Studying Soft-matter and Biological Systems over a Wide Length-scale from Nanometer and Micrometer Sizes at the Small-angle Neutron Diffractometer KWS-2

Aurel Radulescu; Noemi Kinga Szekely; Marie-Sousai Appavou; Vitaliy Pipich; Thomas Kohnke; Vladimir Ossovyi; Simon Staringer; Gerald J. Schneider; Matthias Amann; Bo Zhang-Haagen; Georg Brandl; Matthias Drochner; Ralf Engels; Romuald Hanslik; G&#252;nter Kemmerling

doi:10.3791/54639

JoVE Journal > Bioengineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Bioengineering

Изучение Soft-материи и биологических систем в широком масштабе длины от нанометра и микрометра Размеры на малоуглового нейтронного дифрактометра KWS-2

Published: December 08, 2016

doi:

10.3791/54639

Aurel Radulescu¹, Noemi Kinga Szekely¹, Marie-Sousai Appavou¹, Vitaliy Pipich¹, Thomas Kohnke¹, Vladimir Ossovyi¹, Simon Staringer¹, Gerald J. Schneider², Matthias Amann³, Bo Zhang-Haagen³, Georg Brandl¹, Matthias Drochner⁴, Ralf Engels⁴, Romuald Hanslik⁵, Günter Kemmerling¹

¹Jülich Centre for Neutron Science Outstation at MLZ,Forschungszentrum Jülich GmbH, ²Department of Chemistry,Louisiana State University, ³Jülich Centre for Neutron Science JCNS-1 & Institute of Complex Systems ICS-1,Forschungszentrum Jülich GmbH, ⁴Central Institute of Engineering, Electronics and Analytics — Electronic Systems (ZEA-2),Forschungszentrum Jülich GmbH, ⁵Central Institute of Engineering, Electronics and Analytics — Engineering and Technology (ZEA-1),Forschungszentrum Jülich GmbH

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

KWS-2 SANS дифрактометр посвящена исследованию мягкой материи и биофизических систем, охватывающих широкий масштаб длины, от нм до мкм. Прибор оптимизирован для исследования широкого спектра передаваемого импульса Q между 1×10 ^-4 и 0,5 Å ^-1, комбинируя классическую крошечное отверстие, фокусировка (с линзами), и время пролета (с прерывателем) методами, одновременно обеспечивая высокий -neutron интенсивности с регулируемым разрешением. Из-за своей способности регулировать интенсивность и разрешение в широких пределах в ходе эксперимента, в сочетании с возможностью оснащения конкретных условий образцов и вспомогательных устройств, то KWS-2 демонстрирует высокую гибкость в решении широкого спектра структурных и морфологических исследований в поле. Равновесные структуры могут быть изучены в статических измерениях, в то время как динамические и кинетические процессы могут быть исследованы в течение временных масштабах от минут до десятков миллисекунддах с временным разрешением подходов. Типичные системы, которые исследованные с крышкой KWS-2 диапазон от сложных, иерархических систем , которые демонстрируют несколько структурных уровней (например, гели, сети, или макро-агрегатов) для малых и слабо рассеивающих систем (например, отдельных полимеров или белков в решение). Недавнее обновление системы обнаружения, что позволяет обнаруживать скорости счета в диапазоне МГц, открывает новые возможности для изучения даже очень малые биологические морфологию в буферном растворе со слабыми сигналами рассеяния , близких к уровню рассеяния буфера при высоких Q.

В этой статье мы приводим протокол для исследования образцов с характерными уровнями размерного охватывающих широкий масштаб длины и проявляющие упорядочения в МЕЗОМАСШТАБНОМ структуры с использованием KWS-2. Мы представляем в деталях, как использовать несколько рабочих режимов, которые предлагаются инструментом и уровнем производительности, что достигается.

Introduction

Мягкие и биологические материалы показывают богатое разнообразие морфологией, которые характеризуются такими функциями, как самоорганизации и самосборки элементарных единиц до больших, сложных агрегатов. Они также показывают, кооперативное взаимодействие с большим числом степеней свободы; слабое взаимодействие между структурными единицами, и, таким образом, высокая чувствительность к внешним полям; и пространственно-временные корреляции, которые могут охватывать широкий диапазон, от нанометров до миллиметров и от наносекунд до нескольких дней. Из-за большого диапазона соответствующего длина- и временных рамок, экспериментальная характеристика свойств этих материалов являются очень сложной задачей. Рассеивающие методы с нейтронами играют важную роль в изучении структуры, динамики и термодинамические свойства таких сложных систем. Как уникальные зонды, нейтроны обладают преимуществом различных взаимодействий между ¹ H и ² H (дейтерий, D) изотопов водорода. Большой различаютсяENCE в когерентной плотности длины рассеяния между водородом и дейтерием представляет основе изменения контраста и сопоставления контраста методов. Поскольку большая часть мягкого вещества и биологические системы состоят из углеводородов, водорода / дейтерия (H / D) замена дает возможность варьировать плотность когерентного рассеяния длины соединения в широком диапазоне. С помощью этой техники, выбранные компоненты в сложной системе могут быть помечены изотопного обмена. В зависимости от контраста квадрату разности между ее плотностью длины рассеяния и у других компонентов выбранных компонентов или регионов в сложной мягкой материи или биофизической морфологии можно сделать видимыми или невидимыми в эксперименте рассеяния без химического изменения системы. Кроме того, нейтроны с высокой проникающей и могут быть использованы в качестве неразрушающих зондов и для изучения образцов в специальных средах, где вклад от дополнительных материалов, размещенных в пучке может быть RELIумело измеряется и корректируется на.

Эластичные эксперименты по рассеянию обеспечивают информацию о структуре и морфологии образца. Интенсивность рассеянного света измеряется в обратном пространстве в зависимости от переданного импульса Q, где Q = 4π / λ грех Θ / 2, с А – длина волны нейтронов и ^ О – угол рассеяния; это затем транслируется в реальном пространстве с помощью обратного преобразования Фурье. Таким образом, большие значения Q относятся к коротких масштабах длины, с межатомных корреляций , расследованных классической нейтронной дифракции (ND). При малых значениях Q, большие масштабы длины могут быть исследованы с помощью малоуглового рассеяния нейтронов (SANS). Как правило, одиночные или сборки синтетических или натуральных макромолекул в растворе, расплаве, пленки или объемные образцы характеризуются более широким масштабом длины, от нанометровых размеров и микрометра, с помощью применения классических SANS точечную и и-LTRA-SANS (основано на фокусирование или дифрактометрии монокристаллических) методов. Тем не менее, сочетание различных методов и средств для достижения полной структурной характеристики иногда бывает трудно из-за проблем, таких как доступного количества образца, стабильность образцов в течение длительных периодов времени, воспроизводимости эффектов в специальных термодинамических условиях, и совместного анализа экспериментальных данных полученные в различных экспериментальных геометрий. Кроме того, исследования, которые имеют дело со структурами и быстрых структурных изменений, которые характеризуются высоким пространственным или временным разрешением являются весьма сложной задачей, требующей очень специальных экспериментальных установок. Таким образом, развитие многофункциональных инструментов SANS, где пределы могут быть сдвинуты за рамки типичной конфигурации легко и практически таким образом, является полезным для встречи все специальные требования от сообщества пользователей.

SANS дифрактометр KWS-2 (рис 1), которым управляет J2; лич центр нейтронной науки (JCNS) на Хайнца Майера-Лейбница Центра (MLZ) в Гархинге, первоначально был классическим точечным SANS инструментом выгоду от потока высокой нейтронов (Дополнительный рисунок 1) , подаваемое источником нейтронов FRM II ¹ и выделенная направляющая система ^2-4. После неоднократных модернизаций, инструмент был оптимизирован для исследования широкого диапазона Q, между 1×10 ^-4 и 0,5 Å ^-1, обеспечивая высокую интенсивность нейтронов и регулируемое разрешение. При наличии специфических условий образцов и вспомогательных устройств (таблица 1), прибор может быть оборудован для изучения мягкой материи и биофизических систем в широком масштабе длины, от нм до мкм, с помощью статических измерений; он также может выполнять времяразрешенные исследования структур и морфологией при равновесии или при преобразовании из-за кинетических процессов, охватывающих широкий масштаб времени между минутами и десяткамимиллисекунды. В обычном рабочем режиме (Рисунок 2A), диапазон Q между 7х10 ^-4 A ^-1 и 0,5 Å ^-1 может быть покрыта за счет изменения расстояния выборки к детектору и / или длины волны. Таким образом, структурные уровни и эффекты корреляции по шкале длиной от 10 Å до 9000 Å могут быть проверены в реальном пространстве (где размерность рассматривается как 2л / Q). Выбор длины волны, между 4,5 Å и 20 Å, с использованием механического монохроматора (селектор скоростей) , что обеспечивает разброс по длине волны Δλ / λ = 20%, изменение условий коллимации (коллимации длина L _C и диафрагмы отверстия, A _C – входное отверстие, после последнего нейтроноводной сегмента в пучке, а _S – образец диафрагмы, только в передней части образца) и обнаружения расстояния L _D выполняются автоматически, с помощью компьютерного управления.

<p class = "jove_content"> Значительные обновления по интенсивности на образце, разрешение прибора, минимальная передача импульса Q _м, и быстрое обнаружение при высоких скоростях счета в диапазоне МГц были проведены в последнее время , с целью повышения производительности инструмента. В ходе этого процесса, прибор был оснащен дополнительными функциями.

Существует двойной дисковый измельчитель ⁵ с переменными отверстиями щели (Дополнительный рисунок 2) и времени пролета (TOF) режиме сбора данных. Измельчитель может работать при различной частоте ф _{измельчитель} от 10 Гц до 100 Гц , а в угловых отверстиях двух измельчитель окнах , расположенных между углами 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° путем изменения положения изображения на двух дисков относительно друг друга. Улучшение разрешения длины волны ДЛ / Л достигается за счет сокращения времени открытия нейтроноводной т _ш по ОВЦСослабление ДФ и / или увеличения ф _{измельчитель.} Результирующие импульсы , записанные на детекторе разделены на соответствующее количество временных каналов , которые соответствуют т _W в ширину и характеризуются прицельного ДЛ / Л.

Есть также фокусирующие элементы , изготовленные из флюорита магния MgF ₂ параболические линзы ⁶ с диаметром 50 мм (рисунок 1). 26 MgF ₂ линзы сгруппированы в три пакета (4 + 6 + 16 линз) , которые могут перемещаться независимо друг от друга в пучке , чтобы достичь условий фокусировки с различными длинами волн l = 7-20 Å. Для увеличения передачи за счет уменьшения рассеяния на фононов в материале линзы, линзы выдерживают при 70 К с использованием специальной системы охлаждения.

Существует второй с высокой разрешающей способностью позиционно-чувствительный детектор с мерцаний дискретности 1 мм и 0,45 мм пиксель размером. детекторкак правило , помещают в башне на верхней части вакуумного резервуара на фиксированном расстоянии L _D = 17 м и может быть вертикально перемещается в или из пучка (рисунок 1). Основной детектор находится на стоянке в конечном положении резервуара на 20 м, в то время как вторичный датчик перемещается в пучке , когда исследования высокого разрешения (низкий Q) с использованием линз, выполняются ^4,7. Вторичный детектор размещен в одной фокальной точке системы линз, в то время как небольшое входное отверстие при L _C = 20 м будет, в этом случае, в другой фокальной точке.

Существует новая основная система обнаружения , которая состоит из массива 144 ³ He трубок (с глобальной эффективности на трубке 85% при = 5 Å) и определяет активную область обнаружения , эквивалентную 0,9 м ² (рисунок 1). Innovative быстрые электроники считывания , смонтированные в закрытом корпусе на задней стороне рамы трубки ³ He улучшаетсчитывание характеристики и уменьшает фоновый шум. Новая система , которая заменила старую сцинтилляционный детектор ⁽⁶ Li сцинтиллятора и массив 8х8 ФЭУ, рис 1) характеризуется эффективной мертвой постоянной времени 25 нс и общая скорость счета достигает 5 МГц при 10% мертвую зону время для плоских профилей. Эти особенности в связи с тем, что система содержит независимые каналы работают параллельно, что является преимуществом по сравнению с системами, которые испытывают мертвое время после того, как событие. Намного выше скорости счета укорачивает измерения времени и, следовательно, увеличивает число экспериментов, которые могут быть выполнены в тот же период времени.

С учетом всех этих новшеств, прибор стал очень универсальным инструментом , который может охватывать широкий круг структурных исследований, предлагая несколько режимов работы (таблица 2) , которые могут быть выбраны и использованы в прямой и удобной для пользователя форме. В режиме высокой интенсивности (Фигура 2В), до двенадцати раз усиление интенсивности по сравнению с обычным режимом обскура для того же разрешения может быть достигнуто с помощью линзы с увеличением размера пробы. В режиме перестраиваемой разрешения с прерывателем и данных TOF приобретения, улучшенная характеристика особенностей рассеяния в пределах различных диапазонов Q включены возможностью изменять разрешение по длине волны Δ λ / Л от 2% до 20% ^5. В режиме расширенного Q – диапазона (рис 2C), с помощью линз и вторичного детектора высокого разрешения, ватной _м по цене от 1 × 10 ^-4 A ^-1 может быть достигнуто, что, в сочетании с точечным отверстием режима, разрешений исследование размеров по непрерывной шкале длиной от нм до микронного диапазона. Использование измельчителя для сужения Д Л / λ обеспечивает точные характеристики луча, избегая гравитации и хроматические эффекты Whан с помощью линз. В режиме реального времени, за счет использования высокой интенсивности и внешнее включение сбора данных с помощью выборочных средах, структурные изменения могут быть решены с временным разрешением вплоть до 50 мс. Улучшая разрешение длины волны вплоть до А Л / Л = 5% с измельчителем, временным разрешением , как хорошо , как 2 мс может быть реализован.

Здесь мы приводим подробно протокол о том, как типичный эксперименты проводятся на KWS-2 в его различных режимах работы, и, как структурную информацию из исследуемых образцов могут быть получены из собранных данных путем сокращения данных. В этой демонстрации, мы будем использовать SANS характеризовать несколько размеров стандартных растворов частиц и один высоко концентрированного раствора полимера мицеллярный для того, чтобы показать, как размер и порядок может быть изучен в широком диапазоне гибким и эффективным способом с KWS-2 во время одна экспериментальная сессия. Полистирол сферические частицы с сиситемахаренда размеры (радиусы R = 150, 350, 500, 1000 и 4000 Å) и размер полидисперсности сг _R 8% диспергируют в водном растворе (смесь 90% D ₂ O и 10% H ₂ O) при объемной доле 1%. Мицеллы , образуемые С ₂₈ Н ₅₇ -PEO5 диблоксополимеров в D ₂ O при концентрации 12% показывают упорядоченную структуру.

Protocol

1. Загрузка образцовых клеток Дисперсные полистирольных сферических частиц с различными размерами (радиусами R = 150, 350, 500, 1000, и 4000 Å) и размер полидисперсности сг R 8% в водном растворе (смесь 90% D 2 O и 10% H 2 O) при объемной доле 1%. Перенесите шесть растворов частиц полистирола в D 2 O / H 2 O, раствор C 28 H 57 -PEO5 в D 2 O и D 2 O / H 2 O и D 2 O растворители для кварцевых клеток (рис 3 ) с помощью пипетки Пастера. Заполните каждый из кварцевых кюветах до шеи. Закройте кварцевые клетки с их пробками. Примечание: Операция заполнения кварцевых кюветах с образцами, должны быть проведены в лаборатории подготовки проб из FRM II путем соблюдения особых условий работы, определенных там. InstaЛ.Л. заполненные кварцевые клетки в Аль-картриджей держателя образца (рис 3). Поместите каждую заполненную кварцевую ячейку в полости картриджа и проверьте, является ли кварцевая ячейка заполнена достаточным количеством образца путем определения того, полностью охватывает образец оконный проем в картридже, который предусмотрен для нейтронов. Поместите коррекцию и стандартные образцы (пустой кварцевой кювете, бором карбидный пластину, а пластина из плексигласа) в дополнительных местах на картридже и оставить одно место свободное для измерения пустого луча. Накройте картридж с компакт – диском с покрытием из Al-накладками (рисунок 3) с помощью болтов (M3x5). Закрепите картридж на Аль-рамке держателя образца с помощью специальных винтов Al (Рисунок 4). 2. Позиционирование образца держатель / образец окружающей среды на стадии образца Определите необходимое пространство в положении образца держателя образца путем корректировкидлина коллимационной носа (рисунок 5). Выберите подходящую конфигурацию для держателя образца из сохраненных конфигураций в системе управления носом коллимации. Установите соответствующий образец среды держатель / образец на стадии образца в заданном положении на оптическом макете с помощью винтов с внутренним шестигранником, M6x40 (рисунок 6). Закройте моторизованные раздвижная дверь ведущую (рисунок 5) с помощью ручек на его внешней стороне, держа ручки управления активируется , пока дверь не достигнет конечного положения, которое будет назначаться световым сигналом. Внимание: Без двери полностью закрытой и конечный выключатель активирован, затвор луч не может быть открыт, либо вручную, либо с помощью программного обеспечения управления измерением; программное обеспечение измерения потребует дополнительной проверки для устранения этой проблемы, прежде чем начать измерение. 3. Планирование экспериментов Выберите adequели экспериментальную конфигурацию и режим для проведения исследования в диапазоне Q , который подходит для длины масштаба структур и корреляционных эффектов , выявленных образца. Проверьте динамический диапазон инструмента 4 (рисунок 7 и таблица 2). Выберите адекватную экспериментальную конфигурацию и режим для обеспечения надлежащей интенсивности на образце на основе оцененного уровня интенсивности рассеянного, зная приблизительный коэффициент размера, концентрации и контрастности , которые характеризуют образцы , которые будут исследованы 8. Это делается для того, чтобы оптимизировать время измерения для целевой измеряемой статистики и чтобы соответствовать стабильности образца в случае образцов с коротким временем стабильности. Проверьте карту интенсивности для различных экспериментальных конфигураций 4 (Дополнительный рисунок 1 и таблица 2). Выберите адекватную экспериментальную конфигурацию и режимдля обеспечения надлежащего разрешения на основе приблизительного знания о степени полидисперсности размера и концентрации рассеивающих объектов в образце 8. Это делается для того, чтобы дать разрешение тонких особенностей рассеяния, которые происходят из-за упорядочения эффектов в образце. Проверьте возможность настройки разрешения 5 длин волн (таблица 2). 4. Подготовка измерительного программного обеспечения и проведения и Визуализируя эксперимента Запустите программу измерения, введя KWS2TC в окне терминала на компьютере управления измерением в KWS-2 инструмента для активации главного меню (Дополнительный рисунок 3). Используйте левую набор функций, чтобы определить элементарные положения двигателя (Конфигурация), чтобы выбрать образцы и условия установки (определение), чтобы начать измерение и контролировать все двигатели (контроль), а также контролировать фактическоеДетектор (Live-Display). Выберите функцию настройки в главном меню, чтобы активировать меню kws2-Configuration (Дополнительный рисунок 4) , чтобы определить пользовательские данные и настройки элементарные позиции двигателя и заданных значений для устройств и полей на образце. Выберите функцию UserData (Дополнительный рисунок 4) и заполнить поля Имя пользователя, адрес электронной почты, первая часть имени файла, и измерение комментарий в меню данных пользователя (просмотр / редактирование). Выйдите из меню, нажав кнопку Сохранить. Внимание: Не используйте специальные символы, как @, $,%, и т.д., для префикса имени файла. Избегайте использования специальных символов во всей экспериментальной процедуры. Выберите функцию Sample (Дополнительный рисунок 4), чтобы активировать меню конфигурации образца (Дополнительный рисунок 4). Заполните поля заголовка Образец, Образец оконный брус – размер, толщина образца, и комментарий для каждого SAMPLе и положение, выбранное из левого вертикального списка меню. Сохраните каждый пример конфигурации после завершения определения. Выйдите из меню, нажав кнопку Закрыть. Сохраните все конфигурации под функцией File в верхнем наборе функций в меню Конфигурация. Выберите функцию определения в главном меню (Дополнительный рисунок 3), чтобы активировать меню kws2 Definition (Дополнительный рисунок 5) определить экспериментальную установку и программу измерений. Выберите функцию образца для активации меню выбора образцов (Дополнительный рисунок 5). Выберите двенадцать образцов , которые должны быть измерены (как показано на рисунке 3) из списка известных образцов в левом вертикальном поле и переместить их в поле отобранных образцов , используя голубую стрелку. Заказать список отобранных образцов, используя синие вертикальные стрелки. Проверьте образец рarameters и изменить название, толщина и комментарий, если это необходимо. Выйдите из меню, нажав кнопку Сохранить или Закрыть. Выберите функцию детектора , чтобы активировать Определение меню измерений (Дополнительный рисунок 6). Выберите статический тип измерения, выбрав стандарт в области измерения. В области Конечные условия, выберите правильную единицу времени для измерения времени поля. В области Select Detector и Коллимация Расстояния, выберите экспериментальную установку и режим работы, выбирая соответствующие значения для длины волны (Селектор поля), расстояние обнаружения (детектор Расстояние поле), режим сбора данных (TOF поле), направленное разрешение длины волны (DLambda / лямбда-поле), время измерения (поле Time), конфигурация линз (поле линзы) и коллимации расстояние (коллимация расстояние поле). Нажмите кнопку Создать после того, как одна конфигурация полностью определяется для того чтобы исправить его и хранить его в ИоWER стол. Определить следующую конфигурацию и не храните его подобным образом , пока весь набор конфигураций (Дополнительный рисунок 6) завершается. Нажмите Сохранить или Закрыть в определении меню измерения, когда корректировка экспериментальной установки и режимов работы закончена. Сортировка списка измерений в соответствии с тремя петлями (сортировка условий) , показанных в нижней части меню , которое генерируется программой (Дополнительный рисунок 7). Удалите измерения, которые не желательны, пометив соответствующую строку и нажав на кнопку "X", помеченные красным цветом. Отрегулируйте время измерения для каждого измерения по желанию, проверяя общее время измерения определяется в центральном поле, отмеченные красным цветом, в меню kws2 Определение, которое всегда остается активным на экране. Оставьте меню с помощью Сохранить или закрыть и вернуться в меню kws2 Definition (Дополнительный рисунок 5). Закройте kws2 Определениеменю и возврата в главное меню (Дополнительный рисунок 3). Выберите функцию управления в главном меню программы измерения KWS2 (Дополнительный рисунок 3), чтобы активировать меню управления измерения (Дополнительный рисунок 8). Войти с именем пользователя и паролем, которые будут сообщенной приборном ученого и заблокировать сессию для генерации сценария, который будет выполнять команды загружаемой программы измерений. Выберите Loop Definition, чтобы проверить загруженную программу измерений. Нажмите кнопку Пуск и отвечать на вопросы, генерируемые программой о фактическом состоянии двери положения образца и луча затвора. Программа измерений будет запущена. Выберите текущих значений для того, чтобы дать возможность визуализации текущего измерения (позиции двигателей и состояния компонентов инструмента, скорость счета, и evolutioп интегральной интенсивности во времени). Примечание: интегральная интенсивность на детекторе и скорости счета детектора и мониторов представлены и могут быть использованы для изменения программы измерений, либо индивидуально, либо полноту набора измерений. Разрешить измерения было проведено и завершено в соответствии с определенной программой измерения. Примечание: Измерения могут быть прерваны или остановлен путем активации функции Stop и выбрать нужную опцию (продолжить, чтобы остановить измерение тока с или без сохранения файла, или остановить всю программу), когда интегральная интенсивность собраны с точностью до определенный момент времени считается достаточным или когда отказы определены в последовательности измерений. Генерирование логбук измерения сессии, нажав на кнопку Печать в опции Определения Loop (Дополнительный рисунок 8) , когда заданная программа измерений была остановлена или компleted. Выберите Live-Display в главном меню программы измерения KWS2 (Дополнительный рисунок 3) для того , чтобы активировать интерфейс KWSlive_MainWindow (Дополнительный рисунок 9). На экране Тип выберите либо GEDET или PSD для визуализации данных, собранных с основной или вторичной (с высокой разрешающей способностью) детектора, соответственно. Выберите режим визуализации в режиме отображения, выбрав трехмерный (поверхности), двумерная (контур), или режим одномерный (средний радиальная). Введите параметры участок (линейный или логарифмический масштаб) и значения параметров (длина волны и обнаружение расстояния L D) в области меню средних параметров Radial для того , чтобы дать представление данных как интенсивность п (корректировали) по сравнению с Q. Выберите нужный TOF-канал для визуализации данных, собранных в режиме TOF (с основной или вторичной детектора). 5. Анализ данных Запустите программное обеспечение для обработки данных, введя команду qtiKWS в терминальном окне анализа данных компьютера от KWS-2 инструмента. Выберите опцию Новый скрипт на правой стороне главного интерфейса. Выберите опцию DAN в меню верхние функции основного интерфейса (Дополнительный рисунок 10), чтобы активировать функции анализа данных. Выберите инструмент KWS-2 из опций меню правой стороны, чтобы активировать режим анализа данных для данных, измеренных на KWS-2 с использованием главного детектора. Определите папку, в которой измеренные данные файлы расположены и где исправленные файлы данных будут сохранены. Выберите опцию Tools и активировать функцию заголовка (ы) в меню правой стороны (Дополнительный рисунок 11) и сгенерировать инфо-таблицу, содержащую файлы , которые будут обработаны. Определите имя таблицы, нажав левую набор зеленые стрелкина поле заголовка (ы). Загрузите измеренные файлы, нажав правильный набор зеленых стрелок на поле заголовка (ы) и выбора измеренных файлов. ПРИМЕЧАНИЕ: инфо-таблица, которая содержит полную информацию о каждом файле измерения хранится в Проводник-подобным меню в нижней части проекта. Все результаты, которые будут созданы позже в проекте будут храниться там. Активируйте функцию маски в меню правой стороне (Дополнительный рисунок 12) и генерировать активную маску , которая определяет область детектора , которые будут рассматриваться для обработки данных. Введите значения в крае и Луча-Stop поля для определения левого нижнего и верхнего правый углы прямоугольной маски в случае анализа изотропных моделей рассеяния. Активация функции чувствительности в меню правой стороне (Дополнительный рисунок 13) и генерировать чувствительность детектора для определенной конфигурации, введя в отмеченной зеленой фиполей число прогонов для измерений стандартного образца (плексигласа), пустой пучка (EB), и блокировал пучка (В4С). Нажмите на множестве зеленые стрелки рядом с желтым полем (передача) для расчета передачи стандартного образца. Создание и назвать матрицу чувствительности, выбрав Вычислить как новые, и визуализировать сгенерированную матрицу с помощью соответствующих функций участок в нижнем меню. Повторите эту процедуру в случае других конфигураций. Активация функции обработки данных в меню правой стороне (Дополнительный рисунок 14) и генерировать коррекции и калибровки таблицу и таблицу сценария, чтобы исправить, калибровать и выполнять радиальное усреднение данных. Определить количество условий, используемых в эксперименте, с помощью горизонтального ползунка на верхней части меню правой стороны (красная стрелка). Заполните поля, отмеченные желтым карандашом, введя для каждого экспериментального условиизапустить номера для пустой ячейки (ЕК), заблокированного луча (В4С), а также стандартные образцы-оргстекла (абс. Cal. FS), пустой луч для стандартной коррекции (Абс. Cal. EB), и заблокировала луч для стандарта коррекция (абс. Cal. В4С). Введите число запуска измерений с сильными рассеяния вперед в центре поля. Введите номер прогона пустого пучка в поле EB и выберите соответствующие экспериментальные условия для расчета передачи образцов, установив флажок рядом с функцией Tr (Ес-к-EB). Нажмите на каждую кнопку , указанную набором вращающихся зеленые стрелки на вертикальной серии опционов (Дополнительный рисунок 14), чтобы загрузить информацию , необходимую для обработки данных из определенных файлов и для вычисления передачи пустую ячейку. Нажмите на головку каждого желтого столбца, чтобы определить имя столбца. Нажмите кнопку Создать, чтобы сгенерировать и имя таблицы файлов данных, которые будут бе обрабатываются. Нажмите кнопку Добавить, чтобы загрузить файлы данных, которые будут обработаны. Нажмите кнопку Tr, указанную с множеством вращающихся зеленые стрелки под областью Script-Table Tools, чтобы вычислить передачу каждого образца. Проверьте результаты в сгенерированной таблицы (Дополнительный рисунок 14). Выберите проект в нижнем правом углу интерфейса (Дополнительный рисунок 14) для того , чтобы сохранить все результаты в виде таблиц или матриц в текущем сеансе qtiKWS (проект). Нажмите кнопку I [х, у], чтобы выполнить коррекцию и калибровку двумерных данных. Нажмите кнопку I (Q) для выполнения коррекции, калибровки и радиальное усреднение данных. Изобразите результаты использования графических функций в соответствии с (15 Дополнительный рисунок) вариант Graph. Примечание: Все результаты будут генерироваться как внешние файлы, которые будут сохранены во внешней папке, которая была определена на шаге 5.2, когда, в гое правом нижнем углу интерфейса, Файл выбран вместо проекта. Выберите Инструменты в меню правой стороне (Дополнительный рисунок 11) и активировать TOF | опцию RT (Дополнительный рисунок 16) для того , чтобы разделить данные , которые были собраны с основным детектором в рабочем режиме TOF в отдельные файлы , соответствующий каждому времени канал. Нажмите TOF :: Вычислить функцию параметров и загрузки одного файла, из которого извлекается информация об условиях TOF. Нажмите на ТОФ | RT :: Сумма против Number :: Read функции и загрузить интересующий файл, измеренный в режиме реального времени или TOF режимах, для того, чтобы сгенерировать суммарно-TOF-файл таблицы, который показан на левой стороне рабочий интерфейс. Участок интегральной интенсивности в зависимости от временных каналов (Дополнительный рисунок 16) от суммы-TOF-файла с использованием графического интерфейса опции в функции Graph в меню верхнего функций. Определение обработки рarameters в области функции TOF. Нажмите TOF | RT :: Все выбранные шаги :: кнопку Продолжить, чтобы загрузить файлы данных, которые будут разделены на отдельные файлы, соответствующие каждому из заданных временных интервалов. Примечание: Файлы, которые содержат данные, измеренные в каждом временном интервале, которые сгенерированы и сохранены в местоположение файла, определенного на шаге 5.2 и получить имя исходного файла TOF, за которым следует номер временного интервала. Выполнить на шаге 5.6 для того , чтобы проанализировать данные , измеренные с улучшенным разрешением, что соответствует ДЛ Х направлена, с помощью измельчителя. Выберите KWS2-HRD инструмент из опций меню правой части основного интерфейса (Дополнительный рисунок 17), чтобы активировать режим анализа данных для данных , измеренных с KWS-2 с использованием вторичного детектора высокого разрешения. Активируйте функцию маски в меню правой стороны (Дополнительный рисунок 18А) и Generatе активную маску, которая определяет активную область детектора. Выберите опцию DANP в верхнем меню функций главного интерфейса (Дополнительный рисунок 18В). Выберите опцию ASCII.2D в меню правой стороне. Активация функции 2D Маскировка для того, чтобы определить специальный сектор на детекторе, который будет рассматриваться для анализа данных. Введем луч-стоп-центр в центре поля. Выберите матрицу маски и значение 0 в маске :: Условия пренебрегать пределами области специальной маски. Выберите угловой сектор и нажмите кнопку цветной на правой стороне поля сектора. Продолжить с данными измерений с высоким разрешением детектора, как на этапах 5.5 и 5.6. Сохраните проект qtiKWS (сохранить функции в опции File верхнего меню).

Representative Results

Представитель результаты успешного эксперимента , который был проведен с KWS-2 в различных рабочих режимах по структуре и морфологии двух репрезентативных типов систем мягкого вещества приведены на рисунках 8-11. Эти результаты получены при исследовании ряда частиц полистирола стандартного размера в D 2 O H 2 O / решений, с D 2 O содержание 90%, а в полностью протонированной диблоксополимер C 28 H 57 -PEO5 в D 2 O при объемной доли полимера с высоким (12%). Частицы стандартного размера из полистирола, с радиусом R = 150, 350, 500 и 1000 Å были использованы для проверки обычного обскуры режима , используя различные комбинации обнаружения расстояния L D и длины волн Л. Изображение большего размера частиц (R = 4000 Å) были использованы для проверки и комиссии расширенного режима Q – диапазона. Диблоксополимер, который дает упорядоченную micelСтруктура лар при высоких концентрациях D 2 O был использован для тестирования и ввода в режим перестраиваемый разрешения. На рисунке 8 представлены результаты двумерных диаграмм рассеяния , измеренных в обскуры режиме с использованием главного детектора (старый сцинтилляционный детектор) и в расширенном режиме Q – диапазона с помощью фокусирующих линз и высокого разрешения детектора вторичных. Фиг.8А представляет картину рассеяния от частиц полистирола с R = 500 Å , измеренный при L D = 8 м с помощью X = 5 Å. На фиг.8В показана картина рассеяния от частиц полистирола с R = 1,000 Å, собранные на L D = 20 м, используя Л = 20 Å. Для измерений, выполненных с X = 5 Å, прямой пучок был собран на центральный луч-стоп установлен в передней части детектора, и передаваемый луч можно было бы контролировать с СВАLL 3 Он счетчик , который был установлен в середине балки остановки. Это так называемый монитор 3 (Дополнительный рисунок 8). Прибор имеет два дополнительных 3 He счетчики, которые устанавливаются перед селектором скоростей (Monitor 1) для наблюдения за полихроматического пучка, а за селектором скоростей (Monitor 2) контролировать монохроматический пучок. Из-за технических ограничений, измерения с X = 20 Å были выполнены с прямого пучка на детекторе, который был типичная установка используется со старым детектором KWS-2. Чем слабее, прямая интенсивность пучка на длинных волнах, которая падает вниз под действием силы тяжести, может быть обнаружен без повреждений, вызванных к детектору. Передаваемый сигнал в этом случае контролировалась Monitor 3 на расстояние обнаружения короткого замыкания L D = 2 м. В этом случае, эффекты гравитации слабы и прямой пучок падает на балку-стоп (например , на фиг.8А). Данные, собранные в два dimensionally на детекторе для размером пикселя 5,25 мм х 5,25 мм были дополнительно скорректированы на чувствительность детектора, а также вклады от пустой ячейки, инструмент фон, и растворитель абсолютно калибруют с использованием рассеяния от вторичного эталона из плексигласа 4. И, наконец, модели рассеяния , которые были распределены изотропно вокруг позиции Q → 0 были усреднены по радиусу, который доставил dΣ / дп для каждой системы частиц полистирола. Двумерная модель рассеяния от больших частиц полистирола (R = 4000 Å), показан на рисунке 8в, поскольку она была измерена с высоким разрешением детектора для размером пикселя 0,5 мм х 0,5 мм. Небольшой прямой пучок фокусируется системой линз на плане обнаружения и захвачен небольшой коромысловом остановки (4 мм х 4 мм), установленного на поверхности детектора. Тень от квадратичного пучка остановки можно наблюдать в <сильный> Рисунок 8C в верхней левой части активной области детектора. Эффекты гравитации вызывают широкий вертикальное распределение нейтронов различных длин волн на детекторе. Кроме того, так как линзы фокусируются идеально, только нейтроны , характеризующиеся центральной длины волны треугольной распределения поставляются селектором скоростей 2,5; нейтроны различных длин волн вокруг центрального, поступают на детектор немного не в фокусе. Эти два эффекта дают слабые следы прямого пучка, которые можно наблюдать непосредственно выше и ниже луча остановки. В статическом режиме расширенного Q – диапазона с использованием объектива и детектором высокого разрешения, данные непрерывно собираются. Для того , чтобы уменьшить вклад гравитационных эффектов, рассеянные данные анализируются в узком угловом секторе , который начинается от луча остановки и простирается горизонтально справа от нее , как это показано на рисунке 8в. Данные обрабатываются Further используя типичный подход для достижения dΣ / дп. На рисунке 8D представлена зависимость интенсивности от позиции от луча остановки по направлению к ободу детектора, так как она была собрана в узком горизонтальном сечении с шириной 1 пиксель (0,5 мм) на высоком детекторе разрешением. Данные из раствора образца и упоминалась (растворитель) показаны, как они были собраны в течение короткого тестового измерения 5 мин. Падение интенсивности на коротких позиций обусловлено коромысловом остановки. Из соотношения интенсивностей в кратчайшие позиции, передача образца (87%) может быть оценена. Исправленные и калиброванные результаты , полученные в терминах dΣ / дп на растворе частиц полистирола с R = 500 Å показаны на рисунке 9, вместе с теми , от растворителя. Эти результаты иллюстрируют диапазон Q , которые могут быть покрыты с KWS-2 в обычном режиме обскурачерез изменение положения обнаружения L D и использование одной или нескольких длин волн. Форм – фактор 8,9 особенности сферических частиц также показали: гинье область при низких Q и колебания из – за сферической функции Бесселя в промежуточном диапазоне Q. В высокочастотном диапазоне Q, профиль рассеяния доминирует рассеяние от растворителя, и , следовательно , он показывает плоский поведение, как и от самого растворителя. Форм – фактор Минимумы зависят от разрешения прибора 5 с одной стороны, и размером частиц полидисперсности с другой стороны. Разрешение прибора в случае KWS-2 в основном определяется длиной волны распространения ДЛ / X = 20%. Размер полидисперсности для всех типов частиц был около сг R = 8%. На рисунке 10 приведены результаты , полученные при исследовании SANS всех типов частиц полистирола , выраженных в виде dΣ/ Д £ после поправки на вклад растворителя был применен. Области гинье явно свидетельствует для всех частиц в сторону низких значений Q, в то время как в высоких диапазонах Q, наклон -4 обнаруживается, что характерно для форм – факторе сферических объектов. Структурные параметры частиц в стандартного размера были подтверждены подгонки данных с форм-факторе полидисперсных сфер 8,9 запутанные с функцией разрешения прибора 10-12. На рисунке 11 представлена двумерная и радиально-усредненные одномерные модели рассеяния от упорядочения структуры C 28 H 57 -PEO5 полимерные мицеллы , что происходит в D 2 O при объемной полимерной фракции 12%. Результаты были собраны при различных обнаружения расстояния L D, как с традиционными режимами обскур и перестраиваемых разрешения объединенных вже сеанса измерений. Когда система исследуется в обычном обскуры режиме с использованием длины волны распространения ДЛ / X = 20%, как это предусмотрено селектором скоростей и непрерывного (статического) сбора данных, три широких пика наблюдаются в характере рассеяния на L D = 4 м. В режиме перестраиваемой разрешения, с помощью измельчителя и сбора данных TOF в сочетании с селектором скоростей, разброс длины волны может быть улучшена, так что его можно проверить, являются ли реальным или, если тонкая структура из них, в конечном счете появляются эти признаки. Первый и второй пики , наблюдаемые при ДЛ / X = 20% обнаруживают расщепление , когда они измеряются с ДЛ / λ = 5%, что позволило четко идентифицировать упорядочения мицеллы в кубических кристаллах гранецентрированной (ГЦК) 5,13 , Это два типичных примера того, как универсальность и производительность Диффре KWS-2 SANS ctometer может использоваться в легкой и удобной для пользователя форме, следуя при условии протокол для проведения детальных исследований по мягкой материи и биофизических систем, которые показывают сложные структурные особенности с точки зрения длины шкалы и упорядочения. Рисунок 1: Схема прибора KWS-2 SANS, включая все обновления , сделанных в период с 2010 по 2015 год (а) Общий вид прибора. (Б) Вторичный детектор с высоким разрешением и ее башни на верхней части вакуумного резервуара. (C) MgF 2 фокусирующих линз, сгруппированных в три пакета, а их система охлаждения (холодная голова). (D) старый основной детектор (мерцаний) с 8 х 8 фотоумножителями. (E) Новый главный детектор (3 He трубки) с большей площадью обнаружения.F = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54639/54639fig1large.jpg" целевых = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 2: Схематическое изображение трех режимов работы , предлагаемых на KWS-2. (A) Обычный режим обскура. Для L C = L D, где L С и L D являются коллимации и длина обнаружения, соответственно, и оптимальное обскура условие А С = 2А S, где A C и A S являются вход коллимации диафрагмы и образец диафрагмы, соответственно , , профиль пучка I 'P на детекторе приблизительно треугольной с базовой шириной , равной 2А C. (Б) высокой интенсивности режима фокусировки. При использовании линз, более крупные образцы могут быть измерены с тем же самым разрешением, что и в гое обычный режим обскура (профиль пучка I 'Р на детекторе имеет прямоугольную форму в данном случае). (С) В расширенном Q – диапазона в режим фокусировки. С помощью линз и небольшого входное отверстие A C (обычно 4 мм х 4 мм) , который помещается на одной фокальной точке системы линз, небольшой пучок передается на детектор, который расположен на другом фокусе линзы , Следовательно, более низкое значение для минимального волнового вектора переноса Q м , чем в обычном режиме обскура может быть достигнуто. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 3: Вид образцов , установленных в Al-картриджа держателя образца для измерений при температуре окружающей среды. вполости, предусмотренные в Аль-картриджа. (А) Клетки кварца (В) , заполненные образцами и покрытые их пробками (С) могут быть размещены. Позиции на Аль-картриджа были заняты с образцами следующим образом : в позиции № 1 до № 5, полистирольные частицы с размерами R = 150, 350, 500, 1000 и 4000 Å в D 2 O / H 2 O растворитель; в позиции № 6, С 28 Н 57 -PEO5 диблоксополимером в D 2 O; в позиции № 7 и 8, растворители D 2 O / H 2 O и D 2 O; в положении № 9, пустой кварцевую кювету (ссылка); в позиции № 10, оргстекла (стандарт); в позиции № 11, ничего (для измерения пустого луча); в положении N : 12, В 4 С пластина (приклеенный на задней стороне, для измерения инструмента фона с заблокированной луча). Заглушка Al (D), покрытые маской Cd на внешней поверхности, являетсязакреплен на верхней части картриджа с помощью винтов (E), чтобы обеспечить образцовых клеток и определить окно нейтронов (F). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 4: Вид одного из клеточных держателей многоуровневыми и многопозиционных , используемых на KWS-2 для измерений в условиях окружающей среды. Образцы для текущей экспериментальной сессии были установлены в среднем уровне. Эти три уровня могут быть оснащены патронами (A) , предназначенных для различных клеточных геометрий, которые закрыты с Аль-накладками , покрытыми Cd масками на внешней поверхности ( в направлении нейтронов). Установка картриджей на держателе осуществляется с помощью винтов (B </strОнг>). Держатель имеет базовую опору (C) , которая позволяет его установку в заданном положении на стадии образца. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 5: схематический вид сверху области образца KWS-2. (А) представление двух крайних конфигураций коллимации носа, показывающий доступное пространство для установки различных образцов сред в пучке (нейтроны поступают со дна, как это указано желтыми стрелками). (B) Панель управления ведущего двери, с открытия и закрытия ключей (1 и 2, соответственно). Двигатель дверь работает только до тех пор, как ключи непрерывно нажата. Дверь оснащена по краям сДатчики, которые индуцируют остановку двигателя, когда преп тствие. После удаления препятствия, блокирующий двигатель может быть отменен с верхним ключом (3) и открытия или закрытия действие может быть возобновлено. (C) Панель управления коллимационной носа. На панели носа, соответствующая конфигурация может быть выбрана с помощью ключа (4). Нос перемещается, удерживая клавишу (5), постоянно включенным до тех пор, выбранное позиционирование не будет достигнуто и движение останавливается само по себе. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 6: Установка многоуровневого и многопозиционного держателя образца на стадии образца для измерений SANS при температуре окружающей среды (Фото: Венцель Шурманн, TechniSCHE Universität München, Германия). Основными компонентами в позиции образца являются коллимации нос с образцом отверстием в его конце (A), этап выборки , который обеспечивает горизонтальное и вертикальное позиционирование образцов в пучке (В), входное окно детектора вакуумного резервуара (с), ведущий двери с датчиками на его краю (D), а базовая опора держателя клетки (Е), который предусматривает установку держателя на оптическом макете (F) на стадии образца. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 7: Динамический диапазон для различных инструментальных установок на KWS-2. I 0 представляет собой поток нейтронов в положении образца. Определенные области указывают доступный диапазон Q , которые могут быть покрыты , когда длина волны изменяется от 4,5 Å и 20 Å для конкретных конфигураций коллимации-обнаружения. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 8: Примеры двумерных картин рассеяния , собранных в ходе экспериментальной сессии в соответствии с текущим протоколом. (А) картина рассеяния собранные на L D = 8 м от частиц полистирола с радиусом R = 500 Å в D 2 O / H 2 O, как измерено с X = 5 Å. Картина рассеяния изотропно распределены вокруг ЬEAM-стоп, которая блокирует прямой луч в центре детектора. (Б) картина рассеяния собранные на L D = 20 м от частиц полистирола с радиусом R = 1000 Å в D 2 O / H 2 O, как измерено с l = 20 Å. Картина рассеяния изотропно распределены вокруг позиции прошедшего пучка, который для этой длины волны попадает под лучом остановки и маскируется вместе с лучом-стоп, используя функции программного обеспечения визуализации. (C) картина рассеяния собирают с высоким детектором разрешения на L D = 17 м от частиц полистирола с размером R = 4,000 Å в D 2 O / H 2 O, как измерено с X = 7 Å в расширенном диапазоне Q , с линзами и высоким разрешением детектора. Картина рассеяния изотропно распределены вокруг небольшого пучка остановки (4 мм х 4 мм), который блокирует целенаправленный прямой луч. Угловой сектор в шHICH данные дополнительно анализируются указывается на правой стороне балки остановки. (D) Интенсивность в сравнении с положением от луча остановки , как она была собрана в течение короткого тестового измерения в узком горизонтальном сечении, с шириной 1 пиксель (0,5 мм), на высоком детекторе разрешением. Данные приведены из раствора образца и упоминалась (растворитель). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 9: Модели рассеяния от частиц полистирола в D 2 O / H 2 O решений (символы) и от растворителя (линии). Данные были собраны в обычном режиме обскура в различных конфигурациях инструмента, которыйобозначены разными цветами. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 10: Модели рассеяния из полистирольных частиц различных размеров в D 2 O / H 2 O после коррекции рассеяния от растворителя применялся. Красные линии представляют собой припадки со сферической форм-фактора 9, включая разрешение прибора 10, 11 и размер полидисперсности. Типичным Q -4 асимптотика для сферической форм – фактор обозначается прямой в диапазоне высоких Q. Нижний предел диапазона Q , покрытого различными длинами волн или установок именно Marрунец. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 11: двумерная и радиально усредненная одномерные модели рассеяния от C 28 H 57 -PEO5k мицелл полимера в D 2 O (в объеме полимерной фракции 12%), измеренных в обычном режиме обскуры с ДЛ / λ = 20% (вверху) и в режиме перестраиваемой разрешения, с ДЛ / λ = 5% при L D = 4м (левая сторона) и L D = 8м (правая сторона). В обычном режиме, можно наблюдать три широких пика. Тонкая структура первых двух пиков выявлено 5, 13 с улучшенной А & #955; / Л разрешение. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 12: Схема рассеяния с полностью протонированных PHO10k-PEO10k диблоксополимер мицеллы в D 2 O (после того, как была применена поправка для рассеяния от растворителя), как измерено путем объединения обычного крошечное отверстие и расширенные режимы Q – диапазона. Цилиндрическая морфология ядро-оболочка обозначается Q -1 зависимость интенсивности рассеянного в промежуточной Q и Q -5/3 зависимость (BLOB рассеяния) наблюдается при высоких Q. Интенсивность плато при низких Q и изгибающий при промежуточном Q выявляют тон длина и толщина цилиндров, соответственно. Красная кривая представляет собой подгонку экспериментальных данных с ядро-оболочка цилиндра модели 9, с инструментальной резолюции включены 10-12. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 13: Модели рассеяния из полистирольных частиц (R = 150 A) в D 2 O / H 2 O, измеренные в обычном точечным и режимах высокой интенсивности (линзы). (A) одномерные модели рассеяния , измеренные с l = 7 Å при L D = 8 м в обычном режиме и при L D = 20 м в режиме высокой интенсивности с линзами. В тон в режиме высокой интенсивности, различные размеры пучка на образце были использованы для того, чтобы повысить интенсивность. До 12 раз выигрыш в интенсивности было достигнуто при 26 линз использовались по сравнению с обычным режимом обскура. Большой образец помещали в пучок с помощью круглой ячейки кварца с диаметром 5 см. (В) Двумерная модель рассеяния собранные на детекторе в обскура режиме для пучка размером 10 мм х 10 мм. (С) двумерная картина рассеяния собранные на детекторе в режиме высокой интенсивности с использованием 27 линз и размер луча 30 мм х 30 мм. Размер (разрешение) прямого пучка, сфокусированного на детекторе такой же, как и в режиме обскура. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 14: Схема рассеяния от буферного раствора и от бета – амилоидного белка мономеров (A & beta ; 1-42, молекулярная масса M W = 4,5 кД) в дейтерированном гексафторизопропаноле dHFIP буфере при концентрации 5,6 мг / мл , после трех недель инкубации. Полные точки представляют собой кривую рассеяния из раствора белка в то время как полный треугольник показывает кривую рассеяния от буферного раствора. Синие точки обозначают сечение рассеяния (на правой вертикальной шкале) из мономеров, после того, как была применена поправка для буферного вклада. Столбики ошибок обозначают стандартные отклонения, полученные из графов нейтронов. Красная сплошная линия показывает подогнанную функцию Beaucage с фиксированной размерностью D = 2 14. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. <p class="jove_content"ВОК: Keep-together.within-страницу = "1"> Рисунок 15: Модели рассеяния от лизоцима 50 мг / мл в 50 мМ ацетатного буфера в D 2 O и из буферного раствора , измеренной при различных давлениях, от температуры окружающей среды до 5000 бар. Символы представляют собой данные из белкового раствора, в то время как линии показывают данные из буфера. Данные были собраны на двух расстояниях обнаружения, L D = 4 м (открытые символы) и L D = 1 м (полные символов). На вставке показано поведение интенсивности рассеянного вперед I (Q → 0) из белкового раствора, буфер, и самого белка (после коррекции для буфера вклад был применен) в зависимости от давления. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. <table border="1" fo:keep-together.within-страница = "1" ВОК: Keep-с-next.within-странице = "всегда"> Параметр / Функция Вспомогательное оборудование Область применения точность Технические подробности позиционирование этап образца Максимум. нагрузка 600 кг Икс 0 – 360 мм 0,05 мм Y 0 – 330 мм 0,05 мм Z (ось пучка) вручную, 600 мм θ г (вращение) 0 ° – 360 ° 0.002 ° θ T (люлька) ± 30 ° 0.002 ° Температура окружающей среды трехуровневый многопозиционные Al держатель (Cd маски) 3×9 = 27 широких кварцевых кюветах 3×12 = 36 узких кварцевых кюветах три позиции 3 больших кварцевых кюветах (диаметр Φ = 5 см) Al держатель (B 4 C маска) температура термостат (масляная ванна) + от -25 ° C до 200 ° C ± 0,5 ° C 4 позиции маленький медный блок в воздухе или в вакуумной камере (с герметичных кюветах) Термостат (водяная баня) + двухуровневый многопозиционные от 5 ° C до 85 ° C ± 0,2 ° C 2×9 = 18 широких кварцевых кюветах; 2×12 = 24 узких кварцевых кюветах Al блок термостат + высокая точность печи от 10 ° C до120 ° С <0,1 ° C 1 позиция, широкий кварцевая кювета Пельтье-термостатируется кювета-держатель от -20 ° C до 140 ° C ± 0,2 ° C 8 позиций (все типы клеток кварца или сэндвич бюстгальтеры типа клеток); контролируемой атмосфере ниже 5 ° C (В4С маска) давление HP клеток SANS + термостат (водяная баня) до 5000 бар Температура в диапазоне от 5 ° C до 85 ° C Низкая температура Криостат с сапфировыми окнами вплоть до 50 К Реологии реометр; в устойчивом состоянии и колебательные режимы влажность Влажность Cell 5% до 95% температурав диапазоне от 15 ° C до 60 ° C В месте ИК-20 ИК-спектрометр Примеры клеток с ZnSe окнами Таблица 1: Перечень вспомогательного оборудования для дифрактометра КВС-2 SANS, включая диапазон использования, точность и детали каждого устройства. Режим измерения Экспериментальная установка разрешение ширина / размер выборки Максимум. интенсивность [п / с] Q-диапазона [A – 1] Δλ / λ Обычные обскура λ = 7 Å 20% 10 х10 мм 2 1,3 х 10 8 0,002 .. 0,3 L C = 2 м – 20 м L D = 1 м – 20 м λ = 4,5 Å, L C = 2 м, L D = 1 м 20% 10 х 10 мм 2 2 х 10 8 0,01 .. 0,5 λ = 10 Å, L C = 20 м, L D = 20 м 20% 10 х 10 мм 2 7,5 х 10 5 0,001 .. 0,02 λ = 20 Å, L C = 20 м, L D = 20 м 20% 10 х 10 мм 2 4 х 10 4 7х10 -4 .. -2 1.5×10 Фокусировка высокой интенсивности λ = 7 Å, L C = 20 м, L D = 17 м 20% Φ = 50 мм 3 х 10 7 ≈ 0,002 .. 0,03 фокусирование высокое разрешение (Расширенный Q-диапазон) λ = 7 Å, L C = 20 м, L D = 17 м, A C = 4 х 4 мм 2 20% 10 х 10 мм 2 1,6 х 10 4 ≈ 2х10 -4 .. 0,02 Настраиваемый разрешение λ = 4,5 Å, 5% 10 х 10 мм 2 ок 7% от обычного режима 0,002 .. 0,5 L C = 20 м, L D = 1 м .. 20 м </td> Таблица 2: Экспериментальные конфигурации доступны на SANS дифрактометре KWS-2. Дополнительное Рисунок 1: Абсолютный поток нейтронов в месте расположения образца от KWS-2 в зависимости от длины волны при различных длинах коллимации L и C для оптимального заполнения реактора холодного источника. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 2: Схематическое изображение двойной измельчитель диск с переменным отверстием щели. Щель открытия ДФ можно регулировать в пределах от 0 ° до 90 ° , так что, в зависимости от частоты измельчитель Fизмельчитель, время открытия τ ш направляющей (красный прямоугольник на правой вертикальной серии снимков) могут быть разнообразными. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 3: Основной пользовательский интерфейс управления измерения и визуализации программного обеспечения от KWS-2. Левосторонняя функции (A) могут быть использованы экспериментаторов, в то время как правая сторона функции и индикаторы (B) используются прибором ответственным. Сервер или процесс, показанный в меню правой стороны находится в рабочем состоянии и работает нормально, когда он помечен зеленым цветом. Компоненты, отмеченные желтым цветом не активируются. Любая неисправность обозначается красным цветом. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить юэто цифра. Дополнительный Рисунок 4: Вид меню kws2-Configuration и выборочные функции конфигурации. Пользователи должны заполнить информацию в полях USERDATA первых, а затем сделать конфигурацию образцов. Поля, которые должны быть заполнены и действия, которые должны быть приняты отмечены красным цветом. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 5: Вид меню Определение kws2 и выберите выборочные функции. Действия, которые должны быть приняты пользователем описаны в пункте 4.3. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. дополнениеичных Рисунок 6: Вид меню kws2 Определение и определения измерений функций. Действия, которые должны быть приняты пользователем описаны в пункте 4.3. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 7: Программа измерений генерируется путем объединения определенных образцов и определенных условий эксперимента. Действия, которые должны быть приняты пользователем описаны в пункте 4.3. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 8: kws2-измерения меню управления и опции текущие значения. Фиксированные параметры (позиции, имена, длина волны и т.д.) и варiables (время, интенсивность, скорость счета и т.д.) , которые характеризуют выполняется измерение отображаются. Действия, которые должны быть приняты пользователем описаны в пункте 4.4. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 9: Опция Live-дисплей с меню KWSlive_MainWindow и различные варианты визуализации данных. Выбран режим визуализации поверхности. Когда выбран средний режим Radial (правая сторона изображения), настройка параметров можно найти в меню Options Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 10: Основной интерфейс программного обеспечения сжатия данных qtiKWS ш Ith вариантов выбора инструмента и расположение экспериментальных и обработанных данных. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 11: Функции для определения лог-книги для набора данных, подлежащих обработке (инфо-таблица). Действия, которые должны быть приняты пользователем описаны в шаге 5.3. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 12: Функции для определения маски детектора , для которого будут обрабатываться данные. Действия, которые должны быть приняты пользователем описаны в пункте 5.4.целевых = "_blank"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительное Рисунок 13: Функции для определения карт чувствительности детектора. Действия, которые должны быть приняты пользователем описаны в шаге 5.5. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 14: Функции для формирования таблицы сценария для коррекции, калибровки и радиального усреднения данных. Действия, которые должны быть приняты пользователем описаны в пункте 5.6. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 15: Функции для построения тон обработанные данные. Действия, которые должны быть приняты пользователем описаны на этапе 5.6.5. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 16: Функции для подготовки и расщепления данных , измеренных в режиме перестраиваемый разрешения. Данные из двух импульсов, поставляемых измельчитель и собранных первоначально в 64-TOF каналов объединяются в один импульс. Несколько каналов сгруппированы таким образом , что результирующее время каналы , которые характеризуются ДЛ / Л , направленной могут быть сохранены как отдельные файлы. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 17: </stroнг> Основной интерфейс программного обеспечения qtiKWS сокращения данных с выбранным вариантом для обработки данных, измеренных с помощью детектора с высокой разрешающей способностью. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 18: Функции для определения маски детектора высокого разрешения , для которых будут обрабатываться данные. Действия, которые должны быть приняты пользователем описаны в пункте 5.8. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру. Дополнительный Рисунок 19: Обзор всех типов образцов клеток , обычно используемых на KWS-2 для исследования мягкого вещества и биологических образцов при комнатной или переменной температуре. (A) Вид на лАРГЕ кварцевые клетки, доступные для режима высокой интенсивности, с линзами и большим размером луча. Держатель сотового, который оснащен борированных пластиковыми масками (1), позволяет планирование и проведение трех измерений на одной сессии. (Б) Вид из кварца или латунных клеток, которые используются в качестве контейнеров для проб и контролируемого держателя температуры (Пельтье-типа), оснащенного 8-м положении картриджей, подходящих для каждого типа клеток. Держатель экранирована с борированном пластиковых масок (1) на обеих сторонах. (С) Вид пьезоэлементом в эксплуатацию на KWS-2. Ячейка может оказывать давление на образец между окружающей и 5000 бар в автоматическом режиме, под контролем программы измерений. Круглая маска Cd (1) с небольшим отверстием посередине определяет величину луча на образце. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить эту цифру.

Discussion

Мягкая материя и биофизических систем, как правило, характеризуются структурными корреляций и взаимосвязанных микроструктурных и морфологическом уровнях, которые охватывают широкий масштаб длины, от нм до микрон. Для того, чтобы понять механизм формирования и эволюции морфологии таких систем и взаимосвязь между их микроскопическими особенностями и макроскопических свойств, важно , чтобы исследовать их микроструктуру по всей шкале длины и при соответствующих условиях окружающей среды (например, температуры, давления, рН , влажность и т.д.). Как правило, малые углы техники с нейтронами (SANS) или синхротронного рентгеновского излучения (МУРР) рассеяния участвуют в таких исследованиях. Интенсивность недостатком нейтронов по сравнению с синхротронного рентгеновского излучения компенсируется за счет использования сравнительно большого ДЛ / Л, что, однако, приводит к ухудшению инструментального разрешения. Тем не менее, SANS предоставляет уникальные преимущества благодаря возможностям предлагаемых Contrизменение AST, особенно между изотопами водорода. Поэтому SANS является экспериментальный метод специально используется при изучении мягкого вещества и биофизических систем, для которых она обеспечивает уникальную структурную и морфологическую информацию. Большинство дифрактометрах SANS во всем мире ²¹ работы по обскура принципу (рис 2А), что позволяет прицельный низкого разрешения Q. Практически все высокопоточного SANS дифрактометрами имеют аналогичный максимальный поток порядка 1 × 10 ⁸ см ^-2 п с ^-1. На основе расслабленном разрешения длины волны, KWS-2 почти в два раза поток ^{2, 4.} В последнее время очень специализированные SANS дифрактометрами начал функционировать , чтобы служить с оптимизированными характеристиками для конкретного диапазона применений, например, для исследований при очень малых векторов рассеяния ^{22, 23.} С самой недавней комиссии специализированных дифрактометрах TOF-SANS в стационарных реакторов ²⁴ или spallatioп источники ^{25, 26,} массивно-увеличенный диапазон динамического Q в данной экспериментальной установки и повышения гибкости и оптимизации относительно выбора экспериментального разрешения предлагаются. Для SANS дифрактометре KWS-2, высокий уровень гибкости и производительности, необходимой для очень специфических структурных исследований в области мягкой материи и биофизики включена на иначе классического SANS инструмента. Оптимизация, гибкость и спонтанность в разработке и проведении комплексных исследований, а при поддержке описанного протокола, достигается за счет комбинации оптимизированных экспериментальных параметров (например, интенсивность, масштаб длины, пространственное разрешение и разрешение по времени) и сложного образца сред. Использование нескольких рабочих режимов , перечисленных во введении и подтверждается результатами , представленными на рисунках 8-15, то KWS-2 повышает в легкой и практической манере исполнения классического SANS дифрактометрепри стационарном источнике нейтронов (реактор) сверх обычных пределов таких инструментов.

Этот протокол представляет шаги, которые обычный пользователь должен выполнить, чтобы определить и провести простую экспериментальную программу, которая включает в себя только исследование образцов при температуре окружающей среды термодинамических условий (температура, давление, относительная влажность) и в статических условиях (отсутствие кинетики формирования структуры или не трансформация, нет сдвига или потока). Несколько контролируемой температурой держатели или специальные среды образца (таблица 1 и Дополнительный рисунок 19), такие как клетки давления, реометров или клетки влажности, доступны и могут быть оптимально установлен и отрегулирован с особой помощи со стороны команды инструмента. Этот протокол не содержит инструкции о настройках и управления такого оборудования. Определение и активация внешних контроллеров требуют использования другого, более сложного протокола. Этот протокол представленыСлучай работы с кварцевой измерительными ячейками узкой прямоугольной формы (рисунок 3). Тем не менее, широкий диапазон клеточных геометрий и типов (Дополнительный рисунок 19) предлагается пользователям, для того , чтобы обеспечить повышенную гибкость и эффективность при проведении экспериментов. В случае использования таких клеток, настоящий протокол может следовать с корректировкой параметров, обсуждаемых на этапе 4.2.2. Программное обеспечение управления измерением было разработано, чтобы предложить пользователям повышенную гибкость в достижении своих научных целей и оптимизации в технической эксплуатации прибора. Все настройки и конфигурации специальных функций и компонентов прибора осуществляется командой прибора. Участие научных пользователей в конфигурации, определения и использования инструмента упрощается и конкретно ограничивается только теми аспектами, которые в связи с научным вопросам экспериментальной сессии. Колорадоnfiguration файлы предопределены для того , чтобы охватить все специальные экспериментальные проблемы, такие как позиционирование специальных держателей в пучке, позиционирование образца в пучке (координаты х, у, Ф, и со на стадии образца, таблицы вращения или колыбели в дополнительных рисунок 5), корректировка позиций детектора и луча стоп для различных длин волн, регулировки параметров измельчителя (частота и открытие окна) для разных длин волн, расстояний и обнаружения с целью разрешения и т.д. Кроме того , текущий протокол не описывает, как режим реального времени может быть использовано на KWS-2. Использование более сложного протокола также необходим для того, чтобы провести время с разрешением SANS экспериментов.

Кроме того, этот протокол представляет, как измеренные данные могут быть скорректированы для различных вкладов рассеяния от инструмента и в ссылках и откалиброван для получения differenti сэмплааль сечение рассеяния, dΣ / д £, выраженное в см ^-1. Эта величина содержит всю структурную и морфологическую информацию об образце и измеряется в широком диапазоне Q , соответствующей в широком масштабе длины, которые появляются над структурные корреляции и взаимосвязанными размер-уровни , характерные для исследуемой системы. Сечение рассеяния dΣ / д £ , таким образом , относится к интенсивности , измеренной в статическом эксперименте рассеяния для угла, я _s = F (Q) для структурных свойств образца.

Для оценки dΣ / дп для системы интересов, помимо измерения системы, дополнительные измерения необходимы для того , чтобы исправить данные для любого внешнего рассеяния (то есть, окружающая среда, образец клеток, растворителя или буферного раствора в случае растворенные системы и т.д.) , а также для калибровки скорректированные данные в абсолютных единицах <sup > 8. Внешний фон (образец клеток или контейнер), эталонный образец (растворитель или буферные растворы), передача образца (необходимо для правильного вычитания фона и калибровки откорректированных результатов в абсолютных единицах), электронный фон детектора, детектор чувствительность (неоднородность в эффективности детектора, которая присуща для детекторов области) и нормированного стандартного образца также должно быть измерено. Для KWS-2, из оргстекла (ПММА) используется в качестве стандартного образца. Это так называемый вторичный стандарт и периодически калибровать по первичным стандартным образцом, который является ванадий. Ванадий обеспечивает очень слабую интенсивность рассеянного и требует очень длительного времени измерения для сбора соответствующих статистических данных; Поэтому, это нецелесообразно для SANS целей. Интенсивность собранный из образца интерес I _S и из стандартного образца I _St можно выразить следующим образом :

т ">

[1]

[2]

где I ₀ обозначает входящий интенсивность (подаваемое системой коллимации), т толщина, А представляет собой площадь подвергается воздействию пучка, Т является передача, а Д г | телесный угол , при котором клетка обнаружения видно из образец положение. Если оба образца и стандартом измеряются в одних и тех же условиях относительно входящего пучка (т.е., L _С, _С и А _С, а Л и Д Л / Л), I ₀ и А такие же , а телесный угол выражается как _D / L _D (с _D , представляющей область ячейки обнаружения). Разделив два соотношения, рассеяние кросс-sectiна пробы получается как:

[3]

где I _St выражается как среднее (стандарт в качестве некогерентного рассеяния системы обеспечивает плоскую картину рассеяния). I _S получается после коррекции измеренной интенсивности образца в клетки (контейнера) по отношению к вкладу пустую клетку я _ECell и фона на детектор для замкнутого луча, I _B. Коэффициент т _St T _St (da / дп) _St, который содержит рассеяние и физические параметры стандартного образца, зависит от длины волны нейтронов и , как правило , известны из калибровки стандартного образца. Таким образом, сведены в таблицу в программном обеспечении для сжатия данных ^4. Параметры и величины в уравнении. 3, которые известны из калибровки procedurэс и определение экспериментальной установки (т _S, L _D) образуют так называемый коэффициент калибровки к. Интенсивность и пропускания образца Т _S , которые появляются в уравнении. 3 должна быть измерена. Программа анализа данных qtiKWS позволяет коррекции, калибровки и радиальное усреднение экспериментальных данных и достижение dΣ / дп для исследованных образцов в гибкой и разносторонней рабочем режиме. Окончательные результаты , полученные с помощью программного обеспечения qtiKWS представлены в виде таблиц с четырьмя колоннами: Q, I, Δ I, Δσ где я представляет dΣ / дп и является ба разрешение Q ^5.

С практической точки зрения, с KWS-2, объединенные и SANS USANS исследования могут быть выполнены, с тем преимуществом, что геометрия образца и термодинамические условия остаются неизменными. Большие морфологию, которые показывают мультiple структурные уровни , охватывающие широкий длины масштаба от нанометра до микрометра размеров можно исследовать прямым способом, как показано на рисунке 12. Помимо малого структурного предела R _C , наблюдаемой в кривой рассеяния , измеренная в обычном обскуры режиме, путем активации линз и детектора высокого разрешения, крупномасштабный структурный предел L _C цилиндрических мицелл ядро-оболочка , образованную поли – (гексиленовый-оксид-со-этилен-оксид) PHO10k-PEO10k диблок – сополимер (полностью протонированной) в D ₂ O ¹⁴ может наблюдаться при очень низких значениях Q в рабочем режиме расширенного Q – диапазона. Цилиндрические мицеллы характеризуются общей толщиной около 300 Å и длиной около 7000 Å, как показали подгонки экспериментальных результатов с ядро-оболочка цилиндрической форм-факторе ^9,14. Поэтому некоторые чувствительные эффекты, такие как термо- отзывчивым гелей или образования и роста кристалловлинии или частично кристаллические морфологию могут быть однозначно исследованы с KWS-2, в отличие от классического подхода с участием двух или более различных инструментов и образцов геометрий.

Как показано на рисунке 11, коррелируют системы и упорядоченные структуры могут быть изучены с адаптированными резолюций в очень гибко, без затрат времени и усилий по установке комплексных систем монохроматизация, что повлечет за собой дополнительные аспекты ухода и безопасности. Кроме того, с привлечением измельчитель и режим сбора данных TOF, монодисперсные системы мягкого вещества или комплексов с низкой полидисперсности размера можно охарактеризовать очень точно в еще больших интенсивностей ^5.

Помехи, порожденные слабым рассеянием за счет использования высоко-разбавленных систем или неблагоприятных условиях контраст может быть преодолен за счет использования еще более высоких интенсивностей на основе большего размера пучка на образце, при сохраненииразрешающая способность. Рисунок 13A сообщает индикатрисы рассеяния от полистирольных частиц радиусом R = 150 Å, измеренная в режиме высокой интенсивности с использованием линз и квадратичного размер пучка в диапазоне от 10 мм х 10 мм, типичный размер , используемый в обычном обскура режиме и 30 мм х 30 мм. Кроме того, результат измерения с с круглым пучка диаметром 50 мм (полный размер линзы) показан. Параллельно с этим, нормированный результат, полученный в обычном режиме обскуры представлен. Используя 26 линз с нейтронами X = 7 Å и того же размера входной апертуры A _C , как и для обычного обскуры режима (рис 2В), выигрыш в интенсивности на образце приблизительно в 12 раз получается при сохранении постоянного размера луча (разрешение ) на детекторе, как показано на рисунке 13B-C. Система 27-линза имеет пропускание около 32% при температуре окружающей среды. Охлажденный до температуры 50 К, увеличивается из-за передачи линзыподавление рассеяния на фононов в материале линзы. Система 26 параболических линз имеет пропускание около 65% для круглого размера пучка 50 мм, когда луч проходит через весь объем линзы, и около 92% при квадратичном размере пучка 10 мм х 10 мм , когда только очень количество материала линз остается в пучке. Режим высокой интенсивности с линзами обеспечивает преимущества в случае слабого рассеяния, которая обычно встречается на большом расстоянии обнаружения и особенно проблематично в случае слабых условий контраста. Кроме того, когда образец стабилен только в течение короткого периода времени, использование этого режима представляет собой явное преимущество, как это показано в другом месте ^15.

С другой стороны, в случае биологических систем, небольшие объемы образцов, как правило, доступны для экспериментов. Малые биологические молекулы в физиологических условиях с размерами в несколько нанометров обеспечивают слабые сигналы рассеяния над ДомиNant рассеяние из буферных растворов. Такие сигналы могут быть измерены с помощью KWS-2, выгоду от высокой интенсивности прибора в установке низкого разрешения в обскуры режиме, используя короткие коллимации длины L _C = 2 м или 4 м и обнаружения короткого замыкания расстояний L _D = 1 м, 2 м или 4 м. На рисунке 14 представлены модели рассеяния от бета – амилоидного белка (A & beta ; 1-42, M _W = 4,5 кДа) мономеров в дейтерированном гексафторизопропаноле dHFIP, полученного после применения коррекции для сигнала рассеяния из буфера. Модель подгонка данных поставляется с размером мономера около 16 ± 1 Å ^16. Долгое время измерения нескольких часов для каждого экспериментального состояния (расстояние обнаружения L _D и типа образца) был вовлечен, хотя измерения проводились на короткие расстояния обнаружения. Старый детектор, который показал ограничения в отношении скорости счета, затруднено использование коротких расстояний коллимационныхL _С, следовательно , использование максимального потока на приборе. С совершением новой системы обнаружения, позволяющего использовать полного потока нейтронов, такие слабые интенсивности будет измеряться в более короткое время и с улучшенной статистикой в будущем.

Наконец, стимулы чувствительные эффекты могут быть изучены в гибкой и легкой манере, используя специальное вспомогательное оборудование из KWS-2. В качестве примера сообщается на рисунке 15, где показаны образцы SANS из белка лизоцима в D ₂ O буфера и из буфера , собранных при различных давлениях. Особое внимание было уделено исследованию фона и рассеяния вперед от молекул лизоцима, используемого в тесте производительности новой ячейки давления, изготовленного в доме, следуя дизайном, выполненном по PSI, Швейцария. Результаты были аналогичны результатам , полученным с помощью Kohlbrecher и соавт. в аналогичном исследовании, чтобы проверить модель оригинального давления клеток, построеннуютам ^{17, 18.} С KWS-2, дополнительно данные были приобретены, так как давление в 5000 бар достигнута. Эволюция интенсивности рассеянного вперед от белка следует линейное поведение, как это наблюдалось в исследовании в PSI, Швейцария ^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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Radulescu, A., Szekely, N. K., Appavou, M., Pipich, V., Kohnke, T., Ossovyi, V., Staringer, S., Schneider, G. J., Amann, M., Zhang-Haagen, B., Brandl, G., Drochner, M., Engels, R., Hanslik, R., Kemmerling, G. Studying Soft-matter and Biological Systems over a Wide Length-scale from Nanometer and Micrometer Sizes at the Small-angle Neutron Diffractometer KWS-2. J. Vis. Exp. (118), e54639, doi:10.3791/54639 (2016).

Automatically Generated