JP2925595B2 - 光電変換測定法及び測定システム - Google Patents

光電変換測定法及び測定システム

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Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 この発明は、光電変換測定法及び測定システムに関す
る。さらに詳しくは、紫膜フィルムの光電変換能、配向
性等を正確に評価でき、さらに光電変化素子への適用も
可能な光電変換測定法及び測定システムに関する。
(ロ)従来の技術 高度好塩菌の細胞膜中に存在し、蛋白質バクテリオロ
ドプシン(BR)の二次元結晶集合体である紫膜は光電変
換機能を有し、光電変換素子への応用が期待されてい
る。この光電変換機能は、光を照射したときの紫膜の電
荷分離の反応と、紫膜によるプロトン輸送によって起こ
ると考えられている(F.T.Hong,et.al.,Biophysical So
ciety,vol.25,465(1979),V.P.Skulachev,Methods in
Enzymology,Academic Press,vol.88,35(1982))。そ
して、光電変換機能は乾燥させた配向性紫膜フィルム
(紫膜の表裏を揃えて堆積、または固定化した膜)に於
いて比較的大きな値を示し、光電変換効率はその配向性
によって大きく左右される。ここで配向性の比較的高い
紫膜フィルムを作製する方法として、電着法(Gy.Varo.
Acta,biol.Acad.Sci.hung,vol.32,301(1981))、LB法
(T.Furuno,Thin Solid Films,vol.160,145(198
8))、電界の中でのポリマーによる固定化法(功刀
滋ら、Polymer Preprints,Japan,vol.37,No.7,1908(19
88))などがある。
そして、このような配向性紫膜フィルムの光電変換機
能や配向性の評価のための光電変換測定は、従来、平板
状のITO(インジュウム錫オキサイド)電極などの透明
電極の上に紫膜フィルムを形成し、その上に金属(主
に、Pt、Al)を蒸着、あるいは、圧着することで光電変
換測定用のサンプルを作製し、透明電極側から紫膜フィ
ルムに光を照射したときの電極間に生ずる電圧を測定す
ることにより行われていた。
(ハ)発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記従来の光電変位測定においては、 紫膜フィルムと金属電極との界面で接触電位が生ずる
ことにより、正確な光電変換値を測定できない、 蒸着、圧着によって紫膜フィルムを損傷する、 周囲の湿度によって紫膜フィルムの抵抗値が変わるこ
と、紫膜フィルムの表面で漏れ電流が発生することで、
光電変換測定用サンプルの抵抗値が変わり、測定値が変
化する、 金属の蒸着によって対極を作製する場合には、その蒸
着操作と蒸着電極へのリード線取付けに手間がかかる、 等々の問題があった。
この発明は、かかる状況下なされたものであり、こと
に、紫膜フィルム損傷における問題、接触した電極の影
響、紫膜フィルムの抵抗値や漏れ電流の影響によって測
定値が変化する問題を解決し、手間をかけずに光電変換
測定を行え、それにより簡便かつ正確に紫膜フィルムの
光電変換機能や配向性を評価することができる新しい光
電変換測定法を提供しようとするものである。
(ニ)課題を解決するための手段 かくしてこの発明によれば、表面に配向性紫膜フィル
ムが形成された透明電極の紫膜フィルム成形面側に、該
紫膜フィルムの膜厚の約100〜5000倍の対向間隔で対向
電極を配置すると共に、上記透明電極と対向電極間に閉
回路を形成し、上記紫膜フィルムへの光入射時に上記閉
回路を生じうる電流を測定することからなる光電変換測
定法が提供される。
この発明は、透明電極上に形成された紫膜フィルムに
対し対向電極を接触することなく特定の間隔即ち、空気
層を介して平行に対向配置し、この状態でこれら対向電
極と紫膜フィルム間に閉回路を構成した際に、紫膜フィ
ルムへの光照射により上記閉回路に光電変換機能の大小
に対応した電流が流れるという事実の発見に基づいてな
されたものである。
この発明の配向性紫膜フィルムとしては、透明電極上
に前記した電着等の種々の公知方法で形成したものを適
用することができる。通常、pH5〜9のバクテリオロド
プシン溶液を電着液として形成するのが好ましい。この
紫膜フィルムは、N末端とC末端とを有するバクテリオ
ロドプシンが一方向に揃って配向したものであり、単層
のみならず多層構造で配向したものであってもよい。
通常、多層構造の場合とも含めて紫膜フィルムの膜厚
としては0.05〜3μm程度が適している。なお、かかる
透明電極上の紫膜フィルムは、N末端側が透明電極側に
配向側に配向したものであってもよい。
ここで透明電極としては、ITO電極、酸化インジウム
電極、酸化インジウム−チタン電極等の公知の電極が適
用でき、これらは通常、ガラス基板、石英基板、プラス
チック基板(例えば、アクリル樹脂基板やポリカーボネ
ート基板)等の透光性基板上に形成された形態で用いら
れる。
この発明において、紫膜フィルムに対向配置される対
向電極としては、良導電性の金属板や金属膜が適用で
き、例えば、アルミニウム、白金、銀等の金属板や金属
膜が一つの好適な例として挙げられる。
かかる対向電極と紫膜フィルムとの対向間隔は、紫膜
フィルムの膜厚の約100〜5000倍とされる。ここで対向
間隔が100倍未満の場合には、発生する電流値にバラツ
キが生じ易く紫膜フィルムの正確な光電変換能や配向性
を評価を行うことができず、一方、5000倍を越えると、
閉回路で発生する電流値のレベルが低くなりすぎて適さ
ない。通常、光電変換能のより正確な評点の点で、対向
間隔を約100〜1000倍に設定するのが好ましい。
なお、閉回路で発生する電流は、後述するように透明
電極と対向電極との間で生じる静電誘導の原理に基づい
ていると考えられるため、対向電極の周囲には、後述す
る実施例のように電界のひずみ防止のための保護電極が
設けられていてもよい。
この発明の光電変換測定法は、紫膜フィルム形成透明
電極と対向電極とが上記所定間隔で対向保持され、この
間に、電流計を介設した閉回路を構成してなるシステム
によって効率良く実施できる。従って、この発明は、表
面に配向性紫膜フィルムが形成された透明電極と、該透
明電極の紫膜フィルム形成面側に該紫膜フィルムの膜厚
の約100〜5000倍の対向間隔で配置された対向電極と、
上記透明電極と対向電極との間を電気的に接続し電流計
を介設してなる閉回路とを備えてなる光電変換測定シス
テムをも提供するものである。なお、上記対向保持は、
一対の透光性基板の対向面の一方に対向電極を形成し、
この対向面間に、被測定対象の紫膜フィルムを形成した
透明電極配設基板を上記所定間隔を挿入保持可能なサン
プルホルダを用いて行うのが便利である。
(ホ)作用 この発明の光電変換測定法においては、紫膜フィルム
と対向電極とが隔離した状態で測定が行われるため、紫
膜フィルムと対向電極とのの接触電位の発生と紫膜フィ
ルムの損傷を避けることができる。その反面、電極間の
抵抗が著しく大きくなり、従来のような光照射によって
生ずる電圧の測定が困難となる。
そこで、この発明の方法においては、透明電極から対
向電極への閉回路を流れる電流の測定が行われる。光照
射時に生じる紫膜フィルムの分極は透明電極と対向電極
との間に電界を形成し、静電誘導の原理に基づいて電極
に電荷を誘導し、閉回路に電流を流す。この電流の時間
積分値は電極に蓄えられる電荷であり紫膜フィルムの光
電変換能や配向性の向上とともに高くなる。そして、こ
の電流は、回路中の電流計で容易に測定できるため、こ
の電流値に基づいて光電変換測定を行うことが可能とな
る。また、紫膜フィルムを有する透明電極と対向電極と
の距離を一定に保つサンプルホルダーを用いれば、透明
電極の基板を取り替えることにより、わずかな手間で多
くの紫膜フィルムについての光電変換測定が可能とな
り、測定誤差を小さくすることもできる。但し、紫膜フ
ィルムは、バクテリオロドプシンの暗順応⇔明順応の反
応によって分極の状態が異なるので、光照射の方法に注
意が必要である。1つの好ましい方法としては、暗順応
状態に保った紫膜フィルムへ定常光を照射し、回路を流
れる電流値やその時間積分によって発生電荷を求める方
法が挙げられ、この値によって紫膜サンプル間での配向
性の大小比較等が可能となる。
(ヘ)実施例 第1図(イ)〜(ロ)に示すサンプルホルダ1を用い
てこの発明の方法を実施した例について説明する。この
サンプルホルダ1は、2枚のアクリル樹脂5,6をスペー
サ10を挟んで3mmの間隔で平行に接着固定し、その対向
面の片面に対向電極となるアルミ板電極2を貼着してな
る。そして、アルミ板電極2の周囲には電界の歪みを小
さくするためにアルミ板製の保護電極3が設けられてい
る。なお、図中、7,8は閉回路構成用のリード線を、51,
52はリード線接続用の通孔を各々示すものである。
かかるサンプルホルダ1を用いた光電変換測定は、紫
膜フィルムが配向形成された透明電極(ITO電極)基板
を該紫膜フィルムがアルミ板電極2と一定間隔で対向す
るように、アクリル樹脂板5,6間に挿入固定した状態で
行われる。ここで、図中4は挿入固定された透明電極基
板を例示するものであり、9はこの透明電極基板固定用
のゴムバンドである。
ここで、この実施例において、幅aは55mm、bは55m
m、cは5mm、dは18mm、eは1mm、fは13mm、gは5mm、
hは3mm、iは0.5mm、jは1mm、kは1.5mmに設定されて
いる。すなわち、透明電極基板4を装着した状態で、IT
O電極と対向電極との間隔は約0.5mmに保たれる。紫膜フ
ィルムは厚くとも3μmであるから、約0.5mmが空気層
となる。光照射はITO電極側から行う。
第2図は上記サンプルホルダ1を用いた際の光電変換
測定用の閉回路を示すものである。ここで11は電流計、
12は照射光、41は被測定対象たる紫膜フィルム、42は透
明電極基板上のITO電極を各々示すものである。
このサンプルホルダを用いた光電変換測定において、
光照射は第3図の光電変換測定光学系で行った。図中、
13は光源(300Wのキセノンランプ)、14は干渉フィル
タ、15はシャッタ、16はビームスプリッタ、17はサンプ
ルホルダを内蔵するサンプル室、18は光パワーメータ、
を各々示すものであり、光ビームを集中して透明電極基
板42に照射できるよう構成されてなる。この光学系のサ
ンプル室17は、密閉型で内部を塩の飽和溶液によって湿
度調整でき(化学便覧3版基礎編II−143)、暗室であ
り、磁気シールドしている。セットしたサンプルホルダ
1を暗状態に数時間置き、その後の定常光照射したとき
の電流の変化を電流計11で測定することにより光電変換
測定が行われる。
以下に、実際の測定例を示す。
紫膜フィルム形成用の電着溶液をバクテリオロドプシ
ン濃度約1×10-4M、電導度約50μSに調製した。ITO
電極を備えた透明電極基板を陽極、電着用白金電極を陰
極とし、その間隔に電着溶液を満たし、印加電圧10V、
電極間距離1.1mm、電圧印加時間2秒の電着条件で、ITO
電極上に電着による配向性紫膜フィルムを形成した(膜
厚1.29μm)。次いでこの透明電極基板を取りだし、約
45%の相対湿度のサンプル室で数日間乾燥した後、上記
サンプルホルダ1にセットして波長568nm、光強度3.7mW
の定常光照射によって紫膜フィルム光電変換測定を行っ
た。その結果が、第4図であり、電荷の時間変化が示さ
れている。
次に、電着溶液のpHを変えて種々の紫膜フィルムを作
製し、その配向性を光電変換能によって比較した。電着
溶液のpH調整には塩酸と水酸化ナトリウムを用い、上述
の条件で電着した。光を照射し始めてから10分後の電荷
の値を光電変換値とした。光電変換測定におけるサンプ
ルの取り替えには手間がかからず、容易に第1表に結果
を得ることができた。光電変換値は紫膜フィルムの膜厚
に依存するため、同じ膜厚による比較が必要であり、こ
の結果は、膜厚が0.8μmのときの値である。
さらに、膜厚の異なる種々の紫膜フィルムについて対
向電極との間隔を変化させて、同様な光電変換測定を行
った際の結果を、第2表に示した。
このように紫膜フィルム膜厚の約100〜5000倍の対向
間隔において、電流測定による光電変換測定が可能であ
り、ことに100〜1000倍の間で高い光電変換能の評価が
行えることが判る。
(ト)発明の効果 この発明によれば、透明電極に作製した紫膜フィルム
の光電変換機能を、測定誤差を小さく、感度高く、サン
プルを損傷することなく、手間をかけずに測定ができ
る。また、サンプルの配向性を光電変換値で比較でき
る。さらに、光電変換機能の解明、1分子当りの双極子
モーメントの測定などにも応用できる。
また、この発明の光電変換システムは、新しい光電変
換素子としても利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】 第1図はこの発明の実施例で用いた光電変換用サンプル
ホルダを示し、(イ)はその横断面図、(ロ)はA−A
線断面図、(ハ)はB−B線断面図を示すものである。
第2図は、同じく実施例で用いた閉回路を示す模式図、
第3図は同じく実施例で用いた(光電変換測定)光学系
の模式図、第4図はこの発明の方法によって得られた光
電変換出力を例示するグラフ図である。 1……サンプルホルダ、2……アルミ板電極、3……保
護電極、4……透明電極基板、5,6……アクリル樹脂
板、7,8……リード線、9……ゴムバンド、10……スペ
ーサ、11……電流計、12……照射光、13……光源、14…
…干渉フィルタ、15……シャッタ、16……ビームスプリ
ッタ、17……サンプル室、18……パワーメータ、51,52
……通孔、41……紫膜フィルム、42……ITO電極。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】表面に配向性紫膜フィルムが形成された透
    明電極の紫膜フィルム成形面側に、該紫膜フィルムの膜
    厚の約100〜5000倍の対向間隔で対向電極を配置すると
    共に、上記透明電極と対向電極間に閉回路を形成し、上
    記紫膜フィルムへの光入射時に上記閉回路に生じうる電
    流を測定することからなる光電変換測定法。
  2. 【請求項2】表面に配向性紫膜フィルムが形成された透
    明電極と、該透明電極の紫膜フィルム形成面側に該紫膜
    フィルムの膜厚の約100〜5000倍の対向間隔で配置され
    た対向電極と、上記透明電極と対向電極との間を電気的
    に接続し電流計を介設してなる閉回路とを備えてなる光
    電変換測定システム。
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