プラズマ生成フリーラジカル非平衡反応場の液相時空間解析

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04451
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 石川 健治 名古屋大学, 低温プラズマ科学研究センター, 教授 (60417384)
• 研究分担者: 田中 宏昌 名古屋大学, 低温プラズマ科学研究センター, 教授 (00508129) ; 古閑 一憲 九州大学, システム情報科学研究院, 教授 (90315127)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2024-03-31
• キーワード: プラズマ / 液相ラジカル

研究実績の概要

放電プラズマによる抗腫瘍作用などのプラズマと生体との相互作用に関する新奇現象においては，「プラズマの生体作用機構は何か」が最重要の学術的問いである．プラズマ中では高速電子が分子と衝突してフリーラジカルを生成する．このラジカルが起点となり，逐次連鎖反応により次々と別のラジカルが生じ，それらの作用で細胞内化学反応(代謝)に変動が生じていると考えられる．本研究は「プラズマ生成ラジカルが誘起する逐次連鎖反応はどのように進んでいるか?」に焦点を絞り，プラズマが溶液内に生成したラジカルを起点とする逐次連鎖反応で生じる複数の『プラズマ誘起活性種』の検出・解析することを始めている．液相ラジカルの反応は有機分子の合成・修飾・分解，Ⅰ）官能基の置換，Ⅱ）C3（炭素原子が三つの化合物）からC4， C5への付加，Ⅲ）C2，C1への分解，に大別される．これらの液相ラジカルの反応は，非熱的に連鎖してラジカル発生する特徴を有する．非平衡に進む化学反応が故に，反応その場で定量的に解析される計測科学が重要である．液相ラジカルの反応を，溶液内の物資の拡散や流れを考慮して，時間と空間を区分し，低温大気圧プラズマでは，10の15乗程度の高いプラズマ密度の環境で発生する有機分子について液相ラジカルの反応の理解を通して進められた．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ラジカルの検出手法を構築するため，電子スピン共鳴法による液相ラジカルの反応を解析する準備を行った．イメージング用のユニットを使って，静的な系でのラジカル空間分布を4mm×4mmの領域で調べ，溶液中の液相のラジカル反応系を解析を行った．

今後の研究の推進方策

今後，液相活性種の時空間分析について二次元ESR手法を活用して実施し，液相中ラジカルの挙動を解明していく．液相ラジカルが関与する素反応については，量子化学計算も活用し，分子内水素結合や遷移状態の解析を行う．スパコン利用（名大不老システム）により計算科学アプローチを加速して実施する計画としている．

研究成果

• [雑誌論文] Scaffolds with isolated carbon nanowalls promote osteogenic differentiation through Runt-related transcription factor 2 and osteocalcin gene expression of osteoblast-like cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Ichikawa Tomonori、Ishikawa Kenji、Tanaka Hiromasa、Shimizu Naohiro、Hori Masaru
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 12 ページ: 025216～025216
  • DOI: 10.1063/5.0075530
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hydrogen peroxide in lactate solutions irradiated by non-equilibrium atmospheric pressure plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Liu Yang、Ishikawa Kenji、Miron Camelia、Hashizume Hiroshi、Tanaka Hiromasa、Hori Masaru
  • 雑誌名: Plasma Sources Science and Technology 巻: 30 ページ: 04LT03～04LT03
  • DOI: 10.1088/1361-6595/abbbd4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Brain cell proliferation in adult rats after irradiation with nonequilibrium atmospheric pressure plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamato Masanori、Tamura Yasuhisa、Tanaka Hiromasa、Ishikawa Kenji、Ikehara Yuzuru、Hori Masaru、Kataoka Yosky
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 067002～067002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac03c1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lysosomal nitric oxide determines transition from autophagy to ferroptosis after exposure to plasma-activated Ringer's lactate (2021)
  • 著者名/発表者名: Jiang Li、Zheng Hao、Lyu Qinying、Hayashi Shotaro、Sato Kotaro、Sekido Yoshitaka、Nakamura Kae、Tanaka Hiromasa、Ishikawa Kenji、Kajiyama Hiroaki、Mizuno Masaaki、Hori Masaru、Toyokuni Shinya
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 43 ページ: 101989～101989
  • DOI: 10.1016/j.redox.2021.101989
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cancer Treatments Using Low-Temperature Plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Hiromasa、Mizuno Masaaki、Ishikawa Kenji、Toyokuni Shinya、Kajiyama Hiroaki、Kikkawa Fumitaka、Hori Masaru
  • 雑誌名: Current Medicinal Chemistry 巻: 28 ページ: 8549～8558
  • DOI: 10.2174/0929867328666210629121731
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of free radicals generated by atmospheric pressure plasma on physical actions and biochemical relaxations (PACR) (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川健治, 橋爪博司, カメリアミロン, 田中宏昌, 堀勝
  • 雑誌名: 放射線生物研究 巻: 56 ページ: 280-294
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low temperature plasma irradiation products of sodium lactate solution that induce cell death on U251SP glioblastoma cells were identified (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Hiromasa、Hosoi Yugo、Ishikawa Kenji、Yoshitake Jun、Shibata Takahiro、Uchida Koji、Hashizume Hiroshi、Mizuno Masaaki、Okazaki Yasumasa、Toyokuni Shinya、Nakamura Kae、Kajiyama Hiroaki、Kikkawa Fumitaka、Hori Masaru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 18488
  • DOI: 10.1038/s41598-021-98020-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Plasma‐activated Ringer's lactate solution inhibits the cellular respiratory system in HeLa cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Hiromasa、Maeda Shogo、Nakamura Kae、Hashizume Hiroshi、Ishikawa Kenji、Ito Mikako、Ohno Kinji、Mizuno Masaaki、Motooka Yashiro、Okazaki Yasumasa、Toyokuni Shinya、Kajiyama Hiroaki、Kikkawa Fumitaka、Hori Masaru
  • 雑誌名: Plasma Processes and Polymers 巻: 18 ページ: 2100056～2100056
  • DOI: 10.1002/ppap.202100056
  • 査読あり
• [雑誌論文] プラズマがん治療 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川健治, 堀勝
  • 雑誌名: 静電気学会 巻: 45 ページ: 206-212
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of ethanol production and cell growth in budding yeast by direct irradiation of low-temperature plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Hiromasa、Matsumura Shogo、Ishikawa Kenji、Hashizume Hiroshi、Ito Masafumi、Nakamura Kae、Kajiyama Hiroaki、Kikkawa Fumitaka、Ito Mikako、Ohno Kinji、Okazaki Yasumasa、Toyokuni Shinya、Mizuno Masaaki、Hori Masaru
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 ページ: SA1007～SA1007
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac2037
  • 査読あり
• [雑誌論文] Perspectives on functional nitrogen science and plasma-based in situ functionalization (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Kenji
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 ページ: SA0802～SA0802
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac3558
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Towards prevention and prediction of infectious diseases with virus sterilization using ultraviolet light and low-temperature plasma and bio-sensing devices for health and hygiene care (2021)
  • 著者名/発表者名: Kumagai Shinya、Nishigori Chikako、Takeuchi Tetsuya、Bruggeman Peter、Takashima Keisuke、Takahashi Hideki、Kaneko Toshiro、Choi Eun Ha、Nakazato Kazuo、Kambara Makoto、Ishikawa Kenji
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 ページ: SA0808～SA0808
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac1c3d
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional nitrogen science based on plasma processing: quantum devices, photocatalysts and activation of plant defense and immune systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Toshiro、Kato Hiromitsu、Yamada Hideaki、Yamamoto Muneaki、Yoshida Tomoko、Attri Pankaj、Koga Kazunori、Murakami Tomoyuki、Kuchitsu Kazuyuki、Ando Sugihiro、Nishikawa Yasuhiro、Tomita Kentaro、Ono Ryo、Ito Tsuyohito、Ito Atsushi M.、Eriguchi Koji、Nozaki Tomohiro、Tsutsumi Takayoshi、Ishikawa Kenji
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 ページ: SA0805～SA0805
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac25dc
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Cell Death Mechanisms by Plasma Activated Medium and Plasma Activated Ringer’s Lactate Solution (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaru Hori, Hiromasa Tanaka, Masaaki Mizuno, Kenji Ishikawa, Kae Nakamura, Hiroaki Kajiyama, Yasumasa Okazaki, Shinya Toyokuni, and Fumitaka Kikkawa
  • 学会等名: 8th International Conference on Plasma Medicine (ICPM8)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analysis of Cellular Respiration in Plasma-activated Solutions-treated Cancer Cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiromasa Tanaka, Shogo Maeda, Masaaki Mizuno, Kenji Ishikawa, Kae Nakamura, Hiroaki Kajiyama, Yasumasa Okazaki, Shinaya Toyokuni, M. Ito, K. Ohno, Fumitaka Kikkawa, and Masaru Hori
  • 学会等名: 8th International Conference on Plasma Medicine (ICPM8)
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamical Changes in Free-radical Signals of Seeds during Water Imbibition and Seed Germination: Analysis of Plasma-Irradiation Effects Using an Electron Spin Resonance (ESR) Technique (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Ishikawa, Ryo Arita, Takamasa Okumura, Pankaj Attri, Kazunori Koga, Ryoya Sato, Hayate Tanaka, Masaya Hiromatsu, Kayo Matsuo, Daisuke Yamashita, Kunihiro Kamataki, Naho Itagaki, Masaru Hori, and Masaharu Shiratani
  • 学会等名: 8th International Conference on Plasma Medicine (ICPM8)
  • 国際学会
• [学会発表] Efficacy for Rice Plant Growth with Plasma Irradiation to Seeds (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Hashizume, Hidemi Kitano, Hiroko Mizuno, Akiko Abe, Genki Yuasa, Satoe Tohno, Hiromasa Tanaka, Kenji Ishikawa, Shogo Matsumoto, Hitoshi Sakakibara, Susumu Nikawa, Masayoshi Maeshima, Masaaki Mizuno, and Masaru Hori
  • 学会等名: 8th International Conference on Plasma Medicine (ICPM8)
  • 国際学会
• [学会発表] High ionization of analytes for oxygen doped carbon nanowall in surface-assisted laser desorption ionization mass spectrometry (SALDI-MS) (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Ishikawa, Ryusei Sakai, Tomonori Ichikawa, Hiroki Kondo, Takayuki Ohta, Mineo Hiramatsu, and Masaru Hori
  • 学会等名: 20th Interfinish World Congress
  • 国際学会
• [学会発表] Development of new biodegradation technology by surface modification of polyethylene terephthalate using atmospheric pressure plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Daichi Goto, Naoyuki Iwata, Kenji Ishikawa, Hiroshi Hashizume, Hiromasa Tanaka, Masafumi Ito, and Masaru Hori
  • 学会等名: 20th Interfinish World Congress
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the nanocarbon coating process on metal surfaces via in-liquid plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Ma. Shanlene D.C. Dela Vega, Hiroki Kondo, Takayoshi Tsutsumi, Thi-Thuy-Nga Nguyen, Kenji Ishikawa, Makoto Sekine, and Masaru Hori
  • 学会等名: 20th Interfinish World Congress
  • 国際学会
• [学会発表] Nanosecond high-voltage pulse imposed chemical vapor deposition (ns HV CVD) of sparsely isolated carbon nanowalls (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomonori Ichikawa, Kenji Ishikawa, Naohiro Shimizu, and Masaru Hori
  • 学会等名: 20th Interfinish World Congress
  • 国際学会
• [学会発表] Deformation properties of carbon nanowalls analyzed by nanoindentation (2021)
  • 著者名/発表者名: Swapnil Ghodke, Motoyuki Murashima, Dennis Christy, Ngo Van Nong, Osamu Oda, Noritsugu Umehara, Kenji Ishikawa, and Masaru Hori
  • 学会等名: 20th Interfinish World Congress
  • 国際学会
• [学会発表] Low-temperature plasma-activated solutions and metabolic modification (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Ishkawa, Hiromasa Tanaka, Hiroaki Kajiyama, Shinya Toyokuni, Masaaki Mizuno, and Masaru Hori
  • 学会等名: 5th Asia Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics, Association of Asia-Pacific Physical Societies (AAPPS-DPP2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Toward plasma cancer therapy and intracellular metabolic modifications by treatments using low-temperature plasma-activated solutions (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Ishkawa, Hiromasa Tanaka, Hiroaki Kajiyama, Shinya Toyokuni, Masaaki Mizuno, and Masaru Hori
  • 学会等名: 30th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Functional nitrogen science for plasma-processing in life and matter (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Ishikawa, Toshiro Kaneko, and Masaru Hori
  • 学会等名: Material Research Meeting (MRM 2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Plasma-biological reaction networks and aqueous radical chemistry (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Ishkawa, Camelia Miron, Takashi Kondo, Hiromasa Tanaka, and Masaru Hori
  • 学会等名: 31st Material Research Society in Japan (MRS-J)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Growth promotion of cultured feed Artemia irradiated with low-temperature plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Takumi Yamauchi, Naoyuki Iwata, Kenji Ishikawa, Hiroshi Hashizume, Hiromasa Tanaka, Shin'ichi Akiyama, and Masaru Hori
  • 学会等名: 31st Material Research Society in Japan (MRS-J)
  • 国際学会
• [学会発表] Production of plasma-activated Ringer's lactate solution with regulated surrounding atmosphere (2021)
  • 著者名/発表者名: Daiki Ito, Naoyuki Iwata, Kenji Ishikawa, Hiroshi Hashizume, Kae Nakamura, Camelia Miron, Hiromasa Tanaka, Hiroaki Kajiyama, Shinya Toyokuni, Masaaki Mizuno, and Masaru Hori
  • 学会等名: 31st Material Research Society in Japan (MRS-J)
  • 国際学会
• [学会発表] Anti-tumor effect of plasma-activated solution produced by the flowing system (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Kashiwagura, Naoyuki Iwata, Kenji Ishikawa, Hiroshi Hashizume, Camelia Miron, Kae Nakamura, Hiromasa Tanaka, Hiroaki Kajiyama, Shinya Toyokuni, Masaaki Mizuno, and Masaru Hori
  • 学会等名: 31st Material Research Society in Japan (MRS-J)
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of cold plasma treatment with rice seedlings in a paddy on yield and grain quality for different cultivars (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Hashizume, Hidemi Kitano, Hiroko Mizuno, Akiko Abe, Kaoru Sanda, Genki Yuasa, Satoe Tohno, Hiromasa Tanaka, Kenji Ishikawa, Shogo Matsumoto, Hitoshi Sakakibara, Susumu Nikawa, Masayoshi Maeshima, Masaaki Mizuno, and Masaru Hori
  • 学会等名: 31st Material Research Society in Japan (MRS-J)
  • 国際学会
• [学会発表] Cellular Respiration System Affected by Low-temperature Plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiromasa Tanaka, Shogo Maeda, Shogo Matsumura, Masaaki Mizuno, Kenji Ishikawa, Masafumi Ito, Hiroshi Hashizume, Mikako Ito, Kinji Ohno, Kae Nakamura, Hiroaki Kajiyama, Fumitaka Kikkawa, Yasumasa Okazaki, Shinya Toyokuni, and Masaru Hori
  • 学会等名: 31st Material Research Society in Japan (MRS-J)
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancement of biodegradation technology of polyethylene terephthalate with plasma-pretreatment (2021)
  • 著者名/発表者名: Daichi Goto, Naoyuki Iwata, Kenji Ishikawa, Hiroshi Hashizume, Hiromasa Tanaka, Masafumi Ito, and Masaru Hori
  • 学会等名: 31st Material Research Society in Japan (MRS-J)
  • 国際学会
• [学会発表] 広がるプラズマ材料科学：半導体からバイオまで (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川健治
  • 学会等名: MRM forum 2021
  • 招待講演
• [備考] ホームページ
  • URL: https://www.plasma.engg.nagoya-u.ac.jp/ishikawa/?Home