基于抗磁约束的无界面接触溶液单晶自由生长方法与流程

本发明属于结晶学领域，涉及一种利用抗磁约束来实现纯液相环境中无界面接触悬浮生长优质单晶体的方法。

背景技术：

晶体是一类非常重要的材料，与人们的日常生活息息相关，一般来说其纯度越高越好，高纯度且内部有序排列的晶体在很多领域都具有重要的价值，如生物大分子晶体在结构解析中具有关键作用，提高晶体的质量意味着更有机会接近生物大分子蛋白质的真实结构，进而可以更加精确的研究其具体功能及部分疾病相关蛋白质的药物治疗方案；有机小分子晶体，因其具有高的纯度，常被作为药物用于某些疾病的治疗；无机晶体，如半导体硅单晶等，是信息产业领域重要的原材料。常规条件下生长的晶体，形核后会依附于固态界面进行生长，而晶体一旦与界面接触，就会引起很多不可避免的问题，如内应力存在、生长受限等。目前通过增加外场的方法，可以实现晶体的无容器悬浮生长，如静电悬浮、声悬浮、超导磁悬浮等，这些方法避免了晶体与固态界面的接触，所得的晶体质量有一定的提升，但无一例外，晶体生长时都会与气液界面接触，且都是多颗晶体同时生长，因而并不是最佳的晶体生长条件，没有实现完全意义上的均相成核。

均相成核一直以来被认为是最好的获得优质晶体的生长方法，其成核和生长过程需要直接在纯液相结晶溶液体系中进行，而不接触任何气液界面或固液界面。溶液中多晶形核时，晶体和晶体之间亦会有不良的相互作用，如形成孪晶等，且会造成单晶体的生长受限。因而，最理想的晶体生长条件为无界面接触纯液相环境下的单晶体生长，而受限于专业的技术问题，该状态下的晶体生长十分困难。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种利用抗磁约束来实现无界面接触纯液相环境下单晶体的生长模式，基于磁阿基米德悬浮理论，实现均相成核。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)根据所用磁悬浮装置的磁体类型确定顺磁介质溶液，若所用磁体类型为超导磁体，选用的顺磁介质为nicl2溶液，若所用磁体类型为永磁体，选用的顺磁介质为mncl2溶液；

(2)混合顺磁介质溶液和样品分子，得到过饱和结晶溶液体系；

(3)将结晶溶液体系置于磁悬浮装置中进行晶体生长；

(4)观察晶体的生长状况，若得到无界面接触悬浮生长的单晶体，则终止实验；若所得晶体在液面上则降低顺磁介质浓度，若所得晶体在溶液底部，则增加顺磁介质浓度，返回步骤(2)；若没有晶体长出则增加结晶溶液各组分浓度，若晶体为多晶，则降低结晶溶液各组分浓度，返回步骤(2)。

所述的磁体能够在某一固定方向提供恒定的磁场强度和梯度。

所述的永磁体在晶体悬浮位置的磁化水平b*db/dz值不小于-15t²/m。

所述的样品分子包括生物大分子蛋白质、无机分子nacl和有机分子谷氨酸钠，所述的生物大分子蛋白质包括溶菌酶和蛋白酶k。

所述的样品分子纯度不低于99.8％。

所述的步骤(2)后使用0.22um的滤膜过滤结晶溶液。

所述的步骤(2)和(3)温度控制在20～21℃，精度误差为±0.01℃。

本发明的有益效果是：利用磁场对抗磁晶体的排斥作用及顺磁溶液增强悬浮效果，首次实现了无界面接触纯液相环境下单晶体的形核和生长，解决了一直以来无法实现均相成核的难题，实现了真正意义上的均相成核，得到了完全无界面接触的悬浮生长的优质单晶体，且采用普通的永磁体亦可实现该技术，其价格低廉，准备简单，拓宽了该方法的使用范围。

附图说明

图1是本发明的悬浮晶体受力示意图；

图2是本发明的超导磁体结构示意图；

图3是本发明的基于超导磁体的样品架立体示意图；

图4是本发明的样品架内部结构示意图；

图5是本发明的可调节支撑板结构图；

图6是本发明的观察单元支撑架示意图；

图7是本发明的反射镜分布示意图；

图8是本发明的结晶单元放大图；

图9是本发明的“n-n”永磁体装置图。

图中，1—筒体，2—照明单元，3—散光板，4—平面反射镜，5—结晶单元支撑板，6—酶标条，7—密封专用胶带，8—支撑环，9—支撑架，10—ccd镜头，11—铜螺母，12—铜螺柱，13—铁板，14—铜箍，15—永磁体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种基于磁阿基米德悬浮的无界面接触单晶体自由生长方法，包括以下步骤：

(1)根据所用磁体类型确定顺磁介质溶液(若为超导磁体，选用顺磁介质为nicl2溶液；若为永磁体，选用顺磁介质为mncl2溶液)；

(2)根据所选磁体类型混合顺磁介质溶液和一定浓度的样品分子，使之得到过饱和结晶溶液体系；

(3)将结晶溶液体系置于磁悬浮装置中进行晶体生长；

(4)从观测单元观察晶体的生长状况，若得到无界面接触悬浮生长的单晶体，则终止实验；若所得晶体在液面上或在溶液底部，则相应降低或增加顺磁盐浓度；若没有晶体长出或为多晶，则相应增加或降低结晶溶液各组分浓度进一步筛选。

其中：

所述的磁体为超导磁体或永磁体，且需在某一固定方向有恒定的磁场强度和梯度。

所述的永磁体在晶体悬浮位置的磁化水平b*db/dz值不应小于-15t²/m。

所述的样品分子为生物大分子蛋白质(溶菌酶、蛋白酶k)、无机分子nacl、有机分子谷氨酸钠。

所述的样品分子纯度越高越好，纯度不应低于99.8％。

所述的结晶溶液在配制好后使用0.22um的滤膜过滤。

所述的结晶分子溶液过饱和度及顺磁溶液的磁化率都与环境温度密切相关，故需严格控制晶体生长的环境温度，温度控制在20～21℃，精度误差为±0.01℃。

所述磁阿基米德抗磁悬浮原理为：将顺磁介质和抗磁性物质置于梯度磁场中，抗磁物质除了受到反向于重力方向的抗磁力，还受到溶液的浮力及顺磁溶液对其产生的磁浮力作用，因而大大减小了抗磁物质悬浮所需的磁化力。

图1所示为典型的晶体在顺磁溶液中的受力分析，其中，g为所受的重力，fb为溶液的浮力，fmc为晶体在磁场中所受的抗磁力，fsc为顺磁溶液对晶体产生的磁浮力。

f＝fb+fmc+fsc-g

悬浮晶体在垂直方向的受力为：

其中，ρc为晶体的密度(kg/m³)，ρs为顺磁溶液的密度(kg/m³)，g为重力加速度(m/s²)，v为晶体的体积(m³)，χc为晶体的磁化率，χs为顺磁溶液的磁化率，μ0为真空磁导率(h/m)，b为磁场强度(a/m)。当晶体在竖直方向稳定悬浮时，合力fz为0。

悬浮晶体在水平方向的受力为：

由于顺磁物质的磁化率χs远远大于抗磁物质的磁化率χc，因而fr<0，因此晶体必然会停留在水平方向的轴对称中心。因此，通过调整结晶溶液和顺磁溶液浓度比例，可使长出的晶体在竖直方向和水平方向都保持在溶液中心，即得无界面接触的均相成核单晶体悬浮生长。

图2所示的超导磁体购自日本富士电机产业株式会社，型号为jmta-16t50mf，最大磁场强度为16.12t，磁化水平b﹒(db/dz)可达-1500t²/m～1100t²/m。磁体中心的通孔为放置结晶装置样品架的内腔(直径44mm，长1020mm)，并配备有循环控温水套；

图3所示为样品架装置的整体结构图，主要包括样品架单元、结晶单元、照明单元、观测单元。其中，样品架筒体1为透明的非铁磁性聚甲基丙烯酸甲酯(pmma，俗称有机玻璃)加工成的圆柱筒，外径为43mm，其内部是以样品架中心轴为中心的直径为10mm的圆柱形孔洞；

照明单元2为一圈由10个发光二极管并联组成的灯环，由于每个发光二极管的引线架有微弱的铁磁性，需对称排布以避免对晶体的悬浮位置造成干扰；

散光板3主要起发散光源使光更加均匀被观察到的作用；

图5所示为等厚度的有机玻璃圆环垫片组成的观测单元支撑板，增加或减少该支撑板的个数以调节观测单元距目标晶体的距离，以达到最佳的观察效果；

图6所示为观察单元支撑架内部的2个阶梯型通孔结构示意图，用以定位观察单元ccd放置的位置，该通孔的上端直径比ccd镜头外径稍大以方便定位ccd时进入，下端直径比ccd镜头外径稍小以使ccd卡在固定的位置。

图7所示为2块平面反射镜，尺寸为20mm×30mm，2块反射镜平行放置且与水平面夹角为45°，其沿样品架中心轴对称放置。

图8所示的结晶单元为市售的常规透明酶标条，直径8mm高12mm，容积300ul左右，其密封所用为crystalclearsealingtape结晶专用密封胶带；

所述的观测单元为2个ccd摄像机及ccd控制器，将镜头装在ccd摄像机上，ccd摄像机将远心镜头观测到的光学信号转化为电信号，通过与ccd摄像机相连的ccd控制器，再通过与ccd控制器相连的usb视频卡传输至电脑进行实时显示。因ccd镜头有弱磁性，2个镜头亦需沿中心轴对称放置以避免对晶体悬浮位置造成干扰。

图9所示的“n-n”永磁体为2块尺寸相同的n极-n极相对排布的圆柱形永磁体，型号为：nnf50m，剩磁br：1.40-1.44t，矫顽力：hcb≥987ka/m，轴线上距离下端磁体表面5mm处的磁化水平b﹒(db/dz)≥-15t²/m。

实施例1：

本实施例中，选用基于超导磁体的生物大分子蛋白质进行无界面接触单晶生长：

第一步：所选超导磁体在类微重力位置的磁化水平b﹒(db/dz)为-1370t²/m，选用磁化系数较小的顺磁性盐nicl2作为结晶沉淀剂(nicl2的质量磁化率为χg＝27.7×10^-6cm³g^-1)。

第二步：选用生物大分子蛋白质溶菌酶(hewl)为结晶样品，因超导磁体磁化水平较大，故另添加抗磁性盐nacl以平衡晶体的受力水平。配比hewl溶液的浓度范围为80～120mg/ml，nacl溶液的浓度范围为50～80mg/ml，nicl2溶液浓度为160～240mg/ml。混合配比不同浓度的hewl、nacl和nicl2溶液的结晶溶液，得到结晶溶液体系，用结晶专用胶带密封。

第三步：(1)将上述配制的结晶溶液体系放入结晶单元支撑板上，并将该装置放入超导磁体特定位置使酶标条处于类微重力(0g)位置且固定；

(2)将该装置的发光二极管所连接导线的另一端连接在变压器上，调整变压器为3v，0.06a，使光照亮整个装置，亮度可根据具体的成像清晰情况进行调整；

(3)将2个ccd分别调整不同的焦距，一个对准俯视图，一个对准反射镜中呈现的侧视图，利用可调节的支撑板调整到最清晰的成像效果；

(4)调整结晶温度为21℃，进行晶体的形核生长。

(5)打开电脑的监控软件h264webcamdeluxever4.0，实时对晶体的生长状况进行录像，从正面和侧面的ccd视图中观察晶体的生长情况。

第四步：从观测单元观察晶体的生长状况，若得到无界面接触悬浮生长的溶菌酶单晶体，则终止实验；若悬浮生长的晶体在液面上，则降低结晶溶液所用的nicl2浓度，若晶体在溶液底部，则增加nicl2浓度(以每次0.5mg/ml浓度梯度进行浓度调整)；若所得晶体为多晶，则降低hewl和nacl溶液浓度，若无晶体，则增加hewl和nacl溶液的浓度进一步筛选。

实施例2：

本实施例中，选用基于超导磁体的无机分子nacl进行无界面接触单晶生长：

第一步：所选超导磁体在类微重力位置的磁化水平b﹒(db/dz)为-1370t²/m，选用磁化系数较小的顺磁性盐nicl2作为顺磁介质(nicl2的质量磁化率为χg＝27.7×10^-6cm³g^-1)。

第二步：选用无机分子nacl为结晶样品，配制nacl的饱和溶液360mg/ml，nicl2溶液浓度为200mg/ml，吸取100ul的nacl溶液加入酶标条中，再加入10ul的nicl2溶液，得到结晶溶液体系。

第三步：(1)将上述配制的结晶溶液体系放入结晶单元支撑板上，并将该装置放入超导磁体特定位置使酶标条处于类微重力位置且固定；

(2)将该装置的发光二极管所连接导线的另一端连接在变压器上，调整变压器为3v，0.06a，使光照亮整个装置，亮度可根据具体的成像清晰情况进行调整；

(3)将2个ccd分别调整不同的焦距，一个对准俯视图，一个对准反射镜中呈现的侧视图，利用可调节的支撑板调整到最清晰的成像效果；

(4)调整结晶温度为20℃进行生长；

(5)打开电脑的监控软件h264webcamdeluxever4.0，实时对晶体的生长状况进行录像。

第四步：从观测单元观察晶体的生长状况，若得到无界面接触悬浮生长的氯化钠单晶，则终止实验；若悬浮生长的晶体在液面上，则降低结晶溶液所用的nicl2浓度比，若晶体在溶液底部，则增加nicl2浓度比；若所得晶体为多晶，则降低nacl浓度比，若无晶体，则增加nacl浓度比进一步筛选。

实施例3：

本实施例中，选用基于超导磁体的有机分子谷氨酸钠进行无界面接触单晶生长：

第一步：所选超导磁体在类微重力位置的磁化水平b﹒(db/dz)为-1370t²/m，选用磁化系数较小的顺磁性盐nicl2作为顺磁介质。

第二步：选用有机分子谷氨酸钠(c5h8nnao4)为结晶样品，配制谷氨酸钠饱和溶液20mg/ml，nicl2溶液浓度为180-200mg/ml，吸取100ul的谷氨酸钠溶液加入酶标条中，再加入10ul的nicl2溶液，得到结晶溶液体系。

第三步：将上述配制的结晶溶液体系放入结晶单元支撑板上，并将该装置放入超导磁体特定位置使酶标条处于类微重力位置且固定。如上述操作步骤一样，调整好照明单元和观测单元，并调整结晶温度为20℃，进行溶液体系的挥发及晶体生长。打开监控软件h264webcamdeluxever4.0，实时对晶体的生长状况进行录像。

第四步：从观测单元观察晶体的生长状况，若得到无界面接触悬浮生长的谷氨酸钠单晶，则终止实验；若悬浮生长的晶体在液面上，则降低结晶溶液所用的nicl2浓度比，若晶体在溶液底部，则增加nicl2浓度比；若所得晶体为多晶，则降低结晶溶液浓度比，若无晶体，则增加结晶溶液浓度比进一步筛选。

实施例4：

本实施例中，选用基于“n-n”永磁体的生物大分子蛋白酶k进行无界面接触单晶生长：

第一步：“n-n”永磁体的磁化水平较超导磁体的小，磁化水平b﹒(db/dz)约为-15t²/m，故选用磁化系数较大的顺磁性盐mncl2作为沉淀剂(mncl2的质量磁化率为χg＝114×10^-6cm³g^-1)，在此顺磁盐介质中抗磁性晶体可获得更大的悬浮力作用。

第二步：选用生物大分子蛋白酶k(proteinasek)为结晶样品，配比pk溶液的浓度范围为35-40mg/ml，mncl2溶液浓度为180-200mg/ml。混合配比不同浓度的蛋白酶k和mncl2溶液，得到结晶溶液体系。

第三步：将上述配制的结晶溶液体系放入结晶单元支撑板上，并将该装置放入超导磁体特定位置使酶标条处于类微重力位置且固定。如上述操作步骤一样，调整好照明单元和观测单元，并调整结晶温度为20℃，进行溶液体系的挥发及晶体生长。打开监控软件h264webcamdeluxever4.0，实时对晶体的生长状况进行录像。

第四步：从观测单元观察晶体的生长状况，若得到无界面接触悬浮生长的蛋白酶k单晶，则终止实验；若悬浮生长的晶体为多晶或在液面上，则降低结晶溶液所用的mncl2浓度比；若晶体在溶液底部或无晶体长出，则增加mncl2浓度比进一步筛选。

上述操作方法是本发明的通用操作方法，改变不同的磁场条件(超导磁体、多种类型的永磁体及不同的组合方式，保证晶体悬浮处垂直方向上的磁化水平b﹒(db/dz)≥-15t²/m，水平方向中心处为磁化水平最小处即可)，不同的分子(生物大分子，如dna、rna、蛋白质等；有机分子，如氨基酸、核苷酸、苯甲酸、维生素、青霉素、肌酐等；无机分子，如si，nacl，nh4cl，nh4so4等)或顺磁性盐(gdcl3，cocl2，mncl2，nicl2，cuso4等)亦可得到不同条件下无界面接触悬浮生长的单晶体，针对一些无机材料的特殊功能使用需求亦可满足其均质形核生长以得到更优质晶体。