JPH07118555B2 - Switch element - Google Patents
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- JPH07118555B2 JPH07118555B2 JP61155449A JP15544986A JPH07118555B2 JP H07118555 B2 JPH07118555 B2 JP H07118555B2 JP 61155449 A JP61155449 A JP 61155449A JP 15544986 A JP15544986 A JP 15544986A JP H07118555 B2 JPH07118555 B2 JP H07118555B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、集積回路分野におけるスイッチ素子に関す
るもので、生体材料を該素子の構成材料として用いるこ
とにより、そのサイズを生体分子レベルの超微細な大き
さ（数十〜数百Å）に近づけることができ、高密度化，
高速化を図ることができるようにしたものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a switch element in the field of integrated circuits. By using a biomaterial as a constituent material of the element, its size can be reduced to ultrafine particles at a biomolecule level. Size (several tens to hundreds of Å) can be approached, and high density,
This is to enable speeding up.
従来、集積回路に用いられているスイッチ素子として
は、第７図に示すMOS構造のスイッチ素子（ダイオード
素子）があった。図において、１はｐ形シリコン基板、
２はｎ形領域、３はｐ形領域、４はｎ形領域、５はSiO2
膜、6,7は電極であり、該２つの電極6,7間でｐ−ｎ接合
（ｐ形領域３−ｎ形領域４接合）が形成され、スイッチ
特性が実現される。Conventionally, as a switch element used in an integrated circuit, there is a switch element (diode element) having a MOS structure shown in FIG. In the figure, 1 is a p-type silicon substrate,
2 is an n-type region, 3 is a p-type region, 4 is an n-type region, 5 is SiO 2
Membranes 6 and 7 are electrodes, and a pn junction (p-type region 3 to n-type region 4 junction) is formed between the two electrodes 6 and 7 to realize switch characteristics.
従来のMOS構造のスイッチ素子は以上のように構成され
ているため、微細加工が可能であり、現在では上記構造
のスイッチ素子あるいはこれと類似の構造のトランジス
タ素子を用いたLSIとして、256KビットLSIが実用化され
ている。Since the conventional MOS-type switch element is configured as described above, it can be microfabricated.Currently, 256K-bit LSI is used as an LSI using the switch element having the above structure or a transistor element having a similar structure. Has been put to practical use.
ところで、集積回路のメモリ容量と演算速度を上昇させ
るには、素子そのものの微細化が不可欠であるが、Siを
用いる素子では0.2μｍ程度の超微細パターンで電子の
平均自由行程と素子サイズとがほぼ等しくなり、素子の
独立性が保たれなくなるという限界を抱えている。この
ように、日々発展を続けているシリコンテクノロジー
も、微細化の点ではいずれは壁に突きあたることが予想
され、新しい原理に基づく電気回路素子であって上記0.
2μｍの壁を破ることのできるものが求められている。By the way, in order to increase the memory capacity and operation speed of an integrated circuit, it is indispensable to miniaturize the element itself. However, in the element using Si, the average free path and the element size of the electron are reduced by an ultrafine pattern of about 0.2 μm. There is a limit that they become almost equal and the independence of elements cannot be maintained. In this way, silicon technology, which continues to develop day by day, is expected to eventually hit the wall in terms of miniaturization, and it is an electric circuit element based on a new principle.
What can break a 2 μm wall is required.
この発明は、かかる状況に鑑みてなされたもので、生体
材料を電気回路素子の構成材料として用いることによ
り、そのサイズを生体分子レベルの超微細な大きさまで
近づけることのできる電気回路素子を、特にそのうちの
スイッチ素子を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and by using a biomaterial as a constituent material of an electric circuit element, an electric circuit element that can approach the size up to an ultrafine size of a biomolecule level, in particular, The purpose is to provide a switching element among them.
ところで、微生物の生体膜及び高等生物のミトコンドリ
アの内膜中には、それぞれ機能は異なるが、H2，有機
酸,NAD（Ｐ）Ｈ（Nicotineamide Adenine Dinucleotide
（Phosphate））などの還元性の化学物質から電子を引
き抜く酵素蛋白質とともに、その引き抜かれた電子を生
体膜の定められた方向に運ぶ電子伝達能を有する蛋白質
（以下、電子伝達蛋白質と記す）が複数種類存在してい
る。そしてこれらの電子伝達蛋白質は生体膜中に一定の
配向性をもって埋め込まれ、分子間で電子伝達が起こる
ように特異的な分子間配置をとっている。Incidentally, during the lining of the mitochondrial biological membrane and higher organisms microorganisms, although each feature different, H 2, organic acid, NAD (P) H (Nicotineamide Adenine Dinucleotide
(Phosphate)) and an enzyme protein that withdraws an electron from a reducing chemical substance, as well as a protein (hereinafter referred to as an electron transfer protein) having an electron transfer ability to carry the extracted electron in a predetermined direction of a biological membrane. There are multiple types. These electron transfer proteins are embedded in the biological membrane with a certain orientation, and have a specific intermolecular arrangement so that electron transfer occurs between the molecules.
このように、電子伝達蛋白質は生体膜中で精巧な配置を
もって連鎖状に並んでいるため、電子を蛋白質連鎖に沿
って流すことが可能で、電子の動きを分子レベルで制御
することができると考えられる。In this way, the electron transfer proteins are arranged in a chain in a biological membrane with a fine arrangement, so that electrons can flow along the protein chain, and the movement of electrons can be controlled at the molecular level. Conceivable.
第６図に電子伝達蛋白質の連鎖（電子伝達系）の一例と
して、ミトコンドリアの内膜の電子伝達系を模式的に示
す。図において、８はミトコンドリアの内膜、９〜15は
電子伝達蛋白質であり、還元性有機物であるNADH（図中
Ｌ），コハク酸（図中Ｍ）からそれぞれNADH−Ｑ還元酵
素9,コハク酸脱水素酵素10により引き抜かれた電子は、
NADH−Ｑ還元酵素9,コハク酸脱水素酵素10→チトクロー
ムｂ（11）→チトクロームc1（12）→チトクロームｃ
（13）→チトクロームａ（14）→チトクロームa3（15）
の経路で伝達し、出口側Ｎで最終的に酸素に渡され、水
を生ずる。FIG. 6 schematically shows an electron transfer system of the inner membrane of mitochondria as an example of a chain of electron transfer proteins (electron transfer system). In the figure, 8 is an inner membrane of mitochondria, 9 to 15 are electron transfer proteins, and NADH-Q reductase 9 and succinate are converted from reducing organic substances such as NADH (L in the figure) and succinic acid (M in the figure), respectively. The electrons extracted by the dehydrogenase 10 are
NADH-Q reductase 9, succinate dehydrogenase 10 → cytochrome b (11) → cytochrome c 1 (12) → cytochrome c
(13) → Cytochrome a (14) → Cytochrome a 3 (15)
And is finally passed to oxygen on the outlet side N to produce water.
第６図に示した電子伝達蛋白質は電子伝達時に酸化還元
（レドックス）反応を伴い、各電子伝達蛋白質のレドッ
クス電位の負の準位から正の準位へと電子を流すことが
できる。The electron transfer protein shown in FIG. 6 is accompanied by a redox reaction at the time of electron transfer, and electrons can flow from the negative level of the redox potential of each electron transfer protein to the positive level.
また、最近の知見によれば、同一生体内に存在している
電子伝達蛋白質ばかりでなく、異種の生体内に存在する
電子伝達蛋白質を組み合わせても電子伝達が可能な電子
伝達蛋白質複合体を形成することが可能であることが示
されている。According to recent findings, not only electron transfer proteins existing in the same living body but also electron transfer proteins existing in different living bodies are combined to form electron transfer protein complexes capable of electron transfer. Has been shown to be possible.
従って、適当なレドックス電位を持つ電子伝達蛋白質を
２種類（Ａ及びＢ）用い、これらをＡ−Ｂと２層に累積
させれば、それらのレドックス電位の違いを利用してス
イッチング特性を生ずる接合を形成できると考えられ
る。本件発明者はこのことに着目してこの発明を創作し
たものである。Therefore, if two kinds of electron transfer proteins (A and B) having an appropriate redox potential are used and these are accumulated in AB and two layers, a junction which produces a switching characteristic by utilizing the difference in their redox potentials. Is thought to be formed. The inventors of the present invention pay attention to this fact and create the present invention.
即ち、本発明に係るスイッチ素子は、第１電子伝達蛋白
質膜上にこれとは異なるレドックス電位を有する第２電
子伝達蛋白質膜を接合して電子を一定方向に伝達可能な
所定の電子伝達経路を作成し、上記第１電子伝達蛋白質
膜の下面に第１電極を配置し、上記第２電子伝達蛋白質
膜の上面に第２の電極を配置してそれぞれ上記電子伝達
経路に接続させ、上記第２電子伝達蛋白質膜に、その電
子伝達通路に電気的影響を与えるように第３の電極を配
置したものである。That is, the switch element according to the present invention joins a second electron transfer protein film having a redox potential different from that on the first electron transfer protein film to form a predetermined electron transfer path capable of transferring electrons in a certain direction. The first electrode is formed on the lower surface of the first electron transfer protein film, and the second electrode is arranged on the upper surface of the second electron transfer protein film to be connected to the electron transfer paths, respectively. A third electrode is arranged on the electron transfer protein membrane so as to electrically affect the electron transfer passage.
また、上記第３の電極に加えて、上記第２電子伝達蛋白
質膜に、その電子伝達通路に電気的影響を与える第４の
電極を配置したものである。In addition to the third electrode, a fourth electrode that electrically affects the electron transfer passage is arranged in the second electron transfer protein film.
この発明においては、レドックス電位の異なる少なくと
も２種類の電子伝達蛋白質を接合したその複合体はスイ
ッチング特性を呈する。即ち、第５図（ａ），（ｂ）に
示すＡ−Ｂ型電子伝達蛋白質複合体の模式図とそのレド
ックス電位の関係を用いて説明すると、この電子伝達蛋
白質A,Bを接合してなる複合体では、A,B蛋白質のレドッ
クス電位の分布をＢ蛋白質への印加電圧を制御して変化
させることができ、これによりスイッチング特性を呈す
る素子を得ることができる。In the present invention, the complex in which at least two kinds of electron transfer proteins having different redox potentials are joined exhibits a switching property. That is, to explain using the schematic diagram of the AB type electron transfer protein complex shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b) and its redox potential relationship, the electron transfer proteins A and B are joined together. In the complex, the distribution of the redox potentials of the A and B proteins can be changed by controlling the applied voltage to the B protein, whereby a device exhibiting switching characteristics can be obtained.
以下、本願の第１の発明の実施例を図について説明す
る。第１図はこの発明の一実施例によるスイッチ素子が
組み込まれた装置の模式的断面構成図であり、図におい
て、16は絶縁特性を持つ例えばガラス製基板、17は基板
16上に形成されたAg,Au,Alなどの金属製電極、18はこの
電極17上に電子伝達蛋白質であるフラボドキシンで作成
された第１電子伝達蛋白質膜、19は電子伝達蛋白質であ
るチトクロームｃで作成された第２電子伝達蛋白質膜
で、第１電子伝達蛋白質膜18に累積して接着接合されて
いる。20は上記第１電子伝達蛋白質膜18上に形成された
電極、21は第２電子伝達蛋白質膜19上に形成された電極
である。Embodiments of the first invention of the present application will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional configuration diagram of an apparatus in which a switch element according to an embodiment of the present invention is incorporated. In the figure, 16 is an insulating substrate, for example, a glass substrate, and 17 is a substrate.
Electrodes made of metal such as Ag, Au, and Al formed on 16; 18 is the first electron transfer protein membrane made of flavodoxin, which is an electron transfer protein; and 19 is cytochrome c, which is an electron transfer protein. In the second electron transfer protein film produced in step 1, the first electron transfer protein film 18 is accumulated and adhesively bonded. Reference numeral 20 is an electrode formed on the first electron transfer protein film 18, and 21 is an electrode formed on the second electron transfer protein film 19.
このように構成された素子は、図に示すような一定方向
に電子伝達通路Ｅを有し、電極17,21はそれぞれ電子伝
達通路Ｅと交わるように蛋白質膜に接続され、また電極
20は電子伝達通路Ｅと交わらないように、即ち電子伝達
通路Ｅに電気的影響を与えるように接続されている。The device thus configured has an electron transfer passage E in a fixed direction as shown in the figure, electrodes 17 and 21 are connected to the protein membrane so as to intersect with the electron transfer passage E, respectively, and the electrode
20 is connected so as not to intersect with the electron transfer passage E, that is, so as to electrically affect the electron transfer passage E.
また上記のようにして形成された素子に対し、本実施例
では第２図（ａ）に示すように電圧が印加される。即
ち、上記第１電子伝達蛋白質膜18と第２電子伝達蛋白質
膜19との間に電極17,21を介して電圧V2が印加され、ま
た第１の電子伝達蛋白質膜18と第２の電子伝達蛋白質膜
19との間に電極17,20を介して電圧V1が印加されるよう
になっている。図中、25,26は電圧印加手段としての電
源であり、電源25はその出力電圧が制御できるようにな
っている。In this embodiment, a voltage is applied to the element formed as described above as shown in FIG. 2 (a). That is, the voltage V 2 is applied between the first electron transfer protein film 18 and the second electron transfer protein film 19 via the electrodes 17 and 21, and the first electron transfer protein film 18 and the second electron transfer protein film 18 are also applied. Transfer protein membrane
The voltage V 1 is applied between the electrodes 19 and 19 via the electrodes 17 and 20. In the figure, 25 and 26 are power supplies as voltage applying means, and the power supply 25 can control its output voltage.
次に上記装置の製造方法について説明する。Next, a method of manufacturing the above device will be described.
まず、基板16上に金属薄膜をイオンビーム法，分子線
法，蒸着法等を利用して作成し、金属電極17を形成す
る。そして該電極17上に電子伝達蛋白質としてのフラボ
ドキシンとチトクロームｃを用いて単分子膜及びそれら
の累積膜を作成する訳であるが、これらの膜を作成する
には、LB（Langmuir-Blodgett）法を用いればよい。こ
のLB法の詳細については、電気学会雑誌，第55巻,204
〜213頁，昭和10年４月（Iwing Langmuir）、ジャー
ナル オブ アメリカン ケミカル ソサイティ（K.Bl
odgett:Journal of American Chemical Society）57巻,
P1007,1935年、杉 道夫ら，固体物理,Vol 17,P744〜
752,1982年、ジャーナル オブ コロイド アンド
インターフェイス サイエンス（Journal of Colloid a
nd Interface Science）Vol 68,P471〜477,1979年、な
どに記載されている。一例を説明すると、水槽の水面に
フラボドキシン溶液を滴下し、水面にフラボドキシンの
単分子膜を形成する。そしてこのフラボドキシン膜を形
成した水槽に電極17を形成した基板16を垂直に挿入し浸
して行くと、該電極17を有する基板16にフラボドキシン
膜が付着接合し、第１電子伝達蛋白質膜18が作成され
る。このとき、基板16を水槽に挿入し浸していったが、
逆に水面下から垂直に引き上げるようにして基板16上に
フラボドキシン膜を形成するようにしてもよい。First, a metal thin film is formed on the substrate 16 by using an ion beam method, a molecular beam method, a vapor deposition method, or the like to form a metal electrode 17. Then, flavodoxin as an electron transfer protein and cytochrome c are used to form a monomolecular film and a cumulative film thereof on the electrode 17. The LB (Langmuir-Blodgett) method is used to form these films. Can be used. For details of this LB method, see The Institute of Electrical Engineers of Japan, Vol. 55, 204.
Pp. 213, April 1952 (Iwing Langmuir), Journal of American Chemical Society (K. Bl)
odgett: Journal of American Chemical Society) Volume 57,
P1007, 1935, Michio Sugi et al., Solid State Physics, Vol 17, P744〜
752, 1982, Journal of Colloid and
Interface Science (Journal of Colloid a
nd Interface Science) Vol 68, P471-477, 1979, etc. To explain one example, a flavodoxin solution is dropped on the water surface of a water tank to form a flavodoxin monomolecular film on the water surface. Then, when the substrate 16 on which the electrode 17 is formed is vertically inserted and immersed in the water tank on which the flavodoxin film is formed, the flavodoxin film is adhered and bonded to the substrate 16 having the electrode 17 to form the first electron transfer protein film 18. To be done. At this time, the substrate 16 was inserted into the water tank and immersed,
On the contrary, a flavodoxin film may be formed on the substrate 16 by pulling it vertically from below the water surface.
次に上記と同様の方法で、上記第１電子伝達蛋白質膜18
上に金属薄膜を電子伝達蛋白質が破壊されないほどの低
温で作成し、電極20を得る。続いて、水槽の水面にチト
クロームｃ溶液を滴下し、水面にチトクロームｃの単分
子膜を形成する。そして上記第１電子伝達蛋白質18及び
電極20が作成された基板16を、チトクロームｃの膜を有
する水槽に垂直に挿入し浸して行くと、第１電子伝達蛋
白質膜18上にチトクロームｃ膜が付着接合し、電極20に
接合した第２電子伝達蛋白質膜19が作成される。さらに
この上に電極21を作成する。Next, in the same manner as described above, the first electron transfer protein film 18
An electrode 20 is obtained by forming a metal thin film on the electrode at a temperature low enough not to destroy the electron transfer protein. Then, the cytochrome c solution is dropped on the water surface of the water tank to form a monomolecular film of cytochrome c on the water surface. Then, the substrate 16 on which the first electron transfer protein 18 and the electrode 20 have been formed is vertically inserted into a water tank having a cytochrome c membrane and immersed therein, whereby the cytochrome c membrane is attached on the first electron transfer protein membrane 18. The second electron transfer protein film 19 bonded to the electrode 20 is formed. Further, the electrode 21 is formed on this.
なお、上記電子伝達蛋白質膜は、単分子膜であっても、
また別の電子伝達蛋白質の膜をこれに重ねたものであっ
てもよい。このとき、各々に重ねた膜の両電子伝達蛋白
質間のレドックス電位差は、第1,第２の両電子伝達蛋白
質間のレドックス電位差よりも小さいものを選定する。
各種の電子伝達蛋白質のレドックス電位は、「高野 常
広著；蛋白質核酸酵素,27,P1543,1982年」に記載されて
おり、チトクロームｃとフラボドキシンのレドックス電
位差は約665mVである。The electron transfer protein membrane may be a monomolecular film,
Further, a film of another electron transfer protein may be laminated on this. At this time, a redox potential difference between both electron transfer proteins of the membranes stacked on each other is selected to be smaller than the redox potential difference between the first and second electron transfer proteins.
The redox potentials of various electron transfer proteins are described in "Takano Tsunehiro, Protein Nucleic Acid Enzymes, 27, P1543, 1982", and the redox potential difference between cytochrome c and flavodoxin is about 665 mV.
また、上記製法において水面に滴下する電子伝達蛋白質
溶液に予め脂質及び脂肪酸のいずれかを混合し、該混合
溶液を水面に滴下して水面上に膜を形成し、これを基板
に付着接合させるようにしてもよく、これによれば上記
脂質又は脂肪酸が電子伝達蛋白質の分子の支持として作
用し、電子伝達蛋白質の配向が整えられる。Further, in the above-mentioned production method, either the lipid or the fatty acid is mixed in advance with the electron transfer protein solution to be dropped on the water surface, and the mixed solution is dropped on the water surface to form a film on the water surface, which is then attached to a substrate for bonding. According to this, the lipid or fatty acid acts as a support for the molecule of the electron transfer protein, and the orientation of the electron transfer protein is adjusted.
また、金属電極と電子伝達蛋白質膜間の電子の授受を良
好にするためには、金属電極を4,4′‐ビピリジル（bip
yridgl）、2,2′‐ビピリジルなどで化学修飾しておい
てもよい。Further, in order to improve the transfer of electrons between the metal electrode and the electron transfer protein membrane, the metal electrode should be 4,4'-bipyridyl (bip
yridgl), 2,2'-bipyridyl and the like may be chemically modified.
その他電子伝達蛋白質膜の作成法としては、金属電極あ
るいは有機分子で表面を修飾した金属電極を、蛋白質溶
液に浸漬して蛋白質分子を上記電極上に吸着させる方法
も考えられる。この方法においては、上記した蛋白質を
吸着させる電極以外に１ないし２本の電極を溶液中に浸
漬し、蛋白質を吸着させる電極と蛋白質溶液との間に正
または負の電位を印加して蛋白質分子の電極への吸着を
制御することも可能である。As another method for producing the electron transfer protein film, a method in which a metal electrode or a metal electrode whose surface is modified with an organic molecule is immersed in a protein solution to adsorb the protein molecule onto the electrode is also considered. In this method, one or two electrodes other than the above-mentioned electrode for adsorbing a protein are immersed in a solution, and a positive or negative potential is applied between the electrode for adsorbing a protein and the protein solution to form a protein molecule. It is also possible to control the adsorption of the to the electrode.
次に作用効果について説明する。Next, the function and effect will be described.
第２図（ａ）は本実施例のスイッチ素子の電圧印加状態
を示す模式図で、同図（ｂ）はこのときの各電子伝達蛋
白質膜のレドックス電位状態を示す図である。同図
（ｂ）において、実線で示すａ状態のレドックス電位は
電圧V1及びV2を印加していない状態を表し、一点鎖線で
示すｂ状態のレドックス電位は電圧V1を印加せず、かつ
電圧V2を電極17に対し負電圧として印加したときの状態
（オフ状態）を表し、破線で示すｃ状態のレドックス電
位は電圧V2をｂ状態と同様に印加するとともに、電圧V1
を電極17に対して負電圧として印加したときの状態（オ
ン状態）を表す。FIG. 2 (a) is a schematic diagram showing the voltage application state of the switch element of this example, and FIG. 2 (b) is a diagram showing the redox potential state of each electron transfer protein membrane at this time. In the figure (b), the redox potential in the a state shown by the solid line represents a state in which the voltages V 1 and V 2 are not applied, and the redox potential in the b state shown by the one-dot chain line does not apply the voltage V 1 , and The voltage V 2 represents a state (off state) when a negative voltage is applied to the electrode 17, and the redox potential of the state c shown by the broken line applies the voltage V 2 in the same manner as the state b, and at the same time the voltage V 1
Represents a state (ON state) when is applied as a negative voltage to the electrode 17.
ｂ状態では電極17と電極21との間で電子は流れず、ｃ状
態では電子が流れる。即ち、電極17と21との間に一定の
負電圧V2を印加しておき、電極17と20との間の一定の負
電圧V1をオン−オフすることにより、電極17と21との間
に流れる電流をオン−オフすることが可能であり、スイ
ッチ特性を実現できる。図中、V0はチトクロームｃとフ
ラボドキシンのレドックス電位の差であり、約665mVで
ある。In the b state, electrons do not flow between the electrode 17 and the electrode 21, and in the c state, electrons flow. That is, a constant negative voltage V 2 is applied between the electrodes 17 and 21, and a constant negative voltage V 1 between the electrodes 17 and 20 is turned on and off, thereby making It is possible to turn on and off the current flowing between them and realize the switch characteristics. In the figure, V 0 is the difference between the redox potentials of cytochrome c and flavodoxin, which is about 665 mV.
第２図（ｃ）は上記電圧V1を様々に変えた場合の電圧V2
と電流Ｉとの関係を示し、V1＝０の場合、電流はV2を増
大しても流れず、V1をd,e,fと負方向に増大していく
と、より多くの電流が流れ、V1の大きさによって決まる
飽和電流値を持つ。FIG. 2 (c) shows the voltage V 2 when the voltage V 1 is variously changed.
Shows the relationship between the current I and the current I. When V 1 = 0, the current does not flow even if V 2 is increased, and if V 1 is increased in the negative direction d, e, f, more current Flows and has a saturation current value determined by the magnitude of V 1 .
上記構成によりトランジスタ素子を分子レベルの超微細
な大きさの素子として実現でき、該素子を用いて高密度
化，高速度化が可能な集積回路が得られる。With the above structure, a transistor element can be realized as an element having an ultrafine size on a molecular level, and an integrated circuit capable of achieving high density and high speed can be obtained by using the element.
なお、電子伝達蛋白質への電子の供給に酵素を利用する
ようにしてもよい。An enzyme may be used to supply electrons to the electron transfer protein.
また、電子伝達蛋白質としては、非ヘム−鉄・硫黄蛋白
質，チトクロームｃ系蛋白質、チトクロームｂ系蛋白
質、チトクロームａ、フラボドキシン、プラストシアニ
ン、チオレドキシンなどがあり、これらのうちから第1,
第２の電子伝達蛋白質を選択するにあたっては、分子間
の配向と、電極が形成された基板に対する配向とが電子
伝達に適したものを選定する。Examples of the electron transfer protein include non-heme-iron / sulfur protein, cytochrome c type protein, cytochrome b type protein, cytochrome a, flavodoxin, plastocyanin, thioredoxin, and the like.
In selecting the second electron transfer protein, those having an intermolecular orientation and an orientation with respect to the substrate on which the electrode is formed that are suitable for electron transfer are selected.
また上記実施例では２種類の蛋白質の累積膜でスイッチ
素子を構成した場合について説明したが、これは３種類
以上の蛋白質（A,B,及びＣ）を用い、Ａ−Ｂ−Ｃと３層
累積して構成してもよく、上記実施例と同様の効果が得
られる。Further, in the above embodiment, the case where the switch element is composed of the cumulative membrane of two kinds of proteins has been described, but this uses three or more kinds of proteins (A, B, and C), and ABC and three layers. They may be configured to be accumulated, and the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.
また、各電子伝達蛋白質は、異種電子伝達蛋白質間では
一定方向のみに電子が流れるという性質を利用して累積
膜に垂直な方向には電子が流れ、上記累積膜に平行な方
向で隣接する電子伝達蛋白質分子間では電子の授受が起
こらないような所定の分子配置をとるようLB法などで配
向させるこが望ましい。In addition, each electron transfer protein utilizes the property that electrons flow only in a certain direction between heterologous electron transfer proteins, so that electrons flow in a direction perpendicular to the cumulative film and electrons that are adjacent to each other in a direction parallel to the cumulative film. It is desirable to orient the molecule by the LB method or the like so as to have a predetermined molecular arrangement so that electron transfer does not occur between transfer protein molecules.
次に本願の第２の発明について説明する。Next, the second invention of the present application will be described.
この発明は、上記発明と比較して第２電子伝達蛋白質膜
に接続する電極の構成のみが異なる。即ち第３図におい
て、第１図と同一符号は同一部分を示し、20a,20bはそ
れぞれ第２電子伝達蛋白質膜19に、電子伝達通路Ｅに電
気的影響を与えるように接続された１対の電極である。
そして本実施例においては、第４図に示すように、第１
電子伝達蛋白質膜18と第２電子伝達蛋白質膜19との間に
金属電極17,21を介して電圧V2を印加し、第２電子伝達
蛋白質膜19に対しては上記電極17,21とは別の一対の金
属電極20a,20bを介して電圧V1を印加するようにする。This invention differs from the above invention only in the structure of the electrode connected to the second electron transfer protein membrane. That is, in FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts, and 20a and 20b are a pair of pairs connected to the second electron transfer protein membrane 19 so as to electrically affect the electron transfer passage E, respectively. It is an electrode.
And in this embodiment, as shown in FIG.
A voltage V 2 is applied between the electron transfer protein film 18 and the second electron transfer protein film 19 via the metal electrodes 17 and 21, and the electrodes 17 and 21 are not connected to the second electron transfer protein film 19. The voltage V 1 is applied via another pair of metal electrodes 20a, 20b.
次に作用効果について説明する。Next, the function and effect will be described.
各電圧を印加したときの電子伝達蛋白質膜のレドックス
電位状態の様子は第２図（ｂ）に示したものと同様であ
り、実線ａのレドックス電位は電圧V1及びV2を印加して
いない状態、一点鎖線ｂのレドックス電位は電圧V1を印
加せず、かつ電圧V2を電極17に対し負電圧として印加し
たときのオフ状態、破線ｃのレドックス電位は電圧V2を
印加するとともに、電圧V1を電極20に対して印加したと
きのオン状態を表す。The state of the redox potential state of the electron transfer protein membrane when each voltage is applied is the same as that shown in FIG. 2 (b), and the redox potential of the solid line a does not apply the voltages V 1 and V 2. In the state, the redox potential of the one-dot chain line b is the OFF state when the voltage V 1 is not applied and the voltage V 2 is applied as a negative voltage to the electrode 17, the redox potential of the broken line c applies the voltage V 2 and It represents an ON state when a voltage V 1 is applied to the electrode 20.
ｂ状態では電極17と21との間で電子は流れず、ｃ状態で
は電子が流れる。即ち、電極17と21との間に一定の負電
圧V2を印加しておき、電極20aと20bとの間の一定電圧V1
をオン−オフすることにより、電極17と21との間に流れ
る電流をオン−オフすることが可能であり、スイッチ特
性を実現できる。図中、V0はチトクロームｃとフラボド
キシンのレドックス電位の差であり、約665mVである。In the b state, no electrons flow between the electrodes 17 and 21, and in the c state, electrons flow. That is, a constant negative voltage V 2 is applied between the electrodes 17 and 21, and a constant voltage V 1 between the electrodes 20a and 20b is applied.
By turning on and off, the current flowing between the electrodes 17 and 21 can be turned on and off, and the switch characteristics can be realized. In the figure, V 0 is the difference between the redox potentials of cytochrome c and flavodoxin, which is about 665 mV.
上記電圧V1を様々に変えた場合の電圧V2と電流Ｉとの関
係は上記第２図（ｃ）に示すものと同様であり、V1＝０
の場合、電流はV2を増大しても流れず、V1をd,e,fと負
方向に増大していくと、より多くの電流が流れ、V1の大
きさによって決まる飽和電流値を持つ。The relationship between the voltage V 2 and the current I when the voltage V 1 is variously changed is similar to that shown in FIG. 2 (c), and V 1 = 0
In the case of, the current does not flow even if V 2 is increased, and as V 1 increases in the negative direction d, e, f, more current flows, and the saturation current value determined by the magnitude of V 1 have.
このような構成によっても上記第２図で示したものと同
様の効果が得られ、スイッチ素子を分子レベルの超微細
な大きさの素子として実現でき、該素子を用いて高密度
化，高速度化が可能な集積回路が得られる。Even with such a configuration, the same effect as that shown in FIG. 2 can be obtained, and the switching element can be realized as an element having an ultrafine size at the molecular level. By using the element, high density and high speed can be achieved. An integrated circuit that can be realized is obtained.
以上のように、この発明によれば、相互にレドックス電
位の異なる電子伝達蛋白質で電子を一定方向に伝達可能
な所定の電子伝達経路が形成されるよう、第１電子伝達
蛋白質膜上に第２電子伝達蛋白質膜を設け、上記第１の
電子伝達蛋白質膜の下面に第１の電極を形成し、上記第
２の電子伝達蛋白質膜の上面に第２の電極を設け、上記
第２電子伝達蛋白質膜に、その電子伝達通路に電気的影
響を与えるように第３の電極を配置し、また上記第３の
電極に加えて、上記第２電子伝達蛋白質膜に、その電子
伝達通路に電気的影響を与える第４の電極を配置し、各
電子伝達蛋白質のレドックス電位の違いを利用してスイ
ッチング特性を呈するようにしたので、スイッチ素子サ
イズを生体分子レベルの超微細な大きさに近づけること
ができ、該素子を用いた集積回路の高密度化，高速度化
を図ることができる効果がある。As described above, according to the present invention, the second electron transfer protein film is formed on the first electron transfer protein film so that a predetermined electron transfer path capable of transferring electrons in a certain direction is formed by electron transfer proteins having different redox potentials. An electron transfer protein film is provided, a first electrode is formed on the lower surface of the first electron transfer protein film, and a second electrode is provided on the upper surface of the second electron transfer protein film. A third electrode is arranged on the membrane so as to electrically affect the electron transfer passage, and in addition to the third electrode, the second electron transfer protein membrane is electrically affected on the electron transfer passage. Since the fourth electrode that provides the electron transfer protein is arranged and the switching characteristics are exhibited by utilizing the difference in the redox potential of each electron transfer protein, the switch element size can be made close to the ultrafine size at the biomolecule level. , The element Densification of had integrated circuit, there is an effect that can be achieved speeds.
第１図は本願の第１の発明の一実施例によるスイッチ素
子が組み込まれた装置の模式的断面構成図、第２図
（ａ）は上記スイッチ素子の電圧印加状態を示す模式
図、第２図（ｂ）はその各電子伝達蛋白質膜のレドック
ス電位状態を示す図、第２図（ｃ）は上記スイッチ素子
において電圧V1を変化させた場合のＩ−V2特性を示す
図、第３図は本願の第２の発明の一実施例によるスイッ
チ素子が組み込まれた装置の模式的断面構成図、第４図
はそのスイッチ素子の電圧印加状態を示す模式図、第５
図（ａ）は電子伝達蛋白質複合体の模式図、第５図
（ｂ）はそのレドックス電位を示す図、第６図はミトコ
ンドリアの内膜の電子伝達系を示す模式図、第７図は従
来のMOS構成スイッチ素子を示す断面図である。 17,20,20a,20b,21…電極、18…第１電子伝達蛋白質膜、
19…第２電子伝達蛋白質膜、25,26…電圧印加手段。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。FIG. 1 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a device incorporating a switch element according to an embodiment of the first invention of the present application, and FIG. 2 (a) is a schematic diagram showing a voltage application state of the switch element. Figure (b) is a diagram showing a redox potential state of the electron transfer protein film, FIG. 2 (c) is a diagram showing the I-V 2 characteristic when changing the voltages V 1 in the switching element, the third FIG. 4 is a schematic cross-sectional configuration diagram of an apparatus incorporating a switch element according to an embodiment of the second invention of the present application, FIG. 4 is a schematic diagram showing a voltage application state of the switch element, and FIG.
Fig. (A) is a schematic diagram of an electron transfer protein complex, Fig. 5 (b) is a diagram showing its redox potential, Fig. 6 is a schematic diagram showing the electron transport system of the inner membrane of mitochondria, and Fig. 7 is a conventional diagram. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the MOS configuration switch element of FIG. 17,20,20a, 20b, 21 ... Electrode, 18 ... First electron transfer protein membrane,
19 ... Second electron transfer protein membrane, 25, 26 ... Voltage applying means. The same reference numerals in the drawings indicate the same or corresponding parts.
Claims (9)
伝達蛋白質膜と、 上記第１電子伝達蛋白質のレドックス電位と異なるレド
ックス電位を有する第２電子伝達蛋白質で作成され、上
記第１電子伝達蛋白質膜上に形成されて電子を一定方向
に伝達可能な所定の電子伝達経路を構成する第２電子伝
達蛋白質膜と、 それぞれ上記第1,第２電子伝達蛋白質膜によって構成さ
れた電子伝達通路に接続され、上記第１電子伝達蛋白質
膜の下面に形成された第１の電極，および上記第２電子
伝達蛋白質膜の上面に形成された第２の電極と、 上記第２電子伝達蛋白質膜に、その電子伝達通路に電気
的影響を与えるように接続された第３の電極とを備え、 上記各電子伝達蛋白質のレドックス電位の違いを利用
し、上記第３の電極への電圧の印加をオン，オフ制御し
て上記第１の電極と上記第２の電極との間でスイッチン
グ特性を呈するようにしたことを特徴とするスイッチ素
子。1. A first electron transfer protein membrane made of a first electron transfer protein, and a second electron transfer protein made of a second electron transfer protein having a redox potential different from the redox potential of the first electron transfer protein. A second electron transfer protein film formed on the transfer protein film to form a predetermined electron transfer path capable of transferring electrons in a certain direction, and an electron transfer path formed by the first and second electron transfer protein films, respectively. A first electrode formed on the lower surface of the first electron transfer protein film, a second electrode formed on the upper surface of the second electron transfer protein film, and a second electrode formed on the second electron transfer protein film. And applying a voltage to the third electrode by utilizing the difference in the redox potential of each of the electron transfer proteins, the third electrode being connected to the electron transfer path so as to have an electrical effect. ， O Controlling the switch element, characterized in that it has to assume the switching characteristics between the first electrode and the second electrode.
蛋白質，チトクロームｃ系蛋白質，チトクロームｂ系蛋
白質，チトクロームa,フラボドキシン，プラストシアニ
ン，又はチオレドキシンであることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のスイッチ素子。2. The electron transfer protein is a non-heme-iron / sulfur protein, a cytochrome c type protein, a cytochrome b type protein, a cytochrome a, a flavodoxin, a plastocyanin, or a thioredoxin. The switch element according to item 1.
とを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
スイッチ素子。3. The switch element according to claim 1 or 2, wherein the electron transfer protein film is a monomolecular film.
を利用するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項ないし第３項のいずれかに記載のスイッチ素子。4. The switch element according to any one of claims 1 to 3, wherein an enzyme is used to supply electrons to the electron transfer protein.
する特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
載のスイッチ素子。5. The switch element according to claim 1, wherein each electrode is a metal electrode.
たものであることを特徴とする特許請求の範囲第５項記
載のスイッチ素子。6. The switch element according to claim 5, wherein each of the metal electrodes is chemically modified with an organic molecule.
蛋白質が、各膜の累積方向に対して電子が流れ、同一膜
内で隣接する電子伝達蛋白質分子間では電子の授受がな
されないよう配向されていることを特徴とする特許請求
の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載のスイッチ
素子。7. The electron transfer protein membranes so that the electron transfer proteins allow electrons to flow in the direction of accumulation of the membranes so that electrons are not transferred between adjacent electron transfer protein molecules in the same membrane. The switch element according to any one of claims 1 to 6, wherein the switch element is oriented.
て、脂質又は脂肪酸のいずれかを用いたことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載
のスイッチ素子。8. The switch element according to claim 1, wherein either a lipid or a fatty acid is used as a support for orienting the electron transfer protein.
伝達蛋白質膜と、 上記第１電子伝達蛋白質膜のレドックス電位と異なるレ
ドックス電位を有する第２電子伝達蛋白質で作成され、
上記第１電子伝達蛋白質膜上に形成されて電子を一定方
向に伝達可能な所定の電子伝達経路を構成する第２電子
伝達蛋白質膜と、 それぞれ上記第1,第２電子伝達蛋白質膜の電子伝達通路
に接続され、上記第１電子伝達蛋白質膜の下面に形成さ
れた第１の電極，および上記第２電子伝達蛋白質の上面
に形成された第２の電極と、 上記第２電子伝達蛋白質膜に、その電子伝達通路に電気
的影響を与えるように接続されたそれぞれ第3,第４の電
極とを備え、 上記各電子伝達蛋白質のレドックス電位の違いを利用
し、上記第３または第４の電極への電圧の印加をオン，
オフ制御して上記第１の電極と上記第２の電極との間で
スイッチング特性を呈するようにしたことを特徴とする
スイッチ素子。9. A first electron transfer protein membrane made of a first electron transfer protein, and a second electron transfer protein having a redox potential different from the redox potential of the first electron transfer protein membrane,
A second electron transfer protein film which is formed on the first electron transfer protein film and constitutes a predetermined electron transfer path capable of transferring electrons in a certain direction; and electron transfer of the first and second electron transfer protein films, respectively. A first electrode formed on the lower surface of the first electron transfer protein membrane and a second electrode formed on the upper surface of the second electron transfer protein, connected to the passage, and formed on the second electron transfer protein membrane. And a third electrode and a fourth electrode, respectively, which are connected to each other so as to electrically affect the electron transfer passage, and utilize the difference in the redox potential of each electron transfer protein to make the third or fourth electrode. Turn on the voltage to the
A switch element characterized by being turned off so as to exhibit a switching characteristic between the first electrode and the second electrode.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61155449A JPH07118555B2 (en) | 1986-07-01 | 1986-07-01 | Switch element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61155449A JPH07118555B2 (en) | 1986-07-01 | 1986-07-01 | Switch element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6310564A JPS6310564A (en) | 1988-01-18 |
| JPH07118555B2 true JPH07118555B2 (en) | 1995-12-18 |
Family
ID=15606285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61155449A Expired - Lifetime JPH07118555B2 (en) | 1986-07-01 | 1986-07-01 | Switch element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07118555B2 (en) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4103064A (en) * | 1976-01-09 | 1978-07-25 | Dios, Inc. | Microdevice substrate and method for making micropattern devices |
| JPS61141883A (en) * | 1984-12-14 | 1986-06-28 | Ajinomoto Co Inc | Functional element coated with electrically conductive protein |
| JPH0691241B2 (en) * | 1985-01-12 | 1994-11-14 | 三菱電機株式会社 | Transistor element |
-
1986
- 1986-07-01 JP JP61155449A patent/JPH07118555B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6310564A (en) | 1988-01-18 |
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