Het meten van de tijdsevolutie van materialen op nanoschaal met stop-flow en small-angle neutronenverstrooiing

Small-angle neutron scattering (SANS) biedt een unieke manier om de groottes, vormen, interacties en organisatie van verschillende materialen te meten op lengteschalen van ≈1 nm tot ≈100 nm ^1,2,3. Recente instrumenten, waaronder VSANS (very small-angle neutron scattering) instrumenten met focusspiegels, verleggen de grenzen naar het meten van nog grotere lengteschalen tot ≈1000 nm ^4,5. Over het algemeen biedt het unieke verstrooiingscontrast dat inherent is aan neutronenverstrooiingsmethoden verschillende voordelen bij het meten van de tijdsevolutie van nanoschaalstructuren, zoals de aggregatie van componenten in farmaceutische formuleringen⁶, crosslinking en gelatiereacties in polymeersystemen^7,8, bij mesokristallisatie van membraaneiwitten ^9,10, afbraak en ontvouwing van eiwitten^11,12 , en groei van op silica gebaseerde materialen^13,14,15. Het unieke verstrooiingscontrast maakt tijd-opgeloste SANS (TR-SANS) een nuttige aanvulling op andere op stop-flow gebaseerde metingen.

Stop-flow mengmethoden worden vaak geïmplementeerd in small-angle X-ray scattering (SAXS)16,17,18,19,20,21, fluorescentiespectroscopie 22,23,24,25,26 en lichtverstrooiing^{27,28,29,30, 31,32} experimenten om kinetische processen op de milliseconde tijdschalen te bestuderen. Een belangrijk verschil tussen SANS en SAXS is dat neutronenverstrooiing een niet-destructieve karakteriseringstechniek is, en als zodanig kan SANS worden gebruikt om hetzelfde monster uren of zelfs dagen te meten zonder ioniserende stralingsschade aan het monster, wat kan gebeuren tijdens röntgenverstrooiingsexperimenten met een hogere flux³³. Omdat herhaalde SANS-metingen de chemische structuur van het sondemolecuul of monster niet zullen veranderen, kan de tijdsevolutie worden bestudeerd zonder effecten van bijvoorbeeld fotobleaching, wat kinetische metingen kan bemoeilijken die afhankelijk zijn van fluorescentie^23,24. Bovendien kan SANS worden gebruikt om sterk geconcentreerde en optisch ondoorzichtige monsters te meten die vaak moeilijk te karakteriseren zijn met op licht gebaseerde technieken zoals dynamische lichtverstrooiing.

Naast het verstrekken van structurele informatie op nanoschaal, kan SANS worden gebruikt om de lokale samenstelling van deze structuren te onderzoeken door de variatie in neutronenverstrooiingslengtedichtheidscontrast. De verstrooiingslengtedichtheid (SLD) van verschillende elementen varieert willekeurig over het periodiek systeem en varieert met verschillende isotopen van hetzelfde element. Een vaak gebruikt voorbeeld is waterstof (¹H of H) en deuterium (²H of D), die enorm verschillende neutronenverstrooiingslengtes hebben. Daarom kunnen waterstofrijke materialen, zoals oppervlakteactieve stoffen, lipiden, eiwitten, RNA, DNA en andere polymeren, worden onderscheiden van gedeutereerde oplosmiddelen met behulp van SANS zonder de fysische eigenschappen van het systeem aanzienlijk te veranderen. Het is echter belangrijk op te merken dat H/D-uitwisseling de dichtheid, waterstofbinding en faseovergangstemperaturen in het monster kan beïnvloeden. Niettemin is de unieke gevoeligheid van SANS voor waterstofrijke materialen vooral nuttig in onderzoek naar zachte materie, waar de monsters van belang een lager verstrooiingscontrast en signaal hebben in op röntgenstraling gebaseerde technieken zoals SAXS. Isotopische substitutie maakt SANS ook een krachtig hulpmiddel voor het bestuderen van moleculaire uitwisselingskinetiek in waterstofrijke materialen door eenvoudigweg H-gelabelde en D-gelabelde moleculen te mengen. Isotopische substitutie is vooral nuttig in systemen waar omvangrijke fluorescerende kleurstoffen groter zijn dan de oppervlakteactieve of lipidemoleculen van belang en kan de uitwisselingskinetiek beïnvloeden^34,35.

Tijd-opgeloste SANS-metingen zijn voordelig omdat de gemeten intensiteit een functie is van tijd, lengteschaal en SLD-contrast. Als zodanig kunnen TR-SANS-experimenten worden ontworpen om de tijdsafhankelijke veranderingen in de ruimtelijke verdelingen en de samenstelling van de monsters te onderzoeken. Deze unieke voordelen van SANS hebben geleid tot belangrijke inzichten in kinetische processen in veel zachte materiaalsystemen zoals oppervlakteactieve stoffen 36,37,38, emulsies 39,40,41, lipiden 34,42,43,44,45,46,47,48,49 ^,50, en polymeren 51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62. De meeste TR-SANS-studies hebben zich gericht op tijdschalen van minuten tot uren. Veel kinetische processen van belang vinden echter plaats op de tweede tijdschaal en zijn essentieel voor het begrijpen van de onderliggende mechanismen. Het vastleggen van deze vroege tijdstippen vereist dat de oplossingen snel worden gemengd en in situ worden gemeten, waarbij het mengen wordt gesynchroniseerd met gegevensverzameling tijdens gestopte lichtverstrooiing van 27,28,29,30,31,32, fluorescentie ^{22,23,24,25,26} en röntgenstraling 16,17,18,19,20,21 experimenten. Dit werk beschrijft het gebruik van een monsteromgeving die is ontworpen om snel meerdere vloeistofmonsters te mengen en het mengsel in een kwartsglascel te injecteren voor TR-SANS-metingen. Het mengapparaat is een aanpassing van het recent ontwikkelde capillaire rheoSANS-apparaat⁶³ en maakt gebruik van meerdere spuitpompen en kleppen om het mengen van monsters te regelen en de celreiniging te automatiseren. Door spuitpompen aan te sluiten op een reeks stroomkeuzekleppen, kunnen meerdere inlaatstromen herhaaldelijk worden gemengd, gemeten, gespoeld en gedroogd om TR-SANS-metingen op de secondentijdschaal te vergemakkelijken.

De huidige procedure gaat ervan uit dat de monsters van belang zijn geïdentificeerd en voorbereid. We richten ons op de in situ mengopstelling en methoden om TR-SANS-gegevens te verzamelen. Neutronenverstrooiingsgegevens werden verzameld op het VSANS-instrument in het NIST Center for Neutron Research (NCNR); de procedure moet echter van toepassing zijn op andere SANS-instrumenten. Lezers die geïnteresseerd zijn in het implementeren van vergelijkbare protocollen op andere SANS-instrumenten, moeten de lokale instrumentwetenschappers raadplegen om de optimale instrumentconfiguratie te bepalen om de neutronenflux te maximaliseren op de gewenste lengteschaal en tijdschaal die het meest relevant zijn voor de kinetische processen van belang. De hier gepresenteerde gegevens werden verzameld met behulp van de high flux ‘white beam’-configuratie op VSANS om het aantal neutronen te maximaliseren bij het verlies van ruimtelijke resolutie⁵. De detectorwagens werden gepositioneerd om een reeks verstrooiingsvectoren (q), 0,005 Å-1 < q < 0,5 ^Å-1 te bestrijken, overeenkomend met lengteschalen van ≈130 nm tot ≈13 nm. De verstrooiingsvector wordt gedefinieerd als q = 4π/λ sin (θ/2) waarbij λ de neutronengolflengte is en θ de verstrooiingshoek.

Het stop-flow mengapparaat dat wordt gebruikt voor de TR-SANS-metingen bestaat uit meerdere pompen, spoelspuiten, monsterspuiten, stroomkeuzeschakelaars, evenals een dynamische mixer, monstercel en gemengde monstercontainer, zoals weergegeven in figuur 1. Alle afgedichte vloeistofpaden bevinden zich in een behuizing met airconditioning, die de spuiten, kleppen, verbindingsbuizen, dynamische mixer en monstercellen omvat. Een programmeerbare thermo-elektrische airconditioner wordt gebruikt om de temperatuur van de behuizing te regelen in het bereik van 10 °C tot 50 °C binnen ±1 °C. Merk op dat een deel van de isolatie van de behuizing is verwijderd om de werkende delen van het apparaat te laten zien. De behuizing van het hoofdmengapparaat bevindt zich op een translatiefase op de NG3 VSANS-bundellijn bij de NCNR. De positie van de behuizing wordt aangepast met behulp van de translatiefase om de monstercel in het pad van de neutronenbundel te plaatsen (gele stippellijn).

Figuur 1: Een voorbeeldopstelling voor het combineren van stop-flow menging en kleinhoek neutronenverstrooiingsmetingen aan de VSANS-bundellijn in het NIST Center for Neutron Research. De opstelling bevat vier spuitpompen, twee spuiten voor het spoelen van oplosmiddelen en twee spuiten voor monsterinjectie, vier pompkeuzekleppen, twee mixerkeuzekleppen, een dynamische mixer, een doorstroomkwartscel en een gemengde monstercontainer. Invallende neutronen verstrooien het gemengde monster dat zich in de monstercel bevindt. Een geïsoleerde behuizing met kwartsvensters en een thermo-elektrische airconditioning wordt gebruikt om het monster en alle apparatuur op een constante temperatuur te regelen. De gele stippellijn toont het neutronenbundelpad. Schaalbalk = 10 cm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Het apparaat in figuur 1 is geconfigureerd met twee monsterspuiten, twee spoelspuiten en één monstercel. Overeenkomstige stroomdiagrammen voor de verschillende stappen van het protocol worden geïllustreerd in figuur 2. De gewenste volumes van de twee verschillende monsters worden in de menger en de monstercel geïnjecteerd (figuur 2A). Zodra de monstercel is gevuld, worden de inlaatschakelaarklep (ISV) en de uitlaatschakelaarklep (OSV) gesloten om de monstercel te isoleren van de dynamische mixer en om te voorkomen dat het monster tijdens het verzamelen van TR-SANS-gegevens in de cel wordt teruggevoerd (figuur 2B). Vóór de dynamische mixer varieert de aansluitbuis in lengte van 10 cm tot 1 m en heeft deze geen invloed op de mengvertragingstijd. Buisverbindingen tussen de dynamische menger en de monstercel hebben echter invloed op de mengvertragingstijd en het vereiste monsterinjectievolume. Voorgesneden roestvrijstalen buizen met een binnendiameter van 0,04 inch (1 mm) en een lengte van 100 mm worden gebruikt om de dynamische mixer, de mixerkeuzekleppen (MSV1 en MSV2) en de ISV en OSV aan te sluiten. Gefluoreerde buizen met een binnendiameter van 1 mm en een lengte van 115 mm worden gebruikt om de ISV en OSV (of de dynamische mixeruitlaat) op de monstercel aan te sluiten. Het totale leegtevolume dat de mengvertragingstijd beïnvloedt, omvat het vacuülevolume van de menger (0,15 ml), de slang tussen de mixeruitlaat en de inlaat van de monstercel (0,09 ml) en het volume van de monstercel (0,16 ml). In dit voorbeeld is het totale leegtevolume 0,4 ml. De interne leegtevolumes van kleppen zijn verwaarloosbaar in vergelijking met de volumes van slangen, mixer en monstercellen. De gebruikte lagedrukkeuzekleppen (boringsdiameter van 0,75 mm) bevatten bijvoorbeeld geschatte leegtevolumes van 4 μl, terwijl de hogedrukkeuzekleppen en schakelkleppen (boringsdiameter van 0,25 mm) ongeveer lege volumes van 0,5 μl bevatten.

Nadat de TR-SANS-meting is voltooid, wordt het monster met oplosmiddel uit de cel geduwd en wordt het spoeloplosmiddel herhaaldelijk door de cel gepompt om het resterende monster te verwijderen en de monstercel te reinigen (figuur 2C). Merk op dat de spoelspuiten zijn aangesloten op grotere oplosmiddelreservoirs (bijv. Water en ethanol) via pompkeuzewaarden om ervoor te zorgen dat er voldoende oplosmiddelvolumes beschikbaar zijn om de monstercel tussen meetruns te reinigen. Oplosmiddelbronnen, monsterbronnen en gemengde monstercontainers die ontvlambare vloeistoffen bevatten, worden in een aparte behuizing zonder elektrische apparatuur geplaatst om alle mogelijke ontstekingsbronnen te elimineren. Bovendien worden dampsluitende flessendoppen gebruikt om brandbare dampen en oplosmiddelverdamping te minimaliseren. Ten slotte wordt de monstercel gedroogd met een stikstofgasstroom om het resterende spoeloplosmiddel te verwijderen (figuur 2D). De inlaatstikstofgasdruk naar de mixerkeuzeklep wordt geregeld tot ongeveer 2 bar (0,2 MPa, manometerdruk) met behulp van een handmatige drukregelaar op de stikstofgasfles. Zodra de monstercel voldoende is gereinigd en gedroogd, wordt een nieuw gemengd monster in de monstercel geïnjecteerd voor de volgende meetcyclus (waarbij het mengen en injecteren wordt herhaald zoals geïllustreerd in het stroomdiagram in figuur 2A).

Figuur 2: Voorbeeldstroomdiagram met één monstercel, twee mengmonsters en twee spoelmiddelen voor reiniging . (A) Mengen van monster A (blauw) en monster B (rood) en vervolgens het gemengde monster (paars) in de monstercel laten stromen. B) Tijdens het verzamelen van gegevens geeft de stop-flow-inrichting aan waar de ISV- en OSV-schakelkleppen gesloten zijn om de monstercel te isoleren en terugdiffusie van het monster tijdens het verzamelen van gegevens te voorkomen. (C) De reinigingsstappen waarbij de monstercel na gegevensverzameling wordt gespoeld met spoelmiddel uit SS1 (groen). D) Droogstap waarbij de monstercel wordt gedroogd met stikstofgas (oranje). Afkortingen: PSV = pompkeuzeklep; MSV = mixerkeuzeklep; OSV = uitlaatschakelaarklep; ISV = inlaatschakelaarklep; SS1 = oplosmiddelbron 1; SSA = monsterbron A; N2 = stikstofgasbron. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3 toont stroomschema’s voor een iets andere versie waarin de mengopstelling is geconfigureerd met twee afzonderlijke monstercellen die op dezelfde schakelkleppen zijn aangesloten (figuur 3A). Terwijl TR-SANS-gegevens worden verzameld in monstercel 1, wordt monstercel 2 gespoeld (figuur 3B) en gedroogd (figuur 3C). Wanneer de gegevensverzameling voor monstercel 1 is voltooid, leidt de inlaatschakelaarklep een nieuw gemengd monster naar monstercel 2 voor gegevensverzameling (figuur 3D). Terwijl TR-SANS-gegevens worden verzameld in monstercel 2, wordt monstercel 1 gespoeld en gedroogd (figuur 3E). Dit alternatieve, parallelle proces tussen twee monstercellen minimaliseert de tijd tussen volgende monsterinjecties en maximaliseert het gebruik van neutronenbundeltijd.

Figuur 3: Voorbeeld stroomdiagram met behulp van cellen met twee monsters, twee mengmonsters en twee spoelmiddelen voor reiniging. A) Meng monster A (blauw) en monster B (rood) en laat het gemengde monster (paars) vervolgens in monstercel 1 stromen. B) De toestand van de stop-flow inrichting tijdens het verzamelen van gegevens op monstercel 1, terwijl monstercel 2 wordt gespoeld met oplosmiddel uit SS1 (groen). (C) De toestand van de gestopte stroominrichting tijdens het verzamelen van gegevens op monstercel 1 terwijl monstercel 2 wordt gedroogd met stikstofgas (oranje). D) Zodra de gegevensverzameling van monstercel 1 is voltooid, wordt onmiddellijk een nieuw monster (paars) gemengd en in monstercel 2 gestroomd. (E) De toestand van de stop-flow inrichting tijdens het verzamelen van gegevens op monstercel 2 terwijl monstercel 1 wordt gespoeld met oplosmiddel uit SS1 (groen). Terwijl de ene monstercel wordt gemeten, wordt de andere monstercel gereinigd en gedroogd. Het stop-flow meetproces wisselt af tussen twee monstercellen om de tijd tussen volgende monstermenginjecties te minimaliseren. Afkortingen: PSV = pompkeuzeklep; MSV = mixerkeuzeklep; OSV = uitlaatschakelaarklep; ISV = inlaatschakelaarklep; SS1 = oplosmiddelbron 1; SSA = monsterbron A; N2 = stikstofgasbron. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Hieronder wordt een stapsgewijs protocol beschreven voor het aansluiten van de pompen en leidingen, het primen van het systeem, het spoelen en drogen van de monstercel en het injecteren van het gemengde monster. Hoewel de eencellige configuratie voor eenvoud wordt gedemonstreerd (figuur 2), kunnen de flexibele modulaire opstelling, het protocol en de scripts eenvoudig worden gewijzigd om meer spuitpompen, kleppen, mixers of monstercelconfiguraties te implementeren, zoals de configuratie met twee monstercellen in figuur 3. Representatieve gegevens over de snelheid van het aantal ruwe neutronen die tijdens meng- en reinigingsinjectiecycli zijn verzameld, worden weergegeven in figuur 4, terwijl de lipidenuitwisselingskinetiek gemeten bij 3 verschillende temperaturen en de geëxtraheerde genormaliseerde verspreide intensiteit die overeenkomt met de fractie van uitgewisselde lipiden worden weergegeven in respectievelijk figuur 5 en figuur 6.