【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.01】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24WS0006
利用課題名 / Title
ピラーアレイデバイスを用いた金属錯体含有タンパク質の合成
利用した実施機関 / Support Institute
早稲田大学 / Waseda Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
タンパク質結晶化デバイス/ Protein crystallization devices,光学顕微鏡/ Optical microscope,μTAS,リソグラフィ/ Lithography,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device,赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet spectroscopy,光リソグラフィ/ Photolithgraphy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
田中 大器
所属名 / Affiliation
早稲田大学 基幹理工学研究科 電子物理システム学専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
WS-008：CCP-RIE装置
WS-014：紫外線露光装置
WS-016：レーザー直接描画装置
WS-025：フーリエ変換赤外分光計
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究では、ピラーアレイ撥水デバイスを作製して撥水基板上で金属錯体含有タンパク質の合成と結晶化を行った。当該デバイスはPDMS （poly-dimethylsiloxane）シート上に感光性樹脂であるSU-8を用いることで微細なパターン（直径100 μmの傘型構造）を形成しているためフレキシブルである。微細な傘型構造により撥水能を有しているため、水以外のメタノールやアセトンに対しても撥水性があることを確認した。本研究では、撥水デバイス上のマイクロ液滴中で金属錯体の合成とタンパク質の結晶化を試みた。これまでのマイクロデバイスを用いた化学合成は生成物の取り出しは可能であったが壊れやすいタンパク質の結晶は取り出せなかった。本研究では撥水デバイス上で合成と結晶化を行うことで壊れやすい金属錯体含有タンパク質の結晶を容易に取り出せる手法を確立した。
実験 / Experimental
【デバイスの作製】傘型ピラーアレイデバイスはSU-8（日本化薬社製）およびPDMS (polydimethylsiloxane、ダウ・ケミカル日本社製)を用いてソフトMEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術を応用することで作製した。ピラーアレイデバイスの作製には、基板のクリーニング及びレジストとの密着性を高める目的でCCP-RIE（WS-008）を使用した。パターニングには、レーザー直接描画（WS-016）を用いてフォトマスクを作製し、紫外線露光装置（WS-014）を使用してピラーアレイ部を作製した。作製プロセスは図1及び次の通りである。① Si基板に犠牲層（リフトオフレジスト）としてLOR（東京応化工業社製）を塗布する。② SU-8を三層に分けて塗布と紫外線露光装置（ズ―スマイクロテック社製/MA6）によりパターニングを行う。③ 現像後、PDMSシート上に硬化させていないPDMSを塗布し、傘型状のSU-8を圧着させる。④ ホットプレートを用いてPDMSを硬化させる。その後、犠牲層（LOR）を取り除く。図2(a)は傘型ピラー部の寸法を示している。傘型部分の直径は60 μmで作製し、ピラーの間隔は150 μmとした。図2(b)は作製した超撥水性ピラーアレイデバイス表面を斜め45°から撮影した光学顕微鏡像である。SU-8で作製された傘型のピラーアレイが均一に作製できていることが確認できる。SU-8はアルコール等に対する薬品耐性が高く、金属錯体の合成には適した材料である。
【金属錯体含有タンパク質の結晶化】結晶化実験で使用した溶液はZn(II)錯体水溶液(8 mmol/L)とリゾチーム水溶液(10 mmol/L)の二種類である。この水溶液をピペットによりピラーアレイデバイス上に滴下混合し微小ドロップレットを作製した。その後、大気下、常温（23 °C）で結晶化実験を行った。滴下後0分から120分の間放置し、光学顕微鏡で随時観察し結晶の生成の有無を調べた。また、フーリエ変換赤外分光計（WS-025）を用いて金属錯体のZn(II)錯体の化学結合状態の確認を行なった。
結果と考察 / Results and Discussion
作製した二重凹型ピラーアレイデバイス上にZn(II)錯体水溶液とリゾチーム水溶液を滴下混合し（図3）、放置時間90分を過ぎた辺りからZn(II)錯体含有リゾチームの結晶が生成することを確認した（図4）。 また、結晶成長の様子は光学顕微鏡よりリアルタイムで観察が可能であった。さらに、目的結晶は撥水性能を有したピラーアレイ上で成長する為、結晶を壊すことなくピペットによりデバイス外に容易に取り出すことが出来、測定、分析作業を迅速に行うことが可能であった。また、フーリエ変換赤外分光計（WS-025）の測定したところ1630 cm-1付近にC=N結合のZn(II)金属錯体特有のピークを確認した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1. ピラーアレイデバイスの作製プロセス
図2. (a)傘型ピラー部の寸法 (b)傘型ピラーアレイの光学顕微鏡像
図3. ピラーアレイ撥水デバイス上での液滴生成
図4. 撥水ピラー上の液滴内で生成した金属錯体含有タンパク質結晶
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
該当なし。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Daiki Tanaka, Synthesis and isolation of metalloprotein on a super water-repellent umbrella-shaped pillar array with double re-entrant structure, Soft Matter, 21, 2251-2257(2025).
DOI: https://doi.org/10.1039/D4SM01334D
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件