[論文レビュー] Optical transparency and electrical conductivity of single-wall carbon nanotubes and of intermediate filaments of porcine Müller cells

Igor Khmelinskii, Vladimir I. Makarov|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2018

Photoreceptor and optogenetics research参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ブタのミュラー細胞由来の中間フィラメント（IFs）およびシングルウォールカーボンナノチューブ（SWCNTs）が、高い光学透過率と低い電気抵抗率を示すことを実験的に証明した。これにより、波長選択性を有する軸方向光伝送が効率的に行える。測定されたIFsの換算抵抗率は(3.1±0.3)×10⁻⁴ Ohm·m⁻¹·cm²、SWCNTsは(2.8±0.2)×10⁻⁴ Ohm·m⁻¹·cm²であり、金属に類似した値を示しており、逆位網膜における高コントラスト視覚の役割を裏付けるものである。

ABSTRACT

In the present study, we continue investigation of the high-contrast vision in the inverted retina of the vertebrates eyes. We report a method of separation and purification of porcine (Sus scrofa domestica) intermediate filaments (IFs), extracted from the retinal Müller cells (MCs). We also report experimental and theoretical methods of measurements and calculations of the reduced resistivity and light transmission by the IFs and single-wall carbon nanotubes (SWCNTs). The measured reduced resistivity values were (3.1+-0.3)*10^-4 and (2.8+-0.2)*10^-4 Ohm m^-1 cm^2, respectively, being quite close to those of typical metals. We report a method for measuring the light energy transmission by the intermediate filaments and single-wall carbon nanotubes. We found that these structures efficiently transfer light energy along its axis, with the light reemitted at the other end of the structure. We also report spectral selectivity of the IFs. The reported results demonstrate that the assumptions we made in deducing the theory of high-contrast vision in an inverted retina were correct and fully supported by the presently reported experimental results.

研究の動機と目的

• ブタの網膜ミュラー細胞から中間フィラメント（IFs）を分離・精製し、その物性を特徴づけること。
• IFsおよびSWCNTsの電気抵抗率および光学透過特性を測定・モデル化すること。
• 逆位網膜における中間フィラメントが、光ガイド作用および電気伝導性によって高コントラスト視覚を支援するという仮説を検証すること。
• バイオポリマーおよびナノチューブにおける換算抵抗率および光エネルギー伝送の定量的評価のための実験的・理論的手法を確立すること。
• 従来の理論的仮定（光および電荷の輸送メカニズム）を直接測定によって検証すること。

提案手法

• ブタの網膜ミュラー細胞から中間フィラメントを分離・精製するための生化学的プロトコルを開発した。
• 電気抵抗率は四端子法を用いて測定し、抵抗率ρと直径dを用いて、ρ_red = ρ / (d²) の式により換算抵抗率を計算した。
• レーザー光源と遠方端の光検出器を用いて、IFsおよびSWCNTsの軸方向への光エネルギー伝送を測定した。
• 可視光領域の波長範囲でスペクトル透過特性を分析し、波長依存の光再放射および選択性を評価した。
• 理論的モデリングを用いて実験データを解釈し、光および電荷輸送の物理的メカニズムを確認した。
• 抵抗率および透過測定の信頼性を確保するため、統計的誤差解析を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブタのミュラー細胞由来の中間フィラメントは、金属に類似した電気伝導性を示すか？
• RQ2 中間フィラメントおよびSWCNTsは、軸方向に損失を最小限に抑えて光エネルギーを効率的に伝送できるか？
• RQ3 ミュラー細胞由来の中間フィラメントの光透過特性には波長選択性があるか？
• RQ4 測定された電気的および光学的特性は、逆位網膜における高コントラスト視覚の理論的モデルを支持するか？
• RQ5 分離されたIFsおよびSWCNTsの換算抵抗率は何か？また、従来の導体と比較してどうなるか？

主な発見

• ブタのミュラー細胞由来中間フィラメントの換算抵抗率は(3.1±0.3)×10⁻⁴ Ohm·m⁻¹·cm²と測定され、高い電気伝導性を示した。
• シングルウォールカーボンナノチューブの換算抵抗率は(2.8±0.2)×10⁻⁴ Ohm·m⁻¹·cm²であり、金属に類似した値に近い。
• IFsおよびSWCNTsの両方が、効率的な軸方向光エネルギー伝送を示し、遠方端で再放射が観察された。
• 中間フィラメントは光透過特性に波長選択性を示し、波長依存の光学的性質を有することが示唆された。
• 実験結果は、Vertebrateの逆位網膜における高コントラスト視覚の理論的枠組みを完全に支持した。
• 研究結果は、ミュラー細胞の細骨格フィラメントが、網膜シグナル処理において二重の電気的および光学的伝導路として機能するという仮説を検証した。