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魚類のための生体留置型ワイヤレスバイオセンサーの創出に関する研究

本研究は,水産養殖分野における魚類の迅速・簡便な健康診断法の確立を念頭におき,魚体内に留置可能なバイオセンサを微小電極と酵素を用いて製作し,陸上からリアルタイムに魚の健康診断を行うことができる測定システムを創出することを目的とした.研究の結果,魚を自由に遊泳させた状態で,健康度の重要な指標となる血液中のグルコース及び総コレステロール濃度をリアルタイムにモニタリングすることに成功した.本研究は,水産養殖分野における魚類の迅速・簡便な健康診断法の確立を念頭におき,魚体内に留置可能なバイオセンサを微小電極と酵素を用いて製作し,陸上からリアルタイムに魚の健康診断を行うことができる測定システムを創出することを目的とした.研究の結果,魚を自由に遊泳させた状態で,健康度の重要な指標となる血液中のグルコース及び総コレステロール濃度をリアルタイムにモニタリングすることに成功した.本研究の目的は,水産養殖分野における魚類の迅速・簡便な健康診断法の確立を念頭におき,魚体内に留置可能なバイオセンサを微小電極と酵素を用いて構築し,魚を遊泳させた状態で陸上からリアルタイムで健康診断を行うことを可能とした測定システムを創出することである.これまでバイオセンサを用いて血糖値を測定する場合,検体が全血であることからフィブリノーゲン等の凝固因子による血液凝固や酵素活性の低下などを引き起こしてしまうため,魚体にセンサを長時間刺入した状態での計測が困難であった.そこで,本研究では魚類体液の構成成分である魚眼球外膜内の間質液(EISF)に着目し,これを測定試料としてリアルタイムでの測定が可能なグルコースセンサの試作及びそのモニタリングを試みた.まず,血糖値及びEISFの相関関係を調べたところ,血液及びEISFにおけるグルコース含量は20340mg/dlの範囲で良好な相関関係が認められ, EISF中のグルコース濃度を測定することで,全血中の血糖値をある程度把握できることが明らかとなった.次に.魚体内に留置可能な埋め込み型酵素センサを製作するために,白金イリジウムを作用極とする微小電極(□0.178mm x 15mm)にグルコースオキシダーゼを固定化することによりグルコースセンサを製作し,このセンサを淡水魚(ティラピア)の眼球側面付近に挿入してグルコースのモニタリングを試みた.その結果,センサによる測定値と実際の血糖値との間には良好な相関関係が得られ,最大3日間の連続測定が可能であった.また,小型ワイヤレスポテンシオスタットを用いたテレメトリーシステムを作製することにより,魚を遊泳させた状態での血糖値のリアルタイム測定が可能であった.本研究の目的は,魚体内に留置可能なバイオセンサを構築することにより,陸上からリアルタイムで健康診断が可能な測定システムを創出することである.昨年度は,魚類血糖値を測定するためのグルコースバイオセンサを製作し,魚を遊泳させた状態での血糖値のリアルタイム測定を可能にした.一方,血液中の総コレステロール濃度は,魚類の健康状態を示す有用な指標であることが知られている.そこで本年度は,昨年度の成果を基盤として,血中コレステロールのモニタリングが可能なバイオセンサの構築を目的に研究を遂行した.まず,ティラピアの魚体から,血液及び間質液を経時的に採取した後,両者に含まれる総コレステロール濃度を比色定量法にて測定した.その結果,血液及び間質液中に含まれる総コレステロール含量は52-480mg/dlの範囲で良い相関性(R=0.80756)が認められ,両者の間には経時的な変動があることが確認された.このことから,間質液を測定試料として血液中の総コレステロール濃度の測定が可能であることが示唆された.次に,魚体内へ挿入するバイオセンサ作製のために,作用極としてテフロン被膜白金イリジウム線を用い,被膜上に銀塩化銀ペーストを塗布し対極とした.この作用極上にコレステロールオキシダーゼとコレステロールエステラーゼを固定化し,バイオセンサを作製した.本センサの出力は,コレステロール濃度25-200mg/dlの範囲で良い直線性(R=0.9737)が得られた.さらに,本センサを眼球粘膜内部の間質液中に挿入し,小型ワイヤレスポテンシオスタットを接続して総コレステロールの測定を試みたところ,魚を遊泳させた状態でのリアルタイムモニタリングが可能であった.本研究の目的は,魚体内に留置可能なバイオセンサを構築することにより,陸上からリアルタイムの健康診断が可能な測定システムを創出することである.昨年度までは,淡水魚類を供試魚としてグルコース測定用及び総コレステロール測定用バイオセンサを各々開発し,それらのリアルタイムモニタリングを可能した.本年度は,1)海水魚類(ヒラメ)を対象にした血糖値測定の検討,2)両バイオセンサを用いた淡水魚類(ティラピア)のグルコース/総コレステロールの同時モニタリングの実現を試みた.まず,ヒラメの血糖値測定にあたり,血液及びEISF中のグルコース濃度との関係を調べたところ,血糖値が927mg dl^<-1>の範囲で両者の間に良好な相関関係が認められた(r=0.8895).次に無線ポテンシオシスタットを魚体に装着して,グルコースのリアルタイム測定を試みたところ,約16時間に渡って連続した測定が可能であった.

一方,グルコース/総コレステロールの同時リアルタイムモニタリングを行うため,両バイオセンサをマルチタイプの無線ポテンシオスタットに接続し,ティラピアの左右眼球外膜に各々のセンサを留置した.測定の結果,時間経過に伴う両成分濃度の変動が確認でき,センサの出力電流値と従来法による測定値との間には類似した経時的変動が認められた.以上の結果より,本システムを用いることにより,魚を自由に遊泳させた状態で両成分の同時モニタリングが可能であることがわかった.以上本研究は,世界的にみても例のない魚類に特化した水中使用対応型ワイヤレスバイオセンサの構築を試みたものである.将来的には,センサが極めて微小なことから,何種類ものセンサを集積することが可能となり,グルコースや総コレステロールをはじめ,数種の指標を同時にモニタリングできるような多機能型健康診断システムが構築できると考えられる.
南九州を対象とした明治期～昭和戦前期の鉄道敷設に関する研究

1研究目的本研究は、南九州(宮崎県・鹿児島県を中心とする地域)において鉄道敷設法施行後から昭和戦前期までに計画された官設・私設の鉄道と軌道すべてを対象とし、各路線敷設に対する要求や動き、計画の実際について明らかにし、敷設線実現の要因、未成線の実態などの検討を行うため、南九州の敷設線・未成線に関する史料を収集し、敷設計画・要求の内容について両者を比較し分析することを目的とした。2研究方法日本近代史・鉄道関係の専門書等を購入し、史料調査・収集を行った。鉄道博物館と国立公文書館が所蔵する「鉄道省文書」を調査し、マイクロフィルムからの複写と原文書の撮影により収集した。鹿児島県内の史料所在については黎明館等へ聞き取り調査を行い、南さつま市教育委員会及び鹿児島交通所蔵の南薩鉄道関係史〓の調査・撮影を実施した。さらに、南薩鉄道初代社長宅に残されていた襖の下張り文書を入手した。宮崎県内では、宮崎軽便鉄道・県営鉄道に関する調査を行い撮影により収集した。また、国立国会図書館、鹿児島県及び宮崎県立図書館にて鉄道敷設関係人物・団体等を調査し、必要な文献・資料を複写した。収集した史料は人件費を使用して整理し、「鉄道省文書」のデータ入力を行い、全簿冊を対象に件名目録を作成した。そして、宮崎県・鹿児島県の路線に関するデーター覧、発起人データー覧などを作成し、論文等の作成に備えた。3研究成果平成24年度は「鉄道省文書」については史料件名目録を作成し、『宮崎県総合博物館研究紀要』において公表した。今後は研究会の機関誌に掲載するため大正期の南九州における軽便鉄道の敷設に関する論文をまとめて発表し、さらに、本研究の成果を含むテーマで講演及び講座を行う予定である。
移動体観測に基づく災害時交通ネットワークのリスク評価システム

情報通信技術の高度化に伴い,GPS,携帯電話,PHSなどの移動体通信システムの利用者数は飛躍的に増加しつつある.移動体通信による位置特定機能を用いると,機器を携帯する個々のヒトの位置特定が可能であり,過去数年の間に移動体通信機器を利用した交通行動調査手法が数多く提案されてきている.移動体通信を利用したヒトの交通行動の観測と分析手法については,1998年に研究代表者らがITS世界会議で発表した論文を皮切りに国内外で研究が進められている.国内ではプローブ車両による道路交通流の観測に代表されるように,実務面でも移動体観測への関心が高まっている.しかしながらこれに関連する既往研究のほとんどは平常時の交通行動を対象としたものであり,災害時を想定した観測システムの開発や分析手法に関する研究は見られない.一方,災害時の交通ネットワークのリスク評価に関しては,多様なアプローチから研究されてきているが,災害時の交通行動に関する実証データを得ることが困難であるために,実際の交通ネットワークを対象としたリスク評価研究の蓄積は必ずしも十分ではない.移動体通信機器を応用して災害時の交通行動を,災害を模した状況において実証的に把握することは,災害時の交通ネットワークのリスク評価の信頼性をより高め,また,より精緻な場面への応用ができるようになることが期待されよう.情報通信技術の高度化に伴い,GPS,携帯電話,PHSなどの移動体通信システムの利用者数は飛躍的に増加しつつある.移動体通信による位置特定機能を用いると,機器を携帯する個々のヒトの位置特定が可能であり,過去数年の間に移動体通信機器を利用した交通行動調査手法が数多く提案されてきている.移動体通信を利用したヒトの交通行動の観測と分析手法については,1998年に研究代表者らがITS世界会議で発表した論文を皮切りに国内外で研究が進められている.国内ではプローブ車両による道路交通流の観測に代表されるように,実務面でも移動体観測への関心が高まっている.しかしながらこれに関連する既往研究のほとんどは平常時の交通行動を対象としたものであり,災害時を想定した観測システムの開発や分析手法に関する研究は見られない.一方,災害時の交通ネットワークのリスク評価に関しては,多様なアプローチから研究されてきているが,災害時の交通行動に関する実証データを得ることが困難であるために,実際の交通ネットワークを対象としたリスク評価研究の蓄積は必ずしも十分ではない.移動体通信機器を応用して災害時の交通行動を,災害を模した状況において実証的に把握することは,災害時の交通ネットワークのリスク評価の信頼性をより高め,また,より精緻な場面への応用ができるようになることが期待されよう.1.交通ネットワークのリスク評価システムの基本フレーム設計の一環として,下記の2点を行った.第1に,1日内の交通現象に着目したリスク評価・マネジメント・システムのための基本的枠組を提案した.具体的には,ある時点で生成された待ち行列が他の時点の走行時間に及ぼす外部性を明示的に考慮できる動学的枠組の下で,ネットワーク全体の効率性を極大化させるようなボトルネックへの流入交通量制御問題を定式化し,その特性およびメカニズムを明らかにした.第2に,より長期的な計画視野と次善の(集権的でない)制御に着目したシステムの基本的枠組を提案した.具体的には,有料道路と一般道路で構成される2リンク・ネットワークにおいて,不確実に変動するネットワーク需要に対して,ネットワーク効率性極大化を目的としたフィードバック的な有料道路料金変更問題を定式化し,その特性およびメカニズムを明らかにした.これらの研究により,移動体観測によってリアルタイムに得られる詳細な情報を,利用者に提供するべきか集権的制御のみに利用すべきかの峻別が可能となるだろう.2.GPS機能付き携帯電話とWEBを用いた移動体観測システムの開発の一環として以下の研究を行った:移動体観測から新たに得られる情報と,既存の交通観測手法によって蓄積された情報を効果的に組み合わせることで,より正確に交通状態を推計するための新たな方法論を検討した.具体的には,移動体および既存観測手法のそれぞれから個別に得られる情報から2つの事前確率を算定し,その(概念的な)内分点として事後確率を推計するモデルの定式化・分析を行った.これにより,提案手法が従来の古典的ベイズ推定法と等価な数学的構造を持つ事を明らかにした.さらに,実証分析を通じて,移動体観測と既存の交通観測手法を融合することで,それぞれを個別に用いる場合よりも正確な交通状態推計が可能となる事を示した.1.移動体観測システムの調整とリスク評価モデルの同定を目的として、高知市内にて少数サンプルを用いたプレ実験を行った。具体的には、各被験者に複数の起終点ペア間を移動してもらい、その移動軌跡を、GPSを用いて取得した。その際、(地震によって)一部のリンクが通行不能となる場合を想定し、全てのリンクが利用できる場合との被験者行動の違いを比較した。2.移動体観測システムに関して、携帯電話による位置特定のWEBの操作性およびシステムパラメータの調整を行った。具体的には、まず、上記高知市内実験において、GPS携帯電話を所持した各被験者の位置情報を随時WEBで確認し、そして、タイム・ラグや更新間隔に関する情報を収集した。次に、実験終了後、各被験者に実際の行動軌跡を地図上に記入させ、GPSで取得された軌跡との乖離を確認した。これらの情報に基づいてシステムパラメータを調整した。3.リスク評価システムに関して、リスク評価指標のパフォーマンスと感度を確認し、インプット変数とパラメータの同定作業を行った。

具体的には、まず、地震で一部の道路リンクが通行不能となることで利用者便益が失われるリスクを、利用者均衡交通配分モデルを用いて評価する枠組を構築した。次に、このモデルの入力として(1)神戸市配分ネットワーク、(2)地震生起確率と地震強度分布、(3)ネットワーク上の橋梁の位置とフラジリティに関するデータを整備した。4.COEの学外拠点である神戸フィールドスタジオにおいてワークショップ「共生的安全のための交通計画」を開催した(2007.2.3)。次に、Schmoecker博士(インペリアル・カレッジ、英国)およびTorday教授(ローザンヌ工科大学、スイス)を招聘し、小規模の研究集会を開催した。これらの報告会および研究集会の成果に基づき、災害時の交通行動分析およびネットワークリスク評価手法を改良した。(1)参加型の移動体観測調査の開発:災害を想定した住民の避難訓練を対象に,実際の都市・地域空間での参加型観測調査手法を開発した.災害により特定の道路区間が通行不能になった状態を複数パターン想定し,その下での避難行動をGPS付携帯電話等の位置特定機能により計測する方法である.(2)WEBを用いたインタラクティブな災害経路選択行動のSP調査:上記の行動観測を,現実の避難訓練としてではなく,WEBを用いた仮想実験(SP調査)を行うことでも実現した.WEBを用いた仮想実験システム上で,被験者が利用経路を入力すると,その途上で通行不能な路線が表示される.被験者はこれを受けて異なる利用経路を入力できるというものである.このシステムの有効性を確認するため,18年度に実施した実道路網上での避難経路選択行動とWEB上での行動を比較・検証した.(3)災害時交通行動データベースの整備:上記(2)で観測された位置データをGIS上でネットワークに投影し,時刻ラベル付の移動経路としてデータベース化した.(4)災害時の道路通行不可能性を考慮した社会損失評価手法の開発:災害によって道路の一部が利用できなくなったときの利用者便益の損失を評価するための手法を開発した.具体的には,平常時の利用者均衡交通配分の概念を,道路の一部が利用できなくなった状況へと一般化した.さらに,複数の被災シナリオの下で,ライフサイクルコストを最小にする交通ネットワークの補強計画モデルを提案し,実際規模ネットワークでの数値計算を行うことによりその有効性を確認した.本研究では,移動体通信を利用して災害時を想定した交通行動データの収集を行うとともに,得られた行動データの分析に基づく交通ネットワークのリスク評価を体系的に実施するための総合的なシステム開発を行った.本研究のサブテーマは(1)災害時の交通ネットワークのリスク分析・評価手法を体系的に整理し,リスク評価システムの基本フレームを設計する;(2)移動体観測ツールをインターネット(WEBシステム)に接続した新たな交通行動データ収集システムを構築する;(3)災害想定下での避難訓練に移動体観測システムを用いた実験を行い,避難行動の分析および交通ネットワークが直面する災害時リスク評価に関する実証分析を行う,である.
免疫不全豚を用いた肝癌新規実験モデルにおける血流動態/画像-病理相関の妥当性検討

我々は体細胞クローン技術により作成された重度免疫不全ブタ、Il2rg-KOブタに対してヒト肝癌細胞株を移植することにより、大動物でなければ困難な、抗腫瘍治療実験に適した肝細胞癌動物モデルの開発・有用性検討を行っているが、本研究では未だ明らかとなっていないIl2rg-KOブタに生着した肝細胞癌の血流動態および画像-病理相関についての基礎的な検討を行い、IVR治療や全身化学療法をはじめとした新規治療研究を行う上での実験動物としての妥当性を検討することを目的としている。2016年度の実験にて、びまん型および多発肝内転移型の肝細胞癌モデルの作成に成功し、血管造影および血管造影下CTにおける画像所見がヒト肝細胞癌と概ね一致する所見であったことを確認した。2017年度は免疫不全豚が予定通り入手できず、実験を行うことができなかった。今年度は引き続き単結節型や単結節周囲増殖型の肝細胞癌に類似した腫瘍モデルの作成方法を検討するための予備的な実験として、ヌードマウスの皮下にA431(類上皮細胞株)を植え込んだのち、4mm×4mm×4mmに切り出したものを免疫不全豚肝臓に移植したところ、免疫不全豚肝内に腫瘤を形成することに成功した。この実験結果を受け、ヒト肝細胞癌を用いて免疫不全豚肝内に植え込んで腫瘍モデルを作成する実験に移行する予定であったが、免疫不全豚のさらなる提供が予定通り得られず、実験を行うことができなかった。今年度の実験結果を受けて人肝癌を用いた実験に移行する予定であったが、免疫不全豚のさらなる提供が予定通り得られず、実験を行うことができなかった。今年度類上皮細胞株に対して行った手法を用いて、人肝癌細胞を免疫不全豚に移植する実験を行い、作成されたモデルの腫瘤型、血管造影および血管造影下CT所見を評価し、病理所見との相関を検討する。2016年度は計2回の実験を行った。適当と思われる細胞株および移植細胞数を選定してエコー下穿刺にて肝臓内に移植したのち、超音波装置により生着の有無、サイズなどを観察した。全身麻酔後、Digital Subtraction Angiography(DSA)、血管造影下CT(CT during Hepatic Arteriography: CTHAおよびCT during ArterioPortography)を撮像し、腫瘍数、腫瘍サイズ、動脈血流、門脈血流を評価した。実験を施行した2頭の重度免疫不全ブタのうち、1頭はびまん型、1頭は多発肝内転移型の腫瘍進展形式を示していた。びまん型では内部の壊死傾向が強いと言う特徴があったものの、双方ともに概ねDSAでは早期濃染を示した。CTHAでは早期濃染、wash outを示し、CTAPではperfusion defectを示していた。これらの所見はヒト肝細胞癌と概ね一致する所見であった。重度免疫不全ブタのへの腫瘍の生着が得られなかったものがあり、今年度中に計3回の実験を予定していたものの、結果として計2回の実験しか実行できなかった。しかしこの中で、重度免疫不全ブタに生着した肝細胞癌のDSA、CTHA、CTAPの所見について確認することができた。現在病理標本の作成途中であり、実施する予定であった画像-病理相関の検討については実施できていない。2017年度は単結節型や単結節周囲増殖型の肝細胞癌に類似した腫瘍モデルの作成を目的に、腫瘍細胞植え込み方法の検討を行う予定であったが、重度免疫不全ブタが契約上の都合で入手できなかったため、実験を行うことができなかった。動物モデル作成のために必要な重度免疫不全ブタが契約上の都合で入手できなかったため、実験を行うことができなかった。

2017年度は免疫不全豚が予定通り入手できず、実験を行うことができなかった。今年度は引き続き単結節型や単結節周囲増殖型の肝細胞癌に類似した腫瘍モデルの作成方法を検討するための予備的な実験として、ヌードマウスの皮下にA431(類上皮細胞株)を植え込んだのち、4mm×4mm×4mmに切り出したものを免疫不全豚肝臓に移植したところ、免疫不全豚肝内に腫瘤を形成することに成功した。この実験結果を受け、ヒト肝細胞癌を用いて免疫不全豚肝内に植え込んで腫瘍モデルを作成する実験に移行する予定であったが、免疫不全豚のさらなる提供が予定通り得られず、実験を行うことができなかった。今年度の実験結果を受けて人肝癌を用いた実験に移行する予定であったが、免疫不全豚のさらなる提供が予定通り得られず、実験を行うことができなかった。重度免疫不全ブタに生着した肝細胞癌の画像所見は、びまん型や多発肝内転移型に類似したものであった。今後は単結節型や単結節周囲増殖型などと類似した腫瘍についての画像所見を明らかにすべく、植え込む部位や細胞量、生着・腫瘍発育までの期間を変更し、血流動態や画像所見の変化に対応する要素を再検討する予定である。また、未実施である病理-画像相関についても実施する予定である。2018年度は重度免疫不全ブタの入手が可能となるため、入手でき次第、条件を変更した植え込み方法にて腫瘍モデル作成を試みる。また、病理ー画像相関についても検討を進める。今年度類上皮細胞株に対して行った手法を用いて、人肝癌細胞を免疫不全豚に移植する実験を行い、作成されたモデルの腫瘤型、血管造影および血管造影下CT所見を評価し、病理所見との相関を検討する。当初年3回の実験を計画していたが、重度免疫不全ブタへのヒト肝細胞癌の生着が不良であるものがあり、実験を2回しか行うことができなかった。重症免疫不全ブタが入手できなかったため、計画通りに実験ができなかった。2018年度は重症免疫不全ブタの入手が可能となるため、2017年度に実施できなかった実験も計画に組み込んで当初よりも多くの実験を行い、それに必要な物品費および人件費・謝金として使用する予定としている。2017年度に実験が行えなかったこと、2018年度にヒト肝細胞癌を用いた植え込み実験を行えなかったことにより計画に遅れが生じたため、2018年度中に使用することができなかった。2019年度は入手予定の免疫不全豚を用いて実験を行う。そのために必要な物品費および動物輸送費などに加え、研究に関連した国際学会参加のための旅費を使用する計画としている。重度免疫不全ブタへのヒト肝細胞癌の生着を変更し、多様な条件での評価を行うことにより、今年度の実験回数を増やし、当初の計画通りの実験回数を施行する予定である。
高周波帯近接場顕微鏡技術の開発とその応用に関する研究

通常の光学系,伝搬波を用いた画像化システムでは,画像分解能は用いる波の波長程度に制限されるが,走査型近接場顕微鏡(Scanning Near-Field Microscope)においてはこの限界以下の分解能,すなわち波長よりも十分小さい分解能で物体を観察,画像化することが可能である。本研究では,我々が提案し,現在主にミリ波帯で研究・開発を行っているスリット型プローブを用いた走査型近接場顕微鏡システムに関して,ミリ波帯からテラヘルツ波帯(周波数:30GHz数THz)までの高周波帯における新たな計測技術を開発し,その応用を探索することを目的とした。ミリ波帯における研究開発の結果,システムの高機能化に関しては物体応答の電界異方性を画像化する技術を開発することに成功し,更に受動型近接場顕微鏡法における画像再構成原理の実験的検証にも成功した。システムの高感度化を実現するために共振型スリットプロープを提案し,プローブの設計・製作及び特性評価を実施した。その結果,共振型スリットプロープは,従来用いていたテーパー型スリットプローブと比較して10倍以上と極めて高感度で動作することを実験的に明らかにした。テラヘルツ波帯においては,0.3THzで動作するテーパー型スリットプローブの最適化設計を実施し,本設計結果に基づいて,テラヘルツ波帯で動作するスリット型プローブを電気鋳造技術により製作し,特性評価を実施することに初めて成功した。応用の探索に関しては,以上で開発した新たな計測技術を用いて,ミリ波帯において誘電体基板材料,液晶材料等の測定を実施し,本技術の有効性を実験的に確認することに成功している。ミリ波,テラヘルツ波帯電磁波の特徴,特異性を活かした新規応用の開拓,高分解能化を目指した検討が今後の課題であると考えている。本研究では,我々が提案し,現在主にミリ波帯で研究・開発を行っているスリット型プローブを用いた走査型近接場顕微鏡システムに関して,ミリ波帯からテラヘルツ波帯(周波数:30GHz数THz)までの高周波帯における新たな計測手法を開発し,その応用を探索することを目的としている。本年度は主に,スリット型プローブの設計理論を確立するための検討を実施した。具体的な研究事項及び結果,得られた成果を以下に示す。テーパー型スリットプローブの最も重要な構造パラメーターである,テーパー角度の最適化を実施した。スリットプローブを構成する導波管の高さ変化による損失と反射のトレードオフに着目し,Ansoft社HFSS(High Frequency Structure Simulator)により,テーパー角度を変化した場合のプロ-ブからの放射電力の変化を計算した。その結果,テーパー型スリットプローブ先端のスリット開口幅を動作波長の千分の1程度以下にすると,放射電力,すなわち感度を最大とする最適なテーパー角度が存在することを明らかにした。高感度計測用共振型スリットプローブを提案した。60GHz帯でHFSSを用いて本プローブの設計を行い,製作,及び特性評価を実施した。その結果,本プローブがテーパ-型スリットプローブと比較して5倍以上の高感度で動作することを実験的に確認することに成功した。現在,受動型近接場顕微鏡システムの動作をミリ波帯で実験的に検証するための準備を進めている段階である。

本研究では,我々が提案し,現在主にミリ波帯で研究・開発を行っているスリット型プローブを用いた走査型近接場顕微鏡システムに関して,ミリ波帯からテラヘルツ波帯(周波数:30GHz数THz)までの高周波帯における新たな計測手法を開発し,その応用を探索することを目的としている。本年度は主に,サブテラヘルツ帯で動作するテーパー型スリットプローブ及び,受動型近接場顕微鏡システム設計・製作を実施した。具体的な研究事項及び結果,得られた成果を以下に示す。0.3THz(300GHz)帯で動作可能なテーパー型スリットプローブの設計,製作を行った。前年度実施した,テーパー型スリットプローブの最も重要な構造パラメーターであるテーパー角度の最適化に関する検討結果より,導波管としてWR-2.85を用い,テーパー角度3度のプローブを電気鋳造により製作した。その結果,先端部分に幅730μm,高さ25μmのスリット状開口を有するテーパー型スリットプローブの製作に成功した。本プローブは,スリット開口の高さ25μmと同程度の分解能で物体を観察できる可能性を有している。受動型近接場顕微鏡システムの設計,製作を実施した。Ka帯(26.540GHz)のテーパー型スリットプローブ,プローブからの微弱な熱雑音信号を検出する広帯域低雑音検出系等より構成される近接場顕微鏡システムを製作し,所望の特性が得られていることを確認した。通常の光学系,伝搬波を用いた画像化システムでは,画像分解能は用いる波の波長程度に制限されるが,走査型近接場顕微鏡(Scanning Near-Field Microscope)においてはこの限界以下の分解能,すなわち波長よりも十分小さい分解能で物体を観察,画像化することが可能である。本研究では,我々が提案し,現在主にミリ波帯で研究・開発を行っているスリット型プローブを用いた走査型近接場顕微鏡システムに関して,ミリ波帯からテラヘルツ波帯(周波数:30GHz数THz)までの高周波帯における新たな計測技術を開発し,その応用を探索することを目的としている。本年度は主に,前年度Ka帯(26.540GHz)で設計・製作を実施した受動型近接場顕微鏡システムを用いて画像再構成原理の実験的検証を試みた。受動型近接場顕微鏡システムの測定対象として樹脂製の電波吸収材料を用い,電波吸収材料の温度を変えた場合の受信信号強度の変化を観測した。その結果,信号強度は温度に比例して変化することが明らかとなり,製作したシステムが物体から放出されている極めて微弱な熱雑音を受信可能であることを示した。本結果より更に,受信器系の時定数が0.1msecとき,温度分解能は1K以下であることが明らかとなっている。次に,実際に画像再構成を行うためのデータセットを取得し,開発した画像再構成プログラムにより処理を試みた。再構成画像には若干のアーティファクトが現れているものの,対象の構造を反映した再構成画像が得られ,画像再構成原理の実験的検証に成功した。
半導体ナノ構造を用いた高周波量子輸送特性に関する研究

本研究では、半導体ナノ構造における電子状態を高速エレクトロニクスで制御・検出することにより、新規的な高周波量子輸送現象を観測することを目的としている。特に、1元伝導体である量子ホールエッジチャネルにおいて電荷密度波(エッジマグネトプラズモン;EMP)の伝播特性は、エッジチャネルにおける電子間相互作用に強く依存するため、EMPが複数のエッジチャネルを伝播するとき、エッジチャネルの空間的配置に依存してフェルミ流体と朝永-ラッティンジャー流体(TLL)の特性が競合した量子輸送現象が期待される。本年度の研究では、申請者がこれまでに提案・実証してきたEMPの時間分解測定法を用いることにより、量子ホールエッジチャネルにおいてTLL模型で予測される電荷分断化現象の特徴を観測することに成功した。本測定では、対向する2つのエッジチャネルを負に印加したゲート電極を隔てて近接させ、チャネル間のトンネリングは無視できるが、クーロン相互作用で結合した相互作用領域を形成する。一方のチャネルにパルス状の正電荷を注入すると、もう一方のチャネルで小さいパルス状の正・負電荷が時間差をおいて観測された。ここで、相互作用領域をTLLとして考えると、これらの電荷はTLLの境界で分断化された電荷であると理解できる。さらに、シミュレーションによって、その電荷の大きさは試料の構造で決まるチャネル間のキャパシタンスの大きさに依存することを確認した。ゲート電極の形状を最適化することにより、静電的に制御可能なTLLを実現できると考えられ、電子の持つスピンと電荷の自由度が独立な素励起として振る舞う「スピン・電荷分離」の観測が量子ホールエッジチャネルにおいて可能になると期待される。特に、量子ホールエッジチャネルを伝播する電荷密度波(エッジマグネトプラズモン;EMP)は、エッジチャネルにおける電子間相互作用に強く依存するため、EMPが複数のエッジチャネルを伝播するとき、エッジチャネルの空間的配置に依存してフェルミ流体と朝永-ラッティンジャー流体の特性が競合した量子輸送現象が期待される。本年度の研究では、EMPの測定技術を確立することを目的として、申請者が提案・実証したEMPの時間分解測定法を用いることにより、並走するエッジチャネルに対して選択的にEMPを注入する手法を示した。本手法では、高速電圧パルスを印加したゲート電極直下でEMPを励起する。従来のオーミック電極に電圧パルスを印加してEMPを励起する手法に比べて、本手法では立ち上がり時間の速いEMPを励起できるとともに、EMPを励起するゲート電極直下の電子状態を静電的に制御することにより、所望のエッジチャネルへ大きな電荷量のEMPを注入することができる。このゲート電極の形状を最適化することにより、それぞれのエッジチャネルに注入されるEMPの電荷量を精密に制御できると考えられる。申請者が確立したEMPの測定技術では、試料内部でEMPを励起・制御・検出することができるため、従来の直流電気伝導測定やEMP伝播測定では検出することが難しい量子輸送現象の観測が可能になると期待される。研究の目的のひとつであるEMPの測定技術の確立をほぼ達成することができ、今後の研究において大きな進展が見込まれるためまず、これまでに確立してきたEMPの測定技術を用いてエッジチャネルにおける電子間相互作用を評価する。その相互作用の強さはエッジチャネルの空間的配置に強く依存すると考えられるので、様々な形状の試料においてEMP伝播特性を評価し、相互作用の機構の定量的な理解を目指す。次に、その相互作用の強さを制御できる試料を設計し、理論的に提唱されている新規的なEMP伝播モードの観測を目指す。
レーザーを用いた根管内破折器具除去に関する研究

考案した根管内破折器具の破折片と金属チューブをNd : YAGレーザーで溶接し,除去する方法について基礎的な検討を行うための実験を行った.実験11.全例で破折ファイルと金属チューブの溶接が成功した.2.500mJ群,600mJ群では金属チューブの酸化が顕著であった.3.引張り試験では,400mJ以上の群では5kgf以上の破壊荷重が記録された.実験21.試料断端部の直径が0.30mm以上のものは全例が溶接されたが,0.25mn群では半数が溶接されなかった.2.引張り試験では,直径が0.35mm以上のものは5.86kgf以上の破壊荷重が得られたが,0.30mm以下の群では有意に破壊荷重が小さい結果を示した.実験3髄室開拡した抜去歯根管内に断端部の直径が0.35mmのKファイル刃部を挿入し,根管内で400mJ,10pps,1秒の条件でレーザー照射した際の歯根表面の温度変化を測定したところ,温度上昇の最高値は14.5±2.87°Cであった.以上の実験結果からレーザーの照射条件や試料断端部の直径の違いが溶接状態に影響することが明らかとなった.また,生体内でも安全に使用できる可能性が示唆された.考案した根管内破折器具の破折片と金属チューブをNd : YAGレーザーで溶接し,除去する方法について基礎的な検討を行うための実験を行った.実験11.全例で破折ファイルと金属チューブの溶接が成功した.2.500mJ群,600mJ群では金属チューブの酸化が顕著であった.3.引張り試験では,400mJ以上の群では5kgf以上の破壊荷重が記録された.実験21.試料断端部の直径が0.30mm以上のものは全例が溶接されたが,0.25mn群では半数が溶接されなかった.2.引張り試験では,直径が0.35mm以上のものは5.86kgf以上の破壊荷重が得られたが,0.30mm以下の群では有意に破壊荷重が小さい結果を示した.実験3髄室開拡した抜去歯根管内に断端部の直径が0.35mmのKファイル刃部を挿入し,根管内で400mJ,10pps,1秒の条件でレーザー照射した際の歯根表面の温度変化を測定したところ,温度上昇の最高値は14.5±2.87°Cであった.以上の実験結果からレーザーの照射条件や試料断端部の直径の違いが溶接状態に影響することが明らかとなった.また,生体内でも安全に使用できる可能性が示唆された.ステンレス製手用Kファイルを刃部先端から10mmおよび15mmのところで切断したものを試料とした,ファイルの切断端から5mmの長さだけ外径0.70mm(内径0.45mm)の金属チューブに挿入し,チューブの反対側から挿入した導光用ファイバーをKファイルの切断端に接触させ,Nd : YAGレーザーを1パルス照射し,ファイルの破折片と金属チューブを溶接する実験を行った.照射出力は500mJ,700mJ,900mJ,1800mJ,2700mJとした.#15のファイルを長さ15mmで切断したものを試料とした場合,照射出力が1,800mJおよび2,700mJでは,溶着されたが,ファイバー先端部付近の金属チューブに一部穿孔を生じ,チューブ内から金属が飛散した.このため,1,800mJ以上の照射条件は臨床での使用に適さないことが判明した.このため以後の実験は900mJ以下の照射条件を使用した.同じ条件の試料では,500mJ,700mJ,900mJのいずれの場合でも溶着が可能であったが,各条件ともに溶着に失敗する場合も見られた.溶着部を実体顕微鏡で観察したところ,ファイルの全周にわたり均一に溶着している訳ではなく,部分的にレーザー照射の影響が見られないところもあった.この条件よりも細かいファイル断面を持つ試料(#15を10mmで切断,#10を10mmおよび15mmで切断)したものでも溶着が可能であった.現在,これらの試料について引張り試験を行い,ファイルおよびレーザー照射条件の違いによる違いについて検索中である.今後,より細い断面積のファイルへの溶着や,レーザー照射回数を変化させた実験を行う予定である.考案した根管内破折器具の破折片と金属チューブをNd : YAGレーザーで溶接し,除去する方法について基礎的な検討を行うための実験を行った.実験12.全例で披折ファイルと金庫チューブめ溶接が成功した.2.503mJ群,600mJ記録された.実験21.試料断端部の直径が0.30mm以上のものは全例が溶接されたが,0.25mm群では半数が溶接されなかった.2.引張り試験では,直径が0.35mm以上のものは5.86kgfが以上の破壊荷重が得られたが0.30mm以下の群では有意に破壊荷重が小さい結果を示した.以上の実験結果からレーザーの照射条件や試料断端部の直径の違いが溶接状態に影響することが明らかとなった.今後,安全性の検討は必要ではあるが,この方法が破折器具除去に応用可能であることが判明した.
後期古生代石灰岩中に見出された埋没パレオカルストの研究

北上山地南部のペルム系下部の坂本沢層には従来から,含鉄層や古土壌起源の堆積岩が知られていたが詳細な研究は行われていなかった.本研究で坂本沢層石灰岩層Sd層最下部の含鉄層は,炭酸塩岩からの古土壌ならびに深成岩体などの風化により逸脱した鉄鉱物の再堆積と判明した.またフズリナ化石「松葉石」は初生的な埋没後削剥され,特殊な水域で続成作用を受け,Limpidドロマイトが殻の一部を充填後,脱ドロマイト化作用を受け再堆積した.これは炭酸塩岩の広域なカルスト化を間接的に示す.足尾山地葛生地区のペルム系を大きく不整合に覆う特異な堆積物ばさまざまな岩相を呈する.その石灰角礫岩,葉理を示す泥岩や細粒炭酸塩岩砕屑岩に見られる堆積構造や構成鉱物,特に風成起源の黒雲母の存在などから見て,海底下でのneputunian dike成因説は同意出来ない.カルスト化された炭酸塩岩の凹地や洞穴などに古土壌起源の細粒砕屑物が再堆積したもので縞状の葉理は乾期雨期を示す.飛騨外縁帯の一の谷層には研究代表者によってパレオカルスト化と,古土壌起源の堆積岩が知られている.本研究では含鉄赤色頁岩やチャート角礫残留礫岩などの再検討を進め,下部石炭系上部からデボン紀に至るパレオカルスト化が確認された.高山市丹生川村の含Robustoschwagerina石灰岩に見られる充填化,特にvadose域での続成化から石灰岩の陸化,古カルスト化などの過程が読み取礼フズリナ化石のbiostratinomyの総括的な研究の必要性が喚起された.美濃帯の赤坂石灰岩は古くから研究されているにもかかわらず研究から取り残された赤鉄鉱鉱床が知られているが古力ルスト化による凹地に古土壌起源の含鉄層が形成されたと判明した.上記のように直接・間接的に代表的な後期古生界で確認されたパレオカルスト化作用は古気候海水準変動を含む環境変遷の地史的な貴重な資料を提供した.関連してフズリナ化石などのbiostratinomyの観点からわが国の上部古生界炭酸塩岩の更なる研究の必要性を喚起した.北上山地南部のペルム系下部の坂本沢層には従来から,含鉄層や古土壌起源の堆積岩が知られていたが詳細な研究は行われていなかった.本研究で坂本沢層石灰岩層Sd層最下部の含鉄層は,炭酸塩岩からの古土壌ならびに深成岩体などの風化により逸脱した鉄鉱物の再堆積と判明した.またフズリナ化石「松葉石」は初生的な埋没後削剥され,特殊な水域で続成作用を受け,Limpidドロマイトが殻の一部を充填後,脱ドロマイト化作用を受け再堆積した.これは炭酸塩岩の広域なカルスト化を間接的に示す.足尾山地葛生地区のペルム系を大きく不整合に覆う特異な堆積物ばさまざまな岩相を呈する.その石灰角礫岩,葉理を示す泥岩や細粒炭酸塩岩砕屑岩に見られる堆積構造や構成鉱物,特に風成起源の黒雲母の存在などから見て,海底下でのneputunian dike成因説は同意出来ない.カルスト化された炭酸塩岩の凹地や洞穴などに古土壌起源の細粒砕屑物が再堆積したもので縞状の葉理は乾期雨期を示す.飛騨外縁帯の一の谷層には研究代表者によってパレオカルスト化と,古土壌起源の堆積岩が知られている.本研究では含鉄赤色頁岩やチャート角礫残留礫岩などの再検討を進め,下部石炭系上部からデボン紀に至るパレオカルスト化が確認された.高山市丹生川村の含Robustoschwagerina石灰岩に見られる充填化,特にvadose域での続成化から石灰岩の陸化,古カルスト化などの過程が読み取礼フズリナ化石のbiostratinomyの総括的な研究の必要性が喚起された.美濃帯の赤坂石灰岩は古くから研究されているにもかかわらず研究から取り残された赤鉄鉱鉱床が知られているが古力ルスト化による凹地に古土壌起源の含鉄層が形成されたと判明した.上記のように直接・間接的に代表的な後期古生界で確認されたパレオカルスト化作用は古気候海水準変動を含む環境変遷の地史的な貴重な資料を提供した.関連してフズリナ化石などのbiostratinomyの観点からわが国の上部古生界炭酸塩岩の更なる研究の必要性を喚起した.日本列島の後期古生代の代表的な層序断面の一つ,北上山地坂本沢層とその上位の叶倉層の間にある埋没パレオカルストの存在を,炭酸塩岩中に見られるの膠結化とフズリナ殻の続成作用との関係から解明した.フズリナ殻中にはて低マグネシア方解石,あるいは透明質ドロマイトによる充填作用が見られ,.これが更なる続成作用の過程で脱ドロマイト化作用を受け,方解石に置換されているものが確認された.これは淡水域の地下水面下,さらに陸上での陸水による続成作用を受けた産物と解明された.栃木県葛生地区では後期古生代の埋没パレオカルストの堆積物の解析を行い,微細な葉理中に特異な黒雲母片を多く含有する淡水制限水域下の堆積物であることが判明した.

これをさらに堆積岩石学的に検討し,当時の後背地の気候状態や海水面変動のリズムなどを解明できる資料を得ることができた.岐阜県高山市丹生川地域の石灰岩中に見いだしたフズリナ殻と特異な石灰岩膠結作用は,この岩石の続成作用が地下水面より上の通気帯で進んだ事を明示し,パレオカルスト作用の存在とフズリナ殻の集積の変遷などが解明された.この通気帯炭酸塩岩堆積物中には変成岩礫の存在も確認され,当時の陸域の地質学的な状況が明らかになった.同じく高山市福地地域の埋没パレオカルストの更なる解明を,野外調査地域を広げて行い,さらに多くの層準でパレオカルスト堆積物を採集し,室内実験でその詳細な解析を行い,堆積岩石学的な特徴を把握することができた.さらに古くインドネシアチモール島やトルコなどで採集したフズリナ石灰岩の微岩相の観察から,フズリナ殻の化石続成作用を解析して,これらの化石の陸上風化とそれに伴う続成作用の進展などを明らかにする手法を得た.前年度から継続研究の北上山地南部の岩井崎石灰岩ならびに気仙沼地域での埋没カルストにその起源が求められるフズリナ化石,通称松葉石のバイオストラトノミーの解析を行なった.その結果このフズリナ化石の古生態に関する資料が多数蒐集された.この化石は死後その殻は淡水と海水が混合するようなリトラルな潟で,再度続成作用を受けたことが明らかになった.岐阜県赤坂石灰岩では最上部ペルム系のドロマイト質石灰岩とその直下付近の黒色石灰岩の層位学的研究を詳細に行い,大型二枚貝のシカマイの古生態に関する新しい資料を得た.これらは海水準変動を解く鍵を提供する.また逆に極めて微細な巻貝化石が密集して産する層準が確認され,炭質物に富んだ黒色石灰岩を伴う.これも石灰岩の堆積環境の復元に役立つ新たな資料である.栃木県葛生石灰岩,隣接する群馬県桐生地域での石灰岩の堆積環境も,フズリナ化石のバイオストラトノミーを解析することによって,従来の大方の考えの堆積環境ならびに付加様式を再検討する必要がある新知見を得ることが出来た.また同地域での群体ルゴーサ・サンゴの埋没状態も再堆積を明示しており,総括的に含有化石すべてについてタホノミーの検討が必要であることが判明した.岐阜県飛騨地方の石炭系,ペルム系にも少なくとも3層準に海退による堆積のブレークが確認され,それぞれパレオカルストに起源のある堆積層が確認され,同時に瀕海層ならびに陸成層の堆積が認められた.これらはいずれも世界各地で認定されている海水準変動に対比され,化石のみならず国際的な対比にも用いられると見られる.上記の研究成果は随時,学会での口頭発表ならびに論文として公表する予定である.
新規テロメア結合タンパク質のグアニン四重鎖結合性と機能の解明

本研究の目的は、テロメアが形成するグアニン四重鎖に対するTLSの結合性とテロメアにおける機能との関係を明らかにすることである。そこで研究計画では、平成24年度に試験管におけるTLSのテロメアDNAとテロメアRNAに対する認識機構を詳細に解析して、平成25年度に細胞内でのTLSによるテロメアDNAとテロメアRANAの結合性と、TLSがガン化の機構に関与しているかを解析することであった。実験計画が当初の予定以上に進展し、平成24年度中にTLSのRGG3領域がテロメアDNAとテロメアRNAに対してグアニン四重鎖特異的に同時に結合することを明らかにして、テロメア構造のヘテロクロマチン化とテロメア短縮に関与していることがわかった。この結果はChemistry & Biology誌に掲載された(Chemistry & Biology (2013) 20, 341-350.)。そこで本年は、TLSのRGG領域によるテロメアDNAとテロメアRNAに同時に結合する分子機構をさらに詳細に解析することで、テロメアRNAが形成するグアニン四重鎖に結合する分子の開発を行なった。RGG領域中の芳香族アミノ酸がグアニン四重鎖DNAとRNAの識別に重要であることを見出したので、このタンパク質中の芳香族アミノ酸をすべてチロシンにしたところグアニン四重鎖DNAに結合せず、RNAに結合することがわかった。さらに、この開発されたタンパク質はグアニン四重鎖RAAのループ構造の2'-OHを認識することがわかった。これらの結果はJournal of American Chemical Society誌に掲載された(J. Am. Chem. Soc. (2013) 135, 18016-8019.)。この成果は、グアニン四重鎖構造の機能解明に大きく貢献すると考えられる。(抄録なし)本研究の最終目標は、テロメアのグアニン四重鎖のガン化に関わる新たな機能の解明である。ガン化に関わる染色体末端領域テロメアを構成するテロメアDNAやtelomeric repeatcontaining RNA(TERRA)は、グアニン四重鎖構造を形成することが報告されている。このグアニン四重鎖構造はガン化の機構に関与することが示唆されていることから、ガン治療の標的として世界的に注目されているが、その生物学的機能については未だ不明な点が多い。その理由として、テロメアにおいてグアニン四重鎖構造に結合して機能するタンパク質について不明な点が多いことが挙げられる。本年度において申請者は、新規テロメア結合タンパク質として見出されたTLSがグアニン四重鎖テロメアDNAとTERRAに同時に強く結合することを試験管内で見出した。また、TLSが細胞内でもグアニン四重鎖構造依存的にテロメアDNAやTERRAに結合することを明らかにした。このようなタンパク質は他に例がなく、世界で初めての報告である。更に申請者はTLSをヒトのガン細胞内に大量発現させると、テロメア領域で相同組換の抑制に関わるヒストンメチル化が促進されてテロメアが短縮されることを明らかにした。これは、テロメアにおいてグアニン四重鎖がピストン修飾を介したテロメア長の制御に関わっていることを示す世界で初めての報告であり、今後のテロメアが関わるガン研究に大きく貢献すると考えられる。平成25年度に行う予定であった細胞実験に平成24年度中に着手して成果を挙げ、その成果によって本研究がChemistry & Biology誌に掲載された。また、日本化学会第93回春季年会における発表で、日本化学会第93回春季年会(2013)学生講演賞を受賞した。これまでの研究では、テロメア結合タンパク質TLSを細胞内に人工的に大量発現して実験を行った。しかし、内在性のTLSのテロメアにおける機能については、未だ不明な点が存在している。そこで、今後RNA干渉法を用いて内在性のTLSの発言を抑制することによって、テロメアにおける機能を解析する予定である。(抄録なし)
液晶材料を用いた回折型ミリ波制御デバイスに関する研究

液晶材料はミリ波帯でも比較的大きな複屈折を有するが、ディスプレイ用に設計された市販のネマティック液晶は複屈折が可視の半分程度まで小さくなってしまう。そこで、通常のネマティック液晶にナノ粒子を混合する手法で何らかの改質を試みた。ナノ粒子を均一に混合する事自体が一般に難しいが、金ナノ粒子と適当な溶媒を利用して0.1wt%程度ではあるが安定な液晶との混合状態が得られた。ミリ波帯での評価では、純粋な材料との優位な違いが見出されなかったが、他の材料を探索する等によって今後の新たな展開が期待される手法と思われる。次に、ミリ波帯での液晶応用を考えるとき、光波に比べて桁違いに長い波長から極めて厚いセル構造が必要になる事が予想される。そこで、ミクロなセルの積み重ね構造を自然に作り出す事を目的に多孔質のメンブレンフィルタを用いる方法を検討した。このとき、厚い液晶層を保持する事の他に液晶分子の配向効果も重要である。そこで、櫛形電極による静電容量測定によって面内方向の分子配向効果を評価した。SEMによるフィルタ内の微細構造との比較検討から、細かい繊維が配列する構造を持つフィルタでは延伸等の処理をしなくても良好な配向性が得られる事が分かり、その有用性が明らかになった。さらに、プラスチックの機械加工によってモデルレンズを作製し、ミリ波帯におけるフレネル構造の有用性について調べた。4ステップ程度の分割と3周期程度の輪帯があれば良好なレンズ特性が得られる事が確認され、ミリ波用液晶フレネルレンズの設計指針が得られた。また、実際に液晶レンズを実現するためには駆動用電極を導入する事が不可欠である。そこで、多数の電極を間単に積層する方法としてロール法による積層電極を提案しその有用性を確認した。準光学的な手法を用いてミリ波を制御するデバイスを検討する場合、回折限界の制限から桁違いに長い波長を考慮に入れたデバイスの大きさが必要となる。単純に見積もっても3桁も長い波長領域であるから、数mm程度の液晶層が必要になる。従って、「複屈折」「損失」の点からより優れた液晶材料を見つける事が極めて重要である。はじめに、導波管を用いた液晶材料評価法をさらに高い周波数帯であるWバンド(110GHz)まで拡張した。これにより従来の数分の1の試料で測定が可能となる測定手法を確立し、種々の液晶材料の評価を進めた。これらの結果を基に、位相変調デバイスを構成し、実際に印加電圧による可変特性について調べてその有用性を確認した。また、材料の面では更なる特性の改善が望まれる事から、ディスプレイ分野で既に実績があるナノ粒子の混合による材料特性の改善効果について検討した。次に、実際にmmもの厚さを有する液晶層を実現する方法を検討する事は実際のデバイス応用を考える上で重要である。そこで、マイクロカプセルの利用およびメンブレンフィルタ構造の利用の可能性について検討を行った。マイクロカプセルはカプセル強度の点から現在のところ液晶含有率は50%程度が限界であり、可変量の観点からは改善が望まれるが、接着剤との混合により任意の形状に加工して使える可能性が確認された。一方、積層して厚い液晶層を実現する方法としてフィルタ構造を利用する事も考えられるが、その基礎特性として導波管に封入した材料を用いて可変特性を確認することができた。低電圧・低電力で空間を伝搬するミリ波を制御するデバイスの実現を目指し、液晶による可変レンズ、可変回折格子等の可能性を検討している。液晶材料は光波領域では優れた電気光学材料として良く知られているが、桁違いに波長の長いミリ波領域では桁違いに厚い液晶層が必要となり、デバイス形状もバルキーなものになる事が予想される。

そこで本研究では、フレネルレンズに代表される回折型のデバイス構造を導入して薄型の液晶可変デバイスの実現を検討した。液晶材料の基礎特性等に関する知見の他にデバイス構成に関する以下の知見が得られた。初めに、ミリ波帯において典型的回折型デバイスであるフレネルレンズの有用性を確認するために、市販のプラスチック材料を用いてフレネルレンズを試作した。通常の2ステップを4ステップ程度に増やすだけで、ミリ波の収束効率が大幅に増加し良好なレンズ特性が得られる事が確認された。次に、液晶層の超厚膜化を目指してメンブレンフィルタに液晶材料をしみ込ませる方法を検討した。その結果、液晶分子はフィルタ繊維の最も細い繊維構造に沿って配向し、大きな異方性が現れる事が明らかになった。これらは静的な評価結果であり、今後実際に液晶を駆動する事を考慮して、メンブレンフィルタの最適化を行う必要がある。さらに、実際に液晶を駆動する為の積層された電極構造のミリ波伝搬特性について検討を行った。ここでは市販の金属箔テープを誘電体を介して多数積層してモデル電極を作製した。その結果、積層した電極面に垂直な偏波が選択的に透過する様子が確認された。しかし、現状はその透過率は低く、実際のデバイス応用のために電極材料や積層の周期などを最適化する必要があり、デバイスを実現するための具体的な課題が明らかになった。液晶材料を用いてミリ波帯における回折型の制御デバイスを実現するために、厚い液晶層とその駆動用電極の積層構造をデバイスの基本構造として用いる手法を検討した。はじめに、液晶の動作に無関係なガラス基板などを必要とせずに厚い液晶層を保持する方法として、フレキシブルな多孔質フィルムの代表であるメンブレンフィルタを用いて超厚膜液晶層を実現する方法を検討した。良好な液晶制御デバイスとしての動作には、液晶層を機械的に保持すると同時に液晶分子の初期配向制御が不可欠である。そこで、市販の数種類のメンブレンフィルタを用いて延伸を行いながら静電容量の測定を行い、それらの液晶分子配向性について評価を行った。SEM観察による微細構造の観察結果との比較から、細かい繊維構造を有するテフロン製のフィルムは延伸等の特別な処理を行わなくても良好な液晶分子の配向性が得られる事等が分かった。次に、実際にある程度の大きさの積層構造を作製する事を考えると、単純な積み重ね構造では現実の作業効率が極めて悪い。そこで、回折型のミリ波レンズを作製する事を念頭に、電極を巻き取って作製するロール型の電極構造について検討した。この場合、直線偏波を入射すると不均一な透過特性となるが、プラスチックで作製したモデルレンズと組み合わせてミリ波の収束実験を行ったところ、比較的良好な収束特性が得られる事が分かった。一方で、詳しくプロファイルを比較すると収束特性に異方性が生じる様子も確認された。そこで、入射波の偏波状態として円偏波を用いたところ、透過特性が均一化される事を確認した。またこの場合、透過後に放射状に分布する偏波状態が得られる事も確認され、新たな機能を有するデバイス応用も期待される。