hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
分散量子ドットによる超広帯域可視・赤外光デバイスの作製

有機金属気相エピタキシャル成長法における液滴ヘテロエピタキシーにより、サイズ分布を大きく広げた量子ドットを持つ発光領域を作り、極めて広帯域の発光素子、光増幅素子、および受光素子を作製し、ユニークなデバイス群を生み出すことを目的とした。InP上のInAs量子ドットを持つpn接合により、0.9μmから2.2μmに及ぶ赤外域の「白色光源」とも言える発光素子の動作に室温において成功した。これを元に、極めて広帯域の光素子へと展開し、更には超多モードの半導体レーザをも視野に入れて開発を進めた。InP基板上のInAs量子ドットの液滴ヘテロエピタキシーを中心に成長を行って来たが、InPに格子整合するGaInAsPやAlInAsを障壁層とする分散量子ドットも作製し、いずれも発光ダイオードの動作に成功した。それぞれ、濡れ性の違いによるサイズ分布の違いや界面における組成傾斜の違いなどから、InP上のInAs量子ドットのサイズ分布が異なり、更に長波長域のカバー(GaInAsP上)が実現され、2.5μmを越える発光(AlInAs上)も得られた。他の材料系への展開として、GaAs基板に格子整合するGaInPを障壁層とするInPドットにより可視-赤外域の光デバイスを作製した。量子ドット活性層を1層で発光デバイスを作製しているが、この発光スペクトルの絶対強度測定を行い、電流注入発光で、20μWの光強度を得た。これをmWクラスのデバイスとするには、多層化およびドット密度の更なる向上が必要であることが明らかとなった。量子ドットはδ関数的な状態密度を持つことから鋭い発光スペクトルが得られ、その発光波長はサイズや組成によって変化する。従来の量子ドットに関する研究では、サイズ・組成を均一化すること鋭い発光を得ることを目的とされることがほとんどであった。しかし、我々は逆転の発想でサイズや組成を広範囲かつ連続的に変化させた量子ドットを同時に形成することで、超広帯域の発光スペクトルをもつ白色発光素子、さらに広帯域の感度を有する受光素子の実現できることを見出した。そこで本研究では、有機金属気相成長装置による液滴ヘテロエピタキシー法により量子ドットの形成を行った。液滴ヘテロエピタキシー法では、非常に広いサイズ分布を有したドット構造が形成される。この方法で形成したGaAs上、もしくはGaInAsP上にInAs量子ドットを利用することで、950nmから2200nm以上までの超広帯域発光を電流注入により得ることに成功した。さらに、発光を可視域に拡張するためにGaInP上InP量子ドットの作製にも取り組み、ブロードなサイズ分布を持つInP量子ドットの形成にも成功している。さらに、量子ドットがアニール効果により粗大かする性質を利用して、量子ドットを数回に分けて形成することで、より広いサイズ分布を得ることにを見出し、これによりさらにブロードなサイズ分布を得ている。今後の課題として、発光強度の増大、また受光素子への展開のために、量子ドットの多層化を行う。
高異方性垂直磁化膜の創製と磁化反転制御

本研究では、110 nmの垂直磁化膜において外部からのアシストエネルギーを効率よく磁化反転に結び付けることを目的としている。そのために、超高速分光技術を用いた磁化の動的評価手法を駆使して各種エネルギーアシストによる磁化の動的挙動を明らかにし、その知見を材料選択および超薄膜ヘテロ構造の設計へフィードバックする。ここでは、バルク磁気異方性の高い材料、界面誘導磁気異方性による垂直磁化膜、新規垂直異方性材料の3つの材料系について、フェムト秒レーザーを用いた超高速分光法により磁化の動的挙動を解明し、クリティカルダンピングを実現するための材料パラメータを計算により導き出す。本年度は、下記3つの項目について以下の結果を得た。(1)磁化の時間分解測定:バルク磁気異方性の高い材料としてFePt連続膜、界面誘導磁気異方性を示すCoFeB/MgO垂直磁化膜の時間分解磁化測定を行った。それぞれに最適なアシスト条件があることが明らかになった。(2)測定系の構築:電流・電圧印加状態で測定を可能にするための測定系および交換結合モードの歳差運動を観測するための微小領域での分光測定の構築を行った。(3)エネルギーアシスト磁化反転:円偏光アシストによる磁化反転では、反強磁性的な交換結合を利用すればシングルパルスで磁化反転する可能性がある。そこで、GdFeCo/Ru/CoPt多層膜において、Ru膜厚を変化させることにより交換結合を変化させた系で検討を行った。その結果、磁化反転確率が反強磁性的結合の強さに依存することが明らかとなった。昨年度予定した項目の検討はほぼ終わった。反強磁性的な結合を利用することにより、円偏光誘起による磁化反転確率が大幅に増加するなど、予定以上の結果が得られている。また、フェリ磁性体であるTbFeと交換結合させたFePt薄膜においても磁気像では磁化反転がアシストされている結果が得られている。以上より、全体としての進捗はおおむね順調と考える。((1)磁化の時間分解測定:熱エネルギー印加時の磁化ダイナミクス計測を行うために、加熱チャンバーを設置する。キュリー点付近まで酸化させずにサンプルの温度を上げるために真空中での測定が可能なものにする。チャンバー設置後に光路調整を行い、様々な励起条件下での磁化歳差運動をもとに磁化反転過程の検討を行う。(2)測定系の構築:昨年度に引き続き電流・電圧印加状態で測定を可能にするための測定系および交換結合モードの歳差運動を観測するための微小領域での分光測定の構築を行う。(3)エネルギーアシスト磁化反転:昨年度の円偏光アシスト磁化反転実験の結果、GdFeCo/Ru/CoPtの交換結合系で磁化反転がアシストされることが明らかとなった。本年度は、その定量評価と交換結合磁界と反転割合の相関より反転メカニズムの解明を行う。定量評価は、ホールクロスを微細加工により準備し、円偏光照射前後での異常ホール電圧の変化を測定することにより行う。異常ホール効果は磁化のz軸成分に対応するため、垂直磁化膜の磁化変化をとらえることができる。今年度は上記と同じ方法で定量測定を行うと同時に、さらに高い異方性を持つ規則度の高いFePt膜についても検討を行う。FePt系については、スペーサ層の結晶構造の違いのため反強磁性的結合を調整する材料選択が非常に重要となる。アモルファスを中心に材料選択を行う。

また、フェリ磁性体であるTbFeと交換結合させたFePt薄膜においても磁気像では磁化反転がアシストされている結果が得られている。以上より、全体としての進捗はおおむね順調と考える。((1)磁化の時間分解測定:熱エネルギー印加時の磁化ダイナミクス計測を行うために、加熱チャンバーを設置する。キュリー点付近まで酸化させずにサンプルの温度を上げるために真空中での測定が可能なものにする。チャンバー設置後に光路調整を行い、様々な励起条件下での磁化歳差運動をもとに磁化反転過程の検討を行う。(2)測定系の構築:昨年度に引き続き電流・電圧印加状態で測定を可能にするための測定系および交換結合モードの歳差運動を観測するための微小領域での分光測定の構築を行う。(3)エネルギーアシスト磁化反転:昨年度の円偏光アシスト磁化反転実験の結果、GdFeCo/Ru/CoPtの交換結合系で磁化反転がアシストされることが明らかとなった。本年度は、その定量評価と交換結合磁界と反転割合の相関より反転メカニズムの解明を行う。定量評価は、ホールクロスを微細加工により準備し、円偏光照射前後での異常ホール電圧の変化を測定することにより行う。異常ホール効果は磁化のz軸成分に対応するため、垂直磁化膜の磁化変化をとらえることができる。今年度は上記と同じ方法で定量測定を行うと同時に、さらに高い異方性を持つ規則度の高いFePt膜についても検討を行う。FePt系については、スペーサ層の結晶構造の違いのため反強磁性的結合を調整する材料選択が非常に重要となる。アモルファスを中心に材料選択を行う。
神経栄養因子とその受容体の発現様態に及ぼす運動の影響

本研究の目的は,実験動物を用いて,運動により神経栄養因子とその受容体の発現がタンパク質レベルで変化するかどうかを脳,脊髄及び骨格筋で確認することにあった.平成14年度は,糖尿病により神経変性が生じているラット(ヒラメ筋の神経線維の横断面積が減少している)に,トレッドミルによるランニングトレーニングを4週間行わせた.トレーニング終了後,脳,脊髄及び骨格筋を摘出し,ホモジナイザーにより試薬とともに破砕・混合し,遠心分離後,摘出組織の試料調整を行った.調整した試料を電気泳動した後,トランスファーボックス内でメンブレンに転写させた.メンブレンに神経栄養因子(BDNF, NT-4)とその受容体(Trk B)の抗体を滴下し,染色反応により可視化した.その結果,骨格筋においてのみNT-4のタンパク発現量が増加する傾向にあった.しかし,ヒラメ筋の神経線維の薄切切片を作成し,顕微鏡下で横断面積を測定した結果,有意な変化は認められなかった.さらに今後も,運動による神経栄養因子の発現と神経細胞の形態適応の関連を研究していく必要がある.本研究の目的は,実験動物を用いて,運動により神経栄養因子とその受容体の発現がタンパク質レベルで変化するかどうかを脳,脊髄及び骨格筋で経時的に確認することにあった.Wistar系雄性ラット(250g300g)に,トレッドミルによる1週間のランニング学習を施した後,乳酸性作業閾値のスピードで一過性のランニング運動を約60分間行わせた.ランニング終了後,経時的に脳,脊髄及び骨格筋を摘出し,ホモジナイザーにより試薬とともに破砕・混合し,遠心分離後,摘出組織の試料調整を行った.調整した試料を電気泳動した後,トランスファーボックス内でブロッティングフィルターに転写させた.フィルターに神経栄養因子(BDNF, NT-4)とその受容体(Trk B)の抗体を滴下し,染色反応により可視化した.その結果,一過性のランニング運動直後は,BDNF, NT-4,Trk Bともに,運動前よりも一時的に発現が低下する傾向にあり,その後,運動前のレベルに回復することがわかった.本研究の目的は,実験動物を用いて,運動により神経栄養因子とその受容体の発現がタンパク質レベルで変化するかどうかを脳,脊髄及び骨格筋で確認することにあった.平成14年度は,糖尿病により神経変性が生じているラット(ヒラメ筋の神経線維の横断面積が減少している)に,トレッドミルによるランニングトレーニングを4週間行わせた.トレーニング終了後,脳,脊髄及び骨格筋を摘出し,ホモジナイザーにより試薬とともに破砕・混合し,遠心分離後,摘出組織の試料調整を行った.調整した試料を電気泳動した後,トランスファーボックス内でメンブレンに転写させた.メンブレンに神経栄養因子(BDNF, NT-4)とその受容体(Trk B)の抗体を滴下し,染色反応により可視化した.その結果,骨格筋においてのみNT-4のタンパク発現量が増加する傾向にあった.しかし,ヒラメ筋の神経線維の薄切切片を作成し,顕微鏡下で横断面積を測定した結果,有意な変化は認められなかった.さらに今後も,運動による神経栄養因子の発現と神経細胞の形態適応の関連を研究していく必要がある.
乱流カスケードの研究上ブレークスルーとなる線形モードを利用した実験的研究

乱流でのエネルギーカスケードは,大きい渦から小さい渦にエネルギーを渡していき最後に熱エネルギーとして消散する現象であるが,乱流エネルギースペクトル分布などの乱流の性質を決定するため重要である.しかし,乱流カスケードは乱流中でランダムに発生し,さらにカスケードを起こす乱れ構造が多様なため,また個々のカスケード過程を追跡し,分類・解明することは容易でない.一方,壁面から乱流境界層に点状の初期撹乱を挿入し,励起された周期撹乱の位相に基づいてアンサンブル平均することで,ヘアピン渦に似た秩序構造を抽出する方法が開発された.抽出された秩序構造は初期撹乱が強くなると速度分布に変曲点が生じ,変曲点付近で横方向に波状になる変曲点型不安定性が起こることが予想される.二次不安定性で生じる乱れの構造は元の秩序構造よりもオーダー的に小さいため,その過程は乱流のスケールのオーダーを超えてエネルギーを渡すカスケード過程の一つと見なせる.本研究ではカスケードを起こす線形乱れを低周波撹乱で人工的に励起し,さらにそこに発生する二次不安定性を高周波撹乱で制御し,それらの三次元構造の時間発展を実験的に測定する.その結果からカスケードのエネルギー量や,カスケードが起こる空間分布を特定し,カスケード過程を定量的に明らかにする.本研究ではこの手法の確立を最終的なゴールとする.この手法により様々なカスケード過程を調査すれば,カスケード過程の学術的な解明につながるものと考えられる.実験では,二次元チャンネル乱流中に強い低周波初期撹乱を壁に空けられた小孔から挿入することで,変曲点速度分布を持つ秩序構造を発生させ,さらに同じ小孔から高周波初期撹乱を付加し,秩序構造に発生する変曲点型不安定性を熱線計測で調べた.流速の時系列データを挿入した低周波初期撹乱の位相に基づいてアンサンブル平均し,初期撹乱によって励起した構造を抽出した.強い低周波初期撹乱のみを挿入すると,小孔から吹き出した時に低速ストリークが発生し,変曲点を持つ速度分布が現れる.低周波初期撹乱による非線形性が現れ,吹き出しと吸い込みの速度変化には対称性が失われている.2018年度は,低周波撹乱の周波数を10Hzにし高周波撹乱の周波数を200Hzに設定したところ,低速領域の外縁の変曲点付近に二次不安定性と思われる強い高周波速度変動が分布することが確認された.これは大きな低速ストリーク構造から小さな変曲点型不安定性が発生する人工的なカスケード過程であり,実験的にカスケード過程を調べることができることを示している.この速度変動の振幅は高周波初期撹乱の強さと比例し,抽出された乱れ構造が線形的な性質を持つことが確認できた.一方,低周波初期撹乱の強さを弱くした時,変曲点は見られなくなるが,二次不安定性と思われる速度変動が壁から少し離れた位置で確認された.この速度反動が変曲点型不安定性だとすると,弱いストリークに対してもカスケード過程が発生していることを示しており,人工撹乱がない乱流中のカスケードを抽出できることを示唆している.このようなカスケード現象の観察するためには,様々な実験パラメーターで探索する必要があり,場合によっては研究期間の大部分を費やすと予想されていた.しかし,条件が見つかったことで,最終年度はカスケード過程の詳細な実験ができることとなった.研究最終年度である2019年度は,乱流せん断流として低レイノルズ数チャンネルに加え高レイノルズ数チャンネル流と巨大円管装置に広げ,高いレイノルズ数でのカスケード過程の実験をする.また,より様々な実験条件での測定を可能にするため,多数のセンサーによる測定を試み,実験の効率化を図る.カスケードの抽出には励起した撹乱の位相の保存性が重要になるが,位相保存が悪い場合でもアンサンブル平均数を増やすことにより抽出が可能となる.位相保存が悪く抽出した構造が不鮮明な場合,アンサンブル平均数を指数関数的に増す必要があり,実験時間のかかる三次元測定は非現実的になる.この問題を解決するため,熱線センサーを3mm間隔でスパン方向に16本並べた熱線レークプローブと,研究代表者が開発した圧力センサーアレイを使用する.これらのマルチセンサーを用いて高レイノルズ数チャンネルにて実験を行う.アンサンブル平均は20倍多くし撹乱の抽出を試みる.低レイノルズ数チャンネル流で測定されたスペクトル分布を見ると,大きいスケールとコロモゴロフスケールは一桁程度の違いしかない.これは大きい乱れからカスケードで作られた次の小さい乱れが,粘性の影響を強く受けて弱められることを示唆している.よって,より普遍性がある粘性の影響を受けないカスケードを観察するには,高いレイノルズ数の壁せん断乱流が必要であるため,高レイノルズ数チャンネル流と巨大円管装置による実験を行う.高レイノルズ数チャンネル流装置では,現状より5倍ほど高いレイノルズ数が達成できる.巨大円管装置は直径900mm長さ115mで,壁面摩擦速度に基づく最大レイノルズ数はReτ=13,300である.測定には,I型プローブで熱線流速計を用い,高レイノルズ数でのカスケード過程を定量化する.

乱流中の大きいスケールの渦のエネルギーが,その渦より小さいスケールの渦に次々と渡され,最後に粘性により熱エネルギーとして消費されるカスケードと呼ばれる現象が知られているが,その過程については十分理解されているとはいえない.乱流中のカスケードはレイノルズ応力にも関わるため乱流解明にも重要であると考えられるが,カスケードは時間的,空間的にもランダムに起こるため,実験的にカスケード過程を一つ一つ追跡することは簡単ではない.一方,近年開発された初期撹乱励起とアンサンブル平均を組み合わせた手法を用いて,秩序構造を抽出することがわかっている.この抽出法を用いて,乱流境界層中に人口励起した低周波撹乱に,さらに高い周波数の撹乱を付加することで人為的にカスケードを起こせることを試みた.実験は回流式風洞内に設置した試験平板で行った.変動流速測定はアーム型のプローブ移動装置の先端に熱線風速計プローブを取り付けて行った.試験平板に埋め込まれた撹乱挿入用のプラグに直径1 mmの穴をあけ,そこから吹き出し・吸い込みの初期撹乱を発生させている.スピーカーに印可した電気信号は,ヘアピン渦に似た構造を励起する低周波の正弦波と,その励起されたヘアピン渦に二次元不安定性を引き起こす高周波の正弦波を合成したものである.この周期撹乱の位相に基付いて,速度変動をアンサンブル平均し,カスケード過程を抽出した.その結果,カスケードの可能性がある現象が確認された.今年度は,カスケードが観察される実験条件を調べることを主たる目的とした.カスケードが起こる条件としては,流れ方向流速分布が強い変曲型分布になる必要があるため,低周波初期撹乱は線形領域よりもはるかに大きい振幅にした.この低周波撹乱に高周波撹乱を印可してカスケードの探索を行った.高周波撹乱の周波数は低周波撹乱の周波数の5倍とした.流速の周期変動成分の時間的変化を移流速度で流れ方向に変換し,励起させた乱れの流れ方向と壁垂直方向の分布を観察した.移流速度は壁面摩擦速度の13.5倍の速度とした.これは過去に測定した人工励起したヘアピン渦の移流速度である.乱流境界層中で励起した秩序構造とさらに高周波数撹乱を挿入したときの流速の周期変動成分の分布のどちらでも,低周波数撹乱によって励起された低速領域と高速領域が壁ごく近傍に分布していた.これは過去の実験で人工的に励起したヘアピン渦と同じ分布てあった.低周波撹乱の周波数の5倍周波数で周期平均をして,カスケード過程のひとつである局所変曲流速分布の二次不安定性が確認できるか調べた.その結果,低速領域の上に長さスケールの小さい周期的な乱れ構造が低速領域の主流側に見られた.発生位置は平均流速分布の変曲点付近であることから低周波撹乱の二次不安定性による速度変動である可能性があることがわかった.今年度はカスケードの実験的な再現の可能性を調べることが主目的であったため,研究はおおむね順調であるといる.乱流でのエネルギーカスケードは,大きい渦から小さい渦にエネルギーを渡していき最後に熱エネルギーとして消散する現象であるが,乱流エネルギースペクトル分布などの乱流の性質を決定するため重要である.しかし,乱流カスケードは乱流中でランダムに発生し,さらにカスケードを起こす乱れ構造が多様なため,また個々のカスケード過程を追跡し,分類・解明することは容易でない.
イオンセンサーの動的応答を基礎とする高速フロー分析法の開発

本研究においては、まず塩化物イオンセンサーを用いた高速電位差分析システムの開発を行った。最初に開発したシステムは、回転数の速いローラーポンプによって送液を高速化すること、試料溶液と標準溶液とを電磁弁により交互に切り替えること、の2つが特徴であり、1試料あたりの測定時間を10^<-2>Mから10^<-5>Mの濃度範囲において1.2-1.3秒にまで短縮できたが、目標とする1秒以内には及ばないため、さらに改良型のシステムを開発した。このシステムでは、密閉型フローセルを用いてアスピレータにより送液と排液とを行ったことと、試料溶液と洗浄液とを交互に切り替える、いわゆる交互洗浄方式を採用したことによって、100倍程度の濃度範囲なら1試料あたり平均して1s以内で分析できることを明らかにした。次に、電界効果型トランジスター(ISFET)を用いて新規硝酸イオンセンサーの開発に取り組み、バソクプロイン銅(I)硝酸塩をイオン交換体とし、ドコサノールを主要成分とする固体溶媒をマトリックスとした場合に、感度および塩化物イオンに対する選択性のすぐれたセンサーの開発に成功した。また、このセンサーは作成が極めて容易であるという特徴がある。更に、pHの高速測定を可能にする目的で、酸化タンタルの皮膜をもつpH-ISFETを用いて、その動的応答特性を調べた。応答速度に影響を与える可能性のある因子として、流速、pH変化の方向、切り替え時の電磁弁の状態、センサー表面の溶液に対する方向の4つを選び、その影響を検討したがいずれも応答速度t95%は0.25-0.3sの間にあり、これらの因子の影響は小さいことがわかった。また本装置によって得られた応答速度は従来の説(1msないしそれ以下)と比べてはるかに遅いことがわかった。その原因については今後検討する必要がある。本年度においては、まず、塩化物イオンセンサーを用いた高速電位差分析システムの基本的構成を完成した。本システムでは、高流量(約140ml/min)を得ることが可能なローラーポンプを用いて試料溶液および標準溶液を高速で、センサー表面に吹き付けながら10msに一回ずつ電位差を測定する。10msにおける電位差の変化が約0.5mV以内になった回数が10回をこえたら電位が安定したとみなして、電磁弁の開閉により溶液を交互に切り替える。塩化物イオンセンサーでは、10^<-2>Mから10^<-5>Mの濃度範囲で、1試料当たり約1.2-1.3秒で分析可能であることがわかった。1試料の10回繰返し測定時の再現性(変動係数)は2%以下であった。本法を各種飲料中の塩化物イオンの高速定量に応用した。次に、イオンセンサーとして電界効果型トランジスター(ISFET)を用いるため、その基礎検討を行なった。ISFETをベースとして各種のイオンセンサーの開発研究が行なわれているが、硝酸イオンについては雨水等の測定に用いることのできる程、高感度で高い選択性をもつものはまだ開発されていないようである。そこで本研究においてはまず高感度、高選択性の硝酸ISFETの開発研究を行なった。当研究室においては、常温で固体であるが加熱すると液体となる有機物質を感応膜保持体とするいわゆる固体溶媒膜型電極の開発研究の実績があり、硝酸ISFETの開発にもこの方法を応用した。イオン交換体としてバソクプロイン銅(I)硝酸塩を用いると、1x10^<-6>Mまで測定可能であることがわかった。また、実試料への応用にあたり最も問題となる塩化物イオンに対する選択係数の対数値は約-2.0となり、かなり選択性の高い硝酸イオンセンサーの開発に成功した。次年度は、このセンサーの高速電位差分析法への応用を行なう予定である。

本年度においては、昨年度に開発した塩化物イオン電極を検出器とする高速分析システムを改良し、1試料あたりの測定時間を平均して1s以内とすることに成功した。具体的な改良点としては、まずノイズ源であるローラーポンプを使わない送液方法として、密閉型のフローセルを用いアスピレータによって吸引することで高速な送液と、排液の迅速な排出とを同時に達成した。次に試料測定の方法を従来の試料と標準溶液を交互に切り替える方式から、試料と洗浄液を交互に切り替える方式に変更し、一試料あたりの測定時間を1.2-1.3sから0.7-1.2sに縮めることができた。この改良型の測定システムを用いて、臭化物イオンの妨害を検討した結果、10^<-5>M以下の共存は大きな影響を与えないことがわかったので、本法を用いて河川水試料中の塩化物イオンの高速測定を行った。検量線の測定も含めて11試料をわずか20.8sで分析できた。次に、pH応答性ISFETセンサーを用いてその動的応答を調べるためのシステムの開発を行った。本システムにおいては、まずセンサーとしてゲート部分に酸化タンタルを用いたpH-ISFETを使用し、その表面にpH標準溶液を高速で流したまま溶液を電磁弁を用いて瞬間的(数十ms以内)に切り替え、その際のセンサーのpH応答の時間変化を観測し、記録することができる。応答速度の指標として、溶液を切り替えたとき95%応答に達するまでの時間、t_<95%>を用いた。応答速度に影響を与える可能性のある因子として、流速、pH変化の方向、切り替え時の電磁弁の状態、センサー表面の溶液に対する方向の4つを選び、その影響を検討したが、いずれも応答速度、t_<95%>は0.25-0.3sの範囲にありこれらの因子の影響は小さいことがわかった。また、本装置によって得られた応答速度は従来の通説(1msまたはそれ以下)よりはるかに遅いことが明らかになった。その原因については今後の検討が必要である。
脳死に伴う心筋障害の発生機序に関する研究ー心筋βアドレナリンレセプタ-機能からみた検討ー

最終年度の研究目的は、1)脳の急性一次性粗大病変から脳死に陥った『臨床的脳死例』の心筋βアドレナリンレセプタ-系の変化を、経皮的心筋生検を用い経時的に観察すること、2)『実験的脳死』犬を用い、種々の管理法を用いて数時間にわたり循環維持を行い、経時的に心機能・心筋βアドレナリンレセプタ-系機能を測定すること、また、脳死犬の心臓をdonor心として同所性移植を行い移植後のdonor心機能を測定すること、3)実験的・臨床的に、心筋βアドレナリンレセプタ-機能から見た適切な脳死症例の循環管理法を見いだすこと、であった。1)臨床的脳死症例における心筋βアドレナリンレセプタ-系の経時的変化:脳死の概念が一般社会に広まるに伴って、脳死後の治療を拒否する患者家族が増加した。また、長期に渡って循環維持できた脳死例の中でも、心筋生検が受け入れられる症例は非常に少なくなった。主として上記の理由により、臨床的脳死例の心筋βアドレナリンレセプタ-系の経時的変化に関しては、数例のみで検討可能であった。これに関しては、本研究計画終了後も引続き検討していく所存である。2)実験的脳死犬における循環維持と、心機能・心筋βアドレナリンレセプタ-の経時的変化:前年度に確立した方法を用いて実験的脳死犬を作製した。カテコ-ルアミン非使用晶質液大量輸液、またはアドレナリン単独大量投与によって、約6時間の循環維持(平均血圧60mmHg以上に維持)を行い、心筋βアドレナリンレセプタ-の変動を検討した。カテコ-ルアミン非使用例ではβレセプタ-の変動は認められなかった。アドレナリン大量投与例では脳死後3時間ではβレセプタ-の変動は認められなかったが、脳死後6時間で心筋βレセプタ-数の減少が認められた。心機能については詳細な検討は行えなかった。また、移植後早期donor心機能についても、詳細な検討は行い得なかった。3)脳死例の適切な循環管理法:2種類の循環管理法を試みただけであったが、少なくとも大量のアドレナリンを用いて循環維持を行えば、6時間後には心筋βアドレナリンレセプタ-数が減少することが明かとなった。以上まとめると、臨床的脳死症例の検討は充分ではないが、実験的脳死犬を用いた研究から、脳死後の循環管理に大量のカテコ-ルアミンを用いた場合には早期に心筋βアドレナリンレセプタ-数が減少することが明かとなった。心筋βアドレナリンレセプタ-の保護の観点からすれば、何等かの他の循環維持手段が望ましいと推察された。

本年度の研究目的は、1)脳の急性一次性粗大病変から脳死に陥った『臨床的脳死例』の心筋βアドレナリンレセプタ-系の変化を、経皮的心筋生検を用い経時的に観察すること、2)『実験的脳死』犬を作製し、種々の管理法を用いて数時間にわたり循環維持を行うこと、3)脳死犬の心筋βアドレナリンレセプタ-系機能を測定すること、であった。1)臨床的脳死症例における心筋βアドレナリンレセプタ-系の経時的変化:当初の予想程には脳死症例が発生せず、また脳死例の中でも心筋生検が可能な症例は更に少なかった。従って、臨床的脳死例の心筋βアドレナリンレセプタ-系の経時的変化に関しては、現在詳細な検討は行えていない。平成3年度には積極的に心筋性検を行い、研究を遂行する予定である。2)実験的脳死犬の作製と循環維持:雑種成犬を用い、頭蓋内圧亢進状態から脳死を作製する方法を確立した。そしてカテコ-ルアミン非使用、またはアドレナリン単独投与によって、数時間の循環維持が可能となった。しかしながら動物種(雑種犬)の脆弱性のため長時間(24時間)の循環管理はやや困難な状況である。現在は脳死後約6時間の循環維持を行い実験を行っている。3)脳死犬の心筋βアドレナリンレセプタ-の経時的変化:脳位後血圧は急速に低下する。この時、晶液性輸液のみを行って血圧維持を図ったものでは、6時間後に心筋βアドレナリンレセプタ-数は脳死前と変化はないが、カテコ-ルアミン(アドレナリン)を投与して血圧維持を行ったものでは、6時間後に心筋βアドレナリンレセプタ-数は脳死前に比し有意に減少していた。以上、現在のところ臨床的脳死症例の検討は充分ではないが、脳死犬を用いた実験的検討から、脳死後の循環管理にカテコ-ルアミンを用いた場合には心筋βアドレナリンレセプタ-数を減少することが明かとなった。最終年度研究目的は、1)脳の急性一次性粗大病変から脳死に陥った『臨床的脳死例』の心筋βアドレナリンセレプタ-系の変化を、経皮的心筋生検を用い経時的に観察すること、2)『実験的脳死』犬を用い、種々の管理法を用いて数時間にわたり循環維持を行い、経時的に心機能・心筋βアドレナリンセレプタ-系機能を測定すること、また、脳死犬の心臓をdonor心として同所性移植を行い移植後のdonor心機能を測定すること、3)実的験・臨床的に、心筋βアドレナリンレセプタ-機能から見た適切な脳死症例の循環管理法を見いだすこと、であった。1)臨床的脳死症例における心筋βアドレナリンレセプタ-系の経時的変化:脳死の概念が一般社会に広まるに伴って、脳死後の治療を拒否する患者家族が増加した。また、長期に渡って循環維持できた脳死例の中でも、心筋生検が受け入れられる症例は非常に少なくなった。主として上記の理由により、臨床的脳死例の心筋βアドレナリンレセプタ-系の経時的変化に関しては、数例のみで検討可能であった。これに関しては、本研究計画終了後も引続き検討していく所在である。2)実験的脳死犬における循環維持と、心機能・心筋βアドレナリンレセプタ-の経時的変化:前年度に確立した方法を用いて実験的脳死犬を作製した。カテコ-ルアミン非使用晶質液大量輸液、またはアドレナリン単独大量投与によって、約6時間の循環維持(平均血圧60mmHg以上に維持)を行い、心筋βアドレナリンレセプタ-の変動を検討した。カテコ-ルアミン非使用例ではβレセプタ-の変動は認められなかった。アドレナリン大量投与例では脳死後3時間ではβレセプタ-の変動は認められなかったが、脳死後6時間で心筋βレセプタ-数の減少が認められた。心機能については詳細な検討は行えなかった。また、移植後早期donor心機能についても、詳細な検討は行い得なかった。
ヘリコバクターピロリ感染症の病態機構解明と耐性菌に対する代替療法の開発

Helicobacter pylori(以下H.pylori)は胃炎、胃潰瘍など、胃十二指腸疾患の原因菌であることが知られているが、その機序は不明な点が多い。本研究において、遺伝子欠損マウスを用いることにより、IL-17が重要な役割を果たしていることを明らかにした。また、18種類の生薬の抗菌効果をin vitroおよびin vivoで検討した結果、黄連、甘草、丁子はH.pyloriに対して抗菌効果を示すこと、またその効果は抗生物質に対する耐性菌に対しても有効で、長期使用によっても新たな耐性菌の出現が認められないことが明らかとなり、薬剤耐性H.pylori感染症に対する補完・代替療法として有用であることが示唆された。薬剤耐性H. pyloriに有効な新しい補完・代替療法として可能性が考えられる漢方薬(生薬)の抗菌作用の機構解明のため、薬剤耐性H. pylori菌株に対する直接作用と生体の免疫系を介する間接作用に分け、その抗菌作用を解析した結果、漢方薬としては補中益気湯、生薬としては大黄、黄連、茵陳蒿、丁子、甘草に強い抗菌効果が認められた。また、生薬の長期投与により、新たな耐性菌は出現しなかった。一方、間接作用を検討するため、補中益気湯をマウスへ経口投与し胃粘膜に発現しているサイトカインをRT-PCR法により測定した結果、γ型インターフェロン(IFN-γ)やインターロイキン17(IL-17)などの炎症性サイトカイン発現の抑制が認められた。一方、H. pylori感染における病態形成機序については、IL-18とIL-17の関与について検討した。H. pylori感染症におけるIL-18の役割を明らかにするため、H. pylori感染胃炎患者、胃潰瘍患者、胃がん患者の胃粘膜組織中のIL-18の発現をRT-PCR法ならびにELISA法により測定し粘膜の組織学的変化と比較検討するとともに、IL-18遺伝子プロモーター部位の遺伝子多型を検討した結果、H. pylori感染胃炎患者の胃粘膜においてIL-18の発現増強が認められ、その発現レベルはIFN-γ発現レベルと相関していた。また、IL18-607C/Cおよび-137G/G型を示す患者において有意なIL-18の発現増強と強い炎症が認められ、IL-18遺伝子型が治療の予後を予想できる因子である可能性が示唆された。薬剤耐性H.pyloriに有効な新しい補完・代替療法として可能性が考えられる漢方薬(生薬)の抗菌作用の機構解明のため、薬剤耐性H.pylori菌株に対する直接作用と生体の免疫系を介する間接作用に分け、その抗菌作用を解析した。前年度in vitroにおいて強い抗菌効果が認められた生薬である大黄、黄連、菌陳蒿、丁子、甘草をH.pyloriを感染させたマウスに2週間投与した結果、in vivoにおいても同様の抗菌効果が認められた。しかしながら、短期間の投与では完全な除菌効果が得られなかったため、引き続き長期治療実験を実施している。一方、H.pylori感染症における病態形成機序の解明に関して、今年度はH.pylori感染症におけるIL-17の役割を明らかにするため、IL-17遺伝子欠損マウスを用いて検討した。その結果、IL-17遺伝子欠損マウスにおいては、H.pylori感染6ヵ月後でも胃粘膜にほとんど炎症病変が認められなかった。また、炎症浸潤細胞の中でも好中球浸潤だけが有意に抑制され、感染局所のミエロペルオロシダーゼ活性が有意に低下していたことより、IL-17の欠損により好中球の浸潤が抑制された結果、炎症反応が抑制されていると考えられた。以上の結果、H.pylori感染症においては、従来知られていたTh1サイトカインに加え、新規に発見された炎症性サイトカインであるIL-47も胃炎の発症に重要な役割を果たしていることが示唆された。薬剤耐性H. pyloriに有効な新しい補完・代替療法として可能性が考えられる漢方薬(生薬)の抗菌作用の機構解明のため、薬剤耐性H. pylori菌株に対する直接作用と生体の免疫系を介する間接作用に分け、その抗菌作用を解析した。前年度までにin vitroにおいて強い抗菌効果が認められた生薬である大黄、黄連、茵陳蒿、丁子、甘草をH. pyloriを感染させたマウスに2週間投与した結果、in vivoにおいても同様の抗菌効果が認められた。しかしながら、短期間の投与では完全な除菌効果が得られなかったため、今年度は長期治療実験を行った。その結果、黄連、丁子、甘草が有効であることが明らかとなり、これらの生薬は薬剤耐性H. pyloriに有効な新しい補完・代替療法として有用であることが示唆された。

一方、H. pylori感染症における病態形成機序の解明に関して、今年度はH. pylori感染症におけるIL-17の役割を明らかにするため、IL-17A遺伝子欠損マウスを用いて検討した。その結果、IL-17A遺伝子欠損マウスにおいてはこH. pylori感染6ヵ月後でも胃粘膜にほとんど炎症病変が認められなかった。また、炎症浸潤細胞の中でも好中球浸潤だけが有意に抑制され、感染局所のミエロペルオロシダーゼ活性が有意に低下していたことより、IL-17の欠損により好中球の浸潤が抑制された結果、炎症反応が抑制されていると考えられた。以上の結果、H. pylori感染症においては、従来知られていたTh1サイトカインに加え、新規に発見された炎症性サイトカインであるIL-17も胃炎の発症に重要な役割を果たしていることが示唆された。
親密圏における「平等」の再構成：ヴァルネラブルな主体を前提にして

本研究は、従来の家族に代わる領域として構想される親密圏において、親密な関係がもたらす差別や抑圧の構造を、どのように解消するのか、という課題に取り組む。親密な関係が差別や抑圧を生み出す要因は、親密圏における人々がヴァルネラビリティ(vulnerability脆弱性)を有することにあると考えられる。ゆえに、ヴァルネラブルな主体を前提に、親密圏の各構成員が等しい配慮と尊重を受けるという意味での「平等」がどのようなものであるのかについて探求し、親密圏における「平等」の再構成を試みる。
記憶B細胞の分化・維持におけるIgG抗原受容体の細胞質領域の果たす役割の解析

記憶B細胞に発現するIgG分子は進化的に保存されたcytoplasmic tailを有する。しかしながら、このcytoplasmic tailの生理的役割は明らかでない。そこで本研究では、このIgG cytoplasmic tailの果たす役割を明らかにすることを目的とした。その結果、IgG cytoplasmic tailはIgG分子の細胞表面への安定な発現に寄与しており、さらにはそのリン酸化が、IgGのより安定な発現に寄与していることを明らかにした。体液性免疫の中心であるB細胞の分化と活性化は、抗原受容体(BCR)からのシグナル依存的に進行する。B細胞の細胞表面に発現するBCRのisotypeはnaive B細胞と記憶B細胞では異なり、IgGを細胞表面に持つ記憶B細胞では、どのようなシグナルメカニズムによって分化・維持されるかはあまり明らかではない。そこで本研究では、IgG分子のcytoplasmic tailに着目し、記憶B細胞がどのようなシグナルメカニズムによって分化・維持されるかを明らかにしようと試みた。初めに、マウスB細胞株A20に様々なIgG1 cytoplasmic tail mutantを発現させた細胞株を作製した。発現させたIgG1 mutantは、tyrosine kinaseのリン酸化モチーフであるYXXMのtyrosineをphenylalanineに置換したもの、serine/threonine kinaseのリン酸化モチーフであるS/TXXD/Eのserineをalanineに置換したもの、IgM型のcytoplasmic tailを持ったものであり、またtransgeneをゲノムの特定の部位にknock-inできるようにflip-in system (invitrogen)を利用し、clonal variationの影響を排除した。作成したそれぞれのIgG1 mutant発現細胞のCa^<2+>の細胞質内流入を指標にBCRシグナルの解析を行った結果、それぞれのmutantで差異はなく、IgG1 cytoplasmic tailがBCRシグナルに及ぼす影響を確認することはできなかった。このことより、IgG1 cytoplasmic tailはCa^<2+>によるシグナル伝達には影響しないことが示唆された。IgG分子のcytoplasmic tailに存在するチロシンは、細胞株レベルでリン酸化されることが最近報告された。そこでこのチロシンのリン酸化に着目し、このチロシンのリン酸化が、生理的にどのような役割を持つかを調べた。野生型のIgG1分子(wt-IgG1)を発現するベクターとチロシンリン酸化を模倣した、YE変異を導入したIgG1(YE-IgG1)を発現するベクターを作成し、それらを種々の細胞株に発現させた。B細胞株に発現させたところ、wt-IgG1、YE-IgG1ともに発現量に変化がなかったのに対し、非B細胞株に発現させたものでは、wt-IgG1はわずかに細胞表面へと発現するのに対して、YE-IgG1はより安定的に細胞表面へと発現できることを見出した。この差異の原因を調べるために、wt-IgG1、YE-IgG1を発現させたB細胞株のIgβ分子の発現をノックダウンさせたところ、細胞表面に発現するYE-IgG1の発現量に比べて、wt-IgG1の発現レベルが著しく低下した。これらのことより、IgG1分子のcytoplasmic tailのチロシンのリン酸化は、Igβ分子依存的にIgG分子の細胞表面への安定化に寄与することが示唆された。
エレクトロニクス素子接合部のナノキャラクタリゼーションと実装部信頼性評価への適用

本研究では高密度エレクトロニクス実装部の高信頼化のために、接合界面構造のナノスケールキャラクタリゼーションとその実装部信頼性評価への適用を目指して、パッケージとしてQFP、BGAおよびCSPを対象として、Sn-Ag,Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-BiおよびSn-Ag-Bi-Inはんだを用い電極表面処理を変化させてリフロー実装を行った。そして、これらの実装試験片に対して高温保持および温度サイクル試験を行い,組織解析と接合強度評価を行なった。まず、各鉛フリーはんだと基板表面処理を組み合わせた場合の界面強度に及ぼす界面微細構造の影響を統一的に解明した。その結果、Cuランドへ実装した場合、Sn-Ag-CuおよびSn-Ag-Bi-Inはんだ継手では、界面に形成するCu-Sn系化合物の成長は、大きな強度の低下をもたらさないが、Sn-Zn-Biはんだ継手では、初期の薄いCu-Zn系化合物形成後に、高温放置に伴ってCu-Sn系化合物が急速に成長すると強度低下の原因になることが分かった。次に、Ni-P/AuめっきCuランドに実装した場合、Sn-Agはんだ継手では、Ni-Sn系化合物の生成、成長によってPリッチ層が形成して強度に悪影響を及ぼし、Auめっきが厚くなるほどその影響が大きくなったが、Sn-Ag-Cuはんだ継手では、Cu-Sn系化合物層がバリア層となるため、Pリッチ層の形成と継手強度の劣化を抑制した。しかし、この場合でもAuめっき厚さが250nm以上になるとPリッチ層の生成による強度低下が生じることが分かった。Sn-Zn-Biはんだ継手では、リフロー温度が低い場合に形成するAu-Zn化合物層は強度低下をもたらすが、リフロー温度を230°C以上とするとはんだとNiめっきの反応が進行して強度が向上した。Sn-Ag-Bi-Inはんだ継手では、逆にリフロー温度が220°Cより高くなると電極のSn-Ag-Cuボールから溶解したCuにより界面に塊状のCu-Sn系化合物が形成し強度低下の原因となった。次に、これらの継手についてリフロー過程、高温放置過程における界面反応層の生成、成長挙動を評価し、速度論的検討に基づいてその成長過程を定量的に明確化した。最後にこれらの結果を統一的に整理し、各はんだと基板の組合せにおいて、高い継手信頼性を確保するための基板表面処理、リフロー条件および使用限界環境条件を明確化した。本研究では高密度エレクトロニクス実装部の高信頼化のために、接合界面構造のナノスケールキャラクタリゼーションとその実装部信頼性評価への適用を目指して、パッケージとしてQFP、BGAおよびCSPを対象として、Sn-Ag, Sn-Ag-CuおよびSn-Zn-Biはんだを用い電極表面処理を変化させてリフロー実装を行い試験片を作製した。今年度に得られた成果の概要を以下に示す。

1.エレクトロニクス素子接合部のミクロンナノスケールキャラクタリゼーション手法の確立接合部の結晶構造、結晶配向性、相構成および組成分布などをミクロンナノのスケールレベルで適切に解析するための、TEM、SEM、EPMA、EDX,マイクロオージェ分光を用いた組織解析手法を確立した。2.ナノ/ミクロ接合部組織解析上記手法による組織解析の結果、Sn-AgはんだとNi-P/AuめっきCu基板界面で界面構造を解明し、Cu添加によるPリッチ層形成の抑制効果を明らかにした。また、Sn-Zn-BiはんだとCu電極界面でのCu-Zn系化合物の構造と高温放置に伴うCu-Sn化合物の形成挙動を明らかにした。3.実装部の強度評価初期及び信頼性試験後のQFP、BGA、CSP実装部について、リードプル試験、ボール接合強度試験を実施し、破壊形態の観察に基づき、接合部組織が継手の破壊におよぼす影響について検討を行ない、Sn-Agはんだを用いたBGA接合部におけるPリッチ層形成に伴う強度低下、Sn-Zn-Biはんだを用いたQFP、CSP実装部におけるCu-Sn化合物の形成に伴う強度低下機構を明らかにした。昨年度に引き続き、各種鉛フリーはんだを用いたBGAおよびCSP実装部ならびにQFP接合部をを模擬したCu円板接合体を対象として、リフロー後および高温放置試験後の組織解析と接合強度評価を行った。今年度得られた結果の概要を以下に示す。(1)ナノ/ミクロ接合部組織形成機構の解明BGA、CSPにおけるNi-P/AuめっきCuランドとの接合部では、Sn-AgはんだはNi-Sn化合物の形成によりNiめっきとの界面にPリッチを形成したが、Sn-Ag-CuはんだではCu-Sn系化合物の形成によりPリッチ層の形成が抑制された。また、Auめっき厚さが増加するほどPリッチ層の形成が顕著となった。Sn-Zn-Biはんだではリフロー温度が低い場合Au-Zn化合物が界面に層状に形成したが、リフロー温度が上昇すると、界面反応が進行しNi-Sn-Cu-Zn化合物が形成した。Cuとの接合部では、Sn-Ag-CuはんだはCu-Sn化合物層を形成したが、Sn-Zn-Biはんだは初期にCu-Zn化合物層を形成し高温放置後にCu-Sn化合物層を形成した。(2)実装部の強度評価と界面ナノ構造との関連の解明Ni-P/AuめっきCuランド接合部では、Sn-Agはんだ継手よりSn-Ag-Cuはんだ継手のほうが高強度であったが、いずれもAuめっき厚さの増加とともに強度が低下した。これらの継手ではPリッチ層の形成が強度低下の主因であった。Sn-Zn-Bi継手では、層状のAu-Zn層が形成すると強度が低く、リフロー温度が高く界面反応が進行すると強度が上昇した。Cu円板接合体ではSn-Ag-Cuはんだ継手におけるCu-Sn層の成長は強度に悪影響を及ぼさなかったが、Sn-Zn-Biはんだ継手では、Cu-Zn層とCu-Sn層の共存が大きな強度低下をもたらした。(3)接合界面構造予測手法の確立Sn-Zn-BiはんだとCuとの接合部を対象に、リフロー過程および高温放置過程での界面反応層成長を速度論的に検討し、反応層成長速度式を提示した。各種鉛フリーはんだを用いて基板表面処理を変化させて継手を作製し、その初期ならびに使用環境を想定した高温放置試験、温度サイクル試験後の継手に対し組織解析と接合強度評価を行った。
光質環境と芳香族炭化水素が海産植物プランクトンへ及ぼす複合影響

光毒性の作用機構は、太陽光下(主に紫外線)で構造変化した化学物質が水溶性を増し、生物体内に取り込まれやすくなることにより毒性が増大すると考えられているが、海産植物プランクトンに対し光毒性を生物機能の側面から調べた結果、1)植物プランクトンの生長は、強光照射+ナフタレン暴露区において強く阻害されていた。よって光合成生物の植物プランクトンへの毒性は、強光(白色光)による光障害とナフタレンの毒性による複合影響によっても増大することが明らかとなった。また、ラン藻の生長は赤光照射+ナフタレン暴露区において強く阻害されていた。植物プランクトンの種類によって含有する色素が異なるため光傷害を受ける波長も異なることが明らかとなった。2)光防御機能であるキサントフィルサイクルは強光照射+ナフタレン暴露区において、色素の変換が早く起こっていた。そのため、ナフタレンの暴露は、キサントフィルサイクルを直接阻害するのではなく、植物プランクトンの光合成を阻害すると考えられた。そして、植物プランクトンは光合成能の低下に伴い光障害から身を守るために、通常より早くキサントフィルサイクルを反応させるという考察を得た。3)紫外線+白色強光+ナフタレン暴露区では、光合成の指標となる溶存酸素量が少なかった。そのため、紫外線、強光による光障害と化学物質の毒性による複合影響によっても毒性が増大することが明らかとなった。一方、マイコスポリン様アミノ酸(MAAs)/クロロフィルa比は紫外線照射やナフタレン暴露による変化が明確でなく、実験で使用した植物プランクトンに対しては、紫外線照射+ナフタレンの暴露はMAAsの生成に影響を及ぼさないと考えられた。太陽光と化学物質による複合暴露は、生物に対する毒性が化学物質だけの暴露に比べ増大すると考えられている(光毒性)。そこで、光毒性を生物機能の側面から調べるため、異なる光条件下(白色光、白色光強光、赤色光、緑色光照射)で、含有する色素の異なる4種類の海産植物プランクトン(珪藻Phaeodactylum tricornutum、プラシノ藻Pycnococcus provasolii、クリプト藻Rhodomopas salina、藍藻Phormidium sp.)に対し、芳香族炭化水素のナフタレンを暴露(0、0.05、0.5、5ppm)し、光条件の違いがナフタレン暴露下における植物プランクトンの生長に影響を及ぼすか調べた。白色光強光(2000μmol/m^2/s)照射下では、白色光照射(200μmol/s/m^2/s)に比べ、実験に用いたすべての植物プランクトンが強光による光障害を引き起こした。それに伴い、ナフタレン暴露区ではナフタレンによる毒性と光障害との複合作用のため植物プランクトンの生長が強く阻害された。また、赤色光(200μmol/m^2/s、極大波長625nm)照射下では、藍藻のPhormidium sp.がナフタレンによる毒性と光障害との複合作用のため生長が強く阻害された。藍藻は、通常620nm前後に極大吸収波長を持つ色素タンパクのフィコシアニン(今回のHPLC分析では600nm)を持ちフィコシアニンが赤色光を吸収し光障害を引き起こしたためと考えられた。光毒性の作用機構は、太陽光下(主に紫外線)で構造変化した化学物質が、水溶性を増し、生物体内に取り込まれやすくなることにより毒性が増大すると考えられているが、光合成生物の植物プランクトンにおいては、強光(可視光)による光障害と化学物質の毒性による複合影響によっても毒性が増大することが明らかとなった。白色強光(2000μmol/m^2/s)による光障害とナフタレンによる毒性により、海産植物ブラントンの生長が複合的に阻害されることを昨年度明らかにした。

そこで、今年度は白色強光(2000μmol/m^2/s)とナフタレンによる複合毒性が、植物プランクトンの光防御機能であるキサントフィルサイクルに影響を及ぼすか調べる実験を行った。異なるキサントフィルサイクルを持つ植物プランクトン(珪藻:Phaeodactylum tricornutum,プラシノ藻:Pycnococcus provasolii)に対し、暗条件下でナフタレン(珪藻は15ppm、プラシノ藻は30ppm、ナフタレン無添加の対照区も用意)を暴露し、直後に2つの光条件下(白色200μmol/m^2/s、2000μmol/m^2/s)で培養を行い、色素組成、酸素発生量の経時変化を調べた。他の実験区に比べ、珪藻は強光2000μmol/m^2/s、ナフタレン15ppm暴露区でディアディノキサンチンからディアトキサンチンの色素の変換が早く起こり、プラシノ藻は強光2000μmol/m^2/s、ナフタレン30ppm暴露区でビオラキサンチンからアンテラキサンチン、ゼアキサンチンへの色素の変換が早く起こった。そのため、複合毒性によるキサントフィルサイクルの阻害は観察されなかった。一方、2000μmol/m^2/sの光条件下でナフタレンを暴露した場合、200μmol/m^2の光条件下でナフタレンを暴露するより、光合成による酸素発生量が低下していた。以上より、強光下におけるナフタレンの暴露は、キサントフィルサイクルを直接阻害するのではなく、植物プランクトンの光合成を阻害し、そのため植物プランクトンは光障害から身を守るために、通常より早くキサントフィルサイクルを反応させるという考察を得た。紫外照射下で、植物プランクトンに対してナフタレン暴露実験を行い、紫外線とナフタレンによる複合毒性の有無を調べるとともに、植物プランクトンの紫外線吸収物質であるマイコスポリン様アミノ酸(MAAs)の及ぼす影響を調べた。植物プランクトンの光合成による酸素発生量は、可視光(200μmol/s/m^2)>可視光+紫外線(ピーク波長360nm;20μmol/s/m^2)>可視光+ナフタレン(15ppm)>可視光+紫外線+ナフタレンの順で減少し、紫外線照射+ナフタレ暴露区は、他の実験区に比べ光合成が阻害されており、複合影響により毒性が増大することが明らかとなった。一方、実験で使用した珪藻(phaeodactylum tricornutum)、プラシノ藻(Pycnococcus provasolii)、ハプト藻(Isochrysis galbana)、紅藻(Porphyridium purpureum)は波長約338nmの吸収極大を持つマイコスポリン様アミノ酸(MAAs)の存在が確認できたが、紫外線照射の有無や明暗(概日)周期による変動は明確でなく、紫外線照射+ナフタレン暴露によりMAAsの変動も観察されなかった。そのため、光毒性の作用機構は、太陽光下(主に紫外線)で構造変化した化学物質が、水溶性を増し、生物体内に取り込まれやすくなることにより毒性が増大すると考えられているが、光合成生物の植物プランクトンにおいては、紫外線による光障害と化学物質の毒性による複合影響によっても毒性が増大することが明らかとなった。一方、実験で使用した植物プランクトンに対して、紫外線照射+ナフタレンの暴露はMAAsの合成に影響を及ぼさないと考えられた。