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メタルバイオテクノロジーによる環境保全と資源回収 (普及版)

  • Metal-biotechnology for Environmental Conservation and Resource Recycling ―The Key Technology for Safe and Sustainable Use of Metal Elements― (Popular Edition)
2009年刊「メタルバイオテクノロジーによる環境保全と資源回収―新元素戦略の新しいキーテクノロジー―」の普及版。元素回収、環境修復の他、機能性微粒子合成、金属類の分析等メタルバイオテクノロジー全てをカバー !

商品コード: B1132

  • 監修: (名誉監修)吉田和哉 ; (監修)植田充美、池道彦
  • 発行日: 2015年7月7日
  • 価格(税込): 4,968 円
  • 体裁: B5判、285ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-1025-1

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  • 排水処理・環境修復 / 元素回収・リサイクル / メタルバイオ・ゲノムインフォマティックス / 金属類の分析技術

刊行にあたって

 近年のハイテク産業では、レアメタル(レアアースを含む)を中心とした無機金属元素の活用が必須となってきているが、一方で、これまでにない環境汚染や希少資源の枯渇による産業の不安定化などが懸念され、日本が、科学技術立国として、また、自然と共生した安心安全な持続社会構築をリードしていくためにも、環境適合技術によってグローバルで適正な金属元素マネジメントが求められている。
 このような状況の中、レアメタル類を自然界から効率よく集める技術や、廃棄された製品や排水中などから効率よく回収してリサイクルできるような技術の確立が急務となっている。一方で、文明社会の発達に伴った環境汚染、特に重金属イオンによる公害が引き起こされてきており、水圏中からの金属イオンの吸着・回収に関しては、様々な浄化法が施行されているが、物理化学的な手法と比べてより安価で有効であることから、生物機能を有効に利用して浄化を行う「バイオレメディエーション」が大きな可能性を秘めた技術として注目を集めている。
 「メタルバイオテクノロジー」という言葉は、2008年(平成20年)5月30日に急逝された、本著の名誉監修者である故吉田和哉先生(奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科)と我々が考案した新しいバイオテクノロジーの研究領域で、金属類に関わる環境・資源問題の解決を、バイオという環境適合型技術によって成し遂げるキーとなる新技術体系を確立していこうという意図のもと創製された。すなわち、生物は地球誕生以来、本来自分にとって必須の金属を選択して特異的に捕まえ、いわゆるビタミンとして利用しているが、そのメカニズムを活用して新しい金属捕捉バイオ素子の創製や、未来型の実用的で魅力的な資源リサイクルバイオシステムの構築を目指すキーバイオテクノロジー、すなわち、持続産業における新元素戦略を可能とするキーテクノロジーとして、環境・資源保全のための「メタルバイオテクノロジー」を確立することを目標としている。
(「はじめに」より抜粋)

京都大学 大学院農学研究科 教授  植田充美
大阪大学 大学院工学研究科 教授  池  道彦

<普及版の刊行にあたって>

 本書は2009年に『メタルバイオテクノロジーによる環境保全と資源回収―新元素戦略の新しいキーテクノロジー―』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2015年7月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

植田充美   京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 教授
池 道彦   大阪大学 大学院工学研究科 環境・エネルギー工学専攻 教授
谷幸則   静岡県立大学 環境科学研究所・生活健康科学研究科 環境物質科学専攻 准教授
宮田直幸   秋田県立大学 生物資源科学部 生物環境科学科 准教授
鈴木市郎   横浜国立大学 大学院工学府 機能発現工学専攻 物質とエネルギーの創生工学コース 特別研究教員
小泉淳一   横浜国立大学 大学院工学府 機能発現工学専攻 物質とエネルギーの創生工学コース 教授
清和成   大阪大学 大学院工学研究科 環境・エネルギー工学専攻 助教
杉山友康   東京工科大学 大学院バイオニクス専攻 准教授
山村茂樹   (独)国立環境研究所 水土壌圏環境研究領域 研究員
佐々木眞敬  環境省 国立水俣病総合研究センター 基礎研究部 部長
山元恵   環境省 国立水俣病総合研究センター 基礎研究部 生理室 室長
井藤賀操   (独)理化学研究所 植物科学研究センター 生産機能研究グループ 生産制御研究チーム 研究員
川上智   DOWAエコシステム(株) 環境技術研究所 所長
榊原均   (独)理化学研究所 植物科学研究センター 生産機能研究グループ 生産制御研究チーム グループディレクター
永瀬裕康   大阪大学 大学院薬学研究科 助教
平田收正   大阪大学 大学院薬学研究科 応用環境生物学分野 教授
森一博   山梨大学 大学院医学工学総合研究部 社会システム工学系 准教授
浅田素之   清水建設(株) 技術戦略室 主査
北島信行   (株)フジタ 技術センター 主任研究員
山下光雄   芝浦工業大学 工学部 応用化学科 教授
黒田浩一   京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 准教授
石垣智基   龍谷大学 理工学部 講師
井上千弘   東北大学 大学院環境科学研究科 教授
土居克実   九州大学 大学院農学研究院 遺伝子資源工学部門 遺伝子資源開発学講座 微生物遺伝子工学分野 講師
竹本正   大阪大学 接合科学研究所 教授
鶴田猛彦   八戸工業大学 工学部 バイオ環境工学科 准教授
金子達雄   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 物質デザイン・創出領域 准教授
岡島麻衣子  北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 物質デザイン・創出領域 NEDO研究員
惣田訓   大阪大学 大学院工学研究科 環境・エネルギー工学専攻 准教授
小西康裕   大阪府立大学 大学院工学研究科 物質・化学系専攻 化学工学分野 教授
荻崇   大阪府立大学 大学院工学研究科 物質・化学系専攻 化学工学分野 助教
阪口利文   県立広島大学 生命環境学部 環境科学科 准教授
岩堀健治   (独)科学技術振興機構 さきがけ 研究員;奈良先端科学技術大学院大学
山下一郎   パナソニック(株) 先端技術研究所 主幹研究員;奈良先端科学技術大学院大学 客員教授
宇野義幸   岡山大学 大学院自然科学研究科 教授
岡田晃   岡山大学 大学院自然科学研究科 准教授
新垣篤史   東京農工大学 大学院共生科学技術研究院 助教
松永是   東京農工大学 大学院共生科学技術研究院 教授
佐々木和裕  (財)電力中央研究所 環境科学研究所 バイオテクノロジー領域 主任研究員
宮坂均   関西電力(株) 研究開発室 電力技術研究所 環境技術研究センター チーフリサーチャー
仲山英樹   奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 助教
吉田和哉   奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科 准教授
遠藤銀朗   東北学院大学 工学部 工学部長
田中真幸   東京大学 生物生産工学センター 研究員
藤原徹   東京大学 生物生産工学センター 准教授
栗原達夫   京都大学 化学研究所 准教授
三原久明   京都大学 化学研究所 助教
江﨑信芳   京都大学 化学研究所 教授
岡村好子   早稲田大学 理工学術院 先進理工学研究科 講師
竹山春子   早稲田大学 理工学術院 先進理工学研究科 教授
川瀬雅也   長浜バイオ大学 バイオサイエンス学部 教授
斎藤直   大阪大学 ラジオアイソトープ総合センター 教授
芦田均   神戸大学 大学院農学研究科 教授
福田伊津子  神戸大学 大学院農学研究科 助教
篠田弘造   東北大学 多元物質科学研究所 准教授
山西守   ネブラスカ大学リンカーン校 芸術及び科学部 生物学科 リサーチ・アシスタント・プロフェッサー

執筆者の所属表記は、2009年当時のものを使用しております。

目次

第1章 元素資源をめぐる世界情勢:資源回収と環境保全
1. はじめに
2. レアメタル,レアアース資源の世界情勢
3. 新しい鉱脈の発見―「都市鉱山」の掘り起こし
4. メタルバイオテクノロジーの隆起

第2章 メタルバイオテクノロジーの可能性:新“元素戦略”へ向けて 
1. 元素戦略とメタルバイオ
2. 金属類に関わる生物作用とメタルバイオ応用へのポテンシャル
2.1 微生物反応の利用
2.2 植物作用の利用
2.3 分子レベルでの金属類代謝反応の利用
3. メタルバイオ実用化への展望

第3章 メタルバイオによる排水処理・環境修復

1. マンガン酸化菌を利用した微量元素処理・回収
1.1 はじめに
1.2 微生物によるBiMnO_Xの産生
1.3 BiMnO_Xへの元素吸着
1.4 微生物形成されたMn酸化物の化学特性
1.5 金属陽イオンの吸着機構
1.6 無機化合物の酸化・吸着

2. 微生物群集による鉄・マンガン含有地下水の上水処理とヒ素除去 
2.1 はじめに
2.2 バイオフィルトレーションによる鉄・マンガン含有地下水の上水処理
2.3 バイオフィルトレーションによる鉄・マンガン除去における微生物群集の構造
2.4 バイオフィルトレーションによる地下水中のヒ素・鉄・マンガンの同時除去

3. オキサニオン還元作用を利用したセレン含有排水の処理 
3.1 セレン含有排水処理の現状
3.2 セレン酸塩還元反応を利用したセレン含有排水処理のコンセプト
3.3 2種のセレン酸塩還元細菌とその特徴
3.4 セレン酸塩還元細菌を利用した排水処理プロセス
3.5 生物学的セレン含有排水処理の実用化へ向けて

4. 亜ヒ酸酸化菌を利用したヒ素汚染地下水浄化技術の開発 
4.1 はじめに
4.2 亜ヒ酸酸化菌
4.2.1 化学合成独立栄養亜ヒ酸酸化菌(Chemolithoautotrophic Arsenic Oxidizers:CAOs)
4.2.2 従属栄養亜ヒ酸酸化菌(Heterotrophic Arsenic Oxidizers:HAOs)
4.3 低濃度亜ヒ酸酸化菌の集積と単離
4.4 高濃度亜ヒ酸酸化菌の単離
4.5 亜ヒ酸酸化菌によって酸化されたヒ素の吸着除去
4.6 おわりに―亜ヒ酸酸化菌を用いた実用ヒ素汚染地下水浄化技術開発に向けて―

5. 微生物による六価クロム汚染の浄化
5.1 はじめに
5.2 六価クロム耐性細菌
5.3 六価クロム還元細菌
5.4 六価クロム吸着微生物
5.5 土着細菌による六価クロム還元
5.6 課題と取組み

6. ヒ素還元菌を利用した汚染土壌の修復
6.1 はじめに
6.2 微生物によるヒ素の可溶化
6.2.1 可溶化メカニズム
6.2.2 汚染土壌浄化・修復への適用性
6.3 DARBとメディエーターを併用した汚染土壌からのヒ素の可溶化・除去
6.3.1 微生物による金属還元・可溶化を促進するメディエーター
6.3.2 実汚染土壌を用いた実証試験
6.4 今後の展望

7. バイオレメディエーションによる水銀汚染環境の浄化 
7.1 はじめに
7.2 水俣湾の水銀耐性菌
7.3 バイオレメディエーション
7.4 ファイトレメディエーション
7.5 おわりに

8. コケ植物を用いた水環境中の重金属回収技術の開発 
8.1 はじめに
8.2 コケ植物による水環境中の重金属回収技術の概念
8.3 コケ植物による重金属回収の原理
8.4 灰耐性蘚類ヒョウタンゴケによる鉛回収の実際
8.5 レアメタル回収技術利用の展望

9. 微細藻類バイオマスを用いた有害重金属の吸着除去
9.1 はじめに
9.2 ラン藻によるカドミウムの吸着
9.3 ラン藻の重金属除去への応用
9.4 おわりに

10. 植物を用いたホウ素汚染土壌の浄化 
10.1 はじめに
10.2 ホウ素による土壌汚染の現状
10.3 植物によるホウ素吸収能力
10.4 植物による土壌中ホウ素の吸収と浄化
10.4.1 ホウ素の植物に与える影響
10.4.2 ホウ素高濃度地区の植物調査
10.5 課題と展望

11. キレート剤の併用によるカドミウムファイトレメディエーションの効率化
11.1 はじめに
11.2 各種キレート剤の生分解性とカドミウム溶出効果
11.3 各種キレート剤がカラシナの生育に与える影響
11.4 キレート剤がカラシナのカドミウム蓄積に与える影響
11.5 キレート剤を併用したカラシナによるカドミウム汚染土壌浄化
11.6 おわりに―カドミウム汚染土壌の効率的なインデュースドファイトレメディエーションに向けて―

12. モエジマシダによるヒ素浄化 
12.1 はじめに
12.2 モエジマシダのヒ素除去能の確認
12.3 汚染土壌に含まれるヒ素の分別定量法の検討
12.4 実汚染サイトへの適用例
12.5 おわりに

13. レンゲと根粒菌の共生による重金属ファイトレメディエーション 
13.1 はじめに
13.2 修復技術
13.3 重金属汚染と浄化対策
13.4 マメ科植物と根粒菌の共生機構
13.5 共生工学の基盤技術開発
13.6 共生工学による環境浄化
13.7 重金属ファイトレメディエーションの促進技術
13.8 メタルバイオテクノロジーの将来

第4章 メタルバイオによる元素回収・リサイクル

1. 細胞表層工学による新しいバイオアドソーベント―細胞表層を利用した金属イオンの吸着・回収リサイクル― 
1.1 はじめに
1.2 細胞表層を利用した金属吸着
1.3 新たな金属吸着に向けたバイオ技術(細胞表層工学)
1.4 酵母細胞表層工学による金属イオン吸着能の付与
1.5 有害重金属からレアメタル吸着・回収への展開
1.6 おわりに

2. バイオリーチングによる廃棄物焼却灰からの有害金属除去 
2.1 廃棄物焼却灰の無害化・資源化について
2.2 固形物からの金属資源の回収方法について
2.3 バイオリーチングのメカニズムについて
2.4 焼却灰を対象としたバイオリーチング
2.5 廃棄物埋立地内の焼却灰のバイオリーチング
2.6 まとめ

3. 鉄酸化細菌を用いたバイオリーチングの高効率化 
3.1 はじめに
3.2 鉄酸化細菌
3.3 バイオリーチングの機構
3.4 黄銅鉱のバイオリーチング
3.5 おわりに

4. 高度好熱性細菌を用いたバイオリーチングの基礎と応用 
4.1 シリカの化学的特性とスケール形成
4.2 熱水湧出地域におけるシンター形成と微生物群集
4.3 Thermus属細菌のシリカ誘導性タンパク質(Sip)
4.4 シリカ誘導性タンパク質を利用したバイオリーチング

5. バクテリアを利用したプリント基板からの貴金属溶解 
5.1 はじめに
5.2 シアン生成細菌によるAuの溶解
5.3 廃プリント基板からのAuの溶解
5.4 Au溶解速度の向上
5.5 バイオリーチング後のシアン分解
5.6 おわりに

6. 微生物を用いたウラン・トリウムの選択的濃縮
6.1 はじめに
6.2 実験方法の概要
6.3 種々の微生物によるThとUの単独または混合溶液からの濃縮
6.4 ThおよびU濃縮の経時変化に及ぼすU濃度の影響
6.5 U濃縮に及ぼすU濃度の影響(U単独またはTh一定量添加)
6.6 U濃縮後のTh添加における濃縮の経時変化
6.7 Th,U濃縮に及ぼす酸性溶液の事前接触の影響
6.8 ThとUの分離因子に及ぼす金属濃度の影響
6.9 Th/U高分離微生物のスクリーニング
6.10 おわりに

7. ラン藻バイオマスを用いたクリティカルメタル吸着と回収技術への展望
7.1 研究背景
7.1.1 鉱山問題とクリティカルメタル
7.1.2 バイオマスと金属リサイクル
7.2 サクラン(スイゼンジノリ多糖類)の抽出と構造,物性
7.2.1 サクランの抽出と構造
7.2.2 サクランの溶液物性
7.2.3 金属吸着とサクランゲル
7.3 結論と展望

8. 円石藻のココリス形成に伴う海水からの元素回収 
8.1 はじめに
8.2 Emiliania huxleyiによるココリスの形成
8.3 Emiliania huxleyiのココリス中の元素組成
8.4 おわりに

第5章 未来に向けた持続産業を産み出すメタルバイオ

1. 金属イオン還元細菌を利用した貴金属ナノ粒子の合成と応用
1.1 はじめに
1.2 金属イオン還元細菌による貴金属ナノ粒子の合成条件
1.3 貴金属ナノ粒子の細胞内合成
1.4 貴金属ナノコロイドとしての応用
1.5 貴金属担持触媒としての応用
1.6 金ナノ粒子の細胞外合成と形態制御
1.7 おわりに

2. 微生物によるテルル化カドミウム微粒子の合成
2.1 はじめに
2.2 微生物による無機結晶の合成
2.3 半導体結晶微粒子の微生物合成
2.4 微生物によるセレン化カドミウムの合成
2.5 微生物によるテルル化カドミウムの合成
2.6 おわりに

3. タンパク質ナノテンプレートを用いた蛍光発光ナノ粒子の作製と特徴 
3.1 はじめに
3.2 バイオテンプレート法によるナノ粒子作製の歴史
3.3 フェリチンとLiDpsを用いたナノ粒子の作製
3.3.1 フェリチンタンパク質とLiDpsタンパク質
3.3.2 アポフェリチンタンパク質による金属酸化物ナノ粒子の作製
3.3.3 アポフェリチンタンパク質による化合物半導体ナノ粒子の作製
3.3.4 リステリア細菌由来Dpsタンパク質を用いたナノ粒子作製
3.4 応用展開および将来展望

4. 微生物による金属の微細加工―バイオマシニング― 
4.1 はじめに
4.2 鉄酸化細菌
4.3 バクテリアの培養
4.4 バクテリアによる金属除去加工
4.5 バイオマシニング加工特性
4.6 加工特性の向上
4.7 まとめ

5. 微生物による機能性マグネタイト磁気微粒子の合成と応用 
5.1 はじめに
5.2 磁性細菌のマグネタイト粒子合成機構の解析
5.3 タンパク質を用いた磁気微粒子の形態制御
5.4 生体分子修飾による磁気微粒子の高機能化
5.5 細胞分離技術
5.6 リガンドスクリーニング
5.7 磁性細菌を用いた重金属回収技術
5.8 おわりに

6. イムノアッセイによる米中のカドミウム簡易測定キット開発 
6.1 はじめに
6.2 重金属を認識する抗体
6.3 抗Cd-EDTA抗体の交差反応の問題を解消する2つの方法
6.4 カドミウム濃度定量用のイムノクロマトグラフィー
6.5 玄米中カドミウムの濃度測定
6.6 玄米中カドミウムのスクリーニングへの適用

7. 重金属応答機構を利用したバイオメタルセンサーの開発 
7.1 はじめに
7.2 有害重金属バイオセンサーの研究動向
7.3 光合成生物のフィトケラチン合成機能を利用した重金属モニタリングおよびセンサー
7.4 おわりに

第6章 メタルバイオ・ゲノムインフォマティックスとその応用

1. 多様なレアメタル・レアアースを個別に選別して特異的に回収することを可能にするアーミング技術の戦略 
1.1 はじめに
1.2 革新的バイオ基盤技術の展開―アーミング技術
1.3 多種多様なレアメタル・レアアースへの対応技術
1.4 特異的で選択性のある新しい柔軟性のあるバイオ素子の誕生―回収とリサイクルへの切り札の創製

2. ゲノム情報を活用した金属結合タンパクの探索と応用 
2.1 メタルバイオ技術に有用なゲノム情報とは?
2.2 金属回収技術に有用な金属結合タンパク質
2.3 金属検出技術に有用な金属結合タンパク質
2.4 高塩環境に適応可能なメタルバイオ技術開発
2.5 今後の展望

3. 光合成生物における重金属応答機能の比較解析とその応用 
3.1 はじめに
3.2 フィトケラチンとフィトケラチン合成酵素の機能とその応用
3.3 PCS遺伝子組換え植物の作出に向けた基礎的検討
3.4 PC分子のコンフォメーション病に対する予防・治療薬への応用に向けた基礎検討
3.5 おわりに

4. 重金属耐性の遺伝的メカニズムとその応用 
4.1 はじめに
4.2 水銀耐性遺伝子
4.3 カドミウム耐性遺伝子
4.4 クロム耐性遺伝子
4.5 鉛耐性遺伝子
4.6 銅耐性遺伝子
4.7 ヒ素耐性遺伝子
4.8 その他の重金属耐性遺伝子
4.9 おわりに

5. メタロチオネインの改変による金属結合特性の改変
5.1 はじめに
5.2 MTの遺伝子組換え生産
5.3 毒性金属とMTの相互作用
5.4 オリゴマーMTの分子デザインと重金属結合能の改良
5.5 三次構造モデルの構築と新重金属特異的結合能を有するMTの創製
5.6 MTによる環境浄化への応用と将来

6. ホウ素トランスポーターによる食料生産の向上
6.1 自然界におけるホウ素の分布と植物への影響
6.2 ホウ素の植物における役割
6.3 ホウ素の植物体内での輸送
6.4 植物におけるホウ素の輸送機構
6.4.1 排出型ホウ酸トランスポーターBOR1
6.4.2 ホウ酸チャネルNIP5;1およびNIP6;1
6.5 おわりに―ホウ素欠乏・過剰耐性植物作出への応用―

7. 細胞がセレンをタンパク質に取り込む機構の解析とその応用  
7.1 セレンの必須性と毒性
7.2 真正細菌におけるセレンタンパク質の生合成
7.3 哺乳動物におけるセレンタンパク質の生合成
7.4 哺乳動物におけるセレン化合物の代謝とセレノシステインリアーゼ
7.5 植物を用いたセレン汚染土壌の浄化

8. メタルイオン蓄積メカニズムとメタゲノムの潜在能力 
8.1 はじめに
8.2 金属結合性タンパク質およびペプチド
8.3 金属塩沈殿の蓄積
8.4 海洋性藻類の蓄積メカニズム
8.5 トランスポーター
8.6 メタゲノムの潜在能力
8.7 メタゲノムからのメタルイオン蓄積遺伝子の分離

第7章 メタルバイオをサポートする金属類の分析技術

1. 誘導結合プラズマ(ICP)分光法による定量分析
1.1 誘導結合プラズマ(ICP)分光法とは
1.2 ICP-MSによる定量分析における注意点
1.2.1 分光学的干渉
1.2.2 非分光学的干渉
1.2.3 検出限界
1.3 ICP-MS分析のための試料の前処理
1.4 ICP-MSによる化学形の分析
1.5 ICP-MSによる生体試料分析の実例

2. 熱中性子放射化分析による定量分析
2.1 熱中性子放射化分析とは
2.2 中性子照射による放射能
2.3 放射化分析の利点と欠点
2.3.1 利点
2.3.2 欠点
2.4 放射化分析の実際
2.5 生体試料の放射化分析の例

3. メスバウアー分光法による金属の状態解析 
3.1 はじめに
3.2 メスバウアー効果
3.3 メスバウアー効果測定法
3.4 異性体シフト(Isomer Shift,I.S.)
3.5 四極子分裂
3.6 メスバウアー効果による漢方薬の評価

4. XAFSによる状態分析
4.1 はじめに
4.2 XAFS原理
4.3 XANESによる価数識別
4.4 EXAFSによる局所環境構造解析
4.5 おわりに

5. ESRによる状態解析 
5.1 分光器とサンプル
5.2 スピン間の相互作用
5.3 超微細構造
5.4 スピントラッピング
5.5 その他
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