hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
年輪幅・年輪同位体比・DNAマーカーを用いた新たな木材産地推定法の検討（国際共同研究強化）

今年度は、昨年度得られた日本列島内の現生年輪幅標準年輪曲線ネットワーク内の年輪幅変動の同調性について、19サイトの各曲線の標準化法を複数試行し、最適な標準化法の選択を行なった。その結果、標準化を適用しない場合および適度な長さのスプライン関数を適応する場合が、地理的・気候的区分の特徴が最も反映される最適なグループ化が行えることが明らかとなった。クラスター分析についても同様の解析を行い、同様の標準化を行った場合が最適な分析結果が得られた。以上により、日本列島内での年輪幅変動の類似性に一定の結論が得られたため、この結果について、査読誌への投稿準備を進めた。同時並行で、東日本における各地の現生木試料(岩手など5地点)について、酸素安定同位体比測定試料のセルロース抽出と測定を実施した。これにより、各地域間の年輪変動の同調性について、ある程度の地域的まとまりがあることが明らかになったが、質量分析計による測定が予定通り進まなかったことから、確定的な結果を得るまでには至らなかった。内定年度:2015本研究の目的は、ヒノキ科現生樹木を対象として、年輪幅、酸素安定同位体比を用いた木材産地推定法を、研究先進地であるヨーロッパの研究者と共同で検討し、わが国で初めて確立することである。そのため、渡航前に共同研究者と研究計画および使用する年輪のデータセットについてメールで意見交換して、十分な事前調整を行った。この計画と合意に基づき、既存データの情報整理作業を実施し、3月に渡航した。これと並行し、未計測の試料(日本海側の3地点)について、渡航前に可能な限り年輪幅計測を行い、渡航後も引き続き、持参した画像データを用いて計測を実施した。また、酸素安定同位体比の測定もデータが不足していた地点(長野など)、年代について試料数を12点増加させ、測定を実施した。渡航後は、持参した年輪幅・酸素安定同位体比データを元に共同研究者と検討を行い、木材産地推定の可能性を評価するための今後の解析方法(標準化、標準年輪曲線構築法、類似性評価に使用する統計的評価指標の選定)について、方針を決定した。また、多変量解析を用いた産地推定の手法についても、方針、解析方法を決定した。その後、この方針に従い、現生材18か所のサイトを対象として、年輪幅の解析を開始した。解析の第一段階としては、質的評価を経た各標準年輪曲線の確立が必須であり、既往のデータも含めた再解析が必要である。年度内に、4か所のサイトについて解析を完了した。現時点まで、データの収集状況は順調であり、共同研究者とのデータ検討と今後の方針決定についても、当初の予定通り進展している。そのため、おおむね順調に進展していると評価した。2017年3月から8月までスペイン・Santiago de Compostela大学に滞在し、Marta Dominguez-DelmasおよびIgnacio Garcia-Gonzalezと、日本産ヒノキ科樹木の木材産地推定について年輪年代学手法を用いて検討を行った。まず、一部のサイトでは標準年輪曲線が未確立であったため、年輪幅の計測を実施し、全データの再度のクロスデーティングを経て、最終的に19サイトで現生年輪試料の標準年輪曲線(152年310年長)を構築した。これらを対象に、この標準曲線間のt値を総当たりで算出したところ、各地域集団内(例えば東北北部など)の曲線間でt値が高くなる傾向が認められ、地理的・気候的区分に従って年輪幅変動が類似していることが明らかとなった。主成分分析の結果も同様に、地域集団ごとにグループ化が可能であった。主成分負荷量から各主成分は各地の地理的・気候的特徴を表していると推定された。クラスター分析でも、各サイトの標準年輪曲線は地域集団ごとにクラスターを形成することが示された。以上の結果から、年輪幅変動は、樹種や標高ではなく、地理的・気候的区分に従って類似していることが明らかになり、我が国においても木材産地推定が可能であることが示された。さらに、全個体を対象としたクラスター分析を行ったところ、ほとんどの個体がサイトごとにクラスターを形成した。そのため、地域集団内の比較的近接したサイト間でも木材産地推定が行える可能性があることが示唆された。木材産地推定において不可欠な地域間の年輪幅変動の類似性については、3種類の解析を行ったことで、一定の結論を得るに至った。この内容については、学会発表を行うとともに、現在、論文の執筆を進めており、予定通り進捗していると評価できる。

これにより、各地域間の年輪変動の同調性について、ある程度の地域的まとまりがあることが明らかになったが、質量分析計による測定が予定通り進まなかったことから、確定的な結果を得るまでには至らなかった。今後は、平成29年度6月を目途に、決定した方針に従って解析を進める。この結果を受けて、7月8月にかけて、共同で検討を行い、我が国における木材産地推定の可能性について一定の結論を出す予定である。帰国後は、成果のとりまとめを行い、論文にまとめる。現在、現生試料の酸素安定同位体比の測定を進めているが、引き続き着実に試料作製と測定を実施してデータを蓄積し、年輪幅と同様の解析を行って地域間類似を検討する予定である。
地震断層の繰り返し運動のメカニズム-大規模シュードタキライトの形成機構

本研究で得られた主な研究成果概要は以下のとおりである.1)オーストラリア中央部のMasgrave山地のWoodroof faultおよび中国大別超高圧変成帯に産出した大規模シュードタキライトに露出した大規模シュードタキライトは,地殻浅部の脆性破壊領域から深部の塑性変形領域までの地震断層の繰り返し運動により形成されたことが示された。2)上記2ケ所のシュードタキライトはカタクレーサイト・マイロナイトおよびマイロナイト化したシュードタキライトとともに同じ断層露頭で共存していることが明らかとなった。これは,震源から始まった地震断層の破壊は断層深部の塑性変形領域まで伝播して行ったことを示している。3)糸魚川-静岡構造線活断層系:下円井断層に産出した粉砕起源のシュードタキライトを発見した。このシュードタキライトは糸魚川-静岡構造線活断層系の完新世後期の最新活動により形成されたものであることが明らかにされた。4)1999年台湾集集地震の車龍埔地震断層のボーリング掘削コアの解析を行った。その結果,(1)断層岩は主にS-C構造の発達したタクレーサイト,断層角礫およびガウジから構成されること,(2)地震断層は50°80°以上の高角度の横ずれ変位成分を伴った逆断層であること,(3)地震断層すべりはS-C構造の発達した13mmの断層ガウジ帯に集中したこと,などが明らかにされた。5)2001年中国昆崙山中部M8.1地震の昆崙地震断層帯の調査研究では,地震直前と直後に撮影されたIKONOS衛星画像を用いて,地表地震断層の詳細な幾何学的な分布形態および変位量分布の解析を行った。解像度1mのIKONOS画像を用いて,全長400km以上の主要なセゲメントの地表地震断層の形態構造を異なるスケールでマッピングを行った。その結果,巨視的に地表地震断層のストランドはに直線状であるが,地表面において1m分解能の画像でのトレースは長さ数センチから数十メートルの雁行状配列のラプチャーから構成されることが明らかになった。また,地表地震断層帯は,幅数メートルから数キロメートルまで変化するが,一般的には数十メートルの範囲に狭い帯を成している。IKONOS画像から測った変位量の分布はほぼ現地で観測した変位量とよい一致を示している。地震直後で撮影されたIKONOS画像はチベット高原のような調査困難な高山地域の地震断層の幾何学的な形態や変位量分布の解析に有効である。本研究は,地震断層の繰り返し運動のメカニズムを解明する目的で行われている.本年度の研究は,当初の研究計画に沿って,研究を進めてきており,研究成果として,すでに6編の論文が国際・国内の学術雑誌に公表している(研究発表論文リストを参照

>.本年度の研究では,オーストラリアのWoodroffeせん断帯から採集したシュードタキライトのサンプルを整理して,100枚以上の大型研磨片・薄片を作成した.これらの研磨片・簿片を用いて,肉眼および顕微競下での微細構造観察および解析を進めている.比較するため,これまでに報告された典型的なシュードタキライトの産地:scotland北部のOuter Hebrideせん断層帯と中国大別山超高圧変成帯に産出するシュードタキライトの調査を行った.初歩的な研究結果,中国大別山超高圧変成帯では塑性変形で形成されたマイロナイトと共存するシュードタキライトが発見され,地震断層の脆性破壊は震源断層深部の25km以下に及ぶことが明らかにされた.また,既存の活断層と地震断層との関係および地震断層の繰り返し運動のメカニズムを解明するために,2001年中国チベット高原の北部で起きたMs8.1昆崙山中部地震地震の地表地震断層の調査を行った.その結果,地表地震断層はほぼ既存の昆崙活断層帯に沿って現れたことが明らかにされた.本研究は,地震断層の繰り返し運動のメカニズムを解明する目的で行われている.本年度の研究は,当初の研究計画に沿って,研究を進めてきており,研究成果として,すでに昨年度6編,今年度8編の論文が国際・国内の学術雑誌に公表している(今年度の研究発表論文リストを参照).また,2003年度アメリカ地質学会年会の招待講演として,本研究の成果を発表した.本年度の研究では,研究代表者(林)のほか,研究参加者狩野謙一・道林克禎および研究協力者である丸山正の四人で,オーストラリアのWoodroffeせん断帯の野外調査を行い,断層帯の断面測定・観察することができた.また,さまざまなタイプのシュードタキライトのサンプルを数百キロ採集した.これらのサンプルを整理して,数百枚の研磨片および電子顕微鏡分析用薄片を作成した.これらの研磨片・薄片を用いて,肉眼および顕微鏡下での微細構造観察および電子顕微鏡の分析を進めている.これらの初歩的な研究結果,脆性破壊領域で形成したシュードタキライトと塑性変形領域で形成したシュードタキライトおよびマイロナイトの共存現象が明らかにされた.比較するため,これまでに報告された典型的なシュードタキライトの産地:Scotland北部のOuter Hebrideせん断層帯と中国大別山超高圧変成帯に産出するシュードタキライトの薄片ををも作成して,観察をおこなっている.また,既存の活断層と地震断層との関係および地震断層の繰り返し運動のメカニズムを解明するために,2001年中国チベット高原の北部で起きたMs8.1昆崙山中部地震地震の地表地震断層および1995年兵庫県南部地震の震源断層の調査・研究をも平行して行っている.本研究では,震源断層帯の繰り返しの地震破壊過程を解明するために、主に中国大別山超高圧変成岩地域の剪断帯とオーストラリア中央部における幅数キロ,長さ数百キロに亘る露出した世界最大規模のシュードタキライト帯の形成メカニズムについての研究を行った。また、平成13年11月14日の中国昆崙山中部地震(Ms8.1)では,地震断層の破壊メカニズムと被害との関係が本研究の主旨である断層破壊メカニズムの解明と密接に関連しているため,現地で地震断層と地震被害の調査を行った.また,活断層・地震断層と断層破砕帯・震源断層岩の形成メカニズムとの関連性を明らかにするため,六甲断層・有馬高槻構造線・糸魚川-静岡構造線および1999年台湾集集地震のボーリング掘削コアの断層岩の調査解析も行った.
連鎖解析法により同定された食事性高コレステロール血症原因遺伝子の機能解明

食事性高コレステロール濃度を決定する遺伝子は雄では14番、雌では5番染色体上に存在する。以下それぞれ別々に解析した。(1)雄(染色体14番)における解析染色体14番の連鎖解析により既にSMEK2を同定した。前年度はこの機能未知の遺伝子について、コンジェニック系統Ex. BN-Dihc2ラットを用いて、ラット全遺伝子を網羅したDNAチップによりトランスクリプトーム解析を行った結果、本遺伝子の制御による系が発見されたのでその解析を行った。(1)コンジェニック系統Ex. BN-Dihc2ラットを用いた表現型の解析1血清コレステロール濃度と肝臓トリアシルグリセロール量との関係肝臓トリアシルグリセロールの合成不全が、高コレステロール血症を引き起こす。従って、Ex. BN-Dihc2ラットでも同様に起こっており、脂肪酸合成低下に起因したトリアシルグリセロール合成不全はSMEK2によっていると考えられた。(2)雌(染色体5番)における解析染色体5番にある領域は雌の血清コレステロール濃度を規定していると考えられる。しかし現時点では25MBpとかなりの距離があり約245の遺伝子までに限局した。食事コレステロールで血清コレステロール濃度を上昇させる外因性高コレステロール血症(ExHC)ラットの連鎖解析により、その表現型を規定する遺伝子が位置する染色体5番(雌)、14番(雄)の座位を特定した。14番染色体の座位の遺伝子はSMEK2という機能未知の遺伝子であるために、本研究ではこの遺伝子の機能をコンジェニック系統Ex.BN-Dihc2ラットと肝臓培養細胞を駆使して解明する。また、5番染色体は雌の連鎖解析を進め遺伝子の同定にいたる計画である。(1)雄での解析-SMEK2の機能と血清コレステロール濃度およびその他の表現型との関係連鎖解析の過程で作出したコンジェニック系統Ex.BN-Dihc2ラットはExHCラットの染色体14番の標的座(Dihc2領域)がBN系統の染色体14の同座位と置き換わっている系統である。従って、血清コレステロール濃度はBNラットと同様な値となっていることを報告した。この系統は現在も維持しており、この系統とExHCおよびBNラットを比較しコレステロールの摂取とSMEK2との関係を明らかにする。なお、ExHCラットでの栄養素に対する特異的な応答、他の表現型には、(i)食事脂肪の種類により血清コレステロール濃度が違う応答を示す、(ii)糖負荷試験で血糖のクリアランスが悪化している、がある。また、本実験を通してSMEK2の臓器特異性の発現検討も行う。以上の実験によりSMEK2の栄養素による応答および各臓器における役割を明らかにマイクロアレイを用いて明らかにした。(2)雌での解析-エストロゲンと血清コレステロール濃度との関係・染色体5番にある領域は雌の血清コレステロール濃度を規定していると考えられる。しかし現時点では25MBpとかなりの距離があり約350の遺伝子が存在する。雌での血清コレステロール濃度に関する連鎖解析の報告例はない。雌での連鎖解析の困難さは血清コレステロール濃度が生理によりその値が不安定であることで、コンジェニック系統の血清コレステロール濃度の標準偏差が大きくなってしまう。また現時点では起原系統間での差は80mg/dl(有意差あり)と狭くさらなる限局化はかなり困難である。有意差が消失する時点までの解析を続けるが、限局ができなくなる可能性は大きい。女性の血中コレステロール濃度は40代までは男性よりも低い値を示す。しかし、女性が閉経を迎える時期である50代を境に男性よりも高い値を示すようになることが、過去の調査で明らかとなっている。この現象からも、コレステロールの代謝には性差があり、その原因を解明することは今後、より個人の環境を考慮した生活習慣病予防法の確立に資するものと期待される。本研究室で維持している、外因性高コレステロール血症(ExHC)ラットは食事コレステロールに高い感受性をもち、コレステロール摂食後に血清コレステロール濃度が大きく上昇する系統である。先に行われたExHCラットを用いた遺伝学的解析により、食事コレステロールに応答して血清コレステロール濃度を規定する遺伝子座として雌特異的にDihc1領域がラット5番染色体上に存在することが明らかになった。Dihc1領域における原因遺伝子を同定するため、ExHcラットのDihc1領域にBNラットの遺伝子をホモで導入した系統を交配によって作製した。この系統では、Dihc1領域における原因遺伝子がBNラットのものに組み換わることで、コレステロールを摂取しても血清コレステロール濃度の上昇が抑えられる。

この表現型の変化を利用して、Dihc1領域内の一部分をBNラットの遺伝子に組み換えたラットを作製し、コレステロール摂食後の血清コレステロール濃度を比較することで、コレステロール濃度の規定に関わっている領域を検証した。その結果、Dihc1領域を78.3Mbpから33.3Mbpまで限局し、領域内の候補遺伝子を370まで限定した。女性の血中コレステロール濃度は40代までは男性よりも低い値を示す。しかし、女性が閉経を迎える時期である50代を境に男性よりも高い値を示すようになることが、過去の調査で明らかとなっている。この現象からも、コレステロールの代謝には性差があり、その原因を解明することは今後、より個人の環境を考慮した生活習慣病予防法の確立に資するものと期待される。本研究室で維持している、外因性高コレステロール血症(ExHC)ラットは食事コレステロールに高い感受性をもち、コレステロール摂食後に血清コレステロール濃度が大きく上昇する系統である。先に行われたExHCラットを用いた遺伝学的解析により、食事コレステロールに応答して血清コレステロール濃度を規定する遺伝子座として雌特異的にDihc1領域がラット5番染色体上に存在することが明らかになった。Dihc1領域における原因遺伝子を同定するため、ExHCラットのDihc1領域にBNラットの遺伝子をホモで導入した系統を交配によって作製した。この系統では、Dihc1領域における原因遺伝子がBNラットのものに組み換わることで、コレステロールを摂取しても血清コレステロール濃度の上昇が抑えられる。その結果、Dihc1領域を33.3Mbpから24.7Mbpまで限局し、領域内の候補遺伝子を245まで限定した。また、ExHCラットゲノムデータベースを構築し、変異の検索を迅速にできるようにした。
唾液腺支配神経終末におけるニコチン受容体の生理機構の解明

喫煙による唾液分泌促進が報告されているものの、その仕組みについてほとんどわかっていない。そこで喫煙成分の1つであるニコチンのラット耳下腺細胞における細胞内カルシウム変動について調べた。ニコチン投与により唾液腺細胞の細胞内カルシウム濃度は上昇し、この反応は薬剤による神経遮断処置により消失した。よって、唾液腺支配神経終末に存在するニコチン受容体が喫煙による唾液分泌促進に関わっている可能性が示唆された。平成20年度において、交付申請書に記載したように、研究代表者は唾液腺細胞に対する実験を本研究計画で初めて行うため、酵素処理により得られた単離耳下腺・顎下腺細胞でのカルシウム変動に関して過去の報告と同じような反応性を有しているかどうかについて確認を行った。刺激薬として、カルバコール、ノルアドレナリン、ATP、サブスタンスPなどを用いたところ、腺房細胞と導管細胞間にて、さらには耳下腺と顎下腺間において反応性に違いが見られたことから、これらの点について学会発表を行ってきた(論文投稿中)。これらの実験にて、おおよそ過去の報告と同様の反応性が得られたことから、次の予備実験として、高カリウム刺激による耳下腺腺房細胞の反応性についても検討した。高カリウム刺激にて耳下腺性房細胞は一過性の細胞内カルシウム上昇が引き起こされた。腺房細胞での機能が否定されている電位依存性カルシウムチャネルの阻害薬であるカドミウムにて、この反応は抑制されることから、単離された腺房細胞に神経終末が残っている可能性が示唆された。さらに、この反応はムスカリン受容体の拮抗薬にても抑制されるので、高カリウム刺激により神経終末からアセチルコリンが放出されていることが示唆された。これらの結果を踏まえ、ニコチンならびに別のニコチン受容体作用薬であるシチジンを投与したところ、高カリウム刺激にて反応する腺房において、必ず一過性の細胞内カルシウム上昇が引き起こされた。現在は、ニコチン受容体サブタイプを同定するため、各サブタイプに比較的選択性の高い拮抗薬を用いた実験を行っている。また、インビボ実験とWestern blotting実験に関しては、実験のセットアップが完了し、平成21年度より行う予定である。本研究目的は、唾液腺支配神経の終末におけるニコチン受容体の生理作用を解明し、このメカニズムを標的とした新規催唾剤を模索することであった。まず、酵素処理単離唾液腺腺房に対するCa^<2+>イメージング法行ったが、この手法は研究代表者にとって初めての経験であるため、十分な事前実験を踏まえてから、詳しいニコチン反応についての研究を行った。その結果、過去の多くの論文で報告されているような神経伝達物質に対するCa^<2+>応答性が、腺房と導管で神経伝達物質の種類により異なる反応を有することが明らかとなり、この結果に関してはAuton Neurosciに発表した。この条件において、唾液腺腺房にニコチンを投与後に細胞内Ca^<2+>濃度の上昇が唾液腺腺房で引き起こされるものの、神経シナプス遮断によって大きく抑制されることから、支配神経終末を介していることが明らかになった。神経への脱分極刺激を目的として、高濃度カリウム刺激を行ったところ、ニコチンと同様のCa^<2+>反応が得られたため、単離腺房細胞標本には神経終末が付着していることが確認された。さらに各受容体アゴニスト、アンタゴニストの作用の結果から、α3β4受容体が関与している可能性が疑われた。これらの結果より、唾液腺支配神経終末のα3β4受容体を標的とした新規催唾剤の可能性が考えられる。現在は論文作成中であり、この課題における研究成果として、ほぼ目的を達成できたと考えている。また、さらなる実験として、in vivoでのニコチン受容体アゴニストの催唾作用についても検討を始めている。
ヘテロコア光ファイバセンサによる無拘束・無意識生体情報センシングの研究

本研究では、呼吸や脈拍といった微弱な生体信号から、人の筋の伸縮による大きな動きまでを、ヘテロコア光ファイバセンサを用いて、無拘束・無意識生体情報モニタリングシステムを構築することを目指している。その結果、睡眠時の呼吸状態のモニタリング、微弱な脈圧をリアルタイムで検出する光ファイバセンサを考案、開発し、複数の被験者における実験からその有効性を確認した。また、カメラなど環境に依存しない人体のモーションキャプチャのために光ファイバ伸縮センサを開発し、関節の屈曲だけでなくねじりといった複雑な動きをキャプチャできるセンサシステムを実証した。本研究で目指す目的は,呼吸や脈拍といった微弱な生体信号から,人の筋の伸縮による大きな動きまでを,ヘテロコア光ファイバセンサを用いて,装着型計測,環境配置型計測システムとして無拘束・無意識生体情報計測モニタリングの構築を構築することである.装着型計測としては,普段身に着ける衣類とヘテロコア光ファイバ網を一体化させ,低コストで使用者の負担を低減したシステムを確立する.環境配置型計測では,浴室などで,呼吸状態を被験者がセンサを意識せずに,不快感を受けないモニタリングシステムを構築する.近年,高齢化に伴い浴室内での突然の発作や転倒,浴槽内の溺死といった事故が増加し,事故を防ぐための浴室内における生体情報モニタリングシステムが求められる.本研究によって,無拘束・無意識生体計測を日常生活において使用でき,高齢者などに負担をかけない健康管理,自宅内での事故を未然防止といった福祉分野にも貢献できる.平成22年度では,1.ヘテロコア光ファイバで脈圧と発汗をセンサユニットの考案,2.無拘束モーションキャプチャのための光ファイバ伸縮センサの考案,3.光ファイバベッドによる無意識睡眠時呼吸モニタリングについて研究開発を行った.脈圧計測センサユニットと,湿度を高感度で捉える光ファイバSPRセンサを応用し,手のひらからの発汗を検知するセンサユニットを新たに設計・開発を行い,使用者に対して拘束性の低い生体情報計測センサを実現し,国内発表4件,国際発表2件の成果を得た.モーションキャプチャのための伸縮センサは,使用者が違和感を感じない程度の薄さで,伸縮量を曲げ量に効率よく変換する機構を有する伸縮センサユニットの開発を行い,国内発表1件の成果を得た.睡眠時の呼吸モニタリングでは,光ファイバセンサが組み込まれたベットを開発し,睡眠時の呼吸を捉えることを確認し,査読付論文1本,国内発表1件の成果を得た.本研究では,安定した光伝送ができるシングルモードファイバ線路中にインラインで埋め込まれたヘテロコア光ファイバセンサを用いて,脈拍や睡眠時の呼吸,心拍といった微弱な動きから,人体の運動動作といった大まかな動きといった広範囲の生体情報を取得するモニタリングシステムを構築することを目的とする.ヘテロコア光ファイバセンサは,コア径が適度に調節されたヘテロコア部を設けることで,比較的緩やかな光ファイバの曲げに対して感度があり,安定したシングルモードファイバで構成されるため伝送路長を自由に確保でき,センサ部以外の変形などの外乱の影響を受けにくい.また,環境中の温度変動に依存しない利点もある.そのため,衣類に埋め込まれる装着型,また環境配置型センサとして有用性がある.また,ヘテロコア光神経センサは,微弱な曲げ変化を高感度で検知しながら,ダイナミックレンジを自由に調整できるため,身体全体の動きといった大きな変化から,脈拍・呼吸といった身体の微弱な変動まで捉えることが可能である.本研究では,ヘテロコア光ファイバセンサを用いて,装着型計測,環境配置型計測システムとして無拘束・無意識生体情報計測モニタリングの構築を行った.装着型計測としては,普段身に着ける衣類とヘテロコア光ファイバ網を一体化させ,脈圧という微弱な信号を鋭敏に捉える脈拍センサモジュールを開発し,被験者9名に対してその有効性を確認する成果を得た.また,環境配置型計測においては,ベット内にヘテロコア光ファイバセンサを埋め込み,睡眠時呼吸モニタリングシステムを開発した.そのセンサを意識することなく,鋭敏に呼吸状態,寝返りをリアルタイムで計測できる成果を得た.
命題論理の証明の複雑さに関する計算量理論からの解析

鳩ノ巣原理の証明複雑さに関して,ストリーム計算における重複要素発見問題の領域計算量および通信計算量の解析を応用して新結果を得ることに成功した。開発し用いた手法はさらなる応用が期待できる。証明の複雑さと密接に関連する回路計算量に関して,ノイズ下でのAC0関数の学習アルゴリズムの拡張,5nより大きい回路サイズ下界の証明に立ちふさがる障害の解析,パリティを計算するサイズn^2フォーミュラの本質的一意性などの結果を与えることができた。本研究課題は回路計算量と密接な関係をもっているが回路計算量に関する研究結果として平成22年度に次の成果発表を行った。Parityを計算する最小サイズフォーミュラは本質的に一意であるという結果を代表者単著の雑誌論文として発表した。回路のサイズに対して知られている最大の下界は5nであるが,この5nより大きな下界を示すことに対する障害を特定し分析した結果を天野一幸との共著雑誌論文として発表した。コンピュテーション研究会における招待講演として,2010年夏に注目を集めたDeolalikarによるP≠NPを主張する論文に関して,論文が多くの問題を抱えていることを説明しつつこの論文のアプローチの可能性と限界について解説した。平成23年度には次の成果発表を行った。1.クラスACOに属するブール関数に対するノイズ下での効率的学習:ACO関数に対する効率的学習については、Linialら(1993)がブール関数に対する調和解析を用いて肯定的結朱が示された。この結朱のノイズ確率が既知の場合への拡張がBshoutyら(2002)によって示された。我々はこれをさらに拡張し、ノイズ率が未知の場合も効率的学習が可能であることを宮田・富田・垂井の共著学術雑誌論文として発表した。2.明示的ブール関数fの回路計算量、すなわちfを計算する論理回路の最小サイズについて現在知られている最大の下界はIwamaら(2005)によって与えられた5nである。Iwamaらの手法をさらに精密化することでより大きな下界を得ることができるのではないかという予想もあった。我々はこの予想を否定すること、すなわち、Iwamaの枠組みでは5nより大きな下界を示すことが不可能だ示すことに成功し、この結果を天野・垂井の共著として学術雑誌に発表した。3."Large-Scale Dlstributed Computation"をテーマとする湘南会議において、ストリームにおける重複発見の計算複雑さについて招待講演をした。この問題は命題論理において非常によく研究されている鳩の巣原理に密接に関連しているものである。決定的計算の場合については、通信計算量の問題にいったん帰着し、さらにそれを回路計算量の問題に帰着させるという興味深い手法により、よい下界を与えることに成功しており、乱択計算の場合の計算複雑さの決定が未解決問題として残っている。このトピックと結果については、平成23年11月にデンマークのオーフス大を訪問した際にも講演した。数学基礎論における証明論の研究者が主な参加者である研究集会『証明論と複雑性』(京大数理解析研究所,2012年9月12日14日)において「計算の複雑さと証明の複雑さ」と題する招待講演を行った。本課題の研究を通じて得られた知見をふまえつつ重要な未解決問題に対する現状を説明し,証明論と計算量理論の学際領域研究の重要性も説明した。この学際領域の研究を促進する効果ももつ講演ができたと思う。2013年3月13日から19日の期間に開催されたTokyo Complexity Workshopおよび3つのサテライトワークショップについてプログラム委員長をつとめた。証明の複雑さの関係では,Pavel PudlakとRyan O'Donnellによる招待講演を企画した。彼らとの個別議論により証明の複雑さと近似アルゴリズムにまたがる新たな重要問題を特定することもできた。また,彼らを含む研究者たちとの議論によって,Positivstellensetzに関連する問題に関して部分的結果を得ることができた。命題論理式に対する証明系のうちで活発に研究されている限定された系は、深さが限定された論理回路と密接に関係しているが、回路計算の複雑さについては、平成22年度および23年度それぞれにおいて、複数の結果発表に成功している。24年度が最終年度であるため、記入しない。命題論理の鳩の巣原理に密接に関連する、ストリームにおける重複発見の計算複雑さについての研究を学術雑誌において発表するとともに新たな結果を得るべく研究を進めたい。
イネ雑種崩壊の遺伝学的解析

本研究では、コシヒカリの遺伝的背景にハバタキの染色体断片を導入したNILを作成する過程で、分けつ数、草丈、着粒数などの減少をともなう雑種崩壊が見いだされたため、これについて遺伝学的な解析を行ってきた。その結果、今回の雑種崩壊は第2染色体長腕に座乗するhbd2遺伝子がハバタキ型ホモ、第11染色体に座乗するhbd3という遺伝子がコシヒカリ型ホモとなった場合に発生することが明らかとなった。このhbd2およびhbd3によって引き起こされる雑種崩壊について、その分子機構を明らかとすることを目的として研究を行っている。hbd2についてポジショナル・クローニングを行った結果、Casein Kinasel(CKl1)をコードしていることが明らかとなった。また、過剰発現体を用いた解析から、ハバタキ型のCKl1はアミノ酸置換を有しており、この変異型CKl1がコシヒカリ型hbd3の遺伝的背景で十分量存在すると弱勢表現型を引き起こす事が示された。また、hbd3については、高精度マッピングの結果から、NBS-LRRクラスタに座乗することが明らかとなった。NBS-LRRは植物において病原体の感染に対して免疫反応を引き起こす遺伝子として知られている。そこで、今回の雑種崩壊における弱勢個体について、免疫反応のマーカー遺伝子の発現解析を行った結果、この弱勢表現型は自己免疫反応によって引き起こされている事が示唆された。自己免疫反応による雑種の弱勢表現型はシロイヌナズナにおいて2例報告があるが、この結果は同じ機構がイネにも存在する事を示した。また、hbd2の解析結果と合わせて、この自己免疫反応は、NBS-LRRがhbd2型のCKl1を病原体が植物細胞に感染する際に混入させる異物と誤って認識したために引き起こされるのではないかという仮説を提唱した。生殖隔離現象のうち、雑種F1個体は生育も稔性もほぼ正常であるのに、F2以降の世代で個体の致死、弱勢もしくは不稔が生じる現象を雑種崩壊という。本研究では、コシヒカリの遺伝的背景にハバタキの染色体断片を導入したNILを作成する過程で、分げつ数、草丈、着粒数などの減少をともなう雑種崩壊が見いだされたため、これについて遺伝学的な解析を行ってきた。hbd2については、すでにCasein Kinase Iが原因遺伝子であることを特定している。hbd3についても同様に遺伝子単離に向けた作業を進めた結果、植物において耐病性に関わることが知られるNBS-LRR遺伝子がクラスターを形成している領域に特定された。この結果から、今回の雑種崩壊について植物耐病性との関連性が示唆された。今後は、今回の雑種崩壊と植物耐病性との関連について、遺伝子発現解析などから明らかにしていくとともに、クラスターを形成しているNBS-LRRのうち、どれがhbd3原因遺伝子なのかについて、hbd2の原因遺伝子であるCasein Kinase Iとの酵母ツー・ハイブリッド法を用いたスクリーニングを用いて特定を試みる予定である。また、Casein Kinase Iが、本来どのような機能を担っている遺伝子なのか、またどのようなメカニズムで今回の雑種崩壊を引き起こしているのかについて、アンチセンス系統や、ドミナント・ネガティブ系統を作出・解析することによって明らかとしていく予定である。最後に、今回の雑種崩壊に関わる遺伝子がイネという種内においてどの程度の広がりを見せているのかについても解析を行い、これらの遺伝子のイネ種分化における意義を考察したいと考えている。hbd2については、様々なイネ品種を用いた調査の結果、インドネシアの在来品種であるPetaから由来し、これを母本としたいくつかの近代品種の間に伝播していることが明らかとなったが、同様の解析をHbd3についても行い、今回の雑種崩壊のイネ種分化における意義の考察を試みる予定である。

自己免疫反応による雑種の弱勢表現型はシロイヌナズナにおいて2例報告があるが、この結果は同じ機構がイネにも存在する事を示した。また、hbd2の解析結果と合わせて、この自己免疫反応は、NBS-LRRがhbd2型のCKl1を病原体が植物細胞に感染する際に混入させる異物と誤って認識したために引き起こされるのではないかという仮説を提唱した。
酸化還元特性を持つ膜小胞によるバイオフィルム活性の制御

細菌集団が作り出すバイオフィルムは、細菌による嫌気鉄腐食や感染症の原因であるが、物理的な除去以外の対策が未だ難しいという課題がある。本研究は、膜小胞(MV)と呼ばれる脂質二重層膜で作られた100ナノメートルサイズの生物学的ナノ粒子をバイオフィルム内へと薬剤を輸送するためのキャリアーとして用いる技術の確立へ向けた基礎的研究を行う。特に我々が見出したMVの持つ電気化学的特性がバイオフィルム内へ浸透する過程へ与える影響を生化学的・電気化学的に検討する。
ナノスケール束縛液体の物性研究

薄膜をナノメートルサイズにまで薄くするとその物性はバルクの物性と比較して著しく変化する。この現象(ナノ束縛効果)は物質自体のサイズ効果と自由表面の存在や基板との相互作用による影響であると考えられる。種々の基板上に作成した水、アルコール、炭化水素、イオン液体等の分子性薄膜のガラス転移現象が表面および界面の存在によりどのような影響を受けているのかを飛行時間二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)および昇温脱離法(TPD)を用いて原子・分子レベルで明らかにした。バルクのガラス転移に対応して表面でもガラス転移の起こることが期待される。表面最外層に生成される液体の性質を明らかにするため、飛行時間二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)を用いて分子拡散と薄膜の形態変化を温度と膜厚の関数として解析した。3-メチルペンタン、クメン、エチルベンゼンの薄膜を用いた実験から、バルクのガラス転移温度(Tg)付近で流動性の出現により薄膜の形態に変化が起こることが分かった。一方、エチルベンゼン薄膜をTg(118K)よりかなり低い温度(20K)で作成した場合には、自己拡散が70K付近で起こった。この現象を解明するため、ポーラスシリコン基板を用いてエチルベンゼン分子の自己拡散の開始温度を調べたところやはり70Kとなり、この現象はエチルベンゼン薄膜自身がポーラスな構造を有しており、その表面で分子拡散が促進されるためであると解釈された。このように、表面最外層には二次元液体が存在することが明らかとなった。水、エタノール、3-メチルペンタンでも二次元液体の転移温度はバルクのTgに比べて20K程度低いことが分かった。一方、基板との相互作用が二次元液体に及ぼす影響を評価したところ、水では基板との水素結合の有無にかかわらず分子が協調的に運動して流動性が生じていることが確認されたが、エタノールでは基板との相互作用が分子間の相互作用に勝り分子が個別的に拡散するという顕著な相違が確認された。クラスターによる協調的な分子拡散はTg付近のバルク液体で重要な役割を演じていると考えられているが、本研究により二次元液体でも同様なメカニズムで表面のガラス転移が起こり流動性が生じていることが明らかとなった。界面における分子の吸着状態および親和性が、固体表面に束縛された液体薄膜の構造および属性にどのような影響を及ぼしているのかを明らかにすることを目的として研究を行っている。薄膜のガラス転移温度(Tg)が膜厚を薄くするとバルクの値と比較して著しく変化する現象(ナノ束縛効果)が知られているが、今年度は(1)種々の分子性薄膜(n-ペンタン、トルエン、エチルベンゼン、3-メチルペンタン)のガラス転移におけるナノ束縛効果を原子・分子レベルで明らかするとともに、(2)陽極酸化法により作成したポーラスシリコンの基板を用い、表面に吸着した単分子層(水、メタノール、エタノール、アセトン、二酸化炭素)の表面拡散が起こり始める温度(表面ガラス転移温度)を決定した。その結果、いずれの分子においても表面ガラス転移温度はバルクのTgよりかなり低いことがわかった。このような2次元表面液体の存在が、薄膜のナノ束縛効果にどのように関与しているのかを膜厚と基板依存性に関する実験結果を基に議論した。その結果、2次元表面液体の流動性にはバルクに生ずる過冷却液体のそれと同様な協力現象によって起こっていることがわかった。バルクではあるドメイン単位で流動性が起こりそれがガラス転移現象の発生と密接に関係していると考えられているが、表面や薄膜でもそのように協力的に運動する領域が存在するものと考えられる。しかしその同定には、基板による効果(デッドレイヤーの形成)を極力小さくして薄膜のサイズ効果を調べる必要がある。このため、表面エネルギーの小さいフルオロカーボンで終端した金属およびシリコン基板を用いて薄膜に流動性が生じる温度を膜厚の関数として測定し、約5分子程度が協力的に動くことで薄膜に流動性が生じていることを明らかにした。薄膜を薄くするとその物性は著しく変化する。これはナノ束縛効果と呼ばれ、自由表面の存在や基板との相互作用による影響であると考えられる。実際に薄膜のガラス転移現象に表面および界面がどのような影響を及ぼしているのかを飛行時間二次イオン質量分析法および昇温脱離法を用いて原子・分子レベルで明らかにした。グラファイトは室温の水に対しては強い疎水性であるにもかかわらず低温では水分子との親和性が高いことが見出された。その理由として、界面で水分子のOH基がグラファイト基板に配向し、特殊な結合状態が生じているためであることを明らかにした。低温における水の特殊な構造はポリアモルフィズムと関係している可能性が考えられる。ナノ束縛効果における基板表面との相互作用の影響を検証するため、ニッケル、グラファイト、パーフルオロカーボン薄膜表面上におけるハイドロカーボン(トルエン、nーペンタン、3ーメチルペンタン、1ーペンテン)薄膜の濡れ性と表面拡散を調べた。

その結果、表面エネルギーの小さいパーフルオロカーボン薄膜上で、膜厚が4ー5分子層以下の場合にバルクのガラス転移温度以下で分子の流動性が確認された。これがガラス転移により分子が協力的に動く領域、あるいは基板との相互作用により分子運動が制限されて束縛が起こっている範囲であると考えられる。また、ポリマー(ポリエチレンオキサイド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン)の表面にイオン液体分子を吸着させ、吸着子が薄膜内に取り込まれる過程を観察した結果、ガラス転移温度以下の温度でポリマー薄膜表面に液体層が形成されていることを明らかにした。このような液体層の存在により薄膜のガラス転移温度の減少が期待されるが、実際には上述した基板との相互作用による膠着層の存在により薄膜の流動性が妨げられているものと考えられる。液体のナノ束縛効果に関連した最も明確で重要な現象として、ガラス転移温度の膜厚および基板依存性を明らかにすることが極めて重要である。本年度はこようなナノ束縛効果の本質にかかわる重要な現象をミクロスコピックなレベルから明らかにすることができたことから、研究は順調に進展していると考えた。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後もナノ束縛液体のガラス転移温度に及ぼす膜厚と基板依存性について他の分子薄膜を用いた研究を行う。ナノ束縛効果に関してはこれまでポリマーを用いた研究が主流で世界中で多くの研究が行われてきた。そこではナノ束縛液体の存在とその発生メカニズムに関して議論がかなり混沌としている。ちなみに単純な分子薄膜のガラス転移の研究はこれまで世界で我々のグループのみが行ってきた。今後はポリマーについても同様の研究を行い、これまで蓄積した実験結果と比較することにより、ポリマーでは具体的に何が実験的に観測されてその結果なぜ混沌が生じているのかを明らかにしていく必要がある。
福島県相双方言の記録と継承を目的とした調査研究

周知のとおり,東日本大震災は福島県にも甚大な被害をもたらした。とりわけ東京電力原発事故によって避難を強いられた相双地方の自治体の中には,いまだに全町避難を強いられているところもあって,地域コミュニティの存立自体が危ぶまれる。また同時にその方言についても衰退が懸念されるところである。こうした状況に鑑み,研究代表者は2012年度以降,福島県内被災地の方言談話資料を収集する調査に取り組んできたが,被災地が広域に及んでおり,長期的な調査の継続が不可欠である。本研究は福島県相双地方方言の記録・保存に向けて,可能な限り多数の方言談話資料を収集し,当該方言の基礎的,総合的な記述を進めることにある。2018年度は引き続き被災地域の方言談話資料を収集し,その資料に基づく記述・分析を進めた。2017年度同様,避難指示が解除されて住民の帰還が始まった地域に赴き,先駆けて地域に戻られた高年層の方々からお話を伺って方言談話資料を収集した。地域に戻られた方の多くは,ご家族が避難を継続していたり,近所の方々がまだ戻らなかったりして,普段お話をする機会が減ってしまっている方も少なくない。そうした方々に母語である方言でお話をしていただくことで,インフォーマントへの「傾聴支援」にもつながるよう,調査の際は心を砕いた。本年度は本研究のまとめの時期として,国際学会も含めた各種学会において成果を発表し,またその結果を踏まえた各種論文の刊行に取り組んだ。なお,今年度予定していた被災地域の学校における教育実践は,学校側の受け入れが整わず断念した。「様々な大学からいろいろな企画が持ち込まれるため,子供たちが疲弊しており,また正規の学習活動時間確保の妨げにもなっている」という実態が判明したためである。被災地支援のための活動が,地域に迷惑をかけてしまう結果となっては本末転倒であり,この点はやむを得ないものと判断した。福島県の浜通り地方および阿武隈高地北部地域は,東日本大震災によって大きな被害を受けた。とりわけ東京電力原発事故によって避難を強いられた相双地方の自治体は,現時点で帰還の見通しが立っていないところも多い。地域コミュニティの存立自体が危ぶまれ,同時にその方言についても急速な衰退が懸念されるところである。こうした状況に鑑み,本研究の研究代表者は文化庁からの事業委託を受け,2012年度以降,福島県内被災地の方言談話資料を収集する調査に取り組んできた。しかしながら被災地が広域に及ぶため,すべての地域の方言について十分な量の方言談話資料を収集するにはいまだ至っておらず,さらなる調査の継続が必要である。本研究の目的は,これら福島県相双地方(相馬,双葉地方)方言の記録・保存に向けて,可能な限り多数の方言談話資料を収集し,その資料をもとに当該方言の基礎的,総合的な記述を進めることにある。こうした状況を踏まえ,27年度は引き続き,被災地域の談話資料の収集にあたるとともに,これまでの談話資料および当該地域の各種方言調査資料の整理を進めた。またこうした方言資料を被災地域の復興,方言継承に活用するための方策についても検討に着手した。27年度は引き続き談話収集調査を行ったが,計画した地域すべての調査を終えることができなかった。また分析,方言記述についても当初の計画からは遅れている。とりわけ東京電力原発事故によって避難を強いられた相双地方の自治体の中には,現時点で帰還の見通しが立っていないところもあり,地域コミュニティの存立自体が危ぶまれる。また同時にその方言についても急速な衰退が懸念されるところである。こうした状況に鑑み,研究代表者は文化庁からの事業委託を受け,2012年度以降,福島県内被災地の方言談話資料を収集する調査に取り組んできた。こうした状況を踏まえ,28年度は引き続き,被災地域の談話資料の収集にあたるとともに,これまでの談話資料および当該地域の各種方言調査資料の整理を進めた。28年度は,特に避難指示が解除されて住民の帰還が始まった地域に赴き,先駆けて地域に戻られた高年層の方々からお話をうかがって方言談話資料を収集した。お話をうかがうに際しては,被災された方々の傾聴支援にもつながるよう心を砕いた。28年度は前年に引き続き談話収集調査を行った。特に27年度末に計画していた「避難指示解除自治体」へ帰還された方々への調査については,多くの自治体から協力をいただき,一定数の方言談話資料を収集することができた。さらにそれらの文字化作業も順調に進んでいる。全国学会で調査に関する発表を行い,29年度早々にも同様に全国学会での発表を行う。

しかしながら被災地が広域に及ぶため,すべての地域の方言について十分な量の方言談話資料を収集するには至っておらず,さらなる調査の継続が不可欠である。本研究の目的はこれら福島県相双地方(相馬,双葉地方)方言の記録・保存に向けて,可能な限り多数の方言談話資料を収集し,その資料をもとに当該方言の基礎的,総合的な記述を進めることにある。2017年度は引き続き被災地域の方言談話資料を収集するとともに,その資料に基づく記述・分析を進めた。2016年度同様,避難指示が解除されて住民の帰還が始まった地域に赴き,先駆けて地域に戻られた高年層の方々からお話を伺って方言談話資料を収集した。地域に戻られた方の多くは,ご家族が避難を継続していたり,近所の方々がまだ戻らなかったりして,普段お話をする機会が減ってしまっている方も少なくない。そうした方々に母語である方言でお話をしていただくことで,インフォーマントへの「傾聴支援」にもつながるよう,調査の際は心を砕いた。また,被災地では住民の帰還とともに学校の再開も進んだ。2017年度は地域で再開された中学校へ伺い,地域の方を巻き込んだ方言教育実践を行った。2017年度は避難指示解除となった自治体の協力を得て,多くの談話資料を収集することができた。さらに,そうした資料を活用しての学会発表や論文発表にも至った。一方で被災自治体の中には,避難指示解除後も住民の帰還が捗らず,いまだ数%の帰還にとどまったところもある。こうした地域では自治体側の受け入れ態勢が整わず,やむを得ない事情により,調査や授業実践が十分行うことができなかった。周知のとおり,東日本大震災は福島県にも甚大な被害をもたらした。とりわけ東京電力原発事故によって避難を強いられた相双地方の自治体の中には,いまだに全町避難を強いられているところもあって,地域コミュニティの存立自体が危ぶまれる。また同時にその方言についても衰退が懸念されるところである。こうした状況に鑑み,研究代表者は2012年度以降,福島県内被災地の方言談話資料を収集する調査に取り組んできたが,被災地が広域に及んでおり,長期的な調査の継続が不可欠である。本研究は福島県相双地方方言の記録・保存に向けて,可能な限り多数の方言談話資料を収集し,当該方言の基礎的,総合的な記述を進めることにある。2018年度は引き続き被災地域の方言談話資料を収集し,その資料に基づく記述・分析を進めた。2017年度同様,避難指示が解除されて住民の帰還が始まった地域に赴き,先駆けて地域に戻られた高年層の方々からお話を伺って方言談話資料を収集した。本年度は本研究のまとめの時期として,国際学会も含めた各種学会において成果を発表し,またその結果を踏まえた各種論文の刊行に取り組んだ。
低酸素環境における運動時血中乳酸濃度とカテコラミン濃度の関係 -高所トレーニングの有効性に関する基礎的研究-

5人の男性を対象に、酸素濃度の異なる3種(12%、16%、21%酸素)のガスを吸入する条件で、自転車エルゴメータによる定常運動(60%最大酸素摂取量)を6分間行わせた。運動中の換気ガスパラメータ(ダグラスバッグ法、電気化学的センサー)、心拍数(心電図法)、動脈血酸素飽和度(パルスオキシメータ法)を測定した。運動終了直後に肘静脈より約7ml採血し、全血中の乳酸濃度(電気化学酸素法)、血漿中のエピネフェリンとノルエピネフェリン濃度(HPLC法)の分析にあてた。運動中の動脈血酸素飽和度は、正常大気吸入時に95±0.1%であったが、低酸素ガス吸入時には、各々85.0±5.4%(16%),66.4±4.1%(12%)に低下した。定常運動中の換気量は、低酸素の程度が厳しくなるに応じて上昇したが、酸素摂取は、条件間で差異は認められなかった。運動終了直後の血中乳酸濃度は、吸入酸素濃度が低いほど、高い傾向にあったが、有意な差異は、21%条件と、12%条件の間にのみ、認められた。一方カテコラミン濃度は、いずれも条件間で統計的有意差は、確認できなかったが、12%条件での運動直後の値は、他の条件との比較で、高い傾向を示した。運動直後の乳酸濃度とエピネフェリン濃度、乳酸濃度とノルエピネフェリン濃度の間には、いずれも1%水準で有意な相関関係が認められた。これらの結果から、短時間の中程度運動時の血中の乳酸蓄積とカテコラミン濃度の上昇は、低酸素によって同様の影響を受けることが示され、グリコーゲン代謝の速度とβアドレナリン性刺激の大きさに、なんらかの関連性が存在することが示唆された。しかし、本研究から、両者の因果関係を推察することは難しい。この問題の解明は、今後の課題と考えられる。
有機化合物(アルコ-ル系)を用いたCVD法によるダイヤモンド薄膜の高速成長

現在、励起状態の活性種(C、CH、CH_3、C_2等)が、ダイヤモンド合成に重要な役割を果たしていると考えられており、その活性種の生成には、いくつかのCVD法(マイクロ波プラズマCVD法等)が、反応ガスとしては炭化水素等のメタンと水素が主に用いられている。従来の合成法や反応ガスではダイヤモンドの成長速度は遅く、1μm10μm/hである。そこで筆者は、上述の活性種を多量に生成する方法として、高温のプラズマであるア-ク放電に注目し、かつ反応ガスとして含酸素有機化合物(アルコ-ル等)の使用を試みた。そして、合成したダイヤモンドは走査型電子顕微鏡・観察、X線回折およびラマン分光分析によって評価した。その結果、ダイヤモンドの成長速度は約200250μm/hの値が得られ、従来法の10倍以上の高速合成が確認された。また、反応圧力も100760Torrと広く、ア-ク電力も約560Wと低い等の特色を有している。上述の分析よりアモルファスカ-ボンやグラファイトがほとんど含まれていない高品質のダイヤモンドであることも明らかとなった。この理由としてアルコ-ル中の水素基OH、や原子状水素H、が非ダイヤモンド炭素成分のエッチングに寄与しているものと考えられる。一方、光励起CVD法によるダイヤモンド合成では、アモルファスカ-ボンの生成は認められていたがダイヤモンドの合成は成功しなかった。これは光強度の不足のため、必要なラジカル密度が充分でなかったためと思われる。以上、「有機化合物(アルコ-ル等)を用いたCVD法によるダイヤモンド薄膜の高速成長」の2年間の研究は所定の目的を一応達したといえる。1.はじめに現在、励起状態の活性種(C、CH、C_2等)がダイヤモンド合成に重要な役割を果たしていると考えられている。筆者はアーク放電によって発生させた高温(5000°C以上)のプラズマを用いれば、活性種を短時間にしかも多量に生成できるので、ダイヤモンド薄膜の成長速度が増加するのではないかと予想した。本研究はアーク放電プラズマCVD法によるダイヤモンド薄膜の高速成長と膜の評価について検討を行った。2.実験方法および実験結果反応容器を予備排気したのち、反応ガスを所定の圧力200400Torrまで導入する。反応ガスは水素、炭素源としてエタノールさらに放電を安定させるためにアルゴンを用いた。基板はシリコンを使った。アーク放電電力は約560Wである。プラズマにより基板はかなりの高温になるため基板ホルダーに冷却水を流して基板温度の上昇を防いだ。実験の結果、約200250μm/hの高速成長の値が得られた。また得られ薄膜のX線回折の面間隔と天然ダイヤモンド(ASTM6ー675)の値はよく一致しておりダイヤモンドと同定された。膜質を検討する場合、ダイヤモンド膜中に含まれるグラファイト等の非ダイヤモンド炭素の存在が問題となる。それらを検出する方法としてラマン分光分析が有効であるダイヤモンド薄膜のラマン分光分析の結果、天然ダイヤモンドと同じ1333cm^<-1>のみに鋭いピークが見られ、アモルファスカーボンによる1550cm^<-1>付近のブロードなピークは検出されない。この原因としてはアーク放電のプラズマが高温であるので、プラズマを通った水素(H_2)はほとんど原子状水素(H)に分解され、その原子状水素がダイヤモンドより結合の弱い非ダイヤモンド炭素をエッチングしたためにダイヤモンド薄膜の膜質が向上したと考えられる。本年度の研究目標は光励起CVD法によるダイヤモンド合成である。昨年度のア-ク放電CVD法を用いたダイヤモンド合成は成長速度の増大、膜質の向上等の成果が得られた。

これらの結果を検討し、光励起CVD法への適用を考慮した結果、次の2点が重要であることが明らかとなった。(1)放射光を発する光源ランプの選択。光で炭素源のガスを分析する場合、従来では、紫外線ランプを用いる例が多いが、光の光量、強度が不足している。本研究では100Wのキセノンフラッシュランプを用いた。この光源は1フラッシュ光あたり1ジュ-ルという。従来の10^3倍もの光強度と、放射波長は300600nmと比較的広い等の特長を有している。(2)炭素源ガスの選択。従来はメタン、アセチレン等の炭化水素系のガスを利用しているが、光分解しやすい、含酸素有機化合物、ここではメチルアルコ-ル、アセトン、ジエチルエ-テルを用いた。これらの炭素源は、上述のフラッシュランプの光で分解することは文献等で明らかになっている。実験条件は、反応圧力760Torr、基板温度600°C、基板直上に設置された光源から毎秒1フラッシュの光が放射される。基板はシリコンを用い、反応時間は1時間である。反応後の基板表面は茶黒色に変色していた。S.E.M.観察では、基板表面には粒状および膜状の生成物は認められず、ラマン分光でもアモルファスカ-ボンとグラファイトの弱いピ-クのみが観測された。この結果は、用いたすべての炭素源に共通していた。その理由として、光強度と単位時間あたりのフラッシュ数の不足があげられる。すなわち、光強度不足はダイヤモンド合成に必要とされている炭素ラジカル密度を充分にしない。またフラッシュ数が1秒1回では、やはりラジカルの生成は充分でないように推定される。従って今後の研究の展開としては【○!1】300nmの発光を有するレ-ザ光を用いる。【○!2】光分解しやすい炭素源の選択と調査等が必要となろう。