JPH0320623A - 光応答人工興奮膜 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、高濃度及び低濃度塩溶液間を仕切っている
細胞膜等の生体膜が膜電位を生じ興奮し情報発現、情報
伝達、情報処理を行なっていることを模倣した人工的な
興奮膜（人工興奮膜と称する。）に開するもので、特に
光により膜電位変化を制御出来る人工興Ｍ膜（これを光
応答人工興奮膜と称することにする．）に関するもので
ある． （従来の技術） 従来のコンピューターは、主に、シリコン半導体素子等
の無機系材料によって構戊されており、その処理機能は
フ才ン・ノイマン（Ｖａｎ　Ｎｅｕｍａｎｎ）方式によ
って直列型の論理演１ｊｉ．を実行するものであった．
この方式は正確な論理演算を行うことができるが、例え
ば高等生物の脳が得意とするパターン認識に必要な、多
数の情報処理を同時に並行して行うことが困難であると
いう欠点を有していた． 一方、近年、生体の認識機能に関する研究が急速に進ん
でおり、例えば上述の脳を構或する複数の神経細胞（ニ
ューロン）が、生体の学習や記憶に伴なって、互いの結
合関係を適宜に変化ざせ、所謂、可塑性を有することが
明らかに戊りつつ有る。しかしながら、脳に見い出ざれ
るよう゛なパターン認識や学習・記憶といった機能が、
どのような原理に基づいて実行ざれ、ざらには、どのよ
うな構戊戊分で営まれているのかについては不明点が多
く、多数の研究者によって解明が進められでいる． 生物は、外界から承ける種々の刺激を知覚器官で受け入
れ、ニューロンや複数のニューロン間を接合するシナブ
スを介して脳に伝達した後、多数のニューロンから或る
脳で情報認識を行なう．このような認識機能の一例につ
き説明すれば、まず、外界からの刺激（情報）は電気的
な信号に変換され、神経インパルスが発生する．この神
経インパルスがニューロンを構戊する軸索の未端に到達
すると、神経伝達物質と称ざれる、小胞中に内包された
化学物質が放出ざれる．このような神経伝達物質として
アセチルコリン、アドレナリン、セロトニン、グルタミ
ン酸等が知られている．細胞外に放出された神経伝達物
賞は、例えばばシナブスの生体膜に存在する受容体を介
して次の細胞内に受け取られる，そしてこの細胞では、
ナトリウムイオン、カリウムイオン等のイオンが細胞内
へ流入又は細胞外へ流出することにより細胞＠等のよう
な生体膜に膜電位が生じる。この結果新たな神経インパ
ルスを誘起する．ざらに、神経インパルスを受けたシナ
ブスのシナブス前膜からは、上述と同様に神経伝達物質
の放出が生じ、隣接するシナブス後膜まで拡散し、受容
体を介した取り込み、神経インパルスの誘起が行なわれ
る．このような神経インパルスを介した一連の情報伝達
は興奮と称ざれ、複数のシナブスを経て脳に達する．ま
た、脳内に達したインパルスは、脳内の膨大な数の神経
細胞を興奮させ、この結果種々の情報処理が行なわれる
． そこで、前述し１と生体膜を構戊する脂質を利用し生体
系を模倣した機能素子を実現しようとする試みが、例え
ば文献（「合成脂質膜における相転移と自励発振現象」
　（都甲　潔他，膜（ＭＥＭ−　ＢＲＡＮＥ）．　１２
（＋）　，　Ｐ．＋２〜２１．　１９８７年）に開示さ
れている．この文献によれば、多孔貢膜に合或脂賞（以
下、脂貢類似物賀と称する．）を吸着させた人工興奮膜
の自助発振現象等が報告ざれている．ここで、脂質類似
物貢とは、ジオレイン酸、トリオレイン酸、スバン８０
、ジオレイルフォスフェート等のような両親媒性物貢、
界面活性剤等である．以下、上述の自励発振現象につき
簡単に説明する。

数ｕｍ程度の孔径を有する多孔貢膜に、脂質類似物質で
あるジオレイルホスフエートを吸＠させて人工興奮膜を
作製する。このような人工興奮膜の一方の面を高濃度の
塩溶液に接触させ、かつ他方の面を低濃度の塩溶液に接
触させた状態とする．係る状態に置かれた人工興奮膜は
、数分〜数十分の周期で、これら塩溶液の間に所定の電
位差を生じ、電気的インパルスが発生する．上述の自励
発振のメカニズムは、油滴状態から多層膜状態への脂貢
の集合体構造の変化に伴なうものと考えられている．こ
のメカニズムにつき上述の文献を引用していま少し詳細
｛こ説明する．第４図（Ａ）及び（Ｂ）は、その説明に
供する図であり、微小な貫通孔１１ａを有する支持体１
１の徴小孔１１ａ中に脂質又は脂質類似物質が含浸ざれ
て構成ざれている人工興奮膜により低濃度の塩溶液１３
と高濃度のｉ！Ａ溶液１５との間を仕切った状態を示し
た図である．特に１つの微小孔周辺に着目して示してあ
る． 脂質や脂質類似物質（以下、脂寅等と略称することもあ
る．）は、ある塩濃度を境としで、低濃度の塩溶液中で
は油滴状態が安定であり高濃度の塩溶液中では多層膜状
態が安定である。従って、第４図（Ａ）に示すように、
微小孔１１ａの低濃度の塩溶液側の出口では脂貢等は油
滴１７になり微小孔をふさいでおり、微小孔Ｈａ中では
カチオン１９が高濃度の塩溶液側から流入しているため
に油滴が多層膜２１へと変化している．このような状態
では、徴小孔１１ａ中には塩溶液中のア二オンよりもカ
チ才ンのほうが選択的に多く流入しているので、アニオ
ンが支持体１１上に残ざれ、膜電位が生じる．ところが
、第４図（Ｂ）に示すように、油滴１７の多層膜２１へ
の変化が進み微小孔１１ａをふさいでいた油滴１７が小
ざくなり出口が開かれ微小孔１１ａが貫通すると、微小
孔１１ａ中の高濃度なカチ才ンが拡散により低濃度な塩
溶液側１こ流出し、微小孔１１ａ内のカチオン濃度は低
下する．支持体１１上（こ残ざれていたアニオンは、こ
の時から、アニオン自身の拡散や拡散してきたカチオン
との再結合（こより、ある緩和時間で無くなる．その後
は、微小孔内のカチオンの濃度が低くなったことから脂
質等は油滴状態が安定状態であるので、再び第４図（Ａ
）に示した状態にもどる．このようにして人工興奮膜は
自助的な発振を縁り返す．人工興奮膜の、第４図（Ａ）
及び（Ｂ）を用いて説明した特性を第１表にまとめて示
した． 第１表 上述のような人工興奮膜を用いるとニューロンやシナブ
スを模倣したバイオ素子を構戊することが可能｛こなる
．その一例としては、この出願１こ係る発明者等によっ
て、特願昭６３−　９６１３５１号及び特願昭６３−１
９２Ｎ８号に提案されている素子が有り、例えばバイオ
コンピューターや種々のセンサ等への応用が期待ざれて
いる． （発明が解決しようとする課題） しかしながら、第４図を用いて説明したような従来の人
工興奮膜は、例えば高濃度の塩溶液側からこの溶液を加
圧しかつこの溶液に電流を印加すること等によつ自励的
な発振をさせること｛よ出来るが、発振の停止、発振の
進行、発振の変調等を光刺激により制御出来るものでは
なかった。即ち、膜電位の制＠を光刺激により行なえる
ものではなかった。自助発振の制御を光刺激１こより行
なえれば、人工興奮膜によるバイオセンサ等が実現きれ
たときの当該センサの制御を無接触で行なえる等の利点
が得られ非常１こ有用である．この発明は、このような
点に鑑みなされたものであり、従ってこの発明の目的は
、人工興奮膜の＠＠位の変化に起因する発振の停止・開
始等を光により無接触で制御出来る光応答人工興奮膜を
提供することにある． （課題を解決するための手段） この目的の達戊を図るため、この発明の光応答人工興奮
膜によれば、微小孔を有する支持体に、脂質及び脂質類
似物質のいずれか一方又は双方と、光に応答し構造が立
体的に変化する物質との混合物を吸着させて或ることを
特徴とする．この発明の実施に当たり、光に応答し構造
が立体的に変化する前述の物質を、下記■式で示される
アゾベンゼンとするのが好適である．（作用） この発明の光応答人工興奮膜によれば、微小孔を有する
支持体に、脂質及び脂質類似物質のいずれか一方又は双
方と、光ｆこ応答し構造が立体的に変化する物質との混
合物を吸着させてあり、微小孔内にこの混合物が含浸さ
れた状態にある．そして光に応答し構造が立体的（こ変
化する物質を含んでいることから、この構造変化におけ
る一方の状態が、脂質及び又は脂質類似物貢の第４図を
用いて説明した多層膜化を阻害するようになる。このた
め、微小孔は油適によりふさがれたままとなり微小孔の
貫通が阻止ざれる。この結果人工興奮膜の膜電位変化が
陥止され発振の停止が可能になり、発振の制御が出来る
． このことについで、光に応答し構造が立体的に変化する
物質をアゾヘンゼンとした例により詳述する． アゾベンゼンは、紫外光（　ＵＶ）と可視光（ＶＩＳ）
とを選択的に照射することにより、下記■式に示すよう
に可逆的にシス型−トランス型の幾何異性化反応を行な
うことが知られている（文献：ボリマー（Ｐｏｌｙｍｅ
ｒ）　２２　（１９８１）　ｐ．Ｉ５１１　）　．トラ
ンス型のアゾベンゼン分子は、横から見ると２つのベン
ゼン環平面が一平面上に位璽する構造になり、シス型の
アゾベンゼン分子は２つのベンゼン環がｖ字状Ｃこ折れ
曲がった嵩高い構造（こなる． 従って、アゾヘンゼンと脂質及び又は脂質類似物質との
混合物に対し紫外線を照射しアゾベンゼンをシス型１こ
した場合、これが嵩高い構造であるので配列分子の間隔
を広げ、この結果脂質及び又は脂質類似物貢の多層膜構
造を不安定化するよう（こなる。このため、微小孔の貫
通が阻止され人工興奮膜の発振の停止が可能になり、結
果的に発振の制御が出来る． （実施例） 以下、図面を参照しで、この発明の光応答人工興奮膜の
実施例につき説明する．なお、以下の説明では、この発
明が理解し得る程度に特定の条件を例示しで説明するが
、この発明は、これら条件にのみ限定ざれるものではな
いことを理解ざれたい．また、以下の実施例で用いた薬
品類の出所を一部省略する場合もあるが、いずれの薬品
も容易に入手出来るものでありがフ化学的に充分に純粋
なものを用いた． 二　〇制　言ａ 始めに、微小孔を有する支持体を孔径８ｕｍの貫通孔を
多数有するセルロースエステル製の多孔貢膜（ミリボア
フィルター、ミリボア社製）とし、脂質類似物賞を下記
の構造弐〇で表されるジオレイルホスフエート（Ｄｉｏ
ｌｅｙｌ　Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　．以下、ＤＯＰ｝ｌと
略称することもある。）とし、光により構造が立体的に
変化する物質を上記■式で表されるアゾベンゼンとした
例の実施例の光応答人工興奮膜（以下、単に実施例の人
工興奮膜と云う場合もある．）の作製手順につき説明す
る．ＤＯＰｉ｛は、この実施例の場合以下のように合成
し精製したものを用いた． 出発物賞として、オレイルアルコール（関東化！￥！■
製）とオキシ塩化リン゛（ρＯＣＱｓ）（．ｍ東化学■
製）とを用い、これらを周知の合成手段１こよって反応
させた後、得られた合戊物賃を加水分解する。このよう
にして、前述の構造式■に示すようなＤＯＰＨを得、こ
れをクロマト法｛こより精製した。

アゾベンゼンは、この実施例の場合東京化成工業製のも
のを再結晶法により精製しブこものを用いた． 次に、アゾベンゼンｔ　ＯＯＰＨの５重盪％となるよう
（こ秤量し、然る後、これらＤ　Ｏ　Ｐ　Ｈとアゾベン
ゼンとを溶媒としてのベンゼンに溶かす． 次に、この溶液中に上述のセルロース・エステル製の多
孔貢膜を浸潰する。浸潰後この多孔質膜を取り出しベン
ゼンを蒸発させ、ＤＯＰ｝Ｉとアゾベンゼンとの混合物
を吸着させた実施例の人工興奮膜を得る．なお、この実
施例の場合、混合物の吸若量が４　（ｍｑ／ｃｍ２）と
なるようにした．また、実施例との比較を行なうため、
ＤＯＰＨのみを用いて多孔貢膜に吸着させたことを除い
ては上述と同一の手順で，従来技術に係る人工興奮膜（
以下、比較例の人工興奮膜と称する．）ヲ４（ｍｃ＋／
ｃｍ２）の吸着量で作製した。

ま思見振、里皇ｋ塑朝 次に、実施例及び比較例の人工興奮膜の自励発振を確認
するための装Ｍ（以下、自助発振用装買と云う．）の説
明を行なう。Ｍ２図は、この実施例で用いた自励発振用
装置の概略的な構或を示す説明図である．なお、同図中
、断面を示すハッチング等は一部省略する。

この第２図に示すように、実施例或いは比較例の人工興
奮膜（図中では代表して３１で示す．）は、一方の面が
第一の電解槽３３ａに収容ざれた１ｏＯｍＭのＫＣｕ水
溶液３５ａと接し、他方の面が第二の電解槽３３ｂに収
容ざれた５ｍＭのＫ別水溶液３５ｂと接した状態で支持
ざれる． 第一及び第二の電解槽３３ａ．３３ｂの周囲には図示せ
ずも恒温水を循環させる設備が設けであり、槽内温度を
任意の値１ご制御出来る．この実施例の場合．．ＫＣｉ
１水溶液３５ａ．３５ｂの温度が２０”Ｃ±１℃となる
ようイこしている．また、第二の電解槽３３ｂの一部に
は人工興奮膜３１に対し紫外光及び可視光を照射するた
めの光透過窓３７ｃを設けである．２種類のＫＣｉＪ水
溶液３５ａ及び３５ｂには、銀一塩化銀（Ａ９−Ａ（Ｊ
Ｃ（１）で構威される標準，電極３７ａ或いは３７ｂを
夫々浸潰させてある．そして、高濃度側であるＩＯＯｍ
ＭＫ　ＣＱ水溶液３５ａ中に浸潰された標準電極３７ａ
を、直流電源３９の陽極側に接続し、低濃度側である５
　ｍＭＫ　Ｃｆｌ水溶液３５ｂ中の標準電極３７ｂを、
上述した直流電源３９の陰極側に接続させ人工興奮膜に
対し定電流を印加している． さらに、この自助発振装置は、人工膜３１に加わる電位
差の時間変化を測定しで記録するため、高インピーダン
ス電位計とＸ−Ｙレコーダーとからなる測定器４１を具
えでいる。そしてこの測定器４１に接続する標準電極４
３ａ或いは４３ｂを、上述したＫＣＱ水溶液３５ａと３
５ｂとの夫々に浸潰させてある． ざらにこの自励発振装置は、第一の電解槽３３ａに接続
されているマノメーター４５ヲ具え、このマノメータ４
５を介しでのみ、図中に矢印ａ％付して示す外的な圧力
を、人工膜３１に対して加えることが可能な構成となっ
ている．なお、この実施例では、上述したマノメーター
４５によって加えた庄力を印加圧力として説明する． 上述した印加電流ヒ印加圧力は、実施例及び比較例の人
工興奮膜の発振を生じさ゛ゼるために必要な条件であり
、ある値に設定されるものである．ざらにこの自励発振
用装置は、電解槽３３ａ，　３３ｂを収納する暗箱４７
と、光透過窓３７ｃ　ａ通して人工興奮膜３１に紫外光
及び可視光のいずれを選択的に照射するための光源４９
を具える。光源４９は、紫外光用光源としての理化学用
水銀ランプと、可視光用光源として波長４．５０ｎｍ以
下の光を除去する芭ガラスフィルタ及び波長７００ｎｍ
以上の光を除去する多層フィルタを装備したハロゲンラ
ンプとを具えている． 且励』ｌシ亙星１３異劃ｌ朗 次に、上述した自励発振用装置を用いで、実施例及び比
較例の人工興奮膜の自励発振の測定を以下に説明するよ
うに行なった． く発振条件の測定〉 先ず、実施例及び比較例の人工興奮膜の自励発振条件を
測定した．この測定は、直流電源３９を用い人工興奮膜
３９に対し０．５（ｕＡ）の定電流令印加しながら印加
圧力ａを徐々に増加させて行なった．ただし、実施例の
人工興奮膜に対しで［よ，上記条件（こ加え、これに含
まれるアゾベンゼンの９０％以上がトランス型に異性化
するように可視光を照射した場合と、アゾベンゼンの９
０％以上がシス型｛こ異性化するように紫外光を照射し
た場合との２つの条件の下で測定した。なお、上記異性
化を達成する光照射条件は、各々予め決定してある．こ
の測定結果によれば、比較例の人工興奮膜は、発振開始
印加圧力として１８ｃｍｔｂＯを必要とし、そのときの
発振周波数が０．５７ｓｅｃ−’であることが分った．
一方、実施例の人工興奮膜は，可視光を照射した場合は
発振が現われ、発振開始印加圧力として１６ｃｍＨ２０
　＠必要とし、そのときの発振周波数が０．６０ｓｅｃ
”’であることが分ったが、紫外光を照射した場合は、
膜電位の上昇は認められたものの電位はもとにもどらず
発振が現われないことが分った。

第３図は、上述の発振条件の測定結果を説明するため、
横軸に印加圧力をとり、縦軸に発振周波数をとり、印加
圧力と発振周波数との関係を示した図である。第３図中
、■で示す曲線は実施例の人工興奮膜の可視光照射後の
特性、■は比較例の人工興奮膜の特性である．曲線工及
び■を比較すると、実施例の人工興奮膜で可視光照射し
たもののほうが、比較例の人工興奮膜よりわずか１こ発
振し易いと云えるが、これは誤差範囲内と考えられ両者
は実質的に同一と考えて良いと思われる．上述の実験結
果からも明らかなように、ＤＯＰＨにアゾベンゼンを含
有させても、アゾベンゼン分子がトランス型になってい
る時は、アゾベンゼン分子はＤＯＰＨの多層膜構造の安
定性を低下させることがないと云える．しかし、このア
ゾベンゼンがシス型になっている時は、これがＤＯＰＨ
の多層膜構造を不安定なものとするため、ＤＯＰＨは多
層膜構造を取らず油適状態を取る。この理由は、多層膜
構造を取って配列しているＤＯＰＨ分子間のシス型アゾ
ベンゼン分子はＶ字型の嵩高い構造を取るため配列しで
いる分子の間隔を広げＤＯＰ｝ｌの多層膜ＩＪｉ造を不
安定化するためと考えられる。

く光応答性の確認〉 次に、実施例及び比較例の人工興奮膜の発振が光により
制２ｌＩＪサれるものであるか否かにつき、以下に説明
するような実験により調べた．先ず第２図を用いて説明
した自助発振用装置｛こ実施例の人工興奮膜をセット後
、この人工興奮膜に対し可視光を照射した．次いで、自
助発振用装置の印加圧力’：２０ｃｍＴｏＯとし、印加
電流を０．５ｕＡとした．この結果、実施例の人工興奮
膜は、高抵抗状態と低抵抗状態とを繰り返し、膜電位変
化が周期的に現われ、自励発振した．次１こ、この発振
状態の実施例の人工興奮膜に対し、紫外光を照射したと
ころ、発振は停止し膜電位は高い状態で一定値となった
．次に、紫外光照射により発振が停止した実施例の人工
興奮膜に対し、紫外光の照射停止後しばらくした後今度
は可視光を照射した．するとこの人工興奮膜は再び自助
発振した．実施例の人工興奮膜の上述の発振の光応答性
の様子を、縦軸に膜電位をとり、横軸｛こ時間をとり、
第１図（Ａ）に示した． 続いて、比較例の人工興奮膜Ｃこついでも、実施例の人
工興奮膜の場合と同様に、２０ｃｍ｝１．０の圧力及び
０．５ｕＡの電流を印加することで自動発［させ、実施
例の人工興奮膜の場合と同様に紫外光及び可視光を順に
照射した．しかし、比較例の人工興奮膜の発振状態は、
光照射１こよフてはなんら変わることがなかった．比較
例の人工興奮膜の上述の発振の光応答性の様子を、縦軸
に膜電位をとり、横軸に時間をとり、第１図ＣＢ）に示
した．このように、この発明｛こ係る人工興奮膜は、こ
れに対し紫外光及び可視光を選択的に照射することによ
り、自助発振の停止・開始等の制御が出来ることが分っ
た． 以上がこの発明の実施例の説明である．しかしこの発明
は上述の実施例のみに限定されるものではなく以下に説
明するような種々の変更を加えることが可能である． 例えば、実施例中で述べたＤＯＰＨと、アゾベンゼシと
の混合比、また、ＤＯＰＨと、アゾベンゼンとから或る
混合物の支持体への吸着量は、単なる例示｛こすぎない
。これら値は、自励発振及び光制＠性を確保出来る範囲
内で設計に応０種々に変更ざれるものであることは理解
ざれたい．なお、上記吸着量の制御は、例えばＤＯＰＨ
とアゾベンゼンのベンゼンに溶解させる量を変えること
で容易に行なえる． また、実施例で用いた支持体も単なる例示にすぎず、材
質、微小孔の直経等は設計（こ応じ変更出来る。原理的
には、支持体は微小孔が１個であっても良いと云える。

また、例えばシリコン基板に微小孔を設けたような無機
材料の支持体でも良い． また、実施例では［）ＯＰ｝ｌを用いて説明しているが
、ＤＯＰ｝ｌの代わりに、他の脂質類似物質を用いでも
、或いは脂質そのものを用いでも、さらには、脂質及び
脂質類似物質の混合物を用いても良い。

また、上述の実施例では、効果の説明を容易とするため
、特定の実験装置を例示して、種々の特性を測定した場
合｛こつき説明した。しかしながら、この発明の人工興
奮膜の効果は、特定の装霞によってのみ達威されるもの
ではないこと明らかである。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の光応答
人工興奮膜は、塩Ｊ度差のある溶液を当該光応答人工興
奮膜により仕切ると膜電位を生じ自助発振するという従
来の人工興奮膜の物性に加え、当該人工興奮膜に対し外
部から紫外光を照射すると自励発振が停止し、可視光を
照射すると自動発振が再開するという新たな物性を有す
る．従って、この発明の光応答人工興奮膜を用い神経細
胞や五感センサ等を模倣した素子を構築した場合、当該
素子の制御を無接触で行なえる等の利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例及び比較例の人工興
奮膜の発振の光応答性の説明に供する図、 第２図は、自助発振を確認するために用いた装置の説明
に供する図、 第３図は、印加圧力と、発振周波数との関係を示す図、 第４図（Ａ）及び（Ｂ）は、自励発振のメカニズムの説
明に供する図である。 １１・・・支持体、　　　　　　Ｉｌａ・・・微小孔１
３・・・低塩濃度の塩溶液、１５・・・高塩濃度の塩溶
液１７・・・油適状態の脂質等、１９・・・カチオン２
　１−・・多層膜状態の脂質等 ３　１−・・比較例或いは実施例の人工興奮膜３３ａ・
一第一の電解槽、　３３ｂ・・・第二の電解槽３５ａ　
−ｔｏｏ　ｍＭのＫＣＩＩ水溶液３５ｂ　＝−　５　ｍ
ＭのＫＣＩ水溶液３７ａ，３７ｂ，４３ａ，４３ｂ　＝
一標準電極３７ｃ・・・光透過窓、 ４１・・・測定器、 ａ　−・・外的な圧力、 ４９・・・光源． ３　９−・・直流電源 ４５・・・マノメーター ４７・・・暗箱

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）微小孔を有する支持体に、脂質及び脂質類似物質
   のいずれか一方又は双方と、光に応答し構造が立体的に
   変化する物質との混合物を吸着させて成ること を特徴とする光応答人工興奮膜。
2. （２）光に応答し構造が立体的に変化する前記物質を、
   下記〔１〕式で示されるアゾベンゼンとしたことを特徴
   とする請求項１に記載の光応答人工興奮膜。 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・〔１〕