hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
理想的ヘテロナノ界面を用いた界面伝導の物理に基づくフォノン・電子伝導の独立操作

本年度は、SiGe/Si超格子の組成、キャリア密度を緻密に変化させて、電気伝導率、電子移動度を詳細に測定した。その結果、高キャリア密度において、バルクに近い電気伝導率・電子移動度が得られることが分かった。その際、SiリッチのSiGe/Si超格子の方が、高い値を占めすことが分かった。この熱電性能向上のメカニズムとして、当初狙った波数保存則による効果も考えられるが、SiリッチSiGe層であるためにSi層との格子不整合が小さくなり、それによる結晶性の改善・界面欠陥密度の低下の効果も効いていると考えられる。また、予備的な熱伝導率測定を行った結果、熱伝導率の低減を確認した。Siリッチ層SiGe/Si超格子における性能向上の物理の詳細は今後さらに検討する必要があるものの、SiGe組成制御することで、特性の向上を図ることに成功した。本研究は、SiGe/Si界面での電子の波数保存則を成り立たせるように設計することで熱伝導率を低減させながらも、試料中の電気伝導率を増大させて、熱電特性の向上を図ることを目的とするものである。まず、本概念に基づく最適構造として、熱伝導率の低減を効率的に行う観点でSiGeナノドット/Si積層構造を提案し、その形成方法を開発した。次に、波数による電子輸送操作の実証のために、SiGe/Si超格子の電気特性を調べた。その結果、Si薄膜と同等の移動度を得ることに成功した。提案した電子輸送が起こっているかどうかの実証には、更なる研究が必要であるが、予想の結果を得ることができた。Siの蒸着を現在保有するクヌーセンセルを用いるか、手作りのSi蒸着源を開発するか、どちらかの手段を講じることで、適切なSiGeの組成のナノドットを形成することが必要である。それができれば、物性評価技術は保有しているため、スムーズに研究がすすめられると考えられる。そのため、装置開発をメインに着手する必要がある。来年度は、超格子構造において、電気特性と熱伝導率の評価を行う。その際、電気特性のキャリア依存性を取得するようにする。そのため、イオン注入が研究推進の重要なファクターとなる。その条件は、本年度見出している。その後、SiGeの組成を変えて波数保存されていない組成の量を作製し、同様の実験を行う。これにより、当初の目的を達成できるものと考える。また、ナノドット作製においても実験を行い、その知見も同時に得ることを行う。ナノ構造物理本年度は装置改造を行い、それにより実験的な遅れが年度の初めにあった。これは、予想していたよりも、蒸着の安定性が必要であることが、昨年度わかったからである。しかし、ナノドット形成から、超格子形成の波数保存則の実験に切り替えることで、研究を進めることができることがわかった。そのために、来年度行う予定の研究に必要な知見を得ることに、本年度すでに成功している。そうした状況のため、SiGe組成依存性、キャリア濃度依存性の実験をいっきに来年度行う予定である。そのため、本年度までに使用する予定であった研究費を来年度に回すという大幅な変更が必要である。逆にそうすることで、本研究の成果を来年度にとりまとめて得られる効果が期待できる。上記で記載したように、、SiGe組成依存性、キャリア濃度依存性の実験をいっきに来年度行うことになるため、そのための、実験に必要な、消耗品・備品に使用する予定である。
２０世紀の植物学における非ダーウィン的進化論――総合説との関係に注目して

本年度は、日本の植物学者・早田文藏(1874-1934)による独自の生物学思想の提唱を、日本における進化論の受容と仏教思想の関係や、20世紀初頭における日本人科学者たちの競争的科学観および「東洋」と「西洋」に対する意識などの観点から考察した。まず7月までは、前年度に引き続き米国のボルチモアに滞在して、ジョンズ・ホプキンス大学の科学技術史学科でvisiting studentとして研究を進めた。4月には学内の定例研究発表会であるTuesday Brown Bag Lunch Talkで口頭発表をおこない、1930年代に早田が自分の学説を「東洋的な」理論として提唱した背景について考察した。この発表では、出席した多くの研究者から有益な意見をいただいた。8月以降は、日本に帰国して研究を続けた。まず8月には、博多で開催された日本科学史学会生物学史分科会の「夏の学校」に参加して口頭発表をおこない、早田の学説は特定の種類の仏教思想と深い関わりがあることを論じた。また、9月にはアウトリーチ活動として、滋賀県東近江市の「西堀榮三郎記念探検の殿堂」で開催されたサイエンスカフェ「何が早田を突き動かしたのか?ー独創的な「動的分類系」とその着想の源」で講師を務め、早田の業績やアイデアについて解説した。その後は、先行研究のサーベイや議論の組み立てなどをおこない、論文として発表できる内容をほぼ固めることができた。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究の目標は、20世紀前半において植物学者たちが構想していた非ダーウィン的な進化論の実態を明らかにし、それが進化の総合説の形成とどのように関係したのかを解明することである。本年度は、20世紀初頭に非ダーウィン的な進化論を模索していた代表的植物学者として、二人の人物に着目した。一人目は、オランダ王立植物標本館の館長を務めたJ・P・ロッツィである。これまで、ロッツィが1910年代以降に独自に提唱していた理論については断片的な研究しかなされてこなかったが、本研究では、化学をモデルにした生物学を構築するというロッツィの壮大な構想の輪郭を捉えることができた。また、近年の科学史研究ではメンデルに関する理解が大きく更新されていることを踏まえて、ロッツィの進化思想がメンデルのそれと深く結びついていることを示した。ロッツィに関する研究成果については、本年度前半に2件の口頭発表を行った。二人目は、東京帝国大学教授を務めた早田文藏である。早田については、2016年に台湾で伝記が出版されるなど近年注目が集まっているが、1920年代から30年代前半にかけて発表された一連の理論的業績については、まだ十分な理解が進んでいない。本研究では、20世紀初頭の生物学で台頭していたメンデル主義の文脈や、早田が信仰していた仏教思想の文脈を踏まえて、早田の独特で難解な議論がいかなる意味をもっていたのかについて説明を試みている。また、早田が所持していた未調査の史料についても調査を行い、公刊物と非公刊資料の両面から早田の思想の全貌解明を進めている。早田に関する研究成果については、本年度後半に英語で2件の口頭発表を行った。また本年度は、進化的総合に関する議論についても基礎的なサーヴェイを行い、科学哲学の議論との接続を試みた。この研究成果は、6月に科学基礎論学会のワークショップ「生物学における総合を問いなおす」で発表した。本研究のなかで重要な位置を占める二人の植物学者、ロッツィと早田文藏について基礎的な調査を終え、彼らの生物学思想の解明に向けて一定の見通しを示すことができた。本年度は、東京帝国大学の教授や小石川植物園の園長を務めた植物学者である早田文藏(1874-1934)に関する研究を深化させ、論文発表に向けての準備をおこなった。以前の予定を少し変更して早田に注力したのは、研究を進めるにつれ、早田による独自の進化・分類理論の提唱が、生物学史の観点のみならず日本科学思想史の観点から見ても重要な事例であり、綿密に研究する価値が大きいと考えられるようになったためである。本年度の4月には、それまでの研究のまとめとなる口頭発表をおこなった。次に、早田が晩年に執筆したものの今まで公刊されないままとなっていた檄文「敢て本邦の分類學者に檄す」について、ご遺族の許可のもとで書き起こしを行い、考察を加えて『生物学史研究』上で紹介した。さらに、より多様な視座を本研究に取り入れ、英語での成果発表につなげていくために、8月からは米国ボルチモアに長期滞在し、ジョンズ・ホプキンス大学の科学技術史学科でvisiting studentとして研究を進めている。研究会などの機会を活用してさまざまな研究者から情報や意見を集めるとともに、生物学史や日本科学史の専門家による指導を得て、英語論文の発表に向けた準備をおこなっている。また、アウトリーチ活動として、滋賀県東近江市の「西堀榮三郎記念探検の殿堂」で9月から始まった企画展示「分類學トハ如何ナルモノカ?台湾植物界の父・早田文蔵(前半)」に協力し、情報の提供や説明文の執筆などをおこなった。研究環境を移すための準備に時間がかかったこともあり、本年度は成果の発表は少なくなってしまったが、早田文藏に関する論文の完成へ道筋をつけることができた。

本年度は、日本の植物学者・早田文藏(1874-1934)による独自の生物学思想の提唱を、日本における進化論の受容と仏教思想の関係や、20世紀初頭における日本人科学者たちの競争的科学観および「東洋」と「西洋」に対する意識などの観点から考察した。まず7月までは、前年度に引き続き米国のボルチモアに滞在して、ジョンズ・ホプキンス大学の科学技術史学科でvisiting studentとして研究を進めた。4月には学内の定例研究発表会であるTuesday Brown Bag Lunch Talkで口頭発表をおこない、1930年代に早田が自分の学説を「東洋的な」理論として提唱した背景について考察した。この発表では、出席した多くの研究者から有益な意見をいただいた。8月以降は、日本に帰国して研究を続けた。まず8月には、博多で開催された日本科学史学会生物学史分科会の「夏の学校」に参加して口頭発表をおこない、早田の学説は特定の種類の仏教思想と深い関わりがあることを論じた。また、9月にはアウトリーチ活動として、滋賀県東近江市の「西堀榮三郎記念探検の殿堂」で開催されたサイエンスカフェ「何が早田を突き動かしたのか?ー独創的な「動的分類系」とその着想の源」で講師を務め、早田の業績やアイデアについて解説した。その後は、先行研究のサーベイや議論の組み立てなどをおこない、論文として発表できる内容をほぼ固めることができた。2017年度は、早田文藏に関する研究成果を論文として発表することを一つの目標とする。また、ロッツィについての研究を深めるとともに、ロッツィが影響を与えた米国の植物学者たち(E・C・ジェフリーやE・アンダーソンなど)についても研究を拡大していく予定である。2018年度は、早田文藏に関する論文を完成させるとともに、早田に大きな影響を与えたと考えられる植物学者のJ・P・ロッツィについての研究を再び進展させることを予定している。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
重度難聴者用の新型補聴器の開発のための骨導超音波知覚メカニズムの解明

重度難聴者でもあっても骨導超音波であれば知覚できる場合がある.申請者らはこの現象を利用した重度難聴者用の新型補聴器(骨導超音波補聴器)の開発に取り組んでいるが,骨導超音波の神経生理メカニズムには未解明な部分が多いヒトを対象とした電気生理計測,心理物理計測,音響物理計測などによって骨導超音波知覚の神経生理メカニズムの解明を図る.2010年度は以下のような研究に取り組んだ.1.電気生理計測による末梢脳幹メカニズムの検討聴覚末梢機能を反映する蝸電図,脳幹皮質機能を反映する聴性脳幹反応,聴性中間潜時反応の計測を行い,聴覚神経伝導路各部の骨導超音波知覚への関与を評価した.その結果,骨導超音波に対しても,気導可聴音と同様の聴性脳幹反応,聴性中間潜時反応が観察された.また,蝸電図計測では明瞭な蝸牛神経複合活動電位(AP)が観察されたものの,有毛細胞のイオン電流を反映する蝸牛マイクロホン電位(CM),基底膜振動を反映する加重電位(SP)は観察されなかった.骨導超音波知覚にも蝸牛が関与しているものの,蝸牛内で行われている処理には特異性がある可能性が示された.2.心理物理計測による知覚特性の推定心理物理計測によって10-35kHzまでの骨導音波刺激によるラウドネス特性を推定した.心理物理計測を実施した.閾値および5dB SLおよび10dB SLの30kHz骨導超音波を基準とした等ラウドネス曲線も13kHz付近から上昇するものの,およそ20 kHzでその上昇が飽和した.各曲線間のレベル差は周波数が高くなるにつれて狭まっており,ダイナミックレンジが小さくなっていることを示唆している.重度難聴者でもあっても骨導超音波であれば知覚できる場合がある.申請者らはこの現象を利用した重度難聴者用の新型補聴器(骨導超音波補聴器)の開発に取り組んでいるが,骨導超音波の神経生理メカニズムには未解明な部分が多いヒトを対象とした電気生理計測,心理物理計測,音響物理計測などによって骨導超音波知覚の神経生理メカニズムの解明を図る.2010年度は以下のような研究に取り組んだ.1.電気生理計測による末梢脳幹メカニズムの検討聴覚末梢機能を反映する蝸電図,脳幹皮質機能を反映する聴性脳幹反応,聴性中間潜時反応の計測を行い,聴覚神経伝導路各部の骨導超音波知覚への関与を評価した.その結果,骨導超音波に対しても,気導可聴音と同様の聴性脳幹反応,聴性中間潜時反応が観察された.また,蝸電図計測では明瞭な蝸牛神経複合活動電位(AP)が観察されたものの,有毛細胞のイオン電流を反映する蝸牛マイクロホン電位(CM),基底膜振動を反映する加重電位(SP)は観察されなかった.骨導超音波知覚にも蝸牛が関与しているものの,蝸牛内で行われている処理には特異性がある可能性が示された.2.心理物理計測による知覚特性の推定心理物理計測によって10-35kHzまでの骨導音波刺激によるラウドネス特性を推定した.心理物理計測を実施した.閾値および5dB SLおよび10dB SLの30kHz骨導超音波を基準とした等ラウドネス曲線も13kHz付近から上昇するものの,およそ20 kHzでその上昇が飽和した.各曲線間のレベル差は周波数が高くなるにつれて狭まっており,ダイナミックレンジが小さくなっていることを示唆している.
構文獲得と構文継承に関する認知言語学的研究

本研究の目的は、子どもの発話において使い分けが観察される英語の使役移動構文と動詞不変化詞構文の関係について、構文文法論における継承リンクという考えに子どもの言語獲得のプロセスを考慮に入れた新たな構文継承モデルを構築することである。今年度は子どもの発話データベースCHILDES及びフィールドワークから英語の使役移動構文と動詞不変化詞構文を抽出すると同時に、それぞれの出現時期、発話内容を精査した。その際、母語獲得研究Tomasello (2003)の分類を参照しながら、「抽象的構文(abstract syntactic constructions)」として当該二つの構文が獲得されるまでに、どのような段階を辿るのか調べた。その結果、名詞、不変化詞、動詞など個々の品詞が発話される段階から、不変化詞や動詞を基軸とし変項としての名詞との組み合わせによる発話段階が見られ、「一語文(holophrase)」、「二語文」、「軸語スキーマ(pivot schemas)」、「項目依拠的構文(item-based construction)」を経ていく過程で、次の段階へ進んだ後も、前段階での発話形式を繰り返しながら、抽象的構文獲得へと至ることが示された。子どもの発話データベースCHILDES及びフィールドワークより得られたデータを分析することを通して、英語の使役移動構文と動詞不変化詞構文が獲得されるまでにどのような獲得段階を経るのかが明らかになりつつある。言語獲得初期段階において、言語化される事象が自らの身体部位と関わる場合には動詞不変化詞が用いられる一方で、そうでない場合には使役移動構文が選択される。また、両構文は原因事象と結果事象を表すが、それぞれの事象が言語化される時期にも差が見られ、具体的な原因となる行為については、項目的依存構文が出現する二歳頃に確認された。今年度得られた成果は学会に投稿し、現在審査中である。二年目は、これまで収集してきたデータをもとに、使役移動構文と動詞不変化詞構文がそれぞれどのように「抽象的構文」として構築されていくのか構文獲得プロセスを明確化する。また、使役移動構文と動詞不変化詞構文の継承関係を示す上で、時系列以外の要因を探究する。さらに、研究成果の公表及び関連する専門分野の研究者との研究討議のために国内外の学会に参加する。今年度は言語資料を収集し分析することに予想以上の時間が必要となった。そのため、初年度に計画していた国内外フィールドワークの一部を次年度に実施する。フィールドワークにかかる国内旅費、海外旅費として使用する計画である。
極微細半導体素子での基板電流ゆらぎに伴う素子寿命不確定性抑制の研究

本研究では、ディープ・サブミクロンからサブ0.1ミクロン領域にあるSi-MOSFET構造のもとで、デバイス寿命の不確定性を電流ゆらぎという新たな観点から検討を行った。極微細デバイスにおける衝突イオン化過程の異方性、電流ノイズ/統計的電流ばらつきにともなった基板電流ゆらぎとデバイス劣化との相関や信頼性について検討した。具体的な検討内容と成果は、以下のようにまとめられる。1.Si-MOSFET構造のもとで、フルバンド・モンテカルロ法を用いた解析により、衝突イオン化過程の異方性にともなった基板電流ゆらぎが、デバイス・サイズの微細化にともなった印加電圧の減少とともに大幅に増大することを見い出した。その結果、デバイス寿命の長期信頼性に大きなばらつきが生じる可能性を指摘した。2.さまざまなデバイス構造のもとで、デバイスの微細化にともなった電流ノイズ顕在化の可能性について、モンテカルロ法を用いて定量的に検討した。具体的には、サブ-100nmデバイスにおいては、伝導電子数の減少に伴って相対的な電流ノイズの大きさが数十%にもおよぶことを見い出した。3.3次元ドリフト拡散デバイス・シミュレータを用いて、Si-MOSFET構造のもとでの不純物の離散性による統計的な電流ばらつきを検討した。そして、現在の標準的モデルである'atomistic'不純物モデルは、ドリフト拡散シミュレータに想定されている物理機構と整合が取れていないことを見い出した。4.'atomistic'不純物モデルの上述の物理的問題点を克服する新しい離散不純物モデルを構築した。そして、さまざまなデバイスに対してシミュレーション解析することにより、新しい不純物モデルの正当性を検証した。本年度は以下の検討を行い、成果を得た:(1)本研究課題における基板電流ゆらぎは、Siデバイス内での衝突イオン化現象に伴い生じる。そして、電子の衝突イオン化現象はイオン化しきい値エネルギー近傍で強い異方性を示すことが既に知られている。そこで、電子に加えて正孔の挙動も素子特性に関与することから、我々が構築した第一原理計算手法を用いて、Siの正孔に対しての異方的衝突イオン化確率を確定した。その結果、電子と同様な強い異方性が正孔においても存在することを見い出した.(2)デバイス・サイズの微細化に伴い、素子基板濃度の増大が不可避であることから、長距離相互作用を及ぼす電子間クーロン相互作用の極微細デバイスでの重要性が指摘されている。そこで、二次元Si-MOSFET構造のデバイス・シミュレータにこの長距離電子間相互作用を導入するために、モンテカルロ・シミュレータとポアソン方程式を自己無撞着に結合し、シミュレータの拡張を行った。(3)サブ0.1ミクロン領域の極微細素子での準弾道的電子輸送の影響を明確にするために、単純な1次元(n-i-nダイオード)構造のもとで、自己無撞着モンテカルロ・シミュレーションを行った。そして、極微細デバイス構造特有の新たな高エネルギー電子の存在を見い出した。これは、準弾動的に走行する高エネルギー電子がドレイン領域で緩和する際、ドレインでのフォノン等との散乱によりチャネル領域にキックバックされるため、と考えられる。尚、本年度に予定していた我々のシミュレータと購入した酸化膜シミュレータとの結合は、酸化膜シミュレータの納入時期の大幅な遅れに伴い、実施を来年度に延期した。本年度の研究内容と成果は以下のようにまとめられる:1実効チャネル長が300nmから40nmまでの2次元MOSFET構造のもとで、基板電流ゆらぎの主要因と考えられる衝突イオン化過程の異方性を考慮したモデルをシミュレータに導入し、基板電流の数値解析および周波数解析を行った。その結果、従来モデルに比べて基板電流ゆらぎが異方性により、倍以上増大することを確認した。

また、基板電流の時系列の周波数解析から、異方性を考慮した基板電流が特異な周波数特性(1/f特性)を示すことを見い出した。2素子幅が数十nmの極微細Si-MOSFET構造での電子数ばらつきに伴うドレイン電流ゆらぎによって、基板電流がゆらぐ可能性を検討した。その結果、素子サイズの極微細化に伴って、ゲート直下のチャネル電子数が大幅に減少し、デカナノ領域の素子構造においてドレイン電流ゆらぎが電流平均値の30%以上にも及ぶことを見い出した。3従来型デバイス・シミュレータにおいて仮定される基板内不純物の連続的に分布したジェリウム・モデルの見直しを行った。即ち、素子サイズの微細化に伴い、不純物の離散性が基板電流も含めた素子特性のゆらぎに影響を及ぼし得ることから、基板内の離散不純物分布を考慮した新たなルーチンを作成し、デバイス・シミュレータに導入した。これらは、酸化膜への電子注入確率のゆらぎにつながり、素子劣化の不確定性に大きな影響を及ぼし得ると考えられる。昨年度にその可能性を見い出した基板内不純物の離散的なばらつきに伴った電流ゆらぎについて、3次元デバイス・シミュレータを用いてさらに詳細な検討を行った。また、本年度は研究期間の最終年度にあたることから、これまでの研究成果を纏めるための研究成果報告書の作成を進めた。具体的な検討内容と成果は、以下のようにまとめられる。1.デバイス・シミュレータの3次元化をSi-MOSFET構造のもとで行ったうえで、不純物の離散性を考慮するための標準的モデルである′atomistic′不純物モデルを導入した。そして、物理的観点からこのモデルの正当性を検討した。その結果、′atomistic′不純物モデルを用いた場合は、MOSFETのしきい値領域でのサブスレショルド電流が物理的に不自然にシフトすることを見い出した。これは、ドリフト拡散シミュレータに想定されている静電ポテンシャルと、′atomistic′不純物モデルが作るクーロン・ポテンシャルとが物理的に整合が取れていないためであることを見い出した。2.′atomistic′不純物モデルの上述の物理的問題点を克服する3次元シミュレーションのための新しい離散不純物モデルを構築した。そして、この新しい不純物モデルの正当性を明確にするために、不純物の不均一性(ばらつき)が無視できるような比較的大きいデバイス構造で、これまでの2次元デバイス・シミュレーションによる結果が再現されることを確認した。さらに、デバイス・サイズの微細化に伴って、サブスレショルド特性にばらつきが生じることを検証した。3.これまでの過去3年間の研究成果をまとた総合研究成果報告書の作成を進めた。
再生塩化ビニルの疎水性表面を利用する化学的分離材の開発とその応用

廃棄された農業用塩化ビニルからの再生塩化ビニル粉砕物(グラッシュ)の疎水性に着目し、有機物の吸着分離材としての可能性について検討した。溶質としてフェノールおよびその類縁体、さらに他の芳香族化合物を含む水溶液を用いて、再生塩化ビニルに対する分配挙動について検討した結果溶質の疎水性が大きくなるほど分配定数が大きくなる知見が得られた。種々検討の結果、再生塩化ビニル中への芳香族化合物の分配においては、可塑剤の役割が大きいことが判明した。可塑剤に比較して、PVC樹脂への吸着は疎水性が大きいほど大きくなるが、可塑剤に比べると分配量は小さい。再生塩化ビニルに液状陰イオン交換体である塩化トリオクリチルメチルアンモニウム(TOMAC)をTHF水溶液から担持させた。担持させたTOMACの水への溶出挙動について、ピクリン酸を用いるイオン対抽出法により測定した結果、水への溶解度は無視できない程大きいことが判明した。しかし、塩酸や電解質を添加することによって水溶液への溶解度は大幅に減少することが分かった。TOMAC担持の再生PVC樹脂を用いて、1M-HCl溶液から金、白金、パラジウムの各貴金属イオンの分配挙動について検討を行った。分配速度は金(III)>白金(IV)>パラジウム(II)の順に小さくなった。他に鉄(III)、銅(II)、亜鉛(II)の分配についても検討したが、これは貴金属イオンに比べて分配速度が小さく、亜鉛(II)>銅(II)>鉄(III)の順になる。鉄(III)は殆ど樹脂に分配されない。分配された貴金属イオンの溶離実験についてチオ尿素を溶離剤として試みたが、金(III)イオンの溶離が最も良く80%程度回収できた。これに対し、白金(IV)イオンはわずかに10%程度しか回収できなかった。この方法は金(III)イオンに対して選択的である。研究計画に基づき実験を進め、次の結果を得た。(1)再生塩ビの有機物吸着剤としての応用宮崎県産廃再生共同組合から入手した再生塩化ビニル(再生塩ビ)を用いて、有機溶媒の吸着について検討した。一般に研究室で広く用いられるジクロロメチレン、クロロホルム、ジクロロエタンについて検討した。実験は、これらの溶媒の飽和水に再生塩ビを加え、その含量をガスクロで分析を行った。その結果、クロロホルムは顕著な吸着は認められなかったが、ジクロロメチレンとジクロロエタンは共に良く吸着される結果を得た。中でもジクロロエタンの吸着されやすさは、他の溶媒に比べて大きい事が判明した。現在この吸着性の違いについての検討、およびこの現象を利用した実験排水などの処理法への応用について検討を進めている。(2)再生塩ビを母材とするイオン交換体の調整と安定性についての評価再生塩ビに陰イオン交換体であるカプリコートを担持方法について検討した。その結果、カプリコートを20%になるように50%THF/水混合溶媒に溶かし、再生塩ビをこれに加えて30分攪拌後乾燥することで担持させることが可能である。吸着されたカプリコート量を塩ビと硝酸カリウム溶液とを混合し、イオン交換されて溶出してきた塩化物イオンを銀滴定法で定量した。その結果、吸着されるカプリコート物質量は、2×10^<-4>モル程度であることが分かった。しかし、次に塩化ナトリウム溶液と混合してカプリコートを塩化物イオン型として、再び定量すると塩化物イオン量は半減した。即ち吸着されたカプリコートは水に溶解することが判明した。

その後の溶解量は少ない。現在、カプリコートの溶解量は、水に溶けている溶質の種類によって大きく異なる知見を得ていることから、カプリコートの溶解を抑える手法を検討中である。研究計画に基づき実験を進め、次の結果を得た。1.再生塩化ビニルを母材とするイオン交換体の調整と安定性についての評価前年度に再生塩化ビニルに陰イオン交換体であるカプリコートを担持させたところ、カプリコートの水への溶解度が大きい(10^<-3>モル濃度オーダー)という問題点があることが分かったため、その解決法について検討した。その結果、水に塩類を溶解させた場合、10^<-5>モル濃度オーダーまでカプリコートの溶け出しを抑えることができることが判明した。抑制力は、塩の種類と濃度に依存する。種類では、NaClO_4>KNO_3>NaClの順に抑制力は低下し、また塩の濃度が高いほど溶解度は小さくなる効果が見られた。この抑制効果の理由として、陰イオン交換体のカプリコートが対イオンの種類によって水に対する溶解度が異なることと共存させる塩による塩析効果が考えられる。2.再生塩化ビニルに担持させた陰イオン交換体を用いる金属イオンの捕捉についてカプリコートを担持した塩ビを用いて、塩酸溶液からのパラジウム(II)イオンあるいは金(III)イオンのイオン交換実験を行った。その結果、担持させるカプリコート量を3%以上としたPVC,1gを、100ppmの金溶液50mlに投入・攪拌して金濃度の分析を行ったところ1時間以内にイオン交換された。これに対し、パラジウムイオン溶液ではイオン交換速度は遅く90%の交換に要する時間は10時間ほどであることが判明した。この交換速度の違いは、イオン交換される金属の陰イオン錯体の違いによるものと考えられる。このような交換速度の違いは金属の分離の観点からは利用価値が高い。溶け出すカプリコートについても同時に分析を行っているが、1で述べた塩効果により、20時間攪拌しても10^<-5>モル濃度オーダーに押さえられている。今後金の濃縮への本法の応用を念頭に研究を進める予定である。1.再生塩化ビニルに担持させた陰イオン交換体を用いる金属イオンの吸着実験カプリコートを質量比で3%担持させた塩化ビニルを用いて、1モル濃度塩酸溶液からの金(III)、白金(IV)、パラジウム(II)の貴金属イオンに加えて銅(II)、亜鉛(II)、鉄(m)イオンの吸着挙動について、各100ppm溶液を用いて検討を行った。その結果、吸着速度は金(III)>白金(IV)>パラジウム(II)>亜鉛(II)>鉄(III)>銅(II)イオンの順に小さくなることが判明した。金(III)1時間以内に完全吸着されるのに対し、銅(II)イオンは全く吸着されない。2.吸着された金属イオンの回収実験吸着された金属イオンを回収するため、0.1モルのチオ尿素溶液をストリッピング剤として実験を行った。その結果、回収速度は金>パラジウム>白金イオンの順となる結果が得られた。回収液添加後20時間における回収率は、金80%、パラジウム40%、白金10%であった。吸着速度を考え合わせると、本法は金イオンに対して選択性が高いと判断されるので、今後迅速で完全な回収条件を探る。
湿式析出法によるリチウムイオン二次電池用新規合金負極

平成16年度までの研究で高容量リチウムイオン二次電池用Ni_<38>-Sn_<62>合金負極について電極のNi_3Sn_4相とLiの固相内反応が優れた可逆性を示し、現行の負極材料よりも高いエネルギー密度につながっていることを明らかにした。本年度は、本電極の長期充放電サイクル特性の評価戛およびそれに伴う電極物性の変化に焦点をあてた。検討の結果、電析Sn_<62>Ni_<38>合金薄膜は500mAh/gの高容量を保持しつつ150以上のサイクルを達成する良好な負極特性を示すことを明らかとした。長期充放電による電極の結晶構造の変化については、Liと合金薄膜との反応が繰り返されるに伴い、その結晶の周期性が乱れていくことが示唆された。特に、充放電を重ねることにより、未反応の低結晶性LiSn合金相が放電後に確認されるようになることを明らかとした。表面形態変化の観察からは、昨年度までの研究成果で示された初期の多孔質状態が50サイクル以上充放電を重ねることによりふさがる様子が確認された。上記のような構造・形状の変化にも関わらず良好な長期充放電特性が保たれた要因の一つとして、電極内のLi拡散係数に注目した。初期3サイクル目までは大きな拡散係数の変化はなく、約6.43x10-^<10>cm^2s^<-1>であることが示唆された。10サイクルを経た後もその値の増加は8.04x10^<-10>cm^2S^<-1>にとどまり、固体内のLiの良好な拡散性が保持されることを明らかとした。また、電極の焼成効果の検討より、Liの拡散経路としてその粒界が関与している可能性も明らかとした。Sn系の合金負極材料の長期使用を視野に入れて行った上記研究は体積変化を伴うSn系負極材料の設計指針を示唆するものとして非常に有用であると考えられる。次世代リチウムイオン二次電池の負極材料として期待されるSnに着目し、その欠点である充放電時の大きな体積膨張・収縮による電極破壊に対し、リチウムと合金化しない金属であるNiとの複合を検討した。まず電池を形成する上で有利となる、集電体上への直接成膜が可能である電解析出法にてSnNi合金薄膜の形成を行った。各種組成のNiSn合金を銅箔上に析出し構造評価を行った。その結果Sn62Ni38組成のもののみにおいてNi3Sn4相に帰属されるXRDピークが観測された。またリチウムイオンの電気化学的挿入脱離を検討したところ、Sn62Ni38組成のもの以外は従来のリチウムイオン二次電池負極材料である炭素材料の理論容量値372mAh/gよりも低い値となったが、Sn62Ni38組成のものは100サイクル以上500mAh/gを超える可逆容量を示した。このことから、本Sn62Ni38膜はリチウムイオン二次電池負極として期待できるものであることが示された。またそのサイクルに伴う電極形状の変化挙動を追跡したところ、大きな変化を示すことが明らかとなった。現在その微細構造の変化挙動を検討しており、本Sn62Ni38膜が優れた負極特性を示す要因を明らかにするべく検討している。

また、電池電解質について、高分子ゲル電解質に関する検討をすすめており、相互連続性を有するミクロ相分離構造からなるゲルホストマトリックスを開発している。導入的検討としてポリオキシエチレン(PEO)とポリスチレンのポリマーコンポジットを形成し、そのPEO相を可塑剤にてゲル化することでリチウム電池電解質として利用可能であることを示した。前年度までに見出した、高容量リチウムイオン二次電池用Ni38-Sn62合金負極について、電気化学的なリチウムとの合金化・脱合金化反応時に伴う構造変化について詳細に検討した結果、リチウムの挿入にともないNi3Sn4合金相の結晶規則性が失われ、Li-Sn合金相が現われることが示唆された。続くLiの脱離の過程ではLi-Sn合金相の低減、およびNi3Sn4合金相の結晶性が復元されることが確認された。これよりLiとNi-Sn合金が可逆的に反応しそれがこの薄膜の高容量につながっていることが示唆された。この知見は今後の負極材料設計の一つの指針を示すものとして非常に有用であると考えられる。さらに充放電状態が異なる負極のマイクロED(微小部電子線回折)の観察を行った。得られた電子線回折パターンより、充放電前には合金薄膜の高い結晶性が確認され、膜中の原子の並びが高い規則性を有していることが示唆された。しかしながら、薄膜へのリチウムの挿入脱離を繰り返すことにより、原子配列の規則性が少しずつ損なわれ、三サイクル目ではすでに薄膜中の微結晶はex-situ XRD解析では確認できなかったナノオーダーでアモルファス化が進行し始めていることが示唆された。相分離状態を視覚的に明らかにすることはできなかったが、上記の検討よりNi-Sn合金とリチウムとの合金化により生成すると考えられるNiリッチ相とLi-Snリッチ相が明確に分離している状態ではない可能性が示唆された。またNi-Sn合金薄膜の熱処理により負極の劣化が抑制されることが示唆された。これは熱処理により合金薄膜とCu基板(集電体)の間で原子の相互拡散が起こり、密着性を向上させたためだと考えられる。平成16年度までの研究で高容量リチウムイオン二次電池用Ni38-Sn62合金負極について電極のNi3Sn4相とLiの固相内反応が優れた可逆性を示し、現行の負極材料よりも高いエネルギー密度につながっていることを明らかにした。本年度は、本電極の長期充放電サイクル特性の評価、およびそれに伴う電極物性の変化に焦点をあてた。検討の結果、電析Sn62Ni38合金薄膜は500mAh/gの高容量を保持しつつ150以上のサイクルを達成する良好な負極特性を示すことを明らかとした。長期充放電による電極の結晶構造の変化については、Liと合金薄膜との反応が繰り返されるに伴い、その結晶の周期性が乱れていくことが示唆された。特に、充放電を重ねることにより、未反応の低結晶性LiSn合金相が放電後に確認されるようになることを明らかとした。表面形態変化の観察からは、昨年度までの研究成果で示された初期の多孔質状態が50サイクル以上充放電を重ねることによりふさがる様子が確認された。上記のような構造・形状の変化にも関わらず良好な長期充放電特性が保たれた要因の一つとして、電極内のLi拡散係数に注目した。初期3サイクル目までは大きな拡散係数の変化はなく、約6.43x10-10cm2s-1であることが示唆された。10サイクルを経た後もその値の増加は8.04x10-10cm2s-1にとどまり、固体内のLiの良好な拡散性が保持されることを明らかとした。また、電極の焼成効果の検討より、Liの拡散経路としてその粒界が関与している可能性も明らかとした。
渦度を含む流れの解明とその計算法の開発

1988年6月米国のWilliamsburgにおいて第11回流体力学における数値的方法に関する国際会議が開催され、また9月5ー8日には岡山において流体解析における数値的方法に関する国際会議、同じく8ー16日にはソ連邦のハバロフスクにおいて日ソ数値流体力学会議が開かれた。大島はこれらの会議において、特別講演または招待講演として、日本の数値流体力学研究の状況を報告し、この重点領域研究"数値流体力学"の研究成果にふれた。特にこの研究班の研究目的である渦度を含む流れについては、非圧縮性流れにおける渦度のソレノイダル性に起因する2次元流と3次元流の相違、粘性流における循環の非保存の結果としてのみ起こる3次元渦管の繋ぎ替えについて、基礎方程式論の立場から論じた。また、流れ場の中央部に集中したサポートを持つ渦度を含む流れ場の、離散渦法による3次元渦管の干渉の計算、ナビエ・ストークス方程式の差分法による直接解法および3次元渦輪の干渉の精細な測定、などから得た渦度の立体的映像はこの現象の理解を大いに深めた。物体境界を含む流れについては、林・麻生が主として離散渦法による計算を行なう際の剥離渦の決定法について精密な理論を組み立てた。日本航空宇宙学会における総合講演および会誌に掲載された総合解説によって、彼らの提案は学界の広い支持を得た。またこの研究においては昨年度本科学研究費に依って設備された画像処理装置が有効に利用された。本間は、本年度重点的に配分された本研究費によって多重並列処理装置を備えたスーパーコンピュータ・システムの整備に努力した。藤原は化学的変化を伴う渦度を含む流れの数値解析法の確立に努め、多くの成果を挙げた。なおこれらの成果はそれぞれの研究者によって、昨年末の第2回数値流体力学会議でも報告されている。また11月の宇宙航行の力学シンポジウムの際に本研究班の報告を行い、そのProceedingsも出版されている。
一粒子レベルでのリポ蛋白質酸化状態解析

一粒子レベルでLDLの酸化による物性の変化を原子間力顕微鏡で評価する方法について検討した。LDLは酸化の進行に従い表面電位が低下することが判明した。表面電位の分布は酸化前のほうが酸化後より広がっていることが判明した。また、酸化によりLDL粒子は柔らかくなることも判明した。酸化前では粒子の硬さにばらつきがあり、酸化前でも柔らかい粒子がすでに存在することが示唆された。柔らかい粒子を多く含む試料が血小板を凝集させることも判明しており、柔らかいLDL粒子と心疾患などとの関連性が考えられる。LDLの硬さの分布を調べることにより健康状態を評価することができる可能性がある。今年度は3つの項目を実施した。1)基板上に高密度に固定化されたLDL粒子の集合体の表面電位をケルビンにより測定した。2)溶液中でLDLおよび酸化LDLの形状と硬さの変化について検討を行った。3)酸化されたLDLより生成する小さい分子の塊(パーティクル)が赤血球の形状に与える影響について検討した。LDLの酸化を評価するときに用いられるTBARS量と表面電位変化を比較した。TBARS値が酸化前の3μMから約4μMに増加した状態(酸化初期)では電位は酸化前と比較すると大きく減少した。更に酸化が進みTBARSが10μM以上になっても、電位はわずかの低下のみが観察された。ニンヒドリンでアミノ基の含量を測定したところ、酸化初期でほとんどなくなっていることから、表面電位の低下はLDLに含まれるApoB100のリジン側鎖などが修飾されたことによるものである可能性が示唆された。mica表面をAPTESで修飾した基板にLDLを固定化して硫酸銅を酸化剤として添加後、37°Cで酸化をおこなったときの粒子の形状の変化と硬さの測定を溶液中でおこなった。酸化前は幅約30nm高さ12から15nm程度の粒子が複数観察されていたが、酸化時間の増加ととともに高さが減少してつぶれていく傾向が観察された。また、数は少ないが粒子径が200nm以上の大きい粒子が基板上で形成された。これら粒子はLDLに比較すると10倍程度やわらかいことがフォースカーブ測定から示唆された。酸化により異なる粒子径のものがLDLから生成することがわかったので、限外フィルターとイオン交換カラムで酸化LDLをサイズと荷電状態で分離した。赤血球に分離分画した酸化LDLを添加したところ形状が変化を起こし、溶血をおこした。LDLまたは硫酸銅を添加しても赤血球の溶血がおきないことより酸化LDL由来の物質が原因であることがわかった。LDLまたは酸化LDLを金膜上に吸着させて、洗浄、乾燥後、その吸着跡の表面電位を測定した。LDLの酸化の進行に従い、表面電位が低下することが判明した。吸着跡の体積を考慮すると、乾燥時にLDLが崩壊していると考えられ、個々の粒子の表面電位を評価することは難しいと判断した。そこで、LDL粒子の硬さの変化について検討した。micaをシランカ剤で修飾した基板にLDLを固定化する方法を試みたが、シランカ剤の会合体が形成されることがあり、LDLとの区別が困難となった。そこで、mica上にエピタキシャル成長させた金薄膜を作製し、LDLおよび酸化LDLを固定化後、溶液中で、一粒子レベルで硬さの評価を行った。LDLの弾性率を解析したところ、0.8から2 MPaの範囲であった。硫酸銅による酸化1時間後では0.8から2 MPaの範囲の粒子は減少して0.5Mpa以下のものが多く観察された。酸化後3時間のものは70%以上の粒子で0.5Mpa以下となり、酸化が進行するに従いLDLの粒子が柔らかくなった。また、AFMのトポ像では酸化LDLでは大きさの異なる粒子が観察された。そこで、ゲル濾過カラムにより酸化LDLに含まれる粒子サイズについて検討し、LDLより小さい分子群、ほぼ同じサイズの粒子群、大きい粒子群の3つの分画を得た。LDLとほぼ同サイズの粒子は硬さ分布に広がりがあり、LDLより大きい粒子群は柔らかいことが判明した。酸化によりLDLが柔らかくなる原因として、LDLに含まれるアポタンパク質の分解の可能性が考えられるが詳細については今後の課題となる。LDLの酸化状態は粒子により異なっていることが示唆され、酸化進行度合いが均一でないと考えられる。非アルコール性肝炎(NASH)や冠動脈疾患状態のLDLの硬さの分布が変化している可能性が考えられ,病態の予測などの状態の評価に結び付く可能性があると考えられる。LDLは健常者の血清から超遠心法により得た。酸化LDLは硫酸銅を添加して37°Cで数時間反応させることにより得た。保存の目的でLDLに対して抗酸化物質を添加したLDLの試料も作製した。

LDLの基板への固定化方法の検討を行った。金コート水晶振動子にアミノデカンチオール(NH)、メルカプトデカノイック酸(COOH)、メルカプトデカノール(OH)の3種類の自己組織化膜を作製してLDL及び酸化LDLの吸着をQCMで測定した。その結果、NH<<COOH<OH膜の順にLDL、酸化LDLともに吸着することがわかった。また、酸化LDLのほうがLDLより吸着量が多いことがわかった。LDLがカルボン酸など負イオン以外に、水酸基を含む膜に吸着することも判明した。LDLを修飾金電極基板に固定化した後に、酸化するどうかについて電気化学測定器を用いて検討を行った。硫酸銅濃度、酸化時間に依存して正方向への電位が変化する結果が得られた。LDLを溶液中で酸化した結果と差は観察されず、基板への固定化によりLDLの酸化の受けやすさが大きくすることはないことが示された。LDLの単純化したモデルとして複数の脂質から形成されるリポソームを作製した。粒子サイズの異なるリポソームを作製した。金蒸着したマイカ基板上にOH膜を作製してLDLまたはリポソームを固定化した。洗浄後、基板を乾燥して大気中、AFMで形状測定した。文献値としてLDLの平均直径は20 nmであることが知られているが、平均50nm程度の直径の粒子として観察され高さは2 nm程度の高さになっていることがわかった。同時にケルビン測定で固定化された個々の粒子の電位を測定した。酸化LDLはLDLよりも正に帯電している傾向が観察された。LDLの粒子径、電位ともにほぼ正規分布するのに対して、酸化LDLの場合、粒子径、電位ともにバラつきが大きいことが判明した。1).1粒子レベルでの電位測定の再現性と粒子形状と電位の統計解析2)溶液中での一粒子レベルでの電位および酸化還元電流測定3,4)個々のLDLカイロミクロン、VLDL粒子のリアルタイム酸化プロセス観察と剛性測定5).マクロファージ泡沫化、血小板凝集させる、リポ蛋白質の物理的性質を決定する。を実施予定であった。1)については実験はほぼ終了しており、解析が進み、学会発表済で論文準備中である。2)溶液中での一粒子レベルでの電位および酸化還元電流測定は溶液と探針間の影響が大きく、測定が遅れている。最終年度に優先して測定したい。3,4)LDL以外のリポ蛋白質、IDL,VLDLを基板に固定化して形状観察をした。IDL,VLDLは予想される形状のものが観察できず固定時に構造が壊れやすいことが示唆された。これらは非常に軟らかい構造であることを示唆していると考えられる。5)血小板の採取に問題があり、凝集が開始してしまうことがあったが、血小板の採血時にクエン酸を入れておくことで解決した。24年度は、赤血球を用いて酸化LDLの影響について検討した。LDLの酸化に伴い赤血球を溶血される作用が観察された。溶血させる酸化LDLは分子量3000以下の分子を多く含んでいることがフィルターによる分画により示唆された。これらの分子は280nmに吸収を持ちことよりペプチドなどが含まれている可能性がある。これらの分子の血小板の凝集についても検討中である。
コンクリート構造物の信頼性評価に関する研究

構造帯コンクリート強度の部位的変動の実態,およびこれら強度変動が鉄筋コンクリート構造の力学挙動に及ぼす影響の解明を目的として一連の検討を行った.それらの結果は,およそ次のように要約できる.1.構造体コンクリート強度の部位的変動(1)構造体に打設されたコンクリートの水セメント比および単位粗骨材量の部位的変動は,コンクリート工事における施工手順の適正化により,部材最上層部を除き,かなり低減することができる.(2)実構造体に打設されたコンクリートの水セメント比は,打込み高さ190cm程度までの範囲では部材位置にかかわらずほぼ一定である.しかしコンクリートの圧縮強度は,この範囲でも圧密に伴う密実さの変動の影響によって部材下部から上部に向かって,ほぼ直線的に低下する.(3)一般的形状・寸法のコンクリート柱材の場合,圧縮強度の打込み高さ方向の変動の様子は3本の折れ線式で近似することができる.この場合,柱材上下端の強度差は約26%であった.2.鉄筋コンクリート構造物の力学的挙動(1)コンクリート強度が構造部材内部で一様な場合と変動する場合とでは,骨組の崩壊過程,ならびに塑性化時の作用水平せん断力の大きさが異なる.ただし,水平せん断力と層間変異関係に及ぼすコンクリート強度の部位的変動の影響は,大変形領域において若干認められる程度である.(2)荷重による柱頭および柱脚の曲げモーメントの大きさが比較的近い柱材では,コンクリート強度の部位的変動のために柱上下端の塑性化順序が逆転する場合がある.(3)RC柱の地震応答特性は,コンクリート強度の部位的変動よりもむしろ主筋の付着特性に著しく影響される.構造帯コンクリート強度の部位的変動の実態,およびこれら強度変動が鉄筋コンクリート構造の力学挙動に及ぼす影響の解明を目的として一連の検討を行った.それらの結果は,およそ次のように要約できる.1.構造体コンクリート強度の部位的変動(1)構造体に打設されたコンクリートの水セメント比および単位粗骨材量の部位的変動は,コンクリート工事における施工手順の適正化により,部材最上層部を除き,かなり低減することができる.(2)実構造体に打設されたコンクリートの水セメント比は,打込み高さ190cm程度までの範囲では部材位置にかかわらずほぼ一定である.しかしコンクリートの圧縮強度は,この範囲でも圧密に伴う密実さの変動の影響によって部材下部から上部に向かって,ほぼ直線的に低下する.(3)一般的形状・寸法のコンクリート柱材の場合,圧縮強度の打込み高さ方向の変動の様子は3本の折れ線式で近似することができる.この場合,柱材上下端の強度差は約26%であった.2.鉄筋コンクリート構造物の力学的挙動(1)コンクリート強度が構造部材内部で一様な場合と変動する場合とでは,骨組の崩壊過程,ならびに塑性化時の作用水平せん断力の大きさが異なる.ただし,水平せん断力と層間変異関係に及ぼすコンクリート強度の部位的変動の影響は,大変形領域において若干認められる程度である.(2)荷重による柱頭および柱脚の曲げモーメントの大きさが比較的近い柱材では,コンクリート強度の部位的変動のために柱上下端の塑性化順序が逆転する場合がある.(3)RC柱の地震応答特性は,コンクリート強度の部位的変動よりもむしろ主筋の付着特性に著しく影響される.本年度は、構造体コンクリートの打込み高さ方向の非均質性、すなわち部位的特性を有する非均質性に関する実態調査と、鉄筋コンクリート構造部材の動的力学特性に及ぼす構成素材の各種力学特性の影響について、一連の検討を行った。それらの結果は、およそ次のように要約できる。1.構造体コンクリートの部位的非均質性に関する実態調査(1)実大コンクリート柱試験体についての調査結果:打設されたコンクリートの水セメント比は、ブリージングのため部材上部の方が下部よりも大きくなり、またコンクリート中の単位粗骨材量は、上部の方が下部よりも小さくなるが、コンクリートの打設手順の適正化により、柱最上層部を除き、コンクリートの部位的非均質性を比較的小さくすることができる。(2)構造体コンクリートの水和発熱温度:コンクリート打設後約24時間で最高温度に達する。その時点での最高温度は、柱部材の中層中央部が最も高く、下層側面近傍が最も低い値を示す。2.鉄筋コンクリート構造部材の動的特性に関する解析的検討(1)コンクリートの構成モデルの検討:Bazantらによる既提案のエンドクロニック理論のうち、1976年および1978年に提案されたモデルを用いた場合の解析結果は、全体的によく一致するが、1980年に提案されたモデルを用いた場合には、部材降伏後の段階で、繰返し載荷回数の増加に伴う除荷時および再載荷時の鉄筋コンクリート部材の剛性低下が他のモデルを用いた場合に比べて若干著しくなる。(2)鉄筋コンクリート柱の地震応答特性:地震応答特性は、コンクリートの部位的非均質性よりもむしろ主筋の付着特性に著しく影響される。一般に、部材内部で主筋の付着すべりが生じると、部材内の破壊が特定位置に集中し、変位応答が特定方向に偏る傾向を示す。
腸管出血性大腸菌における志賀毒素耐性機構の解明

腸管出血性大腸菌O157の主要な病原因子である志賀毒素(Stx)は、真核生物の28SリボゾームRNAを切断し、タンパク質合成を阻害する。他方、Stxは大腸菌に対しても毒性を示し、大腸菌K-12株でStxを発現させると増殖が著しく阻害される。申請者は、O157がStxに対して抵抗性を示すことに着目し、O157のゲノムライブラリー中にK-12へのStx毒性を抑制するクローンを見いだし、それらがO157ゲノム上の3つの域に存在することを明らかにした。前年度までに、O157の志賀毒素(Stx1)耐性に関わるゲノム領域をO157のフォスミドゲノムライブラリー解析により3カ所同定している。また、フォスミドライブラリーのインサートサイズは約40 kbであるが、各領域について複数のフォスミドクローンが共通にカバーしている領域を調べたところ、領域1は5遺伝子、領域2は7遺伝子、領域3は4遺伝子にまで絞ることができた。本年度では、まず、各遺伝子を個別にクローニングし、志賀毒素耐性に関わる遺伝子の特定を試みた。Stx1発現系にpTB101 (high copy vector)を使用し、志賀毒素耐性化の候補遺伝子はpBAD33(low copy vector)でクローニングした。Stx1発現系と各候補遺伝子発現系を同時に導入したK-12形質転換体を作成し、IPTGの添加によるStx1高発現で、生育阻害が生じない株の選択を行ったが、有意に生育阻害が回復した株は得られなかった。インサートを導入していないpTB101ベクターのみでも、IPTG添加でK-12の生育阻害が生じていることが発覚したため、Stx1発現系をpCL1920(low copy vector)へ変更したが、このベクターでもIPTG添加でK-12の生育阻害を阻害し、志賀毒素耐性化の原因遺伝子の特定に至らなかった。今後は、K-12の生育を阻害しないStx1発現系(染色体組み込み型の発現系など)を構築すること、志賀毒素耐性化に複数の遺伝子が関わっている可能性を考慮して同時に複数遺伝子を発現する系を構築すること、非コード領域が耐性化に関わる可能性を検証することなどを行う予定である。腸管出血性大腸菌O157(以後、O157)の主要な病原因子は志賀毒素(Stx1とStx2)である。志賀毒素はN-グリコシダーゼ活性により真核生物の28SリボゾームRNAを切断し、タンパク質合成を阻害する。他方、志賀毒素は大腸菌実験室株に対しても毒性を示し、増殖を抑制する。申請者は、O157では、志賀毒素を過剰発現させても細胞増殖にはほとんど影響しないこと、O157のゲノムライブラリー中に大腸菌実験室株(K-12)への志賀毒素の毒性を抑制するクローンが存在することを見いだした。本研究課題では、O157が有する志賀毒素耐性機構を解明することを目的とする。O157のゲノムライブラリー中に見いだしたK-12へのStx1の毒性を抑制するフォスミドクローンについて、DNAを精製し、インサート両端のシーケンシングを行い、クローニングされているO157ゲノム領域の特定を行った。その結果、主に3つの領域がクローニングされていることが明らかとなった。領域1は12クローン、領域2は10クローン、領域3は7クローン存在した。残りの7クローンは、別々のゲノム領域がクローニングされていた。まずは、複数のフォスミドにクローニングされていた3領域について、詳細な解析を行うことにした。各領域について、複数のクローンが共通にカバーしている領域を調べたところ、領域1は5遺伝子、領域2は7遺伝子、領域3は4遺伝子が共通に含まれている遺伝子として同定できた。現在、志賀毒素耐性に関わる遺伝子を特定するため、これらの遺伝子をそれぞれ個別に発現ベクターへクローニングしているところである。志賀毒素耐性化に関わる領域が複数箇所存在することを想定していなかったため、当初の計画よりも若干遅れているが、それほど大きな問題は生じていないため、次年度は予定通りに計画を遂行できると思われる。志賀毒素耐性化に関わる遺伝子を特定し、機能解析を行うと共に、志賀毒素耐性化のメカニズムを解明する。また、他の病原性大腸菌や常在性大腸菌への保存性を明らかにする。今年度は、志賀毒素耐性遺伝子の特定が完了しなかったため、その実験に必要なクローニングや相補実験などの分子生物学的実験に必要な試薬を次年度に使用する。また、次年度では、志賀毒素耐性化に関わる遺伝子の機能解析を行うために、クローニングなどの分子生物学的実験に使用する試薬のほか、蛋白質精製や相互作用の解析など生化学的な実験に必要な試薬や器機類を使用する。また、他の菌株への分布を調査するために、菌株の分離同定、及びPCRやシーケンシングに必要な試薬を使用する予定である。