Summary

מדידת התפתחות הזמן של חומרים ננומטריים באמצעות זרימה עצורה ופיזור נייטרונים בזווית קטנה

Published: August 06, 2021
doi:

Summary

פרוטוקול זה מציג את השימוש בסביבת דגימה של זרימה עצורה כדי לערבב במהירות תמיסות נוזליות מרובות באתרן במהלך מדידת פיזור נייטרונים בזווית קטנה וללמוד תהליכים קינטיים בסקאלות אורך ננומטריות ובסקאלות זמן שניות.

Abstract

מאמר זה מציג את השימוש בסביבת דגימת פיזור נייטרונים בזרימה עצורה בזווית קטנה (SANS) כדי לערבב במהירות דגימות נוזלים ולחקור תהליכים קינטיים ננומטריים בסקאלות זמן של שניות עד דקות. סביבת הדגימה של זרימה עצורה משתמשת במשאבות מזרקים זמינות מסחרית כדי לערבב את הכמויות הרצויות של דגימות נוזל המוזרקות לאחר מכן דרך מיקסר דינמי לתוך תא זכוכית קוורץ בערך 1 s. רכישת נתוני SANS שנפתרה בזמן מסונכרנת עם ערבוב הדגימות כדי לעקוב אחר התפתחות המבנה הננומטרי בתמיסה לאחר הערבוב.

כדי לנצל בצורה היעילה ביותר את זמן קרן הנייטרונים, אנו משתמשים בסדרה של שסתומי בורר זרימה כדי לטעון, לשטוף ולייבש את התא באופן אוטומטי בין מדידות, מה שמאפשר איסוף נתונים חוזר ונשנה במהלך הזרקות דגימה מרובות. זריקות הדגימה חוזרות על עצמן עד לאיסוף סטטיסטיקות מספיקות של פיזור נייטרונים. ניתן לתכנת את מערך הערבוב כך שישתנה באופן שיטתי בתנאים כדי למדוד את הקינטיקה ביחסי ערבוב שונים, ריכוזי דגימות, ריכוזי תוספים וטמפרטורות. נפח הדגימה המינימלי הנדרש לכל הזרקה הוא כ-150 μL בהתאם לאורך הנתיב של תא הקוורץ.

תוצאות מייצגות המשתמשות בסביבת דגימה זו של זרימה עצורה מוצגות עבור קינטיקה של החלפת שומנים מהירה בנוכחות תוסף, ציקלודקסטרין. השלפוחיות מחליפות שומנים בעלון החיצוני (חיצוני) בסדר גודל של שניות ומחליפות באופן מלא שומנים פנימיים וחיצוניים תוך שעות. מדידת קינטיקה של חילופי שומנים דורשת ערבוב באתרו כדי ללכוד את התהליכים המהירים יותר (שניות) והאיטיים יותר (דקות) ולחלץ את קבועי הקצב הקינטי. אותה סביבת דגימה יכולה לשמש גם לבדיקת חילופי מולקולות בסוגים אחרים של דגימות נוזליות כגון ננו-חלקיקי שומנים, חלבונים, חומרים פעילי שטח, פולימרים, תחליבים או ננו-חלקיקים אנאורגניים. מדידת השינויים המבניים הננומטריים והקינטיקה של מערכות מחליפות או מגיבות תספק תובנות חדשות על תהליכים המתפתחים בקנה מידה ננומטרי.

Introduction

פיזור נייטרונים בזווית קטנה (SANS) מספק דרך ייחודית למדוד את הגדלים, הצורות, האינטראקציות והארגון של חומרים שונים בסקאלות אורך מ-≈1 ננומטר עד ≈100 ננומטר 1,2,3. מכשירים עדכניים, כולל מכשירי VSANS (פיזור נייטרונים בזווית קטנה מאוד) עם מראות ממוקדות, מותחים את הגבולות לכיוון מדידת סקאלות אורך גדולות עוד יותר עד ≈1000 ננומטר 4,5. באופן כללי, ניגודיות הפיזור הייחודית הטבועה בשיטות פיזור נייטרונים מציעה מספר יתרונות במדידת התפתחות הזמן של מבנים ננומטריים, כגון צבירת רכיבים בפורמולציות פרמצבטיות6, תגובות הצלבה וג’לציה במערכות פולימריות 7,8, בהתגבשות מזו של חלבוני ממברנה9,10, פירוק והתפתחות חלבונים11,12 וגידול חומרים מבוססי סיליקה13,14,15., ניגודיות הפיזור הייחודית הופכת את SANS (TR-SANS) לפתרון הזמן כהשלמה שימושית למדידות אחרות המבוססות על זרימה עצורה.

שיטות ערבוב זרימה עצורה מיושמות לעתים קרובות בפיזור קרני רנטגן בזווית קטנה (SAXS)16,17,18,19,20,21, ספקטרוסקופיה פלואורסצנטית 22,23,24,25,26, ופיזור אור 27,28,29,30, 31,32 ניסויים לחקר תהליכים קינטיים בסקאלות הזמן של אלפיות השנייה. הבדל חשוב בין SANS ל-SAXS הוא שפיזור נייטרונים הוא טכניקת אפיון לא הרסנית, וככזו, ניתן להשתמש ב-SANS כדי למדוד את אותה דגימה במשך שעות או אפילו ימים ללא נזקי קרינה מייננת לדגימה, מה שיכול לקרות במהלך ניסויי פיזור קרני רנטגן בשטף גבוה יותר33. מכיוון שמדידות SANS חוזרות ונשנות לא ישנו את המבנה הכימי של מולקולת הגשושית או הדגימה, ניתן לחקור את התפתחות הזמן ללא השפעות של הלבנה, למשל, מה שיכול לסבך מדידות קינטיקה המסתמכות על פלואורסצנטיות23,24. יתר על כן, ניתן להשתמש ב-SANS כדי למדוד דגימות מרוכזות מאוד ואטומות אופטית שלעתים קרובות קשה לאפיין באמצעות טכניקות מבוססות אור כגון פיזור אור דינמי.

בנוסף לאספקת מידע מבני בקנה מידה ננומטרי, SANS יכול לשמש כדי לחקור את ההרכב המקומי של מבנים אלה באמצעות השונות בניגודיות צפיפות אורך פיזור נייטרונים. צפיפות אורך הפיזור (SLD) של יסודות שונים משתנה באופן אקראי על פני הטבלה המחזורית ומשתנה עם איזוטופים שונים של אותו יסוד. דוגמה נפוצה היא מימן (1H או H) ודאוטריום (2H או D), שיש להם אורכי פיזור נייטרונים שונים בתכלית. לכן, ניתן להבדיל בין חומרים עשירים במימן, כגון חומרים פעילי שטח, ליפידים, חלבונים, רנ”א, דנ”א ופולימרים אחרים, לבין ממיסים מפורקים באמצעות SANS מבלי לשנות באופן משמעותי את התכונות הפיזיקליות של המערכת. עם זאת, חשוב לציין כי חילופי H/D יכולים להשפיע על הצפיפות, קשרי המימן וטמפרטורות מעבר הפאזה בדגימה. עם זאת, הרגישות הייחודית של SANS לחומרים עשירים במימן שימושית במיוחד במחקר חומר רך, שבו הדגימות המעניינות הן בעלות ניגודיות פיזור ואות נמוכים יותר בטכניקות מבוססות קרני רנטגן כגון SAXS. החלפה איזוטופית גם הופכת את SANS לכלי רב עוצמה לחקר קינטיקה של חליפין מולקולרי בחומרים עשירים במימן פשוט על ידי ערבוב מולקולות המסומנות בתווית H ו-D. החלפה איזוטופית שימושית במיוחד במערכות שבהן צבעים פלואורסצנטיים מגושמים גדולים יותר ממולקולות פעילי השטח או השומנים המעניינות ויכולים להשפיע על קינטיקה של חליפין34,35.

מדידות SANS שנפתרו בזמן הן יתרון מכיוון שהעוצמה הנמדדת היא פונקציה של זמן, סולם אורך וניגודיות SLD. לפיכך, ניסויי TR-SANS יכולים להיות מתוכננים לחקור את השינויים תלויי הזמן בהתפלגות המרחבית ובהרכב הדגימות. יתרונות ייחודיים אלה של SANS הובילו לתובנות חשובות לגבי תהליכים קינטיים במערכות רבות של חומרים רכים כגון חומרים פעילי שטח 36,37,38, תחליבים 39,40,41, ליפידים 34,42,43,44,45,46,47,48,49 ,50, ופולימרים 51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62. רוב מחקרי TR-SANS התמקדו בסקאלות זמן של דקות עד שעות. עם זאת, תהליכים קינטיים רבים של עניין מתרחשים בסולם הזמן השני והם חיוניים להבנת המנגנונים הבסיסיים. לכידת נקודות זמן מוקדמות אלה דורשת ערבוב מהיר של התמיסות ומדידה באתרן, כאשר הערבוב מסונכרן עם איסוף נתונים במהלך פיזור אור עצור זרימה 27,28,29,30,31,32, פלואורסצנטיות 22,23,24,25,26 ורנטגן 16,17,18,19,20,21 ניסויים. עבודה זו מתארת את השימוש בסביבת דגימה שנועדה לערבב במהירות דגימות נוזל מרובות ולהזריק את התערובת לתוך תא זכוכית קוורץ למדידות TR-SANS. מכשיר הערבוב הוא אדפטציה של מכשיר rheoSANS נימישפותח לאחרונה 63 ומשתמש במספר משאבות מזרקים ושסתומים כדי לשלוט בערבוב הדגימות ולהפוך את ניקוי התאים לאוטומטי. על-ידי חיבור משאבות מזרקים לסדרה של שסתומי בורר זרימה, ניתן לערבב, למדוד, לשטוף ולייבש זרמי כניסה מרובים שוב ושוב כדי להקל על מדידות TR-SANS בסקאלת הזמן של השניות.

הנוהל הנוכחי מניח כי הדגימות המעניינות זוהו והוכנו. אנו מתמקדים בהגדרת ערבוב באתרו ובשיטות לאיסוף נתוני TR-SANS. נתוני פיזור נייטרונים נאספו במכשיר VSANS במרכז NIST לחקר נויטרונים (NCNR); עם זאת, ההליך צריך להיות ישים למכשירי SANS אחרים. קוראים המעוניינים ליישם פרוטוקולים דומים על מכשירי SANS אחרים צריכים להתייעץ עם מדעני המכשירים המקומיים כדי לקבוע את תצורת המכשירים האופטימלית כדי למקסם את שטף הנייטרונים בסקאלת האורך הרצויה ובסקאלת הזמן הרלוונטית ביותר לתהליכים הקינטיים המעניינים. הנתונים המוצגים כאן נאספו באמצעות תצורת “קרן לבנה” בשטף גבוה ב- VSANS כדי למקסם את ספירת הנייטרונים באובדן רזולוציה מרחבית5. קרונות הגלאי הוצבו כדי לכסות מגוון של וקטורי פיזור (q), 0.005 Å-1 < q < 0.5 Å-1, המתאימים לסקאלות אורך של ≈130 ננומטר עד ≈13 ננומטר. וקטור הפיזור מוגדר כ-q = 4π/λ sin (θ/2) כאשר λ הוא אורך גל הנייטרונים, ו-θ היא זווית הפיזור.

התקן ערבוב הזרימה המופסקת המשמש למדידות TR-SANS מורכב ממשאבות מרובות, מזרקי שטיפה, מזרקי דגימה, בוררי זרימה, כמו גם מיקסר דינמי, תא דגימה ומיכל דגימה מעורב, כפי שמוצג באיור 1. כל נתיבי הנוזל האטומים ממוקמים בתוך מארז ממוזג, הכולל את המזרקים, השסתומים, צינורות החיבור, המיקסר הדינמי ותאי הדגימה. מזגן תרמואלקטרי ניתן לתכנות משמש לשליטה על טמפרטורת המארז בטווח שבין 10 °C (75 °F) ל- 50 °C (75 °F) בתוך ± °C (75 °F). שים לב שחלק מבידוד המארז הוסר כדי להציג את חלקי העבודה של המכשיר. מארז התקן הערבוב הראשי ממוקם על במת תרגום בקו אלומת NG3 VSANS ב- NCNR. מיקום המארז מותאם באמצעות שלב התרגום כדי למקם את תא הדגימה בנתיב קרן הנייטרונים (קו מקווקו צהוב).

Figure 1
איור 1: מערך לדוגמה לשילוב של ערבוב זרימה עצורה ומדידות פיזור נייטרונים בזווית קטנה בקו הקרן VSANS במרכז NIST לחקר נייטרונים. ההתקנה כוללת ארבע משאבות מזרקים, שני מזרקים לשטיפת ממסים ושני מזרקים להזרקת דגימה, ארבעה שסתומי בורר משאבות, שני שסתומי בורר מיקסר, מיקסר דינמי, תא קוורץ זורם ומיכל דגימה מעורב. נייטרונים מקריים מתפזרים מהדגימה המעורבת הממוקמת בתוך תא הדגימה. מתחם מבודד עם חלונות קוורץ ויחידת מיזוג אוויר תרמואלקטרית משמש לשליטה על הדגימה וכל הציוד בטמפרטורה קבועה. הקו המקווקו הצהוב מראה את נתיב קרן הנייטרונים. סרגל קנה מידה = 10 ס”מ. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

ההתקן המתואר באיור 1 מוגדר עם שני מזרקים לדוגמה, שני מזרקי שטיפה ותא דגימה אחד. דיאגרמות זרימה תואמות עבור השלבים השונים של הפרוטוקול מודגמות באיור 2. הנפחים הרצויים של שתי הדגימות השונות מוזרקים למיקסר ולתא הדגימה (איור 2A). לאחר מילוי תא הדגימה, שסתום מתג הכניסה (ISV) ושסתום מתג היציאה (OSV) נסגרים כדי לבודד את תא הדגימה מהמערבל הדינמי ולמנוע דיפוזיה לאחור של הדגימה לתוך התא במהלך איסוף הנתונים TR-SANS (איור 2B). לפני המיקסר הדינמי, צינור החיבור משתנה באורכו בין 10 ס”מ ל-1 מ’ ואינו משפיע על זמן השהיית הערבוב. עם זאת, חיבורי צינורות בין המערבל הדינמי לתא הדגימה ישפיעו על זמן השהיית הערבוב ועל נפח הזרקת הדגימה הנדרש. צינורות נירוסטה חתוכים מראש בקוטר פנימי של 0.04 אינץ’ (1 מ”מ) ובאורך 100 מ”מ משמשים לחיבור המיקסר הדינמי, שסתומי בורר המיקסר (MSV1 ו- MSV2) וה- ISV וה- OSV. צינורות פלואור בקוטר פנימי של 1 מ”מ ובאורך 115 מ”מ משמשים לחיבור ספק התוכנה העצמאי (ISV) וה-OSV (או יציאת המיקסר הדינמי) לתא הדגימה. נפח החלל הכולל המשפיע על זמן השהיית הערבוב כולל את נפח חלל המיקסר (0.15 מ”ל), הצינור בין יציאת המיקסר לכניסת תא הדגימה (0.09 מ”ל) ונפח תא הדגימה (0.16 מ”ל). בדוגמה זו, נפח הריק הכולל הוא 0.4 מ”ל. נפחי החלל הפנימי של השסתומים זניחים בהשוואה לנפחי הצינורות, המיקסר ותאי הריק לדוגמה. לדוגמה, שסתומי בורר הלחץ הנמוך (קוטר בור 0.75 מ”מ) מכילים נפחי ריק משוערים של 4 מיקרוליטר, בעוד ששסתומי בורר הלחץ הגבוה ושסתומי המתג (קוטר בור 0.25 מ”מ) מכילים נפחי ריק משוערים של 0.5 מיקרוליטר.

לאחר השלמת המדידה של TR-SANS, הדגימה נדחפת החוצה מהתא באמצעות ממס, וממס השטיפה נשאב שוב ושוב דרך התא כדי להסיר את הדגימה השיורית ולנקות את תא הדגימה (איור 2C). שים לב שמזרקי השטיפה מחוברים למאגרי ממס גדולים יותר (למשל, מים ואתנול) באמצעות ערכי בורר משאבות כדי להבטיח נפחי ממס נאותים זמינים לניקוי תא הדגימה בין ריצות מדידה. מקורות ממס, מקורות דגימה ומיכלי דגימה מעורבים המכילים נוזלים דליקים ממוקמים במארז נפרד ללא ציוד חשמלי כדי לחסל את כל מקורות ההצתה האפשריים. בנוסף, פקקי בקבוקים ננעלים אדים משמשים כדי למזער אדים דליקים ואידוי ממס. לבסוף, תא הדגימה מיובש עם זרם גז חנקן כדי להסיר את שאריות ממס השטיפה (איור 2D). לחץ גז החנקן הנכנס לשסתום בורר המיקסר מווסת לכ -2 בר (0.2 מגפ”ס, לחץ מד) באמצעות וסת לחץ ידני הממוקם על בלון גז החנקן. לאחר שתא הדגימה מנוקה ומיובש מספיק, דגימה שזה עתה מעורבבת מוזרקת לתוך תא הדגימה עבור מחזור המדידה הבא (חזרה על הערבוב וההזרקה המודגמים בדיאגרמת הזרימה באיור 2A).

Figure 2
איור 2: דיאגרמת זרימה לדוגמה באמצעות תא דגימה אחד, ערבוב של שתי דוגמאות ושני ממיסי שטיפה לניקוי . (A) ערבוב של מדגם A (כחול) ומדגם B (אדום), ולאחר מכן הזרמת הדגימה המעורבת (סגול) לתוך תא הדגימה. (B) במהלך איסוף הנתונים, מצב התקן הזרימה המופסקת שבו שסתומי המתג ISV ו- OSV סגורים כדי לבודד את תא הדגימה ולמנוע דיפוזיה לאחור של הדגימה במהלך איסוף הנתונים. (C) שלבי הניקוי שבהם תא הדגימה נשטף בממס שטיפה מ-SS1 (ירוק) לאחר איסוף הנתונים. (D) שלב ייבוש שבו תא הדגימה מיובש בגז חנקן (כתום). קיצורים: PSV = שסתום בורר משאבות; MSV = שסתום בורר מיקסר; OSV = שסתום מתג שקע; ISV = שסתום מתג כניסה; SS1 = מקור ממס 1; SSA = מקור מדגם A; N2 = מקור גז חנקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3 מציג דיאגרמות זרימה עבור גרסה שונה במקצת שבה הגדרת הערבוב מוגדרת עם שני תאי דגימה נפרדים המחוברים לאותם שסתומי מתג (איור 3A). בעוד שנתוני TR-SANS נאספים בתא לדוגמה 1, תא דגימה 2 נשטף (איור 3B) ומיובש (איור 3C). לאחר השלמת איסוף הנתונים עבור תא לדוגמה 1, שסתום מתג הכניסה מפנה דגימה מעורבת חדשה לתוך תא מדגם 2 לצורך איסוף נתונים (איור 3D). בעוד שנתוני TR-SANS נאספים בתא לדוגמה 2, תא דגימה 1 נשטף ומיובש (איור 3E). תהליך מקביל לסירוגין זה בין שני תאי דגימה ממזער את הזמן בין הזרקות הדגימה הבאות וממקסם את השימוש בזמן קרן נויטרונים.

Figure 3
איור 3: דיאגרמת זרימה לדוגמה באמצעות תאים בני שתי דגימות, ערבוב של שתי דגימות ושני ממיסי שטיפה לניקוי. (A) ערבוב מדגם A (כחול) ומדגם B (אדום) ולאחר מכן הזרמת הדגימה המעורבת (סגול) לתא מדגם 1. (B) מצב התקן הזרימה המופסקת במהלך איסוף הנתונים בתא מדגם 1 בעוד תא מדגם 2 נשטף בממס מ-SS1 (ירוק). (C) מצב התקן הזרימה המופסקת במהלך איסוף הנתונים בתא מדגם 1 בעוד תא דגימה 2 מיובש בגז חנקן (כתום). (D) לאחר השלמת איסוף הנתונים של תא מדגם 1, מדגם חדש (סגול) מעורבב מיד ומוזרם לתא מדגם 2. (E) מצב התקן הזרימה המופסקת במהלך איסוף נתונים בתא מדגם 2 בעוד תא דגימה 1 נשטף בממס מ-SS1 (ירוק). בזמן שתא דגימה אחד נמדד, תא הדגימה השני מנוקה ומיובש. תהליך מדידת הזרימה המופסקת עובר לסירוגין בין שני תאי דגימה כדי למזער את הזמן בין זריקות ערבוב הדגימה הבאות. קיצורים: PSV = שסתום בורר משאבות; MSV = שסתום בורר מיקסר; OSV = שסתום מתג שקע; ISV = שסתום מתג כניסה; SS1 = מקור ממס 1; SSA = מקור מדגם A; N2 = מקור גז חנקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

להלן מתואר פרוטוקול שלב אחר שלב לחיבור המשאבות וקווי הצינורות, הכנת המערכת, שטיפה וייבוש תא הדגימה והזרקת הדגימה המעורבת. אף על פי שתצורת התא הבודד מודגמת בפשטות (איור 2), ניתן לשנות בקלות את ההגדרה, הפרוטוקול והסקריפטים המודולריים הגמישים כדי ליישם יותר משאבות מזרקים, שסתומים, מערבלים או תצורות תאים לדוגמה, כמו תצורת התא בן שתי הדגימות שמוצגת באיור 3. נתוני קצב ספירת נייטרונים גולמיים מייצגים שנאספו במהלך מחזורי הזרקת ערבוב וניקוי מוצגים באיור 4, בעוד שקינטיקה של חילופי שומנים שנמדדה ב-3 טמפרטורות שונות והעוצמה המפוזרת המנורמלת שחולצה המתאימה לחלק השומנים המוחלפים מוצגים באיור 5 ובאיור 6, בהתאמה.

Protocol

1. הגדר והתחל את מערכת הזרימה המופסקת. הפעל את כל ספקי הכוח של המשאבה ואת כל המיקסרים הדינמיים באמצעות מתג ההפעלה. הפעל את כל המשאבות והשסתומים בממשק המשתמש הגרפי (GUI) של בקרת מערכת הזרימה המופסקת על-ידי הזנת נתיב תצורת ההתקן ושימוש בפקודות bus=qmixbus. Bus(), bus.open(), bus.start()</stro…

Representative Results

נתוני הנייטרונים המייצגים המוצגים כאן מודדים קינטיקה של חילופי שומנים בנוכחות מתיל-β-ציקלודקסטרין (mβCD), תוסף המזרז את חילופי השומנים בין שלפוחיות עם שער החליפין (ke)66,67. מחקרים פלואורסצנטיים קודמים הראו כי ke תלוי בריכוז mβCD, וזמן מחצית החיים של תה…

Discussion

ההליך הנוכחי מתאר את התקן הערבוב ואת השלבים לביצוע מדידות TR-SANS של זרימה עצורה. המכשיר והפרוטוקול מותאמים לדגימות נוזלים בצמיגות נמוכה שבהן סקאלות הזמן המעניינות הן ≈1 שניות עד 5 דקות. עבור טווחי זמן גדולים מ-5 דקות, ערבוב ידני של הדגימות והטענתן לתאי פיזור סטנדרטיים עשוי להיות קל ורצוי יותר…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

הגישה ל-NG3 VSANS סופקה על ידי המרכז לפיזור נויטרונים ברזולוציה גבוהה, שותפות בין המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה והקרן הלאומית למדע תחת הסכם מס’ DMR-2010792. M.H.L.N מכירה במימון שניתן על ידי Mitacs Globalink (קנדה). הזיהוי של מוצרים מסחריים או שמות מסחריים כלשהם נועד לטפח הבנה ואינו מרמז על תמיכה או המלצה של המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה.

Materials

Dynamic mixer Analytical Scientific Instruments 462-0150A Magnetically coupled rotor, binary dynamic mixer assembly (ternary type available), 0.15 mL dead volume (larger dead volume available)
Fluoropolymer tubing IDEX Health & Science 1507L PFA Tubing Natural 1/16 inch OD x 0.040 inch ID x 50 ft
Fluoropolymer 1/4-28 flangeless fittings IDEX Health & Science XP-245 PFA flangeless fitting with ferrules, 1/4-28 threading, 1/16 inch OD tubing
Glass syringes Hamilton Company 81660 Hamilton 1000 series syringes, 10 mL (81660), model 1010 C syr, 1/4"-28 thread termination, other volumes available
High-pressure flow selector valves Vici Valco C85X-1570EUTB Vici 10 position selector valves, 15000 psi max, 0.25 mm bore, 1/16 inch OD tubing, 10-32 coned threaded ports, USB universal actuator
High-pressure switch valves Vici Valco C82X-1574EUHB Vici 4 port switch valves, 15000 psi max, 0.25 mm bore, 1/16 inch OD tubing, 10-32 coned threaded ports, USB universal actuator
High-pressure syringes Cetoni A2019000358 3 mL stainless steel syringe, 510 bar max, 21 mL/min flow rate max
Low-pressure flow selector valves Vici Valco C25-3180EUHB Vici 10 position selector valves, max 250 psi liquid, 0.75 mm bore, 1/16 inch OD tubing, 1/4-28 threaded ports, USB universal actuator
neMESYS high-pressure syringe pumps Cetoni A3921000103 Max force 2600 N
neMESYS mid-pressure syringe pumps Cetoni A3921000131 Max force 1000 N
Power supply Cetoni A3921000127 Base 600, supplies power for up to 4 high pressure pumps
Quartz flow-through sample cell Starna Scientific 3-2.30-Q-1/TC Quartz micro flow cells, 2 mm path length (1 mm available), 2 mm by 2 mm by 30 mm internal dimension
Quartz windows Technical Glass Products NA GE 124 Clear fused quartz ground and polished plates, 11.75 inch by 23.75 inch by 0.375 inch thick
Stainless steel 10-32 coned compression fittings IDEX Health & Science U-321X, U-320X 316 stainless steel ferrule (U-321X) and nut (U-320X) -Valco type, 10-32 coned, for 1/16 inch OD stainless steel tubing
Stainless steel tubing IDEX Health & Science U-102 Stainless Steel Tubing 1/16 inch OD x 0.020 inch ID, 10 cm, various precut lengths available
Syringe pump control software Cetoni T6000000004 QmixElements software for nemesys pumps, QmixSDK software development kit
Thermoelectric air conditioner EIC Solutions AAC-140C-4XT-HC Thermoelectric air conditioner mounted on insulated enclosure to control the pump, valve, mixer, and sample temperature
T-slot railing McMaster-Carr 47065T103 Aluminum t-slotted railing (1.5 inch by 1.5 inch) cut to various lengths
Vapor locking bottle caps  Cole-Parmer EW-12018-02 Four 304 SS port inserts, 1/4"-28 threads, GL45 bottle cap size, PTFE body, SS threads, PP collar

Referências

  1. Melnichenko, Y. B., Wignall, G. D. Small-angle neutron scattering in materials science: Recent practical applications. Journal of Applied Physics. 102 (2), 021101 (2007).
  2. Grillo, I., Borsali, R., Pecora, R. Small-angle neutron scattering and applications in soft condensed matter. Soft Matter Characterization. , (2008).
  3. Hollamby, M. J. Practical applications of small-angle neutron scattering. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (26), 10566-10579 (2013).
  4. Pipich, V., Fu, Z. KWS-3: Very small angle diffractor with focusing mirror. Journal of large-scale research. 1, 31 (2015).
  5. Barker, J. G., Kline, S., et al. . 2019 NCNR Annual Report, Special Publication (NIST SP). , (2019).
  6. Gilbert, P. H., et al. Preservative induced polysorbate 80 micelle aggregation. Journal of Pharmaceutical Sciences. 10 (6), 2395-2404 (2021).
  7. Terashima, T., et al. In situ and time-resolved small-angle neutron scattering observation of star polymer formation via arm-linking reaction in ruthenium-catalyzed living radical polymerization. Macromolecules. 43 (19), 8218-8232 (2010).
  8. Hashimoto, K., Fujii, K., Nishi, K., Shibayama, M. Ion gel network formation in an ionic liquid studied by time-resolved small-angle neutron scattering. The Journal of Physical Chemistry B. 122 (40), 9419-9424 (2018).
  9. Conn, C. E., et al. Membrane protein structures in lipid bilayers; small-Angle neutron scattering with contrast-matched bicontinuous cubic phases. Frontiers in Chemistry. 8, 619470 (2021).
  10. van’t Hag, L., et al. Protein-eye view of the in meso crystallization mechanism. Langmuir. 35 (25), 8344-8356 (2019).
  11. Mahieu, E., et al. Observing protein degradation by the PAN-20S proteasome by time-resolved neutron scattering. Biophysical Journal. 119 (2), 375-388 (2020).
  12. Ibrahim, Z., et al. Time-resolved neutron scattering provides new insight into protein substrate processing by a AAA+ unfoldase. Scientific Reports. 7 (1), 40948 (2017).
  13. Hollamby, M. J., et al. Growth of mesoporous silica nanoparticles monitored by time-resolved small-angle neutron scattering. Langmuir. 28 (9), 4425-4433 (2012).
  14. Blin, J. L., Impéror-Clerc, M. Mechanism of self-assembly in the synthesis of silica mesoporous materials: in situ studies by X-ray and neutron scattering. Chemical Society Reviews. 42 (9), 4071-4082 (2013).
  15. Impéror-Clerc, M., Grillo, I., Khodakov, A. Y., Durand, D., Zholobenko, V. L. New insights into the initial steps of the formation of SBA-15 materials: an in situ small angle neutron scattering investigation. Chemical Communications. 8, 834-836 (2007).
  16. Narayanan, T., Rüter, A., Olsson, U. SAXS/WAXS investigation of amyloid-β(16-22) peptide nanotubes. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 9, 654349 (2021).
  17. Angelov, B., et al. DNA/Fusogenic lipid nanocarrier assembly: millisecond structural dynamics. The Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (11), 1959-1964 (2013).
  18. Amann, M., et al. Kinetic pathways for polyelectrolyte coacervate micelle formation revealed by time-resolved synchrotron SAXS. Macromolecules. 52 (21), 8227 (2019).
  19. Varga, Z., Wacha, A., Bóta, A. Osmotic shrinkage of sterically stabilized liposomes as revealed by time-resolved small-angle X-ray scattering. Journal of Applied Crystallography. 47 (1), 35-40 (2014).
  20. Panine, P., Finet, S., Weiss, T. M., Narayanan, T. Probing fast kinetics in complex fluids by combined rapid mixing and small-angle X-ray scattering. Advances in Colloid and Interface Science. 127 (1), 9-18 (2006).
  21. Grillo, I. Applications of stopped-flow in SAXS and SANS. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 14 (6), 402-408 (2009).
  22. Gomez-Hens, A., Perez-Bendito, D. The stopped-flow technique in analytical chemistry. Analytica Chimica Acta. 242, 147-177 (1991).
  23. Patel, J. T., Belsham, H. R., Rathbone, A. J., Friel, C. T. Use of stopped-flow fluorescence and labeled nucleotides to analyze the ATP turnover cycle of kinesins. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (92), e52142 (2014).
  24. Biro, F. N., Zhai, J., Doucette, C. W., Hingorani, M. M. Application of stopped-flow kinetics methods to investigate the mechanism of action of a DNA repair protein. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (37), e1874 (2010).
  25. Raney, K. D., Sowers, L. C., Millar, D. P., Benkovic, S. J. A fluorescence-based assay for monitoring helicase activity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (14), 6644-6648 (1994).
  26. Roder, H., Maki, K., Cheng, H. Early events in protein folding explored by rapid mixing methods. Chemical reviews. 106 (5), 1836-1861 (2006).
  27. Milon, A., et al. Osmotic swelling of unilamellar vesicles by the stopped-flow light scattering method. Influence of vesicle size, solute, temperature, cholesterol and three α,ω-dihydroxycarotenoids. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 859 (1), 1-9 (1986).
  28. Gast, K., Nöppert, A., Müller-Frohne, M., Zirwer, D., Damaschun, G. Stopped-flow dynamic light scattering as a method to monitor compaction during protein folding. European Biophysics Journal. 25 (3), 211-219 (1997).
  29. Antoun, A., Pavlov, M. Y., Tenson, T., Ehrenberg, M. M. Ribosome formation from subunits studied by stopped-flow and Rayleigh light scattering. Biological Procedures Online. 6, 35-54 (2004).
  30. Zhu, Z., Armes, S. P., Liu, S. pH-Induced micellization kinetics of ABC triblock copolymers measured by stopped-flow light scattering. Macromolecules. 38 (23), 9803-9812 (2005).
  31. Ye, J., et al. Comparative study of temperature-induced association of cyclic and linear poly(N-isopropylacrylamide) chains in dilute solutions by laser light scattering and stopped-flow temperature jump. Macromolecules. 41 (12), 4416-4422 (2008).
  32. Liu, X., et al. Early stage kinetics of polyelectrolyte complex coacervation monitored through stopped-flow light scattering. Soft Matter. 12 (44), 9030-9038 (2016).
  33. Garman, E. F., Weik, M. X-ray radiation damage to biological samples: recent progress. Journal of Synchrotron Radiation. 26 (4), 907-911 (2019).
  34. Garg, S., Porcar, L., Woodka, A. C., Butler, P. D., Perez-Salas, U. Noninvasive neutron scattering measurements reveal slower cholesterol transport in model lipid membranes. Biophysical Journal. 101 (2), 370-377 (2011).
  35. Marquardt, D., et al. 1H NMR shows slow phospholipid flip-flop in gel and fluid bilayers. Langmuir. 33 (15), 3731-3741 (2017).
  36. Egelhaaf, S. U., Olsson, U., Schurtenberger, P. Time-resolved SANS for surfactant phase transitions. Physica B: Condensed Matter. 276-278, 326-329 (2000).
  37. Tabor, R. F., Eastoe, J., Grillo, I. Time-resolved small-angle neutron scattering as a lamellar phase evolves into a microemulsion. Soft Matter. 5 (10), 2125-2129 (2009).
  38. Gradzielski, M., Bergmeier, M., Hoffmann, H., Müller, M., Grillo, I. Vesicle gel formed by a self-organization process. The Journal of Physical Chemistry B. 104 (49), 11594-11597 (2000).
  39. Lee, Y. -. T., Li, D. S., Pozzo, L. D. Kinetic analysis of ultrasound-induced oil exchange in oil-in-water emulsions through contrast variation time-resolved small-sngle neutron scattering. Langmuir. 35 (47), 15204-15213 (2019).
  40. Lee, Y. -. T., Pozzo, L. D. Contrast-variation time-resolved small-angle neutron scattering analysis of oil-exchange kinetics between oil-in-water emulsions stabilized by anionic surfactants. Langmuir. 35 (47), 15192-15203 (2019).
  41. Roger, K., Olsson, U., Schweins, R., Cabane, B. Emulsion ripening through molecular exchange at droplet contacts. Angewandte Chemie International Edition. 54 (5), 1452-1455 (2015).
  42. Nakano, M., Fukuda, M., Kudo, T., Endo, H., Handa, T. Determination of Interbilayer and Transbilayer Lipid Transfers by Time-Resolved Small-Angle Neutron Scattering. Physical Review Letters. 98 (23), 238101 (2007).
  43. Nakano, M., et al. Flip-flop of phospholipids in vesicles: kinetic analysis with time-resolved small-angle neutron scattering. The Journal of Physical Chemistry B. 113 (19), 6745-6748 (2009).
  44. Nguyen, M. H. L., et al. Methanol accelerates DMPC flip-flop and transfer: A SANS study on lipid dynamics. Biophysical Journal. 116 (5), 755-759 (2019).
  45. Nguyen, M. H. L., et al. Peptide-induced Lipid flip-flop in asymmetric liposomes measured by small angle neutron scattering. Langmuir. 35 (36), 11735-11744 (2019).
  46. Nguyen, M. H. L., et al. Time-resolved SANS reveals pore-forming peptides cause rapid lipid reorganization. New Journal of Chemistry. 45 (1), 447-456 (2021).
  47. Xia, Y., et al. Effects of nanoparticle morphology and acyl chain length on spontaneous lipid transfer rates. Langmuir. 31 (47), 12920-12928 (2015).
  48. Xia, Y., et al. Morphology-induced defects enhance lipid transfer rates. Langmuir. 32 (38), 9757-9764 (2016).
  49. Maric, S., et al. Time-resolved small-angle neutron scattering as a probe for the dynamics of lipid exchange between human lipoproteins and naturally derived membranes. Scientific Reports. 9 (1), 7591 (2019).
  50. Nielsen, J. E., Bjørnestad, V. A., Pipich, V., Jenssen, H., Lund, R. Beyond structural models for the mode of action: How natural antimicrobial peptides affect lipid transport. Journal of Colloid and Interface Science. 582, 793-802 (2021).
  51. Willner, L., Poppe, A., Allgaier, J., Mokenbusch, M., Richter, D. TIme-resolved SANS for the determintioan of unimer exchange kinetics in block copolymer micelles. Europhysics Letters. 55 (5), 667 (2001).
  52. Lund, R., Willner, L., Stellbrink, J., Lindner, P., Richter, D. Logarithmic chain-exchange kinetics of diblock copolymer micelles. Physical Review Letters. 96 (6), 068302 (2006).
  53. Lund, R., Willner, L., Richter, D., Dormidontova, E. E. Equilibrium chain exchange kinetics of diblock copolymer micelles: Tuning and logarithmic relaxation. Macromolecules. 39 (13), 4566-4575 (2006).
  54. Lund, R., Willner, L., Richter, D., Abe, A., Lee, K. S., Leibler, L., Kobayashi, S. Kinetics of block copolymer micelles studied by small-angle scattering methods. in Controlled Polymerization and Polymeric Structures. Advances in Polymer Science. , 51 (2013).
  55. Choi, S. -. H., Lodge, T. P., Bates, F. S. Mechanism of molecular exchange in diblock copolymer micelles: hypersensitivity to core chain length. Physical Review Letters. 104 (4), 047802 (2010).
  56. Choi, S. -. H., Bates, F. S., Lodge, T. P. Molecular exchange in ordered diblock copolymer micelles. Macromolecules. 44 (9), 3594-3604 (2011).
  57. Lu, J., Bates, F. S., Lodge, T. P. Chain exchange in binary copolymer micelles at equilibrium: confirmation of the independent chain hypothesis. ACS Macro Letters. 2 (5), 451-455 (2013).
  58. Lu, J., Bates, F. S., Lodge, T. P. Remarkable effect of molecular architecture on chain exchange in triblock copolymer micelles. Macromolecules. 48 (8), 2667-2676 (2015).
  59. Kelley, E. G., et al. Size evolution of highly amphiphilic macromolecular solution assemblies via a distinct bimodal pathway. Nature Communications. 5 (1), 3599 (2014).
  60. Murphy, R. P., Kelley, E. G., Rogers, S. A., Sullivan, M. O., Epps, T. H. Unlocking chain exchange in highly amphiphilic block polymer micellar systems: influence of agitation. ACS Macro Letters. 3 (11), 1106-1111 (2014).
  61. Schantz, A. B., et al. PEE-PEO block copolymer exchange rate between mixed micelles is detergent and temperature activated. Macromolecules. 50 (6), 2484-2494 (2017).
  62. Lantz, K. A., et al. Cavitation enables switchable and rapid block polymer exchange under high-χN conditions. Macromolecules. 51 (17), 6967-6975 (2018).
  63. Murphy, R. P., et al. Capillary RheoSANS: measuring the rheology and nanostructure of complex fluids at high shear rates. Soft Matter. 16 (27), 6285-6293 (2020).
  64. Stopped Flow Sans. usnistgov Available from: https://github.com/usnistgov/stopped-flow-sans (2021)
  65. Kline, S. Reduction and analysis of SANS and USANS data using IGOR Pro. Journal of Applied Crystallography. 39 (6), 895-900 (2006).
  66. Doktorova, M., et al. Preparation of asymmetric phospholipid vesicles for use as cell membrane models. Nature Protocols. 13 (9), 2086-2101 (2018).
  67. Huang, Z., London, E. Effect of cyclodextrin and membrane lipid structure upon cyclodextrin-lipid interaction. Langmuir. 29 (47), 14631-14638 (2013).
  68. Sugiura, T., Ikeda, K., Nakano, M. Kinetic analysis of the methyl-β-cyclodextrin-mediated intervesicular transfer of pyrene-labeled phospholipids. Langmuir. 32 (51), 13697-13705 (2016).
  69. Scott, H. L., et al. On the mechanism of bilayer separation by extrusion, or why your LUVs are not really unilamellar. Biophysical Journal. 117 (8), 1381-1386 (2019).
  70. Dicko, C., et al. NUrF-Optimization of in situ UV-vis and fluorescence and autonomous characterization techniques with small-angle neutron scattering instrumentation. Review of Scientific Instruments. 91 (7), 075111 (2020).
check_url/pt/62873?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Kelley, E. G., Nguyen, M. H. L., Marquardt, D., Maranville, B. B., Murphy, R. P. Measuring the Time-Evolution of Nanoscale Materials with Stopped-Flow and Small-Angle Neutron Scattering. J. Vis. Exp. (174), e62873, doi:10.3791/62873 (2021).

View Video