と別の陽子内パートンとの衝突によってダークフォトンが生成され、それがレプトン対に崩壊する過程に注目した。通常の陽子対衝突によるダークフォトン生成が強い相互作用で起きることに比べて、本過程は電磁相互作用によっておきるためイベント生成率が相対的に低く、模型のパラメータ領域に対して他の過程で得られている以上の新たな制限は得られないことがわかった。(1)実験で観測可能なレプトン・フレーバーの破れはニュートリノの質量以外に、別の起源が必要である。一般に実験のエネルギースケールよりも大きな質量を持つ粒子によって媒介される過程は4体フェルミ相互作用となるため、本研究では特定の模型に依ること無く、LFV結合定数に対する電子・陽電子コライダーからの制限を評価した。特に背景事象の影響を減らす手法の開発は、本研究課題に遂行において重要な位置を占めており、今回の研究で終状態レプトンのtransverse mass分布が信号事象、背景事象の分離に有用であることを指摘したのは大変有意義であった。(2)ダークフォトンのコライダー実験における探索可能性は従来、電子・陽電子コライダーやLHCを舞台に研究されてきた。特にLHCでは陽子中のパートン(クォーク、グルーオン)同士の衝突によるダークフォトンの生成可能性が議論されてきた。本研究で前方検出器を用いた場合のダークフォトン探索可能性について研究したことは、それら従来の研究と一線を画すものである。始状態が(一方の陽子が放出した)光子ともう一方の陽子中のパートンとの衝突であることを明確にし、パートン同士の衝突過程と分離するためには前方検出器で光子を放出した陽子を検出することが必須である。
歯髄の自然免疫応答における樹状細胞の役割に関する研究

歯髄内に存在する樹状細胞は、自然免疫における第一次防御機能として作動すると共に、抗原提示機能により獲得免疫反応を誘導することが示唆されている。樹状細胞は自然免疫の初期異物処理だけでなく、抗原提示細胞であることが明らかになり、免疫ネットワークにおける1つのセンター的役割を担っていることが示され、その起源、発生、分化成熟過程や機能的役割に注目が集まっている。この樹状細胞が歯髄に多数存在することが知られており、感染を受けた歯髄内において病原認識機構に関与するToll-like receptor 2(TLR2)および4(TLR4)を介した自然免疫機能の発動については十分に明らかにされていない。本研究は、歯髄の自然免疫応答機序を解明するために、感染歯髄における抗原提示細胞の動態とTLR2、4遺伝子発現を検索することを目的とした。免疫応答の異なるマウスを実験に使用し、TLR2、4産生細胞と遺伝子発現を免疫組織学的検索と定量PCR法解析した。その結果、正常マウス、T細胞欠損マウスおよび免疫不全マウスともに象牙細管に細菌侵入後3時間からTLR2、4mRNA発現が認められ、9時間後に発現量のピークを示した。TLR2mRNA発現量はTLR4発現の約30倍を示し、歯髄感染初期の強いグラム陽性菌感染の結果に相関していた。免疫組織化学的検索の結果、細菌侵入後3時間から象牙芽細胞層の配列が乱れ、9時間後にはネスチン陽性の未分化間葉系細胞が感染象牙質直下に遊走し、これらの細胞はTLR2、4産生細胞と一致していたことから象牙質形成との関与が強く示唆された。また、配列が乱れた象牙芽細胞層には、象牙細管に進入した樹状形態を有する細胞郡が認められ、これらの細胞もTLR2、4産生細胞と一致していた。歯髄感染初期には象牙芽細胞様細胞および樹状細胞様細胞が自然免疫応答に強く関与している所見が得られた。象牙細管感染後24時間では象牙芽細胞層直下に遊走した炎症性細胞浸潤を主体とした細胞群(マクロファージ)にTLR2、4陽性所見が認められた。以上の結果から象牙細管を介した口腔常在菌により、歯髄感染初期に象牙芽細胞層においてTLR2を中心とした自然免疫応答の作動が明らかになった。免疫応答の相違によるTLR2、4遺伝子発現および産生細胞動態は実験24時間までに明らかな相違は認められず、リンパ球浸潤が認められる前に感染歯髄は治癒機転に向かうことが示唆された。平成15年度は、免疫不全マウスにおける歯髄内樹状細胞の局在検索とToll-like receptor発現状況の解析について解析を行った。Balb/c,Balb/c nu/nuおよびScidマウスを用いて歯髄内樹状細胞の存在を免疫病理学的およびin situ hybridizationで検索した結果、いずれのマウス歯髄内にも樹状細胞が確認された。

樹状細胞は、歯冠部歯髄の象牙芽細胞層内およびその直下に多く存在し、歯根歯髄にも認められた。口腔常在菌による実験的細菌感染により炎症歯髄を誘導し、樹状細胞の動態を経時的に観察を試みたが、実験に供試した歯冠歯髄は外科的障害が多く、経時的樹状細胞の動態観察では増加傾向が認められたものの定量的解析には至らなかった。平成16年度にはエナメル質除去のみで実騨を行い樹状細胞の動態の定量的解析を試みる予定である。ヒト歯髄内樹状細胞の免疫病理学的解析では、抗TLR2および抗TLR4抗体陽性所見が得られた。マウス歯髄内樹状細胞の細菌成分に対するリアルタイム応答の観察では、マウスを麻酔下で上顎を固定し、上顎第一臼歯の歯冠部歯髄を低速エンジンで露髄後、LPS、ペプチドグリカンなどの細菌由来成分および産生物を添加し、蛍光デジタルマイクロスコープによりFITC標識抗MHCclassII抗体および抗TLR抗体の二重染色した樹状細胞の経時的観察を予定していたが、上顎切歯が観察に適しており、上顎切歯生活歯随内の樹状細胞の同定を行った。樹状細胞は自然免疫の初期異物処理だけでなく、抗原提示細胞であることが明らかになり、免疫ネットワークにおける1つのセンター的役割を担っていることが示され、その起源、発生、分化成熟過程や機能的役割に注目が集まっている。この樹状細胞が歯髄に多数存在することが知られており、感染を受けた歯髄内において病原認識機構に関与するToll-like receptor 2(TLR2)および4(TLR4)を介した自然免疫機能の発動については十分に明らかにされていない。本年度はマウスに実験的歯髄炎を作製し、象牙細管内に侵入した口腔常在菌に対するTLR2および4の局在および遺伝子発現量を検討した。さらに樹状細胞の樹立を試みた。実験にはBALB/cマウスを用いて、麻酔下で第一大臼歯に窩洞形成を行い、実験的に歯髄に刺激し歯髄炎を惹起させ、3時間、6時間、9時間、12時間、24時間、および72時間でのTLR2および4の局在および遺伝子発現量を経時的変化を検討した。形態的検索のサンプルの作製は、4%パラホルムアルデヒドで24時間固定後、14%EDTA溶液で脱灰し、OCT compoundに包埋およびパラフィン包埋した。TLR2および4の局在は酵素抗体法にて免疫組織化学的に検討した。その結果、象牙芽細胞層を中心とする細胞に、9時間をピークに最も強い発現が認められた。一方、遺伝子発現量の検索のために準備された凍結組織からRNAを抽出し、ライトサーキュラーによる定量PCR法にて遺伝子発現量を定量解析した。その結果、刺激後9時間後にピークを示し、時間の経過に伴い発現量は減少した。従って歯髄刺激後、歯髄表層の細胞が活性化しTLR2および4の発現が上昇することから、感染後初期に自然免疫の発動が示された。樹状細胞の樹立については、現在も進行中である。今後は、Toll-like receptor 2および4陽性細胞が機能的に石灰化に関与しているかについて解析を行い、象牙芽細胞との相互関係を検討する。樹状細胞はマクロファージとともに自然免疫における抗原提示細胞として宿主の第一次防御機能として働き、さらに獲得免疫応答も誘導することが明らかにされている。樹状細胞が歯髄に多数存在するが自然免疫機能の発動については十分に明らかにされていなかった。
立体選択的三成分ラジカルカップリング反応の開発

【概要】炭素ラジカル種を介した炭素-炭素結合(C-C)形成反応は、高化学選択的であり、中性条件下進行するため、天然物および有用有機化合物の合成において強力かつ実践的な手法になりうる。我々はカルボン酸から容易に調製可能なα-ヘテロアシルテルリドから、トリエチルボラン/酸素条件下、求核的性質を示すα-ヘテロ炭素ラジカルが、脱一酸化炭素を伴って生じることを見出している。Ovadia研究員は、本ラジカル反応を用いたC-C結合形成プロジェクトに参画し、前年度までにヘテロ芳香族のポリヒドロキシアルキル化を実現した。平成29年度は、確立した方法論を熱病マラリアの特効薬であるキニーネの収束的合成研究に応用展開した。【方法・結果】メロキネンから導出したアルデヒドを出発物として、Trost-リガンドを用いたグリコール酸ピロールエステルとの不斉アルドール反応でジオールを得た。これを酸性条件下アセトニドで保護し、ピロールエステルを得た。これを加水分解し、生じたカルボン酸を活性エステル経由のアシルテルリド化に付した。その結果、目的のアシルテルルリドを立体選択的に合成できた。鍵工程を種々検討した結果、Lewis酸であるSc(OTf)2共存下、アシルテルルリドおよび6-メトキシ-2-(フェニルチオ)キノリンの混合物に空気雰囲気下Et3Bを作用させると、カップリング体を位置および立体選択的に合成できた。さらにスルフィド基の還元でキノリンとした。続く4工程の変換でアセトニド基をエポキシドへと変換できた。その結果、キニーネの形式全合成を達成した。【結論】Ovadia研究員は前年度までに確立したラジカル条件下での含窒素芳香族化合物のポリヒドロキシアルキル化をキニーネの全合成へと応用し、その形式全合成を達成した。29年度が最終年度であるため、記入しない。我々はカルボン酸から容易に調製可能なα-ヘテロアシルテルリドが酸素存在化、トリエチルボランの作用により脱カルボニル化反応を伴って求核的性質を示すα-ヘテロ炭素ラジカルを生じることを見出している。そこで、Ovadia研究員は、本ラジカル反応を用いたC-C形成プロジェクトに参画し、平成27年度はヘテロ芳香族アルキル化反応を遂行した。ヘテロ芳香族系のアルキル化は、合成化学的および薬理学的に有意義な分子の網羅的な調達を可能とする重要なC-C形成プロセスである。したがって本研究課題の実現がもたらす波及効果は有機合成化学のみならず生化学分野にとっても大きい。【方法・結果】種々の含窒素芳香族化合物(レペジン、ピリジン、カフェインなど)を炭素ラジカル種受容基質として用いた際、反応は進行しなかった。そこで、含窒素芳香族化合物を2通りの方法で活性化し、ラジカル反応に供した。すなわち、化学量論量のカンファースルホン酸でプロトン化し、塩とした。これに対し種々のα-アルコキシアシルテルリドから生じさせたα-アルコキシ炭素ラジカルを作用させた結果、ポリヒドロキシアルキル化された含窒素芳香族化合物を中程度から高収率(最大80%)で得られた。また、触媒量(10 mol%)のLewis酸による含窒素芳香族化合物の活性化にも成功し、ラジカル条件下、対応するポリヒドロキシアルキル化された含窒素芳香族化合物を得ることに成功した。【結論】Ovadia研究員は化学量論量のBronsted酸または触媒量のLewis酸を用いて含窒素芳香族化合物を活性化することで、ラジカル条件下での含窒素芳香族化合物のポリヒドロキシアルキル化を実現した。脱一酸化炭素反応を伴うラジカル反応条件下、含窒素芳香族化合物(レペジン、ピリジン、カフェインなど)のポリヒドロキシアルキル化の実現に成功した。半年間での本成果の達成は、当初の研究計画通りと言える。一方、窒素以外のヘテロ芳香族化合物のポリヒドロキシアルキル化については、未だ検討の余地を残している。Ovadia研究員は、生産性と適応性と独創的を高いレベルで併せ持つ研究者であり、本研究課題の推進に最適な研究者である。平成28年度以降も強力に本研究課題の実現と展開に向け努めてくれることを大いに期待している。炭素ラジカル種を介した炭素-炭素結合(C-C)形成反応は、高化学選択的であり、中性条件下進行するため、天然物および有用有機化合物の合成において強力かつ実践的な手法になりうる。Ovadia研究員は、本ラジカル反応を用いたC-C結合形成プロジェクトに参画し、平成28年度前半は27年度に引き続き、ヘテロ芳香族アルキル化反応を遂行した。ヘテロ芳香族化合物のアルキル化は、合成化学的および薬理学的に有意義な分子の網羅的な調達を可能とする重要なC-C結合形成プロセスである。

したがって本研究課題の実現がもたらす波及効果は有機合成化学のみならず生化学分野にとっても大きい。平成28年度後半は、確立した方法論を抗マラリア薬、キニーネの収束的合成研究に応用展開した。入手容易な酒石酸、リボース、ケトグロン酸などから調製したα-アルコキシアシルテルリドをラジカル供与体として、種々の含窒素芳香族化合物をラジカル受容体として用いて、Minisci型のラジカル反応を実施した。その結果、中程度から非常に良好な収率で所望のポリヒドロキシアルキル化含窒素芳香族化合物を得た。キニーネの収束的合成研究は、メロキネン誘導体を出発物として、不斉アルドール反応を含む6工程で目的のアシルテルルリドを合成した。トリエチルボラン/酸素条件下、これを6-メトキシ-2-(フェニルチオ)キノリンのカンファースルホン酸塩と反応させ、カップリング体を中程度の収率で得た。本年度までにOvadia研究員は、含窒素芳香族化合物のポリヒドロキシアルキル化を志向した合成方法論の開発を達成し、次いでキニーネの全合成研究に着手した。我々の当初の合成戦略は、メロキネン誘導体ではなく、より直截的な全合成を可能とするキンコリンを出発物質とするものであった。しかし当初の戦略では、実験中にいくつかの問題に遭遇した(主に、合成中間体の不安定さに起因した)。そこで戦略を再考した結果、現在のメロキネン誘導体を出発物質とする、より確度の高い合成経路の確立に至った。【概要】炭素ラジカル種を介した炭素-炭素結合(C-C)形成反応は、高化学選択的であり、中性条件下進行するため、天然物および有用有機化合物の合成において強力かつ実践的な手法になりうる。我々はカルボン酸から容易に調製可能なα-ヘテロアシルテルリドから、トリエチルボラン/酸素条件下、求核的性質を示すα-ヘテロ炭素ラジカルが、脱一酸化炭素を伴って生じることを見出している。Ovadia研究員は、本ラジカル反応を用いたC-C結合形成プロジェクトに参画し、前年度までにヘテロ芳香族のポリヒドロキシアルキル化を実現した。平成29年度は、確立した方法論を熱病マラリアの特効薬であるキニーネの収束的合成研究に応用展開した。【方法・結果】メロキネンから導出したアルデヒドを出発物として、Trost-リガンドを用いたグリコール酸ピロールエステルとの不斉アルドール反応でジオールを得た。これを酸性条件下アセトニドで保護し、ピロールエステルを得た。これを加水分解し、生じたカルボン酸を活性エステル経由のアシルテルリド化に付した。その結果、目的のアシルテルルリドを立体選択的に合成できた。鍵工程を種々検討した結果、Lewis酸であるSc(OTf)2共存下、アシルテルルリドおよび6-メトキシ-2-(フェニルチオ)キノリンの混合物に空気雰囲気下Et3Bを作用させると、カップリング体を位置および立体選択的に合成できた。さらにスルフィド基の還元でキノリンとした。続く4工程の変換でアセトニド基をエポキシドへと変換できた。その結果、キニーネの形式全合成を達成した。【結論】Ovadia研究員は前年度までに確立したラジカル条件下での含窒素芳香族化合物のポリヒドロキシアルキル化をキニーネの全合成へと応用し、その形式全合成を達成した。
統合失調症の発症危険状態（ＡＲＭＳ）から精神病状態への非移行例に関する追跡研究

精神病発症危険状態にある若年層患者の臨床・社会的転帰を明らかにし、精神病顕在発症への移行例と非移行例との判別に有用な特徴を早期段階において見出すことを目的とした。精神病発症超ハイリスクと診断された22名の患者に対し、症状および心理社会面に関する検査をベースラインと1年後時点に施行し、転帰を観察した。1年後に追跡可能であったのは15名、精神病への移行例は6名、非移行例は9名であった。非移行例の方が移行例よりも、ベースラインの社会機能が低い傾向にあった。精神病発症に対する予防的介入のみならず、社会機能の向上に焦点を当てた介入の必要性が示唆された。転帰に関しては、より長期的な追跡研究が必要である。本研究の目的は,精神病発症危険状態(At-risk mental state; ARMS)にある思春期・青年期の患者の病態変化を前方視的に追跡し,臨床的・機能的転帰を明らかにすること,ならびに,精神病の顕在発症に至る移行例と,発症に至らない非移行例とを比較することにより,より早期段階での判別に有用な症候を,初診時(ベースライン)の各種検査結果から見出すことである。選出された超ハイリスク症例に対し,ベースライン時点において1診断面接と症状評価,2一般精神症状評価としてのZung抑うつ評価尺度,Leibowitz社会不安スケール,3病識(SUND-J)と主観的満足度評価(SWNS-J),WHO-QoL,4社会機能評価としてSFS,5認知機能検査として各種神経心理検査,6背景情報,随時の処方内容,治療内容,家族歴,受診経路などを検討し,さらに1年後時点での変化を同じ検査バッテリーによって測定している。本研究は,通常の外来診療の中で発症を逃れるように治療,支援しながらの観察研究である。従って登録した対象症例については各主治医のもとで通常の診療を受けている。それらの症例に対して、1診断面接と症状評価、2一般精神症状評価としてのZung抑うつ評価尺度、Leibowitz社会不安スケール3病識(SUND-J)と主観的満足度評価(SWNS-J)、WHO-QoL、4社会機能評価としてSFS、5認知機能検査として各種神経心理検査、6背景情報、随時の処方内容、治療内容、家族歴、受診経路、などを検討している。本年度はこれまでに予備的に検討していた症例と合わせて20例を登録した。本研究はいわゆる介入研究ではなく、通常の外来診療の中で発症を逃れるように治療、支援しながらの観察研究である。対象者の選択に際しては,統合失調症の前駆期症状スクリーニング(SIPSscreen)(Millerら,2004)を実施し,その結果,精神病の発症危険状態にある可能性が高いと判断されたものに対して,統合失調症前駆症状の構造化面接(SIPS)日本語版を施行し,Yungらの基準に基づいて精神病発症超ハイリスクであるか否かを診断している。解析対象とした22名のうち、1年後のフォローアップ検査時点で精神病への移行が確認されたのは6名、移行しなかったのは9名、治療からのドロップアウトにより状態が確認できなかったのは7名であり、参加者全体に対する精神病への移行率は約27%であった。社会的引きこもり、対人関係、就学(就業)率、娯楽活動などの項目から成るSFSで測定された社会機能面では、非移行例の方が移行例よりもトータルスコアが10ポイントほど低い傾向がみられ、特に「向社会的行動(Prosocial Activities)」において7ポイントほど低い傾向が示された。つまり、1年後時点において精神病を発症しなかったグループの方が、発症したグループよりも、ベースラインにおける社会機能が低い傾向にあった。今後はサンプル数を増やしたうえで、より長期的な追跡研究を実施すると同時に、精神病の発症に対する予防的介入のみならず、社会機能の向上に焦点を当てた介入方法についても考慮していく必要性があろう。精神医学ARMS症例は受診そのものが少なく,症例の登録には常に困難が付きまとうが,本施設においてはARMS症例を見出すためのスクリーニングや診断のための評価体制は整っており,初年度と合わせた本年度までに22症例を登録することができた。

対象症例目標は50例であるが,次年度も引き続きこのペースで実施していけば,本研究の主要目的である顕在発症移行例と非移行例の比較について,統計的検定に必要な症例数を確保することが出来る見込みである。しかし前述のように追跡途中で脱落する症例は予想以上にあること、若年であり1年後の追跡調査を求める本研究には同意を得にくいこと、ARMSという希少な対象においては外来受診数にムラがあることなどから、目標症例数への到達には困難が予想される。研究のまとめにおける考察に際しては症例数の少なさを補うためにも、既存症例の基礎データを検討した自らの先行研究も参考にしつつ,定性的な分析を加えるなどして初期の目標を達成できるように検討中である。本施設においては、ARMS症例を見出すためのスクリーニングツールや診断のための評価尺度は整っており、随時実施している。しかしながらARMS症例は受診そのものが少なく、症例の登録には常に困難が付きまとう。想定外であった点としては、ARMS症例の多くが、通学、通勤を継続している症例であり、検査などへの協力を得ずらいことが挙げられる。しかしながら予備的な検討例を合わせて20例を対象とすることができた。また実際には、追跡期間中は研究計画書にあるようなさまざまな検査を実施し、その病状の変化を追跡する予定であったが、予定検査課題が多く、被験者の中には途中で拒否するものもいる。そうした事態への対応は想定外であったため、症例登録に若干の影響を及ぼす可能性がある。しかしながら研究計画は初年度としてはおおむね予定通りに進んでいる。本検査の対象となる被験者は平均年齢約20歳(範囲1534歳)の若者であり,さまざまな精神不調に悩んでいる場合が多い。これに対して検査バッテリーは比較的大きく,検査に時間を要することから,平素の生活よりは忍耐と集中が求められる。また課題も,どちらかといえば被験者にとって苦手なものが多いはずであるから,ときとしていったん同意しても実施に際して必ずしも積極的であるとは限らない。次年度中に1年後評価を迎える症例については,出来る限りもれなくデータを取得できるよう,研究の実施に関するマネジメント体制を整えていく。また,今後も研究参加者に対しては,思春期心性などに十分配慮したうえで,研究および検査の意義を丁寧に説明し,結果についてもできるだけ速やかに本人にフィードバックするなどして協力を促していく。対象症例の調査機関である東邦大学医療センター大森病院には心療内科、小児科が併設されており、自他覚症状の乏しい比較的軽症の初診患者の受診に際してはより精神神経科よりもスティグマの低い心療内科を受診する傾向がある。そこで当該診療科医師ならびに受診相談受付に対して、ARMS症例の特徴を記載した説明書を配布し、精神神経科受診を勧めていただくよう手配済である。本研究の最終年度となる次年度においては,最低30症例の臨床的・社会的転帰を確認し,精神疾患への移行例と非移行例の早期段階おける症候の違いについて,量的および質的に検討する予定である。本検査の対象となる被験者は、主に1622または23歳の若者であり、さまざまな精神不調に悩んでいる場合が多い。これに対して検査バッテリーは比較的大きく、検査には時間を要し、平素の生活よりは忍耐と集中が求められる。また課題も、どちらかといえば本人が苦手としている課題が多いはずであるから、ときとしていったん同意しても実施に際して必ずしも積極的であるとは限らない。
光照射パターンが葉の機能特性と炭素固定効率におよぼす影響

野外の光環境は時間的空間的に極めて不均一である。本研究では、植物栽培期間中の光照射パターンの違いが植物機能におよぼす影響について調べた。その結果、日積算光量子量が同じであっても、光照射間隔(明暗サイクル)が長いほど個体の成長速度が促進され、また開花時期が早期化することが明らかになった。さらに、常に気孔開放した変異体を用いた栽培実験によって、これらの光照射パターンの効果は気孔開度に強く影響されることが示唆された。光照射パターンの違いが植物の機能特性や光合成特性におよぼす影響について検討している。本年は、次の2項目について実施した。1)LED光源を用いた光変動栽培システムの構築:国立環境研究所にある大型生物環境調節室(通称エコトロン)内部に3つの植物栽培チャンバーを設置した。各チャンバーには、植物栽培用3色LED光源(RGB)を備え付け、光照射強度を波長ごとにコントロール出来るユニットを設置した。チャンバーの光照射は1台のパソコンによって一元管理し、連続照射時間と照射パターンをチャンバーごとに制御するシステムを構築した。2)異なる光照射パターンが植物成長特性におよぼす影響評価:今年度は、3つの異なる光照射パターンで栽培し(日積算光量子密度は同じ)、開花日数などのフェノロジー特性について調べた。供試植物には、シロイヌナズナの気孔開放型SL1-2株とその野生株Col-0株を用いた。栽培は、通常大気CO2濃度(約400ppm)において、長日(明期12H)と短日(明期9H)のそれぞれの条件下で、約3ヶ月間実施した。さらに、照射光を強光(約180μmolm-2s-1)と弱光(約9μmolm-2s-1)比率が2:1になるように割り振り、強光の連続照射が4時間の“長期パターン“(短日条件は3時間)、20分の“中期パターン“、2分の“短期パターン“の3処理とした。上記条件で栽培した結果、栄養成長から繁殖成長への切り替わり(花茎の伸長開始)時期は、日長や品種に関わらず、“長期パターン"個体ほど早かった。一方、成長速度(葉面積の展開速度)は、日長によって変化し、長日の時は“短期パターン“で速く、短日の時は“長期パターン“で速かった。このように、日積算光量子量が同じであっても光照射パターンの違いによって、植物のフェノロジー特性と成長速度が変化する事が明らかになった。新たに導入した実験チャンバーのセットアップと栽培条件(日長、最大光強度、光波長の組み合わせ等)の設定に時間を要したが、当初計画していた実験は無事に終了した。本年度は、以下の内容について実施した。1)光変動栽培システムの構築:大型生物環境調節室の内部に3つの植物栽培チャンバー(サイズ:幅1.5m×奥行0.6m×高さ0.8m)を設置した。光照射は1台のパソコンで一元管理し、連続照射時間と照射パターンをチャンバーごとに制御するシステムを構築した。また、栽培時のCO2濃度を制御するユニットを組込み、栽培CO2濃度を変えて栽培することが可能になった。2)照射システム制御と植物栽培:植物は、気孔開放型のSL1-2株とその野生株であるCol-0株の2種のシロイヌナズナを約2カ月栽培した。栽培時の光照射パターン3段階、CO2濃度2段階の条件を設定した。光照射パターンは、強光(約90μmolm-2s-1)と弱光(約9μmolm-2s-1)の照射時間比率を2:1とし、強光の連続照射が3時間の“長期パターン"、20分の“中期パターン"、2分の“短期パターン"の3段階とした。このとき、日積算光量子密度と日長が同じになるように照射プログラムを調整した。栽培時のCO2濃度は、通常大気CO2濃度(約400ppm)と高CO2濃度(約700ppm)の2条件とした。3)生長特性と光合成特性:栄養成長から繁殖成長への切り替わり(花茎の伸長開始)時期は、品種やCO2濃度に関わらず、“長期パターン"個体ほど早かった。成長速度(葉面積の展開速度)は、“短期パターン"と比べて“長期パターン“で速かった。その照射パターンにともなう生長速度の違いは、高CO2濃度の栽培条件で小さくなった。最大光合成速度は、生長が早い“長期パターン"で高い傾向を示し、光照射に対する光合成反応は、高CO2栽培個体で高い傾向を示した。前年度のデータ解析を詳細に解析し、必要に応じて再度の測定または栽培を行う。さらに今年度は、前年度と同じ照射パターン(3パターン)と供試植物(2種)で、CO2濃度のみ700ppmへと上昇させて栽培する。

栽培した植物に対しては、前年度と同様にフェノロジー特性と成長特性に対する解析を実施する。また、1ガス交換計測と2成長解析に関する2年間の蓄積データを解析し、高CO2濃度環境が光照射パターンの効果に及ぼす影響についても検証を進める。さらに、3葉の生化学組成の分析と解析を進め、光照射パターンが植物の生理機能特性におよぼす影響メカニズムについて考察を進める。植物生理生態学英文校閲を今年度行わなかったので次年度に回した。英文校閲等に使用する。
重希土類で置換した新スクッテルド鉱型化合物の高圧合成と特異な物性

充填スクッテルダイト化合物は一般式LnT_4X_<12>(Ln:希土類元素など、T:遷移金属元素、X:リン・ヒ素・アンチモン)で表され、結晶構造は体心立方晶系に属し、空間群はIm-3(No.204)である。この充填スクッテルダイト型構造を持つ化合物は、構成元素の違いによって磁気秩序、多極子秩序、近藤半導体、非フェルミ液体、金属-絶縁体転移、重い電子状態、そして異方的超伝導と、実に多彩な電子状態が出現する物質系であり、現在、強相関電子系の国際的トピックスに発展している。このような多彩な異常物性は、共有結合性が強いX原子のp電子がつくる主伝導バンドのネスティング不安定性、結晶の高い対称性を反映した自由度、特に4f電子の軌道の自由度、さらに、4f電子軌道とX原子のp電子との混成効果が絡み合って様々な物性が現れると予想されている。我々はすでに高圧合成法を用いて、軽希土類元素の充填スクッテルダイト化合物を系統的に合成し、物性を研究してきた。しかし、重希土類元素が入った充填スクッテルダイト化合物の研究はほとんど行われていないのが現状であった。我々は高圧合成法を用いて、重希土類元素を含む新スクッテルダイト化合物LnT_4P_<12>(Ln=重希土類元素;T=Fe,Ru,Os)の合成を試み、新物質開発に成功した。Fe系ではLnFe_4P_<12>(Ln=Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Y)を系統的に高温、高圧下で合成し、これらの物性を研究した。ここで、Ln=Gd,Tb,Dy,Ho,Er化合物は強磁性体、Lu,Y化合物は超伝導体であること、Tm,Ybは低温まで常磁性を示し、価数揺動する可能性があることを見出した。Ru系では、LnRu_4P_<12>(Ln=Gd,Tb,Y)の3種類しか合成できていないが、Gd,Tb化合物は反強磁性体になり、Fe系やOs系化合物とは異なる磁性を示した。TbRu_4P_<12>に関しては中性子回折実験を行い、反強磁性構造を確認した。YRu_4P_<12>は転移温度9Kの超伝導体であることを見出した。Os系ではLnOs_4P_<12>(Ln=Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Y)の新スクッテルダイト化合物を合成した。M=Eu,Gd,Tbの化合物は強磁性体、Smの化合物は反強磁性を示す。Dy,Ho化合物は低温まで常磁性で、Fe系化合物と異なっている。YT_4P_<12>(T=Fe,Ru,Os)は3つとも超伝導を示し、その超伝導転移温度(T_c)はすでに研究されているLaT_4P_<12>(T=Fe,Ru,Os)のT_cよりも高い。本研究で16個の新スクッテルダイト化合物を合成し、4つの新超伝導体を発見した。さらに、2成分系のスクッテルダイト化合物であるCoP_3やRhP_3に、希土類元素を高圧下でドープした新物質開発にも成功している。

Ru系では、LnRu_4P_<12>(Ln=Gd,Tb,Y)の3種類しか合成できていないが、Gd,Tb化合物は反強磁性体になり、Fe系やOs系化合物とは異なる磁性を示した。TbRu_4P_<12>に関しては中性子回折実験を行い、反強磁性構造を確認した。YRu_4P_<12>は転移温度9Kの超伝導体であることを見出した。Os系ではLnOs_4P_<12>(Ln=Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Y)の新スクッテルダイト化合物を合成した。M=Eu,Gd,Tbの化合物は強磁性体、Smの化合物は反強磁性を示す。Dy,Ho化合物は低温まで常磁性で、Fe系化合物と異なっている。YT_4P_<12>(T=Fe,Ru,Os)は3つとも超伝導を示し、その超伝導転移温度(T_c)はすでに研究されているLaT_4P_<12>(T=Fe,Ru,Os)のT_cよりも高い。本研究で16個の新スクッテルダイト化合物を合成し、4つの新超伝導体を発見した。さらに、2成分系のスクッテルダイト化合物であるCoP_3やRhP_3に、希土類元素を高圧下でドープした新物質開発にも成功している。充填スクッテルド鉱型化合物は異方的超伝導(PrO_<s4>Sb_<12>)、非フェルミ液体的振舞(CeRu_4Sb_<12>)、重い電子系的振舞(PrFe_4P_<12>)、金属-絶縁体転移(PrRu_4P_<12>)など強相関電子系物質に特有な多彩な物性を示す。また、次世代の熱電変換材料としての応用も期待されている貴重な物質群である。しかし、これまでに合成された化合物はCeやPrなどの軽希土類元素を含むものがほとんどで、Tb, Dy, Ho等の重希土類元素を含む充填スクッテルド鉱型化合物はほとんど合成されていない。本研究の目的は重希土類元素を含む充填スクッテルド鉱型化合物の新物質探索及び新奇物性の探索である。充填スクッテルド鉱型化合物の合成は常圧では極めて難しく、特に重希土類元素を含む化合物の合成は高圧合成以外ではほとんど不可能であると考えられる。そこで、本研究を遂行するために不可欠な超高圧合成装置一式を平成14年度予算で購入した。平成14年度は装置の設計、特に静水圧性を改善するためのガイドブロックの設計及び長時間の使用に対応できるアンビル冷却装置の設計に多くの時間を費やした。そのため、装置の製作には長時間を要したが、年度内には装置の設置を終了し、動作テスト、圧力較正を行い、ほぼ設計どおりの性能を出せることを確認した。今後は本装置を用いて多くの新充填スクッテルド鉱化合物の合成を目指す。また、東京大学物性研究所設置の高圧装置を使用し、新物質YFe_4P_<12>の合成に成功し、転移温度約5Kの超伝導体であることを見出した。充填スクッテルダイト化合物は一般式LnT_4X_<12>(Ln=lantanide,T=transition metal,X=pnicogen)であらわされ、異方的超伝導、四極子転移など強相関電子系特有の興味深い物性を示す。我々はすでに高圧合成法を用いて充填スクッテルダイト化合物の系統的な合成に成功している。特にRuをベースにした化合物を合成してこれらの物性を研究した。LaRu_4P_<12>は約7Kで超伝導、CeRu_4P_<12>は半導体、PrRu_4P_<12>は金属-絶縁体転移し、NdRu_4P_<12>は強磁性,SmRu_4P_<12>は反強磁性で金属-絶縁体転移,EuRu_4P_<12>は強磁性を示す。重希土類元素が入るGdRu_4P_<12>とTbRu_4P_<12>は反強磁性的振る舞いを見せる。しかしこれ以上の重希土類化合物の合成はできていない。充填スクッテルダイト化合物は一般式MT_4X_<12>(M=希土類元素など、T=遷移金属元素、X=プニコゲン元素)で表され、異方的超伝導や四極子転移など強相関系特有の興味深い物性を示す。