グアニン結晶を用いた 光学素子の製造方法、 並び …...1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 100 mT 200 mT 300 mT 400 mT Magnetic field intensity (mT) M i c r o-m i r r o r W

1

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

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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。

本発明の概要

3

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

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

A. Yamagishi et al. , Physica B, 164, 222 (1990).

フィブリンファイバーの磁場配向

当該研究分野の概要

4

特異な強い光反射

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

グアニン結晶

魚類から採取（例：キンギョ） 魚類由来グアニン結晶

生体由来のマイクロミラー

5 mm

グアニン結晶サスペンション

当該研究分野の概要

5

磁力線方向

観察方向

光

グアニン結晶の磁場配向（光反射抑制）

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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

磁気駆動の光学素子で克服できる可能性あり

・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

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従来技術とその問題点2

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

容器の底に沈んだ状態

グアニン結晶

20 µm

溶液中に浮遊した状態で分散

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

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従来技術の課題とその解決手段

●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

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；

9

新技術の内容と特徴、実験結果

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蒸留水

90~100 度

サケ精液由来DNA粉末

電気ホットプレート

ガラス基板(18x18 mm)

DNA 溶液(25 ml)フレームシール

混合および封入

DNA

混合

魚類由来グアニン結晶

ウロコ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．

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．

●グアニン結晶の固定法と磁気制御法磁

場

11

モデル

Scale bar: 10 (mm)

磁場印加後磁場印加前 水平磁場

ℓ

鉛直磁場水平磁場

元に戻る傾斜変化DNA

グアニン結晶 基板に接着

浮遊

ガラス基板

重力

450 mT

480 mT

570秒経過後

J. Appl. Phys., 117, pp. 17B730-1‒4, 2015.

●グアニン結晶のマイクロ光学素子化

0.48 T

12

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

100 mT 200 mT 300 mT 400 mTMagnetic field intensity (mT)

Mic

ro-m

irro

r W

idth

diff

eren

ce (m

m)

ℓ2ℓ1

環境磁場下 磁場下

Micro-mirror width difference =ℓ2-ℓ1

●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

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

13

●洗浄による光学素子のDNA固定検出

石英板

グアニン結晶サスペンション

洗浄液

洗い流し→乾燥

分光検出

1.

2.

3. 紫外線

グアニン + DNA

線 サスペンション (洗浄液)

Guanine (DW)Guanine+DNA (PBS)

Wavelength (nm)

Abs

orba

nce

(a.u

.)

0.00

0.10

0.20

200 230 260 290 320

0.30 ab

DNAの吸光度範囲

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

J. Appl. Phys., 117, pp. 17B730-1‒4, 2015.

14参考文献：Levi-Lior et al., Crystals Growth & Design, 8, 507-511 (2008).

102面

012面012面

●グアニン結晶の結晶構造b 軸

a 軸

102面

102面

単斜晶

20 mm

5 mm

100 nm

102面

012面012面a a

xis

b axisc axis

102面

a a

xis

b axisc axis

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1. 環境磁場下では分子は安定

磁場

p電子による環電流

グアニン分子

2. 磁場印加すると分子は不安定に

磁場

3. 分子に環電流が流れ，二次磁場が発生 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

二次磁場

磁場

分子（結晶）回転

磁場配向

● 磁場配向の原理

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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

２次磁場

磁場

環電流

磁力線の入らない方向へ結晶が回転→結晶状態が安定

Applied Physics Express, 6, 037002(1-4) (2013).

結晶短軸

102面

102面

● グアニン結晶の磁場配向

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ガラス基板

グアニン結晶

水溶液DNA

・DNAと重力による自然沈降でガラス基板に結晶を吸着

重力

1 2

グアニン結晶重力

J. Appl. Phys. 117, 17B730 (2015).

・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

物理吸着

ミラー構築の方法と磁気制御

●グアニン結晶のマイクロ光学素子化

ガラス基板

磁場

18

磁場

・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

結晶回転

・磁場を切るとDNAの弾性と伸縮機能で角度が戻る

DNAの弾性による戻り

3 4ミラー構築の方法と磁気制御

J. Appl. Phys. 117, 17B730 (2015).

伸びる

縮む伸びる縮む

●グアニン結晶のマイクロ光学素子化

ガラス基板 ガラス基板

19

伸びる縮む伸びる

縮む

DNAの弾性による伸縮

DNA鎖

縮む

伸びる

グアニン結晶

縮む伸びる

磁場

●マイクロ光学素子の角度可変メカニズム

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DNAとグアニン分子の相互作用

グアニン結晶

102面

＋帯電

DNA鎖

－帯電静電結合

グアニン結晶

DNA鎖

102面

001面

001面

●マイクロ光学素子の角度可変メカニズム

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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

側面（001面）001面

水素結合

DNA鎖DNA鎖

水素結合

シトシン

DNAとグアニン分子の相互作用

●マイクロ光学素子の角度可変メカニズム

結晶面（102面）

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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．

●マイクロ光学素子の角度可変メカニズム

23

24

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

●企業への期待

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

ミラー片のアレイ化

基礎研究から応用に向けた共同研究；

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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

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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]

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参考資料

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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 常磁性体 強磁性体< > >外部磁場により

磁場方向と逆方向に磁化される

外部磁場により磁場方向と同方向に

磁化される

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

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磁場配向の要因 磁化率の異方性

フィブリン //磁力線方向

｜c// ｜＜｜c⊥｜磁化容易軸 磁化困難軸

磁化率異方性

Dc= c// ― c⊥

Dc の±…回転方向を決定

Dc の大きさ…回転速度が決定

反磁性磁場配向によるマイクロマニピュレーション

A. Yamagishi et al. , Physica B, 164, 222 (1990).

フィブリンファイバーの磁場配向