دراسة لينة المسألة والأنظمة البيولوجية على نطاق واسع طول مقياس من نانومتر وميكرومتر مقاسات صغيرة في الزاوية النيوترون حيود الهئية-2
Summary
Here, we present a protocol to investigate soft matter and biophysical systems over a wide mesoscopic length scale, from nm to µm that involves the use of the KWS-2 SANS diffractometer at high intensities and an adjustable resolution.
Abstract
وتكرس SANS ديفراكتوميتر الهئية-2 للتحقيق في الأمر لينة والنظم الطبيعية الحيوية التي تغطي نطاق وطول واسعة، من نانومتر إلى ميكرون. هو الأمثل لأداة لاستكشاف نقل الزخم واسعة النطاق س بين 1X10 -4 و 0.5 Å -1 من خلال الجمع بين الثقب الكلاسيكية، مع التركيز (مع العدسات)، والوقت من الطيران (مع مروحية) طرق، وفي نفس الوقت توفير أعلى مستوى -neutron شدة مع قرار قابل للتعديل. بسبب قدرته على ضبط كثافة ودقة في حدود واسعة خلال التجربة، جنبا إلى جنب مع إمكانية تجهيز بيئات عينة محددة والأجهزة الملحقة بها، ويبين الهئية-2 على براعة عالية في معالجة مجموعة واسعة من الدراسات البنيوية والشكلية في المجال. هياكل التوازن يمكن دراستها في قياسات ثابتة، في حين أن العمليات الديناميكية والحركية يمكن أن يتم التحقيق على جداول زمنية بين دقيقة إلى عشرات milliseconds مع النهج وقت حل. الأنظمة النموذجية التي يتم التحقيق فيها مع غطاء الهئية-2 مجموعة من الأنظمة المعقدة، الهرمية التي تظهر مستويات هيكلية متعددة (على سبيل المثال، والمواد الهلامية، والشبكات، أو المجاميع الكلية) لأنظمة صغيرة وسيئة نثر (على سبيل المثال، والبوليمرات واحدة أو البروتينات في حل). الترقية الأخيرة لنظام الكشف، والتي تمكن من الكشف عن معدلات العد في نطاق ميغاهيرتز، يفتح فرصا جديدة لدراسة حتى الأشكال التضاريسية البيولوجية صغيرة جدا في حل العازلة مع ضعف إشارات نثر على مقربة من مستوى نثر عازلة في ارتفاع س.
في هذه الورقة، ونحن نقدم بروتوكول للتحقيق في عينات مع مستويات حجم المميزة التي تغطي نطاق واسع طول وعرض الطلب في الهيكل المتوسطة المدى باستخدام الهئية-2. نقدم بالتفصيل كيفية استخدام وسائل العمل المتعددة التي يتم تقديمها من قبل الجهاز ومستوى الأداء الذي يتحقق.
Introduction
وتشير مواد لينة والبيولوجية مجموعة متنوعة غنية من الأشكال التضاريسية التي تتميز بها بعض السمات، مثل التنظيم الذاتي والتجميع الذاتي للوحدات الابتدائية ل، وحدات أكبر معقدة. وتبين أيضا التفاعل التعاوني مع عدد كبير من درجات الحرية. التفاعل الضعيف بين الوحدات البنائية، وحساسية عالية وبالتالي إلى حقول الخارجية؛ والارتباطات الزمانية المكانية التي يمكن أن تنتشر على نطاق واسع، من نانومتر إلى ملليمتر ومن النانو ثانية إلى أيام. بسبب طائفة واسعة من length- والجداول الزمنية ذات الصلة، وتوصيف التجريبية من خصائص هذه المواد وصعبة للغاية. نثر التقنيات مع النيوترونات تلعب دورا هاما في التحقيق في الهيكل، وديناميات، والخصائص الحرارية من تلك الأنظمة المعقدة. كتجارب فريدة والنيوترونات توفر ميزة من التفاعلات المختلفة بين 1 و 2 H H (الديوتيريوم، D) نظائر الهيدروجين. وعموما تختلفسينعقد في متماسكة كثافة طول التشتت بين الهيدروجين والديوتريوم يمثل أساس أساليب الاختلاف التباين والمطابقة التباين. لأن معظم هذه المسألة لينة والنظم البيولوجية تتكون من الهيدروكربونات والهيدروجين / الديوتيريوم (H / D) يقدم استبدال إمكانية لتغيير متماسكة كثافة طول تناثر مجمع على نطاق واسع. مع هذه التقنية، المكونات المحددة في نظام معقد يمكن أن توصف عن طريق تبادل النظير. اعتمادا على النقيض من الفرق في مربع بين كثافته طول التشتت وذلك من المكونات أو مناطق مختارة مكونات أخرى في غضون الناعمة معقدة أو التشكل الفيزيائية الحيوية ويمكن إجراء مرئية أو غير مرئية في تجربة نثر دون تغيير كيميائيا النظام. وعلاوة على ذلك، النيوترونات واختراق للغاية ويمكن استخدامها بوصفها تحقيقات غير مدمرة ولدراسة العينات في بيئات خاصة، حيث مساهمة من مواد إضافية وضعها في شعاع يمكن أن يكون RELIقياس باقتدار وتصحيحها.
تجارب نثر مرنة توفر معلومات حول بنية ومورفولوجية عينة. يتم قياس شدة المنتشرة في الفضاء المتبادل بوصفها وظيفة للسؤال نقل الزخم، حيث س = 4π / λ الخطيئة Θ / 2، مع λ – الطول الموجي النيوترون وΘ – زاوية التشتت. ثم يتم تحويل هذا إلى الفضاء الحقيقي من خلال تحويل فورييه العكسي. وبالتالي، تتعلق القيم س كبيرة إلى جداول طول قصيرة، مع الارتباط بين الذرية التي حققت فيها حيود النيوترونات الكلاسيكية (ND). في قيم س الصغيرة، وجداول الطول كبيرة يمكن استكشافها من قبل زاوية صغيرة تشتت النيوترونات (SANS). عادة، واحدة أو تجميع تركيبية أو الجزيئات الطبيعية في الحل، تذوب، وتتميز فيلم، أو عينات مجمعة على مقياس طول واسعة، من نانومتر وميكرومتر الأحجام، عبر تطبيق SANS دبوس حفرة الكلاسيكية وشltra-SANS (على أساس التركيز أو حيود واحدة من الكريستال) التقنيات. ومع ذلك، فإن الجمع بين أساليب مختلفة أو مرافق لتحقيق التوصيف الهيكلي الكامل من الصعب في بعض الأحيان بسبب قضايا مثل المبلغ المتاح من العينة، واستقرار عينات على مدى فترات زمنية طويلة، استنساخ الآثار في ظروف الحرارية الخاصة، والتحليل المشترك للبيانات التجريبية تم الحصول عليها في هندستها تجريبية مختلفة. وعلاوة على ذلك، فإن الدراسات التي تتعامل مع الهياكل والتغيرات الهيكلية السريعة التي تتميز بها الفضاء عالية أو قرار الوقت هي صعبة للغاية، وتتطلب الاجهزة التجريبية الخاصة جدا. ولذلك، فإن وضع الصكوك SANS تنوعا للغاية، حيث يمكن دفع حدود ما وراء تكوين نموذجي بطريقة سهلة وقابلة للتنفيذ، هو مفيد لاجتماع جميع مطالب خاصة من أوساط المستخدمين.
وديفراكتوميتر SANS الهئية-2 (الشكل 1)، التي تديرها J2، ليش مركز العلوم النيوترونية (JCNS) في مركز ماير-ليبنتز هاينز (MLZ) في جارشينج، كان في الأصل الكلاسيكية SANS الثقب أداة تستفيد من تدفق عالية النيوترون (الشكل التكميلي 1) أدلى به مصدر النيوترون FRM الثاني 1 و النظام دليل مخصص 2-4. بعد ترقيات المتكررة، تم تحسين أداة لاستكشاف مجموعة واسعة س، بين 1X10 -4 و 0.5 Å -1، وتوفير كثافة النيوترونات عالية وقرار قابل للتعديل. مع توافر بيئات عينة محددة والأجهزة الملحقة (الجدول 1)، ويمكن أن تكون مجهزة أداة لدراسة المسألة لينة والنظم الطبيعية الحيوية على نطاق وطول واسعة، من نانومتر حتى ميكرون، من خلال قياسات ثابتة. فإنه يمكن أيضا إجراء تحقيقات وقت حل الهياكل والأشكال التضاريسية في التوازن أو قيد التحويل بسبب العمليات الحركية، والتي تمتد فترة زمنية واسعة بين دقيقة وعشرات ميلي ثانية. في وضع العمل التقليدي (الشكل 2A)، ومجموعة س بين 7×10 -4 -1 و 0.5 Å -1 يمكن تغطيتها من خلال اختلاف المسافة عينة إلى كشف و / أو الطول الموجي. ولذلك، مستويات الهيكلية وآثار العلاقة على نطاق وطولها من 10 Å ما يصل الى 9000 Å يمكن أن تفقد في الفضاء الحقيقي (حيث يعتبر البعد كما 2π / Q). اختيار الطول الموجي بين 4.5 Å و 20 Å، وذلك باستخدام مستوحد اللون الميكانيكية (سرعة محدد) الذي يوفر انتشار الموجة Δλ / λ = 20٪، والاختلاف من الظروف الموازاة (الموازاة طول L C وفتحة فتحات، A C – تتم الفتحة عينة، عادل امام من العينة) والكشف عن المسافة L D تلقائيا، عن طريق السيطرة على جهاز الكمبيوتر – فتحة المدخل، بعد آخر جزء النيوترون دليل في شعاع، و A S.
<p clasالصورة = "jove_content"> ترقيات كبيرة على كثافة على العينة، تم تنفيذ القرار الصك، والحد الأدنى نقل الزخم س م، وكشف سريع في معدلات العد عالية في نطاق ميغاهيرتز خارج مؤخرا، والتي تهدف إلى تعزيز أداء الجهاز. وخلال هذه العملية، وقد تم تجهيز وثيقة مع ميزات إضافية.هناك المروحية القرص المزدوج 5 مع فتحات متغير شق (الشكل التكميلي 2) والوقت من الطيران (TOF) طور الحصول على البيانات. يمكن تشغيلها المروحية في متفاوتة تردد المروحية و بين 10 هرتز و 100 هرتز وفي فتحات الزاوي من الإطارين المروحية بين زوايا 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 درجة عن طريق تغيير المواقع من أقراص اثنين مع الاحترام لبعضهما البعض. ويتحقق التحسن في قرار الطول الموجي Δλ / λ عن طريق تقصير وقت افتتاح τ دليل النيوترون ث كتبها decrتخفيف Δφ و / أو زيادة و المروحية. يتم تقسيم النبضات الناتجة المسجلة على جهاز كشف في عدد مناسب من قنوات في الوقت التي تطابق τ ث في العرض وتتميز بها تهدف Δλ / λ.
هناك أيضا العناصر التي تركز مصنوعة من فلوريت المغنيسيوم إم جي إف 2 العدسات مكافئ 6 التي يبلغ قطرها 50 ملم (الشكل 1). يتم تجميع 26 إم جي إف 2 العدسات إلى ثلاث مجموعات (4 + 6 + 16 العدسات) التي يمكن نقلها بشكل مستقل في شعاع لتحقيق الشروط التركيز مع أطوال موجية مختلفة λ = 7-20 Å. من أجل زيادة انتقال عن طريق الحد من تشتت في الفونونات في المواد العدسة، ويتم الاحتفاظ العدسات في 70 K باستخدام نظام تبريد خاص.
هناك الثانوي عالية الدقة موقف حساس للكشف عن التلألؤ مع قرار الموضع 1 مم و0.45 مم بكسل الحجم. كاشفيوضع عادة في البرج في الجزء العلوي من خزان فراغ في ثابت المسافة L D = 17 م، ويمكن نقلها عموديا داخل أو خارج شعاع (الشكل 1). هي واقفة كاشف الرئيسي في وضع نهاية للدبابات في 20 م، في حين تم نقل كاشف الثانوي في شعاع عندما التحقيقات عالية الدقة (منخفض س) باستخدام العدسات يتم تنفيذ 4،7. يتم وضع كاشف الثانوي في نقطة محورية واحدة من نظام العدسة، في حين أن فتحة مدخل صغيرة في L C = 20 م سيكون، في هذه الحالة، في النقطة المحورية الأخرى.
هناك نظام الكشف الرئيسي الجديد الذي يتكون من مجموعة من 144 3 أنابيب و(بكفاءة عالمية في أنبوب من 85٪ لλ = 5 أ) والذي يحدد مساحة تعادل كشف النشط إلى 0.9 م 2 (الشكل 1). المبتكرة الالكترونيات قراءات السريعة التي شنت في قضية مغلقة على مساعدات من الإطار أنبوب 3 ويحسنقراءة من الخصائص ويقلل من الضوضاء الخلفية. ويتميز النظام الجديد الذي حل محل التلألؤ كاشف القديم (6 لي ماض ومجموعة من صمام تضخيم ضوئي 8X8، الشكل 1) عن طريق ثابت الوقت الميت الفعال لل25 NSEC ومعدل العد الكلي يصل إلى 5 ميغاهيرتز بنسبة 10٪ الميت، الوقت لمحات مسطحة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن النظام يحتوي على قنوات مستقلة تعمل في موازاة ذلك، وهي ميزة على الأنظمة التي تواجه في الوقت الميت بعد حدث هذه الميزات. معدل عدد أكبر بكثير تقصير مرات القياس، وبالتالي يزيد من عدد من التجارب التي يمكن القيام بها في الفترة الزمنية نفسها.
مع كل هذه الابتكارات، وأصبح أداة أداة مرنة للغاية التي يمكن معالجة مجموعة واسعة من الدراسات الهيكلية من خلال توفير وسائل العمل متعددة (الجدول 2) التي يمكن اختيارها واستخدامها بطريقة مباشرة وسهلة الاستعمال. في وضع عالية الكثافة (الشكل 2B)، ما يصل الى اثني عشر مرات الربح كثافة بالمقارنة مع وضع الثقب التقليدي لنفس القرار لا يمكن أن يتحقق مع العدسات من خلال زيادة حجم العينة. في وضع القرار الانضباطي مع المروحية والبيانات TOF الاستحواذ، يتم تمكين تحسين توصيف ملامح نثر ضمن نطاقات س مختلفة من إمكانية لتغيير قرار الطول الموجي Δ λ / λ بين 2٪ و 20٪ 5. في وضع الموسعة س -range (الشكل 2C)، وذلك باستخدام العدسات وعالية الدقة الثانوي كاشف، وس م منخفضة تصل إلى 1 × 10 -4 -1 لا يمكن أن يتحقق، والتي، جنبا إلى جنب مع وضع الثقب وتصاريح استكشاف الأحجام على مقياس طول المستمر من نانومتر إلى مجموعة ميكرون. استخدام مروحية لتضييق Δ λ / λ يوفر خصائص شعاع دقيقة عن طريق تجنب خطورة ولوني آثار ذوي الخوذات البيضاءأون باستخدام العدسات. في الوقت الحقيقي واسطة، من خلال استغلال الكثافة العالية واثار الخارجي للحصول على البيانات من قبل البيئات عينة، والتغيرات الهيكلية يمكن حلها بقرارات الوقت وصولا الى 50 مللي ثانية. من خلال تحسين القرار الطول الموجي وصولا الى Δ λ / λ = 5٪ مع المروحية، الوقت قرارات جيدة مثل 2 ميللي ثانية يمكن أن تتحقق.
هنا، نقدم بالتفصيل بروتوكول حول كيفية تجارب نموذجية تتم على الهئية-2 في أوضاع العمل المختلفة، وكيف يمكن الحصول على المعلومات الهيكلية من العينات التحقيق من البيانات التي تم جمعها من خلال الحد من البيانات. في هذه المظاهرة، سوف نستخدم SANS للتميز عدة أحجام من حلول الجسيمات القياسية وعالية مركزة حل البوليمر micellar واحد من أجل إظهار كيف يمكن دراسة حجم والنظام على نطاقات واسعة بطريقة مرنة وفعالة مع الهئية-2 خلال جلسة تجريبية واحدة. جسيمات كروية البوليسترين مع زراعية مختلفةأحجام إيجار (أنصاف أقطار R = 150، 350، 500، 1000، و 4000 ألف) والتشتت المتعدد حجم σ R 
وفرقت 8٪ في محلول مائي (خليط من 90٪ D 2 O و 10٪ H 2 O) في جزء صغير الحجم من 1٪. المذيلات التي شكلتها C 28 H 57 -PEO5 بوليمرات diblock في D 2 O بتركيز 12٪ تظهر بنية أمر.
Protocol
Representative Results
Discussion
وعادة ما تتميز المسألة لينة والنظم الطبيعية الحيوية عن طريق الارتباط الهيكلية ومستويات المجهرية والمورفولوجية المترابطة التي تمتد على طول نطاق واسع، من نانومتر إلى ميكرون. لفهم آلية تشكيل وتطور مورفولوجية هذه النظم والعلاقة بين خصائصها المجهرية والخصائص العيانية، فمن المهم استكشاف المجهرية على مدى نطاق طول وتحت الظروف البيئية ذات الصلة (مثل درجة الحرارة والضغط، ودرجة الحموضة والرطوبة، الخ). عادة، يشارك الصغيرة زاوية نثر التقنيات مع النيوترونات (SANS) أو السنكروترون الأشعة السينية (SAXS) في مثل هذه الدراسات. يتم تعويض العيب كثافة من النيوترونات مقابل السنكروترون الأشعة السينية عن طريق استخدام واسع نسبيا Δλ / λ، ولكن الأمر الذي يؤدي إلى تفاقم قرار فعال. ومع ذلك، يوفر SANS مزايا فريدة من نوعها بسبب الإمكانيات التي توفرها للمقاولاتتباين است، لا سيما بين نظائر الهيدروجين. لذلك، SANS هو المنهج التجريبي تستخدم خصيصا في دراسة نظم المسألة والفيزيائية الحيوية لينة، التي ايصاله المعلومات الهيكلية والمورفولوجية فريدة من نوعها. معظم diffractometers SANS في جميع أنحاء العالم 21 العمل على مبدأ الثقب (الشكل 2A)، والتي تمكن القرار فاء المنخفضة تهدف. عمليا، كل ارتفاع تدفق SANS diffractometers يكون الحد الأقصى لتدفق مماثل بناء على أمر من 1 × 10 8 ن سم -2 ثانية -1. وبناء على قرار الطول الموجي استرخاء، قامت الهئية-2 وتضاعف تقريبا تدفق 2 و 4. في الآونة الأخيرة، أصبحت SANS diffractometers المتخصصة جدا التشغيلية لخدمة ذات الخصائص الأمثل لمجموعة محددة من التطبيقات، مثل إجراء تحقيقات في نثر صغيرة جدا ناقلات 22 و 23. مع لجنة حديثة جدا من diffractometers المتخصصة TOF-SANS في المفاعلات ثابتة للدولة 24 أو spallatioن مصادر 25، 26، يتم تقديم زيادة نطاق واسع المدى الديناميكي س في الإعداد التجريبية معين، وزيادة المرونة وتحسين فيما يتعلق باختيار القرار التجريبي. لSANS ديفراكتوميتر الهئية-2، يتم تمكين على مستوى عال من التنوع والأداء المطلوب للدراسات هيكلية محددة جدا في مجال المواد الناعمة والفيزياء الحيوية على صك SANS الكلاسيكية خلاف ذلك. التحسين والمرونة والعفوية في تصميم وإجراء دراسات معقدة، وبدعم من بروتوكول وصفها، ويتحقق من خلال الجمع بين المعلمات الأمثل التجريبية (على سبيل المثال، وكثافة، مقياس الطول، القرار الفضاء، وقرار الوقت) والعينة معقدة البيئات. باستخدام وسائل العمل المتعددة المذكورة في مقدمة وبدعم من النتائج المعروضة في الأرقام 8-15، والهئية-2 يعزز بطريقة سهلة وعملية أداء SANS ديفراكتوميتر الكلاسيكيةفي مصدر نيوتروني ثابت (مفاعل) خارج حدود التقليدية من هذه الصكوك.
ويعرض هذا البروتوكول الخطوات التي يمكن للمستخدم العادي يجب أن تنفذ لتحديد وإجراء برنامج تجريبي بسيط هو أن ينطوي فقط على التحقيق في عينات في الظروف المحيطة الحرارية (درجة الحرارة والضغط والرطوبة النسبية) وتحت ظروف ثابتة (لا حركية تشكيل هيكل أو التحول، لا القص أو تدفق). العديد من أصحاب التحكم في درجة حرارته أو البيئات الخاصة العينة (الجدول 1 والتكميلي الشكل 19)، مثل خلايا الضغط، rheometers، أو خلايا الرطوبة، وتتوفر ويمكن تركيبها على النحو الأمثل وتعديلها بمساعدة خاصة من فريق الصك. هذا البروتوكول لا يوفر تعليمات حول إعدادات وضوابط هذه المعدات. تعريف وتفعيل وحدات تحكم خارجية تتطلب استخدام، بروتوكول آخر أكثر تعقيدا. ويعرض هذا البروتوكولحالة العمل مع خلايا عينة الكوارتز من شكل مستطيل ضيق (الشكل 3). ومع ذلك، يتم تقديم مجموعة واسعة من الأشكال الهندسية الخلية وأنواع (الشكل التكميلي 19) للمستخدمين، من أجل توفير المزيد من المرونة والكفاءة في إجراء التجارب. في حالة استخدام مثل هذه الخلايا، يمكن أن يتبع هذا البروتوكول مع تعديل المعلمات مناقشتها في خطوة 4.2.2. وقد تم تطوير برنامج حاسوبي لمراقبة قياس لتقديم المستخدمين مرونة أكبر في متابعة أهدافها العلمية والتحسين في العملية الفنية من الصك. تتم جميع التعديلات وتكوينات من وظائف خاصة ومكونات الصك من قبل فريق الصك. تم تبسيط إشراك المستخدمين العلمي في التكوين، تعريف، والاستفادة من الأدوات وتقتصر على وجه التحديد فقط على تلك الجوانب التي هي في اتصال مع القضايا العلمية من الدورة التجريبية. شاركومحددة مسبقا ملفات nfiguration من أجل تغطية جميع القضايا التجريبية الخاصة، مثل وضعية حاملي خاص في شعاع، وتحديد المواقع العينة في شعاع (إحداثيات س، ص، Φ، وω على المسرح عينة، طاولة الدوران، أو مهد في التكميلية الشكل 5)، وتعديل مواقف للكشف عن والحزم وقفة لأطوال موجية مختلفة، وتعديل المعلمات المروحية (تردد وفتح نافذة) لأطوال موجية مختلفة، المسافات كشف وقرار يهدف، وما إلى ذلك أيضا، البروتوكول الحالي لا يصف كيف أن الوضع في الوقت الحقيقي يمكن استخدامها على الهئية-2. مطلوب استخدام بروتوكول أكثر تعقيدا أيضا من أجل إجراء التجارب SANS وقت حل.
وعلاوة على ذلك، يقدم هذا البروتوكول كيف يمكن تصحيح البيانات المقاسة للمساهمات نثر مختلفة من الأدوات والمراجع ومعايرة من أجل الحصول على differenti العينةآل نثر المقطع العرضي، dΣ / dΩ، أعرب في سم -1. هذه الكمية تحتوي على المعلومات الهيكلية والمورفولوجية كاملة حول العينة ويتم قياسها على نطاق واسع س المقابلة لمقياس طول واسع، على الذي تظهر الارتباطات الهيكلية ومتشابكة مستويات حجم المميزة للنظام التحقيق. قسم نثر عبر dΣ / dΩ مما يتعلق بها كثافة يقاس في تجربة نثر ثابتة في زاوية Θ، وأنا ق = و (Θ) إلى الخصائص الهيكلية للعينة.
لتقييم dΣ / dΩ لنظام الفائدة، بالإضافة إلى قياس للنظام، وهناك حاجة إلى قياسات إضافية من أجل تصحيح البيانات لأي نثر الخارجي (أي بيئة، عينة الخلية، محلول مذيب أو عازلة في حالة نظم المذاب، الخ) ومعايرة البيانات المصححة في وحدة مطلقة <sup > 8. الخلفية الخارجية (خلية العينة أو حاوية)، وعينة مرجعية (حلول المذيبات أو عازلة)، ونقل العينة (اللازمة لخلفية الطرح الصحيح ومعايرة نتائج تصحيح في وحدات المطلقة)، على خلفية الالكترونية كاشف، كاشف وينبغي أيضا قياس حساسية (التجانس في كفاءة كشف المتأصل للكشف عن المنطقة)، والعينة القياسية تطبيع. لالهئية-2، ويستخدم زجاجي (PMMA) كما عينة القياسية. وهذا هو ما يسمى مستوى الثانوي ويتم معايرة دورية ضد عينة القياسية الأولية، وهو الفاناديوم. الفاناديوم يسلم كثافة متناثرة ضعيفة للغاية ويتطلب مرات قياس طويلة جدا لجمع الإحصاءات المناسبة؛ وبالتالي، فمن غير عملي لأغراض SANS. ويمكن التعبير عن شدة جمعت من عينة من الفائدة أنا S ومن العينة القياسية أنا سانت النحو التالي:
ر ">
[1] 
[2]
حيث يمثل الأول 0 شدة الواردة (من قبل النظام الموازاة)، ر هو سمك، A هو منطقة معرضة لشعاع، T هو انتقال، وΔ ψ هي الزاوية الصلبة التي ينظر خلية الكشف عن موقف عينة. إذا تم قياس كل من العينة والمعايير في نفس الظروف فيما يتعلق شعاع الوارد (أي، L C، A C و A S، وλ وΔ λ / λ)، وأنا 0 و A هي نفسها والزاوية الصلبة كنسبة D / L D (مع D تمثل مجال خلية الكشف). بقسمة العلاقات، وهما تشتت عبر sectiعلى عينة تم الحصول عليها على النحو التالي:
[3]
حيث يتم التعبير عن سانت أنا كمتوسط (معيار كنظام نثر غير متماسكة يسلم نمط نثر شقة). يتم الحصول على I S بعد تصحيح قياس كثافة من العينة في الخلية (حاوية) فيما يتعلق بمساهمة خلية فارغة أنا ECell والخلفية على كاشف لشعاع مغلقة، وأنا ب. عامل ر سانت تي سان (dΣ / dΩ) القديس، الذي يحتوي على نثر والمعلمات المادية للعينة القياسية، ويعتمد على λ النيوترون الطول الموجي، وعادة ما يعرف من معايرة العينة القياسية. وهكذا، وجدولتها في برنامج الحد من البيانات 4. المعلمات وكميات في المعادلة. 3 التي هي معروفة من الاجراء المعايرةوفاق و تعريف الإعداد التجريبية (ر S، L D) وتشكل ما يسمى عامل المعايرة ك. شدة ونقل عينة T S التي تظهر في المعادلة. 3 يجب أن تقاس. برنامج تحليل البيانات qtiKWS يمكن تصحيح والمعايرة والمتوسط شعاعي من البيانات التجريبية وتحقيق dΣ / dΩ لعينات التحقيق في طريقة العمل مرونة وتنوعا. يتم عرض النتائج النهائية ولدت مع البرنامج qtiKWS كما الجداول مع أربعة أعمدة: س، أنا، Δ الأول، Δσ حيث كنت يمثل dΣ / dΩ وΔσ هو القرار س 5.
من الناحية العملية، مع الهئية-2، يمكن أن يتم SANS جنبا إلى جنب والتحقيقات USANS خارج، مع ميزة أن هندسة العينة والظروف الحرارية تظل ثابتة. الأشكال التضاريسية الكبيرة التي تظهر … المزيد الصورةiple المستويات الهيكلية التي تغطي طول نطاق واسع من نانومتر إلى ميكرومتر الأحجام يمكن التحقيق بطريقة مباشرة، كما هو مبين في الشكل (12). وبالاضافة الى صغر حجم الحد الهيكلي R C لوحظ في منحنى نثر تقاس في وضع الثقب التقليدي، من خلال تفعيل العدسات وعالية الدقة للكشف عن، وعلى نطاق واسع الهيكلي الحد L C من أسطواني المذيلات الأساسية قذيفة شكلتها بولي – (hexylene أكسيد-ك-الايثيلين أكسيد) PHO10k-PEO10k diblock من البوليمرات (البروتونية بالكامل) في D 2 O 14 ويمكن ملاحظة على قيم س منخفضة جدا في طريقة العمل الموسعة س -range. وتتميز المذيلات أسطواني من قبل سمك الإجمالي من حوالي 300 ألف ويبلغ طوله حوالي 7000 Å، كما يتضح من نوبة من النتائج التجريبية مع جوهر قذيفة أسطواني شكل عامل 9،14. لذلك، بعض الآثار الحساسة مثل المواد الهلامية الحرارية استجابة أو تشكيل ونمو وضوح الشمسخط أو جزئيا البلورية الأشكال التضاريسية يمكن استكشافها بشكل لا لبس فيه مع الهئية-2، على عكس النهج التقليدي لإشراك اثنين أو أكثر من أدوات مختلفة وهندستها عينة.
كما هو مبين في الشكل 11، والنظم المترابطة وأمر الهياكل يمكن دراستها مع قرارات تكييفها بطريقة مرنة جدا، من دون إنفاق الوقت والجهد على تركيب أنظمة monochromatization المعقدة، التي من شأنها أن تنطوي على جوانب الرعاية وسلامة إضافية. وعلاوة على ذلك، من خلال إشراك المروحية ووضع الحصول على البيانات TOF، نظم مسألة الناعمة monodisperse أو المجمعات مع انخفاض التشتت المتعدد حجم يمكن وصفها بدقة متناهية في شدة لا تزال عالية 5.
العوائق الناتجة عن تشتت ضعيفة نظرا لاستخدام نظم مخففة للغاية أو الظروف غير المواتية على النقيض يمكن التغلب عليها عن طريق استخدام كثافات أعلى استنادا إلى حجم أكبر شعاع على العينة، مع الحفاظ علىالقرار. الرقم 13A تقارير أنماط تناثر من جزيئات البوليستيرين من دائرة نصف قطرها R = 150 Å، وتقاس في وضع عالية الكثافة باستخدام العدسات وحجم شعاع من الدرجة الثانية تتراوح بين 10 ملم × 10 ملم، وحجم النموذجية المستخدمة في وضع الثقب التقليدية ، و 30 ملم × 30 ملم. بالإضافة إلى ذلك، يتم عرض النتيجة من قياس مع جولة شعاع 50 ملم في القطر (كامل حجم العدسة). في موازاة ذلك، يتم تقديم نتيجة طبيعية حصلت في وضع الثقب التقليدية. باستخدام 26 العدسات مع النيوترونات من λ = 7 Å ونفس حجم مدخل فتحة وC بالنسبة للوضع الثقب التقليدية (الشكل 2B)، يتم الحصول على مكاسب في شدة على عينة من حوالي 12 مرة مع الحفاظ على حجم شعاع ثابت (القرار ) على الجهاز، كما هو مبين في الشكل 13B-C. نظام 27-عدسة لديه انتقال حوالي 32٪ عند درجة حرارة الغرفة. تبريده إلى درجة حرارة من 50 ك، ويزيد من انتقال عدسة بسببقمع ونثر على الفونونات في مادة العدسة. نظام 26 العدسات مكافئ لديه انتقال حوالي 65٪ لحجم شعاع الجولة 50 ملم، عندما يذهب شعاع من خلال وحدة التخزين بالكامل للعدسة، وحوالي 92٪ لحجم شعاع من الدرجة الثانية من 10 ملم × 10 ملم ، عندما سوى كمية جدا من المواد عدسة يبقى في شعاع. وضع عالية الكثافة مع العدسات يقدم فوائد في حالة من التشتت الضعيفة التي عادة مصادفة على مسافة كشف الكبيرة وإشكالية خاصة في حالة ضعف الأوضاع التباين. بالإضافة إلى ذلك، عندما تكون العينة مستقرة فقط خلال فترة قصيرة من الزمن، واستخدام هذا الوضع يمثل ميزة واضحة، كما يتضح في أي مكان آخر (15).
من ناحية أخرى، في حالة الأنظمة البيولوجية، عادة ما تكون متاحة للتجارب أحجام عينة صغيرة. الجزيئات البيولوجية الصغيرة في الظروف الفسيولوجية مع أحجام بضعة نانومتر تسليم ضعف إشارات تناثر فوق دومينانت نثر من المحاليل. ويمكن قياس هذه الإشارات مع الهئية-2، والاستفادة من كثافة عالية من الصك في الإعداد منخفضة الدقة من وضع الثقب، وذلك باستخدام الموازاة قصيرة أطوال L C = 2 متر أو 4 أمتار وكشف قصيرة المسافات L D = 1 م، 2 م، أو 4 م. ويبين الشكل (14) وأنماط نثر من البروتين اميلويد بيتا (Aβ 1-42، M W = 4.5 كيلو دالتون) أحادية في hexafluoroisopropanol بالديوتيريوم dHFIP، كما تم الحصول عليها بعد تطبيق التصحيح للإشارة تشتت من المخزن المؤقت. ونموذج يصلح للبيانات تسليم حجم مونومر من حوالي 16 ± 1 16. ويشارك قياس الوقت الطويل لعدة ساعات لكل حالة تجريبية (المسافة كشف L D ونوع العينة)، على الرغم من أن أجريت القياسات من على مسافات كشف قصيرة. كاشف القديم، الذي أظهر القيود فيما يتعلق بمعدل العد، أعاقت استخدام مسافات قصيرة الموازاةL C، وبالتالي استخدام الحد الأقصى للتدفق في الصك. مع ارتكاب نظام الكشف الجديد تمكن من استخدام تدفق النيوترون الكامل، سيتم قياس هذه الكثافات ضعيفة في أقصر الأوقات ومع إحصاءات أفضل في المستقبل.
وأخيرا، والآثار المحفزات حساسة يمكن دراستها بطريقة مرنة وسهلة باستخدام المعدات المساعدة الخاصة للالهئية-2. وذكر مثالا في الشكل 15، مما يدل على أنماط SANS من بروتين الليزوزيم في D 2 O العازلة ومن المخزن المؤقت التي تم جمعها في الضغوط المختلفة. وقد تم إيلاء اهتمام خاص للتحقيق في الخلفية وتناثر إلى الأمام من جزيئات الليزوزيم، وتستخدم في اختبار أداء الخلية ضغط جديدة تصنيعها في المنزل باتباع تصميم به PSI، سويسرا. وكانت النتائج مماثلة لتلك التي حصلت عليها Kohlbrecher وآخرون. في دراسة مماثلة لاختبار نموذج خلية الضغط الأصلي شيدتهناك 17 و 18. مع الهئية-2، وقد اكتسبت المزيد من البيانات منذ تم التوصل إلى الضغط من 5000 شريط. تطور شدة المتناثرة إلى الأمام من البروتين يتبع السلوك الخطي، كما لوحظ في الدراسة في PSI، سويسرا 18.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We acknowledge Dr. Dietmar Schwahn (Forschungszentrum Jülich GmbH) for support and stimulating discussions regarding the upgrades performed on the KWS-2 in 2010-2015. The constant help from the Central Institute of Engineering, Electronics, and Analytics (ZEA) and the JCNS-1 (Neutron Scattering) and JCNS-2 (Scattering Methods) Institutes in Forschungszentrum Jülich GmbH during the design, installation, and commission of components, devices, and control software for the new working modes of the KWS-2 is gratefully acknowledged. We are thankful to Matthew Binns and Christopher J. Van Leeuwen (both at Louisiana State University) for the professional editing of this manuscript.
Materials
| heavy water D2O | Sigma-Aldrich | 151882 | |
| heavy water D2O/H2O | Sigma-Aldrich | 151882 | 90% D2O and 10% H2O |
| 3000 Series Nanosphere Size Standards (polystyrene) | Thermo Scientific | 3030A | 90% D2O and 10% H2O |
| 3000 Series Nanospher Size Standards (polystyrene) | Thermo Scientific | 3070A | 90% D2O and 10% H2O |
| 3000 Series Nanosphere Size Standards (polystyrene) | Thermo Scientific | 3100A | 90% D2O and 10% H2O |
| 3000 Series Nanospher Size Standards (polystyrene) | Thermo Scientific | 3200A | 90% D2O and 10% H2O |
| 3000 Series Nanosphere Size Standards (polystyrene) | Thermo Scientific | 3800A | 90% D2O and 10% H2O |
| diblock copolymer C28H57-PEO5k | synthesized in house | in D2O | |
| Quartz Cells 110-QX | Hellma analytics | 110-1-46 | |
| Aluminum cuvette-holder | manufactured in house | for measurements at ambient temperature | |
| screwdriver | |||
| Allen keys |
References
- Gläser, W., Petry, W. The new neutron source FRM II. Physica. B. 276-278, 30-32 (2000).
- Radulescu, A., Pipich, V., Ioffe, A. Quality assessment of neutron delivery system for small-angle neutron scattering diffractometers of the Jülich Centre for Neutron Science at FRM II. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. 689, 1-6 (2012).
- Radulescu, A., Ioffe, A. Neutron guide system for small-angle neutron scattering instruments of the Jülich Centre for Neutron Science at FRM-II. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. 586, 55-58 (2008).
- Radulescu, A., Pipich, V., Frielinghaus, H., Appavou, M. S. K. W. S. -. 2. the high intensity/wide Q-range small angle neutron diffractometer for soft-matter and biology at FRM II. J. Phys.: Conf. Ser. 351, 012026 (2012).
- Radulescu, A., et al. Tuning the instrument resolution using chopper and time of flight at the small-angle neutron scattering diffractometer KWS-2. J.Appl.Cryst. 48, 1849-1859 (2015).
- Frielinghaus, H., et al. Aspherical refractive lenses for small-angle neutron scattering. J. Appl. Cryst. 42, 681-690 (2009).
- Radulescu, A., Fetters, L. J., Richter, D. Structural characterization of semicrystalline polymer morphologies by imaging-SANS. J.Phys.: Conf.Ser. 340, 012089 (2012).
- Zemb, T., Lindner, P. . Neutron, X-rays and Light Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. , (2002).
- Pedersen, J. S. Analysis of small-angle scattering data from colloids and polymer solutions: modeling and least square fittings. Adv. Colloid Interface Sci. 70, 171-210 (1997).
- Barker, J. G., Pedersen, J. S. Instrumental Smearing Effects in Radially Symmetric Small-Angle Neutron Scattering by Numerical and Analytical Methods. J. Appl. Cryst. 28, 105-114 (1995).
- Hammouda, B., Mildner, D. F. R. Small-angle neutron scattering resolution with refractive optics. J. Appl. Cryst. 40, 250-259 (2007).
- Vad, T., Sager, W. F. C., Zhang, J., Buitenhuis, J., Radulescu, A. Experimental determination of resolution function parameters from small-angle neutron scattering data of a colloidal SiO2 dispersion. J. Appl. Cryst. 43, 686-692 (2010).
- Amann, M., Willner, L., Stellbrink, J., Radulescu, A., Richter, D. Studying the concentration dependence of the aggregation number of a micellar model system by SANS. Soft Matter. 11, 4208-4217 (2015).
- Ströbl, M. . Diploma Thesis. , (2008).
- Dahdal, Y. N., et al. Small-Angle Neutron Scattering Studies of Mineralization on BSA Coated Citrate Capped Gold Nanoparticles Used as a Model Surface for Membrane Scaling in RO Wastewater Desalination. Langmuir. 30, 15072-15082 (2014).
- Zhang-Haagen, B., et al. Monomeric Amyloid Beta Peptide in Hexafluoroisopropanol Detected by Small Angle Neutron Scattering. PLOS One. 11, e0150267 (2016).
- Kaneko, F., Radulescu, A., Ute, K. Time-resolved small-angle neutron scattering on guest-exchange processes in co-crystals of syndiotactic polystyrene. J. Appl. Cryst. 47, 6-13 (2014).
- Kohlbrecher, J., et al. A high pressure cell for small angle neutron scattering up to 5000 MPa in combination with light scattering to investigate liquid samples. Rev. Sci. Instr. 78, 125101 (2007).
- Vavrin, R., et al. Structure and phase diagram of an adhesive colloidal dispersion under high pressure: A small angle neutron scattering, diffuse wave spectroscopy, and light scattering. J. Chem. Phys. 130, 154903 (2009).
- Kaneko, F., et al. Development of a Simultaneous SANS/FTIR Measuring System. Chem. Lett. 44, 497-499 (2015).
- Goerigk, G., Varga, Z. Comprehensive upgrade of the high-resolution small angle neutron scattering instrument KWS-3 at FRM II. J. Appl. Cryst. 44, 337-342 (2011).
- Desert, S., Thevenot, V., Oberdisse, J., Brulet, A. The new very-small-angle neutron scattering spectrometer at Laboratoire Léon Brillouin. J. Appl. Cryst. 40, s471-s473 (2007).
- Dewhurst, C. W. D33 – a third small-angle neutron scattering instrument at the Institute Laue Langevin. Meas. Sci. Technol. 19, 034007 (2008).
- Zhao, J. K., Gao, K. Y., Liu, D. The extended Q-range small-angle neutron scattering diffractometer at the SNS. J. Appl. Cryst. 43, 1068-1077 (2010).
- Takata, S., Suzuki, J., Shinohara, T., Oku, T., Tominaga, T., Ohishi, K., Iwase, H., Nakatani, T., Inamura, Y., Ito, T., Suzuya, K., Aizawa, K., Arai, M., Otomo, T., Sugiyama, M. The Design and q Resolution of the Small and Wide Angle Neutron Scattering Instrument (TAIKAN) in J-PARC. JPS Conf. Proc. 8, 036020 (2015).
