利用停流法与小角中子散射测量纳米尺度材料的时间演化

摘要

本方案介绍了使用停流进样环境快速混合多种液体溶液的方法 原位 在小角中子散射测量期间，研究纳米尺度长度和秒级时间尺度上的动力学过程。

摘要

本文介绍了使用停流小角中子散射（SANS）样品环境快速混合液体样品，并在数秒至数分钟的时间尺度上研究纳米尺度动力学过程的方法。该停流样品环境利用 commercially available 的注射泵混合所需体积的液体样品，随后在约1秒内通过动态混合器将混合液注入石英玻璃池中。时间分辨SANS数据采集与样品混合过程同步，以追踪混合后溶液中纳米结构的演变过程。

为了最高效地利用中子束时间，我们在测量之间使用一系列流路选择阀自动完成样品池的装载、冲洗和干燥，从而在多次进样过程中实现重复数据采集。重复进样直至获得足够的中子散射统计量。混合装置可编程以系统性地改变条件，用于测量不同混合比例、样品浓度、添加剂浓度和温度下的反应动力学。每次进样的最小样品体积约为 150 µL，具体取决于石英池的光程长度。

使用该停流样品环境对在添加剂环糊精存在下快速脂质交换动力学的代表性结果进行了展示。囊泡外叶（外侧）脂质的交换在数秒量级内发生，而内外侧脂质的完全交换则在数小时内完成。测量脂质交换动力学需要 原位 混合以捕捉较快（秒级）和较慢（分钟级）的过程，并提取动力学速率常数。相同的样品环境也可用于研究其他类型液体样品中的分子交换，例如脂质纳米颗粒、蛋白质、表面活性剂、聚合物、乳液或无机纳米颗粒。测量交换或反应体系在纳米尺度上的结构转变及其动力学，将为纳米尺度演化的各类过程提供新的认识。

引言

小角中子散射（SANS）提供了一种独特的方法，用于测量各种材料在约1 nm至约100 nm长度尺度上的尺寸、形状、相互作用和有序结构^1,2,3。近年来的仪器发展，包括配备聚焦镜的超小角中子散射（VSANS）仪器，已将可测尺度扩展至最大约1000 nm^4,5。通常情况下，中子散射方法所特有的散射对比度在测量纳米尺度结构的时间演化过程中具有多项优势，例如药物配方中组分的聚集⁶、聚合物体系中的交联与凝胶化反应^7,8、膜蛋白的in meso结晶^9,10、蛋白质的降解与去折叠^11,12，以及硅基材料的生长过程^13,14

方案

1. 设置并启动停流系统。

1. 使用电源开关打开所有泵的电源供应器和动态混合器。
2. 在停流系统控制图形用户界面（GUI）中，通过输入设备配置路径并使用命令 bus=qmixbus.Bus()、bus.open()、bus.start()、pump=qmixpump.Pump()、pump.enable() 和 valve=ViciMultiposSelector()  启动所有泵和阀门（参见在线开源代码仓库中提供的示例初始化代码⁶⁴）。
3. 在连接注射器之前，使用命令 pump.calibrate() 对泵进行校准。
4. 使用命令 valve.setPort() 和 valve.getPort() 确认阀门已成功启动，并能按指令移动至正确的选择端口。
5. 使用命令 pump.set_syringe_param(A, B) 设置每个泵所用的注射器类型，其中 A 为注射器筒内径（mm），B 为....

结果

此处展示的代表性中子数据测量了在甲基-β-环糊精（mβCD）存在下的脂质交换动力学。mβCD 是一种可催化囊泡间脂质交换的添加剂，其交换速率记为 k_e^66,67。先前的荧光研究表明，k_e 依赖于 mβCD 的浓度，且交换过程的半衰期在分钟量级⁶⁸。本实验采用停流时间分辨小角中子散射（stopped-flow TR-SANS）技术，在秒级时间尺度上测量 mβCD 催化的囊泡间脂质交换。制备了两种同位素不同的脂质囊泡体系：一种使用尾链氢化的二肉豆蔻酰基磷脂酰胆碱（DMPC）脂质制备（图5 中的 H-脂质囊泡），另一种使用尾链氘化的 DMPC（DMPC-d54）脂质制备（图5 中的 D-脂质囊泡）。在 DMPC 和 DMPC-d54 的干燥脂质粉末中均添加了摩尔分数为 0.05（5 mol%）的带电荷脂质二肉豆蔻酰基磷.......

讨论

当前方案描述了混合装置及进行停流式时间分辨小角中子散射（TR-SANS）测量的步骤。该装置和协议针对低粘度液体样品进行了优化，适用于感兴趣的时间尺度为秒至分钟量级的研究。 ≈1 秒至 5 分钟。对于超过 5 分钟的时间尺度，手动混合样品并将其装入标准散射池可能更为简便且理想，尤其适用于高粘度样品、凝胶或膏状物。若需覆盖短于 1 秒的时间尺度，则需要采用不同的混合装置，降低总体死体积，并提高总流速以缩短延迟时间。还需注意的是，在这些极短时间尺度上研究动力学过程，通常需要重复多次样品注射，以便在毫秒时间尺度上通过时间分辨小角中子散射（TR-SANS）积累足够的散射计数统计量。若样品总体积有限，可考虑使用通量更高的技术，例如光散射或 X 射线散射，前提是光散射或 X 射线散射具有足够的散射对比度；这些方法所需的样品注射次数更少，或每次注射所需样品体积更小。

与专为中子散射实验优化的商用停流仪器相比，这种模块化的停流SANS方法具有若干关键优势与劣势。主要优势包括：（1）在清洗阶段交替进行不同样品池之间的时间分辨小角中子散射（TR-SANS）测量，以最大化中子束时间的利用效率；.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
动态混合器	Analytical Scientific Instruments	462-0150A	磁力耦合转子，二元动态混合器组件（可提供三元型），0.15 mL 死体积（可提供更大死体积）
氟聚合物管路	IDEX Health & Science	1507L	PFA 管路，天然色，1/16 英寸外径 × 0.040 英寸内径 × 50 英尺
氟聚合物 1/4-28 无法兰接头	IDEX Health & Science	XP-245	PFA 无法兰接头带卡套，1/4-28 螺纹，适用于 1/16 英寸外径管路
玻璃注射器	Hamilton Company	81660	Hamilton 1000 系列注射器，10 mL（81660），型号 1010 C 注射器，1/4"-28 螺纹接口，其他容积可选
高压流路选择阀	Vici Valco	C85X-1570EUTB	Vici 10 位选择阀，最大耐压 15000 psi，孔径 0.25 mm，适用于 1/16 英寸外径管路，10-32 锥形螺纹接口，USB 通用驱动器
高压切换阀	Vici Valco	C82X-1574EUHB	Vici 四通切换阀，最大耐压 15000 psi，孔径 0.25 mm，适用于 1/16 英寸外径管路，10-32 锥形螺纹接口，USB 通用驱动器
高压注射器	Cetoni	A2019000358	3 mL 不锈钢注射器，最大压力 510 bar，最大流速 21 mL/min
低压流路选择阀	Vici Valco	C25-3180EUHB	Vici 10 位选择阀，液体最大耐压 250 psi，孔径 0.75 mm，适用于 1/16 英寸外径管路，1/4-28 螺纹接口，USB 通用驱动器
neMESYS 高压注射泵	Cetoni	A3921000103	最大推力 2600 N
neMESYS 中压注射泵	Cetoni	A3921000131	最大推力 1000 N
电源	Cetoni	A3921000127	Base 600，可为最多 4 台高压泵供电
石英流通样品池	Starna Scientific	3-2.30-Q-1/TC	石英微量流通池，光程 2 mm（可提供 1 mm），内部尺寸 2 mm × 2 mm × 30 mm
石英窗口片	Technical Glass Products	NA	GE 124 透明熔融石英研磨抛光板，尺寸 11.75 英寸 × 23.75 英寸 × 0.375 英寸厚
不锈钢 10-32 锥形压缩接头	IDEX Health & Science	U-321X, U-320X	316 不锈钢卡套（U-321X）和螺母（U-320X）—Valco 类型，10-32 锥形，适用于 1/16 英寸外径不锈钢管路
不锈钢管路	IDEX Health & Science	U-102	不锈钢管路，1/16 英寸外径 × 0.020 英寸内径，10 cm，可提供多种预裁长度
注射泵控制软件	Cetoni	T6000000004	用于 nemesys 泵的 QmixElements 软件，QmixSDK 软件开发套件
热电空调装置	EIC Solutions	AAC-140C-4XT-HC	安装在隔热 enclosure 上的热电空调装置，用于控制泵、阀、混合器和样品的温度
T 型槽导轨	McMaster-Carr	47065T103	铝制 T 型槽导轨（1.5 英寸 × 1.5 英寸），可切割成不同长度
防挥发瓶盖	Cole-Parmer	EW-12018-02	含四个 304 不锈钢端口插件，1/4"-28 螺纹，GL45 瓶盖尺寸，PTFE 本体，不锈钢螺纹，PP 卡环