Введение
Физическая химия Остановленный поток - это экспериментальная техника для изучения химических реакций с временем полураспада порядка 1 мс, введенная Бриттоном Ченсом и расширенная Квентином Гибсоном (Другие методы, такие как метод прыжка температуры, доступны для гораздо более быстрых процессов).
Stopped flow is an experimental technique for studying chemical reactions with a half time of the order of 1 ms, introduced by Britton Chance and extended by Quentin Gibson (Other techniques, such as the temperature jump method, are available for much faster processes.)
Резюме
Спектрометрия с остановленным потоком позволяет изучать химическую кинетику быстрых реакций (с половиной времени порядка миллисекунд) в растворе. Впервые он использовался в основном для изучения ферментных каталитических реакций. Затем остановившийся поток быстро нашел свое место почти во всех биохимических, биофизических и химических лабораториях с необходимостью следить за химическими реакциями в миллисекундном масштабе времени. В своей простой форме, остановившийся поток смешивает два раствора. Небольшие объемы растворов быстро и непрерывно вводятся в высокоэффективный смеситель. Этот процесс смешивания затем инициирует чрезвычайно быструю реакцию. Новый смешанный раствор поступает в наблюдательную ячейку и выталкивает содержимое ячейки (раствор, оставшийся после предыдущего эксперимента или после необходимых этапов промывки). Время, необходимое для перехода этого раствора от точки смешивания к точке наблюдения, называется мертвым временем. Минимальный объем инъекции будет зависеть от объема смесительного ячейки. После того, как вводится достаточное количество раствора для полного удаления предыдущего раствора, прибор достигает стационарного состояния и поток может быть остановлен. В зависимости от технологии управления шприцем, остановка потока достигается с помощью остановки клапана, называемого жесткой остановкой, или с помощью остановки шприца. Остановившийся поток также посылает "начальный сигнал" детектору, называемому триггером, чтобы можно было наблюдать реакцию. Время срабатывания триггера обычно контролируется программным обеспечением, поэтому пользователь может срабатывать в то же время, когда прекращается поток, или за несколько миллисекунд до остановки, чтобы проверить, достигнуто ли стационарное состояние.
Шприцы с реагентами
Два шприца заполняются растворами, которые не подвергаются химической реакции до смешивания. Они имеют поршни, которые приводятся в движение одним приводом или независимыми шаговыми двигателями, так что они соединены друг с другом, и их содержимое вытесняется одновременно в смеситель.
Комната смешивания
После того, как два раствора вытесняются из шприцев, они попадают в систему смешивания, которая имеет дефлекторы для обеспечения полного смешивания, с турбулентным потоком, а не ламинарным потоком, что позволит двум растворам течь бок о бок с неполным смешиванием.
Мертвое время
Мертвое время - это время, в течение которого растворы переходят от точки смешивания к точке наблюдения, это часть кинетики, которую нельзя наблюдать. Чем меньше время, тем больше информации пользователь может получить. В старых приборах это может быть порядка 1 мс, но улучшения теперь позволяют время бездействия около 0,3 мс.
Ячейка наблюдения
Смешанные реагенты проходят через клетку наблюдения, которая позволяет наблюдать реакцию спектрофотометрически, как правило, с помощью ультрафиолетовой спектроскопии, флуоресцентной спектроскопии, кругового дихроизма или рассеивания света, и теперь обычно сочетают несколько из них. Для измерения флуоресценции обычно предпочтительно использовать куветы наблюдения с коротким световым путем (0,75 - 1,5 мм), чтобы уменьшить эффект самопоглощения. Для измерения поглощения предпочтительно использовать куветы наблюдения с более длинным световым путем (0,5 см - 1 см). Современный стоп-поток может вмещать различные модели клеток, и можно менять кувету между двумя экспериментами. Для измерения рентгеновских лучей с остановленным потоком используется кварцевая капилляра с тонкой стенкой, чтобы свести к минимуму поглощение кварца. Одновременные измерения рентгеновского излучения и поглощения возможны в одном капилляре.
Остановить
После прохождения клетки наблюдения смесь попадает в третий шприц, который содержит поршень, который приводит в движение поток, чтобы активировать переключатель, чтобы остановить поток и активировать наблюдение.
Непрерывный поток
Метод остановленного потока является развитием метода непрерывного потока, используемого Гамильтоном Хартриджем и Фрэнсисом Роттоном для изучения связывания O2 с гемоглобином. В отсутствие какой-либо системы остановки реакционная смесь проходит через длинную трубку, проходя систему наблюдения (состоящую в 1923 году из простого колориметра), чтобы отпасть. Двигая колориметр вдоль трубки и зная скорость потока, Хартридж и Роттон могли измерить процесс через известное время. В свое время это было революционным достижением, показывающим, что, по-видимому, неразрешимая проблема (изучение процесса, занимающего миллисекунды с оборудованием, которое требовало секунд для каждого измерения) может быть решена с помощью простого оборудования. Однако на практике она была ограничена реактивными веществами, доступными в больших количествах: для белков это эффективно ограничивало ее реакциями гемоглобина. В практическом плане этот подход устарел.
Углубленный поток
Метод с остановленным потоком зависит от наличия спектроскопических свойств, которые могут быть использованы для наблюдения за реакцией. Если это не так, то для анализа используются обычные химические методы. Вместо механической системы остановки реакция останавливается путем затухания, продукты доставляются в приемник, который немедленно останавливает реакцию, либо путем мгновенного замораживания, либо путем денатурирования фермента химическим денатурирующим средством или подвергая образец источнику денатурирующего света. Как и в методе непрерывного потока, время между смешиванием и гашением может быть изменено путем изменения длины трубки. Метод импульсного гашения потока, введенный Алан Фершт и Россом Джейксом, устраняет необходимость в длинной трубке. Реакция начинается точно так же, как и в эксперименте с остановкой потока, но есть третий шприц, который приводит к затуханию в определенное и заранее установленное время после начала. Углушенный поток имеет как преимущества, так и недостатки по сравнению с остановленным потоком. С одной стороны, химический анализ позволяет понять, какой процесс измеряется, тогда как не всегда очевидно, какой процесс представляет спектроскопический сигнал. С другой стороны, удушенный поток намного трудоемче, так как каждая точка вдоль временного курса должна быть определена отдельно. Изображение слева для катализа азотной азотазой из Klebsiella pneumoniae иллюстрирует оба этих момента: согласие в половину времени указывает на то, что поглощение на 420 нм измеряло высвобождение Pi, но для эксперимента с погашенным потоком требовалось 11 точек данных.