JPH01110224A - 光電変換素子 - Google Patents
光電変換素子Info
- Publication number
- JPH01110224A JPH01110224A JP26894487A JP26894487A JPH01110224A JP H01110224 A JPH01110224 A JP H01110224A JP 26894487 A JP26894487 A JP 26894487A JP 26894487 A JP26894487 A JP 26894487A JP H01110224 A JPH01110224 A JP H01110224A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photosynthetic
- membrane
- chromatobore
- electrode
- granules
- Prior art date
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- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
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。
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）
本発明は生体材料を用いた光電気変換素子に関する。
（従来技術の問題点）
植物、光合成細菌等の光合成生物の細胞から、光合成反
応に係わる成分を含む生体膜からできた小胞である光合
成顆粒を得ることが出来る。これら光合成顆粒は蛋白質
、脂質などからなる膜から構成されている閉じた小胞で
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挟んで電位差
を生じることは広く知られている。これら光合成顆粒の
膜（以下光合成膜と称する）を用いた光電変換デバイス
の構築が検討されている。
応に係わる成分を含む生体膜からできた小胞である光合
成顆粒を得ることが出来る。これら光合成顆粒は蛋白質
、脂質などからなる膜から構成されている閉じた小胞で
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挟んで電位差
を生じることは広く知られている。これら光合成顆粒の
膜（以下光合成膜と称する）を用いた光電変換デバイス
の構築が検討されている。
デバイスの構築方法として光合成顆粒に電極を挿入し、
膜電位や収電流を直接測定することや出力を利用するこ
とが考えられるが、光合成顆粒である光合成細菌のクロ
マトボアは、直径約１０００オングストロームの閉じた
袋であるため電極をその内部に挿入するには小さすぎて
困難であり、そのような方法で光電変換素子を構築する
ことは不可能であった。
膜電位や収電流を直接測定することや出力を利用するこ
とが考えられるが、光合成顆粒である光合成細菌のクロ
マトボアは、直径約１０００オングストロームの閉じた
袋であるため電極をその内部に挿入するには小さすぎて
困難であり、そのような方法で光電変換素子を構築する
ことは不可能であった。
また、平板上に間隔をおいて並へた２枚のグラファイト
電極に゛跨ってクロマトボア乾燥固化膜を作り、電極間
に高電圧をかけ、光刺激によってクロマトボア膜の導電
性が変化する現象は見いだされている［Ｐｒｏｃ、Ｎａ
ｔｌ、Ａｃａｄ、 Ｓｃ ｉ、。
電極に゛跨ってクロマトボア乾燥固化膜を作り、電極間
に高電圧をかけ、光刺激によってクロマトボア膜の導電
性が変化する現象は見いだされている［Ｐｒｏｃ、Ｎａ
ｔｌ、Ａｃａｄ、 Ｓｃ ｉ、。
４６巻、７６９−７７６頁 （１９６０年）］が、クロ
マトボアから直接的に光誘起電位を得ることはこれまで
報告されていない。
マトボアから直接的に光誘起電位を得ることはこれまで
報告されていない。
一方、クロマトボアなどの光合成膜を展開し、電極上に
膜の表裏の方向をそろえて固定化すれば光刺激に対し、
電位を観測できることは容易に推察されるところである
。しかし、そのためには、微小な袋状をなすクロマトボ
ア等の光合成膜を膜の表裏の方向を電極に対して一定に
そろえて展開すること、或は光合成膜の構成成分を電極
に対して配向させて固定化することが必要であるが、こ
れを現有の技術で実現することは困難であり、これまで
に研究されたところでも特殊な性質を持つものについて
のみ可能となっている。例えば、好塩性の光合成細菌で
あるへロバクテリウムハロビウムの光合成［、Ｉ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裏
表の電荷が大きく異なる性質を利用して電極上に電気泳
動によって配向・付着させ、光刺激による電位生成の観
測を可能にした技術［特開昭６２−６３８２３］がある
。クロマトボアの構成成分である光合成反応中心を単離
し、ラングミューア＝プロジェット法で水面に展開して
単分子膜或は積層膜を電極上に作るものなども知られて
いるが、光合成反応中心を任意に配向させるまでには至
っていない［Ｂｉｏｃｈｉｍ、Ｂｉｏｐｈｙｓ、Ａｃｔ
ａ、６８１巻。
膜の表裏の方向をそろえて固定化すれば光刺激に対し、
電位を観測できることは容易に推察されるところである
。しかし、そのためには、微小な袋状をなすクロマトボ
ア等の光合成膜を膜の表裏の方向を電極に対して一定に
そろえて展開すること、或は光合成膜の構成成分を電極
に対して配向させて固定化することが必要であるが、こ
れを現有の技術で実現することは困難であり、これまで
に研究されたところでも特殊な性質を持つものについて
のみ可能となっている。例えば、好塩性の光合成細菌で
あるへロバクテリウムハロビウムの光合成［、Ｉ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裏
表の電荷が大きく異なる性質を利用して電極上に電気泳
動によって配向・付着させ、光刺激による電位生成の観
測を可能にした技術［特開昭６２−６３８２３］がある
。クロマトボアの構成成分である光合成反応中心を単離
し、ラングミューア＝プロジェット法で水面に展開して
単分子膜或は積層膜を電極上に作るものなども知られて
いるが、光合成反応中心を任意に配向させるまでには至
っていない［Ｂｉｏｃｈｉｍ、Ｂｉｏｐｈｙｓ、Ａｃｔ
ａ、６８１巻。
１９１−２０１頁（１９８２年）、Ｃｈｅｍ、Ｐｈｙｓ
、Ｌｅｔｔ、、１１６巻、４０５−４１０頁（１９８５
年）、Ｂｉｏｃｈｉｍ、Ｂｉｏｐｈｙｓ。
、Ｌｅｔｔ、、１１６巻、４０５−４１０頁（１９８５
年）、Ｂｉｏｃｈｉｍ、Ｂｉｏｐｈｙｓ。
Ａｃｔａ、８５１巻、３Ｂ−４８頁（１９８６年）コ。
これらの方法は、光合成膜の分解、成分の精製、薄膜の
調製等の繁雑な作業工程を要し、産業上利用されるには
至っていないのが実状である。
調製等の繁雑な作業工程を要し、産業上利用されるには
至っていないのが実状である。
（発明が解決しようとする問題点）
そこで、本発明者らは、より簡便な光電変換素子調製方
法について検討を重ねたところ、電極をなす導電性物質
表面に光合成顆粒溶液を塗布、乾燥させ、その表面に上
記導電性物質とは異なる材料からなる導電性物質を接触
させても、電極間に光刺激に対し光電応答が認められる
ことを見いだすに至った。
法について検討を重ねたところ、電極をなす導電性物質
表面に光合成顆粒溶液を塗布、乾燥させ、その表面に上
記導電性物質とは異なる材料からなる導電性物質を接触
させても、電極間に光刺激に対し光電応答が認められる
ことを見いだすに至った。
この現象は、分子配向に重きを置〈従来の観点からは全
く意外とも言える知見である。これまでは光刺激により
光合成膜の表裏を挟んで生じる電位や電流の利用が考え
られていたため、電極上で分子配向をおこなわせるため
に、光合成膜の分解、成分の精製、薄膜の調製等の繁雑
な作業を要求されてきた。
く意外とも言える知見である。これまでは光刺激により
光合成膜の表裏を挟んで生じる電位や電流の利用が考え
られていたため、電極上で分子配向をおこなわせるため
に、光合成膜の分解、成分の精製、薄膜の調製等の繁雑
な作業を要求されてきた。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり
、従来の光電変換素子の調製上の繁雑さを一挙に解決し
た新規な光電変換素子を提供するものである。
、従来の光電変換素子の調製上の繁雑さを一挙に解決し
た新規な光電変換素子を提供するものである。
（問題点を解決するための手段）
光合成顆粒として、葉緑体或はクロマトボアが用いられ
るが、光合成顆粒の供給源として最も好適には光合成細
菌に求められ、−船釣光合成細菌として、ロドシュード
モナスビリシス（ＡＴＣＣ１９５６７）、ロドスピリラ
ムルブラム（ＡＴＣＣ１１１７０）、Ｓ− ロドバクタ−スフェロイデス（ＡＴＣＣ１７０２３）を
例示できる。又、光合成細菌以外の藍藻、クロレラ、水
生植物、陸上植物等からも求めることが可能である。電
極にはＩｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ ０ｘｉｄｅ（ＩＴＯ
）、酸化スズ（ＮＥＳＡ） 、金属蒸着膜、半導体など
を用いることができる。本発明に適用される電極は異種
の材質であることが必要である。この理由として、光刺
激によりクロマトボアの光合成反応中心で分離された電
子が電極に移動した結果として二つの電極間に電位差が
生じるためには、移動の容易さに係わる仕事関数が二つ
の電極で異なっていることが必要であると考えられるこ
とによる。このような電極の一例を示せば、ＮＥＳＡと
水銀、ＩＴＯと金、金と水銀などがあげられる。
るが、光合成顆粒の供給源として最も好適には光合成細
菌に求められ、−船釣光合成細菌として、ロドシュード
モナスビリシス（ＡＴＣＣ１９５６７）、ロドスピリラ
ムルブラム（ＡＴＣＣ１１１７０）、Ｓ− ロドバクタ−スフェロイデス（ＡＴＣＣ１７０２３）を
例示できる。又、光合成細菌以外の藍藻、クロレラ、水
生植物、陸上植物等からも求めることが可能である。電
極にはＩｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ ０ｘｉｄｅ（ＩＴＯ
）、酸化スズ（ＮＥＳＡ） 、金属蒸着膜、半導体など
を用いることができる。本発明に適用される電極は異種
の材質であることが必要である。この理由として、光刺
激によりクロマトボアの光合成反応中心で分離された電
子が電極に移動した結果として二つの電極間に電位差が
生じるためには、移動の容易さに係わる仕事関数が二つ
の電極で異なっていることが必要であると考えられるこ
とによる。このような電極の一例を示せば、ＮＥＳＡと
水銀、ＩＴＯと金、金と水銀などがあげられる。
素子の調製は一般的には、真空蒸着などの手段により、
基板上に導電性膜を形成されることにより行われる。次
いで、光合成顆粒の調製は光照射下で培養した光合成細
菌等を超音波などの方法で破壊してクロマトボア等の光
合成顆粒を採取し、前記電極にへヶ塗、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を用い
塗布後、乾燥させる。
基板上に導電性膜を形成されることにより行われる。次
いで、光合成顆粒の調製は光照射下で培養した光合成細
菌等を超音波などの方法で破壊してクロマトボア等の光
合成顆粒を採取し、前記電極にへヶ塗、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を用い
塗布後、乾燥させる。
この場合の乾燥は、自然乾燥、減圧乾燥、加熱乾燥等の
手法があり、減圧乾燥が望ましい。乾燥後、対極をなす
電極を重ね、完了する。
手法があり、減圧乾燥が望ましい。乾燥後、対極をなす
電極を重ね、完了する。
このように調製された光電変換素子の画電極端部より、
電線等により引き出すことにより、ストロボ、ＬＥＤ、
レーザー、アーク燈等の光照射に対する電位及び電流変
化を取出すことができる。
電線等により引き出すことにより、ストロボ、ＬＥＤ、
レーザー、アーク燈等の光照射に対する電位及び電流変
化を取出すことができる。
（実施例）
以下に実施例をあげて、本発明をさらに詳細に説明する
。
。
１）［光合成細菌の培養とクロマトボアの調製］光合成
細菌を破砕して得られる細胞内膜系からなる光合成顆粒
をクロマトボアと称する。光合成細菌としてロドシュー
ドモナスビリシス（ＡＴＣＣ１９５６７）を用い、嫌気
、光照射下、３０℃で培養した。面体を遠心で集め、超
音波で破壊した。低速遠心によって菌体破片等を除いた
後、１０万ｘｇ以上の超遠心によってクロマトボアを集
め、ホモジナイザーを用いて緩衝液に懸濁した後、再度
超遠心で集めた。この操作を３回繰り返して精製した。
細菌を破砕して得られる細胞内膜系からなる光合成顆粒
をクロマトボアと称する。光合成細菌としてロドシュー
ドモナスビリシス（ＡＴＣＣ１９５６７）を用い、嫌気
、光照射下、３０℃で培養した。面体を遠心で集め、超
音波で破壊した。低速遠心によって菌体破片等を除いた
後、１０万ｘｇ以上の超遠心によってクロマトボアを集
め、ホモジナイザーを用いて緩衝液に懸濁した後、再度
超遠心で集めた。この操作を３回繰り返して精製した。
２）［スフェロプラスト膜小胞の調製コ一般に、植物・
細菌などの細胞から細胞壁を除いたものはスフェロプラ
ストと呼ばれるが、光合成細菌のスフェロプラストより
以下で示す方法で調製することにより、クロマトボア類
似の膜小胞である光合成顆粒を得ることができる。スフ
ェロプラスト膜小胞の調製は［Ａｒｃｈ、Ｂｉｏｃｈｅ
ｍ、Ｂｊ。
細菌などの細胞から細胞壁を除いたものはスフェロプラ
ストと呼ばれるが、光合成細菌のスフェロプラストより
以下で示す方法で調製することにより、クロマトボア類
似の膜小胞である光合成顆粒を得ることができる。スフ
ェロプラスト膜小胞の調製は［Ａｒｃｈ、Ｂｉｏｃｈｅ
ｍ、Ｂｊ。
ｐｈｙｓ、、１９８５巻、５２６−５３４頁（１９７９
年）］に従った。即ち、ロドバクタ−スフェロイデス（
ＡＴＣＣ１７０２３）の菌体をリゾチームで処理してス
フェロプラストとした後、溶菌させ、ショ糖密度勾配遠
心等の遠心分画法によって膜小胞を調製した。
年）］に従った。即ち、ロドバクタ−スフェロイデス（
ＡＴＣＣ１７０２３）の菌体をリゾチームで処理してス
フェロプラストとした後、溶菌させ、ショ糖密度勾配遠
心等の遠心分画法によって膜小胞を調製した。
３）［素子の構成コ
一方の電極として面積約６平方センチメートルのガラス
基板に酸化スズ、ＩＴＯｌ或は金蒸着膜を用い、その上
に１０２０ナノメートルにおける吸光度を１００に調製
したクロマトボア或はスフェロプラスト膜小胞溶液２０
０マイクロリットルを均一にのせた後、常温で蒸発乾燥
させた。乾燥同化膜の上にさらに金属を蒸着する、水銀
玉をのせる、或はスズ等の金属箔膜な圧着するなどの方
法を用い、対極を作成した（図１）。
基板に酸化スズ、ＩＴＯｌ或は金蒸着膜を用い、その上
に１０２０ナノメートルにおける吸光度を１００に調製
したクロマトボア或はスフェロプラスト膜小胞溶液２０
０マイクロリットルを均一にのせた後、常温で蒸発乾燥
させた。乾燥同化膜の上にさらに金属を蒸着する、水銀
玉をのせる、或はスズ等の金属箔膜な圧着するなどの方
法を用い、対極を作成した（図１）。
４）［光電変換の測定］
光刺激はストロボランプ、或はＬＥＤを用いて行った。
光強度はモニターをおき、毎回の発光毎に測定して規格
化した。素子は各々の電極に電線をつなぎ、電位変化を
オッシロスコープで観測した。
化した。素子は各々の電極に電線をつなぎ、電位変化を
オッシロスコープで観測した。
図２に光刺激に対する電位応答を示す。ストロボ光の刺
激に対し、ミリ秒以下の早い応答の立上りを示した。図
３に光刺激に対する素子の電流応答を示す。本方法で調
製された素子の電位応答の波長依存性は図４に示すとお
りであり、光合成顆粒の乾燥同化膜の光吸収と同様のス
ペクトルを持つ。
激に対し、ミリ秒以下の早い応答の立上りを示した。図
３に光刺激に対する素子の電流応答を示す。本方法で調
製された素子の電位応答の波長依存性は図４に示すとお
りであり、光合成顆粒の乾燥同化膜の光吸収と同様のス
ペクトルを持つ。
（発明の効果）
本発明による光電変換素子は、容易に培養可能な微生物
を材料の供給源とでき、しかも、半導体材料に比べて極
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
ることができるという点で産業上の利用に於て有用な技
術と考えられる。
を材料の供給源とでき、しかも、半導体材料に比べて極
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
ることができるという点で産業上の利用に於て有用な技
術と考えられる。
図ＩＡ、図ＩＢ、図ＩＣは、本発明素子構成の概念図を
示す。図中１は基板、２は電極、３は光合成顆粒の乾燥
固化膜、４は対極をなす電極、５は電線を示す。本発明
素子の構成として、図ＩＡは４として金蒸着膜を用いた
場合、図ＩＢは４として水銀を用いた場合、図ＩＣは４
としてスズ箔を圧着して用いた場合を示す。 図２は、本発明素子の光位電応答を示す。図２八は、図
１における２としてＮＥＳＡ、３としてクロマトボア、
４として水銀を用いた場合の応答例を示す。図２Ｂは、
図１における２としてＮＥＳＡ、３としてスフェロプラ
スト膜小胞、４として水銀を用いた場合の光電応答例を
示す。図２Ｃは、図１における２としてＩＴｏ、３とし
てクロマトボア、４として金蒸着膜を用いた場合の応答
例を示す。図２Ｄは、図１における２として金蒸着膜、
３としてクロマトボア、４として水銀を用いた場合の応
答例を示す。縦軸は電圧（ミリボルト）、横軸は時間（
ミリ秒）、矢印は光パルスによる刺激を示す。 図３は、本発明素子の光電流応答例を示す。素子の構成
は、図ＩＣにおける２としてＩＴＯ１３としてクロマト
ボア、４としてスズ箔圧着電極を用いた。 光刺激には、ＬＥＤ （発光中心波長８５０ナノメート
ル）を用いた。縦軸は電流（ピコアンペア）、横軸は時
間（ミリ秒）であり、図中破線はＬＥＤの発光パルスを
示す。 図４は、本発明素子の光電位応答の波長依存性を示す。 図中、黒丸（・）は照射光のエネルギーに関して補正し
た極大電位応答を示し、実線（−）はクロマトボア乾燥
固化膜の吸光度を示す。縦軸は黒丸に対しては電位、ま
た実線に対しては吸光度を示す。 横軸は波長（ナノメートル）を示す。 特許出願人 工業技術院長 飯塚幸三 （佃／Ａ）図１ 図２ Ａ ↓ ゛ Ｂ ↓ Ｃ↓ ロ
↓図３ 図４
示す。図中１は基板、２は電極、３は光合成顆粒の乾燥
固化膜、４は対極をなす電極、５は電線を示す。本発明
素子の構成として、図ＩＡは４として金蒸着膜を用いた
場合、図ＩＢは４として水銀を用いた場合、図ＩＣは４
としてスズ箔を圧着して用いた場合を示す。 図２は、本発明素子の光位電応答を示す。図２八は、図
１における２としてＮＥＳＡ、３としてクロマトボア、
４として水銀を用いた場合の応答例を示す。図２Ｂは、
図１における２としてＮＥＳＡ、３としてスフェロプラ
スト膜小胞、４として水銀を用いた場合の光電応答例を
示す。図２Ｃは、図１における２としてＩＴｏ、３とし
てクロマトボア、４として金蒸着膜を用いた場合の応答
例を示す。図２Ｄは、図１における２として金蒸着膜、
３としてクロマトボア、４として水銀を用いた場合の応
答例を示す。縦軸は電圧（ミリボルト）、横軸は時間（
ミリ秒）、矢印は光パルスによる刺激を示す。 図３は、本発明素子の光電流応答例を示す。素子の構成
は、図ＩＣにおける２としてＩＴＯ１３としてクロマト
ボア、４としてスズ箔圧着電極を用いた。 光刺激には、ＬＥＤ （発光中心波長８５０ナノメート
ル）を用いた。縦軸は電流（ピコアンペア）、横軸は時
間（ミリ秒）であり、図中破線はＬＥＤの発光パルスを
示す。 図４は、本発明素子の光電位応答の波長依存性を示す。 図中、黒丸（・）は照射光のエネルギーに関して補正し
た極大電位応答を示し、実線（−）はクロマトボア乾燥
固化膜の吸光度を示す。縦軸は黒丸に対しては電位、ま
た実線に対しては吸光度を示す。 横軸は波長（ナノメートル）を示す。 特許出願人 工業技術院長 飯塚幸三 （佃／Ａ）図１ 図２ Ａ ↓ ゛ Ｂ ↓ Ｃ↓ ロ
↓図３ 図４
Claims (1)
- 電極間に光合成顆粒を介してなる光電変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26894487A JPH01110224A (ja) | 1987-10-23 | 1987-10-23 | 光電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26894487A JPH01110224A (ja) | 1987-10-23 | 1987-10-23 | 光電変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01110224A true JPH01110224A (ja) | 1989-04-26 |
Family
ID=17465453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26894487A Expired - Lifetime JPH01110224A (ja) | 1987-10-23 | 1987-10-23 | 光電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01110224A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04125425A (ja) * | 1990-09-18 | 1992-04-24 | Stanley Electric Co Ltd | 光電変換部材の作製方法 |
| WO2008114249A1 (en) * | 2007-03-16 | 2008-09-25 | T.O.U Millennium Electric Ltd. | Solar power generation using photosynthesis |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6263823A (ja) * | 1985-09-14 | 1987-03-20 | Agency Of Ind Science & Technol | 光センサ |
-
1987
- 1987-10-23 JP JP26894487A patent/JPH01110224A/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6263823A (ja) * | 1985-09-14 | 1987-03-20 | Agency Of Ind Science & Technol | 光センサ |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04125425A (ja) * | 1990-09-18 | 1992-04-24 | Stanley Electric Co Ltd | 光電変換部材の作製方法 |
| WO2008114249A1 (en) * | 2007-03-16 | 2008-09-25 | T.O.U Millennium Electric Ltd. | Solar power generation using photosynthesis |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |