面向同步辐射串行晶体学的电纺丝样品束流稳定性研究

X-ray free electron laser (XFEL) serial femtosecond crystallography (SFX) is a hot research topic worldwide, because its future prospect is to achieve the capability to realize time-resolved structural determination of biological macromolecules or complexes under physiological or near-physiological condition. Such scenario makes it a powerful tool which is hard to be replaced by other techniques. Now the frontier in this field is evolved from SFX to serial crystallography (SX) that includes the environments of XFEL, synchrotron radiation (SR), and environmental field-emission transmission electron microscopy (ETEM). Hence, relevant researches become essentially important for fast development of SX. Among the researches, the sample delivery technique, which reflects the meaning of “serial”, is one of the core issues of strong concern in the field of SX. .A sample delivery technique using electrospinning method is a preferred one because it provides many advantages. It has been recently successfully applied in the environment of XFEL. Now researchers are making efforts to try to use it in the environment of SR. The applicant found in the previous research that, the electrospinning sample flow can lost its stability under the irradiation of SR. To further investigate the phenomenon, the applicant proposes to do the following researches: 1) the effects of various factors on the stability of the electrospinning sample flow under SR; 2) the effects of applied extra fields (electric field and magnetic field) on the stability of the sample flow under SR; 3) proposals to solve the instability of the sample flow under SR. The research results will provide theoretical and practical aids for developing new sample delivery techniques for SX.

自由电子激光串行飞秒晶体学是国际前沿研究热点，其未来目标是不需晶体即可实现对生理或近生理状态的生物大分子及其复合物进行兼具时、空分辨的结构解析，因此将成为其他技术难以取代的强大工具。目前，本领域前沿已从串行飞秒晶体学扩展成为包括自由电子激光、同步辐射、透射电镜环境下的串行晶体学。发展与之相关的技术成为意义重大的前沿课题，其中，体现 “串行”的样品输送技术，是各类串行晶体学竞相发展的重点。.目前，利用电纺丝技术输送样品是一种优势突出的途径，已经在自由电子激光环境下取得成功，目前国际上正在针对同步辐射环境进行相关技术的研发。申请者前期工作发现，同步辐射环境下，电纺丝样品束流出现失稳现象。为此，本项目拟开展如下工作：1）各种因素影响同步辐射环境下电纺丝束流稳定性研究；2）外加场影响样品束流稳定性研究；3）稳定样品束流的方案研究。项目成果将为发展新的串行晶体学样品输送技术提供理论指导和技术借鉴。

作为生命科学领域中的一个基础工作，生物大分子结构解析具有重大的科学意义。目前主要的结构解析技术包括X射线单晶衍射、核磁共振以及冷冻电镜技术。其中，X射线单晶衍射技术承担着超过89%以上的结构解析任务，因此，与之相关实验技术研发，非常重要。现在的X射线单晶衍射技术能够提供多样化的选择，用于解决不同状态（晶体尺寸、质量等）样品的结构解析问题。特别是串行晶体学技术的出现，又为基于衍射的技术工具箱提供了新的成员。本项目提出为面向同步辐射X射线串行晶体学研发基于静电纺丝为基础的样品输运新途径。为更好实现有效的样品输运，本项目针对静电纺丝束流的稳定性开展了规律与机理研究，并在此基础上，研发新的样品输运装置。.项目组开展的具体研究工作包括：1）静电纺丝束流稳定性与同步辐射X射线辐照之间的关系研究；2）稳定静电纺丝束流的新途径研究；3）基于静电纺丝技术的样品输运新装置研制；4）其他新的样品输运装置的研制。通过本项目研究，我们确认了静电纺丝束流在同步辐射X射线辐照时会发生失稳的现象，其机理是：同步辐射X射线造成空气电离，进而引起维持静电纺丝的电场发生改变，导致束流失稳。为解决此问题，项目组提出两个方案：1）为减少空气电离，采用X射线光路通过真空的方法，基本消除电离现象，从而避免影响束流的稳定性；2）X射线光路不直接与纺丝束流接触，而是先将纺丝束流沉积到传送带上，通过传送带将晶体输送到X射线位置，实现衍射。基于上述方案，项目组通过多次迭代和测试，研发了两套可用于同步辐射的样品输运装置，并进行了测试，证明其潜在的应用前景。.此外，项目组还研发了另外两套可用于同步辐射上的样品输运装置：1）基于固定靶的三明治样品输运装置；2）基于旋转盘的样品输运装置。这些装置均通过了同步辐射测试，证明了其实际推广应用价值。.上述装置中，基于静电纺丝和旋转盘的样品输运装置还有望应用于未来的X射线自由电子激光设施。