hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
超音波伝播・インピーダンス同時測定による三測面被覆材の劣化診断手法に関する研究

実際に腐朽菌およびシロアリの加害を受けた材について超音波伝播速度およびインピーダンス測定をおこない、それらの劣化診断への適用の可能性を検討した。超音波伝播速度については、対面法で測定した場合には内部欠損がある値を超えると急激に低下することが認められたが、同一面法では内部欠損との明確な相関は認められなかった。一方、インピーダンス測定については、住宅に使用される土台や柱等、部材が高含水率になることを想定し、インピーダンス測定に及ぼす含水率の影響を高含水率材を人工的に調製し調べた。高含水率材の調製は、種々の径の孔を持つ試験体を貯水槽に長期浸績することによっておこなった。この様にして得た試験体について、周波数50Hzと1kHzにおける電圧0-5Vのインピーダンス電圧依存性を測定した。また、周波数100-100kHzのインピーダンス・位相角の周波数特性を1V、5Vでそれぞれ測定した。その際に、試験体表面への電極の接触性について、押し当て電極にロードセルを固定して、その加重をモニタリングし検討した。電極間距離を2cmに固定した場合、周波数可変と電圧可変測定で検討した結果、電圧変化させたときには、それぞれのパターン変化が大きくなり、空隙を検出しやすいことが明らかになった。一方、近年の住宅の土台や柱等では、接合金物を多用する工法となっている。導電性である金属がある場合、インピーダンス測定に影響を与えることが予想されたため、木材近傍に金属がある場合の影響を確認する目的で、金属板を木材と重ねた状態でインピーダンス測定をおこなった。その結果、予想通り金属板と電極が近接する時に導電体の影響が現れる傾向が認められた。木造住宅メーカーより購入したベイマツ・ベイツガ・ホワイトウッドを供試材料とした。木材の異方性がインピーダンス測定や超音波伝播速度に影響を与える可能性があることを考慮し、供試材のストックから異なる木取りの材を選択し、それらについて劣化前の断面方向超音波伝播速度を測定した。次いで、それらの一部を鹿児島県吹上に持ちこみ、イエシロアリの巣の近辺に10cm程度埋設しイエシロアリの攻撃にさらした。また、残りについては、腐朽菌を接種した後、室温を30°Cに保った恒温室内に設置し、内部の含水率を常に高く保つことで、内部腐朽を進行させた。これらの試料については、インピーダンス測定に適した程度まで蟻害・腐朽が進行するのをモニター中である。一方、腐朽・蟻害の進行を待つ間にインピーダンス測定および超音波伝播速度測定を用いた劣化診断の予備試験をおこなった。インピーダンス測定を用いた劣化診断においては、人工的に異なる大きさの内部欠損を持つ試験体を作製し、それに対する一側面からのインピーダンス測定を試みた。測定の結果、材内の欠損が周波数50Hzのインピーダンスのパターンに顕著な差を及ぼすことを認めた。また、生物劣化を受けた木橋部材の超音波伝播速度測定を試み、三側面が被覆されていない材については対面法あるいは斜面法による超音波伝播速度の累積相対度数曲線を用いることで、劣化診断を行えることを明らかにした。腐朽部が水分を多く含む場合の測定について、平成16年度と同様、人工的に調整した試験体を用いて検討した。腐朽および蟻害を受けた部分が高含水率になる場合を想定し、それぞれ穴の径を変えた試験体を貯水槽に長期浸績した。その試験体を周波数50Hzと1kHzの場合で0-5Vの範囲でインピーダンスの電圧依存性を測定した。また、インピーダンスZ(0hm)と位相角(°)の100-100kHzの周波数特性を1V、5Vでそれぞれ測定した。

その際に、試験体への電極の接触性を検討するために、押し当て電極にロードセルを固定して、その加重をモニタリングした。その結果、接触性が不十分な場合、測定値に大きな変動が見られ、安定した値が得にくいことが明らかになった。電極間距離を2cmに固定し、周波数可変によるインピーダンス、位相角、電気容量と電圧可変によるインピーダンス、位相角および電気容量を比較した結果、電圧変化させた場合では、パターン変化が大きくなり、空隙を検出しやすいことが明らかになった。例えば、10mm以下の小さい穴の径の場合、電気容量C(F)に気乾状態の場合と同様、50Hzでパターン変動が見られた。一方、大きい穴の径では、位相角の電圧依存性に特徴が見られるが、電気容量では変動幅が小さい傾向を示した。また、現場での測定実施を考慮し、穴を空けた試験体と高含水率の試験体を貼り合わせ、試験体に大きな含水率勾配が存在する場合での測定評価方法についても、現在検討中である。超音波についても、波形観測を行い、インピーダンス測定同様、1面での測定評価手法を検討中である。住宅に使用される土台や柱等では、風呂場周り等、部材が高含水率になる部分で腐朽や蟻害が多く観測される。一方、そのような高含水率材では導電性の高い水分を多く含むためインピーダンス測定に何らかの影響がでることが予想された。そこで、インピーダンス測定に及ぼす含水率の影響を調べるために、高含水率材を人工的に調製した。高含水率材の調製は、種々の径の孔を持つ試験体を貯水槽に長期浸績することによっておこなった。この様にして得た試験体について、周波数50Hzと1kHzにおける電圧0-5Vのインピーダンス電圧依存性を測定した。また、周波数100-100kHzのインピーダンス・位相角の周波数特性を1V、5Vでそれぞれ測定した。その際に、試験体表面への電極の接触性について、押し当て電極にロードセルを固定して、その加重をモニタリングし検討した。電極間距離を2cmに固定した場合、周波数可変と電圧可変測定で検討した結果、電圧変化させたときには、それぞれのパターン変化が大きくなり、空隙を検出しやすいことが明らかになった。一方、近年の住宅の土台や柱等では、接合金物を多用する工法となっている。導電性である金属がある場合、インピーダンス測定に影響を与えることが予想されたため、木材近傍に金属がある場合の影響を確認する目的で、金属板を木材と重ねた状態でインピーダンス測定をおこなった。その結果、予想通り金属板と電極が近接する時に導電体の影響が現れる傾向が認められた。
ＳＩＭＳ分析によるレアメタル鉱床生成過程の解明

白金族元素の微小領域SIMS分析法を最適化した。白金族鉱石中の磁硫鉄鉱、ペントランド鉱、黄銅鉱にPtを1.3MeVで、Pdを0.8MeVで3E14/cm2個イオン注入した標準試料をSIMS分析し、相対感度係数を算出した。南アフリカ共和国のBushveld複合岩体から採取したメレンスキーリーフのSIMS分析では、ペントランド鉱のPd濃度は数百ppmでPt濃度も10ppmを越える。磁硫鉄鉱や黄銅鉱中にはPtとPdがほとんど含まれていないが不均質である。Au濃度は0.1ppm程度だが1桁の不均質が認められる。PtとAuの不均質なピーク濃度位置は相関しておらず、生成メカニズムの相違が示唆される。本研究では、SIMS微小領域分析手法等を用いて、鉱石中の金、白金族元素の存在形態を解明する。鉱石中白金族元素のSIMS分析を行う際に固体標準試料が必要だが、白金族のような微量元素では均質な標準試料が得られないため、イオン注入試料を作成して用いた。本研究では白金族鉱石に含まれる3つの硫化鉱物である磁硫鉄鉱、ペントランド鉱、黄銅鉱に1平方cm当たり3E14個のプラチナ(Pt)を1.3MeVでイオン注入した。全Ptのイオン注入量は正確に計測されるが、金と異なり6個の同位体を持つPtでは、イオン注入における同位体組成は明らかではない。そこで、イオン注入の際にシリコンウエファにも同量のPtを注入しておき、その同位体組成をSIMSで正確に求めた。一方、未知試料の硫化鉱物では様々な妨害分子イオンがあるため、6個の同位体のうちその影響が最も少ない195Ptを測定し、標準試料の同位体組成からPt濃度を計算で求めた。ブッシュフェルト(Bushveld)複合岩体東部地区にあるツーリバーズ白金族鉱床のボーリングコアから得た硫化鉱物では、磁硫鉄鉱と黄銅鉱のPt濃度は1ppm以下だったが、ペントランド鉱では数十ppmに達した。Ptの存在形態は比較的均質で、金鉱石で見られたナノ粒子は白金族鉱石では認められず、また硫化鉱物粒のコアとリムにおいて濃度の差異はなかった。比較のため、ブッシュフェルト北部地区の白金族鉱石の分析を行ったが、鉱物へのPtの濃集傾向は同様であった。SIMS分析に関しては軌道に乗ったが、成因を解明するためには組織的な分析が必要である。南アフリカ共和国の研究協力者と連携し、ブッシュフェルト東部地区のボーリングコアから連続サンプリングを行い、コアの代表的な箇所を入手した。その試料から研磨薄片を作成すると共に、依頼分析によりバルク分析値を得てSIMS分析のための準備を行った。本研究では、SIMS(二次イオン質量分析法)微小領域分析手法等を用いて、鉱石中の金、白金族の存在形態を解明する。鉱石中白金族のSIMS分析を行う際に固体標準試料が必要だが、白金族のような微量元素では均質な標準試料が得られないため、イオン注入試料を作成する必要がある。本研究では白金族鉱石に含まれる3つの硫化鉱物である磁硫鉄鉱、ペントランド鉱、黄銅鉱に1平方cm当たり3E14個のプラチナ(Pt)を1.3MeVでイオン注入した標準試料を準備した。ブッシュフェルト(Bushveld)複合岩体東部地区にあるツーリバーズ白金族鉱床のボーリングコアから、生成順序を追えるような連続サンプリングを行い、その試料から研磨薄片を作成した。研磨薄片作成試料の裏側を切り出し、試料のキャラクタリゼーションのため、分析専門機関に化学分析を依頼した。分析項目は、主成分元素と希土類元素を含む微量元素について行ったが、Au, Pt, Pdに関してFire-Assay法で元素を抽出してICP-MS分析とした。この分析値は、研磨薄片のバルク値としてSIMS分析値と比較する予定である。次に、薄片中の硫化鉱物(磁硫鉄鉱、黄銅鉱及びペントランド鉱)のPt濃度をSIMS微小領域分析で系統的に測定する予定であったが、SIMSの不具合が頻発して長期間測定できなかったことから、本年度の測定は予定通りには進まなかった。一方、レアメタルの鉱床生成過程解明に関しては研究を進めた。白金族に関して行った調査研究を基盤として、平成25年10月に東京で開催された「第8回産総研レアメタルシンポジウムーエネルギー・環境問題の解決を支える白金族元素とそのリスク緩和技術」において、「白金族元素の資源」と題した招待講演を行った。本研究ではSIMS微小領域分析手法等を用い、鉱石中の金、白金族の存在形態を解明する。今年度は、全世界の46%の金を埋蔵するWitwatersrand盆地に分布する金鉱床でフィールド調査

・試料採取を実施し、研磨薄片作成と観察を行った。盆地南西部にあるWelkom Goldfield鉱床区のBeatrix金鉱山は、2009年度は平均品位4.1g/tの鉱石を299万トン採掘して12,164kgの金を生産した。坑内深度1191mの23レベルの切り羽でVentersdorp Contact Reef (VCR)の下位にあるElsburg, Kimberly層とBeatrix Reefの観察を行った。Carletonville Goldfield鉱床区のKusasalethu金鉱山は、2011年度は平均品位5.1g/tの鉱石を110万トン採掘して5,609kgの金を生産した。深度2982mの98レベルの切り羽で金鉱床層序最上位のVCRを含む地層の観察を行った。また、同鉱床区のKDC-West金鉱山に入り、深度3347mにおいて層序下位のCarbon Leader Reefを観察した。West Rand Goldfield鉱床区のSouth Deep金鉱山は、2009年度は平均品位4.4g/tの鉱石を124万トン採掘して5,434kgの金を生産した。坑内では深度1,575m-3,500mで採掘しているが、深度1700mでVCRとElsburg層の観察を行った。この鉱山ではこのレベル以下で機械化され、トラックレスマイニングである。室内実験では高感度・高質量分解能型SIMSでPd分析法の開発を行った。硫化鉱物にPdをイオン注入した標準試料を酸素イオン源を用いてSIMS分析した。測定対象同位体やエネルギーフィルター法等を検討して相対感度係数を求め、白金族鉱石のPd予察分析を行った。SIMS微小領域(径3ミクロン)高空間分解能深さ方向分析を行い、鉱石中の金、白金族の存在形態を解明する。SIMS分析には標準試料が必要だが、磁硫鉄鉱、ペントランド鉱、黄銅鉱にPtイオンを1.3MeVで3E14/cm2個イオン注入した標準試料を準備した。ブッシュフェルト複合岩体東部地区のメレンスキーリーフについて、ボーリングコアから得た硫化鉱物のCsイオン源による測定で、磁硫鉄鉱と黄銅鉱のPt濃度は1ppm以下だが、ペントランド鉱では数十ppmに達した。比較のため、北部地区白金族鉱石の分析を行ったが、鉱物へのPtの濃集傾向は同様であった。一方、Pd分析は酸素イオン源を用い、測定対象同位体やエネルギーフィルター法等を検討して相対感度係数を求め、コア試料の分析を行った。ペントランド鉱にはPdが数百ppm濃集しているが、黄銅鉱中には10ppmまで、磁硫鉄鉱中では多くが1ppm以下であり、Pdのほとんどがペントランド鉱に存在している。また、鉱物の局所分析では、濃集の不均質性は小さい。本年度は、メレンスキーリーフの輝岩と下部のクロム鉄鉱岩について、SIMSによるPt, Au分析を行った。輝岩ではペントランド鉱のPt濃度は10ppmを越えており、磁硫鉄鉱がそれに続き、黄銅鉱中にはPtがほとんど含まれていない。磁硫鉄鉱中には不均質にPtが分布しており、濃度の高い部分(数十nmの範囲)ではペントランド鉱と同程度含まれている。クロム鉄鉱岩では、ペントランド鉱と磁硫鉄鉱中のPt濃度が輝岩中よりも低く、不均質に分布している。黄銅鉱は輝岩と同程度に低い。Au濃度は、輝岩、クロム鉄鉱岩、3つの硫化鉱物を問わず0.1ppm程度である。
情報不完備ゲームに基づくMAC層プロトコルのモデル化と利己的ユーザへの対応

ランダム・アクセス・ネットワークにおいて,他ユーザによる検知が困難と考えられるMAC層のパラメータ改変に着目し,ゲーム理論の枠組みの中で,非協力的な利己的ユーザが取るべき戦略を明らかした.利己ユーザを含むスロット付アロハ方式に基づいた非協力アロハゲームに対し,正規ユーザ数を不明とすることにより非完備情報性を導入し,より現実的な,非完備情報における非協力アロハゲームを再構築した.そして,参加ユーザが判断基準とする利得に応じで,利己的に振舞うべきと判断する閾値が大きく変化することを明らかにした.ランダム・アクセス・ネットワークにおいて,他ユーザによる検知が困難と考えられるMAC層のパラメータ改変に着目し,ゲーム理論の枠組みの中で,非協力的な利己的ユーザが取るべき戦略を明らかした.利己ユーザを含むスロット付アロハ方式に基づいた非協力アロハゲームに対し,正規ユーザ数を不明とすることにより非完備情報性を導入し,より現実的な,非完備情報における非協力アロハゲームを再構築した.そして,参加ユーザが判断基準とする利得に応じで,利己的に振舞うべきと判断する閾値が大きく変化することを明らかにした.無線端末の小型化に伴い,各ユーザが,通信プロトコルで設定されているパラメータを合法的に改変することが可能な通信環境が広まりつつある.この場合,ユーザは,自己の通信性能のみを向上させるようにパラメータを改変することが予想される.物理層またはネットワーク層のパラメータを改変することは効果的ではあるが,他ユーザによって改変を検知される可能性が高い.本研究では,他ユーザによる検知が困難と考えられるMAC層のパラメータ改変に着目し,ゲーム理論の枠組みの中で,非協力的な利己的ユーザが取るべき戦略を明らかに,その戦略が他ユーザに与える影響および他ユーザが取るべき防御戦略を明らかにすることを目的とする.平成21年度では,利己的ユーザが通信プロトコルのMAC層パラメータの改変という意味において取るべき戦略を,不完備情報ゲームの枠組みの中で明らかにすることに重点を置いて研究を実施した.利己的ユーザを含む通信システムの不完備情報ゲームとしてのモデル化を行い,次の項目を明らかにした.N人ユーザで動作しているスロット付アロハ方式に,新たなユーザが参入する場合において,N人ユーザの個々が利己的に動作しているか否かが確定的に推定できない状況では,参入するユーザは自己のスループットを大きく獲得するという意味において利己的に動作することが必ずしも得策ではないパラメータ領域(MAC層におけるバックオフ係数が大きい場合)があることを明らかにした.無線端末の小型化に伴い,各ユーザが,通信プロトコルで設定されているパラメータを合法的に改変することが可能な通信環境が広まりつつある.この場合,ユーザは,自己の通信性能のみを向上させるようにパラメータを改変することが予想される.物理層またはネットワーク層のパラメータを改変することは効果的ではあるが,他ユーザによって改変を検知される可能性が高い.本研究では,他ユーザによる検知が困難と考えられるMAC層のパラメータ改変に着目し,ゲーム理論の枠組みの中で,非協力的な利己的ユーザが取るべき戦略を明らかに,その戦略が他ユーザに与える影響および他ユーザが取るべき防御戦略を明らかにすることを目的とする.平成22年度本稿では,既に本研究課題研究者が発表した利己ユーザを含むスロット付アロハ方式に基づいた非協力アロハゲームに対し,正規ユーザ数を不明とすることにより非完備情報性を導入し,より現実的な,非完備情報における非協力アロハゲームを再構築した.そして,N個のユーザが存在するネットワークに新しく参加するユーザが,競合する他ユーザが利己的である確率に対する推定値に基づき,正規ユーザ,利己的ユーザのどちらになるべきかに関して数値解析を行った.数値解析により,参加ユーザが利己的に振舞うべきと判断する閾値の存在を示し,また,ネットワーク内ユーザ数Nが小さいとき,利己的ユーザを選択することが得策であることを示した.無線端末の小型化に伴い,各ユーザが,通信プロトコルで設定されているパラメータを合法的に改変することが可能な通信環境が広まりつつある.この場合,ユーザは,自己の通信性能のみを向上させるようにパラメータを改変することが予想される.物理層またはネットワーク層のパラメータを改変することは効果的ではあるが,他ユーザによって改変を検知される可能性が高い.本研究では,他ユーザによる検知が困難と考えられるMAC層のパラメータ改変に着目し,ゲーム理論の枠組みの中で,非協力的な利己的ユーザが取るべき戦略を明らかに,その戦略が他ユーザに与える影響および他ユーザが取るべき防御戦略を明らかにすることを目的とする.平成23年度では,既に本研究課題研究者が発表した利己ユーザを含むスロット付アロハ方式に基づいた非協力アロハゲームに対し,正規ユーザ数を不明とすることにより非完備情報性を導入し,より現実的な,非完備情報における非協力アロハゲームを再構築した.そして,N個のユーザが存在するネットワークに新しく参加するユーザが,競合する他ユーザが利己的である確率に対する推定値に基づき,正規ユーザ,利己的ユーザのどちらになるべきかに関して数値解析を行った.その結果,参加ユーザ個人のスループットを利得とするか,あるいは参加ユーザが属するグループのスループットを利得とするかに応じで,利己的に振舞うべきと判断する閾値が大きく変化することを明らかにした.
Aurora－Aを標的とした包括的がん免疫療法の開発

がん、特に白血病の再発に大きく関わる白血病性幹細胞において、我々はAurora-Aを標的とした細胞免疫療法の有効性を世界ではじめて証明した。本研究はAurora-Aペプチドワクチン臨床試験によってその有用性を検討し、同時にAurora-A特異的T細胞レセプター(TCR)遺伝子を利用したがん特異的養子免疫療法および分子標的薬との併用がその治療効果を高める上で有効かどうか検討する、すなわちAurora-Aを標的とした包括的がん免疫療法の開発を目的とする。1.Aurora-Aペプチドワクチン臨床試験を開始し、2例の登録を完了、3例目を準備中である。1例目においては無治療の時と比較し白血病の進行を遅らせることに成功し、さらに、ワクチン4回投与後の末梢血単核球の解析において、Aurora-A特異的T細胞の増加を確認した。2例目においては現在ワクチンを継続投与中である。両症例ともに特記すべき副作用は認めていない。2.がん細胞を認識する上で重要な働きをするAurora-A特異的TCR遺伝子を利用して、がんに対するAurora-A特異的TCR導入T細胞輸注療法が有用であることを示す基盤的検討を完了した。この中で、Aurora-A特異的TCR遺伝子をCD4^+ T細胞にも導入することで、Aurora-A特異的CD4^+ T細胞も容易に樹立できること、さらにはこのCD4^+ T細胞存在下でAurora-A特異的TCR導入CD8^+ T細胞の機能が増強されることを新たに確認した(BLOOD in revision)。3.Aurora-A阻害薬を併用することで、抗腫瘍効果の増強を図れるか現在検討中である。以上より、がんの治癒を目指したAurora-Aを標的とした包括的がん免疫療法の有効性を臨床および基礎的検討から推進した。1.Aurora-Aペプチドワクチン臨床試験を開始し、1例目の登録を完了した。現在ワクチンを継続投与中であり、無治療の時と比較し白血病の進行を遅らせることに成功している。治療に伴うAurora-A特異的T細胞の推移は現在追跡中である。2.がん細胞を認識する上で重要な働きをするAurora-A特異的TCR遺伝子をヒト正常T細胞に導入することができれば、Aurora-A特異的T細胞を大量に増幅でき、それを患者に輸注することで治療効果の向上につながる。我々は、Aurora-A特異的TCR遺伝子を導入したT細胞が、容易に大量に増幅できること、ならびに白血病性幹細胞を含めたヒト白血病細胞を効率よく傷害し、かつ正常の細胞には影響を及ぼさないことを基礎実験により確認した。また、マウス腫瘍モデルにおいて、これらT細胞を輸注することにより効率的な抗腫瘍効果が得られることもあわせて確認し、養子免疫療法としての有用性の検討を完了した(論文準備中)。以上より、がんの治癒を目指したAurora-Aを標的とした包括的がん免疫療法の有効性を臨床および基礎的検討から推進し、本年度の目標は十分到達できたと考える。
免疫性不妊症における糖鎖抗原の意義および治療法の開発に関する研究

研究代表者らは免疫性不妊症における精子不動化抗体の病因的意義を、ヒト卵透明帯精子貫通試験を用いて明らかにして来た。本研究ではこの抗体に対応する抗原を、主として糖鎖抗原系を中心に解析し、卵・精子相互作用における糖抗原の役割を明らかにするとともに、免疫性不妊症の病態の解明および治療法の開発を目的とした。実験系としては、ヒト卵透明帯貫通試験および精子不動化試験を用いた。実験結果をまとめると以下のとおりであった。(1)WHOバンク血清および各種不妊血清について精子不動化試験を行い、数種の精子不動化抗体価の高い血清を選択した。その血清を用いたヒト卵透明帯精子貫通試験ではすべての血清で精子貫通又は結合の阻止が認められ、精子不動化抗体に受精阻止あるいは抑制のあることが判明した。(2)数種のレクチンを用いたヒト卵透明帯貫通試験を行い、レクチンのうちConA、RCA、WGAの3種のレクチンが精子の貫通を阻害することが明らかになった。(3)これら3種のレクチンに対応する糖について、ヒト卵透明帯および精子についての局在を調べたところ、これらの糖が卵透明帯および精子に存在することを認めた。(4)精子貫通を阻害するこれらの3種のレクチンに対応する糖を、これらのレクチンで処理して精子貫通性の低下したヒト卵に投与して、その精子貫通性の回復をみた実験を行ったところ、ConAに対応するマンノースが受精の場で重要な働きをしていることが判明した。(5)一方、精子を数種の糖で前培養して卵透明帯貫通性を調べたところ、やはりマンノースのみが貫通を阻止した。この阻害作用は可逆的であった。さらにマンノースの作用は精子のアクロゾーム反応には関係しなかった。以上の結果より、ヒトでは受精の場で配偶子上における糖鎖構造、特にマンノース残基が重要な役割を担当しており、これらに対する拡体が不妊の原因になる可能性のあることが示唆された。最近,細胞間相互認識の際の糖鎖構造の意義が注目されている.そこで,受精現象における精子および卵透明帯の糖鎖構造とその役割を明らかにするため,まず,ヒト精子と各種レクチンとの反応性につき検討した.その結果, Concanavalin A(ConA), Wheat gern agglutinin(WGA), Peanut agglutinin(INA)及びRicinus communis agglutinin(RCA)が精子と反応し,精子表面にはD-mannose, N-acetyl-D-glucosamine(GlcNAc), N-acetyl-D-galactosamine(GaINAc)及びD-galaetoseを末端に有する糖鎖構造が存在すると考えられた.一方,卵透明帯糖鎖構造についてはまず卵細胞の成熟過程での糖鎖構造の変化について体外成熟培養したブタ卵を用いて検討した.その結果,ブタ未熟卵,成熟卵共にConA RCA WGA Soy bean agglutinin(SBA)と反応し,成熟過程での糖鎖の変化はなかった.そこで,ヒト未熟卵を用いてヒト卵透明帯の糖鎖につき検討した結果,ヒト卵透明帯はConA,WGA,RCAと反応したがSBAとは反応しなかった.即ちヒト卵透明帯にはD-mannose, GlcNAc, D-galactoseを末端に有する糖鎖構造の存在する事が明らかになった.次に各種レクチンの受精に及ぼす影響につきヒト卵透明帯精子貫通試験を用いて検討した.その結果,透明帯をConA, WGA, RCAで前処理した場合,精子の卵透明帯への結合及び貫通を完全に阻害した.

更に,レクチン処理した透明帯をそれぞれの阻害糖で洗浄した後に再度透明帯貫通試験を行った結果, WGA, RCAの阻害作用は可逆的であったのに対しConAの阻害作用は不可逆的であった.この事はD-mannoseを末端に有する糖鎖構造がヒト卵透明帯に存在し精子レセプターの一部を構成し, ConAによりレセプターの構造変化が生じた結果,受精が阻害されたものと考えられた.現在,精子表面の透明帯結合部位を明らかにする目的で研究を進めている.受精にさいして卵透明帯は種特異的な精子の認識に関わっているが、特に糖鎖構造の役割が注目されている。昨年度の研究の結果、ConAレクチンに対応するマンノース糖が、受精の場で重要な役割を担当している可能性が判明したので、今年度はマンノーマに焦点を絞り、ヒト受精系に及ぼす影響を検討するとともに、その受精阻害作用機序の解明を試みた。〔方法〕Swim up法により得られた活動精子をマンノースを含む種々の糖(50mM)を含む培養液で30分間前培養後、ヒト成熟卵を使用した透明帯貫通試験で検討した。また、同様にして得られた精子を50mMのマンノースを含む培養液中で培養し、acrosome reactionの経時点変化をtriple stain法により検討した。〔成績〕マンノースで精子を前培養した場合、精子の透明帯貫通性が阻害されたが、その他のガラクトース、フコース、N-アセチル-D-ゲルコサミン等では阻害作用を認めなかった。またマンノースの阻害作用は前培養した精子を洗浄することにより消失した。一方、マンノースで培養した精子をSwim up直後、1、3、6時間後にtriple stain法により検討した結果、acrosome reactionを示す率はコントロールとの間に差がなく、マンノースの受精阻害作用はacrosome reactionと関係がないことが判明した。〔まとめ〕精子が卵を認識する際には卵透明帯糖鎖構造、特にマンノース残基が重要な役割を担っていること、マンノースの受精阻害作用は可逆的であること、さらにその阻害作用はacrosome reactionの抑制ではないことが明らかとなった。
森林土壌中の放射性セシウムの存在形態: 事故後6年間の変動と樹木の汚染過程の解明

2011年の原発事故により、放射性物質のセシウム137(137Cs)が福島県の森林に大量に飛散・沈着した。樹木の137Cs濃度は、137Cs沈着量が同じ場所でも大きな変動を示していることが知られている。ここで土壌中の137Csの大部分は、粘土鉱物の立体構造に取り込まれ、極めて強く固定されている(固定態)。またこれ以外にも、土壌有機物や粘土鉱物の負電荷に静電的に吸着した「交換態」の137Csなどが存在する。交換態の137Csは、量は少ないものの、比較的樹木に取り込まれやすい。ただしこれまでの福島の土壌研究は、全量での137Cs測定などから安定・多量な固定態に注目したものが多く、交換態に関する情報は限られる。そこで本研究では、福島の樹木の137Cs汚染のメカニズムの解明や将来予測を行うために、土壌中の137Csの存在形態およびその時空間変動を明らかにすることを目的とする。今年度は、県内の複数の森林で事故以来6年間に渡って採取してきた土壌試料(リター層・鉱質土層)を利用し、酢酸アンモニウム溶液による交換態137Csの抽出実験を実施した。その結果、各試料における全137Csに占める交換態137Csの割合は、2011年8月の時点でも10%(リター層)・6.1%(鉱質土層)であり、リター層・鉱質土層共にその後指数関数的に減少していることが明らかになった。この結果は、時間とともに植物が吸収しやすい形態のセシウムがより少なくなっていることを示しており、樹木の137Cs汚染のメカニズムなどを知る上で重要な知見となる。当初予定していた、交換態137Csの抽出実験を完了させ、その成果を国際誌に論発表することができた。さらに、137Csの吸着に寄与する土壌有機物の組成分析を、予定を前倒しして進めている。同じ試料に対し、核磁気共鳴や有機物分解実験などを実施することで、137Csの吸着に寄与すると考えられる土壌有機物の特定及びその時間変化を明らかにする。想定より物品を安く調達することができたため。残額は翌年度の物品費や分析依頼料などに使用する予定である。
環境汚染物質の健康影響に関与する複合要因

1.複数の汚染物質による同時曝露:pb曝露によるポルフィリン代謝異常の検出系として新たに血中ポルフィリノーゲンジアミナーゼ活性の高感度測定法を確立した。又、マウスをpbとNiに同時曝露した時、Pbによる尿中ALA排泄増加をNiが亢進する可能性を示した(友国)。焼却飛灰中及び人体脂肪中に残留しているコプラナー型PCBの各異性体ごとの存在量をGC/MSで測定し、各々の毒性を鶏胚肝EROD、AHH活性誘導能を指標として調べることにより、他のダイオキシン関連物質に対する相対的な毒性を評価した(樫本)。2.汚染物質以外の環境要因:Se摂取レベルに伴う肝GSH-Px活性の経時変化と、パラコート投与時の肝毒性発現との関係を詳細に検討した。又、Se欠乏時にFe代謝が変化している可能性を見出した(井村)。老人病院で病理解剖に付された高齢者の助骨中各種元素濃度と、慢性疾患との関連性について調べ、Pb、Al、Sr濃度が癌や骨の異常と何らかの関連性を持つ可能性を示唆した(鈴木)。3.複合要因としての生体側因子:自己免疫疾患モデル動物であるMRL/1マウスをCd曝露した時、自己抗体産生能が増加することを、in vivoのみならず、脾細胞を用いたin vitroの実験でも明らかにした(大沢)。CCl_4投与時に活性化されるホスホリパーゼA_2の細胞内局在性や基質特異性等の性状を明らかにした(井上)。子宮内でメチル水銀に曝露されたマウスの成長後の学習能力の変化を、曝露量別、性別、テスト回数別に解析した(佐藤)。L-myc遺伝子の対立遺伝子の出現頻度が、肉腫患者と正常者、並びに胃癌転移群と非転移群との間で異なっていることを明らかにした(石崎)。環境中に広く存在する複素環状アミン類が神経毒性を有することを明らかにし、その機構としてGABA受容体のアンタゴニストとして働いている可能性を示した(和田)。
身体トレーニングによる大腸ガンの予防効果に関する研究

大腸がんは、がんの初期段階である異常腺窩巣[aberrant crypt foci(ACF)]から腺腫となり、さらにがん腫に変化するという多段階発がん機構を経ることが知られている。平成16年度における研究により、低強度の走運動トレーニングにより、1,2-Dimethylhydrazine(DMH)により誘発されるACFが有意に減少することを明らかにした。そこで、本研究では、国民の間で行いたいスポーツの一つである水泳運動が「大腸がん」の初期段階であるACFの発生を予防しうるかについて検討を加えた。Fisher系雄性ラットに体重1kg当り20mgの1,2-Dimethylhydrazine(DMH)を1週間に1回を2回投与した後、ラットに水泳運動トレーニングと実施、安静対象群と比較した。水泳トレーニングは無付加での一日2時間、週5回行、4週間行った。トレーニング終了2日後、非運動コントロール群とともに大腸を摘出し、顕微鏡下でACF数を測定した。水泳トレーニング群のACF数(14±10個)は、非運動コントロール群(23±14個)より有意に少なかった(p<0.05)。Crypts/ACF数においても、2 cryptsにおいて、水泳トレーニング群(0.6±0.2個)が、非運動トレーニング群の値(2.2±0.4個,p<0.01)より有意に低い値であった。以上の成績から、低強度の水泳トレーニングも走運動トレーニングと同様に、DMHによって誘発されたACFの発現を抑制する可能性がある。これらの結果は、大腸がんの一次予防としての身体運動トレーニングの重要性を示唆しているものと考えられる。本研究では、ラットを対象として、先行研究により大腸の腫瘍およびがん腫への進展予防効果が報告されているトレッドミル走運動トレーニングと回転ケージを用いた自発走運動トレーニングが「がん」の初期段階であるACFの発生を予防しうるかについて検討を加えた。Fisher系雄性ラットに体重1kg当り20mgの1,2-Dimethylhydrazine(DMH)を1週間に1回を2回投与した後、ラットにトレッドミルによる走運動トレーニング(TRT)および回転ケージを用いた自発走運動トレーニング(VRT)を実施した。TRTは、10m/minのスピードで1日2時間、週5回を4週間実施した。VRTは回転車輪付のケージにて4週間飼育した。他のラットは、非運動コントロールとしてケージにて安静を保った。その結果、トレーニング期間中の総走行距離は、TRT群が24kmに対し、VRT群が62±11kmであり、VRT群はTRT群の2.6倍の走行距離であった。TRT群のACF数は、非運動コントロール群より有意に少なかった(14.3±2.3 vs. 28.9±4.4,p<0.05)。Crypts/ACF数においても、1、3および5 cryptsがTRT群で有意に低い値であった(1 crypt:3.2±0.5 vs. 6.4±1.2個,p<0.05;3 crypts:2.6±0.6 vs. 5.9±1.1個,P<0.01;5 crypts:0.6±0.2 vs. 2.2±0.4個,P<0.01)。一方、VRT群のACFおよびCrypts/ACF数は非運動コントロール群との間に有意の差を認めなかった。以上の成績から、身体運動トレーニングはDMHによって誘発されたACFの発現を抑制する可能性がある。したがって、大腸がんの一次予防としての身体運動トレーニングの重要性が示唆された大腸がんは、がんの初期段階である異常腺窩巣[aberrant crypt foci(ACF)]から腺腫となり、さらにがん腫に変化するという多段階発がん機構を経ることが知られている。
魚肉中のアレルゲンの性状解明

1.メバチなどの抽出液中にパルブアルブミン(PA)とは異なる新規アレルゲンの存在を確認した。このアレルゲンは,本研究室にプールされた日本人の魚アレルギー患者5名中3名もの血中IgEに対して反応陽性であったことから,日本の患者に対して特有なものではなく,かなりの数の患者のIgEが反応する可能性が考えられた。2.新規アレルゲンの精製,同定を試みたが,従来の手技に従った各種クロマトグラフィーの組み合わせのみでは精製が非常に困難であることがわかった。クロマトグラフィーのステップを変更しても,精製の途中で新規アレルゲンは再現性なく複数のピークに分かれてしまうことから,透析,凍結乾燥などの操作も含め,操作中に何らかの変性を受けるものと判断された。なお,SDS-PAGEによる推定分子量は100k以上であった。3.市販の魚肉練り製品(かまぼこ,はんぺんなど)のアレルゲン性をELISAで検討した。その結果,冷凍すり身が主原料である加工品に対し,反応陰性と陽性の血清とに二分された。製造工程のうちの水晒しのモデル系でPAの減少を確認した。よってPAのみに反応するIgE保有患者にとって,これらの加工品は低アレルゲン化が実現されていることを明らかにした。一方,新規アレルゲンは水晒し工程では除去できず,陽性血清はすべてこれに対する血中IgE保有者のものであった。また,冷凍すり身未使用のものではPAの残存する製品も見い出され,練り製品が魚アレルギー患者に対して必ずしも安全というわけではないことをin vitroで証明した。4.新規アレルゲンの精製方法をさらに検討している。これまでの種々の検討から,本新規アレルゲンは筋肉構成タンパク質である可能性も考えられ,既報の筋原線維タンパク質の精製方法も応用して,アレルゲンの精製,同定に努めている。1.分類学上多岐にわたり,かつ大衆性も考慮して選んだ9種の魚(ウナギ,ニシン,シロザケ,スケトウダラ,サンマ,キンメダイ,マダイ,マサバおよびメバチ)の筋肉の加熱抽出液を作成した。これら抽出液の魚アレルギー患者(国内の5名)血清IgEとの反応性をELISAによって評価した。その結果,抽出液の反応性の強弱は患者毎に異なっていたが,うち3名の血清はいずれも魚種ともにほぼ均等に反応が陽性であった。しかし,反他の2名の血清は,いずれもウナギ,およびメバチに対してのみ著しく反応性が高かった。2.ウナギとメバチの抽出液をゲルろ過(SepahdexG-75)に供し,溶出液を分取した。各フラクションに対する患者血清の反応性をELISAで調べた。その結果,5患者血清中2名はフラクション15番(排除限界付近)前後にのみ,他の2名は30番付近にのみ,残りの1名はこれらの両者に対して陽性を示した。30番前後に反応陽性だった血清,および15番,30番前後の両者に血清が認められた血清は,1の前者3名の患者血清であった。2.のフラクション30番前後の画分を逆相HPLC(TSKgel ODS-120T)に供し,得られたピークの患者血清に対する反応性を調べた。ウナギ,メバチいずれも複数の顕著なピークを得た。1.の前者3名の患者血清は,これらのいずれの画分に対しても,ELISAの反応が陽性であった。これらの画分はアミノ酸組成,SDS-PAGE,および抗パルブアルブミン抗体との反応性などの結果から,いずれもパルブアルブミンであると同定した。一方,同抗体は2.の15番付近の画分との反応性を示さず,新規のアレルゲン成分であることが示唆された。4.現在2.の15番付近の画分を集め,これらに含まれるアレルゲンの精製を試みているところである。
NMRによる有機分子構造決定の為の計算化学ソフトウェア

(1)フレキシブル分子の配座自動発生プログラムCONFLEXの作成CONFLEXプログラムの骨子は既に平成2年度におよそ出来上っていたが、本研究課題継続期間内に集中的に研究を進めた結果、これを完成することができた。CONFLEXは単に分子中の結合を系統的に回転するだけのプログラムではなく、分子の熱振動に伴う配座変換の素過程をミミックするように工夫され、しかし低エネルギー領域のみを徹底的に探索する機能を備え、広大な配座空間内でエネルギー障壁によって隔てられたドメイン間の自動移動が起るように工夫されているという点において、既知に如何なる配座探索プログラムと比べても遥かに優れている。CONFLEXは本研究代表者等が設立した日本化学プログラム交換機構等を通じてソースコードを含めて完全に公開されて居り、今後世界各地の有機化学者の間で広く用いられると期待される。(2)分子力学汎用プログラムUMFの作成本研究課題継続期間内にはUMFの主要機能の一つである溶媒効果項の作成を終了することができた。これはオリジナリティーはStillのアイデアにあるが、技術的には分子体積の精密計算およびその解析的微分を含めて精度を各段に向上させることができた。引き続いてUMFへの組み入れと試行を継続するが、完成の暁には最も有用な分子力学計算プログラムとなると期待される。(3)結合定数計算プログラム(3JHH2)現在でも本研究室から頒布しているプログラムは最大数の計算頂と最大数のパラメータを内蔵しているが、更に攻良の余地のあることが平成4年度内に判明した。対策を検討し終ったので近く研究を再開する。(1)配座発生および分子の算出の為のプログラムCONFLEX環式配座に対するアルゴリズムはほゞ終了したが、鎖式構造に対する配座は、環式よりも数が2桁以上多くなり、非常に困難となることが判明した。これまで鎖式配座に対する系統的研究は皆無に等しかったので、n-デカンまでを克明に調査したところ、配座数は3n(nは内部C-C結合数)よりもかなり多いこと、しかし配座分布は高エネルギ-側に偏よっていること、これはGG'部分の非対称変形に伴う新エネルギ-極小点の発生によることなどが明らかとなった。そこで低エネルギ-領域のみを効率的かつ徹底的に探索するアルゴリズムを考案し、その性能を試験したところほゞ期待通りの効果を示した。(2)分子力学法によるエネルギ-極小化プログラムUMF溶媒効果項を分子力学の立体項の一つとして付け加える為に連続誘電媒体中の反応場理論アルゴリズムの作成に努力を注いだ。Stillの先駆的な方法に見られた物理的意味に乏しいパラメ-タの導入を避けるためにScale particle理論をとり込み、その為に分子の表面積だけでなく体積の一次およ二次微分展開を必要としたが、これをほゞ終了し、さらにプログラムのテストに向けた展開を継続中である。(3)結合定数計算プログラム(3JHH)NMRデ-タベ-スから約500点のビジナル結合定数デ-タを取り入れてKarplus改良式の精度向上を試みつゝある。(1)配座発生および構造比較の為のプログラムCONFLEXの作成今年度の課題は低エネルギー空間の徹底的探索を保証する為の新アルゴリズムの作成であった。鋭意研究の結果、「踏み石」方式による確実な低エネルギー側への移行および「貯水池」方式による配座空間内での異領域への移動を可能とするプログラムを作成し、慎重な試行を繰り返した結果これを完成することができた。引き続き本プログラムを用いてエリスロマイシン合成におけるウットワード型鎖式セコ酸の配座空間探索およびエリスロ環配座の発生原因を探った。とくに前者においては環化反応をひき起す有効配座を確認することができ、同時に有効配座の発生理由を明らかにすることができた。

これはマクロライド合成のみならず、マクロ環化の配座支配要因を明らかにした点において画期的であり、環化反応に寄与するところが大きいと思われる。(2)分子力学法の改良と、それに基ずく新汎用力場計算プログラムの作成溶媒効果頂を分子力学の立体頂の一つとして付け加える為に連続誘電媒体法と反応場理論の組み合せ法を取り入れ、基本ルーチンを作成した。分子の体積計算およびその一次、二次微分のコーディングにおいて思わぬ困難に遭遇し手間取ったが、努力の結果本年度中に完成することができた。(3)結合定数計算プログラムの作成(3JHH2)NMRデータベースから採用した1000近いビシナル結合定数を用いて、先に作ったKarpLus改良式を検討したところ、実験的に求めた定数を用いる定式化を不都合であることが判った。そこで理論計算によって結合定数を求めることとして、継続研究中である。
STAT1機能獲得型変異が自己免疫性の内分泌障害を引き起こす分子病態の解明

慢性皮膚粘膜カンジダ症(CMCD)は、慢性・反復性にカンジダ感染を発症する原発性免疫不全症で、本症患者の約半数でSTAT1遺伝子の機能が亢進する変異(GOF変異)を認める。最近STAT1-GOF変異を持つ患者が、CMCD以外にも多彩な感染症、自己免疫疾患や内分泌疾患などを合併する重症例の存在が明らかになっている。本研究では、重症の臨床像を示すGOF変異(T385M)を用いて、特異的な遺伝子プロファイルを解析し、重症化する分子メカニズムを解明する。また、解明されたメカニズムにより、これらの分子を標的とした疾患特異的治療の開発を目標とする。
閉塞性黄疽時における門脈-大腿静脈シャントによる虚血再灌流障害抑制

今回の研究は、閉塞性黄疸犬に対し肝血流を遮断したとき門脈-大腿静脈シャントを造設し、腸管の鬱血を回避することで、全身状態あるいは肝臓に対しシャントがどの程度有効であるかを検討した。黄疸作成のためポリエチレンカテーテルをVater乳頭より逆行性に総胆管に挿入し固定した。一週間後、15分間の肝血流遮断前に門脈と大腿静脈をバイパスした群としない群に対し、肝動脈血流量、門脈血流量、アンモニア、動脈血ケトン体比、肝臓および血清過酸化脂質、GPTを測定した。結果は、シャント非造設群の肝血流遮断後の血流回復率はシャント造設群より有意に低下した。シャント造設群のアンモニアは遮断中に一過性に上昇したがまもなく正常範囲に低下した。虚血中動脈血ケント体比は下降したが、遮断解除後回復した。両者に有意差は認めなかった。血清過酸化脂質は虚血中シャント非造設群で上昇したが、肝組織過酸化脂質に有意差はなかった。シャント群のGPTは解除後60分で有意に低下した。非シャント群の死亡率は80%(4/5)でシャント群の死亡率は20%(1/5)であった。結局、アンモニアとケトン体比の変化は死亡率に影響をおよぼさなかったが、肝血流回復率の低下と血清過酸化脂質の上昇は、全身状態に影響をおよぼしたと考えられた。今回の研究から、Pringle法は閉塞性黄疸患者には危険であるが、門脈-大腿静脈シャントを造設することで危険は少なくなることが示唆された。
パ-ソナルコンピュ-タ-利用による一切経音義反切の研究

1.先ず《広韻切韻譜》に網羅されている各音節の反切の帰字・上字・下字について、その韻摂・転・内外・等・声調・声母・開合をコ-ド化した。韻摂については116、転については143、内外については01、等については14、声調については14、声母については142、開合については01、のコ-ドを使用した。その結果「中古漢語」の各音節は、若干の例を除き、常時10桁の数字で表示することが可能になった。2.次に当初予定した《フロント文華》対応カ-ド型デ-タベ-スソフト《プチカ-ド》を、マッキントッシュ対応ソフト《ハイパ-カ-ド》に改め、上述のコ-ド化された音節を、小韻字を含んで入力した。所謂第二水準に見当らない字も多く、処理に窮することもあったが入力は終了した。3.次に上田正氏の『慧琳反切総覧』に整理された27558の反切について、各々の帰字・上字・下字を上述のコ-ドを利用して分類入力していく作業を進めた。但し帰字については帰類(コ-ド化)が全面的に可能なわけではないので,それらについては別途考えることとして,当面の作業を進めた。反切上字4274、下字2493の帰類については,当初予測した程の判断に迷うケ-スは多出しなかった。従って上字・下字については入力を終了し,コ-ド化が可能になったといえる。4.但し最大の難関は,別途に考えなければならない帰字についての処理方法である。一つの理由としてマッキントッシュの次世代漢字入力システム(Ver.7)がまだ市販化されていない,ということと《オ-ルスクリプト》対応漢字システムにソフト面での制約がまだ大きい、ということが挙げられる。いずれにしてもこれらの作業については他日を期したい。
モノリシック共振器型ワイドギャップ半導体波長変換素子の開発

本研究では、「分極反転が必須」という波長変換素子の既成概念にとらわれない、簡素な構造と作製工程を用い部品を全て一体集積化したモノリシック共振器型波長変換素子の開発を目的とする。新規提案する素子構造は、例えばc面サファイア基板上に積層した単結晶窒化物半導体GaNにより構成されるモノリシック微小共振器型構造である。この素子に励起光を入射すると、非線形光学効果により直交偏光した量子もつれ光子対が発生し、量子暗号通信や量子コンピュータに用いる量子光源を実現できる。この共振器鏡での反射位相変化を制御して二波が強め合うため、従来の強誘電体素子のような結晶方位の周期変調(分極反転)などの特殊な構造は一切不要である。従来個別の光学部品を用い構成され光学定盤を専有していた大型の共振器型波長変換素子を、1 mm以下のサイズへと縮小し劇的な小型化と高安定化を狙うと共に、実際に量子光源として機能することを実証する。これまでの実績として、下記の進捗状況にて述べるように、(i)第二高調波発生(SHG)デバイスの設計、(ii)SHGデバイスの作製について顕著な成果が得られた。特に(i)においては、当初提案であったコランダム系酸化物多層膜微小共振器に代えて、窒化物半導体薄膜への深掘り加工というシンプルなプロセスを用いてデバイスが実現可能であることを見出し、(ii)において実際にデバイス作製に成功した。従来のデバイスに比べて光閉じ込めが強いことから、およそ1000分の1の短尺化にもかかわらず40%を超える波長変換効率が見込まれるという画期的な成果であり、当初計画以上の成果が得られたと考えている。(1)SHGデバイス設計サファイア基板上にMOVPE成膜したGaN薄膜を用いて、分光エリプソメトリによる屈折率分散の評価後、転送行列法を用いてモノリシック微小共振器型SHGデバイスの設計を行った。波長変換を担う区間は通常周期的分極反転構造に用いられるコヒーレンス長相当のGaN平板とし、その左右に周期的空気層を深掘りにて形成した3次分布ブラッグ反射鏡(DBR)を配置する構造とした。左側から入射した基本波が左右DBRによりおよそ2000倍に強く閉じ込められることで高効率に第二高調波を発生する。また左側DBRには位相調整区間を配置することで、発生した第二高調波が強めあい放出されるよう設計した。デバイス全長が11μmと、従来の強誘電体周期的分極反転SHGデバイスの1000分の1以下であるにも関わらず、46%という極めて高い波長変換効率を実現できることを数値シミュレーションにより確認した。(2)SHGデバイス作製上記設計を元に、実際にGaN薄膜に対して深掘りを施すことで、モノリシック微小共振器型波長変換デバイスを作製した。まず電子線描画とリフトオフを用いてNiハードマスクをパターニングし、続いて反応性イオンエッチングにより左右DBRの空気層を深掘りにより形成した。このとき側壁傾斜角はおよそ80°と垂直性が良くないが、続いてアルカリ水溶液を用いた異方性エッチングを施すことにより、ほぼ垂直なm面側壁からなる設計通りのデバイスを形成することに成功した。前年度から進めている研究項目(1)デバイスの設計、(2)デバイスの作製に加えて、下記項目を進める。(3)SHGデバイスの動作実証上記作製プロセスにおいてモノリシック集積型微小共振器デバイスの作製に成功したが、光学結合の際に基板によるケラレが生じるため、これを解決する構造を検討する。その後、波長可変CWレーザを基本波として用い、SHGの実証を行う。(4)OPDCデバイスの動作実証続いてSHGと逆の非線形光学過程にあたる光パラメトリック下方変換(OPDC)の実現のため、左右DBRを再設計し、偏光もつれ光子対発生を試みる。波長可変OPOを用いて励起し、OPDC素子単体からの二光子発生とその偏光関係を確認後、二光子の波長が共にポンプ光の倍となる縮退OPDC条件を満たすよう、デバイス構造と温度を合わせ込み、二光子の量子相関を確認する。続いて405 nm帯波長可変CWレーザとSi-SPD二台を新規導入し、時間間隔アナライザを用いることで、810 nm帯域でのHong Ou Mandel干渉測定を行う。また自由空間光学系による偏光量子もつれの評価を行い、量子光源としての機能を実証する。(5)コランダム系多層膜微小共振器の検討並行して進めているコランダム系酸化物材料の物性評価を進め、当初計画であった垂直共振型の多層膜微小共振器デバイスの作製を進め、上記と同様の結晶方位反転不要な波長変換デバイスの実証を行う。

従来個別の光学部品を用い構成され光学定盤を専有していた大型の共振器型波長変換素子を、1 mm以下のサイズへと縮小し劇的な小型化と高安定化を狙うと共に、実際に量子光源として機能することを実証する。これまでの実績として、下記の進捗状況にて述べるように、(i)第二高調波発生(SHG)デバイスの設計、(ii)SHGデバイスの作製について顕著な成果が得られた。特に(i)においては、当初提案であったコランダム系酸化物多層膜微小共振器に代えて、窒化物半導体薄膜への深掘り加工というシンプルなプロセスを用いてデバイスが実現可能であることを見出し、(ii)において実際にデバイス作製に成功した。従来のデバイスに比べて光閉じ込めが強いことから、およそ1000分の1の短尺化にもかかわらず40%を超える波長変換効率が見込まれるという画期的な成果であり、当初計画以上の成果が得られたと考えている。(1)SHGデバイス設計サファイア基板上にMOVPE成膜したGaN薄膜を用いて、分光エリプソメトリによる屈折率分散の評価後、転送行列法を用いてモノリシック微小共振器型SHGデバイスの設計を行った。波長変換を担う区間は通常周期的分極反転構造に用いられるコヒーレンス長相当のGaN平板とし、その左右に周期的空気層を深掘りにて形成した3次分布ブラッグ反射鏡(DBR)を配置する構造とした。左側から入射した基本波が左右DBRによりおよそ2000倍に強く閉じ込められることで高効率に第二高調波を発生する。また左側DBRには位相調整区間を配置することで、発生した第二高調波が強めあい放出されるよう設計した。デバイス全長が11μmと、従来の強誘電体周期的分極反転SHGデバイスの1000分の1以下であるにも関わらず、46%という極めて高い波長変換効率を実現できることを数値シミュレーションにより確認した。(2)SHGデバイス作製上記設計を元に、実際にGaN薄膜に対して深掘りを施すことで、モノリシック微小共振器型波長変換デバイスを作製した。まず電子線描画とリフトオフを用いてNiハードマスクをパターニングし、続いて反応性イオンエッチングにより左右DBRの空気層を深掘りにより形成した。このとき側壁傾斜角はおよそ80°と垂直性が良くないが、続いてアルカリ水溶液を用いた異方性エッチングを施すことにより、ほぼ垂直なm面側壁からなる設計通りのデバイスを形成することに成功した。前年度から進めている研究項目(1)デバイスの設計、(2)デバイスの作製に加えて、下記項目を進める。(3)SHGデバイスの動作実証上記作製プロセスにおいてモノリシック集積型微小共振器デバイスの作製に成功したが、光学結合の際に基板によるケラレが生じるため、これを解決する構造を検討する。その後、波長可変CWレーザを基本波として用い、SHGの実証を行う。(4)OPDCデバイスの動作実証続いてSHGと逆の非線形光学過程にあたる光パラメトリック下方変換(OPDC)の実現のため、左右DBRを再設計し、偏光もつれ光子対発生を試みる。波長可変OPOを用いて励起し、OPDC素子単体からの二光子発生とその偏光関係を確認後、二光子の波長が共にポンプ光の倍となる縮退OPDC条件を満たすよう、デバイス構造と温度を合わせ込み、二光子の量子相関を確認する。