レーザーキャビテーションバブルによる結晶多形制御

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26286042
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 森 勇介 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90252618)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉川 洋史 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (50551173)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 結晶多形 / レーザー誘起核発生 / キャビテーションバブル / 有機低分子 / タンパク質結晶

Outline of Annual Research Achievements

モデル物質であるインドメタシンおよびアセトアミノフェンの過飽和溶液において、溶液へのレーザー集光位置によって溶液中に起こる物理的な変化が異なることを確認した。両物質において容器中央部にレーザー照射をした場合、発生するキャビテーションバブルは膨張・収縮を繰り返して崩壊する。この崩壊時に気泡が多数発生し、気液界面に上昇するが、気液界面ではこの気泡の維持時間が短く、数分後には消滅してしまった。一方、容器壁面近傍にレーザー照射を行った場合、発生したキャビテーションバブルは壁面に向かって衝突して崩壊し、やはり多数の気泡を生じる。これらの気泡は壁面を伝って溶液のメニスカス部分に上昇し、この位置で長時間安定に滞在することが分かった。その後の詳細観察により、インドメタシンおよびアセトアミノフェンどちらにおいても、この残留気泡部分から結晶が晶出していることが明らかになった。
レーザー照射で発生した残留気泡部分は、気、固、液界面であり、溶媒の蒸発が効果的に起こるため局所的な高過飽和状態になり、ここから結晶が晶出する。晶出した結晶自体が、次の結晶核発生のきかっけになり、最初の準安定相核形成から比較的短い時間で次々に準安定相の核発生および成長が起こる。この場合、安定相の結晶化が起こる頃には溶液の過飽和度が低下しており、安定相は核発生できなかったと考えている。
顕微鏡で準安定相のみが観察される場に１つの安定相を意図的に混入させると24時間で全て安定相に変わることが明らかになった。このこともまた、本手法では、安定相の混入が無い極めて高い純度の準安定相が得られていることを示唆する。
また、キャビテーションの新たな発生方法として、アセトアミノフェン過飽和溶液に超音波印加を行ったところ、28kHzの印加条件において、準安定相が100%の確率で得られることが明らかになった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初、平成２７～２８年度に行うことを予定していた超音波導入によるキャビテーションバブルを用いた多形制御を前倒しで行い、溶液の過飽和度と超音波の周波数を最適化することで、100%準安定相が得られることが明らかになった。一方で、フェムト秒レーザー照射と容器形状の関係性についてはまだ明確な進展が見られていないため、上記評価とする。

Strategy for Future Research Activity

２６年度の実験結果から、キャビテーションバブル崩壊後の残留気泡の存在が準安定相の核形成を促す場であることが明らかになったため、この残留気泡の長寿化を実現する技術の研究開発に力を入れる。また、系の大型化を見据えた超音波印加による多形制御が効果的であることが明らかになったため、より大きな容器などを用いて系の大型化及び効率化を進める。

Causes of Carryover

平成２６度は超音波導入によるキャビテーションバブルを用いた多形制御を前倒しで行い良好な結果を得た。しかしその結果、当初レーザー実験の光学部品や特注容器などに使用予定であった基金分予算に残額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成２７～２８年度において、上記の光学部品や特注容器などのために使用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Selective crystallization of the metastable phase of indomethacin at the interface of liquid/air bubble induced by femtosecond laser irradiation (2015)
  • Author(s): K. Ikeda, M. Maruyama, Y. Takahashi, Y. Mori, H. Y. Yoshikawa, S. Okada, H. Adachi, S. Sugiyama, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, M. Yoshimura, and Y. Mori
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: Vol.8, No.4 Pages: 045501-1-4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7567/APEX.8.045501
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spiral Growth Can Enhance Both the Normal Growth Rate and Quality of Tetragonal Lysozyme Crystals Grown under a Forced Solution Flow (2015)
  • Author(s): Y. Hayashi, M. Maruyama, M. Yoshimura, S. Okada, H. Y. Yoshikawa, S. Sugiyama, H. Adachi, H. Matsumura, T. Inoue, K. Takano, S. Murakami, and Y. Mori
  • Journal Title: CRYSTAL GROWTH & DESIGN Volume: 未定 Pages: 未定
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1021/cg501722d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser ablation for protein crystal nucleation and seeding (2014)
  • Author(s): H. Y. Yoshikawa, R. Murai, H. Adachi, S. Sugiyama, M. Maruyama, Y. Takahashi, K. Takano, H. Matsumura, T. Inoue, S. Murakami, H. Masuhara, and Y. Mori
  • Journal Title: Chemical Society Reviews Volume: Vol.43, No.7 Pages: 2147-2158
  • DOI: 10.1039/C3CS60226E
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new practical technique for high quality protein crystallization with the solution stirring technique at the interface between high-concentrated hydrogel and solution (2014)
  • Author(s): Y. Aoki, M. Maruyama, Y. Takahashi, M. Yoshimura, H. Yoshikawa, S. Sugiyama, H. Adachi, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, and Y. Mori
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: Vol.53, No.6 Pages: 065502-1-6
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7567/JJAP.53.065502
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 超音波印加によるアセトアミノフェン準安定形晶出 (2015)
  • Author(s): 福喜多俊, 丸山美帆子, 高橋義典, 森陽一朗, 池田憲治, 吉川洋史, 岡田詩乃, 安達宏昭, 杉山成, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 日本薬学会第135年会
  • Place of Presentation: 神戸学院大学, 兵庫
  • Year and Date: 2015-03-28
• [Presentation] 高溶解性アセトアミノフェン結晶多形の選択晶出 (2015)
  • Author(s): 森陽一朗, 高橋義典, 丸山美帆子, 池田憲治, 福喜多俊, 吉川洋史, 岡田詩乃, 安達宏昭, 杉山成, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 日本薬学会第135年会
  • Place of Presentation: 神戸学院大学, 兵庫
  • Year and Date: 2015-03-28
• [Presentation] X線トポグラフィによるゲル中タンパク質結晶の結晶欠陥評価 (2014)
  • Author(s): 林佑紀, 丸山美帆子, 高橋義典, 吉川洋史, 吉村政志, 橘勝, 小泉晴比古, 杉山成, 安達宏昭, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 森勇介
  • Organizer: 第44回結晶成長国内会議(NCCG-44)
  • Place of Presentation: 学習院創立百周年記念会館, 東京
  • Year and Date: 2014-11-06
• [Presentation] レーザーを用いたタンパク質結晶のスパイラル成長誘起 (2014)
  • Author(s): 冨永勇佑, 林佑紀, 中山智詞, 丸山美帆子, 高橋義典, 吉川洋史, 吉村政志, 杉山成, 安達宏昭, 松村浩由, 高野和文, 村上聡, 井上豪, 森勇介
  • Organizer: 第44回結晶成長国内会議(NCCG-44)
  • Place of Presentation: 学習院創立百周年記念会館, 東京
  • Year and Date: 2014-11-06
• [Presentation] ゲルを用いて育成したタンパク質結晶の成長・溶解ステップダイナミクス (2014)
  • Author(s): 丸山美帆子, 林佑紀, 吉村政志, 杉山成, 吉川洋史, 安達宏昭, 松村浩由, 井上豪, 高野和文, 村上聡, 森勇介
  • Organizer: 第44回結晶成長国内会議(NCCG-44)
  • Place of Presentation: 学習院創立百周年記念会館, 東京
  • Year and Date: 2014-11-06
• [Presentation] フェムト秒レーザーアブレーションを用いたタンパク質結晶の成長制御 (2014)
  • Author(s): 冨永勇佑，林佑紀，中山智詞, 丸山美帆子，高橋義典，吉川洋史，吉村政志，杉山成, 松村浩由，安達宏昭，高野和文，村上聡, 井上豪，森勇介
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学, 北海道
  • Year and Date: 2014-09-17
• [Presentation] 超音波による医薬化合物アセトアミノフェンの結晶多形制御 (2014)
  • Author(s): 森陽一朗, 池田憲治, 山田利彦, 高橋義典, 丸山美帆子, 吉川洋史, 岡田詩乃, 安達宏昭, 杉山成, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 日本薬剤学会第29年会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティビル, 埼玉
  • Year and Date: 2014-05-20
• [Presentation] 医薬化合物アセトアミノフェンの多形晶出に及ぼす溶媒種の影響 (2014)
  • Author(s): 池田憲治, 山田利彦, 森陽一朗, 高橋義典, 丸山美帆子, 吉川洋史, 岡田詩乃, 安達宏昭, 杉山成, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 吉村政志, 森勇介
  • Organizer: 日本薬剤学会第29年会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティビル, 埼玉
  • Year and Date: 2014-05-20
• [Book] O plus E, Vol. 37, No.2 (2015) 100-102 (2015)
  • Author(s): 吉川洋史
  • Total Pages: 3
  • Publisher: アドコム・メディア株式会社