JP4739188B2 - 有機結晶の加工方法、有機結晶の加工装置、及び有機結晶の観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機結晶の加工方法に関するものであり、さらに詳しくは、短パルスレーザ光を有機結晶に照射することにより、有機結晶を所望の形状に加工する方法及び装置、さらには、このような有機結晶の加工装置を組み込んだ有機結晶の観測装置に関するものである。

近年、無機材料の特性を上回る高機能、高性能を有する有機材料の研究が注目され、次世代有機デバイスの開発が行われている。そのためには、新しい有機材料の開発が必要不可欠であり、応用化学などの分野では、新規合成した材料の構造解析により分子立体構造を決定し、その機能を推測する。また、プロテオームと呼ばれるポストゲノム研究が盛んとなり、特に注目されるのが、構造ゲノム科学と呼ばれるタンパク質の３次元構造を解き明かそうとする研究である。タンパク質の構造や機能解析は、病気の治療や創薬に直結し、生命現象の解明につながる成果が期待される。種々の有機材料の構造や機能解析を行う際には、常温ではなく、解析対象を低温に冷却して測定を行う場合が多々存在する。その代表的な例として、有機材料の詳細な立体構造を解析する主要な手段の一つであるＸ線結晶構造解析が挙げられる。
Ｘ線結晶構造解析を適用するためには、解析対象となる有機材料の単結晶が必要であり、高強度のＸ線照射による有機結晶の損傷を防ぐために、結晶を冷却した状態で測定を実施することがある。特にタンパク質結晶といった非常に脆い結晶を解析対象にする場合、窒素などの低温ガスによる冷却（−１５０℃以下の極低温）下での結晶構造解析が一般的である。
Ｘ線結晶構造解析の測定精度は、解析対象となる有機結晶の品質、および結晶周辺の付着物の有無などによって左右される。高精度の測定を行うためには、所望の形状を有する良質な単結晶が必要である。しかしながら、多くの有機材料は、良質な単結晶を得るための結晶化条件および育成条件が確立していないため、結晶の作製が非常に困難である。また、結晶化に成功したとしても、単結晶が得られない、結晶品質に問題があるなど、目的の測定において支障が生じる。また、結晶周辺に付着している溶液や、結晶を保持する物質などは、測定精度を低下させる原因となる。
したがって、解析対象となる有機結晶をＸ線結晶構造解析に適した形状に整形する、結晶品質の良好な部分のみを取り出す、あるいは測定に不要な付着物などを結晶表面から取り除く、といった加工が求められる場合がある。
しかしながら有機材料の結晶は、無機材料の結晶と比べて軟らかくて脆いため、加工時に大きな衝撃を与えると、周辺部にひびや割れなどの損傷を生じる。中でもタンパク質結晶などの生体高分子結晶や超分子化学で扱う巨大高分子結晶は、有機結晶の中でも特に軟らかい部類に属するため、取り扱いが非常に難しい。現在用いられている有機結晶の加工手法は、当該結晶との機械的接触を要する加工手法であるが、加工精度などに大きな問題を抱えている。
さらに、上記の機械的な加工手法は、常温下での加工を前提としたものであり、被加工物が凍結した低温状態下での加工は適応が非常に困難であった。そのため、これまで有機結晶を低温状態に冷却した後で加工の必要性が生じた場合、一旦常温に戻して加工を施すしか対処法がなかった。しかしながら、加工を行うために、低温から常温へ、また、常温から低温へという大きな温度変化を何度も与えることによって、有機結晶に損傷が発生したり、非可逆的な構造の変化を生じたりすることがあり、所望の測定を実施できなくなる場合があった。

本発明者等は、高分子結晶の機械的な加工における問題点を解決するものとして、紫外短パルスレーザ光を照射することにより高分子結晶を加工する方法を発明し（以下「先願発明」という）、特願２００３−３２０１９０号、特願２００４−１９５１６として特許出願している。
この先願発明の方法は、紫外短パルスレーザ光は、その波長が短いために光子エネルギーが高く、高分子結晶の化学結合を直接切断する加工が可能であることに着目したものであり、広く使用されている炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザを用いた加工とは、その加工原理が根本的に異なるものである。すなわち、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザを用いた加工は、レーザ光照射部における発熱による溶解を利用して切断を行うものであり、切断面が熱によるダメージを受けるという問題を有している。それに対して、先願発明においては、高分子結晶の化学結合を直接切断する加工であるので、熱による影響が遥かに少ない高精度で平滑な加工が達成できる。
しかしながら、先願発明においては常温下での加工を前提としたものであり、低温状態におけるＸ線結晶構造解析などを行う際に、冷却後に加工の必要が生じた場合、被加工物を一旦常温に戻さなければならないという問題点があった。また、加工方法によっては以下のような問題があった。第１は、被加工物を液体中や液体膜によって保持した状態で加工しようとした場合、加工中に被加工物が動く場合があり、加工面が予想したものとならない場合があることである。第２は、被加工物の周りに液体が付着している場合、短パルスレーザ光の照射によって、付着している液体が動いたり、他の部分にあった液体が回りこんでくることで、被加工物上のレーザ光照射位置や照射強度が変化したりする場合があることである。さらに、付着している液体にレーザ光が吸収される場合は、レーザアブレーションによって照射部分の液体は除去されても、除去された部分に他の部分にあった液体が回り込んでくると次々に新しい液体を除去しなければならず、レーザ光による加工の効率を下げる場合があることである。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、先願発明を改良し、冷却された被加工物に大きな温度変化を与えることなく、固定した状態で加工でき、かつ加工効率を高めた有機結晶の加工方法及び加工装置を提供することを課題とする。さらには、この加工装置を組み込み、迅速に有機結晶の観測を行うことができる有機結晶の観測装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための第１の発明は、有機結晶を、短パルスレーザ光の照射により加工する方法であって、前記有機結晶の被加工部分を低温に冷却した状態で加工を行うことを特徴とする有機結晶の加工方法である。
本発明においては、有機結晶の加工に際し、有機結晶の被加工部分を低温に冷却した状態で加工を行うようにしている。本明細書及び特許請求の範囲でいう「低温」とは、被加工物が凍結する温度範囲、又は、被加工物を保持する物質が加工の際に変形したり位置変動したりすることが無い程度に硬化する温度範囲のことを示す。したがって、低温に冷却した状態は、被加工物および被加工物を保持する物質の種類に応じて適当に決定することができる。
このようにすると、有機結晶の表面に液体が付着しているような場合、特に有機結晶を液体中に保持して加工を行うような場合でも、当該液体を共に冷却して凍結させることで、短パルスレーザ光照射による液体の移動が抑制され、高い精度で加工を行うことが可能となる。また、付着している液体が照射レーザ光を吸収する場合にも、除去された液体部分に他の部分から液体が回りこんでくることが少なくなり、短パルスレーザ光の液体による吸収が少なくなって、加工効率が向上する。
また、例えば低温に冷却した状態において有機結晶の何らかの観測を行う場合、結晶温度を観測時の温度近辺に維持したまま加工を行うことにより、当該有機結晶に低温と常温間の温度サイクルを与えることなく観測と加工を繰り返すことが容易になり、大きな温度変化に伴う有機結晶の損傷や構造変化の影響を回避することが可能となる。
さらに、有機結晶が水分を含有するような材料であった場合、低温凍結状態で加工することにより、乾燥による結晶の変性などの問題を回避することも容易となる。
被加工物に照射するレーザ光としては、連続光を用いた加工は被加工物への熱の蓄積効果が大きくなるため、短パルス光であることが望ましい。短パルスレーザ光とは、低温に冷却された被加工物がレーザ照射による温度上昇によって変性・融解したり、被加工物を保持する物質がレーザ照射による温度上昇によって変形したり位置変動を発生するようなことがないようなパルス幅とパルス間隔を有するレーザ光のことを示す。
なお、本明細書及び特許請求の範囲でいう「有機結晶」には、有機低分子結晶の他、樹脂、タンパク質、糖類、脂質、および核酸をはじめとする有機高分子材料や有機超分子錯体の結晶が含まれる。
前記目的を達成するための第２の発明は、有機結晶を、短パルスレーザ光の照射により加工する方法であって、前記有機結晶とそれを保持する物質の被加工部分とを低温に冷却した状態で加工を行うことを特徴とする有機結晶の加工方法である。
本発明においては、有機結晶の被加工部分のみならず、それを保持する物質の被加工部分を低温に冷却した状態で加工を行う。よって、前記第１の発明の作用効果に加え、加工中に被加工物が動かないようにすることができ、目標とする加工面に沿った加工ができるようになる。本発明は被加工物を常温では液体である物質により保持するときに特に好ましい。
前記目的を達成するための第３の発明は、前記第１の発明、第２の発明であって、前記低温に冷却した状態が、０℃以下であることを特徴とするものである。
被加工部分の好ましい冷却温度は、有機結晶の種類や使用目的などによって変化するため一概には決定できないが、本発明が有効な有機結晶は、結晶中あるいは結晶を保持する部分の被加工部分中に水分を有することが多いため、好ましい温度範囲として、水が凍結する０℃以下を採用することができる。
前記目的を達成するための第４の発明は、前記第１の発明から第３の発明のいずれかであって、前記有機結晶の被加工部分、又は前記有機結晶とそれを保持する物質の被加工部分を低温に冷却する手法が、前記冷却する部分を含む部分に、直接又は間接的に低温ガスを吹き付ける方法であることを特徴とするものである。
前記第１の発明、第２の発明においては、有機結晶の被加工部分、又は有機結晶とそれを保持する物質の被加工部分の冷却状態を維持させる方法については特に制限をしておらず、どのような方法でも良いが、低い冷却温度を容易に得るためには、低温ガスを吹き付けて冷却を行うことが好ましい。「間接的に」とは、例えば被加工部分を収納する容器に吹き付けることをいう。
前記目的を達成するための第５の発明は、前記第４の発明であって、前記低温ガスが、窒素ガスあるいはヘリウムガスのいずれかであることを特徴とするものである。
加工した結晶に対して何らかの観測を行う場合は、加工時の結晶温度が観測時の結晶温度に近いことが望ましい。低温度で有機結晶の観測などを行う際には、窒素あるいはヘリウムを用いた低温ガスを吹き付けて得られる温度に設定することが多い。そこで、前記有機結晶の被加工部分、又は前記有機結晶とそれを保持する物質の被加工部分を低温に冷却するための低温ガスとして、観測時に用いる低温ガスと同一である窒素ガスあるいはヘリウムガスを用いることが好ましい。窒素ガスを用いる場合には被加工部分の好ましい冷却温度は−２００℃〜−１５０℃となる。また、ヘリウムを用いた極低温ガスを吹き付けて超低温度下の観測を行う場合もあり、その際には観測温度に近い−２７０℃〜−２５０℃が望ましい。
前記目的を達成するための第６の発明は、前記第１の発明から第５の発明のいずれかであって、前記有機結晶が、有機低分子、有機超分子錯体、樹脂、タンパク質、糖類、脂質、および核酸のうち、少なくとも一つの結晶であることを特徴とするものである。
これらの材料からなる有機結晶は、もろいものが多く、少しの剪断力を受けただけでも全体が破壊されやすい。また、大きな温度変化を何度も与えると結晶構造が変化し、損傷を受けることが多い。よって、前記第１の発明から第６の発明を応用すると、特に効果のある材料である。
前記目的を達成するための第７の発明は、前記第１の発明から第６の発明のいずれかであって、加工形態が、前記有機結晶表面からの加工であることを特徴とするものである。
パルスレーザを用いる加工形態の一つとして、対象物内部の加工が挙げられる。これは、例えばパルス尖頭値が極めて高いフェムト秒オーダ（１ピコ秒未満）のパルス光を用いることにより可能であることが知られている。フェムト秒パルス光を加工対象物の内部に集光すると、加工対象物が照射光の波長において透明（線形吸収を持たない）でも、集光点においてエネルギーが吸収されて加工が可能である。しかしながら、有機結晶などの脆い材料を対象にする場合には、内部加工時における衝撃により対象物の破損を招く場合がある。したがって、加工は表面側からのみ行われるようにすることが好ましい。表面からの加工形態としては、例えば、切断、部分的除去、穿孔、改質、粉砕等が考えられる。
前記目的を達成するための第８の発明は、前記第１の発明から第７の発明のいずれかであって、前記短パルスレーザ光の波長が前記有機結晶の短波長側の吸収端よりも短いことを特徴とするものである。
前記短パルスレーザ光の波長が被加工物である有機結晶の短波長側の吸収端よりも短く、有機結晶が線形吸収を有する短パルスレーザ光を用いることにより、結晶表面からの加工を確実に達成することができる。
前記目的を達成するための第９の発明は、前記第１の発明から第８の発明のいずれかであって、前記短パルスレーザ光の波長が４００ｎｍ以下であることを特徴とするものである。
紫外光はその波長が短いために光子エネルギーが高く、有機結晶の化学結合を直接切断する加工が可能である。レーザ加工用の光源として広く用いられている炭酸ガスレーザ（波長１０．６μｍ）やＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）などによる加工は熱的な加工であり、レーザ光照射時に被加工物は大きな温度上昇を生じる。熱変性の回避が求められる材料を加工する場合においては、これら赤外光のレーザによる加工は不適である。すなわち、好ましい短パルスレーザ光とは、その照射による加工の大半を、有機結晶の化学結合を直接切断して蒸散させることによって行わせることができるエネルギーを有するものであり、被加工物である有機結晶によって、その波長の最大値は異なる。その加工の大半を熱による融解によって行うようなものは含まれない。したがって、本発明における低温冷却は、レーザ光照射時における発熱効果の抑制を目的とするものではない。
有機材料中にはＣ−Ｎ結合が存在することが多いので、このような場合、Ｃ−Ｎ結合を切断するためには、照射する紫外短パルスレーザ光の波長は、４００ｎｍ以下であることが好ましい。又、Ｃ−Ｃ結合を確実に切断することを考えると波長は３４０ｎｍ以下であることが望ましい。特に、有機材料がタンパク質である場合は、線形吸収を有する３００ｎｍ以下の波長が好適である。
エネルギー的には紫外短パルスレーザ光の波長の下限を特に制限する必要は無いが、１９０ｎｍ未満となると大気中の酸素による吸収が多くなるので、１９０ｎｍ以上であることが好ましい。又、現在、容易に入手できる光学素子は、波長１５０ｎｍ未満の光を透過しないため、１５０ｎｍ以上の紫外短パルスレーザ光を使用することが好ましい。
この紫外短パルスレーザ光照射による加工は、基本的には分子結合を光子エネルギーにより切断し蒸散させるものであるので、加工中に加工面に大きな剪断力が働かない。この優れた性質により、有機結晶のような非常にもろい材料でも、壊すことなく加工し、きれいな加工面を得ることができる。
前記目的を達成するための第１０の発明は、前記第１の発明から第９の発明のいずれかであって、前記紫外短パルスレーザ光のパルス幅が１００ｎｓ以下であることを特徴とするものである。
被加工物によっては、紫外短パルスレーザ光のパルス幅が１００ｎｓを超えると、発熱による悪影響を無視できなくなることがあるので、パルス幅を１００ｎｓ以下とすることが好ましい。
前記目的を達成するための第１１の発明は、前記第１の発明から第１０の発明のいずれかであって、前記短パルスレーザ光の１パルス当たりのエネルギー密度が１ｍＪ／ｃｍ^２以上であることを特徴とするものである。
短パルスレーザ光による加工過程においては、照射する短パルスレーザ光１パルスあたりのエネルギー密度（フルーエンス）によって加工特性が大きく左右される。一般に、レーザ光１パルスあたりの加工量（加工レート）はフルーエンスに対して線形性を示さない。フルーエンスが小さすぎる場合は、たとえ化学結合を切断したとしてもその後の蒸散が不十分となり、適切な加工を施すことができない。すなわち、加工を起こすためにはある閾値以上のフルーエンスが必要である。閾値以上のフルーエンスにおいては、フルーエンスの増加に伴って加工レートが増加していく。したがって、良好な加工特性を得るためには、照射される前記短パルスレーザ光のフルーエンスを適切に調整することが望ましい。
前記の好適なフルーエンスは、照射光に対する被加工物の吸収係数に依存する。吸収係数が大きいほど単位体積あたりに多くの光子が吸収されて効率的に化学結合が切断されるため、加工可能の閾値となるフルーエンスの値は小さくなる。有機結晶の吸収係数は、材料によって、また、波長によって大きく変化するので、前記の好適なフルーエンスは一概には決定できないが、４００ｎｍ以下の波長範囲では１ｍＪ／ｃｍ^２以上のフルーエンスを採用できる。前記適切なフルーエンスにおいて短パルスレーザ照射を実施することにより、レーザ光１パルスあたりに被加工物表面から深さ１ｎｍ以上の領域にわたって加工の影響を及ぼすことが可能である。
前記目的を達成するための第１２の発明は、有機結晶を加工する有機結晶の加工装置であって、短パルスレーザと、前記短パルスレーザから放出される短パルスレーザ光を、被加工物である有機結晶に導き、当該有機結晶の被加工場所に照射させる光学系と、前記光学系と前記有機結晶の相対位置を変化させる機構と、前記被加工物を低温に冷却する手段を有することを特徴とする有機結晶の加工装置である。
本発明においては、光学系と有機結晶の相対位置を変化させる機構を使用して、短パルスレーザ光を有機結晶の被加工場所に照射し、光学系と有機結晶の相対位置を変化させながら、所定の形状に有機結晶を加工することが可能となる。そして、被加工物を冷却する手段を有しているので、前記第１の発明、第２の発明に代表される手法により被加工物の加工を行うことができる。
前記目的を達成するための第１３の発明は、前記第１２の発明であって、前記被加工物の冷却状態を維持する手段が、前記有機結晶の被加工位置において、前記有機結晶又はその保持容器に低温ガスを吹き付ける手段であることを特徴とするものである。
本発明においては、装置内で前記第４の発明を実施しながら加工を行うことができる。
前記目的を達成するための第１４の発明は、前記第１２の発明であって、前記被加工物の冷却状態を維持する手段が、前記有機結晶の被加工位置において、前記有機結晶又はその保持容器を収納する冷却容器であることを特徴とするものである。
本発明においては、冷却容器に有機結晶又はその保持容器を収納して冷却して加工を行うことができる。
前記目的を達成するための第１５の発明は、前記第１２の発明から第１４の発明のいずれかであって、前記短パルスレーザ光が照射される位置を、前記有機結晶と同時に観測する観測装置、又は測定する測定装置を有することを特徴とするものである。
本発明においては、短パルスレーザ光が集光される位置を、有機結晶と同時に観察又は測定することができるので、有機結晶のどの場所に短パルスレーザ光が照射されているのかを観察又は測定することができ、これにより、所望の加工を行うことが容易となる。
前記目的を達成するための第１６の発明は、前記第１５の発明であって、前記観測装置、又は測定装置が可視光を用いた光学的観測装置又は光学的測定装置であり、これら観測装置、測定装置は、前記光学系と機械的に固定された関係にあり、前記観測装置、測定装置の基準点と、前記短パルスレーザ光が照射される位置が一致しており、前記観測装置、測定装置の基準点位置を観測又は測定することにより、間接的に、前記短パルスレーザ光が照射される位置を観測又は測定する機能を有することを特徴とするものである。
照射されるレーザ光が紫外短パルスレーザ光である場合、特殊の光変換装置又は光検出器を使用しないと、その照射位置を観察又は測定することができず、被加工物のどの点に照射されているのかが判別できない。そこで、本発明においては、観測装置、測定装置側に基準点（通常３次元）を設け、その基準点に紫外短パルスレーザ光が集光するようにし、その基準点を被加工物と同時に観測するようにしている。よって、可視光により被加工物上の紫外短パルスレーザ照射位置を知ることができる。基準位置は、例えば、観測装置、測定装置の光軸と垂直な２次元方向には目盛り線を設けて基準位置とし、光軸方向では合焦位置を基準位置とすることができる。
前記目的を達成するための第１７の発明は、前記第１１の発明から第１６の発明のいずれかの有機結晶の加工装置が組み込まれていることを特徴とする有機結晶の観測装置である。
低温状態において有機結晶の観測を行う場合、加工のために常温に戻す操作を行うと、大きな温度変化によって有機結晶が損傷したり、構造が変化したりするときがある。本発明においては、有機結晶の観測手段に、本発明の有機結晶の加工装置を組み込み、加工前後において観測対象に対して大きな温度変化を与えることなく、迅速に観測を行うことができる。
前記目的を達成するための第１８の発明は、前記第１７の発明であって、観測装置がＸ線結晶構造解析装置であることを特徴とするものである。
Ｘ線結晶構造解析装置は、有機結晶の構造解析に最も良く用いられている観測装置の一つであり、これに本発明の有機結晶の加工装置を組み込み、加工が終わったらすぐに観測を行うことができ、有機結晶の構造解析を正確に行うことができる。Ｘ線回折装置の他に、電子線回折装置や中性子線回折装置といった観測装置にも本発明の有機結晶の加工装置を組み込むことが可能である。
なお、本明細書及び特許請求の範囲でいう「Ｘ線結晶構造解析装置」には、シンクロトロン放射光を用いた構造解析装置が含まれる。

図１は、本発明の実施の形態の１例である有機結晶の加工装置の概要図である。
図２は、卵白リゾチーム水溶液（１ｍｇ／ｍｌ）の紫外域における吸収係数を示す図である。
図３は、高調波発生回路の例を示す図である。
図４は、有機結晶の被加工物を加工する状態の例を示す図である。
図５は、有機結晶の加工の例を示す図である。
図６は、短パルスレーザシステムと光学顕微鏡と組み合わせて使用するようにした例を示す図である。
図７は、短パルスレーザシステムと光学顕微鏡と組み合わせて使用するようにした例を示す図である。
図８は、Ｘ線結晶構造解析装置に、有機結晶の加工装置を組み込んだ例を示す図である。
図９は、本発明の第１の実施例においてＰＥＰＣ結晶を切断した前後の状態を示す図である。
図１０は、本発明の第２の実施例においてＡｃｒＢ結晶を切断した前後の状態を示す図である。
図１１は、本発明の第３の実施例において卵白リゾチーム結晶を加工した前後の状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態の１例である有機結晶の加工装置の概要図である。短パルスレーザ光源１から放出された短パルスレーザ光９は、シャッタ２、強度調整素子３、照射位置制御機構４、集光光学系５を介して、試料容器６中に入れられた有機結晶８に集光照射される。試料容器６は、ステージ７に搭載され、光軸方向をｚ軸として、ｘ−ｙ−ｚ直交座標系でｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３次元方向の移動が可能とされていると共に、ｚ軸の周りに回転可能となっている。また、より多様な加工形状を可能にしたい場合は、ｚ軸に加えて、ｘ軸又はｙ軸の周りに回転可能とする構成にしてもよい。有機結晶８の表面に集光照射された短パルスレーザ光により、有機結晶の加工が行われる。加工に先立ち冷却装置である低温ガス噴射装置Ｃより窒素が試料容器６に吹き付けられ、これにより有機結晶８が−１５０℃以下に冷却される。
有機結晶の中には、上述したようにＣ−Ｎ結合を有するものがあり、それらの結晶中のＣ−Ｎ結合を切断して加工を行うためには、使用するレーザ光の波長は４００ｎｍ以下であることが好ましい。一方、レーザ光の照射に必要となる各種光学素子は、波長１５０ｎｍ未満の光を効率的に透過しないため、波長１５０ｎｍ未満のレーザ光を用いることは好ましくない。したがって、照射するレーザ光の好ましい波長範囲は１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。また、Ｃ−Ｃ結合を確実に切断することを考えると波長は３４０ｎｍ以下であることが望ましい。一方、レーザ光の波長が１９０ｎｍ未満となると、大気中の酸素による吸収が存在するために空気中のレーザ光の伝播が難しくなるという問題点が生じる。即ち、より好ましい紫外短パルスレーザー光の波長は１９０ｎｍ以上３４０ｎｍ以下の範囲となる。
有機材料による光の吸収を、タンパク質を例に挙げて説明する。図２に代表的なタンパク質であるニワトリ卵白リゾチーム水溶液（１ｍｇ／ｍｌ）の紫外光領域における吸収係数を示す。３００ｎｍ以下で吸収が増加しはじめ、まず２７０ｎｍ〜２８０ｎｍ付近にピークを持ち、一旦２５０ｎｍ付近でやや吸収が小さくなった後、より短波長になると急激に吸収が大きくなる。
波長が３００ｎｍ以下の範囲では照射光がタンパク質分子中の結合に大きな影響を与え、しかも結晶内部まで浸透せずに表面層で効率的に吸収されるため、光の照射された表面部分でのみ分解が進み、周辺部位への影響の少ない加工が可能となる。すなわち、タンパク質材料における、さらにより好ましい短パルスレーザ光の波長は３００ｎｍ以下となる。照射するレーザー波長の違いによるタンパク質結晶加工特性の変化は、先願発明の中で実施例を挙げており、加工特性の変化は低温に冷却した状態であっても０同じである。
使用可能なガスレーザの例として、Ｆ２レーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、ＸｅＣｌエキシマレーザ、ＸｅＦエキシマレーザ等が挙げられる。また、レーザ光の高調波を使用する例として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波、第４高調波、第５高調波、第６高調波、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザの第３高調波、第４高調波、第５高調波、第６高調波、Ｔｉ：Ｓレーザの第２高調波、第３高調波、第４高調波、第５高調波、エルビウム添加ファイバーレーザの第４高調波、第５高調波、第６高調波、第７高調波、第８高調波、イットリビウム添加ファイバーレーザの第３高調波、第４高調波、第５高調波、第６高調波、Ａｒイオンレーザの第２高調波、第３高調波なども使用できる。
これらの高調波発生回路は周知のものであるが、その一例を図３を用いて説明する。これは、波長１９３ｎｍの光を発生させる固体レーザ装置であり、波長１５４７ｎｍの半導体レーザの光を、ファイバーアンプや半導体アンプなどで増幅し、その増幅した１５４７ｎｍの基本波を、波長変換光学系により第８高調波に波長変換し１９３ｎｍの光を得るものである。半導体レーザやファイバーアンプ等の光増幅部分の説明はここでは説明しないが、例えば特開２０００−２００７４７号公報等に記載されて公知となっている。
図３では、ファイバーアンプ等で増幅された基本波が波長変換結晶１０１に入射し、基本 波の一部の光が第２高調波に波長変換される。波長変換結晶１０１としては、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ_３）、ＰＰＫＴＰ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＫＴｉＯＰＯ_４）などある。
波長変換結晶１０１から射出した基本波と第２高調波は、波長変換結晶１０２に入射し、基本波と第２高調波の一部が第３高調波に波長変換される。波長変換結晶１０２としては、ＬＢＯ、ＰＰＬＮ、ＰＰＫＴＰなどがある。
波長変換結晶１０２から射出した基本波と第２高調波と第３高調波の光は、ダイクロイックミラー３３１に入射し、基本波と第２高調波は透過し、第３高調波は反射される。ダイクロイックミラー３３１を透過した第２高調波はダイクロイックミラー３３２で反射され、波長変換結晶１０３に入射し第２高調波の一部が第４高調波に波長変換される。波長変換結晶１０３としては、ＬＢＯ、ＰＰＬＮ、ＰＰＫＴＰなどがある。
波長変換結晶１０３から射出した第４高調波は、ダイクロイックミラー３３３で反射され、ダイクロイックミラー３３１およびミラー３０４で反射されてダイクロイックミラー３３３を透過した第３高調波とほぼ同軸になり、波長変換結晶１０４に入射し、第３高調波と第４高調波の一部が第７高調波に波長変換される。波長変換結晶１０４としては、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）などがある。
波長変換結晶１０４から射出した第７高調波はダイクロイックミラー３３４で反射され、ダイクロイックミラー３３１、３３２を透過してミラー３０１、３０２、３０３で反射されて、ダイクロイックミラー３３４を透過した基本波とほぼ同軸になり、波長変換結晶に１０５に入射する。そして、基本波と第７高調波の一部が、第８高調波である１９３ｎｍの光に波長変換される。波長変換結晶１０５としては、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）、ＢＢＯなどあるが、これらに限定されない。
なお、図３に示す光学系では、レンズや波長板の記載を省略しているが、実際の光学系では所望の場所に配置されている。この光学系の一部を使用すれば、第２高調波、第３高調波、第４高調波、第７高調波をも形成することができる。第５高調波、第６高調波を形成する回路は別にあるが、公知であるので説明を省略する。又、図３に示す光学系は、図１に示す短パルスレーザ光源１の一部とされている。
被加工物に照射するレーザ光は、連続光ではなく、短パルス光であることが望ましい。連続光によるレーザ加工は基本的に熱加工であり、前述の理由により発熱による損傷が問題となる有機結晶の加工には適していない。また、パルス光のパルス時間幅は短いことが好ましく、定量的に書くと、半値全幅１００ｎｓ以下であることが好ましい。１００ｎｓを超えると、発熱による悪影響を無視することができない場合がある。さらに好ましくは、１００ｆｓ以上１０ｎｍ以下のパルス幅であり、いわゆるナノ秒パルスレーザ、ピコ秒パルスレーザ、フェムト秒パルスレーザがこれに相当する。
短パルスレーザ光による加工の過程においては、照射する短パルスレーザ光１パルスあたりのエネルギー密度（フルーエンス）によって加工特性が大きく左右される。一般に、短パルスレーザ光１パルスあたりの加工量（加工レート）はフルーエンスに対して線形応答を示さない。フルーエンスが小さすぎる場合は、たとえ化学結合を切断したとしてもその後の蒸散が不十分となり、加工を施すことができない。すなわち、短パルスレーザ光による加工を起こすためにはある閾値以上のフルーエンスが必要である。閾値以上のフルーエンスにおいては、フルーエンスの増加に伴って加工レートが増加していく。したがって、良好な加工特性を得るためには、照射される前記短パルスレーザ光のフルーエンスを適切に調整しなければならない。
前記の好適なフルーエンスは、照射光に対する被加工物の吸収係数に依存する。吸収係数が大きいほど単位体積あたりに多くの光子が吸収されて効率的に化学結合が切断されるため、加工閾値となるフルーエンスの値は小さくなる。図２に一例を示したように、有機材料の吸収係数は波長によって大きく変化するので、前記の好適なフルーエンスは照射光の波長によって異なる。また、有機材料の種類によっても吸収係数は大きく異なるため、好適なレーザ光の波長の範囲は、有機材料の種類によって変化する。
生体高分子材料の結晶については、１５０ｎｍ以上２１０ｎｍ未満の波長範囲における好ましいフルーエンスは、１ｍＪ／ｃｍ^２以上、２１０ｎｍ以上２４０ｎｍ未満の波長範囲では１０ｍＪ／ｃｍ^２以上、２４０ｎｍ以上３００ｎｍ未満の波長範囲では、１００ｍＪ／ｃｍ^２以上、３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の波長範囲では１Ｊ／ｃｍ^２以上が採用できる。
前記適切なフルーエンスにおいて短パルスレーザ光照射を実施することにより、紫外短パルスレーザ光１パルスあたりに結晶表面から深さ１ｎｍ以上の領域にわたって加工の影響を及ぼすことが可能である。
短パルスレーザ光は単発で照射しても、あるいは複数発を繰り返し照射してもよい。複数発のパルスの照射を行う場合の加工速度は、パルス繰返し周波数によって変化する。繰返し周波数が小さくなりすぎると高い加工速度が得られない。一方、繰返し周波数が大きくなりすぎると発熱による悪影響が生まれる可能性がある。加工速度と加工特性の両立という観点から、１Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下のパルス繰返し周波数が好適である。したがって、短パルスレーザ光パルスを被加工物の同一箇所に複数発照射する場合、同一箇所に照射される光パルスの時間間隔は１００ｎｓ以上となる。また、加工中に適宜パルス繰返し周波数を変化させることも可能である。
複数発のパルスレーザ光を繰返し照射する場合、照射するパルスの数は、加工目的に応じて自由に設定できる。したがって、合計の照射時間は特に制限されない。
有機結晶への照射パルス数は短パルスレーザ光源１と有機結晶８の間に設置されたシャッタ２により制御することが可能である。各加工目的に必要となる数の光パルスのみを有機結晶に照射することにより、より好ましい加工状態を達成できる。
有機結晶への照射光強度は強度調整素子３により調整することが可能である。この手段としてはポラライザーと半波長板の組み合わせなどがある。複数発のパルス光を照射することによってレーザスポット径よりも大きい面積の加工を行う場合などは、レーザスポット位置を被加工物に対し相対移動させながら加工を行う。第１の方法は、ステージ７を適宜移動させることである。第２の方法は、照射位置制御機構４を用いて、有機結晶８上におけるレーザスポット位置を光軸に垂直な方向に走査する方法であり、照射位置制御機構４は、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、音響光学偏向器などがある。前記２つの方法を同時に採用してレーザスポット位置と有機結晶８の位置を共に移動させることも可能である。レーザスポット位置を有機結晶８に対し相対移動させながら加工を行う場合、その相対速度は照射光の繰返し周波数、被加工物の吸収係数などに応じて適宜設定できる。
短パルスレーザ光に対して被加工物を相対的に回転させながら前記加工を行う場合、ステージ７を回転させることにより、被加工物を回転させながら加工を行うことができる。好ましい相対回転速度は照射光の繰返し周波数、有機結晶の吸収係数などに依存する。
レーザスポット位置を被加工物に対し相対的に移動および回転させることで、多様な加工形状を達成することができる。特に、円筒面および球面を有する形状に加工する際の、具体的な移動および回転方向と得られる加工形状の例を、図１のようにｘ−ｙ−ｚ直交座標系で２軸方向から短パルスレーザ光を有機結晶に照射する場合をもとに説明する。
第１の方法としては、有機結晶８をｚ軸に対して回転させながら、短パルスレーザ光を固定した状態で照射することである。第２の方法としては、有機結晶８は固定した状態で、照射位置制御機構４を用いて、有機結晶８上におけるレーザスポット位置をｘｙ面内で円状に走査しながら、短パルスレーザ光を照射することである。これら第１の方法又は第２の方法を用いることにより、ｚ軸方向を回転中心軸とする円筒面を形成することができる。
第３の方法としては、ステージ７をｘ軸、ｙ軸に適宜移動させながら、短パルスレーザ光を固定した状態で照射することである。第４の方法としては、有機結晶８上におけるレーザスポット位置をｘｙ面内で適宜移動させながら、短パルスレーザを照射することである。これら第３の方法又は第４の方法を用いることにより、ｘ軸あるいはｙ軸方向を回転中心軸とする部分的な円筒面、又は部分的な球面を形成することができる。第５の方法としては、上記第１の方法から第４の方法のいずれかに、有機結晶８をｘ軸またはｙ軸に対して回転させる動作を加えたものである。第５の方法を用いることにより、球面を形成することができる。
第３の方法および第４の方法では、有機結晶８におけるレーザ照射面と反対側の面の加工ができないため、部分的な球面までしか形成できないが、有機結晶８をｘ軸またはｙ軸に対して回転させる動作を加えることにより、被加工物の全面にわたって球面を形成することが可能となる。
上記のすべての方法においては、有機結晶８とレーザスポット位置を固定した状態で短パルスレーザ光を所定時間照射し、短パルスレーザ光の照射を止めて被加工物を相対移動および回転するという一連の工程を交互に繰り返して行ってもよい。また、複数の方法を併用してもよい。
なお、上記の操作方法と得られる加工形状は、本加工装置を用いて実施可能な加工形状の例の一部であり、並進移動と回転移動を適宜組み合わせることによって、平面および非球面の曲面を有する多様な加工形状を達成することができる。
短パルスレーザ光９は結像光学系を用いることにより、有機結晶上に点状あるいは線状などに集光することができる。被加工物表面におけるレーザ光のスポット径は、被加工物の種類や形状、加工目的によって適宜変更できる。使用する集光光学系５は照射光用の反射鏡、照射光を効率的に透過させることのできるレンズおよびプリズム、などのいずれでもよい。
光ファイバーを用いて短パルスレーザ光９を伝搬させることも可能である。光ファイバーは使用するレーザ光を効率よく透過する材料であること、導入する光により破壊されない強度を持つこと、が必要とされる。光ファイバーの形状は中空であってもよい。光ファイバーからの出力光を直接被加工物に照射することも可能であるほか、一旦レンズなどで集光して被加工物に照射することもできる。
被加工物となる有機結晶の中には、タンパク質結晶のように、結晶中に水を含有するなど、乾燥に弱い材料がある。この場合、乾燥による変性や損傷を防ぐため、常温時における加工時における好ましい結晶の状態としては、結晶育成溶液中や保存液中に配置された状態、密閉された容器中に配置された状態などが挙げられた。一方、本発明では、低温ガス噴射装置Ｃより噴射される窒素により低温凍結状態となっているため、結晶中の水分が蒸発することがなく、乾燥による問題を回避することができる。
図４に、乾燥に弱く、常温では液体中にて安定して存在する有機結晶の被加工物を加工する状態の例を示す。なお、以下の（ａ）〜（ｃ）に示すように有機結晶を保持した場合、さらにこれらを保持装置ごと試料容器に入れてレーザ光照射を行うこともある。
（ａ）は、液体中に存在する有機結晶をループで掬って表面張力により液体を薄膜化し、その上で有機結晶に直接短パルスレーザ光を照射して加工を行う方法である。この状態で、このループを低温下に置くと、薄膜化した液体と有機結晶が冷却され凍結する。この状態で矢印で示すようにレーザ光を照射して加工を行う。
この場合には、有機結晶が表面張力という非常に弱い力で拘束されているだけなので、凍結させない状態で加工を行おうとすると、加工の際に発生する蒸散物が放出される際の微弱な力により被加工物である有機結晶が揺れて加工面が予定どおりにならず、かつ加工面が溶液の部分まで到達すると液体薄膜が破断する恐れがある。又、有機結晶の表面に液体が付着している場合には、有機結晶を凍結させないで加工を行うと、付着している液体の移動により所望の加工を達成できない場合がある。しかし、凍結させて加工を行うことにより、このような問題を解決することができる。
（ｂ）は、短パルスレーザ光を効率よく透過させるキャピラリ中に有機結晶を収納し、キャピラリを通して、有機結晶に短パルスレーザ光を照射して加工を行う方法である。この場合も、有機結晶の表面に液体が付着していると、有機結晶と表面の液体を冷却させないで加工を行うと、液体の移動により有機結晶を効率よく加工することが難しい場合があるが、結晶表面の液体を凍結させて加工を行うことにより、このような問題を解決することができる。
（ｃ）は、ガラス基板の上に液滴を形成し、その上に有機結晶を浮かべて、有機結晶に短パルスレーザ光を照射して加工を行う方法である。この場合には、有機結晶が液滴の上に浮かんでいるだけなので、液滴を凍結させない状態で加工を行おうとすると、加工の際に発生する蒸散物が放出される際の微弱な力により有機結晶が揺れて加工面が予定どおりにならず、又、有機結晶の表面に液体が付着している場合には、その液体を凍結させないで加工を行うと、液体の移動により効率的な加工ができないことがある。しかし、凍結させて加工を行うことにより、このような問題を解決することができる。
以上では常温において液体中で安定に存在する有機結晶の例を説明したが、本発明の効果は、そのような特定の有機結晶のみに、あるいは特定の材料保持方法のみに限定されるものではない。
図５に、有機結晶の加工の例を示す。（ａ）は切断であり、切断部に短パルスレーザ光を照射し、材料の化学結合を切断すると共に蒸散により切断部を除去して切断を行う。切断された有機結晶は、Ｘ線回折測定や有機・バイオデバイスなどに使用できる。（ｂ）は除去であり、所定の形状の領域に短パルスレーザ光を照射してその領域部分を蒸散させたり、その領域の境界に沿って切断を行うことにより、所定部分を除去する。残った有機結晶は、Ｘ線回折測定や有機・バイオデバイスなどに使用できる。なお、（ｂ）以下の図において、（ａ）と同じハッチングを施した部分は、それぞれ（ａ）と同じ、有機結晶、短パルスレーザ光照射部を示す。
（ｃ）は穿孔であり、所定部分に短パルスレーザ光を照射することにより孔開けを行う。孔の開いた有機結晶は、有機・バイオデバイスなどに使用できる。（ｄ）は改質であり、所定部分に短パルスレーザを照射することにより、意図的に照射部分の材料本来の性質を消失させるものである。この有機結晶はＸ線回折測定や有機・バイオデバイスなどに使用することができる。
これらの加工を一種類あるいは複数組み合わせて使用することにより得られる加工後の有機結晶の好ましい状態は、有機結晶の使用目的によって様々である。例として、Ｘ線回折測定の場合を説明する。Ｘ線結晶構造解析では、解析対象となる有機結晶が高品質な単結晶であり、さらに、その形状としては、結晶の縦、横、高さの長さの比が１に近いことが望ましい。そこで、加工後の好ましい結晶状態としては、まず、変性および損傷などの無い単結晶であることが挙げられる。次に、その結晶の形状が、立方体あるいはそれに近い形状、円筒形あるいはそれに近い形状、さらには球形あるいはそれに近い形状であることが望ましい。
その他の用途として、Ｘ線トポグラフィは回折強度が強い回折面で測定する必要があるが、結晶の自然面とは異なる場合が多い。通常は結晶を傾けて回折面をＸ線に垂直となるように試料を保持するが、より好ましくは目的の回折面が得られるように結晶を加工することが挙げられる。また、結晶の非線形効果を用いた光の波長変換などでは、ある特定の角度で結晶を切り出して使用することが一般的であり、このような場合にも、所望の方位に沿った加工面を有する形状とすることが好ましい。
ところで、有機結晶である被加工物を加工する場合、短パルスレーザ光が被加工物の何処に照射されているかを確認する必要がある。そこで、光学顕微鏡などによる観察装置と組み合わせて使用することが好ましい。
光学顕微鏡を用いたときの例を図６に示す。本光学系においては、短パルスレーザシステム１１（図１の符号１〜４に対応）からの短パルスレーザ光を、集光光学系５を介して所定の箇所に照射する。ステージ７は図１において説明したような機能を有しており、有機結晶８の入った試料容器６がステージ７上に載置されている。照明光源１２からの可視光は、反射光１３で反射され、試料容器６をケーラー照明する。有機結晶８は、光学顕微鏡の対物レンズ１４、接眼レンズ１５を介して眼１６により目視される。
光学顕微鏡の光軸位置には、十字状のマークが形成されており、光軸位置が目視できるようになっている。そして、光学顕微鏡の焦点位置（合焦位置、すなわち、目視したときピントが合う物面）は固定されている。集光光学系５により集光された短パルスレーザ光は、光学顕微鏡の光軸位置で、かつ光学顕微鏡の焦点位置に集光されるようになっている。よって、ステージ７上に被加工物を載置し、光学顕微鏡でその像を観察した場合、ピントが合っており、かつ十字マークの中心にある位置に、短パルスレーザシステム１１からの短パルスレーザ光が集光されるようになっている。なお、短パルスレーザシステム１１、集光光学系５、及び光学顕微鏡部の相対位置関係は固定されており、ステージ７のみがこれらの固定系に対して相対的に移動可能とされている。
よって、加工を行いたい場所が光学顕微鏡の光軸位置でかつ合焦位置となるようにステージ７を移動させながら加工を行うことにより、所望の場所の加工、及び所望の形状の加工を行うことができる。もし、自動的に加工を行わせたいのであれば、光学顕微鏡に自動焦点調整装置をつけてステージ７をその指令により駆動すると共に、ステージ７の予め定められた所定部分が光学顕微鏡の光軸になるように、ステージ７を駆動するようにすればよい。または、初めに基準となる位置を合わせた後、サーボ機構によりステージ７を２次元又は３次元に駆動するようにしてもよい。
この装置においても、冷却装置である低温ガス噴射装置Ｃが設けられており、そこから噴出される窒素により試料容器６が冷却され、それに伴って有機結晶８が低温に冷却される。この状態で、有機結晶８を観察しながら加工を行う。
図７は、短パルスレーザシステムを光学顕微鏡と組み合わせた他の例を示す図である。この例においては、短パルスレーザ光を、光学顕微鏡の光軸に沿って、有機結晶に照射するようにしている。短パルスレーザシステム１１から放出された短パルスレーザ光９は、集光光学系５を通過した後、ビームスプリッタ１７に入射して反射され、光学顕微鏡の光軸に沿って有機結晶に照射される。光学顕微鏡そのものは、図６に示したものと同じ構成であるが、可視光はビームスプリッタ１７を直進し、対物レンズ１４、接眼レンズ１５を介して眼１６により観察される。短パルスレーザ光の集光位置が、光学顕微鏡の光軸上であって、光学顕微鏡の合焦位置となっている点、短パルスレーザシステム１１、集光光学系５と光学顕微鏡との位置関係が固定されたものであることは、図６に示したものと同じである。
すなわち、図６に示した実施の形態では、短パルスレーザ光は有機結晶を斜めに照射しているのに対し、本実施の形態では、有機結晶を垂直照射している点が異なり、それを実現するためにビームスプリッタ１７が設けられている。これにより、加工精度が正確になる。その他の、照射位置検出等の機能は図６に示したものと同じであるのでその説明を省略する。
図６に示した実施の形態では、冷却装置として低温ガス噴射装置Ｃを使用していたが、図７に示す実施の形態においては、冷却装置として冷却容器Ｃ’を使用している。この冷却容器は、その中に冷凍機を有するか、冷凍機と配管でつながっており、その内部を−２０℃以下に冷却するような構造となっている。レーザ光が透過する部分の材質は、石英等の、レーザ光を効率よく透過させる材質で形成されている。この冷却容器Ｃ’の中に試料容器６が置かれているので、試料容器６が冷却され、それに伴って有機結晶８が低温に冷却される。この状態で、有機結晶８を観察しながら加工を行う。
又、図７に示した構成の変形として、ビームスプリッタ１７を、対物レンズ１４と接眼レンズ１５の中間におき、対物レンズ１４を集光レンズとして使用し、集光光学系５を省略するような構成も考えられる。又、ステージ７の真上に短パルスレーザシステム１１、集光光学系５を設置して、有機結晶を垂直照射し、ステージ７の下方から可視光により被照射物を照明すると共に、光学顕微鏡をステージ７の下方に設けるような構成も考えられる。
図８に、試料観測装置であるＸ線結晶構造解析装置に、有機結晶の加工装置を組み込んだ例を示す。Ｘ線結晶構造解析装置の本体部２１には、ステージ２２が設けられており、その上に測定サンプルである有機結晶２３が載置されている。Ｘ線発生装置２４からのＸ線は、スリット２５で絞られた後、有機結晶２３に照射され、照射面で回折されたＸ線が、検出器２６で検出されてＸ線回折パターンが観測される。試料の位置合わせ等のために、試料監視用カメラ２７が設けられている。このＸ線結晶構造解析装置においても、測定サンプルである有機結晶２３を冷却するために、冷却装置である低温ガス噴射装置Ｃが設けられ、これから噴出される低温ガスによって有機結晶２３を低温に冷却してから、冷却状態を維持したまま加工とＸ線回折を実施する。
この実施の形態においては、Ｘ線結晶構造解析装置の本体部２１に、短パルスレーザシステム１１からの短パルスレーザ光が、反射ミラー２８を介して集光光学系５により集光され、有機結晶２３を照射して、加工を行う。反射ミラー２８は図１における照射位置制御機構４の機能を、また、ステージ２２は、図１におけるステージ７の機能を有する。それらの移動により、有機結晶２３を所定の形状に加工する。加工方法は、前述のようなものである。但し、試料の位置合わせは、眼によらず、試料監視用カメラ２７の撮像に基づいて行われる。
有機結晶のＸ線結晶構造解析を行う場合、当該結晶は通常図４（ａ）あるいは（ｂ）に示すような測定用の冶具に移されてＸ線結晶構造解析装置にマウントされる。しかしながら、前述の通り、有機結晶は育成および操作が難しいため、育成当初より存在していた欠陥や損傷などに加え、移管操作時に新たに発生する損傷も加わり、Ｘ線結晶構造解析装置に配置されて冷却された結晶には明らかに劣悪な結晶品質の部位を含むことがある。このような場合、結晶品質が高いと思われる部位だけに限定してＸ線を照射する措置をとることが多いが、損傷の場所によっては対応できないことがある。また、結晶周辺の付着物や結晶保持用の冶具は測定精度を低下させる原因となる。
原理的にもっとも好ましい方法は、Ｘ線の通過領域に高品質な単結晶部のみが存在するように冷却状態のまま結晶及び結晶周辺の付着物を加工してから測定を行うことであるが、これまでの加工手法では実現が極めて困難であった。
しかしながら、本発明によるレーザを用いた加工手法は、機械的な接触を、また、常温と低温間の温度サイクルを必要としない加工を提供するものであり、本発明を適用することにより、図４（ａ）および（ｂ）中に配置された冷却状態の結晶をその場で容易に加工することが可能である。加工の前後において、その場で、有機結晶２３にＸ線発生装置２４からＸ線が照射されることによって、Ｘ線回折パターンを検出することができる。もし、加工状態が不十分で、良好なＸ線回折パターンが得られなかった場合には、すぐその場で、冷却状態のまま再び有機結晶の再加工を行うことができる。
（実施例１）
本発明による加工方法の基本的な特性を調べるために、図１に示すような装置を使用して、波長１９３ｎｍの紫外短パルスレーザ光をタンパク質であるホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ（ＰＥＰＣ）の単結晶に照射した。それにより、結晶を２つに切断した。
育成したＰＥＰＣ結晶を図４（ａ）に示すようにループで掬って、表面張力により保持した。この状態で、ＰＥＰＣ結晶、結晶を支えている溶液、ループに窒素を用いた低温ガスを噴射してこれらを低温に冷却した。加工前の結晶の写真を図９（ａ）に、その模式図を図９（ｂ）に示す。
低温ガスを噴射し続けた状態で、繰り返し周波数３．４ｋＨｚ、パルス幅約１ｎｓ、スポット径２０μｍ、エネルギー密度５０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光を、０．５ｍｍ／ｓｅｃでスポットを移動させながら約１００万ショット照射して、凍結したＰＥＰＣ結晶、溶液と共にナイロン（登録商標）製のループを縦に半分に切断した。切断後の写真を図９（ｃ）に示す。ＰＥＰＣ結晶がきれいに切断されていることが分かる。
同様の装置構成と手法により、タンパク質であるヒトリゾチームの単結晶を、低温に冷却した状態で切断できることも確かめられた。
（実施例２）
図１に示すような装置を使用して、波長１９３ｎｍの紫外短パルスレーザ光を膜タンパク質の単結晶（ＡｃｒＢ結晶）に照射した。それにより、結晶を２つに切断した。
育成したＡｃｒＢ結晶を図４（ａ）に示すようにループで掬って、表面張力により保持した。この状態で、ＡｃｒＢ結晶、結晶を支えている溶液、ループに窒素を用いた低温ガスを噴射してこれらを低温に冷却した。加工前の結晶の写真を図１０（ａ）に、その模式図を図１０（ｂ）に示す。
低温ガスを噴射し続けた状態で、繰り返し周波数３．４ｋＨｚ、パルス幅約１ｎｓ、スポット径２０μｍ、エネルギー密度５０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光を、０．５ｍｍ／ｓｅｃでスポットを移動させながら約１００万ショット照射して、凍結したＡｃｒＢ結晶、溶液と共にナイロン（登録商標）製のループを縦に半分に切断した。切断後の写真を図１０（ｃ）に示す。ＡｃｒＢ結晶がきれいに切断されていることが分かる。レーザ加工前とレーザ加工後のＡｃｒＢ結晶において、有効回折分解能と格子定数の値に変化はなかった。
（実施例３）
図８に示すような装置を使用して、波長１９３ｎｍの紫外短パルスレーザ光照射によりタンパク質単結晶（卵白リゾチーム結晶）を加工する前後で、Ｘ線回折パターンの測定を行い、得られるデータを比較した。Ｘ線回折パターンの測定には、Ｘ線発生器として理学電機社製ｕｌｔｒａＸ１８（電圧５０ｋＶ，電流１００ｍＡ）、検出器としてＲＡＸＩＳ ＩＶ＋＋を用いた。各測定において、結晶と検出器の距離は１５０ｍｍ、検出角度２°、測定時間１０分／２°、測定角度の範囲は２０°とした。
育成した卵白リゾチーム結晶を図４（ａ）に示すようにループで掬って、表面張力により保持した。この状態で、卵白リゾチーム結晶、結晶を支えている溶液、ループに窒素を用いた低温ガスを噴射してこれらを低温に冷却し、Ｘ線結晶構造解析装置にセットした。加工前の結晶の写真を図１１（ａ）に、その模式図を図１１（ｂ）に示す。
未加工の結晶のＸ線回折パターン測定後に、繰り返し周波数３．４ｋＨｚ、パルス幅約１ｎｓ、スポット径２０μｍ、エネルギー密度５０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光を、スポット位置を円形状に移動させながら、かつ結晶がセットされている回転ステージを回転させることにより、合計約５００万ショットのレーザ光パルスを結晶、結晶周辺の凍結した溶液、ループに照射して、結晶を直径約３００μｍの球形状に加工した。加工後の写真を図１１（ｃ）に示す。損傷を与えることなく卵白リゾチーム結晶が球形状に加工されていることが分かる。このような加工形状は、常温下においても機械的な加工手法では達成が極めて困難であった。この状態で、上記未加工の結晶の測定と同様の条件でＸ線回折パターンの測定を行った。
さらに、この球形状の結晶に対して、再度繰り返し周波数３．４ｋＨｚ、パルス幅約１ｎｓ、スポット径２０μｍ、エネルギー密度５０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光を約１００万パルス照射することにより追加工を行い、結晶を直径約１５０μｍの球形状に整形した。加工後の写真を図１１（ｄ）に示す。この追加工後の結晶についても、同様の条件でＸ線回折パターンの測定を行った。
上記の一連のレーザ加工とＸ線回折パターン測定は、全て窒素を用いた低温ガスを卵白リゾチーム結晶に噴射し続けた状態で行った。
図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３種類の状態についてのＸ線回折パターンの測定結果をまとめたものを表１に示す。Ｉ／ｓｉｇｍａは、結晶のサイズに依存するため、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に値が小さくなっているが、回折分解能、格子定数、モザイシティー、データの完全性、Ｒｍｅｒｇｅについては大きな値の変化はなかった。これらより、レーザ加工による結晶への重大な損傷は無いことが実証された。（実施例４）
図１に示すような装置を使用して、波長１９３ｎｍの紫外短パルスレーザ光を有機低分子であるジメチルアミノスチルバゾリウムトシレート（ＤＡＳＴ）の単結晶に照射した。それにより、結晶を２つに切断した。
育成したＤＡＳＴ結晶（３．０×２．８×０．５ｍｍ）に低温ガスを噴射してこれらを低温に冷却した。低温ガスを噴射し続けた状態で、繰り返し周波数３．４ｋＨｚ、パルス幅約１ｎｓ、スポット径２０μｍ、エネルギー密度２００ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光を、０．５ｍｍ／ｓｅｅでスポットを移動させながら約６００万ショット照射して、凍結したＤＡＳＴ結晶を半分に切断した。切断した結晶において、未照射部に重大な損傷は観測されなかった。（実施例５）
図１に示すような装置を使用して、波長１９３ｎｍの紫外短パルスレーザ光を有機超分子錯体の一種の単結晶（構造未解明のために名称未決定）に照射した。それにより、結晶を２つに切断した。
育成した有機超分子錯体結晶（０．１×０．１×０．４ｍｍ）を図４（ａ）に示すようにループで掬って、表面張力により保持した。この状態で、結晶、結晶を支えている溶液、ループに窒素を用いた低温ガスを噴射してこれらを低温に冷却した。
低温ガスを噴射し続けた状態で、繰り返し周波数３．４ｋＨｚ、パルス幅約１ｎｓ、スポット径２０μｍ、エネルギー密度５０ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光を、０．５ｍｍ／ｓｅｃでスポットを移動させながら約１００万ショット照射して、凍結した結晶、溶液と共にナイロン（登録商標）製のループを縦に半分に切断した。切断した結晶において、未照射部に重大な損傷は観測されなかった。

Claims (18)

1. 有機結晶を、短パルスレーザ光の照射により加工する方法であって、前記有機結晶の被加工部分を低温に冷却した状態で加工を行うことを特徴とする有機結晶の加工方法。
2. 有機結晶を、短パルスレーザ光の照射により加工する方法であって、前記有機結晶とそれを保持する物質の被加工部分とを低温に冷却した状態で加工を行うことを特徴とする有機結晶の加工方法。
3. 前記低温に冷却した状態が、０℃以下であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の有機結晶の加工方法。
4. 前記有機結晶の被加工部分、又は前記有機結晶とそれを保持する物質の被加工部分とを低温状態に維持する方法が、前記低温状態を維持させる部分を含む部分に、直接又は間接的に低温ガスを吹き付ける方法であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の有機結晶の加工方法。
5. 前記低温ガスが、窒素ガスあるいはヘリウムガスのいずれかであることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の有機結晶の加工方法。
6. 前記有機結晶が、有機低分子、有機超分子錯体、樹脂、タンパク質、糖類、脂質、および核酸のうち、少なくとも一つの結晶であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の有機結晶の加工方法。
7. 加工形態が、前記有機結晶、又は前記有機結晶とそれを保持する物質の表面からの加工であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の有機結晶の加工方法。
8. 前記短パルスレーザ光の波長が前記有機結晶の短波長側の吸収端よりも短いことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の有機結晶の加工方法。
9. 前記短パルスレーザ光の波長が４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の有機結晶の加工方法。
10. 前記短パルスレーザ光のパルス幅が１００ｎｓ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の有機結晶の加工方法。
11. 前記短パルスレーザ光の１パルス当たりのエネルギー密度が１ｍＪ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載のに記載の有機結晶の加工方法。
12. 有機結晶を加工する有機結晶の加工装置であって、短パルスレーザと、前記短パルスレーザから放出される短パルスレーザ光を、被加工物である有機結晶に導き、当該有機結晶の被加工場所に照射させる光学系と、前記光学系と前記有機結晶の相対位置を変化させる機構と、前記被加工物を低温に冷却する手段とを有することを特徴とする有機結晶の加工装置。
13. 前記被加工物を低温状態に維持する手段が、前記有機結晶の被加工位置において、前記有機結晶又はその保持容器に低温ガスを吹き付ける手段であることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の有機結晶の加工装置。
14. 前記被加工物を低温状態に維持する手段が、前記有機結晶の被加工位置において、前記有機結晶又はその保持容器を収納する冷却容器であることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の有機結晶の加工装置。
15. 前記短パルスレーザ光が照射される位置を、前記有機結晶と同時に観測する観測装置、又は測定する測定装置を有することを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の有機結晶の加工装置。
16. 前記観測装置、又は測定装置が可視光を用いた光学的観測装置又は光学的測定装置であり、これら観測装置、測定装置は、前記光学系と機械的に固定された関係にあり、前記観測装置、測定装置の基準点と、前記短パルスレーザ光が照射される位置が一致しており、前記観測装置、測定装置の基準点位置を観測又は測定することにより、間接的に、前記短パルスレーザ光が照射される位置を観測又は測定する機能を有することを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の有機結晶の加工装置。
17. 請求の範囲第１２項に記載の有機結晶の加工装置が組み込まれていることを特徴とする有機結晶の観測装置。
18. 観測装置がＸ線結晶構造解析装置であることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の有機結晶の観測装置。

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