לימוד-משנה רך מערכות ביולוגיות על פני אורך בקנה מידה רחבה מן ננומטר ו מיקרומטר גדלים בזווית-הקטנה ניוטרון diffractometer KWS-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
Diffractometer SANS KWS-2 מוקדש לחקירת נושא רך מערכות biophysical המשתרעים על בקנה מידה אורך רחב, החל ננומטר עד מיקרומטר. המכשיר מותאם לחקר טווח Q העברת מומנטום הרחב בין 1×10 -4 ו -0.5 Å -1 ידי שילוב חריר קלסי, התמקדות (עם עדשות), וזמן של טיסה (עם מסוק) שיטות, ובמקביל מתן גבוה -neutron עוצמות עם רזולוציה מתכווננת. בגלל היכולת שלה להתאים את עצם ואת ההחלטה בגבולות רחבים במהלך הניסוי, בשילוב עם האפשרות לצייד סביבות מדגם מסוימות והתקנים נלווים, את KWS-2 מציג צדדי גבוהה בהתמודדות עם המגוון הרחב של מחקרים מבניים מורפולוגיים השדה. ניתן ללמוד מבני שיווי משקל במדידות סטטי, ואילו תהליכים דינאמיים הקינטית יכול להיחקר על סולמות זמן בין דקות לעשרות milliseconds עם גישות זמן נפתרה. מערכות אופייניות כי נחקרות עם כיסוי KWS-2 בטווח של מערכות מורכבות, היררכיות כי תערוכת רמות מבניות מרובות (למשל, ג'לים, רשתות, או-אגרגטים מאקרו) למערכות קטנות גרוע-פיזור (למשל, פולימרים יחידים או חלבונים פִּתָרוֹן). השדרוג האחרון של מערכת זיהוי, המאפשרת זיהוי של שיעורי ספירה בטווח MHz, פותח הזדמנויות חדשות ללמוד אפילו קטנות מאוד מורפולוגיות ביולוגיות בפתרון חיץ עם אותות פיזור חלשים קרובים לרמת חיץ הפיזור ב- Q הגבוה.
במאמר זה, אנו מספקים פרוטוקול לחקור דגימות עם רמות גודל מאפיין פורשים בקנה מידת אורך רחב ומציגות הזמנה במבנה mesoscale באמצעות KWS-2. אנו מציגים בפירוט כיצד להשתמש מצבי עבודה מרובות המוצעים על ידי המכשיר ואת רמת הביצועים כי מושגת.
Introduction
חומרים רכים וביולוגיים להראות מגוון עשיר של מורפולוגיות המאופיינות תכונות כגון ארגון עצמי ואת הרכבה עצמית של יחידות אלמנטרית, אגרגטים מורכבים גדולים יותר. הם גם מראים גומלין של שיתוף פעולה עם מספר רב של דרגות חופש; אינטראקציה חלשה בין היחידות המבניות, ובכך הרגישות גבוהה לשדות חיצוניים; ומתאמי spatiotemporal יכול להקיף מגוון רחב, החל ננומטר עד מילימטרים ומן ננו שניות עד ימים. בגלל המגוון הרחב של length- ואת לוחות זמנים רלוונטיים, אפיון ניסיוני של תכונות חומרים אלה הם מאוד מאתגרים. טכניקות עם נויטרונים פיזור לשחק תפקיד חשוב החקירה של מבנה, דינמיקה, ואת תכונות תרמודינמיות של מערכות מורכבות כאלה. כמו בדיקות ייחודיות, ניטרונים מציעים את היתרון של אינטראקציות שונות בין 1 H ו- 2 H (דאוטריום, D) איזוטופים של מימן. הגדול שונהence בצפיפות אורך פיזור קוהרנטית בין מימן דאוטריום מייצג את הבסיס של התאמת וריאציה בניגוד והניגודיות שיטות. כמו רוב החומר הרך מערכות ביולוגיות מורכב של פחמימנים, מימן / דאוטריום (H / D) החלפה מציעה את האפשרות לגוון את צפיפות אורך פיזור קוהרנטית של תרכובת על פני טווח רחב. בעזרת טכניקה זו, מרכיבים שנבחרו במערכת מורכבת יכול להיות מתויג על ידי חילופי איזוטופ. בהתאם ההבדל-הניגוד בריבוע שלה בין צפיפות אורך פיזור שלה לבין זה של רכיבים או אזורים רכיבים נבחרים אחרים בתוך כמה רך מורכבים או מורפולוגיה biophysical יכול להתבצע, גלויה או סמויה בניסוי פיזור מבלי לשנות את מערכת כימית. יתר על כן, ניטרונים חודרים מאוד וניתן להשתמש בו כמו בדיקות בלתי הרסניות ו ללימוד דגימות בסביבות מיוחדות, כאשר התרומה מהחומרים הנוספים להציב הקורה יכולה להיות רליבכשרון רב עבור נמדד ותיקן.
ניסויי פיזור אלסטי לספק מידע על המבנה והמורפולוגיה של מדגם. העוצמת המפוזרת נמדדת במרחב גומלין כפונקציה של Q העברת מומנטום, כאשר q = 4π / חטא λ Θ / 2, עם λ – אורך גל הנויטרונים ו Θ – זווית הפיזור; זה מתורגם אז אל חלל אמת באמצעות טרנספורמציה פורה הפוכה. לכן, ערכי Q גדולים להתייחס סולמות אורך קצרים, עם המתאמים בין-אטומיים נחקרו על ידי עקיפת ניטרונים קלסית (ND). בערכי Q קטנים, סולמות אורך גדולים יכולים להיחקר על ידי פיזור נייטרונים קטן-זווית (SANS). בדרך כלל, אחת או להרכבה סינטתית או מקרומולקולות טבעי בתמיסה, להמס, סרט, או דגימות בתפזורת מאופיינות על בקנה מידת אורך רחב, החל בגדלי ננומטר מיקרומטר, באמצעות היישום של SANS הקלסית סיכת הגומות ואת ultra-SANS (מבוסס על התמקדות או יחיד גביש diffractometry) טכניקות. עם זאת, השילוב של שיטות שונות או מתקנים השיג אפיון מבני שלם לפעמים קשה בגלל בעיות כגון זמין סכום של מדגם, יציבות של דגימות על לוחות זמנים ארוכים, שחזור של תופעות בתנאים התרמודינמית מיוחדים, ואת הניתוח המשותף של נתוני ניסוי שהושג גיאומטריות ניסויים שונות. יתר על כן, המחקרים העוסקים מבנים ושינויים מבניים מהר מאופיינים ברזולוציה מרחב או זמן גבוהים מאוד מאתגרים, הדורש setups הניסיון מאוד מיוחד. לכן, הפיתוח של מכשירי SANS תכליתיים מאוד, שבו גבולות יכולים להידחף אל מעבר בתצורה הטיפוסית בצורה נוחה מבחינה מעשית, הוא מועיל מפגש כל הדרישות המיוחדות של קהילת המשתמשים.
Diffractometer SANS KWS-2 (איור 1), המופעל על ידי J2; Lich המרכז של ניוטרון Science (JCNS) במרכז היינץ המאייר-לייבניץ (MLZ) ב Garching, במקור היו מכשיר SANS החריר קלסי מרוויח שטף ניטרונים גבוהים (איור 1 משלים) נמסר על ידי מקור ניטרוני FRM השני 1 ו מערכת המדריך הייעודית 2-4. לאחר שדרוגים חזרו, המכשיר היה מותאם עבור הבדיקה של מגוון רחב Q, בין 1×10 -4 ו -0.5 Å -1, מתן עוצמות ניטרונים גבוהים ברזולוציית מתכווננת. עם הזמינות של סביבות מדגם מסוימות והתקנים נלווים (טבלה 1), המכשיר יכול להיות מצויד ללמוד משנה רכה ומערכות biophysical מעל סולם אורך רחב, החל ננומטר עד מיקרומטר, באמצעות מדידות סטטי; גם הוא יכול לבצע חקירות זמן לפתור מבנים מורפולוגיות בשיווי משקל או המשנה את פניה בשל תהליכי קינטית, פורש על ציר הזמן רחב בין דקות ועשרות אלפיות השנייה. במצב עבודה קונבנציונאלי (איור 2 א), מגוון Q בין 7×10 -4 Å -1 ו -0.5 Å -1 יכול להיות מכוסה באמצעות וריאציה של המרחק מדגם אל גלאי ו / או אורך הגל. לכן, רמות מבניות ואפקטי המתאם בסולם אורך בין 10 א 'עד 9,000 יכולים להיבדק בחלל אמיתי (בהתאם הממד נחשב 2π / Q). הבחירה של אורך הגל, בין 4.5 ו -20 א ', באמצעות monochromator מכאני (בורר מהירות) המספקת התפשטות גל Δλ / λ = 20%, שינוי תנאי collimation (פתחי C וצמצם L אורך collimation, A C – צמצם הכניסה, בעקבות קטע מדריך הנויטרונים האחרון קורה, ו- A S – הצמצם המדגם, ממש מול המדגם) ושל D L מרחק זיהוי מתבצע באופן אוטומטי, באמצעות שליטה במחשב.
<p class = "jove_content"> שדרוגים ניכרו על העוצמת על המדגם, ברזולוציה המכשירה, מ 'ש העברת מומנטום המינימום, ואת האיתור המהיר בשיעורי ספירה גבוהים בטווח MHz בוצעו לאחרונה, במטרה להגביר את הביצועים המכשירים. במהלך תהליך זה, המכשיר היה מצויד עם תכונות נוספות.יש מסוק פעמים 5 דיסק עם פתחי חריץ משתנים (משלים איור 2) וזמן של טיסה (TOF) במצב רכישת נתונים. המסוק יכול להיות מופעל על מסוק f תדירות משתנה בין 10 הרץ ו 100 הרץ ו בפתיחות זוויתי של שני חלונות המסוק בין הזוויות של 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° על ידי שינוי המיקום של שני דיסקים עם כבוד זה לזה. השיפור ברזולוציה גל Δλ / λ מושגת על ידי קיצור זמן פתיחת τ מדריך נויטרונים w ידי decrהקלת Δφ ו / או הגדלת מסוק f. הפולסים וכתוצאה מכך רשמו על הגלאים נחצו מספר מתאים של ערוצי זמן תואמים τ w רוחב ו מאופיין Δλ / λ המכוון.
ישנם גם אלמנטים התמקדות עשוי מגנזיום פלואוריט MGF 2 עדשות פרבוליות 6 בקוטר של 50 מ"מ (איור 1). 26 MGF 2 עדשות מקובצות שלוש חבילות (4 + 6 + 16 עדשות) כי ניתן להעביר באופן עצמאי הקורה כדי להשיג תנאים התמקדות עם = λ באורכי גל שונים 7-20 Å. על מנת להגדיל את השידור על ידי הקטנת הפיזור על פונונים בחומר העדשה, העדשות נשמרות 70 K באמצעות מערכת קירור מיוחדת.
יש גלאי נצנץ רגיש מיקום משניים ברזולוציה גבוהה עם רזולוציה בעמדת 1 מ"מ ו 0.45 מ"מ פיקסל בגודל. הגלאיבדרך כלל ממוקם במגדל על החלק העליון של הטנק ואקום בכל D L מרחק קבוע = 17 מ 'ניתן להעביר אנכי או קטן של הקורה (איור 1). הגלאי הראשי חונה מיקום הסיום של הטנקים לעבר 20 מ ', בעוד הגלאי המשני מועבר הקורה כאשר חקירות ברזולוציה גבוהה (Q הנמוך) באמצעות עדשות מבוצעות 4,7. הגלאי המשני ממוקם נקודת מיקוד אחת של מערכת העדשה, בעוד צוהר כניסה קטן ב L C = 20 מ 'יהיה, במקרה זה, את המוקד האחר.
יש מערכת זיהוי ראשית חדשה שמורכבת מערך של 144 3 צינורות הוא (עם יעילות גלובלית לכל צינור של 85% עבור λ = 5 א) ו- מגדיר שטח השווה איתור פעיל כדי 0.9 מ '2 (איור 1). אלקטרוניקת הודעה מהירה חדשנית רכובה במקרה סגור על הישבן של מסגרת הצינור הוא 3 משפרת אתלקריאה מתוך מאפיינים ומפחית רעש רקע. המערכת החדשה שהחליפה את גלאי הנצנץ הישן (scintillator 6 Li ואת מערך של photomultipliers 8×8, איור 1) מאופיינת מתמיד מת-זמן יעיל של 25 NSEC ושיעור מהספירה הכוללת גבוה ככל 5 מגה-הרץ ב -10% dead- זמן פרופילים שטוחים. תכונות אלה הן בשל העובדה כי המערכת כוללת ערוצים עצמאיים פעלו במקביל, דבר המהווה יתרון על פני מערכות אשר לחוות מת בזמן לאחר אירוע. השיעור לספור הרבה יותר גבוה מקצר את זמני מדידה ולכן מגדיל את מספר ניסויים שניתן לבצע באותו פרק הזמן.
עם כל החידושים הללו, המכשיר הפך לכלי צדדי מאוד שיכולים מענה למגוון רחב של מחקרים מבניים על ידי הצעת מצבי עבודה מרובות (לוח 2) כי ניתן לבחור והשתמשו באופן ישיר וידידותי למשתמש. במצב בעצימות גבוהה (תרשים 2B), עד שנתי עשר פעמים הרווחות העוצם לעומת מצב החריר הקונבנציונלי עבור אותה הרזולוציה יכול להיות מושג עם עדשות על ידי הגדלת גודל המדגם. במצב ברזולוציה מתכונן עם רכישת נתוני מסוק TOF, אפיון המשופר של תכונות הפיזור בתוך טווחי Q שונים מופעל על ידי האפשרות לגוון את רזולוצית גל Δ λ / λ בין 2% לבין 20% 5. במצב ש -range המורחב (איור 2 ג), העדשות באמצעות ואת הגלאי ברזולוציה גבוהה משני, מ 'ש נמוך כמו 1 x 10 -4 Å -1 יכול להיות מושג, אשר, בשילוב עם מצב החריר, היתרים החקר בגדלים מעל סולם אורך רציף מן ננומטר למגוון מיקרון. השימוש מסוק לצמצום λ Δ / λ מספקת מאפייני קרן מדויק על ידי הימנעות תופעות הכבידה כרומטית ש"שen באמצעות עדשות. במצב בזמן האמת, על ידי ניצול בעצמה הגבוהה מפעילה חיצונית של רכישת נתונים על ידי סביבות מדגמות, ניתן לפתור שינויים מבניים עם רזולוציות זמן עד 50 msec. ידי שיפור הרזולוציה גל עד Δ λ / λ = 5% עם המסוק, החלטות זמן טוב כמו 2 msec יכול להתממש.
כאן, אנו מציגים בפירוט פרוטוקול כיצד ניסויים טיפוסיים נערכים על KWS-2 מצבי העבודה השונים שלה וכיצד מידע מבני מן הדגימות הנחקרות ניתן לקבל את הנתונים שנאספו באמצעות הפחתת נתונים. בהפגנה זו, נשתמש SANS לאפיין בכמה מידות של פתרונות חלקיק סטנדרטיים פתרון micellar פולימר אחד פערים מרוכז כדי להראות עד כמה גודל וסדר ניתן ללמוד על טווחים רחבים בצורה גמישה ויעילה עם KWS-2 במהלך אחד הפעלה ניסיונית. חלקיקים כדוריים פוליסטירן עם diffeבגדלים להשכרה (רדיוס של R = 150, 350, 500, 1,000, ו -4,000 א) ו polydispersity גודל של R σ 
8% מפוזרים בתמיסת מים (תערובת של 90% D 2 O ו -10% O H 2) בכל חלק נפח של 1%. Micelles נוצר על ידי קופולימרים C 28 H 57 -PEO5 diblock ב D 2 O בריכוז של 12% העלו שמבנה הורה.
Protocol
Representative Results
Discussion
חומר רך ומערכות biophysical מאופיינים בדרך כלל על ידי מתאמים מבניים ו microstructural בזו רמות והצורניות span סולם אורך רחב, החל ננומטר עד מיקרונים. כדי להבין את המנגנון של היווצרות והתפתחות של המורפולוגיה של מערכות כאלה ומערכת היחסים בין התכונות שלהם המיקרוסקופיות ומאפיינים מקרוסקופית, חשוב לחקור מייקרו שלהם על הסקאלה האורך ובתנאים סביבתיים רלוונטיים (למשל, טמפרטורה, לחץ, pH לחות, וכו '). בדרך כלל, קטן-זווית פיזור טכניקות עם נויטרונים (SANS) או synchrotron רנטגן (SAXS) מעורבים במחקרים כאלה. החסרון העוצם ניטרונים לעומת צילומי רנטגן synchrotron מפוצה על ידי השימוש גדול יחסית Δλ / λ, אשר עם זאת מוביל ההחרפה ברזולוציה אינסטרומנטלי. אף על פי כן, SANS מספק יתרונות ייחודיים בשל האפשרויות שמציעות contrוריאציה אס ', במיוחד בין איזוטופים של מימן. לכן, SANS היא שיטה ניסיונית המשמשת במיוחד בחקר מערכות חומר רכים biophysical, שלשם מספקת מידע מבני מורפולוגיים ייחודיים. רוב diffractometers SANS ברחבי העולם 21 עבודה על (איור 2 א) עקרון חריר, המאפשר ברזולוציה Q נמוך מכוון. באופן מעשי, כל diffractometers SANS גבוה השטף יש שטף מקסימאלי דומה בסדר גודל של 1 x 10 8 N סנטימטר -2 שניות -1. בהתבסס על החלטת הגל הרגועה, KWS-2 יש הוכפלו כמעט שטף 2, 4. לאחרונה, SANS מיוחד מאוד diffractometers הפכה מבצעית לשרת עם מאפיינים אופטימיזציה עבור טווח מסוים של יישומים, כגון עבור חקירות פיזור קטן מאוד וקטורי 22, 23. עם הנציבות מאוד האחרונות של diffractometers TOF-SANS המיוחד ב כורים יציבים 24 או spallation מקורות 25, 26, מגוון Q הדינמי גדל בצורה מסיבית בתוך הגדרת ניסוי נתונה וגמישות מוגברת ואופטימיזציה לגבי בחירת הרזולוציה ניסיון מוצעים. עבור diffractometer SANS KWS-2, רמה גבוהה של צדדיות וביצועים הנדרשים ללימודי מבניים ספציפיים מאוד בתחום משנה וביופיסיקה רכות מופעלת על מכשיר SANS קלסי אחר. אופטימיזציה, גמישות, וספונטניות בעיצוב ועריכת מחקרים מורכבים, כמו נתמכת על ידי הפרוטוקול המתואר, מושגת באמצעות השילוב של הפרמטרים של ניסוי אופטימיזציה (למשל, עוצם, בקנה מידת אורך, ברזולוצית שטח, ורזולוצית זמן) ואת המדגם המורכב סביבות. באמצעות מצבי עבודה המרובים המנויים במבוא ובתמיכת התוצאות המוצגות איורים 8-15, את KWS-2 מגביר בצורה פשוטה ומעשית את הביצועים של diffractometer SANS קלסיבכל מקור ניטרונים יציב (כור) מעבר לגבולות המקובלים של מכשירים כאלה.
פרוטוקול זה מציג את השלבים שמשתמש רגיל צריך לבצע כדי להגדיר ולנהל תוכנית ניסיונית פשוטה המערבת רק חקירת דגימות ב תנאי התרמודינמית הסביבה (טמפרטורה, לחץ, לחות יחסית) ובתנאים סטטיים (ללא קינטיקה של היווצרות מבנה או טרנספורמציה, לא גזירה או זרימה). בטמפרטורה מבוקרת מספר מחזיקים או סביבות מדגם מיוחדות (טבלת 1 משלים איור 19), כגון תאי לחץ, rheometers, או תאי לחות, זמינים וניתן להתקין בצורה אופטימלית ומותאם סיוע מיוחד מצוות המכשיר. פרוטוקול זה אינו מספק הוראות אודות ההגדרות ופקדים של ציוד כזה. ההגדרה וההפעלה של בקרים חיצוניים דורשות השימוש, אחר פרוטוקול מורכב יותר. פרוטוקול זה מציג אתבמקרה של עבודה עם תאי מדגם קוורץ של צורה מלבנית צרה (איור 3). עם זאת, מגוון רחב של גיאומטריות תא וסוגים (משלים איור 19) מוצע למשתמשים, על מנת לספק גמישות מוגברת ויעילות עורכי הניסויים. במקרה של שימוש בתאים כאלה, בפרוטוקול הנוכחי עשוי להיות מלווה עם התאמת הפרמטרים דנו בשלב 4.2.2. תוכנת שליטת המדידה פותחה כדי להציע למשתמשים גמישים בהשגת המטרות ואופטימיזציה המדעיות שלהם במבצע הטכני של המכשיר. כל יתר השינויים והתצורות של פונקציות מיוחדות מרכיבי המכשיר מתבצעים על ידי צוות המכשיר. המעורבות של המשתמשים המדעיים בתצורה, ההגדרה, והניצול של המכשיר היא פשוטה מוגבלת באופן ספציפי רק להיבטים אלה הנמצאים בקשר עם הסוגיות המדעיות של ההפעלה הניסיונית. שיתוףקבצי nfiguration מוגדרים-מראש על מנת לכסות את כל הנושאים הניסוייים מיוחדים, כגון הצבת מחזיקים מיוחדים הקורה, מיצוב מדגם הקורה (x קואורדינטות, y, Φ, ו ω על הבמה המדגמת, שולחן סיבוב, או עריסה ב משלים איור 5), את ההתאמה של עמדות גלאי הקרן-stop עבור אורכי גל שונים, התאמת פרמטרי המסוק (תדירות חלון פתיחה) עבור אורכי גל שונים, מרחקי זיהוי ופתרון מכוון, וכו 'כמו כן, הפרוטוקול הנוכחי אינו מתאר כיצד מצב בזמן אמת יכול לשמש על KWS-2. שימוש פרוטוקול מורכב יותר גם נדרש על מנת לבצע ניסויי SANS זמן נפתר.
יתר על כן, פרוטוקול זה מציג כיצד הנתונים שנמדדו ניתן לתקן עבור תרומות פיזור שונות ממכשיר והאסמכתאות מכוילים על מנת לקבל את differenti מדגםסעיף א פיזור צלב, dΣ / dΩ, המתבטא -1 ס"מ. כמות זו כוללת את המידע מבני מורפולוגיים כולו על המדגם ונמדדת על פני טווח רחב ש המקביל ל בקנה מידת אורך רחב, שעליו מתאמים מבניים-רמות גודל זה בזה מאפיין של המערכת נחקרת להופיע. חתך פיזור dΣ / dΩ ובכך מתייחס עוצמת נמדד בניסוי פיזור סטטי בזווית Θ, אני s = f (Θ) אל תכונות מבניות של המדגם.
להערכה dΣ / dΩ עבור מערכת של עניין, מלבד המדידה של המערכת, מדידות נוספות נדרשות על מנת לתקן את הנתונים עבור כל פיזור חיצוני (כלומר, סביבה, תא מדגם, פתרון ממס או חיץ במקרה של מערכות מומסות, וכו ') כדי לכייל את הנתונים הנכונים ביחידות מוחלטות <sup > 8. הרקע החיצוני (תא מדגם או מיכל), מדגם ההפניה (פתרונות ממסים או חיץ), משמעות דבר ששידור המדגם (דרושי רקע החיסור הנכון והכיול של התוצאות תיקן ביחידות מוחלטות), הרקע האלקטרוני של הגלאי, הגלאים רגישות (הומגניות יעילות גלאים כי טבוע לגלאי שטח), ואת המדגם הסטנדרטי המנורמל צריכות להימדד גם. עבור KWS-2, פרספקס (PMMA) משמש מדגם סטנדרטי. זהו תקן משני כביכול והוא מכויל מעת לעת נגד מדגם סטנדרט ראשוני, שהוא ונדיום. ונדיום מספק עוצמת מפוזרת מאוד חלשה ודורש פי מדידה ארוכה מאוד עבור איסוף הסטטיסטיקה המתאימה; ולכן, אין זה מעשי למטרות SANS. עוצמת שנאספו במדגם של S עניין שאני ומן מדגם סטנדרטי שאני סנט יכול לבוא לידי ביטוי באופן הבא:
t ">
[1] 
[2]
איפה אני 0 מייצג את העוצמת נכנסת (נמסרה על ידי מערכת collimation), t הוא העובי, A הוא האזור החשוף הקורה, T הוא השידור, Δ ψ הוא הזווית המוצקה שבו תא זיהוי נתפסת מן מיקום מדגם. אם הן מדגם ורמה נמדדים באותם תנאים ביחס הקורה הנכנס (כלומר, L C, A C ו- A S, ו λ ו Δ λ / λ), I 0 ו- A זהה ואת הזווית מרחבית היא מבוטא D D / L (עם D המייצג את האזור של תא זיהוי). על ידי חלוקת שני היחסים, פיזור צולבות sectiעל המדגם מתקבל:
[3]
איפה אני סנט מתבטא כממוצע (התקן כמערכת פיזור מבולבלת מספק דפוס פיזור שטוח). אני S מתקבל לאחר התיקון עוצם המדודה של המדגם בתא (מיכל) ביחס לתרומה של התא הריק ואני ECell והרקע על הגלאי עבור הקרן הסגורה, אני B. גורם t סנט T סנט (dΣ / dΩ) סנט, אשר מכילה את פיזור פרמטרים פיסיים של המדגם הסטנדרטי, תלוי λ אורך גל ניטרונים, והוא בדרך כלל ידוע מן הכיול של המדגם הסטנדרטי. לכן, זה נספר בהפחתת תוכנת נתוני 4. הפרמטרים וכמויות ב EQ. 3 כי ידועים כיול procedures ואת ההגדרה של הגדרת הניסוי (t S, D L) מהווים את k גורם כיול שנקרא. עוצמות ואת S T שידור המדגם המופיעים Eq. יש למדוד 3. תכנית ניתוח נתוני qtiKWS מאפשרת תיקון, כיול המיצוע הרדיאלי של נתוני הניסוי והשיג dΣ / dΩ עבור הדגימות נחקרו במצב עבודה גמיש צדדי. התוצאות הסופיות שנוצרו עם תוכנת qtiKWS מוצגות שולחנות עם ארבע עמודות: Q, אני, Δ לי, Δσ איפה אני מייצג dΣ / dΩ ו Δσ הוא הרזולוציה ש 5.
מנקודת מבט מעשית, עם KWS-2, SANS בשילוב וחקירות USANS יכול להתבצע, עם יתרון כי הגיאומטריה מדגם והתנאים התרמודינמית נשארים קבועים. מורפולוגיות גדולות המראות multהרמות המבניות iple הפורשים אורך בקנה מידה רחב מן ננומטר עד מיקרומטר גדלים יכולות להיחקר בצורה ישירה, כפי שמוצגות באיור 12. מלבד C R הגבול מבני בקנה המידה הקטנה שנצפה עקומת הפיזור נמדדה במצב החריר הקונבנציונלי, על ידי הפעלת עדשות הגלאים ברזולוציה הגבוהה, ה- C L גבול מבני בקנה המידה הגדולה של מיצלות ליבה-פגז גליליים נוצר על ידי פולי – (תחמוצת hexylene-שיתוף אתילן-אוקסיד) קופולימר PHO10k-PEO10k diblock (protonated מלא) ב D 2 O 14 יכול להיבחן בערכים Q נמוך מאוד במצב עבודה Q -range המורחבת. מיצלות הגלילית מאופייני עובי כולל של כ -300 ובאורך של כ -7,000 A, כפי שעולה את ההתאמה של תוצאות הניסוי עם גלילי ליבה-פגז form-factor 9,14. לכן, השפעות מסוימות רגישות כגון ג'לים טרמו תגובה או היווצרות וצמיחה של גבישקו או מורפולוגיה גבישים חלקיים ניתן לחקור באופן חד משמעי עם KWS-2, בניגוד לגישה הקלסית של מעורב שתיים או יותר מכשירים שונים גיאומטריות מדגמות.
כמוצג באיור 11, בקורלציה מערכות והורה מבנים ניתן ללמוד עם החלטות מותאמות בצורה מאוד גמישה, מבלי לבזבז זמן ומאמץ על ההתקנה של מערכות monochromatization מורכבות, אשר היו כרוכות בהיבטי טיפול ובטיחות נוספים. יתר על כן, על ידי מעורבי המסוק ואת מצב רכישת TOF נתונים, מערכות משנה רכה monodisperse או קומפלקסים עם polydispersity גודל הנמוך ניתן לאפיין מאוד דווקא עדיין גבוהה עוצמים 5.
המניעות שנוצרו על ידי הפיזור החלש עקב שימוש במערכות פערים מדוללים או תנאים בניגוד שליליים ניתן להתגבר על ידי השימוש בעוצמות אפילו גבוהות יותר בהתאם לגודל הקורה הגדול על המדגם, תוך שמירה עלרזולוציה. איור 13 א מדווחת על דפוסי פיזור חלקיקים קלקר של רדיוס R = 150, נמדד במצב בעוצמה גבוהה באמצעות עדשות בגודל קרן ריבועית בשיעורים שבין 10 מ"מ x 10 מ"מ, גודל אופייני בשימוש במצב חריר קונבנציונאלי , ו 30 מ"מ x 30 מ"מ. בנוסף, התוצאה ממדידה עם מ"מ 50 קרן עגול בקוטר (גודל עדשה מלא) מוצגת. במקביל, התוצאה המנורמלת שהושגה במצב החריר הקונבנציונלי מוצגת. באמצעות 26 עדשות עם נויטרונים של λ = 7 ואת גודל הצמצם אותו בכניסה A C ובאשר למצב חריר קונבנציונאלי (איור 2 ב), רווח בעוצמה על מדגם של כ -12 פעמים מתקבל תוך שמירה על גודל קרן קבועה (רזולוציה על גלאי), כפי שמוצג באיור 13 ב-ג. מערכת 27-העדשה יש שידור של כ -32% בטמפרטורת הסביבה. התקרר לטמפרטורה של 50 K, מגדילה שידור העדשה עקבהדיכוי ומתפזר על פונונים בחומר העדשה. המערכת של 26 עדשות פרבוליות יש שידור של כ -65% על גודל קרן סבב 50 מ"מ, כאשר הקורה עובר כל נפח של העדשה, ושל כ -92% על גודל קרן ריבועית של 10 מ"מ x 10 מ"מ , כאשר החומר מאוד כמות עדשה יחידה נשארת הקורה. המצב בעצמה גבוהה עם עדשות מציע הטבות במקרה של פיזור חלש כי הוא נתקל בדרך כלל ממרחק איתור גדול הוא בעייתי במיוחד במקרה של תנאים בניגוד חלשים. בנוסף, כאשר המדגם הוא יציב רק על פני תקופה קצרה של פעמים, השימוש במצב זה מהווה יתרון ברור, כפי שעולה במקום אחר 15.
מצד השני, במקרה של מערכות ביולוגיות, כרכי מדגם קטנים זמינים בדרך כלל עבור ניסויים. מולקולות ביולוגיות קטנות בתנאים פיסיולוגיים עם בגדלים של כמה ננומטרים לספק אותות פיזור חלשים מעל הדומיnant פיזור מן פתרונות החיץ. אותות כאלה ניתן למדוד עם KWS-2, מרוויחה בעוצמה גבוהה של המכשיר בהגדרות ברזולוציה נמוכה של מצב חריר, באמצעות collimation קצר אורכי L C = 2 מ 'או 4 מ' וזיהוי קצר מרחיק L D = 1 מ ', 2 מ', או 4 מ '. איור 14 מציג את דפוסי הפיזור מחלבון עמילואיד בטא (Aβ 1-42, M W = 4.5 KDA) מונומרים ב hexafluoroisopropanol deuterated dHFIP, כפי שנתקבל לאחר התיקון עבור אות הפיזור מתוך המאגר יושם. התאמת מודל של הנתונים נישא גודל מונומר של כ -16 ± 1 16. זמן מדידה ארוך של כמה שעות עבור כל תנאי ניסוי (D L זיהוי מרחק וסוג מדגם) היה מעורב, אם כי המדידות בוצעו במרחקי זיהוי קצרים. הגלאי הישן, אשר הוכיח מגבלות לגבי קצב הספירה, הפריע שימוש מרחקי collimation קצריםL C, ומכאן השימוש של השטף המקסימאלי של המכשיר. עם הוועדה של מערכת זיהוי החדשה המאפשרת שימוש שטף ניטרונים המלא, בעוצמות חלשות כאלה תימדדנה זמנים קצרים יותר ועם סטטיסטיקת משופרת בעתיד.
לבסוף, גירויים רגיש ההשפעות ניתן ללמוד באופן גמיש וקל על ידי שימוש בציוד עזר מיוחד של KWS-2. דוגמה לכך היא דיווחה באיור 15, אשר מציג את דפוסי SANS מחלבון ליזוזים במאגר D 2 O מתוך המאגר שנאסף בלחצים שונים. תשומת לב מיוחדת הוקדשה לחקירה ברקע והפיזור קדימה מן המולקולות ליזוזים, בשימוש במבחן הביצועים של התא לחץ החדש שהיא מייצרת בייצור עצמי על ידי ביצוע עיצוב נעשה על ידי PSI, שוויץ. התוצאות היו דומות לאלו שהושגו על ידי Kohlbrecher et al. במחקר דומה לבחון את מודל תא לחץ המקורי נבנה17, 18. עם KWS-2, נתונים נוספים כבר נרכשו מאז בלחץ של הבר 5,000 הושג. אבולוציה של עוצמת מפוזרים קדימה מן החלבון בעקבות התנהגות ליניארית, כפי שנצפה במחקר ב- PSI, 18 בשוויץ.
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).
