CN105061551B - 一种自动化类肽纳米片层合成装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于两维的类肽材料领域，尤其涉及一种自动化类肽纳米片层合成装置及其应用，所述装置包括载物台、驱动单元、控制单元和固定单元；其中，所述载物台用于承载反应瓶(26)，所述载物台、驱动单元和控制单元安装在固定单元上，所述驱动单元驱动载物台旋转，所述控制单元控制驱动单元。本发明的自动化类肽纳米片层合成装置体积小，具有成本低和样品消耗量小的特点，实现全自动化制备类肽纳米片层；且制备类肽纳米片层的方法简单，实验易于控制，且制备类肽纳米片层的效率高。

Description

一种自动化类肽纳米片层合成装置及其应用

技术领域

本发明属于两维的类肽材料领域，尤其涉及一种自动化类肽纳米片层合成装置及其应用。

背景技术

类肽(peptoid)与多肽相比，类肽以N-取代甘氨酸代替多肽的α氨基酸为结构单元，由目标合成块为指导合成结构单体更加准确、多样和有效。因此，类肽化合物具有良好的生物活性和药理性质，它能够有效地抑制活体实验中的恶化情况并且具有良好的细胞膜穿透性。目前，已有成熟的类肽合成技术——“亚单元合成”技术。

此外，两维的纳米材料在生物学和电子学上扮演着越来越重要的角色，例如脂质层和石墨烯等。两维的类肽纳米材料也逐步展现着它们在很多的领域的重要应用，例如传感、模板的生长和过滤以及作为蛋白质的模拟物测试蛋白质的分子识别和催化能力。但是，现有的技术很难实现两维类肽纳米材料的制备。

Zuckermann团队通过朗缪尔槽实验装置揭示了类肽纳米片层的形成是一个类肽分子的自组装和把外界机械能转换为类肽分子化学能的一个不寻常的热力学平衡过程。但是，朗缪尔槽实验装置是一个价格昂贵的大型仪器设备；使用朗缪尔槽实验装置来制备纳米片层具有体积庞大、样品消耗量大、价格昂贵和实验难以调控等不足点。

目前，尚无对两维类肽纳米片层制备的公开技术。

发明内容

本发明针对上述的不足，提供一种自动化的类肽纳米片层合成装置，实现类肽纳米片层的高通量、高效率、自动化的制备。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种自动化类肽纳米片层合成装置，所述装置包括载物台、驱动单元、控制单元和固定单元；

其中，所述载物台用于承载反应瓶，所述载物台、驱动单元和控制单元安装在固定单元上，所述驱动单元驱动载物台旋转，所述控制单元控制驱动单元。

本发明中，反应瓶中的类肽溶液停顿后能在溶液与空气交界面之间形成单分子层，再通过控制单元控制驱动单元，使得载物台旋转，就能改变反应瓶中交界面的面积大小，使面积逐渐变小就相当于在界面提供了表面张力，通过控制单元控制反应瓶的旋转速度就能改变表面张力的大小，从而可以使界面中类肽分子层变密并在液面下形成不可逆转的类肽纳米片层。且形成类肽纳米片层所需界面侧面挤压的表面张力可以通过以一定的速度缩小界面面积得到。

优选地，所述载物台包括衬板、侧板和转动轴，所述衬板两端与所述侧板固定连接，所述侧板两端对称设有轴承连接转动轴，用于带动载物台转动。

优选地，所述衬板的数量为2-5块，例如可以是2块、3块、4块或5块，优选为2-3块，进一步优选为3块。

优选地，所述衬板从下至上为载物台底部衬板、载物台中间衬板和载物台顶部衬板。

优选地，所述侧板的数量为2块；所述侧板为载物台左侧板和载物台右侧板。

优选地，所述载物台左侧板与衬板之间设置有光电挡片。

优选地，所述载物台底部衬板不设置孔洞，用于托住反应瓶；所述载物台其余衬板上设置同心孔洞用于放置反应瓶。

优选地，所述载物台衬板上横排设置孔洞的数量为1-10个，优选为10个，所述载物台衬板上竖排设置孔洞的数量为1-4个，优选为4个。

优选地，所述孔洞的直径为1-3cm，例如可以是1cm、1.1cm、1.2cm、1.3cm、1.4cm、1.5cm、1.6cm、1.7cm、1.8cm、1.9cm、2cm、2.1cm、2.2cm、2.3cm、2.4cm、2.5cm、2.6cm、2.7cm、2.8cm、2.9cm或3cm，优选为1.2-2cm，进一步优选为1.4cm，所述反应瓶的尺寸与载物台上孔洞的尺寸契合。

本发明中，所述反应瓶的外直径与孔洞直径契合，多层衬板都是保证反应瓶在旋转0-90°的过程中不会脱落，且载物台底部不设置孔洞，用于托住反应瓶，使反应瓶在旋转过程中不会掉落。

本发明中，所述反应瓶的腔内底直径为1-2cm，优选为1cm，高为2-4cm，优选为3.5cm的圆柱型反应瓶。

优选地，所述驱动单元包括电机，与所述电机固定相连的蜗轮蜗杆减速单元，与所述蜗轮蜗杆减速单元两端输出轴相连的主动轮和轴承转接件，所述主动轮通过皮带带动从动轮转动，所述从动轮带动转动轴转动。

本发明中，所述皮带能减少直流电机的不稳定跳动对类肽纳米片层的合成造成的影响，稳定带动载物台旋转。

优选地，所述从动轮与主动轮的直径比为(1.5-3)：1，例如可以是1.5：1、1.6：1、1.7：1、1.8：1、2：1、2.1：1、2.2：1、2.3：1、2.5：1、2.6：1、2.8：1或3：1，优选为(2-2.5)：1，进一步优选为2：1。

本发明中，通过设置直径不同的从动轮和主动轮可以进一步对电机减速。

优选地，所述控制单元包括电机、光电开关和增量式光电编码器，控制电机、光电开关和增量式光电编码器的电路板与接受反馈和控制电路板的上位机软件。

所述增量式光电编码器通过轴承转接件与蜗轮蜗杆减速单元相连，用于间接读取载物台的旋转角度；

所述上位机软件用于设定载物台的旋转角度、转速、停顿时间和回合次数。

本发明中，所述蜗轮蜗杆减速单元用于减速直流电机的输出单元，同时与所述增量式光电编码器构成反馈系统，反馈当前的输出速度。

优选地，所述旋转角度为0-90°，优选为5-85°。

优选地，所述转速为0.1-1rpm，优选为0.2-0.8rpm，进一步优选为0.5rpm。

优选地，所述停顿时间为300-500s，优选为450s。

优选地，所述回合次数为80-200次，优选为100-150次，进一步优选为100次。

优选地，所述电路板包括单片机、电源电路、复位电路、晶振电路、电机驱动电路、装置控制模块和通信模块；

所述电源电路用于给单片机和电机供电；

所述电机驱动电路通过PWM控制电机转动速度；

所述装置控制模板用于控制电机的旋转速度和光电开关及增量式光电编码器的角度反馈调节；

所述通信模块实现单片机与电脑上位机之间通过RS232通信方式进行通讯。

本发明中，可以用上位机软件实现对装置运行的正反转速度、正反转角度、正反转停留时间和运行时间的简单控制及监控装置运行状态。

优选地，所述单片机为STC12C5412AD单片机。

优选地，所述固定单元包括底板，设置于所述底板上方的载物台支架，设置于载物台支架内侧的光电开关支架和位于光电开关支架上方的光电开关；

所述载物台支架通过固定件与转动轴相连；

所述光电开关与光电挡片配合用于标记载物台的物理位置；

优选地，所述载物台支架的高度大于载物台宽度的一半。

优选地，所述装置还包括外壳，所述装置外壳主要有机盖，位于所述机盖上的透明窗，位于所述透明窗上的手把和机器底盖组成；

所述透明窗用于观察载物台中反应瓶的运动情况。

本发明中，所述装置外壳将电机、电路板和增量式光电编码器与载物台隔离开，再通过透明窗观察载物台上反应瓶的情况。

本发明中，机盖背面为220V交流电源通过12V直流电源适配器转换后的电源接口、装置开关以及USB2.0和3.0的接口，用于通过USB线连接电脑与装置，实现装置的自动化控制。

优选地，所述电机的额定转速为3-10rpm，例如可以是3rpm、4rpm、5rpm、6rpm、7rpm、8rpm、9rpm或10rpm，优选为4-8rpm，进一步优选为5rmp。

优选地，所述电机的额定转矩为1-8N·m，例如可以是1N·m、2N·m、3N·m、4N·m、5N·m、6N·m、7N·m或8N·m，优选为2-5N·m，进一步优选为3N·m。

本发明中，为了保证电机能够给载物台输出低于1rmp的转速，需要选择额定转速较小而额定转矩较大的电机。

优选地，所述载物台的材料为低密度高硬度的铝或者塑料，优选为铝。

优选地，所述载物台支架的材料为钢铁。

另一方面，本发明提供一种如第一方面所述的自动化类肽纳米片层合成装置制备类肽纳米片层的方法，包括如下步骤：

(1)将类肽溶液装进反应瓶中，放入载物台上，开启上位机软件，设置旋转角度、转速、停留时间和回合次数；

(2)控制载物台以0.2-0.9rpm的转速旋转0-90°，停留300-500s，优选为450s；

(3)取下反应瓶，得到所需类肽。

优选地，所述方法包括如下步骤：

(1)取特定序列的类肽分子配制成所需的类肽纳米片层生长液；

(2)移液枪取1ml类肽纳米片层生长液置于反应瓶中，放入载物台上；

(3)打开自动化类肽纳米片层合成装置与电脑上它的上位机软件，设定载物台的旋转角度5-90°，转速为0.5rpm，5°停顿时间为450s，总回合次数为100次。

(4)待溶液中类肽分子耗尽后，取下反应瓶，得到所需两维的类肽纳米片层。

本发明中，运行自动化类肽纳米片层合成装置，使反应瓶以0.5rpm的速度挤压类肽纳米片层生长液界面约为原来的1/3.5，每次挤压停顿450s用于类肽分子在溶液界面形成自由平衡的单分子层。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的自动化类肽纳米片层合成装置具有成本低和样品消耗量小的特点，可同时用40个反应瓶进行反应，能够高通量制备类肽纳米片层；

(2)本发明的自动化类肽纳米片层合成装置可通过电脑自动化控制类肽纳米片层的制备，使类肽纳米片层的制备简单化。

(3)本发明的自动化类肽纳米片层合成装置制备类肽纳米片层的方法简单，实验条件易于调试，大大提高了类肽纳米片层的制备效率。

附图说明

图1为本发明的类肽纳米片层的合成原理示意图；

其中，图中27-两性类肽分子；28-机械加力臂；29-致密类肽分子层；30-类肽纳米片层；31-溶液与空气交界面；

图2为本发明自动化类肽纳米片层合成装置的内部结构示意图；

其中，图中1-底板；2-载物台支架；3-光电开关支架；4-光电开关；5-光电挡片；6-载物台底部衬底；7-载物台中间衬底；8-载物台顶部衬底；9-载物台左侧板；10-载物台右侧板；11-固定件；12-从动轮；13-转动轴；14-皮带；15-主动轮；16-蜗轮蜗杆减速单元；17-电机；18-轴承转接件；19-增量式光电编码器；20-编码器固定件；21-电路板；26-反应瓶；

图3为本发明自动化类肽纳米片层合成装置外观示意图；其中，图中22-透明窗；23-透明窗手把；24-机盖；25-装置底盖；

图4为本发明自动化类肽纳米片层合成装置电路板示意图；

图5为本发明自动化类肽纳米片层合成装置上位机软件示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。

实施例1：一种自动化类肽纳米片层合成装置

如图2所示，是本发明实施例所述类肽纳米片层合成装置的内部结构示意图，所述装置包括载物台、驱动单元、控制单元和固定单元；其中，所述载物台用于承载反应瓶26，所述载物台、驱动单元和控制单元安装在固定单元上，所述驱动单元驱动载物台旋转，所述控制单元控制驱动单元。

所述载物台包括衬板、侧板和转动轴，所述衬板两端与所述侧板固定连接，所述侧板两端对称设有轴承连接转动轴，用于带动载物台转动；所述衬板从下至上为载物台底部衬板6、载物台中间衬板7和载物台顶部衬板9；所述侧板的数量为2块；所述侧板为载物台左侧板9和载物台右侧板10；所述载物台左侧板9与衬板之间设置有光电挡片5；所述载物台的材料为铝；所述载物台支架4的材料为钢铁。

所述载物台底部衬板6不设置孔洞，用于托住反应瓶26；所述载物台其余衬板上设置同心孔洞用于放置反应瓶26；所述载物台衬板上横排设置孔洞的数量为10个，所述载物台衬板上竖排设置孔洞的数量为4个；所述孔洞的直径为1.4cm，所述反应瓶26的尺寸与载物台上孔洞的尺寸契合。

所述驱动单元包括电机17，与所述电机17固定相连的蜗轮蜗杆减速单元16，与所述蜗轮蜗杆减速单元16两端输出轴相连的主动轮15和轴承转接件18，所述主动轮15通过皮带14带动从动轮12转动，所述从动轮12带动转动轴13转动；所述从动轮12与主动轮15的直径比为2：1；所述电机16的额定转速为5rmp，额定转矩为3N·m。

所述控制单元包括增量式光电编码器19，设置于增量式光电编码器19下方的编码器固定件20，控制增量式光电编码器19的电路板21与上位机软件；所述增量式光电编码器19通过轴承转接件18与蜗轮蜗杆减速单元16相连，用于间接读取载物台的旋转角度；如图5所示，所述上位机软件用于设定载物台的旋转角度、转速、停顿时间和回合次数。

如图4所示，所述电路板21包括单片机、电源电路、复位电路、晶振电路、电机驱动电路、装置控制模块和通信模块；所述电源电路用于给单片机和电机供电；所述电机驱动电路通过PWM控制电机转动速度；所述装置控制模板用于控制电机的旋转速度和光电开关及增量式光电编码器的角度反馈调节；所述通信模块实现单片机与电脑上位机之间通过RS232通信方式进行通讯；所述单片机为STC12C5412AD单片机。

所述固定单元包括底板1，设置于所述底板1上方的载物台支架2，设置于载物台支架2内侧的光电开关支架3和位于光电开关支架3上方的光电开关4；所述载物台支架4通过固定件11与转动轴13相连；所述光电开关4与光电挡片5配合用于标记载物台的物理位置；所述载物台支架2的高度大于载物台宽度的一半。

如图3所示，所述装置还包括外壳，所述装置外壳主要有机盖24，位于所述机盖24上的透明窗22，位于所述透明窗22上的手把23和机器底盖25组成；所述透明窗22用于观察载物台中反应瓶的运动情况。

合成类肽纳米片层的过程包括以下步骤：

如图1所示，是本发明实施例类肽纳米片层的合成原理示意图，反应瓶中的类肽溶液在足够多的停顿时间后才能在溶液与空气交界面之间形成单分子层，如图1的a所示。接着通过控制反应瓶的旋转角度就能改变交界面的面积大小，使面积逐渐变小就相当于在界面提供了一个物理作用力，通过控制反应瓶的旋转速度就能改变物理力的大小，从而可以使界面中类肽分子层变密并在液面下形成不可逆转的类肽纳米片层，如图1中的b和c所示。且形成类肽纳米片层所需界面侧面挤压的机械物理力可以通过以一定的速度缩小界面面积得到。

所述方法包括如下步骤：

(1)取特定序列的类肽分子配制成所需的类肽纳米片层生长液；

(2)移液枪取1ml类肽纳米片层生长液置于反应瓶中，放入载物台上；

(3)打开自动化类肽纳米片层合成装置与电脑上它的上位机软件，设定载物台的旋转角度80°，转速为0.5rpm，5°停顿时间为450s，总回合次数为100次；

(4)待溶液中类肽分子耗尽后，取下反应瓶，得到所需两维的类肽纳米片层。

综上所述，本发明的自动化类肽纳米片层合成装置体积小，具有成本低和样品消耗量小的特点，可同时用40个反应瓶进行反应，能够高通量制备类肽纳米片层，实现全自动化制备类肽纳米片层；且制备类肽纳米片层的方法简单，实验易于控制，且制备类肽纳米片层的效率高。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (36)

1.一种自动化类肽纳米片层合成装置，其特征在于，所述装置包括载物台、驱动单元、控制单元和固定单元；

其中，所述载物台用于承载反应瓶(26)，所述载物台、驱动单元和控制单元安装在固定单元上，所述驱动单元驱动载物台旋转，所述控制单元控制驱动单元；

所述载物台包括衬板、侧板和转动轴，所述衬板两端与所述侧板固定连接，所述侧板两端对称设有轴承连接转动轴，用于带动载物台转动，所述衬板从下至上为载物台底部衬板(6)、载物台中间衬板(7)和载物台顶部衬板(8)；所述载物台底部衬板(6)不设置孔洞，用于托住反应瓶(26)，所述载物台其余衬板上设置同心孔洞用于放置反应瓶(26)；所述侧板的数量为2块；所述侧板为载物台左侧板(9)和载物台右侧板(10)，所述载物台左侧板(9)与衬板之间设置有光电挡片(5)；

所述驱动单元包括电机(17)，与所述电机(17)固定相连的蜗轮蜗杆减速单元(16)，与所述蜗轮蜗杆减速单元(16)两端输出轴相连的主动轮(15)和轴承转接件(18)，所述主动轮(15)通过皮带(14)带动从动轮(12)转动，所述从动轮(12)带动转动轴(13)转动；

所述控制单元包括电机(17)、光电开关(4)和增量式光电编码器(19)，控制电机(17)、光电开关(4)和增量式光电编码器(19)的电路板(21)与上位机软件，所述增量式光电编码器(19)通过轴承转接件(18)与蜗轮蜗杆减速单元(16)相连，用于间接读取载物台的旋转角度，所述上位机软件用于设定载物台的旋转角度、转速、停顿时间和回合次数；

所述电路板(21)包括单片机、电源电路、复位电路、晶振电路、电机驱动电路、装置控制模块和通信模块，所述电源电路用于给单片机和电机供电，所述电机驱动电路通过PWM控制电机转动速度，所述装置控制模板用于控制电机的旋转速度和光电开关及增量式光电编码器的角度反馈调节，所述通信模块实现单片机与电脑上位机之间通过RS232通信方式进行通讯；

所述固定单元包括底板(1)，设置于所述底板(1)上方的载物台支架(2)，设置于载物台支架(2)内侧的光电开关支架(3)，所述载物台支架(2)通过固定件(11)与转动轴(13)相连，所述光电开关(4)与光电挡片(5)配合用于标记载物台的物理位置，所述载物台支架(2)的高度大于载物台宽度的一半。

2.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述衬板的数量为2-5块。

3.根据权利要求2所述的合成装置，其特征在于，所述衬板的数量为2-3块。

4.根据权利要求3所述的合成装置，其特征在于，所述衬板的数量为3块。

5.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述载物台衬板上横排设置孔洞的数量为1-10个，所述载物台衬板上竖排设置孔洞的数量为1-4个。

6.根据权利要求5所述的合成装置，其特征在于，所述载物台衬板上横排设置孔洞的数量为10个。

7.根据权利要求6所述的合成装置，其特征在于，所述载物台衬板上竖排设置孔洞的数量为4个。

8.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述孔洞的直径为1-3cm，所述反应瓶(26)的尺寸与载物台上孔洞的尺寸契合。

9.根据权利要求8所述的合成装置，其特征在于，所述孔洞的直径为1.2-2cm。

10.根据权利要求9所述的合成装置，其特征在于，所述孔洞的直径为1.4cm。

11.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述从动轮(12)与主动轮(15)的直径比为(1.5-3)：1。

12.根据权利要求11所述的合成装置，其特征在于，所述从动轮(12)与主动轮(15)的直径比为(2-2.5)：1。

13.根据权利要求12所述的合成装置，其特征在于，所述从动轮(12)与主动轮(15)的直径比为2：1。

14.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的旋转角度为0-90°。

15.根据权利要求14所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的旋转角度为5-85°。

16.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的转速为0.1-1rpm。

17.根据权利要求16所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的转速为0.2-0.8rpm。

18.根据权利要求17所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的转速为0.5rpm。

19.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的停顿时间为300-500s。

20.根据权利要求19所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的停顿时间为450s。

21.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的回合次数为80-200次。

22.根据权利要求21所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的回合次数为100-150次。

23.根据权利要求22所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的回合次数为100次。

24.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述单片机为STC12C5412AD单片机。

25.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述装置还包括外壳，所述装置外壳主要有机盖(24)，位于所述机盖(24)上的透明窗(22)，位于所述透明窗(22)上的手把(23)和机器底盖(25)组成；

所述透明窗(22)用于观察载物台中反应瓶的运动情况。

26.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述电机(17)的额定转速为3-10rpm。

27.根据权利要求26所述的合成装置，其特征在于，所述电机(17)的额定转速为4-8rpm。

28.根据权利要求27所述的合成装置，其特征在于，所述电机(17)的额定转速为5rmp。

29.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述电机(17)的额定转矩为1-8N·m。

30.根据权利要求29所述的合成装置，其特征在于，所述电机(17)的额定转矩为2-5N·m。

31.根据权利要求30所述的合成装置，其特征在于，所述电机(17)的额定转矩为3N·m。

32.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的材料为铝和/或塑料。

33.根据权利要求32所述的合成装置，其特征在于，所述载物台的材料为铝。

34.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述载物台支架(2)的材料为钢铁。

35.一种如权利要求1-34中任一项所述的自动化类肽纳米片层合成装置制备类肽纳米片层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将类肽溶液装进反应瓶(26)中，放入载物台上，开启上位机软件，设置旋转角度、转速、停留时间和回合次数；

(2)控制载物台以0.2-0.9rpm的转速旋转0-90°，停留300-500s；

(3)取下反应瓶(26)，得到类肽纳米片层。

36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述停留时间为450s。