グアニン結晶を用いた 光学素子の製造方法、 並びに光学素子 広島大学 ナノデバイス・バイオ融合科学研究所 分子生命情報科学研究部門 教授 岩坂 正和 1 本発明の概要 反磁性マイクロミラー等の光学素子化およびその形成方法 本発明の背景技術 1. 磁場配向技術による、反磁性物質の非接触磁気回転制御 ２．魚のウロコ等から得られるグアニン結晶＊の強い光反射特性 ＊厚さが１００ｎｍ以下と非常に薄く、均一なサイズの結晶板 本発明の技術内容 ・ 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する。 ・ この時、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た。 ・ 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 の光学素子を構築する方法を見出した。 2 当該研究分野の概要 反磁性物質（生体由来物質）の磁場配向を利用した技術 反磁性物質の磁場配向 例）・フィブリン・コラーゲン等の 生体高分子の配向 ・血管平滑筋細胞の磁場配向 ・カーボンナノチューブの配向 フィブリンファイバーの磁場配向 A. Yamagishi et al. , Physica B, 164, 222 (1990). 応用例 ・細胞のパターニング技術を人工血管作製に利用 ・コラーゲン配向による細胞パターニング誘導技術等 3 当該研究分野の概要 生体由来のマイクロミラー 魚類から採取（例：キンギョ） 魚類由来グアニン結晶 特異な強い光反射 5 mm グアニン結晶 グアニン結晶サスペンション 深海の微弱光に対する 眼球内・体表面での 高度な集光・反射機能 4 観察方向 光 磁力線方向 グアニン結晶の磁場配向（光反射抑制） 5 従来技術とその問題点1 Digital Micromirror Device (DMD) →電気駆動のマイクロ光学素子 電気駆動の問題点 ・電気伝導度の高い溶液内（電解質等）では使用不可能 ・浮遊状態で、任意方向に非接触では制御できない 磁気駆動の光学素子で克服できる可能性あり 6 従来技術とその問題点2 グアニン結晶 20 µm 溶液中に浮遊した状態で分散 容器の底に沈んだ状態 磁場印加前のグアニン結晶の光反射結晶面（１０２面）の方向はランダム 磁場配向させた場合、光反射結晶面の回転角度は一様でなく、 反射光強度にばらつきが生じる グアニン結晶を用いる場合の問題点 グアニン結晶の磁場配向特性を利用して光学素子を構築した場合、 結晶の回転方位特性を一様に制御することが難しい 7 従来技術の課題とその解決手段 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の構築において； ●課題 溶液中でのミラー片の回転方位特性を、一様且つ非接触で 制御可能なマイクロ光学素子を構築すること ●解決手段 溶液中に分散した複数のミラー片（グアニン結晶） ＋ 一端がミラー片に結合された複数の結合子（DNA） ＋ ガラス基板で構成された光学素子 1. 反磁性の磁場配向による非接触回転制御 2. DNAの水素結合および静電作用 3. DNAと基板の物理吸着 を利用する 8 新技術の内容と特徴、実験結果 9 ●グアニン結晶の固定法と磁気制御法 ガラス基板 (18x18 mm) 混合 蒸留水 90~100 度 混合 および 封入 磁場 サケ精液由来 DNA粉末 DNA フレームシール DNA 溶液(25 ml) 電気ホットプレート 1. 鉛直磁場を与えつつ、配向と重 力で結晶側面をDNA固定して、 サンプル作製． ウロコ 魚類由来グアニン結晶 2. サンプルに対し、電磁石による 水平磁場を印加しながらミラー 面角度の磁気制御を行った． 10 ●グアニン結晶のマイクロ光学素子化 磁場印加前 水平磁場 磁場印加後 570秒経過後 0.48 T ℓ Scale bar: 10 (mm) J. Appl. Phys., 117, pp. 17B730-1‒4, 2015. モデル グアニン結晶 DNA 基板に接着 傾斜変化 元に戻る 重力 浮遊 ガラス基板 鉛直磁場 450 mT 水平磁場 480 mT 11 ●グアニン結晶のマイクロ光学素子化 印加する水平磁場の強度別に， 磁場印加前後における結晶幅の差を測定 ℓ1 環境磁場下 ℓ2 磁場下 Micro-mirror width difference =ℓ2-ℓ1 Micro-mirror Width difference (mm) 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 100 mT 200 mT 300 mT 400 mT Magnetic field intensity (mT) 印加磁場の強度を変えることで，結晶面角度の可変が可能 12 ●洗浄による光学素子のDNA固定検出 DNA固定後の基板を洗浄後に結晶ミラー片とDNAを分光検出 1. グアニン結晶サスペンション 洗浄液 洗い流し→乾燥 3. Absorbance (a.u.) 2. 石英板 0.30 紫外線 0.20 分光検出 a b サスペンション (洗浄液) Guanine+DNA (PBS) Guanine (DW) DNAの吸光度範囲 0.10 0.00 200 グアニン + DNA 線 230 260 290 Wavelength (nm) 320 J. Appl. Phys., 117, pp. 17B730-1‒4, 2015. 13 ●グアニン結晶の結晶構造 b軸 単斜晶 102面 5 mm 20 mm 102面 102面 ~100 nm 012面 a軸 012面 102面 012面 c axis b axis 参考文献：Levi-Lior et al., Crystals Growth & Design, 8, 507-511 (2008). a axis 012面 a axis 102面 c axis b axis 14 ● 磁場配向の原理 1. 環境磁場下では分子は安定 2. 磁場印加すると分子は不安定に 磁場 グアニン分子 4. 磁場配向を生じることで二次磁場発生 を抑え，分子は安定に 3. 分子に環電流が流れ，二次磁場が発生 磁場配向 磁場 二次磁場 磁場 p電子による 環電流 分子（結晶）回転 15 ● グアニン結晶の磁場配向 結晶最大面に対し垂直に磁場印加 →結晶状態が不安定 磁場 102面 磁力線の入らない方向へ 結晶が回転 →結晶状態が安定 結晶短軸 環電流 ２次磁場 102面 ・磁場印加すると結晶短軸が磁力線に対し平行に配向する ・結晶が起き上がる Applied Physics Express, 6, 037002(1-4) (2013). 16 ●グアニン結晶のマイクロ光学素子化 1 磁場 ミラー構築の方法と磁気制御 2 グアニン結晶 重力 DNA ガラス基板 水溶液 ・鉛直方向の磁場印加で 結晶とDNAを配向させたまま， 重力で自然沈降させる グアニン結晶 重力 物理吸着 ガラス基板 ・DNAと重力による自然沈降で ガラス基板に結晶を吸着 J. Appl. Phys. 117, 17B730 (2015). 17 ●グアニン結晶のマイクロ光学素子化 ミラー構築の方法と磁気制御 3 4 磁場 DNAの弾性 による戻り 結晶 回転 伸びる 縮む ガラス基板 ・結晶の角度が磁場配向による 結晶回転で変化 ・DNAの弾性により，磁場印加で 一時的に伸縮する 縮む 伸びる ガラス基板 ・磁場を切るとDNAの弾性と 伸縮機能で角度が戻る J. Appl. Phys. 117, 17B730 (2015). 18 ●マイクロ光学素子の角度可変メカニズム DNAの弾性による伸縮 磁場 伸びる 縮む 縮む 縮む 伸びる 伸びる 伸びる 縮む DNA鎖 グアニン 結晶 19 ●マイクロ光学素子の角度可変メカニズム DNAとグアニン分子の相互作用 グアニン結晶 102面 102面 DNA鎖 001面 −帯電 グアニン結晶 静電結合 001面 DNA鎖 ＋帯電 20 ●マイクロ光学素子の角度可変メカニズム DNAとグアニン分子の相互作用 水素結合 シトシン 水素結合 結晶面（102面） DNA鎖 DNA鎖 側面（001面）001面 DNA鎖のシトシン分子が、グアニン結晶（102面）の段差部分 および側面のグアニン分子の水素結合可能な部分に結合する 21 ●マイクロ光学素子の角度可変メカニズム ミラー構築と磁場印加における結晶面可変のメカニズム 1. 結晶ミラー構築の際，鉛直方向の磁場印加による磁場配向と重力の自然 沈降により，結晶側面をガラス基板平行に配向させて，ガラス基板に DNAで固定． 2. 鉛直方向に磁場印加することで接着剤であるDNAも磁力線方向に配向． 3. DNAと結晶面（102面）及び側面（001面）が静電作用により結合． または，DNAのシトシン分子と結晶面（102面）の分子による段差部分 及び側面（001面）のグアニン分子が水素結合している可能性． 4. 固定した結晶ミラーに水平方向に磁場印加すると，磁場配向とDNAの弾 性による伸縮運動で結晶面角度が可変可能． 5. 磁場印加を切った後は，DNAの弾性による伸縮運動によって結晶面が ほぼ元の位置に戻る． 22 23 実用化に向けた課題・企業への期待 ●実用化への課題 ・結晶ミラー片を用いたマイクロ光学素子のアレイ化 ・マイクロ光学素子のスイッチング制御のための DNA固定の安定化および固定強度のばらつき制御 ミラー片のアレイ化 ●企業への期待 基礎研究から応用に向けた共同研究； 1. 結晶ミラー片を用いた光学素子のアレイ化 （微小物体の配列技術を持った企業を希望） ２. DNA固定強度のばらつき問題の解決 ３. 本研究のマイクロ光学素子用の磁石（マイクロ電磁石コイル）作製 24 本技術に関する知的財産権 •発明の名称 ：マイクロ光学素子及び その形成方法 •出願番号 ：特願2015-195567 •出願人 ：広島大学 •発明者 ：岩坂正和、水川友里 25 お問い合わせ先 広島大学 産学・地域連携センター 国際・産学連携部門 産学官連携コーディネーター 石井 貴子 ＴＥＬ： 082-424-4302 ＦＡＸ： 082-424-6189 e-mail： [email protected] 26 参考資料 27 反磁性物質の磁場効果 磁性 … 物質が磁場中に置かれたときに引力・斥力を持つ磁気的特性 あらゆる物質は 磁場強度(H)に応じて磁化(M)を生じる … 磁化率 → 磁気分極の起こりやすさを示す物性値 反磁性体 < 外部磁場により 磁場方向と逆方向に 磁化される 常磁性体 > 外部磁場により 磁場方向と同方向に 磁化される 強磁性体 > 外部磁場の有無に関わらず スピンが平行に整列し 大きな磁気モーメントを持つ 28 反磁性磁場配向によるマイクロマニピュレーション フィブリンファイバーの磁場配向 磁化率異方性 Dc= c// ― c⊥ Dc の大きさ…回転速度が決定 A. Yamagishi et al. , Physica B, 164, 222 (1990). 磁場配向の要因 フィブリン ｜ c// ｜＜｜ c⊥ ｜ Dc の±…回転方向を決定 磁化率の異方性 // 磁化容易軸 磁化困難軸 磁力線方向 29
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