hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
半導体レーザ励起マイクロチップ固体レーザの横モード制御と応用技術に関する研究

半導体レーザダイオード(LD)励起薄片マイクロチップ固体レーザを舞台に、新たな手法に基づく発振横モードの制御法の開発と応用技術に関する研究を推進した。各種固体レーザ材料について、LD端面励起大口径薄片レーザおよび小型共振器構成(マイクロチップ)レーザにおいて特徴的に発現する発振パターンと付随するスペクトル・偏光特性並びに動的効果を系統的に明らかにした。横モードの人為的制御および新奇光渦(ボルテックス)・光渦アレーレーザビーム発生手法を開発した。これらの発振パターン制御の研究と並行して、LD励起自己混合マイクロチップ固体レーザ計測装置の高性能化および応用範囲の拡大を達成した。研究計画書に則り、平成20年度は、高効率な半導体レーザ(LD)励起固体レーザ用材料として有望なNdやYbを高濃度ドープしたセラミックを対象に、横モード制御の研究を遂行すると共に、自己混合レーザ計測へ応用し、更なる高光感度化を図った。以下の成果が得られた。横モード制御(1)平均グレイン・サイズが1μm程度の微粒Nd:YAGセラミックレーザをLDにより端面励起することにより、単一周波数、直線偏光の基本横モード(TEM_<00>)発振が達成された。グレイン・サイズが数10μmのセラミックレーザにおける局所横モードへの分裂が高密度に存在するグレイン境界で熱歪が劇的に緩和されることを偏光特性の解析より明らかにした(成果リスト中のLaser Physics Letters論文)。(3)薄片LNPレーザの大口径非対称LD励起により、Ince-Gauss (IG)モードペアの生成と非線形相互作用に基づく、光渦アレービームの自己生成を発見し、理論的に再現した(Optics Letters論文)。また、この光渦生成原理を応用し、多重ピンセット用光渦アレーを制御性良く生成する手法を考案し、理論的に検証した(Optics Express論文)。応用技術-自己混合レーザ計測(1)LD励起薄片Nd:GdVO_4レーザ、3チャンネルの周波数シフト光帰還系およびFM検波器で構成される多点・3次元測定用の自己混合レーザ計測装置を構築し、一台のレーザにより、(1)3つの独立したnm振動ターゲットの実時間同時計測、(2)ブラウン粒子の3次元運動計測、および(3)流体の速度ベクトル計測、を達成した(Applied Optics論文)。(2)蛍光寿命がNd系レーザより10倍長く、蛍光対光子寿命比に比例する自己混合変調度の増強が見込まれるYb系固体レーザを検討した。Yb:YAGセラミックレーザを用いたドップラー速度計測の実験により、計測のS/NがNd:GdVO_4レーザに比べて20dB向上することが検証され、量子雑音効果を取り入れた理論解析により再現された。Yb:YAGを組み込んだ自己混合振動計を構築し、-120dBの光強度帰還率の下で、現実に不可避な環境振動に埋もれた10nm振幅のピエゾ振動の検出に成功した(Japanese Journal of Applied Physies論文:掲載予定)。研究計画書に則り、平成21年度は、半導体レーザ(LD)励起マイクロチップ固体レーザの発振パターン制御と光渦生成技術及び自己混合レーザ計測技術の高度化を中心に研究を遂行し、以下の成果が得られた。横モード制御(1)平均グレイン・サイズが1μm程度の微粒Nd:YAGマイクロ共振器セラミックレーザを直線偏光LDにより軸ずれ/斜角励起することにより、実効利得の偏光依存性、及びセラミック媒質の熱レンズ効果を介した発振ビームの曲がりにより、ベッセル・ガウス並びにマシュー・ガウスビームでの自己発振を見出した。微粒子を長い距離に亘ってトラップできる非回折ビームの生成として意義が大きい(成果リスト中のLaser Physics Letters論文).(2)LD軸ずれ励起法によるインス・ガウスモードの選択発振を実現し、自作の回転制御型非点収差モード変換器により、多様な形状(正方形、長方形、楕円)と空間的に分離した位相特異点(線状・格子状配列)を有する新規光渦ビームの生成に成功した.微粒子運動制御の自由度を拡大した点に意義がある(CLEO-Pacific Rim論文).(3)蛍光異方性ない方向に切り出したc-cutのNd:GdVO_4結晶を用い、LDにより軸ずれ/斜角励起することにより、直交偏光したインス・ガウスモードペア間の横モード同期現象を介した「空間-偏光もつれ発振」を見出し、理論的に再現した.ベクトル特異点を有するコヒーレント状態と考えられる(Optics Express論文).自己混合レーザ計測(1)自己混合レーザのキラー・アプリケーションとして、多数のブラウン粒子の運動を一個の仮想粒子の運動に集約して計測する手法を開発し、仮想粒子と実粒子充填液の間に成立するスケール則を見出した.

また、仮想粒子の平均自乗変位より、正確に実粒子の拡散係数が求めうることを検証した(Applied Physics Letters論文).(2)鞭毛により自発運動するプランクトンの運動を補足し、平均速度や個体サイズを非修飾で定量的に計測することに世界で初めて成功した(Applied Optics論文).これまで(平成2021年度)の研究経過を踏まえ、最終段階の研究を遂行し、以下の成果が得た。横モード制御(1)前年度までに得られた、マイクロチップ固体レーザにおける横モードパターン生成・制御に関する総合報告(招待論文2件)をマックス・プランク複雑系物理研究所でのワーク・ショップで行った。(2)平成21年度に発見した、SU(2)コヒーレント状態の巨視的Analogueであるベクトル特異点を有する「空間-偏光もつれ」レーザ発振の崩壊のシナリオを実験的に見出し、軸ずれ励起による"利得導波モード"と光共振器による"幾何学的導波モード"の競合に基づく、動的不安定性の発現を検証した(Optics Letters論文)自己混合レーザ計測(1)「空間-偏光もつれ状態」で発振するマイクロチップ固体レーザを用いて、自己混合レーザドップラー速度(Laser Doppler Velocimetry ; LDV)計測を行い、もつれ状態を形成するIGモード対の電界強度比(即ち、偏光もつれ度)の増加に伴い、自己混合変調度が大幅に増加することを見出した。直線偏光で発振するレーザに比べ、自己混合LDV信号強度が10dB以上大きくなることが実験的に確認され、偏光もつれレーザの自己混合レーザ計測への応用可能性が開けた。現在、理論的検証を行っている。(2)報告者(大塚)が1979年に発見した、薄片固体レーザにおける自己混合変調効果の原理と、我々が10年来、東海大学において行った自己混合レーザ計測技術とその将来展望をレビューした総合報告(招待論文)をSensors(Online Journal)に発表した。
消滅していく城下町の水路と池庭の名残りや記憶の残し方

本研究は都市固有の景観を形成している要素として、城下町に残る水路網、池がある庭園、緑の景観に焦点を当て、その地域固有の景観の保全状態を調査し、困難な場合には、さらにその名残や記憶の残し方を調査研究していくものである。今年度は、主に長野市松代町の現状を調査した。松代城下町にはほぼ全域に江戸時代由来の水路網が残り、また城下町南部と東部を中心に武家屋敷地が多く残されていた。現状調査の結果、屋敷地が消えてミニ開発が行われ新たな住宅地に変化している区画が、新たに3カ所確認された。武家屋敷地は1軒が約800坪あるので、開発しやすい。水路網だが、大きな変化はなかった。ミニ開発が行われた場所だけ、水路の場所が変わっていた。池のある庭だが、ミニ開発された場所を中心に失われた。城下町全体でみると、水路や池庭を中心に城下町の特徴が保全されていると言えるのが、代官町、竹山町、松山町の3町であり、表柴町や裏柴町ではほぼ失われてきたことがわかった。景観的な側面では、この2町では通りから見える庭木の緑が減少した。他の城下町だが、群馬県甘楽郡甘楽町小幡では変化はなかった。武家屋敷である松浦家庭園は発掘調査され、景観を取り戻していた。長崎県雲仙市国見町神代地区、さらに島原市でも変化はなかった。庭園も水路も以前と同じ状態であった。福岡県柳川市では、小さな水路に水が流れなくなったところもあり、庭園の池に水が入らなくなってきた場合も見受けられた。大きな堀は別として、特に小規模の水路と池が少しずつ消滅している状態であった。これらの調査結果は、平成31年度秋の庭園学会で発表する予定である。やや遅れている。長野市松代町の調査は順調だが、福岡県柳川市と長崎県雲仙市、島原市を調査した時、大雨であり、よく確認できなかった場合がある。2019年度は、各城下町における現在の課題とその対策を調査する時に、補足の現状調査を行っていく。2019年度は、人口減少と高齢化が進む社会において、地域固有の景観と環境、他の文化資産との関連を重視しながら、各城下町の現状の課題を整理するとともに、各都市でどんな対策がとられているのか、対策とその効果をまとめる。また、現状の水路や庭池が消滅せざるをえない場合、どのようにしたら水路や庭池の跡を痕跡でも残せる可能性があるのか、消滅した場所の実態を把握し、残し方の可能性を探っていく。やや遅れている。
盲導犬ロボットの開発

研究の目的は盲導犬ロボットを試作し、視覚障害者に本当に役に立つ歩行補助装置は何かを明らかにすることである。ロボットは電動車椅子に環境を理解するためのセンサーと電子地図を載せ、障害物を回避しつつ視覚障害者を道案内するロボットである。本研究による成果は次の通りである。1)画像処理とDGPSをベースとする盲導犬ロボット「晴信7号機」を開発し、大学構内の走行実験や知能ロボットシンポジウム(1997年1月、川崎産業振興会館)、8th Int'l Symp.of Robotics Research(葉山,1997年10月3-7日)の公開デモで自律走行に成功した。2)ソナーをベースとする盲導犬ロボットを開発し、視覚障害者の歩行を研究している心理学者が被験者になって評価し、盲導犬ロボットの有効性を実証した。3)足のリズムを歩行者のサインパターンとして画像処理で検出するシステムを開発した。4)自動車の真下の陰を自動車のサインパターンとして画像処理で検出するシステムを開発した。このシステムで交差点を通過する自動車の位置と速度を検出し、交通規制に基づいて進路を予測し、危険度を判定するシステムを開発した。T字路で実験した結果90%の確率で危険度を予測できた。5)パルスコードで変調した超音波を送信し、物体からの反射波と送信波の相関をとって距離を計測するソナーシステムを開発した。トラックや建築機械等が出す騒音に強いことを実証した。また複数のソナーシステムのパルスコードを変えることによって同時計測が可能なことを実証した。画像ベースの盲導犬ロボットを2台、ソナーベースの盲導犬ロボットを2台開発した。また、盲導犬ロボットの移動速度、ピッチ角、ロ-角、ヨ-角などの計測のため、軽4輪車を改造した特種車両(スズキ(株)製)を購入した。主な研究実績は次の通りである。1)交差点の車両の実時間危険度判定システムを開発した。このシステムは交差点の左右の道路を見るための広角レンズのビデオカメラと、交差点の前方の道路を見るための望遠レンズのビデオカメラを有し、車両の真下の陰をサインパターンとして検出し、車両の位置方位から危険度を判定する。晴天の陰のある道路画像で実験して、前方から来る車両は85%、左から来る車両は95%、右方から来る車両は50%の割合で危険度の判定に成功した。2)屋外の騒音に影響されず、複数の方向の測距を並列同時に行う目的で、2値パターンで変調した超音波で距離を計測するソナーシステムを開発した。このソナーを使って縁石をサインパターンとする走行を実現した。3)ロボットの走行制御部1台のDOS/Vマシン(6W)で実現した。それに画像処理ボード(日立(株)、IP2000、8W)を挿入し、1台のDOS/Vマシンで走行制御と画像処理が可能になったので、消費電力が大幅に削減され、ロボットはバッテリで動くようになった。4)ロボットの移動に必要な機能をモビリティt、オリエンテーション、ナビゲーションに要約し、モビリティの機能を推測航法と5つのソナーによる障害物回避機能で実現した。5)国際ハイテクフォーラム大阪`95(平成7年11月27、28日)において盲導犬ロボットの公開デモを行った。盲導犬ロボット「晴信6号機」を開発し、1997.1.24-25に川崎市産業振興会館で開かれた知能ロボットシンポジウムにおいて公開デモを行った。1)軽量小型コンパクト:電動車椅子にビデオカメラ、DGPS受信機、光電センサーを搭載し、人が乗ることのできる軽量小型コンパクトのロボットを開発した。電動車椅子付属のバッテリで3時間動作する。2)リアルタイムOS:画像処理モジュール、センサーモジュール、走行制御モジュール、ナビゲーションモジュールを1台のDOS/Vマシン、リアルタイムOSで実現した。このことで分散システムに有りがちな通信のオーバヘッドとトラブルを解決した。

3)DGPS:横浜市鶴見区にある基準局から送られてくるGPSの補正を無線電話で受信し緯度経度を計測した結果、24mの精度が得られた。ただし、周囲に高いビルや樹木があり人工衛星の電波が捕捉出来ないところでは位置決めは出来ない。従って、DGPSはロボットが交差点や広場などでの位置決めに役立つ。4)歩道環境の画像処理:画像処理で歩道のサインパターンを検出しようとすると、タイル舗装の歩道のマルチエッジの問題や点字ブロックの雑音的エッジの問題がありうまくいかない。そこで、マルチエッジに対しては、エッジの両端の明度をサインパターンの同定に使い、点字ブロックの検出にR-Bの色差を利用する方法を開発し屋外走行実験に成功した。平成8年度に開発した盲導犬ロボット「晴信6号機」の評価をした。新たに2眼ステレオシステムを有する盲導犬ロボット「晴信7号機」を開発した。1)「晴信6号機」を用いて、大学構内に設けたテストコースで視覚障害者の道案内の実験を行った。視覚障害者の評価は、ロボットが電子地図を持っており、それによって誘導するので歩行が容易であり、またビデオカメラで人や障害物を検出しロボットが一時停止するので安全であるという肯定的評価であった。問題点としてハンドルの高さが固定していることで、視覚障害者の身長に合わせて変えるべきという指摘を受けた。2)医科大眼科学講座教授より糖尿病や網膜色素変成症などで中途失明する人が毎年5000人いるが、盲導犬ロボットはこの中途失明者の歩行に役立つという評価を得た。そのためには、狭いところを通り抜けられるようにロボットを小型化し、屋外の悪環境下でも移動できるように防水・防振・電磁波対策をし、周囲の晴眼者に目立ちかつ親しみを感じさせる意匠デザインにするべきであるという指摘を受けた。4)8th Internatinal Robotic Research(1997.10.4-7,葉山)で「晴信6号機」による公開デモを行った。デモは成功であったが、地図を作るため土木測量機の光波距離計で十数点を計測したが1時間を要し効率が悪かった。計測を自動化する必要がある。5)Diffrential GPSは周囲にビルや街路樹がある環境では出来ない場合が多く、盲導犬ロボットにはあまり役立たないことがわかった。6)「晴信7号機」のステレオシステムを評価した。路面の模様や陰と高さのある物体の識別が出来て障害物検出に役立つが、道路や歩道の縁石の検出は難しいことがわかった。
伝導キャリア分光法の開発と高温超伝導体応用

本研究では,申請者らの研究室で開発したパルスレーザー光を用いた過渡熱起電力効果(TTE)測定法の一層の発展を目指し,試料に静電場や磁場を印加することにより,過渡熱磁気効果,過渡ホール効果測定などを総合した新しい動的測定法として伝導キャリア分光装置を開発し,これを用いて高温超伝導体や種々のマルチ伝導キャリア系の伝導機構を解明する。本年度に以下のことを明らかにした。1.分光装置の改良を行うため,パルスレーザーとして波長可変(690-1,320nm)かつ繰返し発振可能な,Nd : YAGレーザーを励起光とするTi:サファイア・フォレステライト・レーザー光源,光学系,クライオスタット,検出系・制御系などを整備した。この測定系を用いて,現在テスト試料としてGaAs結晶のTTE測定を行い,波長を可変することによる興味ある新しい情報が得られつつある。2.1.nsまでの高速微弱信号を検出するためのデジタルオシロスコープ(購入)を導入して検出系の改良を行うとともに,ビームスプリッターを用いてレーザー強度を従来1/10以下に下げた。これらの改良により,p型GaAs結晶のTTE信号の数ns-数10nsにわたる高速過程が精度よく測定可能となった。3.最近注目されている種々の分子性導体のうち,DMe-DCNQI分子のシアノ基が銅金属イオンと配位結合して架橋したDCNQI-Cu錯体について,広い温度範囲にわたりTTE測定を行った結果,いくつかの緩和過程が観測され,フェルミ面等に関する興味ある情報が得られつつある。ただし,このTTE電圧は極めて微弱なため,デジタル・ストレージコープで200-500回積算操作を行った。4.更に,ターボ分子ポンプを用いた現有の高真空装置に電子銃を組込んだ電子ビーム蒸着装置を改良・整備し,現在これを用いてGaAsの基板上にテスト試料としてモリブデン酸化物の蒸着実験を試みている。本研究では,申請者らの研究室で開発したパルスレーザー光を用いた過渡熱起電力効果(TTE)測定法の一層の発展を目指し,試料に静電場や磁場を印加することにより,過渡熱磁気効果,過渡ホール効果測定などを総合した新しい動的測定法として伝導キャリア分光装置を開発する。これを用いて,高温超伝導体や種々のマルチ伝導キャリア系の伝導機構をダイナッミックな観点から解明する。高温超伝導体や電荷密度波転移を示すモリブデン酸化物等の薄膜は,電子ビーム蒸着装置で製作する。1.波長1060nmのパルスレーザー光源装置を用いて,ビスマス,高温超伝導体YBa_2Cu_3O_<7-8>,η-Mo_4O_<11>,ビスマステルル化合物などのマルチ伝導キャリア系のTTE測定を行い,これらの物質系のバンド構造,伝導機構など多角的な電子物性を解明した。2.分光装置の改良を行うため,パルスレーザーとして波長可変(690-1,320nm)かつ繰返し発振可能な,Nd:YAGレーザーを励起光とするTi:サファイア/フォレステライト・レーザー光源,光学系,クライオスタット,検出系・制御系などを整備した。

3.種々の酸化物薄膜を作製するため,ターボ分子ポンプを用いた現有の高真空装置に電子銃を組込んだ電子ビーム蒸着装置を整備し,現在これを用いて石英ガラス,GaAs,Siなど色々の基板上にテスト試料としてモリブデン酸化物の蒸着実験を試みている。本研究では、申請者らの研究室で開発したパルスレーザー光を用いた過激熱起電力効果(TTE)測定法の一層の発展を目指し,試料に静電場や磁場を印加することにより,過渡熱磁気効果,過渡ホール効果測定などを総合した新しい動的測定法として伝導キャリア分光装置を開発し,これを用いて高温超伝導体や種々のマルチ伝導キャリア系の伝導機構を解明する。本年度以下のことを明らかにした。1.分光装置の改良を行うため、パルスレーザとして波長可変(690-1,320nm)かつ繰返し発振可能な,Nd:YAGレーザーを励起光とするTi:サファイア/フォレステライト・レーザー光源,光学系,クライオスタット,検出系,制御系などを整備した。この測定系を用いて,現在テスト試料としてGaAs結晶のTTE測定を行い,波長を可変することによる興味ある新しい情報が得られつつある。2.1.nsまでの高速微弱信号を検出するためのデジタルオシロスコープ(購入)を導入して検出系の改良を行うとともに,ビームスプリッターを用いてレーザー強度を従来の1/10以下に下げた。これらの改良により,p型GaAs結晶のTTE信号の数ns-数10nsにわたる高速過程が精度よく測定可能となった。3.最近注目されている種々の分子性導体のうち,DMe-DCNOI分子のシアノ基が銅金属イオンと配位結合して架橋したDCNOI-Cu錯体について,広い温度範囲に渡りTTE測定を行った結果,いくつかの緩和過程が観測され,フェルミ面等に関する興味ある情報が得られつつある。ただし,このTTE電圧は極めて微弱なため,デジタル・ストレージスコープで200-500回積算操作を行った。4.更に、ターボ分子ポンプを用いた現有の高真空装置に電子銃を組込んだ電子ビーム蒸着装置を改良・整備し,現在これを用いてGaAsの基板上にテスト試料としてモリブデン酸化物の蒸着実験を試みている。
超原子価有機ブロマンの合成とその有機合成反応の開拓

有機化学における新領域、即ち三価の超原子価有機臭素化合物(λ^3-ブロマン)の化学の分野を開拓することが目的である。臭素はその酸化電位が高いため(イオン化電位eV:PhI8.69,PhBr8.98)、三価の超原子価有機臭素化合物の合成は極めて困難である。このためアルキニル基やアルケニル基を配位子とする超原子価有機臭素化合物はこれまで合成されたことが無く、またその反応性についても全く不明のままであった。我々は平成16年度科学研究費補助金により、これまでに合成例の全く無いアルキニル-λ^3-ブロマンの合成反応を開発することに成功した。アルキニル-λ^3-ブロマンークラウンエーテル錯体を合成し、X線結晶解析によりその固体構造も明らかにした。また合成したアルキニル-λ^3-ブロマンは極めて優れたMichael受容体として機能することも明らかにした。平成17年度科学研究費補助金ではオレフィン炭素原子上に三価の臭素置換基を導入したビニル-λ^3-ブロマンの合成を検討し、β-フルオロビニル-λ^3-ブロマンを立体選択的に合成することに成功した。1985年、オレフィン炭素原子上に三価の臭素が結合したビニル-λ^3-ブロマンを溶液中において発生させたという論文がOlahらにより発表されたが、不安定なためその単離・同定には至っていなかった。20年の歳月を経たことになるが、β-ハロビニル-λ^3-ブロマンが初めて合成されたことになる。末端アセチレンにBF_3-Et_2O存在下ジフルオロ-λ^3-ブロマンを作用させると、(E)-β-フルオロビニル-λ^3-ブロマンが立体選択的に生成した。5-chloro-1-pentyneを用いると、dominoλ^3-bromanation-chlorine shift-fluorinationが進行し、(E)-β-クロロ-ω-フルオロビニル-λ^3-ブロマンが高収率で生成した。有機化学における新領域、即ちλ^3-ブロマンの化学の分野を開拓することが目的である。我々は三価の超原子価有機ヨウ素化合物の合成にI(III)-B(or Si, Ge, Sn)交換反応が有効であることを既に見出しており、三価の超原子価有機臭素化合物の合成に本法を適用することを計画した。このBr(III)-B(or Si, Ge, Sn)交換反応を実施するためには、三価の臭素化試剤であるBrF_3が必要となる。BrF_3は極めて強力な酸化剤であり、その取り扱いには細心の注意と特殊な技術が要求される。このため長年にわたりBrF_3の化学を研究し、その合成や取り扱いに独自の手法を開発しているドイツゲルハルドメルカトル大学のFrohn教授と共同研究を行い、三価の超原子価有機臭素化合物(オルガノ-λ^3-ブロマン)を合成することに成功した。我々はこれまでに合成例の全く無いアルキニル-λ^3-ブロマンの合成反応を開発した。具体的には、アリールシランにBrF_3を作用させてまず反応試剤となる超原子価アリールジフルオロ-λ^3-ブロマンを合成した。

次いで、アルキニルシランとアリールジフルオロ-λ^3-ブロマンとの配位子交換反応をBF_3の存在下に実施したが、目的とするアルキニル-λ^3-ブロマンを合成することはできなかった。ところが、アルキニルシランの代わりにアルキニルスタンナンを用いると、高収率でアルキニル-λ^3-ブロマンが生成した。また、アルキニル-λ^3-ブロマンークラウンエーテル錯体を合成し、X線結晶解析によりその固体構造を明らかにした。合成したアルキニル-λ^3-ブロマンは極めて優れたMichael受容体として機能することが明かとなった。アルキニル-λ^3-ヨーダンにp-トルエンスルホン酸ナトリウムを作用させてもそのMichael付加は全く進行しないが、アルキニル-λ^3-ブロマンを用いると緩和な条件下にMichael付加が進行する。より求核性の低いトリフルオロメタンスルホン酸ナトリウムやP-トルエンスルホン酸のMichael付加も進行した。極めて興味深い結果である。有機化学における新領域、即ち三価の超原子価有機臭素化合物(λ^3-ブロマン)の化学の分野を開拓することが目的である。臭素はその酸化電位が高いため(イオン化電位eV:PhI8.69,PhBr8.98)、三価の超原子価有機臭素化合物の合成は極めて困難である。このためアルキニル基やアルケニル基を配位子とする超原子価有機臭素化合物はこれまで合成されたことが無く、またその反応性についても全く不明のままであった。我々は平成16年度科学研究費補助金により、これまでに合成例の全く無いアルキニル-λ^3-ブロマンの合成反応を開発することに成功した。アルキニル-λ^3-ブロマン-クラウンエーテル錯体を合成し、X線結晶解析によりその固体構造も明らかにした。また合成したアルキニル-λ^3-ブロマンは極めて優れたMichael受容体として機能することも明らかにした。平成17年度科学研究費補助金ではオレフィン炭素原子上に三価の臭素置換基を導入したビニル-λ^3-ブロマンの合成を検討し、β-フルオロビニル-λ^3-ブロマンを立体選択的に合成することに成功した。1985年、オレフィン炭素原子上に三価の臭素が結合したビニル-λ^3-ブロマンを溶液中において発生させたという論文がOlahらにより発表されたが、不安定なためその単離・同定には至っていなかった。20年の歳月を経たことになるが、β-ハロビニル-λ^3-ブロマンが初めて合成されたことになる。末端アセチレンにBF_3-Et_2O存在下ジフルオロ-λ^3-ブロマンを作用させると、(E)-β-フルオロビニル-λ^3-ブロマンが立体選択的に生成した。5-chloro-1-pentyneを用いると、domino λ^3-bromanation-chlorine shift-fluorinationが進行し、(E)-β-クロロ-ω-フルオロビニル-λ^3-ブロマンが高収率で生成した。
標高傾度にそった樹木の成長に対する温暖化の影響予測

現在,温暖化の植生分布への影響が懸念されている.特に山岳環境である日本では標高傾度にそった植生が変化するが,温暖化は標高傾度にそった植生分布を変化させる可能性がある.申請者は長野県乗鞍岳において,植生分布に対する温暖化の影響予測を行うため,以下の3課題について研究を行った.(1)鞍岳の標高傾度にそった植生調査:各植物種の分布域を明らかにするため,標高800mから山頂付近の3000mまで植生調査を行った.その結果,山地林,亜高山帯針葉樹林,ハイマツ林などのような植生区分に対応して木本植物は変化した.しかし草本植物の変化の仕方は木本植物とは対応していなかった.(2)標高傾度にそったダケカンバの肥大成長に及ぼす気象の影響:森林限界に位置する分布上限(標高2500m)では,夏期の気温が高い年に成長の増加がみられた.この結果は森林限界は冷涼な環境であるためと思われる.逆に分布下限(標高1600m)では,夏期の気温が高く,そして降水量の少ない年に成長が減少していた.これらの結果から温暖化は分布下限の個体に乾燥ストレスをもたらす可能性があることを示唆した.(3)標高傾度にそった水分生理学的研究:分布下限ほど乾燥ストレスが高いかどうかを,木本4種について検討した.測定した水分生理に関するパラメータは,葉の水ポテンシャル,気孔密度・気孔サイズ・気孔コンダクタンス・そして水ストレスと相関のある葉の炭素安定同位体比である.その結果,夜明け前の水ポテンシャルと気孔コンダクタンスの日最大値は標高が高い方が高い値を示す傾向は見られた.しかし,気孔サイズや気孔密度は標高傾度にそってほとんど変化しなかった。以上の結果から,分布下限ほど水分ストレスが高い傾向が認められたが,葉の形態(気孔密度など)に影響するほど高くはないと考えられた.温暖化が標高傾度にそった樹木の成長に対して,どのように影響を及ぼすかを明らかにするために,年輪年代学的手法,および水分生理学的手法を用いて研究を行った.亜高山帯の代表的樹種であるダケカンバを材料に用いた.今年度おこなった研究は以下の3点である.第一に,山地帯から高山帯に至るまで,草本植物も含めて各植物の分布上限下限を調べるため,乗鞍岳の標高800mから標高3000mまで植生調査を行った.このような詳細な植生調査は乗鞍岳では今までなかったため,今後の研究の貴重な資料となる.第二に,標高2400mにおける分布上限のダケカンバの肥大成長におよぼす気象の影響を解明した.その結果,分布上限では夏季の日射量不足が成長を阻害していることを解明した.森林限界付近では夏季に霧や雨が多い気象環境のためと考えられる.標高1600mの分布下限のダケカンバの肥大成長は,むしろ降水量不足による乾燥ストレスが肥大成長の阻害要因となっていため同一種でも分布上限と下限では明らかに異なる気象条件が成長に影響していることを解明した.そして第三に,分布上限と下限のダケカンバの気孔密度,および気孔コンダクタンスを測定した.その結果,標高傾度にそって気孔密度はほとんど変化することはなかったが,気孔コンダクタンスは明らかに分布下限のほうが低かった.このことから,分布下限のダケカンバでは水分ストレスが強いことが示唆された.以上の結果は,今後,論文として発表する予定である.一番目の植生調査は現在,投稿準備中であり,二番目の分布上限におけるダケカンバの肥大に成長に関する研究は,現在投稿中である.また,三番目の気孔コンダクタンスに関する研究は今後,水分ポテンシャルなども測定した後に投稿する予定である.現在,温暖化の植生分布への影響が懸念されている.特に山岳環境である日本では標高傾度にそった植生が変化するが,温暖化は標高傾度にそった植生分布を変化させる可能性がある.申請者は長野県乗鞍岳において,植生分布に対する温暖化の影響予測を行うため,以下の3課題について研究を行った.(1)鞍岳の標高傾度にそった植生調査:各植物種の分布域を明らかにするため,標高800mから山頂付近の3000mまで植生調査を行った.その結果,山地林,亜高山帯針葉樹林,ハイマツ林などのような植生区分に対応して木本植物は変化した.しかし草本植物の変化の仕方は木本植物とは対応していなかった.(2)標高傾度にそったダケカンバの肥大成長に及ぼす気象の影響:森林限界に位置する分布上限(標高2500m)では,夏期の気温が高い年に成長の増加がみられた.この結果は森林限界は冷涼な環境であるためと思われる.逆に分布下限(標高1600m)では,夏期の気温が高く,そして降水量の少ない年に成長が減少していた.これらの結果から温暖化は分布下限の個体に乾燥ストレスをもたらす可能性があることを示唆した.(3)標高傾度にそった水分生理学的研究:分布下限ほど乾燥ストレスが高いかどうかを,木本4種について検討した.測定した水分生理に関するパラメータは,葉の水ポテンシャル,気孔密度・気孔サイズ・気孔コンダクタンス・そして水ストレスと相関のある葉の炭素安定同位体比である.

その結果,夜明け前の水ポテンシャルと気孔コンダクタンスの日最大値は標高が高い方が高い値を示す傾向は見られた.しかし,気孔サイズや気孔密度は標高傾度にそってほとんど変化しなかった。以上の結果から,分布下限ほど水分ストレスが高い傾向が認められたが,葉の形態(気孔密度など)に影響するほど高くはないと考えられた.
ダイナミック造影MRIの腫瘍診断におけるパターン認識を用いた血行動態マッピング

ダイナミック造影MRIは、対象組織における造影剤の濃度変化を画像化することで、血管新生により変化する腫瘍の血行動態を定量して機能的変化を評価できるため、腫瘍の診断能向上に役立つものと期待される。しかし、ダイナミック画像から血行動態を求めるには、時系列データに対する動脈入力関数を用いた薬物動態学的解析が必要となり、煩雑な作業が必要な上に定量精度も低い。そのため臨床画像診断での活用度を高めるには、簡便かつ高精度な血行動態評価法の開発が望まれる。そこで本研究では、ダイナミック造影MRIにおける簡便な血行動態マッピング法の開発を試みる。平成30年度は、平成29年度に確立した参照領域を用いた血行動態の定量評価法において、解析に必要となる参照領域を自動的に抽出する手法を検討した。平成29年度に検討した造影剤濃度の時間変化パターンを表す特徴量に加え、解剖学的情報としてT1強調画像の輝度値も用い、混合ガウスモデルやk-means法によるクラスタリングを行うことで、参照領域を自動抽出することができた。次に、提案手法によって自動抽出された参照領域を用い、腫瘍部位および正常部位の血行動態パラメータを算出したところ、手動で参照領域を選択した場合と同様に、腫瘍部位でパラメータ値の有意な上昇が見られた。平成30年度は、ダイナミック造影MRIの濃度の時間変化パターンに加え新たな解剖学的情報等を加えることで、より精度の高い領域分割法の検討を予定していた。現在までに、時間変化パターンを表す特徴量とT1強調画像の輝度値を用いたクラスタリングを行うことで、自動的に参照領域を抽出する手法の確立まで完了しており、おおむね順調に進展していると考えられる。令和元年度は、提案手法を搭載した自動解析システムを作製する。MATLABやPythonなどの汎用性のあるプログラム言語を用いて提案手法を実行するプログラムを作成し、MRI画像を入力すると自動で血行動態マップを作成し、結果を解剖学的画像上にマッピングするソフトウェアを作製する。しかし、ダイナミック画像から血行動態を求めるには、時系列データに対する薬物動態学的解析が必要となり、煩雑な作業が必要な上に定量精度も低い。そのため臨床画像診断での活用度は低く、簡便かつ高精度な血行動態評価法の開発が望まれる。そこで本研究では、時系列データの解析において薬物動態モデルの代わりにパターン認識の技術を導入し、血行動態の特性に応じた時系列データの分類法を開発する。さらに、解剖学的MRI画像を追加して複数画像の相関解析を行い領域分割することで、血行動態マッピングを試みる。平成29年度は、シミュレーションデータおよび骨盤内腫瘍の画像を用い、まずダイナミック造影MRIデータから薬物動態学的モデルを用いて血行動態を定量評価する手法を確立した。この手法では、モデルの入力関数に参照領域の時間濃度曲線を用いることで、血液入力関数を用いる従来法に比べ簡便かつ高い精度で血行動態パラメータを求めることができた。次に、造影剤濃度の時間変化パターンを反映する1次元の特徴量を簡便に抽出し、時間変化パターンに応じて領域分割する手法を検討した。得られた特徴量のマップは、薬物動態学的モデルで求めた血行動態パラメータの分布を反映し、部位による血行動態の相違を視覚的にも評価することができた。平成29年度は、ダイナミック造影MRIの時系列データから血行動態パラメータおよび時間変化パターンを表す特徴量を求める手法の確立を予定していた。現在までに、シミュレーションデータおよび骨盤内腫瘍の実データを用いて、参照領域を用いた動態解析モデルによる血行動態パラメータの定量法の確立、および時間変化パターンを反映する特徴量抽出法の検討、特徴量を用いた血行動態マップの作成まで完了しており、おおむね順調に進展していると考えられる。

平成30年度は、平成29年度に確立したダイナミック造影画像の血行動態パラメータおよび時間変化パターンの特徴量に加え、解剖学的情報を表すT1強調画像の輝度値等を用いてクラスタリングを行うことで、骨盤領域を腫瘍、健常部位、筋肉、脂肪などに領域分割する手法を検討する。また、その結果を基に、最適な参照領域の抽出法を確立する。令和元年度は、提案手法を搭載した自動解析システムを作製する。MATLABやPythonなどの汎用性のあるプログラム言語を用いて提案手法を実行するプログラムを作成し、MRI画像を入力すると自動で血行動態マップを作成し、結果を解剖学的画像上にマッピングするソフトウェアを作製する。当初は大容量データの解析用コンピュータおよびソフトウェアの購入を予定していたが、画像データを大量に扱うのは平成30年度のため、平成30年度に最新バージョンの機器およびソフトウェアを購入する。当初は大容量データ解析用コンピュータおよびソフトウェアの購入を予定していたが、これらを用いた自動解析システムの開発を次年度に行うため、その際に最新バージョンの機器およびソフトウェアを購入する。
腫瘍血管増殖抑制因子アンギオスタチンの作用機序の新たな知見と臨床応用

アンギオスタチン(AG)は、プラスミノーゲン等のクリングル構造を持つ凝固関連因子が、蛋白分解酵素により切断されて生じた分解産物であり、in vivoで癌の増殖を抑制する働きがあることが報告されている。今回我々は、その作用機序と臨床応用をめざした検討をおこなった。ヒト肝癌細胞株の上清を調べた結果、Huh-7細胞には精製プラスミノーゲン(PL)の分解活性が存在していた。その分解酵素の候補であるhumanmacrophagemetalloesteraseはNorthern blottingにてすべての細胞株に発現がみられた。次に、AGを精製して、肝細胞の培養系に加えることでその増殖抑制を検討することにした。まず血漿よりPLを精製し、elastaseによりAGを産生させて分離精製した。次にラット肝臓内皮細胞をコラゲナーゼとパーコール遠心を用いて分離培養し、AGを添加して増殖活性を調べた。その結果、AGは内皮細胞の増殖を抑制し、その作用はbFGF経路に影響を与えていることが判明した。次に、実際に肝癌患者の血中にAGが検出されるかを調べたところ、肝癌患者の30%に存在が確認された。またHepG2細胞において、免疫染色ではアンギオスタチン受容体の候補とされるATP synthaseの存在が示唆された。今後はこの細胞を用いて、AG添加によりcadherinのE→N型変化などの悪性表現系が抑制されるかも調べたい。A:アンギオスタチンの抗腫瘍抑制作用の新たな機序アンギオスタチン(AGS)受容体がATPsynthaseであるとの報告が最近なされた。また、細胞接着蛋白であるカドヘリンの研究において、易転移性の腫瘍ほど、E-カドヘリンよりN-カドヘリンへとその発現の変化が認められている。その病態として、腫瘍のFGF刺激によるメタロプロテネース(MMP)産生の増大が示唆された。まず、人肝細胞癌組織であるHepG2細胞を用いてN-cadherin, E-cadherin, ATPsynthaseに対する抗体による免疫染色をおこなった。その結果このうち, E-cadherinとATPsynthase(AGS受容体)でその細胞膜が染色陽性であったため、HepG2細胞を用いて実験をおこなうことにした。現在、FGF刺激によるMMP活性の増加が、AGS添加により抑制されるか検討中である。またこの活性の増加にともなってN-cadherinの細胞膜上への表出と、E-cadherinの染色性の減少が免疫染色で確認できるか試みている。その確認の後に、AGSの添加によりN-cadherinの細胞膜上への表出が抑制されることを検討する。さらにマトリックスゲルへのHepG2細胞の浸潤のアッセイの条件決めをおこなっている。次にこの浸潤がAGSにより阻害できるかを調べる。これらのデータの集積により、FGFにより腫瘍細胞がMMP活性を増してN-cadherinを表出した転移性形質を獲得することを、AGSで阻害できるか、が判明する。B:受容体との結合部位の同定既に作製されているAGS発現ベクターを用いて、Kringle部分を中心としたdeletion mutantの作製を現在おこなっている。アンギオスタチン(AGS)受容体がATPsynthaseであるとの報告が最近なされた。その結果このうち,E-CadherinとATPsynthase(AGS受容体)でその細胞膜が染色陽性であったため、HepG2細胞を用いて実験をおこなうことにした。FGF刺激によるMMP活性の増加が、AGS添加により抑制されるか検討をおこないデータを解析中である。

またこの活性の増加にともなってN-cadherinの細胞膜上への表出と、E-cadherinの染色性の減少が起きるかを免疫染色により検討している。その後に、AGSの添加によりN-cadherinの細胞膜上への表出(即ち転移能の増大形質発現)が抑制されるかどうかを試みる。また、マトリックスゲルへのHepG2細胞の浸潤のアッセイの条件決めをおこない、この浸潤がAGSにより阻害できるかを調べている。これらのデータの集積により、FGFにより腫瘍細胞がMMP活性を増してN-cadherinを表出した転移性形質を獲得することを、AGSで阻害できるか、が判明する。既に作成されているAGS発現ベクターを用いて、Kringle部分を中心としたdeletion mutantの作成も試みている。
糖蛋白質糖鎖のがん性変化とその臨床応用

前立腺がん患者血中で出現する等電点の高い前立腺特異抗原(PSAと略す)(等電点7.2)と前立腺肥大で出現する等電点の低いPSA(等電点6.9)をヒト精漿中から精製した。それぞれのN型糖鎖を化学的手法で遊離させ、蛍光標識した後構造解析を行なった。いずれもシアル酸を一個(モノシアロ体)と二個(ジシアロ体)含む糖鎖成分から成り立っていた。等電点の高いPSAではモノシアロ体が約80%を占め、一方等電点の低いPSAではジシアロ体が約65%を占めており、予想通りシアル酸含量が両者の等電点の差に反映していることが分かった。さらにシアル酸を除いた糖鎖について、酵素逐次分解法により解析を進めた。その結果、等電点の高いPSAは、結合しているシアル酸が単に少ないという変化ばかりでなく、新たにGalNAcが付加した糖鎖が出現するという大きな母核構造変化が起こっていることが明らかになった。こうした糖鎖構造変化のために、シアル酸が付きにくくなり等電点が高くなっていることが予想された。グリオーマの予後の悪さが指摘されているので、本研究では細胞分化させることで治療しようとする試みを提唱した。細胞表面の糖鎖は、分化誘導因子の受容体として働くことが知られているので、グリオーマC6細胞に糖結合分子であるレクチンを作用させることで分化誘導が可能かどうか検討した。いくつかのレクチンについて調べたが、その中でシロバナチョウセンアサガオレクチンがグリオーマ細胞に対し特異的に分化誘導、つまり手足を伸ばすという形態変化、分化マーカー蛋白質の合成、および増殖阻害を起こすことが分かった。また、この誘導は細胞特異性があり、ニューロン系の細胞には全く影響を及ぼさずグリオーマ細胞に特異的に作用した。
ATP加水分解およびATP駆動タンパク質のエネルギー・水和状態相関解析

高分解マイクロ波誘電緩和分光法(DRS)により、ATP分子の水和層にはアデノシン部に拘束水(CW)、リン酸基部位にCWとハイパーモバイル水(HMW)を検出した。HMWの理論的裏付けとして、水分子の回転エントロピーが荷電粒子周りで高く(木下と共同)、MD計算から荷電イオン周りの水がバルク水より速い緩和をすること(秋山G・松林と共同)を確認した。アクチンの水和層にはCWとHMWがあり、高温でフィラメント化するとHMWの顕著な増加を観測した。この吸熱過程とHMW形成の問に強い相関を見出した。ATPの加水分解エネルギーの物理的実体はいったい何なのか?この究極的問題を解明するため、ATP分解にともなう水の動的状態の変化を調べる。本研究では、「構造」、「ダイナミクス」、「エネルギー論」を統合するエネルギー変換理論の確立を目指して、ハイパーモバイル水(HMW)を軸にした水和の分子論を展開する。具体的には、誘電緩和法によるATPおよびその加水分解産物ADPなどの水和特性を測定し、HMWを含め水和各成分の量的比率を求める。アクチンおよびミオシンの水和状態の特性を誘電緩和法による回転緩和情報とパルス磁場勾配スピンエコー(PFG-SE) NMRによる並進拡散係数から明らかにし、アクトミオシンによるATP加水分解過程の水和特性変化を評価する。また、ATP加水分解過程の反応熱を実験的に再検討する。これらの結果をもとに、溶液化学・統計熱力学の理論家と共同して自由エネルギー変化の内部構成(内部エネルギー項、エントロピー項)を解析し、ATP加水分解エネルギーの物理的描像を構築する。ATP加水分解の自由エネルギーにおける水和の寄与を知るために、リン酸およびADP, ATP, NaH2PO4およびNa2HPO4等の水和状態を調べた。まず、スペクトル測定条件(濃度、イオン強度)におけるpK値をpH滴定によって測定し、スペクトルデータをごく最近開発した方法(J.Phys.Chem.A 2008)により水和層の総体積と誘電スペクトルを抽出し、複数のデバイ緩和成分に分解した。その結果を誘電緩和周波数で特徴づけられる水和各誘電緩和成分の量的比率を求めた。つぎに、PFG-SEプロトン-NMRによるヌクレオチドおよびピロリン酸水溶液の水の拡散係数測定を行う準備を進めている。誘電緩和分光が水分子集団の回転緩和特性を観るのに対して、パルス磁場勾配スピンエコー法(PFG-SE)では、水分子の並進拡散特性を調べることができる。実際はプロトンの拡散係数を測るが、水中でほとんどのプロトンが水に結合しているため水の拡散係数とみなせる。これまでポリアイオネンやポリビニル硫酸カリウムなどの水溶液中でバルクの水中より顕著に高い水の拡散係数が観測した。この測定の再現性を高めるため、試料セルのばらつき、溶液量の誤差の拡散係数測定に及ぼす影響を調べた。アクトミオシンタンパクの精製では、誘電緩和分光測定に供するための10mg/ml以上の高濃度の数mLのアクチンおよびミオシンS1溶液を作成し、水和測定のための誘電緩和分光測定を開始した。これまで、タンパク試料溶液に対してその透析外液を参照溶液とする方法を試みてきたところであるが、タンパク質溶液側の塩濃度が外液と異なる状況が発生するため、その対策を進めている。本研究計画全体の目的は、ATPの加水分解エネルギーの物理的実体を解明するため、APT分解にともなう水の動的状態の変化を調べることである。今年度、誘電緩和法によるATPおよびその加水分解産物ADPなどの水和特性を測定し、HMWを含め水和各成分の量的比率の測定を行った。また、アクチンおよびミオシンS1の水和状態の特性を誘電緩和法による回転緩和情報とパルス磁場勾配スピンエコー(PFG-SE) NMRによる並進拡散係数測定を行った。その結果、アクチンフィラメント周りの水の並進拡散係数はバルクの水のそれを上回る値を示した。一方でアクチンモノマーの状態では、そのような顕著な変化は見られなかった。また、アクチンフィラメントにミオシンS1を結合させると、水の並進拡散係数はアクチンフィラメントのみの場合に比べさらに大きくなり、アクトS1の水和状態は、並進運動性の高い水が増加した状態にあるとの結果を得た。これは、誘電緩和分光法で得た結果とコンシステントである。この結果は、現在論文にまとめ投稿準備中にある。次に、ミオシンATP加水分解の中間状態を測定するためAMPPNP添加時のミオシンS1の水和状態を調べている。現在添加物効果の補正処理を進めている段階にある。滴定熱量計によるATP4Na塩の酸滴定によるプロトネーションの熱測定をおこなった。これはATP加水分解時にプロトン放出が付随して送る効果を知るためである。誘電緩和分光実験では、ヌクレオチドおよびその単純モデルとしてのリン酸塩の水和特性を測定した。

中和度の違いによる水和状態の違いを明らかにすることができた。これは論文にまとめ投稿準備中である。21年度に引き続き、ヌクレオチドのPFG-SE NMRによる水拡散係数を測定を進めている。目的1 ATPからADPとリン酸に分解する反応前後での自由エネルギー変化の中で、各熱力学量変化の物理的実体の一つ水和状態の変化の解明成果:a)ATP,ADP,AMP,およびリシ酸の水和状態をマイクロ波誘電緩和分光により水和水の回転緩和特性と緩和強度等の各水和特性を明らかにした。b)反応前後の物質が水と相互作用時のエンタルピーの測定、ATPのp酸解離反応を尿素等(共溶媒)の存在下で滴定熱量測定を進めた。この途中で東日本大震災にあい、この測定の一部は23年に実施した。c)木下の統計力学的手法により溶媒分子より大きな高荷電粒子の周りにはバルクの水より回転エントロピーの高い領域が形成されることを示した。ハイパーモバイル水の理論的根拠となる。/目的2アクチンとミオシンの相互作用時、ATP加水分解時の水和状態変化の解明b)ミオシンのモータードメインS1におけるATP分解過程において、誘電緩和分光法によりタンパク質で影響を受けた水の領域の大きさの変化と水の回転運動性の変化を明らかにしつつある。c)PFG-SEH-NMRおよび蛍光色素の回転運動性の測定からATP存在下のアクチン重合により水溶液中の水の拡散係数(並進運動性)がバルク水より顕著に高いことを示した。d)アクトミオシン運動の駆動力として木下・岩城と共同で水のエントロピー力の重要性を示した。研究の目的:ATPの加水分解エネルギーの物理的実体を解明するため、ATP分解にともなう水の動的状態の変化を調べる。本研究では、ハイパーモバイル水(HMW)を軸にした水和の分子論を展開する。具体的には、誘電緩和法によるATPおよびその加水分解産物(AD)Pなどの水和特性を測定し、HMWを含め水和各成分の量的比率を求める。アクチンおよびミオシンの水和状態の特性を誘電緩和法による回転緩和情報とパルス磁場勾配スピンエコー(PFG-SE)NMRによる並進拡散係数から明らかにし、アクトミオシンによるATP加水分解過程の水和特性変化を評価する。また、ATP加水分解過程の反応熱を実験的に再検討すること。研究実施内容:(1)誘電緩和分光、PFGSE-NMRによるアクトミオシンの水和状態解析水和状態(拘束水量とハイパーモバイル水量というこれまでにない2元の水和情報)の変化を誘電緩和分光法で明らかにした。ミオシンS1が結合するときの水和状態の変化、ヌクレオチド存在時のミオシンの水和状態の解析を通じて、ATP加水分解過程における水和特性を測定した。現在付随的な信号要因の検討を行っている。(2)滴定熱量測定によるミオシンとヌクレオチド結合熱の測定を行い、共溶媒(尿素)の影響として結合エンタルピー増大作用を検出した。(3)ATP加水分解過程のステップであるアクチンとミオシンの結合反応熱について、滴定熱量測定と追加配分によるDSC測定を組み合わせて行った。
敗血症性脳症誘発機序における脳内ミトコンドリア機能との連関

ラット腹膜炎モデルにおけるマウス敗血症性モデルを作成し、敗血症性脳症(Septic Encephalopathy:SE)の機序解明を試みた。マウス敗血症性モデルとして、虫垂結紮モデルを使用した。マウス敗血症性モデルからSEを作成し脳組織からミトコンドリアを抽出した。その後ミトコンドリアCalcium Retention Capacity(CRC)を測定したところ、CRCが低下していた。このことからミトコンドリアのCRCが低下し、細胞内のCa濃度が上昇していることが示唆された。これらのことからSEにおいては脳細胞内のCa濃度が上昇し様々なカスケードに影響を及ぼすことが示唆された。また、同時に高感度ミトコンドリア酸素呼吸測定装置を用いて脳内ミトコンドリア呼吸鎖機能、脳内ミトコンドリアのフリーラジカル産生能を検討した。ミトコンドリア呼吸鎖機能は全体として増加しており、またフリーラジカルの産生も若干増加していた。ミトコンドリア呼吸鎖機能の増加の解釈については現在検討中であるが、人敗血症性ショックでは重症度に従いミトコンドリア血小板機能が増加していると報告されており、今後このメカニズムについて考察していくつもりである。以上これらのことからSEにおいて脳組織内のミトコンドリア機能が重要であることが示唆された。
原子拡散と再配列の制御によるメタリックナノワイヤの創製と機械的・電気的特性評価

最終年度は,現象論的ではあるがAlを用いて初めて作製に成功したナノワイヤについて研究を遂行し,以下のような研究実績を得た。1.メタリックナノワイヤの機械的特性評価エレクトロマイグレーションにより拡散した原子を集約して作製したAlナノワイヤを結晶方位解析装置により分析した。その結果,本Alナノワイヤが単結晶であることが明らかとなった。一般に単結晶材料はバルク材料と比較して極めて高い強度を有することから,実現したAlナノワイヤが優れた機械的強度を有するものと判断した。以上の知見を踏まえ,基板と垂直に固定されたAlナノワイヤについて,一端が固定で他端が単純支持の状態を形成し,単純支持端に近接した位置に集中力を負荷することでナノワイヤ部に巨大な応力を生み出すことができ,かつ大気中で実施できる簡易強度試験方法を考案した。2.応用性検討微細で高強度,良導電性を有するメタリックナノワイヤの応用性について調査,検討した結果,実現したAlナノワイヤを含むメタリックナノワイヤは今後電子デバイスやマイクロマシンの新規構造部材や電気的新素材として極めて有望であると判断された。そこで,メタリックナノワイヤを利用する上で必須となるナノワイヤの接合技術に関する基礎的検討を行った。メタリックナノワイヤ同士を対向させた接触部に直流電流を付与して生じるジュール発熱を利用して,接触部を局所的に溶融し,同ナノワイヤ同士を直線的または立体的に接合できることを実証した。さらに本接合技術によるナノアクチュエータの創製について検討した。本研究での取り組みはいずれも現象論的であり,今後の学術基盤の確立と応用展開が望まれるが,本研究成果は今後のナノテクノロジーの発展に資するところ大である。平成17年度は当初申請計画に基づき所定の研究を遂行した結果、下記事項を達成した。1.原子の拡散と陽極への集約によるメタリックナノワイヤの創製配線部と電流入力パッド部を直接的に接続させない場合には、電子は配線部から電流入力パッド部へ流れるが、拡散した配線原子は流出できないことを見い出した。これにより負の温度勾配や電流密度勾配の有無や大小に関わらず、配線部と電流入力パッド部との接合部および接合部付近において、拡散した配線原子を蓄積させることができ、原子の蓄積位置を配線陽極端部に制限することに成功した。配線部と電流入力パッド部を直接的に接続させない方法として、配線部と電流入出力パッド部を異なる金属で形成することで拡散を拘束する方法と、試験片の陽極端部にスリットを導入し、配線部と電流入力パッド部を分断して電流を局所的に多種金属でバイパスさせる方法を考案・追求した結果、後者の方法において、アスペクト比(直径に対する長さの比)が100を超えるメタリックナノワイヤを創製することに成功した。2.メタリックナノワイヤの電気的特性評価基礎として、原子間力顕微鏡に、電気的特性を計測できる新たに構成の4探針プローブを導入して、極微領域の表面形状の画像と、導電率の両方を計測できる手法の開発に成功した。以上、エレクトロマイグレーションによるヒロックの発生箇所を制限してメタリックナノワイヤなる有用な新素材を創製し、評価する基礎が開拓できた。