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.
Il SANS diffrattometro KWS-2 è dedicato alla ricerca di materia soffice e sistemi biofisici che coprono una scala di lunghezza di larghezza, dal nm a micron. Lo strumento è ottimizzato per l'esplorazione della gamma Q trasferimento di moto largo fra 1×10 -4 e 0,5 Å -1 combinando pinhole classica, messa a fuoco (con lenti), e il tempo di volo (con chopper) metodi, fornendo allo stesso tempo alta -neutron intensità con una risoluzione regolabile. A causa della sua capacità di regolare l'intensità e la risoluzione entro ampi limiti durante l'esperimento, unitamente alla possibilità di dotare ambienti campioni specifici e dispositivi ausiliari, la KWS-2 mostra una elevata versatilità per affrontare l'ampia gamma di studi strutturali e morfologiche il campo. strutture di equilibrio possono essere studiate nelle misurazioni statiche, mentre i processi dinamici e cinetici possono essere studiati su scale temporali tra minuti a decine di millisecondicondi con approcci risolte nel tempo. Sistemi tipici che vengono studiati con il coperchio KWS-2 nell'intervallo da complessi sistemi gerarchici che esibiscono livelli multipli strutturali (per esempio, gel, rete o macro-aggregati) alle piccole e mal di scattering sistemi (ad esempio, polimeri singoli o proteine soluzione). Il recente aggiornamento del sistema di rilevamento, che consente il rilevamento della velocità di conteggio nell'intervallo MHz, apre nuove opportunità per studiare anche molto piccole morfologie biologiche in soluzione tampone con segnali di diffusione deboli vicino al livello dispersione tampone ad alto Q.
In questo lavoro, mettiamo a disposizione un protocollo per indagare campioni con livelli di dimensione caratteristica che coprono una vasta scala di lunghezza ed esibendo ordinare nella struttura mesoscala con KWS-2. Vi presentiamo in dettaglio come utilizzare le molteplici modalità di lavoro che vengono offerti dallo strumento e il livello di prestazioni che si ottiene.
Materiali morbidi e biologici mostrano una ricca varietà di morfologie che sono caratterizzati da caratteristiche come auto-organizzazione e auto-assemblaggio di unità elementari ai più grandi, aggregati complessi. Essi mostrano anche interazione cooperativa con un gran numero di gradi di libertà; debole interazione tra le unità strutturali, e quindi elevata sensibilità ai campi esterni; e le correlazioni spazio-temporali che possono estendersi una vasta gamma, da nanometri a millimetri e da nanosecondi a giorni. A causa della vasta gamma di lunghezza ed in tempi rilevanti, la caratterizzazione sperimentale delle proprietà di questi materiali sono molto impegnativo. tecniche di scattering con neutroni giocano un ruolo importante nelle indagini della struttura, dinamiche e proprietà termodinamiche di tali sistemi complessi. Come sonde uniche, neutroni offrono il vantaggio di diverse interazioni tra 1 H e 2 H (deuterio D) isotopi di idrogeno. La grande differisconoza nella coerente densità lunghezza di diffusione tra l'idrogeno e deuterio rappresenta la base dei metodi variazione contrasto e di adattamento di contrasto. Poiché la maggior parte della materia soffice e sistemi biologici costituiti da idrocarburi, idrogeno / deuterio (H / D) sostituzione offre la possibilità di variare la densità coerente lunghezza di diffusione di un composto in un ampio intervallo. Con questa tecnica, i componenti selezionati in un sistema complesso possono essere etichettati mediante scambio isotopico. A seconda della sua contrasto il quadrato della differenza tra la densità lunghezza di diffusione e quella degli altri componenti o regioni componenti-selezionati nel giro morbido complessa o morfologia biofisico può essere reso visibile o invisibile nel esperimento di diffusione senza alterare chimicamente il sistema. Inoltre, i neutroni sono altamente penetranti e possono essere usati come sonde non distruttive e per studiare campioni in ambienti particolari, in cui il contributo dei materiali aggiuntivi posti in fascio può essere reliabilmente misurata e corretta per.
esperimenti di scattering elastico forniscono informazioni sulla struttura e la morfologia di un campione. L'intensità diffusa viene misurata in spazio reciproco in funzione del momento trasferito Q, dove Q = 4π / λ sin Θ / 2, con λ – la lunghezza d'onda dei neutroni e Θ – dell'angolo di diffusione; questo viene poi tradotto in spazio reale attraverso una trasformazione di Fourier inversa. Così, i grandi valori di Q si riferiscono a brevi scale di lunghezza, con le correlazioni inter-atomiche di indagine da parte di diffrazione di neutroni classica (ND). A valori Q piccoli, grandi scale di lunghezza possono essere esplorati da scattering di neutroni piccolo angolo (SANS). In genere, singolo o assemblando sintetico o macromolecole naturali in soluzione, si fondono, film, o campioni di massa sono caratterizzati sopra una scala di lunghezza ampio, dal nanometro e micrometro dimensioni, attraverso l'applicazione dei classici SANS pin-hole e l'ultra-SANS (sulla base di diffrattometria singolo cristallo di messa a fuoco o) tecniche. Tuttavia, la combinazione di metodi o diversi mezzi per conseguire una caratterizzazione strutturale completa è talvolta difficile a causa di problemi quali la quantità disponibile di campione, stabilità dei campioni per lunghi tempi, riproducibilità degli effetti in condizioni termodinamiche speciali, e l'analisi congiunta dei dati sperimentali ottenuto in diverse geometrie sperimentali. Inoltre, gli studi che si occupano di strutture e cambiamenti strutturali veloci che sono caratterizzati da alta risoluzione spazio o di tempo sono molto impegnativo, che richiede configurazioni sperimentali molto speciali. Pertanto, lo sviluppo di strumenti di SANS altamente versatili, in cui limiti possono essere spinti oltre la tipica configurazione in modo semplice e praticabile, è utile per soddisfare tutte le esigenze speciali della comunità degli utenti.
Il diffrattometro SANS KWS-2 (Figura 1), azionato dal J2; lich Centro di Neutron Science (JCNS) presso la Heinz Maier-Leibnitz Center (MLZ) a Garching, in origine era un classico strumento di SANS pinhole che beneficiano di un flusso elevato di neutroni (Figura supplementare 1) fornita dalla sorgente di neutroni FRM II 1 e il sistema di guida dedicata 2-4. Dopo gli aggiornamenti ripetuti, lo strumento è stato ottimizzato per l'esplorazione di una serie Q ampio, tra 1×10 -4 e 0,5 A -1, fornendo intensità elevate di neutroni e una risoluzione regolabile. Con la disponibilità di ambienti di campioni specifici e dispositivi ausiliari (Tabella 1), lo strumento può essere dotato di studiare la materia morbida e sistemi biofisici su una scala di lunghezza di larghezza, dal nm fino a micron, attraverso misure statiche; si può anche eseguire indagini risolte nel tempo di strutture e morfologie all'equilibrio o in trasformazione a causa di processi cinetici, che coprono un arco di tempo ampio tra minuti e decine dimillisecondi. In modalità di funzionamento convenzionale (Figura 2A), un intervallo Q tra 7×10 -4 Å -1 e 0,5 Å -1 può essere coperto con la variazione della distanza di campionamento a rivelatore e / o la lunghezza d'onda. Pertanto, i livelli strutturali e effetti di correlazione su una scala di lunghezza da 10 A fino a 9.000 A possono essere controllati nello spazio reale (dove la dimensione è considerato come 2π / Q). La selezione della lunghezza d'onda tra 4,5 Å e 20 Å, usando un monocromatore meccanica (selettore velocità) che fornisce una diffusione di lunghezze d'onda Δλ / λ = 20%, la variazione delle condizioni di collimazione (collimazione lunghezza L C e apertura aperture, A C – l'apertura di entrata, dopo l'ultimo segmento neutroni guida in fascio, e a S – l'apertura del campione, di fronte campione) e di rilevazione della distanza L D sono fatto automaticamente, tramite controllo del computer.
<p class = "jove_content"> aggiornamenti considerevole sul intensità sul campione, la risoluzione dello strumento, il minimo trasferimento di moto Q m, e il rilevamento veloce ad alti tassi di conteggio della gamma MHz sono stati effettuati di recente, con l'obiettivo di aumentare le prestazioni dello strumento. Durante questo processo, lo strumento è dotato di caratteristiche aggiuntive.Vi è un elicottero a doppio disco con 5 aperture variabili fessura (Figura integrativa 2) e la modalità di acquisizione dei dati tempo di volo (TOF). Il chopper può essere fatto funzionare ad una frequenza variabile f chopper compresa tra 10 Hz e 100 Hz ed in corrispondenza di aperture angolari dei due finestre chopper tra angoli di 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° cambiando il posizionamento dei due dischi rispetto all'altro. Il miglioramento della risoluzione lunghezza d'onda Δλ / λ si ottiene accorciando il tempo della τ guida di neutroni apertura w per decrfacilitando Δφ e / o aumentando f chopper. Gli impulsi risultanti registrati sul rivelatore sono suddivisi in un numero appropriato di canali temporali che hanno τ w in larghezza e sono caratterizzati dal Δλ / λ mirato.
Ci sono anche elementi di focalizzazione in magnesio fluorite MgF 2 lenti paraboliche 6 con un diametro di 50 mm (Figura 1). 26 MgF 2 lenti sono raggruppati in tre pacchetti (4 + 6 + 16 lenti) che possono essere spostati in modo indipendente nel fascio di ottenere condizioni di messa a fuoco con diverse lunghezze d'onda l = 7-20 Å. Per aumentare la trasmissione riducendo la dispersione sul fononi nel materiale della lente, le lenti sono mantenuti a 70 K utilizzando un particolare sistema di raffreddamento.
Vi è ad alta risoluzione rilevatore a scintillazione sensibile alla posizione secondaria con una risoluzione di posizione 1 mm e 0,45 millimetri di pixel-size. Il rivelatoreè tipicamente collocato nella torre sulla sommità del serbatoio sotto vuoto ad una distanza L fissa D = 17 m e può essere spostato verticalmente in o fuori della trave (Figura 1). Il rivelatore principale è arrestato nella posizione di estremità del serbatoio a 20 m, mentre il rilevatore secondario viene spostato nel fascio quando indagini ad alta risoluzione (low Q) utilizzando lenti vengono eseguite 4,7. Il rivelatore secondario viene collocato in un punto focale del sistema di lenti, mentre una piccola apertura di entrata a L C = 20 m sarebbe, in questo caso, l'altro punto focale.
C'è un nuovo sistema di rilevamento principale che consiste in una serie di 144 3 tubi He (con un'efficienza globale per provetta del 85% per λ = 5 Å) e che definisce una superficie di rilevamento attiva pari a 0,9 m 2 (Figura 1). Innovative elettronica di lettura rapida montati in un caso chiuso sul retro del telaio tubo 3 Egli migliora laread-out caratteristiche e riduce il rumore di fondo. Il nuovo sistema che ha sostituito il vecchio rivelatore a scintillazione (6 Li scintillatore e un array di fotomoltiplicatori 8×8, Figura 1) è caratterizzato da una costante dead-time efficace di 25 nsec e un tasso di conteggio generale fino al 5 MHz a 10% scadenze tempo per profili piani. Queste caratteristiche sono dovute al fatto che il sistema contiene canali indipendenti azionati in parallelo, che è un vantaggio rispetto ai sistemi che sperimentano tempo morto dopo un evento. La velocità di conteggio molto superiore riduce i tempi di misura e quindi aumenta il numero di esperimenti che possono essere eseguite nello stesso periodo di tempo.
Con tutte queste innovazioni, lo strumento è diventato uno strumento altamente versatile che può affrontare una vasta gamma di studi strutturali, offrendo molteplici modalità di lavoro (Tabella 2) che possono essere selezionati e utilizzati in modo diretto e facile da usare. Nella modalità ad alta intensità (Figura 2B), fino a dodici volte il guadagno intensità rispetto alla modalità pinhole convenzionale per la stessa risoluzione può essere ottenuto con lenti aumentando la dimensione del campione. Nella modalità di risoluzione sintonizzabile con chopper e dati TOF acquisizione, migliore caratterizzazione delle caratteristiche di diffusione all'interno diverse gamme Q sono abilitati dalla possibilità di variare la lunghezza d'onda di risoluzione Δ λ / λ tra il 2% e il 20% 5. Nella modalità estesa Q-range (Figura 2C), che utilizzano le lenti e il rilevatore ad alta risoluzione secondario, un Q m a partire da 1 x 10 -4 -1 può essere realizzato, che, in combinazione con la modalità pinhole, permessi l'esplorazione di dimensioni su una scala di lunghezza continua dal nm alla gamma micron. L'uso di un elicottero per il restringimento Δ λ / λ fornisce caratteristiche del fascio accurate, evitando di gravità e cromatici effetti whit utilizzando le lenti. Nella modalità in tempo reale, sfruttando l'elevata intensità e trigger esterno di acquisizione dati per ambienti di esempio, cambiamenti strutturali possono essere risolti con risoluzioni tempo fino a 50 msec. Migliorando la risoluzione di lunghezza d'onda fino a Δ λ / λ = 5% con l'elicottero, le risoluzioni di tempo buono come 2 ms possono essere realizzate.
Qui, vi presentiamo in dettaglio un protocollo su come esperimenti tipici sono condotte sul KWS-2 nelle sue diverse modalità di funzionamento e di come le informazioni strutturali dai campioni analizzati può essere ottenuto dai dati raccolti attraverso la riduzione dei dati. In questa dimostrazione, useremo SANS per caratterizzare diversi formati di soluzioni di particelle e una soluzione micellare polimero altamente concentrato, al fine di mostrare come le dimensioni e l'ordine possono essere studiati su vaste gamme in modo flessibile ed efficiente con la KWS-2 durante una sessione sperimentale. particelle sferiche di polistirolo con diffeaffitto dimensioni (raggi di R = 150, 350, 500, 1000, e 4000 Å) e una polidispersità dimensione σ R 8% sono dispersi in una soluzione acquosa (una miscela di 90% D 2 O e 10% H 2 O) in una percentuale in volume di 1%. Le micelle formate dalle C 28 H 57 -PEO5 copolimeri diblock in D 2 O ad una concentrazione del 12% mostrano una struttura ordinata.
materia soffice e sistemi biofisici sono tipicamente caratterizzati da correlazioni strutturali e livelli microstrutturali e morfologiche interconnessi che si estendono su una scala di lunghezza di larghezza, dal nm a micron. Per comprendere il meccanismo di formazione ed evoluzione della morfologia di tali sistemi e il rapporto tra le loro caratteristiche microscopiche e proprietà macroscopiche, è importante esplorare la microstruttura sull'intera scala di lunghezza e in condizioni ambientali pertinenti (ad esempio, temperatura, pressione, pH , umidità, etc.). Tipicamente, piccolo angolo tecniche con neutroni (SANS) o raggi X di sincrotrone (SAXS) dispersione sono coinvolti in tali studi. Lo svantaggio intensità di neutroni contro raggi X di sincrotrone viene compensato mediante l'uso di relativamente grande Δλ / λ, che però porta al peggioramento della risoluzione strumentale. Tuttavia, SANS offre vantaggi unici grazie alle possibilità offerte dal contrvariazione ast, in particolare tra gli isotopi di idrogeno. Pertanto, SANS è un metodo sperimentale specifico utilizzato nello studio dei sistemi di materia e biofisiche morbide, che trasporta informazioni strutturali e morfologiche unico. La maggior parte dei diffrattometri SANS in tutto il mondo 21 di lavoro sul principio foro stenopeico (Figura 2A), che consente la risoluzione Q bassa mirato. Praticamente, tutti SANS diffrattometri a flusso elevato hanno un massimo di flusso simile dell'ordine di 1 x 10 8 n cm -2 s -1. In base alla risoluzione della lunghezza d'onda rilassato, il KWS-2 ha una quasi raddoppiato flusso di 2, 4. Recentemente, SANS diffrattometri molto specializzati è diventato operativo a servire con caratteristiche ottimizzate per una specifica gamma di applicazioni, come ad esempio per le indagini a molto piccola dispersione vettori 22, 23. Con la recentissima commissione dei diffrattometri specializzati TOF-SANS in reattori steady-state 24 o spallation fonti 25, 26, un massicciamente-maggiore gamma dinamica Q in un dato apparato sperimentale e una maggiore flessibilità e ottimizzazione per quanto riguarda la scelta della risoluzione sperimentale sono offerti. Per la SANS diffrattometro KWS-2, un elevato livello di versatilità e le prestazioni richieste molto specifiche studi strutturali nel campo della materia soffice e biofisica è abilitato su uno strumento altrimenti classica SANS. L'ottimizzazione, flessibilità, e spontaneità nella progettazione e realizzazione di studi complessi, come supportato dal protocollo descritto, è ottenuta attraverso la combinazione dei parametri ottimizzati sperimentali (ad esempio, intensità, lunghezza di scala, risoluzione spaziale e risoluzione temporale) e il campione complesso ambienti. Utilizzando le molteplici modalità di funzionamento elencati nella Introduzione e supportati dai risultati presentati nelle Figure 8-15, la KWS-2 migliora in modo semplice e pratico le prestazioni di un diffrattometro SANS classicaad una fonte di neutroni costante (reattore) oltre i limiti convenzionali di tali strumenti.
Questo protocollo presenta i passi che un utente normale deve svolgere per definire e condurre un semplice programma sperimentale che coinvolge solo l'indagine di campioni a condizioni ambientali termodinamiche (temperatura, pressione, umidità relativa) e in condizioni statiche (non cinetica di formazione struttura o trasformazione, nessun taglio o il flusso). Diversi supporti a temperatura controllata o in ambienti speciali campione (Tabella 1 e complementari Figura 19), come le celle di pressione, reometri, o cellule di umidità, sono disponibili e possono essere installati e regolati con assistenza speciale da parte del team dello strumento in modo ottimale. Questo protocollo non fornisce istruzioni sulle impostazioni e controlli di tali apparecchiature. La definizione e l'attivazione di controllori esterni richiedono l'uso di un altro, protocollo più complesso. Questo protocollo presenta lacaso di funzionamento con celle campione quarzo di forma rettangolare stretta (Figura 3). Tuttavia, una vasta gamma di geometrie cellulari e tipi (Figura 19) complementare è offerto agli utenti, al fine di fornire una maggiore flessibilità ed efficienza nella conduzione degli esperimenti. Nel caso di utilizzo di tali cellule, la presente protocollo può essere seguita con la regolazione dei parametri descritti al punto 4.2.2. Il software di controllo di misura è stato sviluppato per offrire agli utenti una maggiore flessibilità nel perseguire i loro obiettivi scientifici e l'ottimizzazione del funzionamento tecnico dello strumento. Tutte le regolazioni e le configurazioni di funzioni e componenti dello strumento speciali sono fatte dal team di strumento. Il coinvolgimento degli utenti scientifici nella configurazione, la definizione e l'utilizzo dello strumento è semplificata e specificamente limitata solo a quegli aspetti che sono in connessione con le questioni scientifiche della sessione sperimentale. cofile nfiguration sono predefiniti in modo da coprire tutti gli aspetti sperimentali particolari, come il posizionamento dei supporti speciali nel fascio, il posizionamento del campione nel fascio (coordinate x, y, Φ, e ω sul palco del campione, tavolo di rotazione, o culla nel supplementare figura 5), la regolazione del rivelatore e fascio-stop posizioni per diverse lunghezze d'onda, la regolazione dei parametri di chopper (frequenza e la finestra di apertura) per le diverse lunghezze d'onda, le distanze di rilevamento e la risoluzione mirata, ecc Inoltre, l'attuale protocollo non descrive come la modalità in tempo reale può essere utilizzato sul KWS-2. L'utilizzo di un protocollo più complessa è necessaria anche per condurre SANS esperimenti risolte nel tempo.
Inoltre, questo protocollo presenta come i dati misurati possono essere corretti per diversi contributi di scattering dallo strumento e riferimenti e calibrati per ottenere Differenti del campioneAl di scattering sezione trasversale, dΣ / dΩ, espressa in cm -1. Questa quantità contiene l'intera informazioni strutturali e morfologiche sul campione e viene misurata su una gamma Q larga corrispondente ad una scala di lunghezza larga, sul quale compaiono correlazioni strutturali e taglia livelli interconnessi caratteristici del sistema investigato. La sezione trasversale di scattering dΣ / dΩ riguarda quindi l'intensità misurata in un esperimento di diffusione statica ad angolo Θ, I s = f (Θ) per le proprietà strutturali del campione.
Per la valutazione delle dΣ / dΩ per un sistema di interesse, oltre la misura del sistema, misurazioni aggiuntive sono necessari al fine di correggere i dati per qualsiasi dispersione esterno (cioè, ambiente, cella campione, solvente o buffer in caso di sistemi soluto, ecc) e per calibrare i dati corretti in unità assolute <sup > 8. Lo sfondo esterna (cella campione o contenitore), il campione di riferimento (soluzione di solventi o tampone), la trasmissione del campione (necessario per lo sfondo corretto sottrazione e calibrazione dei risultati corretti in unità assolute), sfondo elettronico del rivelatore, il rivelatore sensibilità (disomogeneità dell'efficienza rivelatore che è inerente per rivelatori zona), e il campione normalizzato, deve essere misurato. Per la KWS-2, plexiglas (PMMA) è usato come campione standard. Questo è il cosiddetto standard secondario e viene periodicamente calibrato contro un campione standard primario, che è vanadio. Vanadio offre una intensità sparso molto debole e non richiede tempi di misura molto lunghi per la raccolta delle statistiche appropriate; Pertanto, non è pratico per scopi SANS. L'intensità raccolto dal campione di interesse I S e dal campione standard I St può essere espresso come segue:
t "> [2]
dove 0 rappresenta l'intensità entrata (erogata dal sistema di collimazione), t è lo spessore, A è l'area esposta al fascio, T è la trasmissione e Δ ψ è l'angolo solido in cui una cella di rilevamento è visto dal posizione del campione. Se sia campione e dello standard sono misurate nelle stesse condizioni rispetto al fascio in ingresso (ad esempio, L C, A C e A S e λ e Δ λ / λ), I 0 e A sono uguali e l'angolo solido è espressi de D / L D (con a D rappresenta l'area di una cella di rilevamento). Dividendo le due relazioni, la diffusione cross-sectisulla del campione è ottenuta come:
[3]
dove I St viene espressa come media (standard come sistema scattering incoerente batte un modello di dispersione piatta). L'I S si ottiene dopo la correzione dell'intensità misurata del campione nella cella (contenitore) rispetto al contributo della cella vuota I eCell e lo sfondo sul rivelatore per il fascio chiuso, I B. Il fattore t St T St (dΣ / dΩ) St, contenente la dispersione e parametri fisici del campione di riferimento, dipende dalla lunghezza d'onda λ neutroni e tipicamente è noto dalla taratura del campione di riferimento. Così, è tabulato nel software riduzione dei dati 4. I parametri e le quantità in Eq. 3 che sono noti da immissio calibrazionees e la definizione del setup sperimentale (t S, L D) formano il cosiddetto fattore di calibrazione k. Le intensità e la T S trasmissione dei campioni che appaiono in Eq. 3 deve essere misurata. Il programma di analisi dei dati qtiKWS consente la correzione, calibrazione e radiale media dei dati sperimentali e il raggiungimento di dΣ / dΩ per i campioni esaminati in una modalità di lavoro flessibile e versatile. I risultati finali generati con il software qtiKWS sono presentati come tabelle con quattro colonne: A, E, I Δ, Δσ dove I rappresenta dΣ / dΩ e Δσ è la risoluzione Q 5.
Da un punto di vista pratico, con la KWS-2, SANS combinati e ricerche USANS possono essere eseguite, con il vantaggio che la geometria del campione e le condizioni termodinamiche rimangono costanti. Grandi morfologie che mostrano multiple livelli struttura abbracciano una vasta lunghezza scala da nanometrica al micrometro dimensioni possono essere studiate in modo diretto, come mostrato in Figura 12. Oltre alla piccola scala limite strutturale R C osservata nella curva dispersione misurata nel modo pinhole convenzionale, attivando le lenti e il rilevatore ad alta risoluzione, il grande limite strutturale L C del cilindrici micelle core-shell formata dal poly – (hexylene-ossido-co-etilene-ossido) PHO10k-PEO10k diblock copolimero (completamente protonato) in D 2 O 14 potrebbero essere osservati a valori molto bassi Q nella modalità di lavoro esteso Q-range. Le micelle cilindriche sono caratterizzate da uno spessore totale di circa 300 Å e una lunghezza di circa 7000 Å, come rivelato dalla misura dei risultati sperimentali con nucleo-mantello cilindrico fattore di forma 9,14. Pertanto, alcuni effetti sensibili come gel termo-sensibile o la formazione e la crescita di cristallidi linea o parzialmente cristallini morfologie possono essere esplorati in modo inequivocabile con la KWS-2, a differenza del classico approccio di coinvolgere due o più strumenti differenti e geometrie del campione.
Come illustrato nella figura 11, i sistemi correlati e ha ordinato strutture possono essere studiate con risoluzioni adattati in modo molto flessibile, senza spendere tempo e fatica per l'installazione di sistemi di monochromatization complessi, che comporterebbe aspetti di assistenza e di sicurezza supplementari. Inoltre, coinvolgendo l'elicottero e la modalità di acquisizione dei dati TOF, sistemi di materia soffice monodisperse o complessi con bassa polidispersità dimensioni può essere caratterizzato con grande precisione AT Still-alte intensità 5.
Gli ostacoli generati dalla dispersione debole a causa ad uso di sistemi altamente diluiti o condizioni sfavorevoli di contrasto possono essere superati con l'uso di intensità ancora maggiori in base alla dimensione più grande fascio sul campione, mantenendo larisoluzione. Figura 13A riporta i modelli di scattering da particelle di polistirene di un raggio di R = 150 Å, misurata nel modo alta intensità utilizzando le lenti e una dimensione del fascio quadratica compresa tra i 10 mm x 10 mm, la dimensione tipica utilizzata nella modalità pinhole convenzionale , ea 30 mm x 30 mm. Inoltre, viene visualizzato il risultato di una misurazione con un giro subbio 50 mm di diametro (full size lente). In parallelo, il risultato normalizzato ottenuto nel modo pinhole convenzionale è presentato. Uso 26 lenti con neutroni di λ = 7 Å e le stesse dimensioni all'ingresso dell'apertura A C per il modo pinhole convenzionale (Figura 2B), un guadagno in intensità sul campione di circa 12 volte si ottiene mantenendo una dimensione del fascio costante (risoluzione ) sul rivelatore, come mostrato nella Figura 13B-C. Il sistema 27-lente ha una trasmissione di circa 32% a temperatura ambiente. Raffreddato ad una temperatura di 50 K, gli aumenti di trasmissione lente dovutela soppressione della dispersione sul fononi nel materiale della lente. Il sistema di 26 lenti paraboliche ha una trasmissione di circa il 65% per una dimensione del fascio giro di 50 mm, quando il fascio passa attraverso l'intero volume della lente, e di circa il 92% per una dimensione del fascio quadratica di 10 mm x 10 mm , quando solo una quantità di materiale della lente rimane nel fascio. La modalità ad alta intensità con lenti offre prestazioni in caso di dispersione debole che si incontra generalmente ad una grande distanza di rilevamento ed è particolarmente problematico nel caso di condizioni di contrasto deboli. Inoltre, quando il campione è stabile solo su breve periodo di tempo, l'uso di questa modalità rappresenta un chiaro vantaggio, come è dimostrato altrove 15.
D'altra parte, nel caso di sistemi biologici, piccoli volumi di campione sono in genere disponibili per gli esperimenti. Piccole molecole biologiche in condizioni fisiologiche con dimensioni di pochi nanometri forniscono segnali di scattering deboli sopra la domiNant dispersione delle soluzioni tampone. Tali segnali possono essere misurati con il KWS-2, beneficiando della alta intensità dello strumento nella configurazione a bassa risoluzione della modalità foro stenopeico, utilizzando breve collimazione lunghezze L C = 2 m e rilevazione brevi distanze mo 4 L D = 1 m, 2 m, o di 4 m. Figura 14 presenta i modelli di scattering di proteina beta amiloide (Ap 1-42, M W = 4,5 kDa) monomeri in deuterato esafluoroisopropanolo dHFIP, come ottenuto dopo la correzione per il segnale dispersione dal buffer è stato applicato. Un modello fit dei dati consegnati una dimensione monomero di circa 16 ± 1 a 16. Un tempo di misurazione lungo di diverse ore per ogni condizione sperimentale (distanza di rilevamento L D e tipo di esempio) è stato coinvolto, anche se le misurazioni sono state effettuate a brevi distanze di rilevamento. Il vecchio rivelatore, che ha dimostrato le limitazioni per quanto riguarda il tasso di conteggio, ostacolato l'uso di brevi distanze di collimazioneL C, quindi l'uso del flusso massimo sullo strumento. Con la commissione del nuovo sistema di rilevazione che consente l'uso del flusso completo di neutroni, tali intensità deboli saranno misurati in tempi più brevi e con le statistiche migliorato in futuro.
Infine, effetti stimoli sensibili possono essere studiati in maniera flessibile e facile utilizzando lo speciale apparecchiature ausiliarie del KWS-2. Un esempio è riportato nella figura 15, che mostra i modelli SANS dalla proteina lisozima in D 2 O buffer e dal buffer raccolti a diverse pressioni. Particolare attenzione è stata dedicata alla ricerca di sfondo e dispersione in avanti dalle molecole lisozima, utilizzato nel test delle prestazioni della nuova cella di pressione prodotte in casa, seguendo un disegno fatto da PSI, Svizzera. I risultati sono simili a quelli ottenuti da Kohlbrecher et al. in uno studio simile per testare il modello cellulare pressione originaria costruitalì 17, 18. Con la KWS-2, ulteriori dati sono stati acquisiti da allora è stata raggiunta una pressione di 5000 bar. Evoluzione dell'intensità avanti dispersa dalla proteina segue un comportamento lineare, come osservato nello studio al PSI, Svizzera 18.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |