Prosty kriostat Dewara/Kriostatu do równoważenia termicznego próbek w znanych temperaturach w celu dokładnych pomiarów luminescencji kriogenicznej
19 lipca 2016
Opisany jest prosty aparat Dewara/kriostatu z ciekłym azotem, składający się z małego optycznego Dewara z topionej krzemionki, termopary i spektrografu z ładunkiem sprzężonym z ładunkiem (CCD). Eksperymenty, do których zaprojektowano ten kriostat Dewara, wymagają szybkiego ładowania, zamrażania i wyrównywania próbek, dokładnych i stabilnych temperatur próbek oraz niewielkich rozmiarów/przenośności.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest pomiar intensywności widma luminescencji zależnej od temperatury. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące migracji energii w stanie wzbudzonym w kompleksach metali. Takich jak kompleksy diaminy rutenu.
Główną zaletą tej techniki jest to, że przy użyciu prostej aparatury i procedury można zmierzyć dokładne intensywności widmowe zależne od temperatury. Procedurę zademonstruje Cameron Portune, technik z mojego laboratorium. Najpierw przygotuj około trzech milimetrów niskomolowego luminescencyjnego roztworu chromoforu w wodzie lub alkoholu, aby uzyskać najlepszą kombinację napięcia powierzchniowego i rozpuszczalności.
Następnie przygotuj przykładową pętlę. Skręć odcinek gołego drutu miedzianego wokół gwoździa lub, aby uzyskać pojedynczą pętlę, a następnie około 30 milimetrów skręconego drutu. Następnie przepłucz pętlę kwasem azotowym, następnie wodą destylowaną, a na końcu 95% etanolem.
Pamiętaj, aby założyć odzież ochronną na następny krok. Po wyschnięciu zanurzyć pętlę w roztworze próbki. Napięcie powierzchniowe roztworu powinno tworzyć cienką warstwę roztworu w pętli.
Następnie natychmiast zanurz załadowaną pętlę próbki w ciekłym azocie, aby zamrozić i ustabilizować cienkowarstwowy roztwór próbki. Zacznij od przygotowania miedzianego konstantanu lub termopary typu T z dwóch odcinków drutu miedzianego i jednego odcinka drutu konstantanowego, który jest stopem miedzi i niklu. Następnie zaciśnij ze sobą druty miedziane i contstantan pod kątem 90 stopni.
Skorzystaj lub skręć razem dwa miedziane złącza konstantanowe. Jeden dotyczy próbki, a drugi standardowego odniesienia. To naprawdę pomaga dwóm osobom zrobić ten krok.
Następnie mocno pociągnij dwa druty i skręć je ze sobą pięć lub sześć razy. Izolacja zapewnia, że jedyny wykonany kontakt będzie znajdował się na złączu termopary. Następnie podłącz dwa miedziane przewody termopary ze złączy próbki i odniesienia do zacisków wejściowych woltomierza.
Następnie umieść zarówno złącza próbki, jak i odniesienia w łaźni lodowej o zerowej temperaturze stopni Celsjusza i wyzeruj woltomierz. Następnie załadowana pętla próbki i złącze termopary są wyrównywane w optycznym dewarze wypełnionym ciekłym azotem. Wymaga to korka, który ściśle przylega do górnej części optycznego dewara.
Przygotuj standardowy uchwyt do przytrzymania pętli za pomocą klipsa, kołka i taśmy hydraulicznej. Następnie wyrównaj pętlę próbki złącza termopary ze ścieżką wiązki światła wzbudzenia. Co najmniej godzinę wcześniej włącz całą elektronikę w spektrografie CCD.
Włącz także kamerę CCD chłodzoną pal te, aby osiągnąć stabilną temperaturę pracy. Podczas przeprowadzania testu monitoruj temperaturę na woltomierzu, podczas gdy azot powoli się gotuje. Woltomierz dokładnie podaje temperaturę, ponieważ próbka jest całkowicie zanurzona w ciekłym azocie lub zimnej parze.
Weź widma co pięć kelwinów. Aby to zrobić, na chwilę włącz lub odblokuj światło wzbudzenia i użyj spektrografu CCD, aby uzyskać widmo luminescencyjne. Zajmuje to tylko kilka sekund.
Następnie wyłącz lub ponownie zablokuj światło wzbudzenia, aby zminimalizować degradację fotochemiczną lub błędy podgrzewania próbki. Napięcie termopary nie powinno się znacząco zmieniać od początku do końca interwału akwizycji. Na potrzeby analizy przelicz podane napięcie na temperaturę.
Wykonując te pomiary, nie dokonuj żadnych zmian w optyce, elektronice ani natężeniu światła wzbudzenia. Później należy skorygować intensywność zestawów danych spektralnych CCD. Kompleks tris-cztery-siedem-dimetylo-one-dziesiątą-anantrolemu rodium trzy rozpuszczono w nasyconym tlenem glicerolu i zbadano opisaną metodą w temperaturach od 77 do 200 kelwinów.
Intensywność luminescencji pozostawała zasadniczo stała od 77 kelwinów do 175 kelwinów, a następnie stopniowo zmniejszała się wraz ze wzrostem temperatury ze 175 kelwinów do 240 kelwinów. Sporządzono wykres parametru, który reprezentuje zakres hartowania w funkcji odwrotnej temperatury Kelvina. W ten sposób obliczono energię aktywacji wygaszania luminescencji tlenu wynoszącą 31,5 kilodżuli na mol.
Tą metodą uzyskano również energię aktywacji wygaszania dla kilku innych pokrewnych kompleksów. Wewnętrzna spójność tych wyników sugeruje, że temperatura próbki jest znana i stała podczas pozyskiwania widm. Tę technikę można wykonać w ciągu jednej do dwóch godzin, jeśli jest wykonywana prawidłowo.
Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, że próbki i termopary nie można przesunąć po rozpoczęciu eksperymentu, w przeciwnym razie odczyty intensywności nie będą spójne.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W niniejszym artykule szczegółowo opisano konstrukcję i zasadę działania prostego układu z naczyniem Dewara z ciekłym azotem/kriostatem do spektroskopii luminescencyjnej zależnej od temperatury. Układ ten umożliwia szybkie przygotowanie, zamrożenie i ustawienie próbki, zapewniając jednocześnie dokładną i stabilną temperaturę próbek. Aparatura jest sprzężona ze spektrografem CCD w celu szybkiej akwizycji danych, co pozwala na badanie próbek luminescencyjnych w zakresie temperatur od 77–300 K. Przykładem zastosowania jest badanie wygaszania tlenowego w kompleksie rodu(III).
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Spektroskopia chemiczna
- Chemia fizyczna
- Instrumentacja
Wstęp
- Pomiary luminescencji zależne od temperatury są niezbędne do badania migracji energii stanów wzbudzonych w kompleksach metali.
- Dokładna i stabilna temperatura próbek jest kluczowa dla uzyskania wiarygodnych danych spektroskopowych.
- Tradycyjne kriostaty mogą być skomplikowane i mniej przenośne.
- Niniejsza metoda wykorzystuje prostą, przenośną aparaturę w postaci naczynia Dewara/kriostatu do przeprowadzania wydajnych pomiarów.
Cel badania
- Zaprezentowanie prostej metody pomiaru widm luminescencji w kontrolowanych temperaturach kriogenicznych.
- Umożliwienie szybkiego i powtarzalnego przygotowania próbek oraz kontroli temperatury.
- Zbadanie zależnego od temperatury gaszenia tlenowego w kompleksach metali przejściowych.
Zastosowane metody
- Przygotowanie roztworów luminescencyjnych chromoforów o niskim stężeniu molowym.
- Tworzenie próbek w postaci cienkich warstw na miedzianych pętlach.
- Szybkie mrożenie próbek w ciekłym azocie.
- Zastosowanie termopary miedź-konstantan (typ T) do precyzyjnego pomiaru temperatury.
- Ustawienie próbki i termopary w optycznym naczyniu Dewara z topionego kwarcu.
- Pomiar widm luminescencji w odstępach 5 K przy użyciu spektrografu CCD.
- Korekta i analiza danych w celu kalibracji natężenia i temperatury.
Główne wyniki
- Aparat umożliwia stabilną i dokładną kontrolę temperatury podczas szybkiego pozyskiwania widm.
- W przypadku kompleksu tris(4,7-dimetylo-1,10-fenantroliny)rodu(III) w glicerolu nasyconym tlenem intensywność luminescencji była stała w zakresie od 77 K do 175 K, a następnie spadała wraz ze wzrostem temperatury.
- Wyznaczono energię aktywacji wygaszania tlenowego wynoszącą 31,5 kJ/mol.
- Uzyskano spójne wartości energii aktywacji dla pokrewnych kompleksów, co potwierdziło niezawodność metody.
Wnioski
- Opisane urządzenie typu naczynie Dewara/kriostat stanowi proste i skuteczne rozwiązanie dla kriogenicznej spektroskopii luminescencyjnej.
- Umożliwia ono dokładne i powtarzalne pomiary zależne od temperatury w krótkim czasie.
- Metoda ta jest odpowiednia do badania procesów fotofizycznych w materiałach luminescencyjnych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładne pomiary luminescencji zależnej od temperatury są kluczowe dla minimalizacji ryzyka mechanistycznego oraz zwiększenia pewności prognostycznej we wczesnych etapach poszukiwania leków, szczególnie podczas oceny procesów w stanach wzbudzonych w kompleksach metali. Opisana aparatura z użyciem naczynia Dewara/kriostatu umożliwia szybkie, powtarzalne i stabilne pomiary kriogeniczne, wspierając rzetelną walidację celów oraz opracowywanie testów. Jej mobilność i prostota obsługi ułatwiają integrację z różnorodnymi procesami badawczo-rozwojowymi (R&D), usprawniając podejmowanie decyzji dotyczących portfela projektów w kluczowych punktach zwrotnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia precyzyjną analizę migracji energii stanu wzbudzenia w kompleksach metali istotnych dla testowania hipotez terapeutycznych.
- Wspiera walidację celów funkcjonalnych poprzez dostarczanie dokładnych danych luminescencyjnych z kontrolą temperatury.
- Ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego dzięki powtarzalnemu pomiarowi zjawisk gaszenia zależnego od temperatury.
Przesiewy i rozwój testów
- Przygotowuje zwalidowane testy luminescencyjne w warunkach kriogenicznych dla dalszych etapów przepływu pracy w badaniach przesiewowych związków.
- Zapewnia powtarzalność testów i ilościowe wyniki poprzez utrzymywanie stabilnych temperatur próbek podczas akwizycji.
- Umożliwia szybkie ładowanie i zamrażanie próbek, wspierając gotowość do wysokoprzepustowych testów oraz skalowalność platformy.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia ciągłość od etapu odkrycia do walidacji przedklinicznej, umożliwiając prowadzenie badań nad luminescencyjnymi biomarkerami w zależności od temperatury.
- Jest zgodne z translacyjnymi strategiami biomarkerowymi, w których właściwości fotofizyczne determinują wybór systemów istotnych dla danej jednostki chorobowej.
- Wspiera decyzje o dalszym rozwoju projektu w oparciu o analizę ryzyka, dostarczając wiarygodnych, ilościowych danych o luminescencji w różnych zakresach temperatur.
Integracja potoków i przepływów pracy
Ta metoda z użyciem naczynia Dewara/kriostatu integruje się płynnie z etapami od wczesnego odkrywania, przez identyfikację wiodących związków, aż po badania przedkliniczne, wspierając studia oparte na hipotezach oraz opracowywanie ilościowych testów analitycznych.
- Biologia odkrywcza: Ułatwia weryfikację hipotez i wyjaśnianie szlaków sygnałowych poprzez kontrolowane pomiary luminescencji.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki niezbędne do wiarygodnej oceny związków.
- Analityka: Zapewnia precyzyjne odczyty temperatury i intensywności, umożliwiając bezpośrednie porównanie warunków eksperymentalnych.
- Badania translacyjne: Wspiera dopasowanie biomarkerów i ciągłość badań przedklinicznych w przypadkach, gdy istotne są właściwości fotofizyczne.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje ustandaryzowaną, przenośną możliwość wielokrotnego zastosowania w ramach wielu programów B+R.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w testach opartych na luminescencji.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację, powtarzalność i skalowalność pomiarów kriogenicznych.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) oraz efektywność kapitałową poprzez dostarczenie solidnych danych ilościowych na wczesnym etapie procesu.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój kandydatów w oparciu o wiarygodną charakterystykę fotofizyczną.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obchodzeniu się z próbkami w temperaturach kriogenicznych oraz w spektroskopii luminescencyjnej.
- Wymagany jest dostęp do spektrografu CCD, zestawu termopar oraz infrastruktury do ciekłego azotu.
- Wymagana jest ścisła standaryzacja protokołów przygotowywania próbek i pomiarów pomiędzy zespołami.
- Metoda jest możliwa do dostosowania do różnych systemów luminescencyjnych, lecz ograniczona do próbek kompatybilnych z szybkim mrożeniem i tworzeniem cienkich warstw.
- Stabilność próbki i termopary podczas akwizycji danych jest krytyczna dla uzyskania spójnych wyników.
Często zadawane pytania dotyczące Biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
0:44
Sample Loop Preparation
1:44
Thermocouple Preparation and Alignment in the Optical Dewer
3:16
Temperature-dependent Cryogenic Spectroscopy in the Optical Dewar
5:34
Conclusion
4:34
Results: [Rh(4,7-Me2-1,10-phen)3]3+ and Related Compounds
