标 题：基于静电纺丝和旋转靶的串行晶体学样品输运新技术研究

英文标题：Investigation of New Sample delivery Technologies of Serial Crystallography Based on Electrospinning and Rotating Target

作 者：赵风珠

指导教师：尹大川 教授

培养院系：生命学院

学 科：生物医学工程

读博寄语：求真求新，向善向上

主要研究内容

样品输运技术作为串行晶体学（SX）的标志性环节，其输运效率很大程度上决定了该技术推广应用的范围。理想的样品输运技术应当可以满足低样品消耗、低衍射背景、低时间消耗等条件。同时，最好可以兼容X射线自由电子激光（XFEL）光源和同步辐射（SR）光源，以及能够实现时间分辨的研究。随着在SR光源上进行的SX实验数量的增加，对开发用于SR的低功耗、高效率的样品输运系统的需求不断增加。同时，仍然迫切需要改进在XFEL光源上运行的样品输运系统。因此，开发适用于SR光源或者XFEL光源或者同时适用于两者的样品输运系统仍然是一个重要的课题。

静电纺丝样品输运技术因其样品束流细、背景干扰小、样品消耗量低等优势，得到了研究人员的关注，已有在SR光源上开展静电纺丝样品输运研究的初步报道，但是仍然需要进一步的探究，以推进SR光源上的静电纺丝样品输运研究进展，也为更多的光源用户提供多样化的样品输运方案。现有的样品输运技术，均是通过直线运动的模式实现样品输运的。所以提出通过圆周运动的模式进行样品输运。因为圆周运动的速度可调范围非常大，且速度调节非常灵活，该设想如果能够实现，有望成为速度调节范围最大的一种样品输运技术。基于以上背景，在西北工业大学博士论文创新基金资助下，本项目开展了以下研究：

（1）复合“三明治”装置的研发及其在室温衍射研究中的应用

针对家用衍射仪上长时间室温衍射过程中的晶体脱水和升温问题，研发了一种具有超薄结构的室温衍射实验装置，并命名为：复合“三明治”装置。利用该装置在家用衍射仪上进行了室温衍射数据收集，验证了其用于室温衍射研究的可行性。此外，还利用该装置进行了蛋白质晶体的原位生长测试，证实了其用于晶体原位生长的能力，为后续开展原位衍射研究奠定了基础。

图1 复合“三明治”装置示意图

（2）静电纺丝&传送带装置的研发及其在同步辐射上的样品输运研究

针对静电纺丝样品输运技术在同步辐射光源上的发展短缺，提出了将静电纺丝技术与传送带技术相结合，用于同步辐射光源上的样品输运研究，并研发了一套静电纺丝&传送带样品输运装置。为了验证该装置的可行性，进行了纺丝液配方探索和同步辐射光源上的串行衍射实验测试。通过对用纺丝液处理的溶菌酶晶体分别进行冷冻衍射和室温衍射，来分析纺丝液对晶体质量的影响，最终确定了溶菌酶晶体的纺丝液配方。获得纺丝液配方后，在上海同步辐射光源上进行了串行衍射实验测试，验证了所设计的静电纺丝&传送带样品输运装置的可行性。

图2 静电纺丝&传送带装置示意图

（3）两自由度微流控旋转靶样品输运研究

针对现有的样品输运技术运行轨迹单一、速度调节范围有限的问题，提出了通过圆周运动的模式进行串行晶体学样品输运，并研发了一种基于圆周运动的样品输运装置，即两自由度微流控旋转靶样品输运装置。该装置由微流控样品盘和运动控制系统两部分组成，通过运动控制系统驱动含有晶体样品的微流控样品盘运动，实现基于圆周运动的串行晶体学样品输运研究。两自由度微流控旋转靶样品输运装置融合了圆周运动、微流控芯片技术和原位衍射技术的优势，具有速度调节范围大、样品消耗量低的特征。利用该装置在上海同步辐射光源上进行了原位串行衍射数据收集，成功实现了基于圆周运动的样品输运研究，该实验也是在上海同步辐射光源上进行的首个完整的串行晶体学实验。

图3 两自由度微流控旋转靶样品输运装置示意图

（4）三自由度微流控旋转靶样品输运研究

受振荡串行晶体学的启发，在两自由度微流控旋转靶样品输运研究的基础上，研发了三自由度微流控旋转靶样品输运装置。该装置保留了两自由度微流控旋转靶样品输运装置的优势，通过对运动控制系统进行改进，让蛋白质晶体进行多角度曝光，以达到充分利用晶体样品、降低样品消耗的目的，最终实现了高效率的串行晶体学样品输运。此外，提出了应用三自由度微流控旋转靶样品输运装置开展串行晶体学实验时的技术参考，包括旋转速度、平移步长、旋转模式的选择，建立了较完善的基于圆周运动的串行晶体学样品输运技术方案。

图4 三自由度微流控旋转靶样品输运装置示意图

主要创新点

（1）研发了一种具有超薄结构的室温衍射实验装置，即复合“三明治”装置，该装置能够同时兼容家用衍射仪和同步辐射光源，进行蛋白质晶体的室温衍射研究。

（2）提出了将静电纺丝技术与传送带技术相结合，用于同步辐射光源上的样品输运研究。在此基础上，研发了一套静电纺丝&传送带样品输运装置，并验证了其在同步辐射光源上进行串行衍射数据收集的可行性。

（3）提出了通过圆周运动的模式进行串行晶体学样品输运研究，并研发了一套两自由度微流控旋转靶样品输运装置，该装置融合了圆周运动、微流控芯片技术和原位衍射技术的优势，具有速度调节范围大、样品消耗量低的特征。利用该装置在上海同步辐射光源上进行了原位串行晶体学实验，成功实现了基于圆周运动的样品输运研究。

（4）研发了三自由度微流控旋转靶样品输运装置，实现了高效率的基于旋转靶技术的串行晶体学样品输运。并提出了应用微流控旋转靶样品输运装置开展串行晶体学实验时的技术参考，建立了较完善的基于圆周运动的串行晶体学样品输运技术方案。

代表性创新成果

一、论文：

[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、专利：

[1] 尹大川，赵风珠，闫二开，郭卫红，张托弟，陈亮亮，一种串行晶体学样品输运装置及方法，CN109490343A，2019.

[2] 尹大川，赵风珠，张斌，闫二开，张托弟，近生理状态生物大分子晶体的衍射方法，CN108732193A，2018.

[3] 尹大川，赵风珠，闫二开，张斌，一种蛋白质晶体的原位衍射装置及原位衍射方法，CN108593689A，2018.