Küçük açılı Nötron Difraktometre KWS-2 de Nanometre ve Mikrometre Boyutları bir geniş uzunluk ölçekli üzerinde yumuşak madde ve Biyolojik Sistemleri incelenmesi
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 difraktometre yumuşak madde ve nm um, geniş bir uzunluk ölçeğini kapsayan biyofizik sistemlerin incelenmesi adamıştır. Enstrüman, aynı anda yüksek sağlarken, klasik iğne deliği birleştirerek (lensler ile) odaklanarak 1×10 -4 ve 0.5 Å -1 arasındaki geniş momentum transferi Q aralığının keşif için optimize ve zaman-of-flight yöntemleri (kıyıcı ile) olan ayarlanabilir bir çözünürlüğe sahip -neutron yoğunlukları. Belirli örnek ortamları ve yardımcı cihazlar donatmak imkanı ile kombine yoğunluğu ve deney sırasında geniş sınırlar içinde çözünürlüğü ayarlamak kabiliyetini, yüzünden, KWS-2 yapısal ve morfolojik çalışmalar geniş olarak ele yüksek çok yönlülük gösterir alan. dinamik ve kinetik süreçler milisaniye onlarca dakika arasında zaman ölçeklerinde üzerinde incelenebilir ise denge yapıları, statik ölçümler ele alınabilirİlik zamana bağımlı yaklaşımları ile. KWS-2 kapaklı küçük ve zayıf-saçılma sistemleri (örneğin, tek polimerler veya proteinlerin birden çok yapısal seviyeleri (örneğin, jeller, ağlar, ya da makro-agrega) sergileyen karmaşık, hiyerarşik sistemleri yelpazesi incelenmiştir Tipik sistemleri çözüm). MHz aralığında sayım oranlarının tespiti sağlayan algılama sistemi, son yükseltme, yüksek Q tampon saçılma seviyesine yakın zayıf saçılım sinyallerine ile tampon çözelti içinde bile çok küçük biyolojik morfolojileri incelemek için yeni fırsatlar açar.
Bu yazıda, karakteristik boyut seviyeleri geniş bir uzunluk ölçeği kapsayan ve KWS-2 kullanılarak orta ölçekli yapısında sipariş sergileyen örnekleri araştırmak için bir protokol sağlar. Biz alet ve elde edilir performans düzeyine göre sunulan çoklu çalışma modları nasıl kullanılacağını detaylı olarak sunuyoruz.
Introduction
Yumuşak ve biyolojik malzemeler, daha büyük, karmaşık agrega için öz-örgütlenme ve elementer birimlerinin öz-montaj gibi özellikleri ile karakterizedir morfolojileri zengin bir çeşitlilik göstermektedir. Onlar da serbestlik derecesi çok sayıda kooperatif etkileşimi göstermektedir; yapısal birim ve dış alanlara böylece yüksek hassasiyet arasındaki zayıf etkileşim; ve nanometre milimetre ve nanosaniye gelen gün geniş yayılabilir uzaysal ilişki. Çünkü ilgili boyu ve zaman ölçekleri arasında geniş bir ürün yelpazesi, bu malzemelerin özelliklerinin deneysel karakterizasyonu çok zorlu. nötron saçılma teknikleri yapısı, dinamiği ve bu tür karmaşık sistemlerin termodinamik özelliklerinin araştırılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Gibi özel problar, nötron 1 H ve 2 saat boyunca (döteryum, D) hidrojen izotoplarının arasında farklı etkileşimleri gibi olanaklar sunar. büyük farklılıkhidrojen ve döteryum arasında tutarlı saçılma uzunluğu yoğunluğu ence kontrast varyasyon ve kontrast eşleştirme yöntemlerinin temelini oluşturmaktadır. yumuşak bir maddeden ve biyolojik sistemlerin en hidrokarbonlar, hidrojen / döteryum oluşur (H / D), ikame geniş bir aralıkta bir bileşiğin koherent saçılma uzunluğu yoğunluğu değiştirme imkanını sağlar. Bu teknik sayesinde, karmaşık bir sistem seçilen bileşenler izotop değişimi ile etiketli olabilir. Karmaşık yumuşak madde veya biyofizik morfolojisi içindeki saçılma uzunluğu yoğunluğu ve diğer bileşenler seçilmiş bileşenler veya bölgelerin arasındaki onun kontrast kare farka bağlı olarak kimyasal sistemi değiştirmeden saçılma deneyde görünür ya da görünmez hale getirilebilir. Ayrıca, nötronlar yüksek nüfuz ve yıkıcı olmayan problar olarak ve kiriş yerleştirilen ek maddelerden katılım reli olabildiği özel ortamlarda örneklerin incelenmesi için de kullanılabilirbeceriyle ölçülerek için düzeltildi.
Elastik saçılma deneyleri bir numunenin yapısı ve morfolojisi hakkında bilgi sunmak. Saçılan yoğunluğu momentum transferi Q, Q = 4π / λ sin bir fonksiyonu olarak karşılıklı boşlukta ölçülür nötron dalga boyu ¸ – – l ile Θ / 2, saçılma açısı; Bu daha sonra bir ters Fourier dönüşümü ile gerçek uzaya çevrilmiştir. Böylece, büyük Q değerleri klasik nötron kırınımı (ND) tarafından incelenen arası atom korelasyon ile, kısa uzunluk ölçekleri ile ilgilidir. Küçük Q değerleri, büyük uzunluk ölçekleri küçük açı nötron saçılması (SANS) tarafından keşfedilebilir. Tipik haliyle, tek ya da çözelti içinde sentetik veya doğal makromoleküller, montaj eriyik, film veya dökme örnekleri, klasik iğne deliği SANS uygulanması ve U ile, nanometre ve mikrometre boyut arasından geniş bir uzunluk ölçüsü boyunca karakterize edilirteknikleri (odaklama veya tek kristal kırınım dayanarak) LTRA-SANS. Bununla birlikte, tam bir yapısal karakterizasyon elde etmek için farklı yöntemler ya imkanı kombinasyonlarıyla numunede mevcut miktarı, uzun bir zaman ölçeğinde örnekleri stabilitesi, özel bir termodinamik koşullar etkilerinin yeniden üretilebilirlik ve deneysel ortak veri analizi gibi sorunların bazen zordur farklı deney geometrilerde elde edilmiştir. Ayrıca, yapıları ve yüksek boşluk veya zaman çözünürlüğü ile karakterizedir hızlı yapısal değişikliklerle başa çalışmalar çok özel deney düzeneklerini gerektiren çok zorlu. Bu nedenle, limitler kolay ve uygulanabilir bir şekilde tipik bir yapılandırma ötesinde itilebilir çok yönlü SANS araçların geliştirilmesi, toplantı kullanıcı topluluğunun tüm özel talepleri için faydalıdır.
J işletmesinde SANS difraktometresi KWS-2 (Şekil 1),2; Garching'deki Heinz Maier-Leibnitz Merkezi (MLZ) de Nötron Science (JCNS) Merkezinin lich başlangıçta yüksek nötron akı yararlanan bir klasik iğne deliği SANS enstrüman FRM II nötron kaynağı tarafından teslim (Ek Şekil 1) 1 ve özel rehber sistemi 2-4. Tekrarlanan yükseltmeleri sonra enstrüman yüksek nötron yoğunluklarını ve ayarlanabilir çözünürlük sağlayan, Å -1 1×10 -4 ile 0.5 arasında, geniş bir Q aralığında keşif için optimize edilmiştir. Belirli örnek ortamları ve yardımcı cihazlar (Tablo 1) durumu ile, enstrüman statik ölçümler aracılığıyla, um kadar nm yumuşak madde ve geniş bir uzunluk ölçeği üzerinde biyofiziksel sistemleri incelemek için donatılmış olabilir; o da dakika ve onlarca arasında geniş bir zaman ölçeği kapsayan nedeniyle kinetik süreçleri dengede veya dönüşüm altında yapılar ve morfolojileri zamana bağımlı araştırmalar yapabilirmilisaniye. Geleneksel çalışma modunda (Şekil 2A) olarak 7×10 -4 Å -1 ve 0.5 Å arasındaki Q aralığı -1 örnek-dedektör mesafesi ve / veya dalga boyu değişimi yoluyla karşılanabilir. Bu nedenle, 9000 Â kadar 10 Å bir uzunluk ölçeğinde yapısal düzeyleri ve korelasyon etkileri (boyut 2π / Q olarak kabul edilir), gerçek uzayda kontrol edilebilir. Δλ / λ =% 20 bir dalga boyu yayılmasını sağlar 4.5 Å ve 20 Å, mekanik bir monokromatör kullanarak (hız seçici) arasındaki dalga boyu seçimi, kolimasyon koşullarının değişimi (kolimasyon uzunluğu L, C ve diyafram açıklıkları, A C – kiriş son nötron kılavuzu segmentinde ve A S aşağıdaki giriş açıklığı, – sadece numune önünde örnek açıklık) ve algılama mesafesi L D bilgisayar kontrolü yoluyla, otomatik olarak yapılır.
<p class = "jove_content"> örnek üzerinde şiddetine kaydadeğer yükseltmeleri, enstrüman çözünürlük, asgari momentum transferi Q m ve MHz aralığında yüksek sayım hızlarında hızlı algılama cihazı performansını artırmayı hedefleyen, son zamanlarda gerçekleştirilmiştir. Bu işlem sırasında, cihaz ek özellikler ile teçhiz edilmiştir.Değişken yarık açıklıkları (Ek Şekil 2) ve zaman-of-flight (TOF) veri toplama modu ile bir çift disk helikopter 5 vardır. Kıyıcı 10 Hz ve 100 Hz arasında değişen bir frekansı f helikopterde, 0 ° 'lik açılarla arasında iki kesici pencere açısal açıklıklar çalıştırılabilir ≤ Δφ birbirine göre iki disk konumlandırma değiştirerek 90 ° ≤. Dalgaboyu çözünürlüğü Δλ / l gelişme DECR tarafından w nötron kılavuz τ açılış süresini kısaltarak elde edilirΔφ kolaylaştırılması ve / veya f kıyıcı artar. Dedektör kaydedilen elde edilen darbe genişliği W τ eşleşen ve hedeflenen Δλ / l ile karakterize edilen zaman kanalları arasında uygun sayıda bölünür.
50 mm (Şekil 1) bir çapa sahip olan, magnezyum florit MgF2 parabolik lensler 6 yapılan odaklama unsurları vardır. 26 MgF2 lensler farklı dalga boyları λ = 7-20 Å ile odaklama koşullarını elde etmek için kiriş bağımsız hareket edebilir üç paket (4 + 6 + 16 lensler) halinde gruplandırılmış. Lens fononları ilgili saçılması azaltarak iletimi arttırmak için, mercek özel bir soğutma sistemi kullanılarak 70 K tutulur.
1 mm'lik pozisyon çözünürlük ve 0.45 mm piksel boyutunda bir ikincil yüksek çözünürlüklü pozisyon duyarlı sintilasyon dedektörü bulunmaktadır. detektörtipik = sabit bir mesafe L D vakum tankının üstünde kulede 17 metre yerleştirilir ve dikey (Şekil 1) veya kiriş dışına taşınmış olabilir. Lensler kullanarak yüksek çözünürlüklü incelemeler (düşük Q) 4,7 yapılmaktadır ikincil detektör ışınının hareket ederken ana dedektörü, 20 m tankın son konumda park edilir. L C'de küçük bir giriş açıklığı = 20 m olacağını ise ikincil dedektör diğer odak noktası olarak, bu durumda, mercek sisteminin bir odak noktasına yerleştirilir.
Orada 144 3 O tüplerin bir dizi içeren yeni ana algılama sistemi (λ = 5 Å için% 85 tüp başına küresel bir verimlilik ile birlikte) ve bu 0,9 m 2 (Şekil 1) aktif bir algılama alanı eşdeğer tanımlar. 3 O tüp çerçevenin arka tarafındaki kapalı durumda monte Yenilikçi hızlı okuma elektronik geliştirirözelliklerini-okuma ve arka plan gürültüsünü azaltır. Eski sintilasyon detektörü (6 Li sintilatör ve 8×8 fotoçoğaltıcılar bir dizi, Şekil 1) ile ikame yeni sistem 25 NSEC etkili bir ölü zaman sabiti ve% 10 sokan, 5 MHz kadar yüksek genel sayısı oranı ile karakterize edilir düz profiller için zaman. Bu özellikler, bir olaydan sonra ölü zamanlı deneyim sistemlere göre bir avantajı olan sistem paralel çalışan bağımsız kanal içerdiği gerçeğine, kaynaklanır. daha yüksek sayım oran ölçme kez kısaltır ve dolayısıyla aynı süre içinde gerçekleştirilebilir deney sayısını artırır.
Tüm bu yenilikler sayesinde, cihaz seçilen ve doğrudan kullanıcı dostu bir şekilde kullanılabilecek çok sayıda çalışma modları (Tablo 2) sunarak yapısal çalışmaların geniş bir yelpazede ele alabilir çok yönlü bir araç haline gelmiştir. yüksek yoğunluklu modunda (Aynı çözünürlük için geleneksel iğne deliği moda kıyasla on iki kez yoğunluk artışına Şekil 2B), örneklem büyüklüğü arttırarak lensler ile elde edilebilir. Kıyıcı ve TOF veri toplama ile ayarlanabilir çözünürlük modunda, farklı Q aralıkları içinde saçılma özellikleri geliştirilmiş karakterizasyonu% 2 ve% 20 arasında 5 dalga boyu çözünürlüğü Δ λ / λ farklılık imkanı olarak etkindir. Genişletilmiş Q -range modunda (Şekil 2C) kullanarak lensler ve ikincil yüksek çözünürlüklü dedektörü, 1 x 10 -4 Å -1, elde edilebilir iğne deliği modu ile, hangi kombinasyon halinde, izin gibi düşük bir Q m mikron aralığında nm sürekli bir uzunluk ölçeği üzerinde boyutlarda keşif. Δ l daralan bir helikopterde kullanımı / λ wh yerçekimi ve renk efektleri kaçınarak doğru ışın karakteristikleri sağlarlensler kullanarak tr. Gerçek zamanlı modunda, yüksek yoğunluklu ve örnek ortamlar tarafından veri toplama haricen sömürerek, yapısal değişiklikler 50 milisaniye kadar zaman çözünürlükleri ile çözülebilir. Kıyıcı ile aşağı ö λ / λ =% 5'e dalga boyu çözünürlüğü artırarak, 2 milisaniye kadar iyi zaman çözünürlükleri gerçekleştirilebilir.
Burada, detaylı bir şekilde farklı çalışma modları ve nasıl incelenen numunelerin yapısal bilgi veri azaltılması yoluyla toplanan verilerden elde edilebilir KWS-2 nasıl yapılır tipik deneyler üzerinde bir protokol mevcut. Bu gösteri, biz büyüklük ve sipariş sırasında KWS-2 ile esnek ve verimli bir şekilde geniş aralıklarda ele alınabilir nasıl göstermek amacıyla standart parçacık çözümleri çeşitli boyutlarda ve bir yüksek konsantre polimer misel solüsyon karakterize etmek SANS kullanacak bir deney oturumu. sorumluluk yönün sahip polistiren küresel partiküllerkira boyutları (R = 150, 350, 500, 1000 ve 4000 Å yarıçapı) ve σ R bir boyut polidispersite 
% 8 bir su çözeltisi% 1 hacim fraksiyonu en (% 90 D 2 O ve% 10 H2O karışımı) içinde disperse edilir. % 12 bir konsantrasyonda D 2 O Cı 28H 57 -PEO5 diblok kopolimerlerin oluşturduğu miseller sıralı bir yapıyı göstermektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yumuşak madde ve biyofiziksel sistemleri tipik nm mikron, geniş bir uzunluk ölçeğini kapsayan yapısal korelasyon ve birbiriyle mikroyapı ve morfolojik seviyeleri ile karakterize edilir. Oluşumu ve bu sistemlerin morfoloji ve mikroskopik özellikleri ve makroskopik özellikler arasındaki ilişkinin evrimi mekanizmasını anlamak için, toplam uzunluk ölçeği üzerinde ve ilgili çevre koşulları (örneğin sıcaklık, basınç, pH altında mikro yapı keşfetmek için önemlidir , nem, vs.). Tipik olarak, küçük açılı nötron (SANS) veya sinkrotron X-ışınları (SAXS) ile tekniklerinin saçılma bu çalışmalarda yer almaktadır. Sinkrotron X-ışınları karşı nötron yoğunluğu dezavantajı ancak enstrümantal çözünürlük kötüleşmesine yol açar nispeten büyük Δλ / l, kullanımı ile telafi edilir. Bununla birlikte, SANS Contr sunduğu olanaklardan dolayı benzersiz avantajlar sağlamaktadırözellikle hidrojen izotopları arasında ast varyasyon. Bu nedenle, SANS özellikle benzersiz yapısal ve morfolojik bilgi sevk ettiği için yumuşak madde ve biyofizik sistemlerin çalışmasında, kullanılan deneysel bir yöntemdir. Amaçlayan düşük Q çözünürlüğü sağlayan SANS diffraktometreler iğne deliği ilkesi (Şekil 2A) dünya çapında 21 eser, çoğu. Pratikte, tüm yüksek akı SANS diffraktometreler 1 x 10 8 n cm -2 sn -1 sırasına benzer bir maksimum akı var. Rahat dalga boyu karara istinaden, KWS-2 neredeyse akı 2, 4 katına çıktı. Son zamanlarda, çok özel SANS diffraktometreler çok küçük saçılma tür araştırmalar için gibi uygulamalar, belirli bir aralığı için optimize edilmiş özelliklere sahip hizmet etmek faaliyete geçmiştir 23, 22 vektörleri. Kararlı durum reaktörler 24 veya spallatio da uzman TOF-SANS diffraktometreler çok yakın komisyonu ilen kaynaklar 25, 26, belirli bir deney düzeneği ve deneysel çözünürlük seçimi ile ilgili daha fazla esneklik ve optimizasyon bir kitlesel-artmış dinamik Q aralık sunulmaktadır. KWS-2 SANS difraktometresi için, çok yönlülük ve yumuşak madde ve biyofizik alanında çok özel yapısal çalışmalar için gerekli olan performansı yüksek seviyede bir başka klasik SANS enstrüman etkindir. Açıklanan protokol tarafından desteklenen gibi optimizasyon, esneklik ve karmaşık çalışmalar tasarımı ve yürütülmesinde kendiliğindenlik, optimize edilmiş deneysel parametrelerin (örneğin, yoğunluk, uzunluk ölçeği, uzay çözünürlük ve zaman çözünürlük) ve karmaşık numune kombinasyonu ile elde edilir ortamlar. Şekil 8-15 sunulan sonuçlarla Giriş sayılan ve desteklenen çoklu çalışma modlarını kullanarak, KWS-2 kolay ve pratik bir şekilde klasik SANS difraktometresi performansını artırırBu tür araçların geleneksel sınırlarının ötesine istikrarlı bir nötron kaynağı (reaktör) de.
Bu protokol, normal bir kullanıcı tanımlayabilir ve sadece ortam termodinamik şartlar altında (sıcaklık, basınç, bağıl nem) ve statik koşullar altında numunelerin inceleme (yapı oluşumu hiçbir kinetik ya da içeren basit bir deneysel bir program yapmak için yürütmek gerektiğini adımları sunar dönüşüm, herhangi bir kayma veya akış). Çeşitli ısı kontrollü sahipleri veya basınç hücreleri, reometrelerin veya nem hücreleri gibi özel numune ortamları (Tablo 1 ve Ek Şekil 19), kullanılabilir ve en iyi şekilde kurulmalı ve enstrüman ekibinden özel destek ile ayarlanabilir. Bu protokol, ekipman ayarları ve kontrolleri hakkında yönergeler sağlamaz. tanımı ve dış kontrolör aktivasyonu başka, daha karmaşık bir protokol kullanılmasını gerektirir. Bu protokol sunardar bir dikdörtgen şeklinde (Şekil 3) kuvars numune hücreleri ile çalışma olgusu. Ancak, hücre geometri ve türleri (Ek Şekil 19) geniş bir alanda deneylerini de artan esneklik ve verimlilik sağlamak amacıyla, kullanıcılara sunulmaktadır. Bu tür hücreler kullanılarak durumunda, bu protokolün adım 4.2.2'de açıklanan parametrelerin ayarlanması ile takip edilebilir. ölçüm kontrol yazılımı, kullanıcıların cihazın teknik operasyonda bilimsel hedefleri ve optimizasyon peşinde esneklik sunmak için geliştirilmiştir. Tüm ayarlamalar ve özel fonksiyonlar ve enstrümanın bileşenlerinin yapılandırmaları enstrüman ekibi tarafından yapılır. aygıtının konfigürasyonu, tanımı ve kullanımı bilimsel kullanıcıların katılımı basitleştirilmiş ve özellikle de bir deneysel oturumda bilimsel konularla ilgili olan bu yönleri yalnızca sınırlıdır. Configuration dosyaları gibi, kiriş numune konumlandırma (koordinatlar x, örnek sahnede y, Ï † ve co, rotasyon tablo veya beşiği kiriş özel sahiplerinin konumlandırma gibi tüm özel deneysel sorunları karşılamak amacıyla önceden tanımlanmıştır Tamamlayıcı Şekil 5), farklı dalga boyları için dedektör ve kiriş-stop pozisyonlarının ayarlanması, farklı dalga boylarında, algılama mesafeleri ve hedefleyen çözüm için helikopter parametrelerinin ayarlanması (frekans ve açılış pencere), vb Ayrıca, mevcut protokolde gerçek zamanlı modu KWS-2 nasıl kullanılabileceğini tarif etmez. daha karmaşık bir protokol kullanımı da zamana bağımlı SANS deneyleri yapmak için gereklidir.
Ayrıca, bu protokol ölçülmüş veri enstrüman ve referanslar farklı saçılma katkıları için düzeltilmiş ve numunenin differenti elde etmek için kalibre edilebilir nasıl sunulurark saçılma kesiti dΣ / dΩ, cm-1 olarak ifade edilmiştir. Bu miktar numune ile ilgili tüm yapısal ve morfolojik bilgiler içerir ve incelenen sistemin karakteristik yapısal korelasyon ve birbiriyle boyut düzeyleri göründüğü üzerinde geniş bir uzunluk ölçeği, karşılık gelen geniş bir Q aralığında ölçülür. Saçılma tesir kesiti dΣ / dΩ böylece bir açı Θ bir statik saçılma deneyinde ölçülen yoğunluğu ile ilgilidir, ben s örnek yapısal özelliklerine f (Θ) =.
Ilgi konusu bir sistemi dΣ / dΩ değerlendirilmesi için, sistemin ölçüm yanı sıra, ilave ölçümler, herhangi bir harici dağılımı için durumunda (yani, çevre, numune hücresi, bir çözücü ya da tampon çözeltisi verilerini düzeltmek için gerekli olan çözünen sistemleri, vs.) ve mutlak birimler düzeltilmiş veri kalibre <sup > 8. dış arka plan (örnek hücre veya kap), referans numunesi (solvent veya tampon çözeltileri), (mutlak birimler giderilmiştir sonuçların doğru arka plan çıkarma ve kalibrasyon için gerekli) örnek iletim, dedektörün elektronik arka plan, dedektör ve normalize edilmiş standart bir örnek hassasiyeti (alan detektörleri doğasında detektör verimliliği içinde homojen olmama), aynı zamanda ölçülmelidir. KWS-2 için, pleksiglas (PMMA), standart numune olarak kullanılır. Bu sözde ikincil standart ve periyodik olarak vanadyum bir birincil standart numune, karşı kalibre edilir. Vanadyum çok zayıf dağınık yoğunluğu sunar ve uygun istatistik toplamak için çok uzun ölçüm süreleri gerektirir; Bu nedenle, bu SANS amaçlar için pratik değildir. Aşağıdaki gibi faiz I S numuneden ve standart numune St toplanan yoğunluk ifade edilebilir:
t ">
[1] 
[2]
I 0 (kolimasyon sistemi tarafından temin edilir), gelen yoğunluğunu temsil eder, T, A ışınına maruz Konum kalınlığı olan, T iletim ve Δ ψ bir algılama hücresi görüldüğü olan katı açıdır örnek pozisyon. Örnek ve standart hem gelen ışına göre aynı şartlarda ölçülür (yani, L, C, A, C ve A S ve λ ve Δ λ / λ), 0 ve A aynı ve katı açı (bir algılama hücre alanını temsil eden bir D) bir D / L D olarak belirtilmiştir. İki ilişkileri bölerek, saçılma tesir-sectiörnek olduğu gibi elde edilmiştir:
[3]
St ortalama olarak ifade edilmektedir nerede (tutarsız bir saçılma sistemi gibi standart düz bir saçılma modeli sunar). Ben S boş hücreye Ben pil gerilimi katkısı ve kapalı kiriş, ben B dedektör arka planda göre hücre (konteyner) numunenin ölçülen yoğunluğu düzeltildikten sonra elde edilir. Saçılma ve standart bir örnek fiziksel parametreleri içeren St. T St (dΣ / dΩ) Abone terminali, t faktörü, nötron dalga boyunun X bağlıdır ve tipik olarak standart bir örnek kalibrasyonu bilinmektedir. Bu nedenle, veri azaltma yazılımı 4 tablolaştırılmıştır. Denklem parametreleri ve miktarları. Kalibrasyon prosedüründe bilinmektedir 3es ve deneysel kurulum (t S, L D) tanımı sözde kalibrasyon faktörü k oluştururlar. Denklem görünen yoğunlukları ve örnek iletim T S. 3 ölçülmelidir. veri analizi programı qtiKWS deneysel verilerin düzeltilmesi, kalibrasyon ve radyal ortalamasını esnek ve çok yönlü bir çalışma modunda incelenen numuneler için dΣ / dΩ ulaşılmasını sağlar. QtiKWS yazılımı ile oluşturulan nihai sonuçlar dört sütunlu tablolar halinde sunulmuştur: Q, ben dΣ / dΩ ve eğim veya temsil Δ I, Δσ Q çözünürlüğü 5'tir.
KWS-2 görüş pratik açıdan, birleştirildi SANS USANS araştırmalar numune geometrisi ve termodinamik koşullar sabit kalması avantajlı olarak, gerçekleştirilebilir. Daha fazla göstermek Büyük morfolojiŞekil 12 'de gösterildiği gibi, boyutları mikrometre nanometre geniş bir uzunluk ölçeğini kapsayan iple yapısal kat, doğrudan bir şekilde araştırılabilir. Geleneksel iğne deliği modunda ölçülmüştür saçılması eğrisinde gözlenen küçük ölçekli yapı sınırı R ° yanı sıra, lensler ve yüksek çözünürlüklü detektör poli oluşturulan silindirik bir çekirdek-kabuk misellerinin büyük yapısal sınırı L, C etkinleştirerek – (heksilen-oksit-ko-etilen oksit) D 2 O 14 PHO10k-PEO10k diblok kopolimer (tam proton) uzatılmış S -range çalışma modunda düşük S değerleri gözlenebilir. Çekirdek-kabuk-silindirik form faktörü 9,14 ile deney sonuçlarının bir uydurma ile ortaya çıktığı gibi, silindirik miseller, yaklaşık 300 Â ve toplam kalınlığı yaklaşık 7000 arasında bir uzunluk ile karakterize edilir. Bu nedenle, termo-duyarlı jeller veya oluşumu ve kristal büyümesi gibi bazı hassas etkileriçizgi veya kısmen kristalin morfolojisi net bir şekilde iki veya daha fazla farklı araçlar ve örnek geometriler içeren klasik yaklaşımın aksine, KWS-2 ile keşfedilebilir.
Şekil 11'de görüldüğü gibi, sistemleri korelasyon ve ek bakım ve güvenlik konularını içerecektir karmaşık monochromatization sistemlerinin montajı, zaman ve çaba harcamadan, çok esnek bir şekilde adapte çözünürlüklerde ile ele alınabilir yapıları emretti. Ayrıca, helikopter ve TOF veri toplama modu, tek dağılımlı yumuşak madde sistemleri ya da düşük boyut polidispersiteyle kompleksleri dahil ederek hala yüksek yoğunluklarda 5 çok hassas karakterize edilebilir.
tutarken nedeniyle oldukça seyreltilmiş sistemleri veya uygun olmayan bir kontrast koşullarının kullanılması ile zayıf bir dağılımı ile oluşturulan engeller, numune daha büyük ışın boyutuna göre daha da yüksek yoğunluklarda kullanılması ile aşılabilirçözüm. Şekil 13A R yarıçaplı bir polistiren parçacıklarından saçılma desenleri raporları = 150 Å, lensler ve 10 x 10 mm mm arasında, geleneksel iğne deliği modunda kullanılan tipik boyutu değişen bir kuadratik ışın boyutunu kullanarak yüksek yoğunluklu modunda ölçülmüştür ve 30 mm x 30 mm. Buna ek olarak, çapı (tam objektif boyutu) bir yuvarlak kiriş 50 mm olan bir ölçümün sonucu gösterilmiştir. Buna paralel olarak, geleneksel iğne deliği modda elde edilen normalize sonuç sunulmuştur. Sabit ışın boyutu tutarken λ = 7 Å ve konvansiyonel iğne deliği modu (Şekil 2B) aynı giriş açıklık boyutu A C nötron 26 lensler kullanarak, yaklaşık 12 kez numune üzerinde yoğunluğunda bir kazanç elde edilir (çözünürlük ) Şekil 13B-C'de gösterildiği gibi detektör ilgilidir. 27 lens sistemi, ortam sıcaklığında yaklaşık 32% geçirgenliğe sahiptir. 50 K arasında bir sıcaklığa soğutuldu, mercek transmisyon artar nedeniylelens materyali olarak fononların üzerinde saçılma bastırılması. 26 parabolik lens sistemi 10 mm x 10 mm'lik bir dörtgen profil boyutu için ışın lens tüm hacmi boyunca gider 50 mm yuvarlak kiriş boyutu, yaklaşık% 65 bir geçirgenliğe sahiptir ve yaklaşık% 92 lens materyalinin zaman sadece çok miktarda kiriş kalır. lensler ile yüksek yoğunluklu modu genellikle büyük algılama mesafesinde karşılaştı ve zayıf kontrast koşulları durumunda özellikle sorunlu olan zayıf saçılma durumunda avantajlar sunuyor. Örnek kez kısa bir süre içinde sadece kararlı olduğunda, başka bir yerde, 15 gösterildiği gibi, bu, modu kullanımı, açık bir avantajı temsil eder.
Öte yandan, biyolojik sistemlerin durumda, küçük bir örnek hacimleri deneyleri için tipik olarak mevcuttur. birkaç nanometre boyutlarında fizyolojik koşullarda küçük molekül, Domi üzerinde zayıf yayılma sinyallerini sağlarTampon çözümlerinden nant saçılması. Bu tür sinyaller kısa kolimasyon kullanılarak L C = 2 m ya da 4'ün m ve kısa algılama mesafeleri L D = 1 uzunlukları, iğne deliği modu düşük çözünürlüklü kurulumunda enstrümanın yüksek yoğunluk yararlanan, KWS-2 ile ölçülebilir m, 2 m veya 4 m. Tampon saçılma sinyali düzeltme uygulandıktan sonra elde edilen rakam 14 dötere hekzafloroizopropanol dHFIP saçılma beta amiloid proteini desenleri (Aβ 1-42 M W = 4.5 kDa) monomerleri sunar. Verilerin bir model uyum Å 16 yaklaşık 16 ± 1 bir monomer boyutu teslim etti. Ölçümler kısa algılama mesafelerde yürütülen olmasına rağmen her deneysel koşul için birkaç saat (algılama mesafesi L D ve örnek tipi) uzun bir ölçüm süresi, yer aldı. sayım oranına ilişkin sınırlamalar göstermiştir eski dedektör, kısa kolimasyon mesafelerde kullanımını engellemiştirAlet maksimum akı dolayısıyla kullanımı L C. Tam nötron akı kullanımını sağlayan yeni algılama sistemi komisyonu ile, bu tür zayıf şiddetleri daha kısa zamanlarda ve gelecekte gelişmiş istatistiklerle ölçülecektir.
Son olarak, uyarı duyarlı etki KWS-2 özel yardımcı ekipman kullanılarak esnek ve kolay bir şekilde incelenebilir. Bir örnek D 2 O tamponu içinde ve farklı basınçlarda toplanan tampon Lizozim proteininden SANS modellerini gösterir, Şekil 15, rapor edilmiştir. Özel dikkat PSI, İsviçre tarafından yapılan bir tasarımı izlenerek in-house üretilen yeni basınç hücresinin performansı testinde kullanılan Lizozim moleküllerden arka plan ve ön saçılma soruşturma, ödenmiştir. Sonuçlar Kohlbrecher ve arkadaşları tarafından elde edilenlere benzerdi. Benzer bir çalışmada inşa orijinal basınç hücre modeli test etmekOrada 17, 18. 5000 bar basınç ulaşıldı yana KWS-2 ile, daha fazla veri satın alınmıştır. PSI, İsviçre 18 çalışmasında görüldüğü gibi proteinden öne dağınık yoğunluğu Evrimi, doğrusal bir davranış izler.
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).
