WO1997049845A1 - Procede de cristallogenese, element solide et dispositif de cristallogenese utilises dans ledit procede - Google Patents

Description

明細書 結晶成長方法ならびにそれに用いる結晶成長用固体素子および装匱 技術分野

本発明は、 高分子化合物の結品化を行なうための方法ならびにそれに用いる固 体素子および装置に関し、 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。 背景技術

蛋白質を初めとする各钝生体高分子およびそれらの複合体における特¾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 _π 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 ゃホルモン等による生化学系での機能発現のメカ二ズムを理解する上で 礎とな る _t> 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。

このような生体高分子の原 f 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線結品構造解析が最も冇カかつ高精度な手段である。 近年の X線光源 ·回折装置のハ一ドウ ア上の改良による測定時問の短縮、 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。

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つた手法および装 匱がないため、 勘と経験に頼ったトライアンドエラ一を繰返しながら結晶化を進 めているのが実伏である。 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。

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转ぅ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 ) 気液相問拡散法があり、 試 料の種類、 量、 性質等によって使い分けられている。

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ゥム （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、 P I Iの微妙な調整が困難であること、 さらに橾 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 3 6に示すよ '-)に、 透析チュ一-ブ 3 6 1の内部 に生体高分子を含む溶液 3 6 2を密封し、 透析チューブ外液 3 6 3 (たとえば緩 衝溶液） の P H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、 內外液の塩濃度、 p H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 3 7に示すように、 カバーガ ラス等の試料台 3 7 1上に、 試料溶液の液滴 3 7 2を载せ、 密閉した容器 3 7 3 内にこの液滴と沈殿剤溶液 3 7 4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,，

しかし、 蛋白質等の生体高分子の結晶化には、 前述したように稀々の問題点が あるのが実状である。

まず、 結晶性が良好なものや、 大型の -Η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、 ¾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 ド. Rosenberger, J. Cryst. Growth, 76, 618 ( 1986) ) 。 すなわち、 生体高分子 や生成した微小な結晶核が自重で沈降し、 これによつ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 ¾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 供給層は著しく减少する。 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。

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 （ 5 0体積。 /₀ ) 。 この溶媒が、 無秩序であり、 かつ結晶中で 分子問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 卜がほとんどなく、 わずかの分子一分子間コンタク トまたは水を介した水素結合によるコンタク トし 力、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。

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、 個々の分子表面問の相互作 ffl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オメ一シヨン等は、 環 境、 すなわち溶液の P I I、 イオン強度、 温度、 緩衝溶液の種類、 ？ 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つ 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 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ほとん どない。

また、 得られる生体高分子は微最であることが多い たとえば酵素等の蛋白質 は、 一般に細胞等から抽出され、 精製される力 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 ^に少なレ、場合が多レ、。 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 5 0 m g Zm 1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。

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つ 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。 発明の開示

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、 試行鉛誤を橾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。

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

さらなる本発明の 的は、 微結晶の大 *生成を抑制または制御し、 X線構造解 析を可能にし得る大型の結晶を得ることができる技術を提供することである。 さらなる本¾明の β的は、 少最の生 高分了-溶液で、 結晶化を可能にするため の技術を提供することである。

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 鬩を提供することにある。

本発明による結晶成長方法は、 溶液中に含まれる高分子化合物の結晶を成長さ せる方法であって、 高分子化合物を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔また は電子の濃度を制御できるよう価¾子が制御され、 かつ深さおよび/または開口 部の幅が異なる 2つ以上の潸または孔を冇する固体素了-を与える工程と、 該固体 素子を高分子化合物を含む溶液に接触させて ¾または孔に溶液を保持させる工程 とを備える。 該固体素子において、 または孔の外よりも内で高分子化合物の結 晶化が促進されるよう価電子が制御されている。 この方法では、 溶液を保持する 溝または孔において、 制御された価電子により固体素子の表面にもたらされる電 気的状態の下、 高分子化合物の結晶を成長させる。

該固体素子として不純物添加された半導体基板を用いることができる。 半導体 基板には、 深さおよびノまたは開口部の幅が！ ¾なる 2つ以上の溝または孔が形成 されている。

この半導体基板において、 溝または孔の外よりも内で高分子化合物の結晶化を 促進させるため、 添加された不純物の種類およびノまたは濃度を、 潸または孔の 内と外とで異ならしめることができる。 本発明は、 結晶成長を制御するための固体素子を提供する。 この固体素子は、 深さおよび Zまたは開口部の幅が異なる 2つ以上の溝または孔を有する。 この固 体素子において、 結晶化すべき物質を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔ま たは電子の濃度を制御できるよう価電子が制御され、 かつ溝または孔の内と外と において異なる態様で価電子が制御されている。

このような固体素子として、 上述したように不純物添加された半導体基板を用 いることができる。 添加された不純物の種類および/または濃度は、 半導体基板 に形成された溝または孔の内と外とで異ならしめることができる。

本発明による好ましい局面において、 結晶成長方法は、 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 御された固体素子を与える工程と、 該固体素子を高分子化合物を含む溶液に接触 させる工程とを備え、 そこにおいて、 該固体素子は、 対向する 2つの主要面の一 方の面側に形成された深さおよびノまたは開 Π部の幅が異なる ' つ以上の^また は孔と、 該 2つの主要面の他方の面側から上記溝または孔に高分子化合物を含む 溶液を供給するための貫通孔とを有する。 該固体素了-の溶液と接触する部分にお いて、 上記溝または孔の外よりも内で高分子化合物の結晶化が促進されるよう価 電子が制御されている。 このような固体素子を用い、 下向きにした溝または孔に 貫通孔を介して高分子化合物を含む溶液を佻給する。 これにより、 該固体素子上 において溶液の液滴が重力の方向に垂れ下がった状態で溶液を満または孔に保持 させる。 このようにして溶液を保持する溝または孔において、 制御された価電子 により固体素子の表面にもたらされる電気的状態のド、 高分子化合物の結晶を成 長させる。

本発明において、 上記固体素子は不純物添加された半導体基板とすることがで きる。 半導体基板における不純物の種類および/または濃度は、 半導体基板に形 成された潸または孔の内と外とで異ならしめることができる。

また、 固体素子上には、 形成された複数の溝または孔を取囲むように撥水層を 設けることができる。

本発明において、 溶液を保持する溝または孔における結晶の成長は、 該溶液に 含まれる溶媒の蒸気を吸収する沈殿剤または該溶液についての気液平衡を保持す るための緩衝溶液の存在下で行なうことができる ₍，

本発明による好ましい局面において、 結晶成長に用いるための固体素子は、 結 晶化させるべき物質を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔または電子の濃度 を制御できるよう価電子が制御されたものである。 該固体素子は、 2つの対向す る主要面を有し、 さらに該 2つの主要面の一方の面側に形成された深さおよび/ または開口部の幅が異なる 2つ以上の溝または孔と、 該 2つの主要面の他方の而 側から上記溝または孔に高分子化合物を含む溶液を供給するための貫通孔とを有 する。 該固体素子の溶液を接触させる部分において、 溝または孔の外よりも內で 高分子化合物の結晶化が促進されるよう価電子が制御されている。

このような固体素子は不純物添加された^導体基板とすることができる。 -導 体基板には複数のサイズの興なる または孔が形成されており、 ^導体基板にお ける不純物の種類および/または濃度は、 または孔の内と外とで ϋなっている。 さらにこのような固体素子上において、 複数の潸または孔を取囲むように撥水 層を設けることができる。

本発明はさらに結晶成長装置を提供し、 この装 sは、 上述した固体素子と、 固 体素子を支持するための手段と、 固体素子および該手段を沈殿剤または緩衝溶液 とともに密閉状態で収容できる容器とを備える。

本発明による好ましい局面において、 結品成長方法は、 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、 かつ深さおよび Ζまたは開 Γ—l部の幅が異なる 2つ以上の^または孔を有 する固体素子を複数与える工程と、 複数の固体素子の前記溝または孔が形成され た面同士を向かい合わせにし、 所定の隙問を開けて複数の固体素子を保持するェ 程と、 該隙問に高分子化合物を含む溶液を保持させて、 潸または孔の形成された 複数の固体素子の表面に溶液を接触させる工程とを備える。 上記固体素子におい て、 溝または孔の外よりも內で高分子化合物の結晶化が促進されるよう価電子が 制御されている。 この方法では、 溶液を保持する溝または孔において、 制御され た価電子により固体素子の表面にもたらされる電気的状態の下、 高分子化合物の 結晶を成長させる。

該固体素子として、 不純物添加された卡-導体基板を用いることができる。 半導 体基板には、 深さおよび または開口部の幅が異なる 2つ以上の溝または孔が形 成されている。 この半導体基板において、 溝または孔の外よりも內で高分子化合 物の結晶化を促進させるため、 添加された不純物の種類および/または濃度を、 溝または孔の内と外とで異ならしめることができる。

また、 複数の固体素子を隙問を開けて保持する工程において、 向かい合わせに された複数の固体素子問の距離が連続的に減少または增加するよう、 固体素子を 保持することができる。

本発明による好ましい局面において、 装匱は、 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、 かつ深さおよび/または開口部の幅が異なる 2つ以上の溝または孔を有する複数 の固体素子と、 複数の固体素子を向かい合わせにし、 所定の隙問を開けて保持す るための手段とを備える。 固体素子の溝または孔の内と外とにおいて異なる態様 で価電子は制御されている。 本発明の装匱において、 岡体素子として上述したよ うな不純物添加された半導体基板を用いることができる。 添加された不純物の稀 類および または濃度は、 半導体基板に形成された^または孔の内と外とで異な らしめることができる。

本発明の装置は、 上述した複数の固体素子およびそれを保持するための手段を 乾燥剤または緩衝溶液とともに密閉状態で収容できる容器と、 この容器内で固体 素子を支持するための手段とをさらに備えることができる

本発明の装匱において、 向かい合わせにされた複数の固体素子 ΓπΊの距離が連続 的に減少または増加するよう、 固体素子を配置することができる。 図面の簡単な説明

図 1 Λおよび図 1 13は、 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。

図 2は、 本発明の固体素子の一具体例を示す概略断面図である。

図 3は、 本発明の固体素子の他の具体例を示す概略断面図である。

図 4 Α〜図 4 Fは、 図 2の固体素子を製造するためのプロセスを示す概略断面 図である。 図 5 Λ〜図 5 Εは、 図 3の固体素子を製造するためのプロセスを示す概略断面 図である。

図 6は、 固体素子に形成された溝において結晶成長がいかに進むかを説明する ための概略断面図である。

図 7は、 固体素子に形成された^において結晶成長がいかに進むかを説明する ための概略断面図である。

図 8は、 本発明の結晶成長方法を行なうための装置の一具体例を示す模式図で ある。

図 9 Λ〜図 9 Dは、 貫通孔を有する固体素子と貫通孔を有しない固体素子にお いて母液が固体素子表面に保持される様-了-を示す概略断而図である。

図 1 () Λは、 貫通孔を冇する木 5S Π刀の 101 素子の - ¾体例を示す概略断面図で あり、 図 1 0 Βは、 その平而 1である。

図 1 〗は、 貫通孔を有すろ本発明の固体素子の他の ϋ休例を示す概略断面図で ある。

図 1 2 Α〜図 1 2 Hは、 図 1 ⁽⁾ Λおよび図 1 ϋ Βの固体素- を製造するための プロセスを示す概略断面図である。

図 1 3八〜図 1 3 Gは、 図 1 1に示す固体素子を製造するためのプロセスを示 す概略断面図である。

図 1 4は、 貫通孔を冇する固体素-了-を川いた木発 HJ1の結晶成長装置の一具体例 を示す模式図である。

図 1 5は、 図〗 4に示す装置の耍部を拡大した概略断面図である。

図 1 6は、 複数の固体素子を川いた本発明の結晶成長用装 ^の一具体例を示す 斜視図である。

図 1 7は、 図 1 6に示す装匱において、 スぺーサにより 2枚の固体素子の間隔 が保持される状態を示す概略断而図である。

図 1 8は、 図 1 7に示す装置の要部についてその構造を詳細に示す断面図であ る。

図 1 9八〜図1 9 Gは、 複数の固体素子を組み立てた本発明の結晶成長用装置 を製造するためのプロセスを示す概略断面図である。 図 2 0は、 固体素子に形成された ¾において結晶成長がいかに進むかを説明す るための概略断面図である。

図 2 1は、 固体素子間に保持された溶液において、 表面張力の方向および静電 引力の方向を示す概略断面図である。

図 2 2 Aおよび図 2 Bは、 溶液において対流がある場合とない場合の結晶成 長の状態を模式的に示す図である。

図 2 3は、 複数の固体素子を用いた本¾明の結晶成長用装置の他の例を示す概 略断面図である。

図 2 4は、 本発明に用いられる固体素子の他の例を示す概略断面図である。 図 2 5は、 本発明の結晶成長方法を行なうための装置の他の具体例を示す模式 図である。

図 2 6は、 本発明の結晶成長 ffl装置の他の具体例を示す概略断面図である。 図 2 7、 図 2 8および図 2 9は、 例 1において生成した結晶構造の顕微鏡写真 である。

図 3 0、 図 3 1および図 3 2は、 例 2において生成した結晶構造の顕微鏡写裒 である。

図 3 3、 図 3 4および図 3 5は、 例 3において生成した結晶構造の顕微鏡写真 である。

図 3 6は、 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。

図 3 7は、 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 である。 発明を実施するための最良の形態

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問の 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--ではなく冗長性を有しておれば、 核の周囲に笫合する 各分子は互いに緩く結合することになり、 よつて結晶忭が低下するものと考えら れる。

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、 Bac i l lus Stearothermoph i l us より抽出され た巨大なリボソームサブュニッ 卜の結晶化初期過程を電 顕微鏡により観察して レ、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） をとつて凝集することが必 須である と述 くている ( i ochemi stry I nternat i onal , Vo l . 5, 629-636 ( 1982) ) 。

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 Π である。 しカゝし、 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、 凝集しにくレ、„ このことを考慮、すると、 結晶化の初期過程において核と なる分子を 2次元的に配列させる何らかの条件が整えば、 その後の結晶化は、 こ れを核としてェピタキシャル的に進行するものと考えられる。

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。 該固体素了-は、 液と接触する表而か ら内部に向かって、 あるいは該固体素子の断而内において、 価? ¾子制御により電 子および正孔の濮度を制御することができ、 それによつ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 Λ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、 諍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、 それによつ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 p Hや分子の変性によつて微妙 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問電荷 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。

また、 後により詳細に説明するように、 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 fflをほぼ等方的に及ぶ領域を生成し得る。 溝の底部で結晶核が形成される場合、 このような領城において諍電相互作用によ り結晶核を固定でき、 重力の影響に基づく対流から結晶核を保護することができ る。 すなわち、 諍電的相互作用により結品核を ¾の底部に^止させることができ る。 ほぼ諍止した核に某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- fが巣合した大型の結晶を得ることができる と期待される。

さらに、 本発明では、 開口部の幅および Zまたは深さの ¾なる複数の溝または 孔を固体素子に形成している。 適切な溝または孔のサイズは、 結晶化すべき分子 のサイズ、 帯電特性等によって変わってくると考えられる。 そこで、 予め固体素 子上にサイズの異なる溝または孔を複数形成しておけば、 レ、ずれかの溝または孔 においてより適切な結晶化の条件を実現できる。 結晶化すべき分 Τ·種が変わった としても、 結晶化の条件に合った^または孔が必ず存在するはずで、 1つの固体 素子を種々の分子の結晶化に適用できる。

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ヮ一ルスカ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。 本発 Π月によれば、 固体素 子表面の諍電特性は予め価電子制御により調整できる。 本発明によれば、 固体素 子表面に誘起される空問電荷層に基づく表面電位は、 たとえば価電子の制御のた め添加される不純物の濃度に比例して変化し得る。 したがって、 固体素子中の不 純物濃度を調整することによって、 素子表而にもたらされる静電特性を予め調整 /JP9 /02169 することができる。 このため、 本発明によれば、 電解質溶液中の塩澳度の調整が 容易または不要になるといラメリッ トも生じる。

このような目的に供される固体としては、 上述したような静電特性を有し、 電 荷量および極性の制御が可能な物質で、 さらに溶液中で化学的に安定な物質であ れば、 どのようなものでもよい。 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。

図 2および図 3に、 本発明による結晶成長用固体素子の構造の概略を示す。 図 2で示される固体素子は、 溶液中で解離して負の実効表而電荷を有する高分子化 合物の結晶化を対象としたものである。 素子において、 P型シリコン基板 1 0の 表面には、 N型シリコン屑 1 1が形成されている。 さらに表面には、 複数の V字 状の溝 （V溝） 1 2 a 、 1 2 b、 1 2 eおよび 1 2 dが形成され,ている。 それぞ れの V溝における深さおよび開口部の幅は ¾なっている。 図 3で示される固体素 子も同様の解離特性を有する高分子化合物の結晶化を対象とする。 P型シリコン 基板 2 0の表面には N型シリコン層 2 1が形成されている。 また表面には、 複数 の凹状の溝 2 2 a 、 2 2 bおよび 2 2 cが形成されている。 それぞれの溝におけ る開 Π部の幅は異なっている。 2 2 aは、 開口部の幅よりも深さの方が顕著に 長い井戸状または角柱状の満である。 満 2 2 bおよび 2 2 し'は、 階段状の內壁を 有している。 溝の深部に行くに従って、 開口部の幅は狭くなつている。 このよう に、 溝の深部に行くに従って開口部の幅が狭くなっているものはより好ましい。 なお、 上記と逆の解離特性を有する高分子化合物に対しては、 シリコン基板の極 性を図 2または 3に示したものと逆にすればよい _π すなわち、 溶液中において正 の実効電荷を有する高分子化合物の結晶化を目的とする場合、 Ν型シリコン基板 上に Ρ型シリコン層を形成した素子を用いることができる。 なお、 いずれの素子 においても、 溝の內側には、 基板表面が露出している。 すなわち図 2または図 3 に示す素子の場合、 溝の外で溶液と接触する部分には Ν型シリコン層が形成され ている一方、 溝の内壁は Ρ型シリコン基板で形成されている。 同様に Ν型シリコ ン基板上に P型シリコン層を形成する場合、 溝の内壁は N型シリコン基板で形成 され、 溶液と接触する溝の外の部分は P型シリコン層が設けられる。

図 4は、 図 2に示す素子の製造プロセスの概略を示したものである。 まず、 表 面が淸浄にされ、 たとえば鏡面研磨された P型シリコン基板 3 0を準備する （図 4八） 。 次いで、 P型シリコン基板 3 0の表面にイオン注入等の方法によって N 型シリコン層 3 1を形成する （図 4 B ) 。 その後、 C V D等の方法によってシリ コン酸化膜 （S i 0 ₂ ) 3 3を形成する （図 4 C ) 。 次いで、 リ ツグラフィ等の 適当な方法を行なった後、 溝部を形成すべき領域のシリコン酸化膜を除去する (図 4 D) 。 酸化膜で覆われていない部分についてエッチングを行なっていけば、 溝 3 2 a、 3 1 b、 3 2 cおよび 3 2 dが形成される （図 4 E ) 。 次にシリコン 酸化膜を除去すれば、 必要な固体素子が得られる （図 4 F ) 。 なお、 図示してい ないが、 シリコン酸化膜を除去した後、 固体素子の全面にシリコン酸化膜を再び 形成してもよい。

図 5は、 図 3に示す固体素子の製造プロセスの概略を示している。 まず P型シ リコン基板 4 0を準備する （図 5 Λ) 。 次いで基板 4 0上にイオン注入等の方法 によって N型シリコン層 4 1を形成する （図 5 B ) 。 適当なリ ソグラフィ等を行 なった後、 ドライエッチングにより所定の部分に潸 4 2 aを形成していく （図 5 C ) 。 満の開口都を広く したい部分は、 さらにドライエッチングを橾返すことに よって、 異方的に深くかつ問口部の而積の異なる複数の溝 4 2 bおよび 4 2 が 形成される （図 5 Dおよび E ) 。

以下に、 本発明の固体素子を用いて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一障壁が形成される一方、 P型シリコン表面に対してはォー 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 （ォ一ミック特 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、 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。 この空問電荷量は、 N型シリコンのド一パ 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問電荷を少なく 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、 ォ一ミック性接触が形成される P型シリコン表面に対しては、 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。

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。 低不純物濃度 （ある いは高抵抗） の N型シリコンでは、 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、 空乏層容量が小さい,， したがって低 不純物濃度 N型シリコンには、 高不純物濃度 （あるいは低抵抗） N型シリコンの 場合よりも大きな表面電位が誘起されることが-了'想される。 この表而電位は、 高 分子化合物の有する実効表面電位と極性が逆となるため、 静電的な引力の作用に より分子の凝集が促進される。 すなわち、 低不純物濃度で高抵抗の N型シリコン 基板の方が、 高不純物澳度で低抵抗の N型シリコン基板より、 その表面により多 くの結晶を析出させることができると予想される。

以上に、 溶液中で負の実効表面電荷を有する分子について述べたが、 正の実効 表面電荷を有する分子については、 上述と逆の極性を有するシリコンに対して同 様の効果を期待できる。

空間的に抵抗の異なる領域を形成することは、 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てもよい ₍， 本発明に用いられる N型および P型シリコン結晶は、 通常の L S Iプロセスに 用いられるシリコンウェハと同等の特性を有するものでよい。 シリコン結晶の比 抵抗は 0 . 0 0 0 1〜 1 0 0 0 Q c m程度の範囲内であればよく、 より好ましく は 0 . 0 0 1〜 1 0 0 Ω c m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製方法として、 種々のものが使用でき、 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、 イオン注入法が举げられる。 この場合、 P型および N型の価電 7·制御 は、 それぞれ周期律表第 I I I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、 ァ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 I I I族元素として Β、 Λ 1 、 G a、 I n、 丁 1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、 A s、 S b、 B i等を挙げることができ、 特に P、 A s、 S bが一般的である。 また、 結晶の 表面は、 ミラ一ポリッシュされること力';、 析出する結晶核の制御を行なう上で好 ましい。

本発明において、 シリコン基板表面に不純物を含有する層を形成する際、 その 厚みは、 0 . 1 〜 2 0 0 μ mが好ましく、 1〜 5 0 mの範囲がより好ましい。 これ以外の範囲では、 作製が容易でなかつたり、 効果がなくなつたりするため望 ましくない。

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举げることができる。

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。 図 2に示す素 子は V溝、 図 3に示す素子は凹状の潸をそれぞれ有している。 溝の代わりに、 た とえば角錐状または円錐状の孔を固体素子表面に設けてもよい。 これらの溝また は孔は、 深部に行くに従って開口の幅が狭くなつ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。

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 _π 溝または孔のサイズ についても、 結晶化すべき分子のサイズ、 帯電特性等に応じて変える必要がある と考えられる。 しかしながら、 対象となる個々の高分子化合物ごとに溝または孔 を有する固体素子を調製していたのでは、 コストおよび時間がかかり、 効率的と はいえない。 そこで、 予め固体素子上にサイズの異なる溝または孔を複数形成し ておけば、 対象となる分子棟が変わったとしても、 いずれかの潸または孔におい 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卜も低減される。

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できる。 一般的には、 溝または孔の開口部の幅は 0 . 0 1〜 1 () () μ mの範囲が好ましく、 溝の長さは 1〜 1 O m mの範囲が好ましい。 また、 複数の溝または孔は、 〗 /i _m 〜 1 mmの範囲の問隔で適宜作製することができる。 潸または孔の深さは、 たと えば 0 . 0 1〜'2 0 ϋ μ mの範 K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惡影饗 を及ぼすものではない。

図 6および図 7は、 溝または孔の結晶成 ½に対する作用効果を説明するための ものである。 図 6に示すよ'）に、 結晶化すべき分子を含^する電解質溶液に固体 素子を接触させると、 Pまたは P シリコンよりなる V滞部 5 2は、 Nまたは N +シリコン層よりなる表面部 5 1 と比較して、 解離した高分子との静電相互作用 が及ぶ範 ffi (電気二重層の幅と考えてもよい） が広くなることが期待される。 図 において、 点線で示した領域 5 4が、 電気相互作用の及ぶ範囲である。 すなわち、 表面部 5 1上よりも V溝都 5 2において領域 5 4は厚くなつている。 特に、 V溝 部 5 2の最も深い中央部は、 この作用の及ぶ頓域の重なりにより、 領城 5 4の幅 が最も広くなることが予想される。

したがって、 Pまたは P シリコンからなる V溝部 5 2の最深部において、 結 晶核または結晶核となる分子凝集体 5 5は、 V溝表面から静電引力をほぼ等方的 に受け、 V溝内において拘束されることになる。 V溝深部にある分子凝集体 5 5 について、 重力に基づく溶液內の対流の影響が静電引力によって抑制されるため、 結晶核の生成および結晶の成長が安定して起こり得ると期待される。 一方、 Nま たは N +シリコンからなる表面部 5 1上では、 上述したように結晶核の形成が抑 制される。 また、 もしこの表面に結晶核が形成されても、 溶液内の対流の影響を 受けて、 結晶核近傍での拡散供給層の幅が変動するため、 結晶性の低下または成 長速度の低下がもたらされると考えられる。 したがって、 溝部 5 2において選択 的に結晶の成長が進み、 大型の結晶が得られる。

図 7に示す固体素子上においても、 同様のメカ二ズムによつて安定した結晶成 長が起こるものと考えられる。 すなわち、 溝部 6 2の開口幅が最も狭い部分にお いて、 結晶核 6 5が生成し、 静電引力によって拘束される。 諍電相互作用の及ぶ 領城 6 4は、 溝部 6 2の最深部において最も幅が広くなつている。 一方、 基板 6 0上に形成された Nまたは N +シリコン層 6 1上では、 上述したように結晶の生 成が抑制される。 したがつて、 部 6 2の深部において結晶核が 成し、 結晶が 成長する。

図 8は、 本発明を行なうためのより具体的な装置を示す。 図 8に示す装匱では、 容器 7 4内に緩衝溶液 7 3が収容され、 その中に透析膜チューブ 7 1が設けられ ている。 透析膜チューブ 7 1内には、 高分子化合物を含む »液 7 2とともに、 結 晶成長用固体素子、 たとえば上述したようなシリコン半導体基板 7 0が収容され ている。 透析膜チューブ 7 1は、 クローサ 7 5 aおよび 7 5 bで密封され、 緩衝 溶液 7 3に浸漬される。 容器 7 4の開口は、 蓋 7 6によって覆われる。 この装置 において、 透析が進められるとともに、 シリコン半導体某板 7 0上に母液 7 2力、 ら高分子の結晶が析出されていく。 なお、 この装匱以外にも、 たとえば透析チュ —ブを使用せず、 シリコン基板上に母液を液滴状に保持して結晶化を行なう等の 方法および装置も適用可能である。

本発明では、 固体素子に貫通孔を形成してもよい。 固体素子において溝または 孔が形成された面を表面、 それに対向する面を裏面とすると、 固体素子の表面と 裏面とは貫通孔によって連通させてもよい。 図 9 Aに貫通孔が形成された固体素 子の例を示す。 貫通孔 9 6を有する固体素子 9 5において、 結晶化すべき化合物 を含む母液をその裏面 9 5 b側から貫通孔 9 6に注入すると、 その表面 9 5 aに 表面張力の作用により母液の液滴 9 7を容易に形成することができる。 貫通孔を 介することにより、 固体素子の表面に微量の溶液を保持させることができる。 後 述するように、 このような液滴の中で結晶化を行なえば、 結晶化に必要なサンプ ルはごく微量で済む。 このように重力の方向に垂れ下がった状態にすれば、 微量 の液滴を容易に保持することができる。 一方、 図 9 Bに示すように、 母液を固体 素子 95' 上に落として液滴を形成しょうとする場合、 固体素子表面の母液に対 する濡れ性によって、 適当な液滴が形成されたりされなかったりする。 濡れ性の 高い表面では、 液滴が形成されにくい。 また、 貫通孔を介さずに重力の方向に垂 れ下がった液滴を形成することも困難である。 たとえば、 図 9 Cに示すように、 まず液滴 97を固体素子 95' の表面に載せ、 これを裏返すことによって液滴 9 7を重力の方向に垂れ下がつた状態とすることが考えられる。 しかしながらこの 場合、 液が固体素子 95' 上で流れてしまい、 液滴を保持できない場合が多い。 また図 9Dに示すように、 裏返しにした固体素子 95' の表面にスポイ ド 99に よって液滴を形成させることも考えられる。 しかしながら、 この場合、 液がしば しば下に落下してしまい、 規定量の液滴を基板上に保持させることは困難である。 上述したように、 貫通孔は重力の方向に垂れ下がった液滴の形成を容易にする。 図 1 ΟΛおよび図 1 O Bに、 木発明に従って貫通孔を有する固体素子の一具体 例を示す。 図 10 Λはその概略断面図であり、 図 1 0 Bはその概略平面図である。 この固体素子は、 溶液中解離して負の実効表面電荷を有する高分子化合物の結晶 化を目的とするものである。 固体素子において、 P型シリコン基板 1 1 0の表面 には N型シリコン層 1 1 1が形成されている。 また I〕^J¾シリコン ^板 1 1 0の表 面側 1 10 aには、 口部の幅および深さの異なる複数の V字状の^ (V満） 1 1 2 a、 1 1 2 b, 1 1 2 c、 1 1 2 dおよび 1 1 2 eが形成されている。 シリ コン基板 1 1 0のほぼ中央部で V溝 1 1 2 cと 1 1 2 dとの間には、 貫通孔 1 1 6が形成され、 基板の裏面側 1 10 bから表面側 1 1 0 aに液を供給できるよう になっている。 貫通孔 1 1 6の裏面側の開口部は表面側の開口部よりも広くなつ ている。 さらにシリコン基板 1 1 0の表面側 1 10 aには、 V溝 1 1 2 a〜 1 1 2 eを取囲むようにポリイミ ド等の撥水性榭脂からなる撥水層 1 1 7が形成され ている。

図 1 1は、 本発明に従って貫通孔を有する固体素子のもう 1つの例を示すもの である。 この固体素子も、 溶液中解離して負の実効表面電荷を有する高分子化合 物の結晶化を目的としている _n P型シリコン ¾板 1 20の表面には N型シリコン 層 1 21が形成されている。 さらにその表面側 1 20 aには、 複数の凹状の满 1 22 a、 1 22 b、 1 22 c、 1 22 dおよび 1 22 eが形成されている。 溝] 22 aは開口部の幅よりも深さが長い井戸状または^柱状の溝である。 一方、 m 1 22 b〜 1 22 eは階段状の內壁を有している。 これらの溝において、 深部に いくに従って開口部の幅は狭くなつている。 このように、 固体素子に形成される 溝または孔は、 深部にいくに従って開口部の幅が狭くなっているものがより好ま しい。 シリコン基板 1 20の中央部で満 1 22し'と 1 22 dの問には貫通孔 1 2 6が形成されている,， 貫通孔 1 26における裏面側 1 20 bの開口部は表面側 1 20 aの開口部よりも広くなつている。 シリコン基板 1 20の表面側 1 20 aに は、 さらに 5つの溝を取囲むようにして撥水性樹脂からなる撥水屑 1 27が形成 される。

以上に示す固体素子において、 溝内には p型シリコンが露出している一方、 の外の表面は N型シリコン層によって覆われている。 このような固体素子におい て、 複数の滞が形成されかつ撥水性樹脂で覆われる表面領域に溶液サンブルが供 給される。 なお、 溶液中解離して正の実効電荷を有する化合物を紡晶化させる場 合、 上述した固体素子においてシリコン基板とシリコン層の極性を逆にすること が好ましい„ すなわち、 N型シリコン基板上に P型シリコン層を形成することが 望ましい。 この場合、 ¾内には N型シリコン¾板が露出する一方、 溝の外の表面 は P型シリコン層で覆われる。

図 1 2八〜図1 2Hは、 図 10Λおよび図 1 0 Bに示す固体素了-を製造するた めのプロセスを示す概略断面図である。 まず、 たとえば鏡面研麽された P型シリ コン基板 1 30を準備する （図 1 2 Λ) „ 次いで、 P型シリコン基板 1 30上に イオン注入等の方法によって N型シリコン層 1 3 1を形成する （図 1 2B) 。 そ の後、 C VD等の方法によってシリ コン酸化膜 （S i 0₂) 1 3 3を形成する (図 1 2C) 。 適当なホトリソグラフイエ程等の後、 潸部を形成すべき領域のシ リコン酸化膜を除去する （図 1 2D) 。 次いで、 シリコン酸化膜を除去した部分 の N型シリコン層および P型シリコン基板をェッチングしてサイズの異なる V溝 1 3 2 a、 1 3 2 b、 1 3 2 c、 1 3 '2 dおよび 1 3 2 eを形成する （図 1 2 9

E) 。 次いでシリコン酸化膜を除去する （図 1 2 F) 。 その後、 KOH溶液を用 いた異方性エッチング等により基板 1 30に貫通孔 1 36を設ける （図 1 2G) 。 次に、 溝を取囲むようにポリィミ ド等の撥水性樹脂からなる撥水層 1 37を形成 する （図 1 2H) 。 なお図示しないが、 シリコン酸化)!莫を除去した後、 固体素子 の表面にシリコン酸化膜を再び形成してもよい。 また、 貫通孔はプロセスの最初 に予め形成しておいてもよい。

図 1 3 A〜図 1 3 Gは、 図 1 1に示す固体素子を製造するためのプロセスを示 している。 まず P型シリコン基板 140を準備し （図 1 3A) 、 イオン注入等の 方法によって N型シリコン層 1 4 1を形成する （図 1 3 B) 。 適当なホトリソグ ラフイエ程等の後、 ドライエッチングによりアスペク ト比の高い潸 1 42 aを形 成する （図 1 3 C) 。 さらにドライエッチングを繰返すことによって、 異方的に 深くかつ開口部の幅の . なる凹状の満 1 42 b、 1 42 c、 1 42 dおよび 1 4 2 eを形成する （図 1 3 D〜図 1 3 F) 。 次に、 K O H溶液を用いた異方性ェッ チングにより基板 1 40に貫通孔 1 46を形成する （図 1 3 F) 。 その後、 ポリ イミ ド等の撥水性樹脂からなる撥水層 1 4 7を溝を取囲むようにして形成する (図 1 3 G) 。

図 10 Aおよび図 1 0 Bに示す素子は V溝、 第 1 1図に示す素子は凹状の溝を それぞれ有している。 溝の代わりに、 たとえば角錐状または円錐状の孔を固体素 子表面に設けてもよい。 これらの満または孔は、 深部にいくに従って開口の幅が 狭くなつていることがより好ましレ、。 実際の結晶成長に際しては、 何種類かのサ ィズの溝または孔を 1つの素子表面に多数設けておくほうが有利である。

本発明において、 固体素子表面には複数の溝または孔を取囲むようにして撥水 層を形成してもよい。 この層は、 固体素子上において保持すべき溶液の液滴が周 囲に流出するのを防止するためのものである。 たとえば、 表面の酸化膜が除去さ れたシリコン表面は、 一般に、 酸またはアルカリのみを含む水や純水に対しては 撥水性であるが、 緩衝溶液のような塩を含有する水溶液に対しては、 撥水性でな くなる。 したがって、 塩を含有する水溶液の液滴を安定して保持するために、 液 滴を保持すべき領域の周囲に撥水性の物質からなる層を形成することが望ましい。 このような目的を達成するため、 撥水性の材料として有機系の樹脂を用いること ができる。 最も簡便に用いることのできる材料の 1つとして、 たとえばポリイミ ドを挙げることができる。 たとえば、 感光性または非感光性のポリイミ ド榭脂を コーティングし、 硬化させた後、 所望のパターンとなるようエッチングまたは現 像により不必要なコーティング部分を除去して固体素子上に撥水性の層を形成す ることができる。

本発明で用いられる撥水層の厚みは、 機能的に特に限定する必要はないが、 作 製しやすい厚みとして 0 . 1〜 1 0 0 μ mの範囲を設定することができる。 なお、 撥水性を示し、 かつ溶液に対して化学的に安定な物質であれば、 ポリイミ ドに限 らずどのような材料を用いてもよい。 さらに、 シリコン等の固体素子に対して撥 水性を示す溶液を用いる場合、 このような撥水性の層は不必要である。

図 1 4は、 本発明による結晶成長用装置の -具体例を示すものである。 図 1 4 に示す装置において、 貫通孔 8 6を有する固体素子 1 0 0は支持台 9 0に支持さ れ、 容器 9 1内に収容される。 容器 9 1の開口は、 蓋 9 2によって密閉すること ができる。 このような装匱において、 結晶化をすべき分子を含む ¾液の液滴 8 8 は、 貫通孔 8 6から注入され重力の方向に垂れ下がるようにして固体素子 1 0 0 上に保持される。 容器 9 1の底部には、 液滴 8 8中の溶媒蒸気、 たとえば水溶液 の場合水分、 を吸収して液滴中の分子を過飽和状態にすることのできる沈殿剤、 または液滴についての気液平衡を保持するための緩衝溶液 9 3が収容される。 蓋 9 2により沈殿剤または緩衝溶液を収容する容器 9 1を密閉した状態にすれば、 液滴 8 8内において結晶化が促進されるようになる。

図 1 5に、 固体素子 1 0 0上において液滴 8 8が保持される様子を拡大して示 す。 容器內に収容される沈殿剤または緩衝溶液 9 3の上方に、 支持台 9 0によつ て固体素子 1 0 0が保持されている。 固体素子 1 0 0を構成する基板 （たとえば P型シリコン基板） 8 0上には、 不純物の種類または濃度が異なるシリ コン層 (たとえば N型シリコン層） 8 1が形成されている。 また、 基板 8 0上には、 複 数の V溝 8 2 a、 8 2 b、 8 2 c、 8 2 d、 8 2 e、 8 2 f が形成されている。 これらの潸を取囲むようにして撥水性の層 （たとえば撥水性榭脂からなる層） 8 7が形成されている。 基板 8 0のほぼ中央部には、 母液を注入するための貫通孔 8 6が設けられている。 固体素子 1 0 0は、 支持台 9 0上において、 V溝を下に 向けて保持される。 タンパク質等の結晶化すべき分子を含む溶液 （母液） を少量、 固体素子の裏面側からピぺット等によって貫通孔 8 6に注入していくと、 母液は 溝の形成された面に徐々に移行し、 液滴が形成されていく。 固体素子 1 0 0の表 面で母液の液滴が落下せず、 すべての溝内に液が行き渡り、 安定に保持された状 態となつたところで母液の注入を終了する。 このようにして、 図 1 5に示すよう に、 母液の広がりが撥水性の層 8 7で食い止められ、 重力の方向に垂れ下がった 状態で液滴 8 8が安定に保持される。 このように液滴を保持すれば、 結晶化に必 要な溶液の量は微量で済む。 このような装匱において、 上述したように溝の内部 で結晶の成長が行なわれる。

さらに本発明において、 複数の固体素子を所定の隙問を開けて対向させ、 この 隙間に結晶化すべき分子を含む溶液を保持させることにより、 より微量の溶液で 結晶化を行なうことができる。 なお、 隙間に保持される溶液には対流の原因とな る表面張力が働くが、 後述するように表面張力による影響は固体素子表面におい てもたらされる静電引力の作用により抑制することができる。

図 1 6、 1 7および 1 8は、 複数の固体素子を有する本発明の装置の一具体例 を示している。 図 1 6に示すように、 結晶成長用装置において、 2つの固体素子 2 1 0および 2 2 0が所定のギヤップ 2 2 5を介して配置される。 固体素子 2 1 0の表面には深さおよび/または開口部の幅の異なる複数の V字状の溝 ( V溝） 2 1 1 a , 2 1 1 b , 2 1 1 cが形成されている。 固体素子 2 2 0の表面にも、 サイズの異なる複数の V溝 2 2 1 a、 2 2 1 b、 2 2 】 c、 2 2 I dが形成され ている。 2つの固体素子 2 1 0および 2 2 0は、 V溝が形成された面を向かい合 わせにして保持される。 この装匱では、 それぞれの潸の長手方向がほぼ垂直にな るように 2つの固体素子が配置されている。 なお図 1 6では、 ギャップ 2 2 5を 維持するためのスぺ一サを省略している。

図 1 7は、 図 1 6の装匱において 2つの固体素子間のギャップがスぺーサによ つて維持されている状態を示している。 固体素子 2 1 0と固体素子 2 2 0との間 にはスぺーサ 2 1 5 aおよび 2 1 5 bが設けられ、 所定のギャップ 2 2 5が維持 されている。 このスぺーサによって形成された両固体素子間の隙間に結晶化を行 なうための分子を含む母液 2 1 6が注入される。 固体素子間の隙問を所定のサイ ズのスぺ一サによつて極わずかなものにすれば、 注入された母液は毛管現象によ つてこの隙間内に保持される。 保持された母液 2 1 6は、 V溝の形成された固体 素子表面に接触している。 このわずかな隙問に保持される母液の量は、 極微量で 済む。

図 1 8は、 固体素子の一方について、 さらに詳細な構造を示すものである。 固 体素子 2 2 0において、 P型シリコンからなる基板 2 2 2上には N型シリコン層 2 2 3が形成されている。 基板 2 2 2の表面には複数の V溝 2 2 1 a、 2 2 1 b , 2 2 1 cおよび 2 2 1 dが形成される。 V溝部では P型シリコンが露出している。 一方、 V溝の外で溶液と接触する表面は N型シリコン層 2 2 3によって覆われて レ、る。 基板 2 2 2の表面には、 V溝を取面むようにしてたとえば撥水性の樹脂か らなる撥水層 2 2 4がさらに設けられている。 撥水性の層を介してスぺーサ 2 1 5 aおよび 2 1 5 bを設ければ、 隙間内に結晶化すべき分子を含む母液をより安 定に保持することができる。 図 1 8に示すように P型シリコン上に N型シリコン 層を形成した素子は、 溶液中で解離して負の実効表面電荷を有する高分子化合物 の結晶化に好ましく用いることができる。 一方、 溶液中で解離して正の実効表面 電荷を有する高分子化合物に対しては、 図 1 8に示すものと逆の極性のシリコン を用いた固体素子を好ましく用いることができる。 すなわち、 N型シリコン基板 上に P型シリコン層を形成し、 溝において N型シリコンを露出させた固体素子を、 正の実効表面電荷を有する高分子化合物の結晶化のため適用することができる。 図 1 9八〜図1 9 Gは、 図 1 6〜図 1 8に示す固体素子の製造プロセスの概略 を示したものである。 まず、 表面が清浄にされ、 たとえば鏡面研磨された P型シ リコン基板 2 3 2を準備する （図 1 9 A ) 。 次いで、 P型シリコン基板 2 3 2の 表面にイオン注入等の方法によって N型シリコン層 2 3 3を形成する （図 1 9 B ) 。 その後、 C V D等の方法によってシリコン酸化膜 （S i 0 ₂ ) 2 3 9を形 成する （図 1 9 C ) 。 次いで、 ホトリソグラフィ一等の適当な方法を行なった後、 溝部を形成すべき領域のシリコン酸化膜を除去する （図 1 9 D ) 。 酸化膜で覆わ れていない部分についてエッチングを行なっていけば、 潸 2 3 1 a、 2 3 1 b , 2 3 1 cおよび 2 3 1 dが形成される （図 1 9 E ) 。 次に、 シリコン酸化膜を除 去した後、 溝 2 3 1 a〜dを取囲むように撥水性樹脂層 2 3 4を形成する （図 1 9 F ) 。 なお、 図示していないが、 シリコン酸化膜を除去した後、 固体素子の全 面にシリコン酸化膜を再び形成してもよい。 このようにして N型シリコン層およ び溝が形成された基板 2 3 2および 2 3 2 ' をガラススぺ一サ 2 3 5 aおよび 2 3 5 bを介して重ねる （図 1 9 G ) 。 スぺ一サ 2 3 5 aおよび 2 3 5 bは、 基板 上に形成された撥水性樹脂層 2 3 4および 2 3 4 ' の問に挟まれている。 2つの 基板を接着剤等により固定すれば、 結晶化のための装置を得ることができる。 第 1 6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 に従つて開口の幅が狭くなつ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潢または孔を 1つの素子表面に多数設けておく方が有 利である。

図 2 0〜図 2 2は、 溝または孔の結晶成長に対する作用効果を説明するための ものである。 図 2 0に示すように、 結晶化すべき分子を含有する電解質溶液に固 体素子を接触させると、 1，または P シリ コンよりなる V清部 2 4 1および 2 5 1は、 Nまたは N +シリコン層よりなる表面部 2 4 3および 2 5 3と比較して、 解離した高分子との静電相互作用が及ぶ範囲 （電気二重層の幅と考えてもよい） が広くなることが期待される。 図において、 点線で示した領域 2 5 8および 2 5 8 ' 、 電気相互作用の及ぶ範囲である。 すなわち、 表面部 2 4 3および 2 5 3 J二よりも V溝部 2 4 1および 2 5 1の方が領域 2 5 8および 2 5 8 ' は厚くなつ ている。 特に、 V溝部の最も深い中央部は、 この作用の及ぶ領域に重なりにより、 領域 2 5 8および 2 5 8 ' の幅が最も広くなることが予想される。

したがって、 Pまたは P シリコンからなる V溝部の最深都において、 結晶核 または結晶核となる分子凝集体 2 4 7は、 V潸表面から諍電引力 2 4 9をほぼ等 方的に受け、 V溝内において拘束されることになる。 V溝深部にある分子凝集体 2 4 7について、 重力に基づく溶液内の対流の影響と諍電引力とが相殺されるた め、 結晶核の生成および結晶の成長が安定して起こり得ると期待される。

一方、 図 2 1に示すように、 Nまたは N +シリコンからなる表面部 2 4 3およ ぴ 2 5 3上では、 表面張力によりギヤップ内で内側に向かって溶液の対流 2 5 9 が引起こされることが予想される。 しかしながら、 狭いギャップ內では、 表面張 力の方向とほぼ垂直な方向に働く静電引力 2 4 9によって、 結果として対流が抑 制されるようになる。 この静電引力は、 シリコン基板からもたらされるものであ る。 より大きな諍電引力が働く溝内では、 対流の影響がほとんど抑制されるのに 対し、 小さな静電引力しか働かない溝の外では、 結晶化すべき分子は対流の影響 を若干受けるようになる。 したがって、 溝の外では、 結晶核近傍での拡散供給層 幅が変動するため、 結晶性の低下または成長速度の低下がもたらされると考えら れる。

図 2 2 Λに示すように、 対流のない状態において形成された結晶核 2 8 0につ いて分子の供給層 2 8 2が均一かつ等方的であれば、 結晶は均一かつ等方的に成 長し、 その成長速度は大きくなる。 一方、 図 2 2 Bに示すように、 溶液内で対流 が発生する場合、 結晶核 2 8 1について分子の供給層 2 8 2 ' が対流により狭め られる。 その結果、 不均一に結晶が成長し、 双晶が形成されやすい。 またその成 長速度は遅くなる。 重力や浮力等により発生する対流の影響を抑制するために、 本発明では、 固体素子表面に働く静電的な引力により、 結晶化すべき分子を潸內 に拘束し、 その動きを止めようとする。 たとえば溶液を 2枚の固体素子で挟んだ 場合、 溶液内の分子は、 それぞれの素子から静電引力を受けることになる。 すな わち、 静電引力は上下または左右から働くようになる。 このように、 固体素子表 面において分子に対する諍電的な効果は重畳される。 したがって、 分子は、 静電 的引力によりより拘束されやすくなる。 分子は、 ギャップ内において表面張力や 重力等の影響により移動しようとしても、 やがて諍電的な効果により溝內に拘束 され、 そこにおいて結晶が成長することになる。

上述したように、 溝内に結晶化すべき分子が拘束されるため、 溶液を挟む溝部 はなるべく重なりあっているほうが好ましいと考えられる。 一方、 溝のない平坦 部での結晶化は抑制される。 したがって、 長手方向が一致するように溶液を挟ん で溝を対向させることがより好ましいと考えられる。 しかしながら、 溝のサイズ たとえば幅は非常に小さいため、 それぞれの溝の位 gがうまく重なるように固体 素子を配置することはかなり困難であると考えられる。 したがって、 図 1 6に示 すように、 対向する溝の長手方向がほぼ垂直に交わるよう複数の固体素子を配置 するのがより実用的である。 この場合、 対向する溝の重なりを最も多くすること ができる。 .

また図 2 3に示すように、 複数の固体素子間の距離を、 位置によって異ならし めることができる。 図 2 3に示す装置では、 固体素子 2 9 0と 2 9 0 ' との問の 一端にのみスぺ一サ 2 9 5を挿入している。 この構造では、 固体素子上において スぺ一サ 2 9 5から遠ざかるに従って素子間の距離は小さくなつている。 すなわ ち、 スぺ一サ 2 9 5から遠ざかるに従ってギャップは連続的に減少する。 この装 置では 1つのスぺ一サを用いているが、 サイズの異なる 2つのスぺ一サを用いる ことによって、 ギャップを連続的に減少または増加させることも可能である。 図 1 7に示すように、 一定の間隔で 2つの素子を保持する場合、 結晶化すべき物質 によっては所定のギャップが最適なものでないことも考えられる。 ギャップは、 素子間において静電的な引力の及ぶ領域や表面電位の分布を反映するからである。 よって、 図 2 3に示すように 1つの装匱において素子間の間隔を変えれば、 いず れかの位置において結晶化のため最適な条件を提供できると考えられる。 たとえ ば図に示すように Xの領域において物質 Λに対する最適の条件を提供できる一方、 Yの領城において Λと異なる物質 Bに対し最適な結晶化の条件を提供することが できる。 したがって、 1つの装匱において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、 装置作製のための労力およびコス トも低減される。

以上、 V潸を有する固体素子を示したが、 溝の形状は種々のものを用いること ができ、 たとえば、 図 2 4に示すような凹状の溝を形成してもよい。 固体素子 3 0 0において、 P型シリコン基板 3 1 2上には N型シリコン層 3 1 3が形成され、 開口の異なる凹状溝 3 O l a , 3 0 1 bおよび 3 0 1 cが設けられている。

シリコン基板等の固体素子を隙間を開けて対向させるため、 上述したようにス ぺ一ザが用いられる。 スぺ一ザの材質は特に限定されるものではないが、 たとえ ばガラスを好ましく用いることができる。 スぺ一サとして、 円柱形状のものや角 柱形状のものをたとえば用いることができる。 素子間の距離は、 たとえば 0 . 1 〜1 O mmの範囲であることが好ましい。 したがって、 円柱形状のスぺーサを用 いる場合、 スぺ一サの直径は 0 . 1〜 1 O mmの範囲に設定することができる。 たとえば、 接着や溶着によって、 スぺ一サを挟んだ複数の固体素子を固定するこ とができる。 また図 1 8に示すように、 シリコン基板等の固体素子表面には、 溝を取囲むよ うに撥水性の層を形成することが好ましい。 この層は、 素子間に溶液を保持する 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 ではない。 したがって、 緩衝溶液を用いる場合、 シリコン基板の周固に撥水性の 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 ド榭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 ド榭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。

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〜 1 0 0 μ m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。 さらに、 シリコン等の固体素子に対して撥水性を示す溶液を用いる場合 は、 このような撥水層は不要である。

図 2 5は、 本発明を行なうためのより具体的な装置を示す,， 図 2 5に示す装匱 では、 容器 3 1 1内に緩衝溶液 3 2 2が収容され、 その中に透析膜チューブ 3 2 3が設けられている。 透析膜チューブ 3 2 3内には、 高分子化合物を含む母液 3 2 1とともに、 結晶化制御用の固体素子、 たとえば上述したようなシリコン半導 体基板を 2枚所定の間隔を開けて向かい合わせた結晶成長用装置 3 1 0が収容さ れている。 透析膜チューブ 3 2 3は、 クローサ 3 1 5 aおよび 3 1 5 bで密封さ れ、 緩衝溶液 3 2 2に浸潰される。 容器 3 1 1の開口は、 蓋 3 1 6によって覆わ れる。 この装置において、 透析が進められるとともに、 結晶成長用装匱 3 1 0上 に母液 3 2 1から高分子の結晶が析出されていく。 なお、 この装置以外にも、 た とえば透析チューブを使用せず、 シリコン基板上に母液を液滴状に保持して結晶 化を行なう等の方法および装置も適用可能である。

図 2 6は、 非常に少ない母液量で結晶成長を可能にする装置の一例を示してい る。 この装置において、 固体素子である上基板 3 2 0と下基板 3 3 0がスぺ一サ 3 2 5を介して重ねられたものは、 支持台 3 4 3によって容器 3 4 0の上部に保 持される。 基板 3 2 0と基板 3 3 0の間には、 たとえば蛋白質等の結晶化すべき 物質を含む溶液 （母液） 3 2 6が少量、 その側面からピペッ ト等により注入され る。 基板の隙間から母液の液滴が落下せず安定に保持される伏態となつたところ で、 母液の注入を中止する。 容器 3 4 0の底部には、 予め緩衝溶液 3 4 6が満た されている。 緩衝溶液 3 4 6は、 母液 3 2 6について気液平衡を保持するために 用いられる。 母液 3 2 6を保持する基板が緩衝溶液 3 4 6とともに収容された容 器 3 4 0は、 キャップ 3 4 1によって密封することができる。 密封伏態において、 母液 3 2 6を基板の間に保持させたまま睁置すれば、 基板に形成された潸部にお いて結晶が成長するようになる。 なお、 函 2 6に示す装 Rにおいて、 緩衝溶液の 代わりに母液中の溶媒 （たとえば水分） を吸収するための乾燥剤を用いることも できる。

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。 例 1

ニヮトリ卵白製リゾチーム （Lysozyme, From Chicken Egg White) を p H = 6 . 8の標準緩衝溶液に溶解し、 2 0 m gノ m 1の濃度とした。 その溶液の 5 m 1を 十分煮沸洗浄された透析チューブ内にシリコン結晶とともに封入した。 シリコン 結晶として以下に示す 2種類のものを用い、 図 8に示すような装置においてリゾ チームの結晶化を行なった。

( 1 ) サンプル一 1

約 2 0 Ω c mの比抵抗の P型シリコン基板表面に、 リンのイオン注入によって 低抵抗の N型シリコン層を全面的に形成したもの。 形成した N型シリコン層の比 抵抗は約 0 . l Q c mであり、 またその厚みは約 0 . 5 ]u mであった。 このシリ コン基板を縦 5mm横 1 Ommのサイズに切断し、 結晶化に用いた。

(2) サンプル一 2

サンプル一 1と同様の方法で N型シリコン層を形成したシリコン基板を用いて、 図 4Λ〜図 4 Fに示すような方法で加工を行ない、 V溝を形成した。 幅がそれぞ れ 0. 8、 2. 0、 10、 50、 1 00 μ m、 長さが 5 mm、 深さがそれぞれの 幅と同じ 5種類の V溝を、 0. 5mmのピッチでシリコン基板上に形成した。 V 溝を形成したシリコン基板を縦 5mm横 1 Ommのサイズに切断し、 結晶化用の 固体素子として用いた。 この固体素子において、 V溝を形成した部分は、 上述し たように P型シリコンが露出している。

上記 （1 ) および （2) のシリコン結晶を、 リゾチームを含む透析チューブ内 に収容し、 図 8に示すような装置において透析チューブを pH= 4. 5の標準緩 衝溶液 200m l と 1 Mの Na C l 20m l とを混合した水溶液中に浸し、 1 0°Cの冷喑所内に保管した。 冷暗所に 96時問保管した後、 試料を取出し顕微鏡 によってシリコン結晶上に生成したリゾチームの結晶を観察した。

サンプル— 1上では、 図 27に示すように、 シリコン基板表面全体にリゾチー ムの微結晶あるいは双晶が無秩序に多量に析出していた。 析出した結晶の平均的 なサイズは 0. 05mmであった。

一方、 サンプル一 2上では、 溝のサイズによって析出する結晶の大きさが異な つていた _η 幅が 0. 8、 2. 0 μπιのサイズの V溝部では、 図 28に示すように サンプル一 1と同一の形態の結晶が無秩序に析出していた。 一方、 幅が 1 0、 5 0、 1 00 μ mのサイズの V溝では、 図 29に示すように、 サイズが約 0. 3 m mの大型単結晶が、 規則的に溝に沿って析出した。 このように V溝都に大型単結 晶が生成したのは、 N型シリコン層上で結晶の生成が抑制される一方、 P型シリ コンからなる V溝部に結晶の核となる析出物が選択的に凝集 *集合し、 これが大 きな結晶まで成長したためと考えられる。

なお、 以上の実施例では P型シリコン上に N型シリコン層を形成した素子を用 いたが、 高抵抗である N型基板上に低抵抗である N型層を形成し、 同様に潸を形 成して高抵抗 N型基板を露出させても、 同様の結果が得られると予想される。 す なわち、 溝部において露出した高抵抗 N型領城に結晶の核となる析出物が選択的 に凝集、 集合し、 大きな結晶にまで成長することが期待できる。

例 2

ニヮ トリ卵白製リゾチ一ム （し ysozyme, From Chicken Egg White) を pH=6. 8の標準緩衝溶液に溶解し、 5 OmgZm 1の濃度とした。 固体素子として以下 に示す 2種類のシリコン結晶を用い、 図 14および図 1 5に示すような装置にお いてリゾチームの結晶化を行なった。

(1) サンプル— 1

約 20 Ω c mの比抵抗の P型シリコン基板表面に、 リンのイオン注入によって 低抵抗の N型シリコン層を全面的に形成した。 その後、 図 1 2八〜図1 2Hに示 すようなプロセスに基づき加工を行ない、 複数の V溝を有するシリコン基板を形 成した。 サイズの異なる V溝の幅は、 それぞれ、 0. 8、 2. 0、 1 0、 50、 Ι Ο Ο μπιであり、 深さはそれぞれの溝の幅とほぼ同じであった。 溝の長さはす ベて 7 mmであり、 5種類の V潸は 1. 0 mmのピッチで形成された。 また貫通 孔は基板中央部に直径約 200 μ mのサイズで形成した。 5種類の溝を取囲むよ うにして形成したポリイミ ド層の厚みは 1 0 xmであった。 得られたシリコン基 板を縦 10mm、 横 1 0mmのサイズに切断し、 結晶化のための固体素子として 供した。 表面に形成した N型シリコン層の比抵抗は約 0. l Q c mであり、 厚み は約 0. 5 / mであった。

(2) サンプル— 2

サンプル一 1と同様の方法でイオン注入を行ない、 P型シリコン基板上に N型 シリコン層を形成した。 比抵抗および N型層の厚みはサンプル一 1 と同一である。 その後、 サンプル— 1と同一の条件で基板の中央部に直径約 200 μ mの貫通孔 と、 ポリイミ ド層を形成した。 得られたシリコン基板を縦 1 Omm、 横 1 0 mm のサイズに切断し、 結晶化のための固体素子として供した。 したがって、 サンプ ルー 2は、 複数の V溝がない以外はサンプル一 1と同一の構造である。

サンプル一 1とサンプル一 2の基板をそれぞれ、 図 14および図 1 5に示す装 置に供した。 この装匱において、 直径が約 1 5mmのリアクティブバイャルの上 部に、 N型シリコン層を形成した表面が下になるようにシリコン基板を保持した。 リゾチームの母液約 0. 1 m 1を裏面から貫通孔に注入し、 重力の方向に垂れ下 がるような液滴を形成した。 なお、 バイャル中には予め p H= 4. 6の標準緩衝 溶液および 1 M N a C 1を 10 ： 1の容積比で混合した緩衝溶液を約 3 m 1注 入し、 その底に保持した。 結晶化のための装置を 1 の冷喑所内に保管し、 諍 置した。

冷喑所に 96時間静置した後、 それぞれの試料を取出し顕微鏡によってシリコ ン基板上に生成したリゾチームの結晶を観察した。

サンプル— 1の基板上では、 溝のサイズによって析出する結晶の大きさが異な つていた。 幅が 0. 8、 2. Ο μΓΠのサイズの V溝部、 および Ν型シリコン層表 面では、 図 3 1に示すように微結晶および双晶が無秩序に析出していた。 --方、 が 10、 50、 100 μ mのサイズの V溝では、 図 30に示すようにサイズが 約 0. 3 mmの大型単結晶が、 規則的に溝に沿って析出した。 P型シリコンから なる特定の V溝に結晶の核となる析出物が選択的に凝集 ·集合し、 これが大きな 単結晶まで成長したためと考えられる。

一方、 サンプル一 2の基板上では、 図 32に示すように、 シリコン基板表面全 体にリゾチームの微結晶あるいは双晶が無秩序に多量に析出していた。 析出した 結晶の平均的なサイズは 0. 05mmであった。

以上の結果から、 本発明により微量な試料について大型の品質の良い単結晶が 得られる可能性が証明された。

なお、 以上の実施例では P型シリコン上に N型シリコン層を形成した素子を用 いたが、 高抵抗である N型基板上に低抵抗である N型層を形成し、 同様に溝を形 成して髙抵抗 N型基板を露出させても、 同様の結果が得られると予想される。 す なわち、 溝部において露出した髙抵抗 N型領域に結晶の核となる析出物が選択的 に凝集 ·集合し、 大きな結晶にまで成長することが期待できる。

例 3

ニヮ トリ卵白製リゾチーム （Lysozyme, From Chicken Egg White) を ρΗ=4·

5の標準緩衝溶液と 0. 1M Na C lを 10 : 1の体積比で混合した溶液に溶 解し、 50mg/m 1の濃度とした。 結晶化のための固体素子として以下に示す 2種類のシリコン結晶を用いた。

(1) サンプル一 1 約 20 Ω c mの比抵抗の Ρ型シリコン基板表面に、 リンのイオン注入によって 低抵抗の Ν型シリコン層を全面的に形成した。 その後、 図 1 9八〜図1 9 Gに示 すようなプロセスに従って、 サイズの異なる 6種類の V溝を形成した。 V溝の幅 はそれぞれ 0. 1、 0. 5、 2. 0、 1 0、 50、 1 00 μ mであった。 各 V潸 の深さはそれぞれの幅とほぼ同一であった。 V溝の長さはすべて 1 O mmであり、 6種類の V溝は 1. O mmのピッチで作製された。 さらに、 6種類の V溝を取囲 むように厚さ 1 0 μ πιのポリイミ ド層を形成した。 得られたシリコン基板を縦 1 5mm、 横 1 5 mmのサイズに切断し、 固体素子として用いた。 なお表面に形成 した N型シリコン層の比抵抗は約 0. 2 Ω c mであり、 その厚みは約 0. 7 μ τη であった。

(2) サンプル一 2

サンプル一 1と同様の方法でイオン注入を行ない、 P型シリコン基板上に N型 シリコン層を形成した。 比抵抗および N型層の厚みはサンプル— 1 と同一である。 一方、 基板上には V溝を形成しなかった。

サンプル一 1の溝を有するシリコン結晶を 2組準備し、 それらを直径が 2mm、 長さが約 5 mmのガラス製ロッドを挾んで重ねた。 ガラス製ロッドは、 それぞれ のシリコン基板上に形成されたポリイミ ド層の上にくるよう配置された。 2組の シリコン基板は、 対向する溝の長手方向が垂直に交わるよう配置した。

シリコン基板をガラスロッドを介して重ねたものを図 2 6に示すような容器に 収容した。 容器として直径が約 2 O mmのリアクティブバイアルを用いた。 この バイアルの上部において、 基板表面が水平になるよう支持台上に保持し、 上述し たリゾチームの母液を基板の間に約 0 · 5 m 1注入した。 なお、 バイアルの底部 には、 予め p H=4. 5の標準緩衝溶液を約 1 O m 1注入しておいた。 バイアル をキャップにより密封し、 1 0°Cの冷暗所内に保管した。

サンプル一 1と同一の条件でサンプル一 2のシリコン基板を 2枚対向させ、 結 晶化のための装置を作製した。 ガラスロッドを介して重ねられた基板を、 サンプ ル一 1と同様にリアクティブバイアルの上部に保持し、 上述したリゾチームの母 液を基板の間に約 0 · 5m l注入した。 なお、 バイアルの底部には予め p H= 4. 5の標準緩衝溶液を注入しておいた。 キャップによりバイアルを密封した後、 1 の冷喑所内に保管した。

それぞれのサンプルについて冷喑所で 7 2時間保管した後、 重ねられたシリコ ン基板を注意深く開き、 その表面に形成されたリゾチームの結晶を顕微鏡によつ て観察した。 サンプル一 1の基板上では、 溝のサイズによって析出する結晶の大 きさが異なっていた。 幅が 0 . 1、 0 . 5、 2 . 0 μ mの V潸部および N型シリ コン層の表面では、 図 3 3に示すように微結晶および双晶が無秩序に析出してい た。 一方、 幅が 1 0、 5 0、 1 0 0 /z mの V溝においては図 3 4に示すようなサ ィズが約 0 . 3 mmの大型単結晶が溝に沿って規則的に析出した。

サンプル一 2の基板上では、 図 3 5に示すように、 シリコン基板表面全体にリ ゾチームの微結晶または双晶が無秩序に多量に析出した。 析出した結晶の平均的 なサイズは約 0 . 0 5 mmであった。

よって、 本発明によれば、 図 2 6に示すような装匱を用いることによって、 微 量な試料で大型の品質のよい単結晶を作製できることがわかつた。

なお、 以上の実施例では P型シリコン上に N型シリコン層を形成した素子を用 いたが、 高抵抗である N型基板上に低抵抗である N型層を形成し、 同様に潸を形 成して高抵抗 N型基板を露出させても、 同様の結果が得られると予想される。 す なわち、 溝部において露出した高抵抗 N型領城に結晶の核となる析出物が選択的 に凝集 '集合し、 大きな結晶にまで成長することが期待できる。 産業上の利用可能性

以上説明したように、 本発明によれば、 上述したように多様な特性を有するた めどの物質に対しても適用できる手法がなく試行錯誤を繰返しながら進められて きた従来の結晶化プロセスの欠点を解決することができる。 特に本発明によれば、 重力による溶液の対流の影響を抑制し、 結晶化の初期過程における核の形成を安 定して行なわせることができる。 また本発明によれば、 微結晶の大量生成を抑制 または制御することができ、 X線構造解析を可能にし得る大型の結晶を得ること ができる。 さらに本発明によれば、 サイズの異なる複数の溝を設けた固体素子を 結晶化に用いることによって、 あらゆる種類の高分子の結晶化に対応することが できる。 複数の溝を形成することにより、 結晶化すべき高分子の種類に応じて基 板を個々に加工する手間が省け、 低コス トで結晶化が可能になる。 さらに本発明 によれば、 結晶化すべき分子を含む溶液の液滴を貫通孔を介して固体素子上に供 給し、 重力の方向に垂れ下がるように液滴を保持することで、 微量の試料につい て効果的な結晶化を行なうことができる。 また、 複数の固体素子を重ね、 その隙 問に結晶化すべき分子を含む溶液を保持させることにより、 極微量の試料につい て結晶化を行なうことが可能になる。

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、 関心のある分子の精製または結晶化 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。 また本発明の装匱は、 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。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない と考えられるべきである。 本発明の範囲は上述した説明ではなく請求の範 fflによ つて示され、 請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる ことが意図される。

Claims

求の範囲

1 . 溶液中に含まれる高分子化合物の結晶を成長させる方法であって、

前記高分子化合物を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔または電子の濃度 を制御できるよう価電子が制御され、 かつ深さおよび または開口部の幅が異な る 2つ以上の溝または孔を有する固体素子を与える工程と、

前記固体素子を前記高分子化合物を含む溶液に接触させて、 前記溝または孔に 前記溶液を保持させる工程とを備え、

前記固体素子において、 前記溝または孔の外よりも内で前記高分子化合物の結 晶化が促進されるよう前記価電子が制御されており、

前記溶液を保持する前記溝または孔において、 前記制御された価電子により前 記固体素子の表面にもたらされる電気的状態の下、 前記高分子化合物の結晶を成 長させることを特徴とする、 結晶成長方法。

2 . 前記固体素子は不純物が添加された半導体基板であり、 前記半導体基板にお ける前記不純物の種類および/または濃度が、 前記潸または孔の内と外とで異な つていることを特徴とする、 請求項 1の方法。

3 . 請求項 1の方法に用いる結晶成長用固体素子であって、

深さおよびノまたは開口部の幅が異なる少なくとも 2つ以上の溝または孔を有 し、

高分子化合物を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔または電子の濃度を制 御できるよう価電子が制御され、 かつ

前記溝または孔の内と外とにおいて異なる態様で前記価電子が制御されている ことを特徴とする、 結晶成長用固体素子。

4 . 前記固体素子は不純物が添加された半導体基板であり、 前記半導体基板にお ける前記不純物の種類および/または濃度が、 前記溝または孔の内と外とで異な つていることを特徴とする、 請求項 3の結晶成長用固体素子。

5 . 溶液中に含まれる高分子化合物の結晶を成長させる方法であって、

前記高分子化合物を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔または電子の濃度 を制御できるよう価電子が制御された固体素子を与える工程と、 前記固体素子を前記高分子化合物を含む溶液に接触させる工程とを備え、 前記固体素子は、 対向する 2つの主要面の一方の面側に形成された深さおよび /または開口部の幅が異なる 2つ以上の溝または孔と、 前記 2つの主要面の他方 の面側から前記溝または孔に前記高分子化合物を含む溶液を供給するための貫通 孔とを有し、

前記溶液と接触する前記固体素子の部分において、 前記溝または孔の外よりも 內で前記高分子化合物の結晶化が促進されるよう前記価電子が制御されており、 下向きにした前記潸または孔に前記貫通孔を介して前記高分子化合物を含む溶 液を供給することにより、 前記固体素子上において前記溶液の液滴が重力の方向 に垂れ下がった状態で前記溶液を前記溝または孔に保持させ、 かつ

前記溶液を保持する前記溝または孔において、 前記制御された価電子により前 記固体素子の表面にもたらされる電気的状態の下、 前記高分子化合物の結晶を成 長させることを特徴とする、 結晶成長方法。

6 . 前記固体素子は不純物が添加された^導体基板であり、 前記半導体基板にお ける前記不純物の種類および/または濃度が、 前記潸または孔の内と外とで異な つていることを特徴とする、 請求項 5の方法。

7 . 前記固体素子上に、 前記 2つ以上の溝または孔を取囲むように撥水層が設け られていることを特徴とする、 請求項 5または 6の方法。

8 . 前記溶液を保持する前記溝または孔における結晶の成長が、 前記溶液に含ま れる溶媒の蒸気を吸収する沈殿剤または前記溶液についての気液平衡を保持する ための緩衝溶液の存在下で行なわれる、 請求項 5〜 7のいずれか 1項の方法。

9 . 請求項 5の方法に用いられる結晶成長用固体素子であって、

対向する 2つの主要面の一方の面側に形成された深さおよび/ 'または開口部の 幅が異なる 2つ以上の溝または孔と、 前記 2つの主要面の他方の面側から前記溝 または孔に高分子化合物を含む溶液を供給するための貫通孔とを有し、

高分子化合物を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔または電子の濃度を制 御できるよう価電子が制御され、 かつ

前記溝または孔の内と外とにおいて異なる態様で前記価電子が制御されている ことを特徴とする、 結晶成長用固体素子。

1 0 . 前記固体素子は不純物が添加された半導体基板であり、 前記半導体基板に おける前記不純物の種類および/または濃度が、 前記潸または孔の內と外とで異 なっていることを特徴とする、 請求項 9の結晶成長用固体素子。

1 1 . 前記固体素子上に、 前記 2つ以上の溝または孔を取囲むように撥水層が設 けられていることを特徴とする、 請求項 9または 1 0の結晶成長用固体素子。

1 2 . 請求項 9〜1 1のいずれか 1項の固体素子と、

前記固体素子を支持するための手段と、

前記固体素子および前記手段を、 沈殿剤または緩衝溶液とともに密閉状態で収 容できる容器とを備えることを特徴とする、 結晶成長用装置。

1 3 . 溶液中に含まれる高分子化合物の結晶を成長させる方法であって、 前記高分子化合物を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔または電子の濃度 を制御できるよう価電子が制御され、 かつ深さおよび Zまたは開口部の幅が異な る 2つ以上の溝または孔を有する固体素子を複数与える工程と、

前記複数の前記固体素子の前記潸または孔が形成された面同士を向かい合わせ にし、 所定の隙間を開けて前記複数の固体素子を保持する工程と、

前記隙間に前記高分子化合物を含む溶液を保持させて、 前記溝または孔の形成 された前記複数の固体素子の表面に前記溶液を接触させる工程とを備え、 前記固体素子において、 前記溝または孔の外よりも内で前記高分子化合物の結 晶化が促進されるよう前記価電子が制御されており、

前記溶液を保持する前記溝または孔において、 前記制御された価電子により前 記固体素子の表面にもたらされる電気的状態の下、 前記高分子化合物の結晶を成 長させることを特徴とする、 結晶成長方法。

1 4 . 前記固体素子は不純物が添加された半導体基板であり、 前記半導体基板に おける前記不純物の種類およびノまたは濃度が、 前記潸または孔の内と外とで異 なっていることを特徴とする、 請求項 1 3の方法。

1 5 . 前記向かい合わせにされた前記複数の固体素子間の距離が、 連続的に减少 または増加するよう、 前記固体素子が保持されることを特徴とする、 請求項 1 3 または 1 4の方法。

1 6 . 請求項 1 3の方法に用いる結晶成長用装置であって、 高分子化合物を含む溶液の環境に応じて表面部分の正孔または電子の澳度を制 御できるよう価電子が制御され、 かつ深さおよびノまたは開口部の幅が異なる 2 つ以上の溝または孔を有する複数の固体素子と、

前記複数の固体素子を向かい合わせにし、 所定の隙間を開けて保持するための 手段とを備え、

前記溝または孔の内と外とにおいて異なる態様で価電子が制御されていること を特徴とする、 結晶成長用装置。

1 7 . 前記固体素子は不純物が添加された半導体基板であり、 前記半導体基板に おける前記不純物の種類および/または濃度が、 前記溝または孔の内と外とで異 なっていることを特徴とする、 請求項 1 6の装置。

1 8 . 前記複数の固体素子および前記保持するための手段を、 乾燥剤または緩衝 溶液とともに密閉状態で収容できる容器と、 前記容器内で前記固体素子を支持す るための手段とをさらに備えることを特徴とする、 請求項 1 6または 1 7の装置。

1 9 . 前記向かい合わせにされた前記複数の固体素子間の距離が、 連続的に减少 または増加するよう前記固体素子が保持されることを特徴とする、 請求項 1 6〜 1 8のいずれか 1項の装置。