Name: 用于原位晶体 x 射线衍射和原位的微流控芯片系列晶体学的动态光散射 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 48 s
Description: 学习利用微流控芯片进行蛋白质结晶的原位X射线衍射技术，结合动态光散射实时监测结晶过程。该方法可在室温下高效收集高质量衍射数据，为结构生物学研究提供可靠支持。

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本工作得到了PIER种子基金PIF-2015-46、德国联邦教育与研究部（BMBF）资助项目05K16GUA和05K12GU3，以及德国研究基金会（DFG）卓越集群“汉堡超快成像中心——原子尺度上物质的结构、动力学与控制”的支持。隶属于自由电子激光科学中心的作者的工作由亥姆霍兹协会通过项目导向资金资助。同步辐射MX数据在PETRA III储存环（德国汉堡DESY）上由EMBL汉堡运行的P14光束线收集。

1. 芯片设计与母版制备
<ol>
	<li>掩膜设计
	<ol>
		<li>使用合适的CAD绘图软件绘制所需的通道几何形状。针对每一层光刻胶，准备单独的掩膜。本方案中使用的所有设计均在结果部分详细讨论，并以AutoCad的“.DWG”格式提供于补充文件1中。 
		注意：在构建全PDMS器件时，通道高度与宽度的纵横比不应超过1:10，以防止通道塌陷。聚酰亚胺薄膜和固化环氧树脂更为坚固，原则上可允许更高的纵横比。然而，我们有意未超过1:10的比例，以便初始设计可作为传统的PDMS器件进行原型制作。</li>
		<li>将CAD文件转换为乳胶膜光刻掩膜。使用标称64k DPI分辨率，以确保可精确呈现约5 µm大小的特征。 
		注意：此步骤可通过商业服务完成。成像服务提供商可能偏好不同的绘图规范，以简化文件转换过程。请提前咨询其推荐的绘图规范，以避免在转换过程中出现繁琐的故障排查。具有透明特征的黑色背景掩膜将在晶圆上形成SU8光刻胶结构，从而在复制成型过程中产生功能性的PDMS微通道。相反，透明背景上的黑色特征掩膜则用于制备适用于X射线芯片制造的PDMS模具。我们建议同时订购两种极性的掩膜，以便在将设计转化为X射线芯片之前，能够早期进行原型制作和设计验证。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>SU8母版制作 
	注意：这是唯一需要在洁净室中进行的步骤。若缺乏关键洁净室设备，可将整个步骤外包给提供已图案化SU8母版的MEMS代工服务公司。请按照产品说明书中的指导处理SU8。步骤1.2.1至1.2.4总结了通用的SU8母版制作流程，三层X射线芯片设计的完整参数列于表1中。多层SU8对准技术的介绍此前已有发表29。
	<ol>
		<li>将约1 mL SU8光刻胶倒入3英寸晶圆上，并根据表1中指定的转速和时间进行旋涂，以达到所需厚度（图1，步骤1）。根据光刻胶层厚度，在65 °C和95 °C下分别预烘数分钟。进行预烘以固化SU8，防止其粘附到光刻掩膜上，并提高光刻胶与基底的附着力（图1，步骤2）。</li>
		<li>按照表1中指定的条件对光刻胶进行紫外光曝光，随后在95 °C下进行曝光后烘烤，以催化完成曝光过程中引发的光化学反应（图1，步骤3）。</li>
		<li>对后续每一层重复上述步骤。然后使用掩膜对准仪和游标卡尺对准标记，将后续层的光刻掩膜与母版对准29。</li>
		<li>使用丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）显影晶圆，洗去所有未曝光的SU8光刻胶，直至异丙醇冲洗不再出现乳白色沉淀为止（图1，步骤4）。用加压氮气吹干晶圆。 
		注意：异丙醇对SU8溶解性较差，其沉淀现象表明存在未完全固化的残留物。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>PDMS模具制作
	<ol>
		<li>将一块铝箔（15 × 15 cm）放入培养皿（10 cm）中，并将SU8母版放置于铝箔上，以便PDMS固化后易于取出母版。</li>
		<li>将硅胶基体与固化剂按10:1比例混合，总量为25 g，在容器中用刮刀或机械搅拌器充分搅拌。一个置于10 cm培养皿中的3英寸晶圆约消耗25 g PDMS，形成厚度为5 mm的片状结构。</li>
		<li>将预混好的PDMS浇注到SU8母版上（图1，步骤5），高度约为4 mm。将PDMS置于真空环境中脱气5分钟，以去除气泡，直至PDMS表面无气泡或仅剩少量气泡。</li>
		<li>在70 °C烘箱中固化PDMS 1小时。随后用手术刀切割固化后的PDMS，并小心地将PDMS模具从SU8母版上剥离（图1，步骤6）。切割应直达母版表面，以防止剥离过程中PDMS开裂。</li>
		<li>可选：制备PDMS模具的横截面切片，以确认母版上所有SU8层均达到预期厚度（图1）。早期的微流控通道布局测试可在全PDMS芯片中进行。 
		注意：在PDMS上打孔形成通路（步骤3.3）后，可通过O2等离子体活化（20 s，0.4 mbar O2，50 W，13.56 MHz）将复制成型的PDMS直接键合至玻璃基底。如第1.2节所述，X射线芯片制造需要相反极性的掩膜，因此晶圆轮廓也需相应调整。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 原位 X射线芯片制备
<ol>
	<li>将两种环氧树脂前体分别用乙醇稀释，使乙醇的最终质量分数为40 wt%。每种环氧树脂前体在乙醇中的总质量为0.25 g，足以用于一个面积为1 cm2的芯片。 
	注意：这可以降低所得5分钟固化环氧树脂的黏度，便于无气泡混合和复制模塑，并最小化最终固化环氧层的厚度。乙醇在固化过程中会通过PDMS蒸发。</li>
	<li>将PDMS模具置于真空干燥器中脱气30分钟，使其在模塑过程中能够吸收环氧树脂中的微小气泡。</li>
	<li>将聚酰亚胺薄膜裁剪至约70 × 70 mm，并用胶带将其固定在75 × 50 mm的玻璃载片上，使薄膜背面贴有胶带，从而获得平整且刚性的表面。使用50 W、13.56 MHz、0.4 mbar氧气（O2）等离子体对薄膜处理20秒进行等离子活化，然后将整个薄膜-载片组合浸入体积分数为1 vol%的(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷（APTS）或(3-缩水甘油基氧丙基)三甲氧基硅烷（GPTS）水溶液中，在20 °C下孵育5分钟。</li>
	<li>充分混合两种经乙醇稀释的环氧前体溶液，以确保最佳的固化性能。从真空腔中取出PDMS模具并放置在平坦表面上。然后使用移液器迅速将混合后的树脂滴加到模具上每个微结构区域（每1 cm2微结构约10 µL）（图1，步骤7a）。</li>
	<li>从水相硅烷（APTS或GPTS）溶液中取出聚酰亚胺薄膜-载片夹层结构，用加压空气或氮气吹干薄膜。</li>
	<li>将已准备好的聚酰亚胺薄膜-玻璃载片夹层结构放置在已涂布的环氧树脂上（图1，步骤7b）。用力将连接聚酰亚胺薄膜的玻璃载片压向PDMS模具。在玻璃载片上放置金属板，再施加重物，以在室温下对环氧树脂施加最高达1.4 N/cm2的压力并保持1小时，使其完成固化。 
	注意：理想情况下，在模具中结构高度最大的区域，薄膜上不应残留树脂。这些&#160;对应&#160;后续进行结晶反应的结晶井。
	<ol>
		<li>可选：如果对微小特征的精确复制至关重要，可在模塑过程中使用铝制框架加固PDMS模具31。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过从PDMS模具上剥离的方式，取下带有聚酰亚胺薄膜和图案化环氧树脂的玻璃载片（图1，步骤8）。使用50 W、13.56 MHz、0.4 mbar氧气（O2）等离子体对图案化环氧树脂面处理20秒进行等离子活化。</li>
	<li>将聚酰亚胺薄膜从等离子体腔中取出后，将其浸入体积分数为1 vol%的水相APTS（或GPTS）溶液中，在20 °C下孵育5分钟。同样地，准备另一片未图案化的聚酰亚胺薄膜，并用互补的1 vol% GPTS（或APTS）硅烷进行活化处理。孵育完成后，用加压空气吹干图案化和未图案化的两片薄膜。</li>
	<li>将图案化环氧树脂面朝上放置在平坦表面上，利用其下方水滴的表面张力作为媒介，防止&#160;薄膜卷曲，并确保最大程度的平整度。然后将第二片已活化的聚酰亚胺薄膜覆盖其上，从一角向对角方向轻轻用手指抹平，使其粘合，并避免气泡产生。</li>
</ol>
3. 用于液体输送的接入端口
<ol>
	<li>按照步骤 1.3.1 至 1.3.3 在培养皿中制备 4 mm 厚的 PDMS 板，但不使用 SU8 模板。将该板切割成适当尺寸的 PDMS 块，以覆盖芯片上的所有进样口，但不得覆盖芯片的各个结晶腔室。</li>
	<li>将芯片和 PDMS 块置于 50 W、13.56 MHz、0.4 mbar O2 的等离子体中活化 20 秒。为实现化学键合，随后将各部分在 1 vol% 的水相 APTS 或 GPTS 溶液中于 20 °C 下孵育 5 分钟。用加压空气吹干各部分，并将 PDMS 板压合到薄膜芯片上。</li>
	<li>为增强键合效果，将芯片置于一块平整的 PDMS 板上，覆盖一层塑料膜，再放上一块洁净的玻璃片和一个金属块。最后施加重物，以提供约 1.4 N/cm2 的压力，持续约 1 小时。</li>
	<li>使用 0.75 mm 的活检打孔器在芯片设计中标记的每个进样口和出样口位置打孔，并用胶带密封背面。此时，芯片可通过外径与孔径匹配的任意管路进行连接（如步骤 4.2 所述）。</li>
</ol>
4. 表面处理
<ol>
	<li>将9 wt%氟聚合物储备液用氟溶剂稀释至1:20，得到终浓度为0.45 wt%的溶液。将储备液及稀释液避光保存于4 °C冰箱中。</li>
	<li>将1:20稀释的氟聚合物溶液装入1 mL鲁尔锁式注射器中。在注射器上安装27G × 5/8&#34;针头，再将聚四氟乙烯（PTFE）管路连接至针头。</li>
	<li>将管路连接至X射线芯片的出口，注入步骤4.1中制备的氟聚合物工作液，直至所有通道完全填充。</li>
	<li>将芯片平面向下放置于190 °C加热板上加热5分钟，以完全蒸发溶剂，使氟聚合物沉积形成一层薄膜涂层。 
	注意：当使用新的芯片结构时，需检查此涂层过程中通道是否被氟聚合物堵塞。若发生堵塞，应进一步稀释储备液。</li>
</ol>
5. 蛋白质制备
<ol>
	<li>称取冻干的索马甜，并将其溶解于表2所列缓冲液中，定容至适当体积，使终浓度为40 mg mL-1。</li>
	<li>根据制造商说明书，将葡萄糖异构酶用表2所列缓冲液进行透析。</li>
	<li>参照Schubert et. al.30先前描述的方法制备硫氧还蛋白（thioredoxin）蛋白。</li>
	<li>使用ProtParam软件32计算得到的消光系数（见表2），通过光度法测定最终蛋白浓度。</li>
	<li>所有溶液均使用超纯水配制，并用0.2 µm滤膜过滤。</li>
	<li>将蛋白溶液在20 °C、16100 x g条件下离心15分钟，取上清液用于结晶实验。</li>
</ol>
6. X射线芯片中的蛋白质结晶
<ol>
	<li>为了在微流控芯片中结晶蛋白质，将等量的蛋白质溶液与沉淀剂溶液混合。蛋白质浓度、缓冲液组成和沉淀剂组成详见表2。准备约20 µL的总体积以填充一个微流控芯片。</li>
	<li>混合后立即通过连接有27G × 5/8&#34;针头和外径为0.75 mm的聚四氟乙烯（PTFE）管的注射器，将溶液注入芯片的进样口（详见步骤4.2）。 
	注意：串联结构的填充过程需要预先用氟化油对芯片进行引液，最简便的方法是在通过进样口注入结晶溶液之前，先从出样口加载氟化油。所有加样步骤均应使用显微镜监测，以控制注射器施加的压力和相应的流速。</li>
	<li>芯片填充完成后，通过向芯片的进样口注入氟化油来分隔各个独立的结晶单元。通过封闭芯片的所有进样口和出样口来密封芯片，可使用回形针插入实现密封。 
	注意：由于结晶单元已被蛋白质/沉淀剂溶液填充，氟化油仅填充芯片的进样通道，不会影响结晶单元内的溶液。</li>
	<li>为了模拟蒸汽扩散结晶动力学，将密封后的芯片置于室温和正常大气条件下，使结晶单元中的液滴通过聚酰亚胺薄膜蒸发水分而逐渐缩小。</li>
	<li>当通过显微镜或动态光散射（DLS）测量观察到晶体形成后（见步骤7），将整个微流控芯片转移至相应的沉淀剂溶液中，以停止结晶孔中进一步的蒸发，直至进行X射线衍射实验。</li>
</ol>
7. 芯片中结晶孔的动态光散射测量
注意：DLS 测量使用 100 mW 的激光输出功率，波长为 660 nm，散射光的检测角度为 142°。由于所有被研究的样品溶液均为水溶液，因此在所有计算中均采用水的折射率（n = 1.33）。
<ol>
	<li>使用第8.1步中描述的适配器，将微流控芯片放入DLS仪器的SBS格式板架中。将适配器插入设备。</li>
	<li>使用电动x、y、z载物台，仔细调节激光焦点至微流控芯片的某一腔室内部。由于微流控芯片非常薄，需以微小步进方式调节z轴位置。 
	注意：正确的调节可通过DLS测量得到的自相关函数具有较高的截距值和光滑的尾部来确认。可创建校准文件，以匹配微流控芯片中各个结晶孔的位置，从而实现随时间对多个腔室进行自动化的DLS测量。</li>
	<li>在293 K条件下，每次DLS测量持续30秒，并每5分钟重复一次测量，直至结晶实验结束。 
	注意：可通过DLS测量随时间变化的粒径分布来监测初始成核过程，同时可利用DLS板式读取仪内置的显微镜平行观察晶体是否成功形成。</li>
</ol>
8. 衍射数据收集
<ol>
	<li>用于光束线测角仪的适配器
	<ol>
		<li>打印用于晶体学数据收集过程中定位和旋转X射线芯片的平板测角仪适配器。</li>
		<li>使用制造商推荐的默认参数设置，通过 hobby-grade 3D 打印机打印基座测角仪的适配器。 
		注意：适配器使用 3D-CAD 系统设计，适配器的坐标文件为&#160;以“.STL”文件格式附在补充材料中。</li>
		<li>使用双面胶带将X射线芯片固定在适配器上。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>原位 X射线晶体学
	<ol>
		<li>在 296 K 条件下，使用 10 × 5 µm（高斯轮廓的半高全宽）的光束尺寸收集衍射数据。采用能量为 12.8 keV、通量为 2.2 · 10¹² 光子/秒的 X 射线。11 光子 · 秒-1 使用 Pilatus 6M 混合像素探测器在衰减光束中记录衍射图样。 
		注意：含有甜蛋白、葡萄糖异构酶或硫氧还蛋白晶体的微流控装置用于 原位 在PETRA III同步辐射光源EMBL P14光束线上进行的X射线晶体学实验。其他X射线源的可用光束聚焦尺寸和通量可能有所不同。所曝光的蛋白质晶体数量、从每颗晶体记录的衍射图谱数量、每次曝光的振荡角度范围以及曝光时间汇总于 表3.</li>
		<li>使用 XDS 程序分别处理两两连续的衍射图样数据集33使用 bash 脚本 &#34;xds.sh&#34; 见补充材料。</li>
		<li>使用软件 XSCALE 为来自所有晶体的每套数据集创建 HKL 文件并进行标度校正33. 使用 bash 脚本 &#34;xscale.sh&#34; 在补充材料中&#160;用于生成 XSCALE 的输入文件。 
		注意：仅应缩放相关系数大于 90% 的晶体数据集，该值表明具有高度同晶性。保守标准 ‹I/σ(I)›（&#62;2）应用于确定最高分辨率壳层。使用程序 MOLREP 进行分子置换34 来自 CCP4 套件35 可用于通过蛋白质数据库（PDB）中所示的三维坐标获取相位，以进行后续的模型构建 表3.</li>
		<li>使用 Refmac5 对所有结构进行同位素精修35,36 并使用 COOT37 用于对最终模型进行视觉检查。 
		注意：在精修过程中，溶剂分子应自动添加，并需检查以确认其化学位置合理。必须检查所有模型，以识别拉氏图（Ramachandran）异常值。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
9. 数据评估
<ol>
	<li>辐射损伤
	<ol>
		<li>使用 Owen 描述的方法分析衍射强度随时间的衰减 等38为此，计算 I/σ(I) 的总和（由 XDS 提供）33每个评估的衍射数据集（连续2个衍射图样）所有索引反射的）作为参考值。使用 bash 脚本 &#34;ISigma.sh&#34; 来自补充材料。</li>
		<li>将每组数据集的衍射强度归一化至第一组数据集的平均衍射强度。</li>
		<li>通过提取随时间变化的 Rmeas 值来分析 Rmeas 值的变化情况 正确。LP XDS 获得的文件33 （bash 脚本） &#34;Rmeas.sh&#34; 来自补充材料）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>晶体取向
	<ol>
		<li>确定欧拉角，以获取晶体晶格取向相对于实验室坐标系分布的信息。根据输出文件 XPARM 中给出的 XDS 取向矩阵计算欧拉角。39 使用软件 Matlab。使用 bash 脚本 &#34;rotation_matrix.sh&#34; 从XPARM文件中提取每个晶体的旋转矩阵。将输出文件作为输入在Matlab中使用Matlab函数rotro2eu.m（补充文件）计算欧拉角。 
		注意：Zarrine-Afsar 已发表关于该计算方法的详细描述 等40.</li>
		<li>将获得的欧拉角从弧度转换为度。将三个旋转平面（xy、xz 和 zy）的欧拉角以 10° 为间隔分组，并使用 Origin9 软件绘制图表。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

我们制备用于 原位 使用环氧树脂作为填充材料、聚酰亚胺薄膜作为窗口材料进行X射线衍射。我们的工艺在先前X射线芯片设计的基础上，优化了制造过程的多个步骤16,21我们通过减少窗口厚度，降低了背景散射，同时因所需工艺步骤减少而简化了制备过程。 原位 使用所述方案进行结晶具有显著优势。该方法可在室温下收集衍射数据，从而无需使用冷冻保护剂，而冷冻保护剂在某些情况下可能引入蛋白质结构的人工假象。此外，由于可避免将晶体从其原始环境中转移，晶体不会受到物理应力的影响。通过该流程，晶体能够保持最高品质，且免受任何处理带来的损伤。&#160;
根据我们的经验，实验方案中最关键的步骤集中在控制结晶过程。获得适合X射线衍射的、具有合适尺寸的晶体所需参数必须通过实验经验确定，不能直接从气相扩散实验中照搬。即使使用相同浓度的蛋白质和沉淀剂，在不同的芯片中，或有时在同一芯片的不同孔中，也并不总能形成晶体。这表明所有影响晶体成核与生长的因素都应被仔细考虑，例如母液组成或结晶动力学（通过蒸发轨迹体现）。由于较大的晶体可产生更高分辨率的衍射数据，因此理想情况下应培养出足够大的晶体。晶体成核与生长过程可通过动态光散射（DLS）测量进行监测。将激光聚焦于芯片内约50 µm厚的结晶腔室内部可能具有挑战性，通常需要仔细的手动对准。当使用深度超过100 µm的孔时，激光自动对准变得可行且可靠，从而可通过自动化采集方案监测多个孔。
基于聚酰亚胺的X射线芯片产生的背景信号极低，我们通过解析三种模式蛋白的结构，证明了这些器件适用于常规X射线衍射数据收集。与先前使用更大尺寸蛋白质晶体及传统X射线数据收集方法所达到的分辨率相比，芯片上获得的最佳分辨率存在差异。这种差异可能由多种因素导致，进一步优化结晶条件或可改善衍射质量。已成功实现数据收集 原位 分辨率达到1.8 Å，使用尺寸小于30 µm的晶体收集衍射数据。对甜蛋白（thaumatin）衍射数据的详细分析提供了关于辐射损伤的见解。为限制辐射损伤的程度，应在微流控装置的每个腔室中仅暴露一颗单晶，以避免自由基向邻近晶体扩散并造成影响。为提高数据采集速度，未来应实现该过程的自动化。
由于晶体形态的原因，在某些情况下可能会出现择优取向。例如硫氧还蛋白数据集就出现了这种情况，其晶体相对于芯片窗口具有明显的择优取向。即便如此，我们仍能够收集到完整的衍射数据集。如果晶体在芯片中表现出择优取向，特别是当相应的空间群对称性较低时，应在数据收集过程中监测数据集的完整性，以确保收集到足够数量的衍射图谱。
当采用泵浦-探测方法进行光诱导反应时，使用这些芯片可直接开展时间分辨研究。需要明确泵浦激光在聚酰亚胺薄膜中的透光性能，或者可选用光学透明的聚酰亚胺或环烯烃共聚物（COC）。目前的微流控结构不支持晶体生长后进行底物混合实验。然而，我们预计所描述的X射线芯片制备方案同样适用于此类混合设计，可用于时间分辨X射线衍射以及散射实验方法19。

了解蛋白质的三维结构对于理解其功能至关重要。迄今为止，近原子分辨率的结构最常通过X射线晶体学获得。该技术将蛋白质晶体暴露于X射线辐射中，随后分析产生的衍射图样以确定和优化结构。在传统的X射线晶体学中，完整的衍射数据集通常来自单个理想情况下较大的晶体，并在低温条件下采集。然而，此类晶体通常难以生长，且确定合适的低温保护条件本身可能具有挑战性，有时还可能导致蛋白质结构偏离其天然构象5。
X射线自由电子激光（FEL）和同步辐射光束线的最新技术进步使得能够利用更小的晶体解析结构，这得益于新型微聚焦光束线、更高的X射线束亮度以及改进的X射线探测器的出现6,7。通常情况下，小晶体比大而无缺陷的晶体更容易生长8,9。然而，小晶体比大晶体更快地遭受X射线辐射损伤。这是因为与大晶体相比，为了达到相近的衍射分辨率，必须将更高剂量的X射线投射到更小的晶体体积中。因此，即使采用低温保护，通常也难以从单个微晶中记录到完整的衍射数据集。
为了克服这一障碍，序列晶体学已成为首选方法，通过收集并合并来自大量随机取向微晶的衍射图样，从而获得完整的数据集。通过将解析蛋白质结构所需的总X射线剂量分散到大量晶体上，可最大限度地减少辐射诱导的晶体损伤5,10。在“先衍射后破坏”的自由电子激光（FEL）实验中，每个晶体仅使用一次飞秒级X射线脉冲进行曝光。第三代同步辐射光源上的微聚焦光束线则可通过数毫秒的短时X射线曝光实现序列晶体学实验11,12,13,14。然而，由于在数据收集过程中不进行晶体摆动或旋转，只能记录到部分布拉格衍射点，因此结构解析通常需要数万张甚至更多的衍射图样15。迄今为止，已开发出多种适用于序列晶体学的样品递送方法，近期已有综述对此进行总结14,16,17,18,19。其中，若干基于固定靶的样品递送策略已成功结合X射线曝光期间的晶体旋转，使得相较于传统的仅记录静态图像的序列晶体学实验，所需衍射图样数量显著减少，同时样品消耗量也更低，却仍可获得同样完整的数据集7,16,20,21,22,23,24。
我们提出一种用于制备低X射线背景微流控器件的方案。该器件采用软光刻技术，以5分钟环氧胶为材料进行图案化，适用于 原位 室温下的X射线衍射实验，通过将样品制备直接整合到X射线装置中而获益，例如在跟踪混合诱导动力学的时间分辨研究中即为此类情况18,19微流控通道两侧均以聚合物聚酰亚胺薄膜封盖，形成总厚度约为16 µm的X射线窗口，可实现低X射线背景成像。所有所用材料均具有良好的耐溶剂性。该制备方法相对简单且成本较低。在获得SU-8母版晶圆后，所有制备步骤均可在典型科研实验室环境中于洁净室外完成。
在应用实例中，我们描述了用于基于测角仪的固定靶标序列晶体学的芯片。首先讨论了利用毛细管阀对水相反应液进行微流控分割的设计与制备考虑，可将反应液分割为特定数量的纳升级液滴。该加样机制可避免因通道死体积造成的样品损失，且分割过程可手动完成，无需使用泵或其他流体驱动设备。此类被分离的纳升级蛋白溶液液滴可被监测 原位 使用动态光散射（DLS）控制蛋白质晶体的成核与生长。已有研究证明，可在由聚二甲基硅氧烷（PDMS）结构与玻璃载片键合而成的微流控装置中进行DLS测量。25,26由于聚酰亚胺层在波长大于550 nm时具有高透射率，因此在使用适当的激光波长时，该方法也可扩展应用于X射线透明芯片中的测量。27,28根据DLS结果，可以观察到初始成核现象，此时可停止进一步的液滴蒸发，以获得数量较少但尺寸较大的蛋白质晶体。
在获得足够晶体后，可使用基于测角仪的装置收集完整的X射线衍射数据集 原位 室温下固定靶连续X射线晶体学。衍射数据集通过一系列软件工具和自定义脚本进行处理，以解析蛋白质晶体结构。该技术避免了传统晶体学实验中常用冷冻保存所导致的诸多假象。
我们比较了三种利用芯片上生长的约10–20 µm大小晶体解析得到的蛋白质靶标结构，其分辨率均优于2 Å。通过在芯片上进行结晶和衍射 原位，从而最大限度地减少对脆弱晶体的操作和机械扰动。该方案适用于高分辨率和低分辨率（1.7 Å 至 3.0 Å）的蛋白质晶体。由于几乎每一颗晶体都可用于衍射实验，样品浪费极少，因此这是一种非常高效的晶体递送方法。
本方案详细介绍了如何制备用于原位蛋白质结晶及衍射数据收集的X射线透明微流控芯片。in situ 微流控技术经过精心设计，可在无需实验室配备复杂设备的情况下，充分利用微流控系统的精确性。此外，在同步辐射光束线上进行数据采集时，无需使用专用的测角仪或加湿器，从而便于非专业人员重复实验结果。该技术可用于室温下进行毫秒级序列晶体学数据采集，在最大限度减少辐射损伤的同时，避免因冷冻保护或晶体操作在晶体生长后引入应力。因此，所述方法适用于任何蛋白质结晶研究项目。

<table><tbody><tr><td>SU-8 3000 系列</td><td>MicroChem Corp.</td><td>SU-8 3000</td><td>光刻胶</td></tr><tr><td>PGMEA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>484431</td><td>显影剂</td></tr><tr><td>异丙醇</td><td></td><td></td><td>溶剂</td></tr><tr><td>乙醇</td><td></td><td></td><td>溶剂</td></tr><tr><td>环氧胶</td><td>UHU</td><td>Plus Schnellfest 5 min</td><td>环氧胶</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>道康宁</td><td>Sylgard 184</td><td>硅橡胶</td></tr><tr><td>聚酰亚胺薄膜（Kapton 薄膜）</td><td>杜邦 / American Durafilm</td><td>HN 级，30 号规格（7.5 &amp;mu;m）</td><td>聚酰亚胺薄膜</td></tr><tr><td>APTS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>440140</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>GPTS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>440167</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>Cytop CTX-109AE</td><td>旭硝子株式会社</td><td>Cytop CTX-109AE</td><td>Cytop 氟聚合物涂层</td></tr><tr><td>CT-Solv 100E</td><td>旭硝子株式会社</td><td>CT-Solv 100E</td><td>Cytop 氟系溶剂</td></tr><tr><td>HFE-7500</td><td>3M</td><td>Novec 7500</td><td>氟化油</td></tr><tr><td>AutoCAD</td><td>欧特克公司</td><td>AutoCAD</td><td>CAD 软件</td></tr><tr><td>活检打孔器</td><td>Harris</td><td>Uni-core 0.75 mm</td><td></td></tr><tr><td>光刻掩模</td><td>JD Photo Data</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3 英寸晶圆</td><td>University Wafer</td><td></td><td>硅晶圆</td></tr><tr><td>掩模对准器</td><td>S&amp;Uuml;SS MicroTec</td><td>MJB4</td><td>掩模对准器</td></tr><tr><td>PDMS 混合器</td><td>Thinky</td><td>ARE-250</td><td></td></tr><tr><td>等离子体处理仪</td><td>Diener electronic</td><td>Zepto</td><td></td></tr><tr><td>索马甜</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T7638</td><td>蛋白质</td></tr><tr><td>葡萄糖异构酶</td><td>Hamton Research</td><td>HR7-102</td><td>蛋白质</td></tr><tr><td>Bis-Tris</td><td>Sigma Aldrich</td><td>B9754</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>酒石酸钠</td><td>默克</td><td>106664</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>Tris-HCl</td><td>Sigma Aldrich</td><td>10812846001</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Carl Roth</td><td>6763.2</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>氯化镁</td><td>Sigma Aldrich</td><td>208337</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>硫酸铵</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A4418</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>EDTA</td><td>Sigma Aldrich</td><td>E6758</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>氯化钠</td><td>Sigma Aldrich</td><td>1064060250</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>PEG1500</td><td>Molecular Dimensions</td><td>MD2-100-6</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>SPG 缓冲液</td><td>Jena Bioscience</td><td>CSS-389</td><td>化学试剂</td></tr><tr><td>SpectroLight600</td><td>XtalConcepts</td><td></td><td>DLS 仪器</td></tr><tr><td>Nanodrop</td><td>赛默飞世尔科技</td><td></td><td>分光光度计</td></tr><tr><td>离心机</td><td>Eppendorf</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ultimaker2</td><td>Ultimaker</td><td></td><td>3D 打印机</td></tr><tr><td>Form2</td><td>Formlabs</td><td></td><td>3D 打印机</td></tr><tr><td>Amicon 滤膜</td><td>Sartorius Stedim</td><td></td><td>0.2 &amp;micro;m 滤膜</td></tr><tr><td>管路</td><td>Adtech Polymer Engineering Ltd</td><td>Bioblock/05</td><td>PTFE 管，内径 0.3 mm × 外径 0.76 mm</td></tr><tr><td>注射器&amp;nbsp;</td><td>BD</td><td>309628</td><td>1 ml 鲁尔锁头</td></tr><tr><td>针头&amp;nbsp;</td><td>Terumo Agani Needle</td><td>AN*2716R1</td><td>27G×5/8&quot;</td></tr></tbody></table>

微流控芯片用于 原位 晶体x射线衍射与 原位 用于序列晶体学的动态光散射

Microfluidic Chips for In Situ Crystal X-ray Diffraction and In Situ Dynamic Light Scattering for Serial Crystallography

本方案描述了用于基于测角仪的固定靶标串行晶体学的低X射线背景微流控器件的制备方法。该器件采用软光刻技术以环氧胶进行图案化，适用于 原位 室温下的X射线衍射实验。样品孔的两侧均覆盖聚合物聚酰亚胺薄膜窗口，可在低X射线背景干扰下实现衍射数据采集。该器件制备方法简便且成本低廉。在获得SU-8母模晶圆后，所有制备步骤均可在普通科研实验室环境中完成，无需洁净室。芯片设计与制备工艺利用毛细管阀控技术，通过微流控方式将水相反应液分割为若干体积精确的纳升级液滴。该加载机制可避免因通道死体积导致的样品损耗，且无需使用泵或其他流体驱动设备，可完全手动操作。我们描述了如何对分离的纳升级蛋白质溶液液滴进行监测 原位 通过动态光散射控制蛋白质晶体的成核与生长。在获得合适晶体后，可使用基于测角仪的系统收集完整的X射线衍射数据集 原位 室温下固定靶串行X射线晶体学。本方案提供自定义脚本，利用一系列软件工具处理衍射数据集，以解析并精修蛋白质晶体结构。该方法避免了传统晶体学实验中低温保存或手动操作晶体可能引入的假象。我们展示并比较了三种利用芯片中生长的尺寸约为10–20 µm的小晶体所解析的蛋白质结构。通过在芯片中进行结晶与衍射 原位，从而最大限度地减少对脆弱晶体的操作及机械干扰。该方案详细介绍了如何制备一种定制的X射线透明微流控芯片，适用于 原位 序列晶体学。由于几乎每个晶体都可用于衍射数据收集，这些微流控芯片是一种非常高效的晶体输送方法。

本方案详细描述了在室温下用于X射线衍射数据收集的微流控器件的制备与操作方法。此外，还介绍了如何通过动态光散射监测蛋白质结晶过程，以及如何处理和分析所获得的衍射数据。

微流控芯片用于 原位 晶体X射线衍射与 原位 用于序列晶体学的动态光散射

本方案描述了用于基于测角仪的固定靶标串行晶体学且具有低X射线背景的微流控器件的制备方法。该……

本实验的主要目标是制备并操作一种用于在室温下进行蛋白质结晶及X射线衍射数据收集的微流控装置。该技术的主要优势在于，芯片内部的结晶过程可最大程度减少对蛋白质晶体的机械扰动。这些X射线透明的芯片易于制备，可直接安装在大多数同步辐射光束线的测角仪上，在收集X射线衍射数据时能高效利用有限的晶体样品。首先，将X射线芯片设计的主模具置于一个内衬铝箔的10厘米培养皿中。按10:1的比例混合总共约30克的PDMS基液与固化剂，将混合后的PDMS倒入主模具上，厚度达4毫米。将PDMS在真空干燥器中脱气5分钟，并用气流吹除PDMS表面残留的气泡。将PDMS在70摄氏度的烘箱中固化一小时。然后，轻轻将固化的PDMS模具从母模上剥离。使用解剖刀切除多余的PDMS。在进行X射线芯片制备之前，应确保工作区域布局合理，以便在环氧树脂模具浇注过程中能够方便地接触所有所需的设备和组件。开始芯片制备时，将双组分环氧树脂的前体物质用乙醇稀释，使乙醇的最终质量浓度达到40%（重量比）。使用涡旋混合器将环氧树脂与乙醇充分混合。将PDMS模具置于真空干燥器中脱气30分钟，以确保PDMS后续能够吸收环氧树脂中的微小气泡。裁剪一块70毫米×70毫米、厚度为7.5微米的聚酰亚胺薄膜，并将其包裹在一块75毫米×50毫米的玻璃载片上。用胶带将薄膜边缘固定在载片背面，形成一个平整、刚性的聚酰亚胺表面。将带载玻片的聚酰亚胺膜用氧气等离子体处理20秒。然后，在20摄氏度下，将该膜浸入体积分数为1%的APTS或GPTS水溶液中孵育5分钟。在硅烷化过程中，用小刮刀充分混合环氧树脂前体溶液。将脱气后的PDMS模具从真空干燥器转移至平坦表面。用加压空气或氮气干燥硅烷化聚酰亚胺薄膜。迅速将树脂混合物滴加到模具上每个微结构处。将带有载玻片的聚酰亚胺膜背面朝下放置在环氧树脂上，并用力按压载玻片。用塑料膜和金属板覆盖该组件，在金属板上放置重物，以向组件施加最高达1.4 牛顿/平方厘米的压力。15 分钟后，轻轻将玻璃载玻片从环氧树脂图案化的聚酰亚胺薄膜上分离，并擦拭聚酰亚胺薄膜直至干燥。将塑料薄膜、金属板和重物重新放回其上。在室温下静置让环氧树脂固化一小时。随后，取下重物、金属板和塑料薄膜。轻轻将带有图案的聚酰亚胺薄膜从PDMS模具上剥离。对带有图案的薄膜进行20秒的等离子处理，并按照前述方法，使用APTS或GPTS对图案化薄膜进行硅烷化处理。在相同条件下，使用另一种硅烷溶液对原始的聚酰亚胺薄膜进行硅烷化处理。用加压空气将两张薄膜干燥。然后，将一滴去离子水滴加到洁净、干燥、平整的表面上。在聚酰亚胺薄膜上切割出单个芯片结构，并将带有图案的聚酰亚胺薄膜环氧面朝上放置于水滴上，小心地将薄膜展平至完全平整。将第二片聚酰亚胺薄膜的硅烷化面朝下放置在已图案化的薄膜上。用手从一角到对角轻轻抚平第二片薄膜，以排出气泡并使聚酰亚胺片层粘合在一起。开始制备通路端口时，从已固化的四毫米厚PDMS平板上切下一足够大的块状物，以覆盖聚酰亚胺X射线芯片上的所有端口，但不得覆盖结晶腔室。对聚酰亚胺芯片和PDMS块进行等离子体处理、硅烷化处理并干燥。将处理后的PDMS块压在芯片的端口区域上。用塑料膜、干净的玻璃片和金属片覆盖芯片。施加 1.4 newtons per square centimeter 的压力，持续一小时。接着，使用 0.75 毫米的活检打孔器，在芯片设计中标记的位置打出入液口和出液口孔洞。用聚酰亚胺薄膜电绝缘胶带密封芯片背面。然后，用氟化溶剂将质量分数为9%的透明氟聚合物涂层材料储备液稀释至质量分数为0.45%。将一根27号、5/8英寸长的针头连接到注射器上。将聚四氟乙烯管套在针头末端。将氟聚合物溶液装入一支一毫升鲁尔锁型注射器中。将管子的另一端连接到X射线芯片的出口。将氟聚合物溶液注入芯片，直至所有通道充满，然后使用装有空气的注射器去除多余的氟聚合物溶液。将充满溶液的芯片平面向下放置于190摄氏度的加热板上。加热芯片5分钟，以蒸发溶剂，从而在通道内壁形成氟聚合物涂层。在进行结晶实验之前，使用0.2微米滤膜过滤所选的蛋白质溶液。在20摄氏度条件下，以16,100 ×g离心15分钟，并收集上清液用于结晶实验。开始结晶步骤时，将等体积的蛋白质溶液与其沉淀剂混合。用注射器吸取约 20 微升该混合物。使用 27 号、5/8 英寸的针头和聚四氟乙烯（PTFE）管将注射器连接到 X 射线芯片的入口。以相同方式将含氟化油的注射器连接到出口。在显微镜下观察芯片的同时，将结晶溶液通过入口注入具有平行布局的芯片中。注入足量的氟化油，以分隔芯片中的结晶区域。然后，使用回形针或其他细小的塞子封闭入口和出口端口。将芯片置于适当的结晶条件下保存。现在可通过显微镜或动态光散射测量观察晶体形成。当准备进行数据采集时，使用双面胶带将X射线芯片固定在用于平板测角仪的3D打印适配器上。将芯片适配器安装在同步辐射光束线的样品台测角仪上。收集并分析衍射数据。采用明场显微镜定量测定聚酰亚胺薄膜芯片结晶腔中水的蒸发速率。动态光散射可检测载玻片上具有相同几何结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片中甜蛋白晶体的初始成核过程，从而优化结晶条件。从在聚酰亚胺芯片中生长的83个甜蛋白晶体中，每个晶体收集了10张衍射图样，每帧采集时旋转1度。该数据集按帧分为五个子数据集，随后评估了归一化衍射强度随时间的衰减情况。到第四组数据时，衍射能力已下降至50%以下。子数据集的测量R因子值随时间逐渐增加，表明晶体在数据收集中受到了辐射损伤。这归因于X射线照射过程中产生的自由基降解了同一腔室内邻近的晶体。双锥形的索马甜晶体在X射线芯片中呈现出广泛的取向分布。正交晶系的葡萄糖异构酶晶体在聚酰亚胺芯片中生长时同样表现出广泛的取向分布。然而，硫氧还蛋白晶体主要分布在xy、xz和yz平面，这可能与其细长的形状有关。总体而言，这些芯片非常坚固，且具有较低的X射线背景。这使得该制备方法适用于其他X射线成像技术，例如小角X射线散射。该流程可轻松调整以满足您的实验需求。例如，可通过调整每个腔室的尺寸或每块芯片的腔室总数来修改芯片设计。我们的一个特别关注点是设计一种无需昂贵设备（如专用工具或微流控泵）的工作流程。观看本视频并阅读文稿后，您应能充分理解如何在芯片中进行结晶、如何监测结晶过程，以及如何利用芯片方法记录和分析衍射数据。一旦掌握该技术，便可在约三小时内从PDMS母模批量制备微流控芯片，且无需专用的洁净室环境。

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