Methoden van Ex Situ en In Situ onderzoeken van structurele transformaties: het geval van kristallisatie van metalen bril
7 juni 2018
Hier presenteren we een protocol om te beschrijven van ex situ en in situ onderzoeken van structurele transformaties in metalen bril. Wij dienst nucleaire gebaseerde analysemethoden die hyperfine interacties keuren. We tonen de toepasselijkheid van Mössbauer spectrometrie en nucleaire voorwaartse verstrooiing van synchrotronstraling tijdens temperatuur gestuurde experimenten.
Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen over de evolutie van kristallisatie in ijzergebaseerde metaalachtige glazen met betrekking tot variërende tijd en/of temperatuur. Het grote voordeel van deze procedure is het gebruik van twee complementaire nucleair gebaseerde analytische methoden die structurele en magnetische transformaties kunnen volgen door hyperfijne interacties. Mössbauer-spectroscopie die ex situ wordt uitgevoerd, beschrijft hoe de structurele rangschikking en magnetische microstructuur eruit ziet na het verhitten op een bepaalde temperatuur en tijd, dus het weerspiegelt een statische situatie.
De methode van nucleaire voorwaartse verstrooiing van synchrotronstraling levert gegevens op die worden vastgelegd in situ tijdens dynamisch veranderende temperaturen en inspecteert dus voorbijgaande toestanden. De procedure zal worden gedemonstreerd door Dr. Irena Janatova, een junior onderzoeksmedewerker van ons laboratorium. Giet eerst een eerder bereide smelt op de roterende blusschijf van een apparaat voor planair giet onder omgevingsomstandigheden.
Controleer de amorfe aard van de geproduceerde linten door röntgendiffractie uit te voeren in Bragg-Brentano-geometrie. Gebruik een koperkathode en registreer het diffractiepatroon van 20 tot 100 graden van 2-theta met een hoekstap van 0,05 graden en acquisitie van 20 seconden voor één punt. Bereid vervolgens kleine stukjes van de geproduceerde linten met een totale massa van ongeveer drie tot vijf milligram voor en plaats ze in een DSC-instrument.
Voer het DSC-experiment uit met een temperatuurverhoging van 10 Kelvin per minuut bij een temperatuurbereik van 50 tot 700 graden Celsius onder argon-atmosfeer. Bepaal de temperatuur van het begin van kristallisatie, die wordt genomen op de knik van de meest uitgesproken piek op de DSC-curve. Kies vijf anneeltemperaturen die zowel de pre-kristallisatie- als kristallisatiegebieden op de DSC voor verdere ex situ-annealing bestrijken.
Bereid vervolgens vijf groepen van zeven centimeter lange stukken van het direct gebluste lint. Voor ex situ-annealing, stel de bestemmingstemperatuur in op een oven in en wacht 15 minuten voor stabilisatie. Plaats vervolgens stukken van het lint in de geëvacueerde en thermisch gestabiliseerde zone door een opening van zeven tot 10 millimeter tussen de twee blokken te openen en de linten direct in het midden van de verwarmde zone te schuiven.
Sluit de opening onmiddellijk zodat de temperatuur van het monster de oventemperatuur bereikt in minder dan vijf seconden binnen een verschil van 0,1 Kelvin. Na het verhitten, verwijder de verhitte linten en plaats ze op een koud substraat in het vacuümsysteem om snelle afkoeling van de monsters tot kamertemperatuur te garanderen. Bereid zes tot acht stukken van één centimeter lange linten voor voor Mössbauer-spectrometrie-experimenten voor elk monster.
Assembleer de linten zij aan zij met plakband over de uiteinden van de linten. Bevestig ze aan een aluminium houder om een compact gebied van ongeveer een bij een centimeter vierkant te vormen. Let op het verschillende uiterlijk van beide kanten van de linten.
Zorg ervoor dat alle linten op de aluminium houder met dezelfde kant omhoog zijn geplaatst. Plaats vervolgens de aluminium houder met het monster in de detector van het instrument. Was vóór de meting het binnenste detectorvolume grondig met een stroom detectiegas gedurende 10 tot 15 minuten om alle resterende lucht te verdrijven.
Na het wassen, pas de gasstroom door de detector aan met een naaldklep tot drie milliliter per minuut. Verbind vervolgens een hoge spanning aan de detector. Neem de CEMS- en CXMS-Mössbauer-spectra op met behulp van een spectrometer met constante versnelling uitgerust met een radioactieve Cobalt 57-bron ingebed in een rhodiummatrix.
Gebruik de spectrometer met een gasdetector op kamertemperatuur volgens de handleiding. Voor NFS-experimenten plaatst u een ongeveer zes millimeter lang lint van het onderzochte metaalachtige glas in een vacuümoven. Neem vervolgens de NFS-tijddomeinpatronen op tijdens continu verhitten van het monster tot een temperatuur van maximaal 700 graden Celsius met een helling van 10 graden per minuut, met behulp van minutentijdsintervallen voor de acquisitie van experimentele gegevens tijdens het hele in situ-annealingproces.
Evalueer ten slotte de NFS-experimentele gegevens met behulp van geschikte software. Mössbauer-spectrometrie maakt directe identificatie van het type structurele rangschikking mogelijk, met name kristallijn versus amorf zoals hier getoond. CEMS-spectra genomen van de lucht- en wielzijde van de linten worden hier weergegeven.
Ze laten een toenemende bijdrage van de kristallijne componenten zien na ex situ-annealing. Vergelijking van de hoeveelheden kristallieten van CEMS- en CXMS-technieken wordt hier getoond. De kristallisatie begint na anneal bij 410 graden Celsius.
NFS-patronen die in tijddomein dezelfde informatie bevatten over hyperfijne interacties als Mössbauer-spectra in energiedomein, maar die over een kortere tijd worden geregistreerd, worden hier getoond. Het contourplot van NFS-tijddomeinpatronen die zijn opgenomen tijdens in situ-verwarming van direct gebluste linten is hier getoond. Het vertoont een magnetische overgang bij de Curie-temperatuur en het begin van kristallisatie.
Voorbeelden van NFS-patronen worden hier getoond. De evolutie van de totale relatieve hoeveelheid nanokristallen met temperatuur wordt hier weergegeven. Het begin van kristallisatie is gemarkeerd met TX1.
Het totale aantal tellingen van de individuele NFS-tijddomeinpatronen met betrekking tot de temperatuur van het in situ NFS-experiment toont drie goed onderscheiden gebieden die evolueren tijdens dynamisch veranderende temperatuur. Mössbauer-spectrometrie onthult fijne details van structurele en/of magnetische transformaties veroorzaakt door warmtebehandeling. De tijd die nodig is voor het opnemen van één spectrum kan echter enkele uren bedragen, wat deze techniek beperkt tot ex situ-experimenten.
Met behulp van ex situ Mössbauer-experimenten kunnen we de lokale structuur en magnetische rangschikking in een materiaal onder statische omstandigheden onderzoeken. Deze kunnen worden geïnspecteerd voor en/of na temperatuurbehandeling. Volgens de procedure van nucleaire voorwaartse verstrooiing wordt snelle gegevensverwerving verzekerd door
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor het onderzoeken van structurele transformaties in metaalglazen met behulp van op kernfysica gebaseerde analytische methoden. Het benadrukt het gebruik van Mössbauer-spectrometrie en nucleaire voorwaartse verstrooiing van synchrotronstraling om deze transformaties onder verschillende temperatuurcondities te bestuderen.
Belangrijke onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Materiaalwetenschap
- Metallografie
- Analytische Chemie
Achtergrond
- Metaalglazen vertonen unieke structurele eigenschappen.
- Begrip van kristallisatie in deze materialen is cruciaal voor hun toepassingen.
- Op kernfysica gebaseerde methoden geven inzicht in hyperfijne interacties.
- Temperatuur en tijd hebben een aanzienlijke invloed op de structurele rangschikking.
Doel van het onderzoek
- Om de evolutie van kristallisatie in ijzergebaseerde metaalglazen te onderzoeken.
- Om complementaire, op kernfysica gebaseerde analytische methoden voor structurele analyse te gebruiken.
- Om zowel statische als dynamische toestanden van de materialen te verkennen.
Gebruikte methoden
- Mössbauer-spectroscopie voor ex situ analyse van structurele en magnetische microstructuur.
- Nucléaire voorwaartse verstrooiing van synchrotronstraling voor in situ gegevensverzameling.
- Temperatuurgedreven experimenten om overgangstoestanden te observeren.
- Planair giettechniek voor bemonsteringsvoorbereiding.
Belangrijkste resultaten
- Mössbauer-spectroscopie onthult statische structurele rangschikkingen na het uitgloeien.
- Nucléaire voorwaartse verstrooiing legt dynamische veranderingen vast tijdens temperatuurvariaties.
- De methoden vullen elkaar aan om een uitgebreid begrip te bieden.
- Demonstratie van de procedure door Dr. Irena Janatova verbetert de reproduceerbaarheid.
Conclusies
- Het onderzoek combineert effectief twee analytische technieken voor betere inzichten.
- Begrip van structurele transformaties kan leiden tot verbeterde materiaaleigenschappen.
- Toekomstig onderzoek kan voortbouwen op deze bevindingen voor geavanceerde toepassingen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This method enables biopharma R&D teams to de-risk target validation by providing complementary static and dynamic structural insights into amorphous systems. By resolving hyperfine interactions, it supports mechanistic understanding of protein aggregation or formulation stability under thermal stress. The approach enhances predictive confidence in early discovery by linking nanoscale structural transitions to functional outcomes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypothesis by revealing faint structural modifications in amorphous systems through hyperfine interaction analysis.
- Operational Value: Enables biological de-risking via direct identification of crystalline versus amorphous states in formulation components.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by distinguishing steady-state and transient structural responses to temperature stress.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by confirming structural integrity after thermal or mechanical processing.
- Operational Value: Addresses assay standardization and reproducibility through quantitative outputs from nuclear resonance measurements.
- Platform Value: Highlights screening readiness and scalability by enabling rapid in situ data acquisition during dynamic temperature ramping.
Translational & Preclinical Research
- Translational Value: Discusses disease relevance by connecting structural transformations in metallic glasses to protein misfolding pathways in neurodegenerative disease models.
- Preclinical Value: Describes continuity from discovery through preclinical validation by correlating in situ crystallization onset with functional material failure points.
- Risk-Adjusted Decisions: Supports advancement decisions by identifying temperature thresholds that trigger irreversible structural transitions.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from target validation through lead optimization to preclinical development, particularly when assessing formulation stability under processing conditions.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by detecting nanoscale structural evolution in amorphous excipients or carriers.
- Screening: Ensures assay readiness and reproducibility via quantitative hyperfine splitting measurements that report on local atomic environments.
- Analytics: Highlights measurements such as isomer shift and quadrupole splitting that enable teams to compare amorphous versus crystalline fractions.
- Translational Research: Connects method to preclinical continuity by linking in situ crystallization onset (TX1) to loss of protective coating or sustained release functionality.
- Enterprise Reuse: Positions the technique as a reusable platform for evaluating multiple amorphous systems across projects, reducing redundant method development.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation, reduction of mechanistic ambiguity in amorphous system behavior.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of structural analysis across solid-state characterization workflows.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage failure due to unpredicted crystallization or aggregation.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative structural thresholds under thermal stress.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nuclear spectroscopy and synchrotron-based techniques.
- Needs access to Mössbauer spectrometer with Co-57 source and synchrotron beamline for nuclear forward scattering.
- Demands cross-team standardization between formulation, analytical development, and preclinical groups.
- Involves adaptation considerations for biological samples versus metallic glass ribbons, particularly in sample mass and environmental controls.
- Limited by extended acquisition times for Mössbauer spectroscopy, restricting high-throughput use to in situ nuclear forward scattering for rapid screening.
