JP2011100759A - 多層透明受光素子および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電子伝達タンパク質を用いたタンパク質透明受光素子1を複数積層して多層透明受光素子を構成する。タンパク質透明受光素子1は、透明基板、透明電極、電子伝達タンパク質層、電解質層および透明対極を順次積層した構造を有する。この多層透明受光素子をカメラ、光ディスクシステムなどの受光素子として用いる。
【選択図】図1
Description
そこで、この発明が解決しようとする課題は、光応答速度が極めて速く、しかも製造が容易な多層透明受光素子およびこの多層透明受光素子を用いた高性能の電子機器を提供することである。
互いに積層された複数の、電子伝達タンパク質を用いたタンパク質透明受光素子を有する多層透明受光素子である。
また、この発明は、
互いに積層された複数の、電子伝達タンパク質を用いたタンパク質透明受光素子を有する多層透明受光素子を有する電子機器である。
1.第1の実施の形態(多層透明受光素子)
2.第2の実施の形態(多層透明受光素子)
3.第3の実施の形態(多層透明受光素子)
4.第4の実施の形態(多層透明受光素子)
5.第5の実施の形態(多層透明受光素子)
6.第6の実施の形態(多層透明受光素子)
7.第7の実施の形態(立体イメージングシステム)
8.第8の実施の形態(立体イメージングシステム)
9.第9の実施の形態(立体イメージングシステム)
10.第10の実施の形態(光ディスクシステム)
11.第11の実施の形態(光記録再生システム)
[多層透明受光素子]
図1は第1の実施の形態による多層透明受光素子を示す。
図1に示すように、この多層透明受光素子は、互いに積層されたN層(Nは2以上の整数)のタンパク質透明受光素子1により構成されている。タンパク質透明受光素子1の積層数Nは、この多層透明受光素子の用途に応じて適宜選ぶことができる。また、この多層透明受光素子およびタンパク質透明受光素子1の平面形状、大きさおよび厚さも適宜選ぶことができる。タンパク質透明受光素子1の厚さは一般的には例えば10μm〜1mmであるが、これに限定されるものではない。
図2に示すように、このタンパク質透明受光素子1においては、透明基板11上に設けられた透明電極12に電子伝達タンパク質層13が固定化され、この電子伝達タンパク質層13と電解質層14を介して対向するように透明対極15が設けられている。電子伝達タンパク質層13は電子伝達タンパク質の単分子膜または多分子膜からなる。電子伝達タンパク質層13の各電子伝達タンパク質は透明電極12に対して直接に固定化されてもよいし、自己組織化単分子膜などの中間層を介して間接的に固定化されてもよい。電解質層14は電解質溶液または固体電解質からなる。電解質層14が外部に洩れたり、空気と接触したり、乾燥したりするのを防止するために、好適には、電解質層14の周囲は封止壁(図示せず)により封止される。あるいは、タンパク質透明受光素子1の全体が透明容器に収納されることもある。
図3はこのタンパク質透明受光素子1の使用形態の第1の例を示す。
図3に示すように、この第1の例では、透明電極12上に電子伝達タンパク質層13が固定化されたタンパク質固定化電極と透明対極15とが互いに対向して設けられる。これらのタンパク質固定化電極および透明対極15は、透明容器16中に入れられた電解質溶液からなる電解質層14中に浸漬される。電解質溶液は、電子伝達タンパク質層13の電子伝達タンパク質の機能を損なわないものが用いられる。また、この電解質溶液の電解質(あるいはレドックス種)は、タンパク質固定化電極で酸化反応が起こり、透明対極15で還元反応が起こるもの、または、タンパク質固定化電極で還元反応が起こり、透明対極15で酸化反応が起こるものが用いられる。
図4に示すように、この第2の例では、第1の例のようにバイアス電源17を用いてバイアス電圧を発生させるのではなく、タンパク質固定化電極および透明対極15が持つ自然電極電位の差をバイアス電圧として用いる。この場合、透明参照電極18は用いる必要がない。したがって、このタンパク質透明受光素子1は、タンパク質固定化電極および透明対極15を用いる二電極系である。第2の例の上記以外のことは第1の例と同様である。
図5に示すように、このタンパク質透明受光素子1においては、タンパク質固定化電極と透明対極15との間に固体電解質からなる電解質層14が挟み込まれている。さらに、この電解質層14の周囲を取り巻くように、固体電解質の乾燥を防ぐための封止壁20が設けられている。固体電解質としては、電子伝達タンパク質層13の電子伝達タンパク質の機能を損なわないものが用いられ、具体的には、電子伝達タンパク質を吸着しない寒天やポリアクリルアミドゲルなどが用いられる。このタンパク質透明受光素子1により光電変換を行うには、タンパク質固定化電極および透明対極15が持つ自然電極電位の差をバイアス電圧として用い、タンパク質固定化電極の電子伝達タンパク質層13に光を照射する。この光は、電子伝達タンパク質層13の電子伝達タンパク質の光励起が可能な単色光またはこの光の成分を有する光である。この場合、タンパク質固定化電極および透明対極15が持つ自然電極電位の差、照射する光の強度および照射する光の波長のうちの少なくとも一つを調節することによって、素子内部を流れる光電流の大きさおよび/または極性を変化させることができる。第3の例の上記以外のことは第1の例と同様である。
この多層透明受光素子の製造方法の一例について説明する。
まず、透明基板11上に透明電極12を形成したものを電子伝達タンパク質と緩衝液とを含む溶液に浸漬し、電子伝達タンパク質を透明電極12上に固定化する。こうして、透明電極12上に電子伝達タンパク質層13が形成されたタンパク質固定化電極が形成される。
次に、このタンパク質固定化電極と透明対極15とを用いて例えば図3、図4または図5に示すタンパク質透明受光素子1を製造する。
この後、このタンパク質透明受光素子1を必要な数だけ積層し、この際、必要に応じて透明接着剤などによりタンパク質透明受光素子1同士を接着する。
この多層透明受光素子の各タンパク質透明受光素子1の電子伝達タンパク質層13にこの電子伝達タンパク質層13の電子伝達タンパク質に応じた波長の単色光またはこの波長成分を含む光が入射すると、電子伝達タンパク質層13の電子伝達タンパク質から光励起により電子が発生し、電子伝達により透明電極12に電子が移動する。そして、透明電極12と透明対極15とから外部に光電流が取り出される。
この多層透明受光素子は、光電変換を利用する各種の装置や機器などに用いることができ、具体的には、例えば、受光部を有する電子機器などに用いることができる。このような電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含む。例えば、後述のように、一つのレンズを用いて互いに異なる位置にある複数の被写体に焦点を同時に合わせることができるカメラを実現することができる。これは一度に立体映像を再現する情報を一眼で取得することができることを示しており、よりシンプルでコンパクトなステレオカメラを実現することができる。また、この多層透明受光素子を用いることにより、一眼でのマルチフォーカス化や高速フォーカス化も可能となる。さらに、多層光ディスクを用いる光ディスクシステムやホログラフィック記録媒体を用いる光記録再生システムの受光素子としてこの多層透明受光素子を用いることにより、多層光ディスクの並列読み出し(パラレルリードアウト)やホログラフィック記録媒体の読み出し(リードアウト)を容易に行うことができる。
[多層透明受光素子]
第2の実施の形態による多層透明受光素子は、タンパク質透明受光素子1の電子伝達タンパク質層13の電子伝達タンパク質として新規な電子伝達タンパク質を用いることを除いて、第1の実施の形態による多層透明受光素子と同様な構成を有する。
この新規な電子伝達タンパク質は、哺乳類由来のシトクロムcのヘムの中心金属の鉄をスズに置換したスズ置換シトクロムc、または、哺乳類由来のシトクロムcのアミノ酸配列において1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、スズを含むタンパク質である。ここで、哺乳類由来のシトクロムcとしては、例えば、ウマ心筋シトクロムcまたはウシ心筋シトクロムcが挙げられる。これらの新規な電子伝達タンパク質は、光照射に対する安定性が極めて高く、光電変換機能を長期にわたって維持することができる。
スズ置換シトクロムcの詳細および調製方法について説明する。
表1にウマ心筋シトクロムc(CYC HORSEと表示)およびウシ心筋シトクロムc(CYC BOVINと表示)のアミノ酸配列(一文字記号)を示す。表1に示すように、ウシ心筋シトクロムcとウマ心筋シトクロムcとは全104アミノ酸残基中、3残基だけが異なる。ウマ心筋シトクロムcのThr48、Lys61、Thr90が、ウシ心筋シトクロムcではSer48、Gly61、Gly90にそれぞれ置換されている。
スズ置換ウマ心筋シトクロムcおよびスズ置換ウシ心筋シトクロムcを次のようにして調製した。比較実験用に亜鉛置換ウマ心筋シトクロムcおよび亜鉛置換ウシ心筋シトクロムcも調製した。
ウマ心筋シトクロムcおよびウシ心筋シトクロムcとしては、ともにSigma社製のものを使用した。
以下においては、スズ置換ウマ心筋シトクロムcの調製方法を主に説明するが、スズ置換ウシ心筋シトクロムc、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムcおよび亜鉛置換ウシ心筋シトクロムcの調製方法も同様である。なお、ウマ心筋シトクロムcまたはウシ心筋シトクロムcのアミノ酸配列において1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、スズを含むタンパク質も、ランダムミューテーション、化学修飾などの技術を適宜用いて同様に調製可能である。
上記の4種類の金属置換シトクロムc、すなわちスズ置換ウマ心筋シトクロムc、スズ置換ウシ心筋シトクロムc、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムcおよび亜鉛置換ウシ心筋シトクロムcの光照射分解実験を以下のようにして行った。
約4μMの金属置換シトクロムc(10mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)に溶解)1mLをキュベットに入れ、亜鉛置換体には波長420nm(強度1255μW)、スズ置換体には波長408nm(強度1132μW)の光を暗室中、室温で照射した。30分毎に波長240〜700nmの紫外可視吸収スペクトルを測定した。その結果を図10〜図13に示す。図12および図13中の矢印は、スペクトルの変化方向を示す。
光電流発生実験に用いるタンパク質固定化電極を次のようにして作製した。
図16に示すように、大きさが15.0mm×25.0mmで厚さが1mmのガラス基板21上に所定形状のITO電極22を形成した。ITO電極22の各部の寸法は図16に示す通りである。ITO電極22の厚さは100nmである。このITO電極22は作用極となる。照射領域23の大きさは4.0mm×4.0mmである。この照射領域23におけるITO電極22上に50μMの金属置換シトクロムc溶液(10mM Tris−HCl(pH8.0)に溶解)10μLでドロップを作製し、4℃、二日間放置した。こうしてタンパク質固定化電極を作製した。
金属置換シトクロムcの異なる濃度の希薄溶液を用意し、波長380〜440nmの紫外可視吸収スペクトル、波長500〜700nmの蛍光スペクトル(励起波長409nm)を測定した。その結果を図19および図20に示す。
図21および図22に示すように、波長409nmにおける吸光度を横軸(x軸)に、波長560〜670nm間の積分蛍光強度を縦軸(y軸)にとり、各データをプロットして直線近似曲線を描いた。こうして得られた直線の傾きが蛍光量子収率となる。図20に示す蛍光スペクトルにおいて波長560〜670nm間の面積を積分蛍光強度(任意単位(a.u.))とした。亜鉛置換ウマ心筋シトクロムcの直線の傾き、すなわち蛍光量子収率を1.0としたときの各金属置換シトクロムcの相対蛍光量子収率Φを算出した。その結果を表3に示す。表3から分かるように、スズ置換体の蛍光強度は、亜鉛置換体の蛍光強度のおよそ1/7〜1/8である。このスズ置換体における励起電子の寿命の短さが、光照射時のラジカル発生を抑え、安定化に寄与していると考えられる。
この多層透明受光素子の製造方法の一例について説明する。
まず、透明基板11上に透明電極12を形成したものを電子伝達タンパク質と緩衝液とを含む溶液に浸漬し、電子伝達タンパク質を透明電極12上に固定化する。こうして、透明電極12上に電子伝達タンパク質層13が形成されたタンパク質固定化電極が形成される。
次に、このタンパク質固定化電極と透明対極15とを用いて例えば図3、図4または図5に示すタンパク質透明受光素子1を製造する。
この後、このタンパク質透明受光素子1を必要な数だけ積層し、この際、必要に応じて透明接着剤などによりタンパク質透明受光素子1同士を接着する。
この多層透明受光素子の各タンパク質透明受光素子1の電子伝達タンパク質層13にこの電子伝達タンパク質層13の電子伝達タンパク質に応じた波長(例えば、409nm程度)の単色光またはこの波長成分を含む光が入射すると、電子伝達タンパク質層13の電子伝達タンパク質から光励起により電子が発生し、電子伝達により透明電極12に電子が移動する。そして、透明電極12と透明対極15とから外部に光電流が取り出される。
[多層透明受光素子]
第3の実施の形態による多層透明受光素子は、タンパク質透明受光素子1の電子伝達タンパク質層13の電子伝達タンパク質として新規な電子伝達タンパク質を用いることを除いて、第1の実施の形態による多層透明受光素子と同様な構成を有する。
この新規な電子伝達タンパク質は、哺乳類由来のシトクロムcのヘムの中心金属の鉄を亜鉛およびスズ以外の金属に置換し、蛍光励起寿命τが5.0×10-11 s<τ≦8.0×10-10 sである金属置換シトクロムc、または、哺乳類由来のシトクロムcのアミノ酸配列において1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、亜鉛およびスズ以外の金属を含み、蛍光励起寿命τが5.0×10-11 s<τ≦8.0×10-10 sであるタンパク質である。ここで、哺乳類由来のシトクロムcとしては、例えば、ウマ心筋シトクロムcまたはウシ心筋シトクロムcが挙げられる。これらの新規な電子伝達タンパク質は、光照射に対する安定性が極めて高く、光電変換機能を長期にわたって維持することができる。
ウマ心筋シトクロムcおよびウシ心筋シトクロムcのヘムの中心金属の鉄をスズおよび亜鉛以外の金属に置換した金属置換ウマ心筋シトクロムcおよび金属置換ウシ心筋シトクロムcについて説明する。
これらの金属置換ウマ心筋シトクロムcおよび金属置換ウシ心筋シトクロムcに用いられる金属の例を表4に示す。この金属を中心金属として含むポルフィリンは蛍光を発することが知られている(非特許文献5)。表4において、各元素記号の下に記載されている数値は金属オクタエチルポルフィリンで測定したりん光寿命を示す。
こうして得られる金属置換ウマ心筋シトクロムcおよび金属置換ウシ心筋シトクロムcは光照射に対して、スズ置換ウマ心筋シトクロムcおよびスズ置換ウシ心筋シトクロムcと同等に安定であり、光分解がほとんど起こらない。
亜鉛置換ウマ心筋シトクロムcの分子内ホールトランスファー速度(非特許文献4)は次の通りである。分子軌道(MO)の番号として非特許文献4に準じた分子軌道番号を用いると、MO3272−MO3271間の遷移では1.5×1011s-1、MO3268−MO3270間の遷移では2.0×1010s-1である。そこで、分子内ホールトランスファー速度の下限を後者の2.0×1010s-1とする。
スズ置換ウマ心筋シトクロムcの電子励起1回の間の分子内ホールトランスファー回数は、MO3272−MO3271間の遷移では(1.5×1011s-1)×(8.0×10-10 s)=120回、MO3268−MO3270間の遷移では(2.0×1010s-1)×(8.0×10-10 s)=16回である。そこで、電子励起1回の間の分子内ホールトランスファー回数の下限を後者の16回とする。
この場合、ホールトランスファーを最低1回起こすのに必要な蛍光励起寿命は8.0×10-10 s/16=5.0×10-11 sである。
この第3の実施の形態によれば、タンパク質透明受光素子1の電子伝達タンパク質層13の電子伝達タンパク質として金属置換ウマ心筋シトクロムcまたは金属置換ウシ心筋シトクロムcを用いることにより、スズ置換ウマ心筋シトクロムcおよびスズ置換ウシ心筋シトクロムcを用いた第2の実施の形態による多層透明受光素子と同様な利点を得ることができる。
[多層透明受光素子]
第4の実施の形態による多層透明受光素子は、タンパク質透明受光素子1の電子伝達タンパク質層13として電子伝達タンパク質からなる固体タンパク質層を用いることを除いて、第1の実施の形態による多層透明受光素子と同様な構成を有する。
図23はタンパク質透明受光素子1として用いられる非接液全固体型タンパク質透明受光素子を示す。この非接液全固体型タンパク質透明受光素子においては固体タンパク質層を用いる。ここで、固体タンパク質層とは、水などの液体を含まずにタンパク質が集合して層状の固体をなすものを意味する。また、非接液全固体型タンパク質透明受光素子の「非接液」とは、タンパク質透明受光素子の内外が水などの液体と接触しない状態で使用されることを意味する。また、非接液全固体型タンパク質透明受光素子の「全固体型」とは、素子の全ての部位が水などの液体を含まないものであることを意味する。
まず、透明電極41、42の一方、例えば透明電極41上に、電子伝達タンパク質43aを含む溶液、典型的には電子伝達タンパク質43aを水を含む緩衝液に溶解したタンパク質溶液を液滴下法、スピンコート法、ディップ法、スプレー法などにより付着させる。
次に、透明電極41上にタンパク質溶液を付着させたものを、室温またはより低い温度に保持することにより、付着させたタンパク質溶液中の電子伝達タンパク質43aを透明電極41に固定化させる。
こうして、電子伝達タンパク質43aのみが透明電極41に固定化され、固体タンパク質層43が形成される。この固体タンパク質層43の厚さは、透明電極41上に付着させるタンパク質溶液の量やタンパク質溶液の濃度などにより容易に制御することができる。
次に、この固体タンパク質層43上に透明電極42を形成する。この透明電極42は、スパッタリング法、真空蒸着法などにより導電材料を堆積させることにより形成することができる。
以上のようにして目的とする非接液全固体型タンパク質透明受光素子が製造される。
非接液全固体型タンパク質透明受光素子の透明電極41と透明電極42との間に透明電極42側が低電位となるように電圧(バイアス電圧)を印加しておく。この非接液全固体型タンパク質透明受光素子の固体タンパク質層43に光が入射しないときには、この固体タンパク質層43は絶縁性であり、透明電極41と透明電極42との間に電流は流れない。この状態が非接液全固体型タンパク質透明受光素子のオフ状態である。これに対して、図25に示すように、例えば、透明電極41を透過して固体タンパク質層43に光(hν)が入射すると、この固体タンパク質層43を構成する電子伝達タンパク質43aが光励起され、その結果、この固体タンパク質層43が導電性となる。そして、透明電極42から電子(e)が固体タンパク質層43を通って透明電極41に流れ、透明電極41と透明電極42との間に光電流が流れる。この状態が非接液全固体型タンパク質透明受光素子のオン状態である。このように固体タンパク質層43は光導電体として振る舞い、この非接液全固体型タンパク質透明受光素子への光の入射の有無によりオン/オフ動作が可能である。
図26Aに示すように、ガラス基板51上に透明電極41として所定形状のITO電極52を形成した。ITO電極52の厚さは100nm、面積は1mm2 である。このITO電極52は作用極となる。
スズ置換ウマ心筋シトクロムc、スズ置換ウシ心筋シトクロムcおよび亜鉛置換ウマ心筋シトクロムcをそれぞれTris−HCl緩衝液(pH8.0)に高濃度に溶解したタンパク質溶液(200μM)を調製した。
次に、室温で2時間、あるいは4℃で一昼夜置き、タンパク質液滴53中のスズ置換ウマ心筋シトクロムc、スズ置換ウシ心筋シトクロムcまたは亜鉛置換ウマ心筋シトクロムcをITO電極52に固定化させた。
こうして非接液全固体型タンパク質透明受光素子が製造される。この非接液全固体型タンパク質透明受光素子の断面構造を図28に示す。
液系タンパク質透明受光素子は次のようにして作製した。まず、ガラス基板上に形成されたITO膜の表面の所定部位をテープまたは樹脂でマスクする。次に、マスクされていない部分のITO膜を12M HCl(50℃)を用いて90秒ウエットエッチングすることにより除去する。次に、このガラス基板を水で洗浄した後、マスクを除去し、さらに空気流中で乾燥させる。次に、このガラス基板に対して1%Alconox(登録商標)水溶液中で30分の超音波処理を行い、引き続いてイソプロパノール中で15分の超音波処理を行い、さらに水中で15分の超音波処理を2回行う。次に、このガラス基板を0.01M NaOH中に3分間浸漬した後、空気または窒素流で乾燥させる。この後、このガラス基板に対して約60℃で15分紫外線(UV)−オゾン表面処理を行う。以上のようにしてITO電極を形成した。このITO電極は作用極となる。次に、第1の方法では、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムcをTris−HCl緩衝液(pH8.0)に溶解したタンパク質溶液(50μM)により上述のようにして形成されたITO電極をリンスする。次に、こうしてタンパク質溶液によりリンスしたITO電極を4℃で一晩保持した後、水でリンスし、空気または窒素流で乾燥させる。第2の方法では、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムcをTris−HCl緩衝液(pH8.0)に溶解したタンパク質溶液(50μM)により上述のようにして形成されたITO電極をリンスする。あるいは、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムcをリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)に溶解したタンパク質溶液(5μM)により上述のようにして形成されたITO電極をリンスする。次に、こうしてタンパク質溶液によりリンスしたITO電極を真空中で乾燥させる。この後、このITO電極を水でリンスし、空気または窒素流で乾燥させる。以上のようにしてITO電極上にタンパク質が固定化されたタンパク質固定化電極が形成される。次に、このタンパク質固定化電極のタンパク質側を対向電極として別途作製した清浄なITO電極と所定の距離離して対向させ、これらのタンパク質固定化電極およびITO電極の外周部を樹脂により封止する。対向電極としてのITO電極には、これらのタンパク質固定化電極およびITO電極の間の空間と連通するピンホールを空気の出入り口として形成しておく。次に、こうしてタンパク質固定化電極およびITO電極の外周部を樹脂により封止したものを容器中に入れられた電解質溶液中に浸漬する。電解質溶液としては、10mMリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.0)中に0.25mMのフェロシアン化カリウムを溶解したものを用いた。次に、この容器を真空中に保持し、タンパク質固定化電極およびITO電極の間の空間中の空気を上記のピンホールから外部に排出する。次に、この容器を大気圧に戻し、タンパク質固定化電極およびITO電極の間の空間に電解質溶液を満たす。この後、上記のピンホールを樹脂で封止する。以上により、液系タンパク質透明受光素子が作製される。
f(x)=a×exp(b×x)+c×exp(d×x)
この関数f(x)の係数a、b、c、dは下記の通りである。各係数の後の括弧内の数値は95%信頼区間を示す。
a=5.204×10-9(5.029×10-9,5.378×10-9)
b=−0.00412(−0.00441,−0.003831)
c=1.799×10-10 (2.062×10-11 ,3.392×10-10 )
d=−0.0004618(−0.0008978,−2.58×10-5)
a=5.067×10-11 (4.883×10-11 ,5.251×10-11 )
b=−0.0009805(−0.001036,−0.0009249)
c=4.785×10-11 (4.58×10-11 ,4.99×10-11 )
d=−0.0001298(−0.0001374,−0.0001222)
t=[a/(a+c)](−1/b)+[c/(a+c)](−1/d)
と定義する。この定義によると、液系タンパク質透明受光素子の寿命は306秒であるのに対し、非接液全固体型タンパク質透明受光素子の寿命は4266秒である。従って、非接液全固体型タンパク質透明受光素子の寿命は液系タンパク質透明受光素子の寿命の少なくとも14倍以上長いことが分かる。
図36は液系タンパク質透明受光素子の周波数応答の測定結果、図37は非接液全固体型タンパク質透明受光素子の周波数応答の測定結果を示す。図36および図37より、液系タンパク質透明受光素子の3dB帯域幅(光電流値が最大光電流値の50%となる周波数)は30Hzより低いのに対し、非接液全固体型タンパク質透明受光素子の3dB帯域幅は400Hz以上であった。このことから、非接液全固体型タンパク質透明受光素子の応答速度は液系タンパク質透明受光素子の応答速度の少なくとも13倍以上も速いことが分かる。
f(x)=a×exp(b×x)+c×exp(d×x)
この関数f(x)の係数a、b、c、dは下記の通りである。
液系タンパク質透明受光素子
a=1.72×10-8
b=−0.00462
c=3.51×10-9
d=−0.000668
非接液全固体型タンパク質透明受光素子(単分子膜)
a=0.4515
b=−0.002599
c=0.3444
d=−0.0001963
非接液全固体型タンパク質透明受光素子(多分子膜)
a=0.5992
b=−0.002991
c=0.2371
d=−0.0001513
液系タンパク質透明受光素子 :2.54×102 秒
非接液全固体型タンパク質透明受光素子(単分子膜):2.71×103 秒
非接液全固体型タンパク質透明受光素子(多分子膜):2.73×103 秒
上述と同様に、これらの非接液全固体型タンパク質透明受光素子および液系タンパク質透明受光素子の寿命tを
t=[a/(a+c)](−1/b)+[c/(a+c)](−1/d)
と定義する。この定義によると、液系タンパク質透明受光素子の寿命は434秒であるのに対し、非接液全固体型タンパク質透明受光素子(単分子膜)の寿命は2423秒、非接液全固体型タンパク質透明受光素子(多分子膜)の寿命は2113秒である。従って、非接液全固体型タンパク質透明受光素子の寿命は液系タンパク質透明受光素子の寿命の少なくとも約5倍以上長いことが分かる。
例えば、後述のように、一つのレンズを用いて互いに異なる位置にある複数の被写体に焦点を同時に合わせることができるカメラを実現することができる。また、この多層透明受光素子を用いることにより、一眼でのマルチフォーカス化や高速フォーカス化も可能となる。さらに、多層光ディスクを用いる光ディスクシステムやホログラフィック記録媒体を用いる光記録再生システムの受光素子としてこの多層透明受光素子を用いることにより、多層光ディスクの並列読み出しやホログラフィック記録媒体の読み出しを高速で容易に行うことができる。
[多層透明受光素子]
第5の実施の形態による多層透明受光素子は、N層のタンパク質透明受光素子1を積層した構成を有するのは第1の実施の形態による多層透明受光素子と同じであるが、タンパク質透明受光素子1からなる画素が面内において多数集積形成されている点が第1の実施の形態と異なる。
すなわち、図40に示すように、この多層透明受光素子においては、例えばN番目の透明基板11と(N−1)番目の透明基板11との間に透明なスペーサ61が設けられており、このスペーサ61の厚さによりこれらの透明基板11の間隔が規定されている。スペーサ61とスペーサ61との間の空間にタンパク質透明受光素子1からなる画素62が設けられており、この画素62が面内に二次元マトリクス状に多数配列されている。この画素62が配列された面が受光面を構成し、この受光面が合計N段存在する。
この集積型多層透明受光素子における各画素62からの信号の取り出しや処理などには従来公知の技術を用いることができる。例えば、m行n列の二次元マトリクス状に配列された各画素62の上下の電極と接続されるように、行方向および列方向に配線を形成しておく。そして、例えば、選択された列のm個の画素62からの信号を読み出すためには、この列の画素62の一方の電極に接続された配線にだけ所定のバイアス電圧を印加し、このときm行の画素62の他方の電極に接続された配線に流れる光電流を検出する。
この第5の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様な利点を得ることができる。また、この集積型多層透明受光素子は、第1の実施の形態による多層透明受光素子と同様な応用が可能である。
[多層透明受光素子]
図41に示すように、この第6の実施の形態による多層透明受光素子においては、例えばN番目の透明基板11と(N−1)番目の透明基板11との間に高さが可変で透明なスペーサ61が設けられており、このスペーサ61の厚さによりこれらの透明基板11の間隔が規定されている。そして、スペーサ61とスペーサ61との間の空間にタンパク質透明受光素子1からなる画素62が設けられており、この画素62が面内に二次元マトリクス状に多数配列されている。この画素62が配列された面が受光面を構成し、この受光面が合計N段存在する。この場合、このタンパク質透明受光素子1からなる画素62の厚さはスペーサ61の厚さよりも小さく、しかもこのタンパク質透明受光素子1からなる画素62の幅はスペーサ61とスペーサ61との間の空間の幅よりも小さく、透明基板11とこの画素62との間およびスペーサ61とこの画素62との間には隙間が存在している。このように透明基板11と画素62との間およびスペーサ61と画素62との間に隙間が存在するため、この多層透明受光素子をフレキシブルに構成することができる。
この集積型多層透明受光素子における各画素62からの信号の取り出しや処理などには従来公知の技術を用いることができる。
この第6の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様な利点を得ることができる。また、この集積型多層透明受光素子は、第1の実施の形態による多層透明受光素子と同様な応用が可能である。
[立体イメージングシステム]
第7の実施の形態による立体イメージングシステムにおいては、光センサーとして第5または第6の実施の形態による集積型多層透明受光素子を備えたカメラを用いる。このカメラはデジタルカメラやビデオカメラなどである。
このカメラは、このカメラの撮像光学系の光軸方向が、集積型多層透明受光素子のタンパク質透明受光素子1からなる画素62の積層方向と一致するように構成されている。こうすることで、このカメラでは、集積型多層透明受光素子のN段の受光面のそれぞれを被写体を撮影する際の焦点合わせに用いることができる。このため、このカメラから異なる距離にある被写体のいずれにも焦点を合わせて撮像することができる。例えば、図42に示すように、カメラ71から距離d1 の位置に花72があり、距離d2 (d2 >d1 )の位置に山73がある場合、これらの花72および山73をカメラ71により撮影する際、集積型多層透明受光素子によりこれらの花72および山73の両方に焦点を合わせることができ、その状態で撮影することができる。そして、集積型多層透明受光素子からの信号を処理することにより三次元の画像を得ることができる。この画像では、花72および山73の両方とも鮮明に撮影されており、しかも花72は近くに、山73は遠くに見え、遠近感も十分に得ることができる。
第1の例では、カメラ71により撮影されたリアルな三次元画像をディスプレイに表示する。例えば、花71が近くに位置し、山72が遠くに位置するリアルな三次元画像を表示することができる。
図44は集積型多層透明受光素子の撮像光学系を示す。撮像光学系には一般には二つ以上のレンズが含まれるが、ここでは説明を簡単にするため一つのレンズLだけがあるとする。像面I1 〜IN は集積型多層透明受光素子のN段の受光面に対応する。いま、レンズLから互いに異なる距離にある物体O1 、O2 を考える。レンズLによる物体O1 の像は像面I2 に結像し(像点O1 ´)、物体O2 の像は像面I1 に結像する(像点O2 ´)。この場合、物体O1 、O2 の両方とも焦点を合わせることができ、それらの鮮明な像を得ることができる。
いま、図47に示すように、レンズLにより結像された被写体の像が、集積型多層透明受光素子の受光面R1 〜R3 のうち受光面R1 と受光面R2 との間にあるとする。この場合、受光面R1 〜R3 のそれぞれにおける点像強度分布関数(point spread function)SPF1、SPF2、SPF3の関数F(SPF1、SPF2、SPF3)として被写体の結像面の点像強度分布関数SPFx を求めることができる。この計算はコンピュータにより容易に行うことができる。そして、この点像強度分布関数SPFx を用いて被写体の画像を得ることができ、この画像をディスプレイに表示することができる。
[立体イメージングシステム]
第8の実施の形態による立体イメージングシステムにおいては、光センサーとして第6の実施の形態による集積型多層透明受光素子を備えたカメラを用いる。
図52に示すように、このカメラ71においては、光センサーとして、湾曲した形状の集積型多層透明受光素子80を用いる。そして、この集積型多層透明受光素子80の曲率中心の近傍にレンズLを配置する。こうすることで、広い角度範囲にある複数の物体(例えば、物体O1 、O2 )を同時に撮影することができる。
[立体イメージングシステム]
第9の実施の形態による立体イメージングシステムにおいては、受光素子として第6の実施の形態による集積型多層透明受光素子を備えたカメラを用いる。
図53に示すように、このカメラ71においては、受光素子として、円柱面状の集積型多層透明受光素子81を用いる。そして、この集積型多層透明受光素子81の外周にレンズLを配置する。こうすることで、360°の角度範囲にある物体O1 、O2 を同時に撮影することができ、全方位の立体イメージングシステムを得ることができる。
[光ディスクシステム]
図54に第10の実施の形態による光ディスクシステムを示す。
図54に示すように、この光ディスクシステムにおいては、N層の記録層を有する多層光ディスク91を用い、N層のタンパク質透明受光素子1を有する多層透明受光素子92を用いてこの多層光ディスク91のN層の記録層に記録されたデジタルデータを一括して読み出す。具体的には、図54に示すように、低コヒーレンスの光源93からの光94をビームスプリッタ95により二つに分け、ビームスプリッタ95を透過した光を多層光ディスク91に入射させる。多層光ディスク91に入射した光は各記録層でそれぞれ反射されて多層透明受光素子92に入射する。一方、ビームスプリッタ95で反射された光はミラー96、97で順次反射させた後、多層透明受光素子92に入射させる。こうして、ビームスプリッタ95により二つに分けられた光が多層透明受光素子92に入射すると、これらの光は干渉を起こす。その結果、図54の多層透明受光素子92の直ぐ横に示すように、多層透明受光素子92のN層の受光面における光の強度の分布が得られる。この強度分布は多層光ディスク91の各記録層に記録されたデータを反映したものとなる。この場合、例えば、しきい値強度I0 より強度のピークが高いときを「1」、低いときを「0」とすることにより、多層光ディスク91に記録されたデジタルデータを読み出すことができる。
[光記録再生システム]
図55に第11の実施の形態による光記録再生システムを示す。
図55に示すように、この光記録再生システムにおいては、ホログラフィック記録媒体101を用い、N層のタンパク質透明受光素子1を有する多層透明受光素子102を用いてこのホログラフィック記録媒体101に記録されたデータを読み出す。具体的には、図55に示すように、高コヒーレンスの光源103からの光104をビームスプリッタ105により二つに分け、ビームスプリッタ105を透過した光をホログラフィック記録媒体101に入射させる。ホログラフィック記録媒体101に入射した光は多層透明受光素子92に向かう。一方、ビームスプリッタ105で反射された光はレンズ106を通って多層透明受光素子102に入射し、ホログラフィック記録媒体101から来た光と重ね合わされる。その結果、多層透明受光素子92上に、ホログラフィック記録媒体101に記録された画像が光の強度分布として現れる。こうして、ホログラフィック記録媒体101に記録された画像を再生することができる。
例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。
Claims (13)
- 互いに積層された複数の、電子伝達タンパク質を用いたタンパク質透明受光素子を有する多層透明受光素子。
- 上記電子伝達タンパク質は、哺乳類由来のシトクロムcのヘムの中心金属の鉄をスズに置換したスズ置換シトクロムc、または、哺乳類由来のシトクロムcのアミノ酸配列において1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、スズを含むタンパク質である請求項1記載の多層透明受光素子。
- 上記哺乳類由来のシトクロムcがウマ心筋シトクロムcまたはウシ心筋シトクロムcである請求項2記載の多層透明受光素子。
- 上記電子伝達タンパク質が透明電極に固定化されている請求項1記載の多層透明受光素子。
- 上記タンパク質透明受光素子は上記電子伝達タンパク質が上記透明電極に固定化されたタンパク質固定化電極と対極とを有する請求項4記載の多層透明受光素子。
- 上記タンパク質透明受光素子は第1の電極と第2の電極との間に上記電子伝達タンパク質からなる固体タンパク質層を挟んだ構造を有する請求項1記載の多層透明受光素子。
- 互いに積層された複数の、電子伝達タンパク質を用いたタンパク質透明受光素子を有する多層透明受光素子を有する電子機器。
- 上記電子伝達タンパク質は、哺乳類由来のシトクロムcのヘムの中心金属の鉄をスズに置換したスズ置換シトクロムc、または、哺乳類由来のシトクロムcのアミノ酸配列において1もしくは数個のアミノ酸が欠失、置換もしくは付加されたアミノ酸配列からなり、スズを含むタンパク質である請求項7記載の電子機器。
- 上記哺乳類由来のシトクロムcがウマ心筋シトクロムcまたはウシ心筋シトクロムcである請求項8記載の電子機器。
- 上記電子伝達タンパク質が透明電極に固定化されている請求項7記載の電子機器。
- 上記タンパク質透明受光素子は上記電子伝達タンパク質が上記透明電極に固定化されたタンパク質固定化電極と対極とを有する請求項10記載の電子機器。
- 上記タンパク質透明受光素子は第1の電極と第2の電極との間に上記電子伝達タンパク質からなる固体タンパク質層を挟んだ構造を有する請求項7記載の電子機器。
- 上記電子機器が三次元ディスプレイ、三次元イメージセンサー、カメラまたは光記録再生システムである請求項7記載の電子機器。
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