種子内プラズマ起因RONS導入量の微量定量測定法の創成

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K03586
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 奥村 賢直 九州大学, システム情報科学研究院, 助教 (60801149)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: プラズマ農業 / 種子科学

研究実績の概要

種子への大気圧プラズマは発芽、またその後の成長といった植物の応答を誘導できる。社会実装および学術的観点から、この機構解明には、種子内へのプラズマ起因化学種導入量の定量的評価が欠かせない。しかしながら、プラズマ照射された種子から化学種を実測した報告例はない。そこで本研究では、種子内へのプラズマ起因化学種導入の実験的証拠を世界へ提供するため、プラズマ照射によって種子内に導入される化学種の検出・同定および微量定量測定法を創成した。本研究の実施計画に従い、化学種としての第一のターゲットとして、種子の休眠打破を誘導するがその分子メカニズムが不明な硝酸イオンNO3-とした。検出および同定には、Quadrupole mass spectrometer(QMS)、Liquid chromatography-multi-wavelength detection (LC-MWD)を用いた。定量分析には、Liquid chromatograph-tandem mass spectrometer(LC-MS/MS)を用いた。このNO3-の導入経路をCOMSOL社により、1Dモデルの化学反応シミュレーションにより導いた。さらに、プラズマ照射によって起こる、種子内外の分子変動を質量分析により明らかにした。これは、プラズマ起因化学種が果皮・種皮を透過し、種子内部へ輸送されることを示唆する。本研究成果は、これまでミッシングリンクとなっていた、プラズマ照射によって種子に供給される化学種を測定する方法である。よって、本方法がプラズマ照射による生体応答誘導技術の定量評価を可能とするものと期待できる。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究計画の遂行に加え、研究計画当初、想定しなかった重要な知見として、(i) プラズマ照射による果皮・種皮の化学種透過、(ii) プラズマ照射による種皮・果皮の物質透過性の向上、(iii) プラズマ照射による種子内外の分子変動（いくつかの分子に関しては同定済み）、を得ているため。

今後の研究の推進方策

すでに確立した種子内NO3-微量分析法を、短寿命RONSへ応用することで、種子内プラズマ起因長・短寿命RONS導入量の微量分析法を創成する。これにはスピントラップ材を用いる。これにより、再結合や他との反応により消失の時定数が測定時間よりも短い短寿命RONSを長寿命化し、種子内NO3-微量分析法と同様の手順でLC/SFC-MS/MSによる微量分析法を確立する。データの精度は、スピントラップ剤を含ませた溶液への長時間プラズマ照射を行い、これを電子スピン共鳴分光法および本方法で評価する。 すでに、スピントラップ材に対するプラズマ照射によって、質量分析および電子スピン共鳴分光法によるラジカルの長寿命化を確認している。

研究成果

• [国際共同研究] University of Toronto(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: University of Toronto
• [雑誌論文] Growth control of Marchantia polymorpha gemmae using nonthermal plasma irradiation (2024)
  • 著者名/発表者名: Tsuboyama Shoko、Okumura Takamasa、Attri Pankaj、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Kuchitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 14 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-024-53104-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improving the efficiency of CO2 methanation using a combination of plasma and molecular sieves (2024)
  • 著者名/発表者名: Toko Susumu、Okumura Takamasa、Kamataki Kunihiro、Takenaka Kosuke、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Setsuhara Yuichi
  • 雑誌名: Results in Surfaces and Interfaces 巻: 14 ページ: 100204～100204
  • DOI: 10.1016/j.rsurfi.2024.100204
  • 査読あり
• [雑誌論文] On-axis sputtering fabrication of Tm3Fe5O12 film with perpendicular magnetic anisotropy (2024)
  • 著者名/発表者名: Agusutrisno Marlis Nurut、Marrows Christopher H.、Kamataki Kunihiro、Okumura Takamasa、Itagaki Naho、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Yamashita Naoto
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 788 ページ: 140176～140176
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2023.140176
  • 査読あり
• [雑誌論文] Response of lettuce seeds undergoing dormancy break and early senescence to plasma irradiation (2024)
  • 著者名/発表者名: Takamasa Okumura, Teruki Anan, Heping Shi, Pankaj Attri, Kunihiro KAMATAKI, Naoto Yamashita, Naho ITAGAKI, Masaharu SHIRATANI, Yushi Ishibashi, Kazunori Koga, Vida Mildaziene
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tailoring Interfacial Physicochemical Properties in Cu₂O-TiO₂@rGO Heterojunction: Insights from EXAFS and Electron Trap Distribution Analysis (2023)
  • 著者名/発表者名: Shenoy Sulakshana、Chuaicham Chitiphon、Shanmugam Mariyappan、Okumura Takamasa、Balijapalli Umamahesh、Li Wei、Balakumar Vellaichamy、Sasaki Keiko、Sekar Karthikeyan
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 15 ページ: 54105～54118
  • DOI: 10.1021/acsami.3c12130
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prediction by a hybrid machine learning model for high-mobility amorphous In2O3: Sn films fabricated by RF plasma sputtering deposition using a nitrogen-mediated amorphization method (2023)
  • 著者名/発表者名: Kamataki Kunihiro、Ohtomo Hirohi、Itagaki Naho、Lesly Chawarambawa Fadzai、Yamashita Daisuke、Okumura Takamasa、Yamashita Naoto、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 134 ページ: -
  • DOI: 10.1063/5.0160228
  • 査読あり
• [雑誌論文] Health assessment of rice cultivated and harvested from plasma-irradiated seeds (2023)
  • 著者名/発表者名: Okumura Takamasa、Tanaka Hayate、Nakao Takumi、Anan Teruki、Arita Ryo、Shiraki Masaki、Shiraki Kayo、Miyabe Tomoyuki、Yamashita Daisuke、Matsuo Kayo、Attri Pankaj、Kamataki Kunihiro、Yamashita Naoto、Itagaki Naho、Shiratani Masaharu、Hosoda Satoshi、Tanaka Akiyo、Ishibashi Yushi、Koga Kazunori
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-023-43897-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Influence of humidity on the plasma‐assisted CO₂ conversion (2023)
  • 著者名/発表者名: Attri Pankaj、Okumura Takamasa、Takeuchi Nozomi、Kamataki Kunihiro、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu
  • 雑誌名: Plasma Processes and Polymers 巻: 21 ページ: -
  • DOI: 10.1002/ppap.202300141
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of electric potential-induced by atmospheric pressure plasma on cell response (2023)
  • 著者名/発表者名: Okumura Takamasa、Chang Chia-Hsing、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Sato Takehiko
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-023-42976-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low-temperature fabrication of silicon nitride thin films from a SiH4+N2 gas mixture by controlling SiNx nanoparticle growth in multi-hollow remote plasma chemical vapor deposition (2023)
  • 著者名/発表者名: Kamataki Kunihiro、Sasaki Yusuke、Nagao Iori、Yamashita Daisuke、Okumura Takamasa、Yamashita Naoto、Itagaki Naho、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 巻: 164 ページ: 107613～107613
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2023.107613
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reaction kinetics studies for phenol degradation under the impact of different gas bubbles and pH using gas?liquid discharge plasma (2023)
  • 著者名/発表者名: El-Tayeb A.、Okumura Takamasa、Attri Pankaj、Kamataki Kunihiro、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: SN1010～SN1010
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acebfb
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of inhomogeneity and magnetic properties of ZnO:Co films grown by magnetron sputtering using nitrogen (2023)
  • 著者名/発表者名: Agusutrisno M.N.、Narishige Ryota、Kamataki Kunihiro、Okumura Takamasa、Itagaki Naho、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Yamashita Naoto
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 巻: 162 ページ: 107503～107503
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2023.107503
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasma-assisted CO2 and N2 conversion to plant nutrient (2023)
  • 著者名/発表者名: Attri Pankaj、Okumura Takamasa、Takeuchi Nozomi、Kamataki Kunihiro、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu
  • 雑誌名: Frontiers in Physics 巻: 11 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fphy.2023.1211166
  • 査読あり
• [雑誌論文] Contribution of active species generated in plasma to CO₂ methanation (2023)
  • 著者名/発表者名: Toko Susumu、Hasegawa Taiki、Okumura Takamasa、Kamataki Kunihiro、Takenaka Kosuke、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Setsuhara Yuichi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: SL1023～SL1023
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acdad9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical emission spectroscopy study in CO₂ methanation with plasma (2023)
  • 著者名/発表者名: Toko Susumu、Hasegawa Taiki、Okumura Takamasa、Kamataki Kunihiro、Takenaka Kosuke、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Setsuhara Yuichi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: SI1008～SI1008
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acc66a
  • 査読あり
• [学会発表] ソルガム種子への空気プラズマ照射による発芽・生育促進効果 (2024)
  • 著者名/発表者名: 柳川由紀, 蒔田由布子, 奥村賢直, 藤田美紀, 栗山朋子, 河内正治, 松井南, 古閑一憲
  • 学会等名: 第71回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] 大気圧プラズマを用いた窒素固定における電極温度の効果 (2024)
  • 著者名/発表者名: 中尾匠, 奥村賢直, パンカジアタリ, 山下大輔, 鎌滝晋礼, 山下尚人, 板垣奈穂, 白谷正治, 古閑一憲
  • 学会等名: 第71回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] モデル植物ゼニゴケを用いた低温プラズマ照射の初発反応と成長に対する影響の解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 坪山祥子, 奥村賢直, 古閑一憲, 白谷正治, 朽津和幸
  • 学会等名: 第71回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] プラズマ照射によるシロイヌナズナ種皮の物質透過性変化 (2024)
  • 著者名/発表者名: 奥村賢直, 古閑一憲, アタリパンカジ, 山下大輔, 鎌滝晋礼, 山下尚人, 板垣奈穂, 白谷正治, 南原英司
  • 学会等名: 第71回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] イネ種皮のプラズマ起因化学種透過性の二次元分布解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 史合平, 奥村賢直, P. Attri, 山下大輔, 鎌滝晋礼, 山下尚人, 板垣奈穂, 古閑一憲, 白谷正治
  • 学会等名: 第71回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] Nitrogen Fixation to Leaf Mold Using Air Plasma and Evaluation of Phenotype Response of Sugarcane to Nitrogen-Fixed Fertilizer (2024)
  • 著者名/発表者名: T.Nakao, T. Okumura, P. Attri, D. Yamashita, K. Kamataki, N. Yamashita, N. Itagaki, M. Shiratani, K. Koga
  • 学会等名: ISPlasma2024
  • 国際学会
• [学会発表] Influence of CO and H2O2 in plasma agriculture (2024)
  • 著者名/発表者名: P. Attri, T. Okumura, K. Koga, K. Kamataki, M. Shiratani
  • 学会等名: ISPlasma2024
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular structure analysis of DBD plasma irradiated DMPO by LC-MS (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura, H. Shi, P.Attri, D. Yamasita, K. Kamataki, N.Yamasita, N. Itagaki, K. Koga, M. Shiratan
  • 学会等名: ISPlasma2024
  • 国際学会
• [学会発表] Induction of plant responses by plasma irradiation to seeds and their quantitative evaluation (Invited) (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura, P. Attri, Y. Ishibashi, K.Koga, M. Shiratani
  • 学会等名: ICTS2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 水と大気圧プラズマの相互作用による二酸化炭素分解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 乙部響, P. Attri，奥村賢直, 史合平, 中尾匠，日高直哉, 鎌滝晋礼，山下大輔，板垣奈穂，古閑一憲，白谷正治
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第27回 支部大会
• [学会発表] 空気プラズマを用いた窒素固定に対する放電電力密度の効果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中尾匠, 奥村賢直, パンカジアタリ, 山下大輔, 鎌滝晋礼, 山下尚人, 板垣奈穂, 白谷正治, 古閑一憲
  • 学会等名: 第40回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] リアルタイム蛍光イメージングによる非熱プラズマ照射に対するゼニゴの初発応答解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥村賢直, 坪山祥子, 古閑一憲, 白谷正治, 朽津和幸
  • 学会等名: 第40回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] Effect of the plasma-generated reactive species on protein folding (2023)
  • 著者名/発表者名: P. Attri, T. Okumura, K. Koga, K. Kamataki, M. Shiratani
  • 学会等名: 2023年(令和5年度)応用物理学会九州支部学術講演会 / The 8th Asian Applied Physics Conference
• [学会発表] 質量分析を用いたプラズマ照射イネ種子における分子修飾解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 史 合平,奥村 賢直,パンカジ アトリ,山下 大輔,鎌滝 晋礼,山下 尚人,板垣 奈穂,古閑 一憲,白谷 正治
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
• [学会発表] スケーラブル誘電体バリア放電プラズマを照射したDMPOの質量分析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 乙部 響,史 合平,奥村 賢直,阿南 輝樹,アタリ パンカジ,山下 大輔,鎌滝 晋礼,山下 尚人,板垣 奈穂,古閑 一憲,白谷 正治
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
• [学会発表] 液体クロマトグラフィー質量分析法を用いたプラズマ被照射物からの亜硝酸塩および硝酸塩の同時検出法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 日高 直哉,奥村 賢直,アタリ パンカジ,鎌滝 晋礼,山下 尚人,板垣 奈穂,古閑 一憲,白谷 正治
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
• [学会発表] 大量処理のためのプラズマ照射による土壌への窒素固定化の最適化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中尾 匠,奥村 賢,アタリ パンカジ,山下 大輔,鎌滝 晋礼,山下 尚人,板垣 奈穂,白谷 正治,古閑 一憲
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
• [学会発表] 水分存在下の大気圧プラズマ誘起CO2変換 (2023)
  • 著者名/発表者名: 古閑一憲,アタリパンカジ,史合平,中尾匠,奥村賢直,白谷正治
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
• [学会発表] 持続可能世界へのプラズマ農業の可能な貢献 (2023)
  • 著者名/発表者名: 白谷正治,アトリパンカジ,奥村賢直,古閑一憲
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
• [学会発表] 種子への誘電体バリア放電プラズマ照射による植物の応答誘導 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥村賢直,アタリパンカジ,古閑一憲,白谷正治
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
• [学会発表] Plasma effect on the enzyme structure: Experimental and simulation studies (2023)
  • 著者名/発表者名: P. Attri,T. Okumura, K. Koga, K. Kamataki, M. Shiratani
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
• [学会発表] 低温プラズマによる植物の成長制御の分子メカニズム: 植物における活性酸素種の生理的役割 (2023)
  • 著者名/発表者名: 朽津和幸,坪山祥子,橋本貴史,橋本研志,奥村賢直,古閑一憲,白谷正治
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
• [学会発表] Impact of plasma irradiation on plant seeds metabolism (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura, P. Attri, Y. Ishibashi, K. Koga, M. Shiratani
  • 学会等名: AAPPS-DPP2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Catalase enzyme inhibition's effect on plasma medicine (2023)
  • 著者名/発表者名: P. Attri, T. Okumura1, K. Koga, M. Shiratani
  • 学会等名: AAPPS-DPP2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 質量分析を用いたプラズマ照射DMPOの分子修飾解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 史合平, 奥村賢直, P. Attri, 山下大輔, 鎌滝晋礼, 山下尚人, 板垣奈穂, 古閑一憲, 白谷正治
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] プラズマ照射による窒素固定肥料へのサトウキビの表現型応答解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中尾匠, 奥村賢直, パンカジアタリ, 古閑一憲, 山下大輔, 鎌滝晋礼, 山下尚人, 板垣奈穂, 白谷正治
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] プラズマを用いたCO2の水素還元における選択性の制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 都甲将, 奥村賢直, 鎌滝晋礼, 竹中弘祐, 古閑一憲, 白谷正治, 節原裕一
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 質量分析を用いたプラズマ照射イネ種子における変動分子の組織別解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 史合平, 奥村賢直, A. Pankaj, 山下大輔, 鎌滝晋礼, 山下尚人, 板垣奈穂, 古閑一憲, 白谷正治
  • 学会等名: 2023年度(第76回)電気・情報関係学会九州支部連合大会
• [学会発表] 大気圧空気プラズマによる硝酸態窒素固定量に対する放電電力密度依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中尾匠, 奥村賢直, A. Pankaj, 古閑一憲, 山下大輔, 鎌滝晋礼, 山下尚人, 板垣奈穂, 白谷正治
  • 学会等名: 2023年度(第76回)電気・情報関係学会九州支部連合大会
• [学会発表] Measurement of electric field, UV photons, and long-lifetime reactive species generated by atmospheric pressure air plasma for plasma bio applications (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Okumura, S. Tsuboyama, Y. Tagawa, T. Nakao, T. Anan, H. Tanaka, K. Kamataki, N. Yamashita, N. Itagaki, P. Attri, K. Koga, M. Shiratani, K. Kuchitsu
  • 学会等名: ICPIG2023
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma-induced CO2 conversion: Experimental and Computational study (2023)
  • 著者名/発表者名: P. Attri, T. Okumura, K. Koga, N. Takeuchi, K. Kamataki, M. Shiratani
  • 学会等名: ISPC25
  • 国際学会