水滴上甲烷水合物的结晶

可以测试各种添加剂对气体水合物形貌及其温度-压力稳定性的影响。但主要研究兴趣在于了解生物分子如何在原位与气体水合物相互作用并影响其形成与分解。本实验方案的主要优势在于，能够在静态水滴上安全且可重复地形成水合物壳层。

调平液滴载台具有挑战性，需要经过练习，因为液滴会在不平整的载台上滑动。同时，应熟悉 Swagelok 接头的使用以及高压易燃气体相关的安全操作。首先，使用新的卡套螺母和卡套组件，通过一段 1 英寸 × 4 英寸的铜管将甲烷气瓶减压阀连接至泵。

将静脉输液管的软质管尖剪成斜角，粘接到套管末端，以帮助引导液滴朝向蓝宝石窗口。将一个1毫升注射器连接到套管上，并抽取所需体积的去离子水。在未安装针阀或蓝宝石窗口的情况下，将套管末端插入顶板，并练习将液滴排出至中心载台的中央位置。

使用 M8 螺丝重新安装蓝宝石窗口和垫圈，并连接上部压力容器阀门。将压力泵的编织不锈钢软管连接到压力容器。并仔细检查从气体钢瓶到压力容器的所有连接是否紧密。

打开压力釜的进气阀，并将压力釜放入水族箱中。然后将光纤光源线缆插入压力釜的照明口。在一个装有乙醇与水按50/50比例混合溶液的水族箱中，在接下来的几周内，随着液面下降，逐渐添加乙醇，直至液面与压力釜顶部齐平，略低于光源连接口。

将冷水机设定至可在细胞内实现大约零到三摄氏度的温度，并开始通过线圈循环。打开 aquarium 前部的气流，以防止 aquarium 表面产生冷凝。在数据记录软件中开始温度记录。

将扫描间隔设置为30秒，并等待压力池内部温度稳定在2摄氏度。放置相机后，将光源开启至约80%，并打开相机软件。在实时预览模式下，将相机镜头对焦于压力池的内腔，并调节光源以获得最佳成像效果。

以一秒的扫描间隔开始新的温度记录。如果已连接，将压力室顶部端口上的出口针阀拆下。将一个1毫升的注射器连接到套管上，并抽取所需体积的去离子水。

将套管穿过顶板，直至在相机软件的实时模式下可见其尖端。从注射器中排出液滴至中心热电偶上方。然后重新连接针阀。

将相机对准压力池中的液滴。开始每60秒一次的时间序列成像。在笔记本电脑上打开压力传感器软件。

以每秒一次的扫描间隔开始在图表和数据记录中采集数据，并等待液滴温度稳定在0至3摄氏度之间。开启泵和控制器，关闭压力泵的进气阀。

打开泵的出口阀门和压力釜的阀门。按下压力泵控制器上的归零按钮，对泵压进行清零。在压力泵控制器上选择泵A以监测压力。

如果压力泵中曾存在甲烷气体以外的其他流体，请确保将泵排空。方法是将最大流量和恒定流量均设为100毫升每分钟，然后按“运行”。持续运行直至泵内完全排空。

关闭泵的出口阀，打开泵的进口阀。打开气体钢瓶，并将钢瓶减压阀调至 1,000 千帕。在压力泵控制器上按下“Refill”（填充）按钮。

当泵充满且接近 1,000 千帕时，关闭泵的入口阀和气体钢瓶。略微打开泵的出口阀通向压力容器。在压力传感器软件中监测压力容器内的压力，由于压力容器内的温度相对较低，压力可能会下降。

根据文稿描述，在压力泵控制器上将最大流速设置为每分钟10毫升，最大压力设置为5,000千帕，恒定压力设置为1,000千帕。按下运行。当压力达到1,000千帕时，按下泵控制器上的停止按钮，并关闭泵的出口阀。

监测压力室内的压力，以确保无泄漏。若压力下降，使用液体检漏剂检查连接处的泄漏点，并小心拧紧泄漏部件。若压力室保持稳定，打开泵的出口，逐步将恒定压力设定为 2,000、3,000、4,000 和 5,000 千帕（kPa），每次设定后按下停止键，监测压力室的稳定性。

若压力稳定，关闭泵的出口，等待约12至24小时，使气体渗透进入液滴。将延时摄影设置为每两到五秒拍摄一次图像。向细胞顶部添加干冰，直至在延时影像中观察到水合物壳的形成。

如果干冰滑动，可在反应池顶部贴上胶带固定。通过延时摄影观察甲烷水合物形成过程，持续两到六小时。打开泵的出口，将压力恒定设置为 2,000 千帕，对反应池进行降压，注意记录融化发生的时间。

30分钟后，将压力腔重新加压至5,000千帕，以观察记忆效应。记录水合物壳开始重新形成的时间，并让壳继续形成30分钟至两小时。通过打开泵的出口并将恒定压力设为100千帕，对腔体进行减压。

如果压力腔中存在残余压力，将压力腔顶部阀门略微打开 1/16 英寸。将压力和温度数据保存为 CSV 文件。通过拆下压力腔顶部阀门，并使用注射器、套管或静脉输液管取出液滴。

如果担心试验之间存在污染问题，请遵循文稿中的操作说明。使用干冰强制形成水合物壳时，可观察到明显的形态学差异，水滴表面从光滑的反光状态转变为不透明的水合物壳，并带有轻微的树枝状表面。添加浓度为每毫升100微克的I型抗冻蛋白后，水合物的形态发生变化，水滴边缘出现脊状结构，并从水滴顶部产生突起。

水合物壳形成一小时后，将反应釜减压至2兆帕，在P/T相平衡曲线上观察到2至5摄氏度的温度下降。由于水合物分解为放热过程，通过在温度下降初期进行延时成像观察到的融化现象，可确认水合物的分解。未形成水合物壳的空白对照组（无液滴组以及有液滴但未形成水合物壳的组）在减压过程中均未出现温度下降。

由于每次实验的温度峰值均高于先前确定的P/T相平衡曲线，因此根据这些实验的峰值P/T数据计算出了一条回归曲线。在执行本实验方案时，需注意两点：第一，在加压前需检查所有连接处是否牢固；第二，在安装蓝宝石窗口前应先练习排出液滴。

按照本方案，可以计算气体消耗量，并通过分析图像来测定水合物壳层厚度，从而确定所形成水合物的体积。