Name: 利用停流和小角中子散射测量纳米材料的时间演化 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-08-06T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 53 s
Description: 了解停流小角中子散射技术用于研究纳米材料动力学过程的方法。该技术利用氢氘对比度优势，适用于脂质、蛋白质等富氢材料的时间分辨结构演化分析。

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NG3 VSANS 的使用权限由高分辨率中子散射中心提供，该中心是美国国家标准与技术研究院和国家科学基金会根据协议号 DMR-2010792 建立的合作机构。M.H.L.N 感谢 Mitacs Globalink（加拿大）提供的资金支持。文中提及的任何商业产品或商标旨在促进理解，并不意味着美国国家标准与技术研究院对此表示认可或推荐。

1. 设置并启动停流系统。
<ol>
	<li>使用电源开关打开所有泵的电源供应器和动态混合器。</li>
	<li>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()&#160; 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）。</li>
	<li>在连接注射器之前，使用命令 pump.calibrate() 对泵进行校准。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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 为注射器活塞最大行程距离（mm）。</li>
	<li>将样品注射器连接至注射泵。
	<ol>
		<li>确保泵已完成校准后，将洁净的注射器筒拧紧至泵顶部的连接口（注射器安装头）。</li>
		<li>当使用玻璃注射器时，在排出填充体积前应先松开注射器安装头，以避免因活塞施加过大力量而导致玻璃注射器破裂。</li>
		<li>将注射器活塞拧紧至泵底部的连接口（注射器安装尾部）。</li>
		<li>在注射器筒和注射器活塞连接至泵后，使用命令 pump.empty() 排出该类型注射器的填充体积，使注射器活塞移动至注射器筒顶部。</li>
		<li>当使用玻璃注射器时，在活塞停止移动后拧紧注射器安装头。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将管路连接至样品源、溶剂源、注射器、阀门、混合器、样品池和混合样品容器。
	<ol>
		<li>将注射泵管路连接至泵选择阀。</li>
		<li>将泵选择阀管路连接至样品源。</li>
		<li>将泵选择阀管路连接至清洗溶剂源。</li>
		<li>将泵选择阀管路连接至混合器选择阀管路。</li>
		<li>将混合器选择阀管路连接至氮气源。</li>
		<li>将混合器选择阀管路连接至混合器入口。</li>
		<li>将混合器出口连接至进样切换阀。</li>
		<li>将进样切换阀连接至样品池入口。</li>
		<li>将样品池出口连接至出样切换阀。</li>
		<li>将出样切换阀连接至混合样品容器。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在停流系统控制 GUI 中定义所有已连接的管路和阀门（步骤 1.7），输入每个阀门对应的实际端口连接编号（参见在线开源代码仓库中的示例控制代码64）。</li>
	<li>计算混合器入口至样品池出口之间管路的空体积，该体积决定了每次测量所需填充样品池的最小样品量。</li>
</ol>
2. 加载样品。
<ol>
	<li>在停流系统控制图形用户界面中输入所需的样品填充体积和溶剂填充体积（参见在线开源代码库中的示例控制代码64）。</li>
	<li>使用 pump.aspirate() 命令通过泵选择阀从样品源中吸取（抽吸）所需体积的样品和溶剂进入样品注射器。 
	&#8203;注意：首次向空注射器加载时，注射器顶部会存在空气，必须在第3步中通过排空操作以样品和溶剂对系统进行预灌注。</li>
</ol>
3. 启动系统。
<ol>
	<li>使用 pump.dispense() 命令将注射器、管路和阀门中的所有空气排出（排液）。确保从每个注射器中排出足够的液体体积，以彻底清除注射器、管路和阀门中的所有空气。如果在任何管路内可见气泡，请继续排出溶剂或样品，直至气泡完全消除。</li>
	<li>系统中的空气排净后，至少执行一次样品进样和清洗程序（不采集中子散射数据）。
	<ol>
		<li>在控制图形用户界面（GUI）中，单击选择标记为 Start mixing experiment 的单元格。</li>
		<li>在该单元格处于选中状态时，单击控制 GUI 顶部的 Run 按钮（右三角形），或同时按下键盘上的 Shift 和 Enter 键。</li>
		<li>目视检查样品池，确认其中无气泡存在。
		<ol>
			<li>若样品池中存在气泡，则重复步骤 3.1 和 3.2，进一步清除管路中的残留空气。</li>
			<li>若样品池中无气泡，则进入步骤 4，定义后续实验流程的其余步骤。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 在程序脚本中定义停流混合方案（参见在线开源代码仓库中的代码示例64）。
<ol>
	<li>输入可编程空调（AC）单元的温度设定值，该单元用于控制停流装置周围隔热 enclosure 的温度。
	<ol>
		<li>按住 AC 控制单元上的 星号 按钮，同时按下 向上 和 向下 箭头以调节设定温度。或者，在控制 GUI 中输入所需的设定温度，然后点击 运行。</li>
		<li>等待 15–30 分钟，使 enclosure 内部温度达到设定值并保持平衡，之后再开始动力学实验。 
		注：当前可调节的温度范围为 10 °C 至 50 °C，温度稳定性为 ± 1 °C。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在控制 GUI 中输入所有冲洗程序的步骤，包括相应的体积、流速、时间及重复次数。
	<ol>
		<li>定义每次注入样品的体积，该体积决定了总流速（Q）。</li>
		<li>定义冲洗过程中每种溶剂的注入体积。</li>
		<li>定义每次冲洗子步骤之间的干燥时间（tdry）。</li>
		<li>定义冲洗子步骤的次数。</li>
		<li>定义后续各冲洗步骤中使用的不同溶剂。</li>
		<li>定义每次测量后执行的冲洗重复次数（nrinse）。</li>
		<li>定义样品池和混合器完全干燥所需的时间，以确保下一次样品注入前样品池清洁（tdry_final）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在停流系统控制 GUI 中输入所有样品注入程序的步骤，包括相应的体积、流速和时间。
	<ol>
		<li>定义每次注入样品的体积和流速。</li>
		<li>根据空体积（Vvoid）和总流速计算延迟时间（tdelay）（tdelay = Vvoid/Q）。 
		注：延迟时间是指将混合样品充满样品池所需的时间。</li>
		<li>设定 TR-SANS 数据的采集时间，确保所关注的整个动力学过程在此时间内完成（tscatt）。</li>
		<li>设定散射实验结束与冲洗循环开始之间等待的时间（twait）。 
		注：如果需要在样品从样品池冲洗前测量其中子透射率，则该等待时间应至少为 100 秒。样品透射率在&#160;数据处理过程中用于将数据归一化为绝对强度。</li>
		<li>定义执行的注入循环次数，每次注入之间运行步骤 4.2 中定义的冲洗程序（ncycle）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用公式（1）计算单次停流数据采集循环的总时间（tcycle）。 
	tcycle = nrinse × (tdelay + tdry) + tdry_final + tdelay + tscatt&#160;（1） 
	其中，nrinse = 冲洗重复次数（步骤 4.2.6）；tdelay = 停流装置的延迟时间（步骤 4.3.2）；tdry = 每次冲洗子步骤之间的干燥时间（步骤 4.2.3）；tdry_final = 样品池和混合器完全干燥所需时间（步骤 4.2.7）；tscatt = 所需 TR-SANS 数据采集时间（步骤 4.3.3）</li>
</ol>
5. 在SANS仪器控制图形用户界面中定义小角中子散射参数。
<ol>
	<li>确定每个样品的关注长度尺度和q范围。</li>
	<li>设定仪器配置，以覆盖所需的关注q范围，同时最大化样品处的中子通量。</li>
	<li>在SANS仪器控制图形用户界面中，将VSANS总数据采集时间设置为步骤4.4中计算出的周期时间（中子散射数据采集时间 = tcycle）。</li>
	<li>在SANS仪器控制图形用户界面中，将样品透射测量时间设置为100秒。</li>
	<li>使用SANS仪器控制图形用户界面，在命令行中输入 GenerateEventModeData true ，以开启事件模式数据采集。</li>
</ol>
6. 在开始停流实验以处理时间分辨小角中子散射（TR-SANS）数据之前，收集用于数据归约的标准散射测量数据。
<ol>
	<li>测量背景散射。
	<ol>
		<li>确保本地仪器快门处于关闭状态。</li>
		<li>将阻断光束样品固定在样品光阑背面，固定本地仪器环境，然后打开本地仪器快门。</li>
		<li>在软件中设定阻断光束散射数据的采集时间，并采集阻断光束散射数据，计数时间与最长的散射数据采集时间（tscatt）相同。</li>
		<li>数据采集完成后，关闭仪器快门，并从样品光阑上取下阻断光束样品。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测量空池散射。
	<ol>
		<li>确保样品池已彻底冲洗并干燥。</li>
		<li>打开本地仪器快门。</li>
		<li>采集空池透射测量数据，持续 100 秒。</li>
		<li>采集空池散射测量数据，计数时间至少为最长采集时间（tscatt）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
7. 开始停流实验。
<ol>
	<li>以事件模式开始 VSANS 散射数据采集。
	<ol>
		<li>确保本地仪器区域安全，然后打开本地仪器的束流快门。</li>
		<li>在仪器计算机上使用 SANS 仪器控制软件，通过将所需运行拖放到仪器队列中来开始 SANS 数据采集。 
		注意：为确保测量最早的时间点，在开始停流混合实验之前即开始数据采集。后续步骤中将对延迟时间（tdelay）进行数据后处理。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在控制图形用户界面（GUI）中启动停流混合实验。
	<ol>
		<li>在停流系统控制 GUI 中，选择标记为开始混合实验的笔记本单元格。</li>
		<li>选中该单元格后，点击停流设备控制程序顶部的运行按钮（右三角形），或同时按下键盘上的Shift和Enter键。</li>
		<li>确认第 4 节中定义的停流混合程序已开始运行。</li>
		<li>在散射运行结束后，使用 SANS 仪器控制 GUI 将 100 秒的透射率测量添加到 VSANS 仪器队列中。</li>
		<li>在 SANS 仪器控制 GUI 中，为每个剩余的停流混合循环（ncycle - 1，步骤 4.3.5）向仪器队列添加一次散射测量运行和一次透射率测量运行。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
8. 处理并降低数据以去除所有背景信号，校正检测器灵敏度，并校正样品透射率。
<ol>
	<li>从服务器下载散射数据文件及相关的事件文件。 
	注意：每次VSANS测量后将生成独立的探测器事件文件，每个活动的探测器载台（例如前、中和/或后探测器）对应一个事件文件。</li>
	<li>使用命令 events=Rebin(filename)，后接命令 events.do_rebinning(timebins)，将散射数据按所需的时间区间进行分箱，其中输入参数 filename 对应于目标SANS数据文件的名称，timebins 是以秒为单位的所需时间分箱边界的列表。 
	注意：如果输入的 timebins 为单个数值而非列表，则数据将被划分为 N 个等时间宽度的分箱，其中 N 为输入的 timebins 值（参见光束线提供的软件脚本及在线开源代码仓库64）。</li>
	<li>使用光束线提供的软件对分箱后的散射数据进行归约处理65。</li>
</ol>
9. 分析时间分辨小角中子散射（TR-SANS）数据。
<ol>
	<li>利用公式（2）根据测量时间计算感兴趣的过程时间（tprocess）。 
	tprocess = ti&#160;-&#160; tstop +&#160; tdelay&#160;（2） 
	其中 ti 为流体停止后开始的测量时间区间，tstop 为流体停止瞬间的测量时间，tdelay 为延迟时间。</li>
	<li>使用步骤 8.2 中定义的时间区间以及步骤 9.1 中计算得到的&#160;tprocess&#160;，绘制 I(q) 随过程时间变化的 q 依赖强度图。 
	注意：最早可测的过程时间受限于 tdelay。若需测量更早的时间点，可提高总流速（Q）或减小总体积空隙（Vvoid）。</li>
	<li>从 I(q) 随过程时间的变化中提取感兴趣的动力学参数。</li>
</ol>
10. 结束实验。
<ol>
	<li>通过关闭本地仪器快门来关闭中子束。</li>
	<li>在断开任何部件、管路或卸下任何样品或混合样品容器之前，使用光束线提供的辐射监测仪进行辐射检查。</li>
	<li>将注射器、管路和混合样品容器转移至健康物理部门。</li>
	<li>填写健康物理表格，并等待健康物理人员评估。</li>
</ol>

作者声明无利益冲突。

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。 &#8776;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；...

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 nm4,5。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13,14,15。这种独特的散射对比度使时间分辨小角中子散射（TR-SANS）成为其他基于停流技术测量方法的有力补充。
停流混合方法常用于小角X射线散射（SAXS）16,17,18,19,20,21、荧光光谱法22,23,24,25,26以及光散射27,28,29,30,31,32实验中，以研究毫秒时间尺度上的动力学过程。SANS与SAXS之间的一个重要区别在于，中子散射是一种非破坏性表征技术，因此SANS可以在数小时甚至数天内对同一样品进行多次测量，而不会像高通量X射线散射实验33那样造成样品的电离辐射损伤。由于重复的SANS测量不会改变探针分子或样品的化学结构，因此可以在无光漂白效应干扰的情况下研究其时间演化过程，而光漂白效应可能会使依赖荧光的动力学测量变得复杂23,24。此外，SANS还可用于测量高浓度且光学不透明的样品，这类样品通常难以通过动态光散射等基于光的技术进行表征。
除了提供纳米尺度的结构信息外，小角中子散射（SANS）还可通过中子散射长度密度对比度的变化来探测这些结构的局部组成。不同元素的散射长度密度（SLD）在元素周期表中随机变化，并且同一元素的不同同位素之间也存在差异。一个常用的例子是氢（1H 或 H）和氘（2H 或 D），它们的中子散射长度显著不同。因此，富含氢的材料（如表面活性剂、脂质、蛋白质、RNA、DNA 以及其他聚合物）可以通过 SANS 与氘代溶剂区分开来，同时不会显著改变体系的物理性质。然而需要注意的是，H/D 交换可能会影响样品的密度、氢键作用以及相变温度。尽管如此，SANS 对富含氢材料的独特灵敏度在软物质研究中尤为有用，因为在基于 X 射线的技术（如小角 X 射线散射 SAXS）中，感兴趣样品的散射对比度和信号通常较弱。同位素取代还使得 SANS 成为研究富含氢材料中分子交换动力学的有力工具，只需将 H 标记和 D 标记的分子混合即可。在那些体积较大的荧光染料比目标表面活性剂或脂质分子更大并可能影响交换动力学的体系中，同位素取代尤其具有优势34,35。
时间分辨SANS测量具有优势，因为所测得的强度是时间、长度尺度和散射长度密度对比度的函数。因此，可以设计时间分辨SANS实验，以研究样品空间分布和组分随时间变化的动力学过程。SANS的这些独特优势已为多种软物质体系（如表面活性剂）中的动力学过程提供了重要的科学见解36,37,38，乳液39,40,41，脂质34,42,43,44,45,46,47,48,49,50和聚合物51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62大多数时间分辨小角中子散射（TR-SANS）研究集中于分钟到小时的时间尺度。然而，许多备受关注的动力学过程发生在秒级时间尺度上，对于理解其潜在机制至关重要。捕捉这些早期时间点需要实现溶液的快速混合与测量。 原位，其中混合过程与停流光散射实验中的数据采集同步进行27,28,29,30,31,32，荧光22,23,24,25,26和X射线16,17,18,19,20,21 实验。本工作描述了一种样品环境的使用方法，该环境可快速混合多种液体样品，并将混合物注入石英玻璃池中用于时间分辨小角中子散射（TR-SANS）测量。该混合装置是对近期开发的毛细管流变-小角中子散射（rheoSANS）装置的改进版本。63 并利用多个注射泵和阀门来控制样品混合以及自动化细胞清洁。通过将注射泵连接至一系列流路选择阀，可对多个进样流路进行重复混合、测量、冲洗和干燥，从而在秒级时间尺度上实现时间分辨小角中子散射（TR-SANS）测量。
当前实验流程假设目标样品已被识别并完成制备。我们重点关注 原位 混合装置及收集时间分辨小角中子散射（TR-SANS）数据的方法。中子散射数据在国家标准与技术研究院（NIST）中子研究中心（NCNR）的VSANS仪器上采集；然而，该方法应适用于其他小角中子散射（SANS）仪器。有兴趣在其他SANS仪器上实施类似协议的读者，应咨询当地仪器科学家，以确定最佳仪器配置，从而在与目标动力学过程最相关的长度尺度和时间尺度上最大化中子通量。本文所展示的数据是使用VSANS上的高通量“白光束”配置采集的，以牺牲空间分辨率为代价来最大化中子计数5。探测器滑座被定位以覆盖一定范围的散射矢量（q），0.005 Å-1 &lt; q &lt; 0.5 Å-1，对应长度尺度约为130 nm至约13 nm。散射矢量定义为 q = 4π/λ sin(θ/2)，其中 λ 为中子波长，θ 为散射角。
用于时间分辨小角中子散射（TR-SANS）测量的停流混合装置由多个泵、清洗注射器、样品注射器、流路选择器、动态混合器、样品池以及混合样品容器组成，如图1所示。所有密封的流体通路均位于一个带有空调的封闭腔体内，包括注射器、阀门、连接管路、动态混合器和样品池。通过可编程的热电空调系统控制腔体温度，可在±1 °C的精度下将温度维持在10 °C至50 °C范围内。请注意，部分腔体隔热材料已被移除，以便展示装置的内部工作部件。主混合装置的腔体安装在NCNR的NG3 VSANS中子束线上的平移平台上。通过调节该平移平台的位置，可将样品池精确置于中子束路径（黄色虚线）上。
<img alt="用于光学激发、动态混合和中子吸收实验的气动注射泵装置示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62873/62873fig1v2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图1"> 
图1：在NIST中子研究中心VSANS光束线上结合停流混合与小角中子散射测量的典型装置示意图。该装置包含四个注射泵、两个用于溶剂冲洗的注射器和两个用于样品注入的注射器、四个泵选择阀、两个混合器选择阀、一个动态混合器、一个流通式石英池以及一个混合样品收集容器。入射中子从位于样品池内的混合样品上发生散射。使用带有石英窗口的隔热 enclosure 和热电空调单元，以保持样品及所有设备处于恒定温度。黄色虚线表示中子束路径。比例尺 = 10 cm。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62873/62873fig1v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
图中所示的装置 图1 配备两个样品注射器、两个清洗注射器和一个样品池。该方案各步骤对应的流路示意图如下所示。 图2将两种不同样品的所需体积分别注入混合器和样品池中（图2A）。样品池填满后，关闭进样切换阀（ISV）和出样切换阀（OSV），以将样品池与动态混合器隔离，并防止在采集时间分辨小角中子散射（TR-SANS）数据期间样品反向扩散回样品池图2B）。在动态混合器之前，连接管的长度在10 cm至1 m之间变化，不会影响混合延迟时间。然而，动态混合器与样品池之间的管路连接会影响混合延迟时间以及所需的样品注入体积。采用预切的不锈钢管（内径0.04英寸（1 mm），长度100 mm）连接动态混合器、混合选择阀（MSV1和MSV2）以及ISV和OSV。采用氟化管（内径1 mm，长度115 mm）将ISV和OSV（或动态混合器出口）连接至样品池。影响混合延迟时间的总空体积包括混合器空体积（0.15 mL）、混合器出口至样品池入口之间的管路体积（0.09 mL）以及样品池体积（0.16 mL）。在本示例中，总空体积为0.4 mL。与管路、混合器和样品池的空体积相比，阀门的内部空体积可忽略不计。例如，所用的低压选择阀（孔径0.75 mm）其空体积约为 4 µL，而高压选择阀和切换阀（0.25 mm 内径）的空体积约为 0.5 µL.
完成时间分辨小角中子散射（TR-SANS）测量后，使用溶剂将样品从样品池中推出，并反复泵入清洗溶剂，以去除残留样品并清洁样品池（图2C）。请注意，清洗用注射器通过泵选择阀连接至较大的溶剂储液罐（例如水和乙醇），以确保在每次测量之间有充足的溶剂体积用于清洁样品池。含有易燃液体的溶剂源、样品源和混合样品容器均放置在独立的封闭空间内，且该空间不放置任何电气设备，以消除所有可能的点火源。此外，使用防挥发瓶盖以减少易燃蒸气的产生和溶剂挥发。最后，通过氮气气流干燥样品池，以去除残留的清洗溶剂（图2D）。通过氮气钢瓶上的手动压力调节器，将进入混合器选择阀的氮气入口压力调节至约2 bar（0.2 MPa，表压）。当样品池充分清洁并干燥后，将新配制的样品注入样品池，开始下一轮测量循环（重复 图2A 流程图中所示的混合与注射过程）。
<img alt="溶剂输送系统示意图，包含注射器、阀门、光谱仪；色谱过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62873/62873fig2v2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图2"> 
图2：使用一个样品池、两种样品混合以及两种清洗溶剂进行清洗的流程示意图。（A）样品A（蓝色）与样品B（红色）混合，随后将混合样品（紫色）流入样品池。（B）在数据采集过程中，停流装置的状态，此时ISV和OSV切换阀关闭，以隔离样品池，并防止数据采集期间样品反向扩散。（C）数据采集完成后，使用来自SS1的清洗溶剂（绿色）对样品池进行清洗的步骤。（D）使用氮气（橙色）对样品池进行干燥的步骤。缩写：PSV = 泵选择阀；MSV = 混合器选择阀；OSV = 出口切换阀；ISV = 入口切换阀；SS1 = 溶剂源1；SSA = 样品源A；N2 = 氮气源。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62873/62873fig2v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
图3展示了略有不同的流程图版本，其中混合装置配置了两个独立的样品池，并连接至同一组切换阀（图3A）。当在样品池1中采集时间分辨小角中子散射（TR-SANS）数据时，样品池2正在进行冲洗（图3B）和干燥（图3C）。当样品池1的数据采集完成后，进样切换阀将新混合的样品导入样品池2以进行数据采集（图3D）。在样品池2采集TR-SANS数据的同时，样品池1则进行冲洗和干燥（图3E）。这种在两个样品池之间交替并行的操作方式，最大限度地缩短了连续进样之间的时间间隔，并提高了中子束时间的利用效率。
<img alt="使用双阀装置进行蛋白质纯化的流路系统示意图，展示各种状态。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62873/62873fig3v2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图3"> 
图3：使用两个样品池、两种样品混合以及两种清洗溶剂的流程示意图。（A）混合样品A（蓝色）和样品B（红色），然后将混合后的样品（紫色）流入样品池1。（B）在样品池1进行数据采集时，样品池2使用来自SS1的溶剂（绿色）进行冲洗，此时为停流装置的状态。（C）在样品池1进行数据采集时，样品池2用氮气（橙色）干燥，此时为停流装置的状态。（D）当样品池1的数据采集完成后，立即混合新的样品（紫色）并将其流入样品池2。（E）在样品池2进行数据采集时，样品池1使用来自SS1的溶剂（绿色）进行冲洗。当一个样品池正在测量时，另一个样品池则正在进行清洗和干燥。停流测量过程在两个样品池之间交替进行，以最小化连续样品混合注入之间的时间间隔。缩写：PSV = 泵选择阀；MSV = 混合器选择阀；OSV = 出口切换阀；ISV = 入口切换阀；SS1 = 溶剂源1；SSA = 样品源A；N2 = 氮气源。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62873/62873fig3v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
以下详细描述了连接泵和管路、启动系统、冲洗和干燥样品池以及注入混合样品的逐步操作流程。尽管为简化起见仅展示了单样品池配置（图2），但该灵活的模块化装置、操作流程及脚本可轻松修改，以适配更多注射泵、阀门、混合器或样品池配置，例如 图3 所示的双样品池配置。图4 展示了在混合与清洗注射循环过程中采集的代表性原始中子计数率数据，而 图5 和 图6 分别展示了在3种不同温度下测得的脂质交换动力学以及归一化散射强度（对应已交换脂质的比例）。

<table><tbody><tr><td>动态混合器</td><td>Analytical Scientific Instruments</td><td>462-0150A</td><td>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）</td></tr><tr><td>氟聚合物管路</td><td>IDEX Health &amp; Science</td><td>1507L</td><td>PFA 管路，天然色，1/16 英寸外径 × 0.040 英寸内径 × 50 英尺</td></tr><tr><td>氟聚合物 1/4-28 无法兰接头</td><td>IDEX Health &amp; Science</td><td>XP-245</td><td>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</td></tr><tr><td>玻璃注射器</td><td>Hamilton Company</td><td>81660</td><td>Hamilton 1000 系列注射器，10 mL（81660），型号 1010 C 注射器，1/4&quot;-28 螺纹接口，其他容积可选</td></tr><tr><td>高压流路选择阀</td><td>Vici Valco</td><td>C85X-1570EUTB</td><td>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</td></tr><tr><td>高压切换阀</td><td>Vici Valco</td><td>C82X-1574EUHB</td><td>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</td></tr><tr><td>高压注射器</td><td>Cetoni</td><td>A2019000358</td><td>3 mL 不锈钢注射器，最大压力 510 bar，最大流速 21 mL/min</td></tr><tr><td>低压流路选择阀</td><td>Vici Valco</td><td>C25-3180EUHB</td><td>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</td></tr><tr><td>neMESYS 高压注射泵</td><td>Cetoni</td><td>A3921000103</td><td>最大推力 2600 N</td></tr><tr><td>neMESYS 中压注射泵</td><td>Cetoni</td><td>A3921000131</td><td>最大推力 1000 N</td></tr><tr><td>电源</td><td>Cetoni</td><td>A3921000127</td><td>Base 600，可为最多 4 台高压泵供电</td></tr><tr><td>石英流通样品池</td><td>Starna Scientific</td><td>3-2.30-Q-1/TC</td><td>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</td></tr><tr><td>石英窗口片</td><td>Technical Glass Products</td><td>NA</td><td>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</td></tr><tr><td>不锈钢 10-32 锥形压缩接头</td><td>IDEX Health &amp; Science</td><td>U-321X, U-320X</td><td>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</td></tr><tr><td>不锈钢管路</td><td>IDEX Health &amp; Science</td><td>U-102</td><td>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</td></tr><tr><td>注射泵控制软件</td><td>Cetoni</td><td>T6000000004</td><td>用于 nemesys 泵的 QmixElements 软件，QmixSDK 软件开发套件</td></tr><tr><td>热电空调装置</td><td>EIC Solutions</td><td>AAC-140C-4XT-HC</td><td>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</td></tr><tr><td>T 型槽导轨</td><td>McMaster-Carr</td><td>47065T103</td><td>铝制 T 型槽导轨（1.5 英寸 × 1.5 英寸），可切割成不同长度</td></tr><tr><td>防挥发瓶盖&amp;nbsp;</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-12018-02</td><td>含四个 304 不锈钢端口插件，1/4&quot;-28 螺纹，GL45 瓶盖尺寸，PTFE 本体，不锈钢螺纹，PP 卡环</td></tr></tbody></table>

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

Measuring the Time-Evolution of Nanoscale Materials with Stopped-Flow and Small-Angle Neutron Scattering

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。

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 ke66,67。先前的荧光研究表明，ke 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...

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。

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研究纳米尺度结构的方法。

停流小角散射（stop flow SANS）使我们能够研究纳米级材料在数秒至数分钟特定时间尺度上的演化过程。中子散射所特有的氢与氘之间的对比效应，使得该技术在研究富含氢的材料（如脂质、蛋白质和聚合物）时尤为有用。如果您有兴趣利用停流装置研究您关注的材料，请联系散射设施的美国本地仪器科学家，以协助规划您的实验。演示该实验操作的是美国国家标准与技术研究院（NIST）中子研究中心（NCNR）的化学工程师 Ryan Murphy，以及同在 NCNR 任职的物理学家 Brian Maranville。首先，打开所有泵的电源供应器和动态混合器。使用电源开关，通过进入设备配置路径并输入文本稿件中提到的命令，在受控图形用户界面（GUI）中启动停流系统中的所有泵和阀门，并在连接注射器之前对泵进行校准。在确认泵已校准后，将洁净的注射器筒拧入泵顶部的接口。在注入填充体积之前，务必先松开注射器固定头，以避免因活塞受力过大而导致注射器破裂。然后将注射器活塞拧入泵底部的接口。在注射器筒和注射器活塞与泵连接后，排出填充体积。待活塞停止移动后，拧紧注射器固定头。然后将管路连接至样品和溶剂来源、注射器、阀门、混合器、样品池以及混合样品容器。在停流系统控制的图形用户界面中，通过输入各阀门对应的端口编号，定义所有管路和阀门的连接。通过泵选择阀，从样品和溶剂来源将所需体积的样品和溶剂吸入样品注射器中以完成样品加载。然后通过从注射器、管路和阀门中排出所有空气来启动系统，确保每个注射器都排出足够的液体体积。为彻底去除所有气泡，在系统中的空气排净后，选择控制GUI中标记为“开始混合实验”的单元格，并点击该单元格，执行至少一次样品进样操作。接着点击控制GUI顶部的运行按钮，或同时按下键盘上的Shift键和回车键。目视检查样品池中是否存在气泡。如果存在气泡，则重复排空步骤；否则继续定义其余实验方案步骤。以定义停流混合程序。输入控制停流装置周围隔热 enclosure 温度的可编程空调单元的温度设定点。然后通过在受控的图形用户界面（GUI）中输入相应的体积、流速、时间和重复次数，输入所有冲洗步骤。接下来，在停流系统控制的图形用户界面中输入所有样品注入步骤的相应体积、流速和时间，最后计算单次停流数据采集周期的总时间，以确定 SANS 参数。在由SANS仪器控制的图形用户界面中，将VSANS总数据采集时间设置为先前计算出的周期时间。然后将样品透射率测量时间设置为100秒，并开启事件模式数据采集，以测量背景散射。在将遮挡光束样品安装到样品孔径后端之前，确保本地仪器快门处于关闭状态。然后，在固定好本地仪器环境后，打开本地仪器快门。接下来，在软件中设定遮挡光束散射数据的采集时间，并以与最长散射数据采集时间相同的持续时间进行遮挡光束散射数据的计数采集。数据采集完成后，关闭仪器快门，并从样品孔径中取出被阻挡的光束样品。然后在开始停流实验之前，测量空池的散射。确保本地仪器区域安全。然后打开本地仪器的束流快门。在仪器计算机上使用SANS仪器控制软件，通过将所需的运行任务拖放到仪器队列中，开始SANS数据采集。接着，在受控的图形用户界面（GUI）中启动停流混合实验，并确认已定义的停流混合程序开始运行。然后将透射运行添加到队列底部。散射运行结束后将采集透射数据。从服务器下载散射数据文件及相关事件文件后，通过输入文本稿件中指示的相应命令，将散射数据按所需的时间区间进行分 bin 处理。然后使用光束线上提供的软件对bin散射数据进行约化，以分析时间分辨的SANS数据，并利用文本稿件中提供的公式根据测量时间计算感兴趣的过程时间。接着从强度随过程时间变化的Q依赖性变化中提取感兴趣的动力学参数。多次注射循环中盐缓冲液背景的中子计数率测量结果，每个循环包含九个冲洗步骤。此处展示了一次抽吸步骤和一次样品注入步骤。将单独的H标记和D标记脂质溶液在Tmix时刻混合后，立即流入样品池。当样品池在Tfill时刻充满时，测量的中子计数率迅速上升并达到最大值。三种不同温度下混合脂质囊泡样品的中子计数被绘制为校正后过程时间尺度的函数，该时间尺度为所关注的过程时间减去稳态流动期和延迟时间。SANS 数据以事件模式连续采集，随后可进行后处理，归入所需的时间区间。脂质交换动力学在 36 摄氏度、30 摄氏度和 20 摄氏度下进行测量。这些数据被划分为等长的三秒时间区间，代表了从时间分辨小角中子散射（TR SANS）测量中可获得的、依赖于时间和长度尺度的信息。归一化强度作为过程时间的函数，在不同温度下进行了绘制。结合停流混合与时间分辨小角中子散射技术，为探索纳米尺度材料的结构演化提供了新的机遇，其应用范围涵盖脂质纳米颗粒、下一代药物与疫苗，以及绿色建筑材料中使用的地质聚合物。

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利用停流和小角中子散射测量纳米材料的时间演化

开发了一种用于在剪切流动的流速-流速梯度平面内进行小角中子散射测量的剪切池，并用于表征复杂流体。该装置可在流速梯度方向上实现空间分辨测量，适用于剪切带状材料的研究。应用范围包括胶体分散体系、聚合物溶液以及自组装结构的表征。...

利用1-2平面流动-小角中子散射测量流动条件下材料的微观结构

本文介绍了一种利用小角中子散射进行结构表征，对碳纳米管进行具有结构可调聚合物封装层的功能化方法。...

单壁碳纳米管与热可逆嵌段共聚物的功能化及其小角中子散射表征

本文介绍了一种用于在宽泛的介观尺度（从纳米到微米）上研究软物质与生物物理系统的实验方案，...

在小角中子衍射仪KWS-2上研究纳米至微米尺度的软物质与生物系统

介绍了一种利用动态光散射显微镜直接测量浓溶液中粒径分布的实验方案。...

通过动态光散射显微技术测量浑浊溶液中的颗粒尺寸分布

本方案描述了用于在水中观察金纳米颗粒（AuNPs）纳米尺度动态过程的液体流动样品 holder...

使用扫描透射电子显微镜研究液体中纳米级物体的动态过程

本文介绍了一种在剪切流动条件下对软物质材料同时测量阻抗、流变学和中子散射的实验方法。...

介电流变小角中子散射——复杂流体阻抗、流变性与小角中子散射的同步表征

本文介绍了一种实验上可实现的模拟方法，用于研究稠密流体中的分子流体动力学过程。该技术利用振动下高恢复系数颗粒堆的粒子图像测速法，能够直接在宏观尺度上观测到强相互作用、高密度气体和液体中已知或预测存在的动力学过程。...

一种用于研究稠密气体和液体中分子流体动力学过程的宏观模拟技术

我们展示了一种全电子方法，利用扫描隧道显微镜观测硅中掺杂原子的纳秒级电荷动力学过程。...

全电子纳秒时间分辨扫描隧道显微术：推动单个掺杂原子电荷动力学研究

本实验方案描述了研究两种在人类健康中具有重要作用的模型蛋白质结构与动力学特性的方法。该技术结合了台式生物物理表征与中子自旋回波谱学，可在与蛋白质结构域间运动相关的时间和长度尺度上探测其动力学行为。...

蛋白质动力学研究 通过 中子自旋回波谱学

利用成像衍生的均方位移（iMSD）分析来研究巨胞饮泡，以突出其在结构和动态特性方面随时间演变的内在特性。随后将巨胞饮泡与胰岛素分泌颗粒（ISGs）进行比较，后者作为具有时间不变平均结构/动态特性的亚细胞结构的参照。...

通过时空涨落光谱探测转运亚细胞纳米结构的结构与动态特性

中子背散射谱学提供了一种无损且无需标记的方法，用于研究蛋白质及其水合水在皮秒至纳秒时间尺度上的动力学行为。本文通过两项关于淀粉样蛋白的研究展示了该方法的工作流程：一是溶菌酶在聚集过程中时间分辨的动力学研究，二是tau蛋白在形成纤维时其水合水动力学的研究。...

高分辨率中子谱学研究蛋白质及水合水的皮秒至纳秒动力学

了解停流小角中子散射技术用于研究纳米材料动力学过程的方法。该技术利用氢氘对比度优势，适用于脂质、蛋白质等富氢材料的时间分辨结构演化分析。

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

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