Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
* Эти авторы внесли равный вклад
Описан протокол для определения плотности стеклообразной фазы от микропик-литровых капель водных смесей при криогенных температурах.
Мы демонстрируем способ определения температуры криогенной температуры стеклообразной фазы в водных смесях и других образцов, которые требуют быстрого охлаждения, для получения желаемой температуры криогенной температуры. Отложения микролитера до пиколитра охлаждают путем выведения в смесь жидкого азот-аргона (N 2 -Ar). Криогенную температурную фазу капли оценивают с использованием визуального анализа, который коррелирует с измерениями дифракции рентгеновских лучей. Плотность жидкой смеси N 2 -Ar регулируют добавлением N 2 или Ar до тех пор, пока капля не станет нейтрально плавающей. Плотность этой смеси и, следовательно, капли определяют с использованием испытательной массы и принципа Архимеда. При надлежащем уходе при каплеобразовании управление газом над жидкой криогенной смесью для минимизации обледенения и регулярное перемешивание криогенной смеси для предотвращения расслоения плотности и разделения фаз, плотность с точностью <0,5% капель до 50 пл можетЛегко определить. Измерения на водных криопротекторных смесях дают представление о криопротекторном действии и дают количественные данные для облегчения термического сокращения в биологической криоконсервации.
Физические свойства воды и водных смесей в их различных фазах представляют фундаментальный интерес и важны для понимания биологических систем in vivo и in vitro . В современной криобиологии и биологической криоконсервации стекловидные или аморфные фазы водных криопротекторных смесей представляют особый интерес 1 , 2 . Зарождение и рост кристаллов льда могут разрушить клетки и ткани и способствовать денатурации и агрегации белка, поэтому криоконсервационные протоколы, которые остекловывают растворитель, становятся все более популярными. В биомолекулярной кристаллографии кристаллизация растворителя в каналах между биомолекулами разрушает кристаллические решетки и деградирует дифракционные свойства. Витрификация достигается за счет сочетания быстрого охлаждения, обезвоживания и добавления криопротективных растворов, таких как глицерин, этиленгликоль, полиэтиленгликоли (ПЭГ),Спирты и соли.
Витрификация ограничивает кристаллизацию и рост льда, но не устраняет все повреждения, связанные с охлаждением. Например, кристаллическая мозаичность (мера распределения ориентаций кристаллографической плоскости) обычно увеличивается в 10-100 раз, когда кристаллы белка охлаждают в остеклованном состоянии 3 , а скорости выдержки после таяния остеклованных сперматозоидов и ооцитов широко варьируются ,
Одним из механизмов повреждения является дифференциальное сжатие растворителя и окружающего материала при охлаждении 3 , 4 , 5 . Равновесные концентрации растворителя и растворенного вещества в кристалле, клетке или ткани зависят от температуры, а растворитель плюс раствор и окружающий материал могут сжиматься в разных количествах. Быстрое охлаждение может препятствовать перераспределению растворителя и растворенного вещества до стеклования, а дифференциальные контракты Может привести к большим, неоднородным, неравновесным напряжениям, которые вызывают повреждение образца.
Таким образом, рациональные подходы к уменьшению ущерба, вызванного охлаждением, могут быть полезны из-за знания температурно-зависимых плотностей жидких и остеклованных водных смесей. При концентрациях растворенных веществ, превышающих 50% массы растворенного вещества до массы раствора (мас. / Мас.), Большинство водных смесей криопротекторов можно остекловывать со умеренными скоростями охлаждения 10 К / с или менее, что позволяет производить измерения плотности и плотности с использованием больших образцов стекловидного тела 6 . Плотность можно затем определить по принципу Архимеда, измеряя кажущуюся массу образца при суспендировании в жидком криогене, таком как азот. Однако при уменьшении концентрации растворенного вещества скорости охлаждения, необходимые для остекловывания, быстро возрастают. Скорости охлаждения для водных смесей глицерина увеличиваются от <10 К / с при 50% массы растворенного вещества в г до объема раствора в мл (мас. / Об.) До> 1000 K / с при 25% мас. / Об.Ass = "xref"> 7. Передача тепла становится ограниченной границей, поэтому для достижения больших скоростей охлаждения требуются меньшие и меньшие образцы 8 .
Измерения плотности чистой стекловидной воды и льда были достигнуты путем осаждения капель микрометрического диаметра (объем фемтолитера) в вакууме на поверхность с криогенным охлаждением, чтобы создать макроскопический образец (грамм-масса). Плотность этого образца определяли путем криофлотации в жидкой смеси азот-аргон, в которой плотность криогенной жидкости регулировалась до тех пор, пока образец не стал нейтрально плавучим 9 . Однако генерация больших выборок из большого количества небольших капель таким образом, чтобы минимизировать объем пустот - важный источник ошибок при предыдущих измерениях фазы стекловидной фазы - нетривиальна. Для водных смесей дифференциальное испарение компонентов раствора во время аэрозолизации и осаждения в вакууме может привести кСущественная неопределенность в депонированных концентрациях.
Мы разработали метод, основанный на криофлотации, который позволяет точно определять плотность водных смесей с использованием отдельных капель до 50 пЛ 10 . Эти капли могут быстро охлаждаться при сохранении их первоначальных концентраций, а их криогенное температурное состояние (остеклованное или кристаллическое) можно оценить, используя простой визуальный анализ, который коррелирует с измерениями рентгеновской дифракции. Этот способ широко применим к водным и неводным смесям и может быть распространен на множество биологических образцов, включая клетки ( например , стебель и яйцо), образцы тканей и кристаллы белка, имеющие низкотемпературные плотности от 0,8 до 1,4 г / мл.
ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: Перед использованием проконсультируйтесь со всеми листами данных о безопасности материалов (MSDS). При использовании сжатых газов используйте все соответствующие меры безопасности, включая соответствующие калиброванные регуляторы и клапаны для работы с газом, а также одобренные газовые трубки. Контакт с жидкими криогенами может привести к сильному обморожению и некрозу. Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты (щиток для лица, перчатки, лабораторное покрытие, штаны полной длины, туфли с закрытыми носками), все из которых должны быть непроницаемыми для жидкого азота. При использовании жидких криогенных реагентов останьтесь стоять и обеспечить беспрепятственный выход из устройства. Помните об опасности удушья при использовании сжатых газов и жидких криогенных веществ и работайте в хорошо проветриваемом помещении с адекватным подпиточным воздухом (вытяжной шкаф или помещение с высокой вентиляционной способностью).
1. Получение водных растворов для измерения плотности
ПРИМЕЧАНИЕ. Поскольку весы более легко измеряются с высокой точностью, чем объемКонцентрации растворов измеряют в единицах массы. Все плотности и температуры плавления или кипения принимают атмосферное давление ~ 100 кПа. Следующие этапы описывают получение 35% мас. / Мас. Раствора глицерина. Такую же процедуру можно использовать и для других концентраций и растворенных веществ.
2. Подготовка пробной охлаждающей камеры
3. Определение объема и плотности тестовой массы при Т = 298 К и Т = 77 К
4. Получение исходной жидкой смеси N 2 -Ar
5. Измерение и регулировка плотности исходного N 2 -Ar Mixры
6. Охлаждение капель раствора образца
7. Оценка состояния выборки
8. Определение плотности образца
Измерения плотности при Т = 77 К для остеклованных капель водного раствора глицерина и этиленгликоля по сравнению с концентрацией криопротекторов показаны на рис. 1А и рис. 1В соответственно, а соответствующее изм?...
Настоящий аппарат и методы, разработанные в основном студентами с ограниченным доступом к инструментальным инструментам и машинам, тем не менее обеспечивают высокоточные измерения плотности для отдельных капель жидкости до 50 пл. В диапазоне концентраций около 50% мас. / Мас., Где для по?...
Авторам нечего раскрывать.
Эта работа была поддержана NSF под наградой MCB-1330685. DWM подтверждает частичную поддержку от гранта обучения молекулярной биофизике Корнельского университета (NIH T32GM0082567).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
centrifuge tube | Falcon | 6029236 | 15 mL conical centrifuge tube |
glycerol, >99.5% | Sigma | G9012-100 mL | |
ethylene glycol, >99.8% | Sigma | 324558-100 mL | |
analytical microbalance | Mettler | AE240 | Analytical balance, 0.01 mg resolution, has hook on bottom for weighing below the balance |
vortexer | Scientific Industries | SI-0236 | Vortex-Genie 2 |
Apparatus enclosure framing | Unistrut | 1-5/8" metal framing | 48" wide x 24" deep x 40" tall |
Apparatus enclosure air barrier | any clear plastic sheeting | ||
neoprene rubber disk | 4" diameter, 1/8" thick | ||
dewar flask | Scilogix Dilvac | SS333 | 4.5 liter dewar flask with steel case and clamp lid |
copper chamber | This fabricated part is comprised of a 1.43" diameter, 0.017" wall thickness copper tube with a solid cylindrical copper base soldered to seal one end. The copper base is 0.87" tall and the overall chamber height is 7". | ||
nitrogen gas | Airgas | NI HP300 | 99.998% pure N2 gas |
argon gas | Airgas | AR HP300 | 99.998% pure Ar gas |
rotameter | Omega | FL3692ST | 2.52 l/min max flow rate |
foam insulating lid | This part is fabricated from 4 lb/ft3 crosslinked polyethylene foam (supplied by Technifab, 1355 Chester Industrial Parkway, Avon, OH), and has an OD of 2.42", and ID of 1.52", and a thickness of 0.79". | ||
PTFE test mass | This fabricated part is a 0.246" diameter, 0.580" tall cylinder with a 0.060" diameter hole running perpendicular to and intersecting the cylinder axis ~0.10" from one end. | ||
microbalance platform | Unistrut | 1-5/8" metal framing | 11" wide x 24" long x 24" high rectangular frame with an top aluminum sheet containing a hole for the monofilament and hanging test mass |
2 mil (50 um) monofilament line | Berkley | NF1502-CM | Nanofil fishing line |
Argon precooling coil tubing | VWR | 60985-512 | 1/8" ID x 1/4" OD PVC tubing |
perforated copper foil mixer | 1.4" diameter, 35 micron thick copper disk, cut from 1 ounce/ft2 copper sheet and perforated with holes using an awl or other sharp pointed tool. Insert 1-2 mm diameter rigid thermally insulating (plastic or wood) rod into the center and fix using epoxy as needed. | ||
syringe | BD | 309628 | 1 ml Luer-Lok tip syringe |
vacuum generator | Gast | VG-015-00-00 | compressed air venturi single stage vacuum generator |
hydrophobic coating spray | RainX | 620036 | plastic water repellent |
long focal length stereo microscope | Bausch and Lomb Stereozoom 6 | 0.67-4 x zoom pod with 20x eyepieces, 10 cm working distance | |
LED ring illuminator | Amscope | LED144S | |
LED spot illuminator | Newhouse Lighting | NHCLP-LED | 3W LED gooseneck clamp lamp |
1.8 ml cryo vial | Nunc | V7634-500EA | Any 1.8 or 2 ml cryovial is adequate |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеСмотреть дополнительные статьи
This article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены