JP3146990B2 - Solid state element for crystal growth, crystal growth apparatus and crystal growth method - Google Patents

Solid state element for crystal growth, crystal growth apparatus and crystal growth method

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JP3146990B2 JP20541196A JP20541196A JP3146990B2 JP 3146990 B2 JP3146990 B2 JP 3146990B2 JP 20541196 A JP20541196 A JP 20541196A JP 20541196 A JP20541196 A JP 20541196A JP 3146990 B2 JP3146990 B2 JP 3146990B2
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B7/00Single-crystal growth from solutions using solvents which are liquid at normal temperature, e.g. aqueous solutions

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、蛋白質を初めとする種々の
生体高分子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 biopolymers 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】蛋白質を初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、基礎化学的な観点からは、蛋白質
等の3次元構造の情報が、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 the viewpoint of basic chemistry, 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、この手法を主流とし
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 by using this method as the mainstream in the future.

【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 or device that can be applied to any substance to ensure crystallization, so the reality is that crystallization is being 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】蛋白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)気液相間拡散法があり、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 performing a treatment for removing a solvent from water or a non-aqueous solution containing macromolecules, as in the case of ordinary low molecular weight compounds such as inorganic salts. Basically, growing a crystal. Representative methods for this include (1) batch method, (2) dialysis method, and (3) gas-liquid interphase diffusion method, which are used properly depending on the type, amount, and property 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、たとえば固体の硫酸アンモニウム(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
18に示すように、透析チューブ171の内部に生体高
分子を含む溶液172を密封し、透析チューブ外液17
3(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19に示すように、カバーガラス等の試料台181
上に、試料溶液の液滴182を載せ、密閉した容器18
3内にこの液滴と沈殿剤溶液184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。また、拡散法のうち液相間拡散法
は、図20に示すように、基板190上に、目的とする
物質を含有する母液の液滴192と沈澱剤の液滴191
とを約5mmほど隔てて置き、両者の間に針等の先によ
って細い液の流れ193を形成する。この液の流れ19
3を介して相互拡散が行なわれ、結晶化が促進される。
この拡散法は、バッチ法等と比較して溶液の量が非常に
少なくて済むといった利点を有している。
[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, solid ammonium sulfate (ammonium sulfate) is often used. This method has the drawbacks that it requires a large amount of a solution sample, that it is difficult to finely adjust the salt concentration and the pH, that the operation requires skill, and that the reproducibility is low. The dialysis method is a method in which the disadvantage of the batch method is improved. For example, as shown in FIG. 18, a solution 172 containing a biopolymer is sealed inside a dialysis tube 171 and the dialysis tube external solution 17 is sealed.
In this method, the crystallization is performed by continuously changing the pH or the like of the buffer 3 (for example, a buffer solution). According to this method, since the salt concentration and the pH difference between the inner and outer liquids can be adjusted at an arbitrary speed, it is easy to find the conditions for crystallization. In the gas-liquid interphase diffusion method, for example, as shown in FIG.
A sample solution droplet 182 is placed on the
In this method, the liquid droplets and the precipitant solution 184 are put into the liquid crystal 3 so that a volatile component between the liquid and the liquid evaporates to gradually establish equilibrium. In the inter-liquid diffusion method among the diffusion methods, as shown in FIG. 20, a droplet 192 of a mother liquor containing a target substance and a droplet 191 of a precipitant are formed on a substrate 190.
Are placed about 5 mm apart from each other, and a thin liquid flow 193 is formed between them by a tip of a needle or the like. This liquid flow 19
Interdiffusion is carried out via 3 to promote crystallization.
This diffusion method has an advantage that the amount of the solution is very small as compared with the batch method or the like.

【0007】しかし、蛋白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, there are various problems in the crystallization of biological macromolecules such as proteins as described above.

【0008】まず、結晶性の良好なものや、大型の単結
晶を得ることが困難であった。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、溶液内で対流を引起こすことが原因であると考えら
れている(たとえばF. Rosenberger, J. Cryst. Growt
h, 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
核周辺での溶液の対流が引起こされる。さらには、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。以上のようにして発生した
溶液内の対流によって、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、結晶化が妨げられる
ものと思われる。
First, it was difficult to obtain a crystal having good crystallinity or a large single crystal. This is thought to be due to the fact that biopolymers are generally susceptible to gravity due to their high molecular weight, causing convection in solution (eg, F. Rosenberger, J. Cryst. Growt
h, 76, 618 (1986)). That is, the biological macromolecules and the generated fine crystal nuclei settle under their own weight, thereby causing convection of the solution around the molecules and the nuclei. Furthermore, local convection of the solution occurs also at the generated crystal surface portion because the concentration of the molecule is reduced. Due to the convection in the solution generated as described above, 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 crystal growth rate is reduced or the growth anisotropy on the crystal plane is generated, thereby preventing crystallization.

【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、わずかの分子−分子間コンタクトまたは水を介した
水素結合によるコンタクトしか存在していない。このよ
うな状態も結晶化を妨げている要因である。
Also, unlike the crystals of other substances, biopolymer crystals contain a large amount of solvent (mainly water) (≧ 50% by volume). This solvent can easily move in the disordered and intermolecular voids in the crystal. Also, despite the large size of the molecule, there are few packing contacts between the molecules in a wide range in the crystal, and only few molecule-to-molecule contacts or contacts by hydrogen bonding through water. Such a state is also a factor preventing crystallization.

【0010】さらに、生体高分子は結晶化に用いられる
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が確立
できてない。また蛋白質については、水溶性蛋白質に比
べ、生化学的に非常に重要であるにもかかわらず、疎水
性の膜蛋白質の結晶化が、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
でわずか2件のみである。
In addition, biopolymers are very sensitive to the conditions used for crystallization. Biomacromolecules are stabilized in solvents by the interaction between individual molecular surfaces,
The charge distribution on the molecular surface, especially the conformation of the amino acid near the molecular surface, is dependent on the environment,
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 in which various complicated conditions are intertwined, and a unified method applicable to any substance has not been established. Regarding proteins, it is very difficult to crystallize hydrophobic membrane proteins at present, although they are very important biochemically compared to water-soluble proteins. So far only two cases have been successfully analyzed.

【0011】また、得られる生体高分子は微量であるこ
とが多い。たとえば酵素等の蛋白質は、一般に細胞等か
ら抽出され、精製されるが、その含有量が少ないため、
最終的に結晶化のため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、溶液における生体高分
子の濃度は50mg/ml程度必要であると言われてい
る。したがって、できるだけ少ない量の溶液について種
々の条件で結晶化実験を繰返すこと(スクリーニング)
を行なう必要がある。
[0011] In addition, the obtained biopolymer is often very small. For example, proteins such as enzymes are generally extracted from cells and the like and purified.
Very few samples are ultimately obtained for crystallization. It is said that when crystallization is performed, the concentration of the biopolymer in the solution needs to be about 50 mg / ml. Therefore, it is necessary to repeat the crystallization experiment under various conditions for the minimum amount of solution (screening).
Need to be done.

【0012】上述したように拡散法では、試料の量が少
なくてすむが、良質の結晶を得るためには沈澱剤の塩濃
度、pHなどを広い範囲にわたって変えて結晶化の最適
条件を見出していかなければならない。この場合、条件
はトライ・アンド・エラーによてしか見出すことができ
ない。さらに、試料の液滴を形成するガラス基板は、不
要な結晶核の大量発生を起こしやすい。これを抑制する
ため、表面研磨および撥水処理等の表面処理を予め施す
必要がある。
As described above, the diffusion method requires a small amount of sample, but in order to obtain good-quality crystals, the optimum conditions for crystallization have been found by changing the salt concentration and pH of the precipitant over a wide range. I have to work. In this case, the condition can only be found by try and error. Further, a glass substrate on which a sample droplet is formed tends to generate a large amount of unnecessary crystal nuclei. In order to suppress this, surface treatment such as surface polishing and water repellent treatment needs to be performed in advance.

【0013】以上のように、蛋白質を初めとする生体高
分子およびこれらの複合体の結晶化は、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ため、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, the crystallization of biological macromolecules such as proteins and their complexes is an important process in academic and industrial fields, but has been carried out through repeated trial and error. This has been 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.

【0014】[0014]

【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 disadvantages of the conversion process are to be eliminated.

【0015】具体的には、本発明は、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対流の影響を低
減し、核形成を制御することを目的とする。
More specifically, the present invention reduces the influence of convection in a solution due to the influence of gravity and controls nucleation in the crystallization of various biopolymers and biological tissues mainly composed of biopolymers. The purpose is to do.

【0016】さらに本発明は、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
を得るための技術を提供することを目的とする。
Another object of the present invention is to provide a technique for suppressing or controlling the mass production of microcrystals and obtaining a large crystal capable of X-ray structural analysis.

【0017】さらに本発明の目的は、少量の溶液で結晶
化を可能にするための方法および装置を提供することに
ある。
It is a further object of the present invention to provide a method and apparatus for allowing crystallization with a small amount of solution.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明はまず、溶液中に
含まれる高分子化合物の結晶を成長させるために用いる
固体素子を提供する。この固体素子は、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基板からなる。
該基板の表面は、2種類以上の溶液をそれぞれ保持する
ための複数の第1溶液貯留部と、結晶を成長させるため
高分子化合物を含む溶液を滞留させる複数の第2溶液貯
留部と、複数の第1溶液貯留部と複数の第2溶液貯留部
とを連結し、溶液の流通を可能にする複数の流路とを有
する。該基板の少なくとも第2溶液貯留部において、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てい
る。
The present invention first provides a solid-state device used for growing a crystal of a polymer compound contained in a solution. This solid-state device is composed of a substrate whose valence electrons are controlled so that the concentration of holes or electrons on the surface can be controlled according to the environment of the solution containing the polymer compound.
A surface of the substrate, a plurality of first solution reservoirs for holding two or more types of solutions, a plurality of second solution reservoirs for retaining a solution containing a polymer compound for growing crystals, And a plurality of flow paths that connect the first solution storage section and the plurality of second solution storage sections to allow the solution to flow. In at least the second solution storage section of the substrate, 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 polymer compound.

【0019】本発明の固体素子は第1溶液貯留部の溶液
を加熱するための手段をさらに有することができる。
[0019] The solid-state device of the present invention may further include means for heating the solution in the first solution storage section.

【0020】また、本発明の固体素子は、少なくとも第
2溶液貯留部に電圧を印加するための電極をさらに有す
ることができる。
Further, the solid-state device of the present invention may further have an electrode for applying a voltage to at least the second solution storage part.

【0021】固体素子に形成された複数の流路におい
て、それらの幅および/または深さは異なっていること
が好ましい。
In the plurality of flow paths formed in the solid-state element, it is preferable that the width and / or the depth are different.

【0022】固体素子に形成された第2溶液貯留部は、
微細加工により形成された溝または孔を有することが好
ましい。
[0022] The second solution storage section formed in the solid state element includes:
It is preferable to have a groove or a hole formed by fine processing.

【0023】本発明の固体素子は、たとえば不純物添加
された半導体基板からなることが好ましい。固体素子に
おける価電子制御は、不純物の濃度および/または種類
の制御により行なうことができる。
The solid-state device of the present invention is preferably made of, for example, a semiconductor substrate doped with impurities. Valence electron control in the solid-state device can be performed by controlling the concentration and / or type of impurities.

【0024】好ましい半導体基板として、シリコン結晶
基板を用いることができる。半導体基板からなる固体素
子において、第2溶液貯留部には溝または孔を形成する
ことができる。この場合、溝または孔の内と外とで不純
物の濃度および/または種類を異ならしめることができ
る。
As a preferred semiconductor substrate, a silicon crystal substrate can be used. In a solid-state device formed of a semiconductor substrate, a groove or a hole can be formed in the second solution storage section. In this case, the concentration and / or type of impurities can be different between inside and outside of the groove or hole.

【0025】本発明の固体素子において、溶液と接触す
べき表面に酸化物からなる被膜を設けることができる。
このような被膜は、表面に親水性を付与する。
In the solid-state device of the present invention, a coating made of an oxide can be provided on the surface to be brought into contact with the solution.
Such a coating imparts hydrophilicity to the surface.

【0026】本発明は、結晶成長用装置を提供し、この
装置は、上述した結晶成長用固体素子と、沈殿剤または
緩衝溶液とともに固体素子を密封状態で収容できる容器
と、容器内において固体素子を支持するための手段とを
備える。
The present invention provides an apparatus for growing a crystal, which comprises a solid element for crystal growth as described above, a container capable of holding the solid element together with a precipitant or a buffer solution, and a solid element in the container. Means for supporting the

【0027】本発明は、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を提供する。この方法は、上述
した結晶成長用固体素子を与える工程と、固体素子に設
けられた複数の第1溶液貯留部に高分子化合物を含む第
1の溶液およびそれと異なる第2の溶液をそれぞれ保持
させる工程と、前記第1の溶液および第2の溶液を複数
の流路を介して固体素子に設けられた複数の第2溶液貯
留部に移行させ、複数の第2溶液貯留部において第1の
溶液と第2の溶液とが異なる比率で混合された複数種の
混合液をそれぞれ貯留させる工程と、混合液をそれぞれ
貯留する複数の第2溶液貯留部において、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工程とを備える。
The present invention provides a method for growing crystals of a polymer compound contained in a solution. In this method, the step of providing the above-described solid element for crystal growth and the step of holding the first solution containing the polymer compound and the second solution different from the first solution in the plurality of first solution reservoirs provided in the solid element, respectively. And transferring the first solution and the second solution to a plurality of second solution reservoirs provided in the solid-state device through a plurality of flow paths, and the first solution is stored in the plurality of second solution reservoirs. For storing a plurality of types of mixed liquids in which the mixed solution and the second solution are mixed at different ratios, and in a plurality of second solution storing sections for storing the mixed liquids respectively, the surface of the solid element is controlled by controlled valence electrons. Growing a crystal of the polymer compound under the electrical state brought to the above.

【0028】本発明の方法は、第1溶液貯留部の溶液を
加熱する工程をさらに備えることができ、これにより、
第1溶液貯留部からの流路を介する溶液の移行を促進さ
せることができる。
[0028] The method of the present invention may further comprise the step of heating the solution in the first solution storage, whereby
The transfer of the solution from the first solution storage section through the flow path can be promoted.

【0029】本発明の方法は、固体素子において少なく
とも第2溶液貯留部に電圧を印加する工程をさらに備え
ることができ、これにより、固体素子の表面にもたらさ
れる電気的状態を制御することができる。
[0029] The method of the present invention can further include a step of applying a voltage to at least the second solution storage section in the solid-state device, whereby the electric state brought to the surface of the solid-state device can be controlled. .

【0030】本発明の方法において、第2溶液貯留部に
微細加工により溝または孔が形成された固体素子を用い
る場合、溝または孔において高分子化合物の結晶化を促
進することができる。
In the method of the present invention, when a solid element having a groove or a hole formed by microfabrication in the second solution storage portion is used, crystallization of the polymer compound in the groove or the hole can be promoted.

【0031】本発明の方法において、第2の溶液とし
て、第1の溶液のpHおよび/または塩濃度を変化させ
るための緩衝溶液および/または塩溶液を用いることが
できる。
In the method of the present invention, a buffer solution and / or a salt solution for changing the pH and / or the salt concentration of the first solution can be used as the second solution.

【0032】[0032]

【発明の実施の形態】蛋白質を初めとする生体高分子の
ほとんどは、溶液内において幾何学的に特異的な構造お
よび静電的な相互作用(静電斥力・引力、ファンデルワ
ールス力)によって分子間同士の認識が行なわれてい
る。静電的なエネルギに基づく分子間の相互作用におい
ては、個々の分子最表面でのわずかな空間的な電荷分布
の相違が、分子間の認識度合い、分子集合体の作りやす
さに決定的な影響を及ぼすことが予想される。したがっ
て、溶液内をブラウン運動しながら衝突を繰返している
個々の分子では、周期的かつ規則的な構造を有する分子
集合体の核が非常に形成されにくいと考えられる。さら
に、結晶核が形成されたとしても、各分子表面の分子構
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各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, including 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, the 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. Expected to have an effect. Therefore, it is considered that nuclei of a molecular aggregate having a periodic and regular structure are extremely unlikely to be formed in individual molecules that repeatedly collide while performing Brownian motion in a solution. Furthermore, even if a crystal nucleus is formed, if the molecular structure and charge distribution on the surface of each molecule are not exactly the same and have redundancy, the molecules assembled around the nucleus will loosely bind to each other. Therefore, it is considered that the crystallinity is reduced.

【0033】蛋白質分子の結晶生成に関しては、その核
生成の初期過程が重要であるとの報告がなされている。
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(編み目状、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 stage of nucleation of protein molecules is important for crystal formation.
Yonath et al. Use an electron microscope to observe the initial crystallization process of a large ribosome subunit extracted from Bacillus Stearothermophilus. According to this, in order for crystallization to proceed, it is essential that each molecule take a two-dimensional regular structure (a stitch, a star, a staggered lattice, etc.) and aggregate as an initial process. (Biochemist
ry International, Vol. 5, 629-636 (1982)).

【0034】これ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。しかし、一般に蛋白質分子は分
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次元的に配列させる
何らかの条件が整えば、その後の結晶化は、これを核と
してエピタキシャル的に進行するものと考えられる。
It is unknown whether this is essential for all substances. However, protein molecules generally have weak intermolecular interactions, and because the molecular surface is locally charged, it is difficult to aggregate. Considering that protein molecules are two-dimensionally arranged in the initial stage of crystallization, If some conditions are satisfied, the subsequent crystallization is considered to proceed epitaxially with this as a nucleus.

【0035】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物質
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状
態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。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、蛋白質等
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 having controlled valence electrons is brought into contact with a liquid containing a substance 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. The state 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. As shown in FIG. 1A, 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. 1B, the compound such as a protein is aggregated on the surface of the solid-state element by electrostatic interaction, the generation of crystal nuclei is promoted, and the crystal grows. 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. In addition, since the generated crystal nuclei are fixed to the surface of the solid-state element, minute fluctuations of the nuclei due to convection in the solution and the like are suppressed, molecules are regularly assembled according to the nucleation, and the crystallinity is improved. Is also expected. 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.

【0036】本発明では、固体素子を構成する基板の表
面に、母液、沈澱剤、緩衝溶液等をそれぞれ保持するた
めの複数の第1溶液貯留部と、複数の第1溶液貯留部か
らの液を受入れ結晶を成長させるための複数の第2溶液
貯留部とが形成されている。第1溶液貯留部と第2溶液
貯留部との間の液の流通は基板の表面に設けられた流路
によって行なわれる。流路は、第1溶液貯留部と第2溶
液貯留部との間に設けられるが、複数の第2溶液貯留部
の間にさらに設けることができる。流路によって液を流
通させることで、複数の第1溶液貯留部から異なる種類
の溶液を第2溶液貯留部に供給し、混合液を得ることが
できる。複数の第2溶液貯留部でそれぞれ得られる混合
液は、第2溶液貯留部のそれぞれの位置および流路の配
置またはそのサイズおよび形状に応じて、異なる組成を
有することができる。すなわち、複数の第2溶液貯留部
において、異なる比率で複数種の溶液を混合することが
できる。溶液貯留部を流路で繋いだ系において、複数の
溶液の相互拡散を空間的および時間的に連続的に変化さ
せることができ、結晶化を行なうべき複数の第2溶液貯
留部においてそれぞれ異なる結晶化の条件を再現性よく
もたらすことができる。多くの第2溶液貯留部を固体素
子上に設ければ、微妙に異なる条件を調製することがで
きる。このようにして、1つの固体素子上で異なる複数
種の結晶化条件を得ることができ、それらのいずれかが
必要な化合物の結晶化のため最適であることが期待でき
る。
According to the present invention, a plurality of first solution reservoirs for holding a mother liquor, a precipitant, a buffer solution, and the like on the surface of a substrate constituting a solid-state device, and a plurality of liquids from the plurality of first solution reservoirs, respectively. And a plurality of second solution reservoirs for receiving and growing crystals. The flow of the liquid between the first solution storage part and the second solution storage part is performed by a flow path provided on the surface of the substrate. The flow path is provided between the first solution storage section and the second solution storage section, but may be further provided between the plurality of second solution storage sections. By circulating the liquid through the flow path, different types of solutions can be supplied from the plurality of first solution storage units to the second solution storage unit, and a mixed solution can be obtained. The mixed liquid obtained in each of the plurality of second solution reservoirs can have a different composition depending on the position of each of the second solution reservoirs and the arrangement of the flow paths or the size and shape thereof. That is, a plurality of types of solutions can be mixed at different ratios in the plurality of second solution storage units. In a system in which the solution storage units are connected by a flow path, the mutual diffusion of a plurality of solutions can be changed continuously and spatially and temporally, and different crystals are formed in a plurality of second solution storage units to be crystallized. Conditions can be obtained with good reproducibility. If many second solution reservoirs are provided on the solid-state device, slightly different conditions can be adjusted. In this manner, a plurality of different crystallization conditions can be obtained on one solid-state device, and it can be expected that any of them is optimal for crystallization of a necessary compound.

【0037】基板上に形成された複数の流路において、
それらの幅および/または深さが異なっていることが好
ましい。流路のサイズを変えることにより、溶液の供給
量を変えることができる。結晶化を行なうべき第2溶液
貯留部に供給される溶液の流量を変えることによって、
複数種の溶液の混合比を制御することができる。複数の
流路ごとに流量を調節すれば、より多様な混合比を得る
ことができ、したがって結晶化のためより多くの条件を
調製することができる。
In a plurality of flow paths formed on the substrate,
Preferably, they have different widths and / or depths. By changing the size of the channel, the supply amount of the solution can be changed. By changing the flow rate of the solution supplied to the second solution reservoir for performing crystallization,
The mixing ratio of a plurality of types of solutions can be controlled. If the flow rate is adjusted for each of the plurality of flow paths, more various mixing ratios can be obtained, and thus more conditions for crystallization can be prepared.

【0038】また本発明において、第1溶液貯留部に貯
留される溶液を加熱するための手段を固体素子に形成す
ることができる。このような手段は、たとえば固体素子
の基板に形成される加熱電極とすることができる。加熱
された各溶液は、その体積の膨張を推進力として流路に
押出される。また加熱された溶液は粘性が低下するため
流れやすくなる。したがって、加熱により溶液の移行は
促進される。溶液の移行を促進させる他の方法として、
流路で結ばれる溶液貯留部の間に高低差を付けることも
できる。また、流路として微細な幅の溝を形成してもよ
い。溝の間隔が狭い場合、表面張力によって液体を移動
させることができる。
Further, in the present invention, means for heating the solution stored in the first solution storage section can be formed in the solid state device. Such a means can be, for example, a heating electrode formed on the substrate of the solid state device. Each heated solution is extruded into the flow channel by using the expansion of the volume as a driving force. In addition, the heated solution becomes easier to flow because the viscosity decreases. Therefore, the transfer of the solution is promoted by heating. Other ways to facilitate solution transfer include:
A height difference can be provided between the solution storage portions connected by the flow path. Further, a groove having a fine width may be formed as a flow path. When the gap between the grooves is small, the liquid can be moved by the surface tension.

【0039】また加熱手段によって固体素子を部分的に
加熱すれば、固体素子内に温度勾配を設けることができ
る。温度勾配に従って、複数の第2溶液貯留部に温度差
が生じる。温度の異なる溶液において、結晶化すべき物
質の溶解度も異なる。したがって、温度差により1つの
固体素子においてより多くの結晶化のための条件を得る
ことができる。
When the solid state element is partially heated by the heating means, a temperature gradient can be provided in the solid state element. According to the temperature gradient, a temperature difference occurs in the plurality of second solution storage units. In solutions at different temperatures, the solubility of the substance to be crystallized also differs. Therefore, more conditions for crystallization can be obtained in one solid state device due to the temperature difference.

【0040】さらに本発明では、固体素子に電圧を印加
することができる。電圧は、たとえば溶液貯留部が形成
された面と反対の基板面に形成される電極を介して印加
することができる。このような電極は、少なくとも第2
溶液貯留部に電圧を印加できるよう設けることが好まし
い。電極を介してバイアス電圧を印加することにより、
後で詳しく説明するように固体素子表面に働く静電的な
効果を増大させたり減少させたりすることができる。特
に第2溶液貯留部において固体素子の表面電位を増加さ
せることにより、結晶成長の促進を図ることができる。
電圧の印加により、結晶化すべき分子の固体素子表面に
対する選択的な反応および凝集作用を向上させることが
できる。
Further, in the present invention, a voltage can be applied to the solid-state device. The voltage can be applied, for example, via an electrode formed on the substrate surface opposite to the surface on which the solution storage section is formed. Such an electrode has at least a second
It is preferable to provide the solution storage unit so that a voltage can be applied. By applying a bias voltage through the electrodes,
As will be described in detail later, the electrostatic effect acting on the surface of the solid state device can be increased or decreased. In particular, crystal growth can be promoted by increasing the surface potential of the solid state element in the second solution storage section.
By the application of the voltage, the selective reaction of the molecules to be crystallized on the solid element surface and the aggregating action can be improved.

【0041】また、第2溶液貯留部に微細加工によって
溝または孔を形成することにより、固体素子に働く静電
引力の対流抑制に対する効果を向上させることができ
る。特に固体素子に形成された溝の底部では、結晶化す
べき分子に対して静電的相互作用をほぼ等方的に及ぼす
ことができる。溝の底部で結晶核が形成される場合、静
電的相互作用により結晶核を溝の底部に静止させ、重力
の影響に基づく対流から結晶核を保護することが可能に
なる。ほぼ静止した核に基づいて結晶が成長していけ
ば、過剰な微結晶の生成は抑制され、結晶核の表面に規
則的に分子が集合した大型の結晶を得ることができると
期待される。
Further, by forming a groove or a hole in the second solution storage section by micromachining, the effect of suppressing the convection of electrostatic attraction acting on the solid-state element can be improved. In particular, at the bottom of the groove formed in the solid-state device, an electrostatic interaction can be exerted almost isotropically on the molecule to be crystallized. When a crystal nucleus is formed at the bottom of a groove, the crystal nucleus can be stopped at the bottom of the groove by electrostatic interaction, and the crystal nucleus can be protected from convection due to the influence of gravity. If crystals grow on the basis of substantially stationary nuclei, generation of excessive microcrystals is suppressed, and it is expected that large crystals in which molecules are regularly assembled on the surface of the crystal nuclei can be obtained.

【0042】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
とファンデー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。しかし本発明によれば、固
体素子表面の静電特性は予め価電子制御により調整でき
るため、塩濃度の調整が容易または不要になるというメ
リットも生じる。
In general, the cohesiveness of a charged substance or molecule in an electrolyte solution depends on the sum of the electric double layer repulsion and Van der Waals force between them. It is very important to control the salt concentration for adjusting the surface potential added to the solution. However, according to the present invention, since the electrostatic characteristics of the surface of the solid element can be adjusted in advance by valence electron control, there is an advantage that the adjustment of the salt concentration is easy or unnecessary.

【0043】このような目的に供される固体素子として
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。この目的を達
成するために最適な材料の1つとしてシリコン結晶を挙
げることができる。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以下に説明す
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-state device provided for such a purpose is a material having the above-mentioned electrostatic characteristics and capable of controlling the amount of charge and polarity, and a material which is chemically stable in a solution. Anything is acceptable. One of the most suitable materials for achieving this purpose is a silicon 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.

【0044】図2、3および4は、本発明の結晶成長用
固体素子の一具体例を示している。図に示す構造物はシ
リコン基板を加工することによって得られる。図2は、
シリコン基板の表面に形成される構造を模式的に示して
いる。図3および図4は、図2に示す素子のX−X、Y
−Y断面図である。
FIGS. 2, 3 and 4 show one specific example of the solid state element for crystal growth of the present invention. The structure shown in the figure is obtained by processing a silicon substrate. FIG.
1 schematically shows a structure formed on a surface of a silicon substrate. 3 and 4 show XX, Y of the device shown in FIG.
It is -Y sectional drawing.

【0045】図2に示すように、シリコン基板の表面に
は複数の溶液貯留部12a、12b、12c、12d、
14が形成されている。溶液貯留部12a〜12dは、
本発明に従う第1溶液貯留部に相当し、高分子化合物を
含む溶液およびそれ以外の必要な溶液をそれぞれ保持す
る。多数の溶液貯留部14は、本発明の第2溶液貯留部
に相当するもので、溶液貯留部12a〜12dから供給
される複数種の溶液を受入れ混合液を調製するためのも
のである。溶液貯留部14において、高分子化合物を含
む溶液とその他の溶液とが出会い、結晶化のための条件
が調製される。そして、多数の溶液貯留部14のいずれ
かにおいて、最適な結晶化条件が作り出され、結晶化が
促進される。溶液貯留部12aと溶液貯留部14とは流
路16aにより連結されている。同様に、貯留部12
b、12cおよび12dは、流路16b、16c、16
1 、16d2 および16d3 により対応する貯留部1
4と連結されている。また、多数の溶液貯留部14間に
も流路26が設けられている。流路26は、隣り合う貯
留部14同士を連結する。
As shown in FIG. 2, a plurality of solution reservoirs 12a, 12b, 12c, 12d,
14 are formed. The solution storage units 12a to 12d
It corresponds to a first solution storage section according to the present invention, and holds a solution containing a polymer compound and other necessary solutions, respectively. The large number of solution storage sections 14 correspond to the second solution storage section of the present invention, and are for receiving a plurality of types of solutions supplied from the solution storage sections 12a to 12d to prepare a mixed solution. In the solution storage section 14, the solution containing the polymer compound meets another solution, and the conditions for crystallization are adjusted. Then, in any one of the large number of solution storage sections 14, optimal crystallization conditions are created, and crystallization is promoted. The solution storage section 12a and the solution storage section 14 are connected by a flow path 16a. Similarly, the storage unit 12
b, 12c and 12d are flow paths 16b, 16c, 16
Reservoir 1 corresponding to d 1 , 16d 2 and 16d 3
4. In addition, a flow path 26 is provided between a number of solution storage sections 14. The flow path 26 connects the adjacent storage units 14.

【0046】溶液貯留部12a、12bおよび12cの
周辺部には加熱用電極18が形成されている。電極18
は、パッド21に接続される。溶液貯留部12dの周辺
部にも加熱用電極28が設けられており、電極28はパ
ッド31に接続されている。電極18および28にパッ
ド21および31を介してそれぞれ通電することにより
貯留部12a〜12dに保持される溶液は加熱される。
上述したように加熱によって溶液の移行が促進される
が、これらの加熱手段はなくてもよい。
A heating electrode 18 is formed around the solution storage sections 12a, 12b and 12c. Electrode 18
Is connected to the pad 21. A heating electrode 28 is also provided around the solution storage section 12 d, and the electrode 28 is connected to the pad 31. When the electrodes 18 and 28 are energized via the pads 21 and 31, respectively, the solutions held in the reservoirs 12a to 12d are heated.
As described above, the transfer of the solution is promoted by heating, but these heating means may be omitted.

【0047】図3は、固体素子を形成する基板の断面を
示している。シリコン基板10上には、サイズの異なる
V溝が形成されており、それらの部分がそれぞれ溶液貯
留部12b、14および12dとなっている。図示しな
いが、図2に示す溶液貯留部12aおよび12cの部分
にもV溝が形成されている。基板10上において、V溝
が形成された部分の周囲にはたとえば撥水性樹脂からな
る撥水層17が形成されている。この層は、基板におい
て溶液が広がるのをくい止め、それぞれの溶液貯留部に
おいて所定の溶液が確実に保持されるようにする。V溝
および撥水層17により形成される空間に、それぞれの
溶液15b、15d、25a、25b、25cが保持さ
れる。シリコン基板10の裏面には、電極19が設けら
れている。シリコン基板において、溶液貯留部12bお
よび12dが形成される部分と溶液貯留部14が形成さ
れる部分とでその厚みが異なっている。このような構造
において、電極19に電圧を印加すれば、基板表面にも
たらされる電気的状態(表面電位)は貯留部12bおよ
び12dと貯留部14とで異なってくる。裏面電極と基
板表面との間の距離を狭くすれば、電圧を印加したとき
に基板表面にもたらされる電解強度を高めることができ
る。したがって、結晶化を行なうべき溶液貯留部14に
おいて、選択的に高いバイアス電圧を印加することがで
き、この部分において表面電位を増大させ、結晶成長を
促進させることができる。
FIG. 3 shows a cross section of a substrate on which a solid-state element is formed. V-grooves having different sizes are formed on the silicon substrate 10, and these portions serve as solution storage portions 12b, 14 and 12d, respectively. Although not shown, V-grooves are also formed in the solution storage sections 12a and 12c shown in FIG. On the substrate 10, a water-repellent layer 17 made of, for example, a water-repellent resin is formed around the portion where the V-groove is formed. This layer prevents the solution from spreading on the substrate and ensures that a given solution is retained in each solution reservoir. The solutions 15b, 15d, 25a, 25b, and 25c are held in spaces formed by the V-grooves and the water-repellent layer 17. An electrode 19 is provided on the back surface of the silicon substrate 10. In the silicon substrate, the portions where the solution storage portions 12b and 12d are formed and the portion where the solution storage portion 14 is formed have different thicknesses. In such a structure, when a voltage is applied to the electrode 19, the electrical state (surface potential) brought to the substrate surface differs between the storage portions 12b and 12d and the storage portion 14. If the distance between the back electrode and the surface of the substrate is reduced, the strength of the field applied to the surface of the substrate when a voltage is applied can be increased. Therefore, a high bias voltage can be selectively applied to the solution storage section 14 where crystallization is to be performed, and the surface potential can be increased at this portion to promote crystal growth.

【0048】図4は、シリコン基板上に流路が形成され
ている構造を示している。シリコン基板10上には、V
溝を有する流路16a、16b、16cが形成される。
流路16a〜16cの周囲にも撥水層17が設けられて
いる。V溝と撥水層17とで構成される空間に溶液25
が保持される。
FIG. 4 shows a structure in which a flow path is formed on a silicon substrate. V on the silicon substrate 10
Channels 16a, 16b, 16c having grooves are formed.
A water-repellent layer 17 is also provided around the flow paths 16a to 16c. The solution 25 is placed in the space defined by the V-groove and the water-repellent layer 17.
Is held.

【0049】図2、3および4に示す固体素子におい
て、たとえば、貯留部12aおよび12cにそれぞれp
Hが調節された緩衝溶液、貯留部12bに所定の塩の水
溶液、貯留部12dに結晶化すべき分子(たとえば蛋白
質)を含有する水溶液(母液)をそれぞれ液滴となるよ
うに保持させることができる。また、必要に応じて貯留
部14の所々に緩衝溶液や塩の水溶液を保持させておい
てもよい。次いで、基板全体または溶液貯留部を通電に
より加熱する。加熱により、各貯留部からの溶液の移行
が促進される。図に示すように、各流路は貯留部14同
士を複雑に連結しており、したがって、次第に母液、緩
衝溶液および塩溶液がそれぞれの貯留部において種々の
濃度比で混合されていく。このとき、流路を介して溶液
の流入および流出が繰返され、僅かずつ混合比が時間的
および空間的に変化する。すなわち、多くの貯留部14
において、結晶化すべき分子、緩衝溶液および塩の濃度
が僅かずつ異なった種々の混合液が調製される。これら
の混合液のいずれかにおいて結晶化に最適な混合比がも
たらされ、そこにおいて結晶化が促進される。また、後
述するように、結晶を成長させるべき溶液貯留部に溝を
形成すれば、結晶核の形成の制御および結晶成長の促進
を図ることもできる。
In the solid-state device shown in FIGS. 2, 3 and 4, for example, p
A buffer solution in which H is adjusted, an aqueous solution of a predetermined salt in the storage unit 12b, and an aqueous solution (mother liquor) containing a molecule (eg, protein) to be crystallized in the storage unit 12d can be held as droplets. . Further, a buffer solution or an aqueous solution of a salt may be held in various parts of the storage unit 14 as needed. Next, the entire substrate or the solution storage section is heated by energization. The heating promotes the transfer of the solution from each reservoir. As shown in the figure, each flow path connects the reservoirs 14 in a complicated manner, and thus the mother liquor, the buffer solution, and the salt solution are gradually mixed in the respective reservoirs at various concentration ratios. At this time, the inflow and outflow of the solution are repeated through the flow path, and the mixing ratio changes temporally and spatially little by little. That is, many storage units 14
In, various mixtures are prepared with slightly different concentrations of the molecules to be crystallized, the buffer solution and the salt. An optimum mixing ratio for crystallization is provided in any of these mixtures, where crystallization is promoted. Further, as described later, if a groove is formed in a solution storage portion where a crystal is to be grown, it is possible to control the formation of crystal nuclei and promote the crystal growth.

【0050】図2〜図4に示す固体素子では、V溝を有
する溶液貯留部および流路が用いられているが、それら
の形状は種々のものとすることができる。図5、図6お
よび図7に、第1溶液貯留部、流路および第2溶液貯留
部の具体例をさらに示す。
In the solid-state device shown in FIGS. 2 to 4, a solution storage section having a V-groove and a flow path are used, but their shapes may be various. FIGS. 5, 6, and 7 further show specific examples of the first solution storage section, the flow path, and the second solution storage section.

【0051】本発明の固体素子に形成される第1溶液貯
留部は、たとえば図5(a)〜(e)に示すような形状
とすることができる。図5(a)〜(d)に示すよう
に、必要かつ十分な量の液滴を保持するため、第1溶液
貯留部には溝が形成されていることが好ましい。図5
(a)に示す貯留部において、シリコン基板30にはU
字型の溝32aが形成されている。溝32aはたとえば
撥水性の樹脂からなる撥水層37により囲まれる。溝3
2aおよび撥水層37により溶液35を保持する貯留部
32が形成される。図5(b)に示す貯留部では、シリ
コン基板30上にシリコン酸化膜33が形成されてい
る。この酸化膜は、シリコン基板に親水性を付与する。
その他の構造は、図5(a)と同様である。図5(c)
に示す貯留部では、シリコン基板40上にV溝42aが
形成されている。溝42aの周囲にはたとえば撥水性樹
脂からなる撥水層47が形成される。溝42aと撥水層
47とで構成される貯留部42に溶液45が保持され
る。図5(d)に示す貯留部では、シリコン基板40上
にシリコン酸化膜43が形成される。その他の構造は図
5(c)に示すものと同様である。これらの構造物にお
いて、U字溝およびV溝はシリコン基板をエッチングす
ることにより形成できる。また撥水層は、たとえばシリ
コン基板上に撥水樹脂をコーティングし、フォトリソグ
ラフィー等を用いてパターニングを行なうことにより形
成することができる。また、図5(e)に示すように、
溝を形成せずに溶液貯留部を構成することもできる。こ
の場合、シリコン基板40′上に所定のパターンで撥水
層47′を形成し、シリコン基板40′の表面が露出し
た部分を溶液貯留部とすることができる。水溶性の溶液
を用いる場合、溝が形成されるシリコン表面に酸化膜を
形成することで、その部分の親水性を高め、溶液の流れ
をよくすることができる。
The first solution storage section formed in the solid-state device of the present invention can have, for example, a shape as shown in FIGS. 5 (a) to 5 (e). As shown in FIGS. 5A to 5D, a groove is preferably formed in the first solution storage section in order to hold a necessary and sufficient amount of droplets. FIG.
In the storage section shown in FIG.
A U-shaped groove 32a is formed. The groove 32a is surrounded by a water-repellent layer 37 made of, for example, a water-repellent resin. Groove 3
The storage section 32 that holds the solution 35 is formed by the 2a and the water-repellent layer 37. In the storage section shown in FIG. 5B, a silicon oxide film 33 is formed on a silicon substrate 30. This oxide film imparts hydrophilicity to the silicon substrate.
Other structures are the same as those in FIG. FIG. 5 (c)
In the storage section shown in FIG. 5, a V-groove 42 a is formed on a silicon substrate 40. A water-repellent layer 47 made of, for example, a water-repellent resin is formed around the groove 42a. The solution 45 is held in the storage part 42 composed of the groove 42 a and the water-repellent layer 47. In the storage section shown in FIG. 5D, a silicon oxide film 43 is formed on a silicon substrate 40. Other structures are the same as those shown in FIG. In these structures, the U-shaped groove and the V-shaped groove can be formed by etching the silicon substrate. The water-repellent layer can be formed, for example, by coating a silicon substrate with a water-repellent resin and performing patterning using photolithography or the like. Also, as shown in FIG.
The solution storage section can be configured without forming the groove. In this case, the water-repellent layer 47 'can be formed in a predetermined pattern on the silicon substrate 40', and the portion where the surface of the silicon substrate 40 'is exposed can be used as a solution storage section. When a water-soluble solution is used, by forming an oxide film on the silicon surface where the groove is formed, the hydrophilicity of that portion can be increased, and the flow of the solution can be improved.

【0052】図6(a)〜(e)は流路の具体例を示し
ている。図6(a)に示すように、シリコン基板50上
にU字型の溝56aを形成し、その周りに撥水性樹脂か
らなる撥水層57を形成することができる。溝56aお
よび撥水層57により流路56が構成され、そこに溶液
55が通される。図6(b)に示す構造は、シリコン基
板50上にシリコン酸化膜53が形成されることを除い
ては図6(a)の構造と同様である。図6(c)に示さ
れる流路66は、シリコン基板60上に形成されるV溝
66aを有している。溝66aとその周りを囲む撥水層
67とで構成される流路66に溶液65が通される。図
6(d)に示される構造は、シリコン基板60上にシリ
コン酸化膜63が形成されるのを除いては、図6(c)
の構造と同様である。このような溝を有する構造におい
て、U溝やV溝は、シリコン基板をエッチングすること
により形成することができる。撥水層は、たとえば撥水
性樹脂をシリコン基板にコーティングし、フォトリソグ
ラフィー等を用いてパターニングすることにより得られ
る。また図6(e)に示すように、溝を形成しない構造
はより簡便に得ることができる。この場合、シリコン基
板70上に、流路を形成すべき部分を除いて撥水層77
が設けられる。溶液75は撥水層77によって取囲まれ
る流路76に通される。水溶性の溶液を用いる場合、溝
が形成されたシリコン表面にシリコン酸化膜を形成する
ことで、親水性を高め、溶液の流れを良好にすることが
できる。
FIGS. 6A to 6E show specific examples of the flow path. As shown in FIG. 6A, a U-shaped groove 56a is formed on a silicon substrate 50, and a water-repellent layer 57 made of a water-repellent resin can be formed therearound. The channel 56 is constituted by the groove 56a and the water repellent layer 57, and the solution 55 is passed therethrough. The structure shown in FIG. 6B is the same as the structure shown in FIG. 6A except that a silicon oxide film 53 is formed on a silicon substrate 50. The channel 66 shown in FIG. 6C has a V groove 66 a formed on the silicon substrate 60. The solution 65 is passed through a flow path 66 composed of the groove 66a and the water-repellent layer 67 surrounding the groove 66a. 6D except that a silicon oxide film 63 is formed on a silicon substrate 60. The structure shown in FIG.
It is the same as the structure of FIG. In the structure having such a groove, the U groove and the V groove can be formed by etching the silicon substrate. The water-repellent layer is obtained, for example, by coating a silicon substrate with a water-repellent resin and patterning the same using photolithography or the like. Further, as shown in FIG. 6E, a structure in which no groove is formed can be obtained more easily. In this case, the water-repellent layer 77 is formed on the silicon substrate 70 except for the portion where the flow path is to be formed.
Is provided. The solution 75 is passed through a channel 76 surrounded by a water-repellent layer 77. When a water-soluble solution is used, a silicon oxide film is formed on the surface of the silicon where the grooves are formed, whereby the hydrophilicity can be increased and the flow of the solution can be improved.

【0053】図7は、第2溶液貯留部の構造の具体例を
示している。図7(a)に示す構造では、シリコン基板
80上に所定のパターンでたとえば撥水性樹脂からなる
撥水層87が形成されている。撥水層87によって取囲
まれかつシリコン基板80が露出する部分に溶液85を
保持するための溶液貯留部84が形成される。シリコン
基板の表面は、通常、結晶欠陥および固定電荷が極めて
少ないため、結晶化すべき分子について余分な結晶核を
生成させにくいという長所を有する。したがって、図7
(a)に示すような構造でも、結晶化を行なうべき空間
を調製することができる。図7(b)に示す構造では、
シリコン基板80上にシリコン酸化膜83が形成されて
いる。その他の部分は図7(a)に示す構造と同様であ
る。結晶化すべき分子(たとえば蛋白質分子)の特性に
応じて、シリコン表面に酸化膜を形成すればよい。酸化
膜は、シリコン表面の親水性を向上させる。図7(c)
に示す構造では、第1のシリコン層80a上に第2のシ
リコン層80bが形成されている。このような異なるシ
リコン層は、シリコンに添加する不純物の濃度および/
または種類を変えることにより形成することができる。
積層構造を有するシリコン上に所定のパターンで撥水層
87が形成され、撥水層87に囲まれる部分に溶液貯留
部84が形成される。図7(d)に示す構造では、第1
のシリコン層90a上に第2のシリコン層90bが形成
され、その積層体にV溝94aが形成されている。所定
のパターンで形成された撥水層97とV溝94aとによ
って溶液95を保持する貯留部94が構成されている。
V溝94aの内部では、第1のシリコン層90aが露出
している。一方V溝94aの外において、第1のシリコ
ン層90aは第2のシリコン層90bによって覆われて
いる。図7(e)に示す構造では、溶液貯留部104に
トレンチ104aが形成されている。トレンチ104a
は開口部の幅よりも深さが大きく、アスペクト比の高い
形状を有する。図に示すように、トレンチは複数設ける
ことが好ましい。溶液貯留部104は、第1のシリコン
層100a上に第2のシリコン層100bが形成された
基板に設けられている。溶液貯留部104の周囲には撥
水層107が形成される。図7(f)に示す構造では、
溶液貯留部114にU字溝114aが形成される。第1
のシリコン層110a上には第2のシリコン層110b
が形成され、溶液貯留部114の周囲には撥水層117
が設けられている。
FIG. 7 shows a specific example of the structure of the second solution storage section. In the structure shown in FIG. 7A, a water-repellent layer 87 made of, for example, a water-repellent resin is formed on a silicon substrate 80 in a predetermined pattern. A solution storage portion 84 for holding the solution 85 is formed in a portion surrounded by the water-repellent layer 87 and exposing the silicon substrate 80. Since the surface of a silicon substrate usually has very few crystal defects and fixed charges, it has the advantage that it is difficult to generate extra crystal nuclei for molecules to be crystallized. Therefore, FIG.
Even with the structure as shown in (a), the space for crystallization can be prepared. In the structure shown in FIG.
A silicon oxide film 83 is formed on a silicon substrate 80. Other parts are the same as the structure shown in FIG. An oxide film may be formed on the silicon surface according to the characteristics of the molecule to be crystallized (for example, a protein molecule). The oxide film improves the hydrophilicity of the silicon surface. FIG. 7 (c)
In the structure shown in FIG. 5, a second silicon layer 80b is formed on a first silicon layer 80a. Such different silicon layers may have different concentrations of impurities added to silicon and / or
Alternatively, it can be formed by changing the type.
A water-repellent layer 87 is formed in a predetermined pattern on silicon having a laminated structure, and a solution storage section 84 is formed in a portion surrounded by the water-repellent layer 87. In the structure shown in FIG.
A second silicon layer 90b is formed on the silicon layer 90a, and a V-groove 94a is formed in the stacked body. The water-repellent layer 97 formed in a predetermined pattern and the V-shaped groove 94a constitute a reservoir 94 for holding the solution 95.
The first silicon layer 90a is exposed inside the V groove 94a. On the other hand, outside the V groove 94a, the first silicon layer 90a is covered with the second silicon layer 90b. In the structure shown in FIG. 7E, a trench 104a is formed in the solution storage section 104. Trench 104a
Has a shape with a depth greater than the width of the opening and a high aspect ratio. As shown in the figure, it is preferable to provide a plurality of trenches. The solution storage section 104 is provided on a substrate in which the second silicon layer 100b is formed on the first silicon layer 100a. A water-repellent layer 107 is formed around the solution storage section 104. In the structure shown in FIG.
A U-shaped groove 114a is formed in the solution storage section 114. First
A second silicon layer 110b on the first silicon layer 110a.
Is formed, and a water-repellent layer 117 is formed around the solution storage portion 114.
Is provided.

【0054】図7(d)〜(f)に示す構造において、
V溝、トレンチおよびU溝はたとえばシリコン表面を化
学的にエッチングすることによって形成することができ
る。溶液貯留部に溝を形成することによって、貯留部内
での溶液の対流を効果的に抑制し、結晶核の生成および
大型の結晶の成長をより安定に行なわせることができ
る。また、図7(d)〜(f)に示す構造において、そ
の表面にシリコン酸化膜を形成してもよい。酸化膜は、
シリコン表面の親水性を向上させる。図7に示す貯留部
において、撥水層は、たとえば撥水性樹脂をコーティン
グした後、ホトリソグラフィー等を用いてパターニング
を行なうことにより形成することができる。
In the structure shown in FIGS. 7D to 7F,
The V-groove, trench and U-groove can be formed by, for example, chemically etching the silicon surface. By forming a groove in the solution storage section, convection of the solution in the storage section can be effectively suppressed, and crystal nuclei can be generated and large crystals can be grown more stably. In the structure shown in FIGS. 7D to 7F, a silicon oxide film may be formed on the surface. The oxide film
Improves the hydrophilicity of the silicon surface. In the storage section shown in FIG. 7, the water-repellent layer can be formed by, for example, coating a water-repellent resin and then performing patterning using photolithography or the like.

【0055】図7に示す結晶化のための溶液貯留部にお
いて、価電子が制御されたシリコンを用いることができ
る。制御された価電子のため、溶液と接触するシリコン
表面には溶液の状態に応じた電気的状態がもたらされ
る。価電子の制御のため、特に不純物の濃度および/ま
たは種類の異なる複数のシリコン層を溶液貯留部に形成
することが好ましい。図7(c)〜(f)に示す構造
は、価電子制御の状態が異なる複数のシリコン層を形成
した例である。これらの構造において、たとえば第1の
シリコン層としてP型シリコン、第2のシリコン層とし
てN型シリコンを用いることができる。この場合、特に
P型シリコン層が露出した溝において、負の実効表面電
荷を有する分子をより効果的に結晶化することができる
と考えられる。また第1のシリコン層として不純物濃度
が低く高抵抗のN型シリコンを用い、第2のシリコン層
として不純物濃度が高く低抵抗のN型シリコンを用いる
ことができる。この場合も、高抵抗のN型シリコンが露
出した溝において特に負の実効表面電荷を有する分子を
効果的に結晶化することができると考えられる。一方、
正の実効表面電荷を有する分子の結晶化に対しては、上
述したシリコンの極性を逆にすればよいと考えられる。
すなわち、第1のシリコン層としてN型シリコンを用
い、第2シリコンとしてP型シリコンを用いればよい。
また、P型シリコンについて不純物の濃度の異なる層ま
たは領域を形成することが効果的であると考えられる。
以下に、固体素子における価電子制御により結晶化が制
御されるメカニズムを説明する。解離して負の実効表面
電荷を有する高分子化合物を含有する電解質水溶液を、
価電子制御されたN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
を有する高分子電解質に対して、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
は常に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、水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
のドーパント濃度にも依存する。したがって、電解質溶
液中において負の電荷を有する高分子は、この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シリコン表面に対して
は、高分子化合物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シリコン表
面に対しては、高分子化合物の凝集が無制限に進行する
ことが予想される。
In the solution storage for crystallization shown in FIG. 7, silicon whose valence electrons are controlled can be used. Due to the controlled valence electrons, an electrical state corresponding to the state of the solution is provided on the silicon surface in contact with the solution. In order to control valence electrons, it is particularly preferable to form a plurality of silicon layers having different impurity concentrations and / or types in the solution storage section. The structures shown in FIGS. 7C to 7F are examples in which a plurality of silicon layers having different valence electron control states are formed. In these structures, for example, P-type silicon can be used as the first silicon layer and N-type silicon can be used as the second silicon layer. In this case, it is considered that molecules having a negative effective surface charge can be more effectively crystallized particularly in the groove where the P-type silicon layer is exposed. Further, N-type silicon having a low impurity concentration and high resistance can be used as the first silicon layer, and N-type silicon having a high impurity concentration and low resistance can be used as the second silicon layer. Also in this case, it is considered that molecules having a particularly negative effective surface charge can be effectively crystallized in the groove where the high-resistance N-type silicon is exposed. on the other hand,
It is considered that the polarity of silicon described above should be reversed for crystallization of molecules having a positive effective surface charge.
That is, N-type silicon may be used as the first silicon layer, and P-type silicon may be used as the second silicon.
It is also considered effective to form layers or regions having different impurity concentrations for P-type silicon.
Hereinafter, a mechanism in which crystallization is controlled by valence electron control in a solid-state device will be described. An electrolyte aqueous solution containing a polymer compound having dissociated and having a negative effective surface charge,
Contact with a valence-controlled N or P-type silicon crystal forms a Schottky barrier on the N-type silicon surface while providing an ohmic contact on the P-type silicon surface. On the P-type silicon surface, holes are always supplied from the bulk silicon side to the polymer electrolyte having a negative charge (ohmic characteristic), so that the polymer is expected to always aggregate on the silicon surface. .
On the other hand, a surface potential depending on the electrolyte concentration of the aqueous 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 dopant concentration of N-type silicon. Therefore, the polymer having a negative charge in the electrolyte solution is at least compensated for the positive space charge of the N-type silicon.
It is expected that it will continue to aggregate on the silicon surface. Therefore, the aggregation and crystallization of the polymer compound are restricted on the silicon surface where the space charge layer region is formed, while the polymer surface is not polymerized on the silicon surface where the ohmic contact is formed. It is expected that aggregation of the compound will proceed indefinitely.

【0056】また、たとえばN型シリコンにおいて、不
純物濃度が異なる2つ以上の領域が形成されている場合
も、それらの領域によって異なる態様で結晶化が進むこ
とが予想される。N型シリコンの不純物濃度が低く高抵
抗の場合と、不純物濃度が高く低抵抗の場合について、
その効果の相違について述べる。N型シリコンの場合、
低不純物濃度(あるいは高抵抗)基板では、ドーパント
濃度が低いため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
シリコン表面に誘起される表面電位は高不純物濃度(あ
るいは低抵抗)基板の場合と比較して、大きくなること
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
用により凝集が促進されると予想される。すなわち、低
不純物濃度で高抵抗のN型シリコン基板の方が、高不純
物濃度で低抵抗のN型シリコン基板より、基板表面によ
り多くの結晶を析出させることができると予想される。
Also, for example, when two or more regions having different impurity concentrations are formed in N-type silicon, crystallization is expected to proceed in a different manner depending on those regions. For the case where the impurity concentration of N-type silicon is low and high resistance, and the case where the impurity concentration is high and low resistance,
The difference between the effects will be described. For N-type silicon,
In a low-impurity-concentration (or high-resistance) substrate, the space charge layer formed near the surface is widened due to the low dopant concentration, so that the capacitance of the depletion layer is small and the surface potential induced on the silicon surface is high. It is expected to be larger than in the case of an impurity concentration (or low resistance) substrate. Since this surface potential is opposite in polarity to the effective surface potential of the polymer compound, aggregation is expected to be promoted by the action of electrostatic attraction. That is, it is expected that an N-type silicon substrate having a low impurity concentration and a high resistance can deposit more crystals on the substrate surface than an N-type silicon substrate having a high impurity concentration and a low resistance.

【0057】また以上に示す特性を利用して、固体素子
の特定の領域で結晶核の形成を抑制し、特定の領域で結
晶核の生成を促進させることができる。たとえば、図7
(c)に示すような構造において、第1のシリコンとし
て高抵抗のN型シリコンを用い、第2のシリコンとして
低抵抗のN型シリコンを用いることによって、特定の溶
液貯留部または溶液の通過する流路にまで結晶が析出す
るのを防止することができる。また価電子制御により結
晶化に適した領域を特定の溶液貯留部に形成することに
よって、固体素子上で結晶成長を行なわせたい位置を制
御することができる。
By utilizing the characteristics described above, the formation of crystal nuclei in a specific region of the solid-state device can be suppressed, and the generation of crystal nuclei in a specific region can be promoted. For example, FIG.
In the structure shown in (c), a high-resistance N-type silicon is used as the first silicon, and a low-resistance N-type silicon is used as the second silicon. Crystals can be prevented from depositing in the flow path. Further, by forming a region suitable for crystallization by valence electron control in a specific solution storage portion, it is possible to control a position where crystal growth is to be performed on the solid-state device.

【0058】以上のように、空間的に抵抗の異なる領域
を形成するには、シリコン表面に選択的に不純物をドー
ピングすることで容易に達成される。また別の方法とし
て、シリコン表面をエッチングすることによって、抵抗
値の異なる表面を露出させることも可能である。
As described above, formation of regions having spatially different resistances can be easily achieved by selectively doping impurities on the silicon surface. As another method, it is possible to expose surfaces having different resistance values by etching the silicon surface.

【0059】本発明にもちいられるN型およびP型シリ
コン結晶は、通常のLSIプロセスに用いられるシリコ
ン上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、より好ましくは0.001〜100Ωcm
の範囲のものを用いることができる。N型およびP型に
価電子制御されたシリコンの調整方法として、種々のも
のが考えられ、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III族元素としてB,Al、Ga、In、
Tl等を挙げることができる。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、S
b、Bi等を挙げることができ、特にP、As、Sbが
一般的である。また、結晶の表面は、ミラーポリッシュ
されたものが、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 the same characteristics as those on silicon used in a normal LSI process. The specific resistance of the silicon crystal may be in the range of about 0.0001 to 1000 Ωcm, and more preferably 0.001 to 100 Ωcm.
Can be used. Various methods can be considered as a method of adjusting silicon whose valence electrons are controlled to N-type and P-type, and any method may be used. However, the simplest method for accurately controlling impurity concentration is as follows.
An ion implantation method may be used. In this case, P-type and N-type valence electron control can be easily performed by implanting ions of elements belonging to Group III and Group V of the periodic table into silicon and annealing the silicon. B, Al, Ga, In,
Tl and the like can be mentioned. In particular, B is common.
N, P, As, S as Group V elements for making N-type
b, Bi and the like can be mentioned, and P, As, and Sb are particularly common. Further, the surface of the crystal is preferably mirror polished in order to control the crystal nuclei to be precipitated.

【0060】本発明において、シリコン基板表面に不純
物層を形成する際、その厚みは、0.1〜200μmが
好ましく、1〜50μmの範囲がより好ましい。これ以
外の範囲では、作製が容易でなかったり、効果がなくな
ったりするため望ましくない。
In the present invention, when forming the impurity layer on the surface of the silicon substrate, the thickness thereof is preferably 0.1 to 200 μm, more preferably 1 to 50 μm. Outside of this range, the fabrication is not easy or the effect is lost, which is not desirable.

【0061】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、同様の機能を有する他の材料を適宜用いることが
できる。たとえば、シリコン以外の半導体結晶を好まし
く用いることもでき、さらには、半導体結晶以外の材
料、たとえば電荷分布の制御された無機化合物、有機化
合物、高分子化合物、およびそれらの複合物を候補とし
て挙げることができる。
The above description has been made of an example using semiconductor crystalline silicon which can easily control valence electrons. However, in order to achieve the object, other materials having the same function can be used as appropriate. For example, a semiconductor crystal other than silicon can be preferably used, and further, a material other than the semiconductor crystal, for example, an inorganic compound, an organic compound, a polymer compound, and a composite thereof having a controlled charge distribution may be mentioned as a candidate. Can be.

【0062】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2図に示す素子は複数のV溝を
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。溝または孔は、
深部に行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方
が有利である。
In the present invention, a plurality of grooves or holes are formed in the solid-state device. The device shown in FIG. 2 has a plurality of V grooves. Instead of the grooves, for example, pyramidal or conical holes may be provided on the surface of the solid-state device. Grooves or holes
It is more preferable that the width of the opening 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.

【0063】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 device having a groove for each target polymer compound was prepared, it would be costly and time-consuming, and would not be efficient.
Therefore, if a plurality of grooves having different sizes are formed on the solid-state element in advance, even if the target molecular species is changed, more preferable crystallization conditions can 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.

【0064】基板表面に形成される溝または孔の開口部
のサイズおよび溝または孔の深さは、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望
ましい。一般的には、溝または孔の開口部の幅は0.0
1〜100μmの範囲が好ましく、溝の長さは1〜10
mmの範囲が好ましい。また、複数の溝または孔は、1
μm〜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0.01〜200μ
mの範囲で調整するのが好ましい。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。
It is desirable that the size of the opening of the groove or hole and the depth of the groove or hole formed on the surface of the substrate be appropriately set in a suitable range depending on the kind of the target polymer. Generally, the width of the opening of the groove or hole is 0.0
The range of 1 to 100 μm is preferable, and the length of the groove is 1 to 10 μm.
The range of mm is preferred. Also, the plurality of grooves or holes are
It can be produced as appropriate at intervals in the range of μm to 1 mm. The depth of the groove or hole is, for example, 0.01 to 200 μm.
It is preferable to adjust in the range of m. 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.

【0065】また、シリコン基板等の固体素子表面に
は、溶液貯留部および流路を取囲むように撥水性の層を
形成することが好ましい。この層は、溶液を保持する際
に、溶液が周囲に流出するのを効果的に防止することが
できる。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、アルカリのみを含む水や純水に対して
十分に撥水性であるが、緩衝溶液のような塩を含有する
水溶液に対して撥水性は低下する。したがって、緩衝溶
液を用いる場合、シリコン基板の周囲に撥水性の物質か
らなる層を形成する必要がある。撥水性の層は、たとえ
ば有機系の樹脂によって形成することができ、ポリイミ
ド樹脂は最も簡便に撥水性の層を形成できる材料の1つ
である。ポリイミドからなる撥水性の層を形成する場
合、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要な部分を除去する
ことができる。
Further, it is preferable to form a water-repellent layer on the surface of the solid element such as a silicon substrate so as to surround the solution storage section and the flow path. This layer can effectively prevent the solution from flowing to the surroundings when holding the solution. For example, a silicon surface from which an oxide film has been removed is generally sufficiently water-repellent to water containing only acids and alkalis or pure water, but is water-repellent to aqueous solutions containing salts such as buffer solutions. Drops. Therefore, when a buffer solution is used, it is necessary to form a layer made of a water-repellent substance around the silicon substrate. The water-repellent layer can be formed of, for example, an organic resin, and a polyimide resin is one of the materials that can form the water-repellent layer most easily. In the case of forming a water-repellent layer made of polyimide, for example, after coating and curing a photosensitive or non-photosensitive polyimide resin, unnecessary portions can be removed by etching or development to obtain a desired pattern. .

【0066】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、0.1〜100μmの範
囲の厚みのものが比較的作製しやすい。また、撥水性を
示しかつ溶液中で化学的に安定であれば、種々の材料を
この層のために用いることができる。
The thickness of the water-repellent layer used in the present invention does not need to be particularly limited functionally, but a layer having a thickness in the range of 0.1 to 100 μm is relatively easy to manufacture. Also, various materials that exhibit water repellency and are chemically stable in solution can be used for this layer.

【0067】本発明では、固体素子に電圧を印加するこ
とにより表面電位の分布を制御することができる。図8
を参照して、本発明の固体素子を構成する基板にバイア
ス電圧を印加した場合の動作原理について説明する。図
に示す固体素子において、第1のシリコン層150a上
には第2のシリコン層150bが形成される。溶液が貯
留される部分には、第2のシリコン層が形成されておら
ず、第1のシリコン層が露出している。第1のシリコン
層150aの裏側には電極層159が形成され、バイア
ス電圧を印加できるようになっている。第1のシリコン
としてたとえば高抵抗シリコン(N- シリコン)を用
い、第2のシリコンとして低抵抗シリコン(N+ シリコ
ン)を用いることができる。この場合、バイアス電圧が
印加されていないとき、シリコン表面の表面電位の分布
はAで示されるチャートのようになる。固体素子に正の
バイアス電圧が印加されると、表面電位の分布は正の方
向にシフトし、全体的に電位が増加する(チャートB参
照)。一方、負のバイアス電圧を印加すると、シリコン
表面は溶液に対して電気的にオーミック性となるため、
表面電位の分布はほぼフラットになり、全体的に電位は
ほぼ0になる(チャートC)。このように、電圧を印加
することによって、シリコン基板表面の電位分布を任意
に変えることができる。電圧印加による表面電位の制御
により、高分子化合物の素子表面における凝集および結
晶化をより積極的に制御することができる。なお、電圧
を印加するための電極は、固体素子の裏面全体に設けて
もよいが、結晶成長を行なわせたい部分のみに形成して
もよい。たとえば図9に示すように、結晶成長用の溶液
貯留部に相当する部分に電極90を形成し、パッド91
を介して電圧を印加してもよい。
In the present invention, the distribution of the surface potential can be controlled by applying a voltage to the solid state device. FIG.
The principle of operation when a bias voltage is applied to the substrate constituting the solid-state device of the present invention will be described with reference to FIG. In the solid-state element shown in the drawing, a second silicon layer 150b is formed on a first silicon layer 150a. The second silicon layer is not formed in the portion where the solution is stored, and the first silicon layer is exposed. An electrode layer 159 is formed on the back side of the first silicon layer 150a so that a bias voltage can be applied. For example, high-resistance silicon (N - silicon) can be used as the first silicon, and low-resistance silicon (N + silicon) can be used as the second silicon. In this case, when no bias voltage is applied, the distribution of the surface potential on the silicon surface is as shown in the chart indicated by A. When a positive bias voltage is applied to the solid state device, the distribution of the surface potential shifts in the positive direction, and the potential increases as a whole (see Chart B). On the other hand, when a negative bias voltage is applied, the silicon surface becomes electrically ohmic to the solution,
The distribution of the surface potential becomes substantially flat, and the potential becomes substantially zero as a whole (Chart C). Thus, by applying a voltage, the potential distribution on the surface of the silicon substrate can be changed arbitrarily. By controlling the surface potential by applying a voltage, aggregation and crystallization of the polymer compound on the device surface can be more positively controlled. The electrode for applying a voltage may be provided on the entire back surface of the solid-state element, or may be formed only on a portion where crystal growth is desired. For example, as shown in FIG. 9, an electrode 90 is formed in a portion corresponding to a solution storage portion for crystal growth, and a pad 91 is formed.
A voltage may be applied via the.

【0068】本発明では、結晶を成長させたい溶液貯留
部に溝を形成することによって、対流の影響を抑制し、
結晶の成長をより安定的に行なわせることができる。図
10は、この溝の効果を説明するためのものである。た
とえばエッチングにより溝を形成した部分では、形成し
ていない部分に比べて、溶液中において解離した分子と
固体素子表面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できる。た
とえば図10(a)に示すように、シリコン基板120
にV溝126aを形成した貯留部126に溶液125を
保持させた場合、V溝126aの最も深い中央部では、
この相互作用の及ぶ領域が重なり、その幅が広くなるこ
とが予想される。図では、点線により静電相互作用の及
ぶ領域121を示している。したがって、V溝の中央部
において、結晶核または結晶核となる分子凝集体は、V
溝表面から静電引力をほぼ等方的に受けることができ、
V溝の空間内により強く拘束され得る。溶液125の上
部では、重力等の影響によって対流129が発生する。
一方、V溝内では、静電引力により分子が拘束されるよ
うになるため、対流の影響が抑制される。したがって、
V溝内では、結晶核が安定して生成され、結晶の成長が
安定して行なわれると期待できる。このことは、図10
(b)に示すようなトレンチを形成した固体素子につい
ても当てはまると考えられる。シリコン基板130に形
成されたトレンチ136aにおいて、静電引力の及ぶ領
域131が重なり、溶液136の上部において発生する
対流135の影響は、トレンチ136aの深部にまでは
及ばないことが期待できる。トレンチ136a内におい
て、結晶化すべき分子は静電引力133により拘束さ
れ、その結晶の成長は安定に進行することが期待でき
る。一般に、溶液内の対流の影響により結晶核近傍での
拡散供給層の幅が変動するため、結晶性の低下や成長速
度の低下が起こると考えられる。したがって、対流は可
能な限り抑制するのがよい。
In the present invention, the effect of convection is suppressed by forming a groove in the solution storage portion where the crystal is to be grown.
Crystal growth can be performed more stably. FIG. 10 illustrates the effect of the groove. For example, in a portion where a groove is formed by etching, a range where an electrostatic interaction between a molecule dissociated in a solution and a surface of a solid-state element reaches (a width of an electric double layer) as compared with a portion where a groove is not formed. Can be expected to be wider. For example, as shown in FIG.
When the solution 125 is held in the storage part 126 in which the V groove 126a is formed, the deepest central portion of the V groove 126a
It is expected that the areas that this interaction will reach overlap and their width will be wider. In the drawing, a region 121 to which the electrostatic interaction is exerted is indicated by a dotted line. Therefore, in the central part of the V-groove, the crystal nucleus or the molecular aggregate serving as the crystal nucleus is V V
Electrostatic attraction can be received almost isotropically from the groove surface,
It can be more constrained within the space of the V-groove. Above the solution 125, convection 129 is generated due to the influence of gravity or the like.
On the other hand, in the V-groove, molecules are restrained by electrostatic attraction, so that the influence of convection is suppressed. Therefore,
In the V groove, crystal nuclei are generated stably, and it can be expected that crystal growth is performed stably. This is illustrated in FIG.
It is considered that this also applies to a solid-state device having a trench as shown in FIG. In the trench 136a formed in the silicon substrate 130, the region 131 to which the electrostatic attraction is exerted overlaps, and it is expected that the influence of the convection 135 generated above the solution 136 does not extend to the deep portion of the trench 136a. In the trench 136a, molecules to be crystallized are restrained by the electrostatic attractive force 133, and it can be expected that the crystal growth proceeds stably. Generally, the width of the diffusion supply layer in the vicinity of the crystal nucleus fluctuates due to the influence of convection in the solution, so that it is considered that the crystallinity and the growth rate decrease. Therefore, convection should be suppressed as much as possible.

【0069】図10(c)に示すような構造の場合、結
晶化すべき分子は対流の影響を比較的受けやすいと考え
られる。一方、静電引力123の及ぶ領域121は空間
的に均一であり、基板140の平面内においで電場の勾
配は形成されない。このため、結晶化すべき分子の種類
によっては、凝集の際に分子が二次元的に配列しやすく
なり、好都合である場合もあると考えられる。
In the case of the structure shown in FIG. 10C, it is considered that the molecules to be crystallized are relatively easily affected by convection. On the other hand, the region 121 to which the electrostatic attraction 123 is applied is spatially uniform, and no electric field gradient is formed in the plane of the substrate 140. For this reason, depending on the type of the molecule to be crystallized, it is considered that the molecules are easily arranged two-dimensionally during aggregation, which may be advantageous in some cases.

【0070】図11は、結晶成長用装置の一具体例を示
している。この装置において、結晶成長用固体素子を構
成する基板10は、容器161内において支持台162
aおよび162b上に載置される。基板10の裏面に
は、電極19が形成されている。支持台162b上にも
電極163bが形成されており、端子164bを介して
電極19に電圧が印加できるようになっている。支持台
162a上にも電極163aが設けられており、電極1
63aは基板10上に形成されたパッド31と電気的に
接続される。パッド31には、端子164aを介して電
力が供給され、基板10に形成された溶液貯留部を加熱
できるようになっている。容器161の底部には緩衝溶
液166が収容され、その開口部は上蓋165で密封で
きるようになっている。このように溶液の蒸発を防ぐこ
とのできる容器161の支持台162aおよび162b
上に、基板10を載置し、溶液15b、15d等の必要
な溶液を基板10上に滴下する。なお、基板10は、上
向きおよび下向きのどちらでもよい。容器161の底部
に緩衝溶液166等を加えた後、上蓋165によって開
口部を密封し、結晶化を開始することができる。結晶化
の開始に際して、端子164aより電流を与え、溶液を
加熱することができる。さらに、端子164bより基板
10の裏面にバイアス電圧を印加することができる。溶
液の加熱およびバイアス電圧の印加は連続的に行なって
もよいし、断続的に行なってもよい。この状態におい
て、液滴を保持する基板10を静置しておけば、基板の
所定の部分において結晶成長を行なわせることができ
る。
FIG. 11 shows a specific example of an apparatus for growing a crystal. In this apparatus, a substrate 10 constituting a solid element for crystal growth is supported on a support 162 in a container 161.
a and 162b. An electrode 19 is formed on the back surface of the substrate 10. An electrode 163b is also formed on the support 162b, and a voltage can be applied to the electrode 19 via the terminal 164b. The electrode 163a is also provided on the support 162a, and the electrode 1
63 a is electrically connected to the pad 31 formed on the substrate 10. Electric power is supplied to the pad 31 via the terminal 164a, so that the solution storage section formed on the substrate 10 can be heated. A buffer solution 166 is accommodated in the bottom of the container 161, and the opening thereof can be sealed with an upper lid 165. The supports 162a and 162b of the container 161 capable of preventing the solution from evaporating in this way.
The substrate 10 is placed thereon, and necessary solutions such as the solutions 15 b and 15 d are dropped on the substrate 10. The substrate 10 may be either upward or downward. After the buffer solution 166 or the like is added to the bottom of the container 161, the opening is sealed with the upper lid 165, and crystallization can be started. At the start of crystallization, a current can be applied from the terminal 164a to heat the solution. Further, a bias voltage can be applied to the back surface of the substrate 10 from the terminal 164b. Heating of the solution and application of the bias voltage may be performed continuously or intermittently. In this state, if the substrate 10 holding the droplets is allowed to stand still, crystal growth can be performed on a predetermined portion of the substrate.

【0071】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, polysaccharides, nucleic acids, and complexes and derivatives thereof. The present invention is preferably applied for crystallization of biopolymers.

【0072】[0072]

【実施例】ニワトリ卵白製リゾチーム(Lysozyme, From
Chicken Egg White)をpH=4.5の標準緩衝溶液で
溶解し、50mg/mlの濃度とした。この溶液につい
て、以下に示す2種類のシリコン結晶を用い結晶化を行
なった。
[Example] Lysozyme made from chicken egg white (Lysozyme, From
Chicken Egg White) was dissolved in a standard buffer solution of pH = 4.5 to a concentration of 50 mg / ml. This solution was crystallized using the following two types of silicon crystals.

【0073】(1) サンプル−1 約30Ωcmの比抵抗のN型シリコン基板表面に、リン
元素のイオン注入によって低抵抗のN型シリコン層(比
抵抗:約0.01Ωcm、厚み:約0.5μm)を全面
的に形成した。その後、表面に熱酸化によって200Å
の酸化シリコン層を形成した。次に、その表面に図2に
示すような構成で、溶液貯留部、流路、電極パターンお
よびパッドを形成した。これらは、LSIの製造プロセ
スに通常用いられるフォトリソグラフィー法およびエッ
チング技術等を用いて形成することができた。図2に示
す溶液貯留部12a、12bおよび12cは、3mm×
5mmのサイズとし、溶液貯留部12dは3mm×10
mmのサイズとした。各溶液貯留部にはシリコンの異方
性エッチングによってV溝を形成した。V溝の深さはす
べて200μmであった。一方、図2に示す結晶成長用
の溶液貯留部14は、すべてが0.2mm×0.2mm
のサイズであった。これらについても、エッチングによ
りV溝を形成した。溝の深さは約5μmであった。各溶
液貯留部を相互に連結する流路は、V溝の形状とした。
図2に示す流路の中で、図面に向かって上下方向に配置
される流路は幅および深さが50μmのV溝であった。
図面に向かって左右方向に配置される流路は、幅および
深さが100μmのV溝であった。また、互いに斜めの
位置にある結晶成長用の溶液貯留部を繋ぐ流路は、幅お
よび深さが20μmのV溝とした。V溝はすべてシリコ
ン表面の異方性エッチングにより形成した。
(1) Sample-1 A low-resistance N-type silicon layer (specific resistance: about 0.01 Ωcm, thickness: about 0.5 μm) was implanted on the surface of an N-type silicon substrate having a specific resistance of about 30 Ωcm by ion implantation of phosphorus element. ) Was formed over the entire surface. Then, the surface is heated to 200 酸化 by thermal oxidation.
Was formed. Next, a solution storage section, a flow path, an electrode pattern, and a pad were formed on the surface with the configuration shown in FIG. These could be formed using a photolithography method, an etching technique, and the like that are usually used in an LSI manufacturing process. The solution storage units 12a, 12b and 12c shown in FIG.
The size of the solution storage unit 12d is 3 mm × 10 mm.
mm. V-grooves were formed in each solution storage section by anisotropic etching of silicon. All V grooves had a depth of 200 μm. On the other hand, all the solution storage sections 14 for crystal growth shown in FIG.
It was the size of. Also for these, V grooves were formed by etching. The depth of the groove was about 5 μm. The flow path connecting the respective solution storage sections to each other had a V-groove shape.
Among the flow paths shown in FIG. 2, the flow path arranged vertically in the drawing was a V-shaped groove having a width and a depth of 50 μm.
The flow path arranged in the left-right direction as viewed in the drawing was a V-shaped groove having a width and a depth of 100 μm. The flow path connecting the crystal growth solution storage portions at oblique positions to each other was a V-groove having a width and depth of 20 μm. All V grooves were formed by anisotropic etching of the silicon surface.

【0074】図2に示す加熱用電極18および28は、
シリコン酸化膜の上にCr薄膜を形成し、パターニング
することによって得られた。その膜厚は0.2μmであ
った。また、パッド21および31として、Cr薄膜上
に1μmの厚みのAl層を形成した。シリコン基板の裏
面には、シリコン酸化膜を除去した後、Ti、Niおよ
びAuの薄膜を連続的にそれぞれ0.05μm、0.2
μm、0.2μmの厚みで形成することにより、図3に
示すような裏面電極を作製した。その後、シリコン基板
表面に感光性ポリイミドを塗布し、ホトリソグラフィー
を用いてパターニングを行ない、溶液貯留部および流路
以外の表面に厚み10μmのポリイミド層を形成した。
得られた構造物を結晶化のための固体素子に用いた。
The heating electrodes 18 and 28 shown in FIG.
It was obtained by forming a Cr thin film on a silicon oxide film and patterning it. Its film thickness was 0.2 μm. Also, as the pads 21 and 31, an Al layer having a thickness of 1 μm was formed on the Cr thin film. After the silicon oxide film is removed on the back surface of the silicon substrate, thin films of Ti, Ni and Au are continuously formed at 0.05 μm and 0.2 μm, respectively.
A back electrode as shown in FIG. 3 was prepared by forming the electrodes with a thickness of μm and 0.2 μm. Thereafter, a photosensitive polyimide was applied to the surface of the silicon substrate, and was patterned using photolithography to form a polyimide layer having a thickness of 10 μm on the surface other than the solution storage part and the flow path.
The obtained structure was used for a solid-state device for crystallization.

【0075】(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、N型
シリコン基板上に低抵抗のN型シリコン層を作製した。
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、V溝を形成せずに、そのまま結晶化のため
の固体素子として用いた。
(2) Sample-2 Ion implantation was performed in the same manner as in Sample-1 to form a low-resistance N-type silicon layer on an N-type silicon substrate.
The specific resistance and the thickness of the N-type layer are the same as in Sample-1. Thereafter, without forming a V-groove, the device was used as it was as a solid device for crystallization.

【0076】図11に示すような装置において結晶化の
実験を行なった。サンプル−1のシリコン基板を、直径
が約40mmの蓋付のセルプレート内にV溝を形成した
表面が上となるよう保持した。セルプレートの底部には
pH4.5の緩衝溶液を約5ml注入した。シリコン基
板を保持するセルプレートを10℃の冷暗所内に静置し
た後、図2に示す溶液貯留部12dに上述したリゾチー
ムの溶液を溢れないように滴下した。さらに溶液貯留部
12aおよび12cにpH4.5の緩衝溶液、溶液貯留
部12bに1.0MのNaCl水溶液をそれぞれ溢れな
いように滴下した。その後、セルプレートの蓋を閉め、
加熱用電極に電流を流し、各溶液の温度が50℃付近に
上昇するまで加熱した。各溶液が流路を伝わって結晶成
長用の貯留部に到達し始めたら加熱を中止した。外部か
ら裏面電極を介して+1.0Vの電圧を印加した場合
と、電圧を印加せずにフローティング状態にした場合の
2種類のケースについて結晶化の実験を行なった。電圧
の印加を行なう場合、加熱により各溶液が流路を伝わっ
て結晶成長用の貯留部に到達した後、電圧の印加を開始
し、その後連続して電圧の印加を行なった。
An experiment of crystallization was carried out in an apparatus as shown in FIG. The silicon substrate of Sample-1 was held in a cell plate with a lid having a diameter of about 40 mm such that the surface on which the V-groove was formed faced up. About 5 ml of a pH 4.5 buffer solution was injected into the bottom of the cell plate. After the cell plate holding the silicon substrate was allowed to stand in a cool and dark place at 10 ° C., the above-mentioned lysozyme solution was dropped into the solution storage section 12 d shown in FIG. 2 so as not to overflow. Further, a buffer solution having a pH of 4.5 was dropped into the solution storage portions 12a and 12c, and a 1.0M NaCl aqueous solution was dropped into the solution storage portion 12b so as not to overflow. After that, close the lid of the cell plate,
A current was passed through the heating electrode, and the solutions were heated until the temperature of each solution rose to around 50 ° C. When each solution started to reach the storage for crystal growth along the flow path, heating was stopped. Crystallization experiments were performed on two types of cases: a case where a voltage of +1.0 V was applied from the outside via a back electrode, and a case where a floating state was applied without applying a voltage. In the case of applying a voltage, the application of voltage was started after each solution reached the storage part for crystal growth through the flow path by heating, and then the voltage was continuously applied.

【0077】サンプル−2のシリコン基板については、
そのまま底部にpH4.5の緩衝溶液を保持したセルプ
レート内に収容した。次いで、シリコン基板上にサンプ
ル−1の場合と同様のリゾチーム溶液を滴下し、直径が
約10mmの液滴を形成した。さらに、シリコン基板上
でこの液滴から約5mm離れた所に、1.0MのNaC
l水溶液とpH4.5の緩衝溶液を1:1の体積比で混
合した溶液を滴下し、約10mmの直径の液滴を同様に
形成した。その後、針で一方の液滴から他方の液滴に線
を描くようにして液滴間に細い流路を形成し、それらを
連結した。セルプレートの蓋を閉め、シリコン基板を1
0℃の冷暗所内に保管した。
With respect to the silicon substrate of Sample-2,
It was stored in a cell plate holding a buffer solution of pH 4.5 at the bottom as it was. Next, the same lysozyme solution as in the case of Sample-1 was dropped on the silicon substrate to form a droplet having a diameter of about 10 mm. Further, at a position about 5 mm away from the droplet on the silicon substrate, 1.0 M NaC
A solution obtained by mixing an aqueous solution and a buffer solution having a pH of 4.5 at a volume ratio of 1: 1 was dropped, and a droplet having a diameter of about 10 mm was similarly formed. Thereafter, a thin channel was formed between the droplets by drawing a line from one droplet to the other with a needle, and they were connected. Close the lid of the cell plate and put the silicon substrate
Stored in a cool, dark place at 0 ° C.

【0078】サンプル−1およびサンプル−2のシリコ
ン基板をそれぞれ冷暗所に50時間保管した後、それぞ
れのサンプルを取出して顕微鏡によりリゾチームの結晶
を観察した。その結果を図12、13および14に示
す。また、図12,13および14に示す結晶の形態お
よび状態を図15,16および17にそれぞれ模式的に
示す。サンプル−1のシリコン基板上では、電圧の印加
を行なわない場合でも、図12および15に示すように
比較的大型でかつよく成長した結晶が溶液貯留部のV溝
上に得られた。得られた結晶は、結晶面について結晶性
がよく、単結晶の状態のものであった。さらに電圧の印
加を行なった場合、図13および16に示すように溶液
貯留部のV溝上にさらに大型で結晶性の良好な結晶が得
られた。一方、サンプル−2のシリコン基板上では、図
14および17に示すように約1mm程度の大型の結晶
が成長したが、いずれも双晶であったり、成長した結晶
の表面状態が悪く、それほど良好な結晶が得られなかっ
た。この結果から、本発明によれば、微量な試料であっ
ても大型の品質のよい単結晶を作製できることがわか
る。
After the silicon substrates of Sample-1 and Sample-2 were stored in a cool and dark place for 50 hours, respectively, each sample was taken out and lysozyme crystals were observed with a microscope. The results are shown in FIGS. The forms and states of the crystals shown in FIGS. 12, 13 and 14 are schematically shown in FIGS. 15, 16 and 17, respectively. As shown in FIGS. 12 and 15, relatively large and well-grown crystals were obtained on the V-groove of the solution storage portion on the silicon substrate of Sample 1, even when no voltage was applied. The obtained crystal had good crystallinity on the crystal plane and was in a single crystal state. When a voltage was further applied, as shown in FIGS. 13 and 16, larger crystals having better crystallinity were obtained on the V-grooves in the solution storage portion. On the other hand, as shown in FIGS. 14 and 17, large crystals of about 1 mm grew on the silicon substrate of Sample-2, but all of them were twin crystals or the grown crystals had a poor surface condition, which was very good. No crystals were obtained. From this result, it can be seen that according to the present invention, a large single crystal with good quality can be produced even with a small amount of sample.

【0079】[0079]

【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
かできる。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、1つの基板上で微量
な溶液について多数の異なる結晶化のための条件を調製
することができる。これにより、特定の分子について結
晶化のための最適な条件を作り出すことができる。また
本発明において、電圧の印加により基板の表面に、分子
の凝集および結晶化のためより適切な電気的状態をもた
らすことができる。電圧の印加によって、結晶の成長を
促進させることができる。さらに、本発明によれば、溝
部において溶液の対流の影響を抑制し、結晶の成長を安
定して行なわせることができる。本発明は、試料が微量
であっても、大型の結晶を成長させるためより適切な条
件を短時間のうちに作り出すことが可能である。
As described above, according to the present invention,
Can either be solved 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, it is possible to prepare a number of different crystallization conditions for a small amount of a solution on one substrate. As a result, optimal conditions for crystallization of a specific molecule can be created. Further, in the present invention, a more appropriate electrical state for agglomeration and crystallization of molecules can be provided on the surface of the substrate by applying a voltage. Crystal growth can be promoted by applying a voltage. Further, according to the present invention, the influence of the convection of the solution in the groove can be suppressed, and the crystal can be stably grown. According to the present invention, even if the amount of the sample is very small, it is possible to create more appropriate conditions in a short time for growing a large crystal.

【0080】本発明は、製薬産業や食品産業等におい
て、有用な物質、特に蛋白質、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
分子の生成または結晶化に適用される。さらに、本発明
は、蛋白質等の生体高分子を用いた電子デバイスの作製
に応用が期待される。また本発明の装置は、生体高分子
等を選択的に吸着および固定化することが可能なため、
バイオセンサ、バイオセンサによる各種生体組織および
生体物質の測定装置への応用等が可能である。
The present invention is applied to research, development and production of useful substances, particularly biopolymers such as proteins and nucleic acids, in the pharmaceutical industry and the food industry. According to the present invention, X
Crystals with good crystallinity that enable line 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 production or crystallization of the molecule of interest. Further, the present invention is expected to be applied to the production of electronic devices using biopolymers such as proteins. Also, the device of the present invention can selectively adsorb and immobilize biopolymers and the like,
The present invention can be applied to a biosensor, an apparatus for measuring various biological tissues and biological substances using the biosensor, and the like.

【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】本発明の結晶成長用固体素子の一具体例を示す
模式図である。
FIG. 2 is a schematic view showing a specific example of the solid-state element for crystal growth of the present invention.

【図3】図2に示す固体素子のX−X断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the solid state device shown in FIG.

【図4】図2に示す固体素子のY−Y断面図である。FIG. 4 is a sectional view of the solid-state element shown in FIG.

【図5】本発明の結晶成長用固体素子において第1溶液
貯留部の具体例を示す概略断面図である。
FIG. 5 is a schematic sectional view showing a specific example of a first solution storage section in the solid-state element for crystal growth of the present invention.

【図6】本発明の結晶成長用固体素子において流路の具
体例を示す概略断面図である。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a specific example of a flow channel in the solid-state element for crystal growth of the present invention.

【図7】本発明の結晶成長用固体素子において第2溶液
貯留部の具体例を示す概略断面図である。
FIG. 7 is a schematic sectional view showing a specific example of a second solution storage section in the solid-state element for crystal growth of the present invention.

【図8】結晶成長用固体素子にバイアス電荷を印加した
場合に発生する表面電位を示す模式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a surface potential generated when a bias charge is applied to a solid-state element for crystal growth.

【図9】本発明の結晶成長用固体素子において、裏面電
極の配置の具体例を示す平面図である。
FIG. 9 is a plan view showing a specific example of an arrangement of a back surface electrode in the solid-state element for crystal growth of the present invention.

【図10】結晶成長用固体素子に形成される溝の作用効
果を説明するための概略断面図である。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining the function and effect of a groove formed in the solid-state element for crystal growth.

【図11】本発明の結晶成長用装置の一具体例を示す概
略断面図である。
FIG. 11 is a schematic sectional view showing a specific example of a crystal growth apparatus of the present invention.

【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】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. 14 is a micrograph of a crystal structure generated in an example.

【図15】図12に示す結晶構造を模式的に示す斜視図
である。
FIG. 15 is a perspective view schematically showing the crystal structure shown in FIG.

【図16】図13に示す結晶構造を模式的に示す斜視図
である。
FIG. 16 is a perspective view schematically showing the crystal structure shown in FIG.

【図17】図14に示す結晶構造を模式的に示す斜視図
である。
FIG. 17 is a perspective view schematically showing the crystal structure shown in FIG.

【図18】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. 18 is a schematic view showing an example of an apparatus used in a conventional method.

【図19】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. 19 is a schematic view showing another example of the device used in the conventional method.

【図20】従来の方法に用いられる装置の他の例を示す
模式図である。
FIG. 20 is a schematic view showing another example of the device used in the conventional method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体素子 2 結晶核 10 シリコン基板 12a、12b、12c、12d 第1溶液貯留部 14 第2溶液貯留部 16a、16b、16c、16d1 、16d2 、16d
3 、26 流路 18、28 加熱用電極 21、31 パッド 17 撥水層 19 裏面電極
1 solid element 2 crystal nuclei 10 silicon substrate 12a, 12b, 12c, 12d first solution storage part 14 and the second solution storage section 16a, 16b, 16c, 16d 1 , 16d 2, 16d
3 , 26 flow path 18, 28 heating electrode 21, 31 pad 17 water-repellent layer 19 back electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C07K 1/30 C07K 1/30 C30B 7/00 C30B 7/00 (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 H01L 51/00 CA(STN) JICSTファイル(JOIS)────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI C07K 1/30 C07K 1/30 C30B 7/00 C30B 7/00 (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 H01L 51/00 CA (STN) JICST file (JOIS)

Claims (15)

(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
成長させるために用いる固体素子であって、 前記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
れた基板からなり、 前記基板の表面は、 2種類以上の溶液をそれぞれ保持するための複数の第1
溶液貯留部と、 前記結晶を成長させるため前記高分子化合物を含む溶液
を滞留させる複数の第2溶液貯留部と、 前記複数の第1溶液貯留部と前記複数の第2溶液貯留部
とを連結し、溶液の流通を可能にする複数の流路とを有
し、 少なくとも前記第2溶液貯留部において、前記高分子化
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ていること
を特徴とする、結晶成長用固体素子。
1. A solid-state device used for growing a crystal of a polymer compound contained in a solution, wherein the concentration of holes or electrons on a surface portion is controlled according to the environment of the solution containing the polymer compound. The surface of the substrate has a plurality of first and second solutions for holding two or more types of solutions, respectively.
A solution storage unit, a plurality of second solution storage units for retaining a solution containing the polymer compound for growing the crystals, and a connection between the plurality of first solution storage units and the plurality of second solution storage units And a plurality of flow paths for allowing a solution to flow therethrough, and at least in the second solution storage unit, controlling the concentration of holes or electrons on the surface according to the environment of the solution containing the polymer compound. A solid-state device for crystal growth, characterized in that valence electrons are controlled so as to be able to.
【請求項2】 前記第1溶液貯留部の溶液を加熱するた
めの手段をさらに有することを特徴とする、請求項1の
結晶成長用固体素子。
2. The solid state device for crystal growth according to claim 1, further comprising means for heating the solution in said first solution storage section.
【請求項3】 少なくとも前記第2溶液貯留部に電圧を
印加するための電極をさらに有することを特徴とする、
請求項1または2の結晶成長用固体素子。
3. An electrode for applying a voltage to at least the second solution storage unit.
The solid state element for crystal growth according to claim 1.
【請求項4】 前記複数の流路において、それらの幅お
よび/または深さが異なっていることを特徴とする、請
求項1〜3のいずれか1項の結晶成長用固体素子。
4. The solid state element for crystal growth according to claim 1, wherein the plurality of flow paths have different widths and / or depths.
【請求項5】 前記第2溶液貯留部が、微細加工により
形成された溝または孔を有することを特徴とする、請求
項1〜4のいずれか1項の結晶成長用固体素子。
5. The solid element for crystal growth according to claim 1, wherein said second solution storage section has a groove or a hole formed by fine processing.
【請求項6】 前記固体素子が不純物添加された半導体
基板からなり、前記価電子制御は、前記不純物の濃度お
よび/または種類の制御によりなされていることを特徴
とする、請求項1〜5のいずれか1項の結晶成長用固体
素子。
6. The solid-state device according to claim 1, wherein the solid-state element is formed of a semiconductor substrate doped with an impurity, and the valence electron control is performed by controlling the concentration and / or type of the impurity. The solid-state device for crystal growth according to any one of claims 1 to 7.
【請求項7】 前記半導体基板がシリコン結晶からなる
ことを特徴とする、請求項6の結晶成長用固体素子。
7. The solid state element for crystal growth according to claim 6, wherein said semiconductor substrate is made of silicon crystal.
【請求項8】 前記第2溶液貯留部が溝または孔を有
し、前記溝または孔の内と外とで前記不純物の濃度およ
び/または種類が異なっていることを特徴とする、請求
項6または7の結晶成長用固体素子。
8. The method according to claim 6, wherein the second solution storage section has a groove or a hole, and the concentration and / or type of the impurity is different between inside and outside of the groove or the hole. Or the solid state element for crystal growth of 7.
【請求項9】 溶液と接触すべき表面に酸化物からなる
被膜をさらに有することを特徴とする、請求項1〜8の
いずれか1項の結晶成長用固体素子。
9. The solid state element for crystal growth according to claim 1, further comprising a coating made of an oxide on a surface to be brought into contact with the solution.
【請求項10】 請求項1〜8のいずれか1項の結晶成
長用固体素子と、 沈殿剤または緩衝溶液とともに前記固体素子を密封状態
で収容できる容器と、 前記容器内において前記固体素子を支持するための手段
とを備えることを特徴とする、結晶成長用装置。
10. A solid-state element for crystal growth according to claim 1, a container capable of holding the solid-state element in a sealed state together with a precipitant or a buffer solution, and supporting the solid-state element in the container. Means for growing a crystal.
【請求項11】 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、 請求項1〜8のいずれか1項の結晶成長用固体素子を与
える工程と、 前記複数の第1溶液貯留部に前記高分子化合物を含む第
1の溶液およびそれと異なる第2の溶液をそれぞれ保持
させる工程と、 前記第1の溶液および前記第2の溶液を前記複数の流路
を介して前記複数の第2溶液貯留部に移行させ、前記複
数の第2溶液貯留部において前記第1の溶液と前記第2
の溶液とが異なる比率で混合された複数の混合液をそれ
ぞれ貯留させる工程と、 前記複数の混合液をそれぞれ貯留する前記複数の第2溶
液貯留部において、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工程とを備えることを特徴
とする、結晶成長方法。
11. A method for growing a crystal of a polymer compound contained in a solution, a step of providing the solid-state element for crystal growth according to claim 1, wherein the plurality of first solutions are provided. A step of holding a first solution containing the polymer compound and a second solution different from the first solution in the storage unit, and the plurality of the first solution and the second solution are passed through the plurality of flow paths. The first solution is transferred to the second solution storage section, and the first solution and the second solution are stored in the plurality of second solution storage sections.
And a step of storing a plurality of mixed liquids mixed at different ratios with each other, and in the plurality of second solution storing sections respectively storing the plurality of mixed liquids, the solid element is controlled by the controlled valence electrons. Growing a crystal of the polymer compound under an electrical state brought to the surface of the crystal.
【請求項12】 前記第1溶液貯留部の溶液を加熱する
工程をさらに備え、それにより、前記第1溶液貯留部か
らの前記流路を介する溶液の移行が促進されることを特
徴とする、請求項11の結晶成長方法。
12. The method according to claim 11, further comprising a step of heating the solution in the first solution storage part, whereby the transfer of the solution from the first solution storage part through the flow path is promoted. The method for growing a crystal according to claim 11.
【請求項13】 前記固体素子において少なくとも前記
第2溶液貯留部に電圧を印加する工程をさらに備え、そ
れにより前記固体素子の表面にもたらされる電気的状態
が制御されることを特徴とする、請求項11または12
の結晶成長方法。
13. The solid state device further comprising a step of applying a voltage to at least the second solution storage part, whereby an electric state provided on a surface of the solid state device is controlled. Item 11 or 12
Crystal growth method.
【請求項14】 前記第2溶液貯留部に微細加工により
溝または孔が形成されており、前記溝または孔において
前記高分子化合物の結晶化が促進されることを特徴とす
る、請求項11〜13のいずれか1項の結晶成長方法。
14. The method according to claim 11, wherein a groove or a hole is formed in the second solution storage portion by micromachining, and crystallization of the polymer compound is promoted in the groove or the hole. 14. The method for growing a crystal according to any one of items 13 to 13.
【請求項15】 前記第2の溶液が、前記第1の溶液の
pHおよび/または塩濃度を変化させるための緩衝溶液
および/または塩溶液であることを特徴とする、請求項
11〜14のいずれか1項の結晶成長方法。
15. The method according to claim 11, wherein the second solution is a buffer solution and / or a salt solution for changing a pH and / or a salt concentration of the first solution. The crystal growth method according to any one of claims 1 to 7.
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