タンパク質光電変換素子およびスズ置換シトクロムｃ
【課題】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新規なタンパク質およびこれを用いた長期安定利用可能なタンパク質光電変換素子を提供する。
【解決手段】ウマ心筋シトクロムｃのヘムの中心金属の鉄をスズに置換してスズ置換ウマ心筋シトクロムｃを得る。ウシ心筋シトクロムｃのヘムの中心金属の鉄をスズに置換してスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを得る。スズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃからなるタンパク質２２を電極２１上に固定化してタンパク質固定化電極とする。このタンパク質固定化電極を用いてタンパク質光電変換素子を形成する。
【解決手段】ウマ心筋シトクロムｃのヘムの中心金属の鉄をスズに置換してスズ置換ウマ心筋シトクロムｃを得る。ウシ心筋シトクロムｃのヘムの中心金属の鉄をスズに置換してスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを得る。スズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃからなるタンパク質２２を電極２１上に固定化してタンパク質固定化電極とする。このタンパク質固定化電極を用いてタンパク質光電変換素子を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、タンパク質光電変換素子およびスズ置換シトクロムｃに関し、例えば、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などやこれらを用いたタンパク質光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
タンパク質はサイズが極めて小さい（２〜１０ｎｍ）ながら、複雑な機能を発揮するため、半導体素子に代わる次世代の機能素子として期待されている。
従来、タンパク質を用いた光電変換素子として、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃ（ウマ心筋シトクロムｃの補欠分子族ヘムの中心金属の鉄を亜鉛に置換したもの）を金電極に固定化したタンパク質固定化電極を用いたものが提案されている（特許文献１参照。）。そして、このタンパク質固定化電極から光電流が得られることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２２０４４５号公報
【特許文献２】特開２００９−２１５０１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】McLendon,G.and Smith,M.J.Biol.Chem.253,4004(1978)
【非特許文献２】Moza,B.and 2 others,Biochim.Biophys.Acta 1646,49(2003)
【非特許文献３】Vanderkooi,J.M.and 2 others,Eur.J.Biochem.64,381-387(1976)
【非特許文献４】Tokita,Y.and 4 others,J.Am.Chem.Soc.130,5302(2008)
【非特許文献５】Gouterman M.,Optical spectra and electronic structure of porphyrins and related rings, in "The Porphyrins" Vol.3,Dolphin,D.ed.,pp.1-156, Academic Press(1978)
【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、本発明者らの検討によれば、特許文献１で提案された光電変換素子で用いられている亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃ中の補欠分子族である亜鉛ポルフィリンは光に対して不安定で、光照射により速やかに分解してしまうことが分かった。図３９は亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの光照射による紫外可視吸収スペクトルの経時変化を測定した結果を示す。この測定に際しては、４μＭの亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃ溶液（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、波長４２０ｎｍの光（強度１６３０μＷ）を暗室下、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。図３９中の矢印は、スペクトルの変化方向を示す。図３９より、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃは、時間の経過とともに急速に光分解が進むことが分かる。このときの光分解速度定数ｋは１１４Ｍ-1ｓ-1であった。詳細は省略するが、亜鉛置換ウシ心筋シトクロムｃも同様に光照射により速やかに分解してしまう。
【０００６】
この光分解を防止するために、これらの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を置く環境に対して酸素を遮断したり、ラジカルトラップ剤を添加したりすることも考えられるが、このような対策を施してもこの光分解を１／３程度に留めることができるに過ぎない。すなわち、図４０は、アルゴン雰囲気下における亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの光照射による紫外可視吸収スペクトルの経時変化を測定した結果を示す。測定方法は上記の方法と同様である。ただし、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃ溶液を入れたキュベットはスクリューキャップで密閉し、脱酸素したアルゴンガスを１５分通気した。このときの光分解速度定数ｋは３７．５Ｍ-1ｓ-1であり、酸素を遮断しない場合に比べて約１／３に過ぎない。また、図４１は、ラジカルトラップ剤を添加した状態で亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの光照射による紫外可視吸収スペクトルの経時変化を測定した結果を示す。測定方法は上記の方法と同様である。ただし、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃ溶液を入れたキュベットにラジカルトラップ剤として１０ｍＭアスコルビン酸ナトリウム（ｐＨ７．０）を添加し、キュベットは密閉していない。このときの光分解速度定数ｋは３９．３Ｍ-1ｓ-1であり、酸素を遮断しない場合に比べて約１／３に過ぎない。
【０００７】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、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新規なタンパク質およびこれを用いた長期安定利用可能なタンパク質光電変換素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、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新規なタンパク質の合成に初めて成功した。具体的には、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に置換した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を合成し、それらの光照射に対する安定性および長期にわたる光電変換機能の維持を確認した。同様の優れた特性は、哺乳類由来のシトクロムｃであれば、ウマ心筋シトクロムｃおよびウシ心筋シトクロムｃ以外のものであっても得ることができる。さらに、ウマ心筋シトクロムｃ、ウシ心筋シトクロム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も同様の優れた特性を得ることができる。さらに、置換金属としてスズの代わりにスズおよび亜鉛以外の金属を用いた場合であっても、蛍光励起寿命が所定の時間内であれば、同様の優れた特性を有する金属置換シトクロムｃあるいはタンパク質を得ることができる。
この発明は、本発明者らによる上記の検討に基づいて案出されたものである。
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
ウマ心筋シトクロムｃのヘムの中心金属の鉄をスズに置換したスズ置換ウマ心筋シトクロムｃである。
また、この発明は、
ウシ心筋シトクロムｃのヘムの中心金属の鉄をスズに置換したスズ置換ウシ心筋シトクロムｃである。
【０００９】
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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である。
また、この発明は、
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である。
【００１０】
また、この発明は、
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である。
また、この発明は、
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。
また、この発明は、
スズ置換ウマ心筋シトクロムｃを有するタンパク質光電変換素子である。
また、この発明は、
スズ置換ウシ心筋シトクロムｃを有するタンパク質光電変換素子である。
【００１１】
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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を有するタンパク質光電変換素子である。
また、この発明は、
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を有するタンパク質光電変換素子である。
また、この発明は、
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を有するタンパク質光電変換素子である。
また、この発明は、
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を有するタンパク質光電変換素子である。
【００１２】
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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である金属置換ウマ心筋シトクロムｃである。
また、この発明は、
ウシ心筋シトクロム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である金属置換ウシ心筋シトクロムｃである。
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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、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。
【００１３】
また、この発明は、
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、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。
【００１４】
また、この発明は、
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である。
また、この発明は、
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。
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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である金属置換ウマ心筋シトクロムｃを有するタンパク質光電変換素子。
また、この発明は、
ウシ心筋シトクロム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である金属置換ウシ心筋シトクロムｃを有するタンパク質光電変換素子。
【００１５】
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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、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であるタンパク質を有するタンパク質光電変換素子である。
【００１６】
また、この発明は、
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、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であるタンパク質を有するタンパク質光電変換素子である。
【００１７】
また、この発明は、
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を有するタンパク質光電変換素子である。
また、この発明は、
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であるタンパク質を有するタンパク質光電変換素子である。
【００１８】
上記のタンパク質光電変換素子において、上記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、タンパク質、スズ置換シトクロムｃ、金属置換ウマ心筋シトクロムｃ、金属置換ウシ心筋シトクロムｃおよび金属置換シトクロムｃは、典型的には電極に固定化される。この電極の材料としては無機材料、有機材料のいずれを用いてもよく、必要に応じて選ばれる。これらのタンパク質光電変換素子は、上記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、タンパク質、スズ置換シトクロムｃ、金属置換ウマ心筋シトクロムｃ、金属置換ウシ心筋シトクロムｃおよび金属置換シトクロムｃが固定化される電極に加えて対極を有する。この対極は、この電極に対向するように設けられる。
【００１９】
上述のように構成されたこの発明においては、上記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、タンパク質、スズ置換シトクロムｃ、金属置換ウマ心筋シトクロムｃ、金属置換ウシ心筋シトクロムｃおよび金属置換シトクロムｃは、光照射を行ってもほとんど光分解を起こさず、長期にわたって光電変換機能を維持することができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、上記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、タンパク質、スズ置換シトクロムｃ、金属置換ウマ心筋シトクロムｃ、金属置換ウシ心筋シトクロムｃおよび金属置換シトクロムｃは、光照射に対して極めて高い安定性を有する。そして、これらを用いて長期安定利用可能なタンパク質光電変換素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の第１の実施の形態によるスズ置換ウマ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態によるスズ置換ウシ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図３】亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図４】亜鉛置換ウシ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施の形態によるスズ置換ウマ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの経時変化の測定結果を示す略線図である。
【図６】この発明の第１の実施の形態によるスズ置換ウシ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの経時変化の測定結果を示す略線図である。
【図７】亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの経時変化の測定結果を示す略線図である。
【図８】亜鉛置換ウシ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの経時変化の測定結果を示す略線図である。
【図９】この発明の第１の実施の形態によ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の光分解反応の二次反応式のフィッティングの一例を示す略線図である。
【図１０】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の光分解反応の二次反応式のフィッティングの一例を示す略線図である。
【図１１】この発明の第１の実施の形態において金属置換シトクロムｃの光電流発生実験に用いたタンパク質固定化電極を示す平面図である。
【図１２】図１１に示すタンパク質固定化電極の光電流アクションスペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図１３】図１１に示すタンパク質固定化電極のＳｏｒｅｔ帯光電流値の平均値を示す略線図である。
【図１４】各種の金属置換シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図１５】各種の金属置換シトクロムｃの蛍光スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図１６】スズ置換ウマ心筋シトクロムｃおよび亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの波長４０９ｎｍにおける吸光度に対する積分蛍光強度を示す略線図である。
【図１７】スズ置換ウシ心筋シトクロムｃ、亜鉛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の波長４０９ｎｍにおける吸光度に対する積分蛍光強度を示す略線図である。
【図１８】この発明の第２の実施の形態によるタンパク質光電変換素子を示す略線図である。
【図１９】この発明の第２の実施の形態によるタンパク質光電変換素子の使用形態の第１の例を示す略線図である。
【図２０】この発明の第２の実施の形態によるタンパク質光電変換素子の使用形態の第２の例を示す略線図である。
【図２１】この発明の第２の実施の形態によるタンパク質光電変換素子の使用形態の第３の例を示す略線図である。
【図２２】この発明の第３の実施の形態による非接液全固体型タンパク質光電変換素子を示す断面図である。
【図２３】図２２に示す非接液全固体型タンパク質光電変換素子の要部を拡大して示す断面図である。
【図２４】この発明の第３の実施の形態による非接液全固体型タンパク質光電変換素子の動作を説明するための略線図である。
【図２５】この発明の実施例による非接液全固体型タンパク質光電変換素子の製造方法を説明するための平面図である。
【図２６】この発明の実施例による非接液全固体型タンパク質光電変換素子の製造方法を説明するための平面図である。
【図２７】この発明の実施例による非接液全固体型タンパク質光電変換素子を示す断面図である。
【図２８】非接液全固体型タンパク質光電変換素子の光電流アクションスペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図２９】非接液全固体型タンパク質光電変換素子のバックグラウンド電流−電圧特性の測定結果を示す略線図である。
【図３０】非接液全固体型タンパク質光電変換素子の電流−電圧特性の測定結果を示す略線図である。
【図３１】非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光電流アクションスペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図３２】非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光電流アクションスペクトルの測定結果を光電流のピーク値が１となるように規格化して示す略線図である。
【図３３】非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光劣化曲線の測定結果を示す略線図である。
【図３４】非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光劣化曲線の測定結果を照射開始時の光電流のピーク値が１となるように規格化して示す略線図である。
【図３５】液系タンパク質光電変換素子の周波数応答の測定結果を示す略線図である。
【図３６】非接液全固体型タンパク質光電変換素子の周波数応答の測定結果を示す略線図である。
【図３７】この発明の実施例による非接液全固体型タンパク質光電変換素子の光電流アクションスペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図３８】この発明の実施例による非接液全固体型タンパク質光電変換素子の光劣化曲線の測定結果を示す略線図である。
【図３９】亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図４０】亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃのアルゴン雰囲気下における紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図４１】亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃのラジカルトラップ剤添加下における吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（スズ置換シトクロムｃ）
２．第２の実施の形態（タンパク質光電変換素子）
３．第３の実施の形態（非接液全固体型タンパク質光電変換素子）
４．第４の実施の形態（金属置換シトクロムｃ）
５．第５の実施の形態（タンパク質光電変換素子）
【００２３】
〈１．第１の実施の形態〉
［スズ置換シトクロムｃ］
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。
【００２４】
【表１】
【００２５】
ウシ心筋シトクロムｃは、ウマ心筋シトクロムｃに比べて、熱、変性剤（グアニジン塩酸塩）に対するタンパク質部の安定性が高いことが知られている（非特許文献１、２）。表２にウマ心筋シトクロムｃおよびウシ心筋シトクロムｃの変性中点温度Ｔ1/2 および変性中点濃度［Ｇｄｎ−ＨＣｌ］1/2 を示す。変性中点温度Ｔ1/2 は系にある全タンパク質中、変性タンパク質の占める割合が半分（１／２）になるときの温度である。また、変性中点濃度［Ｇｄｎ−ＨＣｌ］1/2 は系にある全タンパク質中、変性タンパク質の占める割合が半分（１／２）になるときのグアニジン塩酸塩（Ｇｄｎ−ＨＣｌ）の濃度である。Ｔ1/2 および［Ｇｄｎ−ＨＣｌ］1/2 の数値が高いほど安定である。
【００２６】
【表２】
【００２７】
〈スズ置換シトクロムｃの調製〉
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。
【００２８】
ウマ心筋シトクロムｃ粉末１００ｍｇに７０％フッ酸／ピリジンを６ｍＬ加え、室温で１０分インキュベートすることにより、ウマ心筋シトクロムｃからヘムの中心金属の鉄を抜く。こうして鉄を抜いたウマ心筋シトクロムｃに５０ｍＭ酢酸アンモニウム緩衝液（ｐＨ５．０）を９ｍＬ加えて、反応停止後、ゲルろ過カラムクロマトグラフィー（カラム体積：１５０ｍＬ、樹脂：Ｓｅｐｈａｄｅｘ Ｇ−５０、展開溶媒：５０ｍＭ酢酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ５．０））により、中心金属の抜けた金属フリーウマ心筋シトクロムｃを得る。
【００２９】
この金属フリーウマ心筋シトクロムｃ溶液を可能な限り濃縮し、これに氷酢酸を加えてｐＨ２．５（±０．０５）とする。こうして得られた溶液に塩化スズ粉末約２５ｍｇを加えて、遮光下、５０℃で３０分インキュベートする。この過程で塩化スズの代わりに酢酸亜鉛または塩化亜鉛を加えると亜鉛置換体が得られる。１０分毎に紫外可視吸収スペクトルを測定し、タンパク質の波長２８０ｎｍにおける吸収ピークとスズポルフィリン由来の波長４０８ｎｍにおける吸収ピークとの比が一定になるまでインキュベーションを続ける。
【００３０】
これ以降の操作は全て遮光下で行う。上記の最終的に得られた溶液に飽和二リン酸−水素ナトリウム溶液を加えてｐＨを中性（６．０＜）にした後、１０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）への緩衝液交換を行う。その後、陽イオン交換カラムクロマトグラフィー（カラム体積：４０ｍＬ、樹脂：ＳＰ−Ｓｅｐｈａｄｅｘ Ｆａｓｔ Ｆｌｏｗ、溶出：１０〜１５０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）の直線濃度勾配）により単量体の画分を回収する。こうしてスズ置換ウマ心筋シトクロムｃが調製される。
【００３１】
上記のようにして調製された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の紫外可視吸収スペクトルの測定結果を図１〜図４に示す。以下においては、必要に応じて、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃをＳｎｈｈｃ、スズ置換ウシ心筋シトクロムｃをＳｎｂｖｃ、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃをＺｎｈｈｃ、亜鉛置換ウシ心筋シトクロムｃをＺｎｂｖｃと略記する。図１〜図４に示すように、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は波長２８０、３４６、４２３、５５０、５８４ｎｍに吸収極大を持つのに対して、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は波長２８０、４０９、５４０、５７８ｎｍに吸収極大を持ち、δ帯（３４６ｎｍ付近）を持たない。
【００３２】
〈金属置換シトクロムｃの光照射分解実験〉
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５〜図８に示す。図７および図８中の矢印は、スペクトルの変化方向を示す。
【００３３】
図７および図８より、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は、時間の経過とともに急速に光分解が進むことが分かる。これに対して、図５および図６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は、時間が経過した後のスペクトルは初期のスペクトルとほとんど重なっており、時間が経過しても光分解がほとんど起きていないことが分かる。図５〜図８に示す紫外可視吸収スペクトルにおけるＳｏｒｅｔ帯（亜鉛（Ｚｎ）：４２３ｎｍ、スズ（Ｓｎ）：４０９ｎｍ）の吸光度から、ミリモル吸光係数ε（Ｚｎ：２４３０００Ｍ-1ｃｍ-1、Ｓｎ：２６７０００Ｍ-1ｃｍ-1、数値は非特許文献３より引用）を用いて、濃度（Ｍ）を算出し、その逆数を時間（秒（ｓ））に対してプロットし、その傾きから光分解速度定数ｋを算出した。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の濃度の逆数（１／Ｃ）−時間（ｔ）プロットを図９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の濃度の逆数（１／Ｃ）−時間（ｔ）プロットを図１０に示す。図９および図１０において、直線は二次反応式（１／Ｃ＝ｋｔ＋１／Ｃ0 ）のフィッティング曲線である。ここで、Ｃ0 は初期濃度である。この直線の傾きが光分解速度定数ｋとなる。図９および図１０中に記載した直線を表す一次式においてはｔをｘ、１／Ｃをｙで表した。
【００３４】
二回の実験の平均から上記の４種類の金属置換シトクロムｃの光分解速度定数ｋを求めた。その結果、光分解速度定数ｋは、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃは１．３９±０．１３Ｍ-1ｓ-1、スズ置換ウシ心筋シトクロムｃは０．９０±０．２０Ｍ-1ｓ-1、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃは６７．２±１．４Ｍ-1ｓ-1、亜鉛置換ウシ心筋シトクロムｃは５６．１±１．０Ｍ-1ｓ-1であった。この結果から、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ともに、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に比べて光分解速度が５０〜６０倍遅く、光照射に対して極めて安定であることが分かった。また、亜鉛置換体、スズ置換体ともに、ウマ心筋シトクロムｃに比べてウシ心筋シトクロムｃの方が光分解速度は１．２〜１．５倍遅く、光照射に対して安定であることも分かった。特に、スズ置換ウシ心筋シトクロムｃは、特許文献１において用いられた亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃに比べ、光照射に対して７５倍も安定である。
【００３５】
〈金属置換シトクロムｃの光電流発生実験〉
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１１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１１上に所定形状のＩＴＯ電極１２を形成した。ＩＴＯ電極１２の各部の寸法は図１１に示す通りである。ＩＴＯ電極１２の厚さは１００ｎｍである。このＩＴＯ電極１２は作用極となる。照射領域１３の大きさは４．０ｍｍ×４．０ｍｍである。この照射領域１３におけるＩＴＯ電極１２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。
【００３６】
このタンパク質固定化電極を０．２５ｍＭフェロシアン化カリウムを含む１０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）２７ｍＬに浸し、対極として白金メッシュ、参照極として銀／塩化銀電極を用い、特許文献１の図４に示す光電流測定装置を用いて、銀／塩化銀電極に対する電位を１２０ｍＶとして波長３８０〜６００ｎｍの光電流アクションスペクトルを測定した。この測定に際しては、待機時間を９００秒、測定時間を６０秒、電流レンジを１０ｎＡ、フィルターの周波数を３０Ｈｚ、時間分解能を５０ｍｓとした。４種類の金属置換シトクロムｃのそれぞれにつき５枚、電極を作製して測定を行った。
【００３７】
得られた光電流アクションスペクトルを図１２に示す。光電流アクションスペクトルの極大は溶液吸収スペクトルと同様、４０８、５４０、５７８ｎｍに見られた。図１２より、Ｓｏｒｅｔ帯（４０８ｎｍ）とＱ帯（５４０ｎｍ）との強度比が１０：１であることから、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の光電流発生機構は、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃと同様にホールトランスファー（hole transfer)タイプであると考えられる（非特許文献４）。Ｓｏｒｅｔ帯における光電流値平均値グラフ（サンプル数＝５）を図１３に示す。図１３より、ウマ、ウシともにスズ置換シトクロムｃは亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃと同様の光電流（１０ｎＡ）を発生することが分かった。
【００３８】
〈金属置換シトクロムｃの蛍光量子収率〉
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１４および図１５に示す。
図１６および図１７に示すように、波長４０９ｎｍにおける吸光度を横軸（ｘ軸）に、波長５５０〜６７０ｎｍ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１５に示す蛍光スペクトルにおいて波長５５０〜６７０ｎｍ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。
【００３９】
【表３】
【００４０】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、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とも、光照射に対する安定性が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に比べて極めて高い。このため、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いることにより、長期安定利用可能な新規なタンパク質光電変換素子を実現することが可能となる。このタンパク質光電変換素子は光センサーや撮像素子などに用いることができる。また、これらの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とも、光の吸収極大の波長が４０９ｎｍであり、これは現在、高密度記録が可能な光ディスクシステムに用いられている半導体レーザの波長４０５ｎｍに近い。このため、光ディスクの代わりに、例えば、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを基板上に敷き詰めた媒体を用いることにより、新規なメモリを実現することが可能となる。さらに、これらの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の直径は約２ｎｍと極めて小さいため、基板の単位面積あたりに搭載できる素子数を従来に比べて飛躍的に多くすることができる。このため、高精細な光センサーや撮像素子などの実現が可能となり、あるいは、大容量のメモリの実現が可能となる。
【００４１】
〈２．第２の実施の形態〉
［タンパク質光電変換素子］
この第２の実施の形態においては、第１の実施の形態によるスズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いたタンパク質光電変換素子について説明する。
【００４２】
図１８に第１の実施の形態によるタンパク質光電変換素子を示し、特にタンパク質固定化電極を示す。
図１８に示すように、このタンパク質光電変換素子においては、電極２１上にスズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃからなるタンパク質２２が固定化されている。このタンパク質２２は、好適には、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃのスズポルフィリン側が電極２１側を向くように固定されるが、これに限定されるものではない。
【００４３】
図１８においては一分子のタンパク質２２が示されているが、電極２１上に固定化するタンパク質２２の数は必要に応じて決められ、一般的には複数のタンパク質２２が単分子膜または多分子膜として固定化される。また、図１８においては電極２１は平坦な表面形状を有するように描かれているが、電極２１の表面形状は任意であり、例えば凹面、凸面、凹凸面などのいずれであってよく、いずれの形状の面にも容易にタンパク質２２を固定化することが可能である。
【００４４】
電極２１の材料としては、例えば、金、白金、銀などの金属、ＩＴＯ（インジウム−スズ複合酸化物）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ネサガラス（ＳｎＯ2 ガラス）などの金属酸化物あるいはガラスなどに代表される無機材料を用いることができる。この電極２１の材料としては有機材料を用いることもできる。この有機材料は、例えば、導電性高分子（ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィドなど）、テトラチアフルバレン誘導体（ＴＴＦ、ＴＭＴＳＦ、ＢＥＤＴ−ＴＴＦなど）を含む電荷移動錯体（例えば、ＴＴＦ−ＴＣＮＱなど）などである。この電極２１を通してタンパク質２２に光を入射させる場合、この電極２１は、好適には、このタンパク質２２の光励起に用いられる光に対して透明に構成される。例えば、この電極２１は、タンパク質２２の光励起に用いられる光に対して透明な導電性材料、例えばＩＴＯ、ＦＴＯ、ネサガラスなどにより構成され、あるいは、光の透過が可能な極薄い金属膜などにより構成される。
【００４５】
このタンパク質光電変換素子は、電極２１上にタンパク質２２が固定化されたタンパク質固定化電極に加えて対極を有する。この対極は、タンパク質固定化電極に対して間隔を空けて対向するように設けられる。この対極の材料としては、例えば、金、アルミニウム、パラジウム、銀、クロムなどの金属、ＩＴＯ（インジウム−スズ複合酸化物）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ネサガラス（ＳｎＯ2 ガラス）などの金属酸化物あるいはガラスなどに代表される無機材料を用いることができる。この対極の材料としては、導電性高分子（ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィドなど）、テトラチアフルバレン誘導体（ＴＴＦ、ＴＭＴＳＦ、ＢＥＤＴ−ＴＴＦなど）を含む電荷移動錯体（例えば、ＴＴＦ−ＴＣＮＱなど）などを用いることもできる。電極２１に固定化されたタンパク質２２の全部またはほぼ全部に対極を通して光が照射されるようにするためには、この対極は、好適には、このタンパク質２２の光励起に用いられる光に対して透明に構成される。例えば、この対極は、タンパク質２２の光励起に用いられる光に対して透明な導電性材料、例えばＩＴＯ、ＦＴＯ、ネサガラスなどにより構成され、あるいは、光の透過が可能な極薄い金属膜などにより構成される。
【００４６】
このタンパク質光電変換素子は、タンパク質２２の光電変換機能および電子伝達機能を損なわない限り、溶液（電解質溶液または緩衝液）中、ドライな環境中のいずれでも動作させることが可能である。このタンパク質光電変換素子を電解質溶液または緩衝液中で動作させる場合には、典型的には、タンパク質固定化電極に対して間隔を空けて対向するように対極が設けられ、これらのタンパク質固定化電極および対極が電解質溶液または緩衝液中に浸漬される。電解質溶液の電解質（あるいはレドックス種）としてはタンパク質固定化電極で酸化反応が起こり、対極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、対極で酸化反応が起こるものが用いられる。具体的には、電解質（あるいはレドックス種）としては、例えば、Ｋ4 ［Ｆｅ（ＣＮ）6 ］や［Ｃｏ（ＮＨ3 ）6 ］Ｃｌ3 などが用いられる。このタンパク質光電変換素子をドライな環境中で動作させる場合には、典型的には、例えば、タンパク質２２を吸着しない固体電解質、具体的には例えば寒天やポリアクリルアミドゲルなどの湿潤な固体電解質が、タンパク質固定化電極と対極との間に挟み込まれ、好適にはこの固体電解質の周囲にこの固体電解質の乾燥を防ぐための封止壁が設けられる。これらの場合においては、タンパク質固定化電極と対極との自然電極電位の差に基づいた極性で、タンパク質２２からなる受光部で光を受光したときに光電流を得ることができる。
【００４７】
［タンパク質光電変換素子の使用形態］
図１９はこのタンパク質光電変換素子の使用形態の第１の例を示す。
図１９に示すように、この第１の例では、電極２１上にタンパク質２２が固定化されたタンパク質固定化電極と対極２３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対極２３は、容器２４中に入れられた電解質溶液２５中に浸漬される。電解質溶液２５は、タンパク質２２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２５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、対極２３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、対極２３で酸化反応が起こるものが用いられる。
【００４８】
このタンパク質光電変換素子により光電変換を行うには、バイアス電源２６により参照電極２７に対してタンパク質固定化電極にバイアス電圧を印加した状態で、タンパク質固定化電極のタンパク質２２に光を照射する。この光は、タンパク質２２の光励起が可能な光の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に印加するバイアス電圧、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。光電流は端子２８ａ、２８ｂより外部に取り出される。
【００４９】
図２０はこのタンパク質光電変換素子の使用形態の第２の例を示す。
図２０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２６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対極２３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、参照電極２７は用いる必要がない。したがって、このタンパク質光電変換素子は、タンパク質固定化電極および対極２３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。
【００５０】
図２１はこのタンパク質光電変換素子の使用形態の第３の例を示す。第１および第２の例によるタンパク質光電変換素子が溶液中で動作させるものであるのに対し、このタンパク質光電変換素子はドライな環境中で動作させることができるものである。
図２１に示すように、このタンパク質光電変換素子においては、タンパク質固定化電極と対極２３との間に固体電解質２９が挟み込まれている。さらに、この固体電解質２９の周囲を取り巻くように、固体電解質２９の乾燥を防ぐための封止壁３０が設けられている。固体電解質２９としては、タンパク質２２の機能を損なわないものが用いられ、具体的には、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。このタンパク質光電変換素子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対極２３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タンパク質２２に光を照射する。この光は、タンパク質２２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対極２３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。
【００５１】
［タンパク質光電変換素子の製造方法］
このタンパク質光電変換素子の製造方法の一例について説明する。
まず、電極２１をタンパク質２２と緩衝液とを含む溶液に浸漬し、タンパク質２２を電極２１上に固定化する。こうして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対極２３とを用いて例えば図１９、図２０または図２１に示すタンパク質光電変換素子を製造する。
【００５２】
［タンパク質光電変換素子の動作］
このタンパク質光電変換素子のタンパク質２２に波長４０９ｎｍ程度の単色光またはこの波長４０９ｎｍ程度の波長成分を含む光が入射すると、タンパク質２２から光励起により電子が発生し、電子伝達により電極２１に電子が移動する。そして、電極２１と対極２３とから外部に光電流が取り出される。
【００５３】
以上のように、この第２の実施の形態によれば、高い光照射安定性を有するスズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃからなるタンパク質２２を電極２１上に固定化するようにしている。このため、タンパク質２２が長時間の光照射によっても劣化することがなく、長期安定利用可能な新規なタンパク質光電変換素子を実現することができる。
【００５４】
このタンパク質光電変換素子は、例えば光センサーあるいは撮像素子に用いることができ、必要に応じて光電流の増幅回路などを併せて用いることができる。光センサーは光信号の検出などの各種の用途に用いることができ、人工網膜などに応用することも可能である。
【００５５】
このタンパク質光電変換素子は、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が、具体例を挙げると、デジタルカメラ、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）などである。
【００５６】
〈３．第３の実施の形態〉
［非接液全固体型タンパク質光電変換素子］
図２２は第３の実施の形態による非接液全固体型タンパク質光電変換素子を示す。この非接液全固体型タンパク質光電変換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光電変換素子の「非接液」とは、タンパク質光電変換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光電変換素子の「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。
【００５７】
図２２に示すように、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子においては、電極４１と電極４２との間に、タンパク質からなる固体タンパク質層４３が挟まれた構造を有する。固体タンパク質層４３は電極４１、４２に対して固定化されている。固体タンパク質層４３は典型的には電極４１、４２に対して直接固定化されるが、必要に応じて、固体タンパク質層４３と電極４１、４２との間に水などの液体が含まれていない中間層を設けてもよい。この固体タンパク質層４３には水などの液体が含まれていない。この固体タンパク質層４３はタンパク質の単分子膜または多分子膜からなる。
【００５８】
この固体タンパク質層４３が多分子膜からなる場合の構造の一例を図２３に示す。図２３に示すように、固体タンパク質層４３は、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃからなるタンパク質４３ａが二次元的に集合して形成された単分子膜がｎ層（ｎは２以上の整数）積層されたものからなる。図２３ではｎ＝３の場合が示されている。
【００５９】
電極４１、４２の材料としては、電極２１と同様な材料を用いることができる。電極４１、４２の間に挟まれた固体タンパク質層４３の全部またはほぼ全部に光が照射されるようにするためには、好適には、これらの電極４１、４２の少なくとも一方を、固体タンパク質層４３の光励起に用いられる光に対して透明に構成する。具体的には、これらの電極４１、４２を、この光励起に用いられる光に対して透明な導電材料、例えばＩＴＯ、ＦＴＯ、ネサガラスなどにより構成したり、光の透過が可能な極薄い金属膜などにより構成したりする。
【００６０】
次に、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子の製造方法について説明する。
まず、電極４１、４２の一方、例えば電極４１上に、タンパク質４３ａを含む溶液、典型的にはタンパク質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、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タンパク質４３ａを電極４１に固定化させる。
【００６１】
次に、こうしてタンパク質溶液中のタンパク質４３ａを電極４１に固定化させたものをこのタンパク質４３ａの変性温度より低い温度に加熱して乾燥させることにより、タンパク質溶液に含まれる液を全て蒸発させて除去する。
こうして、タンパク質４３ａのみが電極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、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上に電極４２を形成する。この電極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光電変換素子が製造される。
【００６２】
次に、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子の動作について説明する。
非接液全固体型タンパク質光電変換素子の電極４１と電極４２との間に電極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。ここでは、電極４１が透明電極であるとする。この非接液全固体型タンパク質光電変換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、電極４１と電極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光電変換素子のオフ状態である。これに対して、図２４に示すように、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、電極４２から電子（ｅ）が固体タンパク質層４３を通って電極４１に流れ、電極４１と電極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光電変換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光電変換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。
上述のように固体タンパク質層４３が光導電体として振る舞うのは、非特許文献４および特許文献２に記載された分子内電子移動のメカニズムによるものと考えられる。すなわち、固体タンパク質層４３を構成する電子伝達タンパク質４３ａが光励起されたときに分子軌道間の電子の遷移が起き、その結果、この電子伝達タンパク質４３ａのある部位から他の部位に電子またはホール（hole）が移動する。そして、この電子またはホールの移動が固体タンパク質層１３を構成する多数の電子伝達タンパク質１３ａで次々と起き、その結果、電極４１と電極４２との間に光電流が流れる。
【００６３】
〈実施例〉
図２５Ａに示すように、ガラス基板５１上に電極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および比較用の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。
【００６４】
次に、図２５Ｂに示すように、ＩＴＯ電極５２の一端部５２ａの上に、上述のようにして調製されたタンパク質溶液を１０μＬ滴下し、タンパク質液滴５３をＩＴＯ電極５２に付着させた。
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。
【００６５】
次に、この試料を３０〜４０℃の温度に保たれた乾燥機に入れて３０〜６０分乾燥させた。この乾燥によって、タンパク質液滴５３に含まれる水などの液体を蒸発させて除去した。この結果、ＩＴＯ電極５２上には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だけが残され、図２６Ａに示すように、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の厚さは約１μｍである。
【００６６】
次に、図２６Ｂに示すように、固体タンパク質層４３と重なるように電極５４を形成するとともに、ＩＴＯ電極５２の他端部５２ｂと重なるように電極５５を形成する。電極５５は対極および作用極として用いられる。これらの電極５４、５５はＡｕ膜またはＡｌ膜により形成し、Ａｕ膜の厚さは２０ｎｍ、Ａｌ膜の厚さは５０ｎｍである。これらの電極５４、５５は、例えば、これらの電極５４、５５を形成する領域以外の部分をマスクし、電極材料をスパッタリング法または真空蒸着法により堆積させることにより形成することができる。これらの電極５４、５５の平面形状は長方形または正方形とする。
こうして非接液全固体型タンパク質光電変換素子が製造される。この非接液全固体型タンパク質光電変換素子の断面構造を図２７に示す。
【００６７】
こうして非接液全固体型タンパク質光電変換素子を多数製造し、大気中において電極５４、５５間の抵抗を測定したところ、１ｋΩ〜３０ＭΩの範囲と広範囲に分布していた。このように電極５４、５５間の抵抗が広範囲にわたっているのは、素子毎に固体タンパク質層４３の厚さが異なっていたり、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａに種類が異なるものが含まれていたりすることなどによるものである。
【００６８】
この非接液全固体型タンパク質光電変換素子の光電流アクションスペクトルを測定した。固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとしては、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を用いた。測定は、ポテンショスタットの作用極をＩＴＯ電極５２に接続された電極５４に接続し、対極および参照極を電極５５に接続して行った。電極５４、５５は厚さ２０ｎｍのＡｕ膜からなる。固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた場合の０ｍＶおよび−８００ｍＶの電位下でのアクションスペクトルの測定結果を図２８に示す。また、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとしてスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いた場合の０ｍＶの電位下でのアクションスペクトルの測定結果を図３７に示す。図２８および図３７に示すように、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた場合もスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いた場合もアクションスペクトルを観測することができた。特に、図２８に示すように、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた場合には、正負両方向のアクションスペクトルを観測することができた。また、図２８に示すように、−８００ｍＶという過電圧下でもアクションスペクトルを測定することができたが、これは新たな知見であり、極めて注目すべき結果である。
【００６９】
図２９は、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた非接液全固体型タンパク質光電変換素子の電極５４、５５間に電圧（バイアス電圧）を印加したときの各電圧におけるバックグラウンド電流（光オフ時に流れる電流）の測定結果を示す。図２９に示すように、電圧とバックグラウンド電流との関係を示す曲線は直線であり、これは固体タンパク質層４３の伝導性が半導体と似ていることを示す。この直線の傾きより、電極５４、５５間の抵抗は約５０ＭΩであることが分かる。
図３０は固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた非接液全固体型タンパク質光電変換素子の電極５４、５５間に電圧を印加したときの各電圧における光電流（光オン時に流れる電流）の測定結果を示す。図３０に示すように、電圧と光電流との関係を示す曲線もほぼ直線であり、これは固体タンパク質層４３が光導電体として機能していることを示す。
【００７０】
図３１は、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた非接液全固体型タンパク質光電変換素子と、後述の方法により作製した液系タンパク質光電変換素子との光電流アクションスペクトルの測定結果を示す。図３１および以下の図３２〜図３４においては、上記の非接液全固体型タンパク質光電変換素子を「固体系」、液系タンパク質光電変換素子を「液系」と略記する。
液系タンパク質光電変換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、液系タンパク質光電変換素子が作製される。
図３２は、図３１に示す非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子のスペクトルを波長４２０ｎｍ付近にあるピークの光電流密度が１となるように規格化したものである。図３１に示すように、両スペクトルは、光電流密度に差はあるものの、波長４２３ｎｍ付近のソーレー（Ｓｏｒｅｔ）帯および波長５５０ｎｍ、５８３ｎｍ付近のＱ帯のピーク波長が同一であることから、いずれも亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃに由来する光電流が得られていることが分かる。亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃからなる固体タンパク質層４３を用いた非接液全固体型タンパク質光電変換素子においてこのように亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃに由来する光電流が得られることは、本発明者らにより初めて見出されたことであり、従来の常識を覆す驚くべき結果である。
【００７１】
図３３は、上記の非接液全固体型タンパク質光電変換素子と、液系タンパク質光電変換素子とについての光劣化曲線（光の照射時間に対する光電流密度の減少を示す曲線）の測定結果を示す。測定は、波長４０５．５ｎｍのレーザ光を０．２ｍＷ／ｍｍ2 の強度でこれらの非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子に照射しながら光電流密度を測定することにより行った。レーザ光の照射強度を０．２ｍＷ／ｍｍ2 と高くしたのは、光劣化速度を速くし、試験時間を短縮するためである。図３４は図３３に示す非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光劣化曲線を照射時間が０のときの光電流密度が１となるように規格化したものである。
【００７２】
図３４に示す光劣化曲線を下記の関数でフィッティングした。
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。
【００７３】
液系タンパク質光電変換素子
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）
【００７４】
非接液全固体型タンパク質光電変換素子
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）
【００７５】
ここで、これらの非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の寿命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、液系タンパク質光電変換素子の寿命は３０６秒であるのに対し、非接液全固体型タンパク質光電変換素子の寿命は４２６６秒である。従って、非接液全固体型タンパク質光電変換素子の寿命は液系タンパク質光電変換素子の寿命の少なくとも１４倍以上長いことが分かる。
【００７６】
なお、図３３に示す液系タンパク質光電変換素子の光劣化曲線には鋸歯状の波形が見られるが、これは電解質溶液中に発生する酸素を除去するために測定を中断しなければならなかったためであり、酸素を除去する操作後に光電流は少し上昇する。
【００７７】
次に、非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の周波数応答を測定した結果について説明する。
図３５は液系タンパク質光電変換素子の周波数応答の測定結果、図３６は非接液全固体型タンパク質光電変換素子の周波数応答の測定結果を示す。図３５および図３６より、液系タンパク質光電変換素子の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光電変換素子の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光電変換素子の応答速度は液系タンパク質光電変換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。
図３８は、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとしてスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いた非接液全固体型タンパク質光電変換素子と、スズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いた液系タンパク質光電変換素子とについて光劣化曲線を測定し、これらの光劣化曲線を照射時間が０のときの光電流密度が１となるように規格化したものである。この液系タンパク質光電変換素子の作製方法は、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの代わりにスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いることを除いて、上記と同様である。非接液全固体型タンパク質光電変換素子としては、スズ置換ウシ心筋シトクロムｃの単分子膜を有するものとスズ置換ウシ心筋シトクロムｃの多分子膜を有するものとを作製した。測定は、波長４０５．５ｎｍのレーザ光を０．２ｍＷ／ｍｍ2 の強度でこれらの非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子に照射しながら光電流密度を測定することにより行った。レーザ光の照射強度を０．２ｍＷ／ｍｍ2 と高くしたのは、光劣化速度を速くし、試験時間を短縮するためである。
図３８に示す光劣化曲線を下記の関数でフィッティングした。
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。
液系タンパク質光電変換素子
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光電変換素子（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光電変換素子（多分子膜）
ａ＝０．５９９２
ｂ＝−０．００２９９１
ｃ＝０．２３７１
ｄ＝−０．０００１５１３
ここで、これらの非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光劣化の平均時定数は次の通りである。
液系タンパク質光電変換素子 ：２．５４×１０2 秒
非接液全固体型タンパク質光電変換素子（単分子膜）：２．７１×１０3 秒
非接液全固体型タンパク質光電変換素子（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光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の寿命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、液系タンパク質光電変換素子の寿命は４３４秒であるのに対し、非接液全固体型タンパク質光電変換素子（単分子膜）の寿命は２４２３秒、非接液全固体型タンパク質光電変換素子（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光電変換素子の寿命は液系タンパク質光電変換素子の寿命の少なくとも約５倍以上長いことが分かる。
【００７８】
この第３の実施の形態による非接液全固体型タンパク質光電変換素子によれば、次のような種々の利点を得ることができる。すなわち、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子は、素子の内部に水が存在せず、しかも水に接触させないでも動作が可能であるため、従来の半導体を用いた光電変換素子に代わる光電変換素子として電子機器に搭載することが可能となる。また、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子は、内部に水が存在しないため、水の存在に起因するタンパク質の熱変性、ラジカルダメージ、腐敗などを防止することができ、安定性が高く、耐久性が優れている。また、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子は、素子の内外に水が存在しないため、感電のおそれがなく、強度の確保も容易である。
【００７９】
また、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子においては、固体タンパク質層４３は電極４１、４２に対し、リンカー分子などを介することなく直接固定化されていることにより、リンカー分子などを介して固定化される場合に比べて大きな光電流を得ることができる。さらに、固体タンパク質層４３が電極４１、４２に対して直接固定化されていることに加えて、固体タンパク質層４３は極薄く形成することができるので、電極４１と電極２２との間の距離を極めて短くすることができる。このため、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子は薄型に構成することができ、しかも電極４１、４２を透明化することにより、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子を多層積層して使用することができる。さらに、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子においては、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａのサイズは２ｎｍ程度と極めて小さいので、例えば固体タンパク質層４３のどの位置に光が入射したかを極めて精密に検出することが可能である。このため、高精細の光センサーあるいは撮像素子を実現することができる。
【００８０】
さらに、タンパク質４３ａの光導電効果は「一光子−多電子発生」によるものと推測される。ところが、液系タンパク質光電変換素子においては、電極間に存在する溶液の抵抗（溶液抵抗）が高いため、この「一光子−多電子発生」が妨げられていたと考えられる。これに対し、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子では、この溶液抵抗が存在しないため、この「一光子−多電子発生」が可能となり、光電変換効率の大幅な向上を図ることができ、より大きな光電流を得ることができる。
【００８１】
この非接液全固体型タンパク質光電変換素子は、光スイッチ素子、光センサー、撮像素子などを実現することができる。上述のようにこの非接液全固体型タンパク質光電変換素子は周波数応答が速いため、高速スイッチングが可能な光スイッチ素子、高速応答の光センサー、高速で動く物体の撮像が可能な撮像素子などを実現することができる。そして、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子を光スイッチ素子、光センサー、撮像素子などに用いることにより優れた電子機器を実現することができる。
【００８２】
〈４．第４の実施の形態〉
［金属置換シトクロムｃ］
この第４の実施の形態においては、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。
【００８３】
【表４】
【００８４】
表４よりスズ（Ｓｎ）のりん光寿命は３０ｍｓであるが、りん光寿命がこれと同等またはこれより短い金属は、光照射によりタンパク質やポルフィリンにダメージを与えないと考えられる。表４よりこれらの金属は、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、バリウム（Ｂａ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、カドミウム（Ｃｄ）、アンチモン（Ｓｂ）、トリウム（Ｔｈ）、鉛（Ｐｂ）などである。
【００８５】
そこで、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これらの金属に置換する。この置換には第１の実施の形態で述べたものと同様の方法を用いることができる。
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。
【００８６】
ここで、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に必要とされる蛍光励起寿命の範囲について説明する。
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。
【００８７】
スズ置換ウマ心筋シトクロムｃの蛍光励起寿命（非特許文献３）は８．０×１０-10 ｓである。亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの蛍光励起寿命は３．２×１０-10 ｓである。
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一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。
【００８８】
以上より、光照射により、タンパク質部あるいはポルフィリンにダメージを与えず、かつホールトランスファーが起こるために必要な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の蛍光励起寿命（τ）の範囲は５．０×１０-11 ｓ（最低一回ホールトランスファーを起こすのに必要な蛍光励起寿命）＜τ≦８．０×１０-10 ｓ（スズ置換ウマ心筋シトクロムｃの蛍光励起寿命）である。
この第４の実施の形態によ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によれば、第１の実施の形態によ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と同様な利点を得ることができる。
【００８９】
〈５．第５の実施の形態〉
［タンパク質光電変換素子］
この第５の実施の形態においては、第２の実施の形態におけるタンパク質２２として、第４の実施の形態による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。その他のことは第２の実施の形態と同様である。
この第５の実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
【００９０】
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態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。
【符号の説明】
【００９１】
１１…ガラス基板、１２…ＩＴＯ電極、１３…照射領域、２１…電極、２２…タンパク質、２３…対極、２４…容器、２５…電解質溶液、２６…バイアス電源、２７…参照電極、２９…固体電解質、３０…封止壁、４１、４２…電極、４３…固体タンパク質層、４３ａ…タンパク質、５１…ガラス基板、５２…ＩＴＯ電極、５３…タンパク質液滴、５４、５５…電極
【技術分野】
【０００１】
この発明は、タンパク質光電変換素子およびスズ置換シトクロムｃに関し、例えば、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などやこれらを用いたタンパク質光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
タンパク質はサイズが極めて小さい（２〜１０ｎｍ）ながら、複雑な機能を発揮するため、半導体素子に代わる次世代の機能素子として期待されている。
従来、タンパク質を用いた光電変換素子として、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃ（ウマ心筋シトクロムｃの補欠分子族ヘムの中心金属の鉄を亜鉛に置換したもの）を金電極に固定化したタンパク質固定化電極を用いたものが提案されている（特許文献１参照。）。そして、このタンパク質固定化電極から光電流が得られることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２２０４４５号公報
【特許文献２】特開２００９−２１５０１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】McLendon,G.and Smith,M.J.Biol.Chem.253,4004(1978)
【非特許文献２】Moza,B.and 2 others,Biochim.Biophys.Acta 1646,49(2003)
【非特許文献３】Vanderkooi,J.M.and 2 others,Eur.J.Biochem.64,381-387(1976)
【非特許文献４】Tokita,Y.and 4 others,J.Am.Chem.Soc.130,5302(2008)
【非特許文献５】Gouterman M.,Optical spectra and electronic structure of porphyrins and related rings, in "The Porphyrins" Vol.3,Dolphin,D.ed.,pp.1-156, Academic Press(1978)
【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、本発明者らの検討によれば、特許文献１で提案された光電変換素子で用いられている亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃ中の補欠分子族である亜鉛ポルフィリンは光に対して不安定で、光照射により速やかに分解してしまうことが分かった。図３９は亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの光照射による紫外可視吸収スペクトルの経時変化を測定した結果を示す。この測定に際しては、４μＭの亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃ溶液（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、波長４２０ｎｍの光（強度１６３０μＷ）を暗室下、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。図３９中の矢印は、スペクトルの変化方向を示す。図３９より、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃは、時間の経過とともに急速に光分解が進むことが分かる。このときの光分解速度定数ｋは１１４Ｍ-1ｓ-1であった。詳細は省略するが、亜鉛置換ウシ心筋シトクロムｃも同様に光照射により速やかに分解してしまう。
【０００６】
この光分解を防止するために、これらの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を置く環境に対して酸素を遮断したり、ラジカルトラップ剤を添加したりすることも考えられるが、このような対策を施してもこの光分解を１／３程度に留めることができるに過ぎない。すなわち、図４０は、アルゴン雰囲気下における亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの光照射による紫外可視吸収スペクトルの経時変化を測定した結果を示す。測定方法は上記の方法と同様である。ただし、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃ溶液を入れたキュベットはスクリューキャップで密閉し、脱酸素したアルゴンガスを１５分通気した。このときの光分解速度定数ｋは３７．５Ｍ-1ｓ-1であり、酸素を遮断しない場合に比べて約１／３に過ぎない。また、図４１は、ラジカルトラップ剤を添加した状態で亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの光照射による紫外可視吸収スペクトルの経時変化を測定した結果を示す。測定方法は上記の方法と同様である。ただし、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃ溶液を入れたキュベットにラジカルトラップ剤として１０ｍＭアスコルビン酸ナトリウム（ｐＨ７．０）を添加し、キュベットは密閉していない。このときの光分解速度定数ｋは３９．３Ｍ-1ｓ-1であり、酸素を遮断しない場合に比べて約１／３に過ぎない。
【０００７】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、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新規なタンパク質およびこれを用いた長期安定利用可能なタンパク質光電変換素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、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新規なタンパク質の合成に初めて成功した。具体的には、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に置換した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を合成し、それらの光照射に対する安定性および長期にわたる光電変換機能の維持を確認した。同様の優れた特性は、哺乳類由来のシトクロムｃであれば、ウマ心筋シトクロムｃおよびウシ心筋シトクロムｃ以外のものであっても得ることができる。さらに、ウマ心筋シトクロムｃ、ウシ心筋シトクロム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も同様の優れた特性を得ることができる。さらに、置換金属としてスズの代わりにスズおよび亜鉛以外の金属を用いた場合であっても、蛍光励起寿命が所定の時間内であれば、同様の優れた特性を有する金属置換シトクロムｃあるいはタンパク質を得ることができる。
この発明は、本発明者らによる上記の検討に基づいて案出されたものである。
すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
ウマ心筋シトクロムｃのヘムの中心金属の鉄をスズに置換したスズ置換ウマ心筋シトクロムｃである。
また、この発明は、
ウシ心筋シトクロムｃのヘムの中心金属の鉄をスズに置換したスズ置換ウシ心筋シトクロムｃである。
【０００９】
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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である。
また、この発明は、
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である。
【００１０】
また、この発明は、
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である。
また、この発明は、
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。
また、この発明は、
スズ置換ウマ心筋シトクロムｃを有するタンパク質光電変換素子である。
また、この発明は、
スズ置換ウシ心筋シトクロムｃを有するタンパク質光電変換素子である。
【００１１】
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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を有するタンパク質光電変換素子である。
また、この発明は、
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を有するタンパク質光電変換素子である。
また、この発明は、
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を有するタンパク質光電変換素子である。
また、この発明は、
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を有するタンパク質光電変換素子である。
【００１２】
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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である金属置換ウマ心筋シトクロムｃである。
また、この発明は、
ウシ心筋シトクロム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である金属置換ウシ心筋シトクロムｃである。
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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、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。
【００１３】
また、この発明は、
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、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。
【００１４】
また、この発明は、
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である。
また、この発明は、
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。
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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である金属置換ウマ心筋シトクロムｃを有するタンパク質光電変換素子。
また、この発明は、
ウシ心筋シトクロム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である金属置換ウシ心筋シトクロムｃを有するタンパク質光電変換素子。
【００１５】
また、この発明は、
ウマ心筋シトクロム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、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であるタンパク質を有するタンパク質光電変換素子である。
【００１６】
また、この発明は、
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、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であるタンパク質を有するタンパク質光電変換素子である。
【００１７】
また、この発明は、
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を有するタンパク質光電変換素子である。
また、この発明は、
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であるタンパク質を有するタンパク質光電変換素子である。
【００１８】
上記のタンパク質光電変換素子において、上記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、タンパク質、スズ置換シトクロムｃ、金属置換ウマ心筋シトクロムｃ、金属置換ウシ心筋シトクロムｃおよび金属置換シトクロムｃは、典型的には電極に固定化される。この電極の材料としては無機材料、有機材料のいずれを用いてもよく、必要に応じて選ばれる。これらのタンパク質光電変換素子は、上記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、タンパク質、スズ置換シトクロムｃ、金属置換ウマ心筋シトクロムｃ、金属置換ウシ心筋シトクロムｃおよび金属置換シトクロムｃが固定化される電極に加えて対極を有する。この対極は、この電極に対向するように設けられる。
【００１９】
上述のように構成されたこの発明においては、上記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、タンパク質、スズ置換シトクロムｃ、金属置換ウマ心筋シトクロムｃ、金属置換ウシ心筋シトクロムｃおよび金属置換シトクロムｃは、光照射を行ってもほとんど光分解を起こさず、長期にわたって光電変換機能を維持することができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、上記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、タンパク質、スズ置換シトクロムｃ、金属置換ウマ心筋シトクロムｃ、金属置換ウシ心筋シトクロムｃおよび金属置換シトクロムｃは、光照射に対して極めて高い安定性を有する。そして、これらを用いて長期安定利用可能なタンパク質光電変換素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の第１の実施の形態によるスズ置換ウマ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図２】この発明の第１の実施の形態によるスズ置換ウシ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図３】亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図４】亜鉛置換ウシ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施の形態によるスズ置換ウマ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの経時変化の測定結果を示す略線図である。
【図６】この発明の第１の実施の形態によるスズ置換ウシ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの経時変化の測定結果を示す略線図である。
【図７】亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの経時変化の測定結果を示す略線図である。
【図８】亜鉛置換ウシ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの経時変化の測定結果を示す略線図である。
【図９】この発明の第１の実施の形態によ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の光分解反応の二次反応式のフィッティングの一例を示す略線図である。
【図１０】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の光分解反応の二次反応式のフィッティングの一例を示す略線図である。
【図１１】この発明の第１の実施の形態において金属置換シトクロムｃの光電流発生実験に用いたタンパク質固定化電極を示す平面図である。
【図１２】図１１に示すタンパク質固定化電極の光電流アクションスペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図１３】図１１に示すタンパク質固定化電極のＳｏｒｅｔ帯光電流値の平均値を示す略線図である。
【図１４】各種の金属置換シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図１５】各種の金属置換シトクロムｃの蛍光スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図１６】スズ置換ウマ心筋シトクロムｃおよび亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの波長４０９ｎｍにおける吸光度に対する積分蛍光強度を示す略線図である。
【図１７】スズ置換ウシ心筋シトクロムｃ、亜鉛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の波長４０９ｎｍにおける吸光度に対する積分蛍光強度を示す略線図である。
【図１８】この発明の第２の実施の形態によるタンパク質光電変換素子を示す略線図である。
【図１９】この発明の第２の実施の形態によるタンパク質光電変換素子の使用形態の第１の例を示す略線図である。
【図２０】この発明の第２の実施の形態によるタンパク質光電変換素子の使用形態の第２の例を示す略線図である。
【図２１】この発明の第２の実施の形態によるタンパク質光電変換素子の使用形態の第３の例を示す略線図である。
【図２２】この発明の第３の実施の形態による非接液全固体型タンパク質光電変換素子を示す断面図である。
【図２３】図２２に示す非接液全固体型タンパク質光電変換素子の要部を拡大して示す断面図である。
【図２４】この発明の第３の実施の形態による非接液全固体型タンパク質光電変換素子の動作を説明するための略線図である。
【図２５】この発明の実施例による非接液全固体型タンパク質光電変換素子の製造方法を説明するための平面図である。
【図２６】この発明の実施例による非接液全固体型タンパク質光電変換素子の製造方法を説明するための平面図である。
【図２７】この発明の実施例による非接液全固体型タンパク質光電変換素子を示す断面図である。
【図２８】非接液全固体型タンパク質光電変換素子の光電流アクションスペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図２９】非接液全固体型タンパク質光電変換素子のバックグラウンド電流−電圧特性の測定結果を示す略線図である。
【図３０】非接液全固体型タンパク質光電変換素子の電流−電圧特性の測定結果を示す略線図である。
【図３１】非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光電流アクションスペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図３２】非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光電流アクションスペクトルの測定結果を光電流のピーク値が１となるように規格化して示す略線図である。
【図３３】非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光劣化曲線の測定結果を示す略線図である。
【図３４】非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光劣化曲線の測定結果を照射開始時の光電流のピーク値が１となるように規格化して示す略線図である。
【図３５】液系タンパク質光電変換素子の周波数応答の測定結果を示す略線図である。
【図３６】非接液全固体型タンパク質光電変換素子の周波数応答の測定結果を示す略線図である。
【図３７】この発明の実施例による非接液全固体型タンパク質光電変換素子の光電流アクションスペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図３８】この発明の実施例による非接液全固体型タンパク質光電変換素子の光劣化曲線の測定結果を示す略線図である。
【図３９】亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図４０】亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃのアルゴン雰囲気下における紫外可視吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【図４１】亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃのラジカルトラップ剤添加下における吸収スペクトルの測定結果を示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（スズ置換シトクロムｃ）
２．第２の実施の形態（タンパク質光電変換素子）
３．第３の実施の形態（非接液全固体型タンパク質光電変換素子）
４．第４の実施の形態（金属置換シトクロムｃ）
５．第５の実施の形態（タンパク質光電変換素子）
【００２３】
〈１．第１の実施の形態〉
［スズ置換シトクロムｃ］
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。
【００２４】
【表１】
【００２５】
ウシ心筋シトクロムｃは、ウマ心筋シトクロムｃに比べて、熱、変性剤（グアニジン塩酸塩）に対するタンパク質部の安定性が高いことが知られている（非特許文献１、２）。表２にウマ心筋シトクロムｃおよびウシ心筋シトクロムｃの変性中点温度Ｔ1/2 および変性中点濃度［Ｇｄｎ−ＨＣｌ］1/2 を示す。変性中点温度Ｔ1/2 は系にある全タンパク質中、変性タンパク質の占める割合が半分（１／２）になるときの温度である。また、変性中点濃度［Ｇｄｎ−ＨＣｌ］1/2 は系にある全タンパク質中、変性タンパク質の占める割合が半分（１／２）になるときのグアニジン塩酸塩（Ｇｄｎ−ＨＣｌ）の濃度である。Ｔ1/2 および［Ｇｄｎ−ＨＣｌ］1/2 の数値が高いほど安定である。
【００２６】
【表２】
【００２７】
〈スズ置換シトクロムｃの調製〉
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。
【００２８】
ウマ心筋シトクロムｃ粉末１００ｍｇに７０％フッ酸／ピリジンを６ｍＬ加え、室温で１０分インキュベートすることにより、ウマ心筋シトクロムｃからヘムの中心金属の鉄を抜く。こうして鉄を抜いたウマ心筋シトクロムｃに５０ｍＭ酢酸アンモニウム緩衝液（ｐＨ５．０）を９ｍＬ加えて、反応停止後、ゲルろ過カラムクロマトグラフィー（カラム体積：１５０ｍＬ、樹脂：Ｓｅｐｈａｄｅｘ Ｇ−５０、展開溶媒：５０ｍＭ酢酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ５．０））により、中心金属の抜けた金属フリーウマ心筋シトクロムｃを得る。
【００２９】
この金属フリーウマ心筋シトクロムｃ溶液を可能な限り濃縮し、これに氷酢酸を加えてｐＨ２．５（±０．０５）とする。こうして得られた溶液に塩化スズ粉末約２５ｍｇを加えて、遮光下、５０℃で３０分インキュベートする。この過程で塩化スズの代わりに酢酸亜鉛または塩化亜鉛を加えると亜鉛置換体が得られる。１０分毎に紫外可視吸収スペクトルを測定し、タンパク質の波長２８０ｎｍにおける吸収ピークとスズポルフィリン由来の波長４０８ｎｍにおける吸収ピークとの比が一定になるまでインキュベーションを続ける。
【００３０】
これ以降の操作は全て遮光下で行う。上記の最終的に得られた溶液に飽和二リン酸−水素ナトリウム溶液を加えてｐＨを中性（６．０＜）にした後、１０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）への緩衝液交換を行う。その後、陽イオン交換カラムクロマトグラフィー（カラム体積：４０ｍＬ、樹脂：ＳＰ−Ｓｅｐｈａｄｅｘ Ｆａｓｔ Ｆｌｏｗ、溶出：１０〜１５０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）の直線濃度勾配）により単量体の画分を回収する。こうしてスズ置換ウマ心筋シトクロムｃが調製される。
【００３１】
上記のようにして調製された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の紫外可視吸収スペクトルの測定結果を図１〜図４に示す。以下においては、必要に応じて、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃをＳｎｈｈｃ、スズ置換ウシ心筋シトクロムｃをＳｎｂｖｃ、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃをＺｎｈｈｃ、亜鉛置換ウシ心筋シトクロムｃをＺｎｂｖｃと略記する。図１〜図４に示すように、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は波長２８０、３４６、４２３、５５０、５８４ｎｍに吸収極大を持つのに対して、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は波長２８０、４０９、５４０、５７８ｎｍに吸収極大を持ち、δ帯（３４６ｎｍ付近）を持たない。
【００３２】
〈金属置換シトクロムｃの光照射分解実験〉
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５〜図８に示す。図７および図８中の矢印は、スペクトルの変化方向を示す。
【００３３】
図７および図８より、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は、時間の経過とともに急速に光分解が進むことが分かる。これに対して、図５および図６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は、時間が経過した後のスペクトルは初期のスペクトルとほとんど重なっており、時間が経過しても光分解がほとんど起きていないことが分かる。図５〜図８に示す紫外可視吸収スペクトルにおけるＳｏｒｅｔ帯（亜鉛（Ｚｎ）：４２３ｎｍ、スズ（Ｓｎ）：４０９ｎｍ）の吸光度から、ミリモル吸光係数ε（Ｚｎ：２４３０００Ｍ-1ｃｍ-1、Ｓｎ：２６７０００Ｍ-1ｃｍ-1、数値は非特許文献３より引用）を用いて、濃度（Ｍ）を算出し、その逆数を時間（秒（ｓ））に対してプロットし、その傾きから光分解速度定数ｋを算出した。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の濃度の逆数（１／Ｃ）−時間（ｔ）プロットを図９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の濃度の逆数（１／Ｃ）−時間（ｔ）プロットを図１０に示す。図９および図１０において、直線は二次反応式（１／Ｃ＝ｋｔ＋１／Ｃ0 ）のフィッティング曲線である。ここで、Ｃ0 は初期濃度である。この直線の傾きが光分解速度定数ｋとなる。図９および図１０中に記載した直線を表す一次式においてはｔをｘ、１／Ｃをｙで表した。
【００３４】
二回の実験の平均から上記の４種類の金属置換シトクロムｃの光分解速度定数ｋを求めた。その結果、光分解速度定数ｋは、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃは１．３９±０．１３Ｍ-1ｓ-1、スズ置換ウシ心筋シトクロムｃは０．９０±０．２０Ｍ-1ｓ-1、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃは６７．２±１．４Ｍ-1ｓ-1、亜鉛置換ウシ心筋シトクロムｃは５６．１±１．０Ｍ-1ｓ-1であった。この結果から、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ともに、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に比べて光分解速度が５０〜６０倍遅く、光照射に対して極めて安定であることが分かった。また、亜鉛置換体、スズ置換体ともに、ウマ心筋シトクロムｃに比べてウシ心筋シトクロムｃの方が光分解速度は１．２〜１．５倍遅く、光照射に対して安定であることも分かった。特に、スズ置換ウシ心筋シトクロムｃは、特許文献１において用いられた亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃに比べ、光照射に対して７５倍も安定である。
【００３５】
〈金属置換シトクロムｃの光電流発生実験〉
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１１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１１上に所定形状のＩＴＯ電極１２を形成した。ＩＴＯ電極１２の各部の寸法は図１１に示す通りである。ＩＴＯ電極１２の厚さは１００ｎｍである。このＩＴＯ電極１２は作用極となる。照射領域１３の大きさは４．０ｍｍ×４．０ｍｍである。この照射領域１３におけるＩＴＯ電極１２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。
【００３６】
このタンパク質固定化電極を０．２５ｍＭフェロシアン化カリウムを含む１０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（ｐＨ７．０）２７ｍＬに浸し、対極として白金メッシュ、参照極として銀／塩化銀電極を用い、特許文献１の図４に示す光電流測定装置を用いて、銀／塩化銀電極に対する電位を１２０ｍＶとして波長３８０〜６００ｎｍの光電流アクションスペクトルを測定した。この測定に際しては、待機時間を９００秒、測定時間を６０秒、電流レンジを１０ｎＡ、フィルターの周波数を３０Ｈｚ、時間分解能を５０ｍｓとした。４種類の金属置換シトクロムｃのそれぞれにつき５枚、電極を作製して測定を行った。
【００３７】
得られた光電流アクションスペクトルを図１２に示す。光電流アクションスペクトルの極大は溶液吸収スペクトルと同様、４０８、５４０、５７８ｎｍに見られた。図１２より、Ｓｏｒｅｔ帯（４０８ｎｍ）とＱ帯（５４０ｎｍ）との強度比が１０：１であることから、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の光電流発生機構は、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃと同様にホールトランスファー（hole transfer)タイプであると考えられる（非特許文献４）。Ｓｏｒｅｔ帯における光電流値平均値グラフ（サンプル数＝５）を図１３に示す。図１３より、ウマ、ウシともにスズ置換シトクロムｃは亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃと同様の光電流（１０ｎＡ）を発生することが分かった。
【００３８】
〈金属置換シトクロムｃの蛍光量子収率〉
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１４および図１５に示す。
図１６および図１７に示すように、波長４０９ｎｍにおける吸光度を横軸（ｘ軸）に、波長５５０〜６７０ｎｍ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１５に示す蛍光スペクトルにおいて波長５５０〜６７０ｎｍ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。
【００３９】
【表３】
【００４０】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、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とも、光照射に対する安定性が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に比べて極めて高い。このため、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いることにより、長期安定利用可能な新規なタンパク質光電変換素子を実現することが可能となる。このタンパク質光電変換素子は光センサーや撮像素子などに用いることができる。また、これらの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とも、光の吸収極大の波長が４０９ｎｍであり、これは現在、高密度記録が可能な光ディスクシステムに用いられている半導体レーザの波長４０５ｎｍに近い。このため、光ディスクの代わりに、例えば、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを基板上に敷き詰めた媒体を用いることにより、新規なメモリを実現することが可能となる。さらに、これらの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の直径は約２ｎｍと極めて小さいため、基板の単位面積あたりに搭載できる素子数を従来に比べて飛躍的に多くすることができる。このため、高精細な光センサーや撮像素子などの実現が可能となり、あるいは、大容量のメモリの実現が可能となる。
【００４１】
〈２．第２の実施の形態〉
［タンパク質光電変換素子］
この第２の実施の形態においては、第１の実施の形態によるスズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いたタンパク質光電変換素子について説明する。
【００４２】
図１８に第１の実施の形態によるタンパク質光電変換素子を示し、特にタンパク質固定化電極を示す。
図１８に示すように、このタンパク質光電変換素子においては、電極２１上にスズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃからなるタンパク質２２が固定化されている。このタンパク質２２は、好適には、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃのスズポルフィリン側が電極２１側を向くように固定されるが、これに限定されるものではない。
【００４３】
図１８においては一分子のタンパク質２２が示されているが、電極２１上に固定化するタンパク質２２の数は必要に応じて決められ、一般的には複数のタンパク質２２が単分子膜または多分子膜として固定化される。また、図１８においては電極２１は平坦な表面形状を有するように描かれているが、電極２１の表面形状は任意であり、例えば凹面、凸面、凹凸面などのいずれであってよく、いずれの形状の面にも容易にタンパク質２２を固定化することが可能である。
【００４４】
電極２１の材料としては、例えば、金、白金、銀などの金属、ＩＴＯ（インジウム−スズ複合酸化物）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ネサガラス（ＳｎＯ2 ガラス）などの金属酸化物あるいはガラスなどに代表される無機材料を用いることができる。この電極２１の材料としては有機材料を用いることもできる。この有機材料は、例えば、導電性高分子（ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィドなど）、テトラチアフルバレン誘導体（ＴＴＦ、ＴＭＴＳＦ、ＢＥＤＴ−ＴＴＦなど）を含む電荷移動錯体（例えば、ＴＴＦ−ＴＣＮＱなど）などである。この電極２１を通してタンパク質２２に光を入射させる場合、この電極２１は、好適には、このタンパク質２２の光励起に用いられる光に対して透明に構成される。例えば、この電極２１は、タンパク質２２の光励起に用いられる光に対して透明な導電性材料、例えばＩＴＯ、ＦＴＯ、ネサガラスなどにより構成され、あるいは、光の透過が可能な極薄い金属膜などにより構成される。
【００４５】
このタンパク質光電変換素子は、電極２１上にタンパク質２２が固定化されたタンパク質固定化電極に加えて対極を有する。この対極は、タンパク質固定化電極に対して間隔を空けて対向するように設けられる。この対極の材料としては、例えば、金、アルミニウム、パラジウム、銀、クロムなどの金属、ＩＴＯ（インジウム−スズ複合酸化物）、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）、ネサガラス（ＳｎＯ2 ガラス）などの金属酸化物あるいはガラスなどに代表される無機材料を用いることができる。この対極の材料としては、導電性高分子（ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンスルフィドなど）、テトラチアフルバレン誘導体（ＴＴＦ、ＴＭＴＳＦ、ＢＥＤＴ−ＴＴＦなど）を含む電荷移動錯体（例えば、ＴＴＦ−ＴＣＮＱなど）などを用いることもできる。電極２１に固定化されたタンパク質２２の全部またはほぼ全部に対極を通して光が照射されるようにするためには、この対極は、好適には、このタンパク質２２の光励起に用いられる光に対して透明に構成される。例えば、この対極は、タンパク質２２の光励起に用いられる光に対して透明な導電性材料、例えばＩＴＯ、ＦＴＯ、ネサガラスなどにより構成され、あるいは、光の透過が可能な極薄い金属膜などにより構成される。
【００４６】
このタンパク質光電変換素子は、タンパク質２２の光電変換機能および電子伝達機能を損なわない限り、溶液（電解質溶液または緩衝液）中、ドライな環境中のいずれでも動作させることが可能である。このタンパク質光電変換素子を電解質溶液または緩衝液中で動作させる場合には、典型的には、タンパク質固定化電極に対して間隔を空けて対向するように対極が設けられ、これらのタンパク質固定化電極および対極が電解質溶液または緩衝液中に浸漬される。電解質溶液の電解質（あるいはレドックス種）としてはタンパク質固定化電極で酸化反応が起こり、対極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、対極で酸化反応が起こるものが用いられる。具体的には、電解質（あるいはレドックス種）としては、例えば、Ｋ4 ［Ｆｅ（ＣＮ）6 ］や［Ｃｏ（ＮＨ3 ）6 ］Ｃｌ3 などが用いられる。このタンパク質光電変換素子をドライな環境中で動作させる場合には、典型的には、例えば、タンパク質２２を吸着しない固体電解質、具体的には例えば寒天やポリアクリルアミドゲルなどの湿潤な固体電解質が、タンパク質固定化電極と対極との間に挟み込まれ、好適にはこの固体電解質の周囲にこの固体電解質の乾燥を防ぐための封止壁が設けられる。これらの場合においては、タンパク質固定化電極と対極との自然電極電位の差に基づいた極性で、タンパク質２２からなる受光部で光を受光したときに光電流を得ることができる。
【００４７】
［タンパク質光電変換素子の使用形態］
図１９はこのタンパク質光電変換素子の使用形態の第１の例を示す。
図１９に示すように、この第１の例では、電極２１上にタンパク質２２が固定化されたタンパク質固定化電極と対極２３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対極２３は、容器２４中に入れられた電解質溶液２５中に浸漬される。電解質溶液２５は、タンパク質２２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２５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、対極２３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、対極２３で酸化反応が起こるものが用いられる。
【００４８】
このタンパク質光電変換素子により光電変換を行うには、バイアス電源２６により参照電極２７に対してタンパク質固定化電極にバイアス電圧を印加した状態で、タンパク質固定化電極のタンパク質２２に光を照射する。この光は、タンパク質２２の光励起が可能な光の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に印加するバイアス電圧、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。光電流は端子２８ａ、２８ｂより外部に取り出される。
【００４９】
図２０はこのタンパク質光電変換素子の使用形態の第２の例を示す。
図２０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２６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対極２３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、参照電極２７は用いる必要がない。したがって、このタンパク質光電変換素子は、タンパク質固定化電極および対極２３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。
【００５０】
図２１はこのタンパク質光電変換素子の使用形態の第３の例を示す。第１および第２の例によるタンパク質光電変換素子が溶液中で動作させるものであるのに対し、このタンパク質光電変換素子はドライな環境中で動作させることができるものである。
図２１に示すように、このタンパク質光電変換素子においては、タンパク質固定化電極と対極２３との間に固体電解質２９が挟み込まれている。さらに、この固体電解質２９の周囲を取り巻くように、固体電解質２９の乾燥を防ぐための封止壁３０が設けられている。固体電解質２９としては、タンパク質２２の機能を損なわないものが用いられ、具体的には、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。このタンパク質光電変換素子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対極２３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タンパク質２２に光を照射する。この光は、タンパク質２２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対極２３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。
【００５１】
［タンパク質光電変換素子の製造方法］
このタンパク質光電変換素子の製造方法の一例について説明する。
まず、電極２１をタンパク質２２と緩衝液とを含む溶液に浸漬し、タンパク質２２を電極２１上に固定化する。こうして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対極２３とを用いて例えば図１９、図２０または図２１に示すタンパク質光電変換素子を製造する。
【００５２】
［タンパク質光電変換素子の動作］
このタンパク質光電変換素子のタンパク質２２に波長４０９ｎｍ程度の単色光またはこの波長４０９ｎｍ程度の波長成分を含む光が入射すると、タンパク質２２から光励起により電子が発生し、電子伝達により電極２１に電子が移動する。そして、電極２１と対極２３とから外部に光電流が取り出される。
【００５３】
以上のように、この第２の実施の形態によれば、高い光照射安定性を有するスズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃからなるタンパク質２２を電極２１上に固定化するようにしている。このため、タンパク質２２が長時間の光照射によっても劣化することがなく、長期安定利用可能な新規なタンパク質光電変換素子を実現することができる。
【００５４】
このタンパク質光電変換素子は、例えば光センサーあるいは撮像素子に用いることができ、必要に応じて光電流の増幅回路などを併せて用いることができる。光センサーは光信号の検出などの各種の用途に用いることができ、人工網膜などに応用することも可能である。
【００５５】
このタンパク質光電変換素子は、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が、具体例を挙げると、デジタルカメラ、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）などである。
【００５６】
〈３．第３の実施の形態〉
［非接液全固体型タンパク質光電変換素子］
図２２は第３の実施の形態による非接液全固体型タンパク質光電変換素子を示す。この非接液全固体型タンパク質光電変換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光電変換素子の「非接液」とは、タンパク質光電変換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光電変換素子の「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。
【００５７】
図２２に示すように、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子においては、電極４１と電極４２との間に、タンパク質からなる固体タンパク質層４３が挟まれた構造を有する。固体タンパク質層４３は電極４１、４２に対して固定化されている。固体タンパク質層４３は典型的には電極４１、４２に対して直接固定化されるが、必要に応じて、固体タンパク質層４３と電極４１、４２との間に水などの液体が含まれていない中間層を設けてもよい。この固体タンパク質層４３には水などの液体が含まれていない。この固体タンパク質層４３はタンパク質の単分子膜または多分子膜からなる。
【００５８】
この固体タンパク質層４３が多分子膜からなる場合の構造の一例を図２３に示す。図２３に示すように、固体タンパク質層４３は、スズ置換ウマ心筋シトクロムｃまたはスズ置換ウシ心筋シトクロムｃからなるタンパク質４３ａが二次元的に集合して形成された単分子膜がｎ層（ｎは２以上の整数）積層されたものからなる。図２３ではｎ＝３の場合が示されている。
【００５９】
電極４１、４２の材料としては、電極２１と同様な材料を用いることができる。電極４１、４２の間に挟まれた固体タンパク質層４３の全部またはほぼ全部に光が照射されるようにするためには、好適には、これらの電極４１、４２の少なくとも一方を、固体タンパク質層４３の光励起に用いられる光に対して透明に構成する。具体的には、これらの電極４１、４２を、この光励起に用いられる光に対して透明な導電材料、例えばＩＴＯ、ＦＴＯ、ネサガラスなどにより構成したり、光の透過が可能な極薄い金属膜などにより構成したりする。
【００６０】
次に、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子の製造方法について説明する。
まず、電極４１、４２の一方、例えば電極４１上に、タンパク質４３ａを含む溶液、典型的にはタンパク質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、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タンパク質４３ａを電極４１に固定化させる。
【００６１】
次に、こうしてタンパク質溶液中のタンパク質４３ａを電極４１に固定化させたものをこのタンパク質４３ａの変性温度より低い温度に加熱して乾燥させることにより、タンパク質溶液に含まれる液を全て蒸発させて除去する。
こうして、タンパク質４３ａのみが電極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、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上に電極４２を形成する。この電極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光電変換素子が製造される。
【００６２】
次に、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子の動作について説明する。
非接液全固体型タンパク質光電変換素子の電極４１と電極４２との間に電極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。ここでは、電極４１が透明電極であるとする。この非接液全固体型タンパク質光電変換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、電極４１と電極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光電変換素子のオフ状態である。これに対して、図２４に示すように、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、電極４２から電子（ｅ）が固体タンパク質層４３を通って電極４１に流れ、電極４１と電極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光電変換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光電変換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。
上述のように固体タンパク質層４３が光導電体として振る舞うのは、非特許文献４および特許文献２に記載された分子内電子移動のメカニズムによるものと考えられる。すなわち、固体タンパク質層４３を構成する電子伝達タンパク質４３ａが光励起されたときに分子軌道間の電子の遷移が起き、その結果、この電子伝達タンパク質４３ａのある部位から他の部位に電子またはホール（hole）が移動する。そして、この電子またはホールの移動が固体タンパク質層１３を構成する多数の電子伝達タンパク質１３ａで次々と起き、その結果、電極４１と電極４２との間に光電流が流れる。
【００６３】
〈実施例〉
図２５Ａに示すように、ガラス基板５１上に電極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および比較用の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。
【００６４】
次に、図２５Ｂに示すように、ＩＴＯ電極５２の一端部５２ａの上に、上述のようにして調製されたタンパク質溶液を１０μＬ滴下し、タンパク質液滴５３をＩＴＯ電極５２に付着させた。
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。
【００６５】
次に、この試料を３０〜４０℃の温度に保たれた乾燥機に入れて３０〜６０分乾燥させた。この乾燥によって、タンパク質液滴５３に含まれる水などの液体を蒸発させて除去した。この結果、ＩＴＯ電極５２上には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だけが残され、図２６Ａに示すように、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の厚さは約１μｍである。
【００６６】
次に、図２６Ｂに示すように、固体タンパク質層４３と重なるように電極５４を形成するとともに、ＩＴＯ電極５２の他端部５２ｂと重なるように電極５５を形成する。電極５５は対極および作用極として用いられる。これらの電極５４、５５はＡｕ膜またはＡｌ膜により形成し、Ａｕ膜の厚さは２０ｎｍ、Ａｌ膜の厚さは５０ｎｍである。これらの電極５４、５５は、例えば、これらの電極５４、５５を形成する領域以外の部分をマスクし、電極材料をスパッタリング法または真空蒸着法により堆積させることにより形成することができる。これらの電極５４、５５の平面形状は長方形または正方形とする。
こうして非接液全固体型タンパク質光電変換素子が製造される。この非接液全固体型タンパク質光電変換素子の断面構造を図２７に示す。
【００６７】
こうして非接液全固体型タンパク質光電変換素子を多数製造し、大気中において電極５４、５５間の抵抗を測定したところ、１ｋΩ〜３０ＭΩの範囲と広範囲に分布していた。このように電極５４、５５間の抵抗が広範囲にわたっているのは、素子毎に固体タンパク質層４３の厚さが異なっていたり、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａに種類が異なるものが含まれていたりすることなどによるものである。
【００６８】
この非接液全固体型タンパク質光電変換素子の光電流アクションスペクトルを測定した。固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとしては、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を用いた。測定は、ポテンショスタットの作用極をＩＴＯ電極５２に接続された電極５４に接続し、対極および参照極を電極５５に接続して行った。電極５４、５５は厚さ２０ｎｍのＡｕ膜からなる。固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた場合の０ｍＶおよび−８００ｍＶの電位下でのアクションスペクトルの測定結果を図２８に示す。また、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとしてスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いた場合の０ｍＶの電位下でのアクションスペクトルの測定結果を図３７に示す。図２８および図３７に示すように、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた場合もスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いた場合もアクションスペクトルを観測することができた。特に、図２８に示すように、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた場合には、正負両方向のアクションスペクトルを観測することができた。また、図２８に示すように、−８００ｍＶという過電圧下でもアクションスペクトルを測定することができたが、これは新たな知見であり、極めて注目すべき結果である。
【００６９】
図２９は、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた非接液全固体型タンパク質光電変換素子の電極５４、５５間に電圧（バイアス電圧）を印加したときの各電圧におけるバックグラウンド電流（光オフ時に流れる電流）の測定結果を示す。図２９に示すように、電圧とバックグラウンド電流との関係を示す曲線は直線であり、これは固体タンパク質層４３の伝導性が半導体と似ていることを示す。この直線の傾きより、電極５４、５５間の抵抗は約５０ＭΩであることが分かる。
図３０は固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた非接液全固体型タンパク質光電変換素子の電極５４、５５間に電圧を印加したときの各電圧における光電流（光オン時に流れる電流）の測定結果を示す。図３０に示すように、電圧と光電流との関係を示す曲線もほぼ直線であり、これは固体タンパク質層４３が光導電体として機能していることを示す。
【００７０】
図３１は、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとして亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃを用いた非接液全固体型タンパク質光電変換素子と、後述の方法により作製した液系タンパク質光電変換素子との光電流アクションスペクトルの測定結果を示す。図３１および以下の図３２〜図３４においては、上記の非接液全固体型タンパク質光電変換素子を「固体系」、液系タンパク質光電変換素子を「液系」と略記する。
液系タンパク質光電変換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、液系タンパク質光電変換素子が作製される。
図３２は、図３１に示す非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子のスペクトルを波長４２０ｎｍ付近にあるピークの光電流密度が１となるように規格化したものである。図３１に示すように、両スペクトルは、光電流密度に差はあるものの、波長４２３ｎｍ付近のソーレー（Ｓｏｒｅｔ）帯および波長５５０ｎｍ、５８３ｎｍ付近のＱ帯のピーク波長が同一であることから、いずれも亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃに由来する光電流が得られていることが分かる。亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃからなる固体タンパク質層４３を用いた非接液全固体型タンパク質光電変換素子においてこのように亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃに由来する光電流が得られることは、本発明者らにより初めて見出されたことであり、従来の常識を覆す驚くべき結果である。
【００７１】
図３３は、上記の非接液全固体型タンパク質光電変換素子と、液系タンパク質光電変換素子とについての光劣化曲線（光の照射時間に対する光電流密度の減少を示す曲線）の測定結果を示す。測定は、波長４０５．５ｎｍのレーザ光を０．２ｍＷ／ｍｍ2 の強度でこれらの非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子に照射しながら光電流密度を測定することにより行った。レーザ光の照射強度を０．２ｍＷ／ｍｍ2 と高くしたのは、光劣化速度を速くし、試験時間を短縮するためである。図３４は図３３に示す非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光劣化曲線を照射時間が０のときの光電流密度が１となるように規格化したものである。
【００７２】
図３４に示す光劣化曲線を下記の関数でフィッティングした。
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。
【００７３】
液系タンパク質光電変換素子
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）
【００７４】
非接液全固体型タンパク質光電変換素子
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）
【００７５】
ここで、これらの非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の寿命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、液系タンパク質光電変換素子の寿命は３０６秒であるのに対し、非接液全固体型タンパク質光電変換素子の寿命は４２６６秒である。従って、非接液全固体型タンパク質光電変換素子の寿命は液系タンパク質光電変換素子の寿命の少なくとも１４倍以上長いことが分かる。
【００７６】
なお、図３３に示す液系タンパク質光電変換素子の光劣化曲線には鋸歯状の波形が見られるが、これは電解質溶液中に発生する酸素を除去するために測定を中断しなければならなかったためであり、酸素を除去する操作後に光電流は少し上昇する。
【００７７】
次に、非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の周波数応答を測定した結果について説明する。
図３５は液系タンパク質光電変換素子の周波数応答の測定結果、図３６は非接液全固体型タンパク質光電変換素子の周波数応答の測定結果を示す。図３５および図３６より、液系タンパク質光電変換素子の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光電変換素子の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光電変換素子の応答速度は液系タンパク質光電変換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。
図３８は、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａとしてスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いた非接液全固体型タンパク質光電変換素子と、スズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いた液系タンパク質光電変換素子とについて光劣化曲線を測定し、これらの光劣化曲線を照射時間が０のときの光電流密度が１となるように規格化したものである。この液系タンパク質光電変換素子の作製方法は、亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの代わりにスズ置換ウシ心筋シトクロムｃを用いることを除いて、上記と同様である。非接液全固体型タンパク質光電変換素子としては、スズ置換ウシ心筋シトクロムｃの単分子膜を有するものとスズ置換ウシ心筋シトクロムｃの多分子膜を有するものとを作製した。測定は、波長４０５．５ｎｍのレーザ光を０．２ｍＷ／ｍｍ2 の強度でこれらの非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子に照射しながら光電流密度を測定することにより行った。レーザ光の照射強度を０．２ｍＷ／ｍｍ2 と高くしたのは、光劣化速度を速くし、試験時間を短縮するためである。
図３８に示す光劣化曲線を下記の関数でフィッティングした。
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。
液系タンパク質光電変換素子
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光電変換素子（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光電変換素子（多分子膜）
ａ＝０．５９９２
ｂ＝−０．００２９９１
ｃ＝０．２３７１
ｄ＝−０．０００１５１３
ここで、これらの非接液全固体型タンパク質光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の光劣化の平均時定数は次の通りである。
液系タンパク質光電変換素子 ：２．５４×１０2 秒
非接液全固体型タンパク質光電変換素子（単分子膜）：２．７１×１０3 秒
非接液全固体型タンパク質光電変換素子（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光電変換素子および液系タンパク質光電変換素子の寿命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、液系タンパク質光電変換素子の寿命は４３４秒であるのに対し、非接液全固体型タンパク質光電変換素子（単分子膜）の寿命は２４２３秒、非接液全固体型タンパク質光電変換素子（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光電変換素子の寿命は液系タンパク質光電変換素子の寿命の少なくとも約５倍以上長いことが分かる。
【００７８】
この第３の実施の形態による非接液全固体型タンパク質光電変換素子によれば、次のような種々の利点を得ることができる。すなわち、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子は、素子の内部に水が存在せず、しかも水に接触させないでも動作が可能であるため、従来の半導体を用いた光電変換素子に代わる光電変換素子として電子機器に搭載することが可能となる。また、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子は、内部に水が存在しないため、水の存在に起因するタンパク質の熱変性、ラジカルダメージ、腐敗などを防止することができ、安定性が高く、耐久性が優れている。また、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子は、素子の内外に水が存在しないため、感電のおそれがなく、強度の確保も容易である。
【００７９】
また、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子においては、固体タンパク質層４３は電極４１、４２に対し、リンカー分子などを介することなく直接固定化されていることにより、リンカー分子などを介して固定化される場合に比べて大きな光電流を得ることができる。さらに、固体タンパク質層４３が電極４１、４２に対して直接固定化されていることに加えて、固体タンパク質層４３は極薄く形成することができるので、電極４１と電極２２との間の距離を極めて短くすることができる。このため、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子は薄型に構成することができ、しかも電極４１、４２を透明化することにより、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子を多層積層して使用することができる。さらに、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子においては、固体タンパク質層４３を構成するタンパク質４３ａのサイズは２ｎｍ程度と極めて小さいので、例えば固体タンパク質層４３のどの位置に光が入射したかを極めて精密に検出することが可能である。このため、高精細の光センサーあるいは撮像素子を実現することができる。
【００８０】
さらに、タンパク質４３ａの光導電効果は「一光子−多電子発生」によるものと推測される。ところが、液系タンパク質光電変換素子においては、電極間に存在する溶液の抵抗（溶液抵抗）が高いため、この「一光子−多電子発生」が妨げられていたと考えられる。これに対し、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子では、この溶液抵抗が存在しないため、この「一光子−多電子発生」が可能となり、光電変換効率の大幅な向上を図ることができ、より大きな光電流を得ることができる。
【００８１】
この非接液全固体型タンパク質光電変換素子は、光スイッチ素子、光センサー、撮像素子などを実現することができる。上述のようにこの非接液全固体型タンパク質光電変換素子は周波数応答が速いため、高速スイッチングが可能な光スイッチ素子、高速応答の光センサー、高速で動く物体の撮像が可能な撮像素子などを実現することができる。そして、この非接液全固体型タンパク質光電変換素子を光スイッチ素子、光センサー、撮像素子などに用いることにより優れた電子機器を実現することができる。
【００８２】
〈４．第４の実施の形態〉
［金属置換シトクロムｃ］
この第４の実施の形態においては、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。
【００８３】
【表４】
【００８４】
表４よりスズ（Ｓｎ）のりん光寿命は３０ｍｓであるが、りん光寿命がこれと同等またはこれより短い金属は、光照射によりタンパク質やポルフィリンにダメージを与えないと考えられる。表４よりこれらの金属は、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、バリウム（Ｂａ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、カドミウム（Ｃｄ）、アンチモン（Ｓｂ）、トリウム（Ｔｈ）、鉛（Ｐｂ）などである。
【００８５】
そこで、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これらの金属に置換する。この置換には第１の実施の形態で述べたものと同様の方法を用いることができる。
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。
【００８６】
ここで、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に必要とされる蛍光励起寿命の範囲について説明する。
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。
【００８７】
スズ置換ウマ心筋シトクロムｃの蛍光励起寿命（非特許文献３）は８．０×１０-10 ｓである。亜鉛置換ウマ心筋シトクロムｃの蛍光励起寿命は３．２×１０-10 ｓである。
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一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。
【００８８】
以上より、光照射により、タンパク質部あるいはポルフィリンにダメージを与えず、かつホールトランスファーが起こるために必要な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の蛍光励起寿命（τ）の範囲は５．０×１０-11 ｓ（最低一回ホールトランスファーを起こすのに必要な蛍光励起寿命）＜τ≦８．０×１０-10 ｓ（スズ置換ウマ心筋シトクロムｃの蛍光励起寿命）である。
この第４の実施の形態によ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によれば、第１の実施の形態によ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と同様な利点を得ることができる。
【００８９】
〈５．第５の実施の形態〉
［タンパク質光電変換素子］
この第５の実施の形態においては、第２の実施の形態におけるタンパク質２２として、第４の実施の形態による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。その他のことは第２の実施の形態と同様である。
この第５の実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様な利点を得ることができる。
【００９０】
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態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。
【符号の説明】
【００９１】
１１…ガラス基板、１２…ＩＴＯ電極、１３…照射領域、２１…電極、２２…タンパク質、２３…対極、２４…容器、２５…電解質溶液、２６…バイアス電源、２７…参照電極、２９…固体電解質、３０…封止壁、４１、４２…電極、４３…固体タンパク質層、４３ａ…タンパク質、５１…ガラス基板、５２…ＩＴＯ電極、５３…タンパク質液滴、５４、５５…電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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を有するタンパク質光電変換素子。
【請求項２】
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である請求項１記載のタンパク質光電変換素子。
【請求項３】
上記哺乳類由来のシトクロムｃがウシ心筋シトクロムｃである請求項１記載のタンパク質光電変換素子。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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である請求項４記載のスズ置換シトクロムｃ。
【請求項６】
上記哺乳類由来のシトクロムｃがウシ心筋シトクロムｃである請求項４記載のスズ置換シトクロムｃ。
【請求項７】
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であるタンパク質を有するタンパク質光電変換素子。
【請求項８】
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である請求項７記載のタンパク質光電変換素子。
【請求項９】
上記哺乳類由来のシトクロムｃがウシ心筋シトクロムｃである請求項７記載のタンパク質光電変換素子。
【請求項１０】
上記亜鉛およびスズ以外の金属がベリリウム、ストロンチウム、ニオブ、バリウム、ルテチウム、ハフニウム、タンタル、カドミウム、アンチモン、トリウムまたは鉛である請求項７記載のタンパク質光電変換素子。
【請求項１】
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を有するタンパク質光電変換素子。
【請求項２】
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である請求項１記載のタンパク質光電変換素子。
【請求項３】
上記哺乳類由来のシトクロムｃがウシ心筋シトクロムｃである請求項１記載のタンパク質光電変換素子。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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である請求項４記載のスズ置換シトクロムｃ。
【請求項６】
上記哺乳類由来のシトクロムｃがウシ心筋シトクロムｃである請求項４記載のスズ置換シトクロムｃ。
【請求項７】
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であるタンパク質を有するタンパク質光電変換素子。
【請求項８】
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である請求項７記載のタンパク質光電変換素子。
【請求項９】
上記哺乳類由来のシトクロムｃがウシ心筋シトクロムｃである請求項７記載のタンパク質光電変換素子。
【請求項１０】
上記亜鉛およびスズ以外の金属がベリリウム、ストロンチウム、ニオブ、バリウム、ルテチウム、ハフニウム、タンタル、カドミウム、アンチモン、トリウムまたは鉛である請求項７記載のタンパク質光電変換素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【公開番号】特開２０１１−４９４３５（Ｐ２０１１−４９４３５Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９７９７５（Ｐ２００９−１９７９７５）
【出願日】平成２１年８月２８日（２００９．８．２８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２８日（２００９．８．２８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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