מדידת התפתחות הזמן של חומרים ננומטריים באמצעות זרימה עצורה ופיזור נייטרונים בזווית קטנה

Summary

פרוטוקול זה מציג את השימוש בסביבת דגימה של זרימה עצורה כדי לערבב במהירות תמיסות נוזליות מרובות באתרן במהלך מדידת פיזור נייטרונים בזווית קטנה וללמוד תהליכים קינטיים בסקאלות אורך ננומטריות ובסקאלות זמן שניות.

Abstract

מאמר זה מציג את השימוש בסביבת דגימת פיזור נייטרונים בזרימה עצורה בזווית קטנה (SANS) כדי לערבב במהירות דגימות נוזלים ולחקור תהליכים קינטיים ננומטריים בסקאלות זמן של שניות עד דקות. סביבת הדגימה של זרימה עצורה משתמשת במשאבות מזרקים זמינות מסחרית כדי לערבב את הכמויות הרצויות של דגימות נוזל המוזרקות לאחר מכן דרך מיקסר דינמי לתוך תא זכוכית קוורץ בערך 1 s. רכישת נתוני SANS שנפתרה בזמן מסונכרנת עם ערבוב הדגימות כדי לעקוב אחר התפתחות המבנה הננומטרי בתמיסה לאחר הערבוב.

כדי לנצל בצורה היעילה ביותר את זמן קרן הנייטרונים, אנו משתמשים בסדרה של שסתומי בורר זרימה כדי לטעון, לשטוף ולייבש את התא באופן אוטומטי בין מדידות, מה שמאפשר איסוף נתונים חוזר ונשנה במהלך הזרקות דגימה מרובות. זריקות הדגימה חוזרות על עצמן עד לאיסוף סטטיסטיקות מספיקות של פיזור נייטרונים. ניתן לתכנת את מערך הערבוב כך שישתנה באופן שיטתי בתנאים כדי למדוד את הקינטיקה ביחסי ערבוב שונים, ריכוזי דגימות, ריכוזי תוספים וטמפרטורות. נפח הדגימה המינימלי הנדרש לכל הזרקה הוא כ-150 μL בהתאם לאורך הנתיב של תא הקוורץ.

תוצאות מייצגות המשתמשות בסביבת דגימה זו של זרימה עצורה מוצגות עבור קינטיקה של החלפת שומנים מהירה בנוכחות תוסף, ציקלודקסטרין. השלפוחיות מחליפות שומנים בעלון החיצוני (חיצוני) בסדר גודל של שניות ומחליפות באופן מלא שומנים פנימיים וחיצוניים תוך שעות. מדידת קינטיקה של חילופי שומנים דורשת ערבוב באתרו כדי ללכוד את התהליכים המהירים יותר (שניות) והאיטיים יותר (דקות) ולחלץ את קבועי הקצב הקינטי. אותה סביבת דגימה יכולה לשמש גם לבדיקת חילופי מולקולות בסוגים אחרים של דגימות נוזליות כגון ננו-חלקיקי שומנים, חלבונים, חומרים פעילי שטח, פולימרים, תחליבים או ננו-חלקיקים אנאורגניים. מדידת השינויים המבניים הננומטריים והקינטיקה של מערכות מחליפות או מגיבות תספק תובנות חדשות על תהליכים המתפתחים בקנה מידה ננומטרי.

Introduction

פיזור נייטרונים בזווית קטנה (SANS) מספק דרך ייחודית למדוד את הגדלים, הצורות, האינטראקציות והארגון של חומרים שונים בסקאלות אורך מ-≈1 ננומטר עד ≈100 ננומטר ^1,2,3. מכשירים עדכניים, כולל מכשירי VSANS (פיזור נייטרונים בזווית קטנה מאוד) עם מראות ממוקדות, מותחים את הגבולות לכיוון מדידת סקאלות אורך גדולות עוד יותר עד ≈1000 ננומטר ^4,5. באופן כללי, ניגודיות הפיזור הייחודית הטבועה בשיטות פיזור נייטרונים מציעה מספר יתרונות במדידת התפתחות הזמן של מבנים ננומטריים, כגון צבירת רכיבים בפורמולציות פרמצבטיות⁶, תגובות הצלבה וג'לציה במערכות פולימריות ^7,8, בהתגבשות מזו של חלבוני ממברנה^9,10, פירוק והתפתחות חלבונים^11,12 וגידול חומרים מבוססי סיליקה^13,14,15.^, ניגודיות הפיזור הייחודית הופכת את SANS (TR-SANS) לפתרון הזמן כהשלמה שימושית למדידות אחרות המבוססות על זרימה עצורה.

שיטות ערבוב זרימה עצורה מיושמות לעתים קרובות בפיזור קרני רנטגן בזווית קטנה (SAXS)16,17,18,19,20,21, ספקטרוסקופיה פלואורסצנטית 22,23,24,25,26, ופיזור אור ^{27,28,29,30, 31,32} ניסויים לחקר תהליכים קינטיים בסקאלות הזמן של אלפיות השנייה. הבדל חשוב בין SANS ל-SAXS הוא שפיזור נייטרונים הוא טכניקת אפיון לא הרסנית, וככזו, ניתן להשתמש ב-SANS כדי למדוד את אותה דגימה במשך שעות או אפילו ימים ללא נזקי קרינה מייננת לדגימה, מה שיכול לקרות במהלך ניסויי פיזור קרני רנטגן בשטף גבוה יותר³³. מכיוון שמדידות SANS חוזרות ונשנות לא ישנו את המבנה הכימי של מולקולת הגשושית או הדגימה, ניתן לחקור את התפתחות הזמן ללא השפעות של הלבנה, למשל, מה שיכול לסבך מדידות קינטיקה המסתמכות על פלואורסצנטיות^23,24. יתר על כן, ניתן להשתמש ב-SANS כדי למדוד דגימות מרוכזות מאוד ואטומות אופטית שלעתים קרובות קשה לאפיין באמצעות טכניקות מבוססות אור כגון פיזור אור דינמי.

בנוסף לאספקת מידע מבני בקנה מידה ננומטרי, SANS יכול לשמש כדי לחקור את ההרכב המקומי של מבנים אלה באמצעות השונות בניגודיות צפיפות אורך פיזור נייטרונים. צפיפות אורך הפיזור (SLD) של יסודות שונים משתנה באופן אקראי על פני הטבלה המחזורית ומשתנה עם איזוטופים שונים של אותו יסוד. דוגמה נפוצה היא מימן (¹H או H) ודאוטריום (²H או D), שיש להם אורכי פיזור נייטרונים שונים בתכלית. לכן, ניתן להבדיל בין חומרים עשירים במימן, כגון חומרים פעילי שטח, ליפידים, חלבונים, רנ"א, דנ"א ופולימרים אחרים, לבין ממיסים מפורקים באמצעות SANS מבלי לשנות באופן משמעותי את התכונות הפיזיקליות של המערכת. עם זאת, חשוב לציין כי חילופי H/D יכולים להשפיע על הצפיפות, קשרי המימן וטמפרטורות מעבר הפאזה בדגימה. עם זאת, הרגישות הייחודית של SANS לחומרים עשירים במימן שימושית במיוחד במחקר חומר רך, שבו הדגימות המעניינות הן בעלות ניגודיות פיזור ואות נמוכים יותר בטכניקות מבוססות קרני רנטגן כגון SAXS. החלפה איזוטופית גם הופכת את SANS לכלי רב עוצמה לחקר קינטיקה של חליפין מולקולרי בחומרים עשירים במימן פשוט על ידי ערבוב מולקולות המסומנות בתווית H ו-D. החלפה איזוטופית שימושית במיוחד במערכות שבהן צבעים פלואורסצנטיים מגושמים גדולים יותר ממולקולות פעילי השטח או השומנים המעניינות ויכולים להשפיע על קינטיקה של חליפין^34,35.

מדידות SANS שנפתרו בזמן הן יתרון מכיוון שהעוצמה הנמדדת היא פונקציה של זמן, סולם אורך וניגודיות SLD. לפיכך, ניסויי TR-SANS יכולים להיות מתוכננים לחקור את השינויים תלויי הזמן בהתפלגות המרחבית ובהרכב הדגימות. יתרונות ייחודיים אלה של SANS הובילו לתובנות חשובות לגבי תהליכים קינטיים במערכות רבות של חומרים רכים כגון חומרים פעילי שטח 36,37,38, תחליבים 39,40,41, ליפידים 34,42,43,44,45,46,47,48,49 ^,50, ופולימרים 51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62. רוב מחקרי TR-SANS התמקדו בסקאלות זמן של דקות עד שעות. עם זאת, תהליכים קינטיים רבים של עניין מתרחשים בסולם הזמן השני והם חיוניים להבנת המנגנונים הבסיסיים. לכידת נקודות זמן מוקדמות אלה דורשת ערבוב מהיר של התמיסות ומדידה באתרן, כאשר הערבוב מסונכרן עם איסוף נתונים במהלך פיזור אור עצור זרימה 27,28,29,30,31,32, פלואורסצנטיות 22,23,24,25,26 ורנטגן 16,17,18,19,20,21 ניסויים. עבודה זו מתארת את השימוש בסביבת דגימה שנועדה לערבב במהירות דגימות נוזל מרובות ולהזריק את התערובת לתוך תא זכוכית קוורץ למדידות TR-SANS. מכשיר הערבוב הוא אדפטציה של מכשיר rheoSANS נימי^{שפותח לאחרונה 63} ומשתמש במספר משאבות מזרקים ושסתומים כדי לשלוט בערבוב הדגימות ולהפוך את ניקוי התאים לאוטומטי. על-ידי חיבור משאבות מזרקים לסדרה של שסתומי בורר זרימה, ניתן לערבב, למדוד, לשטוף ולייבש זרמי כניסה מרובים שוב ושוב כדי להקל על מדידות TR-SANS בסקאלת הזמן של השניות.

הנוהל הנוכחי מניח כי הדגימות המעניינות זוהו והוכנו. אנו מתמקדים בהגדרת ערבוב באתרו ובשיטות לאיסוף נתוני TR-SANS. נתוני פיזור נייטרונים נאספו במכשיר VSANS במרכז NIST לחקר נויטרונים (NCNR); עם זאת, ההליך צריך להיות ישים למכשירי SANS אחרים. קוראים המעוניינים ליישם פרוטוקולים דומים על מכשירי SANS אחרים צריכים להתייעץ עם מדעני המכשירים המקומיים כדי לקבוע את תצורת המכשירים האופטימלית כדי למקסם את שטף הנייטרונים בסקאלת האורך הרצויה ובסקאלת הזמן הרלוונטית ביותר לתהליכים הקינטיים המעניינים. הנתונים המוצגים כאן נאספו באמצעות תצורת "קרן לבנה" בשטף גבוה ב- VSANS כדי למקסם את ספירת הנייטרונים באובדן רזולוציה מרחבית⁵. קרונות הגלאי הוצבו כדי לכסות מגוון של וקטורי פיזור (q), 0.005 Å-1 < q < 0.5 ^Å-1, המתאימים לסקאלות אורך של ≈130 ננומטר עד ≈13 ננומטר. וקטור הפיזור מוגדר כ-q = 4π/λ sin (θ/2) כאשר λ הוא אורך גל הנייטרונים, ו-θ היא זווית הפיזור.

התקן ערבוב הזרימה המופסקת המשמש למדידות TR-SANS מורכב ממשאבות מרובות, מזרקי שטיפה, מזרקי דגימה, בוררי זרימה, כמו גם מיקסר דינמי, תא דגימה ומיכל דגימה מעורב, כפי שמוצג באיור 1. כל נתיבי הנוזל האטומים ממוקמים בתוך מארז ממוזג, הכולל את המזרקים, השסתומים, צינורות החיבור, המיקסר הדינמי ותאי הדגימה. מזגן תרמואלקטרי ניתן לתכנות משמש לשליטה על טמפרטורת המארז בטווח שבין 10 °C (75 °F) ל- 50 °C (75 °F) בתוך ± °C (75 °F). שים לב שחלק מבידוד המארז הוסר כדי להציג את חלקי העבודה של המכשיר. מארז התקן הערבוב הראשי ממוקם על במת תרגום בקו אלומת NG3 VSANS ב- NCNR. מיקום המארז מותאם באמצעות שלב התרגום כדי למקם את תא הדגימה בנתיב קרן הנייטרונים (קו מקווקו צהוב).

איור 1: מערך לדוגמה לשילוב של ערבוב זרימה עצורה ומדידות פיזור נייטרונים בזווית קטנה בקו הקרן VSANS במרכז NIST לחקר נייטרונים. ההתקנה כוללת ארבע משאבות מזרקים, שני מזרקים לשטיפת ממסים ושני מזרקים להזרקת דגימה, ארבעה שסתומי בורר משאבות, שני שסתומי בורר מיקסר, מיקסר דינמי, תא קוורץ זורם ומיכל דגימה מעורב. נייטרונים מקריים מתפזרים מהדגימה המעורבת הממוקמת בתוך תא הדגימה. מתחם מבודד עם חלונות קוורץ ויחידת מיזוג אוויר תרמואלקטרית משמש לשליטה על הדגימה וכל הציוד בטמפרטורה קבועה. הקו המקווקו הצהוב מראה את נתיב קרן הנייטרונים. סרגל קנה מידה = 10 ס"מ. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

ההתקן המתואר באיור 1 מוגדר עם שני מזרקים לדוגמה, שני מזרקי שטיפה ותא דגימה אחד. דיאגרמות זרימה תואמות עבור השלבים השונים של הפרוטוקול מודגמות באיור 2. הנפחים הרצויים של שתי הדגימות השונות מוזרקים למיקסר ולתא הדגימה (איור 2A). לאחר מילוי תא הדגימה, שסתום מתג הכניסה (ISV) ושסתום מתג היציאה (OSV) נסגרים כדי לבודד את תא הדגימה מהמערבל הדינמי ולמנוע דיפוזיה לאחור של הדגימה לתוך התא במהלך איסוף הנתונים TR-SANS (איור 2B). לפני המיקסר הדינמי, צינור החיבור משתנה באורכו בין 10 ס"מ ל-1 מ' ואינו משפיע על זמן השהיית הערבוב. עם זאת, חיבורי צינורות בין המערבל הדינמי לתא הדגימה ישפיעו על זמן השהיית הערבוב ועל נפח הזרקת הדגימה הנדרש. צינורות נירוסטה חתוכים מראש בקוטר פנימי של 0.04 אינץ' (1 מ"מ) ובאורך 100 מ"מ משמשים לחיבור המיקסר הדינמי, שסתומי בורר המיקסר (MSV1 ו- MSV2) וה- ISV וה- OSV. צינורות פלואור בקוטר פנימי של 1 מ"מ ובאורך 115 מ"מ משמשים לחיבור ספק התוכנה העצמאי (ISV) וה-OSV (או יציאת המיקסר הדינמי) לתא הדגימה. נפח החלל הכולל המשפיע על זמן השהיית הערבוב כולל את נפח חלל המיקסר (0.15 מ"ל), הצינור בין יציאת המיקסר לכניסת תא הדגימה (0.09 מ"ל) ונפח תא הדגימה (0.16 מ"ל). בדוגמה זו, נפח הריק הכולל הוא 0.4 מ"ל. נפחי החלל הפנימי של השסתומים זניחים בהשוואה לנפחי הצינורות, המיקסר ותאי הריק לדוגמה. לדוגמה, שסתומי בורר הלחץ הנמוך (קוטר בור 0.75 מ"מ) מכילים נפחי ריק משוערים של 4 מיקרוליטר, בעוד ששסתומי בורר הלחץ הגבוה ושסתומי המתג (קוטר בור 0.25 מ"מ) מכילים נפחי ריק משוערים של 0.5 מיקרוליטר.

לאחר השלמת המדידה של TR-SANS, הדגימה נדחפת החוצה מהתא באמצעות ממס, וממס השטיפה נשאב שוב ושוב דרך התא כדי להסיר את הדגימה השיורית ולנקות את תא הדגימה (איור 2C). שים לב שמזרקי השטיפה מחוברים למאגרי ממס גדולים יותר (למשל, מים ואתנול) באמצעות ערכי בורר משאבות כדי להבטיח נפחי ממס נאותים זמינים לניקוי תא הדגימה בין ריצות מדידה. מקורות ממס, מקורות דגימה ומיכלי דגימה מעורבים המכילים נוזלים דליקים ממוקמים במארז נפרד ללא ציוד חשמלי כדי לחסל את כל מקורות ההצתה האפשריים. בנוסף, פקקי בקבוקים ננעלים אדים משמשים כדי למזער אדים דליקים ואידוי ממס. לבסוף, תא הדגימה מיובש עם זרם גז חנקן כדי להסיר את שאריות ממס השטיפה (איור 2D). לחץ גז החנקן הנכנס לשסתום בורר המיקסר מווסת לכ -2 בר (0.2 מגפ"ס, לחץ מד) באמצעות וסת לחץ ידני הממוקם על בלון גז החנקן. לאחר שתא הדגימה מנוקה ומיובש מספיק, דגימה שזה עתה מעורבבת מוזרקת לתוך תא הדגימה עבור מחזור המדידה הבא (חזרה על הערבוב וההזרקה המודגמים בדיאגרמת הזרימה באיור 2A).

איור 2: דיאגרמת זרימה לדוגמה באמצעות תא דגימה אחד, ערבוב של שתי דוגמאות ושני ממיסי שטיפה לניקוי . (A) ערבוב של מדגם A (כחול) ומדגם B (אדום), ולאחר מכן הזרמת הדגימה המעורבת (סגול) לתוך תא הדגימה. (B) במהלך איסוף הנתונים, מצב התקן הזרימה המופסקת שבו שסתומי המתג ISV ו- OSV סגורים כדי לבודד את תא הדגימה ולמנוע דיפוזיה לאחור של הדגימה במהלך איסוף הנתונים. (C) שלבי הניקוי שבהם תא הדגימה נשטף בממס שטיפה מ-SS1 (ירוק) לאחר איסוף הנתונים. (D) שלב ייבוש שבו תא הדגימה מיובש בגז חנקן (כתום). קיצורים: PSV = שסתום בורר משאבות; MSV = שסתום בורר מיקסר; OSV = שסתום מתג שקע; ISV = שסתום מתג כניסה; SS1 = מקור ממס 1; SSA = מקור מדגם A; N2 = מקור גז חנקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3 מציג דיאגרמות זרימה עבור גרסה שונה במקצת שבה הגדרת הערבוב מוגדרת עם שני תאי דגימה נפרדים המחוברים לאותם שסתומי מתג (איור 3A). בעוד שנתוני TR-SANS נאספים בתא לדוגמה 1, תא דגימה 2 נשטף (איור 3B) ומיובש (איור 3C). לאחר השלמת איסוף הנתונים עבור תא לדוגמה 1, שסתום מתג הכניסה מפנה דגימה מעורבת חדשה לתוך תא מדגם 2 לצורך איסוף נתונים (איור 3D). בעוד שנתוני TR-SANS נאספים בתא לדוגמה 2, תא דגימה 1 נשטף ומיובש (איור 3E). תהליך מקביל לסירוגין זה בין שני תאי דגימה ממזער את הזמן בין הזרקות הדגימה הבאות וממקסם את השימוש בזמן קרן נויטרונים.

איור 3: דיאגרמת זרימה לדוגמה באמצעות תאים בני שתי דגימות, ערבוב של שתי דגימות ושני ממיסי שטיפה לניקוי. (A) ערבוב מדגם A (כחול) ומדגם B (אדום) ולאחר מכן הזרמת הדגימה המעורבת (סגול) לתא מדגם 1. (B) מצב התקן הזרימה המופסקת במהלך איסוף הנתונים בתא מדגם 1 בעוד תא מדגם 2 נשטף בממס מ-SS1 (ירוק). (C) מצב התקן הזרימה המופסקת במהלך איסוף הנתונים בתא מדגם 1 בעוד תא דגימה 2 מיובש בגז חנקן (כתום). (D) לאחר השלמת איסוף הנתונים של תא מדגם 1, מדגם חדש (סגול) מעורבב מיד ומוזרם לתא מדגם 2. (E) מצב התקן הזרימה המופסקת במהלך איסוף נתונים בתא מדגם 2 בעוד תא דגימה 1 נשטף בממס מ-SS1 (ירוק). בזמן שתא דגימה אחד נמדד, תא הדגימה השני מנוקה ומיובש. תהליך מדידת הזרימה המופסקת עובר לסירוגין בין שני תאי דגימה כדי למזער את הזמן בין זריקות ערבוב הדגימה הבאות. קיצורים: PSV = שסתום בורר משאבות; MSV = שסתום בורר מיקסר; OSV = שסתום מתג שקע; ISV = שסתום מתג כניסה; SS1 = מקור ממס 1; SSA = מקור מדגם A; N2 = מקור גז חנקן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

להלן מתואר פרוטוקול שלב אחר שלב לחיבור המשאבות וקווי הצינורות, הכנת המערכת, שטיפה וייבוש תא הדגימה והזרקת הדגימה המעורבת. אף על פי שתצורת התא הבודד מודגמת בפשטות (איור 2), ניתן לשנות בקלות את ההגדרה, הפרוטוקול והסקריפטים המודולריים הגמישים כדי ליישם יותר משאבות מזרקים, שסתומים, מערבלים או תצורות תאים לדוגמה, כמו תצורת התא בן שתי הדגימות שמוצגת באיור 3. נתוני קצב ספירת נייטרונים גולמיים מייצגים שנאספו במהלך מחזורי הזרקת ערבוב וניקוי מוצגים באיור 4, בעוד שקינטיקה של חילופי שומנים שנמדדה ב-3 טמפרטורות שונות והעוצמה המפוזרת המנורמלת שחולצה המתאימה לחלק השומנים המוחלפים מוצגים באיור 5 ובאיור 6, בהתאמה.

Protocol

1. הגדר והתחל את מערכת הזרימה המופסקת.

1. הפעל את כל ספקי הכוח של המשאבה ואת כל המיקסרים הדינמיים באמצעות מתג ההפעלה.
2. הפעל את כל המשאבות והשסתומים בממשק המשתמש הגרפי (GUI) של בקרת מערכת הזרימה המופסקת על-ידי הזנת נתיב תצורת ההתקן ושימוש בפקודות bus=qmixbus. Bus(), bus.open(), bus.start(), pump=qmixpump. Pump(), pump.enable(), ו- valve=ViciMultiposSelector() (ראה קוד אתחול לדוגמה הזמין במאגר קוד פתוח מקוון⁶⁴).
3. כייל את המשאבות לפני חיבור מזרקים באמצעות משאבת הפקודה.calibrate().
4. ודא שהשסתומים מופעלים ועבור ליציאת הבורר הנכונה לפי פקודה באמצעות הפקודה valve.setPort() ו- valve.getPort().
5. הקצה את סוג המזרק שישמש עבור כל משאבה באמצעות הפקודה pump.set_syringe_param(A, B ), שבה A הוא הקוטר הפנימי של קנה המזרק (mm), ו - B הוא מרחק משיכת הבוכנה המרבי של המזרק (mm).
6. חברו את מזרקי הדגימה למשאבות המזרקים.
   1. לאחר שווידאתם שהמשאבות כוילו, הבריגו חביות מזרק נקיות לחיבור בחלק העליון של המשאבה (ראש תושבת מזרק).
   2. בעת שימוש במזרקי זכוכית, יש לוודא שראש הרכבה של המזרק משוחרר לפני חלוקת נפח המילוי, כך שמזרק הזכוכית לא יישבר עקב כוח מופרז של בוכנה המזרק.
   3. הברג את בוכנה מזרק לחיבור בתחתית המשאבה (מזרק הר זנב).
   4. לאחר חיבור קנה המזרק ובוכנה המזרק למשאבה, יש לחלק את נפח המילוי של סוג המזרק באמצעות משאבת הפקודה.empty(), המעבירה את בוכנה המזרק לראש קנה המזרק.
   5. בעת שימוש מזרקי זכוכית, להדק את ראש הרכבה מזרק לאחר תנועת הבוכנה מפסיק.
7. חבר את הצינור למקורות הדגימה והממס, מזרקים, שסתומים, מערבלים, תאי דגימה ומיכל דגימה מעורב.
   1. חבר את צינור משאבת המזרק לשסתומי בורר המשאבות.
   2. חבר את צינורות שסתום בורר המשאבה למקורות הדגימה.
   3. חבר את צינורות שסתום בורר המשאבה למקורות ממס השטיפה.
   4. חבר את צינורות שסתום בורר המשאבה לצינורות שסתום בורר המיקסר.
   5. חבר את צינורות שסתום בורר המיקסר למקור גז החנקן.
   6. חבר את צינורות שסתום בורר המיקסר לפתחי המיקסר.
   7. חבר את שקע המיקסר לשסתום מתג הכניסה.
   8. חבר את שסתום מתג הכניסה לכניסת התא לדוגמה.
   9. חבר את שקע התא לדוגמה לשסתום מתג היציאה.
   10. חבר את שסתום מתג היציאה למיכל הדגימה המעורב.
8. הגדר את כל חיבורי הצינורות והשסתומים שבוצעו (שלב 1.7) בממשק המשתמש הגרפי של בקרת מערכת הזרימה המופסקת על-ידי הקלדת חיבורי מספר היציאה המתאימים שבוצעו לכל שסתום (ראה קוד בקרה לדוגמה במאגר הקוד הפתוח^{המקוון 64}).
9. חשב את נפח החלל של הצינורית בין כניסת המיקסר ליציאת תא הדגימה, המגדיר את כמות הדגימה המינימלית הדרושה למילוי תא הדגימה עבור כל מדידה.

2. טען את הדגימה.

1. הגדר את נפח מילוי הדגימה הרצוי ואת נפח מילוי הממס בממשק המשתמש הגרפי של בקרת מערכת הזרימה המופסקת על-ידי הקלדת המספרים הרצויים (ראה קוד בקרה לדוגמה במאגר הקוד הפתוח^{המקוון 64}).
2. השתמש בפקודה pump.aspirate () כדי למשוך (לשאוף) את הדגימה הרצויה ואת נפחי הממס ממקורותיהם לתוך מזרקי הדגימה דרך שסתומי בורר המשאבה.
   הערה: בעת העמסה ראשונה של מזרק ריק, האוויר יהיה נוכח בחלק העליון של המזרק שיש לטהר כדי להפעיל את המערכת עם דגימה וממס בשלב 3.

3. ראש המערכת.

1. השתמש בפקודה pump.dispense () כדי לדחוף החוצה (לנפק) את כל האוויר ממזרקים, צינורות ושסתומים. ודא כי נפח נוזל מספיק מופק מכל מזרק כדי להסיר לחלוטין את כל האוויר מן מזרקים, צינורות ושסתומים. אם ניתן לראות בועות אוויר בתוך צינור כלשהו, המשיכו לפזר ממס או דגימה עד להסרת הבועות.
2. לאחר ניקוי האוויר מהמערכת, יש לבצע לפחות הליך הזרקה ושטיפה של דגימה אחת (ללא איסוף נתוני פיזור נייטרונים).
   1. לחץ כדי לבחור את התא שכותרתו התחל ניסוי ערבוב בממשק המשתמש הגרפי של הבקרה.
   2. כאשר תא זה נבחר באופן פעיל, לחץ על לחצן הפעלה (משולש ימני) הממוקם בחלק העליון של ממשק המשתמש הגרפי של הבקרה, או לחץ על המקשים Shift ו - Enter יחד במקלדת.
   3. בדוק חזותית את תא הדגימה כדי לוודא שבועות אוויר אינן קיימות.
      1. אם קיימות בועות אוויר, חזור על שלבי פרוטוקול 3.1 ו-3.2 כדי לטהר עוד יותר את האוויר מקווי הצינורות.
      2. אם בועות אוויר אינן קיימות בתא הדגימה, המשך לשלב 4 כדי להגדיר את שלבי פרוטוקול הניסוי הנותרים.

4. הגדר את פרוטוקול ערבוב הזרימה המופסקת בסקריפט התוכנית (ראה דוגמת קוד במאגר הקוד הפתוח המקוון⁶⁴).

1. הזן את נקודת הגדרת הטמפרטורה של יחידת המזגן (AC) הניתנת לתכנות השולטת בטמפרטורת המארז המבודד המקיף את התקן הזרימה המופסקת.
   1. תוך כדי לחיצה ממושכת על לחצן הכוכב ביחידת הבקרה AC, לחץ על החצים למעלה ולמטה כדי לשנות את טמפרטורת נקודת ההגדרה. לחלופין, הקלד את נקודת הגדרת הטמפרטורה הרצויה בממשק המשתמש הגרפי של הבקרה ולחץ על הפעל.
   2. המתן 15-30 דקות כדי לאפשר לפנים המארז להתאזן בטמפרטורה הרצויה לפני תחילת הניסויים הקינטיים.
      הערה: טווח הטמפרטורות הנגיש הוא כיום בין 10 °C (75 °F) ו- 50 °C (75 °F), ויציבות הטמפרטורה היא ± 1 °C (75 °F).
2. הזן את כל שלבי רצף השטיפה על-ידי הקלדת נפחי האחסון, קצבי הזרימה, הזמנים ומספר החזרות המתאימים בממשק המשתמש הגרפי של הבקרה.
   1. הגדר את הנפח של כל דגימה שיש להזריק, המגדיר את קצב הזרימה הכולל (Q).
   2. הגדירו את הנפח של כל ממס שיש להזריק במהלך הליך השטיפה.
   3. הגדירו את זמן הייבוש בין כל תת-שלב של השטיפה (t_dry).
   4. הגדירו את מספר שלבי המשנה של השטיפה.
   5. הגדירו את הממיסים השונים לשלבי השטיפה הבאים.
   6. הגדר את מספר חזרות השטיפה שיש לבצע לאחר כל מדידה (n_שטיפה).
   7. הגדר את הזמן לייבוש מלא של תא הדגימה והמיקסר, וספק תא דגימה נקי להזרקת הדגימה הבאה (t_{dry_final}).
3. הגדר את כל שלבי רצף הזרקת הדגימה על-ידי הקלדת אמצעי האחסון, קצבי הזרימה והזמנים המתאימים בממשק המשתמש הגרפי של בקרת מערכת הזרימה המופסקת.
   1. הגדר את הנפח של כל דגימה שיש להזריק ואת קצב הזרימה.
   2. חשב את זמן ההשהיה (t delay) מנפח הריק (V void) ואת קצב הזרימה הכולל (t_delay = V_void/Q).
      הערה: זמן ההשהיה הוא הזמן הדרוש למילוי תא הדגימה במדגם המעורב.
   3. הגדר את זמן הרכישה הרצוי עבור נתוני TR-SANS כך שכל התהליך הקינטי של העניין יתרחש (t_scatt).
   4. הגדר את זמן ההמתנה בין סוף ניסוי הפיזור לתחילת מחזורי השטיפה (t_wait).
      הערה: זמן המתנה זה צריך להיות לפחות 100 שניות אם יש למדוד את שידור הנייטרונים לדוגמה לפני שהוא נשטף מהתא. שידור הדגימה נדרש במהלך עיבוד הנתונים כדי להפחית את הנתונים לעוצמה מוחלטת.
   5. הגדר את מספר מחזורי ההזרקה שיש לבצע עם רצפי שטיפה בין כל הזרקה המוגדרים בשלב 4.2 (n_מחזור).
4. חשב את הזמן הכולל של מחזור איסוף נתונים יחיד של זרימה עצורה (_מחזור t) באמצעות משוואה (1).
   _מחזור t = n_שטיפה × (_עיכוב t + t_יבש) + t_{dry_final} +_{t עיכוב} + t_scatt (1)
   שבו n_שטיפה = מספר חזרות השטיפה (שלב 4.2.6); _עיכוב t = זמן השהיה של התקן הזרימה שנעצרה (שלב 4.3.2); _{t יבש} = זמן ייבוש בין כל תת-שלבי שטיפה (שלב 4.2.3); _{t dry_final} = זמן לייבוש מלא של תא הדגימה והמיקסר (שלב 4.2.7); _{t scatt} = זמן רכישת הנתונים הרצוי של TR-SANS (שלב 4.3.3)

5. הגדר את פרמטרי פיזור הנייטרונים בזווית קטנה בממשק המשתמש הגרפי של בקרת מכשיר SANS.

1. קבע את סולמות האורך ואת טווח העניין של Q עבור כל דגימה.
2. הגדר את תצורת המכשיר כך שתכסה את טווח העניין הרצוי, תוך מקסום שטף הנייטרונים בדגימה.
3. הגדר את זמן רכישת הנתונים הכולל של VSANS בממשק המשתמש הגרפי של פקד מכשיר SANS לזמן המחזור המחושב בשלב 4.4 (זמן רכישת נתוני פיזור נייטרונים =_מחזור t).
4. הגדר את זמן מדידת שידור הדגימה ל- 100 שניות בממשק המשתמש הגרפי של בקרת מכשיר SANS.
5. באמצעות ממשק המשתמש הגרפי של בקרת כלי SANS, הפעל את איסוף הנתונים במצב אירוע על-ידי הקלדת GenerateEventModeData true בשורת הפקודה.

6. אסוף מדידות פיזור סטנדרטיות להפחתת נתונים לפני תחילת ניסוי הזרימה המופסקת כדי לעבד את נתוני TR-SANS.

1. מדוד את פיזור הרקע.
   1. ודא שתריס המכשירים המקומי סגור.
   2. חבר את דגימת הקרן החסומה לחלק האחורי של מפתח הצמצם של הדגימה, אבטח את סביבת המכשיר המקומית ופתח את תריס המכשיר המקומי.
   3. הגדר את זמן איסוף נתוני פיזור האלומה החסומה בתוכנה, ואסוף נתוני פיזור אלומה חסומה, תוך ספירה למשך אותו משך כמו זמן איסוף נתוני הפיזור הארוך ביותר (t_scatt).
   4. לאחר השלמת איסוף הנתונים, סגור את תריס המכשיר והסר את דגימת הקרן החסומה מפתח הצמצם של הדגימה.
2. מדוד את פיזור התאים הריקים.
   1. ודא שתא הדגימה נשטף והתייבש היטב.
   2. פתח את תריס המכשיר המקומי.
   3. אסוף את מדידת שידור התא הריק במשך 100 שניות.
   4. אסוף את מדידת פיזור התאים הריקים, וספור לפחות את זמן הרכישה הארוך ביותר (t_scatt).

7. התחל את ניסוי עצירת הזרימה.

1. הפעל את איסוף הנתונים בפיזור VSANS במצב אירוע .
   1. ודא שאזור המכשירים המקומי מאובטח ולאחר מכן פתח את תריס קרן המכשירים המקומי.
   2. התחל באיסוף נתוני SANS באמצעות תוכנת בקרת המכשירים SANS במחשב המכשיר על-ידי גרירה ושחרור של הריצות הרצויות לתור המכשירים.
      הערה: כדי להבטיח שנקודות הזמן המוקדמות ביותר נמדדות, התחל באיסוף נתונים לפני תחילת ניסוי ערבוב הזרימה המופסקת. הנתונים יעובדו לאחר מכן בשלב מאוחר יותר כדי לקחת בחשבון את זמן העיכוב (t_עיכוב).
2. התחל את ניסוי ערבוב הזרימה המופסקת בממשק המשתמש הגרפי של הבקרה.
   1. בחר את תא המחברת שכותרתו התחל ניסוי ערבוב בממשק המשתמש הגרפי של בקרת מערכת הזרימה המופסקת.
   2. כאשר תא זה נבחר באופן פעיל, לחץ על לחצן הפעלה (משולש ימני) הממוקם בחלק העליון של תוכנית בקרת התקן זרימה עצורה, או לחץ על המקשים Shift ו - Enter יחד במקלדת.
   3. ודא שפרוטוקול ערבוב הזרימה המופסקת המוגדר בסעיף 4 החל לפעול.
   4. הוסף את מדידת השידור של 100 שניות לתור המכשירים של VSANS לאחר ריצת הפיזור באמצעות ממשק המשתמש הגרפי של בקרת המכשירים SANS.
   5. הוסף ריצת מדידת פיזור אחת והפעלת מדידת שידור אחת לתור המכשירים עבור כל מחזור ערבוב זרימה עצורה שנותר (n_מחזור - 1, שלב 4.3.5) בממשק המשתמש הגרפי של בקרת לוח המחוונים SANS.

8. עבד וצמצם נתונים כדי להסיר את כל הרקעים, לתקן את רגישות הגלאי ולתקן להעברת דגימה.

1. הורד את קבצי נתוני הפיזור ואת קבצי האירועים המשויכים מהשרת.
   הערה: קובצי אירועים נפרדים של הגלאי ייווצרו לאחר כל מדידת VSANS, קובץ אירועים אחד עבור כל גלאי פעיל (לדוגמה, גלאי קדמי, אמצעי ו/או אחורי).
2. סל את נתוני הפיזור לסלי הזמן הרצויים באמצעות הפקודה events=Rebin(filename ) ואחריה הפקודה events.do_rebinning(timebins), שבה שם קובץ הקלט מתאים לשם קובץ נתוני SANS הרצוי, וסלי הזמן הם רשימה של גבולות סל הזמן הרצוי בשניות.
   הערה: אם סלי הזמן של הקלט מוזנים כמספר יחיד במקום כרשימה, הנתונים יאוגדו למספר N של סלים עם רוחב זמן שווה, כאשר N הוא סלי הזמן של הקלט (ראה סקריפטים של תוכנה המסופקים על-ידי beamline ומאגר קוד פתוח מקוון^{זמין 64}).
3. צמצם את נתוני הפיזור באמצעות התוכנה שסופקה לקו⁶⁵.

9. נתח את נתוני TR-SANS.

1. חשב את זמן התהליך של עניין (t_process) מזמני המדידה באמצעות משוואה (2).
   _תהליך t = t_i - t_להפסיק + t_עיכוב (2)
   כאשר t_i הוא סל זמן המדידה המתחיל לאחר עצירת הזרימה, t_stop הוא זמן המדידה מיד כאשר הזרימה נעצרת, ו- t_delay הוא זמן ההשהיה.
2. התווה את העוצמה I(q) התלויה ב- q כפונקציה של זמן התהליך באמצעות סלי הזמן שהוגדרו בשלב 8.2_ותהליך t המחושב בשלב 9.1.
   הערה: זמן התהליך הנגיש המוקדם ביותר מוגבל על-ידי_עיכוב. כדי למדוד נקודות זמן קודמות של תהליך, הגדל את קצב הזרימה הכולל (Q) או הקטן את נפח הריק הכולל (V_void).
3. חלץ את הפרמטרים הקינטיים המעניינים מהשינוי ב- I(q) כפונקציה של זמן תהליך.

10. סיימו את הניסוי.

1. כבה את קרן הנייטרונים על ידי סגירת תריס המכשיר המקומי.
2. בצע בדיקת קרינה באמצעות מוניטור קרינה המסופק על ידי קו הקרן לפני ניתוק חלקים, צינורות או פריקת דגימות או מיכלי דגימה מעורבים.
3. העבירו את המזרקים, הצינוריות ומיכל הדגימה המעורבת למחלקה לפיסיקה בריאותית.
4. מלאו טפסים לפיסיקה רפואית והמתינו להערכה על ידי אנשי פיסיקה רפואית.

תוצאות

נתוני הנייטרונים המייצגים המוצגים כאן מודדים קינטיקה של חילופי שומנים בנוכחות מתיל-β-ציקלודקסטרין (mβCD), תוסף המזרז את חילופי השומנים בין שלפוחיות עם שער החליפין (k_e)^66,67. מחקרים פלואורסצנטיים קודמים הראו כי k_e תלוי בריכוז mβCD, וזמן מחצית החיים של תה...

Discussion

ההליך הנוכחי מתאר את התקן הערבוב ואת השלבים לביצוע מדידות TR-SANS של זרימה עצורה. המכשיר והפרוטוקול מותאמים לדגימות נוזלים בצמיגות נמוכה שבהן סקאלות הזמן המעניינות הן ≈1 שניות עד 5 דקות. עבור טווחי זמן גדולים מ-5 דקות, ערבוב ידני של הדגימות והטענתן לתאי פיזור סטנדרטיים עשוי להיות קל ורצוי יותר...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dynamic mixer	Analytical Scientific Instruments	462-0150A	Magnetically coupled rotor, binary dynamic mixer assembly (ternary type available), 0.15 mL dead volume (larger dead volume available)
Fluoropolymer tubing	IDEX Health & Science	1507L	PFA Tubing Natural 1/16 inch OD x 0.040 inch ID x 50 ft
Fluoropolymer 1/4-28 flangeless fittings	IDEX Health & Science	XP-245	PFA flangeless fitting with ferrules, 1/4-28 threading, 1/16 inch OD tubing
Glass syringes	Hamilton Company	81660	Hamilton 1000 series syringes, 10 mL (81660), model 1010 C syr, 1/4"-28 thread termination, other volumes available
High-pressure flow selector valves	Vici Valco	C85X-1570EUTB	Vici 10 position selector valves, 15000 psi max, 0.25 mm bore, 1/16 inch OD tubing, 10-32 coned threaded ports, USB universal actuator
High-pressure switch valves	Vici Valco	C82X-1574EUHB	Vici 4 port switch valves, 15000 psi max, 0.25 mm bore, 1/16 inch OD tubing, 10-32 coned threaded ports, USB universal actuator
High-pressure syringes	Cetoni	A2019000358	3 mL stainless steel syringe, 510 bar max, 21 mL/min flow rate max
Low-pressure flow selector valves	Vici Valco	C25-3180EUHB	Vici 10 position selector valves, max 250 psi liquid, 0.75 mm bore, 1/16 inch OD tubing, 1/4-28 threaded ports, USB universal actuator
neMESYS high-pressure syringe pumps	Cetoni	A3921000103	Max force 2600 N
neMESYS mid-pressure syringe pumps	Cetoni	A3921000131	Max force 1000 N
Power supply	Cetoni	A3921000127	Base 600, supplies power for up to 4 high pressure pumps
Quartz flow-through sample cell	Starna Scientific	3-2.30-Q-1/TC	Quartz micro flow cells, 2 mm path length (1 mm available), 2 mm by 2 mm by 30 mm internal dimension
Quartz windows	Technical Glass Products	NA	GE 124 Clear fused quartz ground and polished plates, 11.75 inch by 23.75 inch by 0.375 inch thick
Stainless steel 10-32 coned compression fittings	IDEX Health & Science	U-321X, U-320X	316 stainless steel ferrule (U-321X) and nut (U-320X) -Valco type, 10-32 coned, for 1/16 inch OD stainless steel tubing
Stainless steel tubing	IDEX Health & Science	U-102	Stainless Steel Tubing 1/16 inch OD x 0.020 inch ID, 10 cm, various precut lengths available
Syringe pump control software	Cetoni	T6000000004	QmixElements software for nemesys pumps, QmixSDK software development kit
Thermoelectric air conditioner	EIC Solutions	AAC-140C-4XT-HC	Thermoelectric air conditioner mounted on insulated enclosure to control the pump, valve, mixer, and sample temperature
T-slot railing	McMaster-Carr	47065T103	Aluminum t-slotted railing (1.5 inch by 1.5 inch) cut to various lengths
Vapor locking bottle caps	Cole-Parmer	EW-12018-02	Four 304 SS port inserts, 1/4"-28 threads, GL45 bottle cap size, PTFE body, SS threads, PP collar