(57)【要約】【課題】光に応答して電気信号を発生する生体機能物質を固定化して、安価で寿命も長く安定な視覚デバイスを提供することを課題とする。【解決手段】光に応答する機能の中心部分に、レチノイドを用い、固定化するホスト材料として、高分子材料であるポリメチルメタクリレートや、キトサン、アラキジン酸、アルブミン、ゼラチンといった市場で比較的安価に入手可能な高分子や天然のタンパクを用いて素子化する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レチノイド物質を用い、該レチノイド物質または該レチノイド物質をホスト材料に分散または固定した複合物質を、陰極と陽極の対向する電極で挟んだ構造からなることを特徴とする視覚デバイス。
【請求項２】
前記レチノイド物質がレチナール、レチノイン酸、レチノールからなる請求項１に記載の視覚デバイス。
【請求項３】
前記ホスト材料がポリメチルメタクリレートのような高分子材料またはアルブミンやキトサン、アラキジン酸、ゼラチンのようなタンパクからなる請求項１に記載の視覚デバイス。
【請求項４】
前記レチノイド物質がラングミュア・ブロジェット膜（ＬＢ膜）として形成されている請求項１に記載の視覚デバイス。
【請求項５】
前記レチノイド物質の分散方法がレチノイド物質を溶媒に溶解した溶液と、別に溶媒中に溶解したプラスチックの溶液とを互いに混合し、後にスピンコート法によって膜状に成形してなる請求項１に記載の視覚デバイス。
【請求項６】
前記レチノイド物質を固定した複合物質が、レチノイド物質のＬＢ膜とアルブミンやキトサン、アラキジン酸、ゼラチンのようなタンパクのＬＢ膜とで交互に積層されてなる請求項１に記載の視覚デバイス。
【請求項７】
前記レチノイド物質の固定方法が、レチノイン酸の単分子膜とキトサンのようなアミノ基を持つタンパク質の膜との間でイオン結合による交互吸着膜でなる請求項１に記載の視覚デバイス。
【請求項８】
前記レチノイド物質の固定方法がレチナールとアルブミンやキトサンのようなタンパクのアミノ基との間でシッフ塩基結合からなる請求項１に記載の視覚デバイス。
【請求項９】
請求項６に記載のシッフ塩基結合がプロトン化されて、吸収ピーク波長が可視領域からなる請求項１に記載の視覚デバイス。
【請求項１０】
前記陰極と陽極の対向電極が金の蒸着膜を施したスライドガラスと、透明電極であるＩＴＯ膜が施されたスライドガラスの組み合わせ、あるいはＩＴＯ膜が施されたスライドガラス同士の組み合わせからなる請求項１に記載の視覚デバイス。
【請求項１１】
前記視覚デバイスの光応答特性測定装置がコンピュータ、開閉時間間隔制御可能な自動開閉シャッター、励起用ランプ、電流計及び測定用視覚デバイスホルダーから構成され、コンピュータ制御により長期間、任意の時間間隔で繰り返し、光のオン・オフに対応した視覚デバイスの光応答特性を測定可能であることを特徴とする視覚デバイスの光応答特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、視覚デバイス及びその光応答特性測定装置に関するものであり、人口網膜や情報のバリヤフリー化を実現するためのヒューマンシグナルインターフェース部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来技術としては、牛の網膜から抽出したロドプシン（オプシンというタンパクとレチナールとの複合タンパク）やバクテリオロドプシンを用いたイメージセンサー等の研究は多数報告されている（文献１）。一方、レチノイド分子を用いたデバイス化の研究は少なく、レチノイン酸のＬＢ膜の光学的特性が基礎的な研究として報告されているだけである（文献２）。これまでに、レチノイドを用いた本格的デバイス化の報告はなかった。
【非特許文献１】小山、宮坂「バクテリオロドプシン薄膜を利用した視覚類似センサー」光技術コンタクト、Ｖｏｌ．３０，  Ｎｏ．７，ｐｐ３７１−３８０（１９９２）
【非特許文献２】木村他「レチナールＬＢ膜への脂質混合による吸光特性の変化」北海道工業大学研究紀要第２７号ｐｐ．１−８（１９９９）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  これまで、報告されているロドプシンやバクテリオロドプシンは天然の複合タンパクを使用しているために、高価でありまた生体環境と同様に、ｐＨや温度等のコントロールを行わなければ所定の機能を発揮せず、寿命も短く不安定で扱いにくいものであった。【０００４】  そこで、本発明の目的は、光に応答して電気信号を発生する生体機能物質を固定化して、安価で寿命も長く安定な視覚デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  本発明は、以上の点を解決するために、請求項１に記載の視覚デバイスにおいて、光に応答する機能の中心部分に、レチノイド（カロチンというビタミンＡの誘導体）という市場で比較的入手しやすい有機物質を用い、固定化する場合もホスト材料として、高分子材料であるポリメチルメタクリレートや、キトサン、アラキジン酸、アルブミン、ゼラチンといった市場で比較的安価に入手可能な天然のタンパクを用いて素子化することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】  本発明は次のような効果を奏する。
請求項１に記載されている発明は、安定で安価な有機分子と安定で極普通に入手可能な高分子材料やタンパクを用いた構成のために、安価で寿命が長く安定な、光に応答して電気信号を発生する視覚デバイスが実現できる。
【発明を実施するための裁量形態】
【０００７】  以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
＜実施例１＞
【０００８】  生体機能物質である発色団としてのレチノイド分子の中からレチナールを選び、レチナール２００ｍｇと高分子材料としてポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）１０００ｍｇを、アセトン溶媒１００ｍｌ中にそれぞれ溶解させ溶液Ａと溶液Ｂを調整した。溶液Ｂは１昼夜攪拌して均一に溶解させた。この溶液ＡとＢをＰＭＭＡ：レチナールの質量比が２．５：１．１０：１、１００：１、２０００：１になるように混合した。これらの混合溶液を用いレチナールとＰＭＭＡを異なる濃度比でアセトンに溶解させた各種混合溶液をスピンコート法により石英ガラス基板上に累積してレチナールを分散させたＰＭＭＡ薄膜を作製した。この薄膜の紫外可視吸光スペクトルを測定し、白色光を照射して紫外可視吸光スペクトルの経時変化を測定した。結果を図１に示す。図１からＰＭＭＡに固定化されたレチナールは３９０ｎｍより短波長の光を遮光した白色光においても、光化学反応によって徐々に経時的に変化することが明らかとなった。
＜実施例２＞
【０００９】  生体機能物質である発色団としてのレチノイド分子の中からレチナールを選び、レチナール２８．５ｍｇとタンパクとしてアラキジン酸３１．２５ｍｇを、ヘキサン溶媒１００ｍｌ中にそれぞれ溶解させ溶液Ａと溶液Ｂを用意した。溶液Ｂは１昼夜攪拌して均一に溶解させた。この溶液ＡとＢをアラキジン酸とレチナールの濃度比が１：１になるように混合し、この混合液を用い、ラングミュア・ブロジェット法（ＬＢ法）により、純水表面に単一分子膜を形成し、スライドガラス基板上に移しとって、５層のレチナール含有アラキジン酸ＬＢ膜を作製した。この薄膜の紫外可視吸光スペクトルを測定し、白色光を照射して紫外可視吸光スペクトルの経時変化を測定した。結果を図２に示す。図２からレチナール含有アラキジン酸ＬＢ膜は白色光を吸収し、光化学反応によって急激に１日で変化し終わることが明らかとなった。
＜実施例３＞
【００１０】  生体機能物質である発色団としてのレチノイド分子の中からレチナールを選び、ゲスト材料としてレチナール１２．５ｍｇをエタノール２５ｍｌ中に溶解した溶液Ａと、とホスト材料としてキトサン５００ｍｇと電解質材料としてのカリウムみょうばんを５０ｍｇを濃度１０％の酢酸水溶液５０ｍｌに１昼夜攪拌して均一に溶解させた溶液Ｂを調整した。これらの溶液Ａ、Ｂを１：１で混合して、金蒸着したガラス基板上にスピンコートし、キトサン−レチナール膜を形成し、対向電極として透明電極であるＩＴＯ膜の施されたガラス基板で挟み、図３に示すような光受容デバイス（視覚デバイス）を作製した。
＜実施例４＞
【００１１】実施例３で作製された光受容デバイス（視覚デバイス）の光応答特性を測定するために、図４に示すような、パソコン、開閉時間間隔制御可能な自動開閉シャッター（中央精機自動ステージ０３Ｆ−０１０とステージコントローラＱＴ−ＣＤ１に遮光板を配置したもの）、励起用ＵＶランプ（フナコシ０２００５３７４）、電流計（岩通デジタルマルチメーターＶＯＡＣ２１）及び測定用視覚デバイスホルダー、定電圧電源（ＳＥＶＡＣ  ＣＶＣ１６−２０）から構成される光応答特性測定装置を組み上げた。雑音対策としてアースを施している。この装置は、コンピュータ制御により長期間（本測定例では最長９２日間）、任意の時間間隔（本測定例では１０秒あるいは２０秒間隔で行った）で繰り返し、光のオン・オフに対応した視覚デバイスの光応答特性測定可能を行った。
＜実施例５＞
【００１２】  実施例３の光受容デバイスに、実施例４の光応答特性測定装置を用いて、バイアス９［Ｖ］を印加し、２０秒間隔でＵＶランプ光（波長２５４ｎｍ）照射をシャッター開閉により１０秒間隔でｏｎ−ｏｆｆし、生じた光電流応答をデジタルマルチメータで測定した。作製直後の光受容デバイスの光電流応答は非常に不安定であった。約１日間常温・暗所下に放置後、１日、３日、４日、６日、８日、１０日後に各々光電流応答測定を行った。結果の一部を図５に示すが、各回１０秒間隔の光照射ｏｎ−ｏｆｆを１０分間行い、合計１８０回ｏｎ−ｏｆｆ（通算照射時間：４２．５分、実験期間：１０日間以上）の実験でも安定した光電流応答特性が観測できた。さらに測定を継続すると９２日以上安定に動作した。また、光電流は約０．１ｍＡ、立ち上がり時間は７秒、立下り時間は７秒、時定数５秒の再現性の良い繰り返しパルス発生が可能であることを明らかにした。このことから、本デバイスは視覚情報処理デバイスとして応用可能であると考えられる。
＜実施例６＞
【００１３】  生体機能物質である発色団としてのレチノイド分子の中からレチナールを選び、ゲスト材料としてレチナール１２．５ｍｇをエタノール２５ｍｌ中に溶解した溶液Ａと、とホスト材料としてキトサン５００ｍｇと電解質材料としてのカリウムみょうばんを５０ｍｇを濃度１０％の酢酸水溶液５０ｍｌに１昼夜攪拌して均一に溶解させた溶液Ｂを調整した。これらの溶液Ａ、Ｂを１：１で混合して、透明電極であるＩＴＯ膜を施したガラス基板上にスピンコートし、キトサン−レチナール膜を形成し、対向電極として同じくＩＴＯ膜の施されたガラス基板で挟み、図３に示すような光受容デバイス（視覚デバイス）を作製した。このデバイスの光応答特性を実施例５と同様に測定したが、光電流は０．１μＡであり実施例３の場合の千分の１の応答しか見られなかった。また、数時間で光応答は消滅しデバイスの寿命が短いということがわかった。レチナールの代わりにレチノールを用いても同様の結果であった。
＜実施例７＞
【００１４】  生体機能物質である発色団としてのレチノイド分子の中からレチナールを選び、ゲスト材料として５ｍｇをエタノール２５ｍｌ中に溶解した溶液Ａと、とホスト材料としてゼラチン５０００ｍｇを純水５０ｍｌに１昼夜攪拌して均一に溶解させた溶液Ｂを調整した。これらの溶液Ａ、Ｂを１：１で混合して、紫外可視吸光スペクトルを測定し、白色光を照射して紫外可視吸光スペクトルの経時変化を測定した。結果を図６に示す。実施例２のＬＢ膜よりは経時変化は遅く安定化していることがわかった。
＜実施例８＞
【００１５】  生体機能物質である発色団としてのレチノイド分子の中からレチナールを選び、ゲスト材料として１４．２ｍｇをエタノール２５ｍｌ中に溶解した溶液Ａと、とホスト材料としてアルブミン２ｍｇを四ホウ酸ナトリウム１０−４ｍｏｌ／Ｌの水溶液１００ｍｌに１昼夜攪拌して均一に溶解させた溶液Ｂを調整した。これらの溶液Ａ、Ｂを混合してクエン酸ナトリウム緩衝液でｐＨを１０．５に調整し、アルブミンとレチナールのシッフ塩基結合を形成した。紫外可視吸光スペクトルを測定した。結果を図７に示す。アルブミン−レチナールシッフ塩基の吸収ピークはｐＨ１０．５では３６９ｎｍに存在し、通常のレチナールと大差ない波長域に吸収を持っていることがわかる。
＜実施例９＞
【００１６】  生体機能物質である発色団としてのレチノイド分子の中からレチナールを選び、ゲスト材料として１４．２ｍｇをエタノール２５ｍｌ中に溶解した溶液Ａと、とホスト材料としてアルブミン２ｍｇを四ホウ酸ナトリウム１０−４ｍｏｌ／Ｌ水溶液１００ｍｌに１昼夜攪拌して均一に溶解させた溶液Ｂを調整した。これらの溶液Ａ、Ｂを混合してシュウ酸緩衝液でｐＨを１．５５に調整し、アルブミンとレチナールのシッフ塩基プロトン化結合を形成し、紫外可視吸光スペクトルを測定した。結果を図７に示す。ｐＨ１．５５ではアルブミン−レチナールシッフ塩基の吸収ピークは４４１ｎｍに存在し、通常のレチナールとは異なり赤味を帯びた呈色を示し、可視域での吸収を示している。これはまさに我々人間の目の網膜の特性に近いもので人口網膜への応用が可能であることを示す結果と言える。なお、ｐＨが６．３７の場合の吸収ピークは４０２ｎｍであることからｐＨの制御によって吸収波長域が制御可能であることも示している。
＜実施例１０＞
【００１７】    生体機能物質である発色団としてのレチノイド分子の中からレチナールを選び、ゲスト材料として１４．２ｍｇをエタノール２５ｍｌ中に溶解した溶液Ａと、とホスト材料としてキトサン０．５ｍｇ酢酸１０％水溶液２０ｍｌに１昼夜攪拌して均一に溶解させた溶液Ｂを調整した。これらの溶液Ａ、Ｂを混合して、ｐＨを２．２５に調整し、キトサンとレチナールのシッフ塩基結合を形成した。紫外可視吸光スペクトルを測定した。結果を図８に示す。キトサン−レチナールシッフ塩基の吸収ピークはｐＨ２．２５では４３８ｎｍに存在し、通常のレチナールとはことなり赤味を帯びたオレンジ色の呈色を示し、可視域での吸収を示している。これはまさに我々人間の目の網膜の特性に近いもので人口網膜への応用が可能であることを示す結果と言える。
＜実施例１１＞
【００１８】  基板であるスライドガラスを中性洗剤，イソプロパノール，アセトンの順番に超音波洗浄し，そのスライドガラスを過酸化水素水３に対して濃硫酸７の割合で混合したピラニア溶液に８０〜１００℃に保ちながら１時間浸漬する表面の親水化処理を行った．次に，基板を親水性から疎水性に徐々に移行し，シランカップリング溶液である３−アミノプロピルトリエトキシシラン−アセトン５％溶液に浸漬，窒素雰囲気中でシランカップリング処理を行った．続いて，基板を先ほどとは逆に疎水性から親水性に徐々に移行し，超純水に入れｐＨを調整，＋の電荷を帯びさせた．その後，基板を−の電解質高分子であるレチノイン酸水溶液（レチノイン酸５ｍｇを２００ｍｌ水溶液に溶解）に２０分，超純水に１０分，＋の電解質高分子であるキトサン水溶液（キトサン５ｍｇを２００ｍｌ水溶液に溶解）に２０分，超純水に１０分という工程を適当な回数行い，単分子累積膜を形成させた．図９にキトサン単分子膜５膜とレチノイン酸単分子膜５膜を交互に積層した交互吸着膜の紫外可視吸光スペクトルと白色光を照射したときの紫外可視吸光スペクトルの経時変化を示す。白色光曝露によりレチノイン酸の特性吸収が経時的に減少し光に良く応答していることがわかる。一方、実施例２のＬＢ膜に比べれば経時変化の速度は遅く、光に比較的安定で、これは交互吸着膜はＬＢ膜とは異なり，レチノイン酸単分子膜がキトサンというタンパクの層とクーロン力を利用して層構造を形成していることによって，より安定化したと考えられる。
＜実施例１２＞
【００１９】  生体機能物質である発色団としてのレチノイド分子の中からレチノイン酸を選び、レチノイン酸３０．０ｍｇをヘキサン１００ｍｌに溶解した溶液Ａを調整し、タンパクとしてアラキジン酸３１．２５ｍｇを、ヘキサン溶媒１００ｍｌ中にそれぞれ溶解させた溶液Ｂを用意した。溶液Ｂは２昼夜攪拌して均一に溶解させた。この溶液ＡとＢを用い、ラングミュア・ブロジェット法（ＬＢ法）により、純水表面に単一分子膜を形成し、スライドガラス基板上に交互に移しとって、各５層のレチノイン酸、アラキジン酸交互積層ＬＢ膜を作製した。この薄膜の紫外可視吸光スペクトルを測定し、白色光を照射して紫外可視吸光スペクトルの経時変化を測定した。図１０にアラキジン酸単分子膜５膜とレチノイン酸単分子膜５膜を交互に積層した交互吸着膜の紫外可視吸光スペクトルと白色光を照射したときの紫外可視吸光スペクトルの経時変化を示す。白色光曝露によりレチノイン酸の特性吸収が経時的に減少し光に良く応答していることがわかる。一方、実施例２のＬＢ膜に比べれば経時変化の速度は遅く、光に比較的安定で、これは交互吸着膜はＬＢ膜とは異なり，レチノイン酸単分子膜がアラキジン酸というタンパクの層とクーロン力を利用して層構造を形成していることによって，より安定化したと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ＰＭＭＡ−レチナール固定膜の吸光度の経時変化を示すスペクトル図である。３９０ｎｍより短い波長の光は遮光している条件下の結果である。
【図２】アラキジン酸−レチナールＬＢ膜の吸光度の経時変化を示すスペクトル図である。
【図３】光受容デバイス（人工視覚モデル）の構造を示す模式図である。
【図４】光受容デバイス（人工視覚モデル）の光応答特性測定装置の構成図である。
【図５】金電極とＩＴＯ電極に挟んだ構造の光受容デバイスの光電流応答のパルス波形を示す測定例である。  ５−１はデバイス作製後１日目の測定結果の波形  ５−２はデバイス作製後９２日目の測定結果の波形
【図６】レチナール／ゼラチン固定化膜の吸光度の経時変化を示すスペクトル図である。
【図７】アルブミン−レチナールシッフ塩基の水溶液中の光吸収スペクトルのｐＨ依存性を示すスペクトル図である。
【図８】キトサン−レチナールシッフ塩基の水溶液中の光吸収スペクトル図である。
【図９】レチノイン酸−キトサンの交互吸着膜（各５層積層の膜）の吸光度の経時変化を示すスペクトル図である。
【図１０】レチノイン酸−アラキジン酸ＬＢ膜の各５層交互積層の膜の吸光度の経時変化を示すスペクトル図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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