JP5800195B2 - Crystal growth container, droplet preparation device, and crystal acquisition method - Google Patents

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Description

本発明は、微小液滴中に少なくとも1個の結晶を取得する結晶成長用容器、液滴調製器具および結晶取得方法に関するものである。   The present invention relates to a crystal growth container that acquires at least one crystal in a microdroplet, a droplet preparation device, and a crystal acquisition method.

近年、タンパク質に代表される物質の単結晶化と、その構造解析による立体構造の決定とにおいては、液滴中に少なくとも1個の結晶を生成させること、または個々の結晶を離れた場所に生成することが求められている。すなわち、個々の結晶が合体せずに離れていることが求められている。これは、X線を用いた構造解析装置などの高性能化(例えば、結晶に照射されるX線の高出力化、当該結晶で散乱したX線を検出する検出器の高性能化など)に起因している。なお、この解析においては、対象となる結晶が必ずしも大きいことは要求されない。   In recent years, in the single crystallization of a substance typified by protein and the determination of the three-dimensional structure by the structural analysis, at least one crystal is generated in a droplet, or each crystal is generated at a remote location. It is requested to do. That is, it is required that the individual crystals are separated without being combined. This is to improve the performance of a structural analysis apparatus using X-rays (for example, to increase the output of X-rays irradiated on the crystal, and to improve the performance of a detector that detects X-rays scattered by the crystal). Is attributed. In this analysis, it is not necessarily required that the target crystal is large.

例えば非特許文献1には、このような結晶化を達成する環境としては、宇宙等の微小重力下での結晶化法が報告されている。微小重力環境下では、速度論的条件と物質の輸送とが絶妙に制御されることにより、タンパク質の結晶が成長するので、結果として拡散律速による結晶成長が可能となっている。そのため、一般的に、宇宙で得られる単結晶は大きく、結晶格子の完全性が高い。すなわち、宇宙等の微小重力環境は、結晶成長にとって好都合であるといえる。   For example, Non-Patent Document 1 reports a crystallization method under microgravity in space or the like as an environment for achieving such crystallization. In a microgravity environment, protein crystals grow as a result of exquisite control of kinetic conditions and material transport, and as a result, crystal growth by diffusion rate control is possible. Therefore, in general, a single crystal obtained in the universe is large and the integrity of the crystal lattice is high. That is, it can be said that a microgravity environment such as the universe is convenient for crystal growth.

また、上記のように、少なくとも1個の結晶を得る技術としては、例えば非特許文献2〜4が挙げられる。非特許文献2では理論的制御によって、非特許文献3では速度論的制御によって、それぞれ「少なくとも1個の核発生」を達成したことが報告されている。また、非特許文献4では、マイクロ流体の技術(例えばマイクロリアクター)を用いて、核発生とその成長とを分離して制御することにより、液滴中に少なくとも1個の結晶を得たことが報告されている。   Moreover, as mentioned above, as a technique for obtaining at least one crystal, for example, Non-Patent Documents 2 to 4 can be cited. Non-patent document 2 reports that at least one nucleation was achieved by theoretical control, and non-patent document 3 by kinetic control. Further, in Non-Patent Document 4, at least one crystal is obtained in a droplet by using a microfluidic technology (for example, a microreactor) to separate and control nucleation and growth. It has been reported.

F. Rosenberger, P. G. Vekilov, M. Muschol and B. R. Thomas, J. Crystal Growth, 1996, 168, 1-27F. Rosenberger, P. G. Vekilov, M. Muschol and B. R. Thomas, J. Crystal Growth, 1996, 168, 1-27 D. Kashchiev, D. Clausse, C. Jolivet-Dalmazzone, Journal Colloid and Interface Science 1994, 165, 148-153D. Kashchiev, D. Clausse, C. Jolivet-Dalmazzone, Journal Colloid and Interface Science 1994, 165, 148-153 P. Laval, J. Salmon, M. Joanicot, Journal of Crystal Growth 2007, 303, 622-628.P. Laval, J. Salmon, M. Joanicot, Journal of Crystal Growth 2007, 303, 622-628. J. Shim, G. Cristobal, D. R. Link, T. Thorsen, S. Fraden, Crystal Growth & Design 2007, 7, 2192-2194.J. Shim, G. Cristobal, D. R. Link, T. Thorsen, S. Fraden, Crystal Growth & Design 2007, 7, 2192-2194.

非特許文献1には、微小重力環境である宇宙などでの実験を行うことで拡散律速による結晶成長を達成可能であると開示されている。しかし、宇宙に行って当該実験を行うことは、費用面などの問題から容易ではない。また、宇宙にて当該実験を行うことができたとしても、その実験の時間は制限され、十分な実験を行うことができない可能性がある。それゆえ、シミュレーション、または、微小重力の代替環境での実験のような、低額でかつ容易に、上記拡散律速による結晶成長を達成する手法が要求されている。   Non-Patent Document 1 discloses that it is possible to achieve crystal growth by diffusion-controlled by performing experiments in space such as a microgravity environment. However, it is not easy to go to space and perform the experiment because of problems such as cost. Moreover, even if the experiment can be performed in space, the time for the experiment is limited, and there is a possibility that a sufficient experiment cannot be performed. Therefore, there is a need for a technique for achieving crystal growth based on the diffusion-limited method at a low cost and easily, such as a simulation or an experiment in an alternative environment of microgravity.

また、非特許文献2〜4の手法または技術では、液滴中に少なくとも1個の結晶を成長させることについては開示されているが、拡散律速による結晶成長については何ら開示されていない。さらに、これらの手法または技術では、当該手法または技術を適用できる物質に制限があり、また、複雑な処理を要していた。   Further, the methods or techniques of Non-Patent Documents 2 to 4 disclose that at least one crystal is grown in a droplet, but do not disclose any crystal growth based on diffusion rate control. Furthermore, in these methods or techniques, there are limitations on substances to which the methods or techniques can be applied, and complicated processing is required.

また、非特許文献1〜4の技術では、地上などの重力環境下において、そのような結晶成長を達成することを目的としていなかった。なお、拡散律速による結晶成長でなければ、微小液滴内に少なくとも1個の結晶を成長させるときの当該微小液滴の大きさを定義(推定)することができない。   Further, the techniques of Non-Patent Documents 1 to 4 do not aim to achieve such crystal growth in a gravitational environment such as the ground. If the crystal growth is not diffusion-controlled, the size of the microdroplet when at least one crystal is grown in the microdroplet cannot be defined (estimated).

一方、本発明の発明者は、重力環境下における微小液滴の内部における物質の挙動(内部流体挙動)と、微小重力下における液滴の内部流体挙動との類似性に着目し、地上において微小液滴を用いての拡散律速による結晶成長を達成するに至った。当然ながら、本発明の発明者によって初めて、その微小液滴の大きさを定義した上で、上記の拡散律速による結晶成長を達成させる技術が見出された。   On the other hand, the inventor of the present invention pays attention to the similarity between the behavior of a substance inside a microdroplet (internal fluid behavior) under a gravitational environment and the internal fluid behavior of the droplet under microgravity. Crystal growth by diffusion-controlled using droplets has been achieved. Naturally, for the first time, the inventor of the present invention has found a technique for achieving crystal growth by the above-mentioned diffusion-controlled method after defining the size of the microdroplet.

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、その目的は、微小液滴中に少なくとも1個の結晶を効率よく取得することが可能な結晶成長用容器、液滴調製器具および結晶取得方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its object is to provide a crystal growth container, a droplet preparation device, and a container capable of efficiently acquiring at least one crystal in a microdroplet. It is to provide a crystal acquisition method.

本発明に係る結晶成長用容器は、上記の課題を解決するために、物質の結晶を成長させるための結晶成長用容器であって、上記結晶成長用容器の内部には、結晶化させる物質を含む溶液の微小液滴が配置されており、上記微小液滴は、上記微小液滴の最長部の長さが、上記結晶化させる物質の自然拡散により移動できる最大距離を示す移動可能最大距離以下となるような大きさに調製されていることを特徴としている。   A crystal growth container according to the present invention is a crystal growth container for growing a crystal of a substance in order to solve the above-mentioned problems, and a substance to be crystallized is placed inside the crystal growth container. A microdroplet of a solution containing the microdroplet, the length of the longest part of the microdroplet being less than the maximum movable distance indicating the maximum distance that can be moved by natural diffusion of the substance to be crystallized It is characterized by being prepared in such a size as to become.

上記構成によれば、結晶成長用容器には微小液滴が配置されているので、その微小液滴中の密度差によって駆動される対流が抑制される。これにより、拡散律速による結晶成長を達成することができる。そして、この結晶成長の達成により、上記結晶成長用容器の内部に配置された微小液滴中において、物質が自然拡散でしか移動しない環境が整うことになる。そのため、その微小液滴中に物質の結晶を拡散律速により発生させることができる。   According to the above configuration, since the microdroplet is arranged in the crystal growth container, the convection driven by the density difference in the microdroplet is suppressed. Thereby, the crystal growth by diffusion control can be achieved. The achievement of this crystal growth provides an environment in which the substance moves only by natural diffusion in the fine droplets arranged inside the crystal growth vessel. Therefore, the crystal of the substance can be generated in the fine droplets by diffusion rate control.

また、結晶成長用容器の内部に配置される微小液滴は、その最長部の長さが最大可能移動距離以下となるような大きさに調製されているので、微小液滴中に物質の結晶を確実に成長させ、かつその個数を少なくとも1個に抑制することができる。すなわち、本発明の結晶成長用容器では、微小液滴中に少なくとも1個の物質の結晶を、効率よく成長させることができる。   In addition, the microdroplet placed inside the crystal growth container is prepared in such a size that the length of the longest portion thereof is not more than the maximum possible moving distance. Can be reliably grown and the number thereof can be suppressed to at least one. That is, in the crystal growth container of the present invention, at least one substance crystal can be efficiently grown in a microdroplet.

さらに、本発明に係る結晶成長用容器では、上記微小液滴の周囲は、当該微小液滴とは相溶でない媒体物質で満たされていることが好ましい。   Furthermore, in the crystal growth container according to the present invention, it is preferable that the periphery of the microdroplet is filled with a medium substance that is not compatible with the microdroplet.

上記構成によれば、微小液滴が、外部と物質の出入りのない孤立した状態となるため、結晶成長用容器を乱暴に扱わない限り、その微小液滴中で成長する結晶が、他の微小液滴あるいはその他の物質と合体することがない。そのため、結晶の解析を容易に行うことができる。   According to the above configuration, the microdroplet is in an isolated state where no substance enters or exits from the outside. Therefore, unless the crystal growth container is handled roughly, the crystal growing in the microdroplet is in the form of other microscopic droplets. Does not coalesce with droplets or other substances. Therefore, the crystal can be easily analyzed.

さらに、本発明に係る結晶成長用容器では、上記微小液滴の大きさは、その微小液滴中の密度差によって駆動される対流が抑制される大きさであることが好ましい。   Furthermore, in the crystal growth container according to the present invention, the size of the microdroplet is preferably such that convection driven by a density difference in the microdroplet is suppressed.

上記構成によれば、微小液滴が、密度差によって駆動される対流が抑制される大きさに調製されていることにより、拡散律速による結晶成長を生じさせることができる。   According to the above configuration, the microdroplet is adjusted to a size that suppresses the convection driven by the density difference, so that crystal growth can be caused by diffusion rate control.

さらに、本発明に係る結晶成長用容器では、上記微小液滴が配置される上記内部の最短部の長さが、上記微小液滴の最長部の長さと同一であることが好ましい。   Furthermore, in the crystal growth container according to the present invention, it is preferable that the length of the shortest portion inside the microdroplet is the same as the length of the longest portion of the microdroplet.

上記構成によれば、結晶成長用容器の内部に、確実に微小液滴を配置することができる。   According to the above configuration, the fine droplets can be reliably arranged inside the crystal growth container.

さらに、本発明に係る結晶成長用容器では、上記結晶化させる物質は、タンパク質であることが好ましい。   Furthermore, in the crystal growth container according to the present invention, the substance to be crystallized is preferably a protein.

上記構成によれば、タンパク質の拡散定数を用いて求められる移動可能最大距離は、微小液滴中の対流を効率よく抑制できる値に近い。すなわち、拡散定数を用いて移動可能最大距離が求められる場合、微小液滴中に結晶化させる物質としてタンパク質を用いることにより、上記対流を効率よく抑制でき、拡散律速による結晶成長を達成しやすくすることができる。   According to the said structure, the maximum movable distance calculated | required using the diffusion constant of protein is close to the value which can suppress the convection in a microdroplet efficiently. In other words, when the maximum movable distance is calculated using a diffusion constant, the convection can be efficiently suppressed by using a protein as a substance to be crystallized in a microdroplet, and it is easy to achieve crystal growth by diffusion rate control. be able to.

さらに、本発明に係る結晶成長用容器は、円筒状のキャピラリーであることが好ましい。   Furthermore, the crystal growth vessel according to the present invention is preferably a cylindrical capillary.

上記構成によれば、結晶成長用容器が、一般的に用いられる結晶構造解析装置と親和性の高いキャピラリーにより実現されるので、汎用性が高い容器を提供できる。   According to the above configuration, since the crystal growth container is realized by the capillary having a high affinity with the crystal structure analysis apparatus that is generally used, it is possible to provide a highly versatile container.

さらに、本発明に係る結晶成長用容器は、微小液滴中に成長させた、上記結晶化させる物質の結晶を、結晶の構造を解析する結晶構造解析装置の解析対象とすることが好ましい。   Furthermore, in the crystal growth container according to the present invention, it is preferable that a crystal of the substance to be crystallized grown in a microdroplet is an analysis target of a crystal structure analysis apparatus for analyzing the crystal structure.

上記構成によれば、結晶成長用器具において結晶化させた物質の結晶を、結晶構造解析装置の解析対象にしている。すなわち、物質の結晶を成長させた結晶成長用容器を、結晶解析構造装置が備える試料台にそのままセットすることが可能となる。それゆえ、従来のように、結晶を成長させた器具から取り出して、結晶解析構造装置の試料台にセットするといった手間を省くことができる。   According to the above configuration, the crystal of the substance crystallized in the crystal growth instrument is the analysis target of the crystal structure analysis apparatus. That is, the crystal growth container in which the crystal of the substance is grown can be set as it is on the sample stage provided in the crystal analysis structure apparatus. Therefore, it is possible to save the trouble of taking out from the instrument on which the crystal has been grown and setting it on the sample stage of the crystal analysis structure apparatus as in the prior art.

さらに、本発明に係る液滴調製器具は、上記に記載の結晶成長用容器に接続され、上記微小液滴を調製して、当該結晶成長用容器に送液することが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the droplet preparation device according to the present invention is connected to the crystal growth container described above, prepares the microdroplets, and sends the liquid to the crystal growth container.

上記構成によれば、液滴調製器具は、結晶化させる物質を結晶としてその内部に成長させることが可能な微小液滴を調製し、結晶成長用容器に、その調製された微小液滴を送液する。それゆえ、結晶化させる物質を含む、その大きさが制限された微小液滴を、結晶成長用容器に配置することができる。   According to the above configuration, the droplet preparation device prepares a microdroplet capable of growing the substance to be crystallized as a crystal therein, and sends the prepared microdroplet to the crystal growth container. Liquid. Therefore, microdroplets containing a substance to be crystallized and limited in size can be arranged in the crystal growth container.

さらに、本発明に係る結晶取得方法は、物質の結晶を取得するための結晶取得方法であって、上記物質が、微小液滴中を自然拡散により移動できる最大距離を示す移動可能最大距離を、下記(1)、(2)、および(3)に示すパラメータから推定する推定工程と、(1)上記物質の結晶が成長することにより、上記物質を含む溶液中の当該物質が消費される速度である物質消費速度;(2)上記物質の拡散が開始されたときの、上記微小液滴に対する上記物質の濃度である物質初期濃度;(3)上記物質の拡散定数;上記推定工程により推定された上記移動可能最大距離に基づく大きさとなるように、上記微小液滴を調製する調製工程と、上記調製工程により調製された上記微小液滴中に、上記物質の結晶を少なくとも1個成長させる成長工程と、を含むことを特徴としている。   Furthermore, the crystal acquisition method according to the present invention is a crystal acquisition method for acquiring a crystal of a substance, wherein the substance has a maximum movable distance indicating a maximum distance that the substance can move in a microdroplet by natural diffusion, (1) The rate at which the substance in the solution containing the substance is consumed as a result of the crystal growth of the substance growing from the parameters shown in (1), (2), and (3) below (2) the initial concentration of the substance, which is the concentration of the substance with respect to the microdroplet when the diffusion of the substance is started; (3) the diffusion constant of the substance; estimated by the estimation step A preparation step for preparing the microdroplet so as to have a size based on the maximum movable distance, and growth for growing at least one crystal of the substance in the microdroplet prepared by the preparation step. It is characterized in that it comprises a degree, the.

上記構成によれば、その微小液滴中の密度差によって駆動される対流が抑制される。これにより、拡散律速による結晶成長を達成することができる。そして、この結晶成長の達成により、物質が自然拡散でしか移動しない環境が整うため、上記のような物質の移動可能最大距離の推定を行うことができる。   According to the said structure, the convection driven by the density difference in the micro droplet is suppressed. Thereby, the crystal growth by diffusion control can be achieved. And, by achieving this crystal growth, an environment in which the substance moves only by natural diffusion is prepared, so that the maximum movable distance of the substance as described above can be estimated.

また、上記の推定工程により、拡散律速による結晶成長の対象となる物質ごとに(物質の制限なく)、単純かつ汎用的に上記の移動可能最大距離を推定することができるので、上記結晶の取得を容易に行うことを可能とする。   In addition, the above-described estimation process makes it possible to estimate the above-mentioned maximum movable distance for each substance that is the target of crystal growth by diffusion-limited (without any substance restrictions), so that the above-mentioned maximum distance can be obtained. Can be easily performed.

そして、上記の推定工程により得られた移動可能最大距離に基づく大きさの微小液滴を調製し、その微小液滴中に少なくとも1個の結晶を成長させることにより、微小液滴中に結晶を効率よく成長させることができる。   Then, a micro droplet having a size based on the maximum movable distance obtained by the above estimation step is prepared, and at least one crystal is grown in the micro droplet, whereby the crystal is formed in the micro droplet. It can be grown efficiently.

本発明に係る結晶成長用容器は、以上のように、上記結晶成長用容器の内部には、結晶化させる物質を含む溶液の微小液滴が配置されており、上記微小液滴の最長部の長さが、上記結晶化させる物質の自然拡散により移動できる最大距離を示す移動可能最大距離以下となるような大きさに調製されている構成である。   In the crystal growth container according to the present invention, as described above, microdroplets of a solution containing a substance to be crystallized are arranged inside the crystal growth container. In this configuration, the length is adjusted to be not more than the maximum movable distance indicating the maximum distance that can be moved by natural diffusion of the substance to be crystallized.

また、本発明に係る結晶成長方法は、以上のように、上記物質が、微小液滴中を自然拡散により移動できる最大距離を示す移動可能最大距離を、下記(1)、(2)、および(3)に示すパラメータから推定する推定工程と、(1)上記物質の結晶が成長することにより、上記物質を含む溶液中の当該物質が消費される速度である物質消費速度;(2)上記物質の拡散が開始されたときの、上記微小液滴に対する上記物質の濃度である物質初期濃度;(3)上記物質の拡散定数;上記推定工程により推定された上記移動可能最大距離に基づく大きさとなるように、上記微小液滴を調製する調製工程と、上記調製工程により調製された上記微小液滴中に、上記物質の結晶を少なくとも1個成長させる成長工程と、を含む方法である。   Further, in the crystal growth method according to the present invention, as described above, the maximum movable distance indicating the maximum distance that the substance can move in the microdroplet by natural diffusion is represented by the following (1), (2), and (3) an estimation step that is estimated from the parameters shown in (3), and (1) a substance consumption rate that is a rate at which the substance in the solution containing the substance is consumed by growing the crystal of the substance; The initial concentration of the substance, which is the concentration of the substance relative to the microdroplets when the diffusion of the substance is started; (3) the diffusion constant of the substance; the size based on the maximum movable distance estimated by the estimation step; The method includes a preparation step of preparing the microdroplet, and a growth step of growing at least one crystal of the substance in the microdroplet prepared by the preparation step.

それゆえ、本発明の結晶成長用容器および結晶取得方法では、微小液滴中に少なくとも1個の物質の結晶を、効率よく成長させることができる。   Therefore, in the crystal growth container and the crystal acquisition method of the present invention, crystals of at least one substance can be efficiently grown in the microdroplets.

本発明の一実施形態に係る結晶成長用容器の一例を示すものであり、その内部に、成長した物質の結晶を含む微小液滴が配置された様子を示す図である。FIG. 1 is a view showing an example of a crystal growth container according to an embodiment of the present invention, and shows a state in which micro droplets containing crystals of a grown substance are arranged therein. 上記結晶成長用容器に接続される液滴調製器具の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the droplet preparation instrument connected to the said container for crystal growth. 上記液滴調製器具の主流路および副流路の構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the structure of the main channel and subchannel of the said droplet preparation instrument. 上記結晶成長用容器に配置された微小液滴中にソーマチンの結晶を成長させたときの、当該結晶の個数についての実験結果の一例を示すものであり、(a)は、上記結晶成長用容器の内径が360μmであるときの実験結果の一例を示すものであり、(b)は、上記結晶成長用容器の内径が200μmであるときの実験結果の一例を示すものであり、(c)は、上記結晶成長用容器の内径が130μmであるときの実験結果の一例を示すものである。FIG. 2 shows an example of an experimental result on the number of crystals when thaumatin crystals are grown in microdroplets arranged in the crystal growth vessel, wherein (a) shows the crystal growth vessel. Shows an example of the experimental result when the inner diameter of the crystal growth is 360 μm, (b) shows an example of the experimental result when the inner diameter of the crystal growth vessel is 200 μm, and (c) An example of the experimental results when the inner diameter of the crystal growth vessel is 130 μm is shown. 上記結晶成長用容器に配置された微小液滴中にリゾチームの結晶を成長させたときの、当該結晶の個数についての実験結果の一例を示すものであり、(a)は、上記結晶成長用容器の内径が360μmであるときの実験結果の一例を示すものであり、(b)は、上記結晶成長用容器の内径が200μmであるときの実験結果の一例を示すものである。FIG. 2 shows an example of an experimental result regarding the number of crystals when a lysozyme crystal is grown in a microdroplet arranged in the crystal growth vessel; FIG. 2 shows an example of an experimental result when the inner diameter of the crystal growth vessel is 360 μm, and FIG. 4B shows an example of the experimental result when the inner diameter of the crystal growth vessel is 200 μm. 本実施形態に係る結晶取得装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the crystal acquisition apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る結晶取得方法において微小液滴の大きさの推定するときのモデルとなる微小球殻の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the microsphere shell used as the model when estimating the magnitude | size of a microdroplet in the crystal | crystallization acquisition method which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る結晶取得装置における処理を含む結晶取得方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the crystal acquisition method including the process in the crystal acquisition apparatus which concerns on this embodiment.

本発明の実施の一形態について図1〜図8に基づいて説明すれば、以下のとおりである。説明の便宜上、図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。   The following describes one embodiment of the present invention with reference to FIGS. For convenience of explanation, members having the same functions as those shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

〔本発明の概要〕
<本発明に至った背景>
本実施形態の結晶成長用容器に配置される微小液滴は、様々な用途に活用される。特に、ドラッグデリバリー、あるいはその他のバイオメディカルの分野において用いられている。これは、例えば、微小液滴をテンプレートとして用いることで、大きさの均一性が高いリポソームを調製したり、高い内包化効率を達成したりするなど、リポソームを高度に制御することができるためである。上記の分野では、このように高度に制御されたリポソームが必要不可欠である。また、微小液滴は、小さな拡散距離、および大きな比表面積という特性を有しているので、その微小液滴中で物質の化学反応を効率よく行わせることができることも、様々な用途に利用される一因である。
[Outline of the Invention]
<Background to the Present Invention>
The microdroplets arranged in the crystal growth container of this embodiment are utilized for various applications. In particular, it is used in drug delivery and other biomedical fields. This is because, for example, by using microdroplets as a template, liposomes with high uniformity in size can be prepared, and liposomes can be highly controlled, such as achieving high encapsulation efficiency. is there. In such a field, such highly controlled liposomes are essential. In addition, since microdroplets have the characteristics of a small diffusion distance and a large specific surface area, the fact that chemical reactions of substances can be performed efficiently in the microdroplets is also used for various applications. It is a cause.

なお、微小液滴を上記の用途に用いるためには、高度に制御された微小液滴を大量に調製する必要がある。このような調製には、単分散で大きさが制御された微小液滴を再現性よく大量に作るための道具として、マイクロ流体の技術(例えばマイクロリアクター)が有用である。   In addition, in order to use microdroplets for the above applications, it is necessary to prepare a large amount of highly controlled microdroplets. For such preparation, a microfluidic technique (for example, a microreactor) is useful as a tool for producing a large amount of monodispersed and controlled-size microdroplets in a reproducible amount.

また、微小液滴は、その強い表面張力により、その内部では、密度差によって駆動される対流(密度差駆動対流)ではなく、マランゴニ対流が支配的な内部流動となるという特徴的な内部流体挙動を示す。   In addition, due to its strong surface tension, the microdroplet is not a convection driven by density difference (density difference driven convection), but a characteristic internal fluid behavior in which Marangoni convection dominates. Indicates.

微小重力環境下では、密度差駆動対流が起こらないため、微小液滴の内部ではマランゴニ対流だけが起こる。そのため、微小重力環境下では、速度論的条件と物質の輸送とが絶妙に制御された環境が物質の結晶成長にもたらされ、結果として、拡散律速による結晶成長が可能となる。そのため、一般的に、宇宙などの微小重力環境下では、大きくて結晶格子の完全性が高い結晶(単結晶)を成長させることが可能である。   In a microgravity environment, density difference driven convection does not occur, so only Marangoni convection occurs inside the microdroplet. Therefore, in a microgravity environment, an environment in which the kinetic conditions and the transport of the material are exquisitely controlled is brought about in the crystal growth of the material, and as a result, the crystal growth by diffusion rate control becomes possible. Therefore, in general, in a microgravity environment such as the universe, it is possible to grow a large crystal (single crystal) with high crystal lattice integrity.

しかし、微小重力環境は、結晶成長にとって好都合なものではあるが、当該環境に簡単に行くことが可能であるわけでもなく、当該環境では、結晶成長に係る実験の時間も制限される。それゆえ、シミュレーション、または、微小重力の代替環境での実験のような、低額でかつ容易に、上記拡散律速による結晶成長を達成する手法が要求されていた。   However, although the microgravity environment is favorable for crystal growth, it is not possible to easily go to the environment, and in this environment, the experiment time for crystal growth is also limited. Therefore, there has been a demand for a technique for achieving crystal growth by the diffusion-controlled method at a low cost and easily, such as a simulation or an experiment in an alternative environment of microgravity.

<本発明の概要>
そこで、本発明者は、地上などの重力環境下での微小液滴と、宇宙などの微小重力下での液滴(必ずしも「微小」ではない)との内部流体挙動の類似性(すなわち、微小液滴中の密度差によって駆動される対流が抑制される点)に着目し、重力環境下において微小重力環境を再現する技術の可能性について研究を行った。その結果、大きくて格子の完全性が高い結晶を得ることが可能な拡散律速による結晶成長を、重力環境下において微小液滴を用いることで成功した。
<Outline of the present invention>
Therefore, the inventor of the present invention has similarities in internal fluid behavior between microdroplets under a gravitational environment such as the ground and microgravities such as space (not necessarily “micro”) (that is, microdroplets). Focusing on the point that the convection driven by the density difference in the droplet is suppressed), we studied the possibility of the technology to reproduce the microgravity environment under the gravity environment. As a result, we have succeeded in diffusion-controlled crystal growth that can obtain large crystals with high lattice integrity by using microdroplets in a gravitational environment.

なお、微小液滴を用いた結晶化方法としては、例えば、表面拡散法、二層流体、容器中での拡散法などが報告されているが、これらの方法では、地上などの重力環境下において、拡散律速による結晶成長を達成することを目的としていなかった。   In addition, as a crystallization method using micro droplets, for example, surface diffusion method, two-layer fluid, diffusion method in a container, etc. have been reported. The goal was not to achieve diffusion-controlled crystal growth.

これらの検討を踏まえ、本発明者は、微小液滴の最長部の長さが、結晶化させる物質の自然拡散により移動できる最大距離を示す移動可能最大距離以下となるように調製された微小液滴を配置した結晶成長用容器を実現するに至った。   Based on these studies, the present inventor has found that the length of the longest part of the microdroplet is a microfluid prepared so as to be not more than the maximum movable distance indicating the maximum distance that can be moved by natural diffusion of the substance to be crystallized. It came to realize the container for crystal growth which arranged the drop.

これにより、この結晶成長用容器の内部には、最長部の長さが最大可能移動距離以下である微小液滴が配置されることになるため、微小液滴中に物質の結晶を効率よく成長させ、かつその個数を少なくとも1個(例えば、1〜3個程度)に抑制することができる。   As a result, microdroplets whose longest part is less than or equal to the maximum possible movement distance are arranged inside the crystal growth container, so that a substance crystal is efficiently grown in the microdroplets. And the number thereof can be suppressed to at least one (for example, about 1 to 3).

また、上記結晶成長用容器においては、拡散律速による結晶成長を達成するために、その微小液滴の大きさが、その微小液滴中の密度差によって駆動される対流が抑制される大きさとなるように調製されている。   Further, in the crystal growth vessel, in order to achieve crystal growth by diffusion rate control, the size of the microdroplet is such that convection driven by the density difference in the microdroplet is suppressed. It is prepared as follows.

さらに、本発明者は、外部と物質の出入りのない「孤立した」微小液滴中での結晶化の背景について理論的な研究を行った。すなわち、本発明者は、上述した微小液滴の内部流体挙動の理論的な考察によって、外部との物質のやり取りのない「孤立した」微小液滴の内部に、少なくとも1個だけ結晶を得ることに注目した。これを実現すべく、本実施形態に係る結晶成長用容器においては、微小液滴の周囲が、当該微小液滴とは相溶でない媒体物質で満たされるように、当該微小液滴が配置されている。   In addition, the present inventor has conducted theoretical research on the background of crystallization in “isolated” microdroplets that are not exposed to or from the outside. That is, the present inventor obtains at least one crystal inside an “isolated” microdroplet that does not exchange substances with the outside by the theoretical consideration of the internal fluid behavior of the microdroplet described above. I paid attention to. In order to achieve this, in the crystal growth container according to the present embodiment, the microdroplets are arranged so that the periphery of the microdroplets is filled with a medium material that is not compatible with the microdroplets. Yes.

また、本発明者は、1つの微小液滴中に1つの結晶を得るための当該結晶の大きさの見積もり(推定)を行い、その結果、その見積もられた大きさと、実際の実験で得られた微小液滴の大きさとが概ね一致することを確認した。   In addition, the present inventor estimates (estimates) the size of the crystal to obtain one crystal in one minute droplet, and as a result, obtains the estimated size and the actual experiment. It was confirmed that the size of the obtained microdroplets almost coincided.

この検討を踏まえ、本発明者は、上記移動可能最大距離を、
(1)上記物質の結晶が成長することにより、上記物質を含む溶液中の当該物質が消費される速度である物質消費速度
(2)上記物質の拡散が開始されたときの、上記微小液滴に対する上記物質の濃度である物質初期濃度
(3)上記物質の拡散定数
に示すパラメータから推定し、その推定した移動可能最大距離に基づく大きさとなるように、微小液滴を調製し、当該微小液滴中に、物質の結晶を少なくとも1個成長させる結晶取得方法を実現するに至った。これにより、単純かつ汎用的に上記移動可能最大距離を推定することができるので、上記結晶の取得を容易に行うことを可能とする。そして、その推定された移動可能最大距離に基づく大きさの微小液滴を調製し、その微小液滴中に少なくとも1個の結晶を成長させることにより、微小液滴中に結晶を効率よく成長させることができる。
Based on this examination, the present inventor has determined the maximum movable distance as described above.
(1) Substance consumption rate, which is the rate at which the substance in the solution containing the substance is consumed as the crystal of the substance grows. (2) The microdroplet when the diffusion of the substance is started. The initial concentration of the substance, which is the concentration of the substance with respect to (3), is estimated from the parameter indicated by the diffusion constant of the substance, and a microdroplet is prepared so as to have a size based on the estimated maximum movable distance. A crystal acquisition method has been realized in which at least one substance crystal is grown in the droplet. As a result, the maximum movable distance can be estimated simply and universally, so that the crystal can be easily obtained. Then, a microdroplet having a size based on the estimated maximum movable distance is prepared, and at least one crystal is grown in the microdroplet, thereby efficiently growing the crystal in the microdroplet. be able to.

また、本発明者は、上記結晶成長用容器に配置した微小液滴中に成長させた、結晶化させる物質の結晶を、結晶の構造を解析する結晶構造解析装置の解析対象とする結晶成長用容器を実現するに至った。   In addition, the present inventor has developed a crystal structure analysis apparatus for analyzing a crystal structure of a crystal of a substance to be crystallized, which has been grown in a microdroplet disposed in the crystal growth container. The container was realized.

一般に、結晶構造解析装置において決定されるタンパクの立体構造は、分子生物学または創薬の分野では、最も基本的で重要な情報源となる。その立体構造の決定の前段階として、結晶を成長させる工程を必要とする。従来は、その結晶を成長させた後、成長させた容器からその結晶を取り出して、結晶構造解析装置の試料台(ゴニオステージ)に載置するという手作業が生じていた。   In general, the three-dimensional structure of a protein determined by a crystal structure analyzer is the most basic and important information source in the field of molecular biology or drug discovery. As a step before the determination of the three-dimensional structure, a step of growing a crystal is required. Conventionally, after the crystal has been grown, manual operation has occurred in which the crystal is taken out from the grown container and placed on the sample stage (gonio stage) of the crystal structure analyzer.

しかし、本実施形態では、上記のように成長させた結晶を含む結晶成長用容器を、結晶構造解析装置の解析対象とすることにより、結晶を取り出すという工程を生じさせることなく、最終的な解析対象である結晶を、結晶構造解析装置に提供することができる。すなわち、微小液滴中に少なくとも1個だけ結晶を成長させ、その結晶を結晶成長用容器から取り出さずにそのまま結晶構造解析装置に提供することが可能となる。   However, in the present embodiment, the crystal growth container including the crystal grown as described above is set as an analysis target of the crystal structure analysis apparatus, so that a final analysis can be performed without causing a step of taking out the crystal. The target crystal can be provided to the crystal structure analysis apparatus. That is, it is possible to grow at least one crystal in a microdroplet and provide it as it is to the crystal structure analysis apparatus without taking it out of the crystal growth container.

また、結晶構造解析において、少なくとも1個の結晶が成長した微小液滴が配置された結晶成長用容器から、当該結晶を取り出さなくてもよいので、当該結晶成長用容器を、その構造解析にも対応可能な「結晶構造解析支援器具」として用いることができる。   In addition, in the crystal structure analysis, it is not necessary to take out the crystal from the crystal growth container in which the microdroplet on which at least one crystal has grown is arranged. It can be used as a compatible “crystal structure analysis support instrument”.

なお、本実施形態の結晶成長用容器に配置された、その大きさが調整された微小液滴では、物質が自然拡散でしか移動しない環境が整うことになる。そのため、その微小液滴の内部で最初の1個の核発生後、物質の濃度勾配を生じさせることができ、その結果、「制御された」過飽和状態の解消を実現することができる。それゆえ、拡散律速により、微小液滴中に結晶を成長させるときに、その微小液滴中に当該結晶を「1個だけ」成長させることも可能となる。   Note that the microdroplet with the adjusted size disposed in the crystal growth container of the present embodiment provides an environment in which the substance moves only by natural diffusion. Therefore, after the first generation of one nucleus inside the microdroplet, a concentration gradient of the substance can be generated, so that the “controlled” supersaturation can be eliminated. Therefore, when a crystal is grown in a microdroplet, it is possible to grow “only one” crystal in the microdroplet by diffusion-controlled.

〔実験系〕
<液滴調製器具>
次に、図2および図3を用いて、本実施形態に係る結晶成長用容器2に配置される微小液滴10を調製する液滴調製器具1について説明する。図2は、結晶成長用容器2に接続される液滴調製器具1の一例を示す図である。また、図3は、液滴調製器具1の主流路1aおよび副流路1bの構成の一例を示す模式図である。
[Experimental system]
<Droplet preparation device>
Next, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, the droplet preparation device 1 for preparing the micro droplets 10 arranged in the crystal growth container 2 according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is a view showing an example of the droplet preparation device 1 connected to the crystal growth vessel 2. FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the main flow path 1 a and the sub flow path 1 b of the droplet preparation device 1.

図2に示すように、液滴調製器具1は、例えば、結晶成長用容器2(キャピラリー)に接続され、微小液滴10(図1参照)を調製して、当該結晶成長用容器2に送液するものである。液滴調製器具1では、微小液滴10を所定の大きさ(移動可能最大距離R以下となるような大きさ)に調製するために、その内部に送液される物質の種類、濃度、流速などが制御される。 As shown in FIG. 2, the droplet preparation device 1 is connected to, for example, a crystal growth container 2 (capillary) to prepare a microdroplet 10 (see FIG. 1) and send it to the crystal growth container 2. It ’s liquid. In the droplet preparation device 1, in order to prepare the micro droplet 10 to a predetermined size (a size that is not more than the maximum movable distance R c ), the type, concentration, The flow rate is controlled.

液滴調製器具1は、例えば、マイクロ流路デバイスにより実現されている。本実施形態では、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)からなるマイクロ流路デバイスが使用される。その構造は、従来から用いられているマイクロ流路デバイスと同様であるので、ここではその具体的な説明は省略する。   The droplet preparation instrument 1 is realized by, for example, a microchannel device. In the present embodiment, for example, a microchannel device made of polydimethylsiloxane (PDMS) is used. Since the structure is the same as that of a conventionally used microchannel device, a specific description thereof is omitted here.

また、図3に示すように、液滴調製器具1は、少なくとも主流路1aおよび副流路1bを備えている。物質の結晶11(図1参照)をその内部に少なくとも1つ成長させることが可能な微小液滴10を調製するために、副流路1bから、結晶化させる物質を含む溶液、沈殿剤溶液およびフッ化物系オイルが送液される。結晶化させる物質を含む溶液および沈殿剤溶液は、互いに相溶であり、合体することにより微小液滴10が調製される。また、フッ化物系オイルは、微小液滴10とは相溶でない媒体物質として機能する。このため、フッ化物系オイルは、調製された微小液滴10の周囲を取り囲むことができ、微小液滴10を「孤立した」状態で結晶成長用容器2の内部に配置することを可能にする。   Moreover, as shown in FIG. 3, the droplet preparation device 1 includes at least a main channel 1a and a sub channel 1b. In order to prepare a microdroplet 10 in which at least one crystal 11 of the substance (see FIG. 1) can be grown, a solution containing the substance to be crystallized, a precipitant solution, and Fluoride oil is fed. The solution containing the substance to be crystallized and the precipitant solution are compatible with each other, and the microdroplets 10 are prepared by combining. Further, the fluoride-based oil functions as a medium substance that is not compatible with the microdroplets 10. For this reason, the fluoride-based oil can surround the periphery of the prepared microdroplet 10 and enables the microdroplet 10 to be placed inside the crystal growth container 2 in an “isolated” state. .

具体的には、複数の副流路1bのうち、結晶成長用容器2に接続される側の副流路1bからフッ化物系オイルが送液され、結晶成長用容器2に接続される側から離れた位置に設けられている副流路1bから、上記結晶化される溶液および沈殿剤溶液が送液される。図3に示す例では、当該溶液としてはタンパク質溶液が送液されている。   Specifically, among the plurality of sub-channels 1b, fluoride-based oil is fed from the sub-channel 1b on the side connected to the crystal growth vessel 2, and from the side connected to the crystal growth vessel 2 The solution to be crystallized and the precipitant solution are sent from the sub-flow channel 1b provided at a distant position. In the example shown in FIG. 3, a protein solution is fed as the solution.

なお、上記の微小液滴10と相溶でない媒体物質は、微小液滴10の「孤立した」状態を実現可能であれば、フッ化物系オイルに限られないが、上記結晶化される溶液および沈殿剤溶液と極端に大きな密度差がないことが好ましい。   Note that the medium substance that is not compatible with the microdroplet 10 is not limited to fluoride-based oil as long as it can realize the “isolated” state of the microdroplet 10, but the crystallized solution and It is preferred that there is no extremely large density difference from the precipitant solution.

複数の副流路1bは、主流路1aに接続され、その主流路1aの一端が結晶成長用容器2に接続される。これにより、副流路1bから各種材料(各種溶液)が送液されることにより、主流路1aにおいて微小液滴10が調製される。なお、本実施形態では、微小液滴10が液滴調製器具1の内部で所定の大きさになる調整され、結晶成長用容器2に送液されるものとして説明するが、これに限らず、液滴調製器具1に接続された結晶成長用容器2において、微小液滴10が所定の大きさとなるまで調製されてもよい。   The plurality of sub-channels 1b are connected to the main channel 1a, and one end of the main channel 1a is connected to the crystal growth vessel 2. As a result, various materials (various solutions) are fed from the sub-channel 1b, whereby the micro droplet 10 is prepared in the main channel 1a. In the present embodiment, it is assumed that the micro droplet 10 is adjusted to have a predetermined size inside the droplet preparation instrument 1 and is sent to the crystal growth container 2, but not limited thereto. In the crystal growth vessel 2 connected to the droplet preparation device 1, the microdroplet 10 may be prepared until it reaches a predetermined size.

図3に示す例では、主流路1aの断面(各種材料が流れる方向に対して垂直な面)は、結晶成長用容器2に接続される一端の断面が100μm×200μmの長方形、それ以外の部分が100μm×100μmの正方形となっている。また、副流路1bの断面も、100μm×100μmの正方形となっている。結晶成長用容器2に接続される一端の断面が、それ以外の部分の断面に比べて大きいのは、各種材料の結晶成長用容器2への送液を容易にするためである。   In the example shown in FIG. 3, the cross section of the main channel 1a (the plane perpendicular to the direction in which various materials flow) is a rectangle whose one end connected to the crystal growth vessel 2 is a rectangle of 100 μm × 200 μm, and other portions. Is a square of 100 μm × 100 μm. The cross section of the sub-channel 1b is also a square of 100 μm × 100 μm. The reason why the cross section of one end connected to the crystal growth container 2 is larger than the cross section of the other part is to facilitate feeding of various materials to the crystal growth container 2.

なお、副流路1bの設け方、副流路1bの個数、副流路1bと送液される材料との関係(どの副流路1bからどの材料が送液されるか)、並びに、主流路1aおよび副流路1bの寸法は、あくまで一例であって、物質の結晶11をその内部に少なくとも1つ成長させることが可能な微小液滴10を調製できる構成であれば、これらに限定されない。   In addition, how to provide the sub-channel 1b, the number of sub-channels 1b, the relationship between the sub-channel 1b and the material to be sent (which sub-channel 1b sends which material), and the mainstream The dimensions of the channel 1a and the subchannel 1b are merely examples, and are not limited to these as long as the microdroplet 10 capable of growing at least one substance crystal 11 therein can be prepared. .

<結晶成長用容器>
次に、図1を用いて、本実施形態に係る結晶成長用容器2について説明する。図1は、結晶成長用容器2の一例を示すものであり、その内部に、成長した物質の結晶11を含む微小液滴10が配置された様子を示す図である。
<Crystal growth container>
Next, the crystal growth container 2 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows an example of a crystal growth container 2, and shows a state in which minute droplets 10 containing a crystal 11 of a grown substance are arranged therein.

結晶成長用容器2は、物質の結晶11を成長させるためのものであって、その内部に、結晶化させる物質を含む溶液の微小液滴10が配置(配列)されているものである。また、配置された微小液滴10の最長部の長さが、移動可能最大距離R以下となるような大きさに調製されている。 The crystal growth container 2 is used for growing a crystal 11 of a substance, and a microdroplet 10 of a solution containing the substance to be crystallized is arranged (arranged) therein. The length of the longest portion of the deployed microdroplets 10 are prepared on a movable maximum distance R c below become such magnitude.

本実施形態では、結晶成長用容器2は、テフロン(登録商標)からなるキャピラリー(テフロンキャピラリーチューブ)であり、図1に示す例では、その内径が200μmである。以下の実験例では、4つの異なる内径(130、200、360および500μm)を有する円筒状のキャピラリーが結晶成長用容器2として用いられている。なお、どの内径を有する結晶成長用容器2を用いたとしても、接続される液滴調製器具1の大きさは共通である。   In the present embodiment, the crystal growth container 2 is a capillary (Teflon capillary tube) made of Teflon (registered trademark), and in the example shown in FIG. 1, its inner diameter is 200 μm. In the following experimental examples, a cylindrical capillary having four different inner diameters (130, 200, 360, and 500 μm) is used as the crystal growth vessel 2. Note that, regardless of the inner diameter of the crystal growth container 2, the size of the droplet preparation device 1 to be connected is the same.

また、図1に示す例では、3つの微小液滴10が配置されている。また、その形状は略「真球」であり、結晶成長用容器2の内径と略同一の直径を有している。すなわち、微小液滴10が配置される、結晶成長用容器2の内部の最短部の長さは、微小液滴10の最長部の長さと同一となっている。そして、その微小液滴10の内部には、結晶11が成長している。   In the example shown in FIG. 1, three micro droplets 10 are arranged. Further, the shape is substantially “spherical” and has a diameter substantially the same as the inner diameter of the crystal growth vessel 2. That is, the length of the shortest portion inside the crystal growth container 2 where the microdroplet 10 is disposed is the same as the length of the longest portion of the microdroplet 10. A crystal 11 grows inside the microdroplet 10.

なお、その形状は、真球に限られることはなく、細長い形状であってもよい。なお、本実施形態に係る「移動可能最大距離R」は、真球の微小液滴10に対して定義される場合、その「直径」ではなく「半径」を指すものとなる。 The shape is not limited to a true sphere, and may be an elongated shape. Note that the “maximum movable distance R c ” according to the present embodiment refers to the “radius”, not the “diameter”, when defined for the true micro droplet 10.

<実施例>
次に、上述した液滴調製器具1および結晶成長用容器2を用いて、微小液滴10が調製され、その内部に結晶11を成長させたときの一実施例(実験例)を説明する。なお、以下に説明する実施例は、あくまで一実施例であって、本実施形態の液滴調製器具1、結晶成長用容器2およびこれらを利用した結晶取得方法を限定的に解釈させるものではない。また、以下では、液滴調製器具1と結晶成長用容器2とが接続されているものとして説明する。
<Example>
Next, an example (experimental example) when the microdroplet 10 is prepared using the above-described droplet preparation device 1 and the crystal growth container 2 and the crystal 11 is grown therein will be described. In addition, the Example described below is only an example, and does not cause the droplet preparation instrument 1, the crystal growth container 2, and the crystal acquisition method using them to be interpreted in a limited manner. . In the following description, it is assumed that the droplet preparation device 1 and the crystal growth container 2 are connected.

この実施例では、結晶化させる物質として、タンパク質が用いられる。タンパク質の拡散定数Dを用いて(すなわち、後述の式(6)を用いて)推定される移動可能最大距離Rは、微小液滴10中の密度差駆動対流を効率よく抑制できる値に近い。それゆえ、結晶化させる物質としてタンパク質を用いた場合、上記推定値から微小液滴10を調製することができるので、タンパク質の、微小液滴10中での上記対流を効率よく抑制でき、拡散律速による結晶成長を達成しやすくすることができる。そして、タンパク質に関する実験は、特にバイオメディカルの分野において数多く行われている。それゆえ、結晶成長用容器2は、特にバイオメディカルの分野において有効に適用することができる。 In this embodiment, protein is used as the substance to be crystallized. The maximum movable distance R c estimated using the protein diffusion constant D (that is, using the equation (6) described later) is close to a value that can efficiently suppress density difference-driven convection in the microdroplet 10. . Therefore, when protein is used as the substance to be crystallized, the microdroplet 10 can be prepared from the estimated value. Therefore, the convection of the protein in the microdroplet 10 can be efficiently suppressed, and the diffusion rate is controlled. The crystal growth due to can be easily achieved. Many experiments on proteins have been carried out especially in the field of biomedical. Therefore, the crystal growth container 2 can be effectively applied particularly in the biomedical field.

この実験では、ソーマチンというタンパク質をモデルとしている。これは、ソーマチンが典型的に当該モデルとして多用され、マクロスケールでの結晶化、その速度論解析などにおいて、非常によく研究されているためである。また、液滴調製器具1としては、PDMSからなるマイクロ流体デバイス、結晶成長用容器2としては、テフロンキャピラリーチューブを使用した。テフロンキャピラリーチューブは、4つの異なる内径(130、200、360および500μm)を有するものを準備することにより、その4つの異なる内径にあわせて「真球の」微小液滴10が調製された。   This experiment uses a protein called thaumatin as a model. This is because thaumatin is typically used extensively as the model and is very well studied in crystallization on a macro scale, kinetic analysis, and the like. Further, a microfluidic device made of PDMS was used as the droplet preparation instrument 1, and a Teflon capillary tube was used as the crystal growth container 2. By preparing Teflon capillary tubes having four different inner diameters (130, 200, 360 and 500 μm), “spherical” microdroplets 10 were prepared for the four different inner diameters.

また、液滴調製器具1の副流路1bから、タンパク質溶液および沈殿剤溶液が送液され、主流路1aから、フッ化物系オイルが送液される。タンパク質溶液は、20mg/mLの濃度のソーマチンを、100mMのN−(2−アセトアミド)イミノ2酢酸(ADA)緩衝溶液(pH6.5)に溶解したものである。沈殿剤溶液は、1.6Mの酒石酸カリウムナトリウムを、50mMの4−(2−ヒドロキシエチル)−1−ピペラジンエタンスルホン酸(HEPES)緩衝溶液(pH7.0)に溶解したものである。また、フッ化物系オイルは、フッ素系不活性液体(住友スリーエム製のフロリナート(登録商標))と、1H,1H,2H,2H−ペルフルオロ−1−オクタノールとを、10:1の体積比で混合したものである。   Further, the protein solution and the precipitant solution are sent from the sub-flow channel 1b of the droplet preparation device 1, and the fluoride-based oil is sent from the main flow channel 1a. The protein solution is prepared by dissolving thaumatin having a concentration of 20 mg / mL in 100 mM N- (2-acetamido) iminodiacetic acid (ADA) buffer solution (pH 6.5). The precipitant solution is a solution of 1.6 M potassium sodium tartrate dissolved in 50 mM 4- (2-hydroxyethyl) -1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES) buffer solution (pH 7.0). Fluoride-based oil is a mixture of fluorine-based inert liquid (Fluorinert (registered trademark) manufactured by Sumitomo 3M) and 1H, 1H, 2H, 2H-perfluoro-1-octanol in a volume ratio of 10: 1. It is a thing.

副流路1bから送液されたタンパク質溶液と沈殿剤溶液とは、主流路1aにおいて合流し、互いに混ざり合って、当該主流路1a中で1つの微小液滴10となる。タンパク溶液と沈殿剤溶液とは略同一の流速となるように制御される。また、フッ化物系オイルは、調製される微小液滴10の周囲を取り囲み、当該微小液滴10の「孤立した」状態を実現するために、タンパク質溶液および沈殿剤溶液が送液される副流路1bとは異なる2つの副流路1bから送液される。フッ化物系オイルについても、上記流速と略同一の流速となるように制御される。そして、これらの流速を微調整することにより、真球の微小液滴10を調製した。   The protein solution and the precipitant solution sent from the sub-channel 1b merge in the main channel 1a and mix with each other to form one micro droplet 10 in the main channel 1a. The protein solution and the precipitant solution are controlled to have substantially the same flow rate. In addition, the fluoride oil surrounds the microdroplet 10 to be prepared, and in order to realize the “isolated” state of the microdroplet 10, a side stream to which the protein solution and the precipitant solution are fed Liquid is fed from two sub-channels 1b different from the channel 1b. The fluoride oil is also controlled to have a flow rate substantially the same as the above flow rate. Then, by finely adjusting these flow velocities, true spherical microdroplets 10 were prepared.

所定の大きさに調製された微小液滴10が結晶成長用容器2に送液される、あるいは結晶成長用容器2にて所定の大きさの微小液滴10が調製されることにより、結晶成長用容器2の内部に配置される。所定の大きさの微小液滴10が配置された後、上記材料の送液を中止し、結晶成長用容器2を液滴調製器具1から取り外し、その両端をワックスにて封止した。そして、微小液滴10が配置された結晶成長用容器2を約4℃で保管し、当該微小液滴10中でタンパク質の結晶成長が完了するまでの間、撮像装置による撮像を行うことで、当該結晶成長の過程を観察した。   Crystal droplet growth is carried out by supplying a microdroplet 10 having a predetermined size to the crystal growth vessel 2 or by preparing a microdroplet 10 having a predetermined size in the crystal growth vessel 2. It is arranged inside the container 2 for use. After the minute droplets 10 of a predetermined size were placed, the liquid feeding of the material was stopped, the crystal growth container 2 was removed from the droplet preparation device 1, and both ends thereof were sealed with wax. Then, the crystal growth container 2 in which the microdroplets 10 are arranged is stored at about 4 ° C., and imaging by the imaging device is performed until the protein crystal growth in the microdroplets 10 is completed. The crystal growth process was observed.

<実験結果>
上記実験において調製された微小液滴10は、その強い表面張力により、自然に歪んで潰れてしまうようなことはなかった。また、結晶成長用容器2の内部に微小液滴10が配置され、結晶11が成長し始めてから、その成長が止まるまで、おおよそ数時間かかった。
<Experimental result>
The microdroplets 10 prepared in the above experiment were not naturally distorted and crushed by the strong surface tension. Also, it took approximately several hours from the time when the microdroplet 10 was placed inside the crystal growth vessel 2 and the crystal 11 began to grow until the growth stopped.

ここで、上記実験は、上記4つの結晶成長用容器2について行われた。それぞれの結晶成長用容器2に配置された、100〜200個の微小液滴10を観察し、その微小液滴10中で成長した結晶11の数を数えた。その結果が表1に示されている。なお、表1においては、結晶11の数を、上記複数の微小液滴10で観察された数の平均値±標準偏差で示している。   Here, the experiment was performed on the four crystal growth containers 2. 100 to 200 microdroplets 10 arranged in each crystal growth container 2 were observed, and the number of crystals 11 grown in the microdroplets 10 was counted. The results are shown in Table 1. In Table 1, the number of crystals 11 is shown as an average value ± standard deviation of the numbers observed in the plurality of microdroplets 10.

表1に示すように、360μm、200μm、130μmの内径を有する結晶成長用容器2のそれぞれに配置された微小液滴10中(この実験では、当該内径と微小液滴10の直径とが略同一)には、およそ1個の結晶11を確認できた。一方、500μmの内径を有する結晶成長用容器2に配置された微小液滴10中には、およそ2個の結晶11を確認できた。   As shown in Table 1, in the microdroplet 10 disposed in each of the crystal growth containers 2 having an inner diameter of 360 μm, 200 μm, and 130 μm (in this experiment, the inner diameter and the diameter of the microdroplet 10 are substantially the same. ), About one crystal 11 was confirmed. On the other hand, approximately two crystals 11 were confirmed in the microdroplet 10 disposed in the crystal growth vessel 2 having an inner diameter of 500 μm.

<アブラミの式による結晶成長の検討>
ここで、結晶成長の機構を検討するため、結晶成長の速度論解析に用いられるアブラミの式による解析を行った。ここで、式(1)において、αは結晶11の成長割合(α=1は結晶成長終了、α=0は結晶11が生じる前、すなわちすべてのタンパク質が溶液中に溶けている状態)、kは結晶化の速度定数、tは結晶成長にかかる時間を示す。また、アブラミ指数mは、核発生と結晶成長との基本的な情報を反映するものである。
<Investigation of crystal growth by Abram's formula>
Here, in order to examine the mechanism of crystal growth, analysis was performed using the Arami equation used for kinetic analysis of crystal growth. Here, in the formula (1), α is the growth rate of the crystal 11 (α = 1 is the end of crystal growth, α = 0 is before the crystal 11 is formed, that is, all the proteins are dissolved in the solution), k Is the rate constant of crystallization, and t is the time taken for crystal growth. Abram index m reflects basic information on nucleation and crystal growth.

この検討においては、360μmの直径を有する微小液滴10、200μmの直径を有する微小液滴10、130μmの直径を有する微小液滴10について、それぞれ約10個の微小液滴10中における結晶成長の過程を観察した。そして、結晶成長にかかった時間と結晶11の大きさとから、アブラミ指数mを求めた。その結果、アブラミ指数mは、微小液滴10がいずれの直径の場合であっても、1.5程度となった。   In this study, the crystal growth of about 10 microdroplets 10 each of a microdroplet 10 having a diameter of 360 μm, a microdroplet 10 having a diameter of 200 μm, and a microdroplet 10 having a diameter of 130 μm. The process was observed. Then, the Abram index m was determined from the time taken for crystal growth and the size of the crystal 11. As a result, the Abram's index m was about 1.5 regardless of the diameter of the micro droplet 10.

上述のソーマチンを用いた実験では、微小液滴10中で成長した結晶11が、見た目で明らかに3次元的なものであったことから、m≒1.5が示す意味は、核発生速度が無限大であること、かつ拡散律速による結晶成長であることを意味する。「核発生速度が無限大である」という結果は、1つの結晶11が1つの微小液滴10中に発生し、成長するという結果と一致している。また、「拡散律速による結晶成長」という結果は、微小液滴10中の密度差による対流が十分に抑えられていることを意味する。   In the experiment using thaumatin as described above, the crystal 11 grown in the microdroplet 10 was apparently three-dimensional, so m≈1.5 indicates that the nucleus generation rate is It means infinite and crystal growth by diffusion rate control. The result that “the nucleation rate is infinite” is consistent with the result that one crystal 11 is generated and grown in one microdroplet 10. Further, the result of “crystal growth by diffusion rate control” means that convection due to the density difference in the microdroplets 10 is sufficiently suppressed.

<更なる実験例>
(ソーマチンの場合)
次に、図4を用いて、結晶化させる物質としてソーマチンを用いた場合の更なる実験結果の一例について説明する。図4の(a)は、結晶成長用容器2の内径が360μmであるときの実験結果の一例、(b)は、結晶成長用容器2の内径が200μmであるときの実験結果の一例、(c)は、結晶成長用容器2の内径が130μmであるときの実験結果の一例を、それぞれ示すものである。
<Further experimental examples>
(In the case of thaumatin)
Next, an example of further experimental results when thaumatin is used as the substance to be crystallized will be described with reference to FIG. 4A shows an example of an experimental result when the inner diameter of the crystal growth container 2 is 360 μm, and FIG. 4B shows an example of an experimental result when the inner diameter of the crystal growth container 2 is 200 μm. c) shows an example of each experimental result when the inner diameter of the crystal growth vessel 2 is 130 μm.

図4は、上記表1と同様、1個の微小液滴10中で成長する結晶11の個数と、微小液滴10の大きさに関する値とを示すものである。更なる実験例についても、上述した実験例と同様の手順で実験を行ったが、微小液滴10の形状が真球形状に限らず、非真球形状(細長い形状)となるように調製されたものも含まれる。   FIG. 4 shows the number of crystals 11 grown in one microdroplet 10 and the value related to the size of the microdroplet 10 as in Table 1 above. For the further experimental example, the experiment was performed in the same procedure as the above-described experimental example. However, the shape of the microdroplet 10 is not limited to a true spherical shape, and is prepared to be a non-spherical shape (elongate shape). Also included.

例えば、図4の(a)では、実験結果(ア)〜(オ)を得た。実験結果(ア)の場合、微小液滴10の体積が最も大きく、横長(細長い形状)の微小液滴10が確認できた。そして、その微小液滴10中の結晶11の個数は約3個であった。一方、実験結果(オ)の場合、微小液滴10の体積が最も小さく、略真球の微小液滴10を確認できた。そして、その微小液滴10中の結晶11の個数は約1個であった。   For example, in FIG. 4A, experimental results (a) to (e) were obtained. In the case of the experimental result (A), the volume of the microdroplet 10 was the largest, and a horizontally long (elongated shape) microdroplet 10 was confirmed. The number of crystals 11 in the microdroplet 10 was about three. On the other hand, in the case of the experimental result (e), the volume of the micro droplet 10 was the smallest, and a substantially spherical micro droplet 10 was confirmed. The number of crystals 11 in the microdroplet 10 was about one.

つまり、真球に近い形状に微小液滴10ほど、その体積が小さい、すなわち移動可能最大距離Rよりも小さな液滴であるがゆえ、微小液滴10中に1個の結晶11を成長させやすいといえる。微小液滴10それぞれは、「孤立した」状態で結晶成長用容器2に配置されているので、その微小液滴10に1個の結晶11だけが成長している状態であれば、それだけ結晶11の解析を容易に行うことができる。一方、微小液滴10中に結晶11が例えば2〜3個(すなわち、複数個)含まれていても、結晶11の解析に支障がない場合には、微小液滴10の体積を大きく(すなわち、非真球形状に)成長させてもよい。 That is, the smaller the droplet 10 is, the smaller the volume is, that is, the smaller the movable maximum distance R c , the smaller the droplet 10 having a shape close to a true sphere. Therefore, one crystal 11 is grown in the droplet 10. It can be said that it is easy. Since each of the microdroplets 10 is arranged in the crystal growth container 2 in an “isolated” state, if only one crystal 11 is growing on the microdroplet 10, the crystal 11 is increased accordingly. Can be easily analyzed. On the other hand, if there is no problem in the analysis of the crystal 11 even if the microdroplet 10 includes, for example, two to three (that is, a plurality of) crystals 11, the volume of the microdroplet 10 is increased (that is, , In a non-spherical shape).

また、上記表1の結果は、内径500μmの結晶成長用容器2においてその内径にあわせて微小液滴10が調製された場合、真球の微小液滴10を得ることはできなかったことを示している。これは、短軸の長さが500μmを超える液滴では、比表面積の減少により、相対的に表面張力が減少し、自重によって液滴がひずむため、真球形状の液滴を得ることができなかったためと考えられる。したがって、この結果は、その長さが500μmを超えるような微小液滴10においては、真球の微小液滴10を得ることはできないことを意味する。   In addition, the results in Table 1 above show that when the microdroplet 10 was prepared in accordance with the inner diameter of the crystal growth container 2 having an inner diameter of 500 μm, a true microdroplet 10 could not be obtained. ing. This is because a droplet with a short axis exceeding 500 μm has a relatively small surface tension due to a decrease in specific surface area, and the droplet is distorted by its own weight, so that a true spherical droplet can be obtained. It is thought that there was not. Therefore, this result means that a true micro droplet 10 cannot be obtained with a micro droplet 10 having a length exceeding 500 μm.

また、図4(b)および(c)に示すように、200μmおよび130μmの内径を有する結晶成長用容器2のそれぞれについても、上記と同様、その内部に配置された微小液滴10の体積が大きければ、その内部で成長する結晶11の個数が多くなる(図4の(b)および(c)それぞれの実験結果(ア)を参照)。一方、微小液滴10の体積が小さくなるほど、その内部で成長する個数も減り、真球に近い形状である場合には、その内部に成長する結晶11の個数を約1個に制御することができる(図4の(b)の実験結果(コ)、(c)の実験結果(イ)を参照)。   Further, as shown in FIGS. 4B and 4C, each of the crystal growth containers 2 having an inner diameter of 200 μm and 130 μm also has a volume of the microdroplet 10 disposed therein as described above. If it is larger, the number of crystals 11 that grow inside increases (see (b) and (c) of each experimental result (a) in FIG. 4)). On the other hand, the smaller the volume of the microdroplet 10 is, the fewer the number of crystals that grow inside it is. When the shape is close to a true sphere, the number of crystals 11 that grow inside it can be controlled to about one. (See the experimental result (co) in FIG. 4B and the experimental result (b) in (c)).

(リゾチームの場合)
次に、図5を用いて、結晶化させる物質としてリゾチームを用いた場合の更なる実験結果の一例について説明する。
(In the case of lysozyme)
Next, an example of further experimental results when lysozyme is used as a substance to be crystallized will be described with reference to FIG.

図5は、上記ソーマチンと同様、1個の微小液滴10中で成長する結晶11の個数と、微小液滴10の大きさに関する値とを示すものである。また、図5は、ソーマチンと同様の手順で実験を行った場合の実験結果を示している。   FIG. 5 shows the number of crystals 11 grown in one microdroplet 10 and the value related to the size of the microdroplet 10 as in the case of thaumatin. Moreover, FIG. 5 has shown the experimental result at the time of experimenting in the procedure similar to thaumatin.

例えば、図5の(a)(内径が360μmの場合)では、実験結果(ア)および(イ)を得た。両結果とも、微小液滴10の体積が小さく、略真球の微小液滴10を確認できた。そして、その微小液滴10中の結晶11の個数は約1〜2個であった。また、図5の(b)(内径が200μmの場合)では、実験結果(ア)および(イ)を得た。実験結果(ア)では、微小液滴10中の結晶11の個数は約1〜2個であり、実験結果(イ)では、その微小液滴10中の結晶11の個数は約1個に満たなかった。   For example, in FIG. 5A (when the inner diameter is 360 μm), experimental results (a) and (b) were obtained. In both results, the volume of the microdroplet 10 was small, and a substantially spherical microdroplet 10 was confirmed. The number of crystals 11 in the microdroplet 10 was about 1 to 2. In FIG. 5B (when the inner diameter is 200 μm), experimental results (a) and (b) were obtained. In the experimental result (a), the number of the crystals 11 in the microdroplet 10 is about 1 to 2, and in the experimental result (a), the number of the crystals 11 in the microdroplet 10 is about one. There wasn't.

この結果から、ソーマチンと同様、所定の大きさ(少なくとも直径200〜360μmの大きさ)の微小液滴10中に約1個の結晶11を成長させることができるがわかる。すなわち、本実施形態の結晶成長用容器2は、ソーマチン以外の物質の結晶化においても、所定の大きさを有する微小液滴10を配置することにより、密度差駆動対流が抑制された結果としての拡散律速による結晶成長を実現することができるとともに、その微小液滴10中に少なくとも1個の物質の結晶を成長させることができる。   From this result, it can be seen that, like thaumatin, about one crystal 11 can be grown in a microdroplet 10 having a predetermined size (at least 200 to 360 μm in diameter). That is, the crystal growth container 2 of the present embodiment is the result of density difference-driven convection being suppressed by arranging the microdroplets 10 having a predetermined size even in the crystallization of substances other than thaumatin. Crystal growth by diffusion rate control can be realized, and a crystal of at least one substance can be grown in the microdroplet 10.

〔結晶取得装置および結晶取得方法〕
次に、図6および図7を用いて、結晶取得装置3の構成について説明する。図6は、本実施形態に係る結晶取得装置3の構成の一例を示すブロック図である。また、図7は、微小液滴10の大きさの推定するときのモデルとなる微小球殻の一例を示す図である。
[Crystal acquisition device and crystal acquisition method]
Next, the configuration of the crystal acquisition device 3 will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of the crystal acquisition device 3 according to this embodiment. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a microspherical shell that serves as a model for estimating the size of the microdroplet 10.

図6に示すように、結晶取得装置3は、物質の結晶11を取得するための装置であり、例えば、制御部4、記憶部5および操作部6を備えている。結晶取得装置3は、液滴調製器具1および結晶成長用容器2とともに、物質の結晶11を取得するための結晶取得システム20に含まれ、液滴調製器具1と接続され、各種溶液の流速などを調整することにより、当該溶液への液滴調製器具1の送液を制御するものである。   As illustrated in FIG. 6, the crystal acquisition device 3 is a device for acquiring a crystal 11 of a substance, and includes, for example, a control unit 4, a storage unit 5, and an operation unit 6. The crystal acquisition device 3 is included in the crystal acquisition system 20 for acquiring the substance crystal 11 together with the droplet preparation device 1 and the crystal growth container 2, and is connected to the droplet preparation device 1, and the flow rates of various solutions, etc. Is adjusted to control liquid feeding of the droplet preparation device 1 to the solution.

制御部4は、例えば制御プログラムを実行することにより、結晶取得装置3を構成する部材を制御するものである。制御部4は、記憶部5に格納されているプログラムを、例えばRAM(Random Access Memory)等で構成される一次記憶部(不図示)に読み出して実行することにより、例えば、微小液滴10の移動可能最大距離Rの算出処理などの各種処理を行う。なお、移動可能最大距離Rは、最大距離推定部42により推定される値である。 The control part 4 controls the member which comprises the crystal acquisition apparatus 3, for example by running a control program. The control unit 4 reads the program stored in the storage unit 5 into a primary storage unit (not shown) configured by, for example, a RAM (Random Access Memory), for example, and executes the program, for example, It performs various processing such as calculation processing movable maximum distance R c. Note that the maximum movable distance R c is a value estimated by the maximum distance estimation unit 42.

記憶部5は、制御部4が実行する(1)各部の制御プログラム、(2)OSプログラム、(3)アプリケーションプログラム、および、(4)これらプログラムを実行するときに読み出す各種データを記録するものである。制御部4は、例えばROM(Read Only Memory)フラッシュメモリなどの不揮発性の記憶装置によって構成されるものである。なお、上述した一次記憶部は、RAMなどの揮発性の記憶装置によって構成されているが、本実施形態では、記憶部5が一次記憶部の機能も備えているものとして説明する場合もある。記憶部5は、例えば、移動可能最大距離Rを算出するときに使用する数式などの各種データを格納している。 The storage unit 5 records (1) a control program for each unit executed by the control unit 4, (2) an OS program, (3) an application program, and (4) various data read when these programs are executed. It is. The control unit 4 is configured by a non-volatile storage device such as a ROM (Read Only Memory) flash memory. The primary storage unit described above is configured by a volatile storage device such as a RAM. However, in the present embodiment, the storage unit 5 may be described as having the function of a primary storage unit. Storage unit 5 stores, for example, various data such as a formula that used when calculating the movable maximum distance R c.

操作部6は、結晶成長用容器2に配置された微小液滴10中に物質の結晶11を取得するために、結晶取得装置3を操作する操作者が、結晶取得装置3に必要なデータを入力するために用いられるものであり、例えばキーボード、マウスなどで実現されている。その必要なデータとしては、例えば、最大距離推定部42にて用いられる各種パラメータの値が挙げられる。   The operation unit 6 allows an operator operating the crystal acquisition device 3 to acquire data necessary for the crystal acquisition device 3 in order to acquire the crystal 11 of the substance in the microdroplet 10 disposed in the crystal growth container 2. It is used for input, and is realized by, for example, a keyboard or a mouse. Examples of the necessary data include values of various parameters used in the maximum distance estimation unit 42.

なお、操作部6は、結晶取得装置3とは異なる外部装置によって実現されていてもよい。この場合、結晶取得装置3のパラメータ取得部41は、操作部6を介して取得した各種パラメータの値を、無線または有線通信媒体を介して取得してもよい。   The operation unit 6 may be realized by an external device different from the crystal acquisition device 3. In this case, the parameter acquisition unit 41 of the crystal acquisition device 3 may acquire the values of various parameters acquired via the operation unit 6 via a wireless or wired communication medium.

次に、制御部4の構成について説明する。制御部4は、主として、パラメータ取得部41、最大距離推定部42および液滴調製制御部43を備えている。   Next, the configuration of the control unit 4 will be described. The control unit 4 mainly includes a parameter acquisition unit 41, a maximum distance estimation unit 42, and a droplet preparation control unit 43.

パラメータ取得部41は、最大距離推定部42が移動可能最大距離Rを推定する(算出する)際に用いる各種パラメータを取得するものである。例えば、パラメータ取得部41が取得する各種パラメータの値は、制御部4が、その推定に必要となる各種パラメータの入力を促す入力画面を表示部(不図示)に表示させ、その入力画面に操作者が入力したものである。パラメータ取得部41は、これらの値を記憶部5に一時保存する。 Parameter acquisition unit 41 is for acquiring various parameters used when the maximum distance estimation unit 42 estimates the movable maximum distance R c (calculated). For example, the values of various parameters acquired by the parameter acquisition unit 41 are displayed on the display unit (not shown) that prompts the control unit 4 to input various parameters necessary for the estimation, and the input screen is operated. Entered by the user. The parameter acquisition unit 41 temporarily stores these values in the storage unit 5.

パラメータ取得部41が取得する各種パラメータとしては、
(1)物質の結晶11が成長することにより、物質を含む溶液中で当該物質が消費される速度である物質消費速度q
(2)物質の拡散が開始されたときの、微小液滴10に対する物質の濃度である物質初期濃度C
(3)物質の拡散定数D
の3つが挙げられる。上記(1)〜(3)のパラメータは、あくまで一例であって、例えば、最大距離推定部42が、以下に示す方法以外の方法にて移動可能最大距離Rを推定する場合には、他のパラメータが取得されてもよい。例えば、パラメータ取得部41は、物質消費速度として、一定値としての物質消費速度(以下の式(6)の「q」)ではなく、実際の物質消費速度−r、および結晶成長にかかった時間を取得してもよい。
As various parameters acquired by the parameter acquisition unit 41,
(1) Substance consumption rate q, which is the rate at which the substance is consumed in the solution containing the substance by the growth of the substance crystal 11
(2) Material initial concentration C 0 which is the concentration of the substance with respect to the microdroplet 10 when the substance diffusion is started
(3) Diffusion constant D of the substance
There are three. The parameters (1) to (3) are merely examples. For example, when the maximum distance estimation unit 42 estimates the maximum movable distance Rc by a method other than the method described below, The parameters may be acquired. For example, the parameter acquisition unit 41 does not depend on the substance consumption rate as a constant value (“q” in the following formula (6)) but the actual substance consumption rate −r p and the crystal growth as the substance consumption rate. You may get time.

最大距離推定部42は、パラメータ取得部41が取得した各種パラメータを記憶部5から読み出し、その各種パラメータから移動可能最大距離Rを推定する。具体的には、以下のように得られる式(6)を用いて、移動可能最大距離Rを推定する。この推定においては、1個の微小液滴10中に1個の結晶11を得る場合を想定している。また、この推定では、真球の微小液滴10の中心に結晶核が発生し、その核が成長していくという結晶成長過程を仮定している。この場合、結晶11のごく近傍の物質の濃度は、その周辺部の物質の濃度よりも低い。このため、溶液中の物質の分子は、自然拡散によって結晶11の表面まで移動し、その後結晶11に吸収される。 The maximum distance estimation unit 42 reads various parameters acquired by the parameter acquisition unit 41 from the storage unit 5 and estimates the maximum movable distance R c from the various parameters. Specifically, the maximum movable distance R c is estimated using the following equation (6) obtained. In this estimation, it is assumed that one crystal 11 is obtained in one minute droplet 10. Further, in this estimation, a crystal growth process is assumed in which a crystal nucleus is generated at the center of a true spherical droplet 10 and the nucleus grows. In this case, the concentration of the substance in the immediate vicinity of the crystal 11 is lower than the concentration of the substance in the periphery. For this reason, the molecule | numerator of the substance in a solution moves to the surface of the crystal | crystallization 11 by natural diffusion, and is absorbed by the crystal | crystallization 11 after that.

なお、以下では、物質がタンパク質であるものとして説明する。上述のように、タンパク質の拡散定数Dを用いて求められる移動可能最大距離Rは、微小液滴10中の密度差駆動対流を効率よく抑制できる値に近いからである。この点を考慮しないのであれば、結晶化される物質がタンパク質である必要は必ずしもない。 In the following description, it is assumed that the substance is a protein. This is because the maximum movable distance R c obtained using the protein diffusion constant D is close to a value that can efficiently suppress density difference driven convection in the microdroplet 10 as described above. If this point is not taken into consideration, the substance to be crystallized need not necessarily be a protein.

ここで、図7に示すような、半径Rの微小液滴10中の、半径rの円と半径(r+dr)の円とで囲まれた微小球殻を仮定する。フィックの第一法則は、次の式(2)で示される。ここで、式(2)において、Nはタンパク質の拡散流束、Dはタンパク質の拡散係数、Cは微小液滴10に対するタンパク質の濃度である。結晶核、および、結晶成長の初期段階における結晶11の大きさは、結晶11を成長させる微小液滴10の大きさに対して十分に小さく無視できる。   Here, it is assumed that a microspherical shell surrounded by a circle having a radius r and a circle having a radius (r + dr) in a micro droplet 10 having a radius R as shown in FIG. Fick's first law is expressed by the following equation (2). Here, in Equation (2), N is the diffusion flux of the protein, D is the diffusion coefficient of the protein, and C is the concentration of the protein with respect to the microdroplet 10. The size of the crystal nucleus and the crystal 11 in the initial stage of crystal growth are sufficiently small and negligible with respect to the size of the microdroplet 10 on which the crystal 11 is grown.

また、タンパク質についての物質収支式は、次の式(3)で表わされる。ここで、式(3)において、タンパク質の消費速度、すなわち、たんぱく質の結晶11が成長することにより、タンパク質を含む溶液中で当該タンパク質が消費される速度を−rとする。 Moreover, the mass balance formula about protein is represented by following Formula (3). Here, in the formula (3), the consumption rate of the protein, i.e., by the crystal 11 of protein grows, the speed at which the protein in a solution containing a protein is consumed with -r p.

そして、この式(3)は、次の式(4)に示すように整理される。   This equation (3) is rearranged as shown in the following equation (4).

ここで、以下の境界条件を考慮する。ここで、Cはタンパクの初期濃度である。 Here, the following boundary conditions are considered. Here, C 0 is the initial concentration of protein.

本実施形態におけるタンパク質の結晶成長では、タンパク質の結晶11の近傍における、微小液滴10に対するタンパク質の濃度が十分に低く、タンパク質の結晶化が拡散律速により進む(上記アブラミの式(1)を用いた検討において、m≒1.5の値が得られている)ことから、この結晶化は0次反応とみなすことができる。すなわち、タンパク質の消費濃度−rは、半径rに依存しない値であるため、一定値qと置くことができる。そのため、式(4)は、次の式(5)に示すように書き換えられる。 In the protein crystal growth in the present embodiment, the protein concentration in the vicinity of the protein crystal 11 with respect to the microdroplet 10 is sufficiently low, and protein crystallization proceeds by diffusion rate control (using the above Arami equation (1)). Therefore, this crystallization can be regarded as a zero-order reaction. That is, consumption concentration -r p proteins are the values that do not depend on the radius r, can be placed a constant value q. Therefore, equation (4) can be rewritten as shown in the following equation (5).

微小液滴10の半径R、およびタンパク質の初期濃度Cは正の値となる。それゆえ、この式(5)を解くと、1個の微小液滴10中に1個の結晶11を得るための移動可能最大距離(微小液滴10の「臨界」サイズ)Rは、次の式(6)で表わされる。 The radius R of the microdroplet 10 and the initial protein concentration C 0 are positive values. Therefore, when this equation (5) is solved, the maximum movable distance (the “critical” size of the microdroplet 10) R c for obtaining one crystal 11 in one microdroplet 10 is given by (6).

すなわち、最大距離推定部42は、タンパク質の物質消費速度q、物質初期濃度C、および拡散定数Dというパラメータ(パラメータ取得部41が取得したパラメータ)から、移動可能最大距離Rを推定する。そして、最大距離推定部42は、推定した結果である最大距離推定結果を、記憶部5に一時保存する。 That is, the maximum distance estimation unit 42 estimates the maximum movable distance R c from the parameters of the protein substance consumption rate q, the substance initial concentration C 0 , and the diffusion constant D (parameters acquired by the parameter acquisition unit 41). Then, the maximum distance estimation unit 42 temporarily stores the maximum distance estimation result, which is the estimated result, in the storage unit 5.

なお、パラメータ取得部41が、物質消費速度として、実際の物質消費速度−r、および結晶成長にかかった時間を取得している場合には、最大距離推定部42は、これらの2つのパラメータから、上記式(6)に使用する物質消費速度qを求めてもよい。 When the parameter acquisition unit 41 acquires the actual substance consumption rate −r p and the time taken for crystal growth as the substance consumption rate, the maximum distance estimation unit 42 determines that these two parameters From the above, the substance consumption rate q used in the above equation (6) may be obtained.

また、上記では、式(6)を用いて移動可能最大距離Rが推定されているが、これに限らず、例えば、上記の境界条件を異なる条件としたり、物質消費濃度−rを一定値qに置換しないで上記推定を行ってもよい。この場合、微小液滴10中に複数個の結晶11を成長させるための当該微小液滴10の大きさを推定することができる。 Further, in the above, although the movable maximum distance R c using Equation (6) is estimated, not limited to this, for example, to the different conditions of the above boundary conditions, material consumption concentration -r p constant The above estimation may be performed without replacing with the value q. In this case, the size of the microdroplets 10 for growing the plurality of crystals 11 in the microdroplets 10 can be estimated.

さらに、最大距離推定部42は、パラメータ取得部41が取得した各種パラメータ、および上記式(6)を用いて推定を行うものであるが、これに限らず、例えば、上述した式(2)から式(6)を得るまでの処理を、最大距離推定部42が行ってもよい。   Furthermore, the maximum distance estimation unit 42 performs estimation using the various parameters acquired by the parameter acquisition unit 41 and the above equation (6), but is not limited thereto. For example, from the above equation (2), The maximum distance estimation unit 42 may perform the processing until Expression (6) is obtained.

液滴調製制御部43は、主として、最大距離推定部42が推定した移動可能最大距離Rを記憶部5から読み出し、その移動可能最大距離Rと同一、あるいはそれよりも小さく微小液滴10が調製されるように、液滴調製器具1に送液される各種溶液(結晶化させる物質を含む溶液、沈殿剤溶液、フッ化物系オイルなど)の流速を決定するものである。そして、その決定した流速にしたがって、液滴調製器具1に各種溶液の送液を制御する。 Droplet preparation control unit 43 is mainly maximum distance estimation unit 42 reads the movable maximum distance R c estimated from the storage unit 5, the movable maximum distance identical to R c, or it from smaller microdroplets 10 The flow rate of various solutions (a solution containing a substance to be crystallized, a precipitant solution, a fluoride oil, etc.) sent to the droplet preparation device 1 is determined. Then, according to the determined flow rate, the liquid preparation device 1 is controlled to feed various solutions.

微小液滴10をどの程度の大きさに調製するかは、例えば、(1)移動可能最大距離Rまで調製する、(2)移動可能最大距離Rの数十%(例えば80%(設定値))に調製する、(3)移動可能最大距離Rを上限として、結晶取得装置3の操作者に、その値を入力させるといった方法のいずれかで決定される。 Whether prepared microdroplets 10 to the size of the extent, for example, (1) preparing to movable maximum distance R c, (2) several tens of percent of the movable maximum distance R c (for example, 80% (set (3) The maximum distance Rc that can be moved is set as an upper limit, and the operator of the crystal acquisition device 3 inputs the value.

また、液滴調製制御部43は、微小液滴10が調製される過程を監視することによって、その微小液滴10の形状を、所望の形状(例えば、真球形状)となるように、決定した各種溶液の流速の微調整を行ってもよい。この場合、液滴調製制御部43は、例えば、調製過程にある微小液滴10を、撮像装置(不図示)により撮像し、その撮像画像を解析することにより、その調整過程にある微小液滴10の形状を認識する。その後、記憶部5に格納された所望の形状を示すデータ(例えば、モデルとなる画像データ)と比較することで、当該微小液滴10が所望の形状となっているか否かを判定し、所望の形状になっていないと判定した場合には、その認識された形状から流速の再決定を行う。   In addition, the droplet preparation control unit 43 determines the shape of the micro droplet 10 so as to be a desired shape (for example, a true spherical shape) by monitoring the process of preparing the micro droplet 10. Fine adjustment of the flow rate of the various solutions may be performed. In this case, for example, the droplet preparation control unit 43 captures an image of the minute droplet 10 in the preparation process with an imaging device (not shown) and analyzes the captured image to thereby adjust the minute droplet in the adjustment process. Recognize 10 shapes. After that, by comparing with data indicating the desired shape stored in the storage unit 5 (for example, image data as a model), it is determined whether or not the micro droplet 10 has the desired shape, and the desired shape is obtained. If it is determined that the shape is not, the flow velocity is re-determined from the recognized shape.

なお、調製過程における微小液滴10の形状が所望の形状でない場合に、その形状から所望の形状を得るための流速は、経験則から把握されるものである。そのため、その経験則に基づいて、どの形状のときに、決定された流速をどの程度高める、または低めるのかが決定できるように、例えばその形状と流速変化率とが対応付けて記憶部5に格納されている。   In addition, when the shape of the micro droplet 10 in a preparation process is not a desired shape, the flow velocity for obtaining a desired shape from the shape is grasped from an empirical rule. Therefore, for example, the shape and the flow rate change rate are associated with each other and stored in the storage unit 5 so that it can be determined how much the determined flow velocity should be increased or decreased based on the empirical rule. Has been.

そして、液滴調製制御部43は、微小液滴10が移動可能最大距離R以下の所定の大きさに調製されたと判定した場合、各種溶液の送液を停止させる。その後、微小液滴10が、液滴調製器具1から結晶成長用容器2に送液され、その微小液滴10中に、物質の結晶11が少なくとも1個成長していく。この結晶成長は、結晶成長用容器2を静置しておくことにより実現される。 The droplet preparation control unit 43, if it is determined that the microdroplets 10 are prepared on a movable maximum distance R c below a predetermined size, to stop the liquid feed of various solutions. Thereafter, the microdroplet 10 is fed from the droplet preparation device 1 to the crystal growth container 2, and at least one crystal 11 of the substance grows in the microdroplet 10. This crystal growth is realized by leaving the crystal growth vessel 2 stationary.

すなわち、図8に示すような流れを経て、物質の結晶11の取得が実現される。図8は、本実施形態に係る結晶取得装置3における処理を含む結晶取得方法の一例を示す図である。   That is, the acquisition of the substance crystal 11 is realized through the flow shown in FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a crystal acquisition method including processing in the crystal acquisition device 3 according to the present embodiment.

結晶取得装置3では、パラメータ取得部41が各種パラメータ(結晶化させる物質の物質消費速度q、物質初期濃度Cおよび拡散定数D)の値を取得した後(S1)、最大距離推定部42が、そのパラメータの値から、移動可能最大距離Rを推定する(S2:推定工程)。 In the crystal acquisition device 3, after the parameter acquisition unit 41 acquires values of various parameters (material consumption rate q, substance initial concentration C 0 and diffusion constant D of the substance to be crystallized) (S 1), the maximum distance estimation unit 42 Then, the maximum movable distance R c is estimated from the value of the parameter (S2: estimation step).

そして、液滴調製制御部43が、その移動可能最大距離Rに基づく大きさとなるように、微小液滴10を調製し(S3:調製工程)、その後、当該微小液滴10がその内部に配置された結晶成長用容器2が静置されることにより、当該微小液滴10中に、少なくとも1個の結晶11が成長する(S4:成長工程)。 Then, as the droplet preparation control unit 43, a size based on the movable maximum distance R c, to prepare the microdroplets 10 (S3: Preparation Step), then, the microdroplets 10 therein When the arranged crystal growth container 2 is left still, at least one crystal 11 grows in the microdroplet 10 (S4: growth step).

なお、S3では、液滴調製制御部43が微小液滴10を所定の大きさになるように、各種溶液の流速を制御しているが、これに限られない。例えば、最大距離推定部42によって推定された移動可能最大距離Rを表示部(不図示)に表示し、その移動可能最大距離Rを確認した操作者によって、液滴調製器具1に送液される各種溶液の流速が決定されてもよい。また、例えば、上記の画像または顕微鏡などによって、操作者が、調製過程にある微小液滴10の形状を随時監視することにより、上記流速の微調整を行ってもよい。 In S3, the droplet preparation control unit 43 controls the flow rates of various solutions so that the micro droplets 10 have a predetermined size. However, the present invention is not limited to this. For example, the maximum movable distance R c estimated by the maximum distance estimation unit 42 is displayed on a display unit (not shown), and the operator who has confirmed the maximum movable distance R c sends the liquid to the droplet preparation device 1. The flow rate of the various solutions to be performed may be determined. In addition, for example, the operator may finely adjust the flow velocity by monitoring the shape of the microdroplet 10 in the preparation process as needed using the above image or microscope.

〔移動可能最大距離の推定値と、実験による微小液滴の大きさとの比較〕
次に、上記移動可能最大距離Rの推定値と、上記実験によって得られた微小液滴10の大きさとの比較を行う。
[Comparison between estimated maximum movable distance and experimental micro droplet size]
Next, the estimated value of the movable maximum distance R c, a comparison between the size of the microdroplets 10 obtained by the above experiment.

上記では、タンパク質(ソーマチン)の物質初期濃度Cが10mg/mLである。また、結晶成長にかかった時間が6000秒としたときのタンパク質の物質消費速度qは、q≒1/6×10-2mg/mL・sと計算される。また、ソーマチンの拡散定数Dは約10-112/sである。最大距離推定部42は、これらのパラメータの値を式(6)に代入することにより、移動可能最大距離R≒約600μmと算出する。 In the above, substances initial concentration C 0 of the protein (thaumatin) is 10 mg / mL. The protein consumption rate q when the time taken for crystal growth is 6000 seconds is calculated as q≈1 / 6 × 10 −2 mg / mL · s. The diffusion constant D of thaumatin is about 10 -11 m 2 / s. The maximum distance estimation unit 42 calculates the maximum movable distance R c ≈600 μm by substituting the values of these parameters into Equation (6).

この値は、理論値であり、実際の値はこれよりも小さくなると考えられる。これは、結晶11の核発生が必ずしも微小液滴10の中心で生じるとは限らず、また、結晶成長に伴う結晶11自体の大きさを無視できなくなるためである。これを考慮すれば、この値は、実際の実験結果(表1)とおおよそ一致していると言える。それゆえ、結晶取得装置3による移動可能最大距離Rの推定は、微小液滴10中に結晶11を効率よく発生させることを可能とする。特に、その推定値よりも小さい値の半径を有する、真球の微小液滴10を調製する場合には、その微小液滴10中に結晶11を1個だけ成長させることができる。つまり、微小液滴10中に1個の結晶11を成長させたい場合には、上記推定値は特に有効であるといえる。 This value is a theoretical value, and the actual value is considered to be smaller than this. This is because the nucleation of the crystal 11 does not always occur at the center of the microdroplet 10, and the size of the crystal 11 itself accompanying crystal growth cannot be ignored. Considering this, it can be said that this value roughly matches the actual experimental result (Table 1). Therefore, the estimation of the maximum movable distance R c by the crystal acquisition device 3 makes it possible to efficiently generate the crystal 11 in the microdroplet 10. In particular, when preparing a true microdroplet 10 having a radius smaller than the estimated value, only one crystal 11 can be grown in the microdroplet 10. That is, when it is desired to grow one crystal 11 in the micro droplet 10, the estimated value is particularly effective.

なお、上述の結晶11の核発生が必ずしも微小液滴10の中心で生じるとは限らない、結晶成長に伴う結晶11自体の大きさを無視できない、という理由から、表1に示すように、360μmおよび200μmの微小液滴10では、1個の微小液滴10中に得られる平均結晶個数が1個よりもやや多くなっている。これは、タンパク質の高濃度部分が、成長中の結晶11から離れた場所に維持され、結果として2個目の核発生とその成長の機会とを生じさせることになるからである。   It should be noted that the nucleation of the crystal 11 described above does not necessarily occur at the center of the microdroplet 10 and the size of the crystal 11 itself accompanying crystal growth cannot be ignored, as shown in Table 1, 360 μm. In addition, in the 200 μm microdroplets 10, the average number of crystals obtained in one microdroplet 10 is slightly larger than one. This is because the high concentration portion of the protein is maintained at a location away from the growing crystal 11, resulting in a second nucleation and opportunity for its growth.

〔ソフトウェアによる実現例〕
最後に、結晶取得装置3の各ブロック、特に制御部4のパラメータ取得部41、最大距離推定部42および液滴調製制御部43は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにCPUを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
[Example of software implementation]
Finally, each block of the crystal acquisition device 3, in particular, the parameter acquisition unit 41, the maximum distance estimation unit 42, and the droplet preparation control unit 43 of the control unit 4 may be configured by hardware logic, as follows: You may implement | achieve by software using CPU.

すなわち、結晶取得装置3は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するCPU(central processing unit)、前記プログラムを格納したROM(read only memory)、前記プログラムを展開するRAM(random access memory)、前記プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記憶装置(記録媒体)などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである結晶取得装置3の制御プログラムのプログラムコード(実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム)をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、前記結晶取得装置3に供給し、そのコンピュータ(又はCPUやMPU)が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。   That is, the crystal acquisition device 3 includes a CPU (central processing unit) that executes a command of a control program that realizes each function, a ROM (read only memory) that stores the program, and a RAM (random access memory) that expands the program And a storage device (recording medium) such as a memory for storing the program and various data. An object of the present invention is to provide a recording medium in which a program code (execution format program, intermediate code program, source program) of a control program of the crystal acquisition device 3 which is software that realizes the above-described functions is recorded in a computer-readable manner. This can also be achieved by supplying the crystal acquisition apparatus 3 and reading and executing the program code recorded on the recording medium by the computer (or CPU or MPU).

前記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー(登録商標)ディスク/ハードディスク等の磁気ディスクやコンパクトディスク−ROM/MO/MD/デジタルビデオデイスク/コンパクトディスク−R等の光ディスクを含むディスク系、ICカード(メモリカードを含む)/光カード等のカード系、あるいはマスクROM/EPROM/EEPROM/フラッシュROM等の半導体メモリ系などを用いることができる。   Examples of the recording medium include a tape system such as a magnetic tape and a cassette tape, a magnetic disk such as a floppy (registered trademark) disk / hard disk, and a compact disk-ROM / MO / MD / digital video disk / compact disk-R. A disk system including an optical disk, a card system such as an IC card (including a memory card) / optical card, or a semiconductor memory system such as a mask ROM / EPROM / EEPROM / flash ROM can be used.

また、結晶取得装置3を通信ネットワークと接続可能に構成し、前記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、LAN、ISDN、VAN、CATV通信網、仮想専用網(virtual private network)、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、IEEE1394、USB、電力線搬送、ケーブルTV回線、電話線、ADSL回線等の有線でも、IrDAやリモコンのような赤外線、Bluetooth(登録商標)、802.11無線、HDR、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、前記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。   Further, the crystal acquisition device 3 may be configured to be connectable to a communication network, and the program code may be supplied via the communication network. The communication network is not particularly limited. For example, the Internet, intranet, extranet, LAN, ISDN, VAN, CATV communication network, virtual private network, telephone line network, mobile communication network, satellite communication. A net or the like is available. Further, the transmission medium constituting the communication network is not particularly limited. For example, even in the case of wired such as IEEE 1394, USB, power line carrier, cable TV line, telephone line, ADSL line, etc., infrared rays such as IrDA and remote control, Bluetooth ( (Registered trademark), 802.11 wireless, HDR, mobile phone network, satellite line, terrestrial digital network, and the like can also be used. The present invention can also be realized in the form of a computer data signal embedded in a carrier wave in which the program code is embodied by electronic transmission.

〔本発明の別表現〕
本発明は、以下のようにも表現できる。
[Another expression of the present invention]
The present invention can also be expressed as follows.

本発明の方法は、微小液滴の内部流体挙動が、微小重力下でのそれに似ていることを利用して、地上で微小重力代替実験環境として用いるものである。   The method of the present invention is used as a microgravity alternative experimental environment on the ground by utilizing the fact that the internal fluid behavior of microdroplets is similar to that under microgravity.

また、本発明の方法は、そのような微小重力代替実験環境としての微小液滴の性質を利用して、単結晶を得る方法である。   The method of the present invention is a method for obtaining a single crystal by utilizing the properties of microdroplets as such a microgravity alternative experimental environment.

また、本発明の方法は、単結晶を成長させる方法であって、その方法では、その微小液滴内での単結晶の成長が拡散律速である。   Further, the method of the present invention is a method for growing a single crystal, in which the growth of the single crystal in the microdroplet is diffusion-controlled.

また、本発明の方法は、前記微小液滴の内部流体挙動の特殊性を利用し、1つの液滴中に、1個もしくは少数の単結晶のみを生じさせる方法である。   Further, the method of the present invention is a method in which only one or a small number of single crystals are produced in one droplet by utilizing the special characteristics of the internal fluid behavior of the micro droplet.

また、本発明の方法は、1つの液滴中に、1個もしくは少数の単結晶のみを得ることができる微小液滴の半径を、単結晶としたい物質について、溶液中の物質消費速度、物質初期濃度、物質の拡散定数から求めるものである。   In addition, the method of the present invention can be applied to a substance consumption rate in a solution, a substance for a substance that is desired to be a single crystal having a radius of a minute droplet that can obtain only one or a small number of single crystals in one droplet. It is obtained from the initial concentration and the diffusion constant of the substance.

また、本発明の器具は、前記の微小液滴を用いることで、1つの液滴中に、1個もしくは少数の単結晶を得ることを可能とする器具である。   In addition, the instrument of the present invention is an instrument that makes it possible to obtain one or a small number of single crystals in one droplet by using the above-mentioned micro droplets.

また、本発明の器具は、キャピラリー状の円筒管である。   The instrument of the present invention is a capillary-like cylindrical tube.

また、本発明の方法および器具では、結晶化させたい対象物質がタンパクである。   In the method and instrument of the present invention, the target substance to be crystallized is protein.

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

本発明は、重力環境下での微小液滴と、微小重力下での液滴との内部流体挙動の類似性に着目し、微小液滴中に少なくとも1個の結晶を得る技術である。この技術は、特に、X線による結晶構造解析に好適である。また、現状では、バッチ法により多数の結晶が生じる状況下において結晶化条件の探索を行っているゆえ、その結晶化条件を自動探索するロボットに、上記の結晶取得装置および結晶取得方法を組み込むことも可能である。   The present invention is a technique for obtaining at least one crystal in a microdroplet by paying attention to the similarity in internal fluid behavior between a microdroplet under a gravity environment and a droplet under microgravity. This technique is particularly suitable for crystal structure analysis by X-rays. In addition, at present, since the search for crystallization conditions is performed in a situation where a large number of crystals are generated by the batch method, the above crystal acquisition apparatus and crystal acquisition method are incorporated into a robot that automatically searches for the crystallization conditions. Is also possible.

1 液滴調製器具
2 結晶成長用容器(キャピラリー)
10 微小液滴
11 結晶
q 物質消費速度
物質初期濃度
D 拡散定数
移動可能最大距離
1 Droplet preparation device 2 Crystal growth vessel (capillary)
10 Micro droplet 11 Crystal q Material consumption rate C 0 Material initial concentration D Diffusion constant R c Maximum movable distance

Claims (9)

物質の結晶を成長させるための結晶成長用容器であって、
上記結晶成長用容器の内部には、結晶化させる物質を含む溶液の微小液滴が配置されており、
上記微小液滴は、上記微小液滴の最長部の長さが、上記結晶化させる物質の自然拡散により移動できる最大距離を示す移動可能最大距離以下となるような大きさに調製されており、
上記移動可能最大距離は、
(1)上記物質の結晶が成長することにより、上記物質を含む溶液中で当該物質が消費される速度である物質消費速度、
(2)上記物質の拡散が開始されたときの、上記微小液滴に対する上記物質の濃度である物質初期濃度、および、
(3)上記物質の拡散定数
に示すパラメータから推定されることを特徴とする結晶成長用容器。
A crystal growth vessel for growing a crystal of a substance,
Inside the crystal growth vessel, microdroplets of a solution containing a substance to be crystallized are arranged,
The microdroplet is prepared in such a size that the length of the longest part of the microdroplet is not more than the maximum movable distance indicating the maximum distance that can be moved by natural diffusion of the substance to be crystallized ,
The maximum movable distance is
(1) a substance consumption rate, which is a rate at which the substance is consumed in a solution containing the substance by growing crystals of the substance;
(2) a substance initial concentration which is a concentration of the substance with respect to the microdroplet when the diffusion of the substance is started; and
(3) Diffusion constant of the above substances
Crystal growth vessel, wherein Rukoto estimated from the parameters shown in.
上記微小液滴の周囲は、当該微小液滴とは相溶でない媒体物質で満たされていることを特徴とする請求項1に記載の結晶成長用容器。   2. The crystal growth container according to claim 1, wherein the periphery of the microdroplet is filled with a medium substance that is not compatible with the microdroplet. 上記微小液滴の大きさは、その微小液滴中の密度差によって駆動される対流が抑制される大きさであることを特徴とする請求項1または2に記載の結晶成長用容器。   3. The crystal growth container according to claim 1, wherein the size of the microdroplet is such a size that convection driven by a density difference in the microdroplet is suppressed. 上記微小液滴が配置される上記内部の最短部の長さが、上記微小液滴の最長部の長さと同一であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の結晶成長用容器。   4. The crystal according to claim 1, wherein a length of the shortest inner portion where the microdroplet is disposed is the same as a length of the longest portion of the microdroplet. 5. Growth container. 上記結晶化させる物質は、タンパク質であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の結晶成長用容器。   The crystal growth container according to any one of claims 1 to 4, wherein the substance to be crystallized is a protein. 円筒状のキャピラリーであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の結晶成長用容器。   The container for crystal growth according to any one of claims 1 to 5, wherein the container is a cylindrical capillary. 微小液滴中に成長させた、上記結晶化させる物質の結晶を、結晶の構造を解析する結晶構造解析装置の解析対象とすることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の結晶成長用容器。   The crystal of the substance to be crystallized grown in a microdroplet is set as an analysis target of a crystal structure analyzing apparatus for analyzing the crystal structure. Crystal growth container. 請求項1から7のいずれか1項に記載の結晶成長用容器に接続され、上記微小液滴を調製して、当該結晶成長用容器に送液することを特徴とする液滴調製器具。   A droplet preparation device connected to the crystal growth vessel according to any one of claims 1 to 7, wherein the microdroplet is prepared and fed to the crystal growth vessel. 物質の結晶を取得するための結晶取得方法であって、
上記物質が、微小液滴中を自然拡散により移動できる最大距離を示す移動可能最大距離を、下記(1)、(2)、および(3)に示すパラメータから推定する推定工程と、
(1)上記物質の結晶が成長することにより、上記物質を含む溶液中で当該物質が消費される速度である物質消費速度;
(2)上記物質の拡散が開始されたときの、上記微小液滴に対する上記物質の濃度である物質初期濃度;
(3)上記物質の拡散定数;
上記推定工程により推定された上記移動可能最大距離に基づく大きさとなるように、上記微小液滴を調製する調製工程と、
上記調製工程により調製された上記微小液滴中に、上記物質の結晶を少なくとも1個成長させる成長工程と、を含むことを特徴とする結晶取得方法。
A method for obtaining a crystal for obtaining a crystal of a substance,
An estimation step of estimating the maximum movable distance indicating the maximum distance that the substance can move in the microdroplet by natural diffusion from the parameters shown in the following (1), (2), and (3):
(1) A substance consumption rate, which is a rate at which the substance is consumed in a solution containing the substance by growing crystals of the substance;
(2) Initial substance concentration which is the concentration of the substance with respect to the microdroplet when the diffusion of the substance is started;
(3) Diffusion constant of the above substance;
A preparation step of preparing the microdroplet so as to have a size based on the maximum movable distance estimated by the estimation step;
And a growth step of growing at least one crystal of the substance in the microdroplet prepared by the preparation step.
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