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麻薬の鎮痛耐性を防げるか？　オピオイド受容体高次シグナル複合体研究と治療応用

本研究では、オピオイド麻薬が示す優れた鎮痛効果が、継続投与により耐性が生じ効き目が減弱する現象の解明を目指す。この鎮痛耐性を防ぎ、オピオイド麻薬の副作用の危険を軽減することは現時点では不可能である。臨床的には、効き目の減弱に伴い、投与薬物量の増加によって効果の維持を目指したり、別の鎮痛薬を用いるなどの方法で工夫されている。しかし、過量の鎮痛薬投与は有害作用の危険を高めるため、安全で安定した薬物療法が理想的である。本研究では、なぜ鎮痛耐性が生じ、一旦生じた耐性を効果的に治療するための手段はないのか、この2点の難題に挑戦している。本研究の特長として、最近、申請者らは、これまで鎮痛とは関連が知られていないホルモン受容体の欠損動物において、野生型と比較して1)痛みを感じにくく、2)鎮痛麻薬には感受性が高い性質を見出した。本研究では、この受容体欠損動物の知見を鎮痛治療に応用し、痛み閾値と鎮痛持続をコントロールする全く新しい鎮痛療法を世界で初めて提示することを試みている。2018年度は、これまでの研究成果を論文として発表することができた。すなわち、我々は、福岡大学薬学部の研究チームとともに、強力な痛み止め効果を持つ医療用麻薬のモルヒネについて、鎮痛効果がより強く、長く続くことを可能にする方法を発見した。具体的には、脳内で放出されるバゾプレッシンホルモンの受け皿の1つとして働くV1b受容体の働きを止めた実験動物を作成し解析した結果、医療用麻薬であるモルヒネの効果が強くなることを発見した。さらに、V1b受容体の働きを薬で止めることによっても、医療用麻薬の効果が強くなることも見出した。この成果により、医療用麻薬とV1b受容体の働きを抑制する薬を同時に用いることにより、医療用麻薬の効き目を増加させて、長く保つ治療が可能になると判明した。研究の進展に伴い、現時点では耐性発現の原因となる脳部位の同定と治療応用を目指している。これまでの検索により、注目する受容体は脊髄レベルよりも脳内で働いていることが示唆されている。その為、耐性獲得に重要な脳部位を、ホルモン受容体の発現を参考に絞り込むことに成功しつつある。この部位に特異的に薬物を投与することで、1)オピオイド受容体の鎮痛効果を高める、また、2)オピオイド耐性を防ぐことができるかについて検索を進めている。そのために、知覚の閾値に関与する部位、オピオイドに感受性を示す脳部位について、当該受容体発現分布と拮抗薬の効果について検索する。(1)引き続き、In situ hybridyzationによる発現分布と発現細胞の頻度を解析する。(2)Crispr/Cas9によりゲノム編集し、基本的な受容体機能を保ちつつ受容体カルボキシル基末端が部分的に欠損する変異体を作成することに成功している。これらマウスの基本的な表現型を進めている。さらに、オピオイドとバゾプレッシン受容体が直截的な複合体を形成する可能性について検討を進めている。細胞培養レベルでの実験系において、受容体が共発現する場合に、相互作用を及ぼす距離に局在するかについて実験を進めている。生体内での解析には、各受容体を認識する抗体を波長の異なる蛍光色素で標識し、同時に免疫染色して蛍光の振動エネルギー移動を観察する手法を用いている。また変異受容体における分子相互作用と耐性獲得の強さとの関連を生化学的に解析している。全体像は捉えつつある為、今年度は仮説を裏付けるための情報を収集する。現在進行している上記の実験に加え、脳内局所への受容体拮抗薬投与、耐性マーカーを指標とした治療方策の検討、分子基盤の解明にさらに踏み込んで研究を進める。耐性獲得の脳内局所の機能について考えられる候補について明らかにする。特に薬物の組み合わせを用いた局所投与の効果について検討する。異なるオピオイド受容体刺激薬を試し、遺伝子欠損動物で観察された鎮痛耐性の減弱が、どのようにリガンドに依存して変化するのかを解析する。また野生型の動物を用いて、実験的に作成した痛みへのオピオイド効果を、受容体拮抗薬がどのように修飾するかについて理解を進める。さらに、耐性獲得を減弱させる薬物のスクリーニングを実施する。鎮痛耐性に加えて、依存性の解析にも成果が得られており、行動解析においてビデオや画像解析に深層学習ディープラーニングを含む新たな手法を取り入れる。また、受容体拮抗薬の効果については、耐性獲得の生化学マーカーを用いた評価系も利用して解明に迫る。これまでに、耐性の生化学的シグナルにリン酸化が関わる可能性を見出している。耐性獲得に伴い、脳組織のアデニレートサイクラーゼが刺激に過剰反応する状態(スーパーアクチベーション)を指標して薬物の評価を進めることが可能である。耐性獲得の分子基盤に関し、受容体を含む高次複合体が耐性の成立に向けて働くことを突き止めつつあり、本研究の成果として耐性が生じる機序の理解が、格段に進むことが予想される。急性期の痛みの治療において医療用麻薬は高い鎮痛効果を示し、治療の最後の砦と言える。しかし、モルヒネを代表とするオピオイド薬は、繰り返しあるいは長期に渡る使用により鎮痛効果が減弱する鎮痛耐性を来たす。耐性が生じた場合、それ以前と同様の鎮痛効果を得ようとするためには、鎮痛薬の投与量を増量する必要がある。麻薬鎮痛薬の投与量が増加すると、副作用である身体依存や眠気、呼吸運動の抑制などを来しやすくなる。オピオイド麻薬の鎮痛耐性を防ぎ、薬の効果を持続させつつ、副作用の危険を軽減する痛み治療は、現時点では不可能である。

なぜ鎮痛効果が減弱するのか、減弱を防ぐ手段はないのか、この2点の難題に挑戦している。申請者らは、これまで鎮痛との関連があまり知られていないホルモン受容体の欠損動物において、野生型と比較して1)痛みを感じにくく、2)鎮痛麻薬には感受性が高い性質を見出した。本研究では、この受容体欠損動物の知見を、鎮痛治療に応用する。これまでの研究により、当該受容体の遺伝子を欠失させたのみならず、正常動物を受容体拮抗薬で処置した場合でも鎮痛耐性が減弱することが判明した。すなわち、薬物でモルヒネの鎮痛効果を向上させることが可能であり、臨床応用の可能性を開くことに成功した。さらに、今回の受容体拮抗薬が働く脳内部分を同定することに成功した。受容体の脳内発現部位と受容体拮抗薬の脳内局所投与により、延髄腹側が重要な役割を果たしていることが明らかとなった。この部位は、脊髄レベルの痛み受容における下行性調節の要所となる部位であるため、医療用麻薬が耐性を起こすために重要な作用部位として適当であると考えられた。さらに、耐性を来した脳内では、生化学的な指標となるアデニレートサイクラーゼの活性が亢進していることを確認した。即ち、アデニレートサイクラーゼの活性を指標に客観的な耐性獲得の評価が可能になると考えられた。知覚の上行経路、下降調節系路を含む中枢神経系における受容体発現分布を1細胞レベルで検索している。そのために、In situ hybridyzationによる受容体発現分布の検索を行なった。中脳ー延髄レベルでは、オピオイド受容体と、非オピオイド受容体のそれぞれの分布、および両受容体を共発現する神経細胞を同定した。さらに痛覚路及び下行性痛覚抑制経路についても受容体発現分布を明らかにしている。その結果、お互いの受容体が発現する約10-20%の神経細胞において共発現していることが明らかとなった。これまでの成果では、側脳室に受容体拮抗薬を投与して非オピオイド受容体を阻害した場合、以外にも鎮痛耐性が減弱することを確認している。本研究ではさらに検討を進め、耐性獲得に重要とされている中脳灰白質、延髄腹側、腹側被蓋野を検索部位に含めた。その結果、脳内の局所に受容体拮抗薬を投与した場合も鎮痛耐性の獲得が遅延することが判明した。さらに、Crispr/Cas9ゲノム編集を用い、受容体カルボキシル末を改変させた受容体を発現するマウス系統を得ることに成功した。また、ゲノム編集により受容体機能を保ちつつ受容体カルボキシル基末端に既知のHAタグ抗原を挿入したマウスの候補が得られている。これら改変遺伝子を発現するマウス系統を用いて痛みの受容性についてさらに解析を進める。受容体のカルボキシル末の重要性を生体で確認できる貴重な機会となると考えられる。さらに、ゲノム編集により改変が起こったゲノムを検出するための簡便な方法を開発した。すなわち、PCRによりヘテロ鎖が形成された場合にアクリルアミド電気泳動で確認することで遺伝子型を検出できる簡便な条件を見出した。本研究では、オピオイド麻薬が示す優れた鎮痛効果が、継続投与により耐性が生じ効き目が減弱する現象の解明を目指す。
ミクロキメリズムの移植免疫寛容における意義および寛容導入への応用に関する研究

移植後にレシピエント中に認められる微量のドナー由来の細胞の由来解析、及び皮膚生着との関連を目的として以下の群について検討を行った。Groupl(Gl):致死量(15Gy)の放射線照射を行った後、同系雄骨髄細胞で再構築された雌LEW.1Aの心臓を無処置の雌LEW.1Aに異所性心移植を施行。移植心が2ヶ月以上生着したラットから移植片を摘除し、4ヶ月間放置。引き続いてこのラットを1.0×105個の同系雄樹状細胞で感作し、2週間後、同系雄ラットの皮膚を移植。Group2(G2):controlとして無処置の雌LEW.1Aを1.0×105個の同系雄樹状細胞で感作し、2週間後、同系雄ラットの皮膚移植を施行する群を作成した。ドナー心からレシピエントの体循環に移行した細胞(MCPB)の動態をY染色体上の性決定遺伝子(SRY)に対する特異的プライマーを用いたPCR法によって心移植後2週間毎に解析した。Glでは、移植後8週間目の時点で8/9例がMCPBを維持しており、移植心摘出後、徐々にMCPBは減少傾向にあったが、2/9例は移植心摘除後16週間にわたって安定してMCPBが検出された。このことより、MCPBは骨髄細胞由来で比較的寿命の長い細胞であることが示された。さらに、Glにおいて、移植心を摘除後16週間でMCPBが消失した7匹は♂LEW.1Aの樹状細胞の感作により、G2群と同様に同系雄の皮膚を拒絶した。しかしながら、移植心を摘除後16週間にわたってMCPBが検出された2匹は♂LEW.1Aの樹状細胞で感作したにもかかわらず、100日以上にわたってオスの皮膚移植片を受容し、H-Y抗原に対して免疫寛容状態であることが示された。なおin situ PCRについては、現在至適測定条件の設定を行っており、本年度は、ミクロキメリズムを構成する細胞の同定までには及ばなかった。移植臓器が長期にわたって生着している状態すなわち移植免疫寛容状態を次の2通りの方法を用いて作成した。1)同系の雄から雌への皮膚移植を施行し、拒絶反応がおこらない状態にする方法。2)異系の雄から雌への異所性心移植を施行し、モノクローナル抗体を用いることにより寛容状態を導く方法。1)としてLEW.1Wの雄から雌への皮膚移植とLEW.1Aの雄から雌への皮膚移植行った。移植片の生着日数を観察し、末梢血中と末梢組織中のミクロキメリズムをPCR法を用いて経時的に観察した。移植片は両方の系ともに永久生着が認められたにもかかわらず、末梢血中のミクロキメリズムは移植後16週まで観察したが全く認められなかった。一方、末梢組織中のミクロキメリズムは耳介、膝窩リンパ節などの部分に皮膚移植後1ヶ月3ヶ月たってから認められた。2)としてLEW.1Wの雄からPVG.1Uの雌に異所性心移植を施行し移植後0日、2日、4日、6日目にIA29、WT1をそれぞれ腹腔内へ投与した群と、同じ系で異所性心移植を施行し移植後0日、2日、4日、6日目にOX38を腹腔内へ投与した群について、移植片の生着日数を観察し、末梢組織中のミクロキメリズムをPCR法を用いて観察した。

移植片は両方の系ともに永久生着が認められ、膝窩リンパ節には心移植後数カ月以上たってからミクロキメリズムが認められた。以上のことより、移植臓器が長期にわたって生着している状態すなわち移植免疫寛容状態にあるラットの全身組織中にドナー由来の細胞が末梢血中のミクロキメリズムの有無にかかわらず存在していることが確認された。また、このことより、ミクロキメリズムには2種類の細胞、すなわち、末梢血中のミクロキメリズムと組織中のミクロキメリズムがあり、その細胞動態、由来は異なることが予想される。今後はこの点に注目してさらなる解析を行い、ミクロキメリズムの解明に繁げたい。移植後にレシピエント中に認められる微量のドナー由来の細胞の放射線感受性に対して、以下の4群について検討した。Group 1a(G1a)雄LEW.1W心を雌LEW.1Wに移植した群。Group 1b(G1b)雄LEW.1A心を雌LEW.1Aに移植した群。Group 2a(G2a)放射線照射(15Gy)を行った雄LEW.1W心を雌LEW.1Wに移植した群。Group 2b(G2b)放射線照射を行った雄LEW.1A心を雌LEW.1Aに移植した群。以上の群において、ドナー心からレシピエントの体循環に移行した細胞(microchimerism of peripheral blood:MCPB)の動態をY染色体上の性決定遺伝子(SRY)に対する特異的プライマーを用いたPCR法によって心移植後2週間毎に解析した。Group 1aにおいて、8/8例が24週間にわたってMCPBを維持しており、同様にGroup 1bにおいて、6/7例に24週間にわたってMCPBが認められた。Group 2a、Group 2bでは移植直後よりMCPBは認められなかった。このことより、MCPBは放射線感受性であることが示された。移植後にレシピエント中に認められる微量のドナー由来の細胞の由来解析、及び皮膚生着との関連を目的として以下の群について検討を行った。Group1(G1):致死量(15Gy)の放射線照射を行った後、同系雄骨髄細胞で再構築された雌LEW.1Aの心臓を無処置の雌LEW.1Aに異所性心移植を施行。移植心が2ヶ月以上生着したラットから移植片を摘除し、4ヶ月間放置。引き続いてこのラットを1.0×105個の同系雄樹状細胞で感作し、2週間後、同系雄ラットの皮膚を移植。Group2(G2):controlとして無処置の雌LEW.1Aを1.0×105個の同系雄樹状細胞で感作し、2週間後、同系雄ラットの皮膚移植を施行する群を作成した。ドナー心からレシピエントの体循環に移行した細胞(MCPB)の動態をY染色体上の性決定遺伝子(SRY)に対する特異的プライマーを用いたPCR法によって心移植後2週間毎に解析した。G1では、移植後8週間目の時点で8/9例がMCPBを維持しており、移植心摘出後、徐々にMCPBは減少傾向にあったが、2/9例は移植心摘除後16週間にわたって安定してMCPBが検出された。このことより、MCPBは骨髄細胞由来で比較的寿命の長い細胞であることが示された。さらに、G1において、移植心を摘除後16週間でMCPBが消失した7匹は♂LEW.1Aの樹状細胞の感作により、G2群と同様に同系雄の皮膚を拒絶した。しかしながら、移植心を摘除後16週間にわたってMCPBが検出された2匹は♂LEW.1Aの樹状細胞で感作したにもかかわらず、100日以上にわたってオスの皮膚移植片を受容し、H-Y抗原に対して免疫寛容状態であることが示された。なおin situ PCRについては、現在至適測定条件の設定を行っており、本年度は、ミクロキメリズムを構成する細胞の同定までには及ばなかった。
スピンと巨視的回転の相互作用が切り拓くスピントロニクスの新展開

物質の持つ様々な角運動量(スピン)と力学回転との相互作用を明らかにし、力学回転による角運動量制御法を確立するとともに、力学回転運動を組み込んだスピントロニクス(スピンメカトロニクス)を開拓する。1915年にアインシュタイン達は、力学回転と磁気モーメントの結合を見出し(アインシュタイン-ド・ハース効果)、電子の角運動量が磁気の起源であることを明らかにした。物質の持つ角運動量は、電子スピン、原子核スピン、力学回転、流体中の渦(局所回転)等多彩である。これらの角運動量間の相互変換を用いて、非慣性系におけるゲージ理論を枠組みとし、現代的手法を駆使した実験手法と組み合わせ、スピントロニクスの新たな展開をはかる。平成30年度では、実験グループと共同で、(1)バーネット効果を用いたフェリ磁性体の角運動量補償温度の測定方法の提案、と(2)表面音波を用いたスピン流生成手法の提案を行った。スピントロニクスでは、伝導電子と磁化との角運動量のやり取りが重要であり、フェリ磁性体を用いた場合、角運動量補償温度で物理現象が大きく変化する可能性がある。しかし、これまでは角運動量補償温度を直接検出する方法がなかった。我々が今回提案する手法(1)は今後、スピントロニクスだけでなく、様々な分野で有用になると期待される。(2)については、表面弾性波の持つ角運動量を電子スピンに変換する手法であり、表面弾性波のスピントロニクスへの展開が期待される。電子は電気的自由度である電荷と磁気的自由度であるスピンを待つ。電荷の自由度を駆使して発展してきた従来のエレクトロニクスに対して、スピントロニクスはスピンの自由度を最大限に活かしたテクノロジーである。電子のスピン角運動量は、自然界に存在する様々な角運動量と相互変換が可能である。我々は、すでに原子核の角運動量、物質の力学回転の角運動量、流体の渦運動が持つ角運動量など、様々な角運動量から電子スピンの流れ(スピン流)の創生を行ってきた。我々の研究はスピンメカトロニクスと名付けられ、他分野にも大変注目されるに至っている。2017年度には、ブルックヘブン研究所(米国)の原子核研究グループが我々の流体発電(R.Takakahashi et al.:Nature Phys. 12, 52 (2016))の研究がQuark-Gluon Plasmaの研究に応用された(Nature 548, 62 (2017)).我々の提案する、力学回転による角運動量制御法の理論は、自然界に存在するあらゆる角運動量から、電子スピン流の生成を可能にする。すでに、液体金属の渦運動、表面弾性波の角運動量などからのスピン流生成に成功している。傾斜構造を持つ金属材料では、電流の流れが空間分布を持ち渦運動が発生する。この渦を用いたスピン流生成は次の課題である。また、ナノデバイスで注目されているグラフェンでは電子間相互作用により、電子の運動が粘性流体として取り扱われる領域があるy。この領域では、電流の中に渦運動が発生するため、この渦運動を利用したスピン流生生成が可能であり、グラフェンのスピントロニクスへの新しい応用が期待される。今後は、実験グループと協力してスピンメカトロニクスをさらに発展させていく。1915年にアインシュタイン等は、力学回転と磁気モーメントの結合を見出し(アインシュタイン-ド・ハース効果)、電子の角運動量が磁気の起源であることを明らかにした。研究対象は(1)核バーネット効果、(2)バーネット効果による角運動量補償点の探索、(3)スピン注入によるアインシュタイン-ド・ハース効果、(4)核スピンポンピングである。(1)核バーネット効果においては、昨年度までにスピンベリー位相との協力現象によりNMRスペクトルが分裂することを見いだしていたが、これを定式化した。さらに、このスペクトル構造がフロッケ定理の視点からも解釈可能であることがわかった。これによると、回転運動はスピン1/2に相当する自由度に対応している。(2)角運動補償点の探索においては、室温から100Kまで温度制御可能なバーネット効果の測定装置を開発した。実験の結果、Ho3Fe5O12(HoIG)の角運動量補償点が242Kであることを突き止めた。(3)Y3Fe5O12(YIG)を微細加工して作成したマイクロカンチレバーに対して、スピン波スピン流を注入することによりカンチレバーを駆動することに成功した。(4)強磁性体のNMR特有の信号増幅効果を介した、核スピンポンピング理論を構築した。本年度は申請書であげた4つのテーマについて取り組み、おおむね計画通りの進捗があった。(1)核バーネット効果においては、コイル回転法によるNMRスペクトルの分裂を、バーネット効果とスピンベリー位相の干渉を考慮することにより定式化することができた。さらに、このスペクトル構造がフロッケ定理の観点からも解釈可能であることがわかった。これによると、回転運動はスピン1/2に相当する自由度が増えることに対応している。

力学回転によりスピン自由度が増加するという今までになかった解釈を提案でき、また、定式化できつつある。(2)バーネット効果を用いた角運動補償点の探索においては、まず、従来バーネット効果は室温のみで実験が行われていたものを、低温120Kまで温度領域を拡張することができたことが進捗としてあげられる。また、HoIGに対して実験を行ったところ、角運動量補償点が242Kであることを突き止めた。現在論文を執筆中である。(3)スピン注入アインシュタイン-ドハース効果においては、当初計画の液体金属に対するスピン注入駆動実験の装置開発はほぼ完了しており、予備的な測定を開始している。このテーマに関連して新たにマイクロカンチレバーにスピン波スピン流を注入し、アインシュタイン-ドハース効果によってカンチレバーを駆動する実験を行った。その結果YIGを微細加工して作成したマイクロカンチレバーをスピン波スピン流で駆動することに成功した。(4)強磁性体のNMR特有の信号増幅効果を介した、核スピンポンピング理論を構築し論文にまとめている。実験においてはホイスラー合金やYIGといった強磁性体と白金の二層膜において2Kまでの低温領域において実験を進行中である。物質の持つ様々な角運動量(スピン)と力学回転との相互作用を明らかにし、力学回転による角運動量制御法を確立するとともに、力学回転運動を組み込んだスピントロニクス(スピンメカトロニクス)を開拓する。1915年にアインシュタイン達は、力学回転と磁気モーメントの結合を見出し(アインシュタイン-ド・ハース効果)、電子の角運動量が磁気の起源であることを明らかにした。物質の持つ角運動量は、電子スピン、原子核スピン、力学回転、流体中の渦(局所回転)等多彩である。これらの角運動量間の相互変換を用いて、非慣性系におけるゲージ理論を枠組みとし、現代的手法を駆使した実験手法と組み合わせ、スピントロニクスの新たな展開をはかる。平成30年度では、実験グループと共同で、(1)バーネット効果を用いたフェリ磁性体の角運動量補償温度の測定方法の提案、と(2)表面音波を用いたスピン流生成手法の提案を行った。スピントロニクスでは、伝導電子と磁化との角運動量のやり取りが重要であり、フェリ磁性体を用いた場合、角運動量補償温度で物理現象が大きく変化する可能性がある。しかし、これまでは角運動量補償温度を直接検出する方法がなかった。我々が今回提案する手法(1)は今後、スピントロニクスだけでなく、様々な分野で有用になると期待される。(2)については、表面弾性波の持つ角運動量を電子スピンに変換する手法であり、表面弾性波のスピントロニクスへの展開が期待される。電子は電気的自由度である電荷と磁気的自由度であるスピンを待つ。電荷の自由度を駆使して発展してきた従来のエレクトロニクスに対して、スピントロニクスはスピンの自由度を最大限に活かしたテクノロジーである。電子のスピン角運動量は、自然界に存在する様々な角運動量と相互変換が可能である。
キャピラリーZピンチ放電型極端紫外露光光源の研究

次世代半導体リソグラフィー用の縮小露光光源として,波長13.5nmの極端紫外(EUV)光源が注目されている。光源には,高出力かつ高品質であることが求められているが,我々は電気入力が直接プラズマのエネルギーに変換されるために,総合エネルギー効率が高くなると期待されているキセノン(Xe)を用いたキャピラリーZピンチ放電型光源について研究している。本研究では,プラズマフォーカスを比較対象とし,放電部の形状およびXeガス圧力を変化させ,このときのEUV出力を,較正されたZrフィルター,Si/Mo多層膜ミラーおよびフォトダイオードで構成される検出器により測定し,EUV発光効率の高い放電部形状および放電条件を見出すことを目的とした。また,高速度カメラによる観測を行い,ピンチダイナミクスおよびプラズマパラメーターの時間変化について検討し,以下の結果を得た。1.形状の異なるプラズマフォーカス型放電部を製作し,比較実験を行った。2.高速度カメラによる観測から,中心電極先端から放電ガスを供給するタイプでは,通常のプラズマフォーカスと同様のピンチダイナミクスが観測された。3.ピンホールカメラによるEUV発光像の観測,カロリメータによるEUV出力の計測,フォトダイオードによるEUV出力の時間変化の測定を行い,電極形状による出力に違いについて検討した。4.最適形状および最適放電条件を求めるまでには至らなかったが,プラズマフォーカスにおいても,Zピンチと同様のEUV出力が得られる可能性が示された。種々の形状の放電部を用い,ガス流量(ガス圧)を制御された状態で変化させ,フォトダイオードによりEUV出力を計測し,発光効率に与える影響を調べた。キャピラリー放電とキャピラリーを用いない放電を比べると,キャピラリーを用いない場合には放電気体の拡散のためにピンチが弱く,強い発光を得ることが難しく,予備電離の重要性が示唆された。新たに製作した透過格子型分光器により,ガス圧,コンデンサ充電電圧に対する線スペクトルの変化を測定した。充電電圧を増加させ,電流を増加させることにより,13.5nm帯の発光はほぼ比例して増えた。しかし,充電エネルギーからEUVへの変換効率は必ずしも増加しない。一方,充電電圧を9kV一定としてガス圧を変化させた場合には,13.5nm帯の発光は次第に減少した。フォトダイオードによるEUV発光の測定からは,ガス圧5 TorrのときにEUV発光が最大になる結果を得ており,透過型分光器による測定結果と整合していない。現在,この原因を検討中である。また,露光光源としては,プラズマサイズ(光源の断面積と集光立体角の積であるエタンデューで評価)の小さいことが要求されるので,製作したZrフィルター付きピンホールカメラを用いて,EUV発光領域の観測を行った。その結果,ガス圧を高くするに従って,発光領域が下流に移動し,細長くなる現象が観測された。最も高い発光が得られたコンデンサ充電電圧9kV,ガス圧5 Torrの場合についてエタンデューを求めたところ1.4mm^2-srが得られた。今後,実際に集光可能な光源サイズにおけるEUV発光効率について検討する予定である。
論理性を高める教材開発と数学を構成する力の育成

研究目的:高等学校の検定教科書に掲載されているlim[x->0](sinx)/x=1の証明に関しては,循環論法であるとの指摘がある。ひとりの数学的才能者とともにπの再構成を行い,それを用いてlim[x->0](sinx)/x=1の証明における循環論法の回避策を見出した。この過程で数学的才能者の思考過程を記録し,思考特性を分析する。さらに数学的才能者の得た結果を教室で共有したときに高学力者が受ける影響,数学的才能者と高学力者の相互作用の有無を検討する。研究方法:lim[x->0](sinx)/x=1の正しい証明について,数学的才能者の得た結果を含む3つの方法と,高学力者(生徒)の提示したアイデア2つ(証明には瑕疵があるが,教室で共有することで学習の深化が期待できるもの)を授業で扱い,それら5つの方法の理解度等を調査・アンケートし分析した。また,数学的才能者に関しては延べ6ヶ月程度の経過観察および数度に渡るインタビューを実施した。研究成果:高学力者にlim[x->0](sinx)/x=1の証明における循環論法の回避策の理解度等を調査した結果,数学的才能者の存在が生徒たちの学習意欲を刺激し,数学の理解を深化させたとの結果を得た。さらにその後の経過観察等から,数学的才能者と高学力者は,相乗効果により互いに良い影響を与えていることも確認された。数学的才能者は,高学力者集団に身をおくことで刺激を受け向上心を高めている。このことは,数学的才能者の思考やその卓抜性を理解しうる高学力者との共存があって成立することであり,先天的才能や親による教育だけでなく,高学力者との集団教育が数学的才能者の思考特性の形成に関与しているものと推定され,数学的才能者と高学力者の間には相互作用があると考えられる。(681字)研究目的:高等学校の検定教科書に掲載されているlim[x->0](sinx)/x=1の証明に関しては,循環論法であるとの指摘がある。(681字)
離散幾何解析及び確率解析を融合した被覆グラフ上のランダムウォークの研究

本年度は被覆グラフ上のランダムウォークの極限定理に関して離散幾何解析及び確率解析を用いて研究を行った。1.前年度筆者はべき零被覆グラフ上の非対称ランダムウォークの中心極限定理について石渡氏及び河備氏と共同研究を行った。まずグラフをあるべき零リー群上に周期的に実現しその修正調和性及びべき零リー群の階数2かつ中心化条件の下汎関数中心極限定理を示した。この続編として、べき零リー群の階数を任意の正整数にまで拡張した。我々は(1)推移作用素に発散項を引き去る効果を付したシフト作用素を用いる手法及び(2)ランダムウォークの摂動を考え、摂動パラメータと時空スケールを同時に動かして発散項を弱める手法、の2通りで挑んだが、いずれの場合にもラフパス理論の「Lyonsの拡張定理」の証明のアイデアを拡張・適用して証明した。(1)では中心化条件の下、べき零リー群上のブラウン運動に非対称性・非可換性を反映するドリフトつきの拡散過程を捉えた。またドリフトが実現の自由度に依存しないという性質を得た。(2)では自然な仮定の下、べき零リー群上のブラウン運動にランダムウォークの平均量をドリフトとする拡散過程を捉えた。2.大数の法則と中心極限定理の中間スケールの下、平均からの確率減衰を記述する主張を「中偏差原理」と呼ぶ。筆者はべき零被覆グラフに対応するべき零リー環の生成部分空間に値をとる絶対連続な道の空間上へランダムウォークを移し、これが中偏差原理を満たすことを示した。これを元に、べき零被覆グラフ上のランダムウォークに対しても中偏差原理が成り立つことを示し、対応するレート関数をアルバネーゼ計量を用いて特定した。さらに中偏差原理を応用してべき零被覆グラフ上のランダムウォークが重複対数の法則を満たすことを規格化したランダムウォークの概集積点全体のなす集合を特定する形で与えた。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
タバコ属種間雑種の雑種致死に関する分子生物学的研究

縁の遠いもの同士で雑種を作りストレスに強い新しい品種を生み出す植物改良技術は、気候変動が進む中これからの農業にとり極めて大切である。しかし、この育種法は両親が遠縁のため雑種をうまく得られない問題を抱える。この研究はどのような遺伝子がこの問題を起こすのかを調査し、候補となる遺伝子を特定した。また、細胞が死ぬことで雑種が育たなくなる詳細な機構を明らかにした。これら成果は、植物改良の新たな技術開発に利用されることが期待される。生殖隔離機構である雑種致死の原因となる遺伝子とタンパク質を特定することを主たる目的とし、タバコ種間雑種の2種の培養細胞を用いて実験をおこなった。2種の培養細胞とは、細胞死誘導条件で直ちに死ぬGTH4細胞、GTH4の染色体DNAの一部が失われたことで致死条件でも死なないGTH4S細胞である。計画した実験は、(1)GTH4Sの失われた染色体DNAの位置を特定する、(2)両細胞間で発現する遺伝子の差異を特定する、(3)両細胞間で発現するタンパク質の差異を特定する、である。(1)は構築したゲノミックライブラリーの性能に問題があり有意な結果が得られなかった。(2)はGTH4が優先的に発現する遺伝子を濃縮したcDNAライブラリーを作成し、これをスクリーニングすることで雑種致死に関連する可能性の高い候補遺伝子を50個特定した。それらには、細胞死の原因遺伝子とされる熱ショックタンパク質90、動物のアポトーシスに関連する膜タンパク質アネキシン遺伝子、各種のストレス応答遺伝子などが含まれていた。(3)はイオン交換クロマトグラフィーとSDS電気泳動法とを組み合わせた解析法でGTH4には発現するがGTH4Sでは発現しないタンパク質分子を20種類以上見いだした。この内、7種類が質量分析法(TOFF-MS)により同定できた。これらには解糖系の酵素類、アスコルビン酸還元酵素、アネキシンが含まれていた。アネキシンは(2)の発現遺伝子においても特定されているので、遺伝子とタンパク質の両面から雑種致死の原因遺伝子を特定する方法論が有効であることが確認された。雑種致死の原因遺仏子とタンパク質を特定することを主たる目的とし、タバコ種間F_1雑種(Nicotiana gssei x N. tabecum)の2培養細胞を用いて実験を継続した。2種の培養細胞とは同じF_1雑種に由来し、細胞死誘導条件で直ちに死ぬGTIi4細胞、GTH4の欠失突然変異体で致死条件でも死なないGTH4S細胞である。前年度は、この二つの細胞系の間に見られる差異をcDNAライブラリーのスクリーニングとプロテオーム解析から明らかにし、細胞死に関連する候補となる複数の遺伝子とタンパク質を選定した。本年度は、その中からアネキシンタンパク質について詳細に解析した。アネキシンは動物においては細胞膜の内側に局在しアポトーシスの標識としても知られるタンパク質であるが、植物では様々な生理機能に関与する多機能タンパク質として知られており、特に細胞死の直接の引き金となる液胞膜の構成にも関与している。アネキシンタンパク質はGTH4Sでは生産されず、GTH4では生産されていた。遺伝子発現解析からその原因がGTH4Sにおける発現の停止にあり、さらにゲノム解析からGTH4Sではアネキシン遺伝子そのものが欠失していることを確認した。アネキシンタンパク質が雑種細胞の死に直接関係するかを明らかにするため、この遺伝子の全長cDNAを取得して遺伝子サイレンシング実験の準備に入った。以上の実験とは別に、本年度は二つの細胞間の発現遣伝子の差異をさらに正確に検出するための精度の高いサブトラクトcDNAライブラリーを構築した。このcDNAライブラリーはGTH4の発現遺伝子を優先的に濃縮したもので、そのスクリーニングからGTH4にのみ発現する遺伝子を新たに複数個見出した。これらについても遺伝子サイレンシング実験をするための準備に入った。生殖隔離の一形態である雑種致死の原因遺伝子の特定と雑種細胞の死の生理学的機作を明らかにすることを目的に、モデル系としてタバコ種間F_1雑種(Nicotiana gosseix N. tabacum)の培養細胞を用いて研究した。細胞死を起こす培養細胞と致死抑止型突然変異細胞のサブトラクトcDNAライブラリーのスクリーニングとプロテオーム解析の比較から、21年度は候補となる4遺伝子と14タンパク質をそれぞれ新たに特定した。タンパク質では植物の病害抵抗性(R)タンパク質の機能に必要な介在因子であるSGT1を特定した。Rタンパク質は病原特異的な過敏反応細胞死を誘導する主因子であるので、その制御に関与するSGT1は雑種の細胞死を制御する原因遺伝子の発見につながることが期待されたためその完全長cDNAを単離した。1921年度の研究を通し、雑種致死に深く関係すると推定される遺伝子を3つにまで絞り込むことに成功した。これらの遺伝子の高発現ベクターを構築し、両親植物体葉身での一過的発現から雑種致死の原因遺伝子であるかを特定する実験の準備を開始した。

また、雑種細胞の死が病原抵抗性反応により引き起こされる過敏感反応と共通する機作によるものであることを細胞の活性酸素と一酸化窒素の消長などから明らかにした。雑種致死の細胞死が植物の病原に対する抵抗性反応により誘導される現象の解明は、雑種致死の原因遺伝子がRタンパク質とそれに関連する因子によるものであることを示唆する極めて重要な発見であり、遠縁交雑育種の効率向上に向けた両親種の改良に道筋をつけるものである。
社会進化論の影響を軸とした、近代中国と日本におけるナショナリズムと宗教の比較研究

本研究は、ナショナリズムと宗教を結びつけた主要な思想的背景の一つに社会進化論があることを、19世紀末以降の近代中国と日本の比較研究を通して明らかにした。具体的には、近代中国については清末以降、民国期の宗教論、中華人民共和国の宗教政策等を対象とし、近代日本については、明治初期のスペンサー受容以降の知識人による宗教論、ナショナリズムと宗教に関する第二次世界大戦後の議論等を対象とした。平成24年度は、昨年度に引き続き、1910年代以降の日中の事例についての研究を行った。中国については、孔教反対運動が1920年代に生じた反宗教・反キリスト教運動につながってゆく経緯を中心とする研究を行い、民国期の社会進化論関係文献を調査収集するため、北京において資料収集を実施した。日本については、昨年度研究したベンジャミン・キッドの著書の影響を受けた具体的な事例として、内村鑑三の研究を行うことで、同時代における社会進化論の影響を跡づけることができた。研究発表としては、日本国際政治学会2012年度研究大会(2012年10月21日・名古屋国際会議場)において、「内村鑑三におけるナショナリズム、宗教、進化論:JapanとJesusをつなぐもの」と題する研究発表を行った。さらに、その成果をもとに論文「内村鑑三はベンジャミン・キッドをどう読んだか:社会進化論の影響の一断面」『立命館産業社会論集』48巻4号2013年3月(85101頁)を発表した。また、梁啓超と新渡戸稲造についての論文"Social Darwinism and Religion: TheCross-Cultural Experiences of Liang Qichao and Nitobe Inazo."Comparative Studies on Regional Powers 13, March 2013 (pp.185-195)を発表した。平成25年度は、中国については、1920年代以降、40年代にかけて出版された社会進化論の一般向け解説書を検討する作業を行った。このように社会的にひろがった社会進化論の影響を受けた人物のひとりに毛沢東がいることから、毛沢東の著作を検討し、引きつづき人民共和国成立以後の宗教行政文書、周恩来、鄧小平、江沢民らの指導者による宗教への言及などを素材として、それらにおける宗教理解を分析した。さらに、本研究において検討した清末民国初期の中国における孔教会運動の影響がシンガポールにまでおよんでいたことから、シンガポールにおける資料収集を実施した。日本に関しては、ベンジャミン・キッドや丘浅次郎らの通俗的解説書によって地方にまでおよんだ社会進化論の影響の一例として、佐渡にいた北一輝による『国体論及び純正社会主義』などを事例として、在野における社会進化論の受容のありかたを検討した。そのうえで、こうした社会進化論的な発想によるナショナリズムと宗教の理解と、戦後の靖国神社をめぐる論争や「日本人論」「日本文化論」との相似性および相違点を検討した。以上の作業と並行して、社会学理論や法哲学などにおけるナショナリズム、宗教、さらに公共性をめぐる議論を参照することによって、近代中国および日本の事例が持つ社会思想上の意義を検討した。研究発表としては、これまでの研究成果を集約的に盛り込んだ論文を発表した(住家正芳「ナショナリズムはなぜ宗教を必要とするのか:加藤玄智と梁啓超における社会進化論」『宗教研究』376号、pp.1-25、2013年)。平成23年度は、19世紀末から1910年代前半の中国および明治前・中期の日本を中心とした研究を行った。中国については、1910年代の孔教会運動を起点として、社会進化論がそこに影響を与えるに至るまでの19世紀末以降の思想・論争状況を跡づけるべく、まず孔教会運動の機関誌である『孔教会雑誌』における社会進化論的な発想からの宗教および「孔教」(儒教)理解を分析した。次に、孔教会運動の提唱者でもある康有為が孔教会を提唱するに至った経緯や、清末中国で最初に社会進化論を紹介した厳復の著作における宗教理解、梁啓超を中心に日本で発行された改革派の雑誌『清義報』における社会進化論の影響を検証した。また、これらに関する資料調査ならびに近代中国のキリスト教に関する資料収集を台北において行い、研究代表者を主催者とする研究会を開催した。一方、日本に関しては、1877年(明治10年)前後からのスペンサー受容を起点として研究を行った。まず、井上哲次郎を中心に、加藤弘之や有賀長雄による社会進化論の受容などを検討した。また、明治前期に盛んに翻訳されたハーバート・スペンサーの著作や、スペンサー思想の通俗的流布に大きな影響を与えたベンジャミン・キッドの著作における社会進化および宗教の理解を検討した。さらに、1892年(明治25年)に始まる「教育と宗教の衝突」論争における国家と宗教についての理解を分析した。以上をもとに、学術雑誌への投稿を行うとともに(査読中)、アウトリーチ的な位置づけではあるが共著書を刊行した。平成24年度は、1件の研究発表および2件の論文発表を行うことができた。いずれも単独および単著であり、順調に研究を遂行できたものと評価する。

平成23年度は、所属研究機関の移動に伴う準備などのため、海外での資料収集については予定通りに進まなかったが、その分を国内での研究にあてることで、文献資料の読み込みなどは予定以上に進行させることができた。よって、全体としてはおおむね計画通りに研究を遂行することができたと評価する。平成24年度は、平成23年度の未使用分が残っていたことや、研究会参加費用などを所属研究機関からの研究資金によってまかなったこと、購入を検討した資料の納入が期間内に見込めなかったことなどにより、次年度使用額が発生した。今後は、引き続き資料収集、学会発表などを行う予定である。平成23年度中は、当初予定していた海外学会への参加を見送らざるを得なくなったことや、所属研究機関の移動に関する手続きなどのため、海外における長期の資料調査ができなくなった。そのため、未使用額が発生することとなった。今後は、これらにあてる予定にしていた旅費を、次年度以降の学会参加旅費および国内外での資料調査に活用することとする。よって、次年度以降は国内外での資料調査、学会・研究会参加の回数を増やす予定である。次年度使用額は、昨年度購入を検討した資料の購入および、国内外での資料調査、学会・研究会参加にあてる予定である。平成23年度分において未使用額が発生した理由は、当初予定していた海外学会への参加を見送らざるを得なくなったことや、所属研究機関の移動に関する手続きなどのため、海外における長期の資料調査ができなくなったことによる。そのため、次年度は国内外での資料調査などの回数をできるだけ増やすこととする。また次年度以降、研究代表者の居住地が変わるのに伴い、今後は研究会開催などのための移動がより多く必要となることから、次年度使用分とした研究費を主にそれらの旅費にあてる。これによって次年度の旅費を補い、物品購入費などを確保することで、不具合が生じている既存のコンピュータを新しいものに置き換える予定である。
酵素標識後に蛍光を発するスプリット蛍光タグの開発

酵素を用いてタンパク質へ特異的に標識可能であり、また、標識して初めて蛍光を発するようなタグ配列-蛍光ラベル化剤のペアの開発を行った。その結果、ソルターゼによる特異的な連結反応後に2.6倍に蛍光が増大するペアを創製できた。そこで、細胞内での標識を可能にするため、細胞外で発現精製した連鎖球菌由来ソルターゼAを細胞内に導入して連結反応を行う方法を開発した。細胞内蛋白質の蛍光標識技術は、細胞内での蛋白質の動態や相互作用を可視化する技術として期待されている。しかし、細胞内には多種の蛋白質が高濃度に共存しており、対象蛋白質の特異的な標識は極めて困難である。また、未反応のラベル化剤の除去も難しく、標識してもバックグランド蛍光が高すぎて可視化できないという問題もある。そこで、本研究では、酵素を用いて特異的に標識が可能であり、また、標識されて初めて蛍光を発するようなタグ配列-蛍光ラベル化剤ペアの開発を目的とした研究を行った。昨年度までに、Sortase A(SrtA)による連結反応後に3倍近く蛍光が増大するタグ-ラベル化剤ペアの開発に成功した。本年度は、細胞内でのラべリングを行うために、細胞内でSrtAによる連結反応を行う方法の開発を行った。まず、哺乳類細胞内の低カルシウムイオン濃度環境下でも反応が進行するように、化膿連鎖球菌由来のSrtA(SpSrtA)を用いることにした。このSpSrtAに、細胞膜透過性が報告されている数種類のペプチドを融合して発現し、蛍光標識して細胞内への導入を試みたが、ほとんどのSpSrtAが細胞内のエンドソームに捕捉され、細胞質中には送達することが出来なかった。そこで、市販のタンパク質導入試薬(Bioporter)を混ぜて培養細胞(HEK293T細胞)にかけたところ、比較的細胞質に移行している様子が共焦点蛍光顕微鏡観察によって確認された。さらに、緑色蛍光タンパク質(EGFP)の両末端にSrtAの基質配列を修飾した基質EGFPの発現系を構築し、基質EGFPを発現した細胞に、上記の方法でSpSrtAを導入した。その結果、細胞内でSrtAによる連結反応が進行することがライセートのウェスタンブロッティング解析により確認され、SrtA反応の時間やSrtAの導入量によって反応をある程度コントロールできることも確認された。ペプチド連結酵素Sortase Aの基質配列とトリプトファンジッパー配列とを組み合わせた数10種類のラベル化剤-タグペアを合成し、その連結前後での蛍光変化を詳細に調べた。その結果、Sortase Aによる連結反応後に、最大で2.6倍に蛍光が増大するペアを見出した。その連結後のペプチドの構造を円偏光二色性スペクトル測定によって評価したところ、反応後に設計通りにトリプトファンジッパー構造を形成していること、また、連結反応前に確認された蛍光色素由来のコットンピークが連結後に消失していることから、連結によって色素とペプチドとの相互作用が緩和されたことが強く示唆された。これらの結果より、連結前のラベル化剤では、蛍光色素とペプチド部分のトリプトファン側鎖とが相互作用することによって蛍光が消光され、連結後にタグ配列上のトリプトファン側鎖とラベル化剤のトリプトファン側鎖とがトリプトファンジッパー構造を競合的に形成することによって色素との相互作用が緩和されて蛍光が回復するというメカニズムが想定される。今回開発したタグ配列-蛍光ラベル化剤ペアを用いて、次年度はタグ配列を有する蛋白質の標識をin vitroおよびin vivoで実施する予定である。研究計画においては、平成23年度に、酵素反応後に蛍光強度が増強するタグ配列-蛍光ラベル化剤ペアの最適化を実施すること、また、細胞内でのsortase Aによるペプチド連結反応の検討を実施することを計画していた。前者に関しては、未だ増加率は低いが、連結反応によって蛍光強度が増加するタグ配列-蛍光ラベル化剤ペアを見出すことが出来た。後者に関しては、ポリアルギニン配列を修飾したsortase Aの細胞内導入は確認できているが、エンドソームに捕捉されてしまい細胞質にsortase Aを効率よく導入する方法が確立していないのが現状である。また、sortase Aが連結する二つの基質ペプチドを同じ分子のN末端とC末端とに導入したモデル蛋白質を用いた場合については、細胞外から導入したsortase Aを用いて連結反応が進行し、分子内環化させられることは示されているが、二つの分子を連結することには成功していない。

これは、sortase Aの基質との結合が弱いことが原因と考えられ、細胞質内へと効率よくsortase Aを導入する方法論が必要である。以上の理由から、研究計画に比べて、到達度はやや遅れていると判断した。まず、細胞内でsortase A反応を行うために、sortase Aを細胞外から効率良く細胞質内に導入する技術の開発に力を注ぐ。現在、光誘導型ラジカル発生試薬を用いたエンドソームからの蛋白質放出技術、また、ピレンブチレートを用いた細胞質内への蛋白質導入技術、市販の蛋白質導入剤を用いた技術を精力的に試している。今後もこの検討を継続して行い、細胞内で二分子の連結が可能な効率良い導入法を模索する。また、sortase Aに可逆的な相互作用を用いてラベル化剤を担持させて反応点の局所濃度を高めるなど、細胞質内での連結反応を推進するための工夫も検討したい。次に、細胞内で標識するターゲットとしては、当初の研究計画では細胞質内にC末端が出ているCD9をモデルターゲット蛋白質と考えていたが、試した幾つかの細胞において大量発現に伴う毒性が観察されたため、より簡便に発現できる緑色蛍光蛋白質(GFP)を用いて検討を行う。核や細胞膜などへの移行シグナルをつけたGFPをモデルとして、細胞内での標識実験を検討する予定である。最後に、標識法が確立したら、当初の計画通り、副甲状腺ホルモン受容体(PTHR)の標識を行い、PTHRと&#61538;-アレスチンとの細胞内相互作用を検出する系の構築を試みる。細胞内での標識実験を実施するため、動物細胞実験およびその解析に必要な消耗品を購入する。蛋白質の細胞内導入試薬の合成材料および市販の導入試薬も購入する。また、前年度の成果を発表し、細胞内蛋白質標識についての情報を収集するため、国内学会への参加旅費も計上したい。
フォトブリーチングを用いたMolecular Tagging流速計測法の開発

混相流の微細的現象解明のためには、流動状態を乱さない計測手法が不可欠である。単相流の非接触速度測定法の多くは、測定のために流れ場に散乱粒子を添加するが、二相流では散乱粒子が流動状態に与える影響を無視できない。そこで、本研究では、混相流の微細構造、時間変動特性などの微小スケールでの現象解明を可能とするために、フォトブリーチング反応を応用したMolecular Tagging流速測定法の確立を目的とする。まず、計測原理の確認を行うため、Ar-ionレーザを光源とした計測システムを構築した。本計測システムを用いて、蛍光色素(フルオロセインソデュウムソルト)を混入した静止水中で、レーザビーム強度、照射時間とフォトブリーチング反応率の関係を調べた。その結果、レーザビーム強度(光束密度)および照射時間の増加とともに反応率は増加することが確認できた。次に、液体の速度を多次元で測定するために、フォトブリーチング反応を起こした液塊を追跡する画像解析用ソフトウエアを開発した。本解析ソフトは、2時刻の画像から(1)重心位置の移動、(2)相互相関により速度を求められる。以上の計測システムを実際の流動場に適用し、その性能を評価した。その結果、以下の結果を得た。1)本手法を液単相流に適用し、液流の速度をPTVと同程度に精度良く測定できることを確認した。2)本手法を、界面を含む流れ場に適用し、良好な計測結果が得られた。従って、本手法により、従来の散乱粒子を用いる手法で問題となってきた界面への散乱粒子の堆積を回避し、より精度の高い計測が可能である。本年度は、以下の項目を実施した。1光学系の設計、製作流体中に混入された光化学色素を高空間分解能で変色させるために、既存のAr-ionレーザをレーザ光源とした計測用光学システムの設計と製作を行った。本光学系は、AOMを用いてAr-ionレーザからのレーザビームを高速でON/OFFできる。2光化学反応の基本挙動の確認実験蛍光色素を混入した液体中で上記光学系を用いて局所的に光化学反応を起こし、変色の度合と各パラメータ(温度、濃度、光強度等)に対する依存性を調べた。この際、既存のCCDカメラと既存の画像処理ボードを用いて蛍光強度をデジタル値としてワークステーションに記録し変色度合いを定量的に評価した。3画像解析法の開発液体の速度を多次元で測定するために、フォトブリーチングにより発色した液塊を追跡する画像解析用ソフトウエアの開発にあたった。本年度は、その基礎部分の構築を行った。4実験ループの製作測定対象となる実験ループの設計、製作を行った。本計測手法を単相流および混相流の両方に適用し、検証実験を行うため、本実験ループは、単相および混相流の双方の流動場が実現できるよう設計、製作を行った。
多層膜型フォトニック結晶への電気光学材料の導入による光学特性可変化技術の研究

本研究は,スパッタ法により作製される酸化亜鉛(ZnO)薄膜とフォトニック結晶(Photonic Crystal : PhC)型光導波路とを組み合わせ,ZnOの非線形光学特性を利用した新規光機能素子を実現することを目的としている。平成18年度は,ZnOスパッタ膜の結晶性向上と光導波路化,およびPhCを付与することによる擬似位相整合型の高効率第二高調波発生(SHG)素子の試作を行なった。まず,スパッタ条件の最適化を進めることによって,作製したZnO膜によるSHG効果が確認でき,結晶性の良好なZnO膜をコアとするスラブ型光導波路を形成できた。これに波長810nmのパルスレーザ光を入射させたところ,出射光から波長405nm付近の成分が観測され,SHG効果により波長を1/2に変換することができた。更に,このZnO導波路上にフォトレジストで構成される1次元PhC構造(周期約1.08μm)を付与したところ,約28%の半波長成分の出力強度向上が確認できた。昨年度は6%程度の出力向上にとどまっていたことから,本研究は確実に進展していると言える。また,光導波路技術の基礎的検討として,感光性ポリシランから鳴る導波路型光スイッチの試作も行なっている。紫外露光のみで基板面内方向のコア/クラッド構造を形成可能で,従来の石英系光スイッチに比ベシンプルな工程で作製できる。マッハツェンダー干渉計(MZI)型を基本構造とし,Y分岐部分は,低損失なアンテナ結合型を採用している。今回は,ビーム伝搬法(BPM)を用いたシミュレーションにより,昨年度に試作した光スイッチのレイアウトを基に,導波路の分岐部分,曲がり部分の構造の最適化を試みた。その結果,本光スイッチの全損失を0.2dB以下に抑えられる可能性が示された。従来の構造では,全損失の計算値は3.4dBであり,この設計で光スイッチを作製すれば,高性能化が期待できる。本研究は,酸化亜鉛(ZnO)と,スパッタ法により作製されるフォトニック結晶(Photonic Crystal : PhC)型光導波路とを組み合わせ,ZnOの非線形光学特性を利用した新規光機能素子を実現することを目的としている。平成17年度は,その第一段階として,ZnOスパッタ膜の結晶性向上と光導波路化,およびPhCを付与することによる擬似位相整合型の高効率第2高調波発生(SHG)素子の試作を行なった。まず,スパッタ条件を最適化することによって,作製したZnO膜によるSHG効果が確認でき,結晶性の良好なZnO膜をコアとするスラブ型光導波路を形成できた。これに波長810nmのチタンサファイアパルスレーザ光を入射させたところ,出射光の波長を405nm付近に変換することができた。更に,このZnO導波路上にフォトレジストで構成される1次元PhC構造(周期1.08μm)を付与したところ,その効果により,約6%の波長変換効率の向上が確認できた。また,別のアプローチとして,ポリマ(感光性ポリシラン)からなる導波路型光スイッチの試作も行なった。露光のみで基板面内方向のコア/クラッド構造を形成可能で,従来の石英系光スイッチに比べシンプルな工程で作製できる。マッハツェンダー干渉計(MZI)型を基本構造とし,Y分岐部分は,低損失なアンテナ結合型を採用した。MZI部分の一方のアーム上にTiヒータおよびAl電極を形成し,電流印加により加熱すると,ポリマの熱光学効果により屈折率が変化し,それに伴う位相変化によってスイッチングが可能となる。今回の試作では,光スイッチとしての基本動作を確認することができた。消費電力は6.8mWと非常に小さかった。このタイプの光導波路は,露光により屈折率の周期的な変調すなわちPhCを所望の領域に付加することも可能なことから,より高機能な光導波路デバイスの実現も期待できる。マッハ

ツェンダー干渉計(MZI)型を基本構造とし,Y分岐部分は,低損失なアンテナ結合型を採用している。今回は,ビーム伝搬法(BPM)を用いたシミュレーションにより,昨年度に試作した光スイッチのレイアウトを基に,導波路の分岐部分,曲がり部分の構造の最適化を試みた。その結果,本光スイッチの全損失を0.2dB以下に抑えられる可能性が示された。従来の構造では,全損失の計算値は3.4dBであり,この設計で光スイッチを作製すれば,高性能化が期待できる。