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ポジトロニウムとのスピン相関に基づく新手法による水中のOHラジカルに関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 20K12501
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分80040:量子ビーム科学関連
研究機関国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

研究代表者

平出 哲也  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主幹 (10343899)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
キーワード水 / OHラジカル / 水クラスター / スピン相関 / スピン交換反応 / ポジトロニウム / ヒドロキシルラジカル
研究開始時の研究の概要

水に入射した陽電子(電子の反物質)は水分子の中の電子と結合してポジトロニウム(Ps)を形成する.一方,水分子は電子が1つ欠けており,直ちにOHラジカルが形成される.結果,Ps中とOHラジカル中の電子は同じ軌道内にいた記憶が残り,PsによるOHラジカルの検出で,遠方のOHラジカルと区別できる.この機構を使ってOHラジカルの拡散を知らべると,水の塊の存在によって,OHラジカルの長距離拡散が阻害されることがわかった.生物の体液は塩分を含んでおり,その結果水分子は塊となっている.そこで,生物の体液を模擬した試料中においてDNAなどの損傷の原因となるOHラジカルの長距離拡散が阻害されるのか検証する.

研究実績の概要

令和2年度に計数率の向上を行った、陽電子消滅寿命-運動量相関(AMOC)測定装置を用いて、大気に解放された純水の測定を行ってきた。生体中の水をターゲットとしているため、大気中のガスが溶け込んだ状態での測定を行う必要があると考えている。10℃以下ではOHラジカルの長距離拡散が抑制され、かご効果によりスピン相関のある電子が存在するOHラジカルと三重項ポジトロニウムとのスピン交換反応で一重項ポジトロニウムへの変化する確率の増大が明確に現れ、10℃で水クラスターの形成が起こることを示してきた。このかご効果の存在は、一重項ポジトロニウム収率を増大させるため、水クラスターの存在を示すことができる。現在、AMOC装置実験室に空調トラブルが発生し、AMOC実験は中断している。
これまでの実験で観測されているクラスター構造の出現には水中の二酸化炭素の影響が存在する可能性があると考え、pHの変化を測定することで、ある状態で10℃以上でクラスター構造が維持される可能性があることが明らかになってきた。
今年度はこのクラスター構造が消える温度域におけるガスの放出に着目し、圧力計や二酸化炭素センサーなどを導入して実験を行っている。二酸化炭素センサーを用い、二酸化炭素放出挙動を調べるための装置の構築を行い、測定を開始した。AMOCの測定結果と比較検討しながら実験を進めており、相関がある可能性が示されている。
系統的なデータを取得し、論文等、外部発表を積極的に行っていく。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

新型コロナウイルス感染症の感染拡大の影響を受け、当初計画していた調査などを実施できなかった。現状、実施可能な研究内容から対応している。研究に使用する一部装置の予期せぬトラブルが発生したこともあり、当初計画に対しては、やや遅れているという状況にある。その間、新しい実験装置を構築し、研究を遂行している。

今後の研究の推進方策

当初計画に対して遅れている会議参加や研究協力者の研究室を訪問して行う調査等を、新型コロナウイルス感染症の感染状況が収束後に実施する予定であったが、実現できなかった。それ以外で実施可能な研究内容から進めることとし、研究を進めてきた。トリプルコインシデンス測定であるため計数率が問題であったAMOC測定装置の高計数化を実現し、水の構造変化をOHラジカルの拡散から見出すことに成功し、OHラジカルの拡散だけでなく、水の液体構造に関しても研究対象を広げ、研究を実施している。AMOC実験装置のトラブルで、AMOC測定の実施は遅れているが、その間、液体構造の変化に起因する水からのガス脱離測定装置の構築を行い、実施してきた。また、現在は二酸化炭素濃度を二酸化炭素センサーを組み込んだ装置を開発し、測定を開始している。今後もこれら実験を継続して実施し、当初の予定通り、食塩水の測定も実施していく予定である。

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (8件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 図書 (1件)

  • [学会発表] o-Ps と OH ラジカルの反応にかご効果が現れる水について2023

    • 著者名/発表者名
      平出哲也
    • 学会等名
      第 66 回放射線化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Water cluster, ”nano-ice”, formation observed by AMOC2022

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Hirade
    • 学会等名
      19th International Conference on Positron Annihilation (ICPA-19)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 陽電子消滅を利用した水の液体構造研究の試み2022

    • 著者名/発表者名
      平出哲也
    • 学会等名
      第 65 回放射線化学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] AMOC measurement for OH radical study in water2021

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Hirade
    • 学会等名
      12.5th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 陽電子消滅寿命・運動量相関測定2021

    • 著者名/発表者名
      平出哲也
    • 学会等名
      第13 回陽電子科学研究交流会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 水溶液中におけるOH ラジカルとポジトロニウムの反応2021

    • 著者名/発表者名
      平出哲也
    • 学会等名
      第58 回アイソトープ・放射線研究発表会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 陽電子消滅を利用した水の放射線化学研究2021

    • 著者名/発表者名
      平出哲也
    • 学会等名
      第64 回放射線化学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [図書] 陽電子科学; 基礎から応用まで「陽電子消滅寿命・運動量相関測定」2021

    • 著者名/発表者名
      平出哲也
    • 総ページ数
      299
    • 出版者
      日本陽電子科学会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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