JPH02281770A - 機能性蛋白質複合体を用いた光電変換素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光電変換素子の製造方法に関し、特に光合成生
物から得られる光合成反応ユニットを用いた光電変換素
子の製造方法に関する。

［従来の技術］ 植物、光合成細菌等の光合成生物は光合成反応に係わる
光合成器官を有する。光合成器官は脂質。

光合成ユニット、酸化還元酵素等を含み、その断片とし
て得られる光合成顆粒はクロマトフォア。

スフェロプラスト膜小胞のような蛋白質１脂質などから
なる膜から構成されている通常開じた小胞である。この
種の膜は光電変換反応を行う光合成反応中心蛋白質複合
体を持ち、光刺激によって膜を挾んで電位差を生じるこ
とが知られている。

たとえば、好塩性の光合成細菌であるハロバクテリウム
ハロビウムの光合成組織の膜である紫膜を界面活性剤で
部分的に分解した断片は膜の表裏の電荷が大きく異なる
。これらの光合成反応を利用した光電変換素子が検討さ
れている。

光合成顆粒は脂質２重層で区切られた小胞状に光合成の
機能を担う蛋白質複合体が埋め込まれたものである、こ
の機能性蛋白質複合体は、光を吸収し、電荷分離を誘起
する活性を有している。

電荷分離の結果生じた電子は、複合体の特定の経路を経
て移動するので、この機能性蛋白質複合体の機能には極
性（方向性）がある、生体内では方向性が揃うように機
能性蛋白質複合体が規則正しく配向している。

紅色光合成細菌の光合成器官は、脂質２重層で構成され
る小胞状、ラメラ状、あるいはチューブ状の膜構造に光
合成反応ユニットと呼ばれる蛋白質複合体が埋め込まれ
たものである。この光合成器官を細胞外に取出した構造
の１つとしてクロマトフォアが知られている。

クロマトフォアは、光合成細菌を超音波処理などの手法
で破砕した際に得られる小胞状の光合成器官であり、脂
質２重層に光合成反応ユニットが埋め込まれている。

クロマトフォアは光合成反応ユニットの他に電子伝達系
の蛋白質、酸化還元酵素等も混入した複雑な分子組成の
構造体であり、直径６０〜１１００ｎ程度の小胞である
。

第３図（Ａ＞、（Ｂ）に、本発明者等が以前提案した、
紅色光合成細菌の光合成顆粒を２種の電極で挾んだ簡便
な光電変換素子を示す。

第３図（Ａ）において、基板１上にＩＴＯ（インジウム
・錫酸化物）やＮＥＳＡ　（商品名）等の透明電極ある
いは蒸着Ａｕ薄膜等の光透過性電極２が形成され、その
上に光合成顆粒（タロマトホア、スフェロプラスト膜小
胞等）を塗布、乾燥させた固化膜３が形成されている。

同化膜３の上に対向電極４が蒸着等の手法で設けである
。上下の電極からリード線５が引き出しである。

第３図（Ｂ）は光電変換素子の他の構成例を示し、上部
の対向電極４が蒸着膜などの堆積膜ではなく、水銀玉で
ある点が第３図（Ａ）の構成と異なる。その他の点は第
３図（Ａ）と同様である。

第３図（Ａ）、（Ｂ）に示す光電変換素子において、基
板側から光を入射し、光合成顆粒の固化膜３が発生する
光応答を電極２．４を介してリード線５から取出す。

従来の光合成顆粒を利用した光電変換素子においては、
光合成顆粒の光電応答の方向性を揃えるための特別な配
慮はなされていなかった。

たとえば、クロマトホアは小胞である為、光合成反応ユ
ニットの機能を応用したデバイスを構成する際、分子配
向の制御が難しく、分子組成の制御も容易ではないと考
えられる。

従って、従来の光電変換素子から得られる出力は、無秩
序な方向性を持った機能性蛋白質複合体の応答の総和で
ある微小な応答や、異なる電極と機能性蛋白質複合体と
の間での電子移動に関する仕事関数の差に依存する微弱
な応答であったと考えられる。

しての画電極２．４間での微少な差に起因するものや、
蛋白質複合体と電極間での電子移動の仕事関数の差に依
存する微弱な応答であると考えられる。

従って、上述の第３図（Ａ＞、（Ｂ）に示したような光
電変換素子は紅色光合成細菌−等の機能性蛋白質複合体
の光合成機能の応答を十分利用しているとは言えず、応
答のほんの一部を取出しているものと考えられる。

本発明は、機能性蛋白質複合体を利用した光電変換素子
において、機能性蛋白質複合体に十分な配向性を与える
ことのできる光電変換素子の製造方法を提供することで
ある。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の素子において、光合成顆粒中の機能性蛋白質複合
体の方向性を揃えるための特別な配慮は全くなされてい
ない、従って、蛋白質複合体は無秩序な方向を向いてい
る。出力として得られる光電応答は、無秩序な方向性を
持った反応の総和と［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、光電変換素子補遺を形成した後、電極
間に極性を有する電場を印加することによって、電極間
に挾まれた機能性蛋白質複合体の配向制御を行う。

［作用］ 蛋白質分子はアミノ酸配列に基づく電荷分布による電気
双極子を有し、電場中でこの電気双極子は電場と相互作
用を持つ０機能性蛋白質複合体を電極間に挾んだ光電変
換素子に極性を持つ電場を印加すると、蛋白質分子の電
気双極子と電場との相互作用により蛋白質分子は配向を
制御される。

［実施例］ 光合成顆粒の調製は光照射下で培養した光合成細菌を超
音波処理、フレンチプレス等の手法で破砕した後、分画
遠心法で精製することで行う。

第１図＜Ａ）、（Ｂ）に本発明の実施例により製造する
光電変換素子の断面構造を示す。

ガラス等の透明基板１上にＩＴＯｌＮＥＳＡといった透
明型＠２を真空蒸着、スパッタリング、イオンブレーテ
ィング等の手法により形成する。

透明電極２上に上述のように生成した光合成顆粒を刷毛
塗り、浸漬、スピンコード、スクリーン印刷、オフセッ
ト印刷等の手法で塗布し乾燥させる。乾燥は自然乾燥、
減圧乾燥、加熱乾燥等で行える。乾燥後、光合成顆粒の
乾燥固化膜３上に真空蒸着、スパッタリング等により金
属膜を蒸着し、対向電極４を形成する。

第１図（Ｂ）においては、対向電極４は金属箔を圧着す
ることで形成する。

透明ｔｆ！２と対向電極４からリード線５を引き出す。

このように形成した光電変換素子の機能性蛋白質複合体
にリード線５電極２．４を介して、極性を有する電場を
印加する６例えばパルス状直流電場、定常的直流電場、
直流バイアス電場を付加した交流電場等を印加する。

第２図に極性を有するパルス電場を印加する場合の、電
ｆ！２．４間に印加する電圧波形の例を示す。

光合成顆粒中の機能性蛋白質複合体は電場中で配向性を
高める。この配向度調整により素子の光電応答が向上す
る。

極性を有する電場を印加することにより、機能性蛋白質
複合体が埋め込まれている脂質２重層の構造が破壊され
、蛋白質分子が潜在的に有している電気双極子が電場と
相互作用し、光合成機能を担う機能性蛋白質複合体が電
場方向に配向すると考えられる。電場を除去した後は、
脂質２重層は自然に修復され、高い配向性を有する素子
が得られるものと考えられる。

さらに、従来の光電変換素子では乾燥固化膜中のピンホ
ールが避は難く、局所的に抵抗の低い部位や導通してい
る部位が存在していまい、不均一な特性を生じていた。

ところが、上述のような電場を印加することにより、導
通初期にこれら低抵抗（導通）部位に大電流が流れ、焼
き切ってしまうことにより欠陥を除去することができる
と考えられる。欠陥除去により特性の均一性が増加する
。

このように構成した光電変換素子の透明電極２側から、
太陽光、ＬＥＤ光、ストロボ光、レーザ光、アーク灯光
等を照射し、光電応答の電位および電流変化を測定した
。

１例として、基板１としてガラス基板を用い、透明電極
２としてＩＴＯ透明電極を用い、機能性蛋白質複合体の
固化膜３としてロドシュードモナス・ビリディス（ＡＴ
ＣＣ１９５６７）のクロマトホアを乾燥させた同化膜を
用い、対向電極４として金蒸着膜を用いた。固化膜３の
厚さは１〜１０μｍ程度と見積られる。この素子の電極
２．４間に第２図に示すようなパルス状直流電圧（ＩＨ
ｚ、ヒーク値７５〜１５０Ｖ、０．５〜２時間）を印加
した。１００Ｖの電圧印加による電場強度は１０７〜１
０８Ｖ／ｍ程度と見積られる。なお、生体膜では１０ｎ
１１程度の厚さの脂質２重層に、細胞内外のイオン濃度
差に基づ＜　１００ｍＶ稈度の膜電位が生じている。こ
の電場強度は１０７Ｖ／ｍ程度となる。すなわち、生体
中で機能性蛋白質複合体が晒されている電場強度と同等
程度から１０倍程度の強度の電場を印加したことになる
。

このように配向処理を行った光電変換素子に、ＬＥＤ光
（８５０ｎｌに発光ピークを持つもの）を照射し、光電
応答を測定した。比較のため、配向処理の前後で測定を
行った。パルス状直流電場印加の配向処理により、処理
前に較べ、電圧応答で２０〜１００倍、電流応答で約２
５〜１００倍の応答が得られた。

また、印加電場の極性を逆転することで得られる応答の
極性も逆転した。

このことから極性を有する電場を印加することによって
、機能性蛋白質複合体の配向が制御されていることが判
る。

［発明の効果］ 本発明によれば、容易に培養可能な紅色光合成細菌等を
材料供給源とし、しかも半導体材料に較べて極めて簡便
な方法で精製できる光合成顆粒をそのまま用いて、効率
のよい光電応答素子を製造することができる。

本発明によれば、従来技術を利用して光電応答素子楕遣
を作成した後、電気的処理を行うことによって機能性光
電変換素子におけるＢ題であった配向性の欠如を克服し
、機能性蛋白質複合体の配向制御を行った効率の高い光
電応答素子を提供できる。

印加する電場の極性によって、容易に蛋白質複合体の配
向方向が制御できる。

従来の機能性蛋白質複合体を用いた光電変換素子に較べ
、はるかに大きな光電応答を得ることができる。

さらに、電場印加の付随的効果として、乾燥固化膜中の
ピンホールに由来する低抵抗電流路を焼き切って、より
均一な特性にすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明によって製造する光電変
換素子の構成例を示す断面図、第２図は第１図（Ａ＞、
（Ｂ）に示す光電変換素子に印加する直流パルス電場の
例を示すグラフ、第３図（Ａ＞、（Ｂ）は従来技術によ
る光電変換素子の構造例を示す断面図である。 図において、 基板 透明を極 機能性蛋白質複合体の固化膜 対向′＠極 リード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、電極間に機能性蛋白質複合体を挾んだ光電変換
   素子構造を基板上に形成する工程と、 光電変換素子構造を形成した後、電極間に極性を持つ電
   場を印加し、この電場と機能性蛋白質複合体の蛋白質分
   子の電気双極子との相互作用を利用して機能性蛋白質複
   合体の配向制御を行う工程と を含む光電変換素子の製造方法。
2. （２）、前記機能性蛋白質複合体として紅色光合成細菌
   の光合成顆粒を用いる請求項１記載の光電変換素子の製
   造方法。