Viene descritto un protocollo per la determinazione delle densità di fase vitrea di gocce di dimensioni micro-pico-litri di miscele acquose a temperature criogeniche.
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Articolo metodologico
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Viene descritto un protocollo per la determinazione delle densità di fase vitrea di gocce di dimensioni micro-pico-litri di miscele acquose a temperature criogeniche.
Abbiamo dimostrato un metodo per determinare le densità di temperatura criogenica a fase vitrea di miscele acquose e altri campioni che richiedono un raffreddamento rapido, per preparare la fase di temperatura criogenica desiderata. I microlitri a gocce di dimensioni del picoliter vengono raffreddate proiettando in una miscela di azoto liquido (N 2 -Ar). La fase di temperatura criogenica della goccia viene valutata usando un test visivo correlato alle misure di diffrazione del raggio X. La densità della miscela liquida N 2 -Ar viene regolata aggiungendo N 2 o Ar finché la goccia diventa neutrale. La densità di questa miscela e quindi della goccia è determinata usando una massa di prova e il principio di Archimede. Con la cura appropriata nella preparazione della goccia, la gestione del gas sopra la miscela criogenica liquida per ridurre al minimo la gelosia e la miscelazione regolare della miscela criogenica per prevenire la stratificazione della densità e la separazione di fase, le densità accurate a <0,5% di gocce minori di 50 pLFacilmente determinato. Le misurazioni sulle miscele crioprotettanti acquose permettono di conoscere l'azione crioprotrattante e fornire dati quantitativi per facilitare la corrispondenza della contrazione termica nella crioconservazione biologica.
Le proprietà fisiche dell'acqua e delle miscele acquose nelle loro varie fasi sono di interesse fondamentale e sono importanti per la comprensione in vivo e in vitro dei sistemi biologici. Nella criobiologia contemporanea e nella crioconservazione biologica sono particolarmente interessanti le fasi vitreose o amorfe di miscele crioprotectanti acquose 1 , 2 . La nucleazione e la crescita dei cristalli di ghiaccio possono interrompere le cellule e i tessuti e promuovere la denaturazione e l'aggregazione delle proteine, per cui i protocolli di crioconservazione che vitrificano il solvente sono diventati sempre più popolari. Nella cristallografia biomolecolare, la cristallizzazione del solvente nei canali tra biomolecole distrugge i cristalli di cristallo e degrada le proprietà di diffrazione. La vitrificazione viene ottenuta attraverso una combinazione di rapido raffreddamento, disidratazione e aggiunta di solventi crioprotettori quali glicerolo, glicole etilenico, glicoli polietilenici (PEG),Alcoli e sali.
Vitrificazione limita la cristallizzazione e la crescita del ghiaccio, ma non elimina tutti i danni provenienti dal raffreddamento. Per esempio, la mosaicità di cristallo (una misura della distribuzione degli orientamenti del piano di cristallo) aumenta regolarmente di un fattore da 10 a 100 quando i cristalli proteici vengono raffreddati in uno stato vitrificato 3 e i tassi di sopravvivenza post-dissolti delle cellule spermatiche e degli ovociti vitrificati variano ampiamente .
Un meccanismo di danno è la contrazione differenziale del solvente e del materiale circostante durante il raffreddamento 3 , 4 , 5 . Il solvente di equilibrio e le concentrazioni di soluto all'interno di un cristallo, di una cellula o di un tessuto dipendono dalla temperatura e il solvente più il soluto e il materiale circostante possono contrattare per quantità diverse. Il raffreddamento rapido può impedire la ridistribuzione del solvente e del soluto prima della vitrificazione e dei contratti differenziali Può provocare grandi sollecitazioni inhomogenei e non equilibri che causano danni al campione.
Gli approcci razionali per la riduzione dei danni causati dal raffreddamento potrebbero quindi beneficiare della conoscenza delle densità dipendenti dalla temperatura delle miscele acquose liquide e vetrificate. A concentrazioni di solventi superiori al 50% del soluto al peso della soluzione (w / w), la maggior parte delle miscele crioprotectanti acquose possono essere vitrificate con modesti tassi di raffreddamento di 10 K / s o meno, permettendo la produzione e la misurazione di densità utilizzando grandi campioni di vitreo 6 . La densità può quindi essere determinata usando il principio di Archimede, misurando il peso apparente del campione quando sospeso in un criogenico liquido come l'azoto. Tuttavia, poiché la concentrazione del soluto diminuisce, i tassi di raffreddamento richiesti per la vitrificazione aumentano rapidamente: i tassi di raffreddamento per le miscele acquose di glicole aumentano da <10 K / s al 50% di soluto in g al volume di soluzione in ml (v / v) a> 1.000 K / s al 25% in pesoAss = "xref"> 7. Il trasferimento di calore diventa limitato per i livelli di confine, in modo che raggiungere grandi velocità di raffreddamento richiedano campioni più piccoli e minori 8 .
Le misure della densità dell'acqua e del ghiaccio puro sono state ottenute depositare gocce di diametro del micrometro (volume femtolitore) in un vuoto su una superficie criogenica raffreddata in modo da costruire un campione macroscopico (massa grammaticale). La densità di questo campione è stata determinata mediante crioflotazione in una miscela di azoto-argon liquido in cui è stata regolata la densità del liquido criogenico fino a quando il campione è diventato neutrale 9 . Tuttavia, generare grandi campioni da un gran numero di piccole gocce in modo da ridurre al minimo i volumi vuoti - una fonte importante di errore nelle precedenti misurazioni di densità di fase in vitreo - non è banale. Per miscele acquose, l'evaporazione differenziale dei componenti della soluzione durante l'aerosolizzazione e la deposizione in un vuoto può portare aConsistenti incertezze nelle concentrazioni depositate.
Abbiamo sviluppato un metodo basato su crioflotazione che consente una precisa determinazione della densità di miscele acquose utilizzando singole gocce minori di 50 pL 10 . Queste gocce possono essere rapidamente raffreddate pur mantenendo le loro concentrazioni originali e il loro stato di temperatura criogenica (vetrificato o cristallino) può essere valutato utilizzando un semplice test visivo correlato alle misure di diffrazione del raggio X. Questo metodo è ampiamente applicabile a miscele acquose e non acquose e può essere esteso ad una varietà di campioni biologici, incluse le cellule ( ad es . Stelo e uovo), campioni di tessuto e cristalli proteici aventi densità a bassa temperatura tra 0,8 e 1,4 g / mL.
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ATTENZIONE: Prima dell'utilizzo, consultare tutti i fogli di sicurezza relativi ai materiali di sicurezza (MSDS). Utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si utilizzano gas compressi, inclusi regolatori e valvole di manipolazione del gas calibrati e tubi approvati del gas. Il contatto con criogenici liquidi può causare gravi lesioni o necrosi. Utilizzare adeguati dispositivi di protezione individuale (scudo a faccia, guanti, cappotto di laboratorio, pantaloni lunghi, scarpe chiuse) che devono essere impermeabili all'azoto liquido. Rimanere in piedi e assicurare un percorso di uscita senza ostacoli dall'apparecchio quando si utilizzano criogenici liquidi. Prestare attenzione ai pericoli di asfissia quando si utilizzano gas compressi e criogenici liquidi e lavorano in un'area ben ventilata con aria adeguata (un cappuccio o una stanza ad alta velocità di rotazione dell'aria).
1. Preparazione di soluzioni acquose per misure di densità
NOTA: Poiché i pesi sono più facilmente misurati ad un'alta precisione di volUm, le concentrazioni di soluzione sono misurate in unità w / w. Tutte le densità e le temperature di fusione o di ebollizione assumono una pressione atmosferica di ~ 100 kPa. Le seguenti fasi descrivono la preparazione di una soluzione al glicerolo al 35% in peso. La stessa procedura può essere utilizzata per altre concentrazioni e soluti.

2. Preparazione della camera di raffreddamento del campione
3. Determinazione del volume e della densità della massa di prova a T = 298 K e T = 77 K


4. Preparazione della Miscela Liquida N 2 -Ar iniziale
5. Misurazione e regolazione della densità della miscela iniziale N 2 -Artura

6. Gocce di raffreddamento di soluzione campione
7. Valutazione dello stato del campione
8. Determinazione della densità del campione
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Le misure di densità a T = 77 K per le gocce vitrificate di glicerolo acquoso e di glicole etilenico rispetto alla concentrazione di crioprotectant sono riportate rispettivamente in Figura 1 A e Figura 1 B e la corrispondente variazione del volume specifico tra T = 298 K e 77 K, calcolata utilizzando precedentemente Determinato T = 298 K densità, è mostrato in
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Gli attuali apparecchi e metodi, sviluppati principalmente da studenti universitari con accesso limitato a strumenti e macchine per la costruzione di strumenti, forniscono tuttavia misurazioni di densità estremamente accurate per singole gocce di liquidi minori di 50 pL. Nel campo di concentrazione vicino e al di sopra del 50% in peso, dove piccoli tassi di raffreddamento sono sufficienti per ottenere campioni vetrificati, le densità sono d'accordo con quelle ottenute nelle precedenti misurazioni sui campioni di mas...
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Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato supportato dal NSF sotto il premio MCB-1330685. DWM riconosce un sostegno parziale dalla Grant di Formazione Molecolare Biofisica dell'Università Cornell (NIH T32GM0082567).
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| provetta da centrifuga | Falcon | 6029236 | 15 mL provetta da centrifuga conica |
| glicerolo, >99,5% | Sigma | G9012-100 mL | |
| glicole etilenico, >99,8% | Sigma | 324558-100 mL | |
| microbilancia analitica | Mettler | AE240 | Bilancia analitica, risoluzione 0,01 mg, con gancio sul fondo per pesare sotto la bilancia |
| vortexer | Scientific Industries | SI-0236 | Vortex-Genie 2 |
| Apparecchio intelaiatura della custodia | Unistrut | 1-5/8" intelaiatura in metallo | 48" di larghezza x 24" di profondità x 40" di altezza |
| Barriera d'aria per l'armadio dell'apparecchio | qualsiasi foglio di plastica trasparente disco | ||
| di gomma | da 1/8" di spessore | ||
| Scilogix Dilvac | SS333 | pallone dewar da 4,5 litri con custodia in acciaio e coperchio a morsetto | |
| camera | in rameQuesta parte fabbricata è composta da un tubo di rame da 1,43" di diametro, 0,017" di spessore della parete con una solida base cilindrica in rame saldata per sigillare un'estremità. La base in rame è alta 0,87" e l'altezza complessiva della camera è di 7". | ||
| gas azoto | Airgas | NI HP300 | 99.998% puro gas N2 |
| gas argon Airgas | AR HP300 | 99.998% puro Ar | |
| gas rotametro | Omega | FL3692ST | 2.52 L/min portata max portata |
| schiuma coperchio | Questa parte è fabbricata da 4 lb/ft3 schiuma di polietilene reticolato (fornita da Technifab, 1355 Chester Industrial Parkway, Avon, OH), e ha un diametro esterno di 2,42", e un diametro interno di 1,52", e uno spessore di 0,79". | ||
| di prova in PTFE | Questa parte fabbricata è un cilindro di 0,246" di diametro, alto 0,580" con un foro di 0,060" di diametro che corre perpendicolarmente e interseca l'asse del cilindro ~0,10" da un'estremità. | ||
| Piattaforma microbalance | Unistrut | 1-5/8" telaio | metallico 11" di larghezza x 24" di lunghezza x 24" di altezza telaio rettangolare con un foglio di alluminio superiore contenente un foro per il monofilamento e la massa di prova sospesa |
| 2 mil (50 um) linea monofilamento | Berkley | NF1502-CM | Nanofil lenza |
| Tubo della bobina di preraffreddamento dell'argon | VWR | 60985-512 | 1/8" ID x 1/4" OD Tubo |
| in PVCMiscelatore | Diametro 1,4", disco di rame spesso 35 micron, tagliato da 1 oncia/ft2 foglio di rame e perforato con fori utilizzando un punteruolo o un altro strumento appuntito. Inserire al centro un'asta rigida termoisolante (plastica o legno) di 1-2 mm di diametro e fissarla con resina epossidica secondo necessità. | ||
| siringa | BD | 309628 | 1 mL Luer-Lok tip siringa |
| generatore di vuoto | Gast | VG-015-00-00 | aria compressa venturi monostadio |
| di vuoto spray per rivestimento idrofobico | RainX | 620036 | plastica idrorepellente |
| lunga lunghezza focale stereomicroscopio | Bausch and Lomb Stereozoom 6 | 0,67-4 x zoom pod con oculari 20X, distanza di lavoro di 10 cm& nbsp; | |
| Illuminatore anulare a LED | Amscope | LED144S | |
| Illuminatore spot a LED | Newhouse Lighting | NHCLP-LED | 3W LED a collo d'oca clamp lampada |
| 1,8 ml fiala criogenica | Nunc | V7634-500EA | Qualsiasi crioviale da 1,8 o 2 mL è adeguato |
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