用于在多个独立单元中容纳分子的探针溶液的装置的制作方法

用于在多个独立单元中容纳分子的探针溶液的装置
1.本发明涉及用于在多个独立单元中容纳分子的探针溶液的装置。此外，本发明涉及用于对(小)晶体进行x射线衍射实验从而以原子分辨率确定晶体结构的系统；所述晶体在从所述装置提取的样品支持器中生长。
2.夹心结晶方法是已知的，该方法中，混合在中间相下的介质中的分子溶液被夹在薄玻璃板之间以在原始设置下生长分子晶体。为了对以该方法生长的晶体进行衍射实验，必须从夹心板提取晶体。这包括切割玻璃板、移除晶体周围不必要的结晶介质以及收集样品支持器上的晶体而不使其在样品支持器上交叠。考虑到该样品制备应当在短时间内完成以避免介质中样品的干涸，繁琐的现有技术方法不能有效地支持这些时间限制。
3.本发明的目的是使现有技术中所需的人工干预最小化，并且实现用于对在具有粘性结晶介质的夹心板中生长的晶体进行的衍射实验的自动化流水线。
4.根据本发明，该目的通过用于从包括分子的结晶介质例如溶液或流体中生长所述分子晶体的装置来实现；所述晶体适于在包括所述生长晶体的液滴中进行的用于以原子分辨率求解晶体结构的x射线衍射实验；所述液滴由适于夹心结晶方法的样品支持器来保持，其中，所述装置包括：
5.a)多个独立单元，其以井部以及顶板和底板的阵列的方式设置从而形成用于样品支持器的体积；每个井部被设计成容纳顶板与底板之间的样品支持器，其中，顶板和底板中的一个或两者具有开口，该开口配备有可移除的盖；
6.b)独立单元的堆叠，其由顶板、样品支持器框架、底板和间隔层形成；可选地，在所述层之间插入粘合剂层；
7.c)间隔层中的间隔条，其在连接至样品支持器框架的所述样品支持器的周围，其中，每个井部适于通过样品支持器与样品支持器框架之间的开口在样品支持器上方和下方的空间中与溶液的蒸气保持平衡；
8.d)每个井部的体积可通过每个井部的所述盖的厚度进行调整；
9.e)所述顶板、底板、盖、间隔层以及可选的粘合剂层由防水材料制成，其中，所述样品支持器被设计为具有低x射线散射的薄板；所述薄板优选地由具有在5μm至50μm范围内的厚度的聚酰亚胺或氟化聚酰亚胺制成。
10.关于系统，根据本发明，该目的通过用于在室温下对晶体进行自动连续晶体学实验以收集用于以原子分辨率求解晶体结构的x射线衍射图像的系统来实现，该系统包括
11.a)声悬浮衍射仪，其包括声悬浮器和x射线源；
12.b)根据前述权利要求中任一项所述的装置，其在样品支持器中具有晶体的样品，
13.c)角度台，其用于将声悬浮器的轴旋转至相对于由x射线源生成的x射线束倾斜的角度，
14.d)平移台，其用于将所述声悬浮衍射仪的声悬浮器在垂直于x射线束和声悬浮器的轴的横向方向上移动，
15.e)机构，其用于从装置中收集所述样品支持器，
16.f)其中，在数据收集期间，样品支持器上的x射线束的光斑的螺旋轨迹通过声悬浮
的样品支持器在声悬浮器中的旋转以及样品支持器与声悬浮器的同时横向平移的组合来实现；声悬浮器的超声声压被调整以设置声悬浮在声悬浮器中的样品支持器的旋转速度，其中声悬浮器的轴倾斜于x射线束，并且其中，横向平移速度被相应地设置以调整样品支持器上以给定的x射线光子通量在样品上具有适当x射线剂量的x射线束光斑的螺旋轨迹之间的径向间隔。
17.因此，用于对通过夹心结晶方法在诸如中间相的粘性结晶介质中生长的晶体进行衍射实验的自动化流水线通过以下实现：包括高亮度x射线束、高帧率像素化x射线图像检测器、和超声声悬浮器的x射线衍射仪；以及用于从所述装置远程地收集包括生长在本发明的装置中的粘性结晶介质中的所述晶体的样品支持器中的一个样品支持器并将所述样品支持器递送至x射线衍射仪中的设备。悬浮的样品支持器的旋转和位置被控制以实现x射线束以螺旋轨迹在样品支持器上进行扫描。
18.本发明的其他优选实施方式由所附从属权利要求进行限定。
19.在下文中参照附图描述本发明的优选实施方式，附图描绘如下：
20.图1示意性地描绘了用于容纳包括分子的溶液的装置，所述装置包括多个单元；每个单元包括井部和用于其中溶液的样品支持器；
21.图2示意性地描绘了包括第一薄板、第二薄板以及它们之间的溶液的样品支持器；
22.图3示意性地描绘了单元的示例；
23.图4示意性地描绘了斜视图下的装置(左上图)、封闭单元的顶视图(左下图)以及沿单元的线a-a'的截面；
24.图5示意性地描绘了斜视图下的装置(左上图(left top panel))、封闭单元的顶视图(左下图(left bottom panel))以及沿单元的线a-a'的截面；
25.图6示意性地描绘了对包括第一薄板、第二薄板以及它们之间的溶液的样品支持器的示例；
26.图7示意性地描绘了对包括第一薄板、第二薄板以及它们之间的溶液的样品支持器的示例；
27.图8示意性地描绘了对包括第一薄板、第二薄板以及它们之间的溶液的样品支持器的示例；
28.图9示意性地描绘了对单元的另一示例的示例；
29.图10示意性地描绘了斜视图下的装置(左上图)、封闭单元的顶视图(左下图)以及沿穿过单元的线a-a'的平面的截面；
30.图11(a)示意性地描绘了对包括第一薄板、第二薄板以及它们之间的溶液的样品支持器的另一示例(左图)，以及沿穿过样品支持器的线a-a'的平面的截面(右图)；图11(b)示意性地描绘了图11(a)的样品支持器；右图示出了沿穿过样品支持器的线b-b'的平面的截面；
31.图12从侧部示意性地描绘了用于进行自动晶体衍射实验的现有技术仪器；
32.图13从顶部示意性地描绘了用于进行图12中描绘的自动晶体衍射实验的现有技术仪器；
33.图14从侧部示意性地描绘了用于对在样品支持器中生长的小晶体进行x射线衍射实验的系统；
34.图15(a)从顶部示意性地示出了对在声悬浮器中悬浮和旋转的样品支持器中生长的小晶体进行x射线衍射实验的系统；图15(b)是x射线束在样品支持器上的示意性螺旋轨迹；
35.图16示意性地描绘了打开装置的井部中的一个而不打开其他井部的设备，所述装置包括多个单元；
36.图17示意性地描绘了当井部中的一个打开时从井部中的一个提取样品支持器中的一个样品支持器的设备；
37.图18示意性地描绘了将从装置的井部中的一个提取的样品支持器中的一个递送至仪器的声悬浮器的设备；
38.图19示意性描绘了x射线衍射实验期间悬浮的样品支持器在0秒处(扫描开始)、4秒处和8秒处(扫描结束)的快照；
39.图20的下图示出了当声悬浮器的轴从竖直方向旋转30
°
时悬浮的样品支持器的旋转速度与超声压力的幅度之间的关系，并且图20的上图示出了当声悬浮器的轴从竖直方向倾斜30
°
时悬浮样品支持器的旋转中心的均方根(rms)变化与超声压力的幅度之间的关系；
40.图21从侧部示意性地描绘了用于对在样品支持器中生长的小晶体进行x射线衍射实验的仪器；
41.图22从顶部示意性地描绘了用于对在声悬浮器中悬浮和旋转的样品支持器中生长的小晶体进行x射线衍射实验的仪器；
42.图23(a)从侧部示意性地描绘了用于对在声悬浮器中悬浮和旋转的样品支持器中生长的小晶体进行x射线衍射实验的仪器；图23(b)从侧部示意性地描绘如当横向声驻波调节样品支持器的旋转时从沿用于对在样品支持器中生长的小晶体进行x射线衍射实验的仪器的方向的点所看到的；以及
43.图24的下图示出了对在样品支持器中生长的小晶体的估计剂量作为帧数目的函数之间的关系，并且图24的上图示出了随着扫描进行被x射线击中的小晶体的累积数目。
44.图1示意性地示出了容纳包括分子的溶液的装置2。所述装置2包括多个单元3。在每个单元3的井部4中，所述溶液在样品支持器9的一个薄板10上或至少两个薄板10、11之间混合，以生长包括在溶液中的所述分子的晶体28。可以单独地打开不同单元3中的每个井部4以在晶体28生长之后浸泡配体溶液。可以单独地提取不同井部4中的每个样品支持器9以在不打开其他单元3的井部4的情况下确定晶体28的原子结构。
45.参照图1至图4，装置2包括具有开口7的顶板5，该开口7配备有盖8；顶部分隔件13；第一薄板框架14，样品支持器9的多个第一薄板10经由间隔条21连接至该第一薄板框架14；薄板分隔件15；第二薄板框架16，多个第二薄板11经由间隔条21连接至该第二薄板框架16；底部分隔件20；以及底板6(见图1、图3和图4)。对于每个样品支持器9，顶部薄板10和底部薄板11将溶液12夹在中间。
46.图2示意性地示出了包括第一薄板10和第二薄板11的样品支持器9。右图示意性地示出了所述样品支持器9的沿穿过左图所指示的线a-a'的平面的截面。所述薄板10、薄板11之间存储有所述溶液12。溶液12中生长有小晶体28。
47.为了生长分子晶体，装置2例如按以下顺序进行组装。首先，将所述第一薄板分隔件15、具有多个所述第二薄板11的所述第二薄板框架16和所述底部分隔件20堆叠在所述底
板6的顶部上。其次，在多个所述第二薄板11上分配溶液液滴。第三，将具有所述盖8的所述顶板5、所述顶部分隔件13、具有多个所述第一薄板10的所述第一薄板框架14和所述薄板分隔件15进行堆叠。最后，将层5、层13和层14的所述堆叠堆叠在包括层15、层16、层20和层6的堆叠的顶部上。借助于添加在各层与顶板5和底板6之间的粘合剂来密封装置2的单元3的每个井部4。优选地，提供用于对准所述层与所述顶板和底板的引导结构以对准各层从而组装装置，例如，为各层设置有孔，并且在各层的所述孔的位置处为底板和/或顶板设置有突起。
48.图5示意性地示出了当顶板5具有开口7时斜视图下的装置2(左上图)、封闭单元3的顶视图(左下图)以及沿穿过线a-a'的平面的单元3的截面，开口7配备有密封所述井部4并且可以如右侧所示打开以单独地从井部4提取样品支持器9而无需打开其他井部4的盖8。底板22具有附加的凹部体积23，其用于将井部4中的溶液12储存在可以独立于顶部分隔件13、第一薄板框架14、薄板分隔件15、第二薄板框架16和底部分隔件20的厚度进行设置的体积内。
49.图6示意性地示出了包括第一薄板25和第二薄板26的样品支持器24。右图示意性地示出了所述样品支持器24的沿穿过左图所指示的线a-a'的平面的截面。所述薄板25、薄板26之间存储有所述溶液12。溶液12中生长有小晶体28。薄板25、薄板26在面对溶液12的表面上具有附加的凹部体积27，其能够独立于薄板25、薄板26之间的间隔来调整溶液12的体积。
50.图7示意性地示出了包括第一薄板31和第二薄板32的样品支持器30。右图示意性地示出了所述样品支持器30的沿穿过左图所指示的线a-a'的平面的截面。所述薄板31、薄板32之间存储有所述溶液12。溶液12中生长有小晶体28。薄板31、薄板32在面对溶液12的表面上具有附加的凹部体积33，其能够独立于所述薄板31、薄板32之间的间隔来调整所述溶液12的体积。所述凹部体积33可以在间隔条21的表面上延伸。
51.图8示意性地示出了包括第一薄板36和第二薄板37的样品支持器35。右图示意性地示出了所述样品支持器35的沿穿过左图所指示的线a-a'的平面的截面。所述薄板36、薄板37之间存储有所述溶液12。溶液12中生长有小晶体28。薄板36、薄板37在面对溶液12的表面上具有附加的凹部体积38，其能够独立于所述薄板36、薄板37之间的间隔来调整所述溶液12的体积。两个薄板36、37边缘处的粘合剂39对用于溶液12的体积进行密封。
52.图9示意性地示出了包括顶板5、底板6、顶部分隔件13、第一薄板框架14、薄板分隔件15、第二薄板框架16、底部分隔件20、第一薄板36、第二薄板37和粘合剂39的单元3的示例。样品支持器包括所述第一薄板36和第二薄板37，其中，薄板36、薄板37的彼此面对的表面包括凹部体积。薄板36、薄板37的边缘通过粘合剂39进行密封。样品支持器经由第一薄板36周围连接至第一薄板框架14的间隔条21连接至井部。第二薄板37周围的间隔条连接至第二薄板框架16，或者粘合剂39周围的间隔条21连接至第一薄板分隔件15，或者这些的组合，或者这些的全部。
53.图10示意性地示出了当顶板5具有开口7时斜视图下的装置2(左上图)、封闭单元的顶视图(左下图)以及沿穿过线a-a'的平面的单元3的截面，开口7配备有可以密封所述井部4并且可以如右侧所示打开以单独地从井部4提取样品支持器而无需打开其他井部4的盖8。样品支持器9包括第一薄板36和第二薄板37，其具有在彼此面对的表面上通过薄板36、薄板37边缘处的粘合剂39进行胶合的凹部体积。
54.图11(a)和图11(b)示意性地示出了包括第一薄板41和第二薄板42的样品支持器40。附图的右图示意性地示出了所述样品支持器40沿穿过图11(a)的左图所指示的线a-a'的平面的截面，以及所述样品支持器40沿穿过图11(b)的左图所指示的线b-b'的平面的截面。所述薄板41、薄板42之间存储有所述溶液12。溶液12中生长有小晶体28。薄板41、薄板42在面对溶液12的表面上具有附加的凹部体积43，其能够独立于所述薄板41、薄板42之间的间隔来调整所述溶液12的体积。包括所述两个薄板41、42边缘处的突起或凹槽或突起和凹槽两者的表面结构44使所述薄板41、薄板42之间的间隔变窄。当在两个薄板41、42的边缘处添加粘合剂以密封所述薄板41、薄板42时，所述薄板41与薄板42之间的变窄的间隔可以增强密封效果。
55.通常，为了更容易地观察样品支持器以监控中间相下的晶体的生长，所有薄板的材料可以是透明的。为了避免来自薄板的不必要的x射线散射从而在衍射图像中获得高信噪比，薄板的材料可以是无定形的或非晶的。就溶液12不渗入到薄板中的意义而言，薄板的材料应当是致密的。此外，可以对所述样品支持器的薄板表面的至少一部分进行化学改性以增加亲水性。优选地，样品支持器9的薄板被设计为具有低x射线散射的薄板；所述薄板优选地由聚酰亚胺或氟化聚酰亚胺制成，其厚度范围为5μm至50μm，优选地为20μm至25μm。
56.如由诸如96-孔板、ansi标准sbs(生物分子筛选协会)板的结晶标准所给出的，所述装置2的多个单元3可以以间距为9.1mm的8行12列的方式给出。所述样品支持器9、24、30、35和40的几何结构可以是附接有四个宽为0.5mm和长为1mm的间隔条的直径为4mm的圆盘零件。所述薄板的材料可以是聚酰亚胺、氟化聚酰亚胺或具有小透水率的其他类似的聚合物。所述薄板的厚度可以在12微米至25微米的范围内或更薄，只要保持夹心样品支持器的完整性即可。优选地，样品支持器与用于x射线束扫描的声悬浮器中的高位置稳定性和旋转可控性兼容。
57.当样品支持器9声悬浮在系统70或系统120中时，样品支持器的圆盘零件圆周周围的间隔条21从位置稳定性和沿垂直于圆盘平面的轴旋转的稳定性的方面提高了样品支持器的稳定性。这也通过防止悬浮的样品支持器绕位于样品支持器的圆盘零件平面中的旋转轴旋转来实现。
58.如图4所示，所述间隔条的数目n可以是四，并且所述间隔条可以就绕穿过圆盘中心并且垂直于样品支持器的圆盘平面的轴的旋转而言对称地布置。然而，不言而喻，样品支持器可以具有相似对称形状或准对称形状，以及n大于4或小于4的形状。
59.图12从侧部示意性地示出了用于进行自动晶体衍射实验的现有技术系统50。具有用于以原子分辨率解析晶体结构的足够质量的单晶55在结晶板63中的井部中生长和存储。封装在液滴64中的所述单晶55被收集和装载在超声声悬浮器56中，该超声声悬浮器56包括由电源61驱动的超声换能器57、声镜式反射器60和其中激发有声驻波58的声腔59。x射线源51产生x射线束52。所述x射线束52照射所述晶体55。来自所述晶体55的x射线衍射54由快帧率像素化x射线图像检测器53进行记录。通过调整所述电力供应装置61的输出或通过调整所述声腔59的谐振，晶体55以由超声驻波58调整的旋转速度旋转。所述晶体55的位置通过其中安装有声悬浮器56的设备62与所述x射线束52对准。
60.图13从顶部示意性地示出了用于进行如图12所示的自动晶体衍射实验的现有技术系统50。
61.参照图12和图13，用于对分子55的单晶进行自动x射线衍射实验的系统50要求，将晶体收集并且装载到声悬浮器中可以通过以下来远程地完成：通过聚焦声辐射进行的晶体和结晶液体的声喷射，或者从填充有晶体以及结晶液体的毛细管中进行声喷射以及随后由声悬浮器捕获喷射的液滴。通过调整包括晶体55的悬浮液滴中的对流的强度，悬浮液滴中的晶体以期望的旋转速度旋转，其中由超声声波经由液滴周围声流的强度和空间模式来确定对流的强度和空间模式。然而，由于将高粘性液滴装载到声悬浮器中以及晶体的自动收集和装载方面存在困难，特别是对于通过声喷射进行的用于最先进的膜蛋白结晶方法的中间相介质中晶体的自动收集和装载存在困难，因此利用仪器50对在诸如中间相的高粘性介质中制备的晶体进行远程收集和装载是困难的。
62.图14以侧视图示意性地示出了根据本发明的用于对在样品支持器85中生长的小晶体28进行x射线衍射实验的系统70。使用自动化设备101、102、103，从装置2的井部4中的一个井部远程地收集所述样品支持器85并且将其装载至超声声悬浮器86中，该超声声悬浮器86包括由电源91驱动的超声换能器87、声镜式反射器90、其中激发有声驻波88的声腔89。x射线源81产生x射线束82。所述样品支持器85关于垂直于样品支持器85的圆盘平面的旋转轴以由声驻波88的超声声压调整的旋转速度来旋转，声驻波88的超声声压通过调整所述电力供应装置91的输出或通过调整所述声腔89的谐振来进行调整。所述样品支持器85的位置通过其上安装有声悬浮器86的设备92来与所述x射线束82对准。声悬浮器的轴95可以通过设备93从竖直方向96旋转角度θ，从而能够将x射线束以倾斜的角度照射至样品支持器。
63.图15(a)从顶部示意性地示出了对在声悬浮器86中悬浮和旋转的样品支持器85中生长的小晶体94进行x射线衍射实验的系统70。所述x射线束82照射所述样品支持器85中的所述小晶体。x射线束沿螺旋轨迹110在样品支持器85上扫描。在数据收集期间，来自所述晶体94的x射线衍射84由快帧率像素化x射线图像检测器83连续地进行记录，同时所述样品支持器85旋转并且通过设备95在x方向上移动。
64.图15(b)示意性地示出了当悬浮的样品支持器85以1转/秒旋转并且以0.25mm/s的速度在水平方向上平移8秒时样品支持器85上x射线束82的螺旋轨迹110。样品支持器85上被x射线束82覆盖的圆形部分的直径为4mm。
65.图16示意性地示出了打开装置2的井部4中的一个而不打开其他井部的设备101。
66.图17示意性地示出了从装置2的打开的井部4中提取样品支持器85中的一个样品支持器的设备102。
67.图18示意性地示出了将从井4中的一个提取的样品支持器85中的一个样品支持器递送至仪器70的声悬浮器86以进行小晶体的x射线衍射实验的设备103。
68.图19示出了在x射线衍射实验期间从x射线束方向拍摄的悬浮样品支持器85在0秒处(扫描开始)、4秒处和8秒处(扫描结束)的快照。悬浮的样品支持器85以约1转/秒进行旋转，并且以0.25mm/s的速度在+x方向上从右到左在水平方向上平移。数据收集的持续时间为8秒，在此期间连续捕获衍射图像。在每个图片中，x射线束光斑位于每个图片的线a-a'和线b-b'的交点处。样品支持器的中心位于每个图片的线a-a'和线s-s'的交点处。
69.图20在下图中示出了当声悬浮器的轴从竖直方向旋转30
°
时悬浮的样品支持器85的旋转速度与超声压力的幅度之间的关系。上图示出了当声悬浮器的轴从竖直方向倾斜30
°
时悬浮的样品支持器旋转中心的均方根(rms)变化与超声压力的幅度之间的关系。
70.图21以侧视图示意性地示出了用于对在样品支持器125中生长的小晶体134(见图22)进行x射线衍射实验的另一系统120。使用自动化设备101、102、103从装置2的井部4中的一个井部远程地收集所述样品支持器125并且将其装载到超声声悬浮器126中，超声声悬浮器126包括由电源131驱动的超声换能器127、声镜式反射器130、其中激发有声驻波128的声腔129。x射线源121产生x射线束122。所述样品支持器125关于垂直于样品支持器的圆盘平面的旋转轴以通过由设备146激发的声场调整的旋转速度旋转。所述样品支持器125的位置通过其上安装有声悬浮器126的设备132、设备133和设备146来与所述x射线束122对准。声悬浮器126的轴135可以通过设备133从竖直方向136旋转角度θ，从而能够将x射线束以倾斜的角度照射至样品支持器。
71.图22从顶部示意性地示出了用于对在声悬浮器126中悬浮和旋转的样品支持器125中生长的小晶体134进行x射线衍射实验的系统120。所述x射线束122照射在所述样品支持器125中生长的所述小晶体。x射线束沿螺旋轨迹110在样品支持器上扫描。在数据收集期间，来自所述晶体的x射线衍射124由快帧率像素化x射线图像检测器123连续地进行记录，同时所述样品支持器旋转并且通过设备135在x方向上移动。所述样品支持器125关于垂直于样品支持器125的圆盘平面的旋转轴以由垂直于由设备146激发的x射线束方向上的声场151调整的旋转速度来旋转，该设备146包括由电力供应装置149驱动的超声换能器147、声反射器148和声腔150。所述悬浮的样品支持器125的旋转由驻波151的超声压力进行调节。
72.图23(a)从侧部示意性地示出了对在声悬浮器中悬浮和旋转的样品支持器125中生长的小晶体134进行x射线衍射实验的系统120。图23(b)从侧部示意性地示出了当横向声驻波151调节样品支持器的旋转时从沿对在样品支持器125中生长的小晶体134进行x射线衍射实验的系统120的方向152的观察点153观察到的。在设备146中激发的声驻波151的轴155从垂直于轴135和方向152两者的轴154旋转φ。
73.在图24中，下图示出了对在样品支持器中生长的小晶体的估计剂量作为帧数目的函数之间的关系。上图示出了随着扫描进行被x射线击中的小晶体的累积数目。假定的参数是：光子通量为10
12
光子/秒，x射线束光斑尺寸为5μm，晶体尺寸为20μm，x射线图像检测器的帧率为3khz，样品支持器的横向平移速度为0.25mm/s，并且总扫描时间为8秒。存在不同的样品支持器旋转速度，假设为0.5转/秒(a)、1转/秒(b)和2转/秒(c)。
74.现在再次参照图14至图18，用于从装置2的井部提取的样品支持器10、样品支持器85中包括的小晶体28、小晶体94的自动x射线衍射实验的仪器70具有以约2埃或更好的原子分辨率确定晶体结构的能力。通过使用用于所述样品支持器的远程收集和装载的相应设备101、102、103来自动地收集样品支持器并将其递送至超声声悬浮器86中。与现有技术仪器56对比，通过使用装置2来在样品支持器中的中间相介质中生长小晶体，本发明提供了以高自动化的方式收集x射线衍射数据集以在最小人工干预的情况下为高粘性介质中的晶体以原子分辨率确定其晶体结构的仪器。
75.x射线衍射数据集包括来自每个样品支持器85中包括的具有随机晶体取向的多个晶体的多个x射线衍射图像，并且通过使用最先进的算法以原子分辨率确定晶体结构以分析这样的连续晶体学数据。具有随机晶体取向的每个晶体名义上仅被高亮度x射线束照射一次。
76.现在参照图15(a)，仪器70的示意性顶视图，在数据收集期间悬浮的样品支持器沿
垂直于样品支持器的圆盘平面的轴以顺时针或逆时针旋转，并且在垂直于x射线束和声悬浮器的轴的方向上沿+x或-x的方向移动。以这种方式，例如图15(b)所示，x射线束沿螺旋轨迹110在样品支持器上扫描。
77.用于x射线衍射实验的单个样品支持器的收集和装载包括远程地完成的以下步骤：
78.a)设备101打开所述装置2的井部4中的一个井部顶部上的盖8；
79.b)设备102从所述打开的井部4中提取样品支持器；
80.c)设备103将所述样品支持器递送至声悬浮器86；
81.d)以及然后相应地调整悬浮的样品支持器的位置和旋转。
82.顶板5的单个开口7可以由盖8进行密封，以通过设备101的操作——由远程可控制操纵器通过将盖8例如作为螺钉进行处理——使得能够重复打开和密封井部4。当所述装置2的井部4配备有井部4下方的第二盖时，所述设备101也可以打开第二盖。
83.所述单元3的所述井部4中的所述样品支持器附接至第一薄板框架14和第二薄板框架16。通过设备102从所述井部4中提取所述样品支持器包括将所述样品支持器与14和16分离以及将所述样品支持器拾取到所述井部4的外部。分离可以通过切割样品支持器的间隔条21的端部来完成。可以包括真空卡盘或伯努利夹持器的合适的机械操纵器可以完成拾取。
84.所述样品支持器至声悬浮器86的自动装载设备103可以通过以下来完成该任务：以与样品支持器的最小物理接触将样品支持器放置在薄叉或低密度材料的支持器上并且将样品支持器插入到声悬浮器中，其中声辐射力可以从这样的样品支持器支持器上拾取样品支持器。替选地，利用例如来自小塑料毛细管的真空卡盘的样品支持器拾取操纵器可以将样品支持器递送到声悬浮器中。可以通过关闭真空线路或通过在毛细管的尖端处施加弱正压来完成从操纵器上释放样品支持器。
85.参照图20，显示了悬浮的样品支持器的旋转速度与单轴声悬浮器的超声压力之间的典型关系，以及悬浮的样品支持器的均方根位置波动与单轴声悬浮器的超声压力之间的关系：如图19和图20所示，悬浮并且旋转的样品支持器的位置稳定性可以在几十微米内，这适于实现如图15(b)所示x射线束在螺旋轨迹110上的稳定扫描。图20中悬浮的样品支持器的旋转速度和位置稳定性是根据对旋转的样品支持器的视频记录进行分析来评估的。然而，鉴于图20中展示的高位置稳定性，可以通过由窄光束照射整个旋转样品支持器或照射旋转样品支持器的边缘并测量光的透射或光的反射的调制频率来单独地监控旋转速度。此外，由此获得的旋转速度可以在标准反馈控制方法中用于调整声悬浮器的超声压力以实现期望的旋转速度。
86.对于具有均匀尺寸的样品支持器以及其中的溶液，名义上不需要在更换样品支持器后对所述声悬浮器中所述样品支持器的悬浮位置和旋转进行重复调整。然而，可以例如通过安装在线图像监控器并分析所记录的图像使声悬浮器相对于x射线束平移来远程地调整悬浮的样品支持器相对于x射线束的位置。如图20所示，可以通过调整声悬浮器的超声压力来将悬浮的样品支持器的旋转速度调整成期望的值，该期望的值通常在0.5hz至2hz的范围内。
87.参照图21和图22，示意图示出了用于对在声悬浮器126中悬浮和旋转的样品支持
器125中生长的小晶体134进行x射线衍射实验的仪器120，其中，设备146在横向于声悬浮器126的轴135和x射线束122的方向上产生声场。当样品支持器125以零旋转悬浮时，由设备146中激发的驻波151所引起的声辐射力的施加使悬浮的样品支持器125的旋转开启。参照图23，在从沿垂直于声悬浮器126的轴135和方向137两者的轴152的方向153观察的示意侧视图中，所述驻波151的轴155从方向137和方向154旋转φ。当声悬浮器126的超声压力被设置以使样品支持器以零旋转悬浮时，由声驻波151产生的声辐射力叠加并且使所述样品支持器125的旋转启动，当施加在所述样品支持器上的总声辐射力足够时使所述样品支持器旋转，并且当所述驻波151的超声压力足够弱时以免所述样品支持器垂直地翻转。为了避免驻波151和驻波128的拍打对悬浮的样品支持器的旋转和位置运动的影响，所述驻波128和驻波151的超声频率可以相差大于50hz至100hz范围内的量，这与所述样品支持器在旋转和位置运动方面的典型响应时间的倒数相比足够大。波128和波151的差频不应当与所述悬浮的样品支持器的轴向谐振和径向谐振振荡的频率范围(在球形液体液滴的情况下，对于1kpa-rms至3kpa-rms的超声压力，在10hz至40hz的范围内)重合。可以将151的超声压力幅度设置成使所述样品支持器的旋转开始的恒定值。替选地，可以对151的超声压力进行幅度调制、频率调制或脉冲调制以调节所述样品支持器的旋转。x射线束122沿螺旋轨迹110在样品支持器125上扫描。在数据收集期间，来自所述晶体的x射线衍射信号124由快帧率像素化x射线图像检测器123连续地进行记录，同时所述样品支持器旋转并且通过设备135在x方向上移动。
88.用于旋转声悬浮对象的现有技术方法包括：使用机械插入件破坏声驻波的圆柱对称性及其机械旋转；或者使用由具有声悬浮器的轴的方向上的角力矩的声场产生的粘性扭矩，该声场可以例如通过在垂直于声悬浮器的轴的方向上施加一对交叉的驻波来产生，其中两个驻波的节点与悬浮对象的位置重合，并且两个驻波的相位移位例如90度。然而，用于引起足够的粘性扭矩所需的声压——通常具有约150db的声压级(spl)——可能不适于控制此处所考虑的悬浮样品支持器的旋转，这是因为这样大的声压具有使悬浮的样品支持器的圆盘平面在竖直方向上翻转的风险。
89.与用于旋转声悬浮对象的现有技术方法相比，本发明提供了较简单的配置，其允许从悬浮的样品支持器到x射线图像检测器的大立体角从而使大角度(朝向x射线图像检测器约60
°
)和高分辨率(约2埃以及更好)的x射线衍射信号不受阻碍。可以通过经由将声辐射力耦合至样品支持器的具有小弹性或塑性形变的样品支持器平面以引起垂直于所述悬浮的样品支持器的圆盘平面方向上的扭矩来调整声驻波88的超声压力来控制悬浮在声悬浮器86中的样品支持器的旋转。
90.对仪器120中悬浮的样品支持器的旋转速度和方向的控制也可以通过将在样品支持器一侧上施加从小毛细管喷射的窄气流或者将该窄气流施加至与所述样品支持器在那里悬浮的节点不同的节点中的一个来实现。气流的量必须足够弱，以使附加的位置不稳定性最小化。注意，使用由超声声驻波施加的声辐射力来将悬浮的样品支持器的旋转速度控制在0转/秒至10转/秒的范围内避免了这样的位置不稳定性的增加。
91.此外注意，悬浮样品支持器在声悬浮器86中的旋转速度可以通过调整所述驻波88的超声压力来控制，但是在当超声压力的调整范围变得相当大时的一些情况下，存在超声压力的所述调整可能导致悬浮位置的变化特别是在竖直方向上变化的可能性。当所述样品
支持器的旋转由设备146进行调节时，仪器120中不存在旋转速度控制与悬浮位置之间的这种干扰。
92.声悬浮器86、声悬浮器126可以是单轴类型，其中具有直径为20mm的圆柱形喇叭状物由在约40khz下进行操作的朗之万(langevin)型超声换能器驱动，并且放置的喇叭状物和放置的具有直径为20mm并且焦距为20mm的凹面球形镜式反射器形成声腔。喇叭状物可以位于声悬浮器的上部处而镜可以位于声悬浮器的底部处，以避免由来自超声换能器周围的被加热的空气的对流气流对悬浮的样品支持器的可能的位置干扰。对于x射线衍射实验，当声悬浮器调整至第7谐振并且声悬浮器轴从竖直方向或从垂直于x射线束的方向旋转30度时，样品支持器可以在来自镜式反射器的第3压力节点周围处悬浮。
93.可以通过在0.51kpa-rms至0.55kpa-rms之间调整超声声压来以约几十微米的高位置稳定性将通过悬浮器86、悬浮器126进行悬浮的样品支持器的旋转速度控制在0.5hz至2hz的范围内。显然，精确的所需超声声压取决于确切的材料、其中中间相介质体积以及样品支持器的形状和几何结构而变化。声悬浮器86、声悬浮器126和精确的悬浮器几何结构不限于所述的几何结构，只要在x射线衍射在高达与约2埃或更高的高分辨率对应的高角度不受阻碍的情况下可以利用x射线束对所述样品支持器中的小晶体上进行快速扫描来实现x射线衍射图像的快速数据收集。
94.设备146可以是包括具有尖端直径为8mm的悬链曲面喇叭状物(catenoidal horn)和镜式反射器的声腔150，该悬链曲面喇叭状物由被在约40khz下进行操作的朗之万型超声振荡器驱动的超声换能器激发，其中，施加了0kpa至0.6kpa范围内的声压。声腔的频率和直径不限于这些值，以便使腔尺寸和声波长与样品支持器的尺寸相匹配从而实现0hz至10hz范围内的旋转。
95.显然，精确的所需超声声压取决于确切的材料、其中中间相介质体积以及样品支持器的形状和几何结构而变化。声悬浮器86、声悬浮器126和设备146在频率或尺寸或驱动方法上不限于所述的内容，只要施加在样品支持器85、样品支持器125上的声辐射力产生期望的旋转。
96.参照图24，在x射线束具有10
12
光子/秒的光子通量的情况下，光斑尺寸为5微米，对于测量在样品支持器中生长的尺寸为20微米的晶体，当具有4mm直径(圆盘部分)的样品支持器以0.5转/秒至2转/秒范围内的恒定样品支持器旋转速度、以样品支持器横向方向上的等于0.25mm/s的恒定速度、以3khz的检测器帧率以及等于8秒的x射线衍射图像的记录时间旋转时，可以实现用于以好于2埃的足够分辨率记录布拉格反射的每晶体足够剂量(101kgy至102kgy)。当样品支持器中的晶体密度为4x104/cm2时，在8秒的扫描期间所测量的晶体总数目估计为500至2000个。
97.在利用仪器70、仪器120进行x射线衍射数据收集的情况下，当悬浮的样品支持器的旋转速度在扫描期间以适当的速率增加时，可以针对单个样品支持器抑制数据集中每晶体剂量的增加。可以在处于适当的速率的时刻，在同一时间同时减少悬浮的样品支持器在横向方向上的平移速度，以部分地避免数据集内被x射线束照射的样品支持器小晶体总数目的减少。可以通过对设备95、设备135的速度设置进行编程来容易地实现数据收集期间样品支持器平移速度的变化。可以通过对仪器70的声悬浮器86的超声压力对应地进行编程来容易地实现数据收集期间样品支持器旋转速度的变化。可以通过对仪器120的声悬浮器126
的超声压力对应地进行编程或者通过对仪器120的设备146的超声压力对应地进行编程来容易地实现数据收集期间样品支持器旋转速度的变化。使用仪器120和调整设备146的超声压力有利于在每晶体剂量位置波动最小的情况下对所述样品支持器中的小晶体进行x射线衍射实验。