JP2001322900A

JP2001322900A - 結晶成長装置

Info

Publication number: JP2001322900A
Application number: JP2000140192A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Inoue; 茂井上; Akira Miki; 明三城; Koji Akioka; 幸司秋岡
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2001-11-20
Also published as: WO2001086037A1

Abstract

(57)【要約】【課題】生体高分子の結晶化を助長できる装置を提供
する。【解決手段】結晶成長用装置１０は、溶液１４接触す
る固体材料１２と、溶液１４および固体材料１２に対
し、溶液１４から固体材料１２への方向またはその逆方
向の電界を印加するための電極１１ａおよび１１ｂとを
備える。固体材料１２は、誘電体を介して溶液１４に接
触する第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂを少なくと
も有する。電極１１ａおよび１１ｂを介して所定の電界
を印加したとき、第１領域１２ａの誘電体に生じる電荷
密度と、第２領域１２ｂの誘電体に生じる電荷密度と
は、異なっている。したがって、電圧印加時、第１領域
１２ａまたは第２領域１２ｂのいずれかにより高い電荷
が生じ、溶液１４中で荷電した生体高分子は、より高い
電荷密度を有する領域に選択的に吸着され、結晶化す
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、必要な物質の結晶
を成長させるための装置に関し、特に、タンパク質、酵
素等の種々の生体高分子の結晶化に適用される装置に関
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１（ａ）および図１（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１（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１（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。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
析の分野でのボトルネックとなっている。

【０００５】本発明の目的は、生体高分子の結晶化を助
長できる装置を提供することである。

【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、核形成を制御できる装置を提供すること
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装置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装置を提供するこ
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
含まれる生体高分子の結晶を成長させるための装置が提
供される。該装置は、溶液に接触させて、結晶を成長さ
せるための表面を有する固体部材と、該溶液およびそれ
に接触する固体部材に、該溶液から該固体部材への方向
または該固体部材から該溶液への方向の電界をかけるた
めの手段とを備える。本発明による装置において、固体
部材の少なくとも溶液に接触する部分は誘電体で形成さ
れている。固体部材は、その誘電体を介して溶液に接触
しかつ互いに隣合う、第１領域および第２領域を少なく
とも有し、電界をかけるための手段を介して所定の電界
をかけたとき、第１領域の単位面積当たりの静電容量と
第２領域の単位面積当たりの静電容量とが異なってお
り、それによって、第１領域の表面または第２領域の表
面のいずれか一方で他方よりも結晶の成長が促進され
る。

【００１１】本発明による装置において、固体部材は、
複数種の誘電体からなることができ、第１領域の誘電体
と第２領域の誘電体とは、互いに異なる比誘電率を有す
ることができる。

【００１２】また、本発明による装置において、固体部
材は、半導体と１種または２種以上の誘電体との組合せ
とすることができ、誘電体は、半導体上に積層すること
ができる。この場合、１種の半導体上に２種以上の誘電
体を積層してもよく、第１領域の誘電体と第２領域の誘
電体とは、互いに異なる比誘電率を有するものとするこ
とができる。

【００１３】さらに本発明による装置において、固体部
材は、導電型の異なる半導体と１種または２種以上の誘
電体との組合せとすることができ、誘電体は半導体上に
積層することができる。この場合、第１領域を形成する
半導体と第２領域を形成する半導体は、互いに異なる導
電型とすることができる。

【００１４】好ましい態様において、本発明による装置
は、第１領域および第２領域上に溶液を保持するため、
固体部材上に形成される電気絶縁性の囲い壁をさらに備
える。

【００１５】また、本発明による装置は、第１領域およ
び第２領域のいずれか一方が他方より、溶液に対して突
出する構造を有することができる。

【００１６】本発明による装置において、典型的に、電
界をかけるための手段は、溶液および固体部材にそれぞ
れ接触する一対の電極からなる。

【００１７】好ましい態様において、本発明による装置
は、溶液中に含まれる生体高分子の結晶を成長させるた
めの装置であって、溶液に接触させて、結晶を成長させ
る表面を有する固体部材と、固体部材の表面に溶液を保
持するために、固体部材上に設けられた囲い壁と、囲い
壁に取り付けられた電極とを備え、固体部材の少なくと
も囲い壁で取り囲まれた部分は誘電体で形成されてお
り、誘電体は、第１の誘電体と第２の誘電体を少なくと
も有し、第１の誘電体と前記第２の誘電体は互いに異な
る比誘電率を有していることを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】図２に本発明による装置の一例を
示す。結晶成長装置１０は、対抗する一対の電極１１ａ
および１１ｂ、ならびに電極１１ａ上に設けられる固体
部材１２を有する。必要に応じて装置１０は、固体部材
１２上で結晶化すべき生体高分子を含む溶液１４の流れ
を確実にせき止めるための構造物１５を有し、構造物１
５は、電気絶縁材料からなる。構造物１５は、典型的に
は、固体部材１２上に形成される電気絶縁性の囲い壁で
ある。電極１１ｂは、固体部材１２上に保持された溶液
１４に接触する。電極１１ａと１１ｂとの間に電圧を印
加することで、電界が生じる。電界の方向は、溶液１４
から固体部材１２への方向、またはその逆方向である。

【００１９】装置１０において固体部材１２は、第１領
域１２ａとそれに隣接する第２領域１２ｂとを有する。
第１領域１２ａは、その溶液１４と接触する表面の面積
が第２領域１２ｂのそれよりも狭く、第２領域１２ｂに
取囲まれるように配置されている。第１領域１２ａは第
１の誘電体からなり、第２領域１２ｂは第１の誘電体と
異なる比誘電率を有する第２の誘電体からなる。したが
って、第１領域１２ａにおける単位面積当たりの静電容
量と第２領域１２ｂにおける単位面積当たりの静電容量
は異なる。装置１０において、第１領域１２ａの表面
は、溶液１４と接触する固体部材１２の表面のうち、蛋
白質等の生体高分子をより強い電気的作用で凝集させ、
より強く吸着させる領域となる。第２領域１２ｂの表面
は、蛋白質等の生体高分子をあまり吸着させない領域と
なる。これは、以下に説明するように、第１領域の単位
面積当たりの静電容量を第２領域の単位面積当たりの静
電容量より大きくすることによって、具体的には、第１
の誘電体の比誘電率を第２の誘電体の比誘電率より大き
くすることによって実現される。

【００２０】第１の誘電体の単位面積当たりの静電容量
をＣ１、その比誘電率をε１とし、第２の誘電体の単位
面積当たりの静電容量をＣ２、その比誘電率をε２とす
る。また、第１の誘電体と第２の誘電体は同じ厚みを有
する。この時、印加電圧Ｖｇの値の関わらず、次の関係
が成立する。Ｃ１＝（ε１／ε２）Ｃ２各領域で単位面積当たりの静電容量が異なる場合、電圧
を印加すれば各領域に生じる電荷密度も異なる。図２に
示す装置１０の場合、ε１がε２よりも十分に大きくな
るよう材料を選択して第１の誘電体および第２の誘電体
を形成すると、Ｃ１はＣ２よりも十分に大きくなる。し
たがって、図２に示す装置１０において所定の電圧Ｖｇ
を電極１１ａと１１ｂとの間に印加すれば、たとえば図
３に模式的に示すように、第２領域１２ｂの表面より十
分に高い密度の電荷を、第１領域１２ａの表面に生じさ
せることができる。図３に模式的に示すように、溶液１
４に含まれる結晶化すべき生体高分子１６（たとえばタ
ンパク質）が負に荷電している場合、電極１１ａが正、
電極１１ｂが負となるように電圧Ｖｇを選定すること
で、第１領域１２ａの表面に高い密度の正の電荷を発生
させて、その上に選択的に分子１６を吸着させることが
できると考えられる。この選択的な吸着によって第１領
域１２ａ上で、結晶核を形成させ、結晶の成長を進める
ことができる。結晶化すべき生体高分子が正に荷電して
いるならば、逆方向の電界をかけ、第１領域１２ａに高
い密度の負の電荷を発生させればよい。このように、本
発明による装置では、電圧をかけることにより、積極的
に、第１領域に生じる電荷密度と第２領域に生じる電荷
密度を異ならしめ、帯電した生体高分子を特定の領域に
吸着、集合させることができる。

【００２１】本発明において、第１領域および第２領域
は、それぞれ複数の材料から形成されていてもよい。こ
の場合も、第１領域の単位面積当たりの電気容量と第２
領域の単位面積当たりの電気容量を異ならせることで、
各領域に生じる電荷密度を異ならせることができる。

【００２２】たとえば、各領域が誘電体と半導体の組合
せからなる場合、第１領域の静電容量Ｃ１は、誘電体の
容量Ｃｄ１と誘電体近傍の半導体の容量(空乏層の容量)
Ｃｓ１を直列接続した合成容量として求めることができ
る。第２領域の静電容量Ｃ２についても同様に誘電体の
容量Ｃｄ２と半導体の容量Ｃｓ２の合成容量としてとし
て求めることができる。

【００２３】Ｃ１=１／（１／Ｃｄ１＋１／Ｃｓ１) Ｃ２=１／（１／Ｃｄ２＋１／Ｃｓ２) 第１および第２領域とも同じ半導体を用いる一方、第１
領域の誘電体と第２領域の誘電体とを異なる材質で形成
すれば、各領域の合成容量は異なる。これにより、電圧
を印加した際の第１領域におけるＣ−Ｖ特性と第２領域
におけるＣ−Ｖ特性とを異ならせることができる。そし
て、当該印加電圧を適当に調整することにより、第１領
域の単位面積当たりの静電容量Ｃ１と第２領域の単位面
積当たりの静電容量Ｃ２とを異ならせることができる
し、その異なる度合いも調整することができる。

【００２４】半導体を用いた本発明による装置の具体例
を図４に示す。結晶成長装置４０は、シリコン基板等の
半導体基板４２、その上に形成された第１の誘電体層４
３ａおよび第２の誘電体層４３ｂ、ならびに両誘電体層
４３ａおよび４３ｂ上に保持される溶液４４に接触する
電極４１を有する。隣合う第１の誘電体層４３ａと第２
の誘電体層４３ｂは、ほぼ同じ高さで、同じ基板４２上
に設けられている。必要に応じて装置４０は、第１の誘
電体層４３ａと第２の誘電体層４３ｂ上で結晶化すべき
生体高分子を含む溶液４４の流れを確実にせき止めるた
めの構造物４５を有し、構造物４５は、電気絶縁材料か
らなる。構造物４５は、典型的には、電気絶縁性の囲い
壁である。半導体基板４２は、電極としての機能も有
し、半導体４２と電極４１との間に電圧を印加すること
で、電界が生じる。電界の方向は、溶液４４から半導体
基板４２への方向、またはその逆方向である。

【００２５】装置４０において、第１の誘電体層４３ａ
およびその下の半導体基板４２の部分によって第１領域
４６ａが形成され、第２の誘電体層４３ｂおよびその下
の半導体基板４２の部分によって第２領域４６ｂが形成
される。第１領域４６ａは、その溶液４４と接触する表
面の面積が第２領域４６ｂのそれよりも狭く、第２領域
４６ｂに取囲まれるように配置されている。第１の誘電
体層４３ａと第２の誘電体層４３ｂとは、異なる比誘電
率を有するため、所定の電圧が印加されるとき、後述す
るように、第１領域の単位面積当たりの静電容量Ｃ１と
第２領域の単位面積当たりの静電容量Ｃ２とは異なり、
またＣ１およびＣ２の値は印加電圧により変化する。装
置４０において、第１領域４６ａの表面は、蛋白質等の
生体高分子をより強い電気的作用で凝集させ、より強く
吸着させる領域となる。第２領域４６ｂの表面は、蛋白
質等の生体高分子をあまり吸着させない領域となる。こ
れは、第１の誘電体層４３ａの比誘電率を第２の誘電体
層４３ｂの比誘電率より大きくすることによって実現さ
れる。

【００２６】装置４０上にたとえばタンパク質溶液（電
解溶液）を保持させ、該溶液と基板裏面間に電圧Ｖgを
かける。第１の誘電体層の単面積当たりの静電容量をＣ
ｄ１、その比誘電率をε１、第２の誘電体層の単位面積
当たりの静電容量をＣｄ２、その比誘電率をε２とする
と、Ｃｄ２=（ε２/ε１）Ｃｄ１となる。また、半導体
基板をｎ型シリコン基板とすると、第１領域のＣ１-Ｖ
特性、第２領域のＣ２-Ｖ特性は、たとえば図５に示す
ようになる。この場合、Ｃ１は、第１領域の誘電体層の
容量Ｃｄ１と第１領域に存在する半導体の容量Ｃｓ１の
合成容量であり、Ｃ２は、第２領域の誘電体層の容量Ｃ
ｄ２と第２領域に存在する半導体の容量Ｃｓ２の合成容
量である。半導体の容量は、当該半導体の誘電体近傍に
生じる空乏層の状態（空乏層の幅）が印加される電圧の
値に応じて変化するため、印加電圧により変化する。そ
のため、図５に示すように、第１領域の合成容量および
第２領域の合成容量は、種々の電圧に対して一定ではな
く、変化する。このように、誘電体と半導体とを組合せ
れば、電圧の値に応じて容量が変化し得る領域を形成す
ることができる。

【００２７】図５において、Ｖｇ＜Ｖ１またはＶ３＜Ｖ
ｇでは、第１領域の合成容量Ｃ１は第１領域の誘電体層
容量Ｃｄ１に近似的に等しくなる。同様に、Ｖｇ＜Ｖ０
またはＶ２＜Ｖｇでは、第２領域の合成容量Ｃ２は第２
領域の誘電体層容量Ｃｄ２に近似的に等しくなる。従っ
て、Ｖｇ＜Ｖ０またはＶ３＜Ｖｇでは、両領域間の容量
差は、誘電体層間の容量差に等しくなる。一方、Ｖ０≦
Ｖｇ≦Ｖ３では、Ｖｇの値に応じて、両領域間の容量差
を調整することができる。たとえば、Ｖg＝Ｖaでは両領
域間の容量差が最大となり、Ｖg＝Ｖbでは両領域間の容
量差が最小となる。このようにして、それぞれの領域の
表面に生じる電荷密度を異ならせることができ、しか
も、印加する電圧を適当な範囲で調整することにより、
第１領域と第２領域との間の電荷密度差を調整できる。
半導体と誘電体とを組合せれば、電圧の変化によって容
量を変化させ、両領域間の電荷密度の差を変化させるこ
とができる。このことは、同一の装置で、結晶化の条件
を変化させ、より適当な結晶化条件を選択できることに
つながる。

【００２８】本発明による装置では、図６に示すように
半導体基板等の基板６０上に同じ高さで異なる誘電体層
６１および６２を形成してもよいし、図７に示すように
第１領域を形成する誘電体層７２が第２領域を形成する
誘電体層７１から突出するように形成してもよい。ただ
し、静電容量は、誘電体の比誘電率に比例するとともに
誘電体の厚さに反比例するため、第１領域の単位面積当
たりの静電容量が第２領域のそれよりも十分に大きくな
るようにするためには、誘電率だけでなく厚さも適当に
選定する必要がある。

【００２９】また本発明による装置では、図８または図
９に示すように、第１領域の半導体の導電型と第２領域
の半導体の導電型を異ならせてもよい。装置８０では、
ｎ型シリコン基板８１の一部にｐ型シリコンからなる領
域８３が形成され、それらの上に誘電体層８２が形成さ
れている。第１の領域８６ａは、ｐ型Ｓｉとその上の誘
電体層８２の部分とｐ型Ｓｉの下のｎ型Ｓｉの部分から
なり、第２の領域８６ｂは、それ以外のｎ型Ｓｉの部分
とその上の誘電体層８２の部分からなる。第１および第
２の領域とも同じ誘電体を用いている。装置８０では、
基板８１内に両導電型の領域が形成され、それらが誘電
体層８２で覆われている。一方、装置９０において、第
１の領域９６ａは突出した形状を有する。ｎ型シリコン
基板９１上には、ｐ型シリコンからなる凸部９３が形成
され、それらは誘電体層９２で覆われている。第１の領
域９６ａは、ｐ型Ｓｉとその上の誘電体層９２の部分と
ｐ型Ｓｉの下のｎ型Ｓｉの部分からなり、第２の領域９
６ｂは、それ以外のｎ型Ｓｉの部分とその上の誘電体層
９２の部分からなる。第１および第２の領域とも同じ誘
電体を用いている。第１の領域は、第２の領域から突出
した構造を有する。これらの構造は、イオン注入、リソ
グラフィー等、半導体集積回路の製造プロセスに使用さ
れる通常の技法によって容易に形成することができる。

【００３０】図８および図９に示す装置でも、第１領域
でのＣ１−Ｖ特性は、第２領域でのＣ２−Ｖ特性と異な
る。これは、両領域間で、半導体の導電型が異なってい
るからである。したがって、前述の誘電体の材質を変え
たときと同様、溶液と基板裏面との間に電圧を印加した
際、その電圧の値を適当に選定することにより、第１領
域の単位面積当たりの静電容量と第２領域の単位面積当
たりの静電容量とを異ならせることができ、その結果、
第１領域の表面に生じる電荷密度と第２領域の表面に生
じる電荷密度を異ならせることができる。

【００３１】本発明による装置に印加する電圧は、溶液
に接触する電極の極性が溶液中に含まれる結晶化すべき
生体高分子の帯電極性と同極性になるような、直流電圧
が望ましい。たとえば、溶液中の結晶化すべきタンパク
質分子が負に帯電する場合、溶液に接触する電極には負
の電圧を印加する。そして、第１領域の単位面積当たり
の静電容量が第２領域の単位面積当たりの静電容量に比
べ大きくなるように各領域の誘電体の種類、厚さおよび
印加電圧を選定する。このように選定することで、図１
０に模式的に示すように、第１領域１０２の表面に生じ
る電荷密度は第２領域の表面に生じる電荷密度に比べ大
きくなり、電気的作用によりタンパク質分子１０４を第
１領域の表面により強く凝集させ、吸着させることがで
きると考えられる。電圧の大きさは、半導体基板を有す
る装置の場合には、たとえば、図５に示すＶ０〜Ｖ３の
範囲で選定することが望ましい。たとえば、-１５Ｖ〜
０Ｖの範囲で選定することができる。逆に、電極１０１
に印加する電圧の極性が溶液中のタンパク質の帯電極性
と異極性であると、図１１に模式的に示すように、タン
パク質分子１０４が電極１０１側に移動し、第１領域１
０２にタンパク質分子１０４を凝集できなくなると考え
られる。

【００３２】また、印加する電圧は、正または負の直流
電圧をバイアスした交流電圧とすることもできる。

【００３３】電圧は、適当な強さで必要な時間、印加す
ることができる。電圧は結晶核が形成されるまで印加
し、核形成後は電圧の印加を停止してもよい。

【００３４】生体高分子溶液を基板上に保持し、その溶
液に電極を接触させるには、図２または４に示すよう
に、溶液の流れをせき止める構造物（ダム）を作り、該
構造物内を溶液で満たした後、該構造物に蓋をするよう
に電極を配置できる。その代わりに、電極の一部に孔を
設けておき、電極を該構造物上に載置した後、当該孔か
ら生体高分子溶液を電極に接触するまで供給してもよ
い。一方、生体高分子溶液を基板上に表面張力により保
持し、その溶液に接触するように電極を保持してもよ
い。

【００３５】作業性を考慮すると、図１２（ａ）に示す
ように、第１領域１２６ａの表面と第２領域１２６ｂの
表面を取り囲むように電気絶縁性の囲い壁１２５を設
け、囲い壁１２５の内面に溶液１２４に接触する電極１
２１を取り付けた構造が好ましい。装置１２０におい
て、半導体基板１２２上の大部分には第２の誘電体膜１
２３ｂが形成されており、一部分にのみ第１の誘電体膜
１２３ａが所定のパターンで形成されている。第１の誘
電体膜１２３ａは第２の誘電体膜１２３ｂの表面から突
出するように（凸部を有するように）形成されている。
第２の誘電体膜１２３ｂ上には、電気絶縁材料からなる
囲い壁１２５が形成され、囲い壁１２５上に溶液１２４
と接触する電極１２１が設けられる。さらに、半導体基
板１２２の裏面にも、電源との接続用の電極１２７が配
置されている。これらの電極１２１および１２７は、一
般的な半導体集積回路の製造技術であるスパッタリング
法などを用いて形成することができる。電極１２１は、
たとえば、図１２（ｂ）に示すように、厚さ約１００ｎ
ｍのＣｒ層１２１ａおよび厚さ約２００ｎｍのＰｔ層１
２１ｂからなる２層構造とすることができる。また、電
極１２７は、たとえば図１２（ｃ）に示すように、厚さ
約５０ｎｍのＴｉ層１２７ａ、厚さ約３００ｎｍのＣｕ
層１２７ｂ、厚さ約５０ｎｍのＡｕ層１２７ｃからなる
３層構造とすることができる。

【００３６】また、成長した生体高分子の結晶の取り出
し易さの観点から、第１領域は、図７、９または１２に
示すように凸部を有することが好ましい。凸部上に結晶
を成長させれば、比較的面積の小さい凸部の上面から容
易に結晶を分離し、回収することができる。特に、凸部
は生体高分子の結晶がはみ出して成長するような幅を有
することが望ましい。すなわち、凸部の幅は得るべき結
晶の径より小さいことが望ましい。

【００３７】たとえば、図１３に示すように、本発明に
よる装置において、生体高分子を強く静電吸着させるべ
き表面１３２ａは、突出した部分に与えることが好まし
い。図１３に示すように、凸部は、生体高分子が吸着し
にくい表面１３２ｂからせり出すように設けられる。凸
部上には、有機分子を吸着すべき表面が与えられる。通
常、この表面は凸部の頂上に与えられる。加えて、図１
３に示すように、表面１３２ａは、生体高分子の結晶１
３４が表面１３２ａをはみ出して成長できるような幅ｄ
₁を有することが好ましい。すなわち、幅ｄ₁は、形成す
べき結晶のサイズ（径）Ｄ₁より狭いものである。凸部
表面の幅をこのように設定することによって、成長した
結晶と凸部表面との接触面積は制限される。こうして、
凸部表面の結晶に対する吸着力を制限し、成長した結晶
を取り出しやすくしている。幅ｄ ₁は、結晶化すべき分
子種に応じて適当な範囲に設定される。たとえば、タン
パク質の場合、約０．２〜約０．５ｍｍの径を有する結
晶が一般にＸ線結晶構造解析に適しているため、その径
より小さい幅、たとえば１０〜２００μｍの幅が好まし
く、１０〜１００μｍの幅がより好ましい。

【００３８】本発明による装置において、結晶化を抑制
すべき領域（第２領域）と結晶化を促進すべき領域（第
１領域）の配置パターンは、任意である。たとえば、図
１４に示すように、第１領域１４１が第２領域１４２に
囲まれるような配置は好ましく使用される。そのほか、
図１５に示すように、第２領域１５２に対し、所定の幅
を有する複数の第１領域１５１を所定の間隔をあけて配
置してもよいし、図１６に示すように、第２領域１６２
に対し、所定の形状および面積を有する第１領域１６１
を、所定の間隔をあけてマトリクス状に配置してもよ
い。いずれの場合も、第２領域１４２、１５２、１６２
の表面は、第１領域１４１、１５１、１６１の表面より
顕著に広い。

【００３９】これらの構造は、成膜技術、フォトリソグ
ラフィー技術、エッチング技術など一般的な半導体集積
回路の製造技術を用いて形成できる。

【００４０】本発明に使用される誘電体には、たとえ
ば、酸化アルミニウム（α−Ａｌ₂Ｏ₃、γ−Ａｌ
₂Ｏ₃）、酸化チタン、酸化銅などの金属酸化物、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、ＷＳｉＮなどの金属窒化物、酸化シ
リコン、窒化シリコンなどの半導体化合物（酸化物、窒
化物）などがある。本発明に使用される好ましい半導体
には、シリコン、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウ
ム・リン（ＧａＰ）などがある。

【００４１】たとえば、図１２に示す装置において、基
板表面の大部分を被う第２の誘電体膜にＳｉＯ₂を用い
ることができ、凸部を形成する第１の誘電体膜にＳｉ₃
Ｎ₄やＡｌ₂Ｏ₃を用いることができる。ＳｉＯ₂の比誘電
率は約３.９、Ｓｉ₃Ｎ₄の比誘電率は約７.５、Ａｌ₂Ｏ₃
の比誘電率は約９.５である。

【００４２】図２、図４、図１２で示されるような本発
明による装置を用いてタンパク質の結晶を成長させるに
は、目的とするタンパク質が溶解した溶液を装置の所定
の場所（ダムまたは囲い壁の内側）に供給、貯留し、溶
液と電極が接触する状態を保ち、装置全体を沈殿剤とと
もにガラス製の容器などで密封し、冷暗所に結晶が十分
な大きさに成長するまで保管する。たとえば、約１００
時間程度保管する。この際、適当な強さの電圧を必要な
時間、装置の電極間に印加する。たとえば、結晶核が形
成されるまで電圧を印加する。結晶が成長する様子は、
ガラス製の密閉容器の上から顕微鏡により観察できる。

【００４３】沈殿剤は、別の容器に入れて本発明の装置
とともに密封してもよいし、図１７に示すように半導体
基板１７１に沈殿剤を貯留するための貯留部１７２を形
成し、そこに沈殿剤１７３を貯留して表面全体をガラス
製の蓋１７４で覆ってもよい。このような貯留部はシリ
コン基板をＫＯＨエッチング液などで異方性ウェットエ
ッチングすることで容易に作製できる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、固体部材の特定の領域
表面に選択的に生体高分子を電気的作用により吸着さ
せ、それによって、対流の生体高分子への影響を低減
し、生体高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、印加する電圧を変化させる
ことにより、結晶化の条件を容易に変化させることがで
きる。

【００４５】本発明は、製薬産業や食品産業等におい
て、種々の生体高分子、特に生体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。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）および（ｂ）は、従来の結晶成長装置
を示す模式図である。

【図２】本発明による装置の具体例を示す概略断面図
である。

【図３】図２に示す装置において結晶化すべき生体高
分子が第１領域に集まっていく様子を示す模式図であ
る。

【図４】本発明による装置のもう一つの具体例を示す
概略断面図である。

【図５】図４に示す装置について、容量と電圧の関係
を示す図である。

【図６】本発明による装置の固体部材を示す概略断面
図である。

【図７】本発明による装置のもう一つの固体部材を示
す概略断面図である。

【図８】本発明による装置のさらなる固体部材を示す
概略断面図である。

【図９】本発明による装置の他の固体部材を示す概略
断面図である。

【図１０】本発明による装置において結晶化すべき生
体高分子が突出した第１の領域に集まっていく様子を示
す模式図である。

【図１１】本発明による装置において結晶化すべき生
体高分子が電極に引き付けられる様子を示す模式図であ
る。

【図１２】（ａ）は本発明による装置の他の具体例を
示す概略断面図であり、（ｂ）および（ｃ）は該装置が
有する電極の概略断面図である。

【図１３】本発明による装置において幅の狭くされた
第１領域で結晶が成長する様子を示す模式図である。

【図１４】本発明による装置において用いられる第１
および第２領域のパターンを示す模式図である。

【図１５】本発明による装置において用いられる第１
および第２領域のもう一つのパターンを示す模式図であ
る。

【図１６】本発明による装置において用いられる第１
および第２領域の他のパターンを示す模式図である。

【図１７】本発明による装置のさらなる具体例を示す
概略断面図である。

【符号の説明】

１０，４０，８０，９０，１２０，１７０結晶成長用
装置、１１ａ，１１ｂ，４１，１０１，１２１ａ，１２
１ｂ，１７４ａ，１７４ｂ，１７４ｃ，２２５電極、１
２ａ，４６ａ，９６ａ，１０２，１２６ａ，１４１，１
５１，１６１第１領域、１２ｂ，４６ｂ，９６ｂ，１２
６ｂ，１４２，１５２，１６２第２領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者秋岡幸司兵庫県尼崎市扶桑町１番８号住友金属工業株式会社エレクトロニクス技術研究所内Ｆターム(参考） 4G077 AA01 BF05 CB10 EG30 EJ01 HA20 4H045 AA20 GA40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶液中に含まれる生体高分子の結晶を成
長させるための装置であって、前記溶液に接触させて、結晶を成長させる表面を有する
固体部材と、前記溶液およびそれに接触する前記固体部材に、前記溶
液から前記固体部材への方向または前記固体部材から前
記溶液への方向の電界をかけるための手段とを備え、前記固体部材の少なくとも前記溶液に接触する部分は誘
電体で形成されており、前記固体部材は、前記誘電体を介して前記溶液に接触し
かつ互いに隣合う、第１領域および第２領域を少なくと
も有し、前記電界をかけるための手段を介して所定の電界をかけ
たとき、前記第１領域の単位面積当たりの静電容量と前
記第２領域の単位面積当たりの静電容量とが異なってお
り、それによって、前記第１領域の表面または前記第２
領域の表面のいずれか一方で他方よりも前記結晶の成長
が促進される、結晶成長装置。
【請求項２】前記固体部材は、複数種の誘電体からな
り、前記第１領域の誘電体と前記第２領域の誘電体とは、互
いに異なる比誘電率を有する、請求項１に記載の結晶成
長装置。
【請求項３】前記固体部材は、半導体と１種または２
種以上の誘電体との組合せであり、前記誘電体は、前記半導体上に積層されている、請求項
１に記載の結晶成長装置。
【請求項４】１種の半導体上に２種以上の誘電体が積
層されており、前記第１領域の誘電体と前記第２領域の誘電体とは、互
いに異なる比誘電率を有する、請求項３に記載の結晶成
長装置。
【請求項５】前記固体部材は、導電型の異なる半導体
と１種または２種以上の誘電体との組合せであり、前記誘電体は前記半導体上に積層されており、前記第１領域を形成する半導体と前記第２領域を形成す
る半導体は、互いに異なる導電型である、請求項１に記
載の結晶成長装置。
【請求項６】前記第１領域および前記第２領域上に前
記溶液を保持するため、前記固体部材上に形成される電
気絶縁性の囲い壁をさらに備える、請求項１〜５のいず
れか１項に記載の結晶成長装置。
【請求項７】前記第１領域および前記第２領域のいず
れか一方が他方より、前記溶液に対して突出する構造を
有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の結晶成長
装置。
【請求項８】前記電界をかけるための手段が、前記溶
液および前記固体部材にそれぞれ接触する一対の電極か
らなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の結晶成長
装置。
【請求項９】溶液中に含まれる生体高分子の結晶を成
長させるための装置であって、前記溶液に接触させて、結晶を成長させる表面を有する
固体部材と、前記固体部材の表面に前記溶液を保持するために、前記
固体部材上に設けられた囲い壁と、前記囲い壁に取り付けられた電極とを備え、前記固体部材の少なくとも前記囲い壁で取り囲まれた部
分は誘電体で形成されており、前記誘電体は、第１の誘電体と第２の誘電体を少なくと
も有し、前記第１の誘電体と前記第２の誘電体は互いに異なる比
誘電率を有していることを特徴とする、結晶成長装置。