قياس التطور الزمني للمواد النانوية مع تشتت النيوترونات المتوقف والزاوية الصغيرة

يوفر تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) طريقة فريدة لقياس أحجام وأشكال وتفاعلات وتنظيم المواد المختلفة على مقاييس الطول من ≈1 نانومتر إلى ≈100 نانومتر¹،^2،3. الأدوات الحديثة ، بما في ذلك VSANS (تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة جدا) مع مرايا التركيز ، تدفع الحدود نحو قياس مقاييس طول أكبر تصل إلى ≈1000 نانومتر ^4,5. بشكل عام ، يوفر تباين التشتت الفريد المتأصل في طرق تشتت النيوترونات العديد من المزايا في قياس التطور الزمني للهياكل النانوية ، مثل تجميع المكونات في التركيبات الصيدلانية⁶ ، تفاعلات التشابك والهلام في أنظمة البوليمر ^7,8 ، في التبلور المتوسط للبروتينات الغشائية^9,10 ، تدهور البروتينات وكشفها^11,12 ، ونمو المواد القائمة على السيليكا¹³،^14،15. يجعل تباين التشتت الفريد SANS (TR-SANS) الذي تم حله بمرور الوقت مكملا مفيدا للقياسات الأخرى القائمة على التدفق المتوقف.

غالبا ما يتم تنفيذ طرق خلط التدفق المتوقف في تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS) 16،17،18،¹⁹،20،21 ، مطيافية مضان 22،23،24،25،²⁶ ، وتشتت الضوء²⁷،²⁸،²⁹،^{30 ، 31,32} تجربة لدراسة العمليات الحركية على المقاييس الزمنية بالمللي ثانية. يتمثل أحد الاختلافات المهمة بين SANS و SAXS في أن تشتت النيوترونات هو تقنية توصيف غير مدمرة ، وعلى هذا النحو ، يمكن استخدام SANS لقياس نفس العينة لساعات أو حتى أيام دون إلحاق ضرر إشعاعي مؤين بالعينة ، والذي يمكن أن يحدث أثناء تجارب تشتت الأشعة السينية عالية التدفق³³. نظرا لأن قياسات SANS المتكررة لن تغير التركيب الكيميائي لجزيء المسبار أو العينة ، يمكن دراسة التطور الزمني دون تأثيرات التبييض الضوئي ، على سبيل المثال ، مما قد يعقد قياسات الحركية التي تعتمد على التألق^23,24. علاوة على ذلك ، يمكن استخدام SANS لقياس العينات عالية التركيز وغير الشفافة بصريا والتي غالبا ما يصعب توصيفها باستخدام التقنيات القائمة على الضوء مثل تشتت الضوء الديناميكي.

بالإضافة إلى توفير المعلومات الهيكلية على المقياس النانوي ، يمكن استخدام SANS لاستكشاف التركيب المحلي لهذه الهياكل من خلال الاختلاف في تباين كثافة طول تشتت النيوترونات. تختلف كثافة طول التشتت (SLD) للعناصر المختلفة بشكل عشوائي عبر الجدول الدوري وتختلف باختلاف نظائر العنصر نفسه. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك الهيدروجين (¹H أو H) والديوتيريوم (²H أو D) ، اللذان لهما أطوال تشتت نيوترونية مختلفة إلى حد كبير. لذلك ، يمكن تمييز المواد الغنية بالهيدروجين ، مثل المواد الخافضة للتوتر السطحي والدهون والبروتينات والحمض النووي الريبي والحمض النووي والبوليمرات الأخرى ، عن المذيبات المخففة باستخدام SANS دون تغيير الخصائص الفيزيائية للنظام بشكل كبير. ومع ذلك ، من المهم ملاحظة أن تبادل H / D يمكن أن يؤثر على الكثافة والترابط الهيدروجيني ودرجات حرارة انتقال الطور في العينة. ومع ذلك ، فإن الحساسية الفريدة ل SANS للمواد الغنية بالهيدروجين مفيدة بشكل خاص في أبحاث المادة اللينة حيث يكون للعينات ذات الأهمية تباين وإشارة تشتت أقل في التقنيات القائمة على الأشعة السينية مثل SAXS. كما أن الاستبدال النظيري يجعل SANS أداة قوية لدراسة حركية التبادل الجزيئي في المواد الغنية بالهيدروجين ببساطة عن طريق خلط الجزيئات ذات العلامات H والجزيئات ذات العلامات D. الاستبدال النظيري مفيد بشكل خاص في الأنظمة التي تكون فيها الأصباغ الفلورية الضخمة أكبر من جزيئات الفاعل بالسطح أو الدهون ذات الأهمية ويمكن أن تؤثر على حركية التبادل^34,35.

تعد قياسات SANS التي تم حلها بمرور الوقت مفيدة لأن الكثافة المقاسة هي دالة للوقت ومقياس الطول وتباين SLD. على هذا النحو ، يمكن تصميم تجارب TR-SANS لاستكشاف التغييرات المعتمدة على الوقت في التوزيعات المكانية وتركيبات العينات. أدت هذه المزايا الفريدة ل SANS إلى رؤى مهمة في العمليات الحركية في العديد من أنظمة المواد اللينة مثل المواد الخافضة للتوتر السطحي 36،37،38 ، المستحلبات 39،40،⁴¹ ، الدهون 34،42،43،⁴⁴،45،⁴⁶،⁴⁷،^48،49 ، 50 ، والبوليمرات 51،52،53،54،^55،56،⁵⁷،^58،59،⁶⁰،^61،62. ركزت معظم دراسات TR-SANS على المقاييس الزمنية من دقائق إلى ساعات. ومع ذلك ، فإن العديد من العمليات الحركية ذات الأهمية تحدث على مقياس الوقت الثاني وهي ضرورية لفهم الآليات الأساسية. يتطلب التقاط هذه النقاط الزمنية المبكرة خلط الحلول بسرعة وقياسها في الموقع ، حيث تتم مزامنة الخلط مع جمع البيانات أثناء تشتت الضوء المتوقف 27،28،29،³⁰،^31،32 ، التألق ²²،²³،²⁴،^{25،26 ،} والأشعة السينية ¹⁶،¹⁷،¹⁸،¹⁹،^20،21 تجربة. يصف هذا العمل استخدام بيئة عينة مصممة لخلط عينات سائلة متعددة بسرعة وحقن الخليط في خلية زجاجية كوارتز لقياسات TR-SANS. جهاز الخلط عبارة عن تكيف لجهاز rheoSANS الشعري الذي تم تطويره مؤخرا⁶³ ويستخدم مضخات وصمامات حقن متعددة للتحكم في خلط العينات وأتمتة تنظيف الخلايا. من خلال توصيل مضخات الحقن بسلسلة من صمامات محدد التدفق ، يمكن خلط تيارات المدخل المتعددة وقياسها وشطفها وتجفيفها بشكل متكرر لتسهيل قياسات TR-SANS على مقياس وقت الثواني.

يفترض الإجراء الحالي أن العينات ذات الأهمية قد تم تحديدها وإعدادها. نحن نركز على إعداد الخلط في الموقع وطرق جمع بيانات TR-SANS. تم جمع بيانات تشتت النيوترونات على أداة VSANS في مركز NIST لأبحاث النيوترونات (NCNR) ؛ ومع ذلك ، يجب أن يكون الإجراء قابلا للتطبيق على أدوات SANS الأخرى. يجب على القراء المهتمين بتنفيذ بروتوكولات مماثلة على أدوات SANS الأخرى التشاور مع علماء الأدوات المحليين لتحديد التكوين الأمثل للأداة لزيادة تدفق النيوترونات إلى أقصى حد على مقياس الطول المطلوب والمقياس الزمني الأكثر صلة بالعمليات الحركية ذات الأهمية. تم جمع البيانات المقدمة هنا باستخدام تكوين “الحزمة البيضاء” عالي التدفق على VSANS لزيادة عدد النيوترونات إلى أقصى حد عند فقدان الدقة المكانية⁵. تم وضع عربات الكاشف لتغطية مجموعة من ناقلات التشتت (q) ، 0.005 Å-1 < q < 0.5 ^Å-1 ، المقابلة لمقاييس الطول من ≈130 نانومتر إلى ≈13 نانومتر. يتم تعريف متجه التشتت على أنه q = 4π / λ sin (θ / 2) حيث λ هو الطول الموجي النيوتروني ، و θ هي زاوية التشتت.

يتكون جهاز خلط التدفق المتوقف المستخدم في قياسات TR-SANS من مضخات متعددة ، ومحاقن شطف ، ومحاقن عينات ، ومحددات تدفق ، بالإضافة إلى خلاط ديناميكي ، وخلية عينة ، وحاوية عينات مختلطة ، كما هو موضح في الشكل 1. توجد جميع مسارات السوائل المختومة داخل حاوية مكيفة الهواء ، والتي تشمل المحاقن والصمامات وأنابيب التوصيل والخلاط الديناميكي وخلايا العينات. يتم استخدام مكيف هواء حراري قابل للبرمجة للتحكم في درجة حرارة العلبة في النطاق من 10 °C إلى 50 °C في غضون ±1 °C. لاحظ أنه تمت إزالة بعض عزل العلبة لإظهار أجزاء العمل في الجهاز. يتم وضع حاوية جهاز الخلط الرئيسية على مرحلة انتقالية على خط شعاع NG3 VSANS في NCNR. يتم ضبط موضع العلبة باستخدام مرحلة الترجمة لوضع خلية العينة في مسار الحزمة النيوترونية (خط أصفر متقطع).

الشكل 1: مثال على الإعداد للجمع بين خلط التدفق المتوقف وقياسات تشتت النيوترونات ذات الزاوية الصغيرة عند خط شعاع VSANS في مركز NIST لأبحاث النيوترونات. يحتوي الإعداد على أربع مضخات حقنة ، وحقنتين لشطف المذيبات وحقنتين لحقن العينة ، وأربعة صمامات اختيار المضخة ، وصمامين لاختيار الخلاط ، وخلاط ديناميكي ، وخلية كوارتز متدفقة ، وحاوية عينات مختلطة. تشتت النيوترونات الساقطة من العينة المختلطة الموجودة داخل خلية العينة. يتم استخدام حاوية معزولة مع نوافذ كوارتز ووحدة مكيفة بالحرارة للتحكم في العينة وجميع المعدات عند درجة حرارة ثابتة. يوضح الخط الأصفر المتقطع مسار حزمة النيوترونات. شريط المقياس = 10 سم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

يتكون الجهاز الموضح في الشكل 1 من حقنتي عينة، وحقنتي شطف، وخلية عينة واحدة. يوضح الشكل 2 مخططات التدفق المقابلة للخطوات المختلفة للبروتوكول. يتم حقن الأحجام المطلوبة من العينتين المختلفتين في الخلاط وخلية العينة (الشكل 2 أ). بمجرد ملء خلية العينة ، يتم إغلاق صمام تبديل المدخل (ISV) وصمام تبديل المخرج (OSV) لعزل خلية العينة عن الخلاط الديناميكي ولمنع انتشار العينة مرة أخرى في الخلية أثناء جمع بيانات TR-SANS (الشكل 2B). قبل الخلاط الديناميكي ، يختلف طول أنبوب التوصيل من 10 سم إلى 1 متر ولا يؤثر على وقت تأخير الخلط. ومع ذلك ، ستؤثر وصلات الأنابيب بين الخلاط الديناميكي وخلية العينة على وقت تأخير الخلط وحجم حقن العينة المطلوب. يتم استخدام أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المقطوعة مسبقا بقطر داخلي 0.04 بوصة (1 مم) وطول 100 مم لتوصيل الخلاط الديناميكي وصمامات محدد الخلاط (MSV1 و MSV2) و ISV و OSV. يتم استخدام الأنابيب المفلورة بقطر داخلي 1 مم وطول 115 مم لتوصيل ISV و OSV (أو مخرج الخلاط الديناميكي) بخلية العينة. يتضمن إجمالي حجم الفراغ الذي يؤثر على وقت تأخير الخلط حجم فراغ الخلاط (0.15 مل) ، والأنبوب بين مخرج الخلاط ومدخل خلية العينة (0.09 مل) ، وحجم خلية العينة (0.16 مل). في هذا المثال، حجم الفراغ الكلي يساوي 0.4 mL. أحجام الفراغ الداخلية للصمامات لا تذكر مقارنة بأحجام فراغ الأنبوب والخلاط وعينة الخلية. على سبيل المثال ، تحتوي صمامات اختيار الضغط المنخفض المستخدمة (قطر التجويف 0.75 مم) على أحجام فراغ تقريبية تبلغ 4 ميكرولتر ، بينما تحتوي صمامات اختيار الضغط العالي وصمامات التبديل (قطر التجويف 0.25 مم) على أحجام فراغ تقريبية تبلغ 0.5 ميكرولتر.

بعد اكتمال قياس TR-SANS ، يتم دفع العينة خارج الخلية بالمذيب ، ويتم ضخ مذيب الشطف بشكل متكرر عبر الخلية لإزالة العينة المتبقية وتنظيف خلية العينة (الشكل 2C). لاحظ أن محاقن الشطف متصلة بخزانات مذيب أكبر (مثل الماء والإيثانول) عبر قيم محدد المضخة لضمان توفر أحجام مذيبات كافية لتنظيف خلية العينة بين عمليات القياس. يتم وضع مصادر المذيبات ومصادر العينات وحاويات العينات المختلطة التي تحتوي على سوائل قابلة للاشتعال في حاوية منفصلة بدون معدات كهربائية للتخلص من جميع مصادر الاشتعال المحتملة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام أغطية زجاجات قفل البخار لتقليل الأبخرة القابلة للاشتعال وتبخر المذيبات. أخيرا ، يتم تجفيف خلية العينة بتيار غاز النيتروجين لإزالة مذيب الشطف المتبقي (الشكل 2 د). يتم تنظيم ضغط غاز النيتروجين الداخل إلى صمام محدد الخلاط إلى حوالي 2 بار (0.2 ميجا باسكال ، ضغط المقياس) باستخدام منظم ضغط يدوي موجود على أسطوانة غاز النيتروجين. بمجرد تنظيف خلية العينة وتجفيفها بشكل كاف ، يتم حقن عينة مختلطة حديثا في خلية العينة لدورة القياس التالية (تكرار الخلط والحقن الموضح في مخطط التدفق في الشكل 2 أ).

الشكل 2: مثال على مخطط التدفق باستخدام خلية عينة واحدة، وعينتين للخلط، ومذيبين شطف للتنظيف. أ: خلط العينة (أ) والعينة (ب) (الحمراء)، ثم تدفق العينة المختلطة (أرجوانية) إلى خلية العينة. (ب) أثناء جمع البيانات، يشير جهاز التدفق المتوقف إلى إغلاق صمامات تبديل بائعي البرامج المستقلين (ISV) وOSV لعزل خلية العينة ومنع الانتشار العكسي للعينة أثناء جمع البيانات. (ج) خطوات التنظيف حيث يتم شطف خلية العينة بمذيب شطف من SS1 (أخضر) بعد جمع البيانات. د: خطوة التجفيف حيث تجفف خلية العينة بغاز النيتروجين (البرتقالي). الاختصارات: ايندهوفن = صمام اختيار المضخة. MSV = صمام محدد الخلاط ؛ OSV = صمام تبديل المخرج ؛ ISV = صمام تبديل المدخل ؛ SS1 = مصدر المذيب 1 ؛ SSA = مصدر العينة A ؛ N2 = مصدر غاز النيتروجين. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يوضح الشكل 3 مخططات التدفق لإصدار مختلف قليلا حيث يتم تكوين إعداد الخلط بخليتي عينة منفصلتين متصلتين بنفس صمامات التبديل (الشكل 3A). بينما يتم جمع بيانات TR-SANS في خلية العينة 1 ، يتم شطف خلية العينة 2 (الشكل 3B) وتجفيفها (الشكل 3C). عند اكتمال جمع البيانات لخلية العينة 1 ، يوجه صمام تبديل المدخل عينة مختلطة حديثا إلى خلية العينة 2 لجمع البيانات (الشكل 3D). بينما يتم جمع بيانات TR-SANS في خلية العينة 2 ، يتم شطف خلية العينة 1 وتجفيفها (الشكل 3E). هذه العملية المتناوبة المتوازية بين خليتين من خلايا العينة تقلل من الوقت بين حقن العينات اللاحقة وتزيد من استخدام وقت الحزمة النيوترونية.

الشكل 3: مثال على مخطط السريان باستخدام خليتين من عينتين، وعينتين مختلطتين، ومذيبين شطف للتنظيف. (أ) خلط العينة A (الزرقاء) والعينة B (الحمراء) ثم تدفق العينة المختلطة (الأرجواني) إلى خلية العينة 1. (ب) حالة جهاز التدفق المتوقف أثناء جمع البيانات في خلية العينة 1 بينما تشطف خلية العينة 2 بمذيب من SS1 (أخضر). (ج) حالة جهاز توقف التدفق أثناء جمع البيانات في خلية العينة 1 بينما تجفف خلية العينة 2 بغاز النيتروجين (البرتقالي). (د) بمجرد اكتمال جمع بيانات خلية العينة 1، تخلط على الفور عينة جديدة (أرجوانية) وتتدفق إلى خلية العينة 2. (ه) حالة جهاز التدفق المتوقف أثناء جمع البيانات في خلية العينة 2 بينما تشطف خلية العينة 1 بمذيب من SS1 (أخضر). أثناء قياس خلية عينة واحدة ، يتم تنظيف خلية العينة الأخرى وتجفيفها. تتناوب عملية قياس التدفق المتوقف بين خليتي عينة لتقليل الوقت بين حقن خلط العينات اللاحقة. الاختصارات: ايندهوفن = صمام اختيار المضخة. MSV = صمام محدد الخلاط ؛ OSV = صمام تبديل المخرج ؛ ISV = صمام تبديل المدخل ؛ SS1 = مصدر المذيب 1 ؛ SSA = مصدر العينة A ؛ N2 = مصدر غاز النيتروجين. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يتم وصف بروتوكول خطوة بخطوة أدناه لتوصيل المضخات وخطوط الأنابيب ، وتحضير النظام ، وشطف وتجفيف خلية العينة ، وحقن العينة المختلطة. على الرغم من أن تكوين الخلية الواحدة موضح من أجل البساطة (الشكل 2) ، يمكن تعديل الإعداد المعياري المرن والبروتوكول والبرامج النصية بسهولة لتنفيذ المزيد من مضخات الحقن أو الصمامات أو الخلاطات أو تكوينات خلايا العينة ، مثل تكوين الخلية المكونة من عينتين كما هو موضح في الشكل 3. يوضح الشكل 4 بيانات معدل عدد النيوترونات الخام التمثيلية التي تم جمعها خلال دورات حقن الخلط والتنظيف ، بينما يتم عرض حركية تبادل الدهون المقاسة عند 3 درجات حرارة مختلفة وكثافة التشتت الطبيعية المستخرجة المقابلة لجزء الدهون المتبادلة في الشكل 5 والشكل 6 ، على التوالي.