עבודה זו נתמכה על ידי NSF תחת פרס MCB-1330685. DWM מודה תמיכה חלקית של קורנל אוניברסיטת של אוניברסיטת מולקולרית ביופיסיקה הדרכה גרנט (NIH T32GM0082567).

<ol>
	<li>Fahy, G. M., Wowk, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Principles+of+Cryopreservation+by+Vitrification.">Principles of Cryopreservation by Vitrification.</a> Cryopreservation and Freeze-Drying Protocols. , 21-82 (2015).</li><li>Nagy, Z. P., Nel-Themaat, L., Chang, C. -. C., Shapiro, D. B., Berna, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryopreservation+of+eggs.">Cryopreservation of eggs.</a> Human Fertility: Methods and Protocols. , 439-454 (2014).</li><li>Kriminski, S., Caylor, C. L., Nonato, M. C., Finkelstein, K. D., Thorne, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flash+cooling+and+annealing+of+protein+crystals.">Flash cooling and annealing of protein crystals.</a> Acta Cryst Sect D. 58 (3), 459-471 (2002).</li><li>Juers, D. H., Matthews, B. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reversible+lattice+repacking+illustrates+the+temperature+dependence+of+macromolecular+interactions.">Reversible lattice repacking illustrates the temperature dependence of macromolecular interactions.</a> J Mol Biol. 311 (4), 851-862 (2001).</li><li>Juers, D. H., Matthews, B. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-cooling+in+macromolecular+crystallography:+advantages,+disadvantages+and+optimization.">Cryo-cooling in macromolecular crystallography: advantages, disadvantages and optimization.</a> Q Rev Biophys. 37 (2), 105-119 (2004).</li><li>Alcorn, T., Juers, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progress+in+rational+methods+of+cryoprotection+in+macromolecular+crystallography.">Progress in rational methods of cryoprotection in macromolecular crystallography.</a> Acta Cryst Sect D. 66 (4), 366-373 (2010).</li><li>Warkentin, M., Sethna, J., Thorne, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Critical+Droplet+Theory+Explains+the+Glass+Formability+of+Aqueous+Solutions.">Critical Droplet Theory Explains the Glass Formability of Aqueous Solutions.</a> Phys Rev Lett. 110 (1), 15703 (2013).</li><li>Kriminski, S., Kazmierczak, M., Thorne, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transfer+from+protein+crystals:+implications+for+flash-cooling+and+X-ray+beam+heating.">Heat transfer from protein crystals: implications for flash-cooling and X-ray beam heating.</a> Acta Cryst Sect D. 59 (4), 697-708 (2003).</li><li>Loerting, T., Bauer, M., Kohl, I., Watschinger, K., Winkel, K., Mayer, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryoflotation:+Densities+of+amorphous+and+crystalline+ices.">Cryoflotation: Densities of amorphous and crystalline ices.</a> J Phys Chem B. 115 (48), 14167-14175 (2011).</li><li>Shen, C., Julius, E. F., Tyree, T. J., Moreau, D. W., Thorne, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+contraction+of+aqueous+glycerol+and+ethylene+glycol+solutions+for+optimized+protein-crystal+cryoprotection+Thermal+contraction+of+aqueous+glycerol+and+ethylene+glycol+solutions+for+optimized+protein-crystal+cryoprotection.">Thermal contraction of aqueous glycerol and ethylene glycol solutions for optimized protein-crystal cryoprotection Thermal contraction of aqueous glycerol and ethylene glycol solutions for optimized protein-crystal cryoprotection.</a> Acta Cryst Sect D. 72 (6), 742-752 (2016).</li><li>Warkentin, M., Berejnov, V., Husseini, N. S., Thorne, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hyperquenching+for+protein+cryocrystallography.">Hyperquenching for protein cryocrystallography.</a> J Appl Cryst. 39 (6), 805-811 (2006).</li><li>McFerrin, M. B., Snell, E. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+development+and+application+of+a+method+to+quantify+the+quality+of+cryoprotectant+solutions+using+standard+area-detector+X-ray+images.">The development and application of a method to quantify the quality of cryoprotectant solutions using standard area-detector X-ray images.</a> J Appl Cryst. 35 (5), 538-545 (2002).</li><li>Chinte, U., Shah, B., DeWitt, K., Kirschbaum, K., Pinkerton, A. A., Schall, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sample+size:+An+important+parameter+in+flash-cooling+macromolecular+crystallization+solutions.">Sample size: An important parameter in flash-cooling macromolecular crystallization solutions.</a> J. Appl. Cryst. 38 (3), 412-419 (2005).</li><li>Bosart, L. W., Snoddy, A. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Specific+gravity+of+glycerol.">Specific gravity of glycerol.</a> Ind Eng Chem. 20 (12), 1377-1379 (1928).</li><li>Rodrigues, M., Francesconi, A. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+study+of+the+excess+molar+volumes+of+binary+and+ternary+mixtures+containing+water+++(1,2-ethanediol,+or+1,2-propanediol,+or+1,3-propanediol,+or+1,2-butanediol)+++(1-n-butyl-3-methylimidazolium+bromide)+at+298.15+K+and+atmospheric+pressure.">Experimental study of the excess molar volumes of binary and ternary mixtures containing water + (1,2-ethanediol, or 1,2-propanediol, or 1,3-propanediol, or 1,2-butanediol) + (1-n-butyl-3-methylimidazolium bromide) at 298.15 K and atmospheric pressure.</a> J Solution Chem. 40 (11), 1863-1873 (2011).</li><li>Berejnov, V., Husseini, N. S., Alsaied, O. A., Thorne, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+cryoprotectant+concentration+and+cooling+rate+on+vitrification+of+aqueous+solutions.">Effects of cryoprotectant concentration and cooling rate on vitrification of aqueous solutions.</a> J Appl Cryst. 39 (2), 244-251 (2006).</li><li>Meisburger, S. P., Warkentin, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Breaking+the+Radiation+Damage+Limit+with+Cryo-SAXS.">Breaking the Radiation Damage Limit with Cryo-SAXS.</a> Biophys J. 104 (1), 227-236 (2013).</li></ol>

למחברים אין מה לגלות.

המנגנון והשיטות הנוכחיים, שפותחו בעיקר על-ידי סטודנטים לתואר ראשון עם גישה מוגבלת לכלי ומכשירים לבניית מכשירים, מספקים בכל זאת מדידות צפיפות מדויקות ביותר עבור טיפות נוזלים בודדות קטנות כמו 50 pL. בטווח הריכוז ליד ומעל 50% w / w, כאשר שיעורי קירור קטנים מספיקים כדי לקבל דג...

המאפיינים הפיזיים של מים ותערובות מימיות בשלבים השונים שלהם הם בעלי עניין בסיסי, והם חשובים ב vivo ובבדיקות הבנה של מערכות ביולוגיות. ב cryobiology עכשווי cryopreservation ביולוגי, שלבי זגוגי או אמורפי של תערובות cryoprotectant מימיים הם בעלי עניין מיוחד 1 , 2 . נוקלאציה וצמיחה של גבישי קרח יכולים לשבש תאים ורקמות, ולקדם denaturation חלבון צבירה, כך פרוטוקולים cryopreservation כי מזין את הממס הפכו פופולריים יותר ויותר. ב קריסטלוגרפיה biomolecular, התגבשות של ממס בערוצים בין biomolecules משבש סריגים קריסטל ו degrades תכונות עקיפה. ויטריפיקציה מושגת באמצעות שילוב של קירור מהיר, התייבשות, וכן הוספת ממיסים cryoprotective כגון גליצרול, אתילן גליקול, פוליאתילן גליקולים (PEGs)אלכוהולים ומלחים. ויטריפיקציה מגבילה את התגבשות הקרח וצמיחתו, אך אינה מבטלת את כל הנזק המדוייק הקשור לקירור. לדוגמה, פסיפס קריסטל (מדד של התפלגות האוריינטציות של המטוס הבדולח) עולה באופן שגרתי על ידי גורם של 10 עד 100 כאשר גבישי חלבון מתקררים למצב מבושל 3 , ושיעורי ההישרדות שלאחר ההפשרה של תאי זרע וביציות מזוקקים משתנים במידה רבה . מנגנון נזק אחד הוא התכווצות דיפרנציאלית של חומר ממס וסובב במהלך קירור 3 , 4 , 5 . שיווי המשקל ריכוזי ממס ממסרים בתוך גביש, תא או רקמות הם תלויים הטמפרטורה, ואת ממס בתוספת המומס ואת החומר שמסביב יכול חוזה בחוזים שונים. הקירור המהיר עשוי למנוע החלוקה מחדש של הממס והחלץ לפני הזיקוק, וקבלנים שונים<html> על עלול לגרום גדול, unhomogenous, nonequilibrium מדגיש לגרום נזק מדגם. גישות רציונליות להקטנת הנזק הנגרם על ידי קירור יכולות, לפיכך, להפיק תועלת מהידע על צפיפות תלויה בטמפרטורה של תערובות מימיות נוזלות ומזוהמות. ב ריכוזי מומס מעל 50% משקל של מומס למשקל של פתרון (w / w), תערובות cryoprotectant מימית ביותר יכול להיות מבושל עם שיעורי קירור צנוע של 10 K / s או פחות, המאפשר ייצור של מדידות צפיפות באמצעות דגימות זגוגית גדולה 6 . צפיפות אז ניתן לקבוע באמצעות עקרון ארכימדס, על ידי מדידת המשקל הנראה של המדגם כאשר מושעה קריוגן נוזלי כמו חנקן. עם זאת, כמו ירידה ריכוזיות סולידית, שיעורי הקירור הדרושים זיקוק לגדול במהירות: שיעורי קירור של תערובות גליצרול מימיים עולה מ &lt;10 K / s ב 50% משקל של מומס ב G כדי נפח הפתרון מ&quot;ל (w / v) ל 1,000 K / s ב 25% w / vהתחת = &quot;xref&quot;&gt; 7. העברת חום הופך גבול הגבול שכבת מוגבלת, כך השגת שיעורי קירור גדול דורש דוגמאות קטנות וקטנות יותר 8 . מדידות הצפיפות של מים זגוגיים טהורים וקרח הושגו על ידי הפקדת טיפות קוטר מיקרומטר (femtoliter נפח) טיפות בתוך ואקום על גבי קירור cryogenically השטח כדי לבנות מדגם macroscopic (מסה גרם). הצפיפות של מדגם זה נקבעה על ידי cryoflotation בתערובת חנקן נוזלי ארגון, שבו צפיפות של נוזל cryogenic היה מותאם עד המדגם הפך נייטרלית ציפה 9 . עם זאת, יצירת דגימות גדולות ממספר גדול של טיפות קטנות בצורה שמפחיתה את נפח הריק - מקור חשוב לטעויות במדידות צפיפות פאזה זגוגיות קודמות - אינה טריוויאלית. עבור תערובות מימיות, התאדות דיפרנציאלי של מרכיבי פתרון במהלך aerosolization ותצהיר בתוך ואקום יכול להובילאי ודאויות משמעותיות בריכוזים שהופקדו. פיתחנו שיטה, המבוססת על cryoflotation, המאפשר קביעת צפיפות מדויקת של תערובות מימיות באמצעות טיפות בודדים קטנים כמו 50 pL 10 . טיפות אלה יכולים להיות מקורר במהירות תוך שמירה על הריכוזים המקוריים שלהם, ואת מצב הטמפרטורה cryogenic שלהם (מזוקק או גבישיים) ניתן להעריך באמצעות assay חזותי פשוט כי בקורלציה עם מדידות עקיפה X- קרן. שיטה זו מיושמת באופן נרחב לתערובות מימיות ולא מימיות, וניתן להאריך אותה במגוון של דגימות ביולוגיות, כולל תאים ( למשל , גזע וביצה), דגימות רקמות וגבישי חלבון בעלי צפיפות טמפרטורה נמוכה בין 0.8 ל 1.4 גרם / מ&quot;ל.

<table><tbody><tr><td>centrifuge tube</td><td>Falcon</td><td>6029236</td><td>15 mL conical centrifuge tube</td></tr><tr><td>glycerol, &gt;99.5%</td><td>Sigma&amp;nbsp;</td><td>G9012-100 mL</td><td></td></tr><tr><td>ethylene glycol, &gt;99.8%</td><td>Sigma</td><td>324558-100 mL</td><td></td></tr><tr><td>analytical microbalance</td><td>Mettler</td><td>AE240</td><td>Analytical balance, 0.01 mg resolution, has hook on bottom for weighing below the balance&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>vortexer</td><td>Scientific Industries</td><td>SI-0236</td><td>Vortex-Genie 2</td></tr><tr><td>Apparatus enclosure framing</td><td>Unistrut&amp;nbsp;</td><td>1-5/8&quot; metal framing</td><td>48&quot; wide x 24&quot; deep x 40&quot; tall&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Apparatus enclosure air barrier</td><td></td><td></td><td>any clear plastic sheeting</td></tr><tr><td>neoprene rubber disk</td><td></td><td></td><td>4&quot; diameter, 1/8&quot; thick</td></tr><tr><td>dewar flask</td><td>Scilogix Dilvac</td><td>SS333</td><td>4.5 liter dewar flask with steel case and clamp lid</td></tr><tr><td>copper chamber</td><td></td><td></td><td>This fabricated part is comprised of a 1.43&quot; diameter, 0.017&quot; wall thickness copper tube with a solid cylindrical copper base soldered to seal one end.&amp;nbsp; The copper base is 0.87&quot; tall and the overall chamber height is 7&quot;.</td></tr><tr><td>nitrogen gas</td><td>Airgas</td><td>NI HP300</td><td>99.998% pure N2 gas</td></tr><tr><td>argon gas</td><td>Airgas</td><td>AR HP300</td><td>99.998% pure Ar gas</td></tr><tr><td>rotameter</td><td>Omega</td><td>FL3692ST</td><td>2.52 L/min max flow rate</td></tr><tr><td>foam insulating lid</td><td></td><td></td><td>This part is fabricated from 4 lb/ft&lt;sup&gt;3&lt;/sup&gt; crosslinked polyethylene foam (supplied by Technifab, 1355 Chester Industrial Parkway, Avon, OH), and has an OD of 2.42&quot;, and ID of 1.52&quot;, and a thickness of 0.79&quot;.&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>PTFE test mass</td><td></td><td></td><td>This fabricated part is a 0.246&quot; diameter, 0.580&quot; tall cylinder with a 0.060&quot; diameter hole running perpendicular to and intersecting the cylinder axis ~0.10&quot; from one end.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>microbalance platform</td><td>Unistrut</td><td>1-5/8&quot; metal framing</td><td>11&quot; wide x 24&quot; long x 24&quot; high rectangular frame with an top aluminum sheet containing a hole for the monofilament and hanging test mass</td></tr><tr><td>2 mil (50 um) monofilament line</td><td>Berkley</td><td>NF1502-CM</td><td>Nanofil fishing line</td></tr><tr><td>Argon precooling coil tubing</td><td>VWR</td><td>60985-512</td><td>1/8&quot; ID x 1/4&quot; OD PVC tubing</td></tr><tr><td>perforated copper foil mixer</td><td></td><td></td><td>1.4&quot; diameter,&amp;nbsp; 35 micron thick copper disk, cut from 1 ounce/ft&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt; copper sheet and perforated with holes using an awl or other sharp pointed tool.&amp;nbsp; Insert 1-2 mm diameter rigid thermally insulating (plastic or wood) rod into the center and fix using epoxy as needed.</td></tr><tr><td>syringe</td><td>BD</td><td>309628</td><td>1 mL Luer-Lok tip syringe</td></tr><tr><td>vacuum generator</td><td>Gast</td><td>VG-015-00-00</td><td>compressed air venturi single stage vacuum generator</td></tr><tr><td>hydrophobic coating spray</td><td>RainX</td><td>620036</td><td>plastic water repellent</td></tr><tr><td>long focal length stereo microscope</td><td>Bausch and Lomb Stereozoom 6</td><td></td><td>0.67-4 x zoom pod with 20X eyepieces, 10 cm working distance&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>LED ring illuminator</td><td>Amscope</td><td>LED144S</td><td></td></tr><tr><td>LED spot illuminator</td><td>Newhouse Lighting</td><td>NHCLP-LED</td><td>3W LED gooseneck clamp lamp</td></tr><tr><td>1.8 ml cryo vial</td><td>Nunc</td><td>V7634-500EA</td><td>Any 1.8 or 2 mL cryovial is adequate</td></tr></tbody></table>

measuring the densities of aqueous glasses at cryogenic temperatures

אנו מדגימים שיטה לקביעת צפיפות טמפרטורה קריוגנית שלב זגוגי של תערובות מימיות, ודגימות אחרות הדורשות קירור מהיר, כדי להכין את השלב הרצוי טמפרטורה קריוגני. Microliter כדי טיפות בגודל picoliter הם מקורר על ידי הקרנה לתוך תערובת חנקן נוזלי (N 2- AR) תערובת. השלב הטמפרטורה הקריוגני של הירידה מוערכת באמצעות assay חזותי כי בקורלציה עם מדידות עקיפה X- קרן. הצפיפות של N 2 נוזל תערובת נוזלי מותאם על ידי הוספת N 2 או Ar עד ירידה הופך נייטרלי ציפה. הצפיפות של תערובת זו ולכן של ירידה נקבע באמצעות מסה הבדיקה עקרון ארכימדס. עם טיפול הולם בהכנה טיפה, ניהול של גז מעל תערובת קריוגן נוזלי כדי למזער את הדובדבן, ערבוב קבוע של תערובת cryogenic כדי למנוע ריבוד צפיפות הפרדת פאזה, צפיפות מדויקת עד 0.5% של טיפות קטנה כמו 50 pL יכולייקבע בקלות. מדידות על תערובות cryoprotectant מימית לספק תובנה לפעולה cryoprotectant, ולספק נתונים כמותיים כדי להקל על ההתאמה תרמית תרמית ב cryopreservation ביולוגי.

מדידות צפיפות ב T = 77 K עבור טיפות מזוקקים של גליצרול מימי ואתילן גליקול לעומת ריכוז cryoprotectant מוצגים באיור 1 A ו איור 1 B בהתאמה, ואת השינוי המקביל בנפח מסוים בין T = 298 K ו 77 K, מחושב באמצעות בעבר ש?...

Watch this Scientific Journal Video about Measuring the Densities of Aqueous Glasses at Cryogenic Temperatures at JoVE.com

Measuring the Densities of Aqueous Glasses at Cryogenic Temperatures

פרוטוקול לקביעת צפיפות השלב הזגוגי של טיפות בגודל של מיקרו-פיקו-ליטר מתוארות בטמפרטורות קריוגניות.

מדידת צפיפות של משקפיים מימיים בטמפרטורות קריוגניות

We demonstrate a method for determining the vitreous phase cryogenic temperature densities of aqueous mixtures, and other samples that require rapid ...

measuring-the-densities-of-aqueous-glasses-at-cryogenic-temperatures

Research

JoVE Journal

Engineering

8.6K Views.  Cornell University.  פרוטוקול לקביעת צפיפות השלב הזגוגי של טיפות בגודל של מיקרו-פיקו-ליטר מתוארות בטמפרטורות קריוגניות. 

Video: Measuring the Densities of Aqueous Glasses at Cryogenic Temperatures

Cooling Rate Dependent Ellipsometry Measurements to Determine the Dynamics of Thin Glassy Films

This report aims to fully describe the experimental technique of using ellipsometry for cooling rate dependent Tg (CR-Tg) experiments. These measurements are simple high-throughput characterization experiments, which can determine the glass transition temperature (Tg), average dynamics, fragility and the expansion coefficient of the super-cooled liquid and glassy states for a variety of glassy materials. This technique allows for these parameters to be measured in a single experiment, while other methods must combine a variety of different techniques to investigate all of these properties. Measurements of dynamics close to Tg are particularly challenging. The advantage of cooling rate dependent Tg measurements over other methods which directly probe bulk and surface relaxation dynamics is that they are relatively quick and simple experiments, which do not utilize fluorophores or other complicated experimental techniques. Furthermore, this technique probes the average dynamics of technologically relevant thin films in temperature and relaxation time (&#964;&#945;) regimes relevant to the glass transition (&#964;&#945; &#62; 100 sec). The limitation to using ellipsometry for cooling rate dependent Tg experiments is that it cannot probe relaxation times relevant to measurements of viscosity (&#964;&#945; &#60;&#60; 1 sec). Other cooling rate dependent Tg measurement techniques, however, can extend the CR-Tg method to faster relaxation times. Furthermore, this technique can be used for any glassy system so long as the integrity of the film remains throughout the experiment.

Here, we present a protocol for cooling rate dependent ellipsometry experiments, which can determine the glass transition temperature (Tg), average dynamics, fragility and the expansion coefficient of the super-cooled liquid and glass for a variety of glassy materials.

קירור מדידות Ellipsometry תלויות דרג לקבוע את הדינמיקה של Thin Films המזוגג

This report aims to fully describe the experimental technique of using ellipsometry for cooling rate dependent Tg (CR-Tg) experiments. These measurements ...

Chemistry

A Simple Dewar/Cryostat for Thermally Equilibrating Samples at Known Temperatures for Accurate Cryogenic Luminescence Measurements

The design and operation of a simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus based upon a small fused silica optical Dewar, a thermocouple assembly, and a CCD spectrograph are described. The experiments for which this Dewar/cryostat is designed require fast sample loading, fast sample freezing, fast alignment of the sample, accurate and stable sample temperatures, and small size and portability of the Dewar/cryostat cryogenic unit. When coupled with the fast data acquisition rates of the CCD spectrograph, this Dewar/cryostat is capable of supporting cryogenic luminescence spectroscopic measurements on luminescent samples at a series of known, stable temperatures in the 77-300 K range. A temperature-dependent study of the oxygen quenching of luminescence in a rhodium(III) transition metal complex is presented as an example of the type of investigation possible with this Dewar/cryostat. In the context of this apparatus, a stable temperature for cryogenic spectroscopy means a luminescent sample that is thermally equilibrated with either liquid nitrogen or gaseous nitrogen at a known measureable temperature that does not vary (&#916;T &#60; 0.1 K) during the short time scale (~1-10 sec) of the spectroscopic measurement by the CCD. The Dewar/cryostat works by taking advantage of the positive thermal gradient dT/dh that develops above liquid nitrogen level in the Dewar where h is the height of the sample above the liquid nitrogen level. The slow evaporation of the liquid nitrogen results in a slow increase in h over several hours and a consequent slow increase in the sample temperature T over this time period. A quickly acquired luminescence spectrum effectively catches the sample at a constant, thermally equilibrated temperature.

A simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus comprised of a small fused silica optical Dewar, a thermocouple, and a charge-coupled device (CCD) spectrograph are described. The experiments for which this Dewar/cryostat is designed require fast sample loading, freezing, and alignment, accurate and stable sample temperatures, and small size/portability.

פשוט דיואר / cryostat עבור דוגמאות התרמית equilibrating בטמפרטורות ידועות מדידות הארה קריוגני מדויקות

The design and operation of a simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus based upon a small fused silica optical Dewar, a thermocouple assembly, and ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic glasses (MGs). Despite their amorphous nature, the identification of hyperfine interactions unveils faint structural modifications. For this purpose, we have employed two techniques that utilize nuclear resonance among nuclear levels of a stable 57Fe isotope, namely M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering (NFS) of synchrotron radiation. The effects of heat treatment upon (Fe2.85Co1)77Mo8Cu1B14 MG are discussed using the results of ex situ and in situ experiments, respectively. As both methods are sensitive to hyperfine interactions, information on structural arrangement as well as on magnetic microstructure is readily available. M&#246;ssbauer spectrometry performed ex situ describes how the structural arrangement and magnetic microstructure appears at room temperature after the annealing under certain conditions (temperature, time), and thus this technique inspects steady states. On the other hand, NFS data are recorded in situ during dynamically changing temperature and NFS examines transient states. The use of both techniques provides complementary information. In general, they can be applied to any suitable system in which it is important to know its steady state but also transient states.

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Here, we present a protocol to describe ex situ and in situ investigations of structural transformations in metallic glasses. We employed nuclear-based analytical methods which inspect hyperfine interactions. We demonstrate the applicability of M&#246;ssbauer spectrometry and nuclear forward scattering of synchrotron radiation during temperature-driven experiments.

שיטות של באתרו לשעבר בחיי עיר חקירות של המרות מבניים: המקרה של התגבשות של משקפיים מתכתי

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Biological Samples Preparation for Speciation at Cryogenic Temperature using High-Resolution  X-Ray Absorption Spectroscopy

The study of elements with X-ray absorption spectroscopy (XAS) is of particular interest when studying the role of metals in biological systems. Sample preparation is a key and often complex procedure, particularly for biological samples. Although X-ray speciation techniques are widely used, no detailed protocol has been yet disseminated for users of the technique. Further, chemical state modification is of concern, and cryo-based techniques are recommended to analyze the biological samples in their near-native hydrated state to provide the maximum preservation of chemical integrity of the cells or tissues. Here, we propose a cellular preparation protocol based on cryo-preserved samples. It is demonstrated in a high energy resolution fluorescence detected X-ray absorption spectroscopy study of selenium in cancer cells and a study of iron in phytoplankton. This protocol can be used with other biological samples and other X-ray techniques that can be damaged by irradiation.

This protocol presents a detailed procedure to prepare biological cryosamples for synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy experiments. We describe all the steps required to optimize sample preparation and cryopreservation with examples of the protocol with cancer and phytoplankton cells. This method provides a universal standard of sample cryo-preparation.

הכנת דגימות ביולוגיות לספקולציה בטמפרטורה קריוגנית באמצעות ספקטרוסקופיה של ספיגת קרני רנטגן ברזולוציה גבוהה

The study of elements with X-ray absorption spectroscopy (XAS) is of particular interest when studying the role of metals in biological systems. Sample ...

A Microfluidic Approach for the Study of Ice and Clathrate Hydrate Crystallization

An accurate mechanistic description of water crystallization is challenging and requires a few key elements: superb temperature control to allow the formation of single microscopic crystals and a suitable microscopy system coupled to the cold stage. The method described herein adds another important feature that includes exchanging solutions around ice and clathrate hydrate crystals. The described system comprises a combination of unique and home-developed instruments, including microfluidics, high-resolution cold stages, and fluorescence microscopy. The cold stage was designed for microfluidic devices and allows for the formation of micron-sized ice/hydrate crystals inside microfluidic channels and the exchange of solutions around them. The temperature resolution and stability of the cold stage is one millikelvin, which is crucial for controlling the growth of these small crystals. This diverse system is used to study the different processes of ice and hydrate crystallization and the mechanism by which the growth of these crystals is inhibited. The protocol describes how to prepare microfluidic devices, how to grow and control microscopic crystals in the microfluidic channels, and how the utilization of the flow of liquids around ice/hydrate crystals affords new insights into the crystallization of water.

The present protocol describes the crystallization of microscopic ice crystals and clathrate hydrates in microfluidic devices, enabling liquid exchange around the formed crystals. This provides unparalleled possibilities to examine the crystallization process and binding mechanisms of the inhibitors.

גישה מיקרופלואידית לחקר התגבשות קרח וקלתראט הידרט

An accurate mechanistic description of water crystallization is challenging and requires a few key elements: superb temperature control to allow the ...

A Simple and Inexpensive Method for Determining Cold Sensitivity and Adaptation in Mice

Cold hypersensitivity is a serious clinical problem, affecting a broad subset of patients and causing significant decreases in quality of life. The cold plantar assay allows the objective and inexpensive assessment of cold sensitivity in mice, and can quantify both analgesia and hypersensitivity. Mice are acclimated on a glass plate, and a compressed dry ice pellet is held against the glass surface underneath the hindpaw. The latency to withdrawal from the cooling glass is used as a measure of cold sensitivity.
Cold sensation is also important for survival in regions with seasonal temperature shifts, and in order to maintain sensitivity animals must be able to adjust their thermal response thresholds to match the ambient temperature. The Cold Plantar Assay (CPA) also allows the study of adaptation to changes in ambient temperature by testing the cold sensitivity of mice at temperatures ranging from 30 &#176;C to 5 &#176;C. Mice are acclimated as described above, but the glass plate is cooled to the desired starting temperature using aluminum boxes (or aluminum foil packets) filled with hot water, wet ice, or dry ice. The temperature of the plate is measured at the center using a filament T-type thermocouple probe. Once the plate has reached the desired starting temperature, the animals are tested as described above.
This assay allows testing of mice at temperatures ranging from innocuous to noxious. The CPA yields unambiguous and consistent behavioral responses in uninjured mice and can be used to quantify both hypersensitivity and analgesia. This protocol describes how to use the CPA to measure cold hypersensitivity, analgesia, and adaptation in mice.

The Cold Plantar Assay (CPA) measures cold responsiveness between 30 &#176;C and 5 &#176;C, and can also measure cold adaptation. This protocol describes how to use the CPA to measure cold hypersensitivity, analgesia, and adaptation in mice.

שיטה פשוטה וזולה לקביעה קרה רגישות והסתגלות בעכברים

Cold hypersensitivity is a serious clinical problem, affecting a broad subset of patients and causing significant decreases in quality of life.  The cold ...

Neuroscience

ייצור ננו-מרוכבים CdSe-SnSe מחלקיקי SnSe מאוחדים

Solution&#45;Processed, Surface&#45;Engineered, Polycrystalline CdSe&#45;SnSe Exhibiting Low Thermal Conductivity

In recent years, solution processes have gained considerable traction as a cost-effective and scalable method to produce high-performance thermoelectric materials. The process entails a series of critical steps: synthesis, purification, thermal treatments, and consolidation, each playing a pivotal role in determining performance, stability, and reproducibility. We have noticed a need for more comprehensive details for each of the described steps in most published works. Recognizing the significance of detailed synthetic protocols, we describe here the approach used to synthesize and characterize one of the highest-performing polycrystalline p-type SnSe. In particular, we report the synthesis of SnSe particles in water and the subsequent surface treatment with CdSe molecular complexes that yields CdSe-SnSe nanocomposites upon consolidation. Moreover, the surface treatment inhibits grain growth through Zenner pinning of secondary phase CdSe nanoparticles and enhances defect formation at different length scales. The enhanced complexity in the CdSe-SnSe nanocomposite microstructure with respect to SnSe promotes phonon scattering and thereby significantly reduces the thermal conductivity. Such surface engineering provides opportunities in solution processing for introducing and controlling defects, making it possible to optimize the transport properties and attain a high thermoelectric figure of merit.

מחבר זרקור: קידום פתרונות אנרגיה באמצעות ננו-מרוכבים כחומרים תרמואלקטריים מעובדים

CdSe-SnSe nanocomposites are produced by consolidating surface-engineered SnSe particles. A simple aqueous synthesis is employed to produce SnSe particles. Coating SnSe particles with CdSe molecular complexes allows for controlling grain size and increasing the number of defects present in the nanocomposite, thus lowering the thermal conductivity.

CdSe-SnSe רב-גבישי מעובד תמיסה, מהונדס פני שטח, בעל מוליכות תרמית נמוכה

In recent years, solution processes have gained considerable traction as a cost-effective and scalable method to produce high-performance thermoelectric ...

Conducting Reactions Below Room Temperature

Source: Laboratory of Dr. Dana Lashley - College of William and Mary
Demonstration by: Matt Smith
When new bonds are formed in the course of a chemical reaction, it requires that the involved species (atoms or molecules) come in very close proximity and collide into one another. The collisions between these species are more frequent and effective the higher the speed at which these molecules are moving. A widely used rule of thumb, which has its roots in the Arrhenius equation1, states that raising the temperature by 10 K will approximately double the rate of a reaction, and raising the temperature by 20 K will quadruple the rate:
(1) <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/10224/10224eq1.jpg" />
Equation (1) is often found in its logarithmic form:
(2) <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/10224/10224eq2.jpg" />
where k is the rate of the chemical reaction, A is the frequency factor (relating to frequency of molecular collisions), Ea is the activation energy required for the reaction, R is the ideal gas constant, and T is the temperature at which the reaction is taking place.
A higher temperature therefore means a reaction is completed much faster. Nonetheless, in some cases it is desirable to carry out reactions at low temperatures, in spite of the lowering effect on the rate of the reaction. A few scenarios in this regard are elaborated upon further below.
When it is useful to run a reaction below room temperature, chemists use cooling baths to maintain a certain temperature or temperature range. Reactions are cooled down to a desired temperature by placing the reaction flask inside an appropriate cooling bath. The reagents in the reaction never come in direct contact with the chemicals in the cooling bath. The cooling bath may consist of a single cryogenic (cooling) component (such as ice, dry ice, or liquid nitrogen) or may be a mixture of the cryogenic component with a certain solvent and/or an additive salt. The purpose of the solvent is to effectively transfer temperature of the cooling agent to the reaction flask, and the purpose of the additive is to lower (or depress) the freezing point of the mixture. (Note that it is possible for a substance to be both a solvent and an additive.)

ביצוע תגובות מתחת לטמפרטורת החדר

Source: Laboratory of Dr. Dana Lashley - College of William and Mary
Demonstration by: Matt Smith
When new bonds are formed in the course of a chemical ...

מדידת צפיפות של משקפיים מימיים בטמפרטורות קריוגניות

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

קירור מדידות Ellipsometry תלויות דרג לקבוע את הדינמיקה של Thin Films המזוגג

פשוט דיואר / cryostat עבור דוגמאות התרמית equilibrating בטמפרטורות ידועות מדידות הארה קריוגני מדויקות

שיטות של באתרו לשעבר בחיי עיר חקירות של המרות מבניים: המקרה של התגבשות של משקפיים מתכתי

הכנת דגימות ביולוגיות לספקולציה בטמפרטורה קריוגנית באמצעות ספקטרוסקופיה של ספיגת קרני רנטגן ברזולוציה גבוהה

גישה מיקרופלואידית לחקר התגבשות קרח וקלתראט הידרט

שיטה פשוטה וזולה לקביעה קרה רגישות והסתגלות בעכברים

CdSe-SnSe רב-גבישי מעובד תמיסה, מהונדס פני שטח, בעל מוליכות תרמית נמוכה

CdSe-SnSe רב-גבישי מעובד תמיסה, מהונדס פני שטח, בעל מוליכות תרמית נמוכה

CdSe-SnSe רב-גבישי מעובד תמיסה, מהונדס פני שטח, בעל מוליכות תרמית נמוכה

ביצוע תגובות מתחת לטמפרטורת החדר