JP6498804B2 - アミノ酸結晶の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、アミノ酸結晶の製造方法に関する。
光渦は、位相特異点に由来する角運動量（軌道角運動量）及びドーナツ型強度分布という特徴的な性質をもった光波である。
光渦の代表例としては、例えばラゲールガウスビームを挙げることができる（例えば下記非特許文献１参照）。ラゲールガウスビームは、円筒座標系における波動方程式の固有解であり、回転中心の周りで１波長伝搬するごとに２πの整数倍だけ位相が回転する周期的境界条件を満たす。このため、量子数Ｌ（ｌ＝１，２，３…）を用いて軌道角運動量の大きさを表すことが可能である。光渦の波面はらせん形状を有しており、この法線方向と光の伝搬方向のベクトル差で与えられる方向に軌道角運動量が働く。
また光渦は、光の放射圧を利用した光マニピュレーション、位相特異点を利用した高解像度顕微鏡、軌道角運動量を積極的に利用した光渦アブレーション加工などに利用することができ、今後の工業的な利用が大きく期待される。
光渦を発振させる公知の技術として、例えば下記特許文献１に記載の装置を例示することができる。
Ｌ． Ａｌｌｅｎ， Ｍ． Ｗ． Ｂｅｉｊｅｒｓｂｅｒｇｅｎ， Ｒ． Ｊ． Ｃ． Ｓｐｒｅｅｕｗ， ａｎｄ Ｊ． Ｐ． Ｗｏｅｒｄｍａｎ， "Ｏｒｂｉｔａｌ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｇｕｅｒｒｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎ ｌａｓｅｒ ｍｏｄｅｓ，" Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ａ ４５， ８１８５−８１８９ （１９９２）
しかしながら、上記特許文献１、非特許文献１に記載の技術は光渦の発振方法そのものに主眼をおいた技術であり、上記に列挙する光マニピュレーション等を含め、光渦を用いる応用については検討の余地が残る。
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、光渦の新たな応用の可能性を提供することを目的とする。
上記課題について本発明者らが鋭意検討を進めていたところ、アミノ酸飽和溶液又はタンパク質飽和溶液に光渦を照射すると、このアミノ酸飽和溶液中又はタンパク質飽和溶液中にアミノ酸結晶体又はタンパク質結晶体が形成されることを発見し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明の一観点にかかるアミノ酸結晶の製造方法は、光渦を、アミノ酸飽和溶液に照射して、アミノ酸飽和溶液中にアミノ酸結晶を形成することを特徴とする。
また本観点において、限定されるわけではないが、アミノ酸は、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン及びバリン、並びにこれらの誘導体、の少なくともいずれかの少なくともいずれかであることが好ましい。
また本観点において、光渦は円偏光であることが好ましい。
また本発明の他の一観点にかかるタンパク質結晶の製造方法は、光渦を、タンパク質飽和溶液に照射して、前記タンパク質飽和溶液中にタンパク質の結晶を形成することを特徴とする。
また本観点において、光渦は、円偏光であることが好ましい。
以上、本発明により、光渦の新たな応用の可能性を提供することができる。また、本発明により提供されるアミノ酸結晶、タンパク質結晶は単結晶性が高く、他のアミノ酸結晶、タンパク質結晶の製造方法に比べ大きな単結晶を短時間で形成可能であり、これにより、医薬、化学、飼料、食品等の各用途に対する大きな寄与をもたらすことが期待される。
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の具体的な例示にのみ狭く限定されるものではない。
本実施形態にかかるアミノ酸単結晶の製造方法は、円偏光光渦を、アミノ酸飽和溶液に照射して、アミノ酸飽和溶液中にアミノ酸単結晶を形成することを特徴とする。
本実施形態において、「光渦」とは、上記のとおり、位相特異点に由来する角運動量（軌道角運動量）及びドーナツ型強度分布という特徴的な性質をもった光波をいう。
光渦を発生させる方法としては、限定されるわけではないが、例えば図１で示すような光渦レーザー発振装置（以下「本レーザー装置」という。）を用いることができる。
ここで図１は、本実施形態に係る光渦レーザー発振装置（以下「本レーザー装置」という。）１の光学系の概略を示す図である。本図で示すように、本レーザー装置１は、レーザー光Ｂ１を発するレーザー光源２と、レーザー光源２が発するレーザー光Ｂ１に基づき光渦Ｂ２を発する光渦発生部３と、光渦発生部３によって発生した光渦Ｂ２を円偏光Ｂ３にする１／４波長板４と、集光する集光部５と、を有する。
本実施形態において、レーザー光源２は、上記の通りレーザー光Ｂ１を発することができるものである。レーザー光源２については、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではなく、ＹＡＧレーザー等の固体レーザー、色素レーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等のガスレーザー、ＬＤレーザー等の半導体レーザー等を用いることができるがこれに限定されない。ただし、本実施形態においてレーザー光源２から放出される光の波長領域は、照射対象が光異性化反応を起こすことのできる波長範囲であることが好ましい。この波長範囲は材料によって適宜調整可能であるが、紫外領域から近赤外の領域にあることが好ましく、より具体的には３５０ｎｍ以上１．３μｍ以下の範囲にあることが好ましい。
また本実施形態において、レーザー光源２は、連続波のレーザー光を発する連続発振レーザー光源であることが好ましい。連続波のレーザー光を用いることで、連続的に高分子に光渦を照射し続けることができる。パルス発振レーザー光であってもよいがこの場合は、光異性化反応を維持できるよう繰り返し周波数が十分に高いものであることが好ましい。
また、本実施形態において、光渦発生部３は、レーザー光源２が発するレーザー光Ｂ１に基づき光渦Ｂ２を発することができるものであり、この限りにおいて限定されないが、例えば位相板、空間位相変調器、マルチモードエリアファイバー増幅器等を用いることができる。なお、レーザー光源２と、光渦発生部３とを一体にして直接光渦を発生させる構成としてもよい。光渦発生部において発生させる光渦はコヒーレントな光渦であることが特に好ましい。
また本実施形態において、１／４波長板４は、光渦を円偏光Ｂ３にするために用いられるものである。既に光渦発生部３が円偏光となっている場合は省略することも可能である。本実施形態では、１／４波長板を設けることで、アミノ酸飽和溶液中にアミノ酸結晶を形成することができるようになる。
また本実施形態において、集光部５は、光を集光し、アミノ酸飽和溶液７の表面に効率的に照射するために用いられるものである。集光部５の構造としては、円偏光となった光渦を効率的に照射することができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えば、顕微鏡対物レンズを含んで構成されていることが好ましい。顕微鏡対物レンズでビーム径を所望の径に調整することができる。
なお、本実施形態では、上記構成のほか、アミノ酸飽和溶液を観測するための観測部６を設けてもよい。観測部６は、上記の機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えば、上記集光部５によって集光された光渦を分割し、一方をする光分割部材６１と、アミノ酸飽和溶液から反射された光を観測するための撮像部材６２と、を有していることが好ましい。なお、撮像部材６２の例としては、限定されるわけではないがＣＣＤカメラ等を例示することができ、更にこれにいわゆるパーソナルコンピュータ等の情報処理装置を接続し、画像処理することが好ましい。
また、本実施形態において、「アミノ酸」とは、アミノ基及びカルボキシル基を備えた有機化合物であって、生体のタンパク質を構成する化合物及びその誘導体を含む。生体のたんぱく質を構成するいわゆるアミノ酸の例としては、上記の機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、メチオニン、フェルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン及びバリンを含む。
また本実施形態において「アミノ酸飽和溶液」は、溶媒中にアミノ酸をその溶解度まで溶解した状態にあるものをいう。複数種のアミノ酸が溶解されている場合は、少なくともいずれかが溶解度まで溶解されたものであればよいが、いずれもが溶解度まで溶解されていてもよい。なお、ここでアミノ酸を溶解する溶媒としては水であることが好ましいが、アミノ酸を溶解することができる限りにおいてこれに限定されない。
また、本実施形態において照射される光渦のエネルギーとしては、小さすぎるとアミノ酸結晶を形成することができず、高すぎると多結晶化して結晶性が低くなってしまうおそれがあるため、適切な範囲であることが好ましく、材料によって適宜調整可能であって限定されるわけではないが、１Ｗ以上１．５Ｗ以下の範囲であることが好ましい。
また、本実施形態において光渦を照射する時間としては、結晶が形成される限りにおいて限定されず適宜調整可能である。特に本実施形態では短い場合は数十秒程度といった非常に短時間で単結晶性の高い結晶を得ることができる。
本実施形態では、光渦を、アミノ酸飽和溶液に照射することで、アミノ酸飽和溶液中にアミノ酸結晶、より具体的には高い結晶性（単結晶性、結晶構造）の結晶を形成することができる。溶液中にアミノ酸結晶を形成する主たるメカニズムは推測の域ではるが、光渦の照射によって核が生成し、この核の公転運動によって水溶液中の濃度の均質化が起こり、単結晶性の高い結晶を飛躍的に向上させることができるものと考えられる。
以上、本実施形態により、光渦の新たな応用の可能性を提供することができる。また、本発明により提供されるアミノ酸単結晶は、他のアミノ酸単結晶の製造方法に比べ大きな単結晶を短時間で形成可能であり、これにより、医薬、化学、飼料、食品等の各用途に対する大きな寄与をもたらすと期待される。
また、本実施形態では、アミノ酸を例に説明しているが、アミノ酸を構成要素に含むタンパク質についても同様であり、上記の説明において「アミノ酸」とあるところを「タンパク質」と置き換えて発明の実施をすることが可能である。なおタンパク質の場合、例えばリゾチーム等、様々なタンパク質を結晶化させることが可能である。更に、三フッ化Ｎ，Ｎ−ジエチルアミノ硫黄（ＤＡＳＴ）といった有機非線形結晶等の有機化合物についても高度な結晶化が期待できる。
本件発明について実験を行い、その効果を確認した。以下具体的に説明する。
（グリシン飽和重水溶液）
まず、図１で示される光学系において、中心波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ４レーザーを、螺旋状位相板（ＳＰＰ）とλ／４板、対物レンズ（ＮＡ〜０．６５）を使用し、これらを通してグリシンを重水に溶解度まで溶解させたアミノ酸飽和重水溶液（プレパラート上に塗布）に照射した。アミノ酸飽和重水溶液に照射しているレーザーのスポットの径はφ３μｍとした。また円偏光の向きと光渦の螺旋波面の向きは同じ方向に設定した。なお円偏光光渦は、ＳＰＰによって得られる軌道角運動量（ｌ＝−１又は１）とＱＷＰによって得られるスピン角運動量（ｓ＝−１又は１）の総和である全角運動量（Ｊ＝ｌ＋ｓ）の大きさを変更して照射することができる構成となっている。
まず、図１で示される光学系において、中心波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ４レーザーを、螺旋状位相板（ＳＰＰ）とλ／４板、対物レンズ（ＮＡ〜０．６５）を使用し、これらを通してグリシンを重水に溶解度まで溶解させたアミノ酸飽和重水溶液（プレパラート上に塗布）に照射した。アミノ酸飽和重水溶液に照射しているレーザーのスポットの径はφ３μｍとした。また円偏光の向きと光渦の螺旋波面の向きは同じ方向に設定した。なお円偏光光渦は、ＳＰＰによって得られる軌道角運動量（ｌ＝−１又は１）とＱＷＰによって得られるスピン角運動量（ｓ＝−１又は１）の総和である全角運動量（Ｊ＝ｌ＋ｓ）の大きさを変更して照射することができる構成となっている。
そして、上記の構成において、アミノ酸飽和重水溶液中にアミノ酸を形成することができた。
この結果を図２にそれぞれ示しておく。
この結果を図２にそれぞれ示しておく。
この結果、光渦の照射を行った直後からアミノ酸の結晶析出が始まり、照射開始から数十秒程度で１ｍｍ×１ｍｍ程度のグリシンのα型単結晶を得ることができた。そしてその面方向モザイク性は０．５であり、非常に単結晶性の高い結晶を得ることができた。
（比較例）
上記グリシンの例において、レーザーを直線偏光のガウスビームを用いた以外は同様の条件でアミノ酸の結晶の作成を試みた。この結果を図３に示しておく。この結果によると、アミノ酸は析出したが明らかに多結晶のものであった。
上記グリシンの例において、レーザーを直線偏光のガウスビームを用いた以外は同様の条件でアミノ酸の結晶の作成を試みた。この結果を図３に示しておく。この結果によると、アミノ酸は析出したが明らかに多結晶のものであった。
本発明は、アミノ酸結晶の製造方法、タンパク質結晶の製造方法として産業上の利用可能性がある。
Claims (1)
- 円偏光の光渦を、アミノ酸飽和溶液に照射して、前記アミノ酸飽和溶液中にアミノ酸の結晶を形成する、アミノ酸結晶の製造方法。
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