JP4273222B2

JP4273222B2 - Containerless crystal growth method

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Publication number: JP4273222B2
Application number: JP2002360069A
Authority: JP
Inventors: 光雄安宅; 祥牧
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP2004189548A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁石によって発生させることのできる磁化力の大きさを強める方法に関し、詳しくは、媒体中での物質の位置を制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
磁石はＮ極とＳ極とのあいだに磁束を形成する装置である。コイルに電流を流すことによって磁場を発生させる場合でも、実質的には、Ｎ極とＳ極を作って磁束を形成するのと同じ効果がある。物質に及ぼす磁石の効果としては、方位磁針を磁束の向きと同じ方向に向けるような効果（磁場配向）がまず考えられる。この場合、磁束の向きが問題で、磁束密度Ｂに比例した効果が起きる。一方、これとは別に、磁石は磁化力と呼ばれる力を物質や物体に及ぼすこともできる。磁化力は、物質や物体が磁石の中で磁化されることによって付与されるエネルギーの発生を最小にしようとして発生する力で、その大きさは、磁束密度と、その空間的な勾配との積、すなわちＢ grad Ｂに比例する。すなわち磁化力を引き出すためには磁束密度に空間的な勾配grad Bが存在していることが必須であり、均一磁場の中では磁化力は発生しない。磁化力により、反磁性体は磁場の密な場所から逃れる力を受け、常磁性体は磁場の密な場所へと引き込まれる力を受ける。この力の作用する方向と、鉛直あるいは水平方向との関係については、特に制限はない。ただ、磁化力の作用方向を鉛直方向にした場合、地球の重力の向きと磁化力の向きとが一致する。すると、重力ベクトルと磁化力ベクトルとは一直線上で重ね合わさるという特別の場合になるので、地上で実質的に重力の大きさを変えることができる（特許文献１）。磁化力の大きさは一般に連続的に可変である（例えばコイルに流す電流を変えれば磁化力は連続的に変わることになる）ので、重力と磁化力を一直線上で重ね合わせ、これまで地上でも宇宙でも実現することが難しかった連続的に可変の重力値を仮想的に実現することができる。これが磁化力利用の利点と特徴である。
【０００３】
しかしながら、そのような重力制御装置および方法を使用しても、代表的な反磁性体である水にかかる重力を完全にうち消し、水を空間に浮遊させるためには、ほぼB grad B=1400 T²/m という値が必要で、これだけの値を実現することは現実の超伝導磁石、電磁石あるいは永久磁石では不可能であった。すなわち、水の浮遊は通常は不可能であり、それが実現できるのは、世界でも数カ所にしか設置されていない特殊なハイブリッド磁石による必要があった。その運転できる時間も、種々の技術的理由で、通常は数時間以内に限られていた。
【０００４】
水を浮遊させるために必要な条件は、磁気的な性質が水とほぼ類似である多くの生体高分子溶液についても同様で、生体高分子溶液の浮遊にも水と同じような困難さがある。生体高分子溶液から成長させることのできる生体高分子単結晶は、Ｘ線や中性子線で構造解析を行い、生体高分子の精密な立体構造を決めるために必須である。構造解析を行う際、立体構造の精度や信頼性は、使用する単結晶の品質や大きさで左右される。そこで、生体高分子の品質の良い単結晶が必要となる。
【０００５】
生体高分子をはじめとして、品質の良い結晶を得るには、容器の影響がないようにして結晶成長させるという方法が知られている。これは、容器の底や壁があると、底や壁を境にして結晶の環境が変わるため、対称性が低下し結晶が等方的に成長できないという理由による。また、底や壁を通しての物質供給が妨げられるため、結晶を成長させるのに十分な高分子などが供給できないことも問題である。さらに、結晶が容器の底や壁に固着して成長すると、歪みを起こさせる力が加わるという悪影響も考えられる。そのような悪影響を実証した例として、非特許文献１が知られている。非特許文献１では、容器壁から溶液中に柱状に伸びた結晶が、器壁から離れるに従って質の向上を示したこと、従って、容器壁の存在は、結晶に悪い歪みを与え、その影響がなくなるほど、精度の高い構造解析が可能となったことが示されている。これらに加え、容器の底で成長する生体高分子結晶を原子間力顕微鏡で観察していると、沈降してきたと見られる微結晶が付着し、一体となって成長するという事例が普遍的に起きたとする報告がある（非特許文献２）。その場合、沈降して一体化する微結晶は、はじめに成長していた結晶とは方位に連関がなく、また方位を揃えるような整序機構も働かない。よって微結晶の沈降・付着は、結晶格子の秩序的整合性を乱すので、結晶の品質は低下する。容器の底を結晶成長の場所として選んだ場合は、このような不都合が起きていることも考えられる。浮遊した状態で結晶を作ると、これらいくつものマイナスの問題点が回避でき、結晶の品質向上に役立つ可能性がある。
【０００６】
【特許文献１】
特許３２７８６８５号
【０００７】
【非特許文献１】
H. Higuchi, T. Okamoto, N. Yasuoka: J. Crystal Growth 168 (1996) 99-105
【０００８】
【非特許文献２】
A.J.Malkin, Y.G.Kuznetsov, A. McPherson: Proteins 24 (1996) 247-252
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、磁石の供給する磁化力を、例えば媒体に加えた常磁性物質あるいは反磁性物質によって強化することを目的とする。このことにより、常磁性ないし反磁性物質（液状または固形状）の媒体（水、有機溶媒など）中での浮遊が可能となり、容器の底や壁の影響に制限されない結晶成長などが可能となると共に、超伝導磁石、電磁石あるいは永久磁石の使用の範囲を広げることができる。
【００１０】
また、本発明は、優れた品質の結晶を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
物質や物体は、反磁性体、常磁性体、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体などに分類される。これらは、磁場を加えたときに物質や物体の示す応答に基づく分類である。これらの内、反磁性体と常磁性体は、非磁性体と呼ばれることもあり、磁場に対する応答が残りのものより弱い。従来の磁石の利用は、これら非磁性体を除く、より強い応答を磁場に対して示す物質や物体を対象に行われてきた例が圧倒的に多い。反磁性体や常磁性体を対象に磁石の利用を図った例は少ない。その理由は、前記した応答の弱さによる。しかし、大部分の物質や物体は反磁性体あるいは常磁性体である。また、近年急速に進歩した超伝導磁石は、反磁性体や常磁性体の示す磁場への応答も、ある程度引き出すことに成功しつつある。強磁性体などは、いわば例外的に磁石への応答の強い物質、物体であり、それら以外の反磁性体や常磁性体を対象にすると、磁石の利用の範囲を抜本的に広げることが可能となる。本願発明は、そのような技術的背景を下に、超伝導磁石の利用の範囲と、利用の方法とを広げることを目的になされたものである。
【００１２】
容器壁の影響のない結晶成長は、「無容器結晶成長」などと呼ばれ、結晶成長の好ましい環境として、しばしば実現が望まれてきた。典型的な無容器結晶成長環境は、例えば宇宙での微小重力環境、すなわち物体が無重量となり浮遊する環境である。そのような環境では、例えばコップに入れた水が無制限に空間に拡散するため、飲用水などは閉じた容器に入れて置いてストローで飲むとか、口を漱いだ水を無暗に吐き出さないなどの注意が払われている。多額の費用や希少な実験機会にもかかわらず宇宙における微小重力環境実験が企画される背景には、このような無容器結晶成長が可能な環境への期待を指摘することができる。
【００１３】
地上で類似の無容器結晶成長を行わせる工夫としては、従来行われてきたものとしては、（１）物体を帯電させ、静電的な斥力・引力を用いて浮遊を行わせる電磁浮遊、（２）超音波を用い、定常波を作って、音波の及ぼす圧力が両側から作用する場所に物体を浮かせる超音波浮遊、（３）ゲルの網目を形成し、絡み合ったポリマーの網目の抗力で物体を絡みとるゲル浮遊、（４）アルキメデスの原理を用い、水などの媒体によって浮力を発生させ、浮遊させたい物体を水槽などに浮かべる浮力の利用、（５）超強力レーザーの及ぼす電磁的圧力を用いるレーザー浮遊がある。これらの方法は、いずれも固有で克服しがたい問題点を有している。すなわち（１）では帯電が必要であるが、結晶を作るべき生体高分子溶液に長時間一定量の電荷を保持させ続けることは不可能であり、（２）の超音波圧では数マイクロリットル以上の生体高分子溶液を安定的に保持できず、（３）のゲル調製には加温が避けられず、また機械的、化学的な相互作用が起こり、（４）の浮力では力学的に安定な場所を得ることが難しく、さらに（５）のレーザーでは生体高分子の安定性にとって最も避けるべき温度上昇が避けられない。
【００１４】
同様の浮遊が起きる環境は、さらに多くの目的に使用できる。すなわち、比重の異なる２物質の完全混合、対流が起きないことを利用した分離性能の向上やそれによる有用物質の回収や有害物質の除去、対流のないことを利用した熱伝導率や屈折率などの精密測定、容器壁からの不純物混入のない結晶成長、容器壁による異種核形成のない過飽和状態や過冷却状態の実現とそれを利用した過飽和溶液や過冷却溶液の研究、地上では通常実現できない組成のガラスなどの不定形混合物の製造、ゆがみの全くない真球の製造などが例示できる。
【００１５】
本願発明は、このような無容器結晶成長をはじめとする浮遊状態を地上で実現するということの要請と、浮遊や浮上を行う上での現行技術の問題点を回避する目的でなされたものである。
【００１６】
本発明は、以下の方法及び結晶に関する。
項１．富化(enrich)あるいは局在されるべき反磁性物質及び／又は常磁性物質を容器中の媒体に溶解、分散ないし懸濁させる工程、該容器を磁石により形成される磁化力と重力の両方の作用環境下に配置する工程を含む媒体中の特定の領域に反磁性物質あるいは常磁性物質を固形物又は液状物として富化あるいは局在させる方法。
項２．富化(enrich)あるいは局在されるべき物質が常磁性物質であり、媒体が、反磁性媒体である項１に記載の方法。
項３．富化(enrich)あるいは局在されるべき物質が反磁性物質であり、媒体が、常磁性媒体である項１に記載の方法。
項４．富化あるいは局在される物質が反磁性物質であり、前記媒体が常磁性物質を溶解、分散（乳濁）または懸濁させた液体である項１に記載の方法。
項５．前記媒体が水あるいは常磁性物質又は反磁性物質の水溶液である項１または２に記載の方法。
項６．前記媒体が有機溶媒あるいは常磁性物質又は反磁性物質の有機溶媒溶液である項１および２の方法。
項７．富化あるいは局在される反磁性物質あるいは常磁性物質が結晶である項１〜６のいずれかに記載の方法
項８．富化あるいは局在する場所が媒体の表面あるいは上面である項１〜７のいずれかに記載の方法。
項９．媒体の表面あるいは上面で結晶を析出もしくは成長させる項８に記載の方法。
項１０．富化あるいは局在する場所が媒体の底面あるいは下面である項１〜７のいずれかに記載の方法
項１１．反磁性物質が生体材料である、項１〜１０のいずれかに記載の方法。
項１２．生体材料の結晶を析出させる工程をさらに含む、項１１に記載の方法。
項１３．生体材料の結晶を析出するために加える添加物と、媒体に溶解させる常磁性物質が同一である項１２に記載の方法
項１４．結晶が溶媒中に浮遊した状態で成長する、項１２に記載の方法。
項１５．完全に等方的な形状と十全に発達した結晶面を有する生体材料の結晶。
項１６．生体材料がタンパク質である項１５に記載の結晶。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明で使用する磁石としては、超伝導磁石、電磁石、永久磁石が挙げられる。好ましい磁石は電磁石および超伝導磁石である。磁石の磁化力は、浮遊を目的とする場合、１テスラ（Ｔ）以上であればよく、通常は、１〜５テスラの磁化力を有する磁石で十分である。しかし、市販の超伝導磁石では容易に１０〜１５テスラが発生できるので、そのような超伝導磁石はもちろん本願発明に好適に使用できる。浮遊を目的とせず、単に重力値を変えるためであれば、０．１テスラ程度が発生できる磁石であればよい。
【００１８】
十分に大きな磁化力を鉛直上向きに発生させて重力と重ね合わせれば、浮遊や浮上の状態が実現する。しかし、十分に大きな磁化力を発生させることの意義はそれに限定されるものではない。たとえ浮上には至らなくとも、一定程度の上向き磁化力の印加により、溶液内の対流の抑制や軽減は行うことが可能であり、目的によってはそれでも十分である。下向き磁化力を重力に重ね合わせれば、実質的な過重力状態が実現できる。過重力の環境も、ある種の結晶成長には有利に働くことが知られている。従来、過重力状態は、遠心力の作用などで実現されてきたが、本発明の方法は、ある程度の過重力状態を実現するための簡便で新しい手段となる。
【００１９】
さらに、磁化力を鉛直以外の方向に印加することもできる。
【００２０】
図３に、磁石（超伝導磁石コイル）の中心との相対的な位置（Ａ，Ｂ）において、常磁性体が受ける磁化力の向きを例示する。図３に示されるように、常磁性体がコイルの中心より図３の上側にあると磁化力は下向き（矢印方向）に印加され、重力と重ね合わせられて、実質的な過重力状態が実現できる。また、常磁性体がコイルの中心より図３の下側にあると磁化力は上向き（矢印方向）に印加され、磁化力の程度によって浮遊や浮上の状態、或いは溶液内の対流の抑制や軽減を行うことが可能である。なお、図３において、磁化力の方向（矢印方向）は、常磁性体の場合であって、反磁性体に対する磁化力の方向は図３とは逆方向になる。
【００２１】
本発明では、媒体と、富化あるいは局在される固形状又は液状の反磁性物質あるいは常磁性物質との磁性の差を利用し、磁石によって発生される磁化力の大きさを強めることを特徴の１つとしている。例えば、富化あるいは局在される固形状又は液状の物質が反磁性物質の場合、常磁性溶媒を用いるか、常磁性物質を反磁性溶媒に溶解、分散ないし懸濁すること、特に溶解することにより、媒体全体を常磁性にし、媒体と富化あるいは局在される反磁性物質との磁性の差を大きくすることが望ましい。もちろん、常磁性溶媒にさらに常磁性物質を溶解、分散ないし懸濁し、媒体全体の常磁性特性をさらに強化することも可能である。反磁性溶媒を常磁性にするために配合される常磁性物質の量は、常磁性の強さによって変化するが、例えば常磁性物質としてガドリニウム塩、反磁性媒体として水を用いる場合、ガドリニウム濃度が０．００１モル濃度以上であれば、媒体全体として反磁性物質を析出させるのに十分に常磁性になる。
【００２２】
同様に、富化あるいは局在される固形状又は液状の物質が常磁性物質の場合、反磁性媒体を用いるか、反磁性物質を常磁性媒体に溶解、分散ないし懸濁すること、特に溶解することにより、媒体全体を反磁性にし、媒体と富化あるいは局在される常磁性物質との磁性の差を大きくすることが望ましい。もちろん、反磁性溶媒にさらに反磁性物質を溶解、分散ないし懸濁し、媒体全体の反磁性特性をさらに強化することも可能である。ただし、常磁性物質と異なり、反磁性物質の反磁性の程度は、物質によってそれほど変わらないことが通例であるため、「反磁性溶媒にさらに反磁性物質を溶解、分散ないし懸濁する」ことには限度がある。反磁性溶媒を常磁性にするために配合される常磁性物質の量は、常磁性の強さによって変化する。
【００２３】
本明細書における「媒体」とは、特定の領域に固形物又は液状物として富化あるいは局在される反磁性あるいは常磁性の物質を溶解、分散ないし懸濁させるための液状物であり、反磁性物質あるいは常磁性物質を溶解、分散ないし懸濁のための溶媒と、媒体の磁性、富化あるいは局在される物質の溶解性、分散性、懸濁性を改善させるための各種添加剤を必要に応じて含むものである。
【００２４】
溶媒としては、流動性を有する溶媒が挙げられ、例えば水、アルコール類（メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなど）、脂肪族炭化水素（ヘキサンなど）、脂環式炭化水素（シクロヘキサンなど）、アミン類（トリエチルアミン、ジエチルアミンなど）、エーテル類（ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、イソプロピルエーテルなど）、エステル類（酢酸エチルなど）、カルボン酸類（酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸など）、芳香族炭化水素（ベンゼン、トルエン、キシレンなど）、ハロゲン化炭化水素（クロロホルム、塩化メチレンなど）、アセトニトリル、ＤＭＦ，ＤＭＳＯ，アセトアミド等の有機溶媒が例示される。さらに、液状、亜臨界又は超臨界状態の二酸化炭素、炭化水素、酸素（常磁性）、水（水蒸気）或いはこれらの混合物などを適当な温度及び圧力条件下で使用してもよい。
【００２５】
溶媒に添加される添加剤としては、磁性調整剤（反磁性物質又は常磁性物質）、溶解補助剤、分散安定剤、懸濁安定剤、結晶の析出を促す結晶化剤、結晶化助剤が例示される
磁性調整剤として溶媒に添加する常磁性物質としては、媒体が水である場合には、塩化ガドリニウム、硝酸ガドリニウム、塩化コバルト、硝酸コバルト、塩化ニッケル、硝酸ニッケル、塩化マンガン、硝酸マンガンを例示することができる。媒体が有機溶媒である場合には、添加する常磁性物質は、有機溶媒に溶解できるガドリニウム、コバルト、ニッケル、マンガンなどを含む有機酸塩、錯化合物などが例示できる。
【００２６】
磁性調整剤として溶媒に添加される反磁性物質としては、溶媒に溶解、分散、懸濁可能な各種の有機物、ガドリニウム、コバルト、ニッケル、マンガン以外の元素からなる各種の無機物が広く例示される。
【００２７】
磁化力を作用させる対象である、固形物又は液状物としては、磁化力の作用を受けて媒体中での挙動が変化するようなものがよく、媒体との比重差が少ないほど、磁化力の作用は大きくなる。媒体の比重が水のように１に近い場合には、金属粉末のような比重の重いものよりも、有機物のような比重の軽いものが好ましく、特に有機物の結晶あるいは生体高分子結晶が望ましい。液状物としては、水（溶媒）中で分離する油状物（液状物）などの溶媒と混ざらない液状物質が例示される。固形物又は液状物は、常磁性物質と反磁性物質のいずれでもよいが、反磁性物質が好ましい。
【００２８】
富化または局在化される反磁性物質としては、有機或いは有機−無機の低分子及び高分子ならびに多くの生体材料、特に生体高分子が例示できる。生体材料の結晶を浮遊状態で成長させたいという、本願発明の、一実施形態に過ぎないが典型的な使用例の場合、超伝導磁石のボアを鉛直方向に向け、中心よりも上方で、上に行くほどB grad Bの値が減少する位置を利用する。すると常磁性物質を含む媒体は下方へと引かれる力を受け、一方、反磁性物質は上方へと引かれる力を受けるので、反磁性物質に作用する上向き磁化力は常磁性物質（添加物）が存在しない場合よりもはるかに増強され、浮遊が実現する。添加物の存在なしに浮遊を実現することは、特殊なハイブリッド磁石を用いない限りあり得ない。
【００２９】
例えば、図４は、反磁性物質の結晶が常磁性体溶液（ＧｄＣｌ₃の水溶液）中にある場合に、どのような方向に磁化力を受けるのかを示す。なお、図４のＡ，Ｂは、図３のＡ点，Ｂ点にそれぞれ対応する。
【００３０】
図４に示されるように、図３のＡ点では、反磁性体結晶には、図３の矢印と逆方向の上向きの磁化力（矢印方法、▲１▼）が印加され、添加物により常磁性体に変化させた溶液（▲２▼）には、下向きの磁化力が印加される。相対的に反磁性体結晶に作用する磁気浮力（▲３▼）は、▲１▼と▲２▼の総和になり、ＧｄＣｌ₃を水に溶解することで、▲２▼の分だけ結晶に対する浮力が大幅に加算され、▲２▼の磁化力を大きくすることで磁気浮力（▲３▼）を重力以上とし、結晶を溶液表面或いは上面に浮かせることが可能になる。
【００３１】
同様に反磁性体結晶（▲１▼）を図３のＢ点に置くと、結晶は矢印と反対方向の下向きの磁化力を受け、常磁性体へと変化させた溶液（ＧｄＣｌ₃の水溶液、▲２▼）が上向きの磁化力を受けるので、相対的に反磁性体結晶に作用する磁気浮力（▲３▼）は、▲１▼と▲２▼の総和（重力と同方向）になり、ＧｄＣｌ₃を水に溶解することで、▲２▼の分だけ結晶に対する重力方向の磁化力が大幅に加算され、結晶を溶液底面に形成することができ、実質的な過重力状態が実現できる。このように、磁場中の容器の位置を変えることで、容器内の反磁性物質又は常磁性物質に対して作用する力（浮力又は過重力）を調節することが可能である。
【００３２】
反磁性物質の具体例としては、低分子量（分子量数千以下）の医薬品などの、結晶の径やその均一性や結晶形の等方性や結晶形が溶解性や薬効などに大きな影響を与える物質、タンパク質（酵素、ホルモン、受容体を含む）、核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡなど）、多糖類、糖脂質、糖タンパク、タンパク質と核酸の複合体、タンパク質と低分子物質との複合体、タンパク質と金属などのイオンとの複合体、酵素タンパク質と基質との複合体、抗体タンパク質と抗原との複合体、ウィルスなどを含む生体材料が挙げられる。
【００３３】
本発明方法において、常磁性媒体を含む反磁性試料を設置する場所として中心よりも下方でB grad Bの値が下ほど減少する位置を使うと、反磁性物質は下へと引かれる力を受け、媒体は上へと引かれる力が強まるので、結果として反磁性物質に作用する下向き磁化力は増強され、常磁性添加物を加えない場合に比べ、過重力に相当する力がはるかに大きく加わる。
【００３４】
いま、反磁性物質の上向き磁化力あるいは下向き磁化力が増強すると述べたが、力を加えたい物質がたとえ弱い常磁性であっても、まわりの液体にさらに常磁性物質を添加して常磁性の程度を大きくしても（すなわち両者の磁性の差を大きくしても）、同じ効果を引き起こすことができる。
【００３５】
あるいは、常磁性物質に対して作用する磁化力を増強したい場合には、それのまわりの液体環境が常磁性である場合、そこに反磁性体を添加して、常磁性体に作用する磁化力を増強させることが考えられる。この場合、超伝導磁石のボアを鉛直方向に向けると、中心よりも下方でB grad Bの値が下に行くほど小さくなっている場所において、常磁性物質は上方への力を受け、添加物によって反磁性化された液体は下方へと引かれる力を受けるので、常磁性物質の受ける上方への力は増強される。
【００３６】
媒体中の常磁性物質の添加量としては、該常磁性物質の溶解限界以下の濃度が使用できる。この場合、媒体に働く磁化力を強めるという目的では、それ以外の要素（例えば比重の変化）が無視できる場合には、溶解限界に近いほど大きな効果が期待できる。また常磁性物質の常磁性は、一般に、温度が低いほど顕著になるので、適切な温度の選択も重要である。媒体中の反磁性物質を添加する場合の添加量も溶解限界に近いほど大きい効果が期待できる。反磁性の程度は温度にはあまり依存しないので、この場合の温度は結晶成長などに及ぼす影響を中心に選べばよい。
【００３７】
以上要するに、本願発明の方法は、媒体中に含まれる固形物または液状物を対象に、該固形物または液状物が有する磁気的性質とできるだけ異なった磁気的性質を添加物によって該媒体に与え、両者の磁気的性質の差を顕著にすることによって、該固形物または液状物に作用する磁化力を増強させる方法である。この方法によって増強させられた磁化力を引き出すためには、B grad Bの値が場所によって変化する場所を利用する。そのような場所は、通常の磁石では中心から外れ、中心の両側、対称的な位置にある。力の作用する方向は、力を作用させたい固形物または液状物の磁気的性質が、まわりの液体の性質に比べて、より反磁性的か常磁性的かということと、利用する場所が磁石の中心のどちら側にあるかによって決まる。力は磁石の中心に向かう方向か、その反対方向かが考えられるが、利用する場所を変えることにより、力の方向は反転するので、目的に応じ、適宜場所を選択すればよい。
【００３８】
生体高分子結晶を析出させる場合、本願発明の方法を用いて結晶が発生する溶液の磁気的性質を、生成する結晶の磁気的性質とできるだけ異ならせておく。例えば反磁性である卵白リゾチームを結晶化する場合、まわりの溶液に塩化ガドリニウムを添加して常磁性化しておく。この溶液をB grad Bの値が上ほど小さくなる場所に置く。すると、発生した結晶は磁気的性質の差により、上向きの磁気力が増強され、成長の途中で液面に浮かび、その位置で成長する。このようにして地上で容易に、これまでは困難であった無容器結晶成長を実現させることができる。本願発明の方法以外に、卵白リゾチームの無容器結晶成長を実現することは、特殊なハイブリッド磁石を用いる以外には不可能であった。しかし、本願の方法では、市販の超伝導磁石の中で、容易に無容器結晶成長が実現した。
【００３９】
生体高分子を結晶化するには、塩を結晶化剤として用いることが普通である。卵白リゾチームの場合、通常塩化ナトリウムを用いる。結晶化剤である塩化ナトリウムに加えて、磁気的性質を変えるための添加剤塩化ガドリニウムを加えても構わない。しかしさらに結晶化操作を抜本的に簡素化するため、塩化ガドリニウムで双方の作用を兼ねさせることもできる。結晶化剤と磁気的性質を変えるための添加物とを同一の塩で行わせることのメリットは、２種類のカチオンが存在することによる操作の煩雑さを除き、結晶溶解度が多くの要因で左右される不確定さや複雑さを回避できるところにある。
本発明において、媒体中には、反磁性の無機塩類、ｐＨ調整剤、界面活性剤、結晶化に影響を及ぼす重金属類や１価や多価のイオン、生体高分子と相互作用するリガンド・基質・阻害剤・補酵素・抗体類、微生物繁殖防止剤、着色剤、粘度調整剤等の各種の添加剤をさらに加えることが可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、溶液中の反磁性物質の存在領域を制御することができる。
【００４１】
また、本発明によれば、磁化力を用いる浮遊により無容器状態での結晶成長が可能となり、優れた品質の結晶を得ることができる。
【００４２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づきより詳細に説明する。
実施例１：リゾチーム結晶の生成
２ｍｌの円筒状のガラス容器（直径１．５ｃｍ）中に卵白リゾチーム溶液（濃度５重量％、容積０．７ｍｌ）を加えた。この溶液に塩化ガドリニウム六水和物（０．０８ｇ）を溶解させた。次いで超伝導磁石の発生する磁束密度とその勾配の積の値が、該溶液の中心で３０Ｔ²／ｍになり、上に行くほど減少するように、該容器を固定した。この状態で２４時間放置したところ、リゾチームの結晶が溶液の液面付近に成長した。液面付近において浮遊状態で結晶が成長するのは、磁束密度とその勾配の積の値が４０，１００，２００Ｔ²／ｍ（使用した超伝導磁石で容易に作れる最大の値）でも同一であった。
【００４３】
塩化ガドリニウムを用いて成長させた卵白リゾチーム結晶は、結晶化剤として塩化ナトリウムを用いた場合とまったく遜色のない大きさや形を有しており、さらに無容器結晶成長が行えた結果として、完全に等方的な形状と十全に発達した結晶面を有し、直線的な稜の発達を示していた。
実施例２
卵白リゾチームの結晶化剤および環境の磁性を変える添加物という双方の目的で塩化ガドリニウムを用いた結晶化実験を行った。実験条件はリゾチーム濃度5.00重量％、結晶化剤（塩化ガドリニウム）濃度8.08重量％(=0.306 mol/kg)、温度13℃、ボア中心の磁場の強さ4.3 Teslaである。また超伝導磁石ボア内部における設置位置は、コイル中心より上方40 mmという、磁束密度勾配があり、磁化力が働き得る位置とした。結晶化はバッチ法で0.8 mlの液量の溶液中、ガラス容器内で行った。このような条件で実験を行うと、添加物としての塩化ガドリニウムの作用で溶液は強い常磁性となり、ボア中心より上部では、磁石の中心、すなわち下方に向かう強い力を受ける。一方、タンパクの結晶は本来反磁性であり、たとえ結晶化に際して常磁性物質であるガドリニウムが結合するとしても、分子全体としては微々たる量であるため、ガドリニウムの常磁性の影響はごく小さい。そのため、結晶ができはじめると、まわりの溶液の磁気的性質（強い常磁性）と結晶の磁気的性質との差は大きく、結晶は浮遊する。4.3 Tという超伝導磁石としては比較的小さい中心磁場でも、結晶は溶液表面で成長した（なお4.3 T以上の磁場では結晶は浮遊状態で成長した）。そこで、このような磁場環境下で結晶化した卵白リゾチーム結晶と、磁場の影響を受けない環境で結晶化させた対照実験結果を比較した。
結晶面の表面形状の評価、及び等方性結晶の個数
顕微鏡観察によって結晶表面を観察した結果、磁気浮遊させた結晶は、結晶の表面がなめらかで傷がないことが判明した。またこうして生成された結晶は、磁場配向によって結晶の成長する方向がそろい、ｃ軸を鉛直方向に向けるため、どの結晶も等方的に成長している特徴も有していた。
【００４４】
一方、磁場を印加しないで成長させた結晶は、磁場による配向がないため結晶の向きはバラバラであり、等方的に美しく成長した結晶はほとんどなかった。また、浮遊させる力がなく、多くの結晶化が容器底面や側壁において進行し、容器と結晶の接触面は粗くまた歪んだ面となっていた。
【００４５】
結果を図１及び表１に示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
図１は、横軸に、結晶の滑らかさに関する評価（５段階評価）をとり、縦軸にその状態を有する結晶の個数をとった棒グラフである。見て判るとおり、磁場印加によって結晶表面が滑らかな結晶が多く生成できたことが判る。結晶の滑らかさの評点も、磁場印加前の平均値が2.38だったのに対し、磁気環境で成長した結晶は、平均値が4.35に上昇するなど、表面の滑らかさが顕著に改善された。これは磁場による浮遊させる力が加わることにより、容器壁の影響を免れさせることができたことと、浮遊状態の結晶は等方的な環境にあり、まわりから分子が連続かつ効果的に供給されたことで、浮遊状態の結晶が圧倒的にきれいになったものと思われる。
結晶径の相違
そこで次に、結晶径の大きさを比較して、実施例２の方法で作った結晶の有利さを別の角度から表２および図２に示す。
【００４８】
【表２】

【００４９】
図２は、結晶径を写真観察によって実測し、横軸に結晶径、縦軸に結晶個数をとったヒストグラムである。この図から、本願方法による結晶化の方が、磁場無印加の場合よりも径がそろい、かつ大きい結晶ができていることが判る。よって本願方法は結晶の径を揃える新技術として重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２で得られた結晶に関し、横軸に、結晶の滑らかさに関する評価（５段階評価）をとり、縦軸にその状態を有する結晶の個数をとった棒グラフである。
【図２】実施例２で得られた結晶に関し、結晶径を写真観察によって実測し、横軸に結晶径、縦軸に結晶個数をとったヒストグラムである。
【図３】磁石の中心から外れた位置ＡおよびＢに置いた常磁性体に作用する磁化力の向きを表す説明図。力の向きは反磁性体を置いた場合には反転する。
【図４】塩化ガドリニウムを添加する前と後で、結晶に作用する磁化力の大きさの変化を示す説明図。媒体に作用する磁化力を基準にして、結晶に働く実質的な磁化力の大きさが決まるので、塩化ガドリニウムを添加して媒体自体に作用する磁化力を変えると、結晶に働く磁化力を実質的に大きく増強できる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for increasing the magnitude of a magnetizing force that can be generated by a magnet, and more particularly to a technique for controlling the position of a substance in a medium.
[0002]
[Prior art and problems]
A magnet is a device that forms a magnetic flux between the north and south poles. Even when a magnetic field is generated by passing a current through the coil, there is substantially the same effect as forming a magnetic flux by forming an N pole and an S pole. As an effect of the magnet on the substance, an effect (magnetic field orientation) that first orients the azimuth magnetic needle in the same direction as the direction of the magnetic flux is conceivable. In this case, the direction of the magnetic flux is a problem, and an effect proportional to the magnetic flux density B occurs. On the other hand, a magnet can exert a force called a magnetizing force on a substance or an object. Magnetization force is a force generated to minimize the generation of energy imparted when a substance or object is magnetized in a magnet, and its magnitude is the product of the magnetic flux density and its spatial gradient. That is, it is proportional to B grad B. That is, in order to extract the magnetizing force, it is essential that the magnetic flux density has a spatial gradient grad B, and no magnetizing force is generated in a uniform magnetic field. Due to the magnetizing force, the diamagnetic material receives a force escaping from a place where the magnetic field is dense, and the paramagnetic material receives a force drawn into the place where the magnetic field is dense. There is no particular limitation on the relationship between the direction in which this force acts and the vertical or horizontal direction. However, when the acting direction of the magnetizing force is set to the vertical direction, the direction of gravity of the earth coincides with the direction of the magnetizing force. Then, since the gravity vector and the magnetizing force vector are superposed on a straight line, the magnitude of gravity can be substantially changed on the ground (Patent Document 1). The magnitude of the magnetizing force is generally continuously variable (for example, if the current flowing through the coil is changed, the magnetizing force changes continuously), so gravity and magnetizing force are superimposed on a straight line, It is possible to virtually realize continuously variable gravity values that were difficult to realize even in space. This is an advantage and feature of using the magnetizing force.
[0003]
However, even if such a gravity control device and method are used, in order to completely eliminate the gravity applied to water, which is a typical diamagnetic material, and to float the water in the space, B grad B = 1400 T²A value of / m is required, and it was impossible to realize such a value with an actual superconducting magnet, electromagnet, or permanent magnet. In other words, it is usually impossible to float water, and it was necessary to use a special hybrid magnet that was installed only in several places in the world. The operating time is usually limited to a few hours for various technical reasons.
[0004]
The conditions necessary for suspending water are the same for many biopolymer solutions whose magnetic properties are almost similar to water, and floating biopolymer solutions has the same difficulty as water. . A biopolymer single crystal that can be grown from a biopolymer solution is indispensable for conducting a structural analysis with X-rays or neutron beams and determining a precise three-dimensional structure of the biopolymer. When structural analysis is performed, the accuracy and reliability of the three-dimensional structure depend on the quality and size of the single crystal used. Therefore, a single crystal with a high quality biopolymer is required.
[0005]
In order to obtain high-quality crystals including biopolymers, a method is known in which crystals are grown without being affected by the container. This is because if there is a bottom or wall of the container, the crystal environment changes with the bottom or wall as a boundary, so that the symmetry is lowered and the crystal cannot grow isotropically. In addition, since the material supply through the bottom and the wall is hindered, it is also a problem that a sufficient polymer or the like for growing crystals cannot be supplied. Furthermore, when the crystal grows while being fixed to the bottom or wall of the container, there is an adverse effect that a force causing distortion is added. As an example demonstrating such an adverse effect, Non-Patent Document 1 is known. In Non-Patent Document 1, the crystal extending in a columnar shape from the container wall into the solution showed an improvement in quality as it moved away from the vessel wall. Therefore, the presence of the container wall gave a bad distortion to the crystal, and the influence thereof. It is shown that the more accurate the structural analysis becomes possible, the more it disappears. In addition to these, when a biopolymer crystal growing at the bottom of a container is observed with an atomic force microscope, there is a universal case where microcrystals that appear to have settled adhere and grow together. (Non-Patent Document 2). In this case, the crystallites that settle and integrate are not related to the orientation of the crystal that was first grown, and the ordering mechanism that aligns the orientation does not work. Therefore, the precipitation and adhesion of microcrystals disturbs the orderly consistency of the crystal lattice, so that the quality of the crystal is lowered. If the bottom of the container is selected as the crystal growth location, such inconvenience may occur. Making crystals in a floating state can avoid many of these negative problems and can help improve crystal quality.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3278855
[0007]
[Non-Patent Document 1]
H. Higuchi, T. Okamoto, N. Yasuoka: J. Crystal Growth 168 (1996) 99-105
[0008]
[Non-Patent Document 2]
A.J.Malkin, Y.G.Kuznetsov, A. McPherson: Proteins 24 (1996) 247-252
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to reinforce the magnetizing force supplied by a magnet, for example, by a paramagnetic substance or a diamagnetic substance applied to a medium. This makes it possible to float a paramagnetic or diamagnetic substance (liquid or solid) in a medium (water, organic solvent, etc.), and to allow crystal growth that is not limited by the influence of the bottom and walls of the container. In addition, the range of use of superconducting magnets, electromagnets or permanent magnets can be expanded.
[0010]
Another object of the present invention is to provide an excellent quality crystal.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Substances and objects are classified into diamagnetic materials, paramagnetic materials, ferromagnetic materials, antiferromagnetic materials, ferrimagnetic materials, and the like. These are classifications based on the response of a substance or object when a magnetic field is applied. Among these, diamagnetic materials and paramagnetic materials are sometimes called non-magnetic materials, and have a weaker response to magnetic fields than the rest. The use of conventional magnets is overwhelmingly many examples that have been performed on substances and objects that exhibit a stronger response to magnetic fields, excluding these non-magnetic materials. There are few examples of using magnets for diamagnetic and paramagnetic materials. The reason is due to the weak response described above. However, most substances and objects are diamagnetic or paramagnetic. In addition, superconducting magnets that have advanced rapidly in recent years have succeeded in extracting the response to magnetic fields exhibited by diamagnetic materials and paramagnetic materials to some extent. Ferromagnetic materials are substances and objects that have exceptionally strong response to magnets, so it is possible to drastically expand the range of use of magnets for other diamagnetic and paramagnetic materials. It becomes. The present invention has been made for the purpose of expanding the range of use of superconducting magnets and the method of using these technical backgrounds.
[0012]
Crystal growth without the influence of the container wall is called “container-free crystal growth” and the like, and it has often been desired to be realized as a preferable environment for crystal growth. A typical containerless crystal growth environment is, for example, a microgravity environment in space, that is, an environment in which an object is weightless and floats. In such an environment, for example, water in a cup diffuses into the space without restriction, so drinking water should be placed in a closed container and drunk with a straw, or water that has been squeezed through the mouth will not be spit out without darkness. Such attention is paid. In the background of the microgravity environment experiment planned in space despite the large cost and rare experiment opportunities, we can point out the expectation for such an environment that allows containerless crystal growth.
[0013]
As a device for performing similar containerless crystal growth on the ground, (1) electromagnetic floating that charges an object and performs floating using electrostatic repulsion and attraction, 2) Use ultrasonic waves to create a standing wave and float the object in the place where the pressure of the sound waves acts from both sides. (3) Form a gel network and drag the object with the drag of the intertwined polymer network. Entangled gel suspension, (4) using Archimedes' principle, buoyancy is generated by a medium such as water, and buoyancy is used to float an object to be floated in a tank, etc. (5) electromagnetic pressure exerted by ultra-powerful laser is used There is laser floating. Each of these methods has problems that are inherent and difficult to overcome. That is, in (1), charging is necessary, but it is impossible to keep a constant amount of charge in the biopolymer solution to be crystallized for a long time. The biopolymer solution of (3) cannot be stably retained, and heating is inevitable in the gel preparation of (3), and mechanical and chemical interactions occur, and the buoyancy of (4) is mechanically stable. In addition, it is difficult to obtain such a place, and the laser of (5) inevitably raises the temperature that should be avoided most for the stability of the biopolymer.
[0014]
An environment in which similar floating occurs can be used for more purposes. That is, complete mixing of two substances with different specific gravities, improvement in separation performance using the absence of convection, recovery of useful substances and removal of harmful substances, thermal conductivity and refractive index using no convection, etc. Precise measurement, crystal growth without contamination from the vessel wall, realization of supersaturated or supercooled state without heterogeneous nucleation by the vessel wall, research on supersaturated solution and supercooled solution using it, normally impossible on the ground Examples thereof include production of an amorphous mixture such as glass having a composition, production of a true sphere having no distortion.
[0015]
The present invention was made for the purpose of avoiding the problems of the current technology in performing floating and levitation, as well as a request for realizing such floating state including vesselless crystal growth on the ground. is there.
[0016]
The present invention relates to the following methods and crystals.
Item 1. Dissolving, dispersing or suspending the diamagnetic material and / or paramagnetic material to be enriched or localized in the medium in the container, both magnetizing force and gravity formed by the magnet A method of enriching or localizing a diamagnetic substance or a paramagnetic substance as a solid or liquid substance in a specific region in a medium including a step of arranging in an operating environment.
Item 2. Item 2. The method according to Item 1, wherein the substance to be enriched or localized is a paramagnetic substance, and the medium is a diamagnetic medium.
Item 3. Item 2. The method according to Item 1, wherein the substance to be enriched or localized is a diamagnetic substance, and the medium is a paramagnetic medium.
Item 4. Item 2. The method according to Item 1, wherein the substance to be enriched or localized is a diamagnetic substance, and the medium is a liquid in which a paramagnetic substance is dissolved, dispersed (emulsified) or suspended.
Item 5. Item 3. The method according to

Item

1 or 2, wherein the medium is water or an aqueous solution of a paramagnetic substance or a diamagnetic substance.
Item 6. Item 3. The method according to

Items

1 and 2, wherein the medium is an organic solvent or an organic solvent solution of a paramagnetic substance or a diamagnetic substance.
Item 7. Item 7. The method according to any one of Items 1 to 6, wherein the enriched or localized diamagnetic substance or paramagnetic substance is a crystal.
Item 8. Item 8. The method according to any one of Items 1 to 7, wherein the enriched or localized site is the surface or upper surface of the medium.
Item 9. Item 9. The method according to Item 8, wherein the crystal is precipitated or grown on the surface or upper surface of the medium.
Item 10. Item 8. The method according to any one of Items 1 to 7, wherein the enriched or localized place is the bottom surface or the bottom surface of the medium.
Item 11. Item 11. The method according to any one of Items 1 to 10, wherein the diamagnetic substance is a biomaterial.
Item 12. Item 12. The method according to Item 11, further comprising the step of precipitating crystals of the biomaterial.
Item 13. Item 13. The method according to Item 12, wherein the additive added for precipitating the crystal of the biomaterial and the paramagnetic substance dissolved in the medium are the same.
Item 14. Item 13. The method according to Item 12, wherein the crystal grows while suspended in a solvent.
Item 15. A crystal of a biomaterial with a completely isotropic shape and a fully developed crystal plane.
Item 16. Item 16. The crystal according to Item 15, wherein the biomaterial is a protein.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples of the magnet used in the present invention include a superconducting magnet, an electromagnet, and a permanent magnet. Preferred magnets are electromagnets and superconducting magnets. The magnetizing force of the magnet may be 1 Tesla (T) or more for the purpose of floating, and a magnet having a magnetizing force of 1 to 5 Tesla is usually sufficient. However, since a commercially available superconducting magnet can easily generate 10 to 15 Tesla, such a superconducting magnet can of course be suitably used in the present invention. For the purpose of merely changing the gravity value without aiming at floating, any magnet capable of generating about 0.1 Tesla may be used.
[0018]
If a sufficiently large magnetizing force is generated vertically upward and overlapped with gravity, a floating or floating state is realized. However, the significance of generating a sufficiently large magnetizing force is not limited thereto. Even if the levitation does not occur, the convection in the solution can be suppressed or reduced by applying a certain upward magnetizing force, which is sufficient for some purposes. If the downward magnetizing force is superimposed on gravity, a substantial overgravity state can be realized. Overgravity environments are also known to work favorably for certain types of crystal growth. Conventionally, the overgravity state has been realized by the action of centrifugal force and the like, but the method of the present invention is a simple and new means for realizing a certain degree of overgravity state.
[0019]
Further, the magnetizing force can be applied in a direction other than vertical.
[0020]
FIG. 3 exemplifies the direction of the magnetizing force received by the paramagnetic material at the position (A, B) relative to the center of the magnet (superconducting magnet coil). As shown in FIG. 3, when the paramagnetic material is on the upper side of FIG. 3 from the center of the coil, the magnetizing force is applied downward (in the direction of the arrow) and is superposed on the gravity to realize a substantial overgravity state. it can. Further, when the paramagnetic material is below the center of the coil in FIG. 3, the magnetizing force is applied upward (in the direction of the arrow), and depending on the degree of the magnetizing force, the floating or floating state or the convection in the solution is suppressed or reduced Can be done. In FIG. 3, the direction of the magnetizing force (arrow direction) is a paramagnetic material, and the direction of the magnetizing force with respect to the diamagnetic material is opposite to that in FIG.
[0021]
In the present invention, the magnitude of the magnetizing force generated by the magnet is increased by utilizing the magnetic difference between the medium and the solid or liquid diamagnetic substance or paramagnetic substance that is enriched or localized. One of them. For example, when the solid or liquid substance to be enriched or localized is a diamagnetic substance, use a paramagnetic solvent, or dissolve, disperse or suspend the paramagnetic substance in the diamagnetic solvent, particularly dissolve. Therefore, it is desirable to make the entire medium paramagnetic and increase the difference in magnetism between the medium and the enriched or localized diamagnetic substance. Of course, it is also possible to further enhance the paramagnetic properties of the entire medium by dissolving, dispersing or suspending the paramagnetic substance in the paramagnetic solvent. The amount of the paramagnetic substance added to make the diamagnetic solvent paramagnetic varies depending on the strength of paramagnetism. For example, when gadolinium salt is used as the paramagnetic substance and water is used as the diamagnetic medium, the gadolinium concentration is If it is 0.001 molar concentration or more, the whole medium becomes sufficiently paramagnetic to precipitate a diamagnetic substance.
[0022]
Similarly, when the solid or liquid substance to be enriched or localized is a paramagnetic substance, a diamagnetic medium is used, or the diamagnetic substance is dissolved, dispersed or suspended in the paramagnetic medium, particularly dissolved. Thus, it is desirable to make the entire medium diamagnetic and increase the magnetic difference between the medium and the enriched or localized paramagnetic substance. Of course, it is also possible to further enhance the diamagnetic characteristics of the entire medium by dissolving, dispersing or suspending the diamagnetic substance in the diamagnetic solvent. However, unlike paramagnetic substances, the degree of diamagnetism of a diamagnetic substance is usually not so different depending on the substance, so it is necessary to “dissolve, disperse or suspend diamagnetic substance in a diamagnetic solvent”. There is a limit. The amount of the paramagnetic substance added to make the diamagnetic solvent paramagnetic varies depending on the strength of paramagnetism.
[0023]
The “medium” in the present specification is a liquid material for dissolving, dispersing or suspending a diamagnetic or paramagnetic substance enriched or localized as a solid or liquid in a specific region. Solvents for dissolving, dispersing or suspending magnetic substances or paramagnetic substances, and various additives for improving the solubility, dispersibility, and suspendability of magnetic, enriched or localized substances in the medium. It is included as necessary.
[0024]
Examples of the solvent include fluid solvents, such as water, alcohols (such as methanol, ethanol, propanol, and butanol), aliphatic hydrocarbons (such as hexane), alicyclic hydrocarbons (such as cyclohexane), and amines. (Triethylamine, diethylamine, etc.), ethers (diethyl ether, tetrahydrofuran, isopropyl ether, etc.), esters (ethyl acetate, etc.), carboxylic acids (acetic acid, propionic acid, butanoic acid, pentanoic acid, etc.), aromatic hydrocarbons (benzene) And organic solvents such as halogenated hydrocarbons (chloroform, methylene chloride, etc.), acetonitrile, DMF, DMSO, acetamide and the like. Further, carbon dioxide, hydrocarbon, oxygen (paramagnetic), water (steam), or a mixture thereof in a liquid, subcritical or supercritical state may be used under appropriate temperature and pressure conditions.
[0025]
Additives added to the solvent include magnetic modifiers (diamagnetic substances or paramagnetic substances), solubilizers, dispersion stabilizers, suspension stabilizers, crystallization agents that promote crystal precipitation, and crystallization aids. Exemplified
Examples of paramagnetic substances added to the solvent as magnetic modifiers include gadolinium chloride, gadolinium nitrate, cobalt chloride, cobalt nitrate, nickel chloride, nickel nitrate, manganese chloride, manganese nitrate when the medium is water. Can do. When the medium is an organic solvent, examples of the paramagnetic substance to be added include organic acid salts and complex compounds containing gadolinium, cobalt, nickel, manganese and the like that can be dissolved in the organic solvent.
[0026]
Examples of the diamagnetic substance added to the solvent as a magnetic modifier include various organic substances that can be dissolved, dispersed, and suspended in the solvent, and various inorganic substances composed of elements other than gadolinium, cobalt, nickel, and manganese.
[0027]
As the solid or liquid substance to which the magnetizing force is applied, the one in which the behavior in the medium changes due to the action of the magnetizing force is good. The smaller the specific gravity difference from the medium, the smaller the magnetizing force. The effect is greater. When the specific gravity of the medium is close to 1 such as water, a material having a light specific gravity such as an organic substance is preferable to one having a high specific gravity such as metal powder, and an organic crystal or a biopolymer crystal is particularly desirable. Examples of the liquid substance include liquid substances that are not mixed with a solvent such as an oily substance (liquid substance) that is separated in water (solvent). The solid or liquid material may be either a paramagnetic material or a diamagnetic material, but a diamagnetic material is preferred.
[0028]
Examples of diamagnetic substances to be enriched or localized include organic or organic-inorganic small molecules and polymers, and many biomaterials, particularly biopolymers. In the case of a typical use case of the present invention in which a crystal of a biomaterial is desired to be grown in a floating state, the bore of the superconducting magnet is oriented vertically, above the center and above. Use the position where the value of B grad B decreases as you go to. Then, the medium containing the paramagnetic material receives a force attracted downward, while the diamagnetic material receives a force attracted upward, so the upward magnetization force acting on the diamagnetic material is a paramagnetic material (additive). It is much stronger than if it is not present, and floating is achieved. It is impossible to achieve floating without the presence of additives unless a special hybrid magnet is used.
[0029]
For example, FIG. 4 shows that a diamagnetic substance crystal is a paramagnetic solution (GdCl_ThreeIn which direction the magnetizing force is received. Note that A and B in FIG. 4 correspond to points A and B in FIG. 3, respectively.
[0030]
As shown in FIG. 4, at point A in FIG. 3, an upward magnetizing force (arrow method, (1)) in the direction opposite to the arrow in FIG. 3 is applied to the diamagnetic crystal. A downward magnetizing force is applied to the solution (2) changed to a magnetic material. The magnetic buoyancy ((3)) acting on the diamagnetic crystal relatively becomes the sum of (1) and (2), and GdCl_ThreeIs dissolved in water, the buoyancy to the crystal is greatly added by the amount of (2), and the magnetic buoyancy ((3)) is increased to more than gravity by increasing the magnetizing force of (2), and the crystal is brought to the surface of the solution. Alternatively, it can be floated on the upper surface.
[0031]
Similarly, when the diamagnetic crystal (1) is placed at the point B in FIG. 3, the crystal receives a downward magnetizing force in the direction opposite to the arrow and changes to a paramagnetic material (GdCl_ThreeThe magnetic buoyancy (▲ 3 ▼) acting on the diamagnetic crystal is relatively the sum of (1) and (2) (in the same direction as gravity). GdCl_ThreeIs dissolved in water, the magnetization force in the gravitational direction with respect to the crystal is greatly added by the amount of (2), the crystal can be formed on the bottom surface of the solution, and a substantial hypergravity state can be realized. Thus, by changing the position of the container in the magnetic field, it is possible to adjust the force (buoyancy or hypergravity) acting on the diamagnetic substance or paramagnetic substance in the container.
[0032]
Specific examples of diamagnetic substances include pharmaceuticals with low molecular weights (thousands of thousands or less), such as crystal diameter, uniformity, crystal form isotropy, and crystal form, which greatly affect solubility and drug efficacy. Substances, proteins (including enzymes, hormones, receptors), nucleic acids (DNA, RNA, etc.), polysaccharides, glycolipids, glycoproteins, complex of protein and nucleic acid, complex of protein and low molecular weight substance, protein and Examples include complexes with ions such as metals, complexes between enzyme proteins and substrates, complexes between antibody proteins and antigens, and biomaterials including viruses.
[0033]
In the method of the present invention, if a position where the value of B grad B decreases downward from the center as a place where a diamagnetic sample containing a paramagnetic medium is installed, the diamagnetic substance receives a force that is attracted downward. , Because the medium is attracted more upwardly, the downward magnetizing force acting on the diamagnetic substance is enhanced as a result, and the force equivalent to hypergravity is much larger than when no paramagnetic additive is added .
[0034]
Now, we have said that the upward or downward magnetizing force of diamagnetic materials is enhanced, but even if the material to which the force is applied is weak paramagnetic, it is necessary to add paramagnetic material to the surrounding liquid. Even if the degree is increased (that is, the difference between the two magnetisms is increased), the same effect can be caused.
[0035]
Alternatively, when it is desired to increase the magnetizing force acting on the paramagnetic substance, if the liquid environment around it is paramagnetic, add a diamagnetic material to the magnetizing force acting on the paramagnetic material. It is conceivable to strengthen. In this case, when the bore of the superconducting magnet is oriented in the vertical direction, the paramagnetic substance receives an upward force in the place where the value of B grad B decreases downward from the center, and the additive Since the liquid diamagnetized by the force receives a force drawn downward, the upward force received by the paramagnetic substance is enhanced.
[0036]
As the addition amount of the paramagnetic substance in the medium, a concentration below the solubility limit of the paramagnetic substance can be used. In this case, for the purpose of increasing the magnetizing force acting on the medium, if other factors (for example, change in specific gravity) can be ignored, a greater effect can be expected as the solubility limit is approached. Moreover, since the paramagnetism of a paramagnetic substance generally becomes more prominent as the temperature is lower, selection of an appropriate temperature is also important. When the diamagnetic substance in the medium is added, the effect can be expected to increase as the amount approaches the solubility limit. Since the degree of diamagnetism does not depend much on the temperature, the temperature in this case may be selected mainly based on the effect on crystal growth.
[0037]
In short, the method of the present invention is intended to give a magnetic property different from the magnetic property of the solid or liquid as much as possible to the medium by using an additive for the solid or liquid contained in the medium. In this method, the magnetic force acting on the solid or liquid material is enhanced by making the difference between the magnetic properties remarkable. In order to extract the magnetizing force enhanced by this method, a place where the value of B grad B changes depending on the place is used. Such a location is off-center for a normal magnet and is symmetrical on both sides of the center. The direction in which the force acts is whether the magnetic property of the solid or liquid to which the force is applied is more diamagnetic or paramagnetic compared to the properties of the surrounding liquid, and the place where it is used is a magnet. Depends on which side of the center is located. The force may be in the direction toward the center of the magnet or in the opposite direction. However, the direction of the force is reversed by changing the place to be used, so the place may be selected appropriately according to the purpose.
[0038]
When biopolymer crystals are precipitated, the magnetic properties of the solution in which the crystals are generated using the method of the present invention are made as different as possible from the magnetic properties of the crystals to be produced. For example, when egg white lysozyme which is diamagnetic is crystallized, gadolinium chloride is added to the surrounding solution to make it paramagnetic. Place this solution in a place where the value of B grad B decreases. Then, the generated crystal is enhanced in the upward magnetic force due to the difference in magnetic properties, floats on the liquid surface during the growth, and grows at that position. In this way, containerless crystal growth that has been difficult until now can be realized easily on the ground. In addition to the method of the present invention, it has been impossible to achieve containerless crystal growth of egg white lysozyme other than using a special hybrid magnet. However, in the method of the present application, containerless crystal growth was easily realized in commercially available superconducting magnets.
[0039]
In order to crystallize a biopolymer, a salt is usually used as a crystallization agent. In the case of egg white lysozyme, sodium chloride is usually used. In addition to sodium chloride as a crystallization agent, an additive gadolinium chloride for changing magnetic properties may be added. However, in order to drastically simplify the crystallization operation, gadolinium chloride can serve both functions. The merit of using the same salt as the crystallizing agent and the additive for changing the magnetic properties is that the crystal solubility depends on many factors, except for the complicated operation due to the presence of two types of cations. The indeterminacy and complexity that can be avoided.
In the present invention, the medium contains diamagnetic inorganic salts, pH adjusters, surfactants, heavy metals that affect crystallization, monovalent or polyvalent ions, ligands / substrates that interact with biopolymers. Various additives such as inhibitors, coenzymes / antibodies, microbial growth inhibitors, colorants, viscosity modifiers can be further added.
[0040]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to control the existence region of the diamagnetic substance in the solution.
[0041]
Further, according to the present invention, crystal growth in a container-free state can be achieved by floating using a magnetizing force, and an excellent quality crystal can be obtained.
[0042]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples.
Example 1: Formation of lysozyme crystals
An egg white lysozyme solution (concentration 5% by weight, volume 0.7 ml) was added to a 2 ml cylindrical glass container (diameter 1.5 cm). Gadolinium chloride hexahydrate (0.08 g) was dissolved in this solution. Next, the product of the magnetic flux density generated by the superconducting magnet and its gradient is 30 T at the center of the solution.²The container was fixed so that it decreased to the upper limit of the distance / m. When left in this state for 24 hours, lysozyme crystals grew near the liquid surface of the solution. Crystals grow in a floating state near the liquid surface because the product of the magnetic flux density and its gradient is 40, 100, 200T.²/ M (the maximum value that can be easily made with the superconducting magnet used) was the same.
[0043]
Egg white lysozyme crystals grown using gadolinium chloride have the same size and shape as sodium chloride as a crystallization agent. It had an isotropic shape and a fully developed crystal plane, indicating a straight ridge.
Example 2
Crystallization experiments using gadolinium chloride were performed for the purpose of both crystallization of egg white lysozyme and additives that change the magnetism of the environment. The experimental conditions were a lysozyme concentration of 5.00% by weight, a crystallization agent (gadolinium chloride) concentration of 8.08% by weight (= 0.306 mol / kg), a temperature of 13 ° C., and a bore center magnetic field strength of 4.3 Tesla. The installation position inside the superconducting magnet bore is a position where there is a magnetic flux density gradient of 40 mm above the center of the coil and where the magnetizing force can work. Crystallization was performed in a glass container in a 0.8 ml solution with a batch method. When the experiment is performed under such conditions, the solution becomes strong paramagnetic due to the action of gadolinium chloride as an additive, and receives a strong force toward the center of the magnet, that is, downward, above the center of the bore. On the other hand, protein crystals are inherently diamagnetic, and even if gadolinium, which is a paramagnetic substance, binds during crystallization, the amount of gadolinium's paramagnetism is very small because the amount of the whole molecule is very small. Therefore, when a crystal begins to form, the difference between the magnetic properties (strong paramagnetism) of the surrounding solution and the magnetic properties of the crystal is large, and the crystal floats. Even with a relatively small central magnetic field as a superconducting magnet of 4.3 T, crystals grew on the surface of the solution (note that crystals grew in a floating state at a magnetic field of 4.3 T or higher). Therefore, we compared the egg white lysozyme crystals crystallized in such a magnetic field environment and the results of a control experiment crystallized in an environment not affected by the magnetic field.
Evaluation of surface shape of crystal plane and number of isotropic crystals
As a result of observing the crystal surface by microscopic observation, it was found that the magnetically suspended crystal had a smooth crystal surface and no flaws. In addition, the crystals thus produced had the characteristics that all the crystals were isotropically grown because the crystal growth directions were aligned by the magnetic field orientation and the c-axis was directed in the vertical direction.
[0044]
On the other hand, crystals grown without applying a magnetic field have no orientation due to the magnetic field, so the orientation of the crystals is disjoint, and almost no crystals have grown isotropically beautifully. In addition, there was no force to float, and a lot of crystallization proceeded on the bottom and side walls of the container, and the contact surface between the container and the crystal was rough and distorted.
[0045]
The results are shown in FIG.
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[Table 1]

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FIG. 1 is a bar graph in which the horizontal axis represents the evaluation regarding the smoothness of the crystal (five-step evaluation) and the vertical axis represents the number of crystals having that state. As can be seen, it can be seen that many crystals with a smooth crystal surface were generated by applying a magnetic field. The crystal smoothness score was 2.38 on average before applying a magnetic field, while crystals grown in a magnetic environment showed a marked improvement in surface smoothness, with the average value rising to 4.35. This is because the floating force due to the magnetic field was added to avoid the influence of the vessel wall, and the floating crystals were in an isotropic environment, and molecules were continuously and effectively supplied from around. As a result, it seems that the floating crystals were overwhelmingly clean.
Difference in crystal diameter
Then, next, the size of the crystal diameter is compared, and the advantages of the crystal made by the method of Example 2 are shown in Table 2 and FIG. 2 from another angle.
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[Table 2]

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FIG. 2 is a histogram in which the crystal diameter was measured by photographic observation, the horizontal axis represents the crystal diameter, and the vertical axis represents the number of crystals. From this figure, it can be seen that crystallization by the method of the present application has a larger diameter and larger crystals than the case where no magnetic field is applied. Therefore, the method of the present application is important as a new technique for aligning the crystal diameter.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a bar graph of the crystal obtained in Example 2 with the horizontal axis representing the evaluation of crystal smoothness (five-step evaluation) and the vertical axis representing the number of crystals having that state.
FIG. 2 is a histogram of crystals obtained in Example 2, in which the crystal diameter was measured by photographic observation, the horizontal axis represents the crystal diameter, and the vertical axis represents the number of crystals.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the direction of a magnetizing force acting on a paramagnetic material placed at positions A and B off the center of the magnet. The direction of force is reversed when a diamagnetic material is placed.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a change in magnitude of a magnetic force acting on a crystal before and after gadolinium chloride is added. Since the magnitude of the substantial magnetizing force acting on the crystal is determined based on the magnetizing force acting on the medium, the magnetic force acting on the crystal is substantially changed by adding gadolinium chloride to change the magnetizing force acting on the medium itself. Can be greatly enhanced.

Claims

Protein is at least one of gadolinium chloride, gadolinium nitrate, cobalt chloride, cobalt nitrate, nickel chloride, nickel nitrate, manganese chloride, manganese nitrate, or an organic acid salt or complex compound containing gadolinium, cobalt, nickel, manganese in a container. Dissolving, dispersing or suspending in a solvent of one substance ,
The product of the magnetic flux density generated by the magnet and the gradient thereof as the container is moved under the environment of both magnetizing force and gravity formed by the magnet and the container is moved upward above the center inside the magnet bore. A method of crystallizing protein in a floating state near a liquid surface in a medium, which includes a step of disposing at a position where the value of A decreases.

A protein crystal having a completely isotropic shape and a fully developed crystal plane obtained by the method of claim 1 .