(57)【要約】【課題】グアニン結晶（ミラー片）の回転方位特性を一様に制御することができるマイクロ光学素子を提供する。【解決手段】本発明のマイクロ光学素子は、溶液中に分散された複数のグアニン結晶１０と、溶液中に分散され、一端がグアニン結晶１０に結合された複数のＤＮＡ２０と、溶液中に配設された基板４０とを備え、グアニン結晶１０と結合するＤＮＡ１０の他端が、基板４０に吸着することにより、グアニン結晶１０は、基板４０に対して所定方向に磁場配向された状態で、基板４０に回転可能に支持されており、グアニン結晶１０は、溶液中に印加された磁場による磁気回転によって、グアニン結晶１０の光反射結晶面の基板４０に対する方向が制御される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液中に分散された複数の結晶性のミラー片と、
前記溶液中に分散され、一端が前記ミラー片に結合された複数の結合子と、
前記溶液中に配設された基板と
を備え、
前記ミラー片は、光反射結晶面及び磁場配向特性を有し、
前記ミラー片と結合する前記結合子の他端が、前記基板に吸着することにより、前記ミラー片は、前記基板に対して所定方向に磁場配向された状態で、前記基板に回転可能に支持されており、
前記ミラー片は、前記溶液中に印加された磁場による磁気回転によって、前記ミラー片の光反射結晶面の前記基板に対する方向が制御されることを特徴とする、マイクロ光学素子。
【請求項２】
前記ミラー片は、グアニン結晶からなり、前記結合子は、ＤＮＡからなることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ光学素子。
【請求項３】
前記ミラー片は、前記基板に対して垂直方向に磁場配向された状態で、前記基板に回転可能に支持されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のマイクロ光学素子。
【請求項４】
前記ミラー片の光反射結晶面の前記基板に対する方向は、前記溶液中に印加される磁場の方向を、前記基板に対して、水平方向と垂直方向とに切り替えることによって、２方向に制御されることを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ光学素子。
【請求項５】
前記マイクロ光学素子は、マイクロミラーであることを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のマイクロ光学素子。
【請求項６】
内部に基板が配設された容器内に、複数の結晶性のミラー片と、一端が前記ミラー片に結合される複数の結合子とが分散された溶液を収容する工程と、
前記基板に対して、所定方向に磁場を印加する工程と
を含み、
前記ミラー片は、光反射結晶面及び磁場配向特性を有し、
前記磁場を印加する工程において、
前記結合子の一端が前記ミラー片に結合するとともに、前記結合子の他端が、前記基板に吸着することにより、前記ミラー片は、前記基板に対して所定方向に磁場配向された状態で、前記基板に回転可能に支持されることを特徴とする、マイクロ光学素子形成方法。
【請求項７】
前記ミラー片は、グアニン結晶からなり、前記結合子は、ＤＮＡからなることを特徴とする、請求項６に記載のマイクロ光学素子形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロミラー等のマイクロ光学素子及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
魚のウロコ等から得られるグアニン結晶は、厚さが１００ｎｍ以下と非常に薄い、均一なサイズの結晶板で、強い光反射特性を有することが知られている。
【０００３】
本発明者等は、グアニン結晶の光反射結晶面（１０２面）に磁場を印加すると、グアニン分子内に流れる環電流によって二次磁場が発生し、グアニン結晶は、環電流が流れない方向、すなわち、印加磁場に平行な方向に磁場配向されることを見出し、このグアニン結晶の磁場配向特性を利用して、マイクロミラー等の光学素子が構築できる可能性を示した（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Applied Physics Express, 6, 037002(1-4)(2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、グアニン結晶は、溶液中に浮遊した状態で分散しているか、あるいは容器の底に沈んだ状態にあるため、磁場印加前のグアニン結晶の光反射結晶面（１０２面）の方向はばらついている。従って、磁場を印加してグアニン結晶を磁場配向させたとき、グアニン結晶の光反射結晶面（１０２面）の回転角度は一様でない。そのため、例えば、グアニン結晶が分散している溶液に、一方向から光を入射し、入射方向と垂直な方向へのグアニン結晶による反射光を観察した場合、反射光強度にばらつきが生じる。すなわち、グアニン結晶の磁場配向特性を利用して、マイクロミラー等の光学素子を構築した場合、グアニン結晶の回転方位特性を一様に制御することが難しいという課題が残る。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、グアニン結晶等の光反射結晶面及び磁場配向特性を有するミラー片を用いたマイクロ光学素子において、ミラー片の回転方位特性を一様に制御することができるマイクロ光学素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るマイクロ光学素子は、溶液中に分散された複数の結晶性のミラー片と、溶液中に分散され、一端がミラー片に結合された複数の結合子と、溶液中に配設された基板とを備え、ミラー片は、光反射結晶面及び磁場配向特性を有し、ミラー片と結合する結合子の他端が、基板に吸着することにより、ミラー片は、基板に対して所定方向に磁場配向された状態で、基板に回転可能に支持されており、ミラー片は、溶液中に印加された磁場による磁気回転によって、ミラー片の光反射結晶面の基板に対する方向が制御されることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るマイクロ光学素子形成方法は、内部に基板が配設された容器内に、複数の結晶性のミラー片と、一端がミラー片に結合される複数の結合子とが分散された溶液を収容する工程と、基板に対して、所定方向に磁場を印加する工程とを含み、ミラー片は、光反射結晶面及び磁場配向特性を有し、磁場を印加する工程において、結合子の一端がミラー片に結合するとともに、結合子の他端が、基板に吸着することにより、ミラー片は、基板に対して所定方向に磁場配向された状態で、基板に回転可能に支持されることを特徴とする。
【０００９】
上記ミラー片は、好ましくは、グアニン結晶からなり、上記結合子は、好ましくは、ＤＮＡからなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光反射結晶面及び磁場配向特性を有するミラー片を利用したマイクロ光学素子において、ミラー片の回転方位特性を一様に制御することができるマイクロ光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態におけるミラー片として使用するグアニン結晶の結晶構造を示した図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、グアニン結晶の磁場配向特性を説明した図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態におけるマイクロ光学素子の形成方法を示した図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、グアニン結晶が溶液中に印加された磁場によって磁気回転する機構を説明した図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、水平磁場を印加したときのグアニン結晶の角度変化を測定した結果を示した図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、ＤＮＡがない場合の水平磁場を印加したときのグアニン結晶の角度変化を測定した結果を示した図である。
【図７】ＤＮＡが吸着した基板の吸光度を測定した結果を示したグラフである。
【図８】水平磁場の強度を変えて印加したときのグアニン結晶の角度変化を測定した結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態におけるマイクロ光学素子のミラー片として使用するグアニン結晶の結晶構造を示した図である。
【００１４】
図１に示すように、グアニン結晶１０は、長軸の長さが約２０μｍ、短軸の長さが約５μｍ、厚さが１００ｎｍ以下（５０〜１００ｎｍ）の六角形の板状になっており、そのサイズはほぼ均一になっている。そして、最大の結晶面（１０２面）は、屈折率の大きな光反射面をなしている。
【００１５】
図２（ａ）、（ｂ）は、グアニン結晶１０の磁場配置特性を説明した図である。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、グアニン結晶の光反射結晶面（１０２面）に対して、垂直に磁場Ｂ１を印加すると、グアニン分子内に流れる環電流Ｉによって２次磁場Ｂ２が発生する。このとき、グアニン結晶は不安的になるため、グアニン結晶は、環電流が流れない方向、すなわち、グアニン結晶の短軸が印加磁場Ｂ１に平行な方向に回転（磁場配向）することによって安定な状態になる。
【００１７】
図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態におけるマイクロ光学素子の形成方法を示した図である。
【００１８】
図３（ａ）に示すように、底部に基板４０が配設された容器５０内に、複数のグアニン結晶１０と、複数のＤＮＡ（デオキシリボ核酸）２０とが分散された溶液３０を収容する。ここで、ＤＮＡ２０のシトシン分子が、グアニン結晶１０の結晶面と水素結合することにより、ＤＮＡ２０の一端がグアニン結晶１０に結合することができる。なお、図３（ａ、（ｂ）では、説明を簡単にするために、１個のグアニン結晶１０を示している。
【００１９】
グアニン結晶１０とＤＮＡ２０とを含む溶液３０は、例えば、以下のような手順で用意することができる。
【００２０】
グアニン結晶１０は、魚のウロコに付着している色素胞から採取することができる。採取したウロコを蒸留水に入れた後、遠心分離を繰り返して脂質や不要な不純物を取り除くことによって、精製されたグアニン結晶１０が分散された懸濁液（グアニン懸濁液）を作成する。そして、サケ由来のＤＮＡ粉末を蒸留水に入れ、９０〜１００℃に煮沸したＤＮＡ溶液（０．７５％）と、作成したグアニン懸濁液とを等量混合し、これにより、グアニン結晶１０とＤＮＡ２０とを含む溶液３０を容易することができる。
【００２１】
図３（ａ）に示すように、グアニン結晶１０とＤＮＡ２０とを含む溶液３０を容器５０内に収容した後、基板４０に対して垂直方向に磁場ＢＶを印加する。このとき、グアニン結晶１０は、印加された磁場ＢＶによって磁場配向された状態で、重力により自然沈降する。この間、ＤＮＡ２０の一端がグアニン結晶１０に結合するとともに、図３（ｂ）に示すように、ＤＮＡ２０の他端が基板４０に吸着する。これにより、グアニン結晶１０は、基板４０に対して垂直方向に磁場配向された状態で、基板４０に回転可能に支持される。
【００２２】
次に、図４（ａ）、（ｂ）を参照しながら、ＤＮＡ２０によって基板４０に固定されたグアニン結晶１０が、溶液３０中に印加された磁場によって磁気回転する機構を説明する。
【００２３】
図４（ａ）に示すように、基板４０に対して水平方向に磁場ＢＨを印加すると、グアニン結晶１０は、磁場ＢＨの方向に沿って磁場配向する。このとき、グアニン結晶１０は、ＤＮＡ２０ａ、２０ｂによって基板４０に回転可能に支持されているため、基板４０に固定された状態で磁気回転する。なお、グアニン結晶１０を支持するＤＮＡ２０ａ、２０ｂは、可逆的な変形（例えば、伸縮や屈曲等）が可能であるため、グアニン結晶１０を柔軟に支持することができる。
【００２４】
次に、図４（ｂ）に示すように、基板４０に対して垂直方向に磁場ＢＶを印加すると、グアニン結晶１０は、再び磁場ＢＶに沿って磁場配向することにより、磁気回転して、元の位置に戻る。このときも、グアニン結晶１０を支持するＤＮＡ２０ａ、２０ｂは、可逆的な変形をすることにより、基板４０に固定された状態で磁気回転することができる。
【００２５】
このようにして、グアニン結晶１０の光反射結晶面（１０２面）の基板４０に対する方向は、溶液３０中に印加される磁場の方向を、基板４０に対して、水平方向（ＢＨ）と垂直方向（ＢＶ）とに切り替えることによって、２方向に制御することが可能となり、マイクロミラー等の光学素子として動作することができる。
【００２６】
本実施形態におけるマイクロ光学素子は、図３（ｂ）に示すように、溶液３０中に分散された複数のグアニン結晶１０と、溶液３０中に分散され、一端がグアニン結晶に結合された複数のＤＮＡと、溶液３０中に配設された基板４０とを備えた構成をなす。ここで、グアニン結晶１０は、光反射結晶面（１０２面）及び磁場配向特性を有している。そして、グアニン結晶１０と結合するＤＮＡ２０の他端が、基板４０に吸着することにより、グアニン結晶１０は、基板４０に対して垂直方向に磁場配向された状態で、基板４０に回転可能に支持される。これにより、グアニン結晶１０は、溶液３０中に印加された磁場による磁気回転によって、グアニン結晶１０の光反射結晶面（１０２面）の基板４０に対する方向が制御される。
【００２７】
本実施形態によれば、溶液３０中に分散された複数のグアニン結晶１０は、それぞれ、複数のＤＮＡ２０によって、基板４０に回転可能に支持されているため、グアニン結晶１０の回転方位特性を一様に制御することができる。
【００２８】
図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態におけるマイクロ光学素子を試作して、水平磁場ＢＨを印加したときのグアニン結晶１０の角度変化を測定した結果を示した図である。なお、グアニン結晶１０は、図３（ｂ）に示した状態において、４８０ｍＴの垂直磁場ＢＶを印加することによって磁場配向させた。また、グアニン結晶１０の角度変化の測定は、図５（ａ）に示すように、垂直磁場ＢＶの印加方向（基板４０に対して垂直方向）からグアニン結晶１０を光学顕微鏡で撮影して、このときのグアニン結晶１０の幅Ｌを測定し、この幅Ｌの変化を測定することにより行った。なお、基板４０は、ガラス基板を用いた。
【００２９】
図５（ｂ）は、水平磁場ＢＨを印加する前のグアニン結晶１０を撮影した写真で、このときのグアニン結晶１０の幅Ｌは１．７７μｍであった。図５（ｃ）は、４５０ｍＴの水平磁場ＢＨを印加したときのグアニン結晶１０を撮影した写真で、このときのグアニン結晶１０の幅Ｌは４．８３μｍであった。図５（ｄ）は、水平磁場ＢＨを解除して、５７０秒後のグアニン結晶１０を撮影した写真で、このときのグアニン結晶１０の幅Ｌは２．１７μｍであった。
【００３０】
このような結果から、本実施形態におけるマイクロ光学素子は、グアニン結晶１０が、ＤＮＡ２０によって基板４０に固着された状態で、水平磁場ＢＨの印加によりグアニン結晶１０を磁気回転させることができるとともに、水平磁場ＢＨの解除により、グアニン結晶１０を回転させて元に戻すことができることが分かる。なお、グアニン結晶１０が回転して元に戻るのは、グアニン結晶１０を支持するＤＮＡ２０ａ、２０ｂが、可逆的な変形（例えば、伸縮や屈曲等）による弾性的な作用が働くためである。
【００３１】
上記の測定結果では、水平磁場ＢＨを印加した後、この水平磁場ＢＨを解除しただけなので、グアニン結晶１０が元に戻るまでの応答速度は遅いが、水平磁場ＢＨを解除する代わりに、垂直磁場ＢＶを印加して、強制的に磁場配向させることによって、応答速度を速くすることができる。また、応答速度を速くするために、溶液３０に熱攪乱を加えてもよい。
【００３２】
一方、図６（ａ）〜（ｃ）は、比較例として、溶液にＤＮＡ２０を分散させずに、グアニン結晶１０のみを分散させてマイクロミラーを試作して、水平磁場ＢＨを印加したときのグアニン結晶１０の角度変化を測定した結果を示した図である。
【００３３】
図６（ａ）は、水平磁場ＢＨを印加する前のグアニン結晶１０を撮影した写真で、このときのグアニン結晶１０の幅Ｌは２．０７μｍであった。図６（ｂ）は、４５０ｍＴの水平磁場ＢＨを印加したときのグアニン結晶１０を撮影した写真で、このときのグアニン結晶１０の幅Ｌは７．９３μｍであった。図６（ｃ）は、水平磁場ＢＨを解除して、５７０秒後のグアニン結晶１０を撮影した写真で、このときのグアニン結晶１０の幅Ｌは７．９３μｍであった。
【００３４】
上記の結果から、溶液にＤＮＡ２０が分散されていないと、水平磁場ＢＨを解除しても、グアニン結晶１０が元に戻る作用は働かないことが分かる。これは、グアニン結晶１０がＤＮＡ２０により基板４０に固定されていないため、ＤＮＡ２０の凝集体の可逆的な変形（例えば、伸縮や屈曲等）による弾性的な作用が働かなかったためと考えられる。
【００３５】
図７は、ＤＮＡ２０が吸着した基板４０の吸光度（吸収スペクトル）を測定した結果を示したグラフである。曲線Ａは、溶液３０にＤＮＡ２０を分散させた場合の結果を示し、曲線Ｂは、溶液３０にＤＮＡ２０を分散させなかった場合の結果を示す。なお、吸収スペクトルは、分光光度計を用いて測定した。
【００３６】
溶液３０にＤＮＡ２０を分散させた基板４０では、２５０〜２８０ｎｍの波長でピークが存在しているのに対し、溶液３０にＤＮＡ２０を分散させなかった基板４０では、２５０〜２８０ｎｍの波長でピークは存在しなかった。この結果から、ＤＮＡ２０は、グアニン結晶１０と基板４０とを接着する接着剤的な機能を有することが分かる。
【００３７】
図８は、水平磁場ＢＨの強度を変えて印加したときのグアニン結晶１０の角度変化を測定した結果を示したグラフである。なお、角度変化の測定は、水平磁場ＢＨを印加したときのグアニン結晶の幅Ｌと、水平磁場ＢＨを印加する前のグアニン結晶の幅Ｌとの差（幅Ｌの変化量）を求めることによって行った。
【００３８】
図８に示すように、水平磁場ＢＨの強度が大きくなるに従い、角度変化が大きくなるが、４００ｍＴ程度の比較的低磁場でも、顕著な角度変化を起こすことができる。従って、永久磁石程度の磁場で、グアニン結晶１０の磁気回転を制御することが可能となる。
【００３９】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。
【００４０】
例えば、上記実施形態において、光反射結晶面及び磁場配向特性を有するミラー片として、グアニン結晶１０を例に説明したが、これに限定されず、他のタンパク質等の材料からなる有機結晶や、アルミナ結晶等の無機結晶等の中から、本発明に適合しうる材料を適宜採用することができる。
【００４１】
また、上記実施形態において、グアニン結晶１０及び基板４０を結合（吸着）する結合子として、ＤＮＡ２０を例に説明したが、これに限定されず、グアニン結晶１０と水素結合若しくは静電結合するような材料を適宜採用することができる。
【００４２】
また、上記実施形態において、基板４０に対して垂直方向に磁場ＢＶを印加することによって、グアニン結晶１０を基板４０に対して垂直方向に磁場配向された状態で、基板４０に回転可能に支持させる例を説明したが、必ずしも垂直磁場でなく、基板に対して所定方向に磁場を印加するようにしてもよい。
【００４３】
また、上記実施形態において、マイクロ光学素子としてマイクロミラーの例を説明したが、光反射率を制御するような光スイッチ等の光学素子にも適用することができる。また、マイクロ光学素子（マイクロミラー）の応用例として、オプトジェネティクス（光遺伝学）の研究に使用される「光刺激用光源」に適用することも可能である。
【００４４】
また、上記実施形態において、基板４０を容器５０の底部に配置したが、容器５０の内部に配置しても勿論構わない。また、基板４０は、透明な基板（例えば、ガラス基板）が好ましく、また、容器５０も透明な材料で構成されていることが好ましい。
【符号の説明】
【００４５】
１０      グアニン結晶（ミラー片） 
２０      ＤＮＡ（結合子） 
３０      溶液 
４０      基板 
５０      容器 
【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８】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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