Messung der zeitlichen Entwicklung von nanoskaligen Materialien mit gestopptem Fluss und Kleinwinkel-Neutronenstreuung

Stop-Flow-Kleinwinkelstreuung oder Stop-Flow SANS ermöglicht es uns, zu untersuchen, wie sich nanoskalige Materialien auf festgelegten Zeitskalen von Sekunden bis Minuten entwickeln. Der Kontrast zwischen Wasserstoff und Deuterium, der nur bei der Neutronenstreuung vorkommt, macht diese Technik besonders nützlich für die Untersuchung von Materialien, die reich an Wasserstoff sind, wie z. B. Lipide, Proteine und Polymere. Wenn Sie daran interessiert sind, Stop-Flow-Stative zu verwenden, um die gewünschten Materialien zu untersuchen, wenden Sie sich an einen US-amerikanischen Instrumentenwissenschaftler in einer Streueinrichtung, um Ihr Experiment zu planen.

Ryan Murphy, Chemieingenieur am National Institute of Standards and Technology (NIST), Center for Neutron Research am NCNR, und Brian Maranville, Physiker, ebenfalls am NCNR, werden das Verfahren demonstrieren. Schalten Sie zunächst alle Pumpennetzteile und dynamischen Mischer ein. Initiieren Sie mit dem Netzschalter alle Pumpen und Ventile in der vom gestoppten Durchflusssystem gesteuerten GUI durch Eingabe des Gerätekonfigurationspfads und der im Textmanuskript erwähnten Befehle, kalibrieren Sie die Pumpen, bevor Sie Spritzen anbringen.

Nachdem sichergestellt wurde, dass die Pumpen kalibriert wurden. Schrauben Sie saubere Spritzenzylinder in den Anschluss an der Oberseite der Pumpe. Stellen Sie sicher, dass der Spritzenhalterungskopf vor der Abgabe des Füllvolumens gelöst ist, damit die Spritze nicht durch übermäßige Kraft des Spritzenkolbens bricht.

Schrauben Sie dann den Spritzenkolben in den Anschluss an der Unterseite der Pumpe. Nachdem der Spritzenzylinder und der Spritzenkolben mit der Pumpe verbunden sind, geben Sie das Füllvolumen ab. Nachdem sich der Kolben nicht mehr bewegt, ziehen Sie den Spritzenhalterungskopf fest.

Schließen Sie dann den Schlauch an die Proben- und Lösungsmittelquellen, Spritzen, Ventile, Mischer, Probenzellen und den gemischten Probenbehälter an. Definieren Sie alle Schlauch- und Ventilverbindungen, die in der GUI des gestoppten Durchflusssystems vorgenommen wurden, indem Sie die entsprechenden Anschlussnummern eingeben, die zu jedem Ventil hergestellt wurden. Um die Probe zu laden, saugen Sie die gewünschten Proben- und Lösungsmittelvolumina aus ihren Quellen durch die Pumpenwahlventile in die Probenspritzen ab.

Bereiten Sie dann das System vor, indem Sie die gesamte Luft aus den Spritzen, Schlauchleitungen und Ventilen abgeben und sicherstellen, dass aus jeder Spritze genügend Flüssigkeitsvolumen abgegeben wird. Um alle Luftblasen zu entfernen, führen Sie nach dem Spülen der Luft aus dem System mindestens eine Probeninjektion durch, indem Sie in der gesteuerten GUI auf die Zelle mit der Bezeichnung Mischexperiment starten klicken, wobei diese Zelle aktiv ausgewählt ist. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Ausführen" oben in der gesteuerten Benutzeroberfläche oder drücken Sie die Umschalttaste und geben Sie die Tasten gleichzeitig auf der Tastatur ein.

Untersuchen Sie die Probenzelle visuell auf Luftblasen. Wenn Blasen vorhanden sind, wiederholen Sie die Löschschritte, andernfalls fahren Sie mit der Definition der verbleibenden Schritte des Experimentprotokolls fort. Zum Definieren des Protokolls für das gestoppte Durchflussmischprotokoll.

Geben Sie den Temperatursollwert des programmierbaren Klimageräts ein, das die Temperatur der isolierten Gehäuse um das Gerät mit gestopptem Durchfluss steuert. Geben Sie dann alle Schritte der Spülsequenz ein, indem Sie die entsprechenden Mengen, Durchflussraten, Zeiten und Anzahl der Wiederholungen in die gesteuerte GUI eingeben. Definieren Sie als Nächstes alle Sequenzschritte der Probeninjektion, indem Sie die entsprechenden Volumina, Durchflussraten und Zeiten in die vom System gesteuerte GUI des gestoppten Durchflusssystems eingeben und schließlich die Gesamtzeit eines einzelnen gestoppten Durchflussdatenerfassungszyklus berechnen, um die SANS-Parameter zu definieren.

Stellen Sie die gesamte VSANS-Datenerfassungszeit in der gerätegesteuerten SANS-GUI auf die zuvor berechnete Zykluszeit ein. Stellen Sie dann die Messzeit für die Abtastübertragung auf 100 Sekunden ein und schalten Sie die Datenerfassung im Ereignismodus ein. Zum Messen der Hintergrundstreuung.

Stellen Sie sicher, dass der lokale Instrumentenverschluss geschlossen ist, bevor Sie die Probe mit blockiertem Strahl an der Rückseite der Probenöffnung anbringen. Öffnen Sie dann, nachdem Sie die lokale Geräteumgebung gesichert haben, den lokalen Instrumentenverschluss. Definieren Sie als Nächstes die Datenerfassungszeit für die Streuung des blockierten Strahls in der Software und erfassen Sie die Zählung der Daten zur Streuung des blockierten Strahls für die gleiche Dauer wie die längste Datenerfassungszeit für die Streuung.

Sobald die Datenerfassung abgeschlossen ist, schließen Sie den Geräteverschluss und entfernen Sie die blockierte Strahlprobe aus der Probenöffnung. Fahren Sie dann mit der Messung der Streuung leerer Zellen fort, bevor Sie mit dem Experiment zum Stoppen des Flusses beginnen. Stellen Sie sicher, dass der lokale Instrumentenbereich sicher ist.

Fügen Sie dann den Übertragungslauf am Ende der Warteschlange hinzu. Das Getriebe wird nach Beendigung des Streulaufs abgeholt. Nach dem Herunterladen der Streudatendatei und der zugehörigen Ereignisdateien vom Server werden die Streudaten durch Eingabe der entsprechenden Befehle, wie im Textmanuskript angegeben, in die gewünschten Zeitabschnitte verschoben.

Reduzieren Sie dann die Bin-Streudaten mit der in der Strahllinie bereitgestellten Software, um die zeitaufgelösten SANS-Daten zu analysieren, und berechnen Sie die interessierende Prozesszeit aus den Messzeiten anhand der im Textmanuskript bereitgestellten Gleichung. Extrahieren Sie dann die interessierenden kinetischen Parameter aus der Änderung der Q-abhängigen Intensität als Funktion der Prozesszeit. Die gemessenen Neutronenzählraten des Salzpufferhintergrunds über mehrere Injektionszyklen, die aus neun Spülschritten bestehen.

Ein Ziehschritt und ein Probeninjektionsschritt sind hier dargestellt. Die einzelnen H-markierten und D-markierten Lipidlösungen wurden zum Zeitpunkt der T-Mischung gemischt und flossen sofort in die Probenzelle. Die Neutronenzählrate der Messung stieg sprunghaft an und erreichte einen Maximalwert, wenn die Probenzelle mit T-Füllung gefüllt wurde.

Die Neutronenzahlen aus der gemischten Lipidvesikelprobe bei drei verschiedenen Temperaturen werden als Funktion der korrigierten Prozesszeitskala aufgetragen, d. h. der interessierenden Prozesszeit, korrigiert um die stationäre Flussperiode und die Verzögerungszeit. SANS-Daten wurden kontinuierlich im Ereignismodus gesammelt, die dann in die gewünschten Zeitabschnitte nachbearbeitet werden können. Die Lipidaustauschkinetik wurde bei 36 Grad 30 Grad und 20 Grad Celsius gemessen.

Diese Daten wurden in gleiche Zeitabschnitte von drei Sekunden gebogen und sind repräsentativ für die zeit- und längenskalenabhängigen Informationen, die aus einer TR SANS-Messung gewonnen werden können. Die normierte Intensität wird als Funktion der Prozesszeit für die verschiedenen Temperaturen aufgetragen. Durch die Kombination von Stop-Flow-Mixing und Zeitauflösung bietet SANS neue Möglichkeiten zur Erforschung struktureller Entwicklungen bei Nano-Scan-Materialien, die von Lipid-Nanopartikeln über Medikamente und Impfstoffe der nächsten Generation bis hin zu Geopolymeren reichen, die in umweltfreundlichen Baumaterialien verwendet werden.