hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
導電性高分子ナノファイバーを用いた熱電変換マイクロモジュールの開発

本研究の目的はポリアルキルチオフェン(PAT)ナノファイバーの熱電変換性能を調査し、それを用いたフレキシブル熱電変換シートモジュールを試作・評価することである。PATナノファイバーのマットおよびナノファイバーコンポジットフィルムのゼーベック係数および導電率の評価を行った。その結果、熱電変換特性が観測され、ナノファイバー化していないフィルムと比較して、性能向上が確認された。しかし、これはナノファイバーの導電率が高いことに起因し、量子細線効果はみられなかった。ラミネートフィルムに電極およびナノファイバーを塗布して、フレキシブルな熱電変換シートモジュールの作製を行い、熱電変換特性を得た。初年度はナノインプリントを用いたPATナノファイバーアレイの作製と評価を行った。1[PAT混合レジストの調整とナノファイバー析出条件の検討]レジストであるポリメタクリル酸メチル(PMMA)とポリ(3-ヘキシルチオフェン)(P3AT)に溶媒を加えて加熱攪拌し、PAT混合レジストを調整した。次に、混合レジストを洗浄したガラス基板にスピンコートで成膜し、現有設備である原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、モルフォロジーの確認を行った。添加溶媒によってナノファイバーの形成の有無が、P3HT/PMMA比によってナノファイバーの凝集状態やネットワークの形成状態が大きく影響されることを見出し、ネットワークを形成しかつ凝集が少ない条件を決定した。2[ナノインプリントによるPATナノファイバーアレイの作製]調整した混合レジストを用いて、鋳型を押しつけながら、熱ナノインプリントを行い、P3HTナノファイバーアレイを作製した。鋳型の転写は新規に導入するナノインプリント装置を用いて行った。AFMを用いてナノインプリントの転写精度の確認を行ったところ、100nmまではほぼ鋳型通りの転写ができていることが確認された。3[PATナノファイバーアレイの構造と電気物性評価]ナノインプリント前のコンポジットフィルムおよびP3HTナノファイバーアレイの両端に電極をつけ、導電率の評価を行った。ナノインプリント前のコンポジットフィルムではネットワークの発達とともに導電率の上昇が観察された。導電率も0.001S/cm程度と期待された値となる条件が確認され、さらに測定システムを整備し、熱電変換の測定を試行してみたところ、起電力が観察され、ゼーベック係数も得られた。一方、P3HTナノファイバーアレイはファイバーネットワークが十分につながっておらず、導電率を得るまでには至らなかったため、今後、最適な条件をさらに探索する。前年度までの研究でpoly(3-alkylthiophene)(PAT)ナノファイバーは熱電変換を示し、その効率もナノファイバー化していないPATと比して同等もしくはわずかながら優れていることを示した。本年度はPATナノファイバーの熱電変換効率の向上およびマイクロモジュールの作製に取り組んだ。PATナノファイバーの熱電変換効率の向上:これまでドーパントとして用いた塩化金はドーピング状態の安定性が高いものの、ドーピング効率は不十分で、高価であったため、ドーパントを過塩素酸銀に変更した。過塩素酸銀ドーピングに用いる溶媒は、ナノファイバーを溶解するため、短時間でのドーピングしか行うことができず、ドーピング時間の制御は困難であった。最適なドーパント濃度をチオフェン環に対して0.01倍と決定し、パワーファクターを測定したところ、塩化金を用いたときに比べて約10倍の性能向上がみられた。また、PATナノファイバーにpoly[2,5-bis(3-dodecylthiophene-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene] (PBTTT)を添加することで、パワーファクターで1.3倍の性能向上を示す条件が存在することを明らかにした。マイクロモジュールの作製:市販のラミネートフィルム上に電極蒸着、ナノファイバー塗布を行い、2枚のフィルムを熱ローラーで接着することで、曲げることが可能なフレキシブルマイクロモジュールを作製した。体温との温度差を利用した発電を行ったところ、1セルあたり最大で0.5 nW程度の電力を得ることができた。また、セルを直列結合することで起電圧を、並列結合することで起電流を回路の原理通りに増加できることが判明した。現時点では各セルの発電能力のばらつきが大きく、十分な制御が行えないが、マイクロモジュール化の方法論を確立することができた。PATナノファイバー素子のドーピングと熱電変換効果の評価本年度はドーピング濃度と熱電変換効果の関係を検証した。PATナノファイバー薄膜の両端に白金電極をつけ、ドーピング濃度を変えながら、ゼーベック係数および導電率の評価を行った。ドーピングは膜を塩化金溶液に含浸させる方法を用い、温度を変えながら測定を行った。その結果、ドーピング濃度を変化させたナノファイバーでは導電率とゼーベック係数にトレードオフの関係が確認され、理論と一致する結果となった。

性能指標となるパワーファクター(PF)はナノファイバーで12.1nW m-1 K-2、ナノファイバー化していないフィルムで13.1nW m-1 K-2であり、両者に有意な差は見られなかった。PATナノファイバーコンポジットフィルムのドーピングと熱電変換効果の評価次に、ナノインプリントが可能なようにPMMA中にナノファイバーを包埋させての熱電特性を評価した。その結果、PFはナノファイバーで0.23nW m-1 K-2、フィルムで0.026nW m-1 K-2であった。これは薄膜上での表面粗さによる差がなくなり、ファイバーの高い結晶性による導電率の増加の寄与が大きくなったことによると考える。以上より、素子中での条件が同じであればファイバーの方がフィルムより優れた熱電性能を有することが示された。PATナノファイバーコンポジットフィルムのナノインプリントアレイの作成ナノファイバーのアレイ構造を形成するために、コンポジットフィルムのナノインプリントを行った。その結果、PMMAのガラス転移点よりも十分高い250度付近で転写を行うことで、約100nmレベルのアレイ構造が形成できることが確認された。また、この構造のもつ導電率を評価したところ、それぞれつながった素子部分は、バルクと同等以上の導電率を有することが確認された。ナノファイバーのネットワーク形成に最適な条件を決定し、その導電率を測定するとともに、初年度には予定していなかった熱電変換特性の測定を試行することができた。この点において計画以上に進展した。一方、P3HTナノファイバーアレイの作製に成功したが、その電気特性は十分に得られておらず、さらなる条件検討が必要であった。この点ではやや計画より遅れている。以上を総合的にみておおむね順調に進展していると判断した。25年度が最終年度であるため、記入しない。本年度の目的は、前年度、確立されたPATナノファイバー熱電変換素子をドーピングし、ナノファイバー化していないフィルムに対する優位性を示すとともに、そのコンポジットフィルムをナノインプリントによりパターン転写し、ナノファイバーアレイの作製と、その性能評価を行うことであった。ナノファイバーの優位性の評価当該年度の目的の一つは、前年度までに作成したPATナノファイバー素子がナノファイバー化していないフィルムよりも高い熱電変換効率を示すことを確認することであった。ナノファイバーのフィルムではその優位性を示すことができなかったが、コンポジットフィルムにおいては、ドーピングを施すことで、ナノファイバーがナノファイバー化していないフィルムよりも高い熱電変換効果を示すことが確認され、ナノファイバーの優位性を示すことができた。この点に関しては年度の目的を達成したと言える。今後は、素子の厚さなどまだ調査していないパラメータを変えながら、さらなる性能の向上を目指すことが求められる。ナノファイバーアレイの作製
機能性ポリマーキャピラリーアレイ型1ステップマルチセンサー開発と創薬・診断展開

ここでは凹凸型PDMSスティックを作製・表面修飾ののち、それらを組み合わせることで競合型イムノアッセイ・酵素阻害剤アッセイ用PDMSキャピラリーを作製した。イムノアッセイでは凸型PDMSにBSA・グルタルアルデヒドを介した抗原化学結合薄膜(不溶性)、凹型PDMSにペルオキシダーゼ(POD)標識抗体含有直鎖ポリエチレングリコール物理吸着薄膜(可溶性)を、酵素阻害剤アッセイでは凸型PDMSにプロテアーゼ含有ポリカチオン・ポリアニオン層状薄膜(不溶性)、凹型PDMSに蛍光基質含有直鎖ポリエチレングリコール物理吸着薄膜(可溶性)を固定し、それぞれののパーツを組み合わせ、PDMSキャピラリーを作製した。作製したPDMSキャピラリーに試料溶液を毛細管力導入し、蛍光顕微鏡を用いて発蛍光信号をCCD画像検出した。その結果、イムノアッセイでは110μg/mlの範囲で蛍光強度差が現れ、今回提案した競合型イムノアッセイの1ステップ化が原理的に可能であることがわかった。しかしながら、検出濃度範囲はまだ改善の余地があるため、今後、試薬濃度の最適化等を進めて行きたい。一方、酵素阻害剤アッセイでは代表的なプロテアーゼであるトリプシンを用い、その阻害剤アッセイを試みた結果、試料導入のみの1ステップで蛍光信号が得られ、簡便な1ステップ阻害剤アッセイが可能であることがわかった。また、阻害度を表すIC50値を文献値と比較したところ、ほぼ同じ値であったことから、本法で求められる阻害度は有意なものであることも明らかとなった。ここでは試料導入の改善も検討した。PDMSは疎水性が高いために毛細管現象による試料導入の再現性が悪い欠点があったが、PDMSの一部に親水基含有PDMSを混入させることで簡便かつ容易に試料導入の問題を解決できることを明らかにした。
状況恐怖記憶における海馬－扁桃体経路の役割

状況恐怖記憶(contextual fear memory)とは、我々が以前に恐怖の感情を喚起する経験をした環境・状況に置かれたときに再び感じる恐怖感情の記憶である。状況恐怖記憶には海馬、扁桃体そして前頭前野を含む複数の脳部位が関わることが知られているが、これらの脳部位間でどのような相互作用が起こって状況恐怖記憶を実現しているかは知られていない。そこで本研究ではマウスを用いて、状況恐怖記憶の想起時に起こる海馬、扁桃体そして前頭前野での神経活動及びその相互作用を電気生理学的に記録した。具体的には、マウスに状況恐怖条件付け課題を学習させ、その1日後と1か月後に海馬・扁桃体・前頭前野における3か所同時・自由行動下電気生理記録を行った。その結果、以下のことが分かった。(1)課題学習後1日後と1か月後の両方において、全ての脳部位で状況恐怖記憶を想起しているときにのみ3-7 Hzの範囲内での局所脳波(LFP)が見られた。(2)課題学習1日後にはこのLFPが海馬ー扁桃体間で記憶想起中に同期し、また課題学習1か月後においてはこのLFPの同期が1日後と比べ有意に低下した。(3)前頭前野ー扁桃体間のLFPの同期は課題学習1日後より1か月後の方が高い傾向があった。これらの結果から、状況恐怖記憶が形成された直後(recent memory)には海馬ー扁桃体間の相互作用により記憶が想起され、長い時間が経った後(remote memory)には前頭前野ー扁桃体間の相互作用により記憶が想起されることが示唆された。状況恐怖記憶には多くの脳部位が関わるが、その中でも特に海馬と扁桃体が重要な役割を果たすことが知られている。さらに、状況恐怖記憶の長期的な貯蔵(remote memory)には前頭前野が必要であることもわかっている。しかし、これらの脳部位がそれぞれどのような情報処理をし、また部位間でどのような相互作用が起こって、短期的・長期的な状況恐怖記憶を実現しているかは知られていない。そこで本研究ではマウスを用いて、短期的・長期的な状況恐怖記憶の想起によって引き起こされる海馬、扁桃体そして前頭前野での神経活動及びその相互作用を電気生理学的に記録することにより、状況恐怖記憶の神経メカニズムを解明することを目的とした。この目的を達成するため、本年度は自由行動下のマウスにおいて海馬・扁桃体・前頭前野の3つの脳部位から同時に神経活動を記録する方法を確立した。具体的には、それぞれの部位に調節可能な複数の電極を同時に埋め込むことにより、神経活動の集合体である局所細胞外電位(LFP)を各領域から記録し、また個々の神経細胞の活動(活動電位)を多数の細胞から同時に記録することを実現した。そして、マウスに恐怖条件付けを行った後さまざまなタイミング(1日1か月)で、恐怖記憶を想起している最中にこの3領域同時記録を行うことにより、短期的・長期的な状況恐怖記憶を実現する各領域での神経活動および領域間の相互作用を調べることが可能になった。今後、これらの神経活動・相互作用を解析することにより、状況恐怖記憶の神経基盤を明らかにしていく予定である。本研究では、状況恐怖記憶における海馬ー扁桃体経路の役割を調べることが目的であるため、海馬と扁桃体の活動を自由行動下で同時に記録する実験系が必要不可欠となる。このような実験系を立ち上げることは技術的にとても難しく、これまではさまざまな条件を試して記録を成功させることにほとんどの時間を費やした。

その結果、実際に状況恐怖記憶を想起しているときに、海馬と扁桃体のみならず、恐怖記憶の長期的な維持に必要とされる前頭前野を含めた3か所から神経活動を同時記録することが可能となった。これは技術的にも大きなブレークスルーであり、今後の研究がスムーズに進むことを約束するものである。そのため、本研究はおおむね順調に進展していると考える。これまでの研究結果により、状況恐怖記憶の想起により引き起こされる海馬・扁桃体・前頭前野での神経活動を、個々の細胞及び細胞集団という2つのレベルで同時記録することが可能となった。今後はこのシステムを用いて実際に記録を行い、以下の項目について調べる予定である。(1)記憶想起時に各脳部位で、個々の細胞に特徴的な活動パターンが見られるか。例えば活動電位の発火頻度の増加・減少や、周期的発火があるか。また記憶想起時における個々の細胞の神経活動に、脳部位間で相関が見られるか、すなわち同期的活動はあるか。(2)記憶想起時に各脳部位で、どのような集団活動(LFP)が見られるか。シータ波やガンマ波などの周期的振動は見られるか。またこのような周期的振動に脳部位間で相関があるか。(3)上記のような活動パターン・相互相関は、記憶が形成されてからの経過時間により変化があるか。これらの解析により、状況恐怖記憶をコードする神経活動を明らかにしていく予定である。本年度は当初予定していた学会発表を行わなかったため、40万円弱の未使用額が生じた。次年度は主にマウスでの自由行動下電気生理記録を行う予定であるため、まず記録に用いるマウスの購入費(2000円×100体=20万円を予定)・維持費(合計20万円を予定)が必要である。また、記録に用いるマイクロドライブを作成するため、ドライブ本体・インターフェース基盤・電極などの多数の消耗品(10000円×100セット=100万円を予定)が必要となる。さらに、得られた研究結果を発表するために国内・国外の学会にそれぞれ1回ずつ参加する予定である(合計40万円を予定)。したがって、総計すると本年度未使用額と次年度請求額の合計である約180万円が必要となる予定である。
細胞融合によるナス科蔬菜の台木育成に関する研究

体細胞雑種の作出に用いる親植物の青枯病並びにネコブセンチュウ抵抗性やナス,トマトとの接ぎ木植物の生産力についての研究が進展し,本研究目的にかなう細胞融合は,片親にナスやトマトを用いるよりもS.sisymbriifoliumを用い,S.integrifolium ,S.torvum,S.toxicariumなどとの組合せが望ましいことが明らかとなった.S.toxicariumとS.integrifoliumでは,実生の葉肉組織からプロトプラストを得て,カルス形成を誘導できる培地と培養条件を明らかにできた.S.toxicariumでは小植物再生にも成功したが,再現性の高い培養条件の確立に手間取っている.一方,S.sisymbriifoliumについては,葯組織のカルスからプロトプラストを得て,小植物の再生を試みている.同時に,電気細胞融合装置を用い,これらのプロトプラスト間の細胞融合を行い,小植物再生の条件を細かく検討しているが,現状ではコロニ-の形成までで,体細胞雑種植物は得られていない.S.integrifolium x S.melongena複二倍体の自殖後代の形態調査並びにアイソザイム分析から,複二倍体では減数分裂時に染色体の異親対合が高頻度に生じて染色体の再配列を招き,後代分離が著しくなることを確かめた.このことからナス近縁野生種の体細胞雑種は,たとえ高稔性のものが得られても純系化に手間取ることが示唆される。しかし,本研究が目指す体細胞雑種の親植物は,マイクロプロパゲ-ション法で大量増殖できることが確かめられており,得られる雑種も同法の適用で,容易にクロ-ン増殖できるものと思われる.ナス近縁野生種の青枯病に対する真性低抗性は,罹病性のトマトやナスの台木にした場合でも発現し,S__ー.<toxicarium>___ー台接ぎ木植物は確認されいている全菌群に対し,安定した低抗性を示すことを明らかにした.また,S__ー.<sisymbrifolium>___ー,S__ー.<toruvum>___ー,S__ー.<toxicarium>___ーはネコブセンチュウに対して強度の低抗性を示し,それらを台木とした非低抗性のトマトやナスの接ぎ木植物も強度の低抗性を有することを明らかにした.これらの成果と既往の知見から,ナスおよびトマトの複合病害低抗性台木の育種目標はS__ー.<toxicurium>___ーまたはS__ー.<ferox>___ーとS__ー.<sisymbrifolium>___ーまたはS__ー.<melongena>___ー(ナス)との体細胞雑種を作出することに集約できた.これらの雑種植物はマイクロプロパゲ-ション法で大量増殖できる見通しがえられている.なお,ナスおよびその近縁野生種のイソ酵素多型を調べ,両親と種間雑種の識別は,垂直式ポリアクリルアミドゲル電気泳動法による6ーPDHまたはSADHの解析で容易に行えることを明らかにした.体細胞雑種の作出に用いる親植物の青枯病並びにネコブセンチュウ抵抗性やナス,トマトとの接ぎ木植物の生産力についての研究が進展し,本研究目的にかなう細胞融合は,片親にナスやトマトを用いるよりもS.sisymbriifoliumを用い,S.integrifolium ,S.torvum,S.toxicariumなどとの組合せが望ましいことが明らかとなった.S.toxicariumとS.integrifoliumでは,実生の葉肉組織からプロトプラストを得て,カルス形成を誘導できる培地と培養条件を明らかにできた.S.toxicariumでは小植物再生にも成功したが,再現性の高い培養条件の確立に手間取っている.一方,S.sisymbriifoliumについては,葯組織のカルスからプロトプラストを得て,小植物の再生を試みている.同時に,電気細胞融合装置を用い,これらのプロトプラスト間の細胞融合を行い,小植物再生の条件を細かく検討しているが,現状ではコロニ-の形成までで,体細胞雑種植物は得られていない.S.integrifolium x S.melongena複二倍体の自殖後代の形態調査並びにアイソザイム分析から,複二倍体では減数分裂時に染色体の異親対合が高頻度に生じて染色体の再配列を招き,後代分離が著しくなることを確かめた.このことからナス近縁野生種の体細胞雑種は,たとえ高稔性のものが得られても純系化に手間取ることが示唆される。しかし,本研究が目指す体細胞雑種の親植物は,マイクロプロパゲ-ション法で大量増殖できることが確かめられており,得られる雑種も同法の適用で,容易にクロ-ン増殖できるものと思われる.
ヴィクトリア朝中期におけるディケンズに対するマスメディアの共鳴と反発現象の解明

平成18年度にザ・タイムズ・デジタル・アーカイヴを通して入手したディケンズに関する記事をさらに細かく分析した。その結果次のような内容が明らかになった。○ザ・タイムズの編集者への手紙はディケンズが亡くなるまでに12通あること。よく知られている公開処刑の廃止に関するものの外に、自分が編集している『ハウスホールド・ワーズ』に関するものが2通、たまたま乗り合わせていた列車の事故について1通。といろいろな内容が含まれているが、ザ・タイムズど論争をしているものは無く、ディケンズとタイムズ社の関係は良好であったとかんがえられる。○ディケンズの名前が出てくる記事が20あるが、初めのころは『ハウスホールド・ワード』の宣伝になっているもゐが見られ、まだデイケシズが公開朗読をするようになると、その内容を伝える記事になっており、ディケシズとザ・タイムズの関係は良好である之分かった。平成19年の夏にアメリカのスタンフォード大学でコピーできた「デイリー・イーヴニング・トランスクリプト』には、アメリカだ到着したディケンズが歓迎晩餐会に出席するという、ディケンズ歓迎のニュースとなっており、半年後のコピーライトを巡る騒動の影も形も見られない。以上のことから、1845年暮れからのディケンズとザ・タイムズの反目と漫画戯画雑誌『メフィストフィリーズ」のディゲシズに対する皮肉な戯画は一時的なもので、ディケンズが新しい新聞『ザ・デイリー・ニューズ」を創刊することに対する反目が原因で、彼が新聞編集から手を引いたあとは『メフィストフィリーズ」もわずか3ケ月で廃刊になっている。このことから発行人の詳細が不明な『メフィストフィリーズ』も裏でザ・タイムズ系の何者かがその発行に関与していたとも考えられる。いずれにしてもディケンズとマスメディアはほとんどいつも良好な関係であったと結論してよかろうと思われる。「ザ・タイムズ・デジタル・アーカイヴ」へのアクセス権を入手レ、ロンドンで発行された新聞「ザ・タイムズ」の記事を検索しているが、1845年12月27日のThe Cricket on the Hearthに対する書評記事以外には、ディケンズに対する記事はおおむね好評である。彼の文学作品はもとより、彼の編集した週刊誌Household WordsやAll the Year Roundの記事の一部を引用した記事もディケンズを非難していない。ブリティッシュ・ライブラリーにある風刺漫画週刊誌「メフィストフィリーズ」は何回かに分けてコピーすることで全文を入手できた。挿絵画家の名前や発行人の名前は、DNBにも出ておらずその発行の全貌解明は出来なかったが風刺漫画の内容から明らかにディケンズに風刺の矢が向けられており、1845年12月に第一号が発行され1845年の3月には終刊を迎えていることが分かった。推測の域を出ないが、「ザ・タイムズ」の文芸欄が、ディケンズが新しい日刊新聞を出すといううわさに反応して「炉辺のコオロギ」という作品に攻撃のペンを向けたように、ディケンズの「ザ・デイリー・ニューズ」の編集長就任にこの雑誌も関係している可能性がある。すなわち1月に新聞を創刊したが2月にはいるとディケンズは編集長のポストから離れており、それに呼応するかのように3月には「メフィストフィリーズ」も廃刊になっているからである。ディケンズの週刊誌編集には今のところ否定的な記事は何処からも発見されておらず、作家としてのディケンズがジャーナリストとして思う存分手腕を発揮している。日刊紙発行のときのような反発は既存のジャーナリズムの中から出てきていない。
新たな髄膜腫細胞株・動物モデルの樹立と髄膜腫に対する新規薬剤治療法の評価

脳腫瘍細胞株樹立:愛知医科大学では研究利用可能な脳腫瘍検体を取得・蓄積するシステムが存在しなかったため、手術で摘出された腫瘍組織を大学全体で凍結保存し研究利用可能とするシステムであるバイオバンクの設立に協力するとともに、多数の脳腫瘍組織検体をバイオバンクへ登録し保存した。腫瘍細胞をマウス腹腔内で培養するための器具の準備や移植手技の訓練も併せて行い環境整備は十分に行うことができたが、最終段階の腫瘍検体移植および細胞株の樹立を最終年度内に施行することができなかった。脳腫瘍におけるRNA発現の解析:共同で研究を行っている福島県立医科大学医学部脳神経外科において、手術摘出された脳腫瘍(髄膜腫・神経鞘腫・神経膠腫)におけるRNA発現の解析を行った。髄膜腫に関しては悪性度とRNA発現の関連を検討したが、特徴的な傾向は指摘できなかった。神経鞘腫に関しては、神経線維腫症2型の有無を含む患者背景とRNA発現の関連を調査した。その結果、患者年齢と嚢胞の有無に関してRNA発現に緩やかな差異を指摘することが出来た。髄膜腫・神経鞘腫・神経膠腫の検体に関して網羅的なRNA発現解析も行い、複数のRNAが特徴的な発現上昇を示していることを発見した。ある細胞接着因子はとくに髄膜腫で高い発現を示し、正常組織では発現量が低いことを免疫染色でも確認しており、今後の髄膜腫免疫治療の良い標的分子になると考え研究を継続している。悪性頭蓋底腫瘍の臨床成績の検討:研究対象となる頭蓋底腫瘍検体選定の過程において、とくに稀な疾患である頭頚部悪性腫瘍が我々の施設で多く治療されていることが判明した。希少疾患の治療報告は今後の患者治療に大きな利益となるため、英文で報告を行った。脳白質解剖の研究:脳腫瘍の浸潤と脳白質解剖には密接な関連が示唆されていることから、より効率的な白質解剖を行うための研究も併せて行った。髄膜腫の手術検体採取が本プロジェクトの要となることより、2015年8月より同年12月の期間、髄膜腫の手術症例が非常に豊富なInternational Neuroscience Institute(ドイツ、ハノファー)へ短期留学し、手術法の研修を行った。また、前後の期間は書類作成など研究の準備に費やしたため、本年度は研究費の支出がなく、次年度より研究を加速させていく予定である。留学後、転勤も重なったため研究の実施を遅らせざるを得なくなってしまった。脳腫瘍細胞株樹立に先立って、脳腫瘍の発生および悪性転化に関連する分子を特定しておくことで、新規治療法の開発がより迅速に達成可能な細胞株の作成を行うこととした。そこで福島県立医科大学で摘出された良性および悪性の脳腫瘍検体に関し、RNA発現量の解析を行って各種脳腫瘍の発生および悪性転化への関与が疑われる分子を複数個ピックアップした。これらの分子に関し、現在は免疫染色を行ってタンパク質レベルでの発現を確認中である。今後は発現が確認された分子を有する細胞を優先して株化し、動物モデルの作成を行った後に免疫治療を含む分子標的治療法の開発を行っていく予定である。昨年の施設移動に伴い、実験の開始が遅れたため。髄膜腫に対する新規治療法として、他の癌種でも開発が進んでいる免疫治療法の開発を進めている。有効で安全な免疫治療を行うためには、腫瘍特異的で発現量の豊富な標的分子の発見が不可欠であることから、とくに悪性髄膜腫検体において網羅的なRNA解析を行って、治療標的となりうる分子候補をピックアップした。さらにこれらピックアップされた標的分子候補に関して、免疫染色を施行して腫瘍組織内での分子発現量や発現部位を確認中である。現在は髄膜腫のみならず悪性脳腫瘍全般に対象を広げて解析を行っている。また、髄膜腫の発生しやすい頭蓋底部に関し、これまで我々が行ってきた手術治療成績の解析も平行しておこなっており、頭蓋底部腫瘍に対する新規治療法開発の必要性を裏付けるデータを得ることができると考えている。さらに、安全で効果的な脳腫瘍治療には脳機能・解剖の知識が不可欠である。脳機能の理解には過去に提唱された局在論のみでは不十分で、脳の複数個所を連合して機能させる脳内ネットワークの理解が重要となる。脳内ネットワークを構築しているのが、脳白質線維であり、我々は現在、脳白質構造の研究にも着手している。我々は従来の脳白質解剖方法改良し、より簡便で効率的な脳白質解剖方法を開発中である。本方法により脳白質解剖の理解が進めば、脳腫瘍治療の安全性向上が期待されるばかりでなく、脳腫瘍マウスモデル作成などの基礎研究や、人体における脳機能研究にも寄与することが可能であると考えている。施設異動にともない、当初計画していた腫瘍細胞の移植実験が不可能となったため、研究計画の再調整が必要となってしまった。

髄膜腫に関しては悪性度とRNA発現の関連を検討したが、特徴的な傾向は指摘できなかった。神経鞘腫に関しては、神経線維腫症2型の有無を含む患者背景とRNA発現の関連を調査した。その結果、患者年齢と嚢胞の有無に関してRNA発現に緩やかな差異を指摘することが出来た。髄膜腫・神経鞘腫・神経膠腫の検体に関して網羅的なRNA発現解析も行い、複数のRNAが特徴的な発現上昇を示していることを発見した。ある細胞接着因子はとくに髄膜腫で高い発現を示し、正常組織では発現量が低いことを免疫染色でも確認しており、今後の髄膜腫免疫治療の良い標的分子になると考え研究を継続している。悪性頭蓋底腫瘍の臨床成績の検討:研究対象となる頭蓋底腫瘍検体選定の過程において、とくに稀な疾患である頭頚部悪性腫瘍が我々の施設で多く治療されていることが判明した。希少疾患の治療報告は今後の患者治療に大きな利益となるため、英文で報告を行った。脳白質解剖の研究:脳腫瘍の浸潤と脳白質解剖には密接な関連が示唆されていることから、より効率的な白質解剖を行うための研究も併せて行った。2016年4月より新規の所属先に移動し、研究環境の整備に取り組んでいる。前施設とは環境がことなるものの、現在の施設のメリットを活用し、研究を加速させていく。新規治療法の標的となりうる分子を先に同定することで、新規治療法開発がより迅速に可能となる細胞株の樹立を行って、最終目標である新規治療法の開発を達成できるよう研究を推進する。また、従来の初代培養法でも細胞株の作成を試みており、細胞株作成後には動物モデルの作成も速やかに行う予定である。髄膜腫に対する免疫治療法の開発が本研究の主体であり、症例数を増やしながら結果を解析する。また、本研究に関連すると思われる、従来法による治療成績結果の解析や、脳腫瘍治療に必要な脳白質解剖の研究も平行して行っており、これらの研究結果の報告も行うことで、当初の計画を上回る結果報告を行う。手術による検体採取の学習をドイツにて行った(本研究費は使用せず)。また、帰国後転勤となり、本研究の開始を遅らせる必要が生じた。昨年の施設移動以降、研究計画の修正や旧所属施設との共同研究計画開始に時間を要した。動物モデル作成を予定通り行うことができなかったために予算の使用にも遅れが生じたが、本年は研究成果の発表のために統計処理や学会参加、論文作成が予定されており、これらの経費として使用される見込みである。2016年4月より転勤した新施設にて、研究を加速させて当初の予定に追いついていく方針である。現在は既に多量の病理標本サンプルを調整し終えており、免疫染色を短期間に終了できる見込みである。免疫染色終了後には細胞株樹立や動物モデル作成を行い、分子標的治療法の開発を鋭意行っていくため、次年度使用額は研究試薬等で順次使用されていく見込みである。
建築壁体の凍結融解挙動と水分移動特性の相互作用に関する基礎的研究

力学的作用と材料内の熱水分移動,特に液水移動を同時に考慮した建築壁体の耐久性予測手法開発の一環として,まずは測定が容易なALCを対象に材料内部の凍結融解挙動およびそれに伴う破壊・損傷と水分特性(含水率分布,平衡含水率曲線,水分移動係数)の相互作用を明らかにし,その相互作用を考慮可能な解析手法の確立を目的とした検討を行った。本研究は,力学的作用と材料内の熱水分移動,特に液水移動を同時に考慮した建築壁体の耐久性予測手法開発の一環として,まずは測定が容易なALCを対象に材料内部の凍結融解挙動およびそれに伴う破壊・損傷と水分特性(含水率分布,平衡含水率曲線,水分移動係数)の相互作用を明らかにし,その相互作用を考慮可能な解析手法を確立することを目的とする。平成22年度の成果を以下に示す。γ線照射装置を利用した非破壊的な含氷率測定方法について,試料に用いたALCの空隙構造の測定結果に基づき検討した。試料に用いたALCは,一般的な既製品と同様に発泡剤を配合したものと,発泡剤を配合しないものの2種類を用意した。試料の含水状態は含水率勾配による水分移動が生じない飽水状態とした。これらの試験体を用い,試験体の下面から冷却する凍結実験の結果,過冷却解消による材料表面ひずみおよび温度の変化とγ線透過量の変化に良い対応が見られた。また熱力学的平衡理論に基づき,水銀圧入法による空隙径分布の測定結果より算出される含氷率とγ線の透過量変化より算出される含氷率を比較すると,発泡剤の有無によらず,含氷率分布の変化性状は概ね一致した。また,常気圧下での透水係数測定装置を提案し,試料を測定可能な恒温恒湿環境を作製した。今後,劣化促進試験を実施し,劣化の経時変化と移動係数の変化を測定可能な環境を得た。さらに,三相系熱水分同時移動方程式に基づく解析モデルを作成し,過去に行ったRILEMCIF試験の再現する数値計算を行った。その結果,表面剥離現象に関して含氷率分布の計算結果から現象を説明できることを示した。以上のように,本研究は,多孔質材料の新たな含氷率測定方法として,非破壊・連続測定可能な手法であるγ線照射装置の有用性を示した。また次年度に行う移動係数の測定環境および劣化予測解析モデルの基礎的部分の構築を完了した。1)γ線照射装置を利用した非破壊含氷率測定手法の確立非破壊含水率測定装置として利用されるγ線照射システムを応用した非破壊含氷率測定理論を提案し,その妥当性を実験により検討した。空隙径分布の測定結果を用いた熱力学的理論値と比較すると,提案する測定理論に基づく測定結果の凍結領域は概ね良い一致を示したが,絶対値については10vol.%以上の差異が見られ,さらなる検討が必要と言える。2)微量な水分移動係数変化を検出可能な測定装置の開発測定時に要する加圧による材料の変形を防止するため,難透水性材料においても常気圧下において透水係数を測定可能な装置を作成し,その妥当性を検討した。3)空隙構造変化を考慮可能な解析モデルを開発暴露条件が空隙構造変化に及ぼす影響,それに伴う含水率曲線変化を考慮可能な解析モデルを作成し,コンクリート壁体の材料厚による温度分布の差異が含氷率分布の変化に及ぼす影響を検討した。同環境下でも形成される温度分布が壁体厚により異なり,その結果が空隙構造変化とそれに伴う含氷率分布の形成に及ぼす影響を明らかにした。
ヒト大腸がんの肝転移形成に及ぼす間質反応の意義

ヒト大腸癌の肝転移形成に関わる細胞生物学的機構の解明のため、12種類のヒト大腸癌培養細胞株を用いて検討した。全ての大腸癌培養細胞株は、SCIDマウスの筋肉に注入した場合にはそれぞれ良好な増殖を示し、マウス個体に対する造腫瘍性は特に違いは認められなかったが、肝臓の被膜下に注入した場合では増殖性に著しい差が認められ、肝臓における低増殖群(4株)と高増殖性(8株)に分類された。同所性に盲腸に移植し肝転移性を検討したところ低増殖群は全ての細胞株で肝転移を認めなかったのに対し(合計0/37)、高増殖性ではほとんどの細胞株で肝転移を認め(合成17/40)、大腸癌細胞の肝転移性は肝臓での増殖と相関性を示した。肝臓での大腸癌細胞の増殖像を病理組織学的に検討したところ、低増殖群では癌細胞注入部に強い線維芽細胞の増殖を主体とした間質反応がみられ、一部腫瘍細胞の壊死像を認めるといった特有の病理像を示したのに対し、高増殖群では間質反応は認めなかった。そこで低増殖群大腸癌細胞が、肝臓における間質反応によってその増殖性が抑制されているのかどうかを検討するために、大腸癌肝転移切除症例の肝転移巣から線維芽細胞株を樹立し、低増殖群および高増殖群大腸癌株と混合培養を行い、その増殖形態を比較した。肝転移性を示す高増殖群は肝由来線維芽細胞上では、浸潤性に増殖しその増殖性は亢進されるが、肝転移性を示さない低増殖群は線維芽細胞に対し浸潤性を示さず、その増殖性が抑制された。一方、肺由来の線維芽細胞2株に対しては、両群間で増殖性の差異は認められず、ともに増殖性は亢進した。さらに増殖抑制機構を解析するために、肝転移巣由来線維芽細胞の培養上清及び細胞外基質による増殖抑制効果の有無を検討したところ、抑制は認められず、細胞間の直接の相互作用の必要性が示唆された。これに関与する分子につきさらに検討を行っている。
精神疾患の伝統的症状学の客観評価法作成に関する研究-直感から計量的記述作業へ-

一般に精神医学において精神症状の客観所見としての計量的評価は今のところ困難で、精神症状や状態像などの客観評価としての計量化が期待される。本研究では精神症状の中でも客観的症状である統合失調症と神経症性障害の表情の特徴・変化の客観的計測の目的の一環として、生理指標である瞬目変化を超小型携帯テレメーターSTS-1と眼球運動解析プログラム(MTS50069)、脳波計等を用い以下の研究を行った。初年度、神経症性障害、幻聴を有する統合失調症(非幻聴群)と幻聴のない統合失調症(幻聴群)の比較を行い幻聴群では非幻聴群(p<0.0005)や神経症性障害(p=0.01)に比べ、作業負荷を加えない安静時の瞬目回数が有意に少なく瞬目間隔が長かった。統合失調症では、精神症状の重症度とも負の相関(r=0.747,p<0.0005)力弐見られた。これはわれわれの視察的な印象に合致するものであった。また次に、長期入院から福祉ホームに入所の統合失調症患者で、その前後の症状変化を不安評価尺度(Zung)と簡易精神症状評価尺度BPRSなどを用いて評価し、注意集中時の瞬目の変化に焦点を当て検討した。福祉ホーム入所前後変化において、不安評価尺度(p<0.01)と総BPRSスコア(p<0.0001)は有意に上昇していたが、BPRSの下位尺度では、非統合失調症尺度(p<0.0007)においてのみ有意な上昇が見られた。一芳、精神機能障害評価スケールMenfis(p<0.05)において有意な改善が見られた。移動群の注意集中課題による集中時瞬目(p<0.05)は有意に減少していた。このことは、福祉ホーム入所後に、不安レベルは増加していたが、パーフォーマンスが改善し、同時に注意集中時の瞬目が改善していた。瞬目変化は視察的パーフォーマンスの改善と平衡関係にあると推測された。精神疾患の診断は、診察者の精神症状の主観的な評価に主に依存しており、それを客観化することが現状では困難である。本研究の主目的は、統合失調症など精神病の症状の一部と考えられている表情の特徴を客観的なデータとしてとらえてゆくことにある。平成17年度において、健常群と、統合失調症群を対象に、表情の変化パターンの相違を調べるために、以下の手順で瞬目の計測を行った。健常群10例と慢性統合失調症群10例における安静時と集中課題、不安負荷時における表情の変化としての瞬目の計測をした。方法として、脳波記録と同時に、特殊小型携帯テレメーターと瞬目解析プログラム(MTS50069)を用い瞬目回数、瞬目のインターバルトレンド、インターバルヒストグラム、インターバルデーターの散布図を記録した。瞬目の客観的指標以外に、移動前後の症状変化の指標として患者群の簡易精神症状評価尺度(BPRS)と服薬薬剤の表情への影響を確認するために薬原性錐体外路症状評価尺度(DIEPSS)を測定した。健常群では、安静時より集中課題で有意に減少し、不安負荷時に瞬目回数が増加傾向にあったのに対し、統合失調症では安静時、瞬目間隔が長い傾向があるが、タスク負荷による特徴が明瞭でなかった。これは統合失調症自体の病理性と関連がある可能性が考えられる。

次年度の研究では、統合失調症における環境変化による表情の変化をも検討する予定であるが、統合失調症における表現型の相違があり、統合失調症の中での症状の相違や表情傾向の相違に着目し、その群ごとでの検討が必要と考えられ、これも同時に検討する。我々はすでに幻聴を有する統合失調症では幻聴のない統合失調症や、神経症性障害に比べ、安静時の瞬目回数が少なく瞬目間隔が長いという結果を得ている。今年度は、特に環境変化に伴う表情変化という基盤で、開眼を維持する必要のある注意集中時の瞬目の計測を行い表情の変化を調べた。本研究では、長期入院から福祉ホームに入所するというストレス状況に置かれた長期入院統合失調症患者で、移動による患者の症状変化を評価し、同時に患者の状態像の生理的客観指標としての表情の一部である瞬目の変化に焦点を当て、精神症状の定量的マーカーと想定される瞬目を記録分析した。方法として退院し福祉ホームに移動する統合失調症患者20名、同時期に入院を継続中の統合失調症患者(非移動群)10名を対象の入院中と退院し施設入所後の症状の変化についてZungの不安評価尺度と簡易精神症状評価尺度BPRSなどを用いて評価し、生理指標として集中課題による瞬目の変化を超小型携帯テレメーターSTS-1と眼球運動解析プログラム(MTS50069)を用い計測した。結果、統合失調症移動群では移動前と移動後では不安評価尺度(p<0.01)と総BPRSスコア(p<0.0001)は有意に上昇していたが、BPRSの下位尺度では、非統合失調症尺度(P<0.0007)においてのみ有意な上昇が見られた。一方、精神機能障害評価スケールMenfis(P<0.05)において有意な改善が見られた。移動群において移動前後で安静時瞬目は変化が見られなかった。移動群の注意集中課題による集中時瞬目(p<0.05)は有意に減少していた。このことは、入院環境において、注意集中課題の有無による瞬目変化は少なかったが、福祉ホーム入所後に、不安レベルは増加していたが、パーフォーマンスが改善し、注意集中課題を通して表情変化が大きくなったことを客観的な指標として呈示できたことになる。
腫瘍ミトコンドリア電位差を利用した新たな抗腫瘍物質の開発

脂肪親和性陽イオンdelocalizedlipophilic cation (DLC)は,腫瘍細胞ミトコンドリアに選択的に集積して抗腫瘍性を発現する抗癌剤である.MKT-077は高い水溶性、安定性,腫瘍細胞に対する選択的毒性などの条件から選択されたDLCであり、ミトコンドリア障害を介して腫瘍細胞死に至たらしめるとされている.培養ヒト癌株,新鮮手術材料,ヌードマウス可移植性ヒト癌株を用いて,MKT-077の選択的な殺細胞効果を検討した.【方法】In vitroの検討では,ヒト培養腫瘍細胞8株,新鮮手術材料51検体(胃癌27例,大腸癌10例,肝細胞癌14例),合併切除された脾臓10検体を対象とし,MKT-077の抗腫瘍性をMTTアッセイにより判定した.In vivoの検討では,ヌードマウス可移植性ヒト胃癌株(St-4),大腸癌3株(Co-4,HT29,LS174T)膵癌株(CRL1420)を皮下に移植し,本剤の腹腔内投与または浸透圧マイクロポンプを用いた7日間持続皮下投与による抗腫瘍効果を比較検討した.【結果と考察】In vitroにおけるMK-077の抗腫瘍効果は,濃度×時間に依存しており,培養ヒト癌細胞72時間接触における50%抑制濃度は1.714.3μg/mlに分布していた.同一症例から採取された胃癌細胞および脾細胞を用いた検討では,MKT-077は腫瘍細胞に対して濃度×時間依存的な抗腫瘍効果を示した一方,脾細胞に対する細胞障害性は認められず,本剤の腫瘍細胞選択的毒性が示された.In vivoの同一総投与量では,浸透圧マイクロポンプによる持続皮下投与法の方が腹腔内分割投与法よりも有効であった.この持続投与法においてMKT-077は5株中3株に対して有効であった.本剤はミトコンドリアに対する選択的蓄積/抗腫瘍効果という新たな作用機序を有する化合物であり,今後の臨床応用が期待される.脂肪親和性陽イオンdelocalizedlipophilic cation (DLC)は,腫瘍細胞ミトコンドリアに選択的に集積して抗腫瘍性を発現する抗癌剤である.MKT-077は高い水溶性、安定性,腫瘍細胞に対する選択的毒性などの条件から選択されたDLCであり、ミトコンドリア障害を介して腫瘍細胞死に至たらしめるとされている.培養ヒト癌株,新鮮手術材料,ヌードマウス可移植性ヒト癌株を用いて,MKT-077の選択的な殺細胞効果を検討した.【方法】In vitroの検討では,ヒト培養腫瘍細胞8株,新鮮手術材料51検体(胃癌27例,大腸癌10例,肝細胞癌14例),合併切除された脾臓10検体を対象とし,MKT-077の抗腫瘍性をMTTアッセイにより判定した.In vivoの検討では,ヌードマウス可移植性ヒト胃癌株(St-4),大腸癌3株(Co-4,HT29,LS174T)膵癌株(CRL1420)を皮下に移植し,本剤の腹腔内投与または浸透圧マイクロポンプを用いた7日間持続皮下投与による抗腫瘍効果を比較検討した.【結果と考察】In vitroにおけるMK-077の抗腫瘍効果は,濃度×時間に依存しており,培養ヒト癌細胞72時間接触における50%抑制濃度は1.714.3μg/mlに分布していた.同一症例から採取された胃癌細胞および脾細胞を用いた検討では,MKT-077は腫瘍細胞に対して濃度×時間依存的な抗腫瘍効果を示した一方,脾細胞に対する細胞障害性は認められず,本剤の腫瘍細胞選択的毒性が示された.In vivoの同一総投与量では,浸透圧マイクロポンプによる持続皮下投与法の方が腹腔内分割投与法よりも有効であった.この持続投与法においてMKT-077は5株中3株に対して有効であった.本剤はミトコンドリアに対する選択的蓄積/抗腫瘍効果という新たな作用機序を有する化合物であり,今後の臨床応用が期待される.lodacyanine化合物よりMKT-077を選択し,in vitroにおけるの集積性およびミトコンドリア障害性の検討を行った.l.flow cytometryによる解析:アフリカミドリザル腎上皮細胞より得られた正常細胞CV-1とヒト大腸癌株CX-1を対象とし,両細胞株とMKT-077とを接触培養後,励気488nm,比色525nmにより細胞中のMKT-077濃度をflow cytometerにより測定した.腫瘍細胞CX-1においては高い取込みが認められたが,正常細胞CV-1における取込みは軽度であった.2.細胞中のMKT-077濃度の経時的推移:このことをさらに明らかにするために,CV-1,CX-1細胞を対象とし,MKT-077と接触培養後,遠沈により細胞ペレットを採取し,エタノールで抽出後,細胞内のMKT-077の濃度をspectrophotometerにより測定した.CX-1細胞では経時的にMKT-077の高い取込みが認められたが,CV-1における取込みは軽微であった.3.ミトコンドリア障害性の検討:SDラットを対象としてMKT-077投与後,肝・腎・心組織を採取し,組織をミンチ後ホモジナイズし,20%STE溶液により遠沈しミトコンドリア分画を採取した.

ミトコンドリアにおける呼吸活性をClark oxygen electrodeを用いてpolarographyにより測定したところ,著明な呼吸抑制が観測された.lodacyanine化合物のin vitro抗腫瘍効果をMTT assayにより検討した。1.lodacyanine化合物MKT-077はヒト大腸癌細胞株C1に対して2496時間の接触時間において濃度依存性の抗腫瘍効果を示し,同一濃度における殺細胞性は時間依存性であった。本剤のin vitro抗腫瘍効果は,濃度×時間に依存することが示された。C1については72時間接触において4.2μg/mlと妥当なIC_<50>が得られたため,他の培養ヒト癌細胞については培養時間を72時間としてIC_<50>を算出した。MKN45,MKN74(胃癌株),Colo205,WiDr,C1,HT29,LS174T(大腸癌株), CRL1420(膵癌株)のIC_<50>は1.714.3μg/mlに分布しており,平均±標準偏差値は8.4±4.6μg/mlであった。2.新鮮手術材料としては胃癌患者の手術切除標本の一部を用い,胃全摘術,脾臓合併切除で得られた脾細胞も対象として用いた。MKT-077のヒト脾細胞に対するIC_<50>は0.34>100μg/mlに分布し,IC_<50>の平均±標準偏差は66.5±37.7μg/mlであった。一方,新鮮胃癌細胞を対象とした時のIC_<50>は0.1663.0%に分布し平均±標準偏差は35.6±17.3%であった。同一患者から採取された胃癌細胞および脾細胞に対するMKT-077の濃度依存的抗腫瘍効果を示した検討では,本剤は腫瘍細胞に対し明らかな濃度依存的な抗腫瘍効果を示したが,脾細胞に対しては有意な細胞障害性は示さなかった。MKT-077のIR_<30>は,胃癌細胞においては50.3±17.7%,脾細胞においては35.6±17.3%であり,両群の間には推計学的に有意な差が認められた(p<0.05,χ^2検定)ヌードマウス可移植性ヒト癌株に対するMKT-077の抗腫瘍効果と副作用について検討した.68週齢,体重2022gのBALB/cAヌードマウスを用い,腫瘍は胃癌株1株(St-4),大腸癌株3株(Co-4,HT29,LS174T)膵癌株1株(CRL1420)を対象とした.エーテル麻酔下のヌードマウスの両側背部皮下に,套管針を用いて3×3×3mm大の腫瘍片を移植し,腫瘍が対数増殖に入った時点で治療を開始した.ヒト大腸癌株Co-4におけるMKT-077の抗腫瘍効果では,MKT-077の7.5mg/kg/日が,14日間腹腔内に投与された群においては対照群と同様な腫瘍増殖が示されたのに対し,浸透圧マイクロポンプ(Alzet社)を用いて同量が持続皮下投与された群では相対平均腫瘍重量T/C値の最小値が59.0%と境界的な抗腫瘍効果が認められた.この結果から,MKT-077の同等量投与においては持続投与の方が間欠的投与よりも抗腫瘍効果が高いと考えられた.また本投与量による毒性は軽微であり,マウスの体重減少や死亡が認められなかったため,HT29,LS174T,CRL1420,St-4 Co-4の5株を対象として,浸透圧マイクロポンプを用いた20mg/kg/day7日間の持続皮下投与を行った.CRL1420,St-4 Co-4の3株については実験期間中の相対平均腫瘍重量T/C値の最小値が42%以下となり有効と判定された.
超並列光ヘテロダイン法によるミリ波実時間映像化に関する研究

電界カメラによるミリ波電界分布の実時間観察を目的として,ミリ波帯の変調光生成手法の研究を行い,波長775nm帯において100GHzのミリ波変調光生成に成功した.この変調光を電界カメラに適用し,100GHzの電界分布の実時間イメージングを実証した。また,電界イメージングの高感度化に向けて,偏光子搭載イメージセンサ画素を試作し,波長633nmにおいて消光比42を達成した.さらに,検出信号の高効率な増幅のため,画素問の差動検出回路を試作し,高感度なミリ波実時間観察のための基礎技術を確立した.電界カメラによるミリ波電界分布の実時間観察を目的として,ミリ波帯の変調光生成手法の研究を行い,波長775nm帯において100GHzのミリ波変調光生成に成功した.この変調光を電界カメラに適用し,100GHzの電界分布の実時間イメージングを実証した。また,電界イメージングの高感度化に向けて,偏光子搭載イメージセンサ画素を試作し,波長633nmにおいて消光比42を達成した.さらに,検出信号の高効率な増幅のため,画素問の差動検出回路を試作し,高感度なミリ波実時間観察のための基礎技術を確立した.本年度は,ミリ波電界の実時間映像化のための基礎技術として,ミリ波変調光生成の研究と,差動検出型イメージセンサの基礎検討を行った.ミリ波電界の実時間映像化においては光ヘテロダイン検波を行うため,ミリ波変調光源が必要となる.高周波変調は光通信で用いられているデバイスで可能であるが,その多くは,波長1.55um帯用に設計されている.本研究で使用するCMOSイメージセンサはSiプロセスにより作製されるため, 1.55um帯の光を検出することはできない.そこで, 1.55um帯において変調後に第2高調波発生器によって波長変換する手法の研究を行った.理論検討により,波長変換後において不要周波数成分が低減される変調手法を明らかにし,実験によって原理実証を行った.これにより,光ヘテロダイン検波に適した波長775nm,周波数間隔100GHzの変調信号生成に成功した.ミリ波映像化装置では検出感度の改善が課題となる.本装置では,信号検出としてレーザーを使用するが,光源には強度雑音成分が含まれる.これは差動検出手法により低減することが可能であるが,通常のイメージセンサを用いた装置構成では実現が困難であった.そこで,差動検出を単一素子で実現するCMOSラインイメージセンサの提案と基本設計を行った.センサに内蔵された差動増幅器により,対称に配置された画素間の光強度の差分を検出することにより,雑音成分の低減と検出信号オフセット除去を行うことで高感度化を図るものである.平成21年以降,試作素子における検証を予定している.本年度は,ミリ波電界の実時間映像化における周波数帯域拡張および高感度化を目的とし,シングル・サイドバンド光変調器を用いたミリ波変調光生成の研究と,差動増幅型イメージセンサの設計を行った.昨年度までにミリ波電界の実時間映像化に必要となる光ヘテロダイン検波用高原として、変調周波数100GHz、波長775nmの変調光生成手法の基本原理を実証した。ただし、変調スペクトルの制御を行なうためにバンド・パス・フィルタを用いており、適用可能な周波数帯域が限られていた。本年度は,新たに光フィルタを用いない変調手法について、理論的な検討を行い、入れ小型のマッハ・ツェンだ干渉計構造を有するシングル・サイドバンド光変調器を用いて実現可能であること見出した。本手法では、変調光の変調周波数は入力信号の周波数に対して4逓倍となる。すなわち、所望の周波数に対して低周波数の安価な増幅器が利用できる。実際に実験による検証を行い、マイクロ波帯およびミリ波帯において2トーン変調光信号を得られることを実証した。イメージセンサにおける感度向上手法として、差動増幅器を有するイメージセンサの設計を行った。提案する電界の映像化手法では、測定対象である微弱な電界信号によって光を変調しイメージセンサで検出するため、出力信号は信号振幅に対してオフセット成分が10^2以上と大きくなる。差動増幅器によって、オフセット成分を除去し、信号成分を増幅するための差動増幅器を有するイメージセンサを試作し、テストチップによって差動増幅機能の確認に成功した。ミリ波電界イメージング装置では,電気光学結晶のポッケルス効果を利用することによって測定対象となる高周波電界がプローブ光の偏光変調へ変換され,イメージセンサによって検出される.本年度は,電界イメージングの高感度化にむけて,検出器となるイメージセンサの試作を行った.従来の電界イメージングにおいては,外部の偏光素子を用いて偏光変調を強度変調に変換していた.イメージセンサ画素上に偏光子を搭載することで複数の偏光方向を一括して得ることができる.それぞれの出力を差動検出することにより,感度向上が期待される.先端の65nmCMOSLSIプロセスの配線層を用いて金属グリッド偏光子を設計し,これを統合したイメージセンサを作製した.金属グリッド偏光子は周期が波長よりも十分小さくなければならないが,先端プロセスにより達成することができる.搭載した偏光子により,波長633nmにおいて消光比40以上を達成した.これにより,電界イメージングの感度向上および装置の小型化の可能性が示された.

高周波電界の電気光学結晶への印加による微弱な偏光変化を検出するため,画素間の差動検出を実現するイメージセンサの設計を行った.互いに直交する偏光子を搭載した画素列の2列を一組として,列間の差動増幅信号を得ることにより,偏光変化文の信号のみを増幅し,高感度検出が可能となると期待される.イメージセンサを試作し,列間に配置した差動検出増幅回路により差分信号を得ることに成功した.