JP3146984B2 - Crystal growth method, crystal growth solid state element and crystal growth apparatus - Google Patents

Crystal growth method, crystal growth solid state element and crystal growth apparatus

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JP3146984B2 JP18660096A JP18660096A JP3146984B2 JP 3146984 B2 JP3146984 B2 JP 3146984B2 JP 18660096 A JP18660096 A JP 18660096A JP 18660096 A JP18660096 A JP 18660096A JP 3146984 B2 JP3146984 B2 JP 3146984B2
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    • C30CRYSTAL GROWTH
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    • C30B7/00Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子化合物の結
晶化を行なうための技術に関し、特に、価電子が制御さ
れた半導体基板等を用いて、タンパク質をはじめとする
種々の高分子化合物の結晶化を行なうための技術に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for crystallizing a high molecular compound, and more particularly, to a method for crystallizing various high molecular compounds such as proteins using a semiconductor substrate or the like in which valence electrons are controlled. The present invention relates to a technique for performing crystallization.

【0002】[0002]

【従来の技術】タンパク質をはじめとする各種生体高分
子およびそれらの複合体における特異的性質および機能
を理解する上で、それらの詳細な立体構造は不可欠な情
報となっている。たとえば、基礎生化学的な見地から、
タンパク質等の3次元構造の情報は、酵素やホルモン等
による生化学系での機能発現のメカニズムを理解する上
で基礎となる。また、産業界のうち特に薬学、遺伝子工
学、化学工学の分野においては、3次元構造は、ドラッ
グデザイン、プロテインエンジニアリング、生化学的合
成等を進める上で合理的な分子設計に欠かせない情報を
提供する。
2. Description of the Related Art In order to understand the specific properties and functions of various biomacromolecules such as proteins and their complexes, their detailed three-dimensional structures are indispensable information. For example, from a basic biochemical point of view,
Information on the three-dimensional structure of a protein or the like is a basis for understanding the mechanism of function expression in a biochemical system by enzymes, hormones, and the like. In addition, in the fields of pharmacy, genetic engineering, and chemical engineering, especially in the fields of industry, the three-dimensional structure provides information essential for rational molecular design in advancing drug design, protein engineering, biochemical synthesis, etc. provide.

【0003】このような生体高分子の原子レベルでの3
次元立体構造情報を得る方法としては、現在のところX
線結晶構造解析が最も有力かつ高精度な手段である。近
年のX線光源・回折装置のハードウェア上の改良による
測定時間の短縮、測定精度の向上に加え、コンピュータ
の計算処理速度の飛躍的な向上により、解析スピードが
大幅に向上してきている。今後もX線結晶解析を主流と
して3次元構造が明らかにされていくものと思われる。
Atomic level 3 of such biopolymers
As a method of obtaining three-dimensional structure information, at present X
Line crystal structure analysis is the most powerful and accurate means. In addition to the shortening of the measurement time and the improvement of the measurement accuracy due to the recent hardware improvement of the X-ray light source / diffraction apparatus, the analysis speed has been greatly improved due to the dramatic improvement in the calculation processing speed of the computer. It is expected that the three-dimensional structure will be clarified in the future mainly by X-ray crystallography.

【0004】一方、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。
On the other hand, in order to determine the three-dimensional structure of a biopolymer by X-ray crystal structure analysis, it is necessary to extract and purify a target substance and then crystallize it. However, at present, there is no method and apparatus that can be applied to any substance to ensure crystallization. Therefore, the reality is that crystallization is promoted by repeating trial and error based on intuition and experience. In order to obtain biopolymer crystals, it is necessary to search under a great number of experimental conditions, and crystal growth is the biggest bottleneck in the field of X-ray crystal analysis.

【0005】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、(1)バ
ッチ法、(2)透析法、(3)気液相関拡散法があり、
試料の種類、量、性質等によって使い分けられている。
[0005] Crystallization of biological macromolecules such as proteins can be carried out in a supersaturated state by subjecting water or a non-aqueous solution containing the macromolecules to a solvent as in the case of ordinary low molecular weight compounds such as inorganic salts. Basically, growing a crystal. Representative methods for this are (1) batch method, (2) dialysis method, and (3) gas-liquid correlation diffusion method,
They are used differently depending on the type, amount, and properties of the sample.

【0006】バッチ法は、生体高分子を含む溶液に、水
和水を奪う沈殿剤を直接添加して、生体高分子の溶解度
を低下させ、固相へ変化させる方法である。この方法で
は、たとえば硫酸アンモニウム(硫安)がよく使用され
る。この方法は、溶液試料を大量に必要とし、塩濃度、
pHの微妙な調整が困難であること、さらに操作に熟練
を要し再現性が低いといった欠点を有する。透析法は、
バッチ法の欠点を改善した方法で、たとえば図14に示
すように、透析チューブ101の内部に生体高分子を含
む溶液102を密封し、透析チューブ外液103(たと
えば緩衝溶液)のpH等を連続的に変化させ結晶化を行
なう方法である。この方法によれば、内外液の塩濃度、
pHの差を任意の速度で調節可能であるため、結晶化の
条件を見出しやすい。気液相間拡散法は、たとえば図1
5に示すように、カバーガラス等の試料台111上に、
試料溶液の液滴112を載せ、密閉した容器113内に
この液滴と沈殿剤溶液114を入れることにより、両者
間の揮発成分の蒸発によって緩やかに平衡を成立させる
手法である。
[0006] The batch method is a method in which a precipitant for depriving water of hydration is directly added to a solution containing a biopolymer to reduce the solubility of the biopolymer and convert the biopolymer to a solid phase. In this method, for example, ammonium sulfate (ammonium sulfate) is often used. This method requires a large amount of solution sample, salt concentration,
It has the drawback that it is difficult to finely adjust the pH, and that the operation requires skill and the reproducibility is low. The dialysis method is
In a method in which the disadvantages of the batch method are improved, for example, as shown in FIG. 14, a solution 102 containing a biopolymer is sealed inside a dialysis tube 101, and the pH of an external solution 103 (eg, a buffer solution) of the dialysis tube is continuously adjusted. This is a method in which crystallization is performed by changing the temperature. According to this method, the salt concentration of the inner and outer liquids,
Since the difference in pH can be adjusted at an arbitrary rate, it is easy to find the conditions for crystallization. The gas-liquid interphase diffusion method is, for example, shown in FIG.
As shown in FIG. 5, on a sample stage 111 such as a cover glass,
In this method, a droplet 112 of a sample solution is placed, and the droplet and the precipitant solution 114 are placed in a closed container 113, whereby a gradual equilibrium is established by evaporation of volatile components between the two.

【0007】しかし、タンパク質等の生体高分子の結晶
化には、前述したように種々の問題点があるのが実状で
ある。
However, crystallization of biological macromolecules such as proteins has various problems as described above.

【0008】まず、従来法では、得られる物質の結晶性
が良好でなく、大型の単結晶を得ることが困難である。
これは、生体高分子が一般的に分子量が大きいために、
重力の影響を受けやすく、溶液内で対流を引き起こすこ
とが原因であると考えられている(たとえば F. Rosenb
erger, J. Cryst. Growth, 76, 618(1986))。すなわ
ち、生体高分子や生成した微小な結晶核が自重で沈降
し、これによって分子や核周辺で溶液の対流が引き起こ
される。さらに生成した結晶表面部でも、分子の濃度が
低下するために、局所的な溶液の対流が発生する。この
ように発生した溶液の対流によって、生成する結晶は溶
液内で移動し、しかも周辺の拡散による分子の供給層は
著しく減少する。このため、結晶の成長速度が低下した
り、結晶面における成長の異方性等が発生して結晶化が
妨げられるものと思われる。
First, according to the conventional method, the obtained substance has poor crystallinity, and it is difficult to obtain a large single crystal.
This is because biopolymers generally have a large molecular weight,
It is susceptible to gravity and is believed to be caused by convection in solution (eg, F. Rosenb
erger, J. Cryst. Growth, 76, 618 (1986)). That is, the biopolymer and the generated fine crystal nuclei settle under their own weight, which causes convection of the solution around the molecules and nuclei. In addition, local convection of the solution occurs at the surface of the generated crystal because the concentration of the molecule is reduced. Due to the convection of the solution thus generated, the generated crystals move in the solution, and the supply layer of molecules due to peripheral diffusion is significantly reduced. For this reason, it is considered that the growth rate of the crystal is reduced or the anisotropy of the growth on the crystal plane is generated, so that the crystallization is prevented.

【0009】また、生体高分子結晶には他の物質の結晶
とは異なり、多量の溶媒(主として水)が含まれている
(≧50体積%)。この溶媒が、無秩序であり、かつ結
晶中で分子間の空隙となっている部分を容易に動き得
る。また、分子が巨大であるにもかかわらず、結晶中で
広範囲な分子間のパッキングコンタクトがほとんどな
く、僅かな分子−分子間コンタクトまたは水分子を介し
た水素結合によるコンタクトしか存在していない。これ
らは結晶化を妨げている要因である。
Also, unlike the crystals of other substances, the biopolymer crystal contains a large amount of solvent (mainly water) (≧ 50% by volume). This solvent can easily move in the disordered and intermolecular voids in the crystal. In addition, despite the large size of the molecule, there is almost no packing contact between a wide range of molecules in the crystal, and there are only a few molecule-to-molecule contacts or contacts by hydrogen bonding via water molecules. These are factors that hinder crystallization.

【0010】さらに生体高分子は結晶条件に非常に敏感
である。生体高分子は、個々の分子表面間の相互作用に
より溶媒中で安定化されている一方、分子表面の電荷分
布、特にアミノ酸の分子表面近傍でのコンフォメーショ
ン等は、環境、すなわち溶液のpH、イオン強度、温
度、緩衝溶液の種類、誘電率等により大きく変化する。
したがって、結晶化プロセスは、複雑な種々の条件の絡
み合ったマルチパラメータプロセスとなり、どの物質に
対しても適用できる統一的な手法は確立できていない。
またタンパク質については、水溶性タンパク質に比べ、
生化学的に非常に重要であるにもかかわらず、疎水性の
膜タンパク質の結晶化が現在非常に困難であり、結晶化
を行ないさらに高分解能の解析に成功した例はこれまで
僅か2件のみである。
Furthermore, biopolymers are very sensitive to crystallization conditions. Biological macromolecules are stabilized in a solvent by the interaction between individual molecular surfaces, while the charge distribution on the molecular surface, especially the conformation of amino acids near the molecular surface, depends on the environment, that is, the pH of the solution, It varies greatly depending on ionic strength, temperature, type of buffer solution, dielectric constant, and the like.
Therefore, the crystallization process is a multi-parameter process involving complicated various conditions, and a unified method applicable to any substance has not been established.
For proteins, compared to water-soluble proteins,
Despite its very important biochemistry, crystallization of hydrophobic membrane proteins is currently very difficult, and only two cases have been successfully crystallized and analyzed at higher resolution. It is.

【0011】さらに、得られる生体高分子は微量である
ことが多い。酵素等のタンパク質は一般に細胞等から抽
出、精製されるが、その含有量が少ないため、最終的に
得られる試料は非常に少ない場合が多い。結晶化を行な
う際には、生体高分子を含有する溶液の濃度は50mg
/ml程度必要であると言われている。このため、でき
るだけ溶液が少なくなるよう調製を行ない、種々の条件
にて結晶化の実験を繰返すこと(スクリーニング)を行
なわなければならない。
Furthermore, the biopolymer obtained is often very small. Proteins such as enzymes are generally extracted and purified from cells and the like, but the content of the proteins is small, so that the final sample is often very small. When performing crystallization, the concentration of the solution containing the biopolymer is 50 mg.
It is said that about / ml is required. For this reason, it is necessary to prepare the solution so that the solution becomes as small as possible, and to repeat the crystallization experiment (screening) under various conditions.

【0012】以上のように、タンパク質をはじめとする
生体高分子の結晶化は、学術および産業上の重要なプロ
セスであるにもかかわらず、これまで試行錯誤を繰返し
ながら進められてきた。このため、結晶化のプロセスは
X線結晶構造解析の最大のネックとなっている。したが
って、今後結晶化の基本原理を理解して、どの分子に対
しても適用し得る結晶化技術を開発する必要がある。
As described above, crystallization of proteins and other biomacromolecules is an important process in academic and industrial fields, but has been carried out through trial and error until now. For this reason, the crystallization process is the biggest bottleneck in X-ray crystal structure analysis. Therefore, it is necessary to understand the basic principle of crystallization in the future and to develop a crystallization technique applicable to any molecule.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】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どの物質に対して
も適用できる手法がなく、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。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a conventional crystal which has been developed by repeating trial and error because there is no method applicable to any substance because of its various characteristics as described above. The technical disadvantage of the chemical process is to eliminate it.

【0014】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。
Specifically, an object of the present invention is to reduce the influence of convection in a solution due to the influence of gravity on the crystallization of a biological tissue mainly composed of various biopolymers and biopolymers. It is to provide a technique for controlling the formation.

【0015】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。
Still another object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing or controlling the mass production of microcrystals and obtaining a large crystal capable of X-ray structural analysis.

【0016】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。
It is a further object of the present invention to provide a technique for enabling crystallization with a small amount of a biopolymer solution.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明による結晶成長方
法は、溶液中に含まれる高分子化合物の結晶を成長させ
る方法であって、高分子化合物を含む溶液の環境に応じ
て表面部分の正孔または電子の濃度を制御できるよう価
電子が制御された固体素子を与える工程と、該固体素子
を高分子化合物を含む溶液に接触させる工程とを備え
る。該固体素子は、対向する2つの主要面の一方の面側
に形成された深さおよび/または開口部の幅が異なる2
つ以上の溝または孔と、該2つの主要面の他方の面側か
ら上記溝または孔に高分子化合物を含む溶液を供給する
ための貫通孔とを有する。該固体素子の溶液と接触する
部分において、上記溝または孔の外よりも内で高分子化
合物の結晶化が促進されるよう価電子が制御されてい
る。このような固体素子を用い、下向きにした溝または
孔に貫通孔を介して高分子化合物を含む溶液を供給す
る。これにより、該固体素子上において溶液の液滴が重
力の方向に垂れ下がった状態で溶液を溝または孔に保持
させる。このようにして溶液を保持する溝または孔にお
いて、制御された価電子により固体素子の表面にもたら
される電気的状態の下、高分子化合物の結晶を成長させ
る。
A crystal growth method according to the present invention is a method for growing a crystal of a polymer compound contained in a solution. The method for growing a crystal of a surface portion according to the environment of a solution containing a polymer compound. The method includes a step of providing a solid element in which valence electrons are controlled so that the concentration of holes or electrons can be controlled, and a step of bringing the solid element into contact with a solution containing a polymer compound. The solid state element has different depths and / or different widths of openings formed on one surface side of two opposing main surfaces.
It has one or more grooves or holes and a through hole for supplying a solution containing a polymer compound to the grooves or holes from the other surface side of the two main surfaces. The valence electrons are controlled so that the crystallization of the polymer compound is promoted in the portion of the solid device that comes into contact with the solution, outside the groove or the hole. Using such a solid-state element, a solution containing a polymer compound is supplied to a downward groove or hole through a through hole. As a result, the solution is held in the groove or the hole in a state where the droplet of the solution hangs down in the direction of gravity on the solid device. In this way, in the groove or hole holding the solution, the crystal of the polymer compound is grown under the electric state brought to the surface of the solid-state device by the controlled valence electrons.

【0018】本発明において、上記固体素子は不純物添
加された半導体基板とすることができる。半導体基板に
おける不純物の種類および/または濃度は、半導体基板
に形成された溝または孔の内と外とで異ならしめること
ができる。
In the present invention, the solid state element may be a semiconductor substrate doped with impurities. The type and / or concentration of impurities in the semiconductor substrate can be different between inside and outside of a groove or hole formed in the semiconductor substrate.

【0019】また、固体素子上には、形成された複数の
溝または孔を取囲むように撥水層を設けることができ
る。
Further, a water-repellent layer can be provided on the solid element so as to surround the plurality of formed grooves or holes.

【0020】本発明において、溶液を保持する溝または
孔における結晶の成長は、該溶液に含まれる溶媒の蒸気
を吸収する沈殿剤または該溶液についての気液平衡を保
持するための緩衝溶液の存在下で行なうことができる。
In the present invention, the growth of crystals in the grooves or pores holding the solution depends on the presence of a precipitant absorbing the vapor of the solvent contained in the solution or of a buffer solution for maintaining the gas-liquid equilibrium of the solution. Can be done below.

【0021】本発明は、結晶成長に用いるための固体素
子を提供する。この固体素子は、結晶化させるべき物質
を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔または電子の
濃度を制御できるよう価電子が制御されたものである。
該固体素子は、2つの対向する主要面を有し、さらに該
2つの主要面の一方の面側に形成された深さおよび/ま
たは開口部の幅が異なる2つ以上の溝または孔と、該2
つの主要面の他方の面側から上記溝または孔に高分子化
合物を含む溶液を供給するための貫通孔とを有する。該
固体素子の溶液を接触させる部分において、溝または孔
の外よりも内で高分子化合物の結晶化が促進されるよう
価電子が制御されている。
The present invention provides a solid-state device for use in crystal growth. In this solid-state device, valence electrons are controlled so that the concentration of holes or electrons on the surface portion can be controlled according to the environment of the solution containing the substance to be crystallized.
The solid state device has two opposing main surfaces, and two or more grooves or holes formed on one surface side of the two main surfaces and having different depths and / or opening widths; Said 2
And a through hole for supplying a solution containing a polymer compound to the groove or hole from the other surface side of the one main surface. The valence electrons are controlled so that the crystallization of the polymer compound is promoted in the portion of the solid device to be brought into contact with the solution, rather than outside the groove or hole.

【0022】このような固体素子は不純物添加された半
導体基板とすることができる。半導体基板には複数のサ
イズの異なる溝または孔が形成されており、半導体基板
における不純物の種類および/または濃度は、溝または
孔の内と外とで異なっている。
Such a solid-state device can be a semiconductor substrate doped with impurities. A plurality of grooves or holes having different sizes are formed in a semiconductor substrate, and the type and / or concentration of impurities in the semiconductor substrate differs between inside and outside of the grooves or holes.

【0023】さらにこのような固体素子上において、複
数の溝または孔を取囲むように撥水層を設けることがで
きる。
Further, a water-repellent layer can be provided on such a solid element so as to surround a plurality of grooves or holes.

【0024】本発明はさらに結晶成長装置を提供し、こ
の装置は、上述した固体素子と、固体素子を支持するた
めの手段と、固体素子および該手段を沈殿剤または緩衝
溶液とともに密閉状態で収容できる容器とを備える。
The present invention further provides an apparatus for growing a crystal, the apparatus comprising a solid element as described above, means for supporting the solid element, and the solid element and the means contained in a sealed state together with a precipitant or a buffer solution. And a container that can be used.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】タンパク質をはじめとする生体高
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僅かな空間的な電荷分
布の相違が、分子間の認識の度合い、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。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生
体高分子は、周期的な規則構造を有する分子集合体の核
になりにくいと考えられる。さらに、結晶核が形成され
たとしても、各分子表面の構造、電荷分布が全く同一で
はなく冗長性を有しておれば、核の周囲に集合する分子
は互いに緩く結合することになり、よって結晶性が低下
するものと考えられる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Most of biomolecules such as proteins are geometrically specific in a solution and have an electrostatic interaction (electrostatic repulsion / attractive force, van der Waals force). Recognition between molecules is performed. In the interaction between molecules based on electrostatic energy, a slight difference in the spatial charge distribution on the outermost surface of each molecule is crucial to the degree of recognition between molecules and the ease of forming molecular aggregates. Is expected to have a significant effect. It is considered that individual biopolymers that repeatedly collide while performing Brownian motion in a solution are unlikely to become nuclei of a molecular assembly having a periodic regular structure. Furthermore, even if a crystal nucleus is formed, if the structure and charge distribution of each molecule surface are not exactly the same and have redundancy, the molecules assembled around the nucleus will loosely bind to each other, It is considered that the crystallinity decreases.

【0026】タンパク質分子の結晶生成に関して、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。Yonath等は、Bacillus Stearothermophilus より抽
出された巨大なリボソームサブユニットの結晶化初期過
程を電子顕微鏡により観察している。それによれば、結
晶化が進行するためには、初期過程として各分子が2次
元的な規則構造(網目状、星状、千鳥格子状等)をとっ
て凝集することが必須であると述べている(Biochemist
ry International, Vol.5, 629-636(1982))。
It has been reported that the initial process of nucleation is important for the crystal formation of protein molecules. Yonath et al. Use an electron microscope to observe the initial crystallization process of a large ribosome subunit extracted from Bacillus Stearothermophilus. According to the report, in order for crystallization to proceed, it is essential that each molecule take a two-dimensional regular structure (mesh, star, staggered, etc.) and aggregate as an initial process. (Biochemist
ry International, Vol.5, 629-636 (1982)).

【0027】このことがすべての物質に共通して必須で
あるかどうかは不明である。一般にタンパク質分子は分
子間相互作用が弱く、しかも分子表面が局部的に帯電し
ているため、凝集しにくい。このことを考慮すると、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
でき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。
It is unclear whether this is essential for all substances. In general, protein molecules have weak intermolecular interaction and are hardly aggregated because the molecular surface is locally charged. In view of this, it is considered that, if some conditions are provided for arranging the molecules serving as nuclei in a two-dimensional manner in the initial stage of crystallization, the subsequent crystallization proceeds epitaxially using the nuclei as nuclei.

【0028】本発明では、結晶核を安定して生成させる
ため、価電子が制御された固体素子を結晶化すべき化合
物を含む液に接触させる。該固体素子は、液と接触する
表面から内部に向かって、あるいは該固体素子の断面内
において、価電子制御により電子および正孔の濃度を制
御することができ、それによって固体素子表面の電気的
性状を制御することができる。たとえば図1に、本発明
に従い、固体素子表面において結晶核が固定され、結晶
が成長していく様子を模式的に示す。本発明では、図1
(a)に示すように、価電子制御により、所定の電気的
状態とされる固体素子1の表面に、結晶核2が静電的な
作用によって固定される。そして、図1(b)に示すよ
うに、タンパク質等の化合物は、静電的な相互作用によ
り、固体素子表面に凝集し、結晶核の生成が促進され、
結晶の成長がもたらされる。したがって、固体素子表面
の電気的特性を制御することにより、結晶化の制御が可
能となる。たとえば、固体素子表面に固定される結晶核
の種類、量、配列密度等を価電子制御によりに調整する
ことができ、それによって結晶化の制御が可能となる。
また、生成された結晶核が固体素子表面に固定されるた
め、溶液内の対流等による核の微小な変動が抑制され、
核の形成に従って規則的に分子が集合し、結晶性が向上
することも期待される。結晶化すべき分子の表面の電荷
分布が溶液のpHや分子の変性によって微妙に変化して
も、固体素子表面には必ず該分子の実効表面電荷と補償
する空間電荷が誘起されるため、結晶核の2次元的な生
成が容易にかつ優先的に行なわれることが期待される。
In the present invention, in order to stably generate crystal nuclei, a solid-state element whose valence electrons are controlled is brought into contact with a liquid containing a compound to be crystallized. In the solid-state device, the concentration of electrons and holes can be controlled by valence electron control from the surface in contact with the liquid toward the inside or within the cross-section of the solid-state device, whereby the electric surface of the solid-state device can be electrically controlled. Properties can be controlled. For example, FIG. 1 schematically shows a state in which a crystal nucleus is fixed on the surface of a solid device and a crystal grows according to the present invention. In the present invention, FIG.
As shown in (a), the crystal nucleus 2 is fixed by electrostatic action to the surface of the solid state element 1 which is brought into a predetermined electrical state by valence electron control. Then, as shown in FIG. 1 (b), the compound such as a protein aggregates on the surface of the solid-state device by electrostatic interaction, and the generation of crystal nuclei is promoted.
Crystal growth results. Therefore, crystallization can be controlled by controlling the electrical characteristics of the surface of the solid-state element. For example, the type, amount, arrangement density, and the like of crystal nuclei fixed on the surface of the solid-state element can be adjusted by valence electron control, whereby crystallization can be controlled.
Further, since the generated crystal nuclei are fixed on the surface of the solid-state element, minute fluctuations of the nuclei due to convection in the solution are suppressed,
It is also expected that the molecules are regularly assembled according to the nucleus formation and the crystallinity is improved. Even if the charge distribution on the surface of the molecule to be crystallized is slightly changed due to the pH of the solution or the denaturation of the molecule, a space charge is always induced on the solid device surface to compensate for the effective surface charge of the molecule. Is expected to be easily and preferentially generated.

【0029】また、一般に電解質溶液内における帯電物
質または分子の凝集性は、それらの間の電気二重層斥力
とファンデルワールス力との和に依存するため、物質ま
たは分子同士を凝集させる場合、電解質溶液中に添加す
る表面電位を調整するための塩濃度をコントロールする
ことが非常に重要となる。一方、本発明によれば、固体
素子表面に誘起される空間電荷層に基づく表面電位は、
たとえば価電子の制御のため添加される不純物の濃度に
比例して変化する。したがって、たとえば固体素子中の
不純物濃度を調整することによって素子表面にもたらさ
れる静電特性を予め調整することができる。したがっ
て、本発明では、電解質溶液中の塩濃度を調整しなくて
もよいかまたは調整するとしても簡単な調整でよい。
In general, the cohesiveness of a charged substance or molecule in an electrolyte solution depends on the sum of an electric double layer repulsive force and a Van der Waals force between them. It is very important to control the salt concentration for adjusting the surface potential added to the solution. On the other hand, according to the present invention, the surface potential based on the space charge layer induced on the surface of the solid-state device is:
For example, it changes in proportion to the concentration of an impurity added for controlling valence electrons. Therefore, for example, by adjusting the impurity concentration in the solid state element, it is possible to previously adjust the electrostatic characteristics brought to the element surface. Therefore, in the present invention, it is not necessary to adjust the salt concentration in the electrolyte solution, or even if it is adjusted, simple adjustment is sufficient.

【0030】また後述するように、固体素子に形成され
た溝の底部において、静電相互作用が等方的に及ぶ領域
をもたらすことができる。このような領域では、静電相
互作用によって結晶核を固定することができ、重力の影
響に基づく対流によって結晶核が移動することを抑制す
ることができる。その結果、結晶は溝の底部において静
止した状態で成長することができる。このため、過剰な
微結晶の生成が抑制され、結晶核の表面に規則的に分子
が集合した結晶性の良い大型の結晶が得られることが期
待される。
As will be described later, a region where the electrostatic interaction is isotropic can be provided at the bottom of the groove formed in the solid-state device. In such a region, the crystal nucleus can be fixed by electrostatic interaction, and the movement of the crystal nucleus by convection based on the influence of gravity can be suppressed. As a result, the crystal can grow stationary at the bottom of the trench. Therefore, it is expected that generation of excessive microcrystals is suppressed, and large crystals having good crystallinity in which molecules are regularly gathered on the surface of crystal nuclei can be obtained.

【0031】さらに、本発明では、開口部の幅および/
または深さの異なる複数の溝または孔を固体素子に形成
している。適切な溝または孔のサイズは、結晶化すべき
分子のサイズ、帯電特性等によって変わってくると考え
られる。そこで、予め固体素子上にサイズの異なる溝ま
たは孔を複数形成しておけば、いずれかの溝または孔に
おいてより適切な結晶化の条件を実現できると考えられ
る。結晶化すべき分子種が変わったとしても、結晶化の
条件に合った溝または孔が必ず存在するはずで、1つの
固体素子を種々の分子の結晶化に適用できると考えられ
る。
Further, according to the present invention, the width of the opening and / or
Alternatively, a plurality of grooves or holes having different depths are formed in the solid-state element. It is believed that the appropriate groove or pore size will depend on the size of the molecule to be crystallized, charging characteristics, and the like. Therefore, if a plurality of grooves or holes having different sizes are previously formed on the solid-state element, it is considered that more appropriate crystallization conditions can be realized in any of the grooves or holes. Even if the molecular species to be crystallized is changed, grooves or holes suitable for the crystallization conditions must exist, and it is considered that one solid-state device can be applied to crystallization of various molecules.

【0032】本発明では、固体素子に貫通孔を形成して
いる。固体素子において溝または孔が形成された面を表
面、それに対向する面を裏面とすると、固体素子の表面
と裏面とは貫通孔によって連通している。図2(a)に
貫通孔が形成された固体素子の例を示す。貫通孔6を有
する固体素子5において、結晶化すべき化合物を含む母
液をその裏面5b側から貫通孔6に注入すると、その表
面5aに表面張力の作用により母液の液滴7を容易に形
成することができる。貫通孔を介することにより、固体
素子の表面に微量の溶液を保持させることができる。後
述するように、このような液滴の中で結晶化を行なえ
ば、結晶化に必要なサンプルはごく微量で済む。このよ
うに重力の方向に垂れ下がった状態にすれば、微量の液
滴を容易に保持することができる。一方、図2(b)に
示すように、母液を固体素子5′上に落として液滴を形
成しようとする場合、固体素子表面の母液に対する濡れ
性によって、適当な液滴が形成されたりされなかったり
する。濡れ性の高い表面では、液滴が形成されにくい。
また、貫通孔を介さずに重力の方向に垂れ下がった液滴
を形成することも困難である。たとえば、図2(c)に
示すように、まず液滴7を固体素子5′の表面に載せ、
これを裏返すことによって液滴7を重力の方向に垂れ下
がった状態とすることが考えられる。しかしながらこの
場合、液が固体素子5′上で流れてしまい、液滴を保持
できない場合が多い。また図2(d)に示すように、裏
返しにした固体素子5′の表面にスポイド9によって液
滴を形成させることも考えられる。しかしながら、この
場合、液がしばしば下に落下してしまい、規定量の液滴
を基板上に保持させることは困難である。上述したよう
に、貫通孔は重力の方向に垂れ下がった液滴の形成を容
易にする。
In the present invention, the through holes are formed in the solid state device. Assuming that the surface of the solid element on which the grooves or holes are formed is the front surface, and the surface opposite thereto is the back surface, the front surface and the back surface of the solid device communicate with each other by through holes. FIG. 2A shows an example of a solid state device in which a through hole is formed. When the mother liquor containing the compound to be crystallized is injected into the through-hole 6 from the back surface 5b side of the solid-state element 5 having the through-hole 6, droplets 7 of the mother liquor are easily formed on the surface 5a by the action of surface tension. Can be. Through the through holes, a small amount of solution can be held on the surface of the solid-state element. As will be described later, if crystallization is performed in such a droplet, a very small amount of sample is required for crystallization. In this manner, if the liquid is suspended in the direction of gravity, a small amount of droplets can be easily held. On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the mother liquor is dropped onto the solid element 5 'to form a droplet, an appropriate droplet is formed due to the wettability of the surface of the solid element with the mother liquor. Or not. Droplets are less likely to form on highly wettable surfaces.
Also, it is difficult to form a droplet that hangs in the direction of gravity without passing through the through hole. For example, as shown in FIG. 2C, first, the droplet 7 is placed on the surface of the solid-state element 5 '.
It is conceivable that the liquid droplet 7 is made to hang down in the direction of gravity by turning over this. However, in this case, the liquid often flows on the solid-state element 5 ', and cannot hold the droplet in many cases. Further, as shown in FIG. 2D, it is conceivable to form droplets on the surface of the turned-down solid-state element 5 ′ by using the spoiler 9. However, in this case, the liquid often falls down, and it is difficult to hold a prescribed amount of droplets on the substrate. As mentioned above, the through holes facilitate the formation of droplets that hang in the direction of gravity.

【0033】本発明において結晶化のために用いられる
固体としては、上述したような静電特性を有し、電荷量
および極性の制御が可能な物質で、さらに溶液中で化学
的に安定な物質であれば、どのようなものでもよいが、
好ましい材料の1つとして半導体結晶であるシリコンが
挙げられる。以下、シリコン結晶を用いた場合について
予想される結晶化のメカニズムを説明する。しかしなが
ら、以下に記載されるメカニズムは、本発明に従って用
いられる他の固体素子にも当てはめることができる。
The solid used for crystallization in the present invention is a substance having the above-mentioned electrostatic properties and capable of controlling the amount of charge and polarity, and a substance which is chemically stable in a solution. Anything is fine,
One of the preferable materials is silicon which is a semiconductor crystal. The crystallization mechanism expected when a silicon crystal is used will be described below. However, the mechanisms described below can be applied to other solid state devices used in accordance with the present invention.

【0034】図3に、本発明の固体素子の一具体例を示
す。図3(a)はその概略断面図であり、図3(b)は
その概略平面図である。この固体素子は、溶液中解離し
て負の実効表面電荷を有する高分子化合物の結晶化を目
的とするものである。固体素子において、P型シリコン
基板10の表面にはN型シリコン層11が形成されてい
る。またP型シリコン基板10の表面側10aには、開
口部の幅および深さの異なる複数のV字状の溝(V溝)
12a、12b、12c、12dおよび12eが形成さ
れている。シリコン基板10のほぼ中央部でV溝12c
と12dとの間には、貫通孔16が形成され、基板の裏
面側10bから表面側10aに液を供給できるようにな
っている。貫通孔16の裏面側の開口部は表面側の開口
部よりも広くなっている。さらにシリコン基板10の表
面側10aには、V溝12a〜12eを取囲むようにポ
リイミド等の撥水性樹脂からなる撥水層17が形成され
ている。
FIG. 3 shows a specific example of the solid-state device of the present invention. FIG. 3A is a schematic sectional view, and FIG. 3B is a schematic plan view. The purpose of this solid-state device is to crystallize a polymer compound having a negative effective surface charge after dissociation in a solution. In the solid-state device, an N-type silicon layer 11 is formed on a surface of a P-type silicon substrate 10. A plurality of V-shaped grooves (V-grooves) having different widths and depths of the openings are formed on the front side 10 a of the P-type silicon substrate 10.
12a, 12b, 12c, 12d and 12e are formed. V-grooves 12c are formed at substantially the center of the silicon substrate 10.
A through-hole 16 is formed between the substrate and the substrate 12d so that the liquid can be supplied from the back surface 10b to the front surface 10a of the substrate. The opening on the back side of the through hole 16 is wider than the opening on the front side. Further, a water-repellent layer 17 made of a water-repellent resin such as polyimide is formed on the front side 10a of the silicon substrate 10 so as to surround the V grooves 12a to 12e.

【0035】図4は、本発明の固体素子のもう1つの例
を示すものである。この固体素子も、溶液中解離して負
の実効表面電荷を有する高分子化合物の結晶化を目的と
している。P型シリコン基板20の表面にはN型シリコ
ン層21が形成されている。さらにその表面側20aに
は、複数の凹状の溝22a、22b、22c、22dお
よび22eが形成されている。溝22aは開口部の幅よ
りも深さが長い井戸状または角柱状の溝である。一方、
溝22b〜22eは階段状の内壁を有している。これら
の溝において、深部にいくに従って開口部の幅は狭くな
っている。このように、固体素子に形成される溝または
孔は、深部にいくに従って開口部の幅が狭くなっている
ものがより好ましい。シリコン基板20の中央部で溝2
2cと22dの間には貫通孔26が形成されている。貫
通孔26における裏面側20bの開口部は表面側20a
の開口部よりも広くなっている。シリコン基板20の表
面側20aには、さらに5つの溝を取囲むようにして撥
水性樹脂からなる撥水層27が形成される。
FIG. 4 shows another example of the solid-state device of the present invention. This solid-state element is also intended to crystallize a polymer compound having a negative effective surface charge after dissociation in a solution. An N-type silicon layer 21 is formed on the surface of the P-type silicon substrate 20. Further, a plurality of concave grooves 22a, 22b, 22c, 22d and 22e are formed on the front side 20a. The groove 22a is a well-shaped or prism-shaped groove whose depth is longer than the width of the opening. on the other hand,
The grooves 22b to 22e have stepped inner walls. In these grooves, the width of the opening becomes smaller as going deeper. As described above, it is more preferable that the opening of the groove or the hole formed in the solid element becomes narrower as it goes deeper. Groove 2 at the center of silicon substrate 20
A through hole 26 is formed between 2c and 22d. The opening on the back side 20b in the through hole 26 is the front side 20a.
It is wider than the opening. On the front side 20a of the silicon substrate 20, a water-repellent layer 27 made of a water-repellent resin is formed so as to surround five more grooves.

【0036】以上に示す固体素子において、溝内にはP
型シリコンが露出している一方、溝の外の表面はN型シ
リコン層によって覆われている。このような固体素子に
おいて、複数の溝が形成されかつ撥水性樹脂で覆われる
表面領域に溶液サンプルが供給される。なお、溶液中解
離して正の実効電荷を有する化合物を結晶化させる場
合、上述した固体素子においてシリコン基板とシリコン
層の極性を逆にすることが好ましい。すなわち、N型シ
リコン基板上にP型シリコン層を形成することが望まし
い。この場合、溝内にはN型シリコン基板が露出する一
方、溝の外の表面はP型シリコン層で覆われる。
In the solid-state device described above, P
While the mold silicon is exposed, the surface outside the trench is covered by an N-type silicon layer. In such a solid-state device, a solution sample is supplied to a surface region where a plurality of grooves are formed and covered with a water-repellent resin. Note that when dissociating in a solution to crystallize a compound having a positive effective charge, it is preferable to reverse the polarities of the silicon substrate and the silicon layer in the above-described solid-state element. That is, it is desirable to form a P-type silicon layer on an N-type silicon substrate. In this case, the N-type silicon substrate is exposed in the groove, and the surface outside the groove is covered with the P-type silicon layer.

【0037】図5は、図3に示す固体素子を製造するた
めのプロセスを示す概略断面図である。まず、たとえば
鏡面研磨されたP型シリコン基板30を準備する(図5
(a))。次いで、P型シリコン基板30上にイオン注
入等の方法によってN型シリコン層31を形成する(図
5(b))。その後、CVD等の方法によってシリコン
酸化膜(SiO2 )33を形成する(図5(c))。適
当なホトリソグラフィ工程等の後、溝部を形成すべき領
域のシリコン酸化膜を除去する(図5(d))。次い
で、シリコン酸化膜を除去した部分のN型シリコン層お
よびP型シリコン基板をエッチングしてサイズの異なる
V溝32a、32b、32c、32dおよび32eを形
成する(図5(e))。次いでシリコン酸化膜を除去す
る(図5(f))。その後、KOH溶液を用いた異方性
エッチング等により基板30に貫通孔36を設ける(図
5(g))。次に、溝を取囲むようにポリイミド等の撥
水性樹脂からなる撥水層37を形成する(図5
(h))。なお図示しないが、シリコン酸化膜を除去し
た後、固体素子の表面にシリコン酸化膜を再び形成して
もよい。また、貫通孔はプロセスの最初に予め形成して
おいてもよい。
FIG. 5 is a schematic sectional view showing a process for manufacturing the solid-state device shown in FIG. First, for example, a mirror-polished P-type silicon substrate 30 is prepared (FIG. 5).
(A)). Next, an N-type silicon layer 31 is formed on the P-type silicon substrate 30 by a method such as ion implantation (FIG. 5B). Thereafter, a silicon oxide film (SiO 2 ) 33 is formed by a method such as CVD (FIG. 5C). After an appropriate photolithography step or the like, the silicon oxide film in the region where the groove is to be formed is removed (FIG. 5D). Next, the N-type silicon layer and the P-type silicon substrate in the portion where the silicon oxide film has been removed are etched to form V-grooves 32a, 32b, 32c, 32d and 32e having different sizes (FIG. 5E). Next, the silicon oxide film is removed (FIG. 5F). Thereafter, through holes 36 are provided in the substrate 30 by anisotropic etching using a KOH solution or the like (FIG. 5G). Next, a water-repellent layer 37 made of a water-repellent resin such as polyimide is formed so as to surround the groove.
(H)). Although not shown, after removing the silicon oxide film, a silicon oxide film may be formed again on the surface of the solid-state device. Further, the through holes may be formed in advance at the beginning of the process.

【0038】図6は、図4に示す固体素子を製造するた
めのプロセスを示している。まずP型シリコン基板40
を準備し(図6(a))、イオン注入等の方法によって
N型シリコン層41を形成する(図6(b))。適当な
ホトリソグラフィ工程等の後、ドライエッチングにより
アスペクト比の高い溝42aを形成する(図6
(c))。さらにドライエッチングを繰返すことによっ
て、異方的に深くかつ開口部の幅の異なる凹状の溝42
b、42c、42dおよび42eを形成する(図6
(d)および(e))。次に、KOH溶液を用いた異方
性エッチングにより基板40に貫通孔46を形成する
(図6(f))。その後、ポリイミド等の撥水性樹脂か
らなる撥水層47を溝を取囲むようにして形成する(図
6(g))。
FIG. 6 shows a process for manufacturing the solid-state device shown in FIG. First, a P-type silicon substrate 40
Is prepared (FIG. 6A), and an N-type silicon layer 41 is formed by a method such as ion implantation (FIG. 6B). After an appropriate photolithography step or the like, a groove 42a having a high aspect ratio is formed by dry etching (FIG. 6).
(C)). Further, by repeating the dry etching, the concave grooves 42 which are anisotropically deep and have different opening widths are formed.
b, 42c, 42d and 42e (FIG. 6)
(D) and (e)). Next, through holes 46 are formed in the substrate 40 by anisotropic etching using a KOH solution (FIG. 6F). Thereafter, a water-repellent layer 47 made of a water-repellent resin such as polyimide is formed so as to surround the groove (FIG. 6G).

【0039】以下に本発明の固体素子において結晶が成
長するメカニズムをより詳細に説明する。解離して負の
実効表面電荷を有する高分子化合物を含む電解質溶液
を、価電子制御されたN型またはP型シリコン結晶に接
触させると、N型シリコン表面に対してはショットキー
障壁が形成される一方、P型シリコン表面に対してはオ
ーミック性接触が得られる。P型シリコン表面では、負
の電荷を有する分子に対してバルクシリコン側から常に
正孔が供給されるため(オーミック特性)、高分子化合
物はシリコン表面に凝集し続けることが予想される。一
方、N型シリコンの表面には溶液の電解質濃度に依存し
た表面電位が発生するとともに、内部に空間電荷層領域
が形成される。この空間電荷量はN型シリコンに含まれ
る不純物濃度にも依存する。したがって、N型シリコン
表面においては、溶液中負の電荷を有する高分子化合物
はN型シリコンの有する正の空間電荷を少なくとも補償
するまでシリコン表面に凝集し続けることが予想され
る。よって、空間電荷層領域が形成されるN型シリコン
表面に対しては分子の凝集および結晶化が制限されて起
こるのに比べ、オーミック性接触が形成されるP型シリ
コン表面に対しては、分子の凝集が無制限に進行すると
予想される。
Hereinafter, the mechanism of crystal growth in the solid-state device of the present invention will be described in more detail. When an electrolyte solution containing a polymer compound having dissociated and having a negative effective surface charge is brought into contact with a valence-controlled N-type or P-type silicon crystal, a Schottky barrier is formed on the N-type silicon surface. On the other hand, an ohmic contact is obtained on the P-type silicon surface. On the P-type silicon surface, holes are always supplied to the negatively charged molecules from the bulk silicon side (ohmic characteristics), and thus it is expected that the polymer compound will continue to aggregate on the silicon surface. On the other hand, a surface potential depending on the electrolyte concentration of the solution is generated on the surface of the N-type silicon, and a space charge layer region is formed inside. This space charge amount also depends on the impurity concentration contained in the N-type silicon. Therefore, on the N-type silicon surface, it is expected that the polymer compound having a negative charge in the solution will continue to aggregate on the silicon surface until at least compensating for the positive space charge of the N-type silicon. Therefore, while aggregation and crystallization of molecules are restricted on the N-type silicon surface where the space charge layer region is formed, the molecular aggregation and crystallization are restricted on the P-type silicon surface where the ohmic contact is formed. Is expected to proceed indefinitely.

【0040】一方、N型シリコンにおいて不純物濃度が
異なれば、以下に述べるように結晶化の程度も異なって
くると考えられる。不純物濃度が低く高抵抗のN型シリ
コンと不純物濃度が高く低抵抗のN型シリコンとの違い
について以下に述べる。不純物濃度の低い(抵抗の高
い)N型シリコンでは、表面近傍に形成される空間電荷
層の幅が広くなることにより、空乏層容量が小さく、し
たがって不純物濃度が高い(抵抗が低い)場合よりも大
きな表面電位が誘起されることが予想される。この表面
電位は、高分子化合物の有する実効表面電位と極性が逆
となるため、静電的な引力の作用により分子の凝集が促
進される。すなわち、不純物濃度が低く高抵抗のN型シ
リコン基板の方が、溶液中負の実効電荷を有する分子に
対して、不純物濃度が高く低抵抗のN型シリコン基板よ
りも、多くの結晶を析出させる効果を有すると予想され
る。
On the other hand, if the impurity concentration in N-type silicon is different, the degree of crystallization is considered to be different as described below. The difference between N-type silicon having a low impurity concentration and high resistance and N-type silicon having a high impurity concentration and low resistance will be described below. In N-type silicon with a low impurity concentration (high resistance), the width of the space charge layer formed near the surface is increased, so that the capacity of the depletion layer is small, and therefore, compared to the case where the impurity concentration is high (low resistance). It is expected that a large surface potential will be induced. Since the polarity of this surface potential is opposite to the effective surface potential of the polymer compound, aggregation of molecules is promoted by the action of electrostatic attraction. In other words, the N-type silicon substrate having a low impurity concentration and a high resistance causes more crystals to precipitate for molecules having a negative effective charge in the solution than the N-type silicon substrate having a high impurity concentration and a low resistance. Expected to have an effect.

【0041】以上溶液中負の実効表面電荷を有する分子
について述べたが、正の実効表面電荷を有する分子に対
しては、上述と逆の極性を有するシリコンに対して同様
の効果を期待することができる。
Although the above description has been made with respect to molecules having a negative effective surface charge in a solution, similar effects can be expected with respect to molecules having a positive effective surface charge with respect to silicon having a polarity opposite to that described above. Can be.

【0042】上述したように、シリコン表面に選択的に
不純物をドーピングすることによって抵抗の異なる領域
を容易に形成することができる。さらに、シリコン表面
をエッチングすることによって、抵抗値の異なるシリコ
ン表面を露出させることもできる。
As described above, regions having different resistances can be easily formed by selectively doping the silicon surface with impurities. Further, by etching the silicon surface, the silicon surfaces having different resistance values can be exposed.

【0043】本発明に用いられるN型およびP型のシリ
コン結晶は、通常のLSIプロセスに用いられるシリコ
ンウエハと同等の特性を有するものでよい。シリコン結
晶の比抵抗は0.0001〜1000Ωcm程度の範囲
内であればよく、0.001〜100Ωcmの範囲がよ
り好ましい。また、結晶の表面はミラーポリッシュされ
ることが析出する結晶核の制御を行なう上で好ましい。
The N-type and P-type silicon crystals used in the present invention may have characteristics equivalent to those of a silicon wafer used in an ordinary LSI process. The specific resistance of the silicon crystal may be in the range of about 0.0001 to 1000 Ωcm, and more preferably in the range of 0.001 to 100 Ωcm. The surface of the crystal is preferably mirror-polished for controlling crystal nuclei to be precipitated.

【0044】本発明において、シリコン基板表面に不純
物を含有する層を形成する場合、当該層の厚みは、望ま
しくは0.1〜200μmであり、より望ましくは1〜
50μmの範囲である。これ以外の範囲では作製が容易
でなかったり、効果的でなくなるため望ましくない。
In the present invention, when a layer containing impurities is formed on the surface of the silicon substrate, the thickness of the layer is preferably 0.1 to 200 μm, more preferably 1 to 200 μm.
The range is 50 μm. Outside of this range, the fabrication is not easy or ineffective, which is not desirable.

【0045】本発明において用いられるN型およびP型
に価電子制御されたシリコンの調製方法として、種々の
ものが可能であり、どのような方式のものでもよいが、
最も簡便で不純物濃度の制御が正確に行なえる方法とし
てイオン注入法が挙げられる。この方法の場合、P型お
よびN型の価電子制御は、それぞれ、周期律表第III
族および第V族に属する元素のイオンをシリコン中に注
入、アニールすることによって容易に行なうことができ
る。P型にするための第III族元素としてB、Al、
Ga、In、Tl等を挙げることができ、特にBが一般
的である。N型にするための第V族元素としてN、P、
As、Sb、Bi等を挙げることができ、特にP、A
s、Sbが一般的である。
Various methods are available for preparing N-type and P-type valence-controlled silicon used in the present invention, and any method may be used.
An ion implantation method is the simplest and most accurate method of controlling the impurity concentration. In the case of this method, P-type and N-type valence electron control are respectively performed in the periodic table III.
This can be easily performed by implanting ions of elements belonging to the group V and group V into silicon and annealing them. B, Al, as a group III element for forming a P-type
Ga, In, Tl, etc. can be mentioned, and B is particularly common. N, P, as Group V elements for N-type
As, Sb, Bi and the like can be mentioned, and especially P, A
s and Sb are common.

【0046】以上、価電子制御が容易な半導体結晶シリ
コンを用いた例について説明したが、本目的を達成する
ため、他の半導体や同様の機能を有する他の物質を適宜
用いることができる。また、溶液中において安定であれ
ば、半導体結晶以外の物質を用いることができ、たとえ
ば電荷分布の制御された無機化合物、有機化合物、有機
高分子等を結晶化のための固体素子の候補として挙げる
ことができる。
In the above, an example using semiconductor crystal silicon which can easily control valence electrons has been described. However, in order to achieve the object, another semiconductor or another substance having the same function can be used as appropriate. In addition, a substance other than a semiconductor crystal can be used as long as the substance is stable in a solution. For example, an inorganic compound, an organic compound, an organic polymer, or the like whose charge distribution is controlled are cited as candidates for a solid-state element for crystallization. be able to.

【0047】本発明において、固体素子には複数の溝ま
たは孔が形成される。第3図に示す素子はV溝、第4図
に示す素子は凹状の溝をそれぞれ有している。溝の代わ
りに、たとえば角錐状または円錐状の孔を固体素子表面
に設けてもよい。これらの溝または孔は、深部にいくに
従って開口の幅が狭くなっていることがより好ましい。
実際の結晶成長に際しては、何種類かのサイズの溝また
は孔を1つの素子表面に多数設けておくほうが有利であ
る。
In the present invention, a plurality of grooves or holes are formed in the solid-state device. The element shown in FIG. 3 has a V groove, and the element shown in FIG. 4 has a concave groove. Instead of the grooves, for example, pyramidal or conical holes may be provided on the surface of the solid-state device. It is more preferable that the width of the opening of these grooves or holes becomes narrower as going deeper.
In actual crystal growth, it is advantageous to provide a large number of grooves or holes of several sizes on one element surface.

【0048】結晶化のために用いる固体素子は、あらゆ
る高分子化合物について適用できることが望ましい。一
方、結晶化の対象となる分子のサイズや帯電特性等によ
って、必要とされる固体素子の特性も変わってくると考
えられる。溝または孔のサイズについても、結晶化すべ
き分子のサイズ、帯電特性等に応じて変える必要がある
と考えられる。しかしながら、対象となる個々の高分子
化合物ごとに溝または孔を有する固体素子を調製してい
たのでは、コストおよび時間がかかり、効率的とはいえ
ない。そこで、予め固体素子上にサイズの異なる溝また
は孔を複数形成しておけば、対象となる分子種が変わっ
たとしても、いずれかの溝において、より好ましい結晶
化の条件を提供できるはずである。したがって、1つの
固体素子で、種々の分子の結晶化を行なうことが可能に
なる。これにより、固体素子作製のための労力およびコ
ストも低減される。
The solid-state device used for crystallization is desirably applicable to any polymer compound. On the other hand, it is considered that the required characteristics of the solid-state device also vary depending on the size of the molecules to be crystallized, the charging characteristics, and the like. It is considered that the size of the groove or hole also needs to be changed according to the size of the molecule to be crystallized, the charging characteristics, and the like. However, if a solid-state element having a groove or a hole for each target polymer compound is prepared, it is costly and time-consuming, and is not efficient. Therefore, if a plurality of grooves or holes having different sizes are previously formed on the solid-state element, even if the target molecular species changes, more preferable crystallization conditions should be provided in any one of the grooves. . Therefore, various molecules can be crystallized with one solid-state device. Thereby, the labor and cost for manufacturing the solid-state device are also reduced.

【0049】固体素子表面に形成される溝または孔の開
孔部のサイズおよび深さは、対象とする高分子の種類に
よって、適宜好ましい範囲を設定することができる。一
般には、開孔部の幅は0.01〜100μmの範囲が好
ましく、長さは1〜10mmの範囲が好ましい。また、
複数の溝または孔は、1μm〜1mmの範囲の間隔で適
宜作製することができる。溝または孔の深さは、たとえ
ば0.01〜200μmの範囲で調製するのが好まし
い。しかしながら、以上に述べたサイズは、主として固
体素子の作製上の制約からくるものであって、これ以外
のサイズであっても、固体素子の性能、すなわち結晶化
に決定的な悪影響を及ぼすものではない。
The size and depth of the opening of the groove or hole formed on the surface of the solid element can be appropriately set in a suitable range depending on the kind of the polymer to be treated. Generally, the width of the opening is preferably in the range of 0.01 to 100 μm, and the length is preferably in the range of 1 to 10 mm. Also,
The plurality of grooves or holes can be appropriately formed at intervals of 1 μm to 1 mm. The depth of the groove or hole is preferably adjusted, for example, in the range of 0.01 to 200 μm. However, the size described above mainly comes from restrictions on the fabrication of the solid-state device. Even if the size is other than this, the performance of the solid-state device, that is, the one that has a detrimental effect on crystallization is not considered. Absent.

【0050】図7および図8は、溝または孔の結晶成長
に対する作用効果を説明するためのものである。図7に
示すように、結晶化すべき分子を含有する電解質溶液に
固体素子を接触させると、PまたはP- シリコンよりな
るV溝部52は、NまたはN+ シリコン層よりなる表面
部51と比較して、解離した高分子との静電相互作用が
及ぶ範囲(電気二重層の幅と考えてもよい)が広くなる
ことが期待される。図において、点線で示した領域54
が、電気相互作用の及ぶ範囲である。すなわち、表面部
51上よりもV溝部52上の方が領域54は厚くなって
いる。特に、V溝部52の最も深い中央部は、この作用
の及ぶ領域の重なりにより、領域54の幅が最も広くな
ることが予想される。
FIGS. 7 and 8 are for explaining the effect of the grooves or holes on the crystal growth. As shown in FIG. 7, when the solid-state device is brought into contact with an electrolyte solution containing a molecule to be crystallized, the V-groove portion 52 made of P or P - silicon is compared with the surface portion 51 made of an N or N + silicon layer. Therefore, it is expected that the range (which may be considered as the width of the electric double layer) that the electrostatic interaction with the dissociated polymer reaches becomes wide. In the figure, an area 54 indicated by a dotted line
Is the range of electrical interaction. That is, the region 54 is thicker on the V-groove portion 52 than on the surface portion 51. In particular, it is expected that the width of the region 54 will be the widest at the deepest central portion of the V-groove portion 52 due to the overlapping of the regions to which this effect is exerted.

【0051】したがって、PまたはP- シリコンからな
るV溝部52の最深部において、結晶核または結晶核と
なる分子凝集体55は、V溝表面から静電引力58をほ
ぼ等方的に受け、V溝内において拘束されることにな
る。V溝深部にある分子凝集体55について、重力に基
づく溶液内の対流59の影響と静電引力58とが相殺さ
れるため、結晶核の生成および結晶の成長が安定して起
こり得ると期待される。一方、NまたはN+ シリコンか
らなる表面部51上では、上述したように結晶核の形成
が抑制される。また、もしこの表面に結晶核が形成され
ても、溶液内の対流59の影響を受けて、結晶核近傍で
の拡散供給層の幅が変動するため、結晶性の低下または
成長速度の低下がもたらされると考えられる。したがっ
て、溝部52において選択的に結晶の成長が進み、大型
の結晶が得られる。
Therefore, at the deepest part of the V-groove portion 52 made of P or P - silicon, the crystal nucleus or the molecular aggregate 55 serving as the crystal nucleus receives an electrostatic attraction 58 from the V-groove surface almost isotropically. It will be restrained in the groove. Regarding the molecular aggregate 55 in the deep part of the V-groove, the influence of the convection 59 in the solution due to gravity and the electrostatic attraction 58 cancel each other, so that it is expected that the generation of crystal nuclei and the growth of crystals can occur stably. You. On the other hand, on the surface portion 51 made of N or N + silicon, the formation of crystal nuclei is suppressed as described above. Also, even if crystal nuclei are formed on this surface, the width of the diffusion supply layer near the crystal nuclei fluctuates due to the influence of convection 59 in the solution. It is thought to be brought. Therefore, crystal growth proceeds selectively in the groove 52, and a large crystal is obtained.

【0052】図8に示す固体素子上においても、同様の
メカニズムによって安定した結晶成長が起こるものと考
えられる。すなわち、溝部62の開口幅が最も狭い部分
において、結晶核65が生成し、静電引力68によって
拘束される。静電相互作用の及ぶ領域64は、溝部62
の最深部において最も幅が広くなっている。一方、基板
60上に形成されたNまたはN+ シリコン層61上で
は、上述したように結晶の生成が抑制される。したがっ
て、溝部62の深部において結晶核が生成し、結晶が安
定して成長する。
It is considered that stable crystal growth occurs on the solid-state device shown in FIG. 8 by the same mechanism. That is, the crystal nucleus 65 is generated at the portion where the opening width of the groove 62 is the narrowest, and is restrained by the electrostatic attraction 68. The region 64 to which the electrostatic interaction reaches is formed by the groove 62.
Is the widest at the deepest part. On the other hand, on the N or N + silicon layer 61 formed on the substrate 60, the generation of crystals is suppressed as described above. Therefore, a crystal nucleus is generated in the deep portion of the groove 62, and the crystal grows stably.

【0053】本発明において、固体素子表面には複数の
溝または孔を取囲むようにして撥水層が形成される。こ
の層は、固体素子上において保持すべき溶液の液滴が周
囲に流出するのを防止するためのものである。たとえ
ば、表面の酸化膜が除去されたシリコン表面は、一般
に、酸またはアルカリのみを含む水や純水に対しては撥
水性であるが、緩衝溶液のような塩を含有する水溶液に
対しては、撥水性でなくなる。したがって、塩を含有す
る水溶液の液滴を安定して保持するために、液滴を保持
すべき領域の周囲に撥水性の物質からなる層を形成する
ことが望ましい。このような目的を達成するため、撥水
性の材料として有機系の樹脂を用いることができる。最
も簡便に用いることのできる材料の1つとして、たとえ
ばポリイミドを挙げることができる。たとえば、感光性
または非感光性のポリイミド樹脂をコーティングし、硬
化させた後、所望のパターンとなるようエッチングまた
は現像により不必要なコーティング部分を除去して固体
素子上に撥水性の層を形成することができる。
In the present invention, a water-repellent layer is formed on the surface of the solid element so as to surround a plurality of grooves or holes. This layer is for preventing the droplets of the solution to be held on the solid state element from flowing out to the surroundings. For example, a silicon surface from which an oxide film on the surface has been removed is generally water-repellent to water or pure water containing only an acid or alkali, but not to an aqueous solution containing a salt such as a buffer solution. , Loses water repellency. Therefore, in order to stably hold the droplet of the aqueous solution containing the salt, it is desirable to form a layer made of a water-repellent substance around the region where the droplet is to be held. In order to achieve such an object, an organic resin can be used as the water-repellent material. One of the materials that can be used most easily is, for example, polyimide. For example, after coating a photosensitive or non-photosensitive polyimide resin and curing, an unnecessary coating portion is removed by etching or development to form a desired pattern to form a water-repellent layer on the solid-state device. be able to.

【0054】本発明で用いられる撥水層の厚みは、機能
的に特に限定する必要はないが、作製しやすい厚みとし
て0.1〜100μmの範囲を設定することができる。
なお、撥水性を示し、かつ溶液に対して化学的に安定な
物質であれば、ポリイミドに限らずどのような材料を用
いてもよい。さらに、シリコン等の固体素子に対して撥
水性を示す溶液を用いる場合、このような撥水性の層は
不必要である。
The thickness of the water-repellent layer used in the present invention does not need to be particularly limited in terms of function, but it can be set to a range of 0.1 to 100 μm as a thickness that can be easily produced.
The material is not limited to polyimide as long as it shows water repellency and is chemically stable to the solution. Further, when a solution having water repellency to a solid element such as silicon is used, such a water repellent layer is unnecessary.

【0055】図9は、本発明の結晶成長用装置の一具体
例を示すものである。図9に示す装置において、固体素
子100は支持台90に支持され、容器91内に収容さ
れる。容器91の開口は、蓋92によって密閉すること
ができる。このような装置において、結晶化をすべき分
子を含む母液の液滴88は、貫通孔86から注入され重
力の方向に垂れ下がるようにして固体素子100上に保
持される。容器91の底部には、液滴88中の溶媒蒸
気、たとえば水溶液の場合水分、を吸収して液滴中の分
子を過飽和状態にすることのできる沈殿剤、または液滴
についての気液平衡を保持するための緩衝溶液93が収
容される。蓋92により沈殿剤または緩衝溶液を収容す
る容器91を密閉した状態にすれば、液滴88内におい
て結晶化が促進されるようになる。
FIG. 9 shows a specific example of the crystal growth apparatus of the present invention. In the device shown in FIG. 9, the solid state device 100 is supported by a support base 90 and housed in a container 91. The opening of the container 91 can be closed by a lid 92. In such an apparatus, a mother liquor droplet 88 containing molecules to be crystallized is injected from a through-hole 86 and held on the solid-state element 100 so as to hang in the direction of gravity. At the bottom of the container 91 is a precipitant capable of absorbing the solvent vapor in the droplet 88, for example, water in the case of an aqueous solution, to supersaturate the molecules in the droplet, or the vapor-liquid equilibrium for the droplet. A buffer solution 93 for holding is stored. When the container 91 containing the precipitant or the buffer solution is closed by the lid 92, crystallization in the droplet 88 is promoted.

【0056】図10に、固体素子100上において液滴
88が保持される様子を拡大して示す。容器内に収容さ
れる沈殿剤または緩衝溶液93の上方に、支持台90に
よって固体素子100が保持されている。固体素子10
0を構成する基板(たとえばP型シリコン基板)80上
には、不純物の種類または濃度が異なるシリコン層(た
とえばN型シリコン層)81が形成されている。また、
基板80上には、複数のV溝82a、82b、82c、
82d、82e、82fが形成されている。これらの溝
を取囲むようにして撥水性の層(たとえば撥水性樹脂か
らなる層)87が形成されている。基板80のほぼ中央
部には、母液を注入するための貫通孔86が設けられて
いる。固体素子100は、支持台90上において、V溝
を下に向けて保持される。タンパク質等の結晶化すべき
分子を含む溶液(母液)を少量、固体素子の裏面側から
ピペット等によって貫通孔86に注入していくと、母液
は溝の形成された面に徐々に移行し、液滴が形成されて
いく。固体素子100の表面で母液の液滴が落下せず、
すべての溝内に液が行き渡り、安定に保持された状態と
なったところで母液の注入を終了する。このようにし
て、図10に示すように、母液の広がりが撥水性の層8
7で食い止められ、重力の方向に垂れ下がった状態で液
滴88が安定に保持される。このように液滴を保持すれ
ば、結晶化に必要な溶液の量は微量で済む。このような
装置において、上述したように溝の内部で結晶の成長が
行なわれる。
FIG. 10 is an enlarged view showing how the droplet 88 is held on the solid-state device 100. Above the precipitant or buffer solution 93 contained in the container, the solid state element 100 is held by the support base 90. Solid state device 10
A silicon layer (for example, an N-type silicon layer) 81 having a different type or concentration of impurities is formed on a substrate (for example, a P-type silicon substrate) 80 constituting 0. Also,
On the substrate 80, a plurality of V grooves 82a, 82b, 82c,
82d, 82e and 82f are formed. A water-repellent layer (for example, a layer made of a water-repellent resin) 87 is formed so as to surround these grooves. At a substantially central portion of the substrate 80, a through hole 86 for injecting a mother liquor is provided. The solid state element 100 is held on the support base 90 with the V-groove facing downward. When a small amount of a solution (mother liquor) containing molecules to be crystallized, such as protein, is injected into the through-hole 86 from the back side of the solid-state device by a pipette or the like, the mother liquor gradually moves to the surface on which the groove is formed. Drops are formed. The droplet of the mother liquor does not fall on the surface of the solid state element 100,
The injection of the mother liquor is terminated when the liquid has spread in all the grooves and has been stably held. In this manner, as shown in FIG.
7, the droplet 88 is stably held in a state of hanging in the direction of gravity. If the droplets are held in this manner, the amount of the solution required for crystallization is small. In such an apparatus, a crystal is grown inside the groove as described above.

【0057】本発明は、種々の高分子化合物、特に高分
子電解質を結晶化するために用いることができる。本発
明は特に、酵素および膜蛋白質等の蛋白質、ポリペプチ
ド、ペプチド、ポリザカライド、核酸、ならびにこれら
の複合体および誘電体を結晶化させるため好ましく適用
される。本発明は、生体高分子の結晶化のため好ましく
適用される。
The present invention can be used to crystallize various polymer compounds, especially polymer electrolytes. The present invention is particularly preferably applied for crystallizing proteins such as enzymes and membrane proteins, polypeptides, peptides, polyzacarides, nucleic acids, and complexes and dielectrics thereof. The present invention is preferably applied for crystallization of biopolymers.

【0058】[0058]

【実施例】ニワトリ卵白製リゾチーム(Lysozyme, From
Chicken Egg White)をpH=6.8の標準緩衝溶液に
溶解し、50mg/mlの濃度とした。固体素子として
以下に示す2種類のシリコン結晶を用い、図9および図
10に示すような装置においてリゾチームの結晶化を行
なった。
[Example] Lysozyme made from chicken egg white (Lysozyme, From
Chicken Egg White) was dissolved in a standard buffer solution at pH = 6.8 to a concentration of 50 mg / ml. The following two types of silicon crystals were used as solid devices, and lysozyme was crystallized in an apparatus as shown in FIGS.

【0059】(1) サンプル−1 約20Ωcmの比抵抗のP型シリコン基板表面に、リン
のイオン注入によって低抵抗のN型シリコン層を全面的
に形成した。その後、図5に示すようなプロセスに基づ
き加工を行ない、複数のV溝を有するシリコン基板を形
成した。サイズの異なるV溝の幅は、それぞれ、0.
8、2.0、10、50、100μmであり、深さはそ
れぞれの溝の幅とほぼ同じであった。溝の長さはすべて
7mmであり、5種類のV溝は1.0mmのピッチで形
成された。また貫通孔は基板中央部に直径約200μm
のサイズで形成した。5種類の溝を取囲むようにして形
成したポリイミド層の厚みは10μmであった。得られ
たシリコン基板を縦10mm、横10mmのサイズに切
断し、結晶化のための固体素子として供した。表面に形
成したN型シリコン層の比抵抗は約0.1Ωcmであ
り、厚みは約0.5μmであった。
(1) Sample-1 A low-resistance N-type silicon layer was entirely formed on the surface of a P-type silicon substrate having a specific resistance of about 20 Ωcm by ion implantation of phosphorus. Thereafter, processing was performed based on the process shown in FIG. 5 to form a silicon substrate having a plurality of V grooves. The widths of the V-grooves having different sizes are each 0.
8, 2.0, 10, 50, and 100 μm, and the depth was almost the same as the width of each groove. The lengths of the grooves were all 7 mm, and the five types of V grooves were formed at a pitch of 1.0 mm. The through hole has a diameter of about 200 μm at the center of the substrate.
The size was formed. The thickness of the polyimide layer formed so as to surround the five types of grooves was 10 μm. The obtained silicon substrate was cut into a size of 10 mm in length and 10 mm in width, and provided as a solid device for crystallization. The specific resistance of the N-type silicon layer formed on the surface was about 0.1 Ωcm, and the thickness was about 0.5 μm.

【0060】(2) サンプル−2 サンプル−1と同様の方法でイオン注入を行ない、P型
シリコン基板上にN型シリコン層を形成した。比抵抗お
よびN型層の厚みはサンプル−1と同一である。その
後、サンプル−1と同一の条件で基板の中央部に直径約
200μmの貫通孔と、ポリイミド層を形成した。得ら
れたシリコン基板を縦10mm、横10mmのサイズに
切断し、結晶化のための固体素子として供した。したが
って、サンプル−2は、複数のV溝がない以外はサンプ
ル−1と同一の構造である。
(2) Sample-2 Ion implantation was performed in the same manner as in Sample-1 to form an N-type silicon layer on a P-type silicon substrate. The specific resistance and the thickness of the N-type layer are the same as in Sample-1. Thereafter, a through hole having a diameter of about 200 μm and a polyimide layer were formed at the center of the substrate under the same conditions as in Sample-1. The obtained silicon substrate was cut into a size of 10 mm in length and 10 mm in width, and provided as a solid device for crystallization. Therefore, Sample-2 has the same structure as Sample-1 except that there are no plurality of V-grooves.

【0061】サンプル−1とサンプル−2の基板をそれ
ぞれ、図9および図10に示す装置に供した。この装置
において、直径が約15mmのリアクティブバイヤルの
上部に、N型シリコン層を形成した表面が下になるよう
にシリコン基板を保持した。リゾチームの母液約0.1
mlを裏面から貫通孔に注入し、重力の方向に垂れ下が
るような液滴を形成した。なお、バイヤル中には予めp
H=4.6の標準緩衝溶液および1M NaClを1
0:1の容積比で混合した緩衝溶液を約3ml注入し、
その底に保持した。結晶化のための装置を10℃の冷暗
所内に保管し、静置した。
The substrates of Sample-1 and Sample-2 were supplied to the apparatus shown in FIGS. 9 and 10, respectively. In this apparatus, a silicon substrate was held on a reactive vial having a diameter of about 15 mm such that the surface on which an N-type silicon layer was formed was down. About 0.1 lysozyme mother liquor
ml was injected into the through-hole from the back surface to form a droplet that hangs in the direction of gravity. Note that p
H = 4.6 standard buffer solution and 1 M NaCl
About 3 ml of the buffer solution mixed at a volume ratio of 0: 1 was injected,
It was held at the bottom. The apparatus for crystallization was stored in a cool dark place at 10 ° C. and allowed to stand.

【0062】冷暗所に96時間静置した後、それぞれの
試料を取出し顕微鏡によってシリコン基板上に生成した
リゾチームの結晶を観察した。
After standing in a cool and dark place for 96 hours, each sample was taken out, and lysozyme crystals formed on the silicon substrate were observed with a microscope.

【0063】サンプル−1の基板上では、溝のサイズに
よって析出する結晶の大きさが異なっていた。幅が0.
8、2.0μmのサイズのV溝部、およびN型シリコン
層表面では、図12に示すように微結晶および双晶が無
秩序に析出していた。一方、幅が10、50、100μ
mのサイズのV溝では、図11に示すようにサイズが約
0.3mmの大型単結晶が、規則的に溝に沿って析出し
た。P型シリコンからなる特定のV溝に結晶の核となる
析出物が選択的に凝集・集合し、これが大きな単結晶ま
で成長したためと考えられる。
On the substrate of Sample-1, the size of the precipitated crystal was different depending on the size of the groove. The width is 0.
Microcrystals and twins were randomly deposited on the V-grooves having a size of 8, 2.0 μm and on the surface of the N-type silicon layer, as shown in FIG. On the other hand, the width is 10, 50, 100 μ
In the V-groove having a size of m, a large single crystal having a size of about 0.3 mm was regularly deposited along the groove as shown in FIG. It is considered that the precipitate serving as the nucleus of the crystal selectively aggregated and aggregated in the specific V-groove made of P-type silicon, which grew to a large single crystal.

【0064】一方、サンプル−2の基板上では、図13
に示すように、シリコン基板表面全体にリゾチームの微
結晶あるいは双晶が無秩序に多量に析出していた。析出
した結晶の平均的なサイズは0.05mmであった。
On the other hand, on the sample-2 substrate, FIG.
As shown in (1), a large amount of microcrystals or twins of lysozyme were randomly deposited on the entire surface of the silicon substrate. The average size of the precipitated crystals was 0.05 mm.

【0065】以上の結果から、本発明により微量な試料
について大型の品質の良い単結晶が得られる可能性が証
明された。
From the above results, it was proved that the present invention could provide a large-sized and high-quality single crystal for a small amount of sample.

【0066】なお、以上の実施例ではP型シリコン上に
N型シリコン層を形成した素子を用いたが、高抵抗であ
るN型基板上に低抵抗であるN型層を形成し、同様に溝
を形成して高抵抗N型基板を露出させても、同様の結果
が得られると予想される。すなわち、溝部において露出
した高抵抗N型領域に結晶の核となる析出物が選択的に
凝集・集合し、大きな結晶にまで成長することが期待で
きる。
In the above embodiment, an element in which an N-type silicon layer is formed on P-type silicon is used. However, a low-resistance N-type layer is formed on a high-resistance N-type substrate. It is expected that the same result will be obtained even if the groove is formed to expose the high-resistance N-type substrate. That is, it can be expected that precipitates serving as crystal nuclei are selectively aggregated and aggregated in the high-resistance N-type region exposed in the groove, and grow into large crystals.

【0067】[0067]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
上述したように多様な特性を有するためどの物質に対し
ても適用できる手法がなく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解決すること
ができる。特に本発明によれば、重力による溶液の対流
の影響を抑制し、結晶化の初期過程における核の形成を
安定して行なわせることができる。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、サイズの異なる複数
の溝を設けた固体素子を結晶化に用いることによって、
あらゆる種類の高分子の結晶化に対応することができ
る。複数の溝を形成することにより、結晶化すべき高分
子の種類に応じて基板を個々に加工する手間が省け、低
コストで結晶化が可能になる。さらに本発明によれば、
結晶化すべき分子を含む溶液の液滴を貫通孔を介して固
体素子上に供給し、重力の方向に垂れ下がるように液滴
を保持することで、微量の試料について効果的な結晶化
を行なうことができる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to overcome the drawbacks of the conventional crystallization process method can be applied to any materials because it has a variety of characteristics as described above have been conducted by trial and error without. In particular, according to the present invention, the influence of convection of the solution due to gravity can be suppressed, and nuclei can be formed stably in the initial stage of crystallization. Further, according to the present invention, it is possible to suppress or control the mass production of microcrystals, and to obtain a large crystal capable of performing X-ray structural analysis. Further, according to the present invention, by using a solid element provided with a plurality of grooves having different sizes for crystallization,
It can cope with crystallization of all kinds of polymers. By forming a plurality of grooves, it is not necessary to individually process substrates according to the type of polymer to be crystallized, and crystallization can be performed at low cost. Further according to the invention,
Effective crystallization of a small amount of sample by supplying droplets of a solution containing molecules to be crystallized onto the solid-state device through through holes and holding the droplets so that they hang down in the direction of gravity Can be.

【0068】本発明は、製薬産業や食品産業等におい
て、有用な物質、特にタンパク質、核酸等の生体高分子
の研究、開発および製造に適用される。本発明によれ
ば、X線構造解析を可能にする結晶性の良好な結晶を成
長させることができる。結晶解析の結果、その分子構造
および活性のメカニズムについて得られる情報は、薬剤
の設計および製造に生かされる。また、本発明は、関心
のある分子の精製または結晶化に適用される。本発明
は、タンパク質等の生体高分子を用いた電子デバイスの
作製にも応用が期待される。
The present invention is applied to the research, development and production of useful substances, particularly biopolymers such as proteins and nucleic acids, in the pharmaceutical and food industries. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the crystal with favorable crystallinity which enables X-ray structure analysis can be grown. The information obtained as a result of the crystal analysis on the molecular structure and the mechanism of the activity is used for designing and manufacturing a drug. The invention also applies to the purification or crystallization of the molecule of interest. The present invention is also expected to be applied to the production of electronic devices using biopolymers such as proteins.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に従って、固体素子の表面に結晶核が固
定化され、結晶成長が進んでいく様子を示す模式図であ
る。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a state in which crystal nuclei are fixed on the surface of a solid-state device and crystal growth proceeds according to the present invention.

【図2】本発明の固体素子において貫通孔から母液が注
入される様子を示す概略断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a mother liquor is injected from a through hole in the solid-state device of the present invention.

【図3】本発明の固体素子の一具体例を示す(a)概略
断面図および(b)平面図である。
FIGS. 3A and 3B are a schematic sectional view and a plan view showing a specific example of the solid-state device of the present invention. FIGS.

【図4】本発明の固体素子の他の具体例を示す概略断面
図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view showing another specific example of the solid-state device of the present invention.

【図5】図3の固体素子を製造するためのプロセスを示
す概略断面図である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a process for manufacturing the solid-state device of FIG.

【図6】図4に示す固体素子を製造するためのプロセス
を示す概略断面図である。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a process for manufacturing the solid-state device shown in FIG.

【図7】固体素子に形成された溝において結晶成長がい
かに進むかを説明するための概略断面図である。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining how crystal growth proceeds in a groove formed in the solid-state element.

【図8】固体素子に形成された溝において結晶成長がい
かに進むかを説明するための概略断面図である。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining how crystal growth proceeds in a groove formed in the solid-state element.

【図9】本発明の結晶成長装置の一具体例を示す模式図
である。
FIG. 9 is a schematic view showing a specific example of the crystal growth apparatus of the present invention.

【図10】図9に示す装置の要部を拡大した概略断面図
である。
10 is an enlarged schematic cross-sectional view of a main part of the device shown in FIG.

【図11】実施例において生成した結晶構造の顕微鏡写
真である。
FIG. 11 is a micrograph of a crystal structure generated in an example.

【図12】実施例において生成した結晶構造の顕微鏡写
真である。
FIG. 12 is a micrograph of a crystal structure generated in an example.

【図13】実施例において生成した結晶構造の顕微鏡写
真である。
FIG. 13 is a micrograph of a crystal structure generated in an example.

【図14】従来の方法に用いられる装置の一例を示す模
式図である。
FIG. 14 is a schematic view showing an example of an apparatus used in a conventional method.

【図15】従来の方法に用いられる装置のもう1つの例
を示す模式図である。
FIG. 15 is a schematic view showing another example of the device used in the conventional method.

【符号の説明】 1 固体素子 2 結晶核 10、20、30、40 P型シリコン基板 11、21、31、41 N型シリコン層 12a〜e、32a〜e V溝 22a〜e、42a〜e 凹状溝[Description of Signs] 1 Solid-state element 2 Crystal nucleus 10, 20, 30, 40 P-type silicon substrate 11, 21, 31, 41 N-type silicon layer 12a-e, 32a-e V groove 22a-e, 42a-e concave shape groove

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI B01D 9/02 605 B01D 9/02 605 620 620 625 625E 625Z C30B 7/00 C30B 7/00 30/02 30/02 (56)参考文献 特開 平2−18373(JP,A) 特開 平1−111799(JP,A) 特開 平8−294601(JP,A) 特開 平8−34699(JP,A) 特開 平6−116098(JP,A) 特開 平5−319999(JP,A) F.Rosenberger,”IN ORGANIC AND PROTEI N CRYSTAL GROWTH−S IMILARITIES AND DI FFERENCES”,Journal of Crystal Growt h,Vol.76,No.3,1986,p. 618−636 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 B01D 9/02 C07B 63/00 C07H 21/00 C07K 1/14 C08H 1/00 C12N 9/00 CA(STN) JICSTファイル(JOIS)────────────────────────────────────────────────── ─── front page continued (51) Int.Cl. 7 identifications FI B01D 9/02 605 B01D 9/02 605 620 620 625 625E 625Z C30B 7/00 C30B 7/00 30/02 30/02 (56) References JP-A-2-18373 (JP, A) JP-A-1-111799 (JP, A) JP-A 8-294601 (JP, A) JP-A 8-34699 (JP, A) JP-A-6 -116098 (JP, A) JP-A-5-319999 (JP, A) Rosenberger, "IN ORGANIC AND PROTEIN CRYSTAR GROWTH-S IMILORITES AND DI FFERENCES", Journal of Crystal Growth, Vol. 76, No. 3, 1986, p. 618-636 (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C30B 1/00-35/00 B01D 9/02 C07B 63/00 C07H 21/00 C07K 1/14 C08H 1/00 C12N 9/00 CA (STN) JICST file (JOIS)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 溶液中に含まれる高分子化合物の結晶を
成長させる方法であって、 前記高分子化合物を含む前記溶液の環境に応じて表面部
分の正孔または電子の濃度を制御できるよう価電子が制
御された固体素子を与える工程と、 前記固体素子を前記高分子化合物を含む前記溶液に接触
させる工程とを備え、 前記固体素子は、対向する2つの主要面の一方の面側に
形成された深さおよび/または開口部の幅が異なる2つ
以上の溝または孔と、前記2つの主要面の他方の面側か
ら前記溝または孔に前記高分子化合物を含む溶液を供給
するための貫通孔とを有し、 前記溶液と接触する前記固体素子の部分において、前記
溝または孔の外よりも内で前記高分子化合物の結晶化が
促進されるよう前記価電子が制御されており、 下向きにした前記溝または孔に前記貫通孔を介して前記
高分子化合物を含む溶液を供給することにより、前記固
体素子上において前記溶液の液滴が重力の方向に垂れ下
がった状態で前記溶液を前記溝または孔に保持させ、か
つ前記溶液を保持する前記溝または孔において、前記制
御された価電子により前記固体素子の表面にもたらされ
る電気的状態の下、前記高分子化合物の結晶を成長させ
ることを特徴とする、結晶成長方法。
1. A method for growing crystals of a polymer compound contained in a solution, the method comprising: controlling the concentration of holes or electrons at a surface portion according to the environment of the solution containing the polymer compound. A step of providing a solid-state element in which electrons are controlled; and a step of bringing the solid-state element into contact with the solution containing the polymer compound, wherein the solid-state element is formed on one of two opposing main surfaces. And / or two or more grooves or holes having different depths and / or opening widths, and a solution containing the polymer compound supplied to the grooves or holes from the other surface side of the two main surfaces. Having a through-hole, in the portion of the solid-state element that is in contact with the solution, the valence electrons are controlled such that crystallization of the polymer compound is promoted within the groove or hole, The groove facing down By supplying the solution containing the polymer compound to the hole through the through hole, the solution is held in the groove or the hole in a state where the droplet of the solution hangs down in the direction of gravity on the solid-state device. And growing a crystal of the polymer compound under an electric state brought to the surface of the solid-state device by the controlled valence electrons in the groove or the hole holding the solution, Crystal growth method.
【請求項2】 前記固体素子が不純物添加された半導体
基板であり、前記半導体基板における前記不純物の種類
および/または濃度が、前記溝または孔の内と外とで異
なっていることを特徴とする、請求項1の方法。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the solid-state element is a semiconductor substrate to which impurities are added, and a kind and / or a concentration of the impurities in the semiconductor substrate are different between inside and outside of the groove or the hole. The method of claim 1.
【請求項3】 前記固体素子上に、前記2つ以上の溝ま
たは孔を取囲むように撥水層が設けられていることを特
徴とする、請求項1または2の方法。
3. The method according to claim 1, wherein a water-repellent layer is provided on the solid device so as to surround the two or more grooves or holes.
【請求項4】 前記溶液を保持する前記溝または孔にお
ける結晶の成長が、前記溶液に含まれる溶媒の蒸気を吸
収する沈殿剤または前記溶液についての気液平衡を保持
するための緩衝溶液の存在下で行なわれる、請求項1〜
3のいずれか1項の方法。
4. The presence of a precipitant absorbing the vapor of a solvent contained in the solution or a buffer solution for maintaining a vapor-liquid equilibrium for the solution, wherein the growth of crystals in the grooves or holes holding the solution is carried out. Claim 1 which is performed under
3. The method according to any one of 3.
【請求項5】 請求項1の方法に用いられる結晶成長用
固体素子であって、 対向する2つの主要面の一方の面側に形成された深さお
よび/または開口部の幅が異なる2つ以上の溝または孔
と、前記2つの主要面の他方の面側から前記溝または孔
に高分子化合物を含む溶液を供給するための貫通孔とを
有し、 高分子化合物を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔
または電子の濃度を制御できるよう価電子が制御され、
かつ前記溝または孔の内と外とにおいて異なる態様で前
記価電子が制御されていることを特徴とする、結晶成長
用固体素子。
5. A solid-state element for crystal growth used in the method according to claim 1, wherein two of the two main faces opposing each other have different depths and / or different widths of the openings. Having the above-mentioned groove or hole, and a through hole for supplying a solution containing a polymer compound to the groove or hole from the other surface side of the two main surfaces; Valence electrons are controlled so that the concentration of holes or electrons on the surface can be controlled accordingly,
A solid state element for crystal growth, wherein the valence electrons are controlled differently inside and outside the groove or hole.
【請求項6】 前記固体素子が不純物添加された半導体
基板であり、前記半導体基板における前記不純物の種類
および/または濃度が、前記溝または孔の内と外とで異
なっていることを特徴とする、請求項5の結晶成長用固
体素子。
6. The semiconductor device according to claim 6, wherein the solid-state element is a semiconductor substrate to which an impurity is added, and the kind and / or concentration of the impurity in the semiconductor substrate is different between inside and outside the groove or hole. The solid-state element for crystal growth according to claim 5.
【請求項7】 前記固体素子上に、前記2つ以上の溝ま
たは孔を取囲むように撥水層が設けられていることを特
徴とする、請求項5または6の結晶成長用固体素子。
7. The solid-state device for crystal growth according to claim 5, wherein a water-repellent layer is provided on the solid-state device so as to surround the two or more grooves or holes.
【請求項8】 請求項5〜7のいずれか1項の固体素子
と、 前記固体素子を支持するための手段と、 前記固体素子および前記手段を、沈殿剤または緩衝溶液
とともに密閉状態で収容できる容器とを備えることを特
徴とする、結晶成長用装置。
8. The solid-state device according to claim 5, a means for supporting the solid-state device, and the solid-state device and the means can be housed in a sealed state together with a precipitant or a buffer solution. An apparatus for growing a crystal, comprising: a container;
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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