阅读说明：本技术 一种模拟微重力条件的晶体生长方法 (Crystal growth method for simulating microgravity condition ) 是由 戴国亮 史建平 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明实施例涉及一种模拟微重力条件的晶体生长方法,所述方法包括：制备PDMS多孔膜,将所制备的PDMS多孔膜放入样品池中,并密封样品池；利用泵在样品池一端开口位置抽出样品池中的气体,同时在样品池另一端开口位置注入生长溶液,以使所制备的PDMS多孔膜的小腔中充满生长溶液；取下样品池中上层盖片,将预先准备的晶体转移至所制备的PDMS多孔膜中充满生长溶液的小腔中；将上层盖片重新覆盖至样品池上方,倒置样品池；在倒置样品池之后,控制样品池温度为设定温度,晶体在充满生长溶液的小腔中生长,对生长的晶体进行原位观测。(The embodiment of the invention relates to a crystal growth method for simulating microgravity conditions, which comprises the following steps: preparing a PDMS porous membrane, putting the prepared PDMS porous membrane into a sample cell, and sealing the sample cell; pumping gas in the sample cell at the opening position of one end of the sample cell by using a pump, and injecting a growth solution at the opening position of the other end of the sample cell so as to fill the small cavity of the prepared PDMS porous membrane with the growth solution; taking down the upper cover plate in the sample pool, and transferring the prepared crystal to a small cavity filled with a growth solution in the prepared PDMS porous membrane; covering the upper cover plate above the sample pool again, and inverting the sample pool; and after inverting the sample cell, controlling the temperature of the sample cell to be a set temperature, growing the crystal in a small cavity filled with a growth solution, and carrying out in-situ observation on the grown crystal.)

一种模拟微重力条件的晶体生长方法

技术领域

本发明实施例涉及晶体生长技术领域，尤其涉及一种模拟微重力条件的晶体生长方法。

背景技术

空间微重力环境中的晶体生长是随着航空航天高技术的发展而形成的新兴学科。其研究目标集中在探索空间微重力环境中晶体生长的原理、方法和规律，寻求改善晶体特性的途径，以及发现新晶体品种和拓展晶体的应用前景。微重力条件有助于生长出特性更好的晶体的原因有二。

原因一：由重力产生的浮力对流受到抑制或消失。晶体在生长时，在晶体周围的薄层溶液通称为“耗散层”。生长溶液中的溶质分子(包括构成晶体的分子、杂质分子等)通过扩散或对流进入耗散层，并最终吸附到晶体表面而发生晶体不断生长的过程。在溶液中，当对流与扩散共同存在时，由于溶质分子的扩散系数远小于对流速率，因此对流对溶质分子进入耗散层的影响是主要的，扩散的影响在一定程度上可以忽略。杂质分子从而可以通过对流的作用，与晶体分子一起进入耗散层，耗散层中杂质分子的分配系数与其在生长溶液中的分配系数一致。而当生长溶液中基本无对流时，扩散的影响占主要地位，溶质分子均通过扩散进入耗散层。由于杂质分子通常比晶体分子大得多，其扩散系数因此也比晶体分子的扩散系数要小得多，因此耗散层中晶体分子、杂质分子的分配系数较之于生长溶液中的发生了变化，晶体分子的分配系数增大，杂质分子的分配系数减少，从而使得吸附到晶体表面的杂质分子较少，生长出的晶体中杂质含量下降。空间微重力环境中，由于重力引起的浮力对流几乎不存在，物质的输运主要依赖于溶质的扩散作用，因此在这种晶体生长条件下可以生长出更高质量的晶体。而地面实验环境中，重力引起的浮力对流很难避免，因此导致溶质的输运过程和晶体/溶液之间的界面特性受到很大的影响，进而晶体的大小、品性会受到一定影响。

原因二：重力沉降消失。空间微重力环境中，重力场引起的重力沉降现象会消失，此时粒子的聚集作用将会受到抑制，而自发成核的晶核数也会大幅度减少，因此更加容易长出更大尺寸的晶体。

上述两种中，原因一是主要原因，其对晶体生长过程的影响较为显著。模拟微重力技术的研究重点是围绕此原因开展的。现已完成了的多次空间微重力晶体生长实验的结果验证了上述理论的正确性。

在微重力条件下进行晶体生长有两个实验途径：一、空间微重力环境中生长晶体；二、在地面模拟微重力条件生长晶体。然而，由于在太空中进行空间实验的机会十分难得且耗资巨大，因此更多的是采用第二种途径。

现已公开了如下四种在地面模拟微重力条件生长晶体的相关技术。一，HitoshiWada等(Application of High-Field Superconducting Magnet to ProteinCrystallization,Physics Procedia,2012)公开了利用磁场来模拟微重力条件的技术。他们利用生长溶液外加磁场的技术，实现了减弱蛋白质晶体生长时生长溶液中的重力沉降和浮力对流。但此技术存在的不足之处是，磁场使得蛋白质晶体成核及生长速率变慢，阻碍了蛋白质结晶，另外，由于需要强磁场才能获得所需的模拟微重力条件，因此对实验所需的相关设备有很高要求。二，Thiessen KJ等(The use of two novel methods to growprotein crystals by microdialysis and vapor diffusion in an agarose gel,ActaCrystallogr D,1994)公开了利用凝胶作为介质来模拟微重力条件的技术。他们将晶体溶液与琼脂糖混合，并最终形成凝胶，晶体生长所需沉淀剂溶液在凝胶外通过扩散进入凝胶中，使得晶体在凝胶与沉淀剂溶液形成的界面、以及凝胶中进行生长。此技术利用凝胶形成的很小孔隙中，Grashof数(Grashof数是表征流体对流的无量纲常数，Grashof数越小，流体对流越小)非常小则浮力对流基本被消除的特点，实现了极大抑制结晶过程中的浮力对流，但是不足之处是一部分蛋白质晶体与凝胶混合在一起无法分离，同时，由于凝胶的存在阻碍了晶体生长的原位观测。三，王静等(微重力下胶原蛋白纤维化及羟基磷灰石(HAP)结晶的初步研究，空间科学学报，2015)公开了采用回转控制器模拟微重力条件的技术。他们通过将生长溶液固定在回转控制器的悬臂上，并控制悬臂在旋转空间中无规则随机旋转，从而使得晶体在生长过程中处于不断变化方向的重力场中，实现了积分上的重力沉降效应的消失。但该技术的不足之处是，仅消除了重力沉降，但对浮力对流的抑制很有限，无法达到较好的模拟微重力条件的效果。四，Rustem F.Ismagilov等(A Droplet-Based,CompositePDMS/Glass Capillary Microfluidic System for Evaluating ProteinCrystallization Conditions by Microbatch and Vapor-Diffusion Methods with On-Chip X-Ray Diffraction,Crystal Growth,2004)公开了利用微流控技术模拟微重力条件的技术。他们利用微流体系统尺度减小后Grashof数非常小的特点，使得晶体生长过程中重力产生的浮力对流得到了抑制或者减小，实现了模拟微重力条件下的蛋白质晶体生长，但是该技术存在一些不足。因为注射器压力变化对微泵推进速度的改变通常具有一定滞后性,因此要利用普通微泵和注射器调节流体流速来实现对样品液滴配比的快速精确调控,几乎不可能实现，故，该技术对仪器设备有较高要求。另外，需要特别指出的是，微流控技术生长晶体时，晶体在微流道中出现的位置是随机的，无法对微流道中的指定位置进行长时间、连续光学显微观测，因为所观察的区域很可能并不出现晶体，或者所出现的晶体的大小、形状不适合进行光学观察以获得晶体生长动力学数据。

因此如何在地面上无需对仪器设备有特殊要求，即可利用Grashof数非常小则重力产生的浮力对流基本消失的特点来模拟微重力条件生长晶体，并能够对指定区域进行晶体生长原位观测研究是当前急需解决的问题。

发明内容

鉴于此，为解决现有技术中的问题，本发明实施例提供了一种模拟微重力条件的晶体生长方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种模拟微重力条件的晶体生长方法，所述方法包括：

制备PDMS多孔膜，将所制备的PDMS多孔膜放入样品池中，并密封样品池；

利用泵在样品池一端开口位置抽出样品池中的气体，同时在样品池另一端开口位置注入生长溶液，以使所制备的PDMS多孔膜的小腔中充满生长溶液；

取下样品池中上层盖片，将预先准备的晶体转移至所制备的PDMS多孔膜中充满生长溶液的小腔中；

将上层盖片重新覆盖至样品池上方后，控制样品池温度为设定温度；

晶体在充满生长溶液的小腔中生长，对生长的晶体进行原位观测。

在一个可能的实施方式中，所述制备PDMS多孔膜，包括：

按照预设比例将PDMS预聚物和固化剂进行混合，并放入容器中；

依次在容器中加入预设重量的二甲苯和模板颗粒，在容器中形成混合物；

在容器中固化混合物形成固体混合物；

溶解固体混合物的模板颗粒，晾干得到PDMS多孔膜。

在一个可能的实施方式中，所述在容器中固化混合物形成固体混合物，包括：

针对混合物，搅拌均匀至无气泡；

在搅拌均匀至无气泡后，在容器中固化混合物形成固体混合物。

在一个可能的实施方式中，所述溶解固体混合物的模板颗粒，晾干得到PDMS多孔膜，包括：

溶解固体混合物的模板颗粒，并进行多次洗涤；

在经过多次洗涤后，晾干得到PDMS多孔膜。

在一个可能的实施方式中，所述样品池由上下两层盖片、以及两个塑料带组成，两个塑料带在上下两层盖片之间，由两个塑料带围成一个四方形区域，其中，所述四方形区域对角存在两个开口。

在一个可能的实施方式中，任一开口处利用凝固胶进行密封。

在一个可能的实施方式中，所述将所制备的PDMS多孔膜放入样品池中，包括：

将所制备的PDMS多孔膜放入所述四方形区域中。

本发明实施例提供的技术方案，具有如下三个优点。一、将晶体引进所制备的PDMS多孔膜中的小腔中进行生长，由于空间减小，Grashof数(Grashof数是表征流体对流的无量纲常数，Grashof数越小，流体对流越小)就非常小，因此可以消除浮力对流，实现在模拟微重力条件下生长晶体的目的；二、不需要对仪器设备有特殊要求；三、可以在晶体生长过程中对指定位置(或区域)的晶体进行长时间、连续、原位观测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种模拟微重力条件的晶体生长方法的实施流程示意图；

图2为本发明实施例的一种样品池示意图；

图3为本发明实施例的一种抽取气体、注入生长溶液的示意图；

图4为本发明实施例的一种倒置样品池的示意图；

图5为本发明实施例的一种对生长的晶体进行原位观测的示意图；

图6为本发明实施例的一种对溶菌酶晶体进行原位观测的光学显微成像照片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种不同聚合度链状结构的聚有机硅氧烷，具有卓越的耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力。通过模板法可以将PDMS制备成具有良好稳定性的多孔材料，模板法最突出的特点就是具有良好的可控制性，可以通过研究的晶体大小采用不同大小的模板，常采用的模板有氯化钠、蔗糖等。

将晶体引进所制备的PDMS多孔膜中的小腔中进行生长，由于空间减小，Grashof数(Grashof数是表征流体对流的无量纲常数，Grashof数越小，流体对流越小)就非常小，因此可以消除浮力对流实现在模拟微重力条件下生长晶体的目的，而且不需要对仪器设备有特殊要求，此外还可以利用反射式光学显微观察方法在晶体生长过程中对其进行原位观测。

本发明实施例与现有的模拟微重力条件生长晶体的方法，特别是微流控技术相比有以下几点不同之处：1，不需要对仪器设备有特殊的要求，便可利用空间尺度小，Grashof数小的特点，消除浮力对流，实现模拟微重力条件。2，可以在指定位置对晶体原位观测，获得晶体生长动力学数据。

基于上述，如图1所示，为本发明实施例提供的一种模拟微重力条件的晶体生长方法的实施流程示意图，该方法具体可以包括以下步骤：

S101，制备PDMS多孔膜，将所制备的PDMS多孔膜放入样品池中，并密封样品池；

制备PDMS多孔膜，具体步骤如下：

按照预设比例将PDMS预聚物和固化剂进行混合，并放入容器中；依次在容器中加入预设重量的二甲苯和模板颗粒，在容器中形成混合物；针对混合物，搅拌均匀至无气泡；在搅拌均匀至无气泡后，在容器中固化混合物形成固体混合物；溶解固体混合物的模板颗粒，并进行多次洗涤；在经过多次洗涤后，晾干得到PDMS多孔膜。

在本发明实施例中，样品池由上下两层盖片、以及两个塑料带组成，两个塑料带在上下两层盖片之间，由两个塑料带围成一个四方形区域，其中，所述四方形区域对角存在两个开口，任一开口处利用凝固胶进行密封。

将所制备的PDMS多孔膜放入样品池中，具体是将所制备的PDMS多孔膜放入所述四方形区域中。

例如，样品池示意图如图2所示，在透明光学玻璃片上粘上塑料带，左右两端各留一个开口，开口处用凝固胶封上(凝胶凝固后仍可以***注射器针头，便于下一步注入生长溶液)，将PDMS多孔膜放入塑料带围成的空间内，然后塑料带上方再用一层玻璃片盖上封严形成一个密闭空间，1指向塑料带，2指向透明光学玻璃片，3和4分别指向两个开口。

S102，利用泵在样品池一端开口位置抽出样品池中的气体，同时在样品池另一端开口位置注入生长溶液，以使所制备的PDMS多孔膜的小腔中充满生长溶液；

如图3所示，利用泵在样品池一端开口处抽出样品池中的气体，同时在样品池另一端开口处注入生长溶液，以使所制备的PDMS多孔膜的小腔中充满生长溶液，5代表泵，6代表生长溶液。

S103，取下样品池中上层盖片，将预先准备的晶体转移至所制备的PDMS多孔膜中充满生长溶液的小腔中；

S104，将上层盖片重新覆盖至样品池上方，倒置样品池；

取下样品池中上层盖片，将预先准备的晶体转移至所制备的PDMS多孔膜中充满生长溶液的小腔中，将上层盖片重新覆盖至样品池上方，倒置样品池。

例如，如图4所示，将样品池中塑料带上方的玻璃片取下，此时PDMS多孔膜中的小腔内充满了生长溶液，然后将一个晶体转移至PDMS多孔膜中充满生长溶液小腔内，在小腔上方盖上玻璃片密封并倒置使得晶体所在的小腔形成密闭空腔，7指向PDMS多孔膜中充满生长溶液的小腔，8指向晶体，9指向玻璃片。

S105，在倒置样品池之后，控制样品池温度为设定温度，晶体在充满生长溶液的小腔中生长，对生长的晶体进行原位观测。

在倒置样品池之后，一方面，由PDMS多孔膜中充满生长溶液的小腔7与玻璃片9构成了一个密闭的小腔，晶体在此充满生长溶液的密闭小腔中生长，消除了自然对流，实现了模拟微重力条件下生长晶体的目的。

另一方面，可以对生长的晶体进行原位观测，例如，可以采用反射式光学方法对生长的晶体进行原位观测，如图5所示，10指向物镜。

为了对本发明实施例提供的技术方案进行详细说明，结合如下实施例进行说明：

1、制备大约1mm厚度的PDMS多孔膜：按照10：1的比例将PDMS预聚物和固化剂放入烧杯，之后依次加入一定量的二甲苯和所需要大小的氯化钠颗粒，搅拌均匀至无气泡，将其固化，然后将固体混合物中氯化钠颗粒消除，并进行多次洗涤，晾干便可得到所需孔隙大小的PDMS多孔膜。

2、将制备的PDMS多孔膜放入样品池中；

样品池示意图如图2所示，在24*32mm的透明光学玻璃片2上粘上塑料带1，塑料带宽1mm，长度40mm，厚度1mm，左右两端各留一个开口3和4，开口处用凝固胶封上(便于下一步注入生长溶液)，将PDMS多孔膜放入塑料带围成的空间内，然后塑料带上方再用一层玻璃片盖上封严形成一个密闭空间。

3、用泵5在一端开口处抽出样品池中的气体，同时在另一端开口处将生长溶液6导入样品池中，使得PDMS多孔膜的小腔中充满生长溶液，如图3所示。

4、将样品池中塑料带上方的玻璃片取下，此时PDMS多孔膜中的小腔7内充满了生长溶液，然后将一个晶体8转移至PDMS多孔膜中充满生长溶液小腔7内，在小腔上方盖上玻璃片9密封并倒置使得晶体所在的小腔形成密闭空腔，如图4所示。

5、倒置之后晶体在一个密闭的小腔内生长，消除了浮力对流，实现了微重力条件下生长晶体的目的，且可以采用反射式显微观察光学方法对生长的晶体进行原位观测。如下图6所示，为采用氯化钠作为模板(400*400μm)制得的小腔，放入一个溶菌酶晶体并对其进行原位观测，小腔中一些小的晶体为观测2天后新生长出的晶体。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。