WO2004074172A1

WO2004074172A1 - 固定化方法、固定化装置および微小構造体製造方法

Info

Publication number: WO2004074172A1
Application number: PCT/JP2004/001945
Authority: WO
Inventors: Akihiko Tanioka; Yutaka Yamagata; Kozo Inoue
Original assignee: Riken; Fuence Co., Ltd.
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2004-09-02
Also published as: CA2516422A1; US20070157880A1; EP1595845A1; JPWO2004074172A1

Abstract

　少なくとも１つの目的物質を含む溶液をキャピラリーに供給し、前記溶液に電圧を印加して静電噴霧するエレクトロスプレイステップと、前記エレクトロスプレイステップで噴霧された溶液中の目的物質の機能性および／または活性を保持したままほぼ乾燥した状態、かつ、ナノメートルオーダーの厚さで任意の形状の被塗物に静電気力で固定化する固定化ステップとを含む固定化方法、装置、及び微小構造体製造方法を提供する。

Description

固定化方法、固定化装置および微小構造体製造方法技術分野

明

本発明は、エレクトロスプレイ手段を用いて、目的物質をその機能性および Z または活性を保持したまま固定化する固定化装置および方法に関するものであり、特に、平坦な基板のみならず、微粒子、球状物質、フィルムなどの任意の形状の書

物体にナノメーターオーダーで目的物質を固定化する固定化装置、方法、およびナノメートルオーダーの微小構造体の製造方法に関するものである。

背景技術

従来、種々の物質を固定化する技術として様々な薄膜製造技法が開発されてきた。例えば、従来技法のスピンコーティング法は、回転する基板に上から溶液を滴下して、遠心力により溶液を伸展させ、揮発^分を蒸発させることより、均一な有機物あるいは無機物の薄膜を形成するものである。

また、従来技法のディップコーティング法は、目的物質を含むコーティング液に基板を浸して、その後、基板を上方に引き上げ基板に付着している液膜を乾燥させて薄膜を形成するものである。

上述したスピンコーティング法およびディップコ一ティング法は、乾燥時に加熱が必要であり、この乾燥過程の加熱で目的物質の機能性や活性が損なわれる場合が多い。また、生体高分子などの場合は、自然乾燥では乾燥に時間がかかり即座に活性を失ってしまうものも多い。また、溶媒に揮発性物質を用いれば加熱が原則的に不要になり、乾燥は速くなる場合もある力様々な目的物質の機能性や活性を損なわず、つ、十分な揮発性を持つような性質の溶媒はほとんどなく、特に生体高分子に使用可能でこのような性質を持つ溶媒は存在しないものと考えられる。従って、これらの従来技法では、様々な目的物質の諸機能や活性を保持したまま固定化することはできない。さらに、これらの従来技法は、薄膜を形成させる部材としては、平坦な基板を使用することを前提としており、その他の形状の被塗物の表面に薄膜を形成させる目的には適さない。

スポッティング、コーティング装置は、万年筆の針先のように微小なギャップによりその隙間に液体を保持できる金属製のチップあるいはコータにより液体を基板上に塗布し、その後乾燥して薄膜を形成する装置である。この装置も、同様の理由、即ち乾燥時間が長くかかるため、活性を損ない易い生体高分子などの薄膜形成は困難である。

インクジエツト法は、目的の機能性高分子などを溶かした溶媒を小さな液滴としてノズルより噴射し、これを基板に付着させて乾燥させることにより薄膜を形成する方法である。しかしながら、この方法も、前記と同様の理由、即ち乾燥時間が長くかかるため、活性を保持したままで機能性高分子等を固定ィヒして薄膜を形成するのは困難である。

或いは、高分子などの薄膜を形成する従来方法としては蒸着法（熱蒸着、レーザ蒸着、イオン化蒸着、電子ビームなど）があるが、この従来法は、加熱などの方法で目的高分子を蒸発させて基板上に堆積させるものである。

この蒸着法は、加熱などの方法で目的高分子を蒸発させて基板上に堆積させるものであるため、目的物質が熱分解する恐れがあり、特に反応†生が高い高分子や生物学的活¾^を持つ生体高分子などは、蒸発過程においてその諸機能や生物学的活性が破壌されてしまう場合がほとんどである。従って、従来の蒸着法は、加熱などに強いごく僅かな種類の高分子、例えば PPS、 PE、 PVDFなどのェンジ- ァリングプラスチックしか目的物質として利用できない。従って、この従来技法では、様々な目的物質の諸機能や活性を保持したまま固定化することはできない。或いは、高分子などの薄膜を形成する従来方法としてはスパッタリング法があるが、この従来法は、目的物質（ターゲット）に加速されたイオン粒子を衝突させ、その衝突による運動エネルギーによってターゲット分子を弾き出し、基板上に付着させて成膜する方法である。このスパッタリング法では、イオン粒子の衝突によってターゲット分子が弾き出されるときに、例えば目的物質（高分子）の主鎖が切断されラジカルが生成されたり、当該ラジカルが再重合したりするなど目的物質の性質に大きな変化を及ぼす場合が多い。また同様に、ターゲット分子が弾き出されるときに、目的物質の諸機能や生物学的活性が破壊されてしまう恐れもある。さらに、この方法では、高真空下でのプラズマあるいは高熱に曝されるため、目的物質の諸機能や生物学的活性が破壌されてしまうことが多い。従って、この従来技法では、様々な目的物質の機能や活性を保持したまま固定化することはできない。

或いは、ブレード、引き上げ、加圧スプレイなど従来技術も存在するが、これらの方法は、成膜時に加熱などを必要とする、或いは、均一な薄膜を形成できない、さらにはナノメートルオーダーの薄膜形成ができないなどの問題がある。さらに、従来技術として CVD法（化学蒸着）があるが、これは、気相中（および堆積後).で何らかの化学反応をさせて目的物質を得る方法であるため、目的物質を化学変化させずにそのまま固定ィヒするような用途には使用できない。

生体高分子（たんぱく質など）或いは機能性高分子を堆積'固定化し、かつ、その生物学的活性や機能性を保っためには、これらの物質が変性■変質を受けにくい条件で固定化して薄膜などを形成させる必要があるが、上述したように従来の方法や装置では困難であった。物質が変性 ·変質を受けにくい条件の 1つは、生体高分子などを含んだ溶液を極めて高速に乾燥させることであるが、通常液体の蒸発速度は常温では限られており基板上への塗布等によって塗り広げられた液体が乾燥する速度は真空中といえども限界がある。乾燥速度を速める 3の方法は、目的の物質を含んだ溶液を加熱することであるが、ほとんどの生体高分子、機能性高分子は加熱により変性 ·変質してしまい、生物学的活性や機能性を損なうという問題がある。

その他に、生体高分子等を変性させることなく固体ィヒする手法としては、凍結乾燥法があるが、この手法によると凍結を行った状態で薄膜の形状を維持することは困難であり、通常は粉体となってしまうという問題がある。そこで、生体高分子をその機能や活性を保持したまた固定化する技術としてェレクトロスプレイデポジション法（ESD法）が開発されている（例えば、文献 1 ：国際公開第 98/58745 号パンフレット（6— 7ページ、図 1 )、文献 2 ：特開 2001-281252号公報（段落 0008—0010、図 2 )、及び、文献 3 ：アナリティカル 'ケミストリ Vol.71 (1999年、 pl415〜； 1420及ぴ p3110~3117;モロゾフ他）を参照されたい。）。この ESD法は、生体高分子などを含むサンプル溶液に高電圧を印加して静電噴霧（エレクトロスプレイ）を行い、静電嘖霧された生体高分子をその機能や活性を保持したまたアースされた基板上に堆積させるというものである。

さらに、従来の ESD？去とは異なり、キヤビラリ一を使用せずに表面弾性波振動子上に試料溶液を供給し、その溶液を帯電させて素子表面上から霧ィヒし、それを静電気力で基板に固定化する装置や方法（例えば、文献 4 ：特願 2001- 339593号明細書（段落 0030、図 1) を参照されたい。）が開発されている。上述した ESD法および固定ィヒ方法を実現する従来装置は幾つか開発されているが、これら従来装置の基板（被塗物）としては、少なくとも微弱な導電性を持つ金属やガラス製の平板を使用する。例えば、上述した文献 1 (PCT国際公開第 98/58745号パンフレツト）、文献 2 (特開 2001-281252号公報）、或いは文献 3 (アナリティカル ·ケミストリ Vol.71) には、エレクトロスプレイ（静電噴霧）により核酸や蛋白質等の生体高分子の生物活性を保持したまま基板上にフイルム状やスポット状に固化する方法■装置が開示されている。この ESD法は、少量の目的物質からでも薄膜を形成できるというメリットがある。この従来の ESD法では、平坦な基板上の生体高分子を固定化してその機能や活性を保持した数ミクロンの厚さの生体高分子「薄膜」を作製することを主たる目的としていた。或いは、従来の ESD法は、エレクトロスプレイのキヤビラリ一とターゲットとなる基板と間にマスク手段を介在させ、アレイ状に生体高分子のスポット、即ち、「マイクロアレイ（DNAチップ)」を平坦な基板上に作製することを目的としていた。しかしながら、このような従来のエレクトロスプレイ装置から作製される、生体高分子を固定化した薄膜や DNAチップではその用途が限られている。そこで、様々な目的物質を様々な形状で固定化する方法や装置、或いは、様々な形状の被塗物に様々な目的物質を乾燥した状態でナノメ一トルオーダーの所望の厚さで固定化する方法や装置の開発が望まれてレ、た。

発明の開示

従って、本発明の目的は、上述した問題を解決し、目的物質をその機能性および/または活性を保持したまま、ナノメートルオーダーの厚さで任意の形状の被塗物に乾燥した状態で固定ィ匕する固定化方法および装置を提供する。なお、ここで「固定化」とは、溶媒に分散および/または溶解した目的物質から、安定的な状態で、即ちその生物学的或いは機能的な活性を保持したまま、ほぼ乾燥状態で被塗物上に、例えば、薄膜、不織布状膜、または 3次元微小構造体などを形成させることを意味する。

即ち、本発明の実施態様による固定化方法は、

少なくとも 1つの目的物質を含む溶液をキヤビラリ一に供給し、前記溶液に電圧を印加して静電噴霧するエレクトロスプレイステップと、

前記エレクトロスプレイステップで噴霧された溶液中の目的物質をその機能性および/または活性を保持したまま乾燥した状態で任意の形状の被塗物に静電気力で固定化して、ナノメートルオーダーの厚さの乾燥した微小構造体を形成する固定化ステップと、

を含むことを特徴とする。

本発明によれば、溶液中に分散、或いは溶解している様々な目的物質をその機能性および Zまたは活性を保持したままほぼ乾燥した状態で任意の形状の被塗物に静電気力で固定化して、ナノメートルオーダーの厚さの乾燥した微小構造体を形成することが可能となる。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記エレクトロスプレイステップの前に、前記溶液に含まれる目的物質の平均粒径を調整するステップをも含む、

ことを特徴とする。

例えば、前記溶液を遠心分離器にかけて目的物質の平均粒径を調整する、または、前記溶液をフィルタ（例えば、ナノフィルタなど）に通して目的物質の平均粒径を調整するなどによって、粗い粒子を除去し、平均粒径を小さくすることによって、ナノメートルオーダーの薄膜を形成させやすくなる。さらに、粗い粒子の除去、および不純物（ゴミ）の除去、また平均粒径の減少はキヤピラリーのノズルの詰まりを無くし、さらに、より細いノズル口径のキヤピラリーを使用可能にし、より薄く微細な構造を持つ薄膜などを形成することを可能にする。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記エレクトロスプレイステップの前に、前記溶液は、所定の平均分子量の目的物質（溶質）を溶解または分散させて調製される、

ことを特徴とする。

本発明によれば、目的物質の性質、または、所望の前記ナノメートルオーダーの厚さに応じて、使用する目的物質の平均分子量を調製することによって、所望の膜厚、および、所望の微小構造を持つ構造体を形成することができる。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記エレクトロスプレイステップは、

静電嘖霧時間と前記微小構造体の厚さとの関係を示す検量線を前記溶液の種類別に予め設定し、使用する前記溶液の種類に合う前記検量線を使用して、所望の膜厚に応じて前記静電噴霧の時間を設定するステップをも含む、

ことを特徴とする。

さらに詳細に、前記溶液の濃度と前記微小構造体の厚さとの関係を示す検量線、前記溶液に含まれる前記目的物質の平均分子量と前記微小構造体の厚さとの関係を示す検量線、および、前記溶液に含まれる目的物質の平均粒径と前記微小構造体の厚さとの関係を示す検量線のうちの少なくとも 1つを前記溶液の種類別に予め設定し、使用する前記溶液の種類に合う前記検量線を使用して、所望の膜厚に応じて前記静電嘖霧の時間を設定するステップとすることも好適である。

或いは、前記エレクトロスプレイステップは、

前記溶液の濃度と前記繊維状微小構造体を構成する锥の直径との関係を示す検量線を前記溶液の種類別に予め設定し、使用する前記溶液の種類に合う前記検量線を使用して、前記進維の所望の直径に応じて、前記溶液の濃度を設定するステップとすることも好適である。即ち、前記繊維状微小構造体を構成する紘锥の所望の直径に応じて前記溶液の濃度を設定することが好適である。

これらの本発明によれば、一旦、各種の検量線さえ作製すれば、簡易かつ簡便に再現性良く所望の膜厚および所望の微小構造を持つ薄膜（ 3次元微小構造体)、或いは、所望の直径の »锥からなら薄膜（3次元微小構造体）を作製することが可能になる。例えば、これら種々の検量線データを記憶装置に格納しておき、溶液情報（目的物質名、溶液濃度、所望の微小構造体の厚さ、所望の直径など）に応じて、適合する検量線データを参照することによって、スプレー時間や溶液濃度などを決定する。このようにして、スプレー時間や溶液濃度などを自動的に調整することによって、所望の膜厚や所望の直径の目的物質を固定化することが可能となる。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記被塗物は、少なくとも微弱な導電性を持つ基板、フィルム、多角柱状部材、円柱状部材、微粒子、球状物質、または多孔質体、のうちいずれか 1つである、ことを特徴とする。

本発明によれば、様々な形状の被塗物に目的物質を固定化することが可能となる。このように多種多様な被塗物に目的物質を固定化できれば、様々な用途に固定化した目的物質を利用することが可能になる。例えば、微粒子、球状物質、または多孔質体の表面上にある薬効を持つ生体高分子などをその機能性および/または活性を保持したまま固定化できれば、この生体高分子などを被覆した微粒子などを薬剤として利用した DDS (ドラッグデリバリシステム）に応用することが期待される。また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記被塗物は絶縁性であり、

前記固定化方法は、さらに、

ィオン発生器を使用して発生させたィオン風を前記被塗物上の敷小構造体へ供給して除電するステップを含むことを特徴とする。

被塗物が絶縁性である場合は、固定化された微小構造体が持つ電荷が保持されたままとなり、新たにスプレーされた目的物質が静電的に反発し継続的に固定化させることが困難となる力本発明によれば、イオン風によって被塗物上の帯電した微小構造体の帯電を除去することができるようになり、絶縁性の物質の被塗物にも安定的に目的物質の固定化が可能となる。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記エレクトロスプレイステップは、繊維を形成するのに適した物質を前記目的物質として使用し、この目的物質を静電噴霧して繊維状微小構造体を形成させ、前記固定化するステップは、前記繊維状微小構造体を前記被塗物に固定化する、ことを特 ί敷とする。

好適には、前記繊維を形成するのに適した物質を線状高分子とする。

本発明によれば、ナノメートルオーダーの直径の繊維状微細構造体からなる、ナノメートルオーダーの膜厚の 3次元メッシュ構造体（多孔質体）ゃ不織布状構造体を形成することができる。このようなメッシュ構造体ゃ不織布状構造体は、表面積が非常に大きく多孔質の連通構造であるため、触媒、センサーチップ、再生医療用培地、バイオフィルター、発色ファブリックなど様々な用途へ利用することが可能である。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記被塗物は多角柱状部材または円柱状部材であり、この被塗物を回転させることにより前記¾锥状微小構造体を前記被塗物表面上に卷き取るステップをも含むことを特徴とする。

本発明によれば、広い面積に、および、部材のほぼ全体に効率良くかつ均一な膜厚でメッシュ構造体ゃ不織布状構造体を作製することができる。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記エレクトロスプレイステップは、

前記キヤピラリーを走査するステップ、または、前記キヤビラリ一の角度を任意に変化させてスプレイ方向を変ィ匕させるステップ、前記被塗物を走査するステツプのうち少なくとも 1つのステップをも含むことを特徴とする。本発明によれば、キヤビラリ一または被塗物の走査やキヤビラリ一の角度の変化（即ちキヤビラリ一或いはキヤピラリーを支持する部材の首振り）によって、より均一に溶液を静電噴霧して、より広い面積の被塗物に均一に目的物質を堆積させることができる。また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記エレクトロスプレイステップは、前記キヤピラリーを振動させるステップをも含むことを特徴とする。本発明によれば、振動によって静電噴霧が促進され短時間で所望の膜厚の薄膜を得ることができる。また、目的物質が維維を形成するのに適している場合は、この振動によって、繊維状構造体が延伸され、より細長い «/锥状構造体を形成することが可能となる。換言すれば、本発明によれば、条锥を形成するのに適した物質をスプレイし集めて卷き取ることによりナノサイズの直径を持つステープ/レフアイバー（一本の長繊維）または短繊維によりをかけることによりできあがるナノメートルサイズのit維直径を有する紡績糸を作ることができる。即ち、本発明は、ナノメートルサイズの繊維直径を有する »锥の紡績方法として利用可能である。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記ェレクトロスプレイステツプの前記静電嘖霧は、 1 0 0 μ m以上の先端部内径を持つキヤビラリ一を使用して実行される、

ことを特徴とする。本発明によれば、例えば高粘度ポリマー等をスプレーする際に、スプレー速度の増大、キヤビラリ一のつまりを防止することが可能となる。また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記エレクトロスプレイステップは、静電噴霧状態とガス放電状態（即ち静電噴霧が停止している状態）とを区別するために、前記溶液に印加される電圧に微小な幅の周期的変動を与えながら前記静電噴霧を行い、その際の前記溶液の電流値の変化量を電流計を使用してモニターするステップを含む、

ことを特徴とする。本発明によれば、ガス放電の場合即ち静電噴霧が停止している状態では、電圧の変化による電流の変化率が大きく、一方スプレー状態では変化が少なくなるため、スプレー状態とガス放電状態との区別を行うことができる。即ち、エレクトロスプレーが円滑に進行しているか否かを正確に把握できるようになるため、より正確にスプレー量を把握できるようになる。従って、微小構造体の膜厚をより正確に制御することが可能となる。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記ェレクトロスプレイステップは、前記溶液を前記キヤビラリに供給するときに、前記溶液の圧力を調整するステップ、前記溶液の流量（体積）を調整するステップ、或いは、前記溶液の圧力と流量との間に一定の関係式が成り立つよう調整するステップのうちのいずれかを含む、 . ことを特徴とする。例えば、一定の関係式が成り立つように制御する場合には圧力 Pについて以下の式が成り立つようにように制御する。

P=b(Vc-V) + c

(ここで、 b、 c ：定数、 V：実際に吐出された体積、体積指令値： V c =at 、 a：定数、 t ：時間）

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記エレクトロスプレイステップは、前記溶液に電圧を印加するときに、前記電圧を一定に調整するステップ、前記溶液を流れる電流が一定になるように前記電圧を調整するステップ、或いは、前記電圧と前記電流との間に一定の関係が成り立つように前記電圧を調整（即ちインピーダンス制御）するステップ、のうちのいずれかを含む、

ことを特 ί敷とする。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、前記キヤビラリ一の材質は、金属、ガラス、シリコン、または合成高分子材料のいずれかである、

ことを特 ί敷とする。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記エレクトロスプレイステップは、前記キヤビラリ一が複数設けられている場合には、前記キヤビラリ一の各々に含まれる前記溶液に供給される各々の電圧または電流を最適値に調節するステツプをも含む、

ことを特徴とする。本宪明によれば、複数のキヤビラリ一に収容される各溶液に供給される電圧を個別に制御することができるため、全てのキヤビラリ一で安定的に静電噴霧を行うことが可能となる。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記キヤビラリ'一が複数設けられており、

前記エレクトロスプレイステップは、前記溶液を前記複数のキヤピラリーに供給するため、入力管 1本に対して前記キヤビラリと同数の出力管を持つコネクタ

—であって、前記出力管の各々はその長軸（溶液の流れる方向）が前記入力管の長軸（溶液の流れる方向）に対して全て同じ角度をなし、さらに、前記出力管の各々の長軸は、隣接する出力管の長軸となす角度が全て同じになるように配置されたコネクターを使用して前記溶液を分岐させるステップを含む（なお各出力管の内径は同一である）、ことを特徴とする。本発明によれば、マルチキヤビラリ一による ESD法の際に、配管の分岐による流速即ち流量の不均一を避けることができるようになり、各キヤビラリ一に均一に溶液を流すことことでき、より均一な微小構造体を作成することができる。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記キヤビラリ一が複数設けられ、前記キヤビラリ一は各々にバルブが設けられている複数の配管が接続されており、

前記エレクトロスプレイステップは、前記バルブを個別に開閉することにより、前記キヤピラリーのうちの少なくとも 1つのみに溶液の加圧力を集中させ、脱泡、及び/または通液を容易に行えるようにするステップを含む、

ことを特徴とする。 ' また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記溶液および Zまたは静電噴霧された前記目的物質が接触する部分は前記溶液および Zまたは前記目的物質に耐性を有する、

ことを特数とする。

本発明によれば、腐食性を持つ溶媒や溶質などから目的物質を固定ィ匕することが可能である。 '

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

コリメータ電極、ィオン流供給手段、または加圧空気供給手段の少なくとも 1 つを用いて、前記エレクトロスプレイステップで静電嘖霧された前記目的物質を収束させるステップをも含む、

ことを特 ί数とする。

本発明によれば、ターゲットの被塗物への向かって飛ぶ目的物質を効率良く収束させることができる。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

少なくとも静電噴霧および固定化が行なわれる空間をケースで囲み、このケース内に不活性ガス、および /または、清浄な乾燥空気を供給するステップをも含む、

ことを特徴とする。

本発明によれば、不活性ガスが目的物質の活性や機能性が損なわれるのを防止し、清浄な乾燥空気が溶媒の急速な蒸発を促して、目的物質をほぼ乾燥した状態で被塗物へ固定することができ、結果的に目的物質の活性や機能性が損なわれるのを防止することができる。

また、本発明のさらなる実施態様による固定化方法は、

前記ケース内を減圧化、或いは、真空化するステップをも含む、

ことを特徴とする。本発明によれば、減圧によって静電噴霧された目的物質の液滴の移動度が高まり、静電噴霧が効率良く実施できる。

本発明を上述したように方法の形態で説明してきたが、本発明は、これら方法に相当する装置、製造方法の実施態様としても実現可能である。

例えば、本発明による固定化装置は、

少なくとも 1つの目的物質を含む溶液をキヤビラリ一に供給し、前記溶液に電圧を印加して静電噴霧するエレクトロスプレイ手段と、

前記エレクトロスプレイ手段で噴霧された溶液中の目的物質がその機能性および/または活性を保持したままほぼ乾燥した状態で静電気力で固定ィ匕される任意の形状の被塗物を支持する支持手段と、

前記キヤビラリ一を走査する手段、前記キヤビラリ一の角度任意に変化させてスプレイ方向を変化させる手段、または前記被塗物を走査する手段のうちの少なくとも 1つの手段と、

を具えることを特徴とする。

本固定化装置は、前記被塗物を多角柱状部材または円柱状部材とし、この被塗物を回転させることにより前記維状微小構造体を前記被塗物表面上に巻き取る手段を具えることもできる。

前記エレクトロスプレイ手段は、前記溶液に印加される電圧に微小な幅の周期的変動を与えながら前記静電噴霧を行い、

また、本発明のある実施態様による固定化装置は、

前記固定化装置は、前記溶液の電流値の変化量をモニターする電流測定手段をも具える、

ことを特 ί敷とする。

さらに、例えば、本発明によるナノメートルオーダーの厚さの微小構造体を製造する方法は、

繊維を形成するのに適した少なくとも 1つの目的物質を含む溶液をキヤビラリ一に供給し、前記溶液に電圧を印加して静電嘖霧するエレクトロスプレイステツプと、前記ェレクトロスプレイステツプで噴霧された溶液中の目的物質の機能性および/または活性を保持したままほぼ乾燥した状態で任意の形状の被塗物に静電気力で固定化して、ナノメートルオーダーの厚さの β状の微小構造体を形成する固定化ステップと、

を具えることを特徴とする。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明による固定化方法で使用するシングルキヤビラリ一の固定化装置の基本的な構成を示す構成図；

図 2は、本発明による固定化方法で使用するシングルキヤビラリ一の固定化装置の変形例を示す構成図；

図 3は、本発明による固定化方法で使用するシングルキヤビラリ一の固定化装置のさらなる変形例を示す構成図；

図 4 Αは、本発明による固定化方法で使用されるマルチノズルタイブのキヤピラリ一を示す概観図であり、図 4Bはマルチノズルタイプのキヤビラリ一の断面図；

図 5は、マルチプルキヤビラリ一に設けた電極への印加電圧を生成する電子回路の構成図；

図 6は、本発明による固定化装置を使用して球状の微粒子（被塗物）表面に目的物質を固定化する様子を示す模式図；

図 7は、本発明による固定化方法で使用するシングルキヤビラリ一の固定化装置のさらなる変形例を示す構成図；

図 8は、図 7に示した固定化装置の変形例を示す構成図；

図 9は、本発明による固定ィヒ方法で基板上に作製したポリエチレングリコール (PEG) の薄膜を高分解能の原子間力顕微鏡 (AFM) で測定した AFM像；図 1 0は、本発明による固定ィ匕方法で基板上に作製したインべノレターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍）；

図 1 1は、本発明による固定化方法で基板上に作製したインベルターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍）；

図 1 2は、本発明による固定化方法で基板上に作製したィンベルターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率 : 1万倍）；

図 1 3は、本発明による固定化方法で基板上に作製したインベルターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍）；

図 1 4は、本発明による固定化方法で基板上に作製したィンベルターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍）；

図 1 5は、本発明による固定化方法で基板上に作製したインベルターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍）；

図 1 6は、本発明による固定化方法で基板上に作製したインベルターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍）；

図 1 7は、本発明による固定化方法で基板上に作製したインベルターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍）；

図 1 8は、本発明による固定化方法で基板上に作製したインベルターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 4万倍）；

図 1 9は、本発明による固定化方法で基板上に作製したラタトアルブミン ( α -Lactalburain) の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 4万倍）；

図 2 0は、本発明による固定ィヒ方法で基板上に作製したポリアタリル酸（PM、平均分子量 25万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 4万倍；

図 2 1は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレンダリコール（PEG、平均分子量 50万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 4万倍）；

図 2 2は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレンダリコール（PEG、平均分子量 4千〜 5 0万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率： 1万倍）；図 2 3は、本発明による固定ィ匕方法で基板上に作製したポリエチレンダリコール（PEG、平均分子量 4千〜 5 0万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率： 1万倍）である。

図 2 4は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレングリコール（PEG、平均分子量 4千〜 5 0万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍）；図 2 5は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリアクリル酸（PM、平均分子量 4千〜 25万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率： 1万倍）；

図 2 6は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリアクリル酸（PM、平均分子量 4千〜 25万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍〉；

図 2 7は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリアクリル酸（MA、平均分子量 4千〜 25万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率： 1万倍）；

図 2 8は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレングリコール（PEG、平均分子量 50万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率： 1万倍）；

図 2 9は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレングリコ一ル（PEG、平均分子量 50万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率： 1万倍）；

図 3 0は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレングリコ一ル（PEG、平均分子量 50万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率： 1万倍）；

図 3 1は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリアクリル酸 (PAA、平均分子量 25万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率： 4万倍）；図 3 2は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレングリコール（PEG、平均分子量 50万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 4万倍）；図 3 3は、本発明による固定ィ匕方法で基板上に作製したポリエチレングリコ一ル（PEG) の薄膜の電子顕微鏡写真；

図 3 4は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレングリコール（PEG) の薄膜の電子顕微鏡写真；

図 3 5は、本発明による固定ィ匕方法で基板上に作製したポリエチレングリコール（PEG) の薄膜の電子顕微鏡写真；

図 3 6は、溶液濃度と固定化された繊維（目的物質）の直径との関係を示す検量線のグラフ；

図 3 7 Aは、本発明によるマルチキヤビラリ一の固定化装置で使用されるコネクタ一の斜視図であり、図 3 7 Bは、図 3 7 Aに示したコネクタ一を X-Y線で切って示した断面図；

図 3 8 Aは、エレクトロスプレイ時の溶液の電流と電圧との関係を示すグラフであり、図 3 8 Bは、溶液に印加する電圧を所定の周期で変動させたときの電圧の時間経過を示すグラフであり、図 3 8 Cは、図 3 8 Bのように電圧を変動させたときに溶液を流れる電流の時間経過を示すグラフ；

図 3 9 Aは、本発明による固定化装置で使用する基板の変形例を示す構成図；図 3 9 Bは、さらなる基板の変形例を示す構成図；

図 4 0は、本発明による固定化装置で使用するキヤビラリ一の変形例を示す構成図である。

発明を実施するための最良の形態

図 1は、本発明による固定化方法で使用するシングルキヤビラリ一の固定化装置の基本的な構成を示す構成図である。図に示すように、本固定化装置 1 0 0は、キヤピラリー 1 0 2、ガードリング 1 0 4、シーノレド 1 0 6、乾燥空気流入口 1 0 8、ケース 1 1 0、導電性サブストレート（被塗物） 1 2 0、および XYステージ 1 3 0を具える。キヤピラリー 1 0 2は電極（図示しない）を具えており、この電極を使用してキヤピラリー 1 0 2内に供給された目的物質を含む溶液に所定の高電圧を印加する。溶液が、微小な液滴となってキヤピラリー 1 0 2先端部から導電性サブストレート 1 2 0へ向かって静電噴霧される。ガードリング 1 0 4にはコリーメーティング電圧が供給され、これによつて静電噴霧された微小液滴が効率良く中央付近に集められ、微小液滴は飛行中に乾燥されながら、アースされた導電性サブストレート 1 2 0へ向かう。そして、微小液滴は、目的物質の機能性および/または活性を保持してほぼ乾燥した状態、かつ、ナノメートルォーダ一の厚さで導電性サブストレート 1 2 0表面に固定化される。乾燥空気流入口 1 0 8から清浄な乾燥空気をケース 1 1 0に供給して、目的物質を急速に乾燥させる。 Y ステージによって導電性サブストレート 1 2 0を任意に走査（移動）して、目的物質を均一な厚さで固定化し、さらには広い面積の基板上に目的物質を均一に固定化することができる。図示はしていないが、キヤビラリーと基板との間にマスクを設けることも可能である。また、被塗物となる基板に絶縁性物質を使用する場合は、基板をアース (即ち除電）することができない。そこで、本固定化装置に、イオン発生器（図示せず）設け、これによつて発生させたイオン風を絶縁性の前記被塗物上の微小構造体へ吹き付けて除電することが好適である。静電嘖霧を行う際には、帯電したパーテイクノレあるいはナノファイバー (目的物質）が静電気力により基板に吸引されて付着する必要がある。このため堆積物が持つ電荷を逃がす電気伝導性が無い物体へ静電嘖霧を行うと、基板が帯電し、新たにスプレイされたナノフアイバー等を反発するため継続的に堆積させることは困難である。これを解決するためには、基板の帯電を何らかの方法で取り除く必要がある。ひとつの方法は、コ口ナ放電等を用いるイオン発生器により発生したィオン風を利用して除電を行う方法が可能である。これは、コロナ放電などの大気中でのガス放電現象等に伴い発生する正負双方のイオンを基板付近に送ることで帯電と反対の電荷をもつィォンのみが基板に付着し電荷を中和する。これにより継続的に静電噴霧を行うことが可能となる。また、放電部位近傍に中和電極等を設けて、正あるいは負のィォンのみを風として送ることにより積極的に除電することができる。さらに、このような正あるいは負のいずれか一方のイオンを利用して静電噴霧されたナノファィバーと反対の電位に帯電させることにより積極的に捕集効率を高めることも可能である。イオン風を送る方法は、 ESD と同時に送る方法と、 ESDによるスプレイとイオン風を交互に送る方法の 2通りが考えられる。後者の場合、微細なパ一ティクルである静電嘖霧された目的物質が風に影響されにくくなるためより安定してスプレイが可能になると考えられる。

図示していないが、キャプラリ 1 0 2は、チューブ及びポンプを経由して試料溶液ビンに接続されていおり、ビンの容量は、 l m l〜1 0 0 0 0 m lとすることが好適である。また、試料溶液ビンは、多数（例えば、 1個〜数十個）用意しておき、ビンを切り替えることで所望の溶液をキヤビラり一に供給することもできる。この場合、各ビンには異なった種類の溶液を封入することが可能である。また、大面積をエレクトロスプレーする場合には、キヤビラリ 1 0 2を 1軸あるいは 2軸以上で移動させるスキャン装置（図示せず）を設けることもできる。この場合は、大面積の被塗物に均一にスプレーすることが可能となる。

図 2は、本発明による固定化方法で使用するシングルキヤビラリ一の固定化装置の変形例を示す構成図である。図に示すように、本固定化装置 2 0 0は、キヤピラリー 2 0 2、加速 ·収束電極 2 0 4 a , 2 0 4 b， 2 0 4 c、導電性■多孔質コリメータ 2 0 5、導電性円柱（被塗物） 2 2 0を具える。静電噴霧された目的物質を含む液滴は、加速■収束電極 2 0 4 a， 2 0 4 b , 2 0 4 cによって加速或いは収束させられる。その後、アースされた導電性円柱 2 2 0によって形成される電界に引かれて導電性円柱 2 2 0へと移動する。コリメータ 2 0 5は接地電圧よりも僅かに高い電圧が印加されていて、静電嘖霧された液滴（目的物質）を電気的に吸引することができるが、その表面には加圧空気の流れがあり、目的物質はコリメータ表面には着地せずに収束される。即ち、このコリメータ 2 0 5 は、図に示すように連通孔がぁり、その連通孔を通じて外側から内側に加圧空気が供給されているため、目的物質はコリメータ表面には着地せずに中央に収束される。

そして、最終的に目的物質は接地されている導電性円柱 2 2 0へ到達し固定化される。この導電性円柱 2 2 0は適切な速度で回転しており、収束された目的物質が、機能や活性を保持したまたほぼ乾燥した状態で均一にその表面に固定化される。

また、本固定化装置 2 0 0は、電流計 2 3 0、電圧計 2 4 0、及び電圧制御装置 2 5 0を具える（これら関しては、図 3 8を参照して後で詳細に述べる）。さらに、目的物質として繊維を形成するのに適した物質（例えば線状高分子など）を使用すれば、本固定化装置は目的物質をその活性や機能性を保持したままナノファイバーの繊維として卷き取る装置として使用することができる。

図 3は、本発明による固定ィ匕方法で使用するシングルキヤビラリ一の固定化装置のさらなる変形例を示す構成図である。図に示すように、本固定化装置 3 0 0 は、キヤピラリー 3 0 2、圧電ァクチユエータ 3 0 3、コリメータ電極 3 0 5、およびサブストレート 3 2 0を具える。静電嘖霧中、ノズレとなるキヤビラリ一 3 0 2は、加振手段としての圧電ァクチユエータ 3 0 3に接続され、これによつてキヤビラリ一は水平方向に加振される。図中に拡大して示したように、キヤピラリー先端部に形成されたティラーコーン（TaylorCone) 力ら飛び出す目的物質が、この振動によって引き伸ばされる。即ち、この振動によって、目的物質を繊維状に引き伸ばして静電噴霧することができ、結果的により細い直径の繊維状物質として目的物質を固定化することが可能となる。さらには、より薄い莫厚の不織布状薄膜を形成することが可能となる。即ち、目的物質を条翁锥状に引き伸ばすことによって、目的物質をナノメートルオーダーの厚さで、または、その薄 J!莫を形成する am状物質をナノメ一トルオーダーの直径で固定化することが可能となる。

図 4 Aは、本発明による固定化方法で使用されるマルチノズルタイブのキヤピラリーを示す概観図であり、図 4Bは、マルチノズルタイプのキヤピラリーの断面図である。このようなマルチノズルを使用すると、静電嘖霧の効率を向上させることができる。図に示すように、マルチノズルとはおよそ 1 0 0 z m以下の直径のキヤピラリーを多数個ひとつの基板上に形成したもので、シリコンマイク口マシユング技術、厚膜フォトレジスト技術、あるいは超精密機械加工法などによつて形成が可能である。これらのノズルすべてにサンプル溶液を供給し高電圧をかけることで同時に静電霧を行い、大量の微小液滴を噴霧して効率良く目的物質を固定化することが可能となる。

図 5は、マルチプルキヤビラリ一に設けた電極への印加電圧を生成する電子回路の構成図である。マルチプルキヤビラリ一は、ノズルに設けた電極すベてを導通させ、同電位とする方法もあるが、キヤビラリ一のわずかな大きさの違いにより電界集中の強度が変化する可能性もあり、すべてのノズルから同時に安定的にスプレイを行うことは難しい可能性がある。そのため、各ノズルを個別に絶縁し、それぞれに電流制御回路（定電流回路）を取り付けることによりすべてのノズノレで一定量の電流によりスプレイが安定的に行われるようにすることができる。この場合、印加電圧供給線に、図のようにキャパシタを介して高周波電源を接続することで間欠的に電圧を供給して間欠スプレイを発生させ、多数個のノズルで安定的にスプレイを維持することも可能である。これにより、大量の微小液滴を静電嘖霧して、目的物質を高速かつ安定的に固定化することが可能になる。

図 6は、本発明による固定ィ匕装置を使用して球状の微粒子（被塗物）表面に目的物質を固定化する様子を示す模式図である。図に示すように、静電噴霧された目的物質 6 0 0は、支持体 6 1 0で支持された微粒子 6 2 0の表面に固定化され、ナノメートルオーダーの厚さの被覆 6 3 0が形成される。

図 7は、本発明による固定化方法で使用するシングルキヤビラリ一の固定化装置のさらなる変形例を示す構成図である。図に示すように、固定化装置 7 0 0では、ダラゥンドされた導電性電極 7 1 0上に非導電性基板 7 2 0が置かれる。この導電性電極 7 1 0は、スプレーに必要な高電界を発生させるために必要である。非導電性基板 7 2 0 (サブストレート）の側方あるいは上方よりイオン風を吹き付け、 ESDによるチャージアップを解消する（除電)、あるいは事前に逆方向の電荷に帯電させる。

図に示すように、イオン発生器 7 4 0は、チャージワイヤ 7 4 2 (およそ 1 0 0 /i m以下の細いワイヤー）や先端のとがった電極からコロナ放電等によりィォンを発生させこれを送風機 7 4 6からの風にのせ、メッシュ状の対向電極 7 4 8 を通して噴出すことにより行う。除電あるいは帯電のためのイオン風等の供給は、エレクトロスプレーと同時に行っても良いし、スプレーされたパーティクルの移動を妨げないためには、スプレーとイオン風等を交互に発生させても良い。

図 8は、図 7に示した固定化装置の変形例を示す構成図である。図に示すように、固定化装置 8 0 0では、グラウンドされた導電性電極 8 1 0上で非導電性基板（絶縁性素材） 8 2 0を一定の速度或いは断続的に移動する。例えば、帯状或いはシート状の非導電性基板 8 2 0を移動させるために、図に示すような絶縁性素材卷取り装置 8 2 2を設けそれを回転させる。また、図 8の固定化装置 8 0 0 は、図 7と同様に、イオン発生器 840を含み、このイオン発生器 840は、チヤージワイヤ 842、送風機 846、対向電極（メッシュ） 848などを含む。このように、サンプルを連続的に固定化する場合は、非導電性素材を搬送する機構の上流に、イオン発生器などの除電 /帯電装置を設け、そしてエレクトロスプレイさせる部分を下流に設ける。これによつて、サンプルの連続的な固定化が可能となる。

図 9は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレングリコール (PEG) の薄膜を高分解能の原子間力顕微鏡 (AFM) で測定した AFM像である。薄膜の作製条件は、目的物質として PEG (ポリチレングリコール)、平均分子量は 50 OK (50万）、濃度は 2. 5 g/L、キヤビラリ一内に電極への印加電圧は 4000V、静電噴霧および固定化が行われる空間（ケース内）の湿度は 2 0 %、基板とキヤビラリ一との間の距離は 5 c m、静電噴霧時間は 30秒である。図に示すように、約 20 ηπ！〜 80 nmの膜厚で目的物質の薄膜が形成されていることが観察できる。

図 10〜図 1 3は、本発明による固定化方法で基板上に作製したインベルターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍）である。薄膜の作製条件は、静電噴霧時間については、図 10が 10分、図 1 1が 30分、図 12が 60分、図 13 が 120分である。その他の条件は、全て同じであり、目的物質としてインベルターゼ（シグマ社製 Baker's yeast由来)、濃度は 0. 5 gZL、キヤビラリ一内の電極への印加電圧は約 2000〜 3000 V、静電噴霧および固定化が行われる空間（ケース内）の湿度は 20%以下、基板とキヤビラリ一との間の距離は約 5 cmである。図に示すように、静電嘖霧時間が長くなるほど凹凸のサイズが大きくなることが観察できる。また、凹凸からなる微小構造体（薄膜）を構成する「粒子」のサイズは図 10〜 13を通じてほぼ同じであることも観察できる。図 14〜図 1 7は、本発明による固定ィ匕方法で基板上に作製したインベルターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率： 1 万倍）である。薄膜の作製条件は、試料 (目的物質）濃度については、図 14が◦. 5 g/L、図 1 5が 1. 25 gZL、図 1 6が 2 . 5 g Z L、図 1 7が 5 . 0 g / Lである。また、静電噴霧時間は 1 0分であり、その他の条件は、図 1 0〜図 1 3と同じである。図に示すように、試料濃度が濃くなるほど凹凸のサイズが大きくなることが観察できる。また、回凸からなる微小構造体（薄膜）を構成する「粒子」のサイズは図 1 4〜1 7を通じてほぼ同じであることも観察できる。従って、静電嘖霧時間と試料濃度とは、薄膜の形成状況に同様の影響を与えることがわかる。

図 1 8は、本発明による固定ィ匕方法で基板上に作製したインべノレターゼの薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 4万倍）である。薄膜の作製条件は、目的物質としてインベルターゼ（シグマ社製 Baker's yeast 由来）、濃度は 2 . 5 g / L , キヤビラリ一内に電極への印加電圧は約 2 0 0 0〜 3 0 0 0 V、静電噴霧および固定化が行われる空間（ケース内）の湿度は 2 0 %以下、基板とキヤビラリ一との間の距離は約 5 c m、静電噴霧時間は 1 0分である。図に示すように、この薄膜は、約数 1 O nn！〜 1 0 0 n mの球状の粒子から構成されていることが観察できる。図 1 9は、本発明による固定化方法で基板上に作製したラタトアルブミン ( -Lactalbumin) の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率:⁴万倍）である。薄膜の作製条件は、目的物質としてラタトアルブミン（シグマ社製 Bovine milk由来)、その他の条件は図 1 8と同様である。図に示すように、この薄膜は、 3次元の網目状微小構造であることが観察できる。

図 2 0は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリアクリル酸（PM、平均分子量 25万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 4万倍）である。薄膜の作製条件は、目的物質以外はは図 1 8と同様である。図に示すように、この薄膜は、約百数 1 O nm〜数 1 0 0 n mの楕円状の粒子およびその粒子の両端が他の粒子と網目状に |¾锥状の紐で連結された 3次元の網目状微小構造であることが観察できる。

図 2 1は、本発明による固定ィ匕方法で基板上に作製したポリエチレングリコール（PEG、平均分子量 50万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 4万倍）である。薄膜の作製条件は、目的物質以外は図 1 8と同様である。図に示すように、この薄膜は、約百数十 nm〜数百 n mの球状の粒子おょぴその粒子が他の粒子と網目状に »锥状の紐で連結された 3次元の網目状微小構造であることが観察できる。図 2 0と図 2 1とを比較すると、 PAAよりも PEGの方が網目構造の密度が高く、 1つの粒子に多くの繊維状の紐が連結されていることが観察できる。

図 2 2〜図 2 4は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレンダリコール（PEG、平均分子量 4千〜 5 0万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率：1 万倍）である。薄膜の作製条件は、図 2 2は平均分子量 4千、図 2 3は平均分子量 2万、図 2 4は平均分子量 50万である。その他の薄膜の作製条件は図 1 8と同様である。

これらの図に示すように、これらの薄膜は、約数 nm〜数百 n mの球状の粒子およびその粒子が他の粒子と網目状に連結された 3次元の網目状微小構造であることが観察できる。これらの図を比較すると、平均分子量の大きいものほど、球状粒子及びそれを結ぶ »锥状の紐からなる 3次元網目構造がはっきり観察できる。但し、分子量が 4千の場合（図 2 2 ) は、倍率の問題で粒子 Z繊維構造が明瞭には観察できなかった。

図 2 5〜図 2 7は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリアクリル酸（PM、平均分子量 4千〜²⁵万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 1万倍）である。薄膜の作製条件は、図 2 5は平均分子量 4千、図 2 6は平均分子量 2万 5千、図 2 7は平均分子量 25 万である。その他の薄膜の作製条件は図 1 8と同様である。

これらの図に示すように、これらの薄膜は、約数 nm〜数百 n mの球状の粒子およびその粒子が他の粒子と網目状に連結された 3次元の網目状微小構造であることが観察できる。これらの図を比較すると、平均分子量の大きいものほど、球状粒子及びそれを結ぶ繊維状の紐からなる 3次元網目構造がはっきり観察できる。但し、分子量が 4千の場合（図 2 5 ) は、倍率の問題で粒子/繊維構造が明瞭には観察できなかった。

図 2 8〜図 3 0は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレングリコール（_PEG、平均分子量 50万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率： 1 万倍）である。薄膜の作製条件は、静電噴霧時間について、図 2 8は 5分、図 2 7は 10分、図 3 0が 30分である。その他の薄膜の作製条件は図 1 8と同様である。図 2 9及び図 3 0に示すように、これらの薄膜は、約数重〜数百 n mの球状の粒子およぴその粒子が他の粒子と繊維状の紐で網目状に連結された 3次元の網目状微小構造であることが観察できる。静電噴霧時間が 5分間（図 2 8 ) では、基板表面上に粒子がスポット状に単独で存在しており、粒子同士を連結する繊維状の糸丑はまだ観察できない。

図 3 1は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリアクリル酸 (PAA、平均分子量 25万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率:⁴万倍）である。図 3 2は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレングリコール（PEG、平均分子量 50万）の薄膜の電子顕微鏡写真（倍率: 4万倍）である。図中の白抜きの矢印で指し示した部分が航锥状構造である。高倍率にすると熱で薄膜表面が損傷を受けてしまうため写真が若干不鮮明になっているが、実際には繊維状構造がはっきりと観察できるはずである。図に示すように、約数百 n m の粒子、およびこの粒子同士を繋ぐ約数 n m〜十数 n mの繊維が観察できる。なお、作製した薄膜を構成する生体高分子などの生物的活性や機能性などはもちろん保持されている。

図 3 3、図 3 4、および図 3 5は、本発明による固定化方法で基板上に作製したポリエチレングリコール（PEG) の薄膜の電子顕微鏡写真である。図に示すように、分子量 3万（図 3 1 ) では薄膜は粒子状物質から構成され、溶液の濃度を変更しても繊維状にはならない。本固定化方法では、図 3 4に示すように、溶液中の PEGの分子量が約 5 0万、濃度 1 g ZLでは繊維状の構造体が形成され、さらに、図 3 5に示すように溶液濃度が高い 2 0 g / Lでは構造体の繊維直径がさらに太くなる。実験によって、 PEGの場合は分子量が 5万を超えると繊維状の構造体になることが判明した。また、溶液の濃度を薄くすれば、より細い繊維直径を得られることも判明した。図 36は、 PEGの分子量 50万における溶液濃度と、当該溶液を本発明の方法で固定ィ匕した繊維（目的物質）の直径との関係を示す検量線のグラフである。図に示すような検量線を溶液の種類別に作成しておけば、この検量線を利用して溶液濃度を調整することによって、作製される構造体の繊維直径を所望の太さに容易に調整することが可能である。特に、溶液の濃度を薄く設定することによって、数 nm〜数百 nmの直径の繊維からなる微小構造体（薄膜）を安定的に作製することができる。例えば、 PEG を用いて数 nmの繊維直径を所望する場合は溶液濃度を約 0. 1 gZLに設定し、数 10 nmの |¾锥直径を所望する場合は溶液濃度を約 1. OgZLに設定すれば、所望の纖锥直径の纖維から構成される微小構造体を作製可能である。本実施例では、例として分子量 50万の PEGの検量線を示したが、その他の分子量或いはその他の種々の目的物質についても検量線を用意すれば、所望の繊維直径の維からなる微小構造体を容易に安定的に作製し得る。

本発明による'固定化方法、装置、作製方法で作成した微小構造体は、上述したようにナノメートルオーダーの粒子や »锥状の紐からなる 3次元の網目構造を持つ多孔質体である。従って、目的物質の生物学的活性や機能を保持した多孔体として各種フィルタ、および、多孔体の非常に大きい表面積を利用した触媒など様々な用途への応用が期待できる。

図 37 Aは、本発明によるマルチキヤビラリ一の固定ィ匕装置で使用されるコネクタ一の斜視図であり、図 38Bは、図 37Aに示したコネクターを X-Y線で切って示した断面図である。コネクタは、耐薬品性が高く、 ί敷細加工可能であり機械的強度が高いプラスチック、例えば C T F Εなどのフッ素系樹脂の材料を用いることが好適である。

図 37 Αに示すように、コネクター 900は、 1本の入力管 910 6本の出力管 920を持つ。図 37Bに示すように、出力管 920 a 920 bはその長軸 925 a 925 bが入力管 910の長軸 91 5に対して同じ角度をなす（即ち、角度 a==角度 b)。このコネクター使用して溶液を分岐させれば、配管の分岐による流速即ち流量の不均一を避けることができるようになり、各キヤビラリ一に均一に溶液を流すことことでき、より均一な微小構造体を作成することができるようになる。

図 3 8 Aは、エレクトロスプレイ時の溶液の電流と電圧との関係を示すグラフであり、図 3 8 Bは、溶液に印加する電圧を所定の周期で変動させたときの電圧の時間経過を示すグラフであり、図 3 8 Cは、図 3 8 Bのように電圧を変動させたときに溶液を流れる電流の時間経過を示すグラフである。

図 3 8 Aに示すように、エレクトロスプレー時に溶液が正常に静電噴霧している状態（即ち、エレクトロスプレー状態）では、実線のように電圧が増加するのに応じて、電流は直線的に増加する。他方、エレクトロスプレー時に溶液が正常に静電噴霧せず、ガス放電（コロナ放電）が発生している状態（即ち、ガス放電状態）では、点線のように電圧が増加するのに応じて、電流は対数状に増加する。しかしながら、両者の状態における電流値の差は僅かであり、スプレイ中に両者を区別することは困難である。特に、実線と点線の交点の付近の印加電圧ではほぼ同じ電流値を示すため両者の判別は困難であった。そこで、従来は、顕微鏡でスプレイされた液滴を観察する手法を取るしかなく不便であった。微小構造体の膜厚をナノメートルオーダーでコントロールするためには、試料の種類ごとに、溶液の濃度、試料の分子量、スプレイ時間などを正確に調整する必要がある。即ち、ガス放電が発生し微小液滴を放出できない状態が発生すればその状態の時間をスプレイ時間から差し引く必要があるが、そのようなスプレイ状態までを考慮したスプレイ時間の調整ができていなかった。本発明者らは、実験により、図 3 8 B に示すように印加電圧に周期的な微小変動（約 0 . 1— 1 Hz) を与えると、図 3 8 Cに示すように、ガス放電状態では溶液の電流が周期的に変化し、エレクトロスプレイ状態では電流が殆ど変化せず、この現象を利用すれば両者の状態を正確に区別し得ることを見い出した。例えば、この区別によって、キヤビラリ一のノズルの詰まりや溶液供給配管の詰まり、或いはポンプの故障などによって正常なスプレイが実行できていないことを把握することができる。従って、本発明による固定化装置に、電流計、電圧計、電圧を微小変動させる制御信号を電源に与える電圧制御装置とを設け、スプレイ時間をより正確に調整することが好適である。また、 ESD法では、曲率半径の小さい部位に電荷が集中するという物理的法則を利用して、キヤビラリ先端部に曲率半径の小さい溶液の形状（ティラーコーン）を形成させて溶液を静電噴霧させている。逆に言うと、ノズル詰まりやポンプの不具合など何らかの理由でキヤビラリ先端部に適正な曲率半径の形状の溶液を形成できない場合には、溶液に電圧が印加されている状態であつても静電噴霧は発生しなくなる。上述したように、電圧を変動させながら電流値をモニタして両者を区別できれば、静電嘖霧が正常に実行されているのか否力 \ 即ち正確にスプレー時間（スプレー量）を制御することが可能になり、よって所望の膜厚の微小構造体を作成することができるようになる。

図 3 9 Aは、本発明による固定化装置で使用する基板の変形例を示す構成図である。図に示すように、キヤピラリー 1 0 0 2から静電噴霧された溶液は基板 1 0 2 0に向かって飛んで行く。基板 1 0 2 0は、クモの巣状のメッシュ構造であり導電性のワイヤー 1◦ 2 2 a， 1 0 2 2 b , 1 0 2 2 cでできている。ワイヤ一間は、数ミリから数 1 0 c m離間させてある。基板 1 0 2 0は、回転装置 1 0 3 0によってこの中心を軸として回転されており、また、回転しながらその中心を軸として基板をシーソーのように上下運動されている。スプレーされた溶液は飛行中に乾燥しナノファイバーが形成される。形成されたナノファイバー 1 0 4 0はその長手方向が、ワイヤー 1 0 2 2 a , b， cに橋を架けるように中心から放射状の方向を向いた状態で固定化される。本発明者らは、このような網目状の基板を用いてナノファイバーを固定化すると、ファイバーが高度に配向し、それ故に結晶化度も高くなることを実験により見いだした。即ち、ファイバー内の分子が繊維の長手方向に高度に配向するこを発見するに至った。また、このメッシュ基板を回転しさらに上下にスウィングしたほうが配向性や結晶化度が高まることを実験により見いだした。図 3 9 Bは、さらなる基板の変形例を示すものである。メッシュ基板 1 0 5上のアースされた導電性ワイヤー 1 0 5 2 a , bに橋を架けるようにファイバー 1 0 6 0が固定化され、図 3 9 Aの基板の場合と同様にナノフアイバーは高度に配向され結晶化度も高くなる。

図 4 0は、本発明による固定化装置で使用するキヤビラリ一の変形例を示す構成図である。図に示すように、キャプラリー 1 1 0 0は 4つのセル 1 1 0 1、 1 1 0 2、 1 1 0 3、 1 1 0 4を具え、各セルにはそれぞれ異なる溶液 A， B， C , Dが供給され、電極（図示せず）或いは、各セルを仕切る導電性の仕切り板を介して各溶液に電圧を印加し静電噴霧を行う。スプレイ一された溶液は基板 1 3 0 0に向かって飛行する間にほぼ乾燥しナノファイバー 1 2 0 0が形成され、最終的にアースされている基板 1 3 0 0に固定化される。このような分割セル（2つ以上）を設けたキヤピラリーを使用すれば、拡大図で示したナノファイバー 1 2 0 0 aのように溶液 Aの成分 a、溶液 Bの成分 b、溶液 Cの成分 c、溶液 Dの成分 dの各領域を含む複合紡糸を形成することが可能となる。各成分を調整することによって、例えば、水をはじき微生物を吸着させ化学物質を除去し強度が強いフアイバーを作製することも可能である。

本明細書では、様々な実施態様で本発明の原理を説明してきたが、これら実施態様における装置、方法、製造方法には、幾多の修正や変更を施すことができることに留意されたい。

例えば、上述した実施例では、目的物質の蛋白質としてィンベルターゼぉよびラタトアルブミンを用い、繊維を形成するのに適した線状高分子としては、 PEGおよび PAAを用いて微小構造体（薄膜）を形成したが、本発明はこれら以外の様々な目的物質を固定化して微小構造体を作製することが可能である。

例えば、目的物質として、キチン、キトサン、セルロース等の多糖類、或いは、低分子有機 EL用化合物（キノリノールを配位子としたアルミニウム錯体等）、高分子有機 EL用化合物（ポリビニルカノレバゾ一ル等）を用いることも可能であり、これら有機 E L用化合物の機能的な活性（電界発光特性）を保持した状態で所望の膜厚で固定化することが可能である。また、本明では、このような E L用の低分子や高分子の均一な分布を図れるため、均一な性質を持つ膜を作製することができ、さらに、光の散乱を防止し、作製した膜の発光量を増加させることが可能となる。

例えば、具体的な目的物質としては、シクロペンタジェン誘導体、テトラフエニルブタジエン、ォキサジァゾール誘導 (EM2) 体、ピラゾキノリン誘導体 (ΡΖ 10)、ジスチリルァリレーン誘導体（DPVB i)、トリフエニルジアミン（TPD)、ペリノン誘導体（P l)、オリゴチォフェン誘導体（BMA— 3 T)、ペリレン誘導体（t Bu_PTC)ヽ A l q₃、 Z n q _2S B e q₂、 Z n (ODZ) ₂、 A 1 (ODZ) ₃、等の低分子化合物を用いることができる。さらに、目的物物質としては、 P PVや CN— P PV等のポリパラフエ二レンビニレン誘導体、 PATや PCHMT等のポリチォフェン誘導体、 PPP FP — P P P等のポリパラフエ二レン誘導体、 PMP Sや P P S等のポリシラン誘導体、 PAPAや PDP A等のポリアセチレン誘導体、その他 PVKや PPD等の各種誘導体である高分子化合物も使用することができる。これらの目的物質を薄膜として固定化すれば、有機 EL素子として利用することが可能である。

さらに、例えば、シクロへキサンカルボン酸フエニルエステル系フエ二ルシク口へキサン系化合物、フエニルピリミジン系化合物、 4-[4-n-デシルォキシベンジリデンァミノ] 2-メチルブチルシンナメート (DOBAMBC), シッフ（ァゾメチン）系化合物、ァゾキシ系化合物、シァノビフユニル系化合物、フニルジォキサン系化合物、トラン系化合物、ステロイド系化合物などを高分子と混合して薄膜として固定化すれば、液晶素子として利用できる。

さらに、目的物質を溶解 ·分散する溶媒には、水のみならず目的物質の性質に応じて各種有機 ·無機溶媒を使用することが可能である。

例えば、溶媒としては、使用する目的物質に応じて、二硫化炭素等の無機系溶媒、へキサンやベンゼン等の炭化水素系溶媒、クロ口ホルムやプロモベンゼン等のハロゲン化合物溶媒、メタノール、エタノール、プロパノール、フエノール等のアルコール 'フエノール系溶媒、ジェチルエーテルゃテトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、酢酸ゃジメチルホルムアミド等の酸及ぴその誘導体系溶媒、了セトニトリノレやべンゾニトリル等の二トリル系溶媒、二ト口ベンゼンゃピリジン等の二トロ化合物及びァミン系溶媒、ジメチルスルホキシド等の硫黄ィヒ合物系溶媒などを用いることが可能である。

また、各種溶媒における電気伝導度は、効率的に電界集中を発生させるために

1 O m S / c m以下とすることが好適である。

また、上述した実施例では、単一の目的物質を固定化したが、複数の目的物質を溶解した溶液を使用して静電噴霧する、或いは、異なる目的物質を溶解した溶液を複数用意して別々のキヤビラリ一からそれぞれ静電噴霧するなどして複数の目的物質からなるハイブリッド型の微小構造体（薄膜など）を形成することも可能である。

また、大面積をエレクトロスプレーする場合は、キヤピラリーを 1軸あるいは 2軸以上のスキャン装置に搭載し、大面積の被塗物に均一にスプレーさせることもできる。

Claims

請求の範囲

1 . 少なくとも 1つの目的物質を含む溶液をキャピラリーに供給し、前記溶液に電圧を印加して静電噴霧するェレクトロスプレイステップと、前記エレクトロスプレイステップで噴霧された溶液中の目的物質をその機能性および Zまたは活性を保持したまま乾燥した状態で任意の形状の被塗物に静電気力で固定化して、ナノメートルオーダーの厚さの乾燥した微小構造体を形成する固定化ステップと、

を含む固定化方法。

2 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

ことを特徴とする固定化方法。

3 . 請求項 1または 2に記載の固定ィ匕方法において、

前記ェレクトロスプレイステップの前に、前記溶液は所定の平均分子量の目的物質を溶解または分散させて調製される、

ことを特徴とする固定化方法。

4 . 請求項 1に記載の固定ィヒ方法において、

前記エレクトロスプレイステップは、

静電噴霧時間と前記微小構造体の厚さとの関係を示す検量線を前記溶液の種類別に予め設定し、使用する前記溶液の種類に合う前記検量線を使用して、所望の膜厚に応じて前記静電嘖霧の時間を設定するステップをも含む、

ことを特徴とする固定化方法。

5 . 請求項 1に記載の固定ィヒ方法において、

前記被塗物は、少なくとも微弱な導電性を持つ基板、フィルム、多角柱状部材、円柱状部材、微粒子、球状物質、または多孔質体のうちいずれか 1つである、ことを特徴とする固定化方法。

6 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

前記被塗物は絶縁性であり、

前記固定化方法は、さらに、

イオン発生器を使用して発生させたィオン風を前記被塗物上の微小構造体へ供給して除電するステップを含む、

ことを特徴とする固定化方法。

7 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

前記エレクトロスプレイステップは、 »锥を形成するのに適した物質を前記目的物質として使用し、この目的物質を静電噴霧して繊維状微小構造体を形成させ、前記固定化するステップは、前記繊維状微小構造体を前記被塗物に固定化する、ことを特徴とする固定化方法。

8 . 請求項 7に記載の固定化方法において、

前記繊維を形成するのに適した物質は線状高分子である、

ことを特徴とする固定化方法。

9 . 請求項 7または 8に記載の固定化方法において、

前記被塗物は多角柱状部材または円柱状部材であり、この被塗物を回転させることにより前記 »锥状微小構造体を前記被塗物表面上に卷き取るステップをも含む、

ことを特徴とする固定化方法。

1 0 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

前記エレクトロスプレイステップは、

前記キヤビラリ一を走査するステップ、前記キヤビラリ一の角度を任意に変化させてスプレイ方向を変化させるステップ、または前記被塗物を走査するステップのうち少なくとも 1つのステップをも含む、

ことを特徴とする固定化方法。

1 1 . 請求項 1に記載の固定化方法において、前記エレクトロスプレイステップは、前記キヤピラリーを振動させるステップをも含む、

ことを特徴とする固定化方法。

1 2 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

前記ェレクトロスプレイステップの前記静電噴霧は、 1 0 0 ^ m以上の先端部内径を持つキヤビラリ一を使用して実行される、

ことを特徴とする固定化方法。

1 3 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

前記エレクトロスプレイステップは、静電噴霧状態とガス放電状態とを区別するために、前記溶液に印加される電圧に微小な幅の周期的変動を与えながら前記静電嘖霧を行い、その際の前記溶液の電流値の変化量を電流計を使用してモニタ一するステップを含む、

ことを特徴とする固定化方法。

1 4 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

前記エレクトロスプレイステップは、前記溶液を前記キヤビラリに供給するときに、前記溶液の圧力を調整するステップ、前記溶液の流量を調整するステップ、或いは、前記溶液の圧力と流量との間に一定の関係式が成り立つよう調整するステツプのうちのいずれかを含む、

ことを特徴とする固定化方法。

1 5 . 請求項 1に記載の固定ィヒ方法において、

前記エレクトロスプレイステップは、前記溶液に電圧を印加するときに、前記電圧を一定に調整するステップ、前記溶液を流れる電流が一定になるように前記電圧を調整するステップ、或いは、前記電圧と前記電流との間に一定の関係が成り立つように前記電圧を調整するステップ、のうちのいずれかを含む、ことを特徴とする固定化方法。

1 6 . 請求項.1に記載の固定化方法において、

前記キヤビラリ一の材質は、金属、ガラス、シリコン、または合成高分子材料のいずれかである、

ことを特徴とする固定化方法。

1 7 . 請求項 1に記載の固定ィヒ方法において、

前記エレクトロスプレイステップは、前記キヤビラリ一が複数設けられている場合には、前記キヤビラリ一の各々に含まれる前記溶液に供給される各々の電圧または電流を最適値に調節するステップをも含む、

ことを特徴とする固定化方法。

1 8 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

前記キヤビラリ一が複数設けられており、

前記エレクトロスプレイステップは、前記溶液を前記複数のキヤビラリ一に供給するため、入力管 1本に対して前記キヤビラリと同数の出力管を持つコネクタ一であって、前記出力管の各々はその長軸方向が前記入力管の長軸に対して全て同じ角度をなすように配置されたコネクターを使用して前記溶液を分岐させるステツプを含む、

ことを特徴とする固定化方法。

1 9 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

前記エレクトロスプレイステップは、前記バルブを個別に開閉することにより、前記キヤビラリ一のうちの少なくとも 1つのみに溶液の加圧力を集中させ、脱泡、及び Zまたは通液を容易に行えるようにするステツプを含む、

ことを特徴とする固定化方法。

2 0 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

前記溶液に印加される電圧は間欠的に供給される、

ことを特徴とする固定化方法。

2 1 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

前記溶液および/または静電噴霧された前記目的物質が接触する部分は前記溶液およひゾまたは前記目的物質に耐性を有する、

ことを特徴とする固定ィ匕方法。

2 2 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

コリメータ電極、イオン流供給手段、または加圧空気供給手段の少なくとも 1 つを用いて、前記エレクトロスプレイステップで静電噴霧された前記目的物質を収束させるステップをも含む、

ことを特徴とする固定化方法。

2 3 . 請求項 1に記載の固定化方法において、

少なくとも静電噴霧および固定ィヒが行なわれる空間をケースで囲み、このケース内に不活性ガス、および Zまたは、清浄な乾燥空気を供給するステップをも含む、

ことを特徴とする固定化方法。

2 4. 請求項 2 3に記載の固定化方法において、

ことを特徴とする固定化方法。

2 5 . 固定化装置であって、

前記エレクトロスプレイ手段で噴霧された溶液中の目的物質がその機能性および/または活性を保持したまま乾燥した状態で静電気力で固定化される任意の形状の被塗物を支持する支持手段と、

前記キヤビラリ一を走査する手段、前記キヤビラリ一の角度を任意に変ィ匕させてスプレイ方向を変化させる手段、または前記被塗物を走査する手段のうちの少なくとも 1つの手段と、

を具える固定化装置。

2 6 . 請求項 2 5に記載の固定化装置は、

前記エレクトロスプレイ手段は、前記溶液に印加される電圧に微小な幅の周期的変動を与えながら前記静電嘖霧を行い、

ことを特徴とする固定化装置。

2 7 . ナノメートルオーダーの厚さの微小構造体を製造する方法であつて、

繊維を形成するのに適した少なくとも 1つの目的物質を含む溶液をキヤビラリ一に供給し、前記溶液に電圧を印加して静電嘖霧するエレクトロスプレイステツプと、

前記ェレクトロスプレイステツプで噴霧された溶液中の目的物質の機能性および Zまたは活性を保持したまま乾燥した状態で任意の形状の被塗物に静電気力で固定化して、ナノメートルオーダーの厚さの繊維状の乾燥した微小構造体を形成する固定化ステップと、

を含む方法。