JPH07112081B2

JPH07112081B2 - 自励発振作用を有する機能膜

Info

Publication number: JPH07112081B2
Application number: JP1128306A
Authority: JP
Inventors: 博中西
Original assignee: 科学技術庁長官官房会計課長
Priority date: 1989-05-22
Filing date: 1989-05-22
Publication date: 1995-11-29
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPH02306227A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は自励発振作用を有する機能膜に関する。

（従来の技術）現在までのところ、シリコンを中心とした半導体技術に
よるトランジスタ、IC、LSI、超LSIの開発が行われ、こ
れによって今日のエレクトロニクスの基礎が築かれてき
た。一方、生命又は生体現象の解明に伴い、生体現象に
特有の考え方に基づいた新規な材料や素子の開発への期
待が高まっている。これは、生体現象を模倣し、情報処
理、認識、記憶などの面でこれまでと異なる原理によ
り、エレクトロニクス技術を担うという考え方に基づい
ている。

例えば、生体系に特有な多くの現象のうち最も基本的な
ものは、従来考えられてきたように熱力学的な平衡に基
づく現象ではなく、平衡からはるかに離れた非線形非平
衡な状態で起こる現象であることが、種々の事実から明
らかになってきている。このような現象をエレクトロニ
クスに応用することができれば、従来になり新しい考え
方に基づくエレクトロニクスの分野を開発できる可能性
がある。

このような非線形非平衡な系から生じる現象のうち代表
的な例としては、生体膜又はそれを模倣した人口膜（機
能膜）で観測される発振現象がある。このような機能膜
における発振現象を観測するための装置を第１図に示
す。第１図において、容器１はその中央部で、隔壁２及
びこの隔壁２に取り付けられた脂質分子を含む多孔質膜
（機能膜）３によって二室に区画されている。容器１に
は、例えば二室に区画された一方の室に0.1モル濃度のK
Cl溶液4a、他方の室に0.01モル濃度のKCl溶液4bが収容
される。KCl溶液4a、4bには、それぞれ電流印加電極5
a、5bが浸漬され、両極間に接続された電源６により電
流が流れる。また、KCl溶液4a、4bには、それぞれ膜電
位測定電極7a、7bが浸漬され、両極間に接続された電位
計８により膜電位が測定される。

第１図に示す構成の装置で、電流印加電極5a、5b間に例
えば10^-7A/cm²程度の一定電流を流すと、電位計８にお
いて第２図に示すような周期的な発振パターンを観測す
ることができる。このような現象は、生体膜の興奮現象
の人口化としてとらえることができる。

前述した機能膜においては、塩濃度、電流値、その他外
部圧力などの変化に応じて発振の周期、波形、振幅が変
化するため、例えば電流値を情報（信号）として、その
変化に応じた機能膜の発振パターンの変化から情報を読
取る試みが従来からなされている。

しかしながら、これらの方法による機能膜の発振パター
ンの変化は、一般的に刺激、すなわち情報（信号）に対
する再現性が良好ではない。また、外部から並列的な多
重の情報が入力された場合には応答することができない
という問題がある。

（発明が解決しようとする課題）本発明は前記問題点を解決するためになされたものであ
り、外部から入力される複数の情報の変換が可能な機能
膜を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の自励発振作用を有する機能膜は、脂質分子を主
成分としてなる二分子膜、多孔質膜上に累積した脂質分
子膜又は脂質分子を分散させた高分子膜からなり、２つ
の水溶液を二室に区画し、これらの水溶液間のイオン濃
度差、外部圧力の変化、外部直流電圧の印加により自励
発振作用を有する機能膜において、前記脂質分子を含む
膜中に、異なる波長の光により選択的に異なる化学反応
を生じる２種以上の物質を含有させたことを特徴とする
ものである。

前記脂質分子としては、例えばジオレオイルホスフェイ
ト、トリオレイン、モノオレイン、その他の燐脂質分子
などが挙げられる。

前記多孔質膜としては、例えばアセチルセルロールなど
のセルロース系、フッ素樹脂系、塩化ビニル樹脂系の多
孔質フィルタなどが挙げられる。

前記高分子膜としては、例えばポリスチレン、ポリエチ
レン、ポリプロピレンなどの汎用高分子膜が挙げられ
る。

本発明において、光により化学反応を生じる物質として
は、種々の反応形態を有するものを利用することができ
る。これらの反応形態のうち特に、外部から光が照射
されたときに自励発振の周波数、波形、振幅の形態を変
化させ、外部からの光を断ち切ると自励発振を元の状態
に戻すような反応、外部から光が照射されたときに自
励発振の周波数、波形、振幅の形態を変化させ、外部か
らの光を断ち切っても同じ形態を維持するが、更に異な
る波長の光を照射することにより自励発振を元の状態に
戻すような反応が望ましい。

このような化学反応を生じる物質としては、例えばケト
型とエノール型との互変異性などのようなプロトン移動
を行う官能基、スピロピラン系分子からメロシアニン系
分子へのフォトクロミズムのようなヘテロ環の開裂反応
を行う官能基、アゾベンゼン類、スチルベン類などのよ
うなシスートランス異性化を行う官能基、ノルボナジエ
ンとクァドキシレンとの間の反応のような歪み変形を伴
う官能基、又は電子供与体と電子受容体との２種の分子
間の電子移動反応を行う官能基などを有する物質が挙げ
られる。

本発明においてはこれらの物質のうち、異なる波長の光
により選択的に異なる化学反応を生じる２種以上の物質
が組合わされて用いられる。ただし、これら２種以上の
物質の組合せに関しては、各々の物質の光吸収エネルギ
ー領域が入射される光の波長幅よりも大きいこと、及び
各々の反応が膜中で互いに相互作用しないことが望まし
い。

これら２種以上の物質は、脂質分子を含む膜中に含有さ
れる。これらの物質を膜中に含有させる手法については
特に制約はないが、膜を形成している脂質に混入して分
散させる方法、又は脂質分子と共有結合を介して固定化
させる方法などが望ましい。

（作用）一例として、波長λ_Ａ及びλ_Ｂの光で各々光反応を行う
Ａ、Ｂの２種類の物質を含む機能膜について述べる。こ
の機能膜を用いて第１図に示したような装置を構成し、
機能膜からの自励発振を生起させる。この機能膜は光を
照射しないときには所定の発振周波数、波形、振幅を有
する発振パターンを示す。この機能膜に波長λ_Ａの光を
照射すると、物質Ｂは反応せず、物質Ａが化学反応を起
こしてその分子構造又は電子構造が変化し、それに応じ
て発振周波数、波形、振幅が変化した発振パターンが生
じる。機能膜に波長λ_Ｂの光を照射した場合は、物質Ａ
は反応せず、物質Ｂが化学反応を起こし、Ａの変化とは
異なる構造変化を膜に与えるため、波長λ_Ａの光を照射
したときの発振パターンとは異なる発振パターンが生じ
る。

一方、波長λ_Ａもしくはλ_Ｂの光を遮断するか、又はそ
れぞれの化学反応の逆反応を起させる光を照射すること
により、それぞれの化学物質は元の状態に戻り、かつ脂
質分子との相互作用も元の状態に戻るため、各々の発振
パターンは反応生起前と同様な形態になる。

また、波長λ_Ａの光と波長λ_Ｂの光とを同時に照射した
場合には、用いる化学反応物質及び脂質分子の種類に応
じて、波長λ_Ａの光を照射したときの発振パターンと波
長λ_Ｂの光を照射したときの発振パターンの和の形態の
発振パターンが生じる場合と、両者とは全く異なる発振
パターンが生じる場合とがあるが、いずれの場合も単独
の光を照射したときとは異なる発振パターンとなる。

なお、前述した例は２種類の化学物質を添加した場合で
あるが、更に多数の化学種を加えることにより、より多
重性の高い外部情報でも検知することができる。

本発明の自励発振作用を有する機能膜は、光が有する波
長次元の多重性に対応して、膜中の２種以上の反応物質
に能動的な化学反応を生起させることにより、発振パタ
ーンに変化を生じさせるため、多重情報を高い精度で検
知、識別することができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

ポアサイズ８μｍのアセチルセルロース製の多孔質フィ
ルターに、２モル％の１′‐オクタデシル‐３′,3′‐
ジメチル‐6-ニトロスピロ（2H-1-ベンゾピラン‐２′,
2′‐インドリン）と４′‐オクチルアゾベンゼン‐4-
オキシ酪酸を含むジオレオイルホスフェイト膜を積層し
て機能膜を作製した。

この機能膜を、第１図に示すように、容器１内を二室に
区画する隔壁２に取付け、一方の室に0.1モル濃度のKCl
溶液、他方の室に0.001モル濃度のKCl溶液をそれぞれ収
容し、25℃に保持した。そして、電流印加電極5a、5bを
通して各溶液間に１×10^-7A/cm²程度の一定電流を流
し、KCl溶液4a、4bに浸漬された膜電位測定電極7a、7b
に接続された電位計８により発振パターンを観測した。

前記機能膜は、光を照射しない場合には、周波数2.0Hz
の発振パターンを示した。この機能膜に波長280nmの光
を照射したところ、周波数3.5Hzの発振パターンに変化
した。次に、波長280nmの光の代わりに、波長580nmの光
を照射したところ、発振の周波数は元の周波数に戻るこ
とが観測された。また、この機能膜に波長380nmの光を
照射したところ、周波数2.8Hzの発振パターンに変化し
た。次に、波長380nmの光の代わりに、波長450nmの光を
照射したところ、発振の周波数は元の周波数に戻ること
が観測された。このような現象は、使用した各々の化合
物の光異性化反応に対応したものである。

なお、前述した発振周波数の変化は、温度変化（±0.1
℃）、外界の振動などによってほとんど影響を受けるこ
とがなかった。

［発明の効果］以上詳述したように本発明の自励発振作用を有する機能
膜は、光が有する波長次元の多重性に対応して、膜中の
２種以上の反応物質に能動的な化学反応を生起させるこ
とにより、発振パターンに変化を生じさせることができ
る。したがって、異なる波長の光を情報（信号）とする
ことにより、高い感度及び良好な再現性で情報を変換す
ることができ、多重情報を高い精度で検知、識別するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る機能膜の発振現象を観測するため
の装置を示す断面図、第２図は本発明に係る機能膜の発
振パターンの一例を示す特性図である。１…容器、２…隔壁、３…機能膜、4a、4b…KCl溶液、5
a、5b…電流印加電極、６…電源、7a、7b…電流印加電
極、８…電位計。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】脂質分子を主成分としてなる二分子膜、多
孔質膜上に累積した脂質分子膜又は脂質分子を分散させ
た高分子膜からなり、２つの水溶液を二室に区画し、こ
れらの水溶液間のイオン濃度差、外部圧力の変化、外部
直流電圧の印加により自励発振作用を有する機能膜にお
いて、前記脂質分子を含む膜中に、異なる波長の光によ
り選択的に異なる化学反応を生じる２種以上の物質を含
有させたことを特徴とする自励発振作用を有する機能
膜。