מדידת צפיפות של משקפיים מימיים בטמפרטורות קריוגניות

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 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 <10 K / s ב 50% משקל של מומס ב G כדי נפח הפתרון מ"ל (w / v) ל 1,000 K / s ב 25% w / vהתחת = "xref"> 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"ל.