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報告書

次世代中性子生物学; J-PARCワークショップ「次世代中性子生物学」の報告; 2017年3月22日$$sim$$23日,いばらき量子ビーム研究センター

杉山 正明*; 中川 洋; 井上 倫太郎*; 川北 至信

JAEA-Review 2017-024, 40 Pages, 2017/12

JAEA-Review-2017-024.pdf:8.69MB

現在、我が国ではJ-PARC・JRR-3等の高強度高品質の中性子源が整備され中性子線を用いた生命科学研究の推進が強く望まれている。そこで、我が国中性子生物学の発展に寄与することを目指して2017年3月22日$$sim$$23日国際Workshop「Neutron biology for next generation」がJ-PARCワークショップとして開催された。このWorkshopには日本国内の中性子分光器の装置研究者及び中性子散乱を精力的に利用している国内外の生命科学者が集まり、上記テーマについて装置・実験手法、最新の研究成果及びその動向について多方面より議論した。本レポートはオーガナイザーによるWorkshopの報告である。

論文

Energy-resolved small-angle neutron scattering from steel

大場 洋次郎*; 諸岡 聡; 大石 一城*; 鈴木 淳市*; 高田 慎一; 佐藤 信浩*; 井上 倫太郎*; 土山 聡宏*; Gilbert, E. P.*; 杉山 正明*

Journal of Applied Crystallography, 50(2), p.334 - 339, 2017/04

 被引用回数:2 パーセンタイル:51.3(Chemistry, Multidisciplinary)

Recent progress of pulsed neutron sources has enabled energy-resolved analysis of neutron attenuation spectra, which include information on neutron scattering. In this study, a new analysis technique for small-angle neutron scattering (SANS) is demonstrated. A clear difference is observed in the neutron attenuation spectra between steels with different nanostructures; this difference can be understood as arising from attenuation due to SANS. The neutron attenuation spectra, calculated from the corresponding SANS profiles, agree well with the experimentally observed attenuation spectra. This result indicates that measurement of neutron attenuation spectra may enable the development of a novel experimental technique, i.e. energy-resolved SANS (ESANS).

論文

中性子透過率スペクトル測定を利用した新しい中性子散乱実験

大場 洋次郎*; 諸岡 聡; 佐藤 博隆*; 佐藤 信浩*; 井上 倫太郎*; 杉山 正明*

波紋, 26(4), p.170 - 173, 2016/11

Based on the time-of-light (TOF) technique, new generation pulsed neutron sources enable novel neutron scattering experiments. Using small-angle neutron scattering (SANS) at the pulsed neutron sources, simultaneous measurements of SANS and Bragg edge transmission can be performed. From the SANS profiles, the precipitates and inclusions in metals and alloys are characterized, while the Bragg edge transmission spectra give crystallographic information about the matrix. This is a powerful tool for quantitative characterization of the microstructures in the metals and alloys. The neutron transmission experiments have potential for further development. Magnetic Bragg edge transmission analysis will be useful for magnetic materials. These new neutron scattering techniques enhance the usability and flexibility of neutron scattering experiments.

論文

Magnetic scattering in the simultaneous measurement of small-angle neutron scattering and Bragg edge transmission from steel

大場 洋次郎*; 諸岡 聡; 大石 一城*; 佐藤 信浩*; 井上 倫太郎*; 足立 望*; 鈴木 淳市*; 土山 聡宏*; Gilbert, E. P.*; 杉山 正明*

Journal of Applied Crystallography, 49(5), p.1659 - 1664, 2016/10

 被引用回数:5 パーセンタイル:37.25(Chemistry, Multidisciplinary)

Pulsed neutron sources enable the simultaneous measurement of small-angle neutron scattering (SANS) and Bragg edge transmission. This simultaneous measurement is useful for microstructural characterization in steel. Since most steels are ferromagnetic, magnetic scattering contributions should be considered in both SANS and Bragg edge transmission analyses. An expression for the magnetic scattering contribution to Bragg edge transmission analysis has been derived. The analysis using this expression was applied to Cu steel. The ferrite crystallite size estimated from this Bragg edge transmission analysis with the magnetic scattering contribution was larger than that estimated using conventional expressions. This result indicates that magnetic scattering has to be taken into account for quantitative Bragg edge transmission analysis. In the SANS analysis, the ratio of magnetic to nuclear scattering contributions revealed that the precipitates consist of body-centered cubic Cu$$_{0.7}$$Fe$$_{0.3}$$ and pure Cu, which probably has 9R structure including elastic strain and vacancies. These results show that effective use of the magnetic scattering contribution allows detailed analyses of steel microstructure.

論文

中性子小角散乱; 応用編

遠藤 仁; 杉山 正明*; 井上 倫太郎*

波紋, 22(3), p.258 - 267, 2012/08

中性子小角散乱法を用いたタンパク質の高次構造解析法及び中性子スピンエコー法を用いたタンパク質のダイナミクス解析に関して、著者らの最新の研究例を用いて解説した。例として、「タンパク質ミネラル複合粒子の微細構造解析」、「重水素化タンパク質を用いたSubunitの交換現象の解析」、「ホスホグリセリン酸キナーゼの内部運動解析」の3つの研究成果を用いた。

論文

Temperature-dependent nano-scale dynamics of PVA physical gel

高橋 伸明; 西田 幸次*; 井上 倫太郎*; 小川 紘輝*; 金谷 利治*; 長尾 道弘*

NSL News Letter, 2007-4, p.155 - 157, 2007/04

ポリビニルアルコール(PVA)は、PVA溶液を高温(100度)から低温(室温)へクエンチすることにより物理ゲル化する。このPVA物理ゲルの架橋点はPVAの微結晶により構成され、85度にゲルの融点が存在する。中性子スピンエコー分光器を用い、物理ゲルの融点以下の温度領域におけるナノスケールダイナミクスの温度依存性を評価した。得られた結果を中性子小角散乱(SANS)測定結果と合わせ考察する。

論文

Neutron spin-echo studies on poly(vinyl alcohol) gels during melting process

高橋 伸明; 西田 幸次*; 坪内 剛士*; 小川 紘輝*; 井上 倫太郎*; 金谷 利治*; 長尾 道弘*

ISSP Activity Report on Neutron scattering Research; Experimental Reports (CD-ROM), 13, 2 Pages, 2006/00

ポリビニルアルコール(PVA)物理ゲルの昇温による融解過程において中性子スピンエコー測定を行った。PVA物理架橋ゲルは架橋点がPVAの微結晶で形成されているため、昇温により85度で融解する。室温,60度,70度,80度の各温度において測定を行った。それぞれの温度で得られた中間散乱関数I(Q, t)/I(Q, 0)は、非減衰項と緩和項の足し合わせで記述した式に上手くフィットした。非減衰成分の全散乱強度に占める割合(fn(Q))とQの関係から、架橋点である微結晶の熱揺らぎのサイズを見積もった。微結晶の熱揺らぎのサイズを測定温度に対してプロットしたところ、70度付近から急激な増大が見られ、マクロなゲルの融点(85度)以下の温度にナノスケールでの熱揺らぎの増大が見られることが明らかとなった。

論文

Neutron spin-echo studies on crossover from single chain motion to collective dynamics

金谷 利治; 高橋 伸明; 井上 倫太郎*; 松葉 豪*; 西田 幸次*; 長尾 道弘*

ISSP Activity Report on Neutron scattering Research; Experimental Reports (CD-ROM), 13, 1 Pages, 2006/00

In a previous paper we have performed neutron spin-echo (NSE) measurements on deuterated styrene (dPS)-protonated butadiene diblock copolymer micelles in deuterated n-decane to investigate the dynamics of butadiene (PB) blocks in the corona. We found that the motion of the PB chain can be well described by the Zimm mode in contrast to the previous NSE studies on dPS-protonated isoprene (PI) diblock copolymers micelles where the collective dynamics (breathing mode) of PI chains in the corona were observed. This difference has been assigned to the larger interactions in PI chains through the second virial coefficient. If this expectation is correct, crossover from the Zimm mode to the collective mode should be observed at a lower Q in PB than PI in the equal concentrations. In order to confirm the prediction, we performed NSE measurements on deuterated n-decane solutions of PB and PI with molecular weights Mw = 19.9k and 21.4k, respectively, using iNSE spectrometer at JRR-3M reactor.

論文

Thermal neutron spin-echo studies on dynamics of a glass-forming polymer in a high ${it Q}$ range

金谷 利治*; 加倉井 和久; 筑紫 格*; 井上 倫太郎*; 渡辺 宏*; 西 正和*; 中島 健次; 竹村 和浩*; 古屋 秀峰*

Journal of the Physical Society of Japan, 74(12), p.3236 - 3240, 2005/12

 被引用回数:5 パーセンタイル:59.54(Physics, Multidisciplinary)

グラス形成高分子系の重水素置換ポリブタヂエンの3.5$AA $^{-1}$$までの${it Q}$領域における熱中性子スピンエコー実験が実施され、S(${it Q}$)の第一及び第二ピークの領域における干渉性準弾性散乱ピークのdecay rateの波数依存性が観測された。第一ピーク上で従来観測された"de Gennes"型ナローイングは第二ピーク上では存在しないことが明らかになり、これはこの${it Q}$領域で柔らかい-CD$$_{2}$$-CD$$_{2}$$- and=CD-CD$$_{2}$$- による揺らぎと柔らかい単位と硬い単位の自身による運動によりナローイングが隠されているものと解釈できる。

口頭

中性子・X線散乱と分子シミュレーションによる蛋白質のドメインダイナミクスの解析

中川 洋; 齋尾 智英*; 杉山 正明*; 井上 倫太郎*; 長尾 道弘*

no journal, , 

構造単位としてのドメインの揺らぎを明らかにすることは、様々な分子と相互作用するタンパク質の構造多形性や可塑性の分子基盤の理解に必要である。本研究では、3つのドメインからなるタンパク質MurDをターゲットとして、リガンドフリー状態、ATP結合状態、Compound1結合状態の3つの状態について、X線や中性子を用いた量子ビーム散乱法と分子シミュレーションの融合した相関構造解析法によりドメイン運動を解析した。溶液小角散乱実験では、3状態の溶液構造が異なることを示した。また分子シミュレーションから得られた散乱プロファイルとも良い一致を示し、低分解能の実験データから原子分解能で溶液構造を議論できることを確認した。分子シミュレーション結果の主成分解析からは、機能に関連したドメイン運動を抽出した。更に、このドメイン運動が、MurDの相互作用分子との結合に関与するアミノ酸残基の揺らぎとカップルしていることを示唆する結果が得られた。発表では、小角散乱に加え中性子スピンエコーを含めた動的な溶液構造解析の実験方法と計算科学の手法を融合した方法で、蛋白質のドメイン運動を原子分解能で可視化し、異なる空間スケールの階層間でカップルした動的構造から蛋白質の機能を議論する。

口頭

マルチドメイン蛋白質の溶液構造解析に関する研究

中川 洋; 齋尾 智英*; 杉山 正明*; 井上 倫太郎*

no journal, , 

原子レベルでの蛋白質の立体構造情報に基づいて、ターゲット分子との相互作用や蛋白質間相互作用を予測するためには、ドメインスケールでの蛋白質の構造変化を調べる必要がある。また、構造単位としてのドメインの揺らぎを明らかにすることは、様々な分子と相互作用するタンパク質の構造多形性や可塑性の分子基盤の理解に必要である。次世代の構造生物学では、このような蛋白質構造の柔軟性をどのように解明するかが重要な課題となる。本研究では、X線や中性子を用いた量子ビーム散乱法と分子シミュレーションの融合した相関構造解析法によりマルチドメイン蛋白質構造の動態解析を行う。また、分子シミュレーションを援用することで、ドメイン構造と連動した蛋白質の活性部位の局所構造を解析する。低分解能の溶液散乱実験と既に解かれている原子分解能の結晶構造のふたつの実験情報を、計算機技術によって橋渡しをし、複数のドメインが織り成す蛋白質相互作用を、原子レベルから複合体全体までを見通せる広い空間分解能で解明する。

口頭

X線小角散乱法による鉄鋼材料中のミクロ組織の解析

大場 洋次郎; 日野 正裕*; 足立 望*; 戸高 義一*; 井上 倫太郎*; 杉山 正明*

no journal, , 

X線小角散乱法(SAXS)は、ミクロ組織の解析手法として、鉄鋼研究における利用が進んでおり、放射光に加えてラボレベルの装置も普及してきている。この状況は利用機会の限定される中性子小角散乱法の補完的な役割としても重要であると考えられる。そこで本講演では、鉄鋼研究におけるSAXSの活用法の一例として、鉄鋼上の潤滑油中に形成されるナノ構造の解析に関する取り組みについて報告する。

口頭

中性子散乱とMDの相関構造解析による蛋白質の階層間連携ダイナミクス

中川 洋; 齋尾 智英*; 杉山 正明*; 井上 倫太郎*; 富永 大輝*

no journal, , 

大強度パルス中性子J-PARCに設置された中性子準弾性散乱装置は、ピコ秒$$sim$$ナノ秒の蛋白質ダイナミクスの解析に有効である。この時空間スケールのダイナミクスが、生物機能発現に関わる蛋白質全体の協同的なダイナミクスとどのように関係しているかを明らかにすることは、J-PARCを用いた蛋白質のQENS実験の重要性を示すことになる。一方、立体構造に基づいて機能を議論する構造生物学に対しては、QENSスペクトルだけから構造ダイナミクスと機能を結びつけることは難しい。構造と機能とを結びつけるダイナミクスの情報を構造科学的に議論するためには、分子シミュレーションを援用することは有効である。本発表では、構造生物学の様々な手法を多角的に活用しつつ、中性子散乱実験と分子シミュレーションを融合したMD-Neutron法によって蛋白質ダイナミクスの階層構造を原子分解能で可視化することを提案する。またマルチドメイン蛋白質であるMurDについて、異なる時空間スケールの階層間でカップルした動的構造から蛋白質の機能を議論する。

口頭

QENS of protein solutions measured by the TOF near backscattering spectrometer DNA

中川 洋; 斉尾 智英*; 小田 隆*; 佐藤 衛*; 井上 倫太郎*; 杉山 正明*; 富永 大輝*; 川北 至信

no journal, , 

蛋白質は溶液中で揺らいでおり、そのダイナミクスが生物機能に重要である。蛋白質は空間的にも時間的にも構造とダイナミクスに階層性を持つ。この研究では、マルチドメイン蛋白質であるMurDの内部運動を観測するために、飛行時間背面散乱型分光器DNAで中性子淳弾性散乱を測定した。Hefは天然変性蛋白質であり、固い折り畳み構造を失っていて、折り畳み蛋白質に比べて柔軟な構造を持っている。蛋白質溶液のQENSの解析方法や、折り畳み蛋白質と天然変性蛋白質のダイナミクスの特徴を議論する。

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