JP2001002500A

JP2001002500A - 有機分子の分離装置および分離方法ならびに有機分子の結晶作製方法

Info

Publication number: JP2001002500A
Application number: JP11170796A
Authority: JP
Inventors: Koji Akioka; 幸司秋岡; Akira Miki; 明三城
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2001-01-09

Abstract

(57)【要約】【課題】タンパク質等の生体高分子の結晶化に有用な
装置および方法を提供する。【解決手段】結晶成長用装置１０は、シリコン酸化物
からなる固体表面１１ａおよびアルミナからなる固体表
面１２ａを有する。アルミナは、陽極酸化により形成さ
れたものであり、固体表面１２ａは多孔性である。この
装置１０において、これらの固体表面１１ａおよび１２
ａは、同時に溶液１４に接触するよう配置されている。
これらの固体表面１１ａおよび１２ａは、溶液１４と接
触するとき、互いに異なる表面電位またはゼータ電位を
有する。たとえば、固体表面１１ａは負に帯電し、多孔
性の固体表面１２ａは正に帯電する。したがって、溶液
１４中で負に帯電したタンパク質等の有機分子１３は、
正に帯電する固体表面１２ａに選択的に吸着される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有機分子の分離装
置および分離方法に関し、特に、タンパク質、酵素等の
種々の生体高分子、およびそれらの複合体を含む有機高
分子の結晶化に適用される分離装置および分離方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】タンパク質等の生体高分子の結晶化は、
通常の無機塩等の低分子量化合物の場合と同様、高分子
を含む水または非水溶液から溶媒を奪う処理を施すこと
により、過飽和状態にして、結晶を成長させるのが基本
となっている。このための代表的な方法として、バッチ
法、透析法および気液相間拡散法があり、これらは、試
料の種類、量、性質等によって使い分けられている。

【０００３】図２５（ａ）および図２５（ｂ）は、気液
相間拡散法に含まれるハンギングドロップ法およびシッ
ティングドロップ法を概略的に示す。図２２（ａ）に示
すハンギングドロップ法では、沈殿剤２２２を収容する
密閉容器２２０内において、結晶化すべき生体高分子を
含む母液２２１が垂下される。図２２（ｂ）に示すシッ
ティングドロップ法では、密閉容器２３０内において、
プレート２３３上に結晶化すべき生体高分子を含む母液
２２１が置かれる。沈殿剤２２２は、密閉容器２３０内
において、別の容器２３１に収容される。これらの方法
では、沈殿剤および母液中の揮発成分の蒸発によって、
緩やかに平衡が成立する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｘ線結晶構造解析によ
り生体高分子の３次元構造を決定するためには、目的と
する物質を抽出・精製後、結晶化することが必須とな
る。しかし、現在のところ、どの物質に対しても適用す
れば必ず結晶化できるといった手法および装置がないた
め、勘と経験に頼ったトライアンドエラーを繰返しなが
ら結晶化を進めているのが実状である。生体高分子の結
晶を得るためには、非常に多くの実験条件による探索が
必要であり、結晶成長がＸ線結晶解析の分野での最も大
きなボトルネックとなっている。

【０００５】本発明の目的は、上述したように多様な特
性を有するために試行錯誤を繰返しながら進められてき
た従来の結晶化プロセスの欠点を技術的に解消すること
である。

【０００６】具体的には、本発明の目的は、種々の生体
高分子および生体高分子から主として構成される生体組
織の結晶化において、重力の影響による溶液内の対流の
影響を低減し、核形成を制御する技術を提供することで
ある。

【０００７】さらなる本発明の目的は、微結晶の大量生
成を抑制または制御し、Ｘ線構造解析を可能にし得る大
型の結晶を得ることができる技術を提供することであ
る。

【０００８】さらなる本発明の目的は、少量の生体高分
子溶液で、結晶化を可能にするための技術を提供するこ
とである。

【０００９】さらに本発明の目的は、少量の溶液で結晶
化を可能にするための方法および装置を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明により、溶液中に
含まれる帯電した有機分子を前記溶液から分離するため
の装置が提供され、この装置は、金属、半導体およびそ
れらの化合物よりなる群から選ばれた互いに実質的に異
なる材料からなる複数種の固体表面を備える。この装置
において、複数種の固体表面は、同時に溶液に接触する
よう配置されており、複数種の固体表面のうち少なくと
も１種は多孔性であり、かつ複数種の固体表面は、溶液
と接触するとき、互いに異なる表面電位またはゼータ電
位を有するものであり、それにより、複数種の固体表面
のいずれかに、有機分子をより強く静電的に吸着させる
ようになっている。

【００１１】本発明による装置において、多孔性の固体
表面は、残りの固体表面と異なる表面電位またはゼータ
電位を有し、かつ該多孔性の固体表面に、有機分子をよ
り強く静電的に吸着させるようになっていることが好ま
しい。多孔性の固体表面は、分離すべき有機分子のサイ
ズと略同等またはそれ以下の孔径を有する孔を主として
有することが好ましい。また、多孔性の固体表面は、ア
ルミナからなることが好ましい。

【００１２】本発明による装置は、複数種の固体表面上
で溶液を保持するための囲い壁を有することが好まし
い。

【００１３】本発明による装置において、複数種の固体
表面は、所定の領域において互いに隣合うよう配置する
ことができ、かつ当該所定の領域において、有機分子を
より強く静電的に吸着させる固体表面が占める面積は、
残りの固体表面が占める面積以下とすることができる。

【００１４】本発明による装置において、複数種の固体
表面は、同一の半導体基板上に形成することができる。
この場合、複数種の固体表面は、当該半導体基板の表面
または当該半導体基板表面に形成された半導体化合物膜
もしくは金属化合物膜の表面からなる第１の表面と、第
１の表面上の所定の領域に形成される半導体化合物のア
イランドまたは金属化合物のアイランドの表面からなる
多孔性の第２の表面とを含むことができる。第１の表面
および第２の表面は、溶液と接触するとき、互いに異な
る表面電位またはゼータ電位を有する。当該半導体基板
をシリコン基板とすることができ、さらに第２の表面を
アルミナで形成することができる。

【００１５】本発明による装置は、有機分子を含む溶液
のｐＨを測定するための手段をさらに備えることが好ま
しい。このｐＨ測定手段は、半導体層と、半導体層上に
形成される絶縁層と、溶液を絶縁層上で保持するための
囲い壁と、溶液に接触するように囲い壁に固着されてい
る金属電極とを備えることができる。

【００１６】本発明による装置において、複数種の固体
表面およびｐＨ測定手段は、同一の半導体基板上に形成
することができる。ｐＨ測定手段における半導体層は、
半導体基板の一部とすることができ、また、複数種の固
体表面は、当該半導体基板の表面または当該半導体基板
表面に形成された半導体化合物膜もしくは金属化合物膜
の表面からなる第１の表面と、第１の表面上の所定の領
域に形成される半導体化合物のアイランドまたは金属化
合物のアイランドの表面からなる多孔性の第２の表面と
を含むことができる。第１の表面および第２の表面は、
溶液と接触するとき、互いに異なる表面電位またはゼー
タ電位を有する。第１の表面はシリコンまたはシリコン
酸化膜で形成することができ、また、第２の表面はアル
ミニウムの酸化物で形成することができる。

【００１７】本発明による装置において、複数の固体表
面を与える材料は、積層構造を有してもよい。この積層
構造において、上層に位置する材料は、下層に位置する
材料上の複数の位置に、間隔をあけて設けられているこ
とが好ましい。

【００１８】本発明により、溶液中に含まれる帯電した
有機分子を溶液から分離するための方法が提供され、こ
の方法は、有機分子を含み、かつ有機分子の等電点以外
のｐＨを有する溶液を、上述した装置の複数種の固体表
面に接触させる工程を備える。有機分子を含む溶液のｐ
Ｈは、複数種の固体表面のうち少なくとも１つに該有機
分子と逆の極性の表面電位またはゼータ電位をもたらす
ものであることが好ましく、かつ残りの固体表面に該有
機分子と同じ極性の表面電位またはゼータ電位をもたら
すものであることが好ましい。

【００１９】本発明により、溶液中に含まれる帯電した
有機分子の結晶を作製する方法が提供され、この方法
は、有機分子を含み、かつ有機分子の等電点以外のｐＨ
を有する溶液を、上述した装置の複数種の固体表面に接
触させる工程と、当該装置を沈殿剤と共に密封して、複
数種の固体表面に溶液が接触している状態を所定時間維
持する工程とを備える。有機分子を含む溶液のｐＨは、
複数種の固体表面のうち少なくとも１つに該有機分子と
逆の極性の表面電位またはゼータ電位をもたらすもので
あることが好ましく、かつ残りの固体表面に該有機分子
と同じ極性の表面電位またはゼータ電位をもたらすもの
であることが好ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】蛋白質を初めとする生体高分子の
ほとんどは、溶液内において幾何学的に特異的な構造お
よび静電的な相互作用（静電斥力・引力、ファンデルワ
ールス力）によって分子間同士の認識が行なわれてい
る。静電的なエネルギに基づく分子間の相互作用におい
ては、個々の分子最表面でのわずかな空間的な電荷分布
の相違が、分子間の認識度合い、分子集合体の作りやす
さに決定的な影響を及ぼすことが予想される。したがっ
て、溶液内をブラウン運動しながら衝突を繰返している
個々の分子では、周期的かつ規則的な構造を有する分子
集合体の核が非常に形成されにくいと考えられる。

【００２１】蛋白質分子の結晶生成に関しては、その核
生成の初期過程が重要であるとの報告がなされている。
結晶化の初期過程において核となる分子を２次元的に配
列させる何らかの条件が整えば、その後の結晶化は、こ
れを核としてエピタキシャル的に進行するものと考えら
れる。

【００２２】本発明による装置および方法は以下に説明
するような作用機構に基づき、有機分子の多孔性固体表
面への選択的吸着を行ない、その結果、その固体表面に
結晶核が形成され、好ましい結晶成長をもたらすことが
できる。

【００２３】図１に示すように、本発明による装置１０
は、第１の表面１１ａを有する第１の固体１１、および
第２の表面１２ａを有する第２の固体を有する。第１の
固体１１と第２の固体は、実質的に異なる材料からな
る。ここで、「実質的に異なる」とは、固体を構成する
主材料が異なっていることを意味する。固体を構成する
材料は、金属、半導体、またはそれらの化合物、たとえ
ば、酸化物、水酸化物、窒化物等である。装置１０は、
タンパク質等の分離または結晶化すべき有機分子１３を
含む溶液１４と接触させられる。タンパク質等の有機分
子１３の表面は、その分子の等電点以外のｐＨを有する
溶液において、通常、正または負に帯電している。一
方、本発明による装置において、上述した材料の固体表
面１１ａおよび１２ａも、溶液１４中で帯電する。この
とき、固体表面についての電位の大きさおよび極性は、
固体の材質および溶液のｐＨに依存する。たとえば、あ
るｐＨの溶液中で、固体表面１１ａは負に帯電し、固体
表面１２ａは正に帯電する。一方、有機分子１３は、当
該ｐＨの溶液中で負に帯電する。この場合、溶液１４中
の有機分子１３は、有機分子１３と逆の極性で帯電する
固体表面１２ａに静電的な引力に従って選択的に吸着さ
れる。有機分子１３と同じ極性で帯電する固体表面１１
ａへの吸着は、静電作用により阻害される。こうして、
固体表面１２ａ上での有機分子１３の分離が進められ、
好ましくは、有機分子１３の結晶核が形成され、結晶化
が進められる。このように、帯電した有機分子を含む溶
液中に、表面電位またはゼータ電位の異なる複数種の固
体表面を設ければ、いずれかの固体表面で、当該有機分
子を選択的に吸着させることができ、またその結果、当
該固体表面に結晶核が形成されて、選択的に結晶化を進
めることができる。

【００２４】一般に、タンパク質分子、コロイド粒子、
ならびに金属、半導体、およびそれらの酸化物、水酸化
物または窒化物などの化合物の表面は、水溶液中で、そ
の溶液のｐＨ値によって定まる表面電位（一般にゼータ
電位として測定できる）に帯電する。この表面電位が見
かけ上ゼロになるときの溶液のｐＨ値が、等電点であ
る。等電点は物質によって異なるが、この等電点より低
いｐＨにおいて物質は正に帯電し、等電点より高いｐＨ
において物質は負に帯電する。本発明は、このような物
質の性質を利用して、有機分子の選択的分離を行なう。
たとえば、図２に示すような関係が複数の固体表面と分
離すべきタンパク質との間に成立するとする。曲線Ｓ₁
は、第１の固体表面についての表面電位とｐＨとの関係
を表し、曲線Ｓ₂は、第２の固体表面についての表面電
位とｐＨとの関係を表し、曲線Ｐは、タンパク質の表面
電位とｐＨとの関係を表す。第１の固体表面の等電点は
３、タンパク質の等電点は６、第２の固体表面の等電点
は９である。したがって、斜線で示す領域のｐＨ（タン
パク質の等電点と第２の固体表面の等電点の間のｐＨ）
を有する溶液において、第１の固体表面およびタンパク
質は負に帯電し、第２の固体表面は正に帯電する。この
ｐＨ領域において、タンパク質は、第２の固体表面に静
電引力により選択的に吸着または固定され、その結果、
第２の固体表面でタンパク質の結晶成長が促進され得
る。一方、タンパク質と第１の固体表面との間には、静
電斥力が働く。一方、図３に示すような関係が成立する
とする。この場合、第１の固体表面の等電点は９、タン
パク質の等電点は６、第２の固体表面の等電点は３であ
る。そして、第２の固体表面の等電点とタンパク質の等
電点との間のｐＨを有する溶液において、第１の固体表
面およびタンパク質は正に帯電し、第２の固体表面は負
に帯電する。したがって、斜線に示す領域のｐＨにおい
て、静電引力により、タンパク質を第２の固体表面に選
択的に吸着させることができる。このように、分離また
は結晶化すべき分子を含む溶液（母液）に対し異なる帯
電特性を示す複数種の固体表面を設ければ、母液のｐＨ
を適当な値に設定することで、いずれかの固体表面に選
択的に分子を静電吸着させ、その結果、その固体表面に
結晶核を形成させて、分子の結晶成長を起こさせること
ができる。

【００２５】たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の等
電点は１．８〜２．８であり、したがって、それより低
いｐＨにおいてＳｉＯ₂は正に帯電し、それより高いｐ
Ｈにおいて負に帯電する。一方、アルミナ（α−Ａｌ₂
Ｏ₃）の等電点は９付近である（γ−Ａｌ₂Ｏ₃の等電点
は７．４〜８．６程度）。また、ほとんどのタンパク質
は４〜７の等電点を有する（たとえば、ヒト血清アルブ
ミン４．７〜５．２、ウシインスリン５．３〜５．８、
インターフェロン（ニワトリ胚）７〜８、ヒト成長ホル
モン４．９〜５．２）。したがって、たとえば、図１に
示す装置において、第１の固体１１をＳｉＯ₂とし、第
２の固体１２をアルミナとすれば、タンパク質を含み、
かつ６〜８のｐＨ（タンパク質の等電点とアルミナの等
電点との間の値）を有する溶液１４中で、ＳｉＯ₂は負
に帯電し、アルミナは正に帯電する。一方、４〜７の等
電点を有するタンパク質は、通常、負に帯電する。した
がって、溶液中のタンパク質は、正に帯電するアルミナ
に選択的に吸着され得る。一方、タンパク質のＳｉＯ₂
上への吸着は阻害され得る。このように、ＳｉＯ₂とア
ルミナとの組合わせは、選択的吸着に対し適当である。

【００２６】また、シリコン（Ｓｉ）の等電点は添加さ
れている不純物の種類や濃度によって異なるが、たとえ
ば、一般的なｎ型Ｓｉの等電点は３．５〜４程度であ
り、それより低いｐＨにおいてｎ型Ｓｉ表面は正に帯電
し、それより高いｐＨにおいて負に帯電する。また、一
般的なｐ型Ｓｉの等電点は５〜６程度である。したがっ
て、図１に示す装置において、第１の固体１１をｎ型Ｓ
ｉ基板とし、第２の固体１２をＳｉ基板上に形成された
アルミナとすれば、タンパク質を含み、かつ６〜８のｐ
Ｈ（タンパク質の等電点とアルミナの等電点の間の値）
を有する溶液１４中で、ｎ型Ｓｉとタンパク質は負に、
アルミナは正に帯電する。したがって、溶液中のタンパ
ク質は、正に帯電するアルミナに選択的に吸着する一方
で、負に帯電するＳｉ上への吸着は阻害され得る。この
ように、シリコンとアルミナとの組合わせも、タンパク
質分子の選択的吸着に対し適当である。

【００２７】本発明による装置において、それぞれの固
体表面は、金属、半導体、金属化合物、または半導体化
合物からなる。複数種の固体表面の組合わせは、任意で
あるが、分離すべき分子の等電点が、複数種の固体表面
の等電点の間にくるよう、当該組合わせを選択すること
が望ましい。すなわち、図２および図３に示すように、
分離すべき分子のｐＨ−表面電位曲線が、複数種の固体
表面のｐＨ−表面電位曲線の間にくることが望ましい。
好ましい半導体には、シリコン、ガリウム・ヒ素（Ｇａ
Ａｓ）、ガリウム・リン（ＧａＰ）などがある。好まし
い半導体化合物には、酸化シリコン、窒化シリコンなど
があり、好ましい金属化合物には、酸化アルミニウム
（α−Ａｌ₂Ｏ₃、γ−Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化チタン、酸化銅
などの金属酸化物や、窒化アルミニウム、窒化チタン、
窒化タングステン、窒化タンタル、ＴａＳｉＮ、ＷＳｉ
Ｎなどの金属窒化物や、水酸化アルミニウム、水酸化マ
グネシウムなどの金属水酸化物などがある。好ましい組
合わせには、シリコン−アルミナ、酸化シリコン−アル
ミナ、窒化シリコン（等電点は４〜５程度）−アルミ
ナ、酸化シリコン−酸化チタン（等電点は５〜６．５程
度）、シリコン−酸化チタン、酸化チタン−アルミナな
どがある。

【００２８】このような複数種の固体表面は、同一の基
板上に形成することが好ましく、半導体基板上に形成す
ることがより好ましく、特に、シリコン基板上に形成す
ることが好ましい。たとえば、シリコン基板表面の所定
の領域にのみアルミナを形成することで、シリコン−ア
ルミナの組合わせが形成できる。また、シリコン基板表
面全体にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）を形成し、その
ＳｉＯ₂膜表面の所定の領域にのみアルミナを形成する
ことで、酸化シリコン−アルミナの組合わせが形成でき
る。ＳｉＯ₂膜に変えてシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）
を形成すれば、同様に窒化シリコン−アルミナの組合わ
せが形成でき、アルミナの代わりに酸化チタンを形成す
れば、シリコン−酸化チタンや酸化シリコン−酸化チタ
ンの組合わせを形成できる。

【００２９】半導体基板、より好ましくはシリコン基板
を用いることで、ＣＶＤ、ホトリソグラフィー、エッチ
ング等の通常の半導体集積回路の製造と同様な手法によ
って、容易に複数種の固体表面を有する装置を作製でき
る。すなわち、ＣＶＤ技術を用いてシリコン基板上に所
望の材料の膜を成膜し、必要に応じてその上に異なる材
料の膜を成膜して多層構造とし、ホトリソグラフィー技
術を用いて所望の形状のマスクを形成し、エッチング技
術を用いてマスクを施した領域以外を除去して下地を露
出させれば、各種の組合わせの複数種の固体表面を有す
る装置を作製できる。たとえば、シリコン基板の表面に
アルミナ膜を成膜し（アルミニウム膜を成膜し、それを
陽極酸化してアルミナ膜とする場合を含む）、所定の領
域のみを残して当該アルミナ膜をエッチングにより除去
してシリコン基板の表面を露出させれば、シリコン−ア
ルミナの組合わせが形成できる。また、シリコン基板表
面にシリコン酸化膜を成膜し、さらにその上にアルミナ
膜を成膜し、所定の領域のみを残してアルミナ膜をエッ
チングにより除去しシリコン酸化膜を露出させれば、酸
化シリコン−アルミナの組合わせが形成できる。このよ
うに、シリコン基板上に成膜する膜の材料を変えれば、
容易に各種の組合わせが形成できる。

【００３０】金属もしくは半導体の酸化物または水酸化
物の表面は、水と接すると水和を起こし、水酸基を生成
させる。この水酸基の解離により、酸化物または水酸化
物の表面は、水溶液のｐＨに応じて表面電位（ゼータ電
位）を生じさせる。たとえば、ＳｉＯ₂では次のような
解離が生じる。固体表面−Ｓｉ・ＯＨ＋Ｈ⁺→固体表面−ＳｉＯＨ₂ ⁺＋
ＯＨ^- 固体表面−Ｓｉ・ＯＨ＋ＯＨ^-→固体表面−ＳｉＯ^-＋Ｈ
₂Ｏ＋Ｈ⁺ したがって、酸化物または水酸化物の表面は、低いｐＨ
で、プロトン付加により正の電位を帯び、高いｐＨで、
ＯＨ基からのプロトンの引き抜きにより負の電位を帯び
る。一般に、酸化物または水酸化物は、見かけ上の電位
がゼロになる点（等電位点）を有し、この点より高いｐ
Ｈでは、負の表面電位を、この点より低いｐＨでは、正
の表面電位を有する。したがって、異なる等電位点を有
する酸化物または水酸化物の組合わせを選択し、本発明
に好ましく用いることができる。

【００３１】また、詳細な機構は分からないが、窒化物
の表面にも酸化物、水酸化物と同様に水溶液中でその水
溶液のｐＨに応じた電位が発生する。たとえば、Ｓｉ₃
Ｎ₄の場合は等電点がおよそ４〜５程度であって、それ
より低いｐＨで正の表面電位を、それより高いｐＨで負
の表面電位を帯びる。

【００３２】さらに、図１に示す装置において、少なく
とも固体表面１２ａは多孔性であり、この多孔性の固体
表面１２ａに有機分子を選択的に吸着させるようになっ
ている。固体表面１１ａは、多孔性であってもよいし、
多孔性でなくともよい。

【００３３】多孔性の固体表面は、結晶化すべき分子が
固定されやすい凹凸の地形を与える。上述したように静
電的に引き寄せられた分子は、多孔性固体表面の凹部に
嵌まり、強く固定され得る。凹部に固定された分子は、
溶液中の対流の影響を受けにくい。すなわち、固体表面
に吸着された分子が対流によって動くことが抑制され得
る。その結果、固体表面で分子が配列し、良好な結晶核
が形成され得る。したがって、多孔性の表面は、結晶性
の良い大型の単結晶を成長させ得る。また、多孔性の表
面は、非多孔性の表面より大きな表面積を有し、したが
って、非多孔性の表面より大きな電荷量を有し得る。

【００３４】固体表面に存在する孔の径は、図４（ａ）
および（ｂ）に示すようにタンパク質等の結晶化すべき
分子のサイズ（たとえば分子直径、分子半径×２または
分子の最大径）と略同等とすることができる。この場
合、多孔性の固体表面３１ａおよび３１ｂは分子ふるい
の効果を有し得る。帯電した分子３０ａおよび３０ｂ
は、帯電した固体表面３１ａおよび３１ｂの凹部にはま
り込み、静電作用により固定され得る。分子が固体表面
の特異的な幾何学的形状および静電的な相互作用を認識
し、結晶化初期過程が促進されることが期待される。ま
た、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、凹凸が二次
元的に規則的に配列する固体表面を与えれば、規則的な
凹凸の配置に従って、分子が規則的に配置され、良好な
結晶が成長することが期待される。

【００３５】また、固体表面の孔径は、図５に示すよう
に結晶化すべき分子のサイズより小さなものでもよい。
この場合でも、結晶化すべき分子３０ｃの一部が表面３
１ｃの凹部にはまり、分子３０ｃは、表面３１ｃに固定
され得る。

【００３６】多孔性の固体表面は、電子ビーム描画装置
（電子ビーム露光装置）を用いた直接的な微細加工、あ
るいは電気化学的手法により形成することができる。電
気化学的な手法の典型例は、陽極酸化である。図６は、
陽極酸化のプロセスを示している。多孔質の表面を形成
すべき固体を陽極３３として、電解質溶液３５に浸漬
し、適当な陰極３４と陽極３３との間に電流を流す。電
気分解反応において、陽極３３は酸化され、その表面に
多孔性の酸化皮膜が形成され得る。この多孔性の酸化皮
膜を形成する陽極酸化に適する材料には、アルミニウ
ム、チタンがある。

【００３７】アルミニウムは、特に好ましい材料であ
る。通常、アルミニウムを陽極として、硫酸、シュウ
酸、リン酸などの酸性水溶液（電解液）に浸し、陽極酸
化を行なうと、多孔性のアルミナ皮膜が形成される。こ
のとき形成される細孔（多孔）は、均一でほぼ等間隔に
分布する。その孔の径、深さ、間隔（密度）、形状など
は、電解液の種類、ならびに印加する直流電圧の大きさ
および印加時間により制御できる。タンパク質分子のサ
イズは、１０ｎｍ前後かそれ以上であるが、陽極酸化膜
の孔径は、一般に５ｎｍ程度まで小さくすることができ
る。本発明において、多孔性固体表面の孔径は、たとえ
ば５ｎｍ〜２００ｎｍ程度とすることができ、好ましく
は５ｎｍ〜３０ｎｍ程度とすることができる。陽極酸化
に関して、「アルミニウム表面技術便覧（軽金属出
版）」は、詳細な手法を記載している。また、特開平９
−３１６６９２号公報は、より小さな径の細孔を形成す
る技術を開示する。さらに、特開平２−２５４１９２号
公報、特開平６−３２６７５号公報および特開平６−２
００３７８に開示される技術を用いれば、アルミナ以外
の物質でも同様な多孔体を調製できる。これらの公報
は、まず、アルミナ多孔体を陽極酸化により形成し、得
られた多孔体の形状を他の材料に転写する技術を開示す
る。

【００３８】本発明による装置において、複数種の固体
表面の配置パターンは、任意である。たとえば、図７
（ａ）に示すように、第２の固体表面４２ａが第１の固
体表面４１ａに囲まれるような配置は好ましく使用され
る。この場合、第１の固体表面は、第２の固体表面より
顕著に広い。第２の固体表面に有機分子を吸着させれ
ば、結晶核のランダムな生成を効果的に防ぎ、良好な結
晶成長をもたらすことができる。すなわち、良好な結晶
成長または大きな結晶の形成のためには、本発明による
装置の所定の領域において、有機分子をより強く吸着さ
せる固体表面（第２の固体表面）は、他の固体表面（有
機分子の吸着を阻害し得る表面）より狭いことが好まし
い。図７（ａ）に示すもののほか、図７（ｂ）に示すよ
うに、第１の固体表面４１ｂに対し、所定の幅を有する
複数の第２の固体表面４２ｂを所定の間隔をあけて配置
してもよいし、図７（ｃ）に示すように、第１の固体表
面４１ｃに対し、所定の形状および面積を有する複数の
第２の固体表面４２ｃを、所定の間隔をあけてマトリク
ス状に配置してもよい。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に
おいて、少なくとも第２の固体表面４２ａ、４２ｂ、４
２ｃは多孔性であり、その孔径は結晶化すべき分子のサ
イズと略同等かそれ以下である。

【００３９】複数種の固体表面の配置は、図８（ａ）に
示すように第１の固体５１ａ上に第２の固体５２ａが配
置される積層構造とした方が半導体集積回路の一般的な
製造方法と同様の手法を用いて少ない工程で作製できる
ので好ましい。しかし、図８（ｂ）に示すように、所定
の面に複数種の固体表面５１ｂおよび５２ｂが同じレベ
ルで設けられる構造を有してもよい。

【００４０】また、図９に示すように第１の固体表面６
１に対し、これと異なる複数種の第２の固体表面６２お
よび６３を配置することができる。固体表面６２および
６３は、所定のｐＨを有する溶液に対し、異なる電位を
有する。たとえば、固体表面６１は酸化シリコンとし、
固体表面６２はアルミナとし、固体表面６３は酸化チタ
ンとすることができる。分離すべき特定の有機分子は、
固体表面６２および６３のいずれかにより強く吸着され
得る。有機分子をより強く吸着させ得る固体表面（第２
の固体表面）の最適な材料は、目的とする有機分子によ
り異なることが考えられる。図６に示すように第２の固
体表面を複数種形成することにより、１つの装置で各種
の有機分子の分離、結晶化に利用できる装置を提供でき
る。図６の装置では、第２の固体表面は２種類である
が、３種以上形成することもできる。このような装置も
同様に半導体集積回路の一般的な製造方法を用いて容易
に作製可能である。たとえば、シリコン基板上にＳｉＯ
₂膜、ＴｉＯ₂膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜を順に成膜、積層して、固
体表面６２および６３の領域を残してＡｌ₂Ｏ₃膜を除去
して下地のＴｉＯ₂膜を露出させ、その後、露出したＴ
ｉＯ₂膜のうち固体表面６３の領域を残してＴｉＯ₂膜を
除去してＳｉＯ₂膜を露出させればよい。

【００４１】また、前述のように第２の固体表面は多孔
性の表面であるが、その孔径を変えた複数種の第２の固
体表面を形成することもできる。材料同様に最適な孔径
も有機分子により異なることが考えられる。したがっ
て、孔径の異なる複数種の第２の固体表面を形成してお
けば、そのいずれかの第２の固体表面で良好に有機分子
が選択吸着され、さらには、その表面での良好な結晶成
長が期待できる。

【００４２】また、特定の有機分子の分離のため、図１
０に示すように、複数の装置を提供してもよい。装置７
１、７２および７３は、それぞれ、異なる固体表面７１
ａ、７２ａおよび７３ａを有する。装置７１〜７３のい
ずれかにおいて、分離または結晶化がより好ましく進行
し得る。同時に使用される固体表面の種類を多くするこ
とによって、より多くの有機分子の分離または結晶化に
対応することができる。

【００４３】前述したように本発明による装置におい
て、複数種の固体表面は、同一の基材上に設けることが
好ましい。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、その一
例を示す。装置８０において、シリコン基板８１上にＳ
ｉＯ₂膜８２が形成され、その上にＡｌ₂Ｏ₃のアイラン
ド８４が形成されている。アイランド８４の表面は多孔
性である。アイランド８４は、アルミナ多孔層８４ａお
よびアルミナバリア層８４ｂを有する。アイランド８４
の周りでは、ＳｉＯ₂膜８２が露出している。基板８１
上には、ＳｉＯ₂膜８２上で溶液８５を保持するため、
囲い壁８６が設けられている。囲い壁８６は、溶液８５
の流れを堰きとめるための部材である。囲い壁８６によ
り溶液を保持するための部分が形成される。この装置
は、上述した酸化シリコン−アルミナの組合わせを提供
する。溶液８５が７〜８のｐＨを有するとき、上述した
ようにＳｉＯ₂膜８２は負に帯電し、多孔性アルミナの
アイランド８４は正に帯電する。一方、溶液８５中に存
在する分離すべき有機分子が４〜７の等電点を有する場
合、当該分子は、通常、負に帯電する。したがって、溶
液８５中の分子は、正に帯電するアイランド８４に選択
的に吸着され、その結果、アイランド８４で結晶成長が
起こり得る。一方、有機分子のＳｉＯ₂膜８２上への吸
着は阻害される。このような装置は、結晶成長装置とし
て使用することができる。このような装置において、Ｓ
ｉＯ₂膜を設けずにシリコン基板上に直接多孔性のアル
ミナアイランドを形成し、シリコン基板そのものの表面
を吸着阻害用の表面として使用してもよい。この場合、
シリコン−アルミナの組合わせを提供する。また、アル
ミナの代わりに他の金属酸化物、金属窒化物または金属
水酸化物を使用してもよい。さらに、シリコン以外の半
導体、または金属の基板を使用してもよい。ただし、有
機分子を吸着させるべき固体表面（図１１に示す装置で
はアイランド８４の表面）は、前述のように多孔性の表
面であることが望ましく、陽極酸化によって容易に多孔
性の表面を形成できるという理由から、アルミニウムを
陽極酸化して得られるアルミナが、当該固体表面として
最も好ましい。

【００４４】図１１に示す装置のアイランドは、たとえ
ば図１２（ａ）〜図１２（ｄ）に示すような工程によっ
て作製できる。まず、図１２（ａ）に示すように、シリ
コン基板８１上にＳｉＯ₂膜８２を形成する。次いで、
図１２（ｂ）に示すようにＳｉＯ₂膜８２上にアルミニ
ウム膜９４を形成する。これらの膜は、蒸着、スパッタ
リング等によって形成できる。次いで、アルミニウム膜
９４について陽極酸化を行ない、アルミニウム膜９４の
少なくとも表面部分を図１２（ｃ）に示すような多孔性
のアルミナ層９５に変える。アルミナ層９５の下には、
アルミニウム層９４’が残っていてもよい。通常のホト
リソグラフィーに従ってレジストパターンを形成した
後、レジストで覆われていない部分をエッチングするこ
とにより、図１２（ｄ）に示すようにＳｉＯ₂膜８２上
に多孔性アイランド８４が得られる。得られた構造物に
囲い壁をもたらす部材を結合すれば、図１１（ａ）およ
び（ｂ）に示すような装置が得られる。このとき、囲い
壁は、溶液中の有機分子の吸着を阻害し得る材料、たと
えば低い等電点を有するガラス等で形成することが望ま
しい。ただし、有機分子を吸着させる固体表面（アイラ
ンド）と囲い壁との距離が溶液中の有機分子の拡散距離
（有機分子が溶液中で移動し得る距離）よりも十分に長
い場合は、この限りではなく、他の材料で囲い壁を形成
しても問題ない。また、上記工程において、シリコン基
板上に形成する膜の材料を変えることにより、種々の組
合わせの固体表面を有する装置を得ることができる。

【００４５】本発明による装置は、溶液のｐＨを測定す
るための手段を含むことができる。上述したように固体
表面および分離すべき有機分子の表面電位または実効表
面電荷は、溶液のｐＨに左右されるため、分離または結
晶化の操作において、溶液のｐＨをモニタすることは、
有意義である。ｐＨ測定手段には、通常のｐＨメータ
ー、イオン感応性電界効果型トランジスタ（ＩＳＦＥ
Ｔ）と基準電極を組合わせた従来型のｐＨセンサー等を
用いることができる。

【００４６】一方、ｐＨ測定手段として、図１３に示す
ような装置を用いてもよい。ｐＨ測定装置１００におい
て、ｎ型シリコン基板１０１上にはＳｉＯ₂膜１０２が
形成されている。基板１０１上には溶液保持部１１０が
設けられる。溶液保持部１１０は、溶液１０５の流れを
堰きとめる囲い壁１０６およびＳｉＯ₂膜１０２から構
成される。囲い壁１０６上には金属電極１０７が設けら
れる。金属電極１０７は、ＳｉＯ₂膜１０２の方に延び
ていて、溶液保持部１１０内に保持される溶液と接触す
るように配置される。シリコン基板１０１の裏面（Ｓｉ
Ｏ₂膜１０２が設けられた面と対向する面）には、端子
電極１０８が設けられる。

【００４７】酸化物の表面は、上述したように水和反応
を起こして、水酸基を生成させる。その水酸基の解離に
よって酸化物表面に電荷が生じる。したがって、酸化物
の表面には、溶液のｐＨに応じた表面電位が発生する。
たとえば、ＳｉＯ₂の場合、以下のような解離がおこ
り、その表面電位はｐＨによって変化する。他の酸化物でも同様な機構により表面電位が生じ、酸化
物の種類に応じて等電点や発生する電位の値は異なる。
なお、ＳｉＯ₂の等電点はおよそ１．８〜２．８であ
る。また、詳細な機構は分からないが、窒化物の表面に
も酸化物と同様に水溶液中でその水溶液のｐＨに応じた
電位が発生する。たとえば、Ｓｉ₃Ｎ₄の場合は等電点が
およそ４〜５程度であって、それより低いｐＨで正の表
面電位を、それより高いｐＨで負の表面電位を帯びる。
このため、絶縁層としてＳｉＯ₂膜のかわりにＳｉ₃Ｎ₄
膜等の窒化物膜を用いてもよい。

【００４８】したがって、図１３に示す装置１００にお
いて、ＳｉＯ₂膜１０２が露出した溶液保持部１１０に
水溶液を入れると、ＳｉＯ₂膜１０２の表面にその水溶
液のｐＨに応じた電位が発生する。したがって、シリコ
ン基板１０１の溶液１０５に近い部分に形成される空乏
層１０９の容量が変化する（空乏層の幅が変化する）。
この電位によって、酸化膜を介して設けられるシリコン
基板表面のキャリア濃度が変化する。したがって、ＭＯ
Ｓ（ＭＩＳ）に相当する構造を有する装置１００におい
て、金属電極１０７と端子電極１０８との間の容量電圧
特性（高周波特性）は、溶液１０５のｐＨに応じて変化
する。この変化を、図１４に示す。図１４は、ｐＨの異
なる２種の溶液に関して容量電圧特性を示している。容
量電圧特性は、図に示すようにｐＨに応じて電圧軸方向
に変化する。

【００４９】あらかじめ、図１３に示すｐＨ測定装置を
用いて、測定周波数１ＭＨｚ程度で、ｐＨの分かってい
る種々の溶液の容量電圧特性を測定し、ｐＨ値とフラッ
トバンド電位（Ｖ_FB）との関係を得ることができる。ｐ
Ｈ値とフラットバンド電位（Ｖ_FB）は、たとえば図１５
に示すような関係を有する。この関係に基づいて、未知
の溶液のｐＨが求められる。すなわち、ｐＨ測定装置１
００をＣ−ＶメーターおよびＣ−Ｖレコーダーに接続す
る。次いで、溶液保持部１１０に測定すべき溶液を入
れ、電極１０７と１０８との間のＣ−Ｖ特性を測定し、
Ｖ_FBを求める。得られたＶ_FBと、予め得られたｐＨ値と
フラットバンド電位（Ｖ_FB）との関係から、当該溶液の
ｐＨが決定される。

【００５０】このｐＨ測定装置において、ｎ型Ｓｉ基板
の代わりにｐ型Ｓｉ基板を用いてもよいし、他の半導体
基板、たとえば、Ｇｅ基板やＧａＡｓ等の化合物半導体
基板を用いてもよい。また、ＳｉＯ₂膜の代わりに他の
酸化物膜たとえばＡｌ₂Ｏ₃膜、ＴｉＯ₂膜を用いてもよ
いし、Ｓｉ₃Ｎ₄等の窒化物膜を用いてもよい。絶縁層の
厚みは、たとえば１００Å〜１μｍであり、好ましくは
５００Å〜３０００Åである。電極用の材料には、Ｐ
ｔ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いることができる。

【００５１】このｐＨ測定装置は、極めて単純な構造を
有し、通常の半導体加工技術（リソグラフィー、ＣＶ
Ｄ、エッチング等）を用いて簡単に製作できる。当該装
置の溶液保持部にピペットなどで溶液を滴下し、数μｌ
〜数十μｌの微量の溶液についてｐＨを測定できる。こ
の装置は、シリコン基板上に作製することができ、した
がって、本発明による分離装置と同じ基板上に作り込む
ことができる。そのような組み合わされた装置を以下の
実施例に示す。

【００５２】

【実施例】図１６および図１７に示すような装置を作製
した。装置１３０は、シリコン基板１３１を含む基台部
１４１と、それに接合されたパイレックスガラス製の溶
液保持プレート（囲い壁）１４２とを有する。基台部１
４１のサイズは、１５ｍｍ×１５ｍｍである。基台部１
４１とプレート１４２とによって、２つの結晶成長用セ
ル１３２ａおよび１３２ｂ、１つの沈殿剤用セル１３
３、ならびに１つのｐＨモニター用セル１３４が形成さ
れる。プレート１４２のサイズは、１２ｍｍ×１２ｍｍ
であり、高さは０．５ｍｍである。シリコン基板１３１
の表面は、シリコン酸化膜１３５で被覆されている。セ
ル１３２ａ、１３２ｂおよび１３４は、直径約４ｍｍの
円筒形または円錐台形であり、セル１３３は、５．５ｍ
ｍ×５．５ｍｍの角柱形である。結晶成長用セル１３２
ａおよび１３２ｂ、ならびにｐＨモニター用セル１３４
内には、シリコン酸化膜１３５上に多孔性アルミナのア
イランド１３６が複数形成されている。アイランド１３
６は、図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示すような線
状であり、その幅は約１００μｍ〜２００μｍである。
また、隣り合うアイランド間の距離は、約０．２ｍｍ〜
１ｍｍである。セル内の場所またはセルによって、この
アイランド間の間隔は、異なっている。たとえば、セル
１３２ａには、図１９（ａ）に示すようなパターンのア
イランドが形成され、セル１３２ｂには、図１９（ｂ）
に示すようなパターンのアイランドが形成される。ｐＨ
モニター用セル１３４を形成するプレート１４２ａ上に
は、電極１４４が形成され、シリコン基板１３１の裏面
にも電極１４５が形成される。図１８に示すように電極
１４４は、Ｔｉ層１４４ａおよびＰｔ層１４４ｂを有す
る二層構造となっている。電極１４４上には、外部との
接続用の端子１４６が設けられる。シリコン基板１３
１、シリコン酸化膜１３５、電極１４４、および電極１
４５によりｐＨセンサー部が構成される。図１６および
１７に示す装置において、ｐＨモニター用セル１３４内
のアイランド１３６は必ずしも必要でない。さらに、シ
リコン基板１３１の裏面で結晶成長用セルに対向する位
置には、必要に応じてセル１３２ａおよび１３２ｂを加
熱するための発熱素子１４７が設けられる。発熱素子
は、溶液を加熱し、結晶の成長を制御する。

【００５３】図２０は、好ましい発熱素子の一具体例を
示す。発熱素子１６４において、基材１６１上には、パ
ッド１６５ａおよび１６５ｂが形成される。パッド１６
５ａと１６５ｂとの間には、コンパクトに折り畳まれた
電熱線１６７が設けられる。パッド１６５ａおよび１６
５ｂならびに電熱線１６７は、基材１６１上に形成され
た薄膜である。基材１６１には、シリコン基板やガラス
基板等を用いることができる。パッド１６５ａおよび１
６５ｂは、アルミニウム、銅等の良導体からなる薄膜で
あり、電熱線１６７は、Ｃｒ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合
金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金等の電熱材料からなる薄膜であ
る。電熱線１６７の隣には、温度測定用の抵抗線１６８
が設けられる。抵抗線１６８の両端には、パッド１６５
ｃおよび１６５ｄが設けられる。パッド１６５ｃおよび
１６５ｄは、アルミニウム、銅などの良導体からなる薄
膜であり、抵抗線１６８は、Ｃｒ、銅マンガン合金、銅
ニッケル合金などの抵抗材料からなる薄膜である。厳密
な温度管理が必要な場合、図２０に示すように電熱線の
隣に温度測定用の抵抗線を設けることが好ましい。たと
えば、電熱線１６７の厚みは、０．１μｍ〜１．０μｍ
であり、パッド１６５ａ〜１６５ｄの厚みは、０．５μ
ｍ〜２．０μｍである。電熱線１６７の幅は、たとえば
５０μｍ〜１００μｍである。一方、発熱素子の温度を
正確に測定するため、抵抗線１６８の熱容量はできるだ
け小さくすることが望ましい。したがって、抵抗線１６
８のサイズは、必要な範囲でできるだけ小さくすること
が望ましい。たとえば抵抗線１６８の幅は、１０μｍ以
下が好ましく、たとえば１〜１０μｍである。抵抗線１
６８の厚みは、０．３μｍ以下が好ましく、たとえば
０．１〜０．３μｍである。

【００５４】図１６に示す装置の基台部は、半導体装置
の一般的な製造プロセスを使用して、シリコンウェーハ
上に一度に多数作製することができる。たとえば、図２
１（ａ）に示すように、まず、シリコンウェーハ１８１
の表面に熱酸化によって約２００ｎｍの厚みのシリコン
酸化膜１８２を形成する。次に、図２１（ｂ）に示すよ
うに、シリコン酸化膜１８２上にスパッタリングまたは
蒸着により厚み約３〜５μｍのアルミニウム膜１８４を
形成する。その後、陽極酸化法を用いてアルミニウム膜
１８４を酸化し、図２１（ｃ）に示すように、アルミナ
層１８６を形成する。このとき得られるアルミナ層１８
６は、微細な凹凸が配列された多孔性の表面を有する。
アルミニウム膜のほぼ全体をアルミナ層に変えてもよい
し、アルミニウム膜の一部をアルミナに変えてもよい。
次いで、図２１（ｄ）に示すように、通常のホトリソグ
ラフィーに従ってアルミナ層１８６上にレジストパター
ン１８５を形成する。通常用いられるレジストをマスク
とするエッチングにより、アイランド部のみを残してア
ルミナ層を除去する。かくして、図２１（ｅ）に示すよ
うに、シリコン酸化膜１８２上に多孔性アルミナのアイ
ランド１８６’が形成される。その後、シリコンウェー
ハを切断（スクライビング）し、得られたチップに電極
１８５および必要に応じ発熱素子１８７を設けて、多数
の基台部を得る（図２１（ｆ））。

【００５５】溶液保持プレートも、一般的なエッチング
技術およびスパッタリング技術を用いて、たとえば図２
２（ａ）〜図２２（ｆ）に示すように作製される。ま
ず、図２２（ａ）に示すように、パイレックスガラス板
１９１の表面に所定のパターンでレジストマスク１９２
を形成する。次いで、フッ酸によるウェットエッチング
またはダイヤモンドブラスト法を行なって貫通孔１９３
ａおよび１９３ｂをガラス板１９１に形成する（図２２
（ｂ））。次に、ｐＨモニタ用セルとなるべき貫通孔１
９３ａ以外の場所をＳＵＳ板のハードマスク１９４ａで
覆い、スパッタリングによってＴｉ／Ｐｔ膜１９５を形
成する（図２２（ｃ））。その後、必要な部分をハード
マスク１９４ｂで覆い、スパッタリングにより接続用の
Ａｕ端子１９６を形成する（図２２（ｄ））。かくし
て、図２２（ｅ）に示すような電極部１９７を有する溶
液保持プレート１９８が得られる。得られたプレート
を、図２１（ａ）〜（ｆ）に示すプロセスにより得られ
た基台部に、陽極接合などにより結合し、図１６に示す
装置が得られる（図２２（ｆ））。

【００５６】図１６に示す装置１３０において、次のよ
うな方法により、タンパク質の結晶を調製する。まず、
結晶成長用セルとｐＨモニター用セルに、目的とするタ
ンパク質が溶解した溶液（母液）をたとえば約３０μｌ
滴下する。溶液中のタンパク質の濃度は１０〜５０ｍｇ
／ｍｌ程度である。最適な濃度は目的とするタンパク質
の種類によって異なる。未知のタンパク質の結晶化を行
なう場合、濃度を変えた複数種の溶液を調製し、それら
について、図１６に示す装置を複数用意し、同時に結晶
成長を行なえばよい。このとき、溶液のｐＨは、タンパ
ク質およびシリコン酸化物の等電位点より高く、アルミ
ナの等電位点よりも低くなるように調整する。溶液のｐ
Ｈの調整は、緩衝溶液の添加により行なう。シリコン酸
化物の等電位点は約２であり、アルミナのそれは約９で
ある。したがって、たとえば、タンパク質の等電位点が
７である場合、溶液のｐＨを約８に調整する。こうすれ
ば、タンパク質およびシリコン酸化膜の表面電位は負と
なり、多孔性アルミナの表面電位は正となる。溶液の最
適なｐＨも、目的とするタンパク質により異なる。した
がって、ｐＨを変えた複数種の溶液を調製し、これらに
ついて同時に結晶化を行なうことが好ましい。また、沈
殿剤用セルに沈殿剤を入れる。沈殿剤には、たとえば１
ＭのＮａＣｌ溶液２ｍｌとｐＨが４．６の標準緩衝溶液
２ｍｌとを混合したものを用いる。

【００５７】図２３に示すように、装置１３０のセルを
透明なガラスの蓋２００で密封し、冷暗所に約１００時
間保管する。タンパク質分子は、静電的な引力により、
アルミナのアイランド部に集められ、固定される。アイ
ランド部でタンパク質の結晶核が形成され、結晶成長が
進む。結晶成長の様子は、透明な蓋の上から顕微鏡によ
り観察される。その際、図２３に示すように、ｐＨモニ
ター用セルの電極にＣ−Ｖメーター２０１を接続し、Ｘ
−Ｙレコーダー２０２でＣ−Ｖ特性を測定する。これに
より、結晶成長中の溶液のｐＨがモニターされる。溶液
のｐＨは、事前に調整してあるものの、結晶成長中に変
化し得る。タンパク質の結晶性は、溶液のｐＨの微妙な
変化に影響され得る。したがって、実際に結晶が成長し
ていく過程においてｐＨの微妙な変化を把握することは
重要である。

【００５８】本発明の装置を結晶成長用（結晶作製用）
装置として適用する場合は、結晶成長用セルを少なくと
も１つ有していればよい。沈殿剤は別の容器に入れて結
晶成長用装置と並べて置けばよく、ｐＨモニターも必ず
しも必要ではない。ただし、同一の基板上に結晶成長用
セル、ｐＨモニター用セル、沈殿剤用セルを作製し、１
チップとした方が、使い勝手がよく好ましい。このよう
な１チップ化した装置は、前述にように半導体装置の一
般的な製造プロセスを用いて容易に作製できる。

【００５９】また、より多い数のセルを有する装置を用
いれば、より多くの条件下（含有するタンパク質の濃度
やｐＨなどの条件を変えた複数種の母液）で、同時に結
晶化の実験を行なうことができる。たとえば、図２４に
示す装置は、この要求に答えることができる。装置２１
０は、９つの結晶成長用セル２１１〜２１９、１つのｐ
Ｈモニター用セル２２１および２つの沈殿剤用セル２３
１および２３２を有する。タンパク質の濃度を変えた複
数種の母液を用いて、結晶化を行うような場合には、装
置２１０のように複数の結晶成長用セルに対してｐＨモ
ニター用セルは１つあればよいが、ｐＨを変えた複数種
の母液を用いる場合には、結晶成長用セルと同数のｐＨ
モニター用セルを有することができる。また、ｐＨをモ
ニターする必要がない場合は、沈殿剤用セルを除いて、
すべてを結晶成長用セルにすることもできる。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、特定の固体表面、特に
多孔性固体表面、に選択的に有機分子を吸着させ、それ
によって、対流の有機分子への影響を低減し、有機分子
の結晶核の形成を安定化させることができる。また本発
明によれば、微結晶の大量生成を抑制または制御するこ
とができ、Ｘ線構造解析を可能にし得る大型の結晶を得
ることができる。さらに本発明によれば、多数の固体表
面を結晶化に用いることによって、あらゆる種類の有機
分子の結晶化に対応することができる。また、本発明で
は、極微量の試料について結晶化を行なうことができ
る。

【００６１】本発明は、製薬産業や食品産業等におい
て、種々の高分子化合物、特に高分子電解質を精製また
は結晶化するために用いることができる。本発明は特
に、酵素および膜タンパク質等のタンパク質、ポリペプ
チド、ペプチド、ポリサッカライド、核酸、ならびにこ
れらの複合体および誘導体等を精製または結晶化させる
ため好ましく適用される。特に本発明は、生体高分子の
精製または結晶化のため好ましく適用される。また本発
明の装置は、生体高分子等を選択的に吸着および固定化
することが可能なため、バイオセンサ、バイオセンサに
よる各種生体組織および生体物質の測定装置への応用等
が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の一具体例を示す概略断面図
である。

【図２】溶液中の２種の固体表面およびタンパク質の表
面電荷が、溶液のｐＨによって変化する様子を示す図で
ある。

【図３】溶液中の２種の固体表面およびタンパク質の表
面電荷が、溶液のｐＨによって変化する様子を示す図で
ある。

【図４】（ａ）および（ｂ）は、本発明による装置にお
いて、多孔性の固体表面に有機分子が吸着および固定さ
れる様子を示す模式図である。

【図５】本発明による装置において、多孔性の固体表面
に有機分子が吸着および固定される様子を示す模式図で
ある。

【図６】本発明による装置の製造に用いられる陽極酸化
の方法を示す模式図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は、本発明による装置におい
て、複数の固体表面が配置されるパターンの例を示す平
面図である。

【図８】（ａ）および（ｂ）は、本発明による装置にお
いて、複数の固体表面が配置されるパターンの例を示す
断面図である。

【図９】本発明に従い、複数の好ましい吸着表面を有す
る装置の一例を示す平面図である。

【図１０】本発明に従い、複数の装置で条件の異なる結
晶化を行なうことを示す図である。

【図１１】本発明による装置のもう一つの例を示す
（ａ）断面図および（ｂ）平面図である。

【図１２】（ａ）〜（ｄ）は、図１１（ａ）および
（ｂ）に示す装置を製造する方法を説明する概略断面図
である。

【図１３】本発明の装置に設けられるｐＨセンサーの一
例を示す概略断面図である。

【図１４】図１３に示すｐＨセンサーで測定される容量
電圧特性の例を示す図である。

【図１５】図１３に示すｐＨセンサーで測定される容量
電圧特性から求められるフラットバンド値と溶液のｐＨ
との関係を示す図である。

【図１６】本発明による装置の他の例を示す斜視図であ
る。

【図１７】図１６に示す装置の断面図である。

【図１８】図１６に示す装置における電極を拡大した断
面図である。

【図１９】（ａ）および（ｂ）は、図１６に示す装置に
おいて結晶成長用セルに設けられるアイランドのパター
ンを拡大して示す平面図である。

【図２０】図１６に示す装置が有する発熱素子の構造を
拡大して示す斜視図である。

【図２１】（ａ）〜（ｆ）は、図１６に示す装置の基台
部を製造する方法を示す概略断面図である。

【図２２】（ａ）〜（ｆ）は、図１６に示す装置の溶液
保持プレートを製造する方法を示す概略断面図である。

【図２３】図１６に示す装置においてｐＨを測定する流
れを示す模式図である。

【図２４】本発明による装置のさらなる例を示す平面図
である。

【図２５】（ａ）および（ｂ）は、従来の結晶成長法を
示す模式図である。

【符号の説明】

１１第１の固体１１ａ第１の表面１２第２の固体１２ａ第２の表面１３有機分子１４溶液

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶液中に含まれる帯電した有機分子を前
記溶液から分離するための装置であって、金属、半導体およびそれらの化合物よりなる群から選ば
れた互いに実質的に異なる材料からなる複数種の固体表
面を備え、前記複数種の固体表面は、同時に前記溶液に接触するよ
う配置されており、前記複数種の固体表面のうち少なくとも１種は多孔性で
あり、かつ前記複数種の固体表面は、前記溶液と接触す
るとき、互いに異なる表面電位またはゼータ電位を有す
るものであり、それにより、前記複数種の固体表面のいずれかに、前記有機分子をよ
り強く静電的に吸着させるようになっていることを特徴
とする、有機分子の分離装置。
【請求項２】前記多孔性の固体表面は、残りの固体表
面と異なる表面電位またはゼータ電位を有し、かつ前記
多孔性の固体表面に、前記有機分子をより強く静電的に
吸着させるようになっていることを特徴とする、請求項
１に記載の装置。
【請求項３】前記多孔性の固体表面は、前記有機分子
のサイズと略同等またはそれ以下の孔径を有する孔を主
として有することを特徴とする、請求項１または２に記
載の装置。
【請求項４】前記多孔性の固体表面は、アルミナから
なることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に
記載の装置。
【請求項５】前記複数種の固体表面上で前記溶液を保
持するための囲い壁を有することを特徴とする、請求項
１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】前記複数種の固体表面は、所定の領域に
おいて互いに隣合うよう配置され、かつ前記所定の領域
において、前記有機分子をより強く静電的に吸着させる
固体表面が占める面積は、残りの固体表面が占める面積
以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか
１項に記載の装置。
【請求項７】前記複数種の固体表面は、同一の半導体
基板上に形成されており、前記複数種の固体表面は、当該半導体基板の表面または
当該半導体基板表面に形成された半導体化合物膜もしく
は金属化合物膜の表面からなる第１の表面と、前記第１
の表面上の所定の領域に形成される半導体化合物のアイ
ランドまたは金属化合物のアイランドの表面からなる多
孔性の第２の表面とを含み、かつ前記第１の表面および
前記第２の表面は、前記溶液と接触するとき、互いに異
なる表面電位またはゼータ電位を有するものであり、そ
れにより、前記第２の表面に前記有機分子をより強く静
電的に吸着させるようになっていることを特徴とする、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】前記半導体基板がシリコン基板であり、
前記第２の表面がアルミナで形成されていることを特徴
とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】前記有機分子を含む溶液のｐＨを測定す
るための手段をさらに備えることを特徴とする、請求項
１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】前記ｐＨ測定手段は、半導体層と、前記半導体層上に形成される絶縁層と、前記溶液を前記絶縁層上で保持するための囲い壁と、前記溶液に接触するように前記囲い壁に設けられる金属
電極とを備えることを特徴とする、請求項９に記載の装
置。
【請求項１１】前記複数種の固体表面および前記ｐＨ
測定手段は、同一の半導体基板上に形成されており、前記ｐＨ測定手段における前記半導体層は、前記半導体
基板の一部であり、前記複数種の固体表面は、当該半導体基板の表面または
当該半導体基板表面に形成された半導体化合物膜もしく
は金属化合物膜の表面からなる第１の表面と、前記第１
の表面上の所定の領域に形成される半導体化合物のアイ
ランドまたは金属化合物のアイランドの表面からなる多
孔性の第２の表面とを含み、かつ前記第１の表面および
前記第２の表面は、前記溶液と接触するとき、互いに異
なる表面電位またはゼータ電位を有するものであり、そ
れにより、前記第２の表面に前記有機分子をより強く静
電的に吸着させるようになっていることを特徴とする、
請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】前記半導体基板がシリコン基板であ
り、前記第２の表面がアルミナで形成されていることを
特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】前記複数の固体表面を与える材料は、
積層構造を有し、前記積層構造において、上層に位置する材料は、下層に
位置する材料上の複数の位置に、間隔をあけて設けられ
ていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１
項に記載の装置。
【請求項１４】溶液中に含まれる帯電した有機分子を
前記溶液から分離するための方法であって、前記有機分子を含み、かつ前記有機分子の等電点以外の
ｐＨを有する溶液を、請求項１〜１３のいずれか１項に
記載される装置の前記複数種の固体表面に接触させる工
程を備えることを特徴とする、有機分子の分離方法。
【請求項１５】前記有機分子を含む溶液のｐＨは、前
記複数の固体表面のうち少なくとも１つに前記有機分子
と逆の極性の表面電位またはゼータ電位をもたらすもの
であり、かつ残りの固体表面に前記有機分子と同じ極性
の表面電位またはゼータ電位をもたらすものであること
を特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】溶液中に含まれる帯電した有機分子の
結晶を作製する方法であって、前記有機分子を含み、かつ前記有機分子の等電点以外の
ｐＨを有する溶液を、請求項１〜１３のいずれか１項に
記載される装置の前記複数種の固体表面に接触させる工
程と、前記装置を沈殿剤と共に密封して、前記複数種の固体表
面に前記溶液が接触している状態を所定時間維持する工
程とを備えることを特徴とする、有機分子の結晶作製方
法。
【請求項１７】前記有機分子を含む溶液のｐＨは、前
記複数種の固体表面のうち少なくとも１つに前記有機分
子と逆の極性の表面電位またはゼータ電位をもたらすも
のであり、かつ残りの固体表面に前記有機分子と同じ極
性の表面電位またはゼータ電位をもたらすものであるこ
とを特徴とする、請求項１６に記載の方法。