冷冻保护剂浓度和冷却速率对水溶液玻璃化的影响

水溶性冷冻保护剂混合物的玻璃化在蛋白质和其他生物样品的冷冻保存中至关重要。我们报告了在液氮中从T=295 K到T=77 K的 plunge 冷却过程中，实现玻璃化所需的临界冷冻保护剂（CPA）浓度的系统测量。对十四种常见CPA进行了测量，包括醇类（甘油、甲醇、异丙醇）、糖类（蔗糖、木糖醇、葡萄糖、海藻糖）、PEG（乙二醇、PEG 200、PEG 2 000、PEG 20 000）、二醇类（DMSO、MPD）和盐（NaCl），体积范围从约nL到20 mkL，跨越四个数量级，并覆盖了蛋白质晶体学中感兴趣的范围。对水-甘油混合物的X射线衍射测量证实，多晶到玻璃态的转变发生在CPA浓度小于2% w/v的范围内，并且多晶冰的形式（六方或立方）取决于CPA浓度和冷却速率。对于大多数研究的冷冻保护剂，临界浓度在约5 mkL至约0.1 mkL的体积范围内强烈下降，通常下降两倍。通过将临界浓度与体积的测量与冷却时间与体积的测量相结合，我们获得了最具内在物理意义的函数：闪冷过程中临界CPA浓度与冷却速率的关系。这些结果为更合理地设计冷冻保护方案提供了基础，并应有助于深入了解水混合物中玻璃形成的物理机制。