JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Ergebnisse
Discussion
Offenlegungen
Acknowledgements
Materials
Referenzen
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemie

Metingen van luchtverontreiniging over lange afstand elektronische correlaties tijdens femtoseconde diffractie experimenten uitgevoerd op nanokristallen van Buckminsterfullerene

Published: August 22, 2017
doi:
10.3791/56296
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
1ARC Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging, School of Physics,University of Melbourne, 2Australian Research Council (ARC) Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging, Department of Chemistry and Physics, La Trobe Institute for Molecular Sciences,La Trobe University, 3Department of Physics,Imperial College London, 4Florey Institute of Neuroscience and Mental Health, 5Science and Engineering Faculty,Queensland University of Technology, 6Swinburne University of Technology, 7Department of Engineering Science,University of Oxford, 8Brookhaven National Laboratory, 9Linac Coherent Light Source,SLAC National Accelerator Laboratory, 10BioXFEL Science and Technology Center, 11Laboratory of Molecular Biophysics, Department of Cell and Molecular Biology,Uppsala University, 12Australian Synchrotron

Summary

We beschrijven een experiment dat is ontworpen om de elektronische schade veroorzaakte in nanokristallen van Buckminsterfullerene (C-60) sonde door intens, femtoseconde pulsen van x-stralen. Het experiment vond dat verrassend, in plaats van stochastische, de X-ray elektron dynamiek in C60 zijn sterk gecorreleerd geïnduceerde, ruimtelijk honderden eenheid cellen binnen de kristallen1.

Abstract

De precieze details van de interactie van intense X-ray pulsen met zaak zijn een onderwerp van intense belangstelling voor onderzoekers proberen te interpreteren van de resultaten van femtoseconde X-ray vrije elektron laser (XFEL) experimenten. Een toenemend aantal experimentele waarnemingen hebben aangetoond dat hoewel kernenergie beweging te verwaarlozen zijn kan, krijgen een korte genoeg incident impulstijd, elektronische motion kan niet worden genegeerd. De huidige en algemeen aanvaarde modellen wordt ervan uitgegaan dat hoewel elektronen ondergaan dynamics gedreven door interactie met de pols, hun beweging kan grotendeels worden beschouwd als ‘random’. Dit zou dan de zogenaamd onsamenhangend bijdrage van de elektronische motie te worden behandeld als een continue achtergrond signaal en dus genegeerd. Het oorspronkelijke doel van ons experiment was om juist het meten van de verandering in intensiteit van individuele Bragg pieken, als gevolg van X-ray geïnduceerde elektronische schade in een modelsysteem, kristallijne C60. In tegenstelling tot deze verwachting vastgesteld we hebben dat bij de hoogste X-ray intensiteiten, de dynamiek van de elektron in C60 waren in feite sterk gecorreleerd, en over voldoende lange afstanden dat de posities van de Bragg reflecties aanzienlijk zijn gewijzigd. Deze paper beschrijft in detail de methoden en protocollen die worden gebruikt voor deze experimenten, die werden uitgevoerd zowel op de Linac Coherent licht bron (LCLS) en de Australische Synchrotron (AS), alsmede de kristallografische benaderingen gebruikt om de gegevens te analyseren.

Introduction

Een van de belangrijkste doeleinden van X-ray vrije elektron lasers (XFELs) is het ontwikkelen van een hoge doorvoer, hoge resolutie benadering van moleculaire beeldvorming en dynamica. Structurele biologie, hangt af van atoomschaal informatie, traditioneel beperkt tot lagere resolutie röntgendiffractie technieken uitgevoerd op de derde generatie synchrotrons. Lange belichtingstijden waardoor aanzienlijke stralingsschade in kristallen, zijn sterk van invloed op de resolutie bereikt met behulp van traditionele technieken. De momentopname diffractie imaging schema2,omvat3,4 werksaam by XFELs, het verzamelen van diffractie beelden van korte puls röntgenstralen raken beide vaste doelstelling monsters (die zijn vertaald in de balk focus) of monsters geïnjecteerd in de richting van de lichtbundel.

De interactie van de puls-monster XFEL vernietigt uiteindelijk de monsters, als gevolg van het intreden van ernstige stralingsschade. De diffractie-beelden worden verzameld vóór het intreden van deze verwoesting als gevolg van de sub-100 fs pulse duur. De mogelijkheid om hoge resolutie structuren uit nanokristallen is in snel tempo goed ingeburgerd. Echter, dynamische processen die zich op femtoseconde tijdschalen onder proefomstandigheden imaging voordoen bieden diepere inzichten in de atoomfysica en kunnen een macroscopische effect hebben op nanokristallen en hun diffractie patronen5,6 ,7.

Terwijl catastrofale structurele schade wordt voorkomen op de tijdschaal van de femtoseconde gedurende welke een momentopname diffractie afbeelding is opgenomen, de vermogensdichtheid van een XFEL-puls hoog genoeg om de elektronische eigenschappen van het monster waarmee wijzigen kan worden de x-stralen 7,8,9te communiceren. Een verkenning van de fysica van de interactie van intense coherente X-ray pulsen met materie is niet alleen van intrinsieke wetenschappelijk belang, maar zullen cruciaal zijn voor de interpretatie van een experiment in welke licht van een XFEL impuls wordt gebruikt om te verkennen structuur.

In x-stralen imaging experimenten uitgevoerd op afzonderlijke moleculen, kleine clusters en nanokristallen bestaat uit een paar eenheid cellen, blijkt perturbatieve analyse dat men zich aan moet houden beide een vermindering in de schijnbare samenhang van de verspreide signaal8, en de groei van een signaal van de structureless achtergrond als gevolg van electrodynamical processen9. Dit experiment wilde beoordelen de mate waarin kwantumdecoherentie als gevolg van electrodynamical processen, treedt op in poedervorm nanocrystalline C60 als gevolg van de interactie met korte pulsen van de XFEL.

In dit artikel leveren we details met betrekking tot de experimentele procedure waarin een zeer geordende voorbijgaande elektronische structuur van C60 nanokristallen wordt waargenomen als gevolg van de interactie met een XFEL pulse1. Het patroon van de diffractie geproduceerd onder deze omstandigheden verschilt aanzienlijk van dat waargenomen wanneer hetzelfde monster wordt verlicht door lager vermogen, maar identieke XFEL pulsen, of wanneer een synchrotron lichtbundel op de dezelfde foton-energie wordt gebruikt. Dit verschil wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van Bragg bergtoppen die niet worden gezien in de twee diffractie profielen die overeenkomt met de spaarstand en synchrotron diffractie-beelden. Wij tonen onze analyse en aanpak van de model-montage, gebruikt ter bevestiging van de aanwezigheid van een dynamische elektronische vervorming geïnduceerd door XFEL puls-nanocrystal interactie.

Protocol

1. C 60 bereiding van de monsters van de poeder toepassen polyamide film, 10 µm dik, aan de ene kant van de vaste 1 mm dik aluminium monsterhouder (ontwerp weergegeven in Figuur 1a). Crush de C 60 met behulp van een stamper en vijzel in kleine batches van ongeveer 100 µg. De hoeveelheid monster aan het cement toegevoegd is niet kritisch, maar ervoor zorgen dat het niet de hoogte van het afgeronde einde van de stamper overschrijdt zodat u don ' t risico comprimeren van het poeder in plaats van aandrukken. Dit zal ervoor zorgen dat fijne nanokristallen worden geproduceerd. Herhaal dit proces meerdere keren te verkrijgen van het bedrag dat vereist is voor gegevensverzameling. Let op: Voorbereiding en behandeling van nanomaterialen moeten alleen worden uitgevoerd binnen de bioveiligheid kasten. Verwijderen van de geplette C 60 poeder rechtstreeks vanuit de mortel met behulp van een kleine spatel en verspreid zo dun mogelijk over de cellen van de monsterhouder, met de klevende kant van de film van polyimide back-ups maken, in de monsterhouder geconfronteerd met het poeder. Met succes maken een uniforme enkelgelaagde, plaatst u de zelfklevende kant van een tweede polyimide film (ook 10 µm dik) direct boven het poeder in de monsterhouder en trek. Overmaat C 60 poeder zal vasthouden aan het tweede stuk van tape en kan vervolgens worden verwijderd van de monsterhouder. Herhalen totdat er geen meer poeder komt uit de band en een enkelgelaagde C 60 poeder lijkt gelijkmatig verspreid over individuele monster houder cellen (Zie Figuur 1b). Verlaten ten minste één venster leeg (geen enkel monster) zodat een polyimide achtergrond moeten worden opgetekend. Zegel van de monsterhouder in een plastic container voor transport naar de monsterkamer beamline. 2. Australische Synchrotron voorstudies Gebruik C 60 voorbereid in stappen 1.1-1.5 poeder diffractie bij de MX2 beamline op de Australische Synchrotron. Vragen een incident energie van 12.905 keV (0.9607 Å) en de grootte van een straal van 30 x 7 Umm. De C 60 monsterhouder monteren op een standaard kristallografie pin, verticale naar de X-ray-balk op de goniometer op een afstand van ongeveer 625 mm van de detector, om hoge resolutie gegevens moeten worden verzameld. Verplaatsen de cryogene mondstuk uit positie om kamertemperatuur poeder diffractie gegevens worden verzameld. Open het Blu-Ice 10 softwareprogramma dat de MX2 beamline controleert. Druk op de ' Start ' knop om te beginnen van gegevensverzameling. Test verschillende belichtingstijden (door stappen te herhalen 2.5 en 2.6) om ervoor te zorgen dat voldoende poeder gegevens worden verzameld in de afbeelding (gekenmerkt door sterke diffractie ringen uit tot aan de rand van de detector) het dynamisch bereik van het signaal te maximaliseren zonder verzadigen de detector. De C 60 monster venster scannen en het verzamelen van meerdere afbeeldingen uit hetzelfde monster. 3. Aanvragen XFEL Parameters voor de installatie van de Beamline verzoek de kortste mogelijke impulstijd beschikbaar op de LCLS (April 2012-32 fs FWHM), zonder een significant verlies van flux (' high-charge modus ') voor het experiment in de LCLS samenhangende X-ray 11-beamline Imaging (CXI). Verzoek van het gebruik van 10 keV (1.24 Å) incident X-ray energie. Vragen de kleinste focal plek grootte praktisch uitvoerbaar CXI Kirkpatrick-Baez (KB) spiegels op de orde van 100 x 100 nm 2. Opmerking: Aanpassing van de impulstijd en straal scherpstellen gebeurt door de wetenschappers van de CXI beamline. De grootte van het ongericht lichtbundel stroomopwaarts van de optica KB was ongeveer 800 x 800 µm 2, nadat de grootte van de lichtbundel richten verwezenlijkt de focal plek was ongeveer 300 x 300 nm 2 FWHM, zoals bepaald door de optische microscopie van kraters gemaakt door de XFEL balk in YAG kristallen. Het aanvragen van een sample – detector afstand (Z-afstand) van 79 mm ( Figuur 1 c). 4. De Darkfield opnemen Set van de gegevensregistratie parameters in het deelvenster Beheer van DAQ (Data-acquisitie) 12: lichtbundel (uit), diverse evenementen (500), gebeurtenis opnameapparaat (Cornell-SLAC Pixel Array Detector – CSPAD13). Pers ' Record uitvoeren ' als u klaar bent om op te nemen van een dataset van momentopname beelden. Opmerking: De dataset van alle gebeurtenissen die zijn vastgelegd heet een ' uitvoeren ' en wordt opgeslagen het. XTC bestandsindeling. 5. Opnemen van de 10% Incident XFEL Flux Run verzoek de plaatsing van de juiste dikte van de aluminium verzwakker stroomafwaarts van het monster, en direct voor de Cornell-SLAC Pixel Array Detector (CSPAD) 13 ter beschermen tegen schade. Vragen de invoeging van silicium Verzwakkers stroomopwaarts van het monster bij een dikte berekend om te verzachten van 90% van het incident röntgenstralen raken van het monster. Merk op dat de puls-flux van de lichtbundel huidige monitor. De fluentie op het monster werd geschat op 8.3 x 10 17 fotonen /mm 2 / pulse. Monteren van de monsterhouder met de C 60 monster in de Vacuuemcel CXI. Vragen de wetenschappers van de beamline het uitvoeren van de procedure van de vacuümpomp voor de monsterkamer totdat vacuüm is bereikt. Het duurt ongeveer 30 minuten tot 10 -7 Tor, bij kamertemperatuur. Stelt u de parameters opnemen in het Configuratiescherm DAQ: balk (aan), gebeurtenissen (1500), gebeurtenis opname-apparaat (CSPAD). Klik op de ' Scan ' knop in de configuratiesectie van de DAQ GUI venster. Geven parameters aan de beamline wetenschappers om in te stellen van het raster scan procedure voor de run. Deze omvatten de begin positie (linker bovenhoek) en eindigen positie (rechtsonder) van één monster houder cel venster, de stap-grootte (600 µm) en de richting van de beweging van de scan (in de x-as). Met behulp van deze parameters, één cel venster (afgebeeld in Figuur 1 een) vergunningen twintig scans in de x-richting meer dan drie rijen van de cel venster. Pers ' toepassen ' Wanneer de juiste waarden zijn ingevoerd. Vragen de wetenschappers van de beamline in te stellen van de polsslag van de herhaling op 1 Hz. Opmerking: de beschikbare polsslag met herhaling op het LCLS is 120 Hz, maar in de vaste doelsoort scannen modus 14, een lagere hartslag voor herhaling is vereist om te vermijden de mogelijkheid voor het meten van de steekproef die reeds is aangetast door een vorige schot. Let op: XFEL interactie met het frame van aluminium monster brengt het risico van verzadiging en beschadiging van de CSPAD en zo zorg moet worden genomen om het frame voorkomen. Pers ' Record uitvoeren ' graag een XFEL momentopname poeder diffractie dataset. Met behulp van de computeromgeving beschikbaar op LCLS 12, navigeer naar de map die de gegevens worden vastgelegd in binnen in een terminalvenster. Typ de opdracht ' xtcexplorer/filepath/filename ' openen de XTC bestand Ontdekkingsreiziger GUI en bekijken van de beelden opgenomen in de run. Selectievakje beelden voor mogelijke detector verzadiging, die meestal bij ongeveer 1,4000 ADUs 13 plaatsvindt. Als de detector tekenen van verzadiging toont, die de aluminium-demping op de detector moet worden verhoogd. Als dit gebeurt, vraag meer lagen van aluminium verzwakker op de detector en herhaal stappen 5.6-5.12 met het raster scan instellen voor de volgende monster houder cel venster. Een laag aluminium 100 & #181; m dik, die betrekking hebben op de centrale vier modules van de CSPAD werd gebruikt voor deze dataset. 6. Opnemen van de 100% XFEL Flux Run de invoeging van dikke aluminium verzwakker (1.000 µm) aanvragen via de centrale vier modules van de CSPAD en dunner 100 µm dik verzwakker over de buitenste vier modules. Verzoeken om de verwijdering van silicium Verzwakkers dat 100% van de beschikbare X-ray flux te raken van het monster. De piek unattenuated incident piek flux werd geschat op 7,5 × 10 11 fotonen worden/pulse (het geven van een fluentie voor ongeveer 8.3 x 1018 fotonen/mm2/puls op de steekproef). Herhaal stap 5.5-5.12 om vast te leggen van de dataset diffractie op een nieuw monster houder cel venster. Herhaal stap 5.13 detector verzadiging status controleren en bepalen of voldoende Bragg poeder diffractie ringen of Bragg vlekken (uit tot aan de rand van de detector) zijn zichtbaar en goed gedefinieerde. 7. XFEL gegevens na verwerking en analyse van de Peak ophalen de kalibratie bestand (of bestandspad) van de wetenschappers beamline. Opmerking: De CSPAD-gegevens in een dataset is beschikbaar als afzonderlijke detector panelen gegroepeerd op een gebeurtenis-id (overeenkomend met een afbeelding frame momentopname). De kalibratie-bestand is nodig om te assembleren detector panelen in de juiste relatieve posities voor de productie van een frame van de gereconstrueerde beeld overeenkomt met de hele detector. Uittreksel donkerveld frames (voorbeeld in Figuur 2a) uit de darkfield dataset met behulp van de python scripting taal en het toepassen van de kalibratie-bestand uitvoeren. Opmerking: software en een gevestigde gegevensverwerking van gasleiding voor seriële femtoseconde kristallografie experiment op XFELS die niet beschikbaar op het moment van dit experiment was is nu beschikbaar 15 , 16 . Som de darkfield frames en genereren een gemiddelde donkerveld afbeelding. Bewaar dit als de darkfield. De diffractie frame beelden uittreksel uit de datasets van de diffractie uitvoeren (een Kwadrant in het volgende voorbeeld is weergegeven in Figuur 2b), en een donkerveld aftrekken van toepassing. Het spookdebat van het signaal geproduceerd in afzonderlijke frames (na darkfield en achtergrond correctie) wordt weergegeven in Figuur 2 c. Som de darkfield gecorrigeerd diffractie beelden te produceren van het definitieve 2D poeder diffractie beeld ( figuur 2d). De poeder diffractie afbeelding laden als het invoerbestand in FIT2D 17 (een GUI data reductie programma). Voer de afmetingen van de afbeelding (lengte x en y-lengte als 1800 pixels) en selecteer ' poeder DIFFRACTIE (2D) '. Klik ' Beam centrum ' te vinden van het midden van de diffractie-ringen. Selecteer vier punten op de binnenste meeste diffractie ring (ongeveer gelijk verdeeld). Druk op ' doorgaan ' om te bepalen van het midden van de diffractie patroon array. Klik op ' Integreer ' voor het uitvoeren van een azimutale integratie van het beeld van diffractie. De geometrie parameters opgeven: pixelgrootte (110 micron), monster-detector afstand (79 mm), golflengte (1.24 Angstrom) en pers blijven voor het genereren van een 1D poeder diffractie patroon. De poeder diffractie patroon exporteren als een bestand .chi voor de productie van een matrix van verstrooiing hoek (2 θ) versus intensiteitswaarden. Bepalen de achtergrond vertegenwoordigd door de verstrooiing van de polyimide polyamide back-ups maken op het monster met behulp van de juiste software. Opmerking: De auteurs in dit experiment gebruikt PowderX 18 en 19 van de RIETAN voor het uitvoeren van achtergrond aftrekken van de 1 D poeder diffractie patroon. Stappen 7.1-7,9 uitvoeren voor de dataset opgenomen voor de verschillende intensiteiten van de XFEL loopt. Selecteer de hoogste intensiteitswaarde uit de drie poeder diffractie profielen. Normaliseren alle van de profielen naar de meest intense peak in het patroon – de (111) piek. Plot de 1D X-ray poeder diffractie patronen verkregen van de Australische Synchrotron (beschreven in sectie 2 Protocol), de 100% flux geval en het geval van de flux van 10% op de dezelfde assen softwarematig generieke plotting ( Figuur 3 a-c). Optioneel stap: karakteriseren de structuur door het uitvoeren van aanvullende analysemethoden van uw keuze. Kristallografische data-analyse uit dit experiment werd uitgevoerd met het programma RIETAN-2000 (waarin de functie split pseudo-Voigt van Toraya 20 , 21 als de functie van een profiel) Bragg reflecties te analyseren. Maximale entropie analyse werd uitgevoerd met behulp van de software PRIMA 22 om te bevestigen dat de structuur met betrekking tot de 10% XFEL intensiteit en Australische Synchrotron datasets gematched de gepubliceerde structuur voor kamertemperatuur FCC C 60 .

Representative Results

XFEL poeder diffractie De gegevens voor de invallende lichtstroom van 100% XFEL poeder diffractie het resultaat is van de optelling van meer dan 1000 single-shot metingen voor de productie van een volledige poeder-ring met een resolutie van beter dan 2 Å. Poeder diffractie profielen vergelijking De toppen van de Bragg voor de diffractie ringen werden geïdentificeerd en geschaald naar de eerste (meest intense) piek reflectie (111). Figuur 3 toont de drie verschillende diffractie lijn profielen. Door het vergelijken van de profielen van de lijn van de drie patronen van diffractie, zien we dat de diffractie gegevens opgenomen in de Australische Synchrotron vrijwel identiek aan de Bragg-profiel in de gegevens van de XFEL 10% gezien is. Sommige zeer kleine verschillen in de relatieve hoogte van de toppen Bragg, maar niet hun posities in acht worden genomen. In schril contrast blijkt het profiel van de macht van de 100% XFEL poeder diffractie gegevens de aanwezigheid van extra pieken niet gezien in de 10% profiel voor de gegevens van de XFEL, noch in het Synchrotron gegevens profiel. De locaties van deze extra reflecties zijn aangegeven in tabel 1. Om te interpreteren deze verschillen, werd een aanpassing van het model van de verwachte diffractie van een kamertemperatuur FCC C60 kristal gebouwd. X-Ray diffractie modellering van de kamertemperatuur FCC C60 structuur De intensiteit van poeder diffractie pieken gekoppeld Bragg reflecties van een kristal wordt gegeven door (1), waar is de verstrooiing vector, K is de schaalfactor, is de multipliciteit factor, Lp is de Lorentz-polarisatie factor, W() is de piek profiel functie en M is het aantal C60 moleculen die zijn opgenomen in het volume van de verstrooiing gelegen op posities rm. De moleculaire form factor (MFK), , want een C60 molecuul wordt gegeven door (2),waar rj is de positie van de jth koolstof-atoom in de molecuul en fc is de factor van de atomaire verstrooiing van het koolstofatoom. De eenheidparameters cel van het kristal definiëren de positie van toegestane reflecties voor een X-ray poeder diffractie patroon. Met behulp van de bekende kamertemperatuur FCC parameters (lengte van de cellen eenheid, molecuul posities binnen de eenheidscel) van C60, samen met de experimentele geometrie in het experiment van röntgendiffractie, de verwachte posities van de pieken (Bragg reflecties) kunt doen worden berekend aan de hand van het MFK voor C60 en Eq. 1 en Eq. 2. Röntgendiffractie modellering van 100% XFEL gegevens We beginnen door, ervan uitgaande dat significante verstoringen/veranderingen of verplaatsingen van de kernen van hun ideale posities niet tijdens de fs 32 komen duur voor het incident pulse als voorgesteld in voorafgaande studies23,24. Daarentegen moet dat significante verandering in de intensiteiten gezien in de 100% XFEL gegevens in plaats daarvan worden gereden door bewegingen van de elektronische structuur van de moleculen van de60 C. In de volgende beschrijven we een model dat de experimenteel waargenomen kenmerken van de 100% XFEL diffractie gegevens, via een wijziging van de centro-symmetrische verdeling van de C60 moleculen reproduceert. In zijn normale, neutrale staat, wordt de kristallijne structuur van C60 onderhouden door dipolaire krachten die worden veroorzaakt door momentane schommelingen in de dichtheid van het elektron. Onder de proefomstandigheden beschreven hier, echter de ionisatie van het systeem genereert een sterke interne elektrisch veld dat elektrische dipoolmomenten in de moleculen door polarisatie induceert. De vorming van dipolen in C60 heeft eerder alleen waargenomen in afzonderlijke moleculen en kleine clusters met behulp van optische technieken zoals UV spectroscopie25. Hier is de herverdeling van de dichtheid van de elektron waargenomen echter blijkbaar zowel lange-afstands en langlevende ten opzichte van de duur van de XFEL pols zodat de effecten worden waargenomen in de kristallografische röntgendiffractie patroon. Dit resulteert in de uitlijning van naburige dipolen via een Coulomb interactie, en een ontkoppeling van de elektronische structuur van de structuur van het onderliggende nucleaire op tijdschalen volgorde 10 fs. Deze laste uitlijning is van invloed op de resulterende symmetrie van het molecuul van de60 C (Zie Figuur 4). Het verlies van de sferische symmetrie van het molecuul leidt tot een aanvullende fase bijdrage aan de amplitude van de verstrooiing, aangezien de MFFs van C60 moleculen niet langer reële maar complexe functies zijn. Een periodiek variërende MFK werd gebruikt om het model van het vóórkomen van een asymmetrische moleculaire ladingsverdeling waarin de verdeling van de elektronen dichtheid van de mth molecuul wordt verplaatst ten opzichte van haar positie in de kristalstructuur. Met deze wijziging naar de C60 MFK konden we het profiel van de intensiteit gezien in de 100% XFEL-gegevens worden gerepliceerd. EQ. 2 vormt de basis voor de bouw van een expressie voor de verstrooiing factor, die de luchtverontreiniging over lange afstand elektronische correlaties gevormd uit de XFEL-geïnduceerde dipolen in de 100% XFEL-gegevens vangt. Hieruit kan een nieuwe MFK-functie, aangepast aan de account voor de gepolariseerde C60 moleculen, worden geconstrueerd: (3), waar is het MFK voor de ideale C60 moleculen (gegeven door Eq. 2) en definieert de vector van de polarisatie van de XFEL geïnduceerde dipool. In de limiet , Eq. 3 benadert Eq. 2 en de kamertemperatuur 10% macht diffractie gegevens is hersteld. Als6/56296eq12.jpg”/ > toeneemt, de symmetrie van het molecuul wordt gewijzigd, en de verhoudingen van alle pieken van de mogelijke diffractie beginnen te variëren. De werkelijke verdeling van gepolariseerde moleculen in een kubieke rooster heeft invloed op de resulterende diffractie-patroon. Wanneer , de symmetrie van het molecuul C60 wordt gewijzigd en de verhoudingen van alle pieken van de mogelijke diffractie beginnen te variëren ten opzichte van de spaarstand diffractie-patroon. Aan de hoeveelheid gegevens naar dit model, de waarden van werden onderzocht, tonen goed akkoord in de 20° ≤ 2θ ≤ 30 ° cellenbereik verstrooiing hoeken voor . Het beoogde doel van dit experiment was de mate waarin stochastische photoionisation voor de K-shell in koolstof-atomen is van invloed op de eiwitkristallen intensiteiten gemeten voor FCC C60 nanokristallen maatregel. Photoionisation van de elektronen van de K-shell in koolstofatomen (elektron bindingsenergie = 284 eV) wijzigt de atomaire verstrooiing factoren, fc, gezien als een verminderde verstrooiing amplitude binnen de hoge verstrooiing regio’s. K-shell gaten in koolstof-atomen binnen C60 moleculen in een kristallijne rooster gerangschikt zorgt ervoor dat wijzigingen van de amplitudes van de verstrooiing van de Bragg reflecties. We moeten observeren van een groeiende isotrope achtergrond, afhankelijk van de foton-flux toegepast op poedervorm nanocrystal monsters volgens de volgende fundamentele aannames: 1) dat de photoionisation voor de K-shell in koolstof is de dominante proces in de de tussenkomst van de monster-XFEL, 2) die photoionisation van individuele koolstof-atomen is niet gecorreleerd aan elke andere atomen in het kristal, 3) dat photoionized elektronen gedelokaliseerd voor de duur van de pols blijven en derhalve tot de continue achtergrond bijdragen signaal. Wat we eigenlijk waargenomen in de experiment was de aanwezigheid van sterke, reflecties op kamertemperatuur, FCC nanokristallen C60 wanneer het monster was onderworpen aan de macht van de 100% XFEL pulsen verboden. Ionisatie gedelokaliseerd, willekeurige gebeurtenissen kunnen niet goed zijn voor de waargenomen verboden reflecties. Figuur 3 toont de verschijning van deze verboden reflecties, samenvalt met een aanzienlijke vermindering in de intensiteit van de toegestane FCC reflecties. Deze wijzigingen kunnen niet worden beschreven door een specifieke oriënterende bestellen van ideale C60 moleculen in het kristalrooster. Volgens onze analyse1, een gecorreleerde, niet-centrosymmetric ladingsverdeling op elke molecuul60 C (Eq. 4), is gebleken dat het enige middel van het genereren van een model poeder diffractie profiel dat overeenkomt met de experimentele gegevens (gezien in Figuur 5). Ter vergelijking, alle gegevens en modellen staan samen, maar verschoven verticaal ten opzichte van elkaar, op dezelfde as in Figuur 6. Figuur 1. XFEL poeder diffractie monster Setup en meetkunde (a) de monsterhouder gebruikt voor de vaste doelstelling scanmodus C60 crystal poeder. Het monster frame is opgebouwd uit aluminium. Metingen die aangegeven zijn in eenheden van mm. Approximate afmetingen van monster cellen 2 mm x 12 mm. (b) fotograferen voor C60 crystal poeder toegepast in drie van de cellen (gezien als darkly gekleurde cellen) met steun van polyimide toegepast als een ondersteuning ( de gele film op de top van de monsterhouder). (c) schematische voorstelling van het C-60 -experiment. Het monster is raster gescand in x-y richtingen in de momentopname imaging regeling. K-B spiegels concentreren de lichtbundel van de XFEL aan een plek grootte van 300 nm x 300 nm bij het monster. Monsters worden gehouden in vacuüm te stabiliseren van de monster-voorwaarden en minimaliseren de mogelijkheid van X-ray interactie met verstrooiing bronnen dan het monster. Inkomende XFEL pulsen hit het poeder van de crystal gehouden in de steekproef houder cellen, en een diffractie-patroon is opgenomen in de CSPAD-detector. Een resolutie van 1.5 Å wordt bereikt door het instellen van het monster op detector afstand tot 79 mm. Klik hier aan Bekijk een grotere versie van dit cijfer. Figuur 2. De CSPADMerk op dat de witte schaal bar in een), b) en d) vertegenwoordigt van 40 mm. (a) CSPAD donkerveld. De detector is samengesteld uit 32 rechthoekige modules, waarvan kunnen worden gewijzigd door concentrisch naar buiten naar record hoge-hoek diffractie zo nodig. (b) vatte onbewerkte gegevensframes (bovenste rechter Kwadrant, meer dan 1000 frames opgeteld) vóór achtergrond en donkerveld correctie. (c) individuele diffractie snapshots demonstreren spookdebat van het signaal van diffractie. (d) diffractie verkregen waaruit blijkt goed gedefinieerd poeder diffractie ringen uitgevoerd door optelling van 1500 diffractie frames met achtergrond signaal aftrekken toegepast op afzonderlijke frames. Figuur 3. Poeder diffractie gegevens (a) azimutale gemiddeld diffractie patronen voor de 10% XFEL dataset, 100% XFEL dataset en Synchrotron dataset. Ligging van FCC Bragg pieken zijn consistent met een kamertemperatuur C60 FCC structuur aangegeven. (b) het verzonken vlak van de regio reflecties in de structuur van de FCC 100% tussen verstrooiing hoeken 10⁰ ≤ 2θ ≤ 13⁰ niet gezien in de andere twee profielen aanwezig. (c) het verzonken vlak van regio de verschillende piek-profiel in de gegevens van de XFEL 100% tussen de verstrooiing hoeken 20⁰ ≤ 2θ ≤ 28⁰ tonen. De 10% XFEL en de synchrotron gegevens zowel beantwoorden aan dat de selectieregels voor FCC structuren samengesteld van elektronisch centrosymmetric moleculen. Echter de aanwezigheid van extra pieken (reflecties) in de gegevens van de XFEL 100% gezien deze selectieregels overtreden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. e = “1” > Figuur 4. Voorbijgaande concurrentievervalsing C60Visualisatie van de uitlijning van de dipolen binnen de FCC rooster structuur tijdens de gecorreleerde elektronische voorbijgaande fase. C60 moleculen zijn vertegenwoordigd door blauwe bollen en de rode tips vertegenwoordigen de richting van de bestelde dipolen. Figuur 5. Poeder diffractie ModelPoeder diffractie profiel gegenereerd door modellering van de structuur van de FCC voor C60 (met Eq 1 en 2) vergeleken met een model van de C60 FCC structuur onderworpen aan een 100% intensiteit XFEL pulse (met Eq 1 en 3). Geïdentificeerd Bragg pieken zijn geëtiketteerd. Een gebied van belang (20° ≤ 2θ ≤ 30°) wordt benadrukt door de stippellijn. Hoewel de FCC-model de intensiteit van de toegestane reflecties put beschrijft, verklaart het niet de aanwezigheid van een aantal extra pieken (Zie Figuur 2a en b) waargenomen voor de 100% intensiteit XFEL gegevens. De reden hiervoor is dat de eenvoudige vertaling van de moleculaire cluster (Figuur 3) langs de kristallografische as van de kubieke rooster ons een onvolledig beeld geeft van de oriënterende bestellen van gepolariseerde C60 moleculen in de cubic rooster. Daarentegen is het 100% XFEL model, dat in rekening ionisatie-geïnduceerde uitlijning van de dipolen binnen het FCC lattice (zoals weergegeven in Figuur 4) neemt, reproduceert aller de extra pieken waargenomen in de 100% intensiteit XFEL gegevens. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 6. Poeder profiel vergelijking tussen Model en gegevensEen kwalitatieve vergelijking van de profielen van de lijn voor de drie diffractie patronen opgenomen onder verschillende verlichting voorwaarden experimenteel. Bovendien, berekend de lijn-profielen met behulp van de vergelijkingen 2 en 3 met behulp van ons model staan. Het is duidelijk dat de invoering van een periodiek gemodificeerde MFK, het 100% XFEL model lijn profiel eens met onze 100% XFEL-gegevens is. Gemeten verstrooiing hoeken van extra reflecties (deg.) Berekende verstrooiing hoeken van extra reflecties (deg.) 21.31 21,25, 21.45 23.23 22.99, 23.02, 23.39 24.44 24,29 24.43, 24.47, 24.64 26,6 26.51, 26.67 Tabel 1. Bragg reflecties gezien in XFEL gegevensDe set van Bragg reflecties gemeten binnen het 20⁰ ≤ 2θ ≤ 30⁰ voor de 100% XFEL diffractie gegevens evenals die berekend aan de hand Eqns. 1-4. Positie van het molecuul Uitlijning (0,0,0) (0.5,0.5,0) (0.5,0,0.5) (0,0.5,0.5) Tabel 2. FCC moleculaire uitlijning tijdens voorbijgaande fase gecorreleerdDeze tabel bevat een beschrijving van de uitlijning van gepolariseerde C60 moleculen tijdens de voorbijgaande gecorreleerde fase van het kristal ervaren tijdens de XFEL pols.

Discussion

Kalibratie van diffractie gegevensframes.

De. XTC-bestanden (die de gegevens bevatten uit een complete run) bevatten Calibratieparameters die de geometrische rangschikking van CSPAD modules definiëren (afgebeeld in Figuur 2a) tijdens het experiment. De juiste rangschikking van gegevens opgenomen op de individuele modules is cruciaal voor het monteren van de individuele diffractie gegevens beelden met gegevens die zijn opgenomen in elke serie. Op het moment dat het experiment werd uitgevoerd de locatie van het bestand van de kalibratie met de juiste parameters niet automatisch ingesteld en handmatige berekening moest door het team om het probleem te corrigeren. Als gevolg van de extra tijd presterende kalibratie van de gegevens er een vertraging was tussen het instellen van een dataset momentopname uitvoeren en controleren van het succes van de run via een darkfield en achtergrond afgetrokken sommatie van afbeeldingsframes in de gegevensset.

Crystal maten.

In sommige van de eerste XFEL momentopname wordt uitgevoerd, sterke één crystal Bragg reflecties werden gezien in sommige van de afbeeldingsframes. Dit resulteerde uit een aantal het C60 monster niet fijn genoeg die verpletterd. Observeren van optische reflecties van gemalen poeder geeft aan dat de crystal-facetten te groot (correspondeert met de golflengte van zichtbaar licht ~ 400-700 nm). Het poeder moet worden gecontroleerd voor deze reflecties in de verpletterende stadium, en als sterke, één crystal Bragg reflecties worden gezien in de gegevens het poeder moet verder worden verpletterd.

Aangezien de resultaten van dit experiment werden niet verwacht of gepland voor was succesvolle poeder diffractie gegevensverzameling voor de steekproef C60 alleen verkrijgbaar bij twee extreme intensiteitinstellingen (10% en 100% flux). Bundel de faciliteit tijdstip is beperkt en dus elke set-up, berekening of monster verwerking van fouten en problemen hebben een grote impact op een proefopzet. De twee meest wijd gescheiden incident intensiteit punten moesten kunnen worden gedetecteerd en er was onvoldoende lichtbundel tijd beschikbaar voor verzamelde betrouwbare statistieken voor elke tussenliggende punten. Daarom konden we niet experimenteel beoordelen het trekkerpunt in termen van XFEL flux waartegen deze voorbijgaande fase wordt gewijzigd.

Voorbereidende studies.

Het verzamelen van poeder diffractie gegevens op de Australische Synchrotron, uit hetzelfde C60 monster, gemeten bij de XFEL. Synchrotrons worden routinematig gebruikt scherm voor geschikte XFEL richt zich op26, en in het huidige geval positief bevestigd dat bij 10% XFEL intensiteit, de diffractie gegevens consistent met de structuur van de grondtoestand FCC van C60 was.

Monster en detector demping.

Kalibratie van de invallende lichtstroom via aanpassing van het silicium Verzwakkers stroomopwaarts was van het monster essentieel, vooral omdat het effect onderzocht intensiteit afhankelijk was. Bouw van een geschikt aluminium verzwakker op de detector, afgestemd op de invallende lichtstroom was ook kritisch.

Het raken van het monster op de locatie van het brandpunt van de lichtbundel.

De locatie van de KB focal plek op de XFEL was ook essentieel voor het observeren van de gerapporteerde fenomeen, aangezien de fluxdichtheid van de steekproef moet voldoende zijn voor het opwekken van de vorming van dipolen gedurende het kristal. Meten van de grootte van de kraters gemaakt door de XFEL-balk in een YAG-kristal met behulp van optische microscopie, evenals het uitvoeren van een scan van de fijne monster langs de optische as en kijken naar de diffractie-intensiteit werd gebruikt om te bepalen van de locatie van het brandvlak.

Implementaties van dit werk een groter aantal incident intensiteiten, alsmede de duur van de pols zal in de toekomst worden onderzocht. Dit werk heeft potentiële gevolgen voor toekomstige experimenten analyseren van de gegevens van de diffractie van nanokristallen op XFEL bronnen verzameld. Het biedt ook nieuwe inzichten in de fundamentele wisselwerking tussen XFELs met materie, benadrukken dat XFELs hebben het potentieel om te verkennen van nieuwe fysica niet ondergebracht binnen de conventionele kristallografie.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs erkennen de steun van het Australische onderzoek Raad Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging. Gedeelten van dit onderzoek werden uitgevoerd bij de LCLS, een faciliteit van de nationale gebruiker namens de Amerikaanse Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences beheerd door de Stanford-universiteit. Wij erkennen de reizen financiering geboden door het internationaal programma voor de toegang van de Synchrotron beheerd door de AS en de Australische regering. Daarnaast werd een deel van dit onderzoek uitgevoerd op de MX1 en MX2 straallijnen op de AS, Victoria, Australië. Auteur bijdragen: B.A. was verantwoordelijk voor het plannen en beheren van alle experimentele aspecten van het project. Experimenten werden ontworpen door B.A., R.A.D., VS, schreef C.D., en G.J.W. B.A., H.M.Q., K.A.N. en R.A.D. het oorspronkelijke voorstel van de LCLS. D.W. R.A.D., R.A.R., A.V.M., E.C. en S.W. de simulatie werkzaamheden verricht. B.A., R.A.D., C.D., VS, M.W.M.J., R.A.R., N.G., F.H., G.J.W., S.B., M.M. M.M.S., A.G.P., C.T.P., A.V.M. en K.A.N. verzameld de experimentele gegevens op de LCLS. Innen van experimentele gegevens op de Australische Synchrotron S.W., V.A.S. en R.A.D. C.T.P. en A.V.M. leidde de experimentele gegevensconversie en analyse. B.A., C.D., N.G. en E.B. waren verantwoordelijk voor het ontwerp van de houder steekproef en testen. R.A.R, B.A., S.W., A.V.M en H.M.Q schreef dit manuscript. De formulering van elektronische schade in samenhang theorie wordt uitgevoerd door H.M.Q. en K.A.N.; R.A.D. bedacht het idee toe te passen dit formalisme op C60.

Materials

Macroscopic 99.5+ % pure C60 SES RESEARCH
Pestle and mortar Sigma Aldrich used for crushing C60 powder;
Aluminium sheet used for constructing sample holder
kapton polyimide film Du Pont http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film/
CXI beamline SLAC http://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?yi5003
safety glasses
biosafety cabinet
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referenzen

  1. Abbey, B., et al. X-ray laser-induced electron dynamics observed by femtosecond diffraction from nanocrystals of Buckminsterfullerene. Sci. Adv. 2 (9), e1601186 (2016).
  2. Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nat. 470 (7332), 73-77 (2011).
  3. Boutet, S., et al. High-resolution protein structure determination by serial femtosecond crystallography. Science. 337 (6092), 362-364 (2012).
  4. Redecke, L., et al. Natively inhibited Trypanosoma brucei cathepsin B structure determined by using an X-ray laser. Sci. 339 (6116), 227-230 (2013).
  5. Kern, J., et al. Simultaneous femtosecond X-ray spectroscopy and diffraction of photosystem II at room temperature. Sci. 340 (6131), 491-495 (2013).
  6. Aquila, A., et al. Time-resolved protein nanocrystallography using an X-ray free-electron laser. Opt. Exp. 20 (3), 2706-2716 (2012).
  7. Nass, K., Hau-Riege, S. . Radiation damage in ferredoxin microcrystals using high intensity X-FEL beams. , (2014).
  8. Quiney, H. M., Nugent, K. A. Biomolecular imaging and electronic damage using X-ray free-electron lasers. Nat. Phys. 7 (2), 142-146 (2011).
  9. Lorenz, U., Kabachnik, N., Weckert, E., Vartanyants, I. Impact of ultrafast electronic damage in single-particle x-ray imaging experiments. Phys. Rev. E. 86 (5), 051911 (2012).
  10. McPhillips, T. M., et al. Blu-Ice and the Distributed Control System: software for data acquisition and instrument control at macromolecular crystallography beamlines. J. Synchrotron Rad. 9, 401-406 (2002).
  11. Boutet, S., Williams, G. J. The coherent X-ray imaging (CXI) instrument at the Linac Coherent Light Source (LCLS). New J. of Phys. 12 (3), 035024 (2010).
  12. . LCLS Photon Control and Data Systems Documentation Page Available from: https://confluence.slac.stanford.edu/display/PCDS/PCDS+Home (2009)
  13. Hart, P., et al. The CSPAD megapixel x-ray camera at LCLS. Proc. SPIE. 8504, (2012).
  14. Hunter, M. S., et al. Fixed-target protein serial microcrystallography with an x-ray free electron laser. Nat. Sci. Rep. 4, 6026 (2014).
  15. Nakane, T., et al. Data processing pipeline for serial femtosecond crystallography at SACLA. J. App. Crystallography. 49, 1035-1042 (2016).
  16. White, T. A., et al. Crystallographic data processing for free-electron laser sources. Acta. Cryst. 69, 1231-1240 (2013).
  17. Hammersley, A., et al. Two-Dimensional Detector Software: From Real Detector to Idealised Image or Two-Theta Scan. High Pressure Res. 14, 235-248 (1996).
  18. Dong, C. PowderX: Windows-95-based program for powder X-ray diffraction data processing. J App. Crystallography. 32 (4), 838 (1999).
  19. Ida, T., Ando, M., Toraya, H. Extended pseudo-Voigt function for approximating the Voigt profile. J. App. Crystallography. 33 (6), 1311-1316 (2000).
  20. Toraya, H. Array-type universal profile function for powder pattern fitting. Journal of Applied Crystallography. 23, 485-491 (1990).
  21. Takata, E. N., Sakata, M. Charge density studies utilizing powder diffraction and MEM. Exploring of high Tc superconductors, C60 superconductors and manganites. Cryst. Mat. 216 (2), (2009).
  22. Neutze, R., Wouts, R., van der Spoel, D., Weckert, E., Hajdu, J. Potential for biomolecular imaging with femtosecond X-ray pulses. Nat. 406 (6797), 752-757 (2000).
  23. Hau-Riege, S. P., London, R. A., Szoke, A. Dynamics of biological molecules irradiated by short x-ray pulses. Phys. Rev. E. 69 (5), 051906 (2004).
  24. Petersen, J. C., et al. Clocking the Melting Transition of Charge and Lattice Order in 1T-TaS2 with Ultrafast Extreme -Ultraviolet Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy. Phys. Rev. Let. 107 (17), 177402 (2011).
  25. Darmanin, C., et al. Protein crystal screening and characterization for serial femtosecond nanocrystallography. Nat. Sci. Rep. 6, 25345 (2016).

Tags

X-ray Free Electron LaserPowder DiffractionNanocrystalsC60BuckminsterfullereneElectron DynamicsX-ray CrystallographyProtein CrystalsSample PreparationMortar And PestleSample HolderPolyamide FilmNanoparticlesMonolayer

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Diesen Artikel zitieren
Ryan, R. A., Williams, S., Martin, A. V., Dilanian, R. A., Darmanin, C., Putkunz, C. T., Wood, D., Streltsov, V. A., Jones, M. W., Gaffney, N., Hofmann, F., Williams, G. J., Boutet, S., Messerschmidt, M., Seibert, M. M., Curwood, E. K., Balaur, E., Peele, A. G., Nugent, K. A., Quiney, H. M., Abbey, B. Measurements of Long-range Electronic Correlations During Femtosecond Diffraction Experiments Performed on Nanocrystals of Buckminsterfullerene. J. Vis. Exp. (126), e56296, doi:10.3791/56296 (2017).
Zitat herunterladen
Nachdrucke und Berechtigungen

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image