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【研究成果】魚類のウロコのキラキラ光を外部磁場を変えることで制御 ―キラキラの元物質を疑似的なフォトニック結晶としてとらえて光干渉を解明―

本研究成果のポイント

  • 自然界の鱼が太阳光のもとで隠れる（カモフラージュする）际に利用しているグアニン结晶板注1を水中に浮游させたまま光に対し角度を制御する方法を开発しました。
  • 他の拡散反射性粉末と光反射特性を比较しつつ、开発した角度を制御する方法をもとに、水中で鱼のグアニン结晶板が重なった际の光制御性能を明らかにしました。
  • グアニン结晶板が水中で分散した状态でも、磁场により结晶板が集団配向した场合、疑似的なフォトニック结晶注2になり得ることが示されました。
  • これにより、従来考えられていたグアニン结晶板の反射による光制御に加えて、结晶板の光透过性を活用した新たな光干渉増强手法を编み出すことが磁场で可能となりました。この増幅された干渉光を细胞に向けたマイクロ?サーチライトとして使えば、暗视野照明法による细胞内成分観察技术への応用も期待できます。

【用语説明】
注1）グアニン结晶板
地球上全ての生物の顿狈础の成分でもある核酸塩基のひとつ、グアニン分子が平行に并んだ状态で结晶化したもの。结晶构造内部に水分子を含む水和结晶と、水分子を含まない无水结晶が知られている。生物由来のグアニン结晶板の体积中の大部分は无水结晶であるとの报告がある。

注2）フォトニック结晶
光の屈折率の异なる领域を周期的に繰り返す构造を结晶性材料で形成した、光の干渉などによる光伝搬の制御を行うことのできる光学材料のこと。人工的にシリコン结晶で形成したフォトニック结晶がよく知られている。また、自然界で生物が用いているクチクラ等の周期构造による蝶々や鱼の体表でみられる构造色も、このフォトニック结晶の定义に含まれることがある。グアニン结晶板が生体组织内で水を含む材料と交互に多数重なった状态は、このフォトニック结晶として考えることができる。

概要

国立大学法人広岛大学ナノデバイス?バイオ融合科学研究所の岩坂正和教授、国立大学法人山口大学大学院創成科学研究科 工学系学域の浅田裕法教授らの研究チームは、魚をキラキラさせる原因である非常に小さい鏡（グアニン結晶板）を磁場で操作し、これまで謎に包まれていた魚の体表の強い輝きの説明に成功しました。このグアニン結晶板が単に光を反射するだけでなく、ある程度透明性も有することに着目し、水に囲まれた空間で鏡が周期的に配列することがキラキラを起こす本当の原因であることを明らかにしました。

これまで、われわれ人类は人工的に光を利用する工夫をいろいろと行ってきました。その一方で、自然界の生物も太阳光を上手に利用することはよく知られています。生物がつくる材料の机能をまねる技术は、バイオミメティクスと呼ばれる研究分野で最近盛んに开発されています。例えば、鱼や昆虫などの动物が体表の色を体の一部の周期构造でうまく光を反射させてつくりだすことは、构造色として知られています。そこで生物が光を上手に使う様子を详しく调べることで、疾病の影响を受ける细胞の活动を光で详しく调べることができる新しい技术に结びつくのではないかとわれわれは考えました。

今回、鱼の体表にあるキラキラの原因物质であるグアニン结晶と呼ばれる材料に着目した理由は、この结晶が自然界での生存淘汰?生物进化の过程で选ばれた大変効率よく光を制御できる物质とみなされているからです。身近な自然?水族馆などにおいても、鱼の集団による光の强さや色あいのダイナミックな変化を、泳いでいる鱼の集団の动きで见ることができます。この现象もヒントに、水中でのグアニン结晶の集まりを浮いた状态で磁场で制御し、光强度の変化が反射のみでなく光干渉とよばれる仕组みに依存することをつきとめました。

グアニン结晶板の厚みは100ナノメートル程度と非常に薄いため、医疗用细胞イメージング技术の际の狭い空间での光制御に最适です。今回の报告では、たくさんのグアニン结晶板が水中に浮游した状态に磁场をかけ2倍程度にまでキラキラを强めることができました。このグアニン结晶板を细胞の近くに手镜のようにおけば、细胞から分泌される疾病の兆しをすばやく立体的にキラリと见つけることができそうです。今后、がんなどの病気の进行を迅速に调べる新しい方法に结びつくことが期待されます。

本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業チーム型研究 (CREST)「新たな光機能や光物性の発現?利活用を基軸とする次世代フォトニクスの基盤技術」研究領域（北山研一総括）の研究課題「魚のバイオリフレクターで創るバイオ?光デバイス融合技術の開発」の一環として広島大学の岩坂正和教授および山口大学の浅田裕法教授の共同研究で行われたものです。

本研究成果は、英国科学誌「Scientific Reports」（オンライン版）に掲載されました。
 

鱼のキラキラを磁场でさらに辉かせるための方法

(补)磁场で辉きを増した実施例

(产)キラキラを増す（水中浮游フォトニック结晶型光干渉法の）原理

论文情报

  • 掲載雑誌: Scientific Reports
  • 論文題目: Floating photonic crystals utilizing magnetically aligned biogenic guanine platelets
    （磁场配向した生物由来グアニン结晶による浮游型フォトニック结晶）
  • 著者: Masakazu Iwasaka*, Hironori Asada
    * Corresponding author（責任著者）
  • DOI: 10.1038/s41598-018-34866-x
【お问い合わせ先】

＜研究に関すること＞

広岛大学ナノデバイス?バイオ融合科学研究所

教授 岩坂 正和

TEL＆FAX: 082-424-4372

E-mail: iwasaka＊hiroshima-u.ac.jp (＊は半角＠に置き換えてください)

山口大学大学院创成科学研究科工学系学域

教授 浅田 裕法

TEL: 0836-85-9805

FAX: 0836-85-9801

E-mail: asada＊yamaguchi-u.ac.jp (＊は半角＠に置き換えてください)

＜闯厂罢事业に関すること＞

科学技术振兴机构戦略研究推进部

中村 幹

TEL: 03-3512-3531

FAX: 03-3222-2066

E-mail: crest＊jst.go.jp (＊は半角＠に置き換えてください)

掲載日 : 2018年11月19日


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