標 題：基于靜電紡絲和旋轉靶的串行晶體學樣品輸運新技術研究
英文標題：Investigation of New Sample delivery Technologies of Serial Crystallography Based on Electrospinning and Rotating Target
作 者：趙風珠
指導教師：尹大川 教授
培養院系：生命學院
學 科：生物醫學工程
讀博寄語：求真求新，向善向上
主要研究內容
樣品輸運技術作為串行晶體學（SX）的標志性環節，其輸運效率很大程度上決定了該技術推廣應用的范圍。理想的樣品輸運技術應當可以滿足低樣品消耗、低衍射背景、低時間消耗等條件。同時，最好可以兼容X射線自由電子激光（XFEL）光源和同步輻射（SR）光源，以及能夠實現時間分辨的研究。隨著在SR光源上進行的SX實驗數量的增加，對開發用于SR的低功耗、高效率的樣品輸運系統的需求不斷增加。同時，仍然迫切需要改進在XFEL光源上運行的樣品輸運系統。因此，開發適用于SR光源或者XFEL光源或者同時適用于兩者的樣品輸運系統仍然是一個重要的課題。
靜電紡絲樣品輸運技術因其樣品束流細、背景干擾小、樣品消耗量低等優勢，得到了研究人員的關注，已有在SR光源上開展靜電紡絲樣品輸運研究的初步報道，但是仍然需要進一步的探究，以推進SR光源上的靜電紡絲樣品輸運研究進展，也為更多的光源用戶提供多樣化的樣品輸運方案。現有的樣品輸運技術，均是通過直線運動的模式實現樣品輸運的。所以提出通過圓周運動的模式進行樣品輸運。因為圓周運動的速度可調范圍非常大，且速度調節非常靈活，該設想如果能夠實現，有望成為速度調節范圍最大的一種樣品輸運技術。基于以上背景，在西北工業大學博士論文創新基金資助下，本項目開展了以下研究：
（1）復合“三明治”裝置的研發及其在室溫衍射研究中的應用
針對家用衍射儀上長時間室溫衍射過程中的晶體脫水和升溫問題，研發了一種具有超薄結構的室溫衍射實驗裝置，并命名為：復合“三明治”裝置。利用該裝置在家用衍射儀上進行了室溫衍射數據收集，驗證了其用于室溫衍射研究的可行性。此外，還利用該裝置進行了蛋白質晶體的原位生長測試，證實了其用于晶體原位生長的能力，為后續開展原位衍射研究奠定了基礎。
圖1 復合“三明治”裝置示意圖
（2）靜電紡絲&傳送帶裝置的研發及其在同步輻射上的樣品輸運研究
針對靜電紡絲樣品輸運技術在同步輻射光源上的發展短缺，提出了將靜電紡絲技術與傳送帶技術相結合，用于同步輻射光源上的樣品輸運研究，并研發了一套靜電紡絲&傳送帶樣品輸運裝置。為了驗證該裝置的可行性，進行了紡絲液配方探索和同步輻射光源上的串行衍射實驗測試。通過對用紡絲液處理的溶菌酶晶體分別進行冷凍衍射和室溫衍射，來分析紡絲液對晶體質量的影響，最終確定了溶菌酶晶體的紡絲液配方。獲得紡絲液配方后，在上海同步輻射光源上進行了串行衍射實驗測試，驗證了所設計的靜電紡絲&傳送帶樣品輸運裝置的可行性。
圖2 靜電紡絲&傳送帶裝置示意圖
（3）兩自由度微流控旋轉靶樣品輸運研究
針對現有的樣品輸運技術運行軌跡單一、速度調節范圍有限的問題，提出了通過圓周運動的模式進行串行晶體學樣品輸運，并研發了一種基于圓周運動的樣品輸運裝置，即兩自由度微流控旋轉靶樣品輸運裝置。該裝置由微流控樣品盤和運動控制系統兩部分組成，通過運動控制系統驅動含有晶體樣品的微流控樣品盤運動，實現基于圓周運動的串行晶體學樣品輸運研究。兩自由度微流控旋轉靶樣品輸運裝置融合了圓周運動、微流控芯片技術和原位衍射技術的優勢，具有速度調節范圍大、樣品消耗量低的特征。利用該裝置在上海同步輻射光源上進行了原位串行衍射數據收集，成功實現了基于圓周運動的樣品輸運研究，該實驗也是在上海同步輻射光源上進行的首個完整的串行晶體學實驗。
圖3 兩自由度微流控旋轉靶樣品輸運裝置示意圖
（4）三自由度微流控旋轉靶樣品輸運研究
受振蕩串行晶體學的啟發，在兩自由度微流控旋轉靶樣品輸運研究的基礎上，研發了三自由度微流控旋轉靶樣品輸運裝置。該裝置保留了兩自由度微流控旋轉靶樣品輸運裝置的優勢，通過對運動控制系統進行改進，讓蛋白質晶體進行多角度曝光，以達到充分利用晶體樣品、降低樣品消耗的目的，最終實現了高效率的串行晶體學樣品輸運。此外，提出了應用三自由度微流控旋轉靶樣品輸運裝置開展串行晶體學實驗時的技術參考，包括旋轉速度、平移步長、旋轉模式的選擇，建立了較完善的基于圓周運動的串行晶體學樣品輸運技術方案。
圖4 三自由度微流控旋轉靶樣品輸運裝置示意圖
主要創新點
（1）研發了一種具有超薄結構的室溫衍射實驗裝置，即復合“三明治”裝置，該裝置能夠同時兼容家用衍射儀和同步輻射光源，進行蛋白質晶體的室溫衍射研究。
（2）提出了將靜電紡絲技術與傳送帶技術相結合，用于同步輻射光源上的樣品輸運研究。在此基礎上，研發了一套靜電紡絲&傳送帶樣品輸運裝置，并驗證了其在同步輻射光源上進行串行衍射數據收集的可行性。
（3）提出了通過圓周運動的模式進行串行晶體學樣品輸運研究，并研發了一套兩自由度微流控旋轉靶樣品輸運裝置，該裝置融合了圓周運動、微流控芯片技術和原位衍射技術的優勢，具有速度調節范圍大、樣品消耗量低的特征。利用該裝置在上海同步輻射光源上進行了原位串行晶體學實驗，成功實現了基于圓周運動的樣品輸運研究。
（4）研發了三自由度微流控旋轉靶樣品輸運裝置，實現了高效率的基于旋轉靶技術的串行晶體學樣品輸運。并提出了應用微流控旋轉靶樣品輸運裝置開展串行晶體學實驗時的技術參考，建立了較完善的基于圓周運動的串行晶體學樣品輸運技術方案。
代表性創新成果
一、論文：
[1]Feng-Zhu Zhao,Bo Sun, Li Yu, Qing-Jie Xiao, Zhi-Jun Wang, Liang-Liang Chen, Huan Liang, Qi-Sheng Wang, Jian-Hua He* and Da-Chuan Yin*. A novel sample delivery system based on circular motion for in-situ serial synchrotron crystallography.Lab on a Chip,2020, 20: 3888-3898.
[2]Feng-Zhu Zhao,Bin Zhang, Er-Kai Yan, Bo Sun, Zhi-Jun Wang, Jian-Hua He* and Da-Chuan Yin*. A guide to sample delivery systems for serial crystallography.FEBS Journal,2019, 286: 4402-4417.
[3]Feng-Zhu Zhao,Xiao-Qian Jin, Liang-Liang Chen and Da-Chuan Yin*. A novel sample delivery system based on circular motion for serial crystallography.Acta crystallographica A-foundation and advances，2021，77: C930-C930. Meeting Abstract.
二、專利：
[1] 尹大川，趙風珠，閆二開，郭衛紅，張托弟，陳亮亮，一種串行晶體學樣品輸運裝置及方法，CN109490343A，2019.
[2] 尹大川，趙風珠，張斌，閆二開，張托弟，近生理狀態生物大分子晶體的衍射方法，CN108732193A，2018.
[3] 尹大川，趙風珠，閆二開，張斌，一種蛋白質晶體的原位衍射裝置及原位衍射方法，CN108593689A，2018.
