产业技术综合研究所（所长：野间口佑）（以下简称“AIST”）生产测量技术研究中心[研究中心主任：坂本充]生化分析解决方案组研究组组长宫崎雅也和首席研究员山下健一等人开发了获得蛋白质等物质的单晶的技术。
这项技术的开发重点是当液滴变小时，内部液体变得更难以移动，类似于外太空等微重力下的行为。在这种液体难以移动的状态下，液体不再携带物质，简单扩散移动。到目前为止，人们认为这只有在微重力下才有可能扩散受限可以使用该技术来实现。此外，可以使用理论公式计算适当的液滴尺寸，该理论公式结合了使用该技术的结晶特有的现象。该技术使得分析蛋白质的三维结构变得更加容易，为分析过去难以结晶的蛋白质三维结构打开了大门，有望为分子水平上的生物现象的理解和药物开发等工业应用做出贡献。
该结果发表于2012年3月21日，化学通讯在杂志上在线发表。
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图1 传统方法（间歇法）与本技术制备单晶方式的差异
采用这项技术，随着微滴尺寸的减小，每个液滴生成的晶体数量也会减少。
边缘之外的数字是微滴的体积（单位是纳升（nL））
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通过晶体结构分析了解蛋白质的三维结构是结构生物学中最有效的工具之一，并且是从分子水平上理解生命现象到药物开发等工业应用等广泛领域的基础知识。近年来，同步辐射随着设备的发展，甚至可以分析小晶体的晶体结构。另一方面，还无法解决当晶体重叠时（例如当多个单晶合并或拥挤在一起时）无法进行分析的问题。换句话说，获得单个或孤立的单晶变得比制造大单晶更重要。
迄今为止，已经开展了利用太空环境制造单晶的研究。在微重力下，液体密度差对流不会发生在液滴内部马兰戈尼对流发生。在这种特殊的物质运动环境中，蛋白质晶体在扩散限制条件下生长是可能的，因此在太空中获得的单晶通常较大且具有高度完整的晶格。太空环境虽然对于晶体生长来说非常方便，但并不容易进入，而且可供实验的时间也有限。人们需要低成本且易于处理的晶体生长方法，例如模拟和地面替代微重力环境。
AIST一直在利用微流体技术进行各种研究和开发，其中之一就是对微液滴的研究。使用微流体技术，可以大量且高度均匀地产生所需尺寸的液滴。已知微滴表现出特有的内部流体行为。也就是说，由于强大的表面张力，内部流动以马兰戈尼对流为主，而不是密度差驱动的对流。这次，我们着眼于地面上微滴的内部流体行为与微重力下的液滴（不一定是“微”）的内部流体行为相似，并进行了利用微滴进行晶体生长的研究。同时，我们还研究了一种计算液滴尺寸的方法，以便在内部只生长一个晶体。
这项研究和开发是日本科学技术振兴机构战略创意研究促进项目（CREST）的“基于纳米科学的创新制造技术的创造”和“利用微空间场的纳米颗粒的超精密合成”研究领域的一部分进行的。
这次微滴的制备如图2微反应器被使用了。该微反应器具有将三种类型的溶液(蛋白质溶液、沉淀剂溶液和氟化油)结合成微滴并储存该微滴的芯片部分。毛细管零件组成。使用这样的微反应器，他们在每个毛细管中制备了数百个名为索马甜的蛋白质的完美球形微滴，有四种不同的尺寸：130、200、360 和 500 µm。仅除去该毛细管部分，密封两端，并将毛细管静置在4℃的环境中。几个小时后，我们观察到每个液滴内部的晶体生长（图 1）。对于小于 360 µm 的液滴，每个液滴大约形成一个晶体（表 1）。对这些晶体生长的详细分析表明，对于小于 360 µm 的液滴，每个液滴中仅生成一个晶体，并且晶体生长受到扩散限制。
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图2 用于制备微滴的微反应器照片
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表1 不同尺寸的微滴内形成的晶体数量
晶体数量表示为“平均值±标准差”
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微滴内的内部对流受到抑制，溶解的蛋白质的唯一运动是简单的扩散。1个液滴中生成1个晶体，通过扩散控制它生长并成为晶体。基于两点进行理论研究，得到了确定获得1个晶体的适当液滴尺寸的计算公式。在这项理论研究中，我们假设晶体在液滴的中心形成，菲克第一定律创建了物料平衡方程，并根据上述结果引入了近似方程来求解它。结果，他们得出结论，对于小于一定尺寸的液滴，每个液滴中都会生长一个单晶。它的大小Rc(半径)由下式表示。
在这里，q是由于晶体生长而从溶液中减少蛋白质的速率，c0是蛋白质的初始浓度，D是蛋白质扩散系数。这个公式不仅适用于蛋白质，也适用于一般用途，只要已知待结晶物质的扩散系数和初始浓度以及结晶所需的大致时间。
当将索马甜晶体生长实验的条件代入该方程时，结果与表1所示的结果基本一致。但是，严格来说，计算的尺寸略大于实验数据，但这是由于为了简化计算而做出的假设（例如晶体总是在液滴中心形成）与实际晶体生长之间的差异。
在使用该技术的单晶制备中，首先生成单晶核，然后随着晶体的生长，产生并控制浓度梯度，其中蛋白质浓度在晶体的外围区域变薄过饱和将会得到解决。相反，在大于上述尺寸的液滴中，高浓度的蛋白质保持远离生长的晶体，导致产生第二个晶核和晶体生长的可能性。
未来，我们将结晶各种蛋白质，特别是那些形成针状晶体的蛋白质，这是使用常规方法难以实现的。此外，由于单晶是在毛细管内的微滴内获得的，因此可以在不移除晶体的情况下进行X射线衍射测量，这就是实际上进行这种测量的原因。
此外，虽然该技术通过控制晶体生长过程仅生成一个晶体，但预计如果与某种晶体成核控制技术相结合，将有可能在更短的时间内获得尺寸接近计算值的液滴晶体，我们的目标是通过与此类技术相结合来改进该技术。