Method Article

Pomiar ewolucji w czasie materiałów w nanoskali z zatrzymanym przepływem i rozpraszaniem neutronów pod małym kątem

DOI:

10.3791/62873

⸱

August 6th, 2021

 ,  ,  ,  , 
1NIST Center for Neutron Research, National Institute of Standards and Technology, 2Department of Chemistry and Biochemistry, University of Windsor, 3Department of Physics, University of Windsor

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten protokół przedstawia wykorzystanie środowiska próbek o zatrzymanym przepływie do szybkiego mieszania wielu płynnych roztworów in situ podczas pomiaru rozpraszania neutronów pod małym kątem oraz do badania procesów kinetycznych w skali nanometrowej i drugiej skali czasowej.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten artykuł przedstawia wykorzystanie środowiska próbki SANS (Stopped-flow z małym kątem rozpraszania neutronów) do szybkiego mieszania próbek cieczy i badania nanoskalowych procesów kinetycznych w skalach czasowych od sekund do minut. Środowisko próbek z zatrzymanym przepływem wykorzystuje dostępne na rynku pompy strzykawkowe do mieszania żądanych objętości próbek cieczy, które są następnie wstrzykiwane przez dynamiczny mieszalnik do celi ze szkła kwarcowego w ciągu około 1 s. Akwizycja danych SANS z rozdzielczością czasową jest synchronizowana z mieszaniem próbki, aby śledzić ewolucję nanostruktury w roztworze po wymieszaniu.

Aby jak najefektywniej wykorzystać czas wiązki neutronów, używamy szeregu zaworów wyboru przepływu do automatycznego ładowania, płukania i suszenia komórki między pomiarami, co pozwala na wielokrotne zbieranie danych podczas wielokrotnych wstrzyknięć próbki. Wstrzykiwanie próbek powtarza się do momentu zebrania wystarczających statystyk rozpraszania neutronów. Konfigurację mieszania można zaprogramować tak, aby systematycznie zmieniała warunki w celu pomiaru kinetyki przy różnych proporcjach mieszania, stężeniach próbek, stężeniach dodatków i temperaturach. Minimalna objętość próbki wymagana na wstrzyknięcie wynosi około 150 μl w zależności od długości drogi ogniwa kwarcowego.

Reprezentatywne wyniki przy użyciu tego środowiska próbki z zatrzymanym przepływem są prezentowane dla kinetyki szybkiej wymiany lipidów w obecności dodatku, cyklodekstryny. Pęcherzyki wymieniają lipidy zewnętrzne (zewnętrzne) w ciągu kilku sekund i w pełni wymieniają lipidy zarówno wewnętrzne, jak i zewnętrzne w ciągu kilku godzin. Pomiar kinetyki wymiany lipidów wymaga mieszania in situ w celu uchwycenia szybszych (sekundy) i wolniejszych (minuty) procesów oraz wyodrębnienia stałych szybkości kinetycznej. To samo środowisko próbki można również wykorzystać do badania wymiany molekularnej w innych typach próbek ciekłych, takich jak nanocząstki lipidowe, białka, środki powierzchniowo czynne, polimery, emulsje lub nanocząstki nieorganiczne. Pomiar przemian strukturalnych i kinetyki systemów wymieniających się lub reagujących w nanoskali dostarczy nowych informacji na temat procesów ewoluujących w nanoskali.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rozpraszanie neutronów pod małym kątem (SANS) zapewnia unikalny sposób pomiaru rozmiarów, kształtów, interakcji i organizacji różnych materiałów w skalach długości od ≈1 nm do ≈100 nm1,2,3. Najnowsze instrumenty, w tym instrumenty VSANS (bardzo małe rozpraszanie neutronów) ze zwierciadłami skupiającymi, przesuwają granice w kierunku pomiaru jeszcze większych skal długości do ≈1000 nm4,5. Ogólnie rzecz biorąc, unikalny kontrast rozpraszania nieodłącznie związany z metodami rozpraszania neutronów oferuje kilka korzyści w pomiarze ewolucji w czasie struktur w nanoskali, takich jak agregacja składników w preparatach farmaceutycznych6, reakcje sieciowania i żelowania w układach polimerowych7,8, w mezokrystalizacji białek błonowych9,10, degradacja i rozwój białek 11,12, oraz wzrost materiałów na bazie krzemionki13,14,15. Unikalny kontrast rozpraszania sprawia, że czasowo-rozdzielczy SANS (TR-SANS) jest użytecznym uzupełnieniem innych pomiarów opartych na zatrzymanym przepływie.

Metody mieszania z zatrzymanym przepływem są często implementowane w rozpraszaniu promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem (SAXS)16,17,18,19,20,21, spektroskopia fluorescencyjna22,23,24,25,26, and light scattering27,28,29,30,31,32 eksperymenty mające na celu badanie procesów kinetycznych w milisekundowych skalach czasowych. Istotną różnicą między SANS i SAXS jest to, że rozpraszanie neutronów jest techniką charakterystyki nieniszczącej i jako takie, SANS może być używany do pomiaru tej samej próbki przez wiele godzin, a nawet dni bez uszkodzenia próbki przez promieniowanie jonizujące, co może się zdarzyć podczas eksperymentów rozpraszania promieniowania rentgenowskiego o wyższym strumieniu33. Ponieważ powtarzające się pomiary SANS nie zmienią struktury chemicznej cząsteczki sondy lub próbki, ewolucję w czasie można badać bez wpływu na przykład fotowybielania, co może skomplikować pomiary kinetyki oparte na fluorescencji23,24. Co więcej, SANS może być używany do pomiaru wysoce skoncentrowanych i optycznie nieprzezroczystych próbek, które często są trudne do scharakteryzowania za pomocą technik opartych na świetle, takich jak dynamiczne rozpraszanie światła.

Oprócz dostarczania informacji strukturalnych w nanoskali, SANS może być używany do badania lokalnego składu tych struktur poprzez różnice w kontraście gęstości długości rozpraszania neutronów. Gęstość długości rozpraszania (SLD) różnych pierwiastków zmienia się losowo w układzie okresowym pierwiastków i zmienia się w zależności od różnych izotopów tego samego pierwiastka. Często wykorzystywanym przykładem jest wodór (1H lub H) i deuter (2H lub D), które mają bardzo różne długości rozpraszania neutronów. Dlatego materiały bogate w wodór, takie jak środki powierzchniowo czynne, lipidy, białka, RNA, DNA i inne polimery, można odróżnić od rozpuszczalników deuterowanych za pomocą SANS bez znaczącej zmiany właściwości fizycznych systemu. Należy jednak pamiętać, że wymiana H/D może wpływać na gęstość, wiązania wodorowe i temperatury przemiany fazowej w próbce. Niemniej jednak, wyjątkowa czułość SANS na materiały bogate w wodór jest szczególnie przydatna w badaniach nad miękką materią, gdzie próbki będące przedmiotem zainteresowania mają niższy kontrast rozpraszania i sygnał w technikach opartych na promieniowaniu rentgenowskim, takich jak SAXS. Substytucja izotopowa sprawia również, że SANS jest potężnym narzędziem do badania kinetyki wymiany molekularnej w materiałach bogatych w wodór poprzez proste mieszanie cząsteczek znakowanych H i D. Substytucja izotopowa jest szczególnie przydatna w systemach, w których duże barwniki fluorescencyjne są większe niż interesujące cząsteczki środka powierzchniowo czynnego lub lipidów i mogą wpływać na kinetykę wymiany34,35.

Pomiary SANS z rozdzielczością czasową są korzystne, ponieważ mierzona intensywność jest funkcją czasu, skali długości i kontrastu SLD. W związku z tym eksperymenty TR-SANS mogą być zaprojektowane do badania zależnych od czasu zmian w rozkładach przestrzennych i składzie próbek. Te unikalne zalety SANS doprowadziły do ważnych spostrzeżeń na temat procesów kinetycznych w wielu systemach miękkich materiałów, takich jak środki powierzchniowo czynne36,37,38, emulsje39,40,41, lipids34,42,43,44,45,46,47,48,49,50, and polymers51,52,53,54,55, 56,57,58,59,60,61,62. Większość badań TR-SANS koncentrowała się na skalach czasowych od minut do godzin. Jednak wiele interesujących procesów kinetycznych zachodzi w drugiej skali czasowej i jest niezbędnych do zrozumienia mechanizmów leżących u ich podstaw. Uchwycenie tych wczesnych punktów czasowych wymaga szybkiego wymieszania roztworów i zmierzenia ich in situ, w którym mieszanie jest zsynchronizowane z gromadzeniem danych podczas rozpraszania światła w zatrzymanym przepływie27,28,29,30,31,32, fluorescence22,23,24,25,26, and X-ray16,17,18,19,20,21 Eksperymenty. W pracy opisano zastosowanie środowiska próbek zaprojektowanego do szybkiego mieszania wielu próbek cieczy i wstrzykiwania mieszaniny do celi ze szkła kwarcowego w celu pomiarów TR-SANS. Urządzenie mieszające jest adaptacją niedawno opracowanego kapilarnego urządzenia rheoSANS 63 i wykorzystuje wiele pomp strzykawkowych i zaworów do sterowania mieszaniem próbek i automatyzacji czyszczenia komórek. Podłączając pompy strzykawkowe do szeregu zaworów wyboru przepływu, wiele strumieni wlotowych może być wielokrotnie mieszanych, mierzonych, płukanych i suszonych, aby ułatwić pomiary TR-SANS w sekundowej skali czasowej.

Obecna procedura zakłada, że interesujące nas próbki zostały zidentyfikowane i przygotowane. Skupiamy się na konfiguracji mieszania in situ i metodach zbierania danych TR-SANS. Dane dotyczące rozpraszania neutronów zebrano na instrumencie VSANS w NIST Center for Neutron Research (NCNR); jednakże procedura ta powinna mieć zastosowanie do innych instrumentów SANS. Czytelnicy zainteresowani implementacją podobnych protokołów na innych instrumentach SANS powinni skonsultować się z lokalnymi naukowcami w celu określenia optymalnej konfiguracji instrumentu, aby zmaksymalizować strumień neutronów w pożądanej skali długości i skali czasowej najbardziej istotnej dla interesujących ich procesów kinetycznych. Przedstawione tutaj dane zostały zebrane przy użyciu konfiguracji "białej wiązki" o wysokim strumieniu w VSANS w celu maksymalizacji liczby neutronów przy utracie rozdzielczości przestrzennej5. Wózki detektora zostały ustawione tak, aby obejmowały zakres wektorów rozpraszania (q), 0,005 A-1 < q < 0,5 A-1, co odpowiada skalom długości od ≈130 nm do ≈13 nm. Wektor rozpraszania definiuje się jako q = 4π/λ sin (θ/2), gdzie λ jest długością fali neutronów, a θ jest kątem rozpraszania.

Urządzenie do mieszania z zatrzymanym przepływem używane do pomiarów TR-SANS składa się z wielu pomp, strzykawek do płukania, strzykawek do próbek, selektorów przepływu, a także mieszalnika dynamicznego, celi próbki i pojemnika na próbki mieszane, jak pokazano na Rysunek 1. Wszystkie uszczelnione ścieżki płynów znajdują się w klimatyzowanej obudowie, która obejmuje strzykawki, zawory, rurki połączeniowe, mieszalnik dynamiczny i komórki na próbki. Programowalny klimatyzator termoelektryczny służy do kontrolowania temperatury w obudowie w zakresie od 10 °C do 50 °C w zakresie ±1 °C. Należy pamiętać, że część izolacji obudowy została usunięta, aby pokazać działające części urządzenia. Główna obudowa urządzenia mieszającego jest umieszczona na stoliku translacyjnym na linii belki NG3 VSANS w NCNR. Pozycja obudowy jest regulowana za pomocą stopnia translacyjnego w celu umieszczenia komórki próbki na ścieżce wiązki neutronów (żółta linia przerywana).

figure-introduction-1
Rysunek 1: Przykładowy zestaw do łączenia pomiarów mieszania z zatrzymanym przepływem i rozpraszania neutronów pod małym kątem na linii badawczej VSANS w Centrum Badań Neutronów NIST. Zestaw zawiera cztery pompy strzykawkowe, dwie strzykawki do płukania rozpuszczalnikiem i dwie strzykawki do wstrzykiwania próbki, cztery zawory wyboru pompy, dwa zawory wyboru mieszalnika, mieszalnik dynamiczny, przepływową celę kwarcową i pojemnik na mieszaną próbkę. Padające neutrony rozpraszają się po zmieszanej próbce znajdującej się wewnątrz celi próbki. Izolowana obudowa z oknami kwarcowymi i klimatyzacją termoelektryczną służy do kontroli próbki i całego sprzętu w stałej temperaturze. Żółta przerywana linia pokazuje ścieżkę wiązki neutronów. Podziałka = 10 cm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Urządzenie przedstawione w Rysunek 1 jest skonfigurowany z dwoma strzykawkami do próbek, dwiema strzykawkami do płukania i jedną komórką próbną. Odpowiednie diagramy przepływu dla różnych etapów protokołu są zilustrowane na Rysunek 2. Pożądane objętości dwóch różnych próbek są wstrzykiwane do mieszalnika i komórki próbki ( Rysunek 2A). Po napełnieniu celi próbki, zawór przełączający wlot (ISV) i zawór przełączający wylot (OSV) są zamykane, aby odizolować celę próbki od mieszalnika dynamicznego i zapobiec dyfuzji wstecznej próbki do komórki podczas zbierania danych TR-SANS (Rysunek 2B). Przed mieszalnikiem dynamicznym rurka przyłączeniowa ma długość od 10 cm do 1 m i nie ma wpływu na czas opóźnienia mieszania. Jednak połączenia przewodów między mieszalnikiem dynamicznym a celą próbki będą miały wpływ na czas opóźnienia mieszania i wymaganą objętość wtrysku próbki. Wstępnie przycięte rurki ze stali nierdzewnej o średnicy wewnętrznej 0,04 cala (1 mm) i długości 100 mm służą do podłączenia mieszalnika dynamicznego, zaworów rozdzielczych mieszalnika (MSV1 i MSV2) oraz ISV i OSV. Rurki fluorowane o średnicy wewnętrznej 1 mm i długości 115 mm służą do łączenia ISV i OSV (lub wylotu mieszalnika dynamicznego) z celą próbki. Całkowita objętość pustek, która wpływa na czas opóźnienia mieszania, obejmuje objętość pustej przestrzeni mieszalnika (0,15 ml), rurkę między wylotem mieszalnika a wlotem komórki próbki (0,09 ml) oraz objętość celi próbki (0,16 ml). W tym przykładzie całkowita objętość pustego miejsca wynosi 0,4 ml. Wewnętrzne puste przestrzenie zaworów są znikome w porównaniu z objętościami pustych przestrzeni przewodów, mieszalników i komórek próbki. Na przykład zastosowane niskociśnieniowe zawory rozdzielcze (średnica otworu 0,75 mm) zawierają przybliżoną objętość pustek wynoszącą 4 μl, podczas gdy wysokociśnieniowe zawory rozdzielcze i zawory przełączające (średnica otworu 0,25 mm) zawierają przybliżoną objętość pustek wynoszącą 0,5 μl.

Po zakończeniu pomiaru TR-SANS, próbka jest wypychana z celi za pomocą rozpuszczalnika, a rozpuszczalnik płuczący jest wielokrotnie pompowany przez komórkę, aby usunąć pozostałość próbki i oczyścić celę próbki (Rysunek 2C). Należy pamiętać, że strzykawki płuczące są podłączone do większych zbiorników rozpuszczalnika (np. wody i etanolu) za pomocą wartości wyboru pompy, aby zapewnić dostępność odpowiednich objętości rozpuszczalnika do oczyszczenia celi próbki między seriami pomiarowymi. Źródła rozpuszczalników, źródła próbek i pojemniki na próbki mieszane, które zawierają ciecze łatwopalne, są umieszczone w oddzielnej obudowie bez wyposażenia elektrycznego, aby wyeliminować wszystkie możliwe źródła zapłonu. Ponadto zakrętki do butelek z paroszczelnością służą do minimalizacji łatwopalnych oparów i parowania rozpuszczalników. Na koniec cela próbki jest suszona strumieniem azotu w celu usunięcia pozostałego rozpuszczalnika płuczącego (Rysunek 2D). Ciśnienie dopływu azotu do zaworu rozdzielczego mieszalnika jest regulowane do około 2 barów (0,2 MPa, ciśnienie manometryczne) za pomocą ręcznego regulatora ciśnienia umieszczonego na butli z azotem gazowym. Gdy cela próbki zostanie odpowiednio oczyszczona i wysuszona, nowo wymieszana próbka jest wstrzykiwana do celi próbki na następny cykl pomiarowy (powtarzając mieszanie i wstrzykiwanie zilustrowane na schemacie przepływu w rysunek 2A).

figure-introduction-2
Rysunek 2: Przykładowy diagram przepływu z użyciem jednej celi próbki, mieszania dwóch próbek i dwóch rozpuszczalników do płukania do czyszczenia. (A) Mieszanie próbki A (niebieskiej) i próbki B (czerwonej), a następnie przelanie próbki mieszanej (fioletowej) do komórki próbki. (B) Podczas zbierania danych, stan urządzenia z zatrzymanym przepływem, w którym zawory przełączające ISV i OSV są zamknięte w celu odizolowania celi próbki i zapobieżenia dyfuzji wstecznej próbki podczas zbierania danych. (C) Etapy czyszczenia, w których po zebraniu danych cela próbki jest płukana rozpuszczalnikiem płuczącym z SS1 (zielony). (D) Etap suszenia, w którym komora próbki jest suszona gazowym azotem (kolor pomarańczowy). Skróty: PSV = zawór rozdzielczy pompy; MSV = zawór rozdzielczy mieszalnika; OSV = zawór przełączający wylot; ISV = zawór przełączający wlotowy; SS1 = źródło rozpuszczalnika 1; SSA = źródło próbki A; N2 = źródło azotu gazowego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3 pokazuje schematy przepływu dla nieco innej wersji, w której konfiguracja mieszania jest skonfigurowana z dwoma oddzielnymi komórkami próbki podłączonymi do tych samych zaworów przełączających (Rysunek 3A). Podczas gdy dane TR-SANS są zbierane w próbce 1, próbka 2 jest płukana (Rysunek 3B) i suszona (Rysunek 3C). Po zakończeniu zbierania danych dla celi próbki 1, zawór przełączający wlot kieruje nowo wymieszaną próbkę do komórki próbki 2 w celu zebrania danych (Rysunek 3D). Podczas gdy dane TR-SANS są zbierane w próbce 2, próbka 1 jest płukana i suszona ( Rysunek 3E). Ten naprzemienny, równoległy proces między dwiema komórkami próbki minimalizuje czas między kolejnymi wstrzyknięciami próbki i maksymalizuje wykorzystanie czasu wiązki neutronów.

figure-introduction-3
Rysunek 3: Przykładowy schemat przepływu z wykorzystaniem dwóch komórek próbek, mieszania dwóch próbek i dwóch rozpuszczalników do płukania do czyszczenia. (A) Wymieszanie próbki A (niebieska) i próbki B (czerwona), a następnie przelanie wymieszanej próbki (fioletowej) do celi próbki 1. (B) Stan urządzenia z zatrzymanym przepływem podczas zbierania danych na celi próbki 1, podczas gdy komórka próbki 2 jest płukana rozpuszczalnikiem z SS1 (kolor zielony). (C) Stan urządzenia z zatrzymanym przepływem podczas zbierania danych w komorze próbki 1, podczas gdy komora próbki 2 jest suszona gazowym azotem (kolor pomarańczowy). (D) Po zakończeniu zbierania danych z komórki próbki 1, nowa próbka (fioletowa) jest natychmiast mieszana i przepływana do komórki próbki 2. (E) Stan urządzenia z zatrzymanym przepływem podczas zbierania danych na komórce próbki 2, podczas gdy komórka próbki 1 jest przepłukiwana rozpuszczalnikiem z SS1 (kolor zielony). Podczas gdy jedna cela próbki jest mierzona, druga komórka próbki jest czyszczona i suszona. Proces pomiaru zatrzymanego przepływu odbywa się naprzemiennie między dwiema komórkami próbki, aby zminimalizować czas między kolejnymi wstrzyknięciami mieszania próbki. Skróty: PSV = zawór rozdzielczy pompy; MSV = zawór rozdzielczy mieszalnika; OSV = zawór przełączający wylot; ISV = zawór przełączający wlotowy; SS1 = źródło rozpuszczalnika 1; SSA = źródło próbki A; N2 = źródło azotu gazowego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Poniżej opisano protokół krok po kroku do podłączenia pomp i przewodów rurowych, zalania systemu, płukania i suszenia celi próbki oraz wstrzykiwania zmieszanej próbki. Chociaż konfiguracja pojedynczej komórki została zademonstrowana dla uproszczenia (Rysunek 2), elastyczna konfiguracja modułowa, protokół i skrypty można łatwo zmodyfikować w celu wdrożenia większej liczby pomp strzykawkowych, zaworów, mieszalników lub konfiguracji komórek próbnych, takich jak konfiguracja z dwiema próbkami pokazana na Rysunek 3. Reprezentatywne dane dotyczące szybkości zliczania surowych neutronów zebrane podczas cykli mieszania i czyszczenia wtrysku są pokazane na Rysunek 4, podczas gdy kinetyka wymiany lipidów mierzona w 3 różnych temperaturach i ekstrahowana znormalizowana intensywność rozproszenia odpowiadająca frakcji wymienianych lipidów jest pokazana odpowiednio na Rysunek 5 i Rysunek 6.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Ustaw i zainicjuj system zatrzymanego przepływu.

  1. Włącz wszystkie zasilacze pomp i mieszalniki dynamiczne za pomocą wyłącznika zasilania.
  2. Zainicjuj wszystkie pompy i zawory w graficznym interfejsie użytkownika (GUI) sterowania systemem zatrzymanego przepływu, wprowadzając ścieżkę konfiguracji urządzenia i używając poleceń bus=qmixbus. Bus(), bus.open(), bus.start(), pump=qmixpump. Pump(), pump.enable() i valve=ViciMultiposSelector() (zobacz przykładowy kod inicjacyjny dostępny w internetowym repozytorium open source64).
  3. Skalibrować pompy przed podłączeniem strzykawek za pomocą polecenia pump.calibrate().
  4. Upewnij się, że zawory zostały zainicjowane i przejdź do właściwego portu wyboru na polecenie za pomocą poleceń valve.setPort() i valve.getPort().
  5. Przypisz typ strzykawki, który ma być używany dla każdej pompy, za pomocą polecenia pump.set_syringe_param(A, B), w którym A to średnica wewnętrzna cylindra strzykawki (mm), a B to maksymalna odległość skoku tłoka strzykawki (mm).
  6. Podłączyć strzykawki z próbką do pomp strzykawkowych.
    1. Po upewnieniu się, że pompy zostały skalibrowane, przykręcić czyste cylindry strzykawek do przyłącza w górnej części pompy (głowica do montażu strzykawki).
    2. W przypadku używania szklanych strzykawek należy upewnić się, że głowica mocująca strzykawkę jest poluzowana przed dozowaniem objętości napełniania, aby szklana strzykawka nie pękła z powodu nadmiernej siły działającej na tłok strzykawki.
    3. Przykręcić tłok strzykawki do przyłącza w dolnej części pompy (końcówka mocowania strzykawki).
    4. Po podłączeniu cylindra strzykawki i tłoka strzykawki do pompy, należy dozować objętość napełnienia typu strzykawki za pomocą polecenia pump.empty(), który przesuwa tłok strzykawki do górnej części cylindra strzykawki.
    5. W przypadku używania szklanych strzykawek należy dokręcić głowicę mocującą strzykawkę po ustaniu ruchu tłoka.
  7. Podłącz rurkę do źródeł próbki i rozpuszczalnika, strzykawek, zaworów, mikserów, komórek próbki i pojemnika na zmieszaną próbkę.
    1. Podłączyć rurkę pompy strzykawkowej do zaworów wyboru pompy.
    2. Podłącz rurkę zaworu wyboru pompy do źródeł próbek.
    3. Podłączyć rurkę zaworu wyboru pompy do źródeł rozpuszczalnika płuczącego.
    4. Podłączyć rurkę zaworu wyboru pompy do rurki zaworu rozdzielczego mieszalnika.
    5. Podłączyć rurkę zaworu rozdzielczego mieszalnika do źródła azotu.
    6. Podłączyć rurkę zaworu rozdzielczego mieszalnika do wlotów mieszalnika.
    7. Podłączyć wylot mieszacza do zaworu przełączającego wlot.
    8. Podłącz zawór przełącznika wlotowego do wlotu komory próbki.
    9. Podłączyć wylot celi pomiarowej do zaworu przełączającego wylot.
    10. Podłączyć zawór przełączający wylot do pojemnika na zmieszaną próbkę.
  8. Zdefiniuj wszystkie wykonane połączenia przewodów i zaworów (krok 1.7) w graficznym interfejsie użytkownika sterowania systemem zatrzymanego przepływu, wpisując odpowiednie numery portów, połączenia wykonane z każdym zaworem (zobacz przykładowy kod sterujący w internetowym repozytorium open source64).
  9. Obliczyć pustą objętość rurki między wlotem mieszalnika a wylotem celi próbki, która określa minimalną ilość próbki potrzebną do wypełnienia celi próbki dla każdego pomiaru.

2. Załaduj próbkę.

  1. Ustaw żądaną objętość napełnienia próbki i objętość napełnienia rozpuszczalnikiem w graficznym interfejsie użytkownika systemu sterowania z zatrzymanym przepływem, wpisując żądane liczby (patrz przykładowy kod sterujący w internetowym repozytorium typu open source64).
  2. Użyj komendy pump.aspirate(), aby pobrać (przystrzeć) żądane objętości próbki i rozpuszczalnika ze źródeł do strzykawek z próbkami przez zawory wyboru pompy.
    UWAGA: Podczas pierwszego ładowania pustej strzykawki, w górnej części strzykawki będzie obecne powietrze, które należy oczyścić, aby zalać system próbką i rozpuszczalnikiem w kroku 3.

3. Zalej system.

  1. Użyj polecenia pump.dispense(), aby wypchnąć (dozować) całe powietrze ze strzykawek, przewodów rurowych i zaworów. Upewnij się, że z każdej strzykawki dozowana jest wystarczająca ilość płynu, aby całkowicie usunąć całe powietrze ze strzykawek, przewodów i zaworów. Jeśli wewnątrz rurki widoczne są pęcherzyki powietrza, kontynuuj dozowanie rozpuszczalnika lub próbki, aż pęcherzyki zostaną usunięte.
  2. Po usunięciu powietrza z systemu należy wykonać co najmniej jedną procedurę wstrzykiwania i płukania próbki (bez zbierania danych dotyczących rozpraszania neutronów).
    1. Kliknij, aby zaznaczyć komórkę z etykietą Rozpocznij eksperyment mieszania w kontrolnym graficznym interfejsie użytkownika.
    2. Gdy ta komórka jest aktywnie zaznaczona, kliknij przycisk Uruchom (prawy trójkąt) znajdujący się w górnej części graficznego interfejsu użytkownika sterowania lub naciśnij jednocześnie Shift i Enter na klawiaturze.
    3. Sprawdź wzrokowo celę próbki, aby upewnić się, że nie ma w niej pęcherzyków powietrza.
      1. Jeśli obecne są pęcherzyki powietrza, powtórz kroki protokołu 3.1 i 3.2, aby dalej usunąć powietrze z przewodów rurowych.
      2. Jeśli pęcherzyki powietrza nie są obecne w komorze próbki, przejdź do kroku 4, aby zdefiniować pozostałe kroki protokołu eksperymentu.

4. Zdefiniuj protokół mieszania z zatrzymanym przepływem w skrypcie programu (zobacz przykład kodu w internetowym repozytorium open-source64).

  1. Wprowadź nastawę temperatury programowalnego klimatyzatora (AC), który kontroluje temperaturę izolowanej obudowy otaczającej urządzenie z zatrzymanym przepływem.
    1. Przytrzymując przycisk gwiazdki na jednostce sterującej klimatyzacją, naciśnij strzałki w górę iw dół, aby zmienić temperaturę zadaną. Alternatywnie wpisz żądaną nastawę temperatury w graficznym interfejsie sterowania i kliknij Uruchom.
    2. Odczekaj 15-30 minut, aby wnętrze obudowy zrównoważyło się w żądanej temperaturze przed rozpoczęciem eksperymentów kinetycznych.
      UWAGA: Dostępny zakres temperatur wynosi obecnie od 10 °C do 50 °C, a stabilność temperatury wynosi ± 1 °C.
  2. Wprowadź wszystkie kroki sekwencji płukania, wpisując odpowiednie objętości, natężenia przepływu, czasy i liczbę powtórzeń w graficznym interfejsie użytkownika.
    1. Zdefiniować objętość każdej próbki do wstrzyknięcia, która określa całkowite natężenie przepływu (Q).
    2. Określić objętość każdego rozpuszczalnika, który ma być wstrzykiwany podczas procedury płukania.
    3. Określ czas schnięcia między każdym podetapem płukania (tna sucho).
    4. Określ liczbę podetapów płukania.
    5. Określ różne rozpuszczalniki dla kolejnych etapów płukania.
    6. Określ liczbę powtórzeń płukania, które należy wykonać po każdym pomiarze (npłukania).
    7. Określ czas do całkowitego wysuszenia celi próbki i mieszalnika, zapewniając czystą celę próbki do późniejszego wstrzyknięcia próbki (tdry_final).
  3. Zdefiniuj wszystkie etapy sekwencji wstrzykiwania próbki, wpisując odpowiednie objętości, natężenia przepływu i czasy w graficznym interfejsie użytkownika sterowania systemem zatrzymanego przepływu.
    1. Określić objętość każdej próbki, która ma zostać wstrzyknięta, oraz natężenie przepływu.
    2. Obliczyć czas opóźnienia (t opóźnienie) na podstawie objętości pustej przestrzeni (Vvoid) i całkowitego natężenia przepływu (t opóźnienie = Vvoid/Q).
      UWAGA: Czas opóźnienia to czas potrzebny do napełnienia celi próbki zmieszaną próbką.
    3. Zdefiniuj żądany czas akwizycji danych TR-SANS w taki sposób, aby wystąpił cały proces kinetyczny będący przedmiotem zainteresowania (tscatt).
    4. Ustaw czas oczekiwania między końcem eksperymentu rozpraszania a początkiem cykli płukania (twait).
      UWAGA: Ten czas oczekiwania powinien wynosić co najmniej 100 s, jeśli transmisja neutronów próbki ma być mierzona przed wypłukaniem jej z ogniwa. Transmisja próbki jest potrzebna podczas przetwarzania danych w celu zredukowania danych do intensywności bezwzględnej.
    5. Zdefiniuj liczbę cykli wstrzykiwania do wykonania z sekwencjami płukania uruchamianymi między każdym wstrzyknięciem, które są zdefiniowane w kroku 4.2 (n cykl).
  4. Obliczyć całkowity czas pojedynczego cyklu zbierania danych o przepływie zatrzymanym (cykl t) za pomocą równania (1).
    Cykl T = N× płukania (opóźnienie T +T suche) + Tdry_final +T Opóźnienie + TScatt (1)
    w którym npłukania = liczba powtórzeń płukania (krok 4.2.6); tdelay = czas opóźnienia zatrzymanego urządzenia przepływowego (krok 4.3.2); tsuchy = czas suszenia między poszczególnymi etapami płukania (krok 4.2.3); tdry_final = czas do całkowitego wysuszenia celi próbki i mieszalnika (krok 4.2.7); tscatt = żądany czas akwizycji danych TR-SANS (krok 4.3.3)

5. Zdefiniuj parametry rozpraszania neutronów pod małym kątem w graficznym interfejsie użytkownika sterowania instrumentem SANS.

  1. Określić interesujące nas skale długości i zakres q dla każdej próbki.
  2. Zdefiniuj konfigurację przyrządu, aby pokryć żądany zakres q, jednocześnie maksymalizując strumień neutronów w próbce.
  3. Ustaw całkowity czas akwizycji danych VSANS w graficznym interfejsie użytkownika sterowania przyrządu SANS na obliczony czas cyklu w kroku 4.4 (czas akwizycji danych rozpraszania neutronów =cykl t).
  4. Ustaw czas pomiaru transmisji próbki na 100 s w graficznym interfejsie użytkownika sterowania przyrządem SANS.
  5. Korzystając z graficznego interfejsu użytkownika sterowania instrumentem SANS, włącz zbieranie danych w trybie zdarzenia, wpisując w wierszu polecenia GenerateEventModeData true.

6. Zbierz standardowe pomiary rozpraszania w celu redukcji danych przed rozpoczęciem eksperymentu z zatrzymanym przepływem w celu przetworzenia danych TR-SANS.

  1. Zmierz rozproszenie tła.
    1. Upewnij się, że lokalna migawka instrumentu jest zamknięta.
    2. Przymocuj próbkę zablokowanej wiązki z tyłu otworu próbki, zabezpiecz lokalne środowisko instrumentu i otwórz lokalną migawkę instrumentu.
    3. Zdefiniuj czas akwizycji danych rozpraszania wiązki zablokowanej w oprogramowaniu i zbierz dane rozpraszania wiązki zablokowanej, licząc przez ten sam czas, co czas pozyskiwania danych o najdłuższym rozpraszaniu (tscatt).
    4. Po zakończeniu zbierania danych zamknij migawkę instrumentu i usuń zablokowaną próbkę wiązki z otworu próbki.
  2. Zmierz rozproszenie pustych komórek.
    1. Upewnij się, że sample cell została dokładnie wypłukana i wysuszona.
    2. Otwórz lokalną migawkę instrumentu.
    3. Zbierz pomiar transmisji pustej komórki przez 100 s.
    4. Zbierz pomiar rozproszenia pustych komórek, licząc przez co najmniej najdłuższy czas akwizycji (tscatt).

7. Rozpocznij eksperyment z zatrzymanym przepływem.

  1. Rozpocznij zbieranie danych rozpraszania usługi VSANS w trybie zdarzenia.
    1. Upewnij się, że lokalny obszar instrumentu jest zabezpieczony, a następnie otwórz lokalną migawkę wiązki instrumentów.
    2. Rozpocznij zbieranie danych SANS za pomocą oprogramowania sterującego instrumentem SANS na komputerze przyrządu, przeciągając i upuszczając żądane przebiegi do kolejki instrumentów.
      UWAGA: Aby upewnić się, że mierzone są najwcześniejsze punkty czasowe, rozpocznij zbieranie danych przed rozpoczęciem eksperymentu z mieszaniem z zatrzymanym przepływem. Dane zostaną przetworzone na późniejszym etapie, aby uwzględnić czas opóźnienia (topóźnienia).
  2. Rozpocznij eksperyment z mieszaniem z zatrzymanym przepływem w kontrolnym graficznym interfejsie użytkownika.
    1. Wybierz komórkę notesu z etykietą Rozpocznij eksperyment mieszania w graficznym interfejsie użytkownika sterowania systemem zatrzymanego przepływu.
    2. Gdy ta komórka jest aktywnie zaznaczona, kliknij przycisk Uruchom (prawy trójkąt) znajdujący się w górnej części programu sterującego urządzeniem o zatrzymanym przepływie lub naciśnij jednocześnie Shift i Enter na klawiaturze.
    3. Upewnij się, że protokół mieszania z zatrzymanym przepływem zdefiniowany w sekcji 4 zaczął działać.
    4. Dodaj pomiar transmisji 100 s do kolejki instrumentów VSANS po przebiegu rozpraszania za pomocą graficznego interfejsu użytkownika sterowania instrumentem SANS.
    5. Dodaj jeden przebieg pomiaru rozpraszania i jeden przebieg pomiaru transmisji do kolejki przyrządów dla każdego pozostałego cyklu mieszania z zatrzymanym przepływem (cykl n - 1, krok 4.3.5) w graficznym interfejsie użytkownika sterowania instrumentem SANS.

8. Przetwarzaj i redukuj dane, aby usunąć wszystkie tła, poprawić czułość detektora i poprawić transmisję próbki.

  1. Pobierz rozproszone pliki danych i powiązane pliki zdarzeń z serwera.
    UWAGA: Oddzielne pliki zdarzeń detektora będą generowane po każdym pomiarze VSANS, po jednym pliku zdarzeń dla każdego aktywnego wózka detektora (np. detektora przedniego, środkowego i/lub tylnego).
  2. Umieść rozproszone dane do żądanych przedziałów czasowych za pomocą polecenia events=Rebin(nazwa_pliku), a następnie polecenia events.do_rebinning(timebins), w którym nazwa pliku wejściowego odpowiada nazwie żądanego pliku danych SANS, a timebins to lista żądanych granic przedziału czasu w sekundach.
    UWAGA: Jeśli wejściowe przedziały czasowe zostaną wprowadzone jako pojedyncza liczba, a nie lista, to dane zostaną podzielone na N pojemników o jednakowej szerokości czasu, gdzie N jest wejściowymi przedziałami czasowymi (zobacz skrypty programowe dostarczone przez linię badawczą i dostępne online repozytorium open-source64).
  3. Zmniejsz dane rozpraszania w pojemnikach za pomocą oprogramowania dostarczonego przez beamline65.

9. Przeanalizuj dane TR-SANS.

  1. Obliczyć czas procesu będącego przedmiotem zainteresowania (proces t) na podstawie czasów pomiaru, korzystając z równania (2).
    Proces t = ti -t stop +t opóźnienie (2)
    Gdzie ti jest przedziałami czasu pomiaru rozpoczynającymi się po zatrzymaniu przepływu, tstop jest czasem pomiaru bezpośrednio po zatrzymaniu przepływu, at opóźnienie jest czasem opóźnienia.
  2. Wykreślić natężenie zależne od q I(q) w funkcji czasu procesu, korzystając z przedziałów czasowych zdefiniowanych w kroku 8.2 iprocesu t obliczonego w kroku 9.1.
    UWAGA: Najwcześniejszy dostępny czas procesu jest ograniczonyprzez t opóźnienie. Aby zmierzyć wcześniejsze punkty czasowe procesu, zwiększ całkowite natężenie przepływu (Q) lub zmniejsz całkowitą objętość pustej przestrzeni (Vvoid).
  3. Wyodrębnić interesujące parametry kinetyczne ze zmiany I(q) w funkcji czasu procesu.

10. Zakończ eksperyment.

  1. Wyłącz wiązkę neutronów, zamykając lokalną migawkę instrumentu.
  2. Przeprowadzić kontrolę promieniowania za pomocą monitora promieniowania dostarczonego przez linię badawczą przed odłączeniem jakichkolwiek części, przewodów lub rozładunkiem jakichkolwiek próbek lub pojemników na zmieszane próbki.
  3. Przenieś strzykawki, rurki i pojemnik na zmieszane próbki do wydziału fizyki zdrowia.
  4. Wypełnij formularze fizyki zdrowia i poczekaj na ocenę przez personel fizyki medycznej.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Reprezentatywne dane neutronowe pokazane tutaj mierzą kinetykę wymiany lipidów w obecności metylo-β-cyklodekstryny (mβCD), dodatku, który katalizuje wymianę lipidów między pęcherzykami z kursem wymiany (ke)66,67. Wcześniejsze badania fluorescencyjne wykazały, że ke zależy od stężenia mβCD, a okres półtrwania procesu wymiany jest rzędu minut68. W obecnych eksperymentach wykorzystano TR-SANS o zatrzymanym przepływie do ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecna procedura opisuje urządzenie mieszające i kroki wykonywania pomiarów TR-SANS z zatrzymanym przepływem. Urządzenie i protokół są zoptymalizowane pod kątem próbek cieczy o niskiej lepkości, w których interesujące nas skale czasowe wynoszą od ≈1 s do 5 min. W przypadku skal czasowych dłuższych niż 5 minut ręczne mieszanie próbek i ładowanie ich do standardowych komórek rozpraszających może być łatwiejsze i pożądane, szczególnie w przypadku próbek, żeli lub past o wysokiej lepkości. Dostęp do skal czasowych krótszych ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dostęp do VSANS NG3 zapewniło Centrum Rozpraszania Neutronów o Wysokiej Rozdzielczości, partnerstwo pomiędzy Narodowym Instytutem Standardów i Technologii a Narodową Fundacją Nauki na mocy umowy nr DMR-2010792. M.H.L.N dziękuje za finansowanie zapewnione przez Mitacs Globalink (Kanada). Identyfikacja jakichkolwiek produktów komercyjnych lub nazw handlowych ma na celu ułatwienie zrozumienia i nie oznacza poparcia ani rekomendacji ze strony Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Mieszalnik dynamicznyAnalytical Scientific Instruments462-0150AWirnik sprzężony magnetycznie, zespół binarnego mieszalnika dynamicznego (dostępny typ trójskładnikowy), objętość martwa 0,15 ml (dostępna większa objętość martwa)
Rurki fluoropolimeroweIDEX Health & Science1507LPFA Rurki Naturalne 1/16 cala OD x 0,040 cala ID x 50 stóp
Fluoropolimer 1/4-28 Złączki bezkołnierzoweIDEX Zdrowie & ScienceXP-245Złączka bezkołnierzowa PFA z tulejkami, gwint 1/4-28, rurka o średnicy zewnętrznej 1/16 cala
Strzykawkiszklane Hamilton Company81660Strzykawki Hamilton serii 1000, 10 ml (81660), model 1010 C syr, końcówka gwintu 1/4"-28, dostępne inne objętości
Zawory selektora przepływu wysokiego ciśnieniaVici ValcoC85X-1570EUTB10-pozycyjne zawory rozdzielcze Vici, 15000 psi max, otwór 0,25 mm, rurka o średnicy zewnętrznej 1/16 cala, stożkowe porty gwintowane, uniwersalny siłownik USB
Wysokociśnieniowe zawory przełączająceVici ValcoC82X-1574EUHBZawory przełączające Vici 4 porty, 15000 psi max, otwór 0,25 mm, rurka o średnicy zewnętrznej 1/16 cala, stożkowe porty gwintowane, uniwersalny siłownik USB
Strzykawki wysokociśnienioweCetoniA2019000358Strzykawka 3 ml ze stali nierdzewnej, maks. 510 bar, maks. 21 mL/min Maksymalne natężenie przepływu
selektora niskiego ciśnieniaVici ValcoC25-3180EUHBVici 10-pozycyjne zawory selektorowe, max 250 psi ciecz, otwór 0,75 mm, rurka o średnicy zewnętrznej 1/16 cala, porty gwintowane 1/4-28, siłownik uniwersalny
USB Wysokociśnieniowe pompy strzykawkowe neMESYSCetoniA3921000103Maksymalna siła 2600 N
Średniociśnieniowe pompy strzykawkowe neMESYSCetoniA3921000131Maksymalna siła 1000 N
ZasilaczCetoniA3921000127Base 600, dostarcza energię do 4 pomp wysokociśnieniowych
Kwarcowa przepływowa cela pomiarowaStarna Scientific3-2.30-Q-1/TCKwarcowe mikrokomory przepływowe, długość ścieżki 2 mm (dostępna 1 mm), wymiar wewnętrzny 2 mm na 2 mm na 30 mm
Okna kwarcoweProdukty ze szkła technicznegoNAGE 124 Przezroczyste stopione płyty kwarcowe szlifowane i polerowane, 11,75 cala na 23,75 cala na 0,375 cala
Stożkowe złączki zaciskowe ze stali nierdzewnej 10-32IDEX Zdrowie i ScienceU-321X, U-320X316 tuleja ze stali nierdzewnej (U-321X) i nakrętka (U-320X) -typ Valco, stożek 10-32, do rur ze stali nierdzewnej o średnicy zewnętrznej 1/16 cala Rurki
stali nierdzewnejIDEX Zdrowie i ScienceU-102Rurka ze stali nierdzewnej 1/16 cala OD x 0,020 cala ID, 10 cm, dostępne różne długości wstępnie przycięte
Oprogramowanie sterujące pompą strzykawkowąCetoniT6000000004Oprogramowanie QmixElements dla pomp Nemesys, zestaw do tworzenia oprogramowania QmixSDK
Klimatyzator termoelektrycznyEIC SolutionsAAC-140C-4XT-HCKlimatyzator termoelektryczny zamontowany na izolowanej obudowie do sterowania pompą, zaworem, mieszaczem i temperaturą próbki
Poręcz z rowkiem teowymMcMaster-Carr47065T103Aluminiowa balustrada z rowkiem w kształcie litery T (1,5 cala na 1,5 cala) cięta na różne długości
Zakrętki do butelek paroblokujące Cole-ParmerEW-12018-02Cztery wkładki portowe 304 SS, gwinty 1/4"-28, rozmiar nakrętki GL45, korpus PTFE, gwinty SS, kołnierz PP
Zawory ze

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Melnichenko, Y. B., Wignall, G. D. Small-angle neutron scattering in materials science: Recent practical applications. Journal of Applied Physics. 102 (2), 021101(2007).
  2. Grillo, I. Small-angle neutron scattering and applications in soft condensed matter. Soft Matter Characterization. Borsali, R., Pecora, R. , Springer. Dordrecht. (2008).
  3. Hollamby, M. J. Practical applications of small-angle neutron scattering. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (26), 10566-10579 (2013).
  4. Pipich, V., Fu, Z. KWS-3: Very small angle diffractor with focusing mirror. Journal of large-scale research. 1, 31(2015).
  5. Kline, S. 2019 NCNR Annual Report, Special Publication (NIST SP). , National Institute of Standards and Technology. Gaithersburg, MD. (2019).
  6. Gilbert, P. H., et al. Preservative induced polysorbate 80 micelle aggregation. Journal of Pharmaceutical Sciences. 10 (6), 2395-2404 (2021).
  7. Terashima, T., et al. In situ and time-resolved small-angle neutron scattering observation of star polymer formation via arm-linking reaction in ruthenium-catalyzed living radical polymerization. Macromolecules. 43 (19), 8218-8232 (2010).
  8. Hashimoto, K., Fujii, K., Nishi, K., Shibayama, M. Ion gel network formation in an ionic liquid studied by time-resolved small-angle neutron scattering. The Journal of Physical Chemistry B. 122 (40), 9419-9424 (2018).
  9. Conn, C. E., et al. Membrane protein structures in lipid bilayers; small-Angle neutron scattering with contrast-matched bicontinuous cubic phases. Frontiers in Chemistry. 8, 619470(2021).
  10. van't Hag, L., et al. Protein-eye view of the in meso crystallization mechanism. Langmuir. 35 (25), 8344-8356 (2019).
  11. Mahieu, E., et al. Observing protein degradation by the PAN-20S proteasome by time-resolved neutron scattering. Biophysical Journal. 119 (2), 375-388 (2020).
  12. Ibrahim, Z., et al. Time-resolved neutron scattering provides new insight into protein substrate processing by a AAA+ unfoldase. Scientific Reports. 7 (1), 40948(2017).
  13. Hollamby, M. J., et al. Growth of mesoporous silica nanoparticles monitored by time-resolved small-angle neutron scattering. Langmuir. 28 (9), 4425-4433 (2012).
  14. Blin, J. L., Impéror-Clerc, M. Mechanism of self-assembly in the synthesis of silica mesoporous materials: in situ studies by X-ray and neutron scattering. Chemical Society Reviews. 42 (9), 4071-4082 (2013).
  15. Impéror-Clerc, M., Grillo, I., Khodakov, A. Y., Durand, D., Zholobenko, V. L. New insights into the initial steps of the formation of SBA-15 materials: an in situ small angle neutron scattering investigation. Chemical Communications. 8, 834-836 (2007).
  16. Narayanan, T., Rüter, A., Olsson, U. SAXS/WAXS investigation of amyloid-β(16-22) peptide nanotubes. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 9, 654349(2021).
  17. Angelov, B., et al. DNA/Fusogenic lipid nanocarrier assembly: millisecond structural dynamics. The Journal of Physical Chemistry Letters. 4 (11), 1959-1964 (2013).
  18. Amann, M., et al. Kinetic pathways for polyelectrolyte coacervate micelle formation revealed by time-resolved synchrotron SAXS. Macromolecules. 52 (21), 8227(2019).
  19. Varga, Z., Wacha, A., Bóta, A. Osmotic shrinkage of sterically stabilized liposomes as revealed by time-resolved small-angle X-ray scattering. Journal of Applied Crystallography. 47 (1), 35-40 (2014).
  20. Panine, P., Finet, S., Weiss, T. M., Narayanan, T. Probing fast kinetics in complex fluids by combined rapid mixing and small-angle X-ray scattering. Advances in Colloid and Interface Science. 127 (1), 9-18 (2006).
  21. Grillo, I. Applications of stopped-flow in SAXS and SANS. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 14 (6), 402-408 (2009).
  22. Gomez-Hens, A., Perez-Bendito, D. The stopped-flow technique in analytical chemistry. Analytica Chimica Acta. 242, 147-177 (1991).
  23. Patel, J. T., Belsham, H. R., Rathbone, A. J., Friel, C. T. Use of stopped-flow fluorescence and labeled nucleotides to analyze the ATP turnover cycle of kinesins. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (92), e52142(2014).
  24. Biro, F. N., Zhai, J., Doucette, C. W., Hingorani, M. M. Application of stopped-flow kinetics methods to investigate the mechanism of action of a DNA repair protein. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (37), e1874(2010).
  25. Raney, K. D., Sowers, L. C., Millar, D. P., Benkovic, S. J. A fluorescence-based assay for monitoring helicase activity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (14), 6644-6648 (1994).
  26. Roder, H., Maki, K., Cheng, H. Early events in protein folding explored by rapid mixing methods. Chemical reviews. 106 (5), 1836-1861 (2006).
  27. Milon, A., et al. Osmotic swelling of unilamellar vesicles by the stopped-flow light scattering method. Influence of vesicle size, solute, temperature, cholesterol and three α,ω-dihydroxycarotenoids. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. 859 (1), 1-9 (1986).
  28. Gast, K., Nöppert, A., Müller-Frohne, M., Zirwer, D., Damaschun, G. Stopped-flow dynamic light scattering as a method to monitor compaction during protein folding. European Biophysics Journal. 25 (3), 211-219 (1997).
  29. Antoun, A., Pavlov, M. Y., Tenson, T., Ehrenberg, M. M. Ribosome formation from subunits studied by stopped-flow and Rayleigh light scattering. Biological Procedures Online. 6, 35-54 (2004).
  30. Zhu, Z., Armes, S. P., Liu, S. pH-Induced micellization kinetics of ABC triblock copolymers measured by stopped-flow light scattering. Macromolecules. 38 (23), 9803-9812 (2005).
  31. Ye, J., et al. Comparative study of temperature-induced association of cyclic and linear poly(N-isopropylacrylamide) chains in dilute solutions by laser light scattering and stopped-flow temperature jump. Macromolecules. 41 (12), 4416-4422 (2008).
  32. Liu, X., et al. Early stage kinetics of polyelectrolyte complex coacervation monitored through stopped-flow light scattering. Soft Matter. 12 (44), 9030-9038 (2016).
  33. Garman, E. F., Weik, M. X-ray radiation damage to biological samples: recent progress. Journal of Synchrotron Radiation. 26 (4), 907-911 (2019).
  34. Garg, S., Porcar, L., Woodka, A. C., Butler, P. D., Perez-Salas, U. Noninvasive neutron scattering measurements reveal slower cholesterol transport in model lipid membranes. Biophysical Journal. 101 (2), 370-377 (2011).
  35. Marquardt, D., et al. 1H NMR shows slow phospholipid flip-flop in gel and fluid bilayers. Langmuir. 33 (15), 3731-3741 (2017).
  36. Egelhaaf, S. U., Olsson, U., Schurtenberger, P. Time-resolved SANS for surfactant phase transitions. Physica B: Condensed Matter. 276-278, 326-329 (2000).
  37. Tabor, R. F., Eastoe, J., Grillo, I. Time-resolved small-angle neutron scattering as a lamellar phase evolves into a microemulsion. Soft Matter. 5 (10), 2125-2129 (2009).
  38. Gradzielski, M., Bergmeier, M., Hoffmann, H., Müller, M., Grillo, I. Vesicle gel formed by a self-organization process. The Journal of Physical Chemistry B. 104 (49), 11594-11597 (2000).
  39. Lee, Y. -T., Li, D. S., Pozzo, L. D. Kinetic analysis of ultrasound-induced oil exchange in oil-in-water emulsions through contrast variation time-resolved small-sngle neutron scattering. Langmuir. 35 (47), 15204-15213 (2019).
  40. Lee, Y. -T., Pozzo, L. D. Contrast-variation time-resolved small-angle neutron scattering analysis of oil-exchange kinetics between oil-in-water emulsions stabilized by anionic surfactants. Langmuir. 35 (47), 15192-15203 (2019).
  41. Roger, K., Olsson, U., Schweins, R., Cabane, B. Emulsion ripening through molecular exchange at droplet contacts. Angewandte Chemie International Edition. 54 (5), 1452-1455 (2015).
  42. Nakano, M., Fukuda, M., Kudo, T., Endo, H., Handa, T. Determination of Interbilayer and Transbilayer Lipid Transfers by Time-Resolved Small-Angle Neutron Scattering. Physical Review Letters. 98 (23), 238101(2007).
  43. Nakano, M., et al. Flip-flop of phospholipids in vesicles: kinetic analysis with time-resolved small-angle neutron scattering. The Journal of Physical Chemistry B. 113 (19), 6745-6748 (2009).
  44. Nguyen, M. H. L., et al. Methanol accelerates DMPC flip-flop and transfer: A SANS study on lipid dynamics. Biophysical Journal. 116 (5), 755-759 (2019).
  45. Nguyen, M. H. L., et al. Peptide-induced Lipid flip-flop in asymmetric liposomes measured by small angle neutron scattering. Langmuir. 35 (36), 11735-11744 (2019).
  46. Nguyen, M. H. L., et al. Time-resolved SANS reveals pore-forming peptides cause rapid lipid reorganization. New Journal of Chemistry. 45 (1), 447-456 (2021).
  47. Xia, Y., et al. Effects of nanoparticle morphology and acyl chain length on spontaneous lipid transfer rates. Langmuir. 31 (47), 12920-12928 (2015).
  48. Xia, Y., et al. Morphology-induced defects enhance lipid transfer rates. Langmuir. 32 (38), 9757-9764 (2016).
  49. Maric, S., et al. Time-resolved small-angle neutron scattering as a probe for the dynamics of lipid exchange between human lipoproteins and naturally derived membranes. Scientific Reports. 9 (1), 7591(2019).
  50. Nielsen, J. E., Bjørnestad, V. A., Pipich, V., Jenssen, H., Lund, R. Beyond structural models for the mode of action: How natural antimicrobial peptides affect lipid transport. Journal of Colloid and Interface Science. 582, 793-802 (2021).
  51. Willner, L., Poppe, A., Allgaier, J., Mokenbusch, M., Richter, D. TIme-resolved SANS for the determintioan of unimer exchange kinetics in block copolymer micelles. Europhysics Letters. 55 (5), 667(2001).
  52. Lund, R., Willner, L., Stellbrink, J., Lindner, P., Richter, D. Logarithmic chain-exchange kinetics of diblock copolymer micelles. Physical Review Letters. 96 (6), 068302(2006).
  53. Lund, R., Willner, L., Richter, D., Dormidontova, E. E. Equilibrium chain exchange kinetics of diblock copolymer micelles: Tuning and logarithmic relaxation. Macromolecules. 39 (13), 4566-4575 (2006).
  54. Lund, R., Willner, L., Richter, D. Kinetics of block copolymer micelles studied by small-angle scattering methods. in Controlled Polymerization and Polymeric Structures. Advances in Polymer Science. Abe, A., Lee, K. S., Leibler, L., Kobayashi, S. , Springer. Cham. 51(2013).
  55. Choi, S. -H., Lodge, T. P., Bates, F. S. Mechanism of molecular exchange in diblock copolymer micelles: hypersensitivity to core chain length. Physical Review Letters. 104 (4), 047802(2010).
  56. Choi, S. -H., Bates, F. S., Lodge, T. P. Molecular exchange in ordered diblock copolymer micelles. Macromolecules. 44 (9), 3594-3604 (2011).
  57. Lu, J., Bates, F. S., Lodge, T. P. Chain exchange in binary copolymer micelles at equilibrium: confirmation of the independent chain hypothesis. ACS Macro Letters. 2 (5), 451-455 (2013).
  58. Lu, J., Bates, F. S., Lodge, T. P. Remarkable effect of molecular architecture on chain exchange in triblock copolymer micelles. Macromolecules. 48 (8), 2667-2676 (2015).
  59. Kelley, E. G., et al. Size evolution of highly amphiphilic macromolecular solution assemblies via a distinct bimodal pathway. Nature Communications. 5 (1), 3599(2014).
  60. Murphy, R. P., Kelley, E. G., Rogers, S. A., Sullivan, M. O., Epps, T. H. Unlocking chain exchange in highly amphiphilic block polymer micellar systems: influence of agitation. ACS Macro Letters. 3 (11), 1106-1111 (2014).
  61. Schantz, A. B., et al. PEE-PEO block copolymer exchange rate between mixed micelles is detergent and temperature activated. Macromolecules. 50 (6), 2484-2494 (2017).
  62. Lantz, K. A., et al. Cavitation enables switchable and rapid block polymer exchange under high-χN conditions. Macromolecules. 51 (17), 6967-6975 (2018).
  63. Murphy, R. P., et al. Capillary RheoSANS: measuring the rheology and nanostructure of complex fluids at high shear rates. Soft Matter. 16 (27), 6285-6293 (2020).
  64. Stopped Flow Sans. usnistgov. , Available from: https://github.com/usnistgov/stopped-flow-sans (2021).
  65. Kline, S. Reduction and analysis of SANS and USANS data using IGOR Pro. Journal of Applied Crystallography. 39 (6), 895-900 (2006).
  66. Doktorova, M., et al. Preparation of asymmetric phospholipid vesicles for use as cell membrane models. Nature Protocols. 13 (9), 2086-2101 (2018).
  67. Huang, Z., London, E. Effect of cyclodextrin and membrane lipid structure upon cyclodextrin-lipid interaction. Langmuir. 29 (47), 14631-14638 (2013).
  68. Sugiura, T., Ikeda, K., Nakano, M. Kinetic analysis of the methyl-β-cyclodextrin-mediated intervesicular transfer of pyrene-labeled phospholipids. Langmuir. 32 (51), 13697-13705 (2016).
  69. Scott, H. L., et al. On the mechanism of bilayer separation by extrusion, or why your LUVs are not really unilamellar. Biophysical Journal. 117 (8), 1381-1386 (2019).
  70. Dicko, C., et al. NUrF-Optimization of in situ UV-vis and fluorescence and autonomous characterization techniques with small-angle neutron scattering instrumentation. Review of Scientific Instruments. 91 (7), 075111(2020).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Stopped Flow SANSSmall Angle Neutron ScatteringTime Resolved SANSNanoscale KineticsLipid Exchange KineticsSyringe Pump MixingSample InjectionNeutron ScatteringKinetic Rate ConstantsStructural Evolution

Related Articles