극저온에서 수성 유리의 밀도 측정

이 실험의 전반적인 목표는 극저온에서 수용액의 유리 또는 유리체 상태 밀도를 측정하는 것입니다. 이 방법은 극저온에서 유리질 상태로 냉각될 때 수성 극저온 보호 혼합물이 얼마나 수축하거나 팽창하는지와 같은 Cryobiology 및 Cryocrystallography 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 극저온 시료 밀도와 위상을 모두 빠르게 냉각할 수 있는 작은 시료를 사용하여 측정할 수 있다는 것입니다.

이 방법은 동결 보호 솔루션을 위해 개발되었지만 조직, 세포 응집체 및 기타 생물학적 샘플의 극저온 밀도를 측정하는 데에도 사용할 수 있습니다. 토마스 루틴(Thomas Lutin)으로부터 밀도를 조정할 수 있고 밀리리터당 0.9g에서 1.3g 사이의 범위를 가진 극저온 액체를 만드는 방법을 배웠을 때 이 방법에 대한 아이디어가 처음 떠올랐습니다. 이 절차를 시작하려면 4.5리터 유리 듀어 플라스크 바닥에 네오프렌 고무 디스크를 놓아 듀어 플라스크가 손상되지 않도록 보호하십시오.

고무 디스크에 놓일 때까지 열전도율이 높은 구리 챔버를 플라스크에 조심스럽게 삽입합니다. 챔버에서 듀어 플라스크 벽까지 바깥쪽으로 돌출된 스트럿을 조정하여 챔버가 중앙에 있고 흔들리는 경향이 없도록 합니다. 분당 약 2리터로 흐르는 건조 질소 가스가 담긴 가스관의 배출구를 구리실 바닥까지 삽입하고 습한 공기의 챔버를 퍼지합니다.

이제 구리 챔버 외부의 듀어 플라스크에 액체 질소를 천천히 붓고 질소가 끓을 시간을 허용합니다.구리 챔버에서 건조 질소 가스 튜브를 제거하고 거품 절연 뚜껑의 일치하는 구멍에 삽입합니다. 그런 다음 듀어 플라스크의 바깥쪽 부분을 뚜껑으로 덮습니다.

신축성 있는 스트랩으로 뚜껑을 제자리에 고정합니다. 액체 질소를 구리 챔버에 천천히 부어 끓는 것이 멈춘 후 최종 충전 레벨이 구리 챔버 상단에서 약 5cm 이내가 되도록 합니다. 그런 다음 뚜껑의 중앙 개구부 위에 광학적으로 투명한 얇은 플라스틱 시트를 놓습니다.

질소 가스 유량을 분당 약 0.2리터로 줄여 극저온 액체 위의 가스 공간 내에 질소 가스의 약간의 과압을 남깁니다. 298 Kelvin에서 공기 중 1g의 0.4 밀리리터 PTFE 테스트 질량의 겉보기 질량을 교정된 분석 마이크로 저울의 팬에 올려 놓아 측정합니다. 다음으로, 마이크로 저울 아래쪽의 후크에서 테스트 질량의 구멍을 통해 연결된 50미크론 모노필라멘트 라인을 사용하여 테스트 질량을 매달아 놓습니다.

그런 다음 공기 중의 겉보기 질량을 결정하고 질량 측정과 비교하여 라인의 질량에 대해 필요에 따라 수정합니다. 77 Kelvin에서 테스트 질량의 부피를 결정하려면 액체 질소가 완전히 잠길 때까지 테스트 질량을 액체 질소가 들어 있는 구리 챔버로 낮추십시오. 끓는 것이 멈추면 겉보기 질량을 측정하십시오.

분당 약 2리터의 유속으로 아르곤 가스를 코일 튜브를 통해 배출구로 흐릅니다. 구리 챔버의 위치를 안정화하는 상부 스트럿 위, 액체 질소 수준 바로 위, 듀어 플라스크의 상단 표면 아래에 코일 튜브를 놓습니다. 코일 튜브를 5분 동안 식힌 후 배출구와 튜브를 표면과 액체 질소 아래 10cm 이상 떨어진 구리 챔버에 놓습니다.

그런 다음 듀어 플라스크를 환형 뚜껑과 투명 시트로 덮습니다. 그런 다음 튜브 배출구에서 액체 질소의 상단 표면으로 기포가 상승할 때까지 아르곤 유속을 조정합니다. 그런 다음 출구에서 기포가 형성될 때까지 유속을 줄이지만 액체 질소 표면을 깨기 직전에 용해되거나 액화됩니다.

주기적으로 얇은 절연 막대에 부착된 얇은 원형 동박을 구리 챔버에 삽입하고 피스톤처럼 천천히 위아래로 움직여 액체를 혼합합니다. 공기 중에서 테스트 질량의 겉보기 질량을 측정한 후 절연 듀어 덮개를 제거하고 구리 챔버 외부의 액체 질소로 내려 질량을 77켈빈으로 냉각합니다. 냉각 테스트 질량을 액체 질소 위의 질소 가스의 차가운 층으로 올리고 잔류 액체 질소가 테스트 질량에서 증발할 때까지 기다립니다.

그런 다음 냉각되고 건조된 테스트 질량을 액체 질소 아르곤 혼합물로 완전히 잠길 때까지 액체 표면에서 2cm 이내로 낮춥니다. 끓는 파동과 표면파가 사라진 후 테스트 질량의 겉보기 질량을 측정합니다. 냉각에서 방울 분배 직전에 앞서 설명한 대로 질소 아르곤 극저온 액체를 혼합합니다.

시료 튜브 캡을 제거한 후 깨끗한 1ml 주사기를 사용하여 최대 1mL 용액을 추출합니다. 27-33 게이지 바늘을 주사기에 부착한 다음 바늘을 통해 소량의 샘플을 밀어 넣어 이전 분주에서 공기와 잔여물을 배출합니다. 유리화(vitrification)를 위해 더 빠른 냉각이 필요한 샘플의 경우, 진공 발생기에 연결된 가스 튜브의 배출구를 액체 질소 아르곤 혼합물 위의 가스 공간에 놓고 형성되는 차가운 가스 층을 부드럽게 흡입합니다.

적당한 냉각 속도로 유리화할 수 있는 비수성 성분 농도가 큰 샘플의 경우, 주사기를 가볍게 눌러 표면 장력에 의해 바늘 끝에서 매달려 있는 10나노리터에서 1마이크로리터의 작은 직경 방울을 변위시킵니다. 바늘을 부드럽게 두드려 분리하고 액체 질소 아르곤 혼합물 쪽으로 방울을 투영합니다. 긴 작동 거리의 쌍안 현미경과 LED 조명기의 밝고 시원한 조명을 사용하여 액체 질소 아르곤 혼합물에 담근 상태에서 방울을 주의 깊게 검사합니다.

유리화 방울이 투명하게 보여야 합니다. 리젝트 방울이 흐리거나 균열을 포함한 광학적 결함이 보입니다. 방울이 뜨면 1.8 밀리리터 극저온 바이알을 사용하여 액체 질소를 첨가하여 액체 질소 아르곤 혼합물의 밀도를 줄입니다.

얇은 천공 된 구리 호일 시트를 사용하여 액체 질소 아르곤 혼합물을 부드럽게 혼합하고 구리 챔버에서 위아래로 움직입니다. 액체 질소를 첨가할 때마다 플로팅 드롭스 아래에 있는 작은 프리퀄 로드를 움직여 액체 속으로 부드럽게 아래쪽으로 옮기고 표면으로 돌아올 때의 속도를 관찰합니다. 수성 글리세롤 및 에틸렌 글리콜의 유리화 방울에 대한 77 Kelvin에서의 밀도 측정과 극저온 보호 농도 비교가 여기에 나와 있습니다.

이전에 결정된 298 켈빈 밀도를 사용하여 계산된 298 켈빈과 77 켈빈 사이의 특정 물체의 해당 변화가 여기에 표시됩니다. 두 극저온 보호제의 거의 20%에서 25% 용액은 순 팽창 또는 수축을 나타내지 않을 것으로 예상됩니다. 농도 대비 부피 변화의 기울기는 40% 미만으로 가장 큰 크기를 가지며, 물에 대한 추가 극저온 보호제의 영향, 사면체 저온 구조가 가장 두드러집니다.

일단 마스터링되면 초기 고밀도 액체 질소 아르곤 극저온 용액은 2-2시간 30분 내에 준비할 수 있으며 개별 방울의 밀도는 10-15분 안에 측정할 수 있습니다. 이 절차를 시도하는 동안 결빙을 관찰하고 진공 발생기를 사용하여 액체 질소 아르곤 혼합물 표면에 형성되는 차가운 가스 층을 가능한 한 많이 제거하는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 이 절차에 따라 방울을 수집하여 액체 질소에 저장하고 나중에 극저온 결정학을 사용하여 측정하여 방울의 위상을 확인할 수 있습니다.

액체 극저온제로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있으므로 이 절차를 수행하는 동안 항상 적절한 장갑, 안면 보호대, 의복 및 신발을 착용하는 것과 같은 예방 조치를 취해야 한다는 것을 잊지 마십시오.