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

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。