Summary
우리는 엑스레이의 강렬한, 펨 펄스에 의해 Buckminsterfullerene (C60)의 나노에서 유도 된 전자 피해를 조사 하도록 실험을 설명 합니다. 실험, 놀랍게도, 추계 되 고, 보다는 오히려 x-선 유도 전자 역학 C60 의 높은 상관, 수백 결정1내의 단위 셀의 확장 발견.
Abstract
물질과 강렬한 x 선 펄스의 상호 작용의 정확한 세부 사항을 펨 x 선 자유 전자 레이저 (XFEL) 실험의 결과 해석 하려고 하는 연구자에 게 강렬한 관심사의 주제입니다. 실험 관찰의 증가 수는 핵 모션 무시할 수 있지만, 주어진 짧은 충분 한 사고 펄스 기간 전자 모션 무시할 수 없는 나타났습니다. 현재 모델과 널리 통용 되는 전자 펄스와의 상호 작용에 의해 구동 하는 역학을 받아야, 비록 그들의 모션 크게 간주 될 수 있는 '임의의' 가정. 이 다음으로 지속적인 배경 신호 처리 전자 모션에서 살 일 걸 요 조리 기여 수 및 따라서 무시. 우리의 실험의 원래 목표는 x 선으로 인해 개별 브래그 피크의 강도 변화를 정확 하 게 측정 하 결정 C60모델 시스템에서 전자 피해를 유발 했다. 이 기대에 반대로 가장 높은 x 선 강도에 C60 의 전자 역학 했다 높은 상관 사실, 그리고 충분히 긴 거리 변경 브래그 반사의 위치는 크게 관찰 합니다. 이 문서는 방법과 Linac 일관 된 빛 소스 (LCLS)와 오스트레일리아 싱크 로트 론 (AS) 뿐만 아니라 데이터를 분석 하는 데 사용 하는 결정학 접근에서 모두 실시 했다 이러한 실험에 사용 되는 프로토콜 자세하게에서 설명 합니다.
Introduction
X 선 자유 전자 레이저 (XFELs)의 주요 목적 중 하나는 높은 처리량, 분자 이미징 및 역학에 고해상도 접근을 개발 하는 것입니다. 구조 생물학 원자 규모 정보, 낮은 해상도 엑스레이 결정학 기술을 제 3 세대 synchrotrons에 전통적으로 제한에 따라 달라 집니다. 긴 노출 시간을 결정에 중요 한 방사선 손상을 전통적인 기법을 사용 하 여 달성 하는 해상도를 크게 영향을 줍니다. 스냅숏 회절 이미징 체계2,3,4 , XFELs에서 회절 이미지를 수집 하는 짧은 펄스 x-선 중 고정된 대상 샘플 (빔 초점에 걸쳐 번역 된다) 타격에서 포함 또는 견본 광속의 경로에 주입.
XFEL 펄스 샘플 상호 작용 궁극적으로 심각한 방사선 손상의 발병으로 인해 샘플을 파괴합니다. 회절 이미지 하위 100 fs 펄스 기간 때문이 파괴의 발병 하기 전에 수집 됩니다. 나노에서 고해상도 구조를 결정 하는 능력은 빠르게 잘 설립 되 고 있다. 그러나, 실험 이미징 조건 하에서 펨 timescales에 발생 하는 동적 프로세스 원자 물리학에 대 한 깊은 통찰력을 제공 하 고 나노 및 그들의 회절 패턴5,6에 거시적인 영향을 미칠 수 있습니다. ,7.
동안 치명적인 구조적 손상 펨 날짜 표시줄 스냅숏 회절 이미지는 기록 동안에, 피해 XFEL 펄스의 전력 밀도는 샘플의 전자 속성을 수정 하려면 충분히 높은 수 있습니다 x-레이 7,,89상호 작용 합니다. 물질과 강렬한 일관 된 x-선 펄스의 상호 작용의 물리학의 탐구 내장 과학적인 관심사의 하지만 XFEL에서 어떤 빛 펄스 찾아보기를 사용 하는 어떤 실험의 해석에 매우 중요 될 것입니다. 구조입니다.
X-레이 이미징 실험 수행에 단일 분자, 작은 클러스터 또는 나노 몇 단위 셀의 구성에서 perturbative 분석이 나타냅니다 하나 흩어져 신호8의 명백한 일관성에서 모두 감소를 관찰 해야 한다 그리고 electrodynamical 프로세스9결과로 structureless 배경 신호의 성장. 이 실험 평가 하는 정도 electrodynamical 프로세스로 인해 decoherence 가루 nanocrystalline C60 짧은 XFEL 펄스와의 상호 작용 때문에 발생 합니다.
이 문서에서 우리는 C60 나노에서 매우 정렬 된 과도 전자 구조 XFEL 펄스1와 상호 작용으로 인해 관찰 실험 절차에 관한 세부 정보를 제공 합니다. 이러한 조건 하에서 생산 하는 회절 패턴 관찰 때 동일한 샘플 낮은 전력, 조명 하지만 다른 면에서는 동일한 XFEL 펄스, 또는 같은 광자 에너지 싱크 로트 론 광선을 사용 하는 경우는 크게 다르다. 이 차이 낮은 전력 및 싱크 로트 론 회절 이미지에 두 개의 회절 프로필에서 볼 수 없는 브래그 봉우리의 존재에 의해 표시 됩니다. 우리는 우리의 분석 및 모델 피팅 접근, XFEL 펄스 nanocrystal 상호 작용에 의해 유도 된 동적 전자 왜곡의 존재를 확인 하는 데 사용을 보여줍니다.
Protocol
1. C 60 파우더 샘플 준비
- 적용 폴 리아 미드 필름, 10 µ m 두께, 고정된 1 m m 두꺼운 알루미늄 샘플 홀더 ( 그림 1a에 표시 된 디자인)의 한 쪽.
- 유 봉과 박격포 약 100 µ g의 작은 배치에서를 사용 하 여 C 60 호감. 박격포에 추가 하는 샘플의 양이 중요 하지만 그것 않습니다 초과 하지는 유 봉의 둥근된 끝의 높이 돈 ' t 위험 그것을 분쇄 하는 대신 분말을 압축. 이렇게 하면 좋은 나노 생산 됩니다. 데이터 수집에 필요한 금액을 얻기 위해이 과정을 여러 번 반복.
주의: 준비 및 나노 재료의 처리만 수행 해야 biosafety 캐비닛 내. - 작은 주걱을 사용 하 여 박격포에서 직접 짓 눌린된 C 60 분말을 제거 하 고 최대한 얇게에 직면 가루 샘플 홀더 백업 polyimide 필름의 접착 면 샘플 홀더의 셀에 걸쳐 확산.
- 균일 한 단층 만들려면
- 파우더 샘플 홀더에 통해 직접 두 번째 구체의 영화 (또한 10 µ m 두께)의 접착 면을 배치 하 고 해 내. 초과 C 60 분말 테이프의 두 번째 작품에 충실 하 고 샘플 소유자에서 제거할 수 있습니다.
- 테이프 벗기 더 더 분말 및 C 60 분말의 단층 나타납니다 ( 그림 1b 참조) 개별 샘플 홀더 셀에 걸쳐 균등 하 게 확산 될 때까지 반복.
- 하나 이상의 창을 두고 빈 (샘플) 기록 폴 배경 있도록.
- Beamline 샘플 챔버에 전송에 대 한 플라스틱 용기에 샘플 홀더 인감.
2. 예비 오스트레일리아 싱크 로트 론 연구
- 사용 C 60 준비 단계에서 1.1-1.5 오스트레일리아 싱크 로트 론에서 MX2 beamline에 분말 회절.
- 요청 12.905의 입사 에너지 케빈 (0.9607 Å)과 30 x 7의 빔 크기 음.
- 표준 결정학 핀, 고해상도 데이터를 수집할 수 있도록 검출기에서 약 625 m m의 거리에서 각도에 x 선 빔에 수직에 C 60 샘플 홀더 탑재.
- 실내 온도 분말 회절 데이터에 위치에서 극저온 노즐 수집 이동.
- 블루 아이스 10 소프트웨어 프로그램 제어 MX2 beamline.
- 보도 ' 시작 ' 데이터 수집을 시작할 버튼.
- 다른 노출 시간 (하 여 테스트 반복 단계 2.5 및 2.6) 이미지 (검출기의 가장자리를 밖으로 강한 회절 반지 특징)에 충분 한 분말 데이터가 수집 되도록 포화 없이 신호의 동적 범위를 극대화 검출기.
- C 60 샘플 창을 검사 하 고 동일한 샘플에서 여러 개의 이미지를 수집.
3. Beamline 설치용 XFEL 매개 변수 요청
- 요청 LCLS는에서 사용할 수 있는 가장 짧은 가능한 펄스 기간 (4 월 2012-32 fs FWHM), 플럭스의 뜻깊은 손실 없이 (' 높은 충전 모드 ') LCLS 일관 된 엑스레이에 실험에 대 한 (CXI) 이미징 11 beamline.
- 10 keV (1.24 Å) 사건 x 선 에너지를 사용 하 여 요청.
- 요청은 작은 초점 크기 실질적으로 100 x 100 nm 2 순서 CXI 캠프 바에즈 (KB) 거울을 사용 하 여 달성.
참고: 조정 펄스 기간 및 빔 국한 CXI beamline에 과학자에 의해 수행 됩니다. 상류 산만된 빔 크기 KB 광학의 약 800 x 800 µ m 2, 후에 달성 빔 크기 초점 초점 자리 약 300 x 300 nm 2 FWHM, 크레이터는 XFEL 의해의 광학 현미경에 의해 결정 되 YAG 결정에서 빔. - 샘플-검출기 거리 (Z-거리) 79 mm ( 그림 1c).
4. 암시를 기록
- DAQ (데이터 수집) 12 컨트롤 패널에서 매개 변수를 기록 하는 데이터 설정: 빔 (해제), 이벤트 (500), 이벤트 녹화 장치 (코넬 SLAC 픽셀 배열 검출기-CSPAD13)의 수.
- 보도 ' 기록 실행 ' 기록 스냅숏 이미지의 데이터 집합을 준비 하는 때.
참고: 기록 된 모든 이벤트의 데이터 집합 이라고는 ' 실행 '에 저장 합니다. XTC 파일 형식.
5. 10%를 기록 사건 XFEL 플럭스 실행
- 요청 알루미늄 감쇠기 하류 샘플, 그리고에 코넬 SLAC 픽셀 배열 검출기 (CSPAD) 13 바로 앞의 적절 한 두께의 배치 손상에서 그것을 보호.
- 사건 엑스레이 샘플 타격의 90% 감소를 계산 두께에 샘플의 상류 실리콘 감쇠기의 삽입을 요청 합니다. 참고 펄스 플럭스 빔 전류 모니터에서 추정 된다. 샘플에서 fluence 8.3 x 10 17 광자 /mm 2 이기 위하여 견적 되었다 / 펄스.
- CXI 진공 챔버에 C 60 샘플을 포함 하는 샘플 홀더 탑재.
- 는 Beamline 과학자 진공에이 때까지 샘플 챔버에 대 한 진공 펌프 절차를 수행 하도록 요청 합니다. 10 -7 토르, 실내 온도에 도달 하는 데 약 30 분 정도 걸리는.
- DAQ 컨트롤 패널에서 매개 변수를 기록 하는 데이터 설정: (에), 이벤트 (1500), 이벤트 녹화 장치 (CSPAD) 빔.
- 클릭는 ' 스캔 ' DAQ GUI 창의 구성 섹션에서 단추.
- 제공 매개 변수는 beamline에 과학자는 래스터를 설정 하는 프로시저 실행에 대 한 스캔. 이들은 시작 위치 (왼쪽 위)와 끝 위치 (오른쪽 아래) 한 샘플 홀더 셀 창, 단계 크기 (600 µ m)과 (x 축)에서 스캔 운동의 방향. 이러한 매개 변수, 하나의 셀 창을 사용 하 여 ( 그림 1에 표시 한) 허용 x 방향에서 20 스캔 셀 창 3 행.
- 기자 ' 적용 ' 올바른 값 입력 되었을 때. 그러나
- Beamline 과학자 1 Hz. 참고로 펄스 반복 속도 설정 하도록 요청: LCLS는에서 사용할 수 있는 펄스 반복 속도 120 Hz 고정 대상 스캐닝 모드 14, 낮은 주파수 반복을 피하기 위해 필요한 이전 총에 의해 이미 손상 된 샘플 측정의 가능성. 주의: XFEL 상호 알루미늄 샘플 프레임 포즈 채도의 위험 그리고 CSPAD 그리고 이렇게 배려의 프레임을 피하기 위해 이동 해야 합니다.
- 기자 ' 기록 실행 ' XFEL 스냅숏 분말 회절 데이터 집합 기록.
- 데이터에 기록 된 내 터미널 창에 파일 디렉터리로 이동 LCLS 12, 컴퓨팅 환경을 사용할 수를 사용 하 여.
- 명령을 입력 ' xtcexplorer/파일 경로/파일 이름 '을 열고 XTC 파일 탐색기 GUI 실행에 기록 된 이미지를 볼.
- 검사는 일반적으로 약 1,4000 ADUs 13에서 발생 가능한 검출기 채도 대 한 이미지. 검출기는 검출기에서 채도 알루미늄 감쇠의 어떤 표시 든 지 보여주는 경우에 증가 될 필요가 있다. 이 경우, 검출기에서 알루미늄 감쇠기의 더 많은 레이어를 요청 하 고 반복 단계 검사는 래스터와 5.6-5.12 다음 샘플 홀더 셀 창에 대 한 설정. 알루미늄 100 & # 1의 레이어81; m 두께,이 데이터 집합에 사용 된는 CSPAD의 중앙 4 개의 모듈을 취재.
6. 100% 기록 XFEL 플럭스 실행
- 외부 4 개의 모듈에는 CSPAD와 얇은 100 µ m 두께 감쇠기의 중앙 4 모듈 이상 두꺼운 알루미늄 감쇠기 (1000 µ m)의 삽입을 요청.
- 샘플 치고 사용 가능한 x 선 유동의 100%를 허용 하도록 실리콘 감쇠기의 제거를 요청 합니다. 피크 unattenuated 사건 피크 플럭스 7.5 × 10 11 광자 / 펄스 (약 8.3 x 1018 광자의 fluence/mm2/펄스에서 주는 샘플) 견적 되었다.
- 반복 단계 5.5-5.12 새로운 샘플 홀더 셀 창에 회절 데이터 집합 기록.
- 반복 단계 5.13 검출기 포화 상태를 모니터링 하 여 결정 여부 충분 한 브래그 분말 회절 반지 또는 브래그 명소 (검출기의 가장자리를 밖으로) 표시 되 고 잘 정의 된.
7. XFEL 데이터 후 처리 및 피크 분석
- 검색 보정 파일 (또는 파일 경로) beamline 과학자에서.
참고: CSPAD 데이터 집합의 데이터는 이벤트 번호 (하나의 이미지 프레임 스냅에 해당)로 그룹화 된 개별 검출기 패널 제공 됩니다. 교정 파일 전체 검출기에 해당 복원된 이미지 프레임을 생산 하기 위해 올바른 상대 위치에 검출기 패널을 조립 하는 데 필요한. - 파이썬 스크립팅 언어와 교정 파일 적용을 사용 하 여 데이터 집합을 실행 하는 암시 야에서 darkfield 프레임 ( 그림 2a에 표시 된 예제)를 추출. 참고: 소프트웨어와 설립된 데이터 처리 파이프라인이 실험의 시간에 사용할 수 있었던 XFELS에 직렬 펨 결정학 실험은 지금 사용할 수 15 , 16 .
- 는 Darkfield 프레임을 합계 하 고 평균 darkfield 이미지를 생성 합니다. 이 암시로 저장.
- (예제 사분면을 그림 2b 참조) 실행 회절 데이터 집합에서 회절 프레임 이미지를 추출 하 고 darkfield 뺄셈을 적용. 신호의 희박도 (darkfield 및 배경 보정) 후 개별 프레임에서 생산 그림 2 c에 표시 됩니다.
- 합계는 darkfield 수정 회절 이미지를 최종 2D 분말 회절 이미지 ( 그림 2d).
- 분말 회절 이미지를 로드 하는 FIT2D 17 (GUI 데이터 감소 프로그램)에 입력 파일로.
- (X 길이 y-길이 1800 픽셀) 이미지의 크기를 입력 하 고 선택 ' 분말 회절 (2D) '.
- 클릭 ' 빔 센터 ' 회절 반지의 센터를 찾을. 선택 4 포인트 내부에 대부분 회절 반지 (간격이 약). 보도 ' 계속 ' 결정 회절 패턴 배열 중심.
- 클릭 ' 통합 ' 회절 이미지의 방위 통합을 수행 하.
- 형상 매개 변수 입력: 픽셀 크기 (110 미크론), 샘플-검출기 거리 (79 m m), 파장 (1.24 Angstrom) 보도 계속 1 D 분말 회절 패턴.
- 분말 회절 패턴.chi 파일 산란 각 (2 θ) 대 강도 값의 배열을 생성을 수출.
- 결정 배경 적절 한 소프트웨어를 사용 하 여 샘플에 백업 폴 폴 리아 미드에서 분산으로 표시 합니다. 참고:이 실험에서 저자 사용 PowderX 18 RIETAN 19 1 D 분말 회절 패턴에서 배경 빼기 수행 하.
- 다른 XFEL 농도 대 한 기록 데이터 집합 실행 단계 7.1-7.9 수행.
- 3 분말 회절 프로필에서 높은 강도 값을 선택 합니다.
- 모든 패턴에서 가장 강렬한 피크 프로필 정상화 – (111) 피크.
- 플롯 100% 유출 사건과 플로팅 소프트웨어 ( 그림 3을 사용 하 여 동일한 축에 10% 유출 사건 (프로토콜 섹션 2에서에서 설명), 오스트레일리아 싱크 로트 론에서 얻은 1 D x-선 분말 회절 패턴 -c).
- 옵션 단계: 선택의 추가 분석 방법을 수행 하 여 구조를 특징. 이 실험에서 결정학 데이터 분석 프로그램 RIETAN-2000 (통합 프로 파일 기능으로 토 라 야 20 , 21 분할 의사 Voigt 기능)를 사용 하 여 수행한 브래그 반사 분석. 최대 엔트로피 분석 소프트웨어 프리마 22 10 %XFEL 강도 및 오스트레일리아 싱크 로트 론 데이터 집합에 관련 된 구조 실내 온도 FCC C 60에 대 한 게시 된 구조 일치 확인을 사용 하 여 수행한 .
Representative Results
XFEL 분말 회절
100% 문제 유출 XFEL 분말 회절에 대 한 요약 2 보다 더 나은의 해상도 가진 완전 한 파우더 링을 생산 하기 위해 1000 개 이상의 단일-샷 측정의 결과 제시 하는 데이터 Å.
분말 회절 프로 파일 비교
회절 반지 브래그 피크 식별 하 고 첫 번째 (가장 강한) 피크 반사 (111) 조정 했다. 그림 3 은 3 개의 다른 회절 선 프로필 보여준다. 3 개의 회절 패턴의 선 프로 파일을 비교 하 여 우리는 오스트레일리아 싱크 로트 론에서 기록 된 회절 데이터는 거의 10 %XFEL 데이터에서 본 브래그 프로필에 동일 다는 것을 관찰. 브래그 피크만 그들의 위치에 하지의 상대 높이에서 아주 사소한 차이가 관찰 된다. 강한 대조에서는, 100% 전원 XFEL 분말 회절 데이터 프로필 10 %XFEL 데이터 프로필에도 싱크 로트 론 데이터 프로필에서 볼 수 없습니다 추가 봉우리의 존재를 보여준다. 이러한 추가 반사의 위치는 표 1에 식별 됩니다. 이러한 차이 해석 하기 위해 실내 온도 FCC C60 크리스탈에서 예상된 회절의 모델을 조정 건설 되었다.
X 선 회절의 실내 온도 FCC C60 구조 모델링
크리스털에서 브래그 반사와 관련 된 분말 회절 피크의 강도 의해 주어진 다
(1)
어디 
는 산란 벡터, K 는 축척, 
다양성 요소, Lp 로렌츠 분극 요소 이다 W() 피크 프로필 함수 이며 M 의 수 C60 분자 위치 rm에 위치한 산란 볼륨에 포함 된. 분자 폼 팩터 (MFF), 
, C60 분자는에 의해 주어진
(2)
rj 는 분자와 fc 에서 j번째 탄소 원자의 위치 탄소 원자의 원자 산란 인자입니다.
결정의 단위 세포 매개 변수는 x-선 분말 회절 패턴에 대 한 허용 된 반사의 위치를 정의합니다. C60, x 선 회절 실험에 실험 형상을 함께 알려진된 실내 온도 FCC 매개 변수 (단위 셀 길이, 단위 셀 내에서 분자 위치)를 사용 하 여 봉우리 (브래그 반사)의 예상된 위치 수 있습니다. MFF C60 와 식 1과 식 2에 대 한 사용 하 여 계산 됩니다.
X 선 회절의 100 %XFEL 데이터 모델링
우리는 중요 한 왜곡/변형 또는 그들의 이상적인 위치에서 핵의 변위는 32 fs 동안 발생 하지 않습니다 시작에서 제안 된 사전으로 입사 펄스의 지속 시간 연구23,24. 오히려, 그 중요 한 100 %XFEL 데이터에서 농도 변화 대신 C60 분자의 전자 구조의 움직임에 의해 구동 해야 합니다. 다음에 우리를 통해 C60 분자의 센트 대칭 분포의 100 %XFEL 회절 데이터의 실험적 관찰된 기능을 재현 하는 모델을 설명 합니다.
정상, 중립 상태에서 C60 의 결정 구조는 그것의 전자 밀도에 즉각적인 변동에 의해 유도 된다 배위 힘에 의해 유지 됩니다. 그러나 여기에 설명 된 실험 조건에서, 시스템의 이온화 분자에서 전기 쌍 극 자 순간 분극에 의해 유도 하는 강한 내부 전기 분야를 생성 합니다. 이전 C60 에서 쌍 극 자 형성만 단일 분자 및 자외선 분광학25등 광학 기술을 사용 하 여 작은 클러스터에서 관찰 되었습니다. 그러나 여기, 관찰 하는 전자 밀도의 재배포는 분명히 장거리 및 긴 XFEL 펄스의 지속 시간에 상대적인 효과 결정학 엑스레이 회절 패턴에서 관찰 된다.
쿨롱 상호 작용을 통해 이웃 쌍 극 자의 맞춤과 10 fs 순서 날짜 표시줄에 기본 핵 구조에서 전자 구조를 분리 하는 결과. 이 정렬에 영향을 미치는 C60 분자의 결과 대칭 청구 ( 그림 4참조). 분자의 구형 대칭의 손실 때문에 MFFs의 C60 분자는 더 이상 실제 하지만 복잡 한 기능 산란 진폭에 기여를 추가 단계를 리드.
정기적으로 다양 한 MFF m번째 분자의 전자 밀도의 분포 결정 구조에서의 위치를 기준으로 난민은 비대칭 분자 충전 분배의 발생을 모델링 하는 데 사용 되었다. C60 MFF이 수정, 우리는 100 %XFEL 데이터에서 강도 프로필 복제 수 있었다.
식 2 100 %XFEL 데이터에서 XFEL 유도 쌍 극 자에서 형성 하는 장거리 전자 상관 캡처 분산 요소에 대 한 식을 구성에 대 한 기초를 제공 합니다. 이 편광된 C60 분자에 대 한 계정 수정 새로운 MFF 함수를 생성할 수 있습니다.
(3)
어디 
(식 2에 의해 주어진) 이상적인 C60 분자의 MFF입니다 및 
XFEL 유도 쌍 극 자 분극 벡터를 정의 합니다. 제한에 
, 식 3 식 2에 근접 하 고 실내 온도 10% 전원 회절 데이터 복구. 로
때 
, C60 분자의 대칭 변경 하 고 모든 가능한 회절 피크의 비율 낮은 전력 회절 패턴을 기준으로 다양 하 게 시작. 이 모델의 값 데이터에 맞게 
산란 각도의 20 ° ≤ 2θ ≤ 30 ° 범위에서 좋은 계약을 보여주는 탐험 했다 
.
이 실험의 용도가 K-쉘 탄소 원자에는 확률적 그 라 비어 인쇄를 정도의 diffracted 농도 FCC C60 나노에 대 한 측정에 영향을 측정 했다. 탄소 원자에 K-쉘 전자의 그 라 비어 인쇄 (전자 결합 에너지 = 284 eV) 원자 산란 요인, fc, 높은 내 감소 산란 진폭으로 본 수정 산란 지역. 결정 격자에서 배열 하는 C60 분자 내 탄소 원자의 K-쉘 구멍 브래그 반사의 산란 진폭의 수정 하면 됩니다.
우리가 성장 등방성 배경, 광자 플럭스는 다음과 같은 기본 가정에 따르면 가루 nanocrystal 샘플에 적용에 따라 관찰 것으로 예상: 1) 탄소에서 K 껍질의 그 라 비어 인쇄는에 지배적인 프로세스는 샘플 XFEL 상호 작용, 2)는 그 라 비어 인쇄 개별 탄소 원자의 결정, 3에 있는 다른 원자에 상관 하지) photoionized 전자 펄스 동안 delocalized 남아 있고 따라서 지속적인 배경 기여 신호입니다.
우리가 실제로 실험에서 관찰, FCC 나노 C60 샘플 100% 전원 XFEL 펄스를 높였을 때의 실내 온도에서 반사 금지,의 존재 했다. Delocalized, 임의의 이온화 이벤트 관찰 반사 금지에 대 한 계정 수 없습니다.
그림 3 은 허용된 FCC 반사의 상당한 감소는 농도와 동시 이러한 금지 반사의 모양을 보여준다. 이러한 변화 결정 격자에 이상적인 C60 분자의 어떤 특정 근처 주문에 의해 기술 될 수 없습니다.
우리의 분석1, 상관된, 각 C60 분자 (식 4)에 비 centrosymmetric 충전 분포에 따르면 ( 에서 본 실험 데이터와 일치 하는 모델 분말 회절 프로필을 생성 하는 유일한 수단 입증 했다 그림 5). 비교를 위해, 모든 데이터 및 모델 표시 됩니다 함께, 하지만 수직으로, 서로 관하여 오프셋 그림 6에 동일한 축에.
그림 1입니다. XFEL 분말 회절 샘플 설치 및 형상
(a)는 샘플 홀더 고정된 대상 스캐닝 모드 C60 크리스탈 분말의 사용. 샘플 프레임은 알루미늄에서 생성 됩니다. 측정 표시 단위 m m. 근사치는 샘플 셀의 크기는 2 m m x 12 m m. (b) C의 사진60 크리스탈 분말 폴 백업 지원 (로 적용 세 (어둡게 색된 세포로 본) 셀에 적용 노란색 필름 샘플 홀더 위에). C60 실험의 (c) 회로도 이 예제는 래스터 이미징 계획 스냅숏에 x y 방향에서 스캔. K B 거울 샘플에서 300 nm x 300 nm의 점 크기를 XFEL 빔 초점. 샘플은 샘플 조건 안정 x 선 산란 자사 샘플 상호작용의 가능성을 최소화 하 고 진공에서 개최 됩니다. 들어오는 XFEL 펄스 샘플 홀더 셀에서 개최 하는 크리스탈 파우더 치고 회절 패턴 CSPAD 발견자에 기록 됩니다. 1.5 Å의 해상도 검출기 거리 79 m m.에 샘플을 설정 하 여 달성 된다 여기이 그림의 a 더 큰 버전을 보기를 클릭 하십시오.
그림 2입니다. CSPAD
흰색 눈금 막대에는), b)와 d) 40 m m을 나타냅니다.
(a) CSPAD 암시입니다. 검출기로 구성 단위의 32 직사각형의 위치를 이동 하 여 동심으로 밖으로 기록 높은 각도 회절 필요에 따라 변경 될 수 있습니다. (b)는 원시 데이터 프레임 (상단 오른쪽 사분면, 합계 1000 프레임)를 표현 하는 배경과 darkfield 교정 전에. (c) 개별 회절 스냅샷 회절 신호의 희박도 시연. (d) 잘 보여주는 회절 프로필 정의 분말 회절 반지 개별 프레임에 적용 된 배경 신호 빼기와 1500 회절 프레임 요약에 의해 수행.
그림 3입니다. 분말 회절 데이터
(a) Azimuthally 평균 10 %XFEL 데이터 집합, 100% XFEL dataset 및 싱크 로트 론 데이터 집합에 대 한 회절 패턴. FCC 브래그 피크의 위치는 실내 온도 C60 FCC 구조와 일관 된 표시 됩니다. (b) 삽입 된 지역 보여주는 반사 100 %FCC 구조는 다른 두 개의 프로필에서 볼 수 없는 산란 각도 10⁰ ≤ 2θ ≤ 13⁰ 사이 존재. (c) 삽입 지역 100 %XFEL 데이터 산란 각도 20⁰ ≤ 2θ ≤ 28⁰ 사이에서 다른 피크 프로필을 보여주는. 10 %XFEL 데이터와 싱크 로트 론 데이터 모두 만족 FCC 구조에 대 한 선택 규칙 전자 centrosymmetric 분자의 구성. 그러나 100 %XFEL 데이터에 여분의 봉우리 (반사)의 존재는 이러한 선택 규칙 위반. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4입니다. C60의 일시적인 왜곡
상관 전자 과도 단계 FCC 격자 구조 내에서 쌍 극 자의 맞춤 시각화 C60 분자 파란 분야에 의해 표시 되 고 빨간색 팁 정렬 된 쌍 극 자의 방향을 나타냅니다.
그림 5입니다. 분말 회절 모델
C60 (를 사용 하 여 Eq 1과 2)에 대 한 FCC 구조를 모델링 하 여 생성 된 분말 회절 프로필 XFEL 펄스 (를 사용 하 여 Eq 1 및 3) C60 FCC 구조는 100% 강도를 복종의 모델에 비해. 브래그 봉우리 표시는 식별. 관심 (20 ° ≤ 2θ ≤ 30 °) 영역 점선으로 강조 표시 됩니다. FCC 모델 설명는 허용 된 반사의 강도, 하지만 추가 봉우리 ( 그림 2a , b 참조) 100% 강도 XFEL 데이터에 대 한 관찰의 숫자의 존재를 설명 하지 않습니다. 이것을 위한 이유는 간단한 입방 격자의 결정학 축 분자 클러스터 (그림 3) 번역 우리에 게는 큐빅에 편광된 C60 분자의 근처 순서의 불완전 한 그림을 제공 격자입니다. 이와 대조적으로 계정 僞 유도 맞춤 ( 그림 4에서 같이) FCC 격자 내에서 쌍 극 자에는, 100 %XFEL 모델 모두 100% 강도 XFEL 데이터에 추가 봉우리의 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6입니다. 모델 및 데이터 분말 프로 파일 비교
3 개의 회절 패턴 라인 프로필의 질적 비교는 다른 조명 조건에서 실험적으로 기록 했다. 또한, 라인 프로 파일 계산 사용 하 여 수식 2와 3 우리의 모델을 사용 하 여 표시 됩니다. 그것은 분명 그는 주기적으로 수정된 MFF의 도입, 100 %XFEL 모델 라인 프로필 동의 100 %XFEL 데이터.
| 뿌리는 추가 반사 (deg)의 각 측정 | 뿌리는 각 추가 반사 (deg)의 계산 |
| 21.31 | 21.25, 21.45 |
| 23.23 | 22.99, 23.02, 23.39 |
| 24.44 | 24.29 24.43, 24.47, 24.64 |
| 26.6 | 26.51, 26.67 |
표 1입니다. 브래그 반사 XFEL 데이터에서 본
브래그 반사의 집합 내에서 측정 된 20⁰ ≤ 2θ ≤ 30⁰ 100 %XFEL 회절 데이터 뿐만 아니라 그에 대 한 계산 사용 하 여 Eqns. 1-4.
| 분자의 위치 | 맞춤 |
| (0,0,0) |  |
| (0.5,0.5,0) | |
| (0.5,0,0.5) |  |
| (0,0.5,0.5) | |
표 2입니다. 과도 동안 FCC 분자 정렬 단계 상관
이 표에서 크리스탈 XFEL 펄스 동안 경험된의 과도 상관 단계 편광된 C60 분자의 맞춤을 설명합니다.
Discussion
회절 데이터 프레임의 구경 측정입니다.
. XTC 파일 (완전 한 실행에서 데이터 포함)는 실험 기간 동안 교정 매개 변수 CSPAD 모듈 ( 그림 2a에 표시)의 기하학적 배치를 정의 하는 포함 되어 있습니다. 개별 모듈에 기록 된 데이터의 올바른 배치는 각 실행에 기록 된 데이터를 구성 하는 개별 회절 데이터 이미지를 조립 하는 중요 한. 실험 수행 시 올바른 매개 변수를 포함 하는 교정 파일의 위치는 자동으로 설정 하지 하 고 수동 계산 문제를 해결 하는 팀에 의해 필요로 했다. 데이터 실행 스냅숏 데이터 집합을 설정 하 고 암시와 배경을 통해 실행의 성공 검사 사이의 지연 시간을 거기 했다 여분의 시간 수행 교정 때문 이미지 프레임 데이터 집합에서의 합계를 뺍니다.
크리스탈 크기입니다.
일부 초기 XFEL 스냅숏 실행, 강한 단 결정 브래그 반사 이미지 프레임의 일부에서 볼 수 있었다. 이 충분히 정밀 하 게 분쇄 되 고 C60 샘플 중 일부에서 유래 했다. 크리스탈 패싯 너무 큰 나타냅니다 분쇄 분말에서 광 반사를 관찰 (가시 광선의 파장에 해당 ~ 400-700 nm). 분말 분쇄 단계에서 이러한 반사에 대 한 확인 한다 하며 경우에 강한, 단 결정 브래그 반사는 데이터에서 볼 수 있습니다 분말 짓 눌린 추가 합니다.
이 실험의 결과 예상 하지 했거나 계획 이후 C60 샘플에 대 한 성공적인 분말 회절 데이터 컬렉션만 두 극단적인 강도 설정 (10%와 100% 유량)에서 얻은 것입니다. 시설에서 빔 시간 제한 되며 따라서 모든 설정, 계산, 또는 오류와 문제를 처리 하는 샘플 실험 계획에 큰 영향을 미칠. 가장 널리 사건 강도 포인트 했다 우선 순위 구분 그리고 어떤 중간 포인트에 대 한 신뢰할 수 있는 통계를 수집된 수 부족 하 여 광속 시간 있었습니다. 따라서, 우리가 하지 못했습니다 XFEL 유량이 과도 단계 변화 발생 측면에서 트리거 포인트를 실험적으로 평가.
예비 연구입니다.
오스트레일리아 싱크 로트 론에서 분말 회절 데이터를 수집 하는 XFEL에서 측정으로 동일한 C60 샘플에서. Synchrotrons는 일상적으로 사용 적합 XFEL26, 대상에 대 한 화면 경우 현재에는 긍정적으로 확인 10 %XFEL 강도로 회절 데이터 C60의 바닥 상태 FCC 구조와가 했다.
샘플 및 검출기 감쇠입니다.
실리콘 감쇠기 상류의 조정 사건 속의 교정 샘플의 필수적 이었다, 공부 되 고 효과 강도 의존 때문에 특히. 사건 속에 검출기에 적합 한 알루미늄 감쇠기의 건설 또한 중요 했다.
빔 초점의 위치에서 샘플을 타격.
KB는 XFEL에 초점의 위치 또한 이후 샘플에 플럭스 밀도 쌍 극 자 크리스탈 전역의 형성을 유발 하기에 충분 해야 보고 된 현상 관찰 하는 것이 필수적 이었다. YAG 결정 광학 현미경을 사용 하 여으로 광학 축 따라 좋은 샘플 검색을 수행에서 XFEL 빔에 의해 만들어진 크레이터의 크기를 측정 하 고 초점면의 위치를 결정 하는 데 사용 했다 회절 강도 보고.
미래에 펄스 기간 뿐 아니라 사고 농도의 많은 수는이 작품의 구현 탐험 될 것입니다. 이 작품은 곧 실험 나노 XFEL 소스에서 수집 된 회절 데이터 분석에 대 한 잠재적인 의미가 있습니다. 그것은 또한 문제, XFELs 하지 기존의 결정학 내 수용 하는 새로운 물리 탐구에 잠재력을가지고 강조 XFELs의 기본적인 상호 작용에 대 한 새로운 통찰력을 제공 합니다.
Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
저자는 오스트레일리아 연구 위원회 센터의 우수성의 고급 분자 이미징 지원을 인정합니다. 이 연구의 일부 LCLS, 스탠포드 대학에서 운영 하는 미국 에너지 부, 기본적인 에너지 과학의 사무실 대신 국가 사용자 시설에서 실시 했다. 우리는 AS와 호주 정부에 의해 관리 되는 국제 싱크 로트 론 액세스 프로그램에 의해 제공 하는 여행 자금을 인정 합니다. 또한,이 연구의 일부는 그대로, 빅토리아, 호주에서 MX1 및 MX2 beamlines에 착수 했다. 기여 저자: 학사 계획 및 관리 프로젝트의 모든 실험적인 측면에 대 한 책임을 지지 했습니다. 실험은 문학사, 만나게, 대에 의해 설계 되었습니다, C.D., 및 G.J.W. 학사, H.M.Q., K.A.N., 그리고 만나게 원래 LCLS 제안을 썼다. D.W., 만나게, R.A.R., A.V.M., 유럽, 및 남서 시뮬레이션 작업 수행. 학사, 만나게, C.D. 대, M.W.M.J., R.A.R., N.G., F.H., G.J.W., S.B., mm은, M.M.S., A.G.P., C.T.P., A.V.M., 및 K.A.N.는 LCLS에서 실험 데이터를 수집. 남서, V.A.S. 및 R.A.D 오스트레일리아 싱크 로트 론에서 실험 데이터를 수집. C.T.P. 및 A.V.M. 주도 실험 데이터 변환 및 분석. 학사, C.D., N.G., 그리고 E.B. 샘플 홀더 디자인에 대 한 책임 및 테스트 했다. R.A.R, 문학사, 남서, A.V.M와 H.M.Q이이 원고를 썼다. 일관성 이론 내에서 전자 손상의 공식 H.M.Q.와 K.A.N.;에 의해 수행 됩니다. 만나게 잉태 C60에이 주의 적용 하는 아이디어.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Macroscopic 99.5+ % pure C60 | SES RESEARCH | ||
| Pestle and mortar | Sigma Aldrich | used for crushing C60 powder; | |
| Aluminium sheet | used for constructing sample holder | ||
| kapton polyimide film | Du Pont | http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film/ | |
| CXI beamline | SLAC | http://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?yi5003 | |
| safety glasses | |||
| biosafety cabinet |
References
- Abbey, B., et al. X-ray laser-induced electron dynamics observed by femtosecond diffraction from nanocrystals of Buckminsterfullerene. Sci. Adv. 2 (9), e1601186 (2016).
- Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nat. 470 (7332), 73-77 (2011).
- Boutet, S., et al. High-resolution protein structure determination by serial femtosecond crystallography. Science. 337 (6092), 362-364 (2012).
- Redecke, L., et al. Natively inhibited Trypanosoma brucei cathepsin B structure determined by using an X-ray laser. Sci. 339 (6116), 227-230 (2013).
- Kern, J., et al. Simultaneous femtosecond X-ray spectroscopy and diffraction of photosystem II at room temperature. Sci. 340 (6131), 491-495 (2013).
- Aquila, A., et al. Time-resolved protein nanocrystallography using an X-ray free-electron laser. Opt. Exp. 20 (3), 2706-2716 (2012).
- Nass, K., Hau-Riege, S. Radiation damage in ferredoxin microcrystals using high intensity X-FEL beams. , Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Livermore, CA. (2014).
- Quiney, H. M., Nugent, K. A. Biomolecular imaging and electronic damage using X-ray free-electron lasers. Nat. Phys. 7 (2), 142-146 (2011).
- Lorenz, U., Kabachnik, N., Weckert, E., Vartanyants, I. Impact of ultrafast electronic damage in single-particle x-ray imaging experiments. Phys. Rev. E. 86 (5), 051911 (2012).
- McPhillips, T. M., et al. Blu-Ice and the Distributed Control System: software for data acquisition and instrument control at macromolecular crystallography beamlines. J. Synchrotron Rad. 9, 401-406 (2002).
- Boutet, S., Williams, G. J. The coherent X-ray imaging (CXI) instrument at the Linac Coherent Light Source (LCLS). New J. of Phys. 12 (3), 035024 (2010).
- LCLS Photon Control and Data Systems Documentation Page. , Available from: https://confluence.slac.stanford.edu/display/PCDS/PCDS+Home (2009).
- Hart, P., et al. The CSPAD megapixel x-ray camera at LCLS. Proc. SPIE. 8504, (2012).
- Hunter, M. S., et al. Fixed-target protein serial microcrystallography with an x-ray free electron laser. Nat. Sci. Rep. 4, 6026 (2014).
- Nakane, T., et al. Data processing pipeline for serial femtosecond crystallography at SACLA. J. App. Crystallography. 49, 1035-1042 (2016).
- White, T. A., et al. Crystallographic data processing for free-electron laser sources. Acta. Cryst. 69, 1231-1240 (2013).
- Hammersley, A., et al. Two-Dimensional Detector Software: From Real Detector to Idealised Image or Two-Theta Scan. High Pressure Res. 14, 235-248 (1996).
- Dong, C. PowderX: Windows-95-based program for powder X-ray diffraction data processing. J App. Crystallography. 32 (4), 838 (1999).
- Multi-Purpose Pattern Fitting System REITAN-FP. , Adv. Ceramics Research Cnt. Nagoya Institute of Technology. Available from: http://fujioizumi.verse.jp/download/download_Eng.html (2014).
- Ida, T., Ando, M., Toraya, H. Extended pseudo-Voigt function for approximating the Voigt profile. J. App. Crystallography. 33 (6), 1311-1316 (2000).
- Toraya, H. Array-type universal profile function for powder pattern fitting. Journal of Applied Crystallography. 23, 485-491 (1990).
- Takata, E. N., Sakata, M. Charge density studies utilizing powder diffraction and MEM. Exploring of high Tc superconductors, C60 superconductors and manganites. Cryst. Mat. 216 (2), (2009).
- Neutze, R., Wouts, R., van der Spoel, D., Weckert, E., Hajdu, J. Potential for biomolecular imaging with femtosecond X-ray pulses. Nat. 406 (6797), 752-757 (2000).
- Hau-Riege, S. P., London, R. A., Szoke, A. Dynamics of biological molecules irradiated by short x-ray pulses. Phys. Rev. E. 69 (5), 051906 (2004).
- Petersen, J. C., et al. Clocking the Melting Transition of Charge and Lattice Order in 1T-TaS2 with Ultrafast Extreme -Ultraviolet Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy. Phys. Rev. Let. 107 (17), 177402 (2011).
- Darmanin, C., et al. Protein crystal screening and characterization for serial femtosecond nanocrystallography. Nat. Sci. Rep. 6, 25345 (2016).
