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

El estudio de la materia y Soft-Sistemas Biológicos en un amplio Longitud escala del nanómetro y el micrómetro Tamaños en el pequeño ángulo de neutrones difractómetro 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

El KWS-2 SANS difractómetro se dedica a la investigación de la materia blanda y sistemas biofísicos que cubren una amplia escala de longitud, desde nm a micras. El instrumento está optimizado para la exploración de la amplia gama Q transferencia de momento entre 1×10 ^-4 y 0,5 Å ^-1 mediante la combinación clásica del agujero de alfiler, de enfoque (con lentes), y el tiempo de vuelo (con interruptor) métodos, y al mismo tiempo proporcionar alta -neutron intensidades con una resolución ajustable. Debido a su capacidad para ajustar la intensidad y la resolución dentro de amplios límites durante el experimento, en combinación con la posibilidad de equipar a los entornos de muestra específicos y los dispositivos auxiliares, la KWS-2 muestra una alta versatilidad en el tratamiento de la amplia gama de estudios estructurales y morfológicos en el campo. estructuras de equilibrio pueden ser estudiados en mediciones estáticas, mientras que los procesos dinámicos y cinéticos pueden ser investigados en escalas de tiempo entre minutos a decenas de milisegundosgundos con los enfoques de resolución temporal. Los sistemas típicos que son investigados con la cubierta KWS-2 de la gama de sistemas complejos, jerárquicas que exhiben múltiples niveles estructurales (por ejemplo, geles, redes o macro-agregados) a los sistemas pequeños y mal de dispersión (por ejemplo, polímeros individuales o proteínas en solución). La reciente actualización del sistema de detección, lo que permite la detección de tasas de recuento en el rango de MHz, abre nuevas oportunidades para estudiar incluso muy pequeñas morfologías biológicos en solución tampón con señales de dispersión débiles cercanas al nivel de dispersión de la memoria intermedia a alta Q.

En este trabajo, ofrecemos un protocolo para investigar las muestras con niveles de tamaño característicos que abarca una amplia escala de longitud y que presenta el pedido en la estructura de mesoescala usando KWS-2. Presentamos en detalle cómo utilizar los múltiples modos de trabajo que son ofrecidos por el instrumento y el nivel de rendimiento que se logra.

Introduction

Los materiales suaves y biológicos muestran una rica variedad de morfologías que se caracterizan por características tales como la auto-organización y auto-ensamblaje de unidades elementales de agregados más grandes y complejos. También muestran interacción cooperativa con un gran número de grados de libertad; interacción débil entre las unidades estructurales, y por lo tanto alta sensibilidad a campos externos; y correlaciones espacio-temporales que pueden abarcar una amplia gama, desde nanómetros hasta milímetros y de nanosegundos a día. Debido a la gran variedad de longitud- y escalas de tiempo relevante, la caracterización experimental de las propiedades de estos materiales son muy difíciles. técnicas de dispersión de neutrones con juegan un papel importante en la investigación de la estructura, la dinámica y las propiedades termodinámicas de tales sistemas complejos. Como sondas únicas, los neutrones ofrecen la ventaja de diferentes interacciones entre la ¹ H y ² H (deuterio, D) los isótopos de hidrógeno. La gran difierenENCE en la densidad de longitud de dispersión coherente entre hidrógeno y deuterio representa la base de los métodos de variación de contraste y el contraste con las características determinadas. Como la mayoría de la materia blanda y sistemas biológicos consisten de hidrocarburos, hidrógeno / deuterio (H / D) sustitución ofrece la posibilidad de variar la densidad de longitud de dispersión coherente de un compuesto en un amplio intervalo. Con esta técnica, los componentes seleccionados en un sistema complejo pueden marcarse mediante intercambio de isótopos. Dependiendo de su contraste-la diferencia al cuadrado entre su densidad longitud de dispersión y la de los otros componentes o regiones componentes-seleccionados dentro de una materia blanda complejo o morfología biofísico puede hacerse visible o invisible en el experimento de dispersión sin alterar químicamente el sistema. Por otra parte, los neutrones son muy penetrantes y se pueden utilizar como sondas no destructivos y para el estudio de muestras en ambientes especiales, donde la contribución de los materiales adicionales colocados en el haz puede ser RELIhábilmente medido y corregido para.

experimentos de dispersión elástica proporcionan información sobre la estructura y la morfología de una muestra. La intensidad dispersada se mide en el espacio recíproco como una función de la transferencia de momento Q, donde Q = 4π / λ pecado Θ / 2, con λ – la longitud de onda de neutrones y Θ – el ángulo de dispersión; esto se traduce en el espacio real a través de una transformación de Fourier inversa. Por lo tanto, los grandes valores Q se refieren a escalas de longitud corta, con las correlaciones inter-atómicas investigados por difracción de neutrones clásica (ND). A valores de Q pequeños, grandes escalas de longitud pueden ser explorados por la dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS). Por lo general, solo o montaje de macromoléculas sintéticas o naturales en solución, en estado fundido, películas, o muestras a granel se caracterizan sobre una escala de longitud de ancho, desde nanómetros y micrómetros de tamaño, a través de la aplicación de las SANS del agujero de alfiler clásicos y la ultra-SANS (basado en difractometría de un solo cristal de enfoque o técnicas). Sin embargo, la combinación de diferentes métodos o instalaciones para lograr una caracterización estructural completa es a veces difícil debido a problemas tales como la cantidad disponible de la muestra, la estabilidad de las muestras en escalas de tiempo largas, la reproducibilidad de los efectos en condiciones termodinámicas especiales, y el análisis conjunto de los datos experimentales obtenido en diferentes geometrías experimentales. Por otra parte, los estudios que se ocupan de las estructuras y los rápidos cambios estructurales que se caracterizan por una alta resolución temporal o espacial son muy difíciles, que requieren montajes experimentales muy especiales. Por lo tanto, el desarrollo de instrumentos SANS altamente versátiles, donde los límites pueden ser empujados más allá de la configuración típica de una manera fácil y factible, es beneficioso para satisfacer todas las demandas especiales de la comunidad de usuarios.

El difractómetro SANS KWS-2 (Figura 1), operado por la J2; Lich Centro de neutrones Ciencia (JCNS) en el Heinz Maier-Leibnitz Center (MLZ) en Garching, era originalmente una clásica SANS agujero de alfiler instrumento se beneficia de un elevado flujo de neutrones (Figura 1) suministrada por la fuente de neutrones FRM II ¹ y el sistema de guía dedicada ^2-4. Después de actualizaciones repetidas, el instrumento se ha optimizado para la exploración de una amplia gama Q, entre 1×10 ^-4 y 0,5 Å ^-1, proporcionando altas intensidades de neutrones y una resolución ajustable. Con la disponibilidad de los entornos específicos de la muestra y los dispositivos auxiliares (Tabla 1), el instrumento puede estar equipado para estudiar la materia blanda y sistemas biofísicos más de una escala de longitud de ancho, desde nm hasta micras, a través de mediciones estáticas; También puede llevar a cabo investigaciones con resolución temporal de las estructuras y morfologías en equilibrio o en transformación debido a los procesos cinéticos, que abarca una amplia escala de tiempo entre los minutos y decenas demilisegundos. En el modo de trabajo convencional (Figura 2A), una gama Q entre 7×10 ^-4 ^-1 Å y 0,5 Å ^-1 puede ser cubierto a través de la variación de la distancia de muestra a detector y / o la longitud de onda. Por lo tanto, los niveles estructurales y efectos de correlación en una escala de longitud de 10 Å hasta 9.000 pueden ser inspeccionados en el espacio real (donde la dimensión se considera como 2π / Q). La selección de la longitud de onda, entre 4,5 Å y 20 Å, usando un monocromador mecánica (selector de velocidad) que proporciona un margen de longitud de onda Δλ / λ = 20%, la variación de las condiciones de colimación (longitud L aberturas de colimación _C y de apertura, A _C – la abertura de entrada, después de que el último segmento de neutrones guía en el haz, y a _S – la abertura de muestreo, justo en frente de la muestra) y de la detección de la distancia L _D se realiza de forma automática, a través de control de la computadora.

mejoras considerables en la intensidad de la muestra, la resolución del instrumento, la mínima transferencia de momento Q _m, y la detección rápida a altas tasas de recuento en el rango de MHz se llevaron a cabo recientemente, con el objetivo de potenciar el rendimiento del instrumento. Durante este proceso, el instrumento estaba equipado con características adicionales.

Hay un interruptor de doble disco ⁵ con aberturas de rendija variable (Figura 2) y el modo de adquisición de datos de tiempo de vuelo (TOF). El helicóptero puede ser operado a una f _chopper frecuencia variable entre 10 Hz y 100 Hz y en las aberturas angulares de las dos ventanas de helicóptero entre los ángulos de 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° por el cambio de la posición de los dos discos con respecto a la otra. La mejora en la resolución de longitud de onda Δλ / λ se logra mediante la reducción del tiempo de apertura de la guía de neutrones τ _w por decraliviar Δφ y / o el aumento de f _chopper. Los pulsos resultantes grabados en el detector se dividen en un número apropiado de canales de tiempo que coinciden con τ _w de ancho y se caracterizan por la Δλ / λ dirigido.

También hay elementos de enfoque hechos de fluorita de magnesio MgF ₂ lentes parabólicos ⁶ con un diámetro de 50 mm (Figura 1). 26 _MgF2 lentes se agrupan en tres paquetes (4 + 6 + 16 lentes) que se pueden mover independientemente en la viga para lograr condiciones de enfoque con diferentes longitudes de onda lambda = 7-20 Å. Con el fin de aumentar la transmisión mediante la reducción de la dispersión en los fonones en el material de la lente, las lentes se mantuvieron a 70 K usando un sistema de enfriamiento especial.

Hay un detector sensible a la posición de alta resolución secundario de centelleo con una resolución de la posición 1 mm y un píxel de tamaño 0,45 mm. El detectorse coloca normalmente en la torre en la parte superior del tanque de vacío a una distancia L fijo _D = 17 m y se puede mover verticalmente dentro o fuera de la viga (Figura 1). El detector principal se encuentra estacionado en la posición final de la cisterna a 20 m, mientras que el detector secundario se mueve en el haz cuando las investigaciones de alta resolución (bajo Q) utilizando lentes se realizan ^4,7. El detector secundario se coloca en un punto focal del sistema de lentes, mientras que una pequeña abertura de entrada en L _C = 20 m sería, en este caso, en el otro punto focal.

Hay un nuevo sistema de detección principal que consiste en una matriz de 144 ³ tubos de él (con una eficiencia global de por tubo de 85% para λ = 5 Å) y que define un área de detección activo equivalente a 0,9 m ² (Figura 1). Innovadores de la electrónica de lectura rápida montados en una caja cerrada en la parte trasera del bastidor de tubo ³ Se mejora lalectura de las características y reduce el ruido de fondo. El nuevo sistema que sustituye el detector de centelleo de edad ⁽⁶ Li centelleador y una matriz de 8×8 fotomultiplicadores, Figura 1) se caracteriza por una constante de tiempo muerto efectiva de 25 nseg y una tasa de recuento total tan alta como 5 MHz a 10% muerto- tiempo para perfiles planos. Estas características se deben al hecho de que el sistema contiene canales independientes operados en paralelo, lo que es una ventaja sobre los sistemas que experimentan de tiempo muerto después de un evento. La tasa de recuento mucho más alta acorta los tiempos de medición y por lo tanto aumenta el número de experimentos que se pueden realizar en el mismo período de tiempo.

Con todas estas innovaciones, el instrumento se convirtió en una herramienta muy versátil que puede hacer frente a una amplia gama de estudios estructurales, ofreciendo múltiples modos de trabajo (Tabla 2) que pueden ser seleccionados y utilizados de una manera directa y fácil de usar. En el modo de alta intensidad (La Figura 2B), hasta doce veces la ganancia de intensidad en comparación con el modo de agujero de alfiler convencional para la misma resolución se puede lograr con lentes aumentando el tamaño de la muestra. En el modo de resolución sintonizable con chopper y datos TOF adquisición, mejorar la caracterización de las características de dispersión dentro de diferentes rangos de Q están habilitadas por la posibilidad de variar la resolución de longitud de onda Δ λ / λ entre 2% y 20% ^5. En el modo extendido Q -range (Figura 2C), utilizando lentes y el detector de alta resolución secundario, un Q _m precio tan bajo como 1 x 10 ^-4 ^{y -1} se puede lograr, que, en combinación con el modo de agujero de alfiler, permisos la exploración de tamaños sobre una escala de longitud continua de la nm a la gama de micras. El uso de un helicóptero para el estrechamiento λ Δ / λ proporciona características del haz precisos, evitando de gravedad y cromáticas efectos when el uso de las lentes. En el modo de tiempo real, mediante la explotación de la alta intensidad y disparo externo de adquisición de datos por los entornos de ejemplo, los cambios estructurales se pueden resolver con las resoluciones de tiempo por debajo de 50 mseg. Al mejorar la resolución de longitud de onda hasta Δ λ / λ = 5% con el helicóptero, las resoluciones de tiempo tan bueno como 2 ms se pueden realizar.

A continuación, presentamos en detalle un protocolo sobre cómo los experimentos típicos se llevan a cabo en el KWS-2 en sus diferentes modos de trabajo y cómo la información estructural de las muestras investigadas se puede obtener a partir de los datos recogidos a través de la reducción de datos. En esta demostración, utilizaremos SANS para caracterizar varios tamaños de soluciones de partículas estándar y una solución micelar polímero altamente concentrada con el fin de mostrar cómo el tamaño y el orden se pueden estudiar de intervalos amplios de una manera flexible y eficiente con el KWS-2 durante una sesión de análisis. partículas esféricas de poliestireno con difealquiler tamaños (radios de R = 150, 350, 500, 1000, y 4000 Å) y una polidispersidad tamaño de σ _R 8% se dispersan en una solución de agua (una mezcla de 90% D ₂ O y 10% H ₂ O) a una fracción de volumen de 1%. Las micelas formadas por los C ₂₈ H ₅₇ -PEO5 copolímeros de dos bloques en D ₂ O a una concentración de 12% muestran una estructura ordenada.

Protocol

1. Colocación de las celdas de muestras Dispersar las partículas esféricas de poliestireno con diferentes tamaños (radios de R = 150, 350, 500, 1000, y 4000 A) y una polidispersidad tamaño de σ R 8% en una solución de agua (una mezcla de 90% D 2 O y 10% H 2 O) a una fracción de volumen de 1%. La transferencia de las seis soluciones de partículas de poliestireno en D2O / H2O, la solución de C 28 H 57 -PEO5 en D2O, y el D 2 O / H 2 O y D 2 O disolventes para cubetas de cuarzo (Figura 3 ) usando pipetas Pasteur. Rellenar cada una de las células de cuarzo hasta el cuello. Cierre las cubetas de cuarzo con sus tapones. NOTA: La operación de llenado de las cubetas de cuarzo con muestras debe llevarse a cabo en el laboratorio de preparación de muestras de FRM II mediante el cumplimiento de las condiciones especiales de trabajo definidos allí. Install las células de cuarzo llena en los cartuchos de Al-soporte de muestra (Figuras 3). Coloque cada celda de cuarzo llena en una cavidad del cartucho y compruebe si la celda de cuarzo se llena con suficiente muestra mediante la determinación de si la muestra cubre completamente la abertura de la ventana en el cartucho que se proporciona para los neutrones. Coloque la corrección y las muestras estándar (la celda de cuarzo vacío, la placa de boro-carburo, y la placa de plexiglás) en lugares adicionales en el cartucho y salir de un lugar libre para la medición del haz vacío. Cubra el cartucho con las placas recubiertas de Al-tapa-Cd (Figura 3) con los tornillos (M3x5). Fijar el cartucho en el Al-bastidor del soporte de la muestra mediante el uso de los tornillos Al especiales (Figura 4). 2. Colocación del Contenedor de muestras / Medio ambiente de la muestra en el escenario de la muestra Determinar el espacio necesario en la posición de la muestra de soporte de la muestra mediante el ajuste dela longitud de la nariz de colimación (Figura 5). Seleccione la configuración apropiada para el soporte de la muestra a partir de las configuraciones almacenadas en el sistema de control de la nariz colimación. Instalar el entorno de soporte / muestra apropiada de la muestra en la etapa de la muestra en la posición predeterminada en la mesa óptica usando tornillos de cabeza hexagonal, M6x40 (Figura 6). Cierre la puerta corredera motorizada de plomo (Figura 5) mediante el uso de los mandos en su lado exterior, manteniendo los mandos de control activados hasta que la puerta alcanza la posición final, que será indicado por una señal luminosa. Precaución: Sin la puerta completamente cerrada y el interruptor de final activado, el obturador de haz no se puede abrir, de forma manual o desde el software de control de medición; el software de medición requerirá una comprobación adicional para este problema antes de iniciar la medición. 3. La planificación de los experimentos Elija el adequcomió configuración experimental y el modo para llevar a cabo la investigación en un rango Q que es apropiado para la escala de longitud de las estructuras y los efectos de la correlación revelados por la muestra. Compruebe el rango dinámico del instrumento 4 (Figura 7 y Tabla 2). Elige la configuración experimental adecuada y el modo para permitir que la intensidad adecuada en la muestra basada en el nivel estimado de la intensidad dispersada por conocer el factor de tamaño aproximado, la concentración, y el contraste que caracterizan las muestras a ser investigados 8. Esto se hace con el fin de optimizar el tiempo de medición para una estadística medida específica y para que coincida con la estabilidad de la muestra en caso de muestras con un tiempo de estabilidad a corto. Compruebe el mapa de intensidad para diferentes configuraciones experimentales 4 (Figura 1 y Tabla 2). Elige la configuración experimental adecuada y el modo depara proporcionar una resolución adecuada en función de un conocimiento aproximado del grado de polidispersidad de tamaño y la concentración de los objetos de dispersión en la muestra 8. Esto se hace a fin de permitir la resolución de las características de dispersión de finas que se producen debido a los efectos de la muestra de ordenar. Compruebe que la posibilidad de ajuste de la resolución de longitud de onda 5 (Tabla 2). 4. Preparación del Software Medición y Conduciendo y Visualizando el Experimento Iniciar el software de medición escribiendo el KWS2TC en una ventana de terminal en el equipo de control de medición del instrumento KWS-2 con el fin de activar el menú principal (Figura 3). Utilice el conjunto de funciones de la izquierda para definir las posiciones del motor elementales (Configuración), para seleccionar las muestras y condiciones de configuración (definición), para iniciar la medición y supervisar todos los motores (control), y para supervisar el realDetector (Live-Display). Seleccione la función de configuración en el menú principal con el fin de activar el menú de configuración kws2-(Figura 4) para definir los datos de usuario y configurar las posiciones del motor elementales y los valores establecidos para los dispositivos y los campos de la muestra. Seleccione la función UserData (Figura 4) y rellenar los campos Nombre de usuario, E-mail, la primera parte del nombre de archivo y comentario de medida en el menú de datos de usuario (ver / editar). Deja el menú haciendo clic en Guardar. Precaución: No utilice caracteres especiales, como @, $,%, etc., para el nombre de archivo de prefijo. Evitar el uso de caracteres especiales a lo largo de todo el procedimiento experimental. Seleccione la función de muestra (Figura 4) con el fin de activar el menú de Configuración de ejemplo (Figura 4). Llenar los campos de título de la muestra, ventana del rayo de la muestra – tamaño, grosor de la muestra, y el comentario de cada sample y la posición seleccionada de la lista vertical de la izquierda del menú. Guardar cada configuración de ejemplo después de completar la definición. Deja el menú haciendo clic en Cerrar. Guardar todas las configuraciones con la función de Archivo en la parte superior del conjunto de funciones en el menú de configuración. Seleccione la función definicion en el menú principal (Figura 3) con el fin de activar el menú kws2 Definición (Figura 5) para definir la configuración experimental y el programa de medición. Seleccione la función de la muestra con el fin de activar el menú Seleccionar muestras (Figura 5). Elija las doce muestras que deben ser medidas (como se muestra en la Figura 3) de la lista de muestras conocidas en el campo vertical izquierda y trasladarlos al campo Las muestras seleccionadas usando la flecha azul. Ordenar la lista de las muestras seleccionadas usando las flechas verticales de color azul. Compruebe la muestra parámetros y ajustar el nombre, el grosor y el comentario, si es necesario. Deja el menú haciendo clic en Guardar o Cerrar. Seleccione la función del detector para activar el menú de Definición de mediciones (Figura 6). Elegir el tipo de medición estática mediante la selección estándar en el área de medición. En la zona del extremo Condiciones, seleccione la unidad de tiempo adecuado para el tiempo de medición de campo. En el área Seleccionar Detector y colimación Distancias, seleccione la configuración experimental y el modo de trabajo seleccionando los valores adecuados para la longitud de onda (campo de selección), distancia de detección (detector de campo Distancia), el modo de adquisición de datos (campo TOF), la resolución de longitud de onda dirigida (DLambda / campo Lambda), tiempo de medición (campo Time), la configuración de las lentes (lentes de campo), y la distancia de colimación (campo de colimación distancia). Haga clic en el botón Nuevo después de una configuración se define por completo con el fin de solucionarlo y almacenarlo en la LOwer mesa. Definir la siguiente configuración y almacenarlo de forma similar hasta que todo el conjunto de configuraciones (Figura 6) se ha completado. Hit Guardar o Cerrar en el menú Definición de mediciones cuando se termine el ajuste de la configuración experimental y modos de trabajo. Ordenar la lista de mediciones de acuerdo con los tres bucles (condiciones de clasificación) que se muestran en la parte inferior del menú que se genera por el programa (Figura 7). Retire las mediciones que no son deseados marcando la línea correspondiente y haciendo clic en el botón "X" marcada en rojo. Ajustar el tiempo de medición para cada medición según se desee comprobar el tiempo total de medición definido en el campo central, marcado en rojo, en el menú kws2 definición, que siempre se mantiene activo en la pantalla. Deje el menú con Guardar o Cerrar y volver al menú kws2 Definición (Figura 5). Cierre la definición kws2menú y volver al menú principal (Figura 3). Seleccione la función de control en el menú principal del software de medición KWS2 (Figura 3) con el fin de activar el menú de control de medida (Figura 8). Inicia sesión con el nombre de usuario y una contraseña que será comunicada por el científico del instrumento y cerrar la sesión para la generación de la secuencia de comandos, que ejecutará los comandos del programa de medición subido. Seleccione Definición de bucle con el fin de comprobar el programa de medición subido. Pulse el botón Inicio y responder a las preguntas generadas por el programa sobre el estado real de la puerta posición de la muestra y el haz de obturación. Se iniciará el programa de medición. Seleccionar valores actuales con el fin de permitir la visualización de la medición en curso (las posiciones de los motores y el estado de los componentes del instrumento, cuente tasa, y EVOLUTIOn de la intensidad integral en el tiempo). NOTA: La intensidad integral en el detector y las tasas de recuento del detector y monitores se muestra y se puede utilizar para cambiar el programa de medición, ya sea individualmente o la totalidad de la serie de mediciones. Permiten realizar y completar las medidas de acuerdo con el programa de medición definido. NOTA: Las mediciones se pueden interrumpir o parar si se activa la función de parada y elegir la opción deseada (para continuar, para detener la medición de corriente con o sin guardar el archivo, o para detener el programa entero) cuando la intensidad integral recogido hasta una cierto punto de tiempo se considera suficiente o cuando las fallas se identifican en la secuencia de mediciones. Generar el Libro de registro de la sesión de medición haciendo clic en el botón Imprimir en la opción Definiciones de bucle (Figura 8) cuando el programa de medición definido se ha detenido o completed. Seleccione Vivo-Display en el menú principal del software de medición KWS2 (Figura 3) con el fin de activar la interfaz KWSlive_MainWindow (Figura 9). En la pantalla de Tipo, elija GEDET o PSD con el fin de visualizar los datos recogidos con el principal o con el detector (de alta resolución) secundaria, respectivamente. Elija el modo de visualización en el modo de visualización mediante la selección de las tres dimensiones (superficie), el bidimensional (contorno), o el modo unidimensional (promedio radial). Introduzca las opciones gráficas (lineal o escala logarítmica) y los valores de los parámetros (longitud de onda y detección de distancia L D) en los campos del menú de opciones de medios radiales con el fin de permitir la presentación de los datos a medida que n intensidad (sin corregir) frente a Q. Elija una TOF-canal deseado con el fin de visualizar los datos recogidos en el modo de TOF (ya sea con el principal o el detector secundario). Análisis 5. Datos Ejecutar el software de procesamiento de datos escribiendo el comando qtiKWS en una ventana de terminal del equipo de análisis de datos del instrumento KWS-2. Elija la opción Nuevo script en el lado derecho de la interfaz principal. Elija la opción de DAN en el menú de funciones superiores de la interfaz principal (Figura 10) con el fin de activar las funciones de análisis de datos. Seleccione el instrumento KWS-2 de Opciones en el menú de la derecha con el fin de activar el modo de análisis de datos para los datos medidos en el KWS-2 utilizando el detector principal. Definir la carpeta donde se encuentran los archivos de datos medidos y donde se almacenarán los archivos de datos corregidos. Elija la opción Herramientas y activar la función de Cabecera (s) en el menú del lado derecho (Figura 11) y generar la información de la tabla que contiene los archivos que se van a procesar. Definir el nombre de la tabla haciendo clic en el conjunto de la izquierda de las flechas verdesen el campo de cabecera (s). Cargar los archivos medidos haciendo clic en el conjunto adecuado de las flechas verdes en el campo de cabecera (s) y la selección de los archivos de medición. NOTA: La información de la tabla que contiene la información completa acerca de cada archivo de medición se almacenan en el menú explorador-como en la parte inferior del proyecto. Todos los resultados que se generarán más adelante en el proyecto serán almacenados allí. Activar la función de máscara en el menú de la derecha (Figura 12) y generar la máscara activa que define el área del detector que será considerado para el procesamiento de datos. Introduzca valores en los campos de la viga perimetral y única para definir las esquinas inferior izquierda y superior derecha de la máscara rectangular en el caso del análisis de los patrones de dispersión isotrópica. Activar la función de sensibilidad en el menú de la derecha (Figura 13) y generar la sensibilidad del detector para una determinada configuración mediante la introducción en el marcado fi verdecampos de los números de ejecución de las mediciones de la muestra patrón (plexiglás), enjulio vacío (EB), y haz bloqueado (B4C). Haga clic en el conjunto de flechas verdes junto al campo amarillo (Transmisión) para el cálculo de la transmisión de la muestra patrón. Generar y el nombre de la matriz de sensibilidad seleccionando Calcular como Nuevo, y visualizar la matriz generada por el uso de las funciones de la trama correspondiente en el menú inferior. Repita este procedimiento en el caso de otras configuraciones. Activar la función de procesamiento de datos en el menú de la derecha (Figura 14) y generar la tabla de corrección y calibración y la tabla de secuencia de comandos con el fin de corregir, calibrar y realizar el cálculo del promedio radial de los datos. Definir el número de condiciones utilizadas en el experimento utilizando el control deslizante horizontal en la parte superior del menú de la derecha (flecha roja). Rellene los campos indicados con el lápiz de color amarillo introduciendo para cada condición experimental delejecutar los números de la celda vacía (CE), haz bloqueado (B4C) y estándar muestras-el plexiglás (Abs. Cal. FS), enjulio vacío para la corrección estándar (Abs. Cal. EB), y haz bloqueado por la norma corrección (Abs. Cal. B4C). Introduzca los números de ejecutar mediciones con una fuerte dispersión hacia adelante en el campo Centro. Introduzca el número de ejecución de un haz de vacío en el campo de EB y seleccione la condición experimental correspondiente para el cálculo de la transmisión de muestras marcando la casilla junto a la función Tr (Ec-a-EB). Haga clic en cada botón indicado por un conjunto de rotación de las flechas verdes en la serie vertical de opciones (Figura 14) con el fin de cargar la información necesaria para el procesamiento de datos de los archivos definidos y para el cálculo de la transmisión de la celda vacía. Haga clic en la cabecera de cada columna amarilla con el fin de definir el nombre de la columna. Haga clic en el botón Nuevo con el fin de generar y nombre a la tabla de los archivos de datos que be procesada. Haga clic en el botón Agregar para cargar los archivos de datos que serán procesados. Haga clic en el botón de Tr indicado con el conjunto de rotación de las flechas verdes bajo el área de Herramientas Script-Tabla para el cálculo de la transmisión de cada muestra. Compruebe los resultados en la tabla generada (Figura 14). Seleccione Proyecto en la esquina inferior derecha de la interfaz (Figura 14) con el fin de guardar todos los resultados en tablas o matrices en la sesión actual qtiKWS (proyecto). Haga clic en el botón I [x, y] con el fin de realizar la corrección y la calibración de los datos de dos dimensiones. Haga clic en el botón I (Q) con el fin de realizar la corrección, calibración, y el promedio radial de los datos. Representar gráficamente los resultados usando las funciones gráficas en la opción Gráfico (Figura 15). NOTA: Todos los resultados serán generados como archivos externos que se guardarán en la carpeta externa que se definió en el paso 5.2, cuando, en THe esquina inferior derecha de la interfaz, Archivo se elige en lugar de Proyecto. Eligió Herramientas en el menú de la derecha (Figura 11) y activar el TOF | opción de RT (Figura 16) con el fin de dividir los datos que fueron recogidos con el detector principal en el modo de trabajo TOF en archivos individuales correspondientes a cada vez canal. Haga clic en el TOF :: Calcular la función de los parámetros y de la carga de un archivo, de donde se extrae información sobre las condiciones TOF. Haga clic en el TOF | RT :: Suma vs Número :: Lee función y cargar el archivo de interés, medida en los modos en tiempo real o TOF, con el fin de generar una tabla de suma-TOF-archivo como el que aparece en el lado izquierdo de la interfaz de trabajo. Trazar la intensidad integral como una función de los canales de tiempo (Figura 16) de la suma-TOF-archivo utilizando las opciones gráficas en virtud de la función de gráfico en el menú de funciones superior. Definir el procesamiento de parámetros en los campos de la función TOF. Haga clic en el TOF | RT :: Todos los pasos seleccionados :: botón Continuar con el fin de cargar los archivos de datos que se van a separar en archivos individuales correspondientes a cada uno de los intervalos de tiempo definidos. NOTA: Los archivos que contienen los datos medidos en cada intervalo de tiempo se generan y almacenan en la ubicación del archivo definido en el paso 5.2 y reciben el nombre del archivo TOF original, seguido por el número del intervalo de tiempo. Proceder como en el paso 5.6 con el fin de analizar los datos medidos con una mejor resolución, correspondiente a Δλ lambda como objetivo, utilizando el helicóptero. Seleccione el instrumento KWS2-DRH de Opciones en el menú de la derecha de la interfaz principal (Figura 17) con el fin de activar el modo de análisis de datos para los datos medidos con el KWS-2 utilizando el detector de alta resolución secundaria. Activar la función de máscara en el menú de la derecha (Figura 18A) y gee la máscara activa que define el área activa del detector. Elija la opción DANP en el menú de funciones superior de la interfaz principal (Figura 18B). Seleccionar la opción ASCII.2D en el menú de la derecha. Activar la función de enmascaramiento 2D con el fin de definir un sector especial en el detector que será considerado para el análisis de datos. Introducir el centro del haz de ventanilla en el Centro de campo. Seleccione la matriz de máscara y el valor 0 en la máscara :: Condiciones descuidar la zona exterior de la máscara especial. Elija el sector angular y haga clic en el botón de color en la parte derecha de los campos del sector. Continúe con los datos medidos con el detector de alta resolución, como en los pasos 5.5 y 5.6. Guarde el proyecto qtiKWS (guardar funciones en virtud de la opción Archivo del menú superior).

Representative Results

Los resultados representativos de un experimento exitoso que se llevó a cabo con el KWS-2 en diferentes modos de trabajo sobre la estructura y la morfología de dos tipos representativos de sistemas de materia blanda se dan en las Figuras 8-11. Estos resultados son de la investigación de una serie de partículas de poliestireno de tamaño estándar en D2O / H 2 O soluciones, con una D 2 O contenido de 90%, y del dibloque protonada totalmente copolímero de C 28 H 57 -PEO5 en D 2 O en una fracción de volumen de polímero de alta (12%). Las partículas de tamaño estándar de poliestireno, con radios de R = 150, 350, 500, y 1000 Å se utilizaron para probar el modo de agujero de alfiler convencional usando diferentes combinaciones de detección se distancia L D y longitudes de onda λ. Las partículas de mayor tamaño (R = 4,000 Å) se utilizaron para probar y poner en marcha el modo Q -range extendida. El copolímero de dos bloques que se obtiene un micel ordenadaestructura lar a altas concentraciones de D2O se utilizó para probar y poner en marcha el modo de resolución sintonizable. La Figura 8 presenta los resultados de los patrones de dispersión de dos dimensiones medidos en el modo de agujero de alfiler utilizando el detector principal (el detector de centelleo de edad) y en el modo de Q -range extendida usando las lentes de enfoque y el detector secundario de alta resolución. La figura 8A representa el patrón de dispersión de partículas de poliestireno con R = 500 Å medido en L D = 8 m utilizando λ = 5 Å. La figura 8B muestra el patrón de dispersión de partículas de poliestireno con R = 1,000 Å, recogida en L D = 20 m utilizando λ = 20 Å. Para las medidas realizadas con λ = 5 Å, se recogió el haz directo en el centro del haz de parada instalado delante del detector, y el haz transmitido podría controlarse con un small 3 El contador que se ha instalado en el centro del haz de parada. Este es el llamado Monitor 3 (Figura 8). El instrumento tiene dos adicionales 3 Se contadores, que se instalan en la parte delantera del selector de velocidades (Monitor 1) para controlar el haz policromático, y detrás del selector de velocidades (monitor 2) para controlar el haz monocromático. Debido a limitaciones técnicas, las medidas con λ = 20 Å se realizaron con el rayo directo en el detector, que era la típica configuración utilizada con el viejo detector KWS-2. La intensidad más débil, directo haz a longitudes de onda largas, que cae hacia abajo debido a la gravedad, se pudo detectar sin daño causado al detector. El haz transmitido en este caso se controló con Monitor 3 a una corta distancia de detección L D = 2 m. En este caso, los efectos de la gravedad son débiles y la viga directa recae sobre el haz de parada (como en la Figura 8A). Los datos recogidos de dos dimensionalmente en el detector para un tamaño de píxel de 5,25 mm x 5,25 mm se obtuvo una corrección adicional para la sensibilidad del detector, y las contribuciones de la celda vacía, Fondo del instrumento, y el disolvente se absolutamente calibrado usando la dispersión de la norma secundaria plexiglás 4. Por último, los patrones de dispersión que se distribuyeron alrededor de la posición isótropa Q → 0 se promediaron radialmente, que dictó la dΣ / dΩ para cada sistema de partículas de poliestireno. El patrón de dispersión de dos dimensiones de las partículas de poliestireno de gran tamaño (R = 4,000 Å) se muestra en la Figura 8C, ya que se midió con el detector de alta resolución para un tamaño de píxel de 0,5 mm x 0,5 mm. El haz directo pequeño es enfocado por el sistema de lentes en el plan de detección y es capturado por un pequeño haz de tope (4 mm x 4 mm) instalado en la cara del detector. La sombra de la cuadrática haz de parada se puede observar en Figura 8C en el lado superior izquierdo del área de detector activo. Los efectos de la gravedad inducen una amplia distribución vertical de neutrones de diferentes longitudes de onda en el detector. Además, debido a que las lentes están enfocados perfectamente, sólo los neutrones que se caracterizan por la longitud de onda λ central de la distribución triangular son entregados por el selector de velocidad de 2,5; los neutrones de diferentes longitudes de onda alrededor de la central llegan al detector ligeramente fuera de foco. Estos dos efectos producen los rastros débiles de haces directos que se pueden observar justo por encima y por debajo de la viga-parada. En el modo Q -range extendida estática por medio de lentes y el detector de alta resolución, los datos se recogen de forma continua. Con el fin de disminuir la contribución de los efectos de la gravedad, los datos dispersos se analizan en un sector angular estrecha que se inicia desde el haz de parada y se extiende horizontalmente a la derecha, como se muestra en la Figura 8C. Los datos se procesan fás utilizando el enfoque típico para lograr el dΣ / dΩ. La Figura 8D presenta la intensidad en función de la posición de la viga-stop hacia el borde del detector, ya que se recogió en una rebanada horizontal estrecha con una anchura de 1 píxel (0,5 mm) en el detector de alta resolución. Los datos de la solución de muestra y la referencia (disolvente) se muestran como fueron recogidos en una medición de prueba por debajo de 5 min. La caída de la intensidad en las posiciones cortas se debe a que el haz de parada. A partir de la relación de las intensidades en las posiciones más cortas, se podría estimar la transmisión de la muestra (87%). Los resultados corregidos y calibrados obtenidos en términos de dΣ / dΩ en la solución de las partículas de poliestireno con R = 500 Å se muestran en la Figura 9, junto con los de disolvente. Estos resultados ilustran la gama Q que puede ser cubierto con el KWS-2 en el modo convencional estenopeicaa través de la variación de la posición de detección L D y el uso de una o más longitudes de onda. El factor de forma de 8,9 características de las partículas esféricas son también reveló: la región Guinier a baja Q y las oscilaciones debidas a la función de Bessel esférica en el rango de Q intermedio. En la gama de alta Q, el perfil de dispersión está dominada por la dispersión del disolvente, y por lo tanto muestra un comportamiento plano, como que a partir del disolvente en sí. Los mínimos factor de forma se ven afectadas por la resolución del instrumento 5, por una parte, y por la polidispersidad de tamaño de partícula en el otro lado. La resolución del instrumento en el caso de la KWS-2 se determina principalmente por la propagación de la longitud de onda Δλ / λ = 20%. La polidispersidad tamaño para todos los tipos de partículas estaba por σ R = 8%. La Figura 10 muestra los resultados obtenidos en la investigación SANS de todos los tipos de partículas de poliestireno expresadas como dΣ/ DΩ se aplicó después de la corrección en función de la contribución disolvente. Las regiones Guinier estén claramente demostradas para todas las partículas hacia valores bajos de Q, mientras que en los altos rangos de Q, la pendiente de -4 se revela, lo cual es típico para el factor de forma de los objetos esféricos. Los parámetros estructurales de las partículas de tamaño estándar fueron confirmados por el ajuste de los datos con el factor de forma de polidisperso spheres 8,9 complicado con la función de la resolución del instrumento 10 a 12. La Figura 11 presenta los patrones de dispersión de la unidimensionales promediados radialmente de dos dimensiones y de la estructura de orden de C 28 H 57 -PEO5 micelas de polímero que se produce en D 2 O en una fracción de volumen de polímero de 12%. Los resultados se recogen en la detección de diferentes distancias L D, con ambos modos de resolución del agujero de alfiler y sintonizables convencionales combinados en elmisma sesión de medición. Cuando el sistema se investiga en el modo de agujero de alfiler convencional utilizando la propagación longitud de onda de Δλ / λ = 20%, según lo dispuesto por el selector de velocidad, y la adquisición continua de datos (estática), tres grandes picos se observan en los patrones de dispersión en L D = 4 m. En el modo de resolución sintonizable, utilizando el chopper y la adquisición de datos TOF en combinación con el selector de velocidad, la extensión de longitud de onda se puede mejorar de modo que se puede comprobar si estas características son reales o si una estructura fina de ellos finalmente aparecerá. El primer y segundo picos observados en Δλ / λ = 20% revelan una división cuando se miden con Δλ / λ = 5%, lo que permitió la identificación clara de la ordenación de las micelas (FCC) en los cristales de caras centradas cúbicos 5,13 . Estos son dos ejemplos típicos de la versatilidad y el rendimiento de la Diffra KWS-2 SANS ctometer se puede utilizar de una manera sencilla y fácil de usar, siguiendo el protocolo previsto para la realización de investigaciones detalladas sobre la materia blanda y sistemas biofísicos que muestran características estructurales complejas en cuanto a la escala de la longitud y el pedido. Figura 1: Diseño del instrumento KWS-2 SANS, incluyendo todas las actualizaciones realizadas entre 2010 y 2015. (A) La visión general del instrumento. (B) El detector de alta resolución secundaria y su torre en la parte superior del tanque de vacío. (C) Los MgF2 lentes de enfoque, agrupados en tres paquetes, y su sistema de refrigeración (resfriado). (D) La edad del detector principal (centelleo) con su matriz de 8 x 8 de fotomultiplicadores. (E) El nuevo detector principal (3 Él tubos) con un área de detección más grande.f = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54639/54639fig1large.jpg" target = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: vista esquemática de tres modos de trabajo ofrecidos en el KWS-2. (A) El modo de agujero de alfiler convencional. Para L C = L D, donde L C y L D son la colimación y la longitud de detección, respectivamente, y óptima del agujero de alfiler condición A C = 2A S, donde A C y A S son la abertura de entrada de colimación y la abertura de muestreo, respectivamente , el perfil de la viga I 'P en el detector es aproximadamente triangular con una anchura de base igual a 2A C. (B) La alta intensidad de modo de enfoque. Mediante el uso de las lentes, las muestras más grandes pueden ser medidos con la misma resolución que en THmodo de agujero de alfiler convencional e (el perfil de la viga I 'P en el detector es rectangular en este caso). (C) El Q extendida -range modo de enfoque. Mediante el uso de lentes y una pequeña abertura de entrada A C (normalmente 4 mm x 4 mm) que se coloca en un punto focal del sistema de lentes, un pequeño haz se transmite sobre el detector, que se coloca en el otro punto focal de las lentes . Por lo tanto, se puede lograr un valor más bajo para el vector de onda mínima de transferencia de Q m que en el modo convencional estenopeica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: Vista de las muestras montadas en el Al-cartucho del soporte de muestras para las mediciones a temperatura ambiente. En elcavidades previstas en el Al-cartucho. Cubetas de cuarzo (A) (B) llenas de muestras y cubiertos con sus tapones (C) se pueden colocar. Las posiciones en el Al-cartucho estaban ocupados con las muestras de la siguiente manera: en posiciones nº 1 al nº 5, las partículas de poliestireno con tamaños de R = 150, 350, 500, 1.000 y 4.000 Å en D2O / H2 disolvente O; en la posición No. 6, el H copolímero de dos bloques -PEO5 57 C 28 en D 2 O; en las posiciones # 7 y # 8, los disolventes D 2 O / H 2 O y D 2 O; en la posición N ° 9, la celda de cuarzo vacío (de referencia); en la posición número 10, el plexiglás (estándar); en la posición No. 11, nada (para la medición del haz de vacío); en la posición No. 12, la placa B 4 C (grabada en la parte posterior; para la medición de los antecedentes instrumento con el haz bloqueado). La placa de Al tapa (D), revestidos de una máscara de Cd en la cara exterior, esfijo en la parte superior del cartucho con los tornillos (E) con el fin de asegurar que las células de la muestra y para definir la ventana de neutrones (F). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4: Vista de uno de los varios niveles y multi-posición de la celda titulares utilizados en el KWS-2 para mediciones en condiciones ambientales. Las muestras para el actual período de sesiones experimentales fueron instaladas en el nivel medio. Los tres niveles se pueden equipar con cartuchos (A) diseñadas para diferentes geometrías de células que están cerrados con placas de cubierta de Al-recubiertas con máscaras de CD en la cara exterior (hacia los neutrones). La instalación de los cartuchos en el soporte se realiza mediante los tornillos (B ). El soporte tiene un soporte de base (C) que permite su instalación en una posición predeterminada en la etapa de muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5: vista superior esquemática de la zona de muestra de KWS-2. (A) Presentación de dos configuraciones extremas de la nariz de colimación, que muestra el espacio disponible para la instalación de varios entornos de muestra en el haz (los neutrones son procedentes de la parte inferior, como se indica por las flechas amarillas). (B) El panel de control de la puerta principal, con las teclas de apertura y cierre (1 y 2, respectivamente). El motor de la puerta funciona sólo mientras las teclas se presionan de forma continua. La puerta está equipada en sus bordes consensores que inducen la parada del motor cuando se detecta un obstáculo. Después de eliminar el obstáculo, el bloqueo motor se puede cancelar con la tecla superior (3) y la apertura o el cierre de la acción se puede reanudar. (C) El panel de control de la nariz colimación. En el panel de la nariz, una configuración apropiada se puede seleccionar mediante la tecla (4). La nariz se mueve, manteniendo la llave (5) activado continuamente hasta que se alcanza la posición seleccionada y el movimiento se detiene por sí mismo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6: Instalación del soporte de muestras de varios niveles y en varias posiciones en el escenario de ejemplo para las mediciones de SANS a temperatura ambiente (de las fotografías: Wenzel Schürmann, Technische Universität München, Alemania). Los principales componentes en la posición de la muestra son la nariz de colimación con la abertura de muestreo en su extremo (A), la etapa de la muestra que proporciona el posicionamiento horizontal y vertical de las muestras en el haz (B), la ventana de entrada del tanque de vacío detector (C), la puerta de plomo con sensores en su borde (D), y el soporte de la base del soporte de la celda (e), que prevé la instalación del soporte de la mesa óptica (F) de la etapa de muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7: El rango dinámico para diferentes configuraciones instrumentales en la KWS-2. I 0 representa el flujo de neutrones en la posición de muestra. Las áreas definidas indican la gama Q disponibles que pueden ser cubiertos cuando la longitud de onda se varió entre 4,5 Å y 20 Å para configuraciones particulares colimación de detección. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8: Ejemplos de patrones de dispersión de dos dimensiones recogidos durante la sesión experimental de acuerdo con el protocolo actual. (A) El patrón de dispersión de recogida en L D = 8 m de partículas de poliestireno con un radio de R = 500 Å en D2O / H2O, medido con λ = 5 Å. El patrón de dispersión se distribuye alrededor de la isótropa bEAM-stop, que está bloqueando el haz directo en el medio del detector. (B) El patrón de dispersión de recogida en L D = 20 m de partículas de poliestireno con un radio de R = 1.000 Å en D2O / H2O, medido con λ = 20 Å. El patrón de dispersión isotrópica se distribuye alrededor de la posición del haz transmitido, que para esta longitud de onda cae bajo el haz de parada y está enmascarado junto con el haz de dejar de usar las funciones del software de visualización. (C) El patrón de dispersión de recogida con el detector de alta resolución en L D = 17 m de partículas de poliestireno con un tamaño de R = 4,000 Å en D 2 O / H 2 O, tal como se mide con λ = 7 Å en el intervalo Q extendida , con las lentes y el detector de alta resolución. El patrón de dispersión se distribuye isótropa alrededor del pequeño haz de tope (4 mm x 4 mm), que bloquea el haz directo enfocada. El sector angular en which los datos se analizaron adicionalmente se indica en el lado derecho de la viga-stop. (D) La intensidad en función de la posición del haz de parada, ya que se recogió en una medición de prueba corto en una rebanada horizontal estrecha, con la anchura de 1 píxel (0,5 mm), en el detector de alta resolución. Los datos se muestran a partir de la solución de muestra y la referencia (disolvente). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 9: Los patrones de dispersión de las partículas de poliestireno en D2O / H 2 O en solución (símbolos) y del disolvente (líneas). Los datos se recogieron en el modo convencional del agujero de alfiler en diferentes configuraciones del instrumento quese indican mediante diferentes colores. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Se aplicó Los patrones de dispersión de partículas de poliestireno de diferentes tamaños en D2O / H2O después de la corrección para la dispersión del disolvente: Figura 10. Las líneas rojas representan encaja con el factor de forma esférica 9, incluida la resolución del instrumento 10, 11 y la polidispersidad tamaño. El comportamiento típico Q -4 asintótica para el factor de forma esférica está indicado por la línea recta en la gama alta Q. El límite inferior del rango de Q cubierto con diferentes longitudes de onda o configuraciones es específicamente marked. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 11: patrones de dispersión de la de dos dimensiones y el promedio radialmente unidimensionales de los C 28 H 57 -PEO5k micelas poliméricas en D 2 O (en una fracción de volumen de polímero de 12%), medidos en el modo de agujero de alfiler convencional con Δλ / λ = 20% (arriba) y en el modo de resolución sintonizable, con Δλ / λ = 5% en L D = 4 m (lado izquierdo) y L D = 8 m (lado derecho). En el modo convencional, se podían observar tres picos anchos. Una estructura fina de los dos primeros picos se revela 5, 13 con una mejor Δ & #955, la resolución / λ. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 12: El patrón de dispersión de micelas de copolímero dibloque PHO10k-PEO10k protonadas totalmente en D2O (después de aplicar la corrección de la dispersión de disolvente), tal como se mide mediante la combinación de los modos extendidos Q Categoría estándar del agujero de alfiler convencional y. Una morfología cilíndrica core-shell está indicada por la dependencia de la Q-1 de intensidad dispersada en Q intermedia y la dependencia Q -5/3 (blob dispersión) observado en alto Q. La meseta de intensidad a baja Q y la flexión en Q intermedia revelan tque la longitud y el espesor de los cilindros, respectivamente. La curva roja representa el ajuste de los datos experimentales con un modelo de cilindro de núcleo-carcasa 9, con la resolución del instrumento incluyó 10-12. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 13: Los patrones de dispersión de partículas de poliestireno (R = 150 Å) en D2O / H2O, medido en los modos de alta intensidad (Lens) del agujero de alfiler convencional y. (A) Los patrones de dispersión de una sola dimensión medidos con λ = 7 Å en L D = 8 m en el modo convencional y en L D = 20 m en el modo de alta intensidad con las lentes. en tque el modo de alta intensidad, diferentes tamaños de haz sobre la muestra se utilizaron con el fin de aumentar la intensidad. Hasta 12 veces se alcanzó la ganancia en intensidad cuando se utilizaron 26 lentes en comparación con el modo de agujero de alfiler convencional. Una muestra grande se colocó en el haz mediante el uso de una celda de cuarzo redonda con un diámetro de 5 cm. (B) El patrón de dispersión de dos dimensiones recogido en el detector en el modo de ojo de aguja para un haz de tamaño de 10 mm x 10 mm. (C) El patrón de dispersión de dos dimensiones recogido en el detector en el modo de alta intensidad mediante el uso de 27 lentes y un tamaño del haz de 30 mm x 30 mm. El tamaño (resolución) del haz directo centrado en el detector es el mismo que en el modo de agujero de alfiler. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 14: El patrón de dispersión de la solución tampón y de los monómeros de proteína beta amiloide (Aß 1-42, el peso molecular M W = 4,5 kDa) en hexafluoroisopropanol deuterado tampón dHFIP a una concentración de 5,6 mg / ml después de tres semanas de incubación. Los puntos completos representan la curva de dispersión de la solución de proteína mientras que el triángulo completo muestra la curva de dispersión de la solución tampón. Los puntos azules indican la sección eficaz de dispersión (en la escala vertical derecha) a partir de monómeros después se aplicó la corrección para la contribución de amortiguación. Las barras de error representan las desviaciones estándar se derivan de los recuentos de neutrones. La línea continua roja muestra la función Beaucage equipada con dimensionalidad fija d = 2 14. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 15: Los patrones de dispersión de lisozima 50 mg / ml en tampón de acetato 50 mM en D 2 O y de solución tampón medido a diferentes presiones, desde la ambiente hasta 5000 bar. Los símbolos representan datos de la solución de proteína mientras que las líneas muestran los datos de la memoria intermedia. Los datos se recogieron a dos distancias de detección, L D = 4 m (símbolos abiertos) y L D = 1 m (símbolos llenos). El recuadro muestra el comportamiento de la intensidad dispersada hacia adelante I (Q → 0) a partir de la solución de proteína, el tampón, y la propia proteína (después de la corrección para la contribución de tampón se aplicó) como una función de la presión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <table border="1" fo:keep-together.within-page = "1" fo: keep-con-next.within-page = "always"> Parámetro / Función Equipos auxiliares Campo de utilización Exactitud Detalles técnicos posicionamiento etapa de la muestra max. carga de 600 kg x 0 – 360 mm 0,05 mm Y 0 – 330 mm 0,05 mm Z (eje del haz) manualmente, 600 mm θ r (rotación) 0 ° – 360 ° 0.002 ° θ t (cuna) ± 30 ° 0.002 ° Temperatura ambiente De tres niveles con múltiples posiciones de Al titular (máscaras Cd) 3×9 = 27 cubetas de cuarzo de ancho 3×12 = 36 celdas de cuarzo estrechas tres posiciones 3 grandes cubetas de cuarzo (diámetro Φ = 5 cm) Al soporte (B 4 máscara C) Temperatura termostato (baño de aceite) + de -25 ° C a 200 ° C ± 0.5 ° C 4 posiciones bloque de cobre pequeña en el aire o en la cámara de vacío (con cubetas selladas) termostato (baño de agua) + de dos niveles múltiples posiciones de 5 ° C a 85 ° C ± 0,2 ° C 2×9 = 18 celdas de cuarzo de ancho; 2×12 = 24 celdas de cuarzo estrechas al bloque termostato del horno + de alta precisión de 10 ° C a120 ° C <0,1 ° C 1 posición, celda de cuarzo de ancho con termostato Peltier cubeta titular de -20 ° C a 140 ° C ± 0,2 ° C 8 posiciones (todos los tipos de células de cuarzo o un sandwich sujetadores tipo de células); atmósfera controlada por debajo de 5 ° C (Máscara B4C) Presión SANS celulares HP + termostato (baño de agua) hasta 5.000 bar La temperatura en el intervalo de 5 ° C a 85 ° C Baja temperatura Criostato con ventanas de zafiro hasta 50 K reometrıa reómetro; fases de estado estacionario y oscilatorios Humedad humedad de la célula 5% a 95% Temperaturaen el intervalo de 15 ° C a 60 ° C In situ FT-IR 20 espectrómetro FT-IR células de la muestra con ventanas de ZnSe Tabla 1: La lista de equipos auxiliares disponibles para el difractómetro KWS-2 SANS, incluyendo la gama de uso, la precisión y los detalles de cada dispositivo. Modo de medición Montaje experimental Resolución haz / tamaño de la muestra max. Intensidad [n / s] Q-rango [-1] Δλ / λ estenopeica convencional λ = 7 Å 20% 10 x10 mm 2 1,3 x 10 8 0,002 0,3 .. L C = 2 m – 20 m L D = 1 m – 20 m λ = 4,5 A, L C = 2 m, L D = 1 m 20% 10 x 10 mm 2 2 x 10 8 0,01 0,5 .. λ = 10 A, L = 20 m C, D L = 20 m 20% 10 x 10 mm 2 7,5 x 10 5 0,001 0,02 .. λ = 20 A, L = 20 m C, D L = 20 m 20% 10 x 10 mm 2 4 x 10 4 7×10 -4 -2 .. 1.5×10 Centrándose alta intensidad λ = 7 A, L = 20 m C, D L = 17 m 20% Φ = 50 mm 3 x 10 7 ≈ 0,002 0,03 .. Enfoque alta resolución (Q-rango extendido) λ = 7 A, L = 20 m C, D L = 17 m, A C = 4 x 4 mm 2 20% 10 x 10 mm 2 1,6 x 10 4 ≈ 2×10 -4 .. 0,02 resolución sintonizable λ = 4,5 Å, 5% 10 x 10 mm 2 California. 7% desde el modo convencional 0,002 0,5 .. L C = 20 m, L D = 1 m 20 m .. </td> Tabla 2: Las configuraciones experimentales disponibles en el KWS-2 SANS difractómetro. Suplementaria Figura 1: El flujo de neutrones absoluta en la posición de muestra de la KWS-2 como una función de λ la longitud de onda a diferentes longitudes de colimación L C y para el llenado óptimo de la fuente de frío reactor. Haga clic aquí para descargar esta figura. Que complementa la figura 2: Vista esquemática del helicóptero de doble disco con una abertura de ranura variable. La ranura de apertura Δφ se puede ajustar entre 0 ° y 90 °, de modo que, dependiendo de la frecuencia f chopperchopper, el tiempo de apertura τ w de la guía (el rectángulo rojo en la serie vertical de la derecha de las imágenes) puede ser variada. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 3: La interfaz de usuario principal del software de control de medición y visualización del KWS-2. Las funciones de la izquierda (A) pueden ser utilizados por los experimentadores, mientras que las funciones del lado derecho e indicadores (B) se usan por el instrumento responsable. Un servidor o proceso que se muestra en el menú de la derecha está en funcionamiento y funciona con normalidad cuando está marcada en verde. Los componentes marcados en amarillo no se activan. Cualquier mal funcionamiento se indica con rojo. Haga clic aquí para descargar THes figura. Suplementaria Figura 4: Vista del menú kws2-configuración y funciones de configuración de ejemplo. Los usuarios deben completar la información en los campos UserData primero y luego hacer la configuración de las muestras. Los campos que deben ser rellenados y las acciones que deben ser tomadas están marcados en rojo. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 5: Vista del menú Definición kws2 y seleccionar las funciones de ejemplo. Las acciones que se deben tomar por parte del usuario se describen en el paso 4.3. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementoary Figura 6: Vista del menú kws2 definición y definición de las funciones de las medidas. Las acciones que se deben tomar por parte del usuario se describen en el paso 4.3. Haga clic aquí para descargar esta figura. Complementario Figura 7: El programa de medición generada por la combinación de las muestras definidas y las condiciones experimentales definidas. Las acciones que se deben tomar por parte del usuario se describen en el paso 4.3. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 8: El menú de control kws2-Medición y la opción valores actuales. Los parámetros fijos (posiciones, nombres, longitud de onda, etc.) y la variables (tiempo, intensidades, velocidad de recuento, etc.) que caracterizan a la medición en curso se muestran. Las acciones que se deben tomar por parte del usuario se describen en el paso 4.4. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 9: La opción de visualización en vivo con el menú KWSlive_MainWindow y diferentes opciones de visualización de datos. Se selecciona el modo de visualización de la superficie. Cuando se selecciona el modo promedio radial (imagen a la derecha), el ajuste de los parámetros se puede encontrar en el menú Opciones Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 10: La interfaz principal de los qtiKWS software de reducción de datos w ITH las opciones para la selección del instrumento y la ubicación de los datos experimentales y procesados. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 11: Las funciones para definir el diario de a bordo para el conjunto de datos para ser tratados (info-tabla). Las acciones que se deben tomar por parte del usuario se describen en el paso 5.3. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 12: Las funciones para definir la máscara de detector para el cual se procesarán los datos. Las acciones que se deben tomar por parte del usuario se describen en el paso 5.4.target = "_ blank"> Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 13: Las funciones para la definición de los mapas de sensibilidad del detector. Las acciones que se deben tomar por parte del usuario se describen en el paso 5.5. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 14: Las funciones para generar la tabla de secuencia de comandos para la corrección, calibración, y el promedio radial de datos. Las acciones que se deben tomar por parte del usuario se describen en el paso 5.6. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 15: Las funciones para el trazado tque procesa los datos. Las acciones que se deben tomar por parte del usuario se describen en el paso 5.6.5. Haga clic aquí para descargar esta figura. Complementario Figura 16: Las funciones para la preparación y la división de los datos medidos en el modo sintonizable-resolución. Los datos de los dos impulsos suministrados por el helicóptero y recogidos inicialmente en 64 canales TOF se fusionan en un solo pulso. Varios canales se agrupan de manera que los canales de tiempo resultantes que se caracterizan por la Δλ / λ destinada pueden guardarse como archivos separados. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 17: La interfaz principal de los qtiKWS software de reducción de datos con la opción seleccionada para el procesamiento de los datos medidos con el detector de alta resolución. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 18: Las funciones para la definición de las máscaras de detectores de alta resolución para la que se tratarán los datos. Las acciones que se deben tomar por parte del usuario se describen en el paso 5.8. Haga clic aquí para descargar esta figura. Suplementaria Figura 19: Vista general de todos los tipos de células de muestra utilizados normalmente en el KWS-2 para la investigación de la materia blanda y muestras biológicas a temperatura ambiente o variable. (A) Vista de la large células de cuarzo disponibles para el modo de alta intensidad con lentes y un tamaño de haz grande. El soporte de la celda, que está equipado con máscaras de plástico borada (1), permite la planificación y la realización de tres mediciones en una sola sesión. (B) Vista de las células de cuarzo o de latón que se usan como recipientes de muestras y de un soporte de temperatura controlada (Peltier de tipo) equipado con cartuchos de 8-posición apropiada para cada tipo de célula. El titular está blindado con máscaras de plástico borada (1) en ambas caras. (C) Vista de la célula de presión en funcionamiento en el KWS-2. La célula puede proporcionar la presión en la muestra entre la ambiente y 5000 bar en un modo automático, controlado por el programa de medición. La máscara Cd redonda (1) con una pequeña abertura en el centro determina el haz de tamaño en la muestra. Haga clic aquí para descargar esta figura.

Discussion

materia blanda y sistemas biofísicos se caracterizan típicamente por correlaciones estructurales y niveles microestructurales y morfológicos relacionados entre sí que se extienden a una escala de longitud de ancho, de nm a micras. Para entender el mecanismo de la formación y la evolución de la morfología de tales sistemas y la relación entre sus características microscópicas y las propiedades macroscópicas, es importante para explorar su microestructura en toda la escala de longitud y en las condiciones ambientales pertinentes (por ejemplo, temperatura, presión, pH , humedad, etc.). Por lo general, las técnicas con neutrones (SANS) o sincrotrón rayos X (SAXS) de dispersión de ángulo pequeño están involucrados en este tipo de estudios. El inconveniente intensidad de neutrones frente sincrotrón rayos X se compensa con el uso de comparativamente grande Δλ / λ, que sin embargo conduce al empeoramiento de la resolución instrumental. Sin embargo, SANS ofrece ventajas únicas debido las posibilidades que ofrece el contrvariación AST, especialmente entre los isótopos de hidrógeno. Por lo tanto, SANS es un método experimental utilizado específicamente en el estudio de sistemas de materia y biofísicos suaves, para la que proporciona información estructural y morfológica única. La mayoría de los difractómetros SANS en todo el mundo ^{el 21} de trabajo en el principio del agujero de alfiler (Figura 2), lo que permite la resolución de baja Q dirigido. Prácticamente, todos los SANS difractómetros de alto flujo tienen un máximo flujo similar en el orden de 1 x 10 cm ⁸ n ^-2 seg ^-1. Sobre la base de la resolución de longitud de onda relajada, el KWS-2 tiene un flujo casi se duplicó ^{2, 4.} Recientemente, SANS difractómetros muy especializados entró en funcionamiento para servir con características optimizadas para un rango específico de aplicaciones, como para las investigaciones a muy pequeña dispersión de vectores ^{22, 23.} Con la reciente comisión de los difractómetros especializados TOF-SANS en los reactores de estado estable ²⁴ o spallation fuentes ^{25, 26,} un aumento masivo-Q rango dinámico en una configuración experimental dada y una mayor flexibilidad y optimización en cuanto a la elección de la resolución experimental se ofrecen. Para el KWS-2 SANS difractómetro, un alto nivel de versatilidad y el rendimiento necesarios para los estudios estructurales muy específicas en el campo de la materia blanda y biofísica está habilitado en un instrumento de otra manera clásica SANS. La optimización, la flexibilidad y la espontaneidad en el diseño y la realización de estudios complejos, como soportada por el protocolo descrito, se consigue mediante la combinación de los parámetros optimizados experimentales (por ejemplo, la intensidad, escala de longitud, resolución espacial y resolución temporal) y la muestra compleja ambientes. El uso de los múltiples modos de trabajo enumerados en la Introducción y apoyadas por los resultados que se presentan en las figuras 8-15, el KWS-2 mejora de una manera fácil y práctica el funcionamiento de un difractómetro SANS clásicaen una fuente de neutrones constante (reactor) más allá de los límites convencionales de tales instrumentos.

Este protocolo presenta los pasos que un usuario regular debe llevar a cabo para definir y llevar a cabo un simple programa experimental que implica únicamente la investigación de muestras en condiciones ambientales termodinámicas (temperatura, presión, humedad relativa) y en condiciones estáticas (no cinética de formación de estructura o transformación, no cizalla o flujo). Varios titulares de temperatura controlada o ambientes especiales de la muestra (Tabla 1 y Figura complementario 19), tales como células de presión, reómetros, o células de humedad, están disponibles y pueden ser instalados y ajustados con la asistencia especial del equipo del instrumento de manera óptima. Este protocolo no proporciona instrucciones acerca de los ajustes y controles de dicho equipo. La definición y la activación de los controladores externos requieren el uso de otro, el protocolo más complejo. Este protocolo presenta lacaso de trabajar con células de la muestra de cuarzo de una forma rectangular estrecha (Figura 3). Sin embargo, una amplia gama de geometrías y tipos de células (Figura 19) se ofrece a los usuarios, con el fin de proporcionar una mayor flexibilidad y eficiencia en la realización de los experimentos. En el caso de la utilización de tales células, el presente protocolo puede ser seguido con el ajuste de los parámetros discutidos en el paso 4.2.2. El software de control de medición ha sido desarrollado para ofrecer a los usuarios una mayor flexibilidad en la consecución de sus objetivos científicos y optimización en la operación técnica del instrumento. Todos los ajustes y configuraciones de funciones y componentes del instrumento especiales son realizadas por el equipo del instrumento. La participación de los usuarios científicos de la configuración, definición, y la utilización del instrumento se simplifica y específicamente limitada sólo a aquellos aspectos que están en relación con las cuestiones científicas de la sesión experimental. Coarchivos nfiguration están predefinidas con el fin de abarcar todas las cuestiones experimentales especiales, tales como la colocación de soportes especiales en la viga, el posicionamiento de la muestra en el haz (coordenadas x, y, Φ, y ω en la etapa de la muestra, mesa de rotación, o cuna en la Figura complementario 5), el ajuste de las posiciones de los detectores y de la viga de punto para diferentes longitudes de onda, el ajuste de los parámetros de helicóptero (frecuencia y apertura de la ventana) para diferentes longitudes de onda, las distancias de detección y resolución destinada, etc. Además, el protocolo actual no se describe cómo el modo de tiempo real se puede utilizar en el KWS-2. También se requiere el uso de un protocolo más complejo con el fin de llevar a cabo con resolución temporal SANS experimentos.

Por otra parte, este protocolo presenta cómo los datos medidos se pueden corregir para diferentes contribuciones de dispersión desde el instrumento y las referencias y calibrados con el fin de obtener la muestra de DifferentiAl sección eficaz de dispersión, dΣ / dΩ, expresado en cm ^-1. Esta cantidad contiene toda la información estructural y morfológica sobre la muestra y se mide en una amplia gama Q que corresponde a una escala de longitud de ancho, sobre el cual aparecen correlaciones estructurales y talla niveles interrelacionados característicos del sistema investigado. La sección eficaz de dispersión dΣ / dΩ se refiere por tanto la intensidad medida en un experimento de dispersión estática en un ángulo Θ, que _s = F (Θ) a las propiedades estructurales de la muestra.

Para la evaluación de dΣ / dΩ para un sistema de interés, además de la medición del sistema, se necesitan medidas adicionales con el fin de corregir los datos para cualquier dispersión externa (es decir, el medio ambiente, la celda de muestra, la solución de disolvente o tampón en el caso de sistemas de soluto, etc.) y para calibrar los datos corregidos en unidades absolutas 8. El fondo externo (celda de muestra o recipiente), la muestra de referencia (soluciones de disolvente o tampón), la transmisión de la muestra (necesario para el correcto sustracción de fondo y la calibración de los resultados corregidos en unidades absolutas), el fondo electrónico del detector, el detector sensibilidad (falta de homogeneidad en la eficiencia de detector que es inherente para detectores de área), y la muestra estándar normalizada también debe ser medido. Para el KWS-2, Plexiglas (PMMA) se utiliza como muestra estándar. Este es el llamado estándar secundario y se calibra periódicamente frente a una muestra estándar primario, que es vanadio. Vanadio entrega una intensidad dispersada muy débil y requiere tiempos de medición muy largos para la recogida de las estadísticas apropiadas; por lo tanto, no es práctico para los propósitos SANS. La intensidad de recogida de la muestra de interés I _S y de la muestra estándar I _St puede expresarse como sigue:

t ">

[1]

[2]

donde ₀ representa la intensidad entrante (entregado por el sistema de colimación), t es el espesor, A es el área expuesta a la viga, T es la transmisión, y Δ ψ es el ángulo sólido en el que se observa una célula de detección de la posición de la muestra. Si tanto la muestra como norma se miden en las mismas condiciones con respecto al haz entrante (es decir, L _C, A _C y A _S, y λ y Δ λ / λ), que ₀ y A son los mismos y el ángulo sólido es expresado como a _D / L _D (con a _D que representa el área de una célula de detección). Al dividir las dos relaciones, la dispersión transversal sectien de la muestra se obtiene como:

[3]

donde el I _St se expresa como una media (la norma como un sistema de dispersión incoherente entrega un patrón de dispersión plana). El I _S se obtiene después de la corrección de la intensidad medida de la muestra en la célula (recipiente) con respecto a la contribución de la celda vacía I _eCell y el fondo en el detector para el haz cerrado, I _B. El factor de t _St T _St (dΣ / dΩ) _St, que contiene la dispersión y los parámetros físicos de la muestra estándar, depende de la longitud de onda λ de neutrones y por lo general se conoce en la calibración de la muestra estándar. Por lo tanto, se tabula en el software de reducción de datos ^4. Los parámetros y cantidades en la ecuación. 3 que se conoce a partir de la calibración procedurES y la definición de la configuración experimental (t _S, L _D) forman el denominado factor de calibración k. Las intensidades y la transmisión de la muestra T _S que aparecen en la ecuación. 3 debe ser medido. El programa de análisis de datos qtiKWS permite la corrección, calibración, y el promedio radial de los datos experimentales y el logro de dΣ / dΩ de las muestras investigadas en un modo de trabajo flexible y versátil. Los resultados finales generados con el software qtiKWS se presentan como tablas con cuatro columnas: Q, I, Δ I, donde I representa Δσ dΣ / dΩ y Δσ es la resolución Q ^5.

Desde un punto de vista práctico, con el KWS-2, SANS combinados e investigaciones USANS pueden llevarse a cabo, con la ventaja de que la geometría de la muestra y las condiciones termodinámicas se mantienen constantes. Grandes morfologías que muestran multIPLE niveles estructurales que abarcan una amplia escala de longitud de nanómetro a micrómetro tamaños pueden ser investigados de manera directa, como se muestra en la Figura 12. Además de la pequeña escala límite estructural R _C observado en la curva de dispersión medida en el modo de agujero de alfiler convencional, mediante la activación de las lentes y el detector de alta resolución, la gran escala límite estructural L _C de micelas de núcleo-envoltura cilíndrica formada por el poli – (óxido de hexileno-etileno-co-óxido) copolímero de dos bloques PHO10k-PEO10k (totalmente protonada) en _D2O ¹⁴ se pudieron observar a valores muy bajos Q en el modo de funcionamiento prolongado Q -range. Las micelas cilíndricas se caracterizan por un espesor total de aproximadamente 300 Å y una longitud de aproximadamente 7000 Å, tal como se revela por el ajuste de los resultados experimentales con el núcleo-envoltura cilíndrica de factor de forma ^{de 9,14.} Por lo tanto, ciertos efectos sensibles tales como geles termo-sensible o formación y crecimiento de cristallínea o parcialmente cristalinos morfologías pueden ser explorados de forma inequívoca con el KWS-2, a diferencia del enfoque clásico de la participación de dos o más diversos instrumentos y las geometrías de muestra.

Tal como se presenta en la figura 11, los sistemas correlacionados y ordenó estructuras pueden ser estudiados con las resoluciones adaptadas de una manera muy flexible, sin tener que gastar tiempo y esfuerzo en la instalación de sistemas monochromatization complejas, lo que implicaría aspectos de cuidado y seguridad adicionales. Por otra parte, mediante la participación del helicóptero y el modo de adquisición de datos TOF, sistemas de materia blanda monodispersas o complejos con baja polidispersidad tamaño se puede caracterizar de forma muy precisa en el aún elevado de intensidades ^5.

Los obstáculos generados por la dispersión débil debido a la utilización de sistemas diluidos altamente o condiciones desfavorables de contraste se pueden superar mediante el uso de intensidades incluso superior basado en el tamaño del haz más grande en la muestra, mientras se mantiene laresolución. La figura 13A presenta los patrones de dispersión de partículas de poliestireno de un radio de R = 150 Å, medida en el modo de alta intensidad usando las lentes y un tamaño de haz de segundo grado que varía entre 10 mm x 10 mm, el tamaño típico utilizado en el modo de agujero de alfiler convencional , y 30 mm x 30 mm. Además, se muestra el resultado de una medición con una ronda haz de 50 mm de diámetro (el tamaño total de la lente). En paralelo, se presenta el resultado normalizado obtenido en el modo de agujero de alfiler convencional. El uso de 26 lentes con neutrones de λ = 7 Å y el mismo tamaño de abertura de entrada A _C como para el modo de agujero de alfiler convencional (Figura 2B), se obtiene una ganancia en la intensidad en la muestra de alrededor de 12 veces mientras se mantiene un tamaño de haz constante (resolución ) en el detector, como se muestra en la Figura 13, parte B-C. El sistema 27 de lentes tiene una transmisión de aproximadamente 32% a temperatura ambiente. Enfría a una temperatura de 50 K, los aumentos de transmisión de la lente debidola supresión de la dispersión de fonones en el material de la lente. El sistema de 26 lentes parabólicos con una transmisión de alrededor de 65% para un tamaño de haz redondo de 50 mm, cuando el haz pasa a través de todo el volumen de la lente, y de aproximadamente 92% para un tamaño de haz cuadrática de 10 mm x 10 mm , cuando sólo una cantidad de material de la lente permanece en la viga. El modo de alta intensidad con lentes ofrece beneficios en el caso de dispersión débil que generalmente se encuentra en una gran distancia de detección y es particularmente problemático en el caso de condiciones de contraste débiles. Además, cuando la muestra sólo es estable durante un período corto de veces, el uso de este modo representa una clara ventaja, como se demuestra en otra parte ^15.

Por otro lado, en el caso de los sistemas biológicos, los volúmenes de muestra pequeños están típicamente disponibles para los experimentos. Las pequeñas moléculas biológicas en condiciones fisiológicas con tamaños de unos pocos nanómetros entregan señales de dispersión débiles por encima de la dominante de dispersión de las soluciones tampón. Dichas señales se pueden medir con el KWS-2, que se benefician de la alta intensidad del instrumento en la configuración de baja resolución del modo de agujero de alfiler, utilizando corto colimación longitudes L _C = 2 m ó 4 m, y la detección de distancias cortas L _D = 1 m, 2 m, 4 m. La Figura 14 presenta los patrones de dispersión de la proteína beta amiloide (Aß 1-42, M _W = 4,5 kDa) monómeros en hexafluoroisopropanol deuterado dHFIP, tal como se obtiene después de que se aplicó la corrección de la señal de dispersión de la memoria intermedia. Un modelo de ajuste de los datos entregado un tamaño de monómero de aproximadamente 16 ± 1 a ^16. Un tiempo de medición largo de varias horas para cada condición experimental (distancia de detección L _D y tipo de muestra) estaba implicado, aunque las mediciones se llevaron a cabo a distancias de detección de cortocircuitos. El detector de edad, que ha mostrado limitaciones en cuanto a la tasa de recuento, obstaculizó el uso de distancias cortas de colimaciónL _C, de ahí el uso del flujo máximo en el instrumento. Con la comisión del nuevo sistema de detección que permite el uso del flujo de neutrones completa, tales intensidades débiles se medirán en tiempos más cortos y con la mejora de las estadísticas en el futuro.

Por último, los efectos de estímulos sensibles pueden ser estudiadas de manera flexible y fácil utilizando el equipo auxiliar especial de la KWS-2. Un ejemplo se expone en la figura 15, que muestra los patrones de SANS de la proteína lisozima en D ₂ O tampón y desde el tampón recogido a diferentes presiones. Especial atención se ha prestado a la investigación de los antecedentes y la dispersión hacia adelante de las moléculas de lisozima, que se utiliza en la prueba de rendimiento de la nueva celda de presión de fabricación propia, siguiendo un diseño hecho por PSI, Suiza. Los resultados fueron similares a los obtenidos por Kohlbrecher et al. En un estudio similar para probar el modelo de células presión original construidohay ^{17, 18.} Con el KWS-2, más datos ha sido adquirido desde que se ha alcanzado una presión de 5.000 bar. Evolución de la intensidad dispersada hacia adelante de la proteína sigue un comportamiento lineal, como se observa en el estudio en PSI, Suiza ^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