פשוט דיואר / cryostat עבור דוגמאות התרמית equilibrating בטמפרטורות ידועות מדידות הארה קריוגני מדויקות
19 ביולי 2016
מתוארים מנגנון Dewar/cryostat חנקן נוזלי פשוט המורכב מ-Dewar אופטי סיליקה התמזגה קטן, צמד תרמי וספקטרוגרף של התקן מצמד מטען (CCD). הניסויים שעבורם מתוכנן Dewar/cryostat זה דורשים טעינת דגימה מהירה, הקפאה ויישור, טמפרטורות דגימה מדויקות ויציבות וגודל/ניידות קטנים.
המטרה הכוללת של ניסוי זה היא למדוד עצימויות של ספקטרום לומנסנסיה התלויות בטמפרטורה. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בנושא הגירה של אנרגיה במצב מעורר בקומפלקסים של מתכות, כגון קומפלקסים של רותניום דיאמין.
היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שבאמצעות מכשיר ופרוצדורה פשוטים, ניתן למדוד בעדיאות עוצמות ספקטרליות התלויות בטמפרטורה. את הפרוצדורה ידגים קמרון פורטיוּן, טכנאי מהמעבדה שלי. ראשית, הכינו כ-3 מילימטרים של תמיסת כרומופור לומניסנסנטית בריכוז מולרי נמוך במים או באלכוהול, כדי להשיג את השילוב המיטבי של מתח פנים ומסיסות.
בשלב הבא, הכינו לולאת דגימה. גלגלו קטע של חוט נחושת חשוף סביב מסמר או בורג ליצירת לולאה אחת, ולאחריה כ-30 millimeters של חוט מפותל. לאחר מכן, שטפו את הלולאה בחומצה חנקית, לאחר מכן במים מזוקקים, ולבסוף ב-95% ethanol.
הקפידו להניח ציוד מגן לקראת השלב הבא. לאחר שהלולאה התייבשה, טבלו אותה בתמיסת הדגימה. מתח הפנים של התמיסה אמור ליצור שכבה דקה של התמיסה בתוך הלולאה.
לאחר מכן, טבל מיד את לולאת הדגימה הטעונה בחנקן נוזלי כדי להקפיא ולייצב את תמיסת הדגימה של השכבה הדקה. התחל בהכנת תרמוזוג נחושת-קונסטנטן, או תרמוזוג מסוג T, משני קטעי חוט נחושת וקטע אחד של חוט קונסטנטן, שהוא סגסוגת של נחושת וניקל. לאחר מכן, הדק את חוטי הנחושת והקונסטנטן יחד בזווית של 90 מעלות.
הלחים או פתל יחד שני חיבורי נחושת-קונסטנטן. אחד מיועד לדגימה והשני למשבץ ייחוס סטנדרטי. מומלץ ששני אנשים יבצעו שלב זה.
לאחר מכן, משכו את שני החוטים בחוזקה וסבבו אותם יחדיו חמש או שש פעמים. הבידוד מבטיח שהמגע היחיד שייווצר יהיה בצומת התרמוצמד. בשלב הבא, חברו את שני חוטי הנחוש של התרמוצמד מצומתי הדגימה והייחוס להדקי הכניסה של מד מתח.
לאחר מכן, הניחו את שני צמתי הדגימה והייחוס בתוך אמבט קרח ומים בטמפרטורה של 0 °C ואפסו את המדמטר. בשלב הבא, יישרו את לולאת הדגימה הטעונה ואת צומת התרמוזוג בתוך כלי דואר אופטי המלא בחנקן נוזלי. פעולה זו דורשת פקק שקמי המתאים באופן הדוק לחלקו העליון של הכלי האופטי.
הכינו תופסן סטנדרטי להחזקת הלולאה באמצעות תפס, מוט עץ וסרט איטום (plumber's tape). לאחר מכן, יישרו את לולאת הדגימה של צומת התרמוצמד עם נתיב קרן אור העירור. הדליקו את כל רכיבי האלקטרוניקה בספקטרוגרף ה-CCD לפחות שעה לפני תחילת העבודה.
בנוסף, הפעילו את מצלמת ה-CCD המקוררת כדי להגיע לטמפרטורת עבודה יציבה. בעת ביצוע הבדיקה, עקבו אחר הטמפרטורה במד המתח בזמן שהחנקן מתאדה באיטיות. מד המתח מדווח במדויק על הטמפרטורה מכיוון שהדגימה טבולה לחלוטין או בחנקן נוזלי או באדים קרים.
בצעו מדידות ספקטרומטריות בכל עלייה של חמישה Kelvin. לשם כך, הדליקו באופן רגעי או פתחו את חסימת אור העירור והשתמשו בספקטרוגרף ה-CCD כדי לרכוש ספקטרום פלוורסצנציה. פעולה זו אורכת מספר שניות בלבד.
לאחר מכן, כבו או חסמו מחדש את אור העירור כדי למזער פירוק פוטוכימי או שגיאות הנובעות מחימום הדגימה. המתח של הטרמו-זוג לא אמור להשתנות באופן משמעותי מתחילת רווח הרכישה ועד סופו. לצורך הניתוח, המירו את המתח המדווח לטמפרטורה.
בעת ביצוע מדידות אלו, אין לבצע שינויים באופטיקה, באלקטרוניקה או בעוצמת אור העירור. מאוחר יותר, יש לבצע תיקון עוצמה למערכות הנתונים הספקטרליים של ה-CCD. התרכובת tris(4,7-dimethyl-1,10-phenanthroline)rhodium(III) הומסה בגליצרין הרווי בחמצן ונחקרה באמצעות השיטה המתוארת בטמפרטורות שבין 77 ל-200 Kelvin.
עוצמת הלומנסינציה נותרה קבועה בעיקרה מ-77 Kelvin עד 175 Kelvin, ולאחר מכן פחתה בהדרגה ככל שהטמפרטורה עלתה מ-175 Kelvin ל-240 Kelvin. נבנה גרף של פרמטר המייצג את מידת המהוות (quenching) אל מול ההופכי של הטמפרטורה ב-Kelvin. כך חושבה אנרגיית הפעלה של מהוות לומנסינציית חמצן בשווי של 31.5 kilojoules per mole.
אנרגיית ההפעלה של כיבוי הפלואורסצנציה עבור מספר קומפלקסים קשוריים אחרים התקבלה אף היא בשיטה זו. העקביות הפנימית של תוצאות אלו מצביעה על כך שטמפרטורת הדגימה ידועה וקבועה בזמן רכישת הספקטרומים. טכניקה זו יכולה להסתיים תוך שעה עד שעתיים אם היא מבוצעת כראוי.
בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לזכור כי לא ניתן להזיז את הדגימה ואת הטרמוקפל לאחר תחילת הניסוי, אחרת קריאות העוצמה לא יהיו עקביות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מפרט את התכנון והתפעול של מכשיר דוואר/קריוסטט פשוט לחנקן נוזלי עבור ספקטרוסקופיה של לומינסנציה התלויה בטמפרטורה. המערכת מאפשרת הכנה מהירה של הדגימה, הקפאה וכיול, תוך שמירה על טמפרטורות דגימה מדויקות ויציבות. המכשיר מצומד לספקטרוגרף CCD לרכישת נתונים מהירה, התומכת במחקרים של דגימות לומינסנטיות בטווח טמפרטורות של 77–300 K. דוגמה ליישום היא חקירת כיבוי חמצן בקומפלקס rhodium(III).
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- ספקטרוסקופיה כימית
- כימיה פיזיקלית
- מכשור
רקע
- מדידות לומנסינציה תלויות טמפרטורה הן חיוניות לחקר הגירה של אנרגיית מצב מעורר בקומפלקסים של מתכות.
- טמפרטורות דגימה מדויקות ויציבות הן קריטיות לקבלת נתונים ספקטרוסקופיים מהימנים.
- קריוסטטים מסורתיים עלולים להיות מורכבים ופחות ניידים.
- שיטה זו משתמשת במערכת Dewar/קריוסטט פשוטה וניידת לצורך מדידות יעילות.
מטרת המחקר
- להדגים שיטה פשוטה למדידת ספקטרום לומניסנציה בטמפרטורות קריוגניות מבוקרות.
- לאפשר טיפול מהיר וניתן לשחזור בדגימות ובקרת טמפרטורה.
- לחקור כיבוי חמצן תלוי טמפרטורה בקומפלקסים של מתכתי מעבר.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנת תמיסות כרומופור לומנסנטיות בריכוז מולרי נמוך.
- יצירת דגימות שכבה דקה על לולאות של תיל נחושת.
- הקפאה מהירה של הדגימות בחנקן נוזלי.
- שימוש בתרמוקפל נחושת-קונסטנטן (Type T) למדידת טמפרטורה מדויקת.
- יישור של הדגימה והתרמוקפל בתוך דיוואר אופטי של סיליקה מותכת.
- רכישת ספקטרומי לומנסנציה במרווחי 5 K באמצעות ספקטרוגרף CCD.
- תיקון וניתוח נתונים לצורך כיול עוצמה וטמפרטורה.
תוצאות עיקריות
- המכשיר מאפשר בקרה מדויקת ויציבה של הטמפרטורה במהלך רכישה ספקטרלית מהירה.
- עבור tris(4,7-dimethyl-1,10-phenanthroline)rhodium(III) בגליצרין רווי חמצן, עוצמת הלומינסנציה הייתה קבועה מ-77 K עד 175 K, ולאחר מכן ירדה עם עליית הטמפרטורה.
- נקבעה אנרגיית שפעול של 31.5 kJ/mol עבור כיבוי על ידי חמצן.
- התקבלו אנרגיות שפעול עקביות עבור קומפלקסים דומים, מה שמאשש את מהימנות השיטה.
מסקנות
- מערכת ה-Dewar/קריוסטט המתוארת מספקת פתרון פשוט ואפקטיבי לספקטרוסקופיית לומניסנציה קריוגנית.
- היא מאפשרת ביצוע מדידות תלויות-טמפרטורה מדויקות וניתנות לשחזור בפרק זמן קצר.
- השיטה מתאימה לחקר תהליכים פוטו-פיזיקליים בחומרים לומניסנציה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מדידות לומנסינציה מדויקות התלויות בטמפרטורה הן קריטיות להפחתת סיכונים מכניסטיים ולהגברת הביטחון החיזויי בשלבים מוקדמים של גילוי תרופות, ובמיוחד בעת הערכת תהליכים במצב מעורר בקומפלקסים של מתכת. מכשיר הדיואר/קריוסטט המתואר מאפשר מדידות קריוגניות מהירות, הדירות ויציבות, התומכות בתיקוף יעדים ובפיתוח סקרים (assays) חסונים. הניידות והפשטות התפעולית שלו מקלות על השילוב במסלולי עבודה מגוונים של מו"פ, ובכך משפרות את קבלת ההחלטות לגבי הפורטפוליו בנקודות הכרעה מרכזיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה מדויקת של נדידת אנרגיה במצב מעורר בקומפלקסים של מתכות הרלוונטיים לבדיקת השערות טיפוליות.
- תומך בתיקוף של מטרות פונקציונליות באמצעות אספקת נתוני לומינסנס מדויקים בבקרת טמפרטורה.
- מסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים באמצעות מדידה הדירה של תופעות כיבוי תלויות טמפרטורה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מכין בדיקות לומנסנס קריוגניות מתוקפות עבור תהליכי סריקת תרכובות בהמשך הדרך.
- מבטיח שחזוריות של הבדיקה ותוצאה כמותית על ידי שמירה על טמפרטורת דגימות יציבה במהלך הרכישה.
- מאפשר טעינה והקפאה מהירות של דגימות, ובכך תומך במוכנות לבדיקות בסביקת תפוקה גבוהה ובניתבות הפלטפורמה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מספק רציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי אפשור מחקרים תלויים בטמפרטורה של סמנים ביולוגיים לומניסצנטיים.
- מתיישב עם אסטרטגיות של סמנים ביולוגיים תרגומיים, שבהן תכונות פוטו-פיזיקליות מכוונות את בחירת המערכת הרלוונטית למחלה.
- תומך בהחלטות קידום מותאמות סיכון באמצעות אספקת נתוני לומניסצנציה כמותיים ומהימנים לכל טווחי הטמפרטורה.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
שיטת דוואר/קריוסטט זו משתלבת בצורה חלקה משלב הגילוי המוקדם דרך זיהוי מובילים (leads) ועד למחקר פרה-קליני, ותומכת במחקרים מונחי-השערות ובפיתוח בדיקות כמותיות.
- ביולוגיה של גילוי: מסייעת בבדיקת השערות ובבירור מסלולים באמצעות מדידות לומינסנציה מבוקרות.
- סריקה: מספקת תוצרי כמות שחזירים, החיוניים להערכה מהימנה של תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת קריאות מדויקות של טמפרטורה ועוצמה, המאפשרות השוואה ישירה של תנאי ניסוי.
- מחקר תרגומי: תומכת בהתאמת סממנים ביולוגיים ובהמשכיות פרה-קלינית כאשר תכונות פוטו-פיזיקליות הן רלוונטיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה יכולת סטנדרטית וניידת לשימוש חוזר בתוכניות מו"פ מרובות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית את העמימות המכניסטית בבדיקות המבוססות על לומניסצנציה.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, את השחזוריות ואת היכולת להרחבה (scalability) של מדידות קריוגניות.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות "המשך/עצור" (go/no-go) ויעילות הון על ידי אספקת נתונים כמותיים חסונים בשלב מוקדם של תהליך הפיתוח.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכונים וקידום של מועמדים על בסיס אפיון פוטו-פיזיקלי מהימן.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בטיפול בדגימות בקריוגניקה ובספקטרוסקופיה של לומינסנציה.
- דורש גישה לספקטרוגרף CCD, מכלול תרמוזוג (thermocouple) ותשתיות חנקן נוזלי.
- מחייב סטנדרטיזציה קפדה בין צוותים בפרוטוקולים של הכנת דגימות ומדידה.
- ניתן להתאמה למערכות לומינסנציה שונות, אך מוגבל לדגימות התואמות להקפאה מהירה ולהיווצרות שכבה דקה.
- יציבות הדגימה והתרמוזוג במהלך הרכישה קריטית לקבלת תוצאות עקביות.
