Metody badań przemian strukturalnych ex situ i in situ: przypadek krystalizacji szkieł metalicznych
7 czerwca 2018
Tutaj prezentujemy protokół opisujący badania ex situ i in situ przemian strukturalnych w szkłach metalowych. Zastosowaliśmy metody analityczne oparte na jądrze, które badają oddziaływania nadsubtelne. Wykazujemy możliwość zastosowania spektrometrii Mössbauera i jądrowego rozpraszania promieniowania synchrotronowego do przodu podczas eksperymentów opartych na temperaturze.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące ewolucji krystalizacji w szkłach metalicznych na bazie żelaza w odniesieniu do zmieniającego się czasu i/lub temperatury. Główną zaletą tej procedury jest zastosowanie dwóch uzupełniających się metod analitycznych opartych na jądrach, które mogą śledzić przemiany strukturalne i magnetyczne poprzez oddziaływania nadsubtelne. Spektroskopia Mossbauera wykonywana ex situ opisuje, w jaki sposób układ strukturalny i mikrostruktura magnetyczna pojawiają się po wyżarzaniu w określonej temperaturze i czasie, a więc odzwierciedlają sytuację statyczną.
Metoda jądrowego rozpraszania promieniowania synchrotronowego do przodu dostarcza danych, które są rejestrowane in situ podczas dynamicznie zmieniającej się temperatury, a tym samym kontroluje stany przejściowe. Zabieg zademonstruje dr Irena Janatova, młodszy pracownik naukowy z naszego laboratorium. Najpierw odlać wcześniej przygotowany stop na obracające się koło hartownicze aparatu do odlewania z przepływem planarnym w warunkach otoczenia.
Sprawdź amorficzny charakter wytworzonych wstęg, wykonując dyfrakcję rentgenowską w geometrii Bragga-Brentano. Użyj anody miedzianej i zapisz wzór dyfrakcyjny od 20 do 100 stopni 2-theta z krokiem kątowym 0,05 stopnia i akwizycją 20 sekund dla jednego punktu. Następnie przygotuj małe kawałki wytworzonych wstęg o łącznej masie około trzech do pięciu miligramów i umieść je w instrumencie DSC.
Wykonaj eksperyment DSC z rampą temperatury 10 kelwinów na minutę w zakresie temperatur od 50 do 700 stopni Celsjusza w atmosferze argonu. Określić temperaturę początku krystalizacji, która jest mierzona w załamaniu najbardziej wyraźnego piku na krzywej DSC. Wybierz pięć temperatur wyżarzania, które obejmują zarówno obszary prekrystalizacji, jak i krystalizacji na DSC w celu dalszego wyżarzania ex situ.
Następnie przygotuj pięć grup siedmiocentymetrowych kawałków stłumionej wstążki. W przypadku wyżarzania ex situ należy ustawić temperaturę docelową na piecu i odczekać 15 minut na jego ustabilizowanie. Następnie włóż kawałki taśmy do opróżnionej i stabilizowanej termicznie strefy, otwierając od siedmiu do 10 milimetrowych szczelin między dwoma blokami i wsuwając wstęgi bezpośrednio do środka strefy grzewczej.
Natychmiast zamknij szczelinę, tak aby temperatura próbki osiągnęła temperaturę pieca w czasie krótszym niż pięć sekund z różnicą 0,1 kelvina. Po wyżarzaniu usuń podgrzane wstęgi i umieść je na zimnym podłożu wewnątrz systemu próżniowego, aby zapewnić szybkie schłodzenie próbek do temperatury pokojowej. Przygotuj od sześciu do ośmiu kawałków wstążek o długości jednego centymetra dla każdej próbki do eksperymentów spektrometrycznych Mossbauera.
Załóż wstążki obok siebie za pomocą taśmy samoprzylepnej na końcach wstążek. Przymocuj je do aluminiowego uchwytu, aby utworzyć zwarty obszar o wymiarach około jeden na jeden centymetr kwadratowy. Zwróć uwagę na różny wygląd po obu stronach wstążek.
Upewnij się, że wszystkie wstążki są umieszczone na aluminiowym uchwycie tą samą stroną do góry. Następnie włóż aluminiowy uchwyt z próbką do detektora przyrządu. Przed pomiarem należy dokładnie umyć wewnętrzną objętość detektora strumieniem gazu detekcyjnego przez 10 do 15 minut, aby usunąć całe resztki powietrza.
Po umyciu wyreguluj przepływ gazu przez detektor za pomocą zaworu iglicowego do trzech mililitrów na minutę. Następnie podłącz wysokie napięcie do detektora. Rejestrować widma Mossbauera CEMS i CXMS za pomocą spektrometru o stałym przyspieszeniu wyposażonego w źródło promieniotwórcze kobaltu 57 osadzone w matrycy rodowej.
Spektrometr z detektorem gazu należy obsługiwać w temperaturze pokojowej zgodnie z instrukcją. W przypadku eksperymentów NFS należy umieścić około sześciomilimetrową wstęgę badanego szkła metalicznego w piecu próżniowym. Następnie należy zarejestrować wzorce NFS w dziedzinie czasu podczas ciągłego podgrzewania próbki do temperatury do 700 stopni Celsjusza z rampą 10 stopni na minutę, stosując jednominutowe odstępy czasu na akwizycję danych eksperymentalnych podczas całego procesu wyżarzania in situ.
Na koniec oceń dane eksperymentalne NFS za pomocą odpowiedniego oprogramowania. Spektrometria Mossbauera pozwala na bezpośrednią identyfikację typu układu strukturalnego, w szczególności krystalicznego i amorficznego, jak pokazano tutaj. W tym miejscu wyświetlane są widma CEMS pobrane z powietrza i od strony kół wstęg.
Wskazują one na rosnący udział składników krystalicznych po wyżarzaniu ex situ. Porównanie ilości krystalitów z technik CEMS i CXMS przedstawiono tutaj. Krystalizacja rozpoczyna się po wyżarzaniu w temperaturze 410 stopni Celsjusza.
Wzorce NFS, które zawierają w dziedzinie czasu te same informacje o oddziaływaniach nadsubtelnych, co widma Mossbauera w dziedzinie energii, ale są rejestrowane w krótszym czasie, pokazano tutaj. Wykres konturowy wzorców w dziedzinie czasu NFS zarejestrowanych podczas ogrzewania in situ wstęg po stłumieniu jest pokazany tutaj. Wykazuje przejście magnetyczne w temperaturze Curie i początku krystalizacji.
Przykłady wzorców NFS są pokazane tutaj. Pokazano tutaj ewolucję całkowitej względnej ilości nanokryształów wraz z temperaturą. Początek krystalizacji jest oznaczony TX1.
Łączna liczba zliczeń poszczególnych wzorców dziedziny czasu NFS w odniesieniu do temperatury eksperymentu NFS in situ pokazuje trzy dobrze wyodrębnione regiony, które ewoluują podczas dynamicznie zmieniającej się temperatury. Spektrometria Mossbauera ujawnia drobne szczegóły przemian strukturalnych i/lub magnetycznych wywołanych obróbką cieplną. Jednak czas potrzebny na zarejestrowanie jednego widma może rozciągać się na kilka godzin, co ogranicza tę technikę do eksperymentów ex situ.
Korzystając z eksperymentów Mossbauera ex situ, możemy badać lokalną strukturę i układ magnetyczny w materiale w warunkach statycznych. Można je sprawdzić przed i/lub po obróbce termicznej. Zgodnie z procedurą rozpraszania jądrowego do przodu, szybkie pozyskiwanie danych jest zapewnione przez niezwykle jasne promieniowanie synchrotronowe.
W ten sposób eksperymenty in situ mogą być przeprowadzane podczas obróbki temperaturowej, a natychmiastowe stany materiału mogą być kontrolowane w warunkach dynamicznych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć korzyści płynące z techniki rozpraszania jądrowego in situ do przodu w promieniowaniu synchrotronowym. Jest ona komplementarna ze spektroskopią Mossbauera ex situ z punktu widzenia uzyskanych wyników i warunków, w jakich są one uzyskiwane.
Techniki te torują drogę badaczom w innych dziedzinach, które są związane z przejściami strukturalnymi i/lub magnetycznymi, zwłaszcza gdy przewiduje się istnienie stanów pośrednich.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W tym artykule przedstawiono protokół badania transformacji strukturalnych w szklanych metalach z wykorzystaniem metod analitycznych opartych na technice jądrowej. Podkreśla się wykorzystanie spektrometrii Mössbauera i rozpraszania jądrowego do przodu promieniowania synchronicznego do badania tych transformacji w różnych warunkach temperaturowych.
Kluczowe Elementy Badania
Dziedzina Nauki
- Nauka o Materiałach
- Metalurgia
- Chemia Analityczna
Tło
- Szklane metale wykazują unikalne właściwości strukturalne.
- Zrozumienie krystalizacji w tych materiałach jest kluczowe dla ich zastosowań.
- Metody oparte na technice jądrowej dostarczają informacji na temat oddziaływań hiperdrobnych.
- Temperatura i czas znacząco wpływają na ułożenie strukturalne.
Cel Badania
- Zbadanie ewolucji krystalizacji w szklanych metalach na bazie żelaza.
- Wykorzystanie komplementarnych metod analitycznych opartych na technice jądrowej do analizy strukturalnej.
- Badanie zarówno stanów statycznych, jak i dynamicznych materiałów.
Wykorzystane Metody
- Spektroskopia Mössbauera do analizy ex situ mikrostruktury strukturalnej i magnetycznej.
- Rozpraszanie jądrowego promieniowania do przodu z wykorzystaniem promieniowania synchronicznego do gromadzenia danych in situ.
- Eksperymenty napędzane temperaturą w celu obserwacji stanów przejściowych.
- Technika ciągłego odlewania płaskiego do przygotowania próbek.
Główne Wyniki
- Spektroskopia Mössbauera ujawnia statyczne ułożenia strukturalne po wyżarzaniu.
- Rozpraszanie jądrowego promieniowania do przodu rejestruje dynamiczne zmiany podczas zmian temperatury.
- Metody te wzajemnie się uzupełniają, zapewniając kompleksowe zrozumienie.
- Demonstracja procedury przez Dr Irenę Janatową zwiększa odtwarzalność.
Wnioski
- Badanie skutecznie łączy dwie techniki analityczne, aby uzyskać lepsze wglądy.
- Zrozumienie transformacji strukturalnych może prowadzić do poprawy właściwości materiałowych.
- Przyszłe badania mogą bazować na tych wynikach, aby umożliwić zaawansowane zastosowania.
Często Zadawane Pytania
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.
