專利名稱：彩色成像元件及其制造方法、光傳感器及其制造方法、光電變換器及其制造方法及電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用蛋白質(zhì)的彩色成像元件、光傳感器和光電變換器以及它們的制造方法，以及使用上述彩色成像元件、光傳感器或光電變換器的電子裝置。
背景技術(shù)：
作為半導(dǎo)體元件的可替代選擇，蛋白質(zhì)是一種極具前景的功能元件。當(dāng)半導(dǎo)體元件的小型化被限制在幾十納米的尺寸時(shí)，具有Inm到IOnm的極小尺寸的蛋白質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)良的功能。在相關(guān)技術(shù)中，作為使用蛋白質(zhì)的光電變換器，提出了使用通過(guò)將鋅取代細(xì)胞色素c (具有取代作為亞鐵血紅素的中心金屬的鐵的鋅的馬心細(xì)胞色素)固定在金電極上而形成的蛋白質(zhì)固定電極的光電變換器，并且報(bào)道，通過(guò)蛋白質(zhì)固定電極獲得了光電流(參考 PTL1)。此外，提出了彩色圖像感光元件，這些元件包括具有光電轉(zhuǎn)換功能并通過(guò)將感光色素蛋白質(zhì)(諸如菌視紫紅質(zhì))的配向膜支撐在電極上而形成的感光單元，并包括多個(gè)具有不同感光波長(zhǎng)的感光色素蛋白質(zhì)的感光單元的組合(參考PTL2和3)。[引用列表][專利文獻(xiàn)][PTL 1]日本未審查專利申請(qǐng)公開第2007-220445號(hào)[PTL 2]日本未審查專利申請(qǐng)公開第H3-237769號(hào)[PTL 3]日本未審查專利申請(qǐng)公開第H3-252530號(hào)[NPTL l]Fee, J. A. and 13 others, Protein Sci. 9,2074(2000)[NPTL 2]Vanderkooi, J. M. and 2 others, Eur.J.Biochem. 64,381-387(1976)[NPTL 3][于 2008 年7 月 15 日搜索]互聯(lián)網(wǎng)(URL :http://www. wako-chem. co.jp/siyaku/info/gene/article/EvrogenSeries. htm)[NPTL 4][于 2008 年 7 月 15 日搜索]互聯(lián)網(wǎng)(URL :http //clontech. takara-bio. co. jp/product/families/gfp/lc_able2. shtml)[NPTL 5][于 2008 年 7 月 15 日搜索]互聯(lián)網(wǎng)(URL :http //clontech. takara-bio. co. jp/product/catalog/200708_12. shtml)[NPTL 6]Choi, J. -Μ. and Fujihira Μ. Appl. Phys. Lett. 84, 2187-2189 (2004)[NPTL 7]Robert K. and 2 others, Isolation and modification of natural porphyrins, in " The Porphyrins, vol. I " (Dolphin D. ed.), pp. 289-334, Academic press, New York,1978。[NPTL 8] Fuhrhop J. H. , Irreversible reactions on theporphyrin periphery(excluding oxidations reductions,and photochemicalreactions), in" The Porphyrins, vol.II" (Dolphin D ed. )pp. 131-156, Academic Press, New York,1978。
[NPTL 9]McDonagh A. F. , Bile pigments :bilatrienes and 5,15-biladienes, in" The Porphyrins,vol. VI" (Dolphin D ed. )pp.294-472,Academic Press,New York, 1979。[NPTL 10]Jackson AH. ,Azaporphyrins, in" The Porphyrins,vol. I" (Dolphin D ed. ), pp. 365-387, Academic Press, New York,1978。[NPTL 11]Gouterman Μ. , Optical spectra and electronicstructure of porphyrins and related rings, in" The Porphyrinis, vol. Ill" (Dolphin D ed.), pp. 1-156, Academic Press, New York, 1978。[NPTL 12]Gouterman Μ. , Optical spectra and electronicstructure of porphyrins and related rings, in" The Porphyrinis, vol. Ill" (Dolphin D ed.), pp. 11-30, Academic Press, New York,1978。[NPTL 13]Sano S. , Reconstitution of hemoproteins, in" The Porphyrins, vol. VII" (Dolphin D. ed.)，pp. 391—396，Academic Press, New York,1979。

發(fā)明內(nèi)容
然而，由于在PTLl至PTL3中所提出的用在光電變換器和彩色圖像感光元件中的蛋白質(zhì)在生物體外是不穩(wěn)定的，所以存在這樣一個(gè)問(wèn)題，即，光電變換器和彩色圖像感光元件缺乏長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性。當(dāng)使光電變換器和彩色圖像感光元件獲得長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性時(shí)，它們是非常有用的；然而，就本發(fā)明的發(fā)明人和其他人員所知，還沒(méi)有任何描述這樣的光電變換器或彩色圖像感光元件的報(bào)道。因此，本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)目的是提供一種使用蛋白質(zhì)并且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定使用的彩色成像元件及其制造方法。本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)目的是提供一種使用蛋白質(zhì)并且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定使用的光傳感器及其制造方法。本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)的又一個(gè)目的是提供一種使用蛋白質(zhì)并且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定使用的光電變換器及其制造方法。本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)的再一個(gè)目的是提供一種使用上述優(yōu)良彩色成像元件、光傳感器或光電變換器的電子裝置。通過(guò)本發(fā)明和附圖的說(shuō)明將使上述目的和其他目的變得顯而易見。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種彩色成像元件，包括藍(lán)光光電變換器，使用鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體。此外，本發(fā)明提供了一種制造彩色成像元件的方法，包括將鋅取代細(xì)胞色素、其衍生物或其變體固定在電極上的步驟。另外，本發(fā)明提供了一種光傳感器，包括藍(lán)光光電變換器，使用鋅取代細(xì)胞色素 c552、其衍生物或其變體。此外，本發(fā)明提供了一種光傳感器的制造方法，包括將鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定在電極上的步驟。此外，本發(fā)明提供了一種使用鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體的藍(lán)光光電變換器。
另外，本發(fā)明提供了一種藍(lán)光光電變換器的制造方法，包括將鋅取代細(xì)胞色素 c552、其衍生物或其變體固定在電極上的步驟。此外，本發(fā)明提供了一種使用細(xì)胞色素c552修飾鋅卟啉的紅光或綠光光電變換
ο另外，本發(fā)明提供了一種紅光或綠光光電變換器的制造方法，包括將細(xì)胞色素 c552修飾鋅卟啉固定在電極上的步驟。在上述各個(gè)發(fā)明中，作為其上固定有鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體、或細(xì)胞色素c552修飾鋅卟啉的電極材料，最優(yōu)選使用金電極，然而，也可以使用任何其他材料。更具體地，作為無(wú)機(jī)材料，例如，除了諸如鉬或銀的金屬之外，還可以使用諸如ITO(氧化銦錫)、FT0(氟摻雜氧化錫)或奈塞玻璃(SnO2)的金屬氧化物。此外，作為有機(jī)材料，例如，可以使用各種導(dǎo)電聚合物和含四硫代富瓦烯衍生物(如TTF、TMTSF、或BEDT-TTF)的電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物(例如，TTF-TCNQ等)。作為導(dǎo)電聚合物，例如，可以使用聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔、聚丁二炔(polydiacetylene)、聚對(duì)苯撐、聚對(duì)苯撐硫化物等。此外，本發(fā)明提供了一種包括紅光、綠光或藍(lán)光光電變換器的彩色成像元件，該紅光、綠光或藍(lán)光光電變換器使用金電極；固定在金電極上的細(xì)胞色素C552，其衍生物或其變體；以及鍵合至細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體并吸收紅光、綠光或藍(lán)光的熒光蛋白質(zhì)。另外，本發(fā)明提供了一種彩色成像元件的制造方法，包括將細(xì)胞色素C552、其衍生物或其變體固定在金電極上的步驟；以及將吸收紅光、綠光或藍(lán)光的熒光蛋白質(zhì)鍵合至細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體的步驟。此外，本發(fā)明提供了一種光傳感器，包括金電極；固定在金電極上的細(xì)胞色素C552、其衍生物或其變體；以及鍵合至細(xì)胞色素C552、其衍生物或其變體的熒光蛋白質(zhì)。另外，本發(fā)明提供了一種光傳感器的制造方法，包括將細(xì)胞色素C552、其衍生物或其變體固定在金電極上的步驟；以及將熒光蛋白質(zhì)鍵合至細(xì)胞色素c552、其衍生物或變體的步驟。此外，本發(fā)明提供一種光電變換器，包括金電極；固定在金電極上的細(xì)胞色素C552、其衍生物或其變體；以及鍵合至細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體的熒光蛋白質(zhì)。另外，本發(fā)明提供了一種光電變換器的制造方法，包括將細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定在金電極上的步驟；以及將熒光蛋白質(zhì)鍵合至細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體的步驟。在通過(guò)將細(xì)胞色素c552及其衍生物或其變體固定在金電極上并將熒光蛋白質(zhì)鍵合至其上而形成的上述光傳感器和上述光電變換器以及它們的制造方法中，作為熒光蛋白質(zhì)，使用具有所需的吸收波長(zhǎng)的熒光蛋白質(zhì)。具體地，在光傳感器為彩色光傳感器的情況下，作為熒光蛋白質(zhì)，使用吸收紅光的熒光蛋白質(zhì)、吸收綠光的熒光蛋白質(zhì)和吸收藍(lán)光的熒光蛋白質(zhì)。同樣地，在紅光、綠光或藍(lán)光光電變換器中，使用吸收紅光、綠光或藍(lán)光的熒光蛋白質(zhì)。 在上述各個(gè)發(fā)明中，優(yōu)選地，將鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體，或細(xì)胞色素c552修飾鋅卟啉，或細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定為使它們的疏水部面對(duì)電極或金電極。通常，將細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體，或細(xì)胞色素c552修飾鋅卟啉，或細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體鍵合至電極或金電極，自組裝單層介于其間。在這種情況下，鋅取代細(xì)胞色素c552的衍生物是具有在其骨架中的化學(xué)修飾氨基酸殘基或卟啉的鋅取代細(xì)胞色素c552。鋅取代細(xì)胞色素c552的變體是其骨架中的一部分氨基酸殘基被另一種殘基取代的鋅取代細(xì)胞色素c552。同樣地，細(xì)胞色素c552的衍生物是具有在骨架中的化學(xué)修飾氨基酸殘基或血紅素的細(xì)胞色素c552，細(xì)胞色素c552的變體是其骨架中的一部分氨基酸殘基被另一種氨基酸殘基取代的細(xì)胞色素c552。 在上述各個(gè)發(fā)明中，除了鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體，或細(xì)胞色素 c552修飾鋅卟啉，或細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定在其上的電極或金電極之外， 光電變換器還包括反電極。反電極被設(shè)置為面對(duì)電極或金電極，其間留有空間。同時(shí)，本發(fā)明提供了一種使用金屬取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體的光電變換器。另外，本發(fā)明提供了一種光電變換器的制造方法，包括將金屬取代細(xì)胞色素C552、其衍生物或其變體固定在電極上的步驟。在這些使用金屬取代細(xì)胞色素C552、其衍生物或其變體的發(fā)明中，除非背離了其性質(zhì)，否則與上述各發(fā)明相關(guān)的物質(zhì)可被確立。根據(jù)需要選擇金屬取代細(xì)胞色素c552的金屬以獲得目標(biāo)光電轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)。在如上述配置的本發(fā)明中，鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體，或細(xì)胞色素 c552修飾鋅卟啉，或細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體，或金屬取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體比鋅取代細(xì)胞色素c、細(xì)菌視紫紅質(zhì)等的熱穩(wěn)定性要高。此外，通過(guò)鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體，或細(xì)胞色素c552修飾鋅卟啉可獲得吸收紅光、綠光或藍(lán)光的光電變換器。此外，通過(guò)金屬取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體可獲得吸收具有期望波長(zhǎng)光的光電變換器。根據(jù)本發(fā)明，鋅取代細(xì)胞色素c552、細(xì)胞色素c552修飾鋅卟啉、細(xì)胞色素c552、金屬取代細(xì)胞色素c552等具有很高的熱穩(wěn)定性，因此，可以實(shí)現(xiàn)使用蛋白質(zhì)且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定使用的彩色成像元件、光傳感器和光電變換器。然后，通過(guò)使用這種優(yōu)良的彩色成像元件、 光傳感器和光電變換器可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的電子裝置。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的藍(lán)光光電變換器的示意圖。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的在藍(lán)光光電變換器中使用的鋅取代細(xì)胞色素c552的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的在藍(lán)光光電變換器中使用的鋅取代細(xì)胞色素c552的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖4是示出馬心細(xì)胞色素c的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖5是示出馬心細(xì)胞色素c的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖6是具體示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的藍(lán)光光電變換器中使用的鋅取代細(xì)胞色素c552的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖7是具體示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的藍(lán)光光電變換器中使用的鋅取代細(xì)胞色素c552的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的在藍(lán)光光電變換器中使用的自組裝單層的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的藍(lán)光光電變換器的使用的第一實(shí)例的示意圖。圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的藍(lán)光光電變換器的使用的第二實(shí)例的示意圖。圖11是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的藍(lán)光光電變換器的使用的第三實(shí)例的示意圖。圖12是示出鋅取代細(xì)胞色素c552的圓二色譜(circular dichroic spectrum) 的測(cè)量結(jié)果的示意圖。圖13是示出各種細(xì)胞色素c552的吸收光譜的測(cè)量結(jié)果的示意圖。圖14是示出鋅取代細(xì)胞色素c的吸收光譜和作為鋅取代細(xì)胞色素c的載色體的鋅卟啉的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖15是示出鋅取代細(xì)胞色素c552的吸收光譜和熒光譜的測(cè)量結(jié)果的示意圖。圖16是示出鋅取代細(xì)胞色素c552和鋅取代細(xì)胞色素c的量子產(chǎn)率的測(cè)量結(jié)果的示意圖。圖17是用來(lái)描述鋅取代細(xì)胞色素c552和鋅取代細(xì)胞色素c的光分解的示意圖。圖18是示出擬合鋅取代細(xì)胞色素c552和鋅取代細(xì)胞色素c的光分解反應(yīng)的二階反應(yīng)方程式的實(shí)例的示意圖。圖19是用來(lái)描述通過(guò)去除氧和光線抑制鋅取代細(xì)胞色素c552的光解反應(yīng)效果的示意圖。圖20是示出鋅取代細(xì)胞色素c552固定的金滴狀電極的光電流反應(yīng)譜的測(cè)量結(jié)果的示意圖。圖21是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的藍(lán)光光電變換器的示意圖。圖22是示出使用細(xì)胞色素c552固定電極執(zhí)行的循環(huán)伏安法的結(jié)果的示意圖。圖23是示出使用細(xì)胞色素c552固定電極執(zhí)行的循環(huán)伏安法的結(jié)果的示意圖。圖M是示出當(dāng)細(xì)胞色素c552固定電極存儲(chǔ)在室溫下的蛋白質(zhì)溶液中時(shí)電流值日變化的示意圖。圖25是示出使用細(xì)胞色素c552固定電極執(zhí)行的循環(huán)伏安法的結(jié)果的示意圖。圖沈是示出使用細(xì)胞色素c552固定電極執(zhí)行的循環(huán)伏安法的結(jié)果的示意圖。圖27是示出使用由具有不同KCI濃度的細(xì)胞色素c552溶液形成的細(xì)胞色素c552 固定電極執(zhí)行的循環(huán)伏安法的結(jié)果的示意圖。圖觀是示出使用細(xì)胞色素c552固定電極執(zhí)行的循環(huán)伏安法的結(jié)果的示意圖，該細(xì)胞色素c552固定電極是通過(guò)使用不同含量的用來(lái)形成自組裝單層的HS(CH3)ltlCH2OH形成的。圖四是示出使用細(xì)胞色素c552固定電極執(zhí)行的循環(huán)伏安法生物結(jié)果的示意圖， 該細(xì)胞色素c552固定電極是通過(guò)使用不同含量的用來(lái)形成自組裝單層的HS(CH3)ltlCH2OH形成的。圖30是通過(guò)相對(duì)于用來(lái)形成自組裝單層的材料中的HS (CH3) 10CH2OH的含量繪制循環(huán)伏安圖中峰值處的電流值而得到的示圖，其中，通過(guò)使用由使用不同含量的 HS(CH3)ltlCH2OH而形成的細(xì)胞色素c552固定電極執(zhí)行的循環(huán)伏安法來(lái)獲得循環(huán)伏安圖。圖31是示出使用細(xì)胞色素c552固定電極執(zhí)行的循環(huán)伏安法的結(jié)果的示意圖，該細(xì)胞色素c552固定電極是通過(guò)使用具有不同長(zhǎng)度的用作形成自組裝單層的疏水性硫醇和親水性硫醇形成的。圖32是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的綠光或藍(lán)光光電變換器的示意圖。圖33是示出合成細(xì)胞色素c552修飾鋅卟啉的方法的示意圖。圖34是示出原卟啉的示意圖。圖；35 是示出 2，4-二乙?；芜策?Q，4-diacetyldeuteroporphyrin)的示意圖。圖36是示出乙二酸次卟啉(diformyldeuteroporphyrin)的示意圖。圖37是示出內(nèi)消旋四氯八乙基卟啉(mesotetrachlorooctaethylporphyrin)的示意圖。圖38是示出內(nèi)消旋四氯八乙基卟啉的吸收譜的測(cè)量結(jié)果的示意圖。圖39是示出了內(nèi)消旋四氯卟啉(mesotetrachloroporphyrin)的示意圖。圖40是示出通過(guò)在其α位置打開原卟啉環(huán)并添加氧原子而獲得的膽紅素的示意圖。圖41是示出鋅滴定中膽紅素的光譜變化測(cè)量結(jié)果的示意圖。圖42是示出四氮雜卟啉(tetraazaporphyrin)的示意圖。圖43是示出四氮雜卟啉的吸收光譜測(cè)量結(jié)果的示意圖。圖44是示出通過(guò)向其2-和4-位置處添加乙烯基團(tuán)和向其6-和7_位置處添加丙酸基團(tuán)而形成的四氮雜卟啉的示意圖。圖45示出了自由基八乙基卟啉(freebase octaethylporphyrin)和氧釩基八乙基口卜if木(vanadyl octaethylporphyrin)的口及收i普的示意圖。圖46是示出鎳八乙基卟啉(nickel octaethylporphyrin)和鋅八乙基卟啉(zinc octaethylporphyrin)的吸收譜的示意圖。圖 47 示出了鎂本卟啉-I (magnesium etioporphyrin-I)和鈷八乙基卟啉(cobalt octaethylporphyrin)的吸收譜的示意圖。圖48是示出銅八乙基卟啉(copper octaethylporphyrin)和鈀八乙基卟啉 (palladium octaethylporphyrin)吸ilfcill的。圖49是示出八乙基卟啉(octaethylporphyrin)的示意圖。圖50是示出本卟啉(etioporphyrin)的示意圖。圖51是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的綠光或紅光光電變換器的示意圖。圖52是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方式的彩色成像元件的第一實(shí)例的示意圖。
圖53是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方式的彩色成像元件的第二實(shí)例的示意圖。圖M是示出根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的光傳感器的電路圖。圖55是示出根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的光傳感器的配置實(shí)例的平面圖。圖56是示出根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的光傳感器的配置實(shí)例的截面圖。圖57是示出根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的光傳感器的配置實(shí)例的截面圖。圖58是示出根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施方式的彩色CCD成像元件的截面圖。圖59是示出根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施方式的倒相電路的電路圖。圖60是示出根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施方式的倒相電路的配置實(shí)例的電路圖。圖61是示出根據(jù)本發(fā)明第十實(shí)施方式的光傳感器的示意圖。圖62是示出根據(jù)本發(fā)明第十實(shí)施方式的光傳感器的截面圖。圖63是示出根據(jù)本發(fā)明第十實(shí)施方式的光傳感器的電路圖。
具體實(shí)施例方式下文將參考附圖描述實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選模式(以下簡(jiǎn)稱“實(shí)施方式”)。需要注意的是，將按照如下順序進(jìn)行描述。1.第一實(shí)施方式(藍(lán)光光電變換器)2.第二實(shí)施方式(藍(lán)光光電變換器)3.第三實(shí)施方式(綠光或紅光光電變換器)4.第四實(shí)施方式(綠光或紅光光電變換器)5.第五實(shí)施方式(彩色成像元件)6.第六實(shí)施方式(光傳感器)7.第七實(shí)施方式(光傳感器)8.第八實(shí)施方式(彩色CXD成像元件)9.第九實(shí)施方式(倒相電路)10.第十實(shí)施方式(光傳感器)(1.第一實(shí)施方式)[藍(lán)光光電變換器]細(xì)胞色素c552從嗜熱細(xì)菌(thermophile)中衍生出來(lái)，如同在馬心細(xì)胞色素c的情況下，活體內(nèi)嗜熱棲熱菌(thermus thermophilus)用作電子載體。盡管細(xì)胞色素c552和馬心細(xì)胞色素c的活性中心類似地含有亞鐵血紅素(一種鐵-原卟啉IX復(fù)合體)，但細(xì)胞色素c552因其活性中心周圍有氨基酸而具有極高的熱穩(wěn)定性，這與馬心細(xì)胞色素c中是不同的(參考NPTL 1)。例如，典型的蛋白質(zhì)和馬心細(xì)胞色素c的變性中點(diǎn)分別為50°C到60°C 和85°C，而細(xì)胞色素c552具有不低于100°C的更高變性中點(diǎn)，因?yàn)樵谕ǔ５乃芤?溫度上限為100°C )中細(xì)胞色素c552的變性溫度是不可測(cè)量的。另外，據(jù)報(bào)道，在存在4. 2M鹽酸胍(guanidine hydrochloride)( 一種變性劑)時(shí)細(xì)胞色素c552具有60°C 70°C的變性中點(diǎn)。通過(guò)用鋅取代作為細(xì)胞色素c552亞鐵血紅素的中心金屬的鐵而形成的鋅取代細(xì)胞色素c552具有如細(xì)胞色素c552 —樣的很高的熱穩(wěn)定性，并且為一種吸收藍(lán)光的熒光蛋白質(zhì)。因此，在第一實(shí)施方式中，將鋅取代細(xì)胞色素c552用于藍(lán)光光電變換器。
圖1示出了根據(jù)第一實(shí)施方式的藍(lán)光光電變換器，具體地，示出了蛋白質(zhì)固定電極。如圖1所示，在藍(lán)光光電變換器中，鋅取代細(xì)胞色素c552 13固定在金電極11上， 自組裝單層(SAM) 12介于其間。在這種情況下，細(xì)胞色素c552被固定為其疏水部13a面對(duì)金電極11。作為中心金屬的鋅(Zn)位于鋅取代細(xì)胞色素c552內(nèi)部的卟啉13b中。圖2A示意性地示出了鋅取代細(xì)胞色素c552的結(jié)構(gòu)。圖2A示出了由棒狀模型表示的鋅取代細(xì)胞色素c552的卟啉、其軸向配合基(S卩，組氨酸(His)和蛋氨酸(Met))以及賴氨酸殘基(正電性氨基酸)。圖2A是卟啉的正視圖，其中，將軸向配合基、組氨酸(His) 位于右側(cè)的方向作為正面。圖2B示出了圖2A中所示的鋅取代細(xì)胞色素c552的表面電荷分布圖。圖3A示出了從卟啉背面看去的鋅取代細(xì)胞色素c552示圖。圖;3B示出了圖3A中所示的鋅取代細(xì)胞色素c552的表面電荷分布圖。為了進(jìn)行比較，圖4A示出了從其亞鐵血紅素正面?zhèn)瓤慈サ鸟R心細(xì)胞色素c的示圖，圖4B示出了圖4A中所示的馬心細(xì)胞色素c的表面電荷分布圖，圖5A示出了從其亞鐵血紅素背面看去的馬心細(xì)胞色素c的示圖，以及圖5B示出了圖5A中所示馬心細(xì)胞色素c 的表面電荷分布圖。然而，如圖4B和5B所示，馬心細(xì)胞色素c具有分散在其整個(gè)分子上的正電荷，如圖2B和;3B所示，鋅取代細(xì)胞色素c552具有集中在卟啉背面?zhèn)鹊恼姾?。此外，鋅取代細(xì)胞色素c552 13卟啉的正面?zhèn)扔墒杷畾埢椭行詷O性殘基占據(jù)。鋅取代細(xì)胞色素c552 13 的疏水部13a指的是卟啉的正面部分。圖6示意性地示出了固定在金電極11上的鋅取代細(xì)胞色素c552 13，自組裝單層 12介于其間。在圖6中，軸向配合基、組氨酸位于鋅取代細(xì)胞色素c552 13的正面?zhèn)?，賴氨酸殘基由棒狀模型表示。圖7示出了從金電極側(cè)看去的固定在金電極11上的鋅取代細(xì)胞色素c552 13 (自組裝單層12介于其間)的示圖，其中，軸向配合基、組氨酸位于右側(cè)(卟啉的前方)。在圖 7中，氨基酸側(cè)鏈由棒狀模型表示。自組裝單層12由三部分構(gòu)成。第一部分為鍵合功能團(tuán)(例如，硫醇基團(tuán)(-SH) 等)，該鍵合功能團(tuán)與自組裝單層12固定至其上的金電極11的表面上的原子反應(yīng)。第二部分通常是烷基鏈，并且自組裝單層12的二維有序結(jié)構(gòu)主要是由烷基鏈間的范德華力(Van der Waals' force)確定。因此，通常，在烷基鏈具有一定數(shù)量或多個(gè)碳原子的情況下，可以形成穩(wěn)定、高密度和高定向的膜。第三部分為端基，當(dāng)該端基為具有功能性的官能團(tuán)時(shí)， 可功能化固態(tài)表面。自組裝單層12使用例如疏水性硫醇和親水性硫醇形成，疏水性硫醇和親水性硫醇的比例確定鋅取代細(xì)胞色素c552 13和金電極11之間鍵合的難易度。親水性硫醇的親水基團(tuán)的實(shí)例包括-OH、-NH2、SO3_、OSO3_、COO_、NH4+等。必要時(shí)選取疏水性硫醇和親水性硫 作為疏水性硫醇和親水性硫醇組合的優(yōu)選實(shí)例，疏水性硫醇為HS(CH2)nCH3Oi =5、8或10)，而親水性硫醇為HS(CH2)nCH2OHOi = 5、8或10)。更具體地，例如，疏水性硫醇為Ι-i^一烷基硫醇(HS(CH2)ltlCH3),而親水性硫醇為1-羥基-11-i^一烷基硫醇 (HS (CH2) 10CH2OH)。作為疏水性硫醇和親水性硫醇組合的另一實(shí)例，疏水性硫醇為HS (CH2)mCH3，而親水性硫醇為HS(CH2)nCH20H(其中，m < n，例如，m為5或更大，η為10或更小)。 更具體地，例如，疏水性硫醇為HS (CH2) 9CH3，而親水性硫醇為HS (CH2) 1(1CH20H。圖8示意性地示出了通過(guò)使用疏水性硫醇和親水性硫醇形成的自組裝單層12結(jié)構(gòu)。如圖8所示，疏水性硫醇1 和親水性硫醇12b的硫醇基(-SH)鍵合到金電極11的表面。此外，疏水性硫醇12a的疏水基團(tuán)和親水性硫醇12b的親水基團(tuán)(由圖8中的圓圈標(biāo)識(shí))鍵合到鋅取代細(xì)胞色素C55213的疏水部13a(參考圖1)。盡管在圖1示出了鋅取代細(xì)胞色素c552 13的一個(gè)分子，必要時(shí)可以確定固定在金電極11上的鋅取代細(xì)胞色素c552 13分子數(shù)量，通常，固定鋅取代細(xì)胞色素c552 13的多個(gè)分子作為單層。此外，盡管圖1中所示的金電極11具有平坦的表面形狀，但是金電極 11的表面可以為任何形狀，例如，可以為具有凹槽的表面、具有突起物的表面、具有凹槽和突起物的表面等中的任一種表面，并且可使鋅取代細(xì)胞色素c552 13容易地固定在任何表面形狀上。除了通過(guò)將鋅取代細(xì)胞色素c552 13固定在金電極11上(自組裝單層12介于其間)而形成的鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極外，光電變換器還包括反電極(counter electrode)。反電極被設(shè)置為面對(duì)鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極，其間留有空間。作為反電極的材料，可使用以諸如金、鉬或銀的金屬或金屬氧化物或諸如ITO (氧化銦錫),FTO (氟摻雜氧化錫)或奈塞玻璃(SnO2玻璃)的玻璃為代表的無(wú)機(jī)材料。作為反電極材料，還可使用導(dǎo)電聚合物(如，聚噻吩、聚吡咯、聚乙炔、聚丁二炔、聚對(duì)苯撐(polyparaphenylene)或聚對(duì)苯撐硫化物)或含四硫代富瓦烯衍生物(tetrathiafulvalene derivative)(如TTF、 TMTSF、或BEDT-TTF)的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物(例如，TTF-TCNQ)。該反電極優(yōu)選地至少對(duì)藍(lán)光透明，因此可使固定在金電極11上的全部鋅取代細(xì)胞色素c552 13或幾乎全部可以受光照射。例如，反電極由對(duì)藍(lán)光(用于光激發(fā)鋅取代細(xì)胞色素c552 13)透明的導(dǎo)電材料制成， 例如，IT0、FT0、奈塞玻璃等。只要光電變換器不影響鋅取代細(xì)胞色素c552 13的光電轉(zhuǎn)換功能和電子轉(zhuǎn)移功能，則可使光電變換器在溶液(電解液或緩沖溶液)或干燥環(huán)境中進(jìn)行操作。在光電變換器在電解液或緩沖溶液中操作的情況下，通常，將反電極設(shè)置為面對(duì)鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極(其間留有空間)，并且將鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極和反電極浸入電解液或緩沖溶液中。作為電解液的電解質(zhì)(或氧化還原物)，可以使用引起鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極中的氧化反應(yīng)和反電極中的還原反應(yīng)的電解質(zhì)，或者使用引起鋅取代細(xì)胞色素c552 固定電極中的還原反應(yīng)和反電極中的氧化反應(yīng)的電解質(zhì)。更具體地，作為電解質(zhì)(或者氧化還原物)，例如，可以使用1(4[ 6(0幻6]或[Co (NH3) 6]C13。在光電變換器在干燥環(huán)境中操作的情況下，不吸收鋅取代細(xì)胞色素c552 13的固態(tài)電解質(zhì)，更具體地，諸如瓊脂或聚丙烯酰胺凝膠的濕的固態(tài)電解質(zhì)被夾在鋅取代細(xì)胞色素c552 13固定電極和反電極之間，并且優(yōu)選地在固態(tài)電解質(zhì)周圍提供密封壁以防止固態(tài)電解質(zhì)變干。在這些情況下，當(dāng)光被由鋅取代細(xì)胞色素c552 13制成的感光部接收時(shí)，基于鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極和反電極之間的本征電極電勢(shì)差而可以獲得具有極性的光電流。[光電變換器的使用]圖9示出了光電變換器使用的第一實(shí)例。如圖9所示，在第一實(shí)例中，通過(guò)將鋅取代細(xì)胞色素c552 13固定在金電極(自組裝單層12 (未示出)介于其間)上而形成的鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極和反電極14被設(shè)置為彼此相對(duì)。將鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極和反電極14浸在容器15所含的電解液16中。作為電解液16，使用不影響鋅取代細(xì)胞色素c552 13功能的電解液。同時(shí)，作為電解液16的電解質(zhì)(或氧化還原物)，使用引起鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極中的氧化反應(yīng)和反電極14中還原反應(yīng)的電解質(zhì)，或者使用引起鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極中的還原反應(yīng)和反電極14中的氧化反應(yīng)的電解質(zhì)。為了執(zhí)行光電變換器中的光電轉(zhuǎn)換，當(dāng)通過(guò)偏壓電源17將偏置電壓相對(duì)于基準(zhǔn)電極18施加至鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極時(shí)，鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極的鋅取代細(xì)胞色素c552 13受到光照射。該光為能誘導(dǎo)鋅取代細(xì)胞色素c552 13產(chǎn)生光激發(fā)的藍(lán)光或具有藍(lán)光成分的光。在這種情況下，當(dāng)調(diào)節(jié)施加至鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極的偏置電壓、將要施加的光的強(qiáng)度以及將要施加的光的波長(zhǎng)中的至少一個(gè)時(shí)，可改變流經(jīng)變換器的光電流大小和/或極性。光電流從端子19a和19b被提取至外部。圖10示出了光電變換器使用的第二實(shí)例。如圖10所示，在第二實(shí)例中，不同于第一實(shí)例，取代由偏置電源17產(chǎn)生偏置電壓， 將鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極和反電極14的本征電極電勢(shì)差用作偏置電壓。在這種情況下，沒(méi)必要使用基準(zhǔn)電極18。因此，該光電變換器為使用鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極和反電極14的雙電極系統(tǒng)。在其他方面，第二實(shí)例類似于第一實(shí)例。圖11示出了光電變換器使用的第三實(shí)例。盡管第一和第二實(shí)例中的光電變換器在溶液中操作，但可在干燥的環(huán)境中操作本實(shí)例的光電變換器。如圖11所示，在該光電變換器中，固態(tài)電解質(zhì)20夾在鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極和反電極14之間。此外，在該固態(tài)電解質(zhì)20周圍設(shè)置密封壁21以防止固態(tài)電解質(zhì)20 變干燥。作為固態(tài)電解質(zhì)20，可以使用不影響鋅取代細(xì)胞色素c552 13功能的固態(tài)電解質(zhì)， 更具體地，使用不吸收蛋白質(zhì)的瓊脂、聚丙烯酰胺凝膠等。為了在該光電變換器中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過(guò)將鋅取代細(xì)胞色素C55213固定電極和反電極14之間的本征電極電勢(shì)差用作偏置電壓，用光照射鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極的鋅取代細(xì)胞色素c552 13。該光為能夠誘導(dǎo)鋅取代細(xì)胞色素c552 13的光激發(fā)的藍(lán)光或具有有藍(lán)光成分的光。在這種情況下，當(dāng)鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極和反電極14之間的本征電極電勢(shì)差、施加的光的強(qiáng)度以及施加的光的波長(zhǎng)中的至少一個(gè)被調(diào)節(jié)時(shí)，可改變流經(jīng)變換器的光電流大小和/或極性。對(duì)于其他方面，第三實(shí)例類似于第一實(shí)例。[光電變換器的制造方法]以下將描述藍(lán)光光電變換器的制造方法的實(shí)例。首先，將金電極11浸在含有預(yù)定比例的上述疏水性硫醇和上述親水性硫醇的溶液(例如，溶劑為乙醇)中，以在金電極11的表面上形成自組裝單層12(如圖1所示)。
接下來(lái)，將具有以這種方式形成在其上的自組裝單層12的金電極11浸在含有細(xì)胞色素c552 13、緩沖溶液以及可選的諸如氯化鉀(KCI)的鹽的溶液中。結(jié)果，鋅取代細(xì)胞色素c552 13吸附并且固定在自組裝單層12上，其疏水部13a面對(duì)金電極11。從而，形成了鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極。 隨后，例如，通過(guò)使用鋅取代細(xì)胞色素c552固定電極和反電極14來(lái)制造如圖9、10 或11中所示的光電變換器。
[光電變換器的操作]當(dāng)藍(lán)光或具有藍(lán)光成分的光進(jìn)入光電變換器的鋅取代細(xì)胞色素C55213時(shí)，鋅取代細(xì)胞色素c552 13通過(guò)光激發(fā)而產(chǎn)生電子，這些電子通過(guò)電子傳輸經(jīng)自組裝單層12移動(dòng)至金電極11。然后，將光電流從金電極11和反電極14提取至外部。[實(shí)例1]a.鋅取代細(xì)胞色素c552的合成方法作為起始材料，使用通過(guò)培養(yǎng)、壓碎以及凈化含有包括嗜熱細(xì)菌Thermus thermophilus (嗜熱棲熱菌)的細(xì)胞色素c552基因的帶菌體的大腸桿菌而制備的重組細(xì)胞色素c552 (包含作為其中心金屬的鐵)。將50mg至IOOmg的細(xì)胞色素c552的凍干粉末與6mL 70%的氫氟酸/吡啶混合，并在室溫下培養(yǎng)10分鐘以從細(xì)胞色素c552中去除中心金屬(諸如鐵)。隨后，將9mL 50mM乙酸銨緩沖溶液(pH 5.0)添加至所得混合物中，并且在反應(yīng)完成后，將所得混合物經(jīng)受凝膠過(guò)濾柱層析法(柱體積150mL ；樹脂交聯(lián)葡聚糖 (Sephadex)G-50 ；展開溶劑(developing solvent) :50mM醋酸鈉緩沖溶液；pH 5. 0)以獲得不包含中心金屬的無(wú)金屬細(xì)胞色素c552(MFc552)。將以這種方式獲得的Mfc552溶液盡可能地濃縮并與冰醋酸混合以具有 2.5( 士 0.0 的PH值。將30mg的無(wú)水醋酸鋅粉末添加至該溶液中，并且將溶液在無(wú)光狀態(tài)下以50°C培養(yǎng)2至3小時(shí)。繼續(xù)進(jìn)行培養(yǎng)，同時(shí)每隔30分鐘測(cè)一次吸收光譜，直到對(duì)應(yīng)于蛋白質(zhì)的^Onm波長(zhǎng)處的吸收強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)于鋅卟啉的420nm波長(zhǎng)處的吸收強(qiáng)度之比變?yōu)楹愣?。以下步驟全都是在無(wú)光狀態(tài)下進(jìn)行的。向溶液中添加飽和二磷酸一氫鈉(sodium monohydrogen diphosphate)溶液以使該溶液PH值為中性(6. 0 < )之后，將該溶液在70°C 下培養(yǎng)5至10分鐘。將所得沉淀和所得濃縮液溶解在少量的7. 2M鹽酸胍中。將所得溶液逐步滴入10倍容積的IOmM磷酸鈉緩沖溶液(pH 7.0)中。在執(zhí)行濃縮以及緩沖溶液與 IOmM磷酸鈉緩沖溶液(pH7. 0)的交換之后，用陽(yáng)離子交換柱層析法(用10至150mM磷酸鈉緩沖溶液(PH7.0)的線性濃度梯度來(lái)洗提)來(lái)回收單體片段。從而，合成了鋅取代細(xì)胞色素 c552(Znc552)。b.鋅取代細(xì)胞色素c552的特性由圓二色光譜可以證實(shí)，以上述方式合成的鋅取代細(xì)胞色素c552具有與天然(含鐵型)細(xì)胞色素c552相同的蛋白質(zhì)折疊圖案(參考圖12)。然而，用IOOmdeg的靈敏度、 100nm/min的波長(zhǎng)掃描速率、2秒的響應(yīng)時(shí)間、2. Onm的帶寬、積分5以及IOmM磷酸鈉緩沖溶液(pH7. 0)來(lái)測(cè)量圓二色光譜。圖13示出了鋅取代細(xì)胞色素c552和細(xì)胞色素c552吸收光譜的測(cè)量結(jié)果。為便于比較，圖14A示出了鋅取代細(xì)胞色素c(aihhc)，即具有取代作為亞鐵血紅素的中心金屬的鐵的鋅的馬心細(xì)胞色素的吸收光譜的測(cè)量的結(jié)果(參考NPTL2)。圖14B示出了作為鋅取代細(xì)胞色素c (Sihhc)的載色體的鋅卟啉的結(jié)構(gòu)。如圖14B所示，鋅位于原卟啉IX的中心， 卟啉的乙烯基和細(xì)胞色素蛋白質(zhì)的巰基丙氨酸殘基形成硫醚鍵。從圖13和圖14A可以清楚地看出，鋅取代細(xì)胞色素c552的吸收光譜在422nm、 M9nm和583nm的波長(zhǎng)處具有吸收最大值，并且具有與根據(jù)馬心細(xì)胞色素c合成的鋅取代細(xì)胞色素C(Sihhc)基本上相同的形狀。鋅取代細(xì)胞色素c552在各個(gè)吸收最大值處的吸收系數(shù)ε比鋅取代細(xì)胞色素c要高(參考表1)。[表1]細(xì)胞色素c552的吸收最大值(nm)/毫克分子吸收系數(shù)ε (mM^cm"1)
權(quán)利要求
1.一種彩色成像元件，包括藍(lán)光光電變換器，使用鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色成像元件，其中，所述鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體被固定在電極上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的彩色成像元件，其中， 所述電極為金電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的彩色成像元件，其中，所述鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體被固定，其疏水部面對(duì)所述金電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彩色成像元件，包括 使用細(xì)胞色素552修飾鋅卟啉的紅光或綠光光電變換器。
6.一種彩色成像元件的制造方法，包括將鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定在電極上的步驟。
7.一種光傳感器，包括藍(lán)光光電變換器，使用鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體。
8.一種光傳感器的制造方法，包括將鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定在電極上的步驟。
9.一種藍(lán)光光電變換器，使用鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體。
10.一種藍(lán)光光電變換器的制造方法，包括將鋅取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定在電極上的步驟。
11.一種紅光或綠光光電變換器，使用細(xì)胞色素c552修飾鋅卟啉。
12.一種紅光或綠光光電變換器的制造方法，包括 將細(xì)胞色素c552修飾鋅卟啉固定在電極上的步驟。
13.一種彩色成像元件，包括紅光、綠光或藍(lán)光光電變換器，所述紅光、 綠光或藍(lán)光光電變換器包括金電極；固定在所述金電極上的細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體；以及鍵合至所述細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體并吸收紅光、綠光或藍(lán)光的熒光蛋白質(zhì)。
14.一種彩色成像元件的制造方法，包括將細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定在金電極上的步驟；以及將吸收紅光、綠光或藍(lán)光的熒光蛋白質(zhì)鍵合至所述細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體的步驟。
15.一種光傳感器，包括光電變換器，所述光電變換器包括 金電極；固定在所述金電極上的細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體；以及鍵合至所述細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體的熒光蛋白質(zhì)。
16.一種光傳感器的制造方法，包括將細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定在金電極上的步驟；以及將熒光蛋白質(zhì)鍵合至所述細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體的步驟。
17.一種光電變換器，包括金電極；固定在所述金電極上的細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體；以及鍵合至所述細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體的熒光蛋白質(zhì)。
18.—種光電變換器的制造方法，包括將細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定在金電極上的步驟；以及將熒光蛋白質(zhì)鍵合至所述細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體的步驟。
19.一種光電變換器，使用金屬取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體。
20.一種光電變換器的制造方法，包括將金屬取代細(xì)胞色素c552、其衍生物或其變體固定在電極上的步驟。
全文摘要
提供了使用蛋白質(zhì)并能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定使用的彩色成像元件、光傳感器和光電變換器及它們的制造方法。將鋅取代細(xì)胞色素c552 13固定在金電極11上以形成藍(lán)光光電變換器，其中，自組裝單層12介于鋅取代細(xì)胞色素c552 13和金電極11之間，形成藍(lán)光光電變換器?？蛇x地，將細(xì)胞色素c552固定在金電極上，自組裝單層介于其間，并將吸收藍(lán)光的熒光蛋白質(zhì)質(zhì)鍵合至細(xì)胞色素c552，從而形成藍(lán)光光電變換器。這些光電變換器均用作彩色成像元件或光傳感器的藍(lán)光光電變換器。
文檔編號(hào)H01L51/30GK102318065SQ20108000731
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月17日
發(fā)明者伊藤大輔, 后藤義夫, 山口大介, 山口齊爾, 志村重輔, 戶木田裕一, 羅瑋 申請(qǐng)人:索尼公司