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単一分子間における電子伝導の計測法の開発と展開

本研究では,始めに,単一分子ー単一分子間の電子移動を定量評価できる手法を開発した.これによって,単一の水素結合を介した電子移動を初めて定量し,共有結合を介した場合よりも抵抗が低く,有利な電子移動が生じることを見出した.その他,様々な化学的相互作用を介した単分子間における電子移動について系統的に検討し,新たな知見を多数明らかにした.また,応用研究として,上記計測法に基づくDNAのミスマッチ,メチル化など塩基変異の単分子検出法を提案した.本申請研究では、これまで申請者らが開発してきた分子探針を用いた走査型トンネル顕微鏡(STM)をもとに、単分子とそれに近接した単分子との界面における電子移動を測定できる初めての手法を開発する。上記の電子移動は、自己組織的に分子を集積化するボトムアップ型分子デバイスに本質的に関与するため、本研究はその実現に大きく貢献するものである。様々な単一分子/単一分子界面での電子伝導を計測し体系的理解につなげるとともに、化学物質の添加などによる電子移動のスイッチングなどの新規現象を探索する。さらに、応用研究として、DNA二本鎖形成時の電子伝導変化について検討する。DNAの電子物性は多数の研究がなされているものの、単一分子レベルでの導電性等の特性は知られていない点が多い。一方、遺伝子診断に基づく質の高い医療活動(テーラーメード医療)の実現のために、より迅速なDNA解析技術が必要とされている。そのためには、単一DNAレベルでの特性を計測し理解することが欠かすことができない。そこで、本申請研究では、DNA二本鎖が形成される際の動的な電子伝導変化を単一分子レベルでその場計測する。相補、非相補による電子伝導の違いを明らかにすることによって、新規DNA診断デバイスの検出原理として提案する。本原理は、単一分子のシークエンシング技術として注目を集めているナノポアなど次世代DNAシークエンサにおけるDNA塩基配列の識別・検出法として有用なものである。本研究では,研究代表者がこれまで開発した,分子探針を用いる走査型トンネル顕微鏡をさらに発展させ,単一分子ー単一分子間の電子伝導を定量評価できる初めての手法を開発する.上記の電子伝導は,ボトムアップ型分子デバイスに本質的に関与するため,本手法は,その創製において不可欠なものになると考えられる.さらに,化学的刺激による単一分子間の電子伝導のスイッチングなど新奇現象を探索する.上記の当初研究目標に対し,始めに,単一分子ー単一分子間の電子移動を定量評価できる手法を開発した.これによって,代表者らは,単一の水素結合を介した電子移動を初めて定量し,共有結合を介した場合よりも抵抗が低く,有利な電子移動が生じることを明らかにした.また,水素結合を形成している単分子ー単分子間に金属イオン加え配位結合を形成するとさらに抵抗値が低下し,単一分子界面における電子伝導のスイッチングが可能であることを示した.さらに,電荷移動相互作用を介した電子移動について検討し,電子供与体ー受容体の単一分子ペアが整流素子としての特性を有することを示し,この整流特性を単分子レベルにて定量的に評価した.応用研究として,生体内における分子認識に伴う単一生体分子の電子伝導特性の変化を明らかにした.具体的には,DNA二本鎖が形成される際の動的な電子伝導変化を単一分子レベルでその場計測し明らかにした.相補,非相補による電子伝導の違いを見出し,これに基づき,DNAの単分子検出を実現した.さらに,DNAメチル化によっても電子伝導に違いが生じることを明らかにし,ミスマッチ,メチル化などDNA塩基変異に対する単分子検出法として提案した.本研究では,始めに,単一分子ー単一分子間の電子移動を定量評価できる手法を開発した.これによって,単一の水素結合を介した電子移動を初めて定量し,共有結合を介した場合よりも抵抗が低く,有利な電子移動が生じることを見出した.その他,様々な化学的相互作用を介した単分子間における電子移動について系統的に検討し,新たな知見を多数明らかにした.また,応用研究として,上記計測法に基づくDNAのミスマッチ,メチル化など塩基変異の単分子検出法を提案した.本申請研究では、これまで申請者らが開発してきた分子探針STMをもとに、単分子とそれに近接した単分子との界面における電子移動を測定できる初めての手法を開発することを目的とする。上記の計測手法は、分子エレクトロニクスに限らず、例えばバイオ機能素子の微小化にも有用である。すなわち、生体分子間の分子認識に伴う導電性などの物性変化を単一分子レベルで解明することによって、微小な診断デバイスの創製が可能になる。本申請研究では、応用研究として、DNA二本鎖形成時の電子伝導変化について検討する。

本原理は、単一分子のシークエンシング技術として注目を集めているナノポアなど次世代DNAシークエンサにおけるDNA塩基配列の識別・検出法として有用なものである。平成23年度に得られた知見に立脚して、単一分子間における電子伝導についてさらに詳細に検討した。平成23年度には、末端にカルボキシル基を有する単一分子-単一分子の界面において、二つの分子間に形成される水素結合により有利な電子移動が生じることを明らかにした。今年度は同様の単分子間界面に二価金属カチオンを添加し、同様の計測を行った。その結果、金属イオンがカルボキシル基間に配位結合を形成し、電子移動がさらに容易に進行することを明らかにした。この現象を利用し、単一分子ー単一分子間において、金属イオンによる電子移動のスイッチングを実現することに成功した。上記は、当初申請書に記載された今年度計画に沿ったものであり、期待通り、単一分子間における電子伝導に関する詳細な知見、および新奇現象に基づく機能化を実現することができた。さらに、電荷移動相互作用を形成する単一分子-単一分子間における電子移動の計測を行った。電子供与性分子としてポルフィリン、受容性分子としてフラーレンを用いた。後者をAu製STM探針に修飾し分子探針とし、平成23年度まで開発した単一分子-単一分子における電子移動の計測法に基づき、ポルフィリンーフラーレン分子間の電子移動について検討した。空間的に近接した電子供与体と受容体が整流作用を示すことは本研究代表者らがすでに実証している。本研究では、さらにこの整流作用を単一分子レベルにおいて定量的に評価することに成功した。以上のように、当該年度に予定していた研究計画に加え、新たな研究項目を追加し成果を得ることができた。分子末端にカルボキシ基を有するアルカンチオールをAu製STM探針に修飾することによって分子探針を作製した。また、カルボキシアルカンチオールをAu(111)基板表面に吸着させた。両者の間に生起するトンネル電流を計測することによって、探針、基板表面の分子のカルボキシ基間に形成される水素結合を通じた電子移動を定量的に評価した。その結果、(1)水素結合を介した電子移動が、共有結合を通じた電子輸送よりも高いコンダクタンスを示すこと、(2)ジャンクションの長さが長くなるに従って、水素結合を介した電子移動のコンダクタンスが急激に減少することを単一分子レベルにおいて初めて明らかにした。さらに、同様の計測を金属イオンの存在下にて行い、カルボキシ基と金属イオンとの配位結合を通じた電子移動の評価に成功した。これにより、配位結合の形成によって、水素結合の場合よりもさらにコンダクタンスが上昇することを見出した。これを利用して、分子コンダクタンスを単一金属イオンでスイッチング可能であることを示した。さらに、DNAを修飾した探針によってDNA単一分子の検出を可能とした。3'末端にチオール基を導入した一本鎖DNAを探針、基板に修飾し、上記と同様にI-z計測を行った。その結果、探針、基板上のDNAが互いに相補的な際に大きなコンダクタンスが得られた。
シミュレータを利用した実験学習における個別的学習支援システムに関する研究

理科の学習において、基本的な物理法則を学び単純な物理系が理解できるようになっても、複雑になると系の性質が理解できない場合が多い。同じ物理則しか使われない系であっても、状況が異なると物理則を適用することができなくなるためと考えられる。物理系の理解が完全にそれぞれの状況に依存しているなら、異なる系それぞれを理解するのに一定の負荷がかかることになるが、一定の規則で部品を構成してできる複雑な系の場合であれば、対象に対する理解が深まるにつれて系の性質を容易に理解できるようになる。したがって、系の構造に関する一般化の観点から、知識の適用能力を獲得できるよう学習させることが有効と考えられる。本研究はシミュレータを用いた実験環境で物理系への理解を深める学習の支援を目的としているが、本年度は、実験環境の構築と、支援システムによる物理系の認識方法、学習者の理解状態の表現方法に関する研究を行った。対象領域には、ばねの学習を取り上げた。複雑な系への知識適用能力獲得を支援するには、支援システムが系の複雑さ、系の類似性を認識し、その上で学習者の理解状態をモデル化することが必要となる。そこで、現在対象にしているばね系では、力学系を支配する力の因果構造が部品の結合関係で定義される系の構造と一致することから、部品の結合の種類を軸とする多次元空間上の樹状構造で力学系を表現する方法を提案した。現在対象としているばね系では、直列構造と並列構造の二次元空間となる。直感的には、系の構造は木の構造で、系の複雑さは多次元空間上での木の広がりで表現される。学習者の理解状態は、バグモデルを用いて推定し、木の属性として与えている。このような学習者モデル表現を用いることで、ある系での学習で得られた学習者の理解状態から、系の類似性を利用して別の系に対する理解状態を推定することが可能となる。
微細加工技術を用いた人工沸騰面の創成 -機構解明とモデル化、伝熱特性の制御-

難解な沸騰現象とその熱伝達機構のより理解を目指し、加熱面性状をできるだけ単純化して現象解明を進めるため、また機能的な沸騰面創成のためのデータベースを蓄積することを主たる目的として、加熱面上に人工的なキャビティを設け、実験的および理論的な研究を行なった。具体的には、前年度(平成14年度)の研究を推し進め、先ず、シリコンあるいは銅面に2個の人工キャビティを付与して1)キャビティ間隔の影響、2)加熱面の材質(熱伝導性)と厚さ(熱容量)の影響、特に気泡核干渉のメカニズムについて調べた。その結果、気泡核干渉の影響因子として1)気泡の合体、2)熱的干渉、3)流力的干渉の3つがあり、評価関数として気泡の離脱に注目したとき、それらの3要素が寄与する度合いにより、キャビティ間隔をパラメータとして4つの領域に区分されることを明らかにした。そして、この結果が一般性のあることを、3個のキャビティの場合、試験液体をイソプロパノールとした場合について実験的に検討した。沸騰気泡の挙動の理解のために行った空気-水等温系における気泡生成の研究では、2個の対オリフィスから生成する気泡の発生挙動と干渉機構について実験的ならびに理論的に研究し、スケール則を有する特異な気泡発生パターンの発生を発見し、それを理論的に説明することに成功した。これらの成果は内外の学会や学術誌に発表し好評を得た。難解な沸騰現象とその熱伝達機構のより理解を目指し、(1)できるだけ単純化した形で研究すること、(2)機能的な沸騰面創成のためのデータベースを蓄積すること、を主たる目的として、加熱面上に人工的なキャビティを設け、実験的および理論的な研究を行なった。具体的には、プール核沸騰における1)キャビティ形状の影響、2)キャビティ寸法の影響を調べるために単一キャビティの実験を行ない、気泡発生核の相互干渉を調べるために対キャビティを用いて3)キャビティ間隔の影響、4)加熱面の材質(熱伝導性)と厚さ(熱容量)の影響について実験し、さらに実際の沸騰に近い5)マルチキャビティの沸騰挙動に関する5つの実験を同時並行的に行なった。また、これらとは別に、気泡の力学挙動を明らかにするため、水-空気等温系において単一および2個の対オリフィスから気泡を生成させ、その非線形特性を調べる実験も行なった。これらの実験研究により、円筒状およびリエントラント状キャビティからは安全な発泡が起こること、キャビティ口径の影響は顕著ではなく、深さの影響が大きく、深いキャビティからは規則的で安全な気泡が生成すること、気泡の相互干渉は、離脱気泡の3倍以内で顕著であり、異なった傾向をもつ4つの干渉領域に分けられるが、それらは流体力学的、熱的、気泡合体の3つの影響因子の競合関係で定まっていること、伝熱促進のためには最適なキャビティ配置があるが空間的なスケール則が存在することなどが明らかになった。また、等温系のオリフィスを用いた単純系にあっても気泡の発生と干渉は複雑であり、独特の分岐現象やスケール則が存在することなどを明らかにした。こうした成果は適宜国内外の学会および雑誌に公表した。

沸騰気泡の挙動の理解のために行った空気-水等温系における気泡生成の研究では、2個の対オリフィスから生成する気泡の発生挙動と干渉機構について実験的ならびに理論的に研究し、スケール則を有する特異な気泡発生パターンの発生を発見し、それを理論的に説明することに成功した。これらの成果は内外の学会や学術誌に発表し好評を得た。
転写因子SF-1およびLRH-1による卵巣分化の分子メカニズムの解明

転写因子SF-1とLRH-1の標的遺伝子であるStAR遺伝子領域において、新たなエンハンサー領域を同定すると共に、この領域とプロモーター領域との間でループ構造をとることが転写の活性化に重要であることを明らかにした。さらに私どもが生化学的な手法により同定したSF-1複合体構成タンパク質の1つC/EBPβが、SF-1と共にその標的遺伝子にリクルートされ協調的に転写調節に関与することが示された。本研究によりSF-1とLRH-1によってひきおこされる新たなクロマチン構造変換メカニズムが明らかとなった。(背景)私どもは、間葉系幹細胞に転写因子SF-1またはLRH-1を導入後、cAMP刺激を与えることで、卵巣性のステロイドホルモンを産生する細胞へと分化誘導することに成功している。本研究ではその分化誘導メカニズムを、クロマチン構造変換解析を通して行うことにより、その分子メカニズムの解明を試みている。(方法・結果)SF-1標的遺伝子におけるクロマチン構造変換解析間葉系幹細胞株UE7T13細胞へのSF-1導入により、SF-1標的遺伝子の1つであるStAR遺伝子で、どのようなクロマチン構造変換がおこるかをクロマチン免疫沈降法により解析した。その結果、StARプロモーター領域では、RNA polymerase IIとSF-1がリクルートされると共に、その領域のヒストンH3およびヒストンH2Bが減少することを見出した。このことからStARの転写活性化の際、SF-1結合領域のヌクレオソーム変換、特にヌクレオソームフリーな状態をつくりSF-1の結合を促進することが重要ではないかと考えられた。さらにプロモーター領域以外に新たなSF-1結合領域を同定し、その領域においてもプロモーター領域同様、ヌクレオソームフリーな状態であることが示唆された。さらにこの領域の転写活性化能をルシフェラーゼアッセイにより検討したところ、この領域が転写活性にも重要であることを明らかにした。(結論)本研究により、ヒトStAR遺伝子の新たなクロマチン構造変換を介した転写活性化メカニズムを明らかにした。私どもは間葉系幹細胞に転写因子SF-1またはLRH-1を導入することでステロイドホルモン産生細胞へと分化誘導することに成功している。本研究では、幹細胞の分化誘導系を用いてSF-1 (LRH-1)標的遺伝子であるSteroidogenic Acute Regulatory Protein (StAR)の転写活性化メカニズムについて検討した。間葉系幹細胞株UE7T13細胞へmycタグ付きSF-1 (LRH-1)導入前後における、StAR遺伝子上のPol II、SF-1 (LRH-1)のリクルートおよび非修飾ヒストンH3の結合をChIP法により解析した。その結果、プロモーター領域と共に転写開始点上流3kbpにSF-1 (LRH-1)が結合する領域を新たに同定した。またSF-1 (LRH-1)結合領域特異的にヒストンの結合が減少することを見出し、この領域がヌクレオソームフリーな状態になっていることが示された。さらに新たに同定したStARエンハンサー領域の転写活性化能を検討したところ、その領域が転写活性に重要であることが明らかとなった。またこのエンハンサー領域とプロモーター領域がループ構造をとり、転写に関わることを3C法により明らかにした。本研究により、ヒトStAR遺伝子上の新たなSF-1 (LRH-1)結合領域を同定し、その領域とプロモーター領域でループ構造をとり転写を活性化することが初めて示され、ステロイド関連遺伝子の新たな転写活性化メカニズムが示された。さらに生化学的な手法により同定したSF-1複合体構成タンパク質が、SF-1標的遺伝子にリクルートされ、SF-1と協調的に作用することもChIP法により明らかにしており、SF-1およびLRH-1による新たな分子メカニズムが解明された。
無核紀州型無核性カンキツの胚の発育停止はゲノムインプリンティング変異に起因するか

シロイヌナズナで明らかにされているインプリンティング遺伝子MEA、DME、MET1、FIS2、FWA、PHE、SSRP1について、カンキツのゲノム情報をもとに相同性探索を行い、これらの遺伝子と相同性が高い、または同じファミリーに属するカンキツ遺伝子CLF、SWN、DME、ROS、MET1、FIS2、FWA、FWA2、PHEa、PHEb、SSRPが得られた。これらの配列をもとにプライマーを設計し、`無核紀州'、キシュウミカン(有核)と`大橘'のゲノムおよびcDNAをテンプレートとしたPCRを行い、増幅産物の塩基配列を調査した。その結果、ゲノムDNAでは9遺伝子にSNPが検出され、エキソン領域にSNPが検出されたのは8遺伝子で、`無核紀州'とキシュウミカンの配列は一致していた。胚乳で発現するインプリンティング遺伝子が種子親由来か花粉親由来かを明らかにするためには、`無核紀州'(=キシュウミカン)と`大橘'が異なるアリルをホモで持つことが必須であるが、このような多型はFWAとPHEbで検出された。`大橘'に`無核紀州'を交配した若い種子のcDNAのFWAを調査した結果、`無核紀州'型のみが検出され、花粉親のアリルのみが発現していることが示された。`無核紀州'と`大橘'、キシュウミカンと`大橘'の正逆交雑を行い、上記カンキツ10遺伝子の発現を調査した結果、開花期の葯、胚珠および受粉1、2週間後の種子ではいずれも発現が認められた。これらのことから、FWAはインプリンティング遺伝子であることが示された。一方、開花期から受粉2週間後までは、インプリンティング遺伝子と相同性の高い多くのカンキツ遺伝子が発現しており、これらがインプリンティング遺伝子であること示すためには、`無核紀州'(=キシュウミカン)と異なるアリルをホモで持つ品種を探索する必要がある。今後、PHEbについても同様に調査するとともに、これら2遺伝子については、花粉管伸長中の花柱における発現や受精後の種子における発現が、種子親由来か花粉親由来かを詳細に明らかにする必要がある。これまでカンキツのインプリンティング遺伝子については未解明であったが、本年度の結果から、カンキツのインプリンティング候補遺伝子のうち、`無核紀州'(=キシュウミカン)と`大橘'が異なるアリルをホモで持つ2遺伝子が検出され、FWAがカンキツのインプリンティング遺伝子であることが示されたことは大きな収穫である。しかし、PHEbについては本年度の調査が不十分であり、この点についてはやや遅れている。遺伝子発現が種子親由来か花粉親由来かの判別が可能なFWAとPHEbについて、`無核紀州'と`大橘'、キシュウミカンと`大橘'の正逆交雑における遺伝子発現解析を行い、有核のキシュウミカンとその変異品種である無核の`無核紀州'を種子親にしたときの種子・胚乳における発現の相違の有無を明らかにする。また、他の候補遺伝子について、`無核紀州'(=キシュウミカン)と異なるアリルをホモで持つ品種を探索するために、キシュウミカンと細胞質型が比較的大きく異なるブンタン(水晶文旦、江上文旦、ポメロ白タイプ、CRC2240)やレモン(リスボンレモン)、ライム(メキシカンライム)について調査する。該当なし
ジルコニア酸素センサ-用電極の改質の関する研究

初年度は酸度センサ-用電極の応答特性を調ベるために、マイクロコンピュ-タ、周波数応答解析器に購入した高性能ポテンショスタットを組合せて試料の分極曲線、複素インピ-ダンスの自動測定システムを確立した。そして、この測定法を用いてジルコニア酸素センサ-用電極としてのPt電極の改質、Ptの代替電極としての他の貴金属電極に着目して調ベた。ジルユニア国体電解質としての0.92ZrO_2・0.08Y_2O_3を用いた。高温ではPt電極、低温ではAg電極の電極特性が優れており、Rh電極およびPd電極は高酸素分圧下または低温では酸化物電極として働いた。次年度は初年度に確立した分極曲線、複素インピ-ダンスの自動測定システムを用い、Pt電極/固体電解質の電極特性を詳しく調べた。その結果、0.1atm以下の低酸素分圧域においてはカソ-ド限界電流、高酸素分圧下ではアノ-ド限界電流の影響が大きくなり、電極低抗は主として電荷移動低抗であることが明らかになった。最終年度はPt電極の代替電極として酸化物電極の電極特性を調べた。酸化物電極として希土酸化物(Tb_4O_7、CeO_2、Pr_6O_<11>)およびLaMnO_3のLaCaで置換したものを用いた。CeO_2、Tb_4O_7は電極特性が悪く、Pr_6O_<11>は接合性が悪かったが、Pr_6O_<11>にPtH分を添加すると電極特性、接合性ともに改善された。LaMnO_3電極は安定化ジルコニアとの界面において反応生成物が生じ、Mnが〓界を通って拡散した。Caをド-プすると反応層は薄くMnの拡散も抑制され、電極特性も改善された。これらのことは酸化物電極の有効性を示した。これまで3年間で得られた結果を総括すると、金属電極、酸化物電極電極特性は共通性があり、その電極が熱力学的に安定に存在できる温度および酸素分圧を選べば良好な電極特性が得られることが明らかになった。酸素センサー用電極の応答特性を調べるために、マイクロコンピュータ、周波数応答解析器に購入した高性能ポテンショスタットを組合せて、試料の分極曲線、複素インピーダンスの自動測定システムを確立した。そして、この測定法を用いてジルコニア酸素センサー用電極としてのPt電極の改質、Ptの代替電極としての他の貴金属電極に着目して研究を行なった。ジルコニア固体電解質として0.92ZrO_2・0.08Y_2O_3ディスクを用い、その両面にAg、Au、Pt、Rh、Pd粉末をペースト状にして塗布し、適性条件で焼付けて試料とした。電極の分極曲線、複素インピーダンス測定から電極抵抗の酸素分布依存性、温度依存性を調べたが、電極特性は金属により著しく異なった。同一金属であっても金属状態か、酸化物状態かで著しく異なった。本研究条件下で金属状態で存在するAg、Au、Pt電極と金属、酸化物いずれの状態でも存在するPd、Rh電極に大別して検討する。1.Ag、Au、Pt電極では電極抵抗は酸素分圧の低下、温度の低下とともに増加し、特にAgとAuでは特性が類似していた。Ptの場合は酸素分圧がきわめて低い時には金属状態のPd、Rh電極と類似の特性を示した。

2.Pd、Rh電極では低酸素分圧下では電極抵抗は酸素分圧の増加とともに一たん小さくなるが、再び増加しはじめ、それぞれPdO、Rh_2O_3の平衡酸素分圧を境に急激に大きくなるなど複雑な挙動を示した。温度を低下させても同様の現象が観察された。これらのことから、各種貴金属の電極反応過程は酸素ポテンシャルに応じて変化するので、その条件下で電極反応の速いもの、すなわち電極抵抗が小さいものがセンサー用電極として優れており、高温ではPt電極、低温ではAg電極が推奨されることが明らかになった。また、Pt、Agを含金化してさらに電極特性を改善するための研究が進行中である。前年度に確立した分極曲線、複素インピ-ダンスの自動測定シテスムを用い、Pt電極/固体電解質の電極性を詳しく調べるため、種々の実験条件下で幡密測定を行なった。この際、これまで実験条件が測定法の制約を受けるため、分極曲線、複素インピ-ダンスを同一条件下で測定して電極特性を評価することが困難であったが、本研究ではいずれの場合にも同一の作用極、対極、参照極から構成された電極系を用いることができるように工夫して実験を行ない、その結果を比較検討した。ZrO_2-8mol%Y_2O_3/Pt電極系の973Kにおける特性は下記のとおりであった。分極曲線法、複素インピ-ダンス法によって得られた電極抵抗は互いによく一致し、その値は酸素分圧により顕著に変化した。電極抵抗は酸素分圧の増加とともに低下したが、0.1atmを境にそれ以上では増加した。分極曲線の解析から、0.1atm以下の低酸素分圧域においては酸素分子の解離吸着によるカソ-ド限界電流、高酸素分圧域においては酸素原子の拡散、会合によるアノ-ド限界電流の影響が大きくなるが、電極抵抗は主として電荷移動抵抗であることを明らかにした。より詳しく解析すれば、0.1atm以下では酸素分子の解離吸着に引きつづく(O+e^-→O^m)の反応が律速となり、また0.1atm以上では(O^<2->→O+2l^-)の反応が律速で引きつづいて酸素原子の拡散、会合が起こることが明らかとなった。また、バイアス電圧を印加して複素インピ-ダンスを測定すれば、あたかも酸素を変化させたかのごとくに電極抵抗は低下した。これらのことから、分極曲線法、複素インピ-ダンス法を併用すれば電極の反応機構を詳しく解析できることが明らかとなった。前年度に得られた結果を加味すれば、電極特性は電極材料のみならず、電極の物理的、化学的状態により著るしく影響されるため、今後は電極の状態を制御することにより電極特性を改善する実験計画を企画している。これまでに確立した複素インピ-ダンスの自動測定システムを用い,Pt電極の代替電極として酸化物電極の電極特性を詳しく調べた。酸化物電極として希土酸化物(Tb_4O_7,CeO_2,Pr_6O_<11>)およびLaMnO_3にCaをド-プしたものを用いた。CeO_2,Tb_4O_7は安定化ジルコニアと密着したが,Pr_6O_<11>は接合性は悪かった。電極特性はP_<r6>O_<11>,Tb_4O_7,CeO_2の順に悪くなった。これらのことから希土酸化物電極としてはPr_6O_<11>にPtを添加するのが有効だった。LaMnO_3はPt電極の代替電極として有望であるが,これまでジルコニアとの反応性が問題となってきた。したがって,LaMnO_3のLaをCaで部分置換した電極でジルコニアとの反応性および電極特性への影響を調べた。その結果,反応界面においてはLaMnO_3が生成し,特にMnが安定化ジルコニア中に粒界を通って拡散した。しかし,Ca置換量を大きくすると反応層は薄くMnの拡散も抑制され反応性が低くなった。
歯周疾患予防のための公衆衛生学的アプローチ

1.わが国における歯周疾患の実態:抜歯の原因調査により,歯周病による抜歯は,全体の38%であることが示された.しかも, 45歳から54歳では,歯周病が抜歯原因の第一位であった.高齢化社会の到来とともに,今後歯周病による抜歯の比率は,さらに上昇することが予想される.一方,歯周病罹患者率を,大学新入生,農山村地区住民,水道局職員,百貨店従業員,等総合計5,100人について, WHOの提唱したCPITNを用いて調査した.大学生においては, 98%の有病者率で,重症と診断された者は1.2%であった.水道局職員(38.9±9.0歳)の有病者率は96%で,重症者は1%,農山村地区住民(53.9±11.8歳)では99%の有病者率で,重症者は19%であった.いずれの集団においても,日本の成人は95%以上の罹患者率で,増齢と共に重症化することが示された.2.CPITNの有用性:CPITNによるスクリーニングでは,被検者の95%が有病者となり,スクリーニングの意味をなさない.そこで,重症者のみをスクリーニングするために, CPITNの規準をcode4にして,臨床精密検査と対比させた.その結果, 20歳代では, CPITNを歯周病のスクリーニングとして用いるのは不適当であることが示された.3.歯周疾患予防のための公衆衛生学的アプローチ:歯周病の予防,治療において,ブラッシングの効果が大きいことは臨床では明らかにされている.ブラッシングを公衆衛生学的に応用してみたところ, 1年経過後もほぼ全員に有効であることが示された.また, 330名の歯科検診と同時に実施したブラッシング指導の効果を1年半後に評価したところ,発赤,腫脹,歯周ポケット,歯肉出血の全ての項目で有意に改善したことが明らかになった.以上のことより,ブラッシング指導の効果は明らかとなったが,コストパフォーマンスについて今後の検討が必要である.1.わが国における歯周疾患の実態:抜歯の原因調査により,歯周病による抜歯は,全体の38%であることが示された.しかも, 45歳から54歳では,歯周病が抜歯原因の第一位であった.高齢化社会の到来とともに,今後歯周病による抜歯の比率は,さらに上昇することが予想される.一方,歯周病罹患者率を,大学新入生,農山村地区住民,水道局職員,百貨店従業員,等総合計5,100人について, WHOの提唱したCPITNを用いて調査した.大学生においては, 98%の有病者率で,重症と診断された者は1.2%であった.水道局職員(38.9±9.0歳)の有病者率は96%で,重症者は1%,農山村地区住民(53.9±11.8歳)では99%の有病者率で,重症者は19%であった.いずれの集団においても,日本の成人は95%以上の罹患者率で,増齢と共に重症化することが示された.2.CPITNの有用性:CPITNによるスクリーニングでは,被検者の95%が有病者となり,スクリーニングの意味をなさない.そこで,重症者のみをスクリーニングするために, CPITNの規準をcode4にして,臨床精密検査と対比させた.その結果, 20歳代では, CPITNを歯周病のスクリーニングとして用いるのは不適当であることが示された.3.歯周疾患予防のための公衆衛生学的アプローチ:歯周病の予防,治療において,ブラッシングの効果が大きいことは臨床では明らかにされている.ブラッシングを公衆衛生学的に応用してみたところ, 1年経過後もほぼ全員に有効であることが示された.また, 330名の歯科検診と同時に実施したブラッシング指導の効果を1年半後に評価したところ,発赤,腫脹,歯周ポケット,歯肉出血の全ての項目で有意に改善したことが明らかになった.以上のことより,ブラッシング指導の効果は明らかとなったが,コストパフォーマンスについて今後の検討が必要である.1.経過:(1)大学新入生(2,130人)の歯科検診,刷掃指導を今年度から開始した。CPITN(WHOの歯周病指数)によると、98%の者の歯肉に何らかの所見が認められた。しかし、2,000人を対象に刷掃指導することは不可能である。そこで、リスクの高い者70名を本学附属病院予防歯科に呼び出し、精密検査,刷掃指導,治療勧告を行った。また、その他の130名を、本学の保健管理センターに呼び出し、刷掃指導を行った。そして、その結果を公表した。(2)職場(200人)の歯科検診,刷掃指導を実施した。その結果を公表した。(3)百貨店従業員(100人)について、刷掃法の比較を行ったが、有意な差が認められなかった。現在その点について検討中である。(4)川上町住民(200人)の歯科検診は、実現できなかった。(5)岡山県歯科医師会員を対象に、原因別抜歯調査を行った。年4回の調査期間のうち、すでに3回を終え、第4回目を準備中である。2.新たに得られた知見:(1)歯肉炎や軽度の歯周炎を含めた有病者率は、年齢に関係なく、95%以上を示す。

しかし、リスクの高い者は、増齢と共に有病率が上昇していく。(2)歯科検診を行った場合、事後措置が大切である。大学新入生に実施したように、ハイリスクの者に限って事後措置を行えば、実行可能である。(3)職場検診の場合、事後措置は開業歯科医に委ねられるが、そのためには、歯科医側の受け入れ体勢が十分に確立されていないことが指摘された。(4)原因別抜歯調査では、齲蝕で抜歯されるものが第1位であった。ただし、40才を過ぎると歯周病による抜歯が有意であった。3.今後の展開:(1)原因別抜歯調査のまとめと公表。(2)新しい事業所における歯科検診と刷掃指導。(3)大学新入生の歯科検診と事後措置。(4)本研究の総括。1, CPITNの有用性:歯周病を公衆衛生学的に扱う場合の指数として,わが国ではCPITNが広く使われだした.しかし,この方法では有病者率が90%以上という結果が得られ,スクリーニングテストの意味をなさない.そこで, CPITNのスクリーニングテストとしての有用性の検討を行った.対象は大学新入生2,200名で,一次検診をした後,無作為に140名を抽出して第2次の精密検査を行った.その結果,重症の歯周病患者を発見する規準をコード4とすると,全体の1%が検出されるが,動揺歯を有する者の10%,歯槽骨の吸収を有する者の25%しか検出できない,またコード3を規準とすると,全体で37%の有病者率となり,動揺歯を有する者,歯槽骨の吸収を有する者が,各々40%検出されることが明らかになった.以上のことより,重症の歯周病患者のスクリーニングに, CPITNを応用することは適当ではないことが示された(口腔衛生会誌,投稿中).2.抜歯の原因調査:歯周病が原因で抜歯される歯に関する研究は, 40年前に行われたものがあるが,我が国の現状調査はみられない.そこで, 1年間4期にわたり, 850名の歯科医の協力を得て,抜歯の原因調査を行った.その結果,抜歯総本数11,000本中,齲蝕によるものが55%,歯周病によるものが38%であった. 46才ー55才群と56才ー65才群は,他の群よりも2倍以上多い抜歯数を示し,その主たる原因は歯周病であった.本調査により,歯周病は社会で中心的役割を任っている人々を悩ませる歯科疾患であり,高齢化社会の到来により,歯周病予防の重要性が再確認された(口腔衛生会誌,S62年).3.地域住民に対する歯周病予防活動:歯周病の予防には,適切なブラッシングが効果的である.すでに,職場における活動の成果は報告した.今年度は,灘崎町住民120名を対象にし,月1回,計3回の指導を行った.結果は現在集計中である.
若手教員の職業に対する適応と職場に対する適応との関係についての研究

本研究の背景にあるのは、異動後の不適応である。メンタルヘルスを悪化させる教員の多くが異動後2年以内の者であるなど、近年、異動が教員にもたらすネガティブな影響の存在が指摘されている。そういった影響を抑制していく手段等を研究していくうえでも、まずは、異動後の適応の内実について分析することが重要であると言える。本研究では、異動後の適応には組織への適応と職業への適応の2種類の適応があるという視点から、適応そのものの違いや、それらの適応がもたらす影響の違いについて分析を行なった。平成29年度までに行なった様々な調査について、分析および成果発表を行なったのが平成30年度である。量的調査の結果として、組織と職業に対する適応がそれぞれ異なる形で、異動後の教員の心理的側面に影響することが明らかになった。また、異動後の教員を対象とした質的調査の分析を通じて、異動後の組織への適応プロセスで生じる困難として、【ステークホルダーの特徴の違いへの対応困難】【仕事のやり方の違いへの対応困難】【周囲からの視線に関する難しさ】【信念とのズレに関する難しさ】という4つのカテゴリーがあることが確認された。これらについて学会発表や論文執筆などを行なった。今後は、これらの適応困難の悪影響を防ぐ手立てについて研究を行なっていく予定である。困難そのものの発生を抑制したり、あるいは、困難が生じてもそれを乗り越えていくためにどんな後押しがありうるか、などを研究していく予定である。職業人の適応を分析対象としてきた社会化研究を整理すると、大きく分けて、職業的社会化(職業に対する適応)と組織社会化(組織に対する適応)との2つがある。本研究は、教員の社会化研究においてほとんど扱われてこなかった組織社会化の様相を分析することを通じて、職業に対する適応と組織に対する適応との異同を明らかにすることを目的としている。平成29年度には、文献レビューおよび調査の実施と一部分析を行った。その詳細は以下の通りである。まず、教員以外の職の研究についてレビューを行った。特に看護師やホワイトカラーのキャリアトランジションやポストエントリーショックに関する研究に着目し、その知見を整理した。教員に関する研究では異動前後の立地の変化や規模の変化、また、児童生徒・教師の特徴の違いなどが新しい組織への適応のあり方に関係すると述べられてきたが、他職の研究を踏まえると、組織における立ち位置の変化などの点も社会化のあり方に関係すると見ることができる。そのような観点から質的な調査も行った結果、「一人前扱いされる」「値踏みをされる」など同僚からの視点に起因する困難が円滑な適応を阻む可能性があると言う点が示唆された。これらと並行して、量的な調査も実施した。九州のある自治体の協力を得て量的な調査を行った。その分析をすでに始めており、特に、今年度は組織社会化(組織に対する適応)の結果変数に関する分析を行った。これまでの研究で分析されてきた「職務満足度の向上」だけでなく「バーンアウトの抑制」にもつながることが示唆された。以上が2017年度までの本研究の実績の概要である。平成29年度は、文献レビューと調査の実施、および、一部の分析を行うことができた。また、結果発表として、3件の学会発表を行うことができた。平成30年度は、これらの知見をふまえつつ、さらなる分析を行っていく予定であり、おおむね順調に進展していると言える。前述の通り、今年度は、組織への適応の結果変数を中心に分析を行った。今後は、その促進要因や抑制要因について調査するとともに、促進施策等についても分析を行っていく予定である。並行して、今年度も質的な調査・分析を行い、トライアンギュレーションを行う。それらの結果を統合し、異動後の適応に関する組織社会化モデルを提唱する。そのモデルをもとに、組織への適応に特化した部分と、職業への適応と重複する部分との関係について検討していく予定である。
ウィリアム・バトラー・イェイツの夢幻劇における表象構造に関する研究

アイルランドの詩人・劇作家・神秘家であるウィリアム・バトラー・イェイツの夢幻劇における表象構造を以下の観点から多角的に分析した。すなわちイェイツが体系的に用いる頭韻によるサウンド・シンボリズム、アイルランドのフォークロアと溶け合ったスピリチュアリズムの要素、さらに日本の能との接触という観点である。劇作としては『鷹の泉』、『骨の夢』、『煉獄』を取り上げ、能『景清』、『熊坂』、『錦木』、『求塚』との関連性を明らかにした。本研究の目的は、アイルランドの詩人・劇作家・神秘家であるウィリアム・バトラー・イェイツの夢幻劇における複合的な表象構造を明らかにすることであった。平成20年度においては、『鷹の泉』を取り上げ、イェイツが体系的に用いる「サウンド・シンボリズム」に着目すると共に、「スピリチュアリズム」と溶け合った「アイルランドのフォークロア」との結びつき、さらに日本の「能」との接触を絡めつつ多層的に特徴づけた。研究成果は、国際アイルランド文学協会日本支部のシンポジウム“Dramatic Visions and Invisibilities: Intercultural Irish Theatre"において発表した。従来、能との比較においては、『鷹の泉』は『養老』との関わりが論じられてきた。本研究では、むしろ『景清』と『熊坂』に注目することで、『鷹の泉』を含むイェイツのクフーリン劇における英雄的選択の問題との共通性が浮かび上がることを明らかにした。霊水のテーマとの関連では、『鷹の泉』におけるクフーリンの選択は、ウィリアム・モリスの『世界の果ての泉』よりはむしろ、J.M.シングの『聖者のお水』の結末と響きあうことを指摘した。さらに、イェイツの『鷹の泉』には、霊水をめぐるフォークロアの諸要素--水の神、妖精、魔力、魚、霊などが形を変えつつもすべて現れており、いわば、憑依した「楽師たち」の歌と語りの中で「泉を守る女」が憑依する二重構造を生み出していることを明らかにした。サウンド・シンボリズムの観点からは、「対抗性の力」を表象する「b音」と「始原性の力」を表象する「f音」に加え、それらの二つの世界の葛藤を仲介する「d音」、また劇の進行に伴い相反するベクトルを持つ言葉に分化していく「w音」及び「g音」の言葉の連鎖が、『鷹の泉』の表象構造を音のレベルで支え、英雄の葛藤に詩的表現を与えていることを解明した。本研究の目的は、アイルランドの詩人・劇作家・神秘家であるウィリアム・バトラー・イェイツの夢幻劇における複合的な表象構造を明らかにすることである。平成21年度においては、『骨の夢』を取り上げ、日本の「能」及びアイルランドの歴史・伝説・物語との関わり、イェイツが体系的に用いる「サウンド・シンボリズム」の技巧という複数の観点から考察した。従来類似点が指摘されてきた能の『錦木』と異なり、『骨の夢』では、夢のなかであれ、過去の時間と現在の時間が邂逅することで和解がもたらされ、過去の悔恨の時間が贖われることはない。『骨の夢』のディアミードとダヴォーギラの物語は、史実のほか、伝説のダヴォーギラ像を受け継ぐグレゴリー夫人の劇作『ダヴォーギラ』の意志的な女性像、ダンテの『神曲』で語られるパオロとフランチェスカの恋物語、トロイのヘレン像等が重ねあわされている。兵士の若者に対し二人が求める「赦し」にイェイツが託したのは、「芸術と詩」こそ、キリストの「無限の赦し」に唯一通じる道とするブレイクの思想に共鳴する考え方であった。しかし若者により「赦し」が拒絶され、劇の結末は両義的となる。それが最もよく表出されているのは、『骨の夢』におけるサウンド・シンボリズムの技巧である。イェイツにおける両極の統合の瞬間の象徴である/f/音が/b/音に転化する、/b/音のなかに/f/音が透かしみられる超越的瞬間はなく、統合と和解を象徴する/d/音が示唆されつつも、両極間の揺れを表現する/w/音、/g/音の他、/g/音を無声化した/k/音、/b/音を無声化した/p/音に加え、和解を阻む/s/音が重要な意味を担っている。『骨の夢』においては、イェイツは自らのサウンド・システムをずらし、極めて複雑な頭韻の複合体のなかに過去の歴史と現在、愛の宿命と政治的選択など、様々なジレンマを表出していることを、本研究により明らかにした。平成22年度においては、『煉獄』を取り上げ、日本の「能」及びスピリチュアリズムとの関わり、イェイツが体系的に用いる「サウンド・シンボリズム」の技巧という複数の観点から考察した。イェイツ最晩年の劇作である『煉獄』では、楽師も舞踏も用いられず、能の形式に直接倣ってはいない。

しかし、旅人が伝説の伝わる場所を訪れ、亡霊と出会うという能の設定に相通じるものがこの劇作にあることも確かであり、廃墟の傍らに立つ枯れた木は、永遠を象徴する能の松の変容した姿とも言える。ただし『煉獄』の旅回りの「老人」は、能における旅の僧とは異なり、母親の亡霊の魂を解放することはできない。『煉獄』の窓を通して浮かび上がる「愛し合う者たち」(老人の母親と父親)の亡霊の姿は、死後に愛の成就を求める能の『錦木』の男女を彷彿とさせる。また女の亡霊を苛む地獄の苦しみが凄惨な能『求塚』には不条理性が感じられるが、それはイェイツの『煉獄』にも影を落としている。屋敷の崩壊を招く母親の選択が真に罪であったのか、また騎手たる父親は真に否定しさるべき存在なのか、という根元的な疑問は、イェイツが他の詩・據作品においても体系的に用いている頭韻によるサウンド・シンボリズムによっても表出される。『煉獄』では、/b/音は忌むべき肉体との連想で破壊的に用いられ、対極にある/f/音は魂の救済に結びつく力を失っている。かつて父親を殺害し、今また息子を殺害することで、悪しき選択の連鎖を断ち切ろうとする「老人」の企ては挫折し、再び/b/音が馬の蹄の音と共に戻ってくる。にもかかわらず、/b/音は英雄的な力の表出としての象徴性をやはり保持していると考えられ、それが『煉獄』の結末に両義性を与えていることを論じた。
新しい学習記憶障害モデル:ウイルス蛋白質を利用したシナプス脆弱化機構の解析

ボルナ病ウイルス(BDV)感染あるいはBDV P蛋白質発現によるグリア細胞の機能傷害機構を明らかすることにより、ウイルス感染によるシナプス脆弱化の分子機序の解明を試みた。BDV持続感染グリア細胞をさまざまなストレス条件下で培養した。その結果、BDV感染細胞では、ストレス負荷のともなうHPS70の発現誘導に顕著な阻害が観察された。HSP70の誘導に低下が見られた細胞では、ストレスによる急激な円形化ならびに培養プレートからの剥離が認められた。さらに、F-アクチンの崩壊も明らかとなった。これらの結果は、BDV感染グリア細胞における細胞骨格と細胞間接着能の脆弱化を示唆するものであった。また、感染グリア細胞では、ストレス刺激によるPKR発現の不応答も明らかとなり、HSP70の誘導異常は、PKRシグナルの崩壊によるHSP70m RNAの安定性の低下によるものと推察された。一方、P蛋白質の発現が、ストレス誘導性のp53の転写活性化能やcdc42の発現も顕著に低下していることが明らかとなった。これらグリア細胞の障害は、いずれも神経突起伸長促進因子HMGB1あるいはその受容体であるRAGEの機能との関連性が示唆されるものである。BDVのP蛋白質はHMGB1と直接結合することから、P蛋白質の発現が、これら宿主因子の機能を多岐にわたり阻害している可能性が出てきた。HMGB1とRAGEの相互作用は、シナプス形成に重要な細胞間の接着にも機能を担っていることが報告されており、BDV感染動物やPタンパク質発現トランスジェニックマウスで見られるシナプスの崩壊は、これら分子の機能不全による可能性が考えられる。実際に、BDV感染ラットの脳ではRAGEの発現が顕著に低下しており、ストレス付加による神経細胞のアポトーシスも観察されている。
ダイヤモンド表面キャリアによる電子スピン制御とその生体分子核スピン観測への応用

NMR観測ではダイナミカルデカップリングの一種であるXY-8法を利用した。そのシーケンスはNVセンターへのノイズをキャンセルし、コヒーレンス時間T2を延ばす役割を担うが、特定の周波数のノイズではT2が延びない。これを利用してNMR観測を行う。核スピンが作る交流磁場の周波数fLはラーモア周波数と呼ばれ、核種と静磁場の大きさによって決まっており、この周波数をパルス間隔τを用いて、f=1/2τで検出する。核スピンが作る交流磁場の周波数に対応したパルス間隔のときのみ、核スピンの交流磁場は打ち消されないため、核スピンによる磁場の影響がディップとして現れ、これを観測する。NV-からの蛍光ならびにコヒーレンス時間、共鳴吸収の測定はレーザー走査型共焦点顕微鏡にて実施した。ダイヤモンド基板上のイマージョンオイル中の1H-NMRを検出し、再現性の高い測定結果が得られている。多くのNVセンターにおいて、交流磁場由来のシグナルが確認できた。イマージョンオイル中の1H核スピンの検出を目的としているため、1Hのラーモア周波数の磁場依存性のラインに乗るかを確認するために、ディップの位置をラーモア周波数の磁場依存性を検出したシグナルのプロットが1H周波数の磁場依存性のライン上に乗っていることから、窒素終端ダイヤモンド中の浅いNVセンターにより、基板外部の1H核スピンのナノスケール量子センシングに成功した。表面近傍のNMRで窒素終端での観測は世界で初めてである。表面深さ約6.5nmの単一NVセンターにより約5000個の1H核スピンを検出し、通常のNMRと比較して、十数桁少ない試料量を数nm3という微小体積で検出することが出来た。また、ドイツのグループと共同で3テスラの強い磁場下での1H NMRでケミカルシフトが微小領域で観測されること示した。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。1)表面近傍の窒素空孔マイナス(NVー)センターのコヒーレンス時間を長くするための表面終端技術表面から深さ100nmのNVーセンターのコヒーレンス時間は約2msecと長い。しかし、NMR検出に必要な深さ5nmでは10μsec程度と短くなり、検出感度の大幅な減少となる。これを1msec程度に長くし、NVーの電子スピンとダイヤモンド表面の生体分子の核スピンとの相互作用が大きくなれば、局所NMRが可能となる。コヒーレンス時間低下の原因は表面の不対電子で、これらを他の原子で終端してコヒーレンス時間を増大させる。そこで、フッ素終端、酸素終端、水素終端を行い、被覆率、界面欠陥の評価を行った。この結果、半定量的ではあるが、単原子層としての被覆率は水素終端が最も高く、フッ素終端、酸素終端の順であった。表面欠陥についての定量性は難しいが、水素終端、フッ素終端、酸素終端の順に表面近傍の欠陥は増加する傾向を見出した。2)完全空乏状態の水素終端ダイヤモンド表面の形成上記のように、表面欠陥の観点からは、水素終端ダイヤモンド表面欠陥が最も少なくなる。しかし、表面近傍で正孔が蓄積し易く、正孔(正に帯電)により電子スピンの存在するNVー状態(負に帯電)がNV0状態(中性)となり、NMR検出が不可能となる。そこで、正孔を完全に表面から引き抜いた領域の形成を、横型MOSFETのオフ状態でのゲート・ドレイン間の空乏層にて実現した。つまり、ゲート・ドレイン間に高電圧を印可し、NVーセンターが観測し易い横方向空乏層を数ミクロン形成可能とした。今後、この領域でNVーセンターの寿命測定ならびにNMR検出を行っていく。1.表面近傍の窒素空孔マイナス(NVー)センターのコヒーレンス時間の測定表面近傍にNVセンターを形成し、その状態を評価するため、不純物窒素濃度のきわめて低い(<1ppb)12C濃縮CVDダイヤモンド層に、15N+イオンを10keV以下の低エネルギーで注入し、CFM測定及びODMR測定を行った。加速エネルギーの異なる3条件(3, 6.5, 10keV:SRIMによる15N+の注入深さのシミュレーションで約5, 10, 15nmに相当)でのHahn echo測定の結果を比較すると、コヒーレンス時間(T2)の値は数十μsecから数百μsecに分布しているが、エネルギーが小さくなるほど低下する傾向が得られ、10keV以下の低エネルギーイオン注入によりNVセンターを形成した他のグループからの報告例と同程度またはより良い結果が得られた。T2の値にはばらつきが見られるのは、同じエネルギーでも窒素イオンの注入深さに広がりがあるためと考えられ、深さ方向の分布はSRIMによるシミュレーション結果からも確認される。2.浅いNVセンターの電荷状態の安定化浅いNVセンターは電荷状態が不安定であり、外部の影響から保護し安定させる必要がある。酸素終端でNV-となる浅いNVセンターを有する基板を水素終端し、NVセンターの電荷状態を下向きにバンド湾曲させ、その電子状態の制御性を検討した。具体的には、ショットキーダイオードに逆バイアスを印加し、バンドを下向きに湾曲させ、NV-の安定領域にフェルミ準位が位置するようにして水素終端表面でもNV-が安定に形成した。高純度な結晶(低窒素濃度の12C濃縮ホモエピタキシャル層)で実験を行い、表面付近のNVセンターの電荷状態の安定性が向上するか、NV0とNV-の制御が可能であるかを検討した。

表面または表面近傍の不対電子の電子スピン群が、コヒーレンス時間減少の要因であり、これらのフリップフロップ・ノイズが、電子スピン・核スピン・相互作用の観測の上で、大きな障害となる。まず水素終端構造を作製し、その後、オゾン処理で一部を酸素終端し、表面のポテンシャルを低下させ、やや下向きにバンド湾曲する表面状態を形成した。この表面で、浅いNVセンターの明確なラビ振動が再現性良く得られる条件を見出した。通常の酸素終端構造は、特にプラズマや高温で形成されたダイヤモンド表面は、表面バンドギャップ中に不対電子と関係する深い準位が形成される。水素終端構造は、被覆率、表面欠陥の少なさから最適構造であるが、負電荷の吸着物が付きやすく、表面ポテンシャルが上昇して、NV-が安定条件から外れる。水素終端後のソフトな部分酸化が浅いNVーセンターに有利であることを見出した。これは、電子デバイスにおいてキャリア制御が可能な酸素被覆量であり、今後の進展が期待される。1)負に帯電した窒素空孔(NVー)の安定性をラビ振動の蛍光強度の振動コントラストで評価:ダイヤモンド表面の吸着電荷の影響で、浅いNVセンターはNVーとNV0の間で不安定となる。ラビ振動の蛍光強度で、振動成分(スピン関与成分)はNVー由来で、NV0由来は振動に寄与しない。NVーの電荷安定性をラビ振動の蛍光強度の振動コントラストC = 2A/y0から評価できることを見出した。Aはラビ振動の振幅、y0はms=0とms=1蛍光の平均値である。2)フェルミ準位のピニングによるNVーの安定性とコヒーレンス時間:上記のラビ振動コントラストを考慮すると、酸素アニールがNVーの優れた安定性を示すことがわかった。高密度の酸素終端、特にC=O結合のπ反結合軌道(π*軌道)が、表面バンドギャップ中央付近(2.8 eV)にてフェルミ準位のピンニングをもたらし、吸着イオンや電界の影響を受けにくい表面となったと考えられる。ハーン・エコー法によるコヒーレンス時間T2は約100μsecが得られており、深さ3nm以下としては世界的に見て非常に高い値である。3)窒化表面による新たなNVーの電荷安定化:窒素/水素(4%)ラジカル照射後のラビ振動コントラストの平均値は高く、1keVイオン注入領域においては0.40、2keVイオン注入領域では0.46と極めて安定した結果であった。窒素ラジカル照射後の試料は、酸素アニール後と同様にハーン・エコー測定ではラビ振動のゼロレベルに収斂し、NVーの電荷状態は非常に安定している。ラビ振動測定とハーン・エコー測定結果から、窒素/水素ラジカル照射が浅いNVーの電荷状態安定化に寄与することが初めて明らかにされた。4)DNA固定表面でのNVーの安定化:DNA固定後の表面でもとの酸化表面あるいはラジカル窒化表面と同様な高いコントラストのラビ振動が観測された。1)高耐圧FETによるNVーの電荷安定化のためのフェルミ準位の制御:表面からキャリア(正孔)を追い出し、空乏化するとポテンシャルは下向きに湾曲し、さらに高い電界ではフェルミ準位が真性フェルミ準位(ギャップ中央)を逆転し高くなり、すなわち反転層がゲート電極近傍に出現する。この反転層ではNVー状態がNV0状態比べ安定であり、かつ反転層は表面側に形成されるので、表面近傍のNVーの形成に重要なデバイス技術である。実現するには高電圧(500V以上)