事業成果

物質の結晶中では、分子が三次元的に規則正しく並んでいる。その規則性（周期配列）に由来するＸ線の回折（回り込んで伝わること）を利用して、分子構造を決定する手法がＸ線結晶構造解析。その代表は単結晶（結晶軸が一定な結晶）を試料とする「単結晶Ｘ線構造解析」で、回折像からあたかも分子を目で見たかのように鮮明な分子構造を得ることができる。そのため、正確で信頼できる構造情報をもたらす手段として、基礎研究から産業界までのじつに広い分野で利用されている。

ところが、この手法には大きな制約がある。「試料を結晶化して、単結晶を用意しなければならない」という制約である。そのため、そもそも結晶化しない液状化合物や、結晶化を行うに足る量を確保できない試料などには、単結晶Ｘ線構造解析は適用できないのだ。

2013年３月、「Ｘ線結晶構造解析の100年問題」とまで言われたこの問題が、ついに解決した。CREST研究代表者の藤田誠教授らの研究グループが、「結晶スポンジ」と呼ぶ材料にわずか数μｇ（マイクログラム。１μｇは100万分の1ｇ）の試料を染み込ませるだけで、「結晶化することなく単結晶Ｘ線構造解析を行う」ことに成功したのである。

結晶スポンジは、直径約0.5から１nm（ナノメートル。1nmは10億分の１ｍ）の穴（細孔）が無数に開いた細孔性錯体結晶。細孔に分子を吸蔵することは以前から知られていたが、一般的な細孔性錯体では、ゲスト分子がランダムに穴に詰めこまれてしまうため、Ｘ線構造解析に必要な周期性は得られない。そこで研究グループは、細孔性錯体に「分子認識能」（分子の形状や性質に合わせて最適な位置に安定な形で穴に取り込む能力）を持たせることで、取り込んだ分子を周期配列させることに成功した。これが結晶スポンジの原理だ。これにより、常温で液体の化合物でも結晶化せずに単結晶Ｘ線構造解析をすることが可能になった。

さらにこの手法では、１種類の測定試料に対し100μｍ（マイクロメートル。１μｍは100万分の1ｍ）角の結晶スポンジをたったの１粒しか必要としない。この１粒が吸蔵する分子の量は、多くとも５μｇであり、最も少ない場合は何と80ng（ナノグラム。1nｇは10億分の１ｇ）である。驚くべきことに、これほどの極小量の試料でもＸ線構造解析により分子構造の決定が可能なのである。

通常、動植物から抽出される微量成分の多くは「液体クロマトグラフィー」（LC）を用いて分離・分析される。その際、単離される試料は数μｇ以下でしかないため、従来の手法で分子構造を決定するのは至難の業だった。そこで研究グループは、LCと結晶スポンジ法を直結させた画期的な分析手法「LC-SCD（Liquid Chromatography-Single Crystal Diffraction）」法を確立した。LCで分離した複数の微量成分を、直結する結晶スポンジに吸収させ、一気に単結晶Ｘ線構造分析を行うのである。

すでに明らかなように、藤田教授らの研究グループが開発した「結晶スポンジ法」は、微量化合物の構造決定に決定的な威力を発揮する手法である。実際同グループでは、天然物から合成化合物に至るまで既に100種類以上の構造決定に成功しているという。

しかし無論、それらはほんの一部であり、微量成分の構造決定を必要としている分野は数多い。たとえば、「創薬・プロセス化学研究」では、代謝化合物の構造決定、大量検体のハイスループット合成における構造決定、新規プロセス開発・品質管理における不純物構造決定など、「食品科学研究」では調味料・加工食品・原材料の不純物構造決定、天然健康食品リード化合物の構造決定など、さらに「香料研究」「農薬・化粧品・有機化合物関連の科学捜査」などだが、まだまだニーズは増えるだろう。そして疑いもなく、結晶スポンジ法はそれらのニーズにこたえ、多くの分野に多大な貢献をなしていくはずである。