دراسة لينة المسألة والأنظمة البيولوجية على نطاق واسع طول مقياس من نانومتر وميكرومتر مقاسات صغيرة في الزاوية النيوترون حيود الهئية-2

الهدف العام من هذه التجربة هو استقصاء حجم وترتيب مختلف المورفولوجيات البوليمرية في المحاليل المائية عبر مقاييس طول تتراوح بين عشرات الأنغسترومات وميكرون واحد. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على أسئلة رئيسية في مجالات المادة اللينة والفيزياء الحيوية، مثل مصهورات ومحاليل البوليمرات، وتجمعات البوليمرات الإسهامية المجمعة البرمائية، والهلامات، والغرويات، ومسخ البروتينات، والجسيمات الشحمية الحاملة للعقاقير. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في أن التوصيف البنيوي والمورفولوجي يتم على نطاق واسع من الأطوال وبدقة قابلة للضبط باستخدام جهاز تشتت نيوتروني واحد.

تتم هذه التجربة في مقياس حيود الأشعة KWS-2 في مركز يوليش لعلوم النيوترونات، مركز ماير-ليبنيتز. يحتوي مقياس الحيود على ثلاثة أنماط تشغيل، بما في ذلك نمط الثقب الدبوسي التقليدي. تمر النيوترونات أولاً عبر محدد للسرعة، واختيارياً عبر مفرمة الحزمة، وفتحات الموازاة عند المدخل وعند العينة، قبل أن تتشتت بواسطة العينة.

يقوم كاشف حساس للموقع بتسجيل الجسيمات المشتتة. ويمنع مصد الحزمة الحزمة المباشرة من إشباع الكاشف، كما يحدد الحد الأدنى لزاوية التشتت التي يمكن الوصول إليها لتكوين معين للجهاز. أما الوضع الثاني فهو وضع تركيز عالي الكثافة.

توجد فيها عدسات تسبق العينة وفتحة عينة أكبر للموازِي. وتسمح هذه التجهيزات بقياس عينات أكبر وبنفس دقة وضع الثقب (pinhole mode). كما يمكن للوضع الثالث تحقيق أدنى ناقل موجي منتقل أقل مما يحققه وضع الثقب.

يتم تنفيذ ذلك باستخدام فتحة دخول موازٍ وعدسات أصغر حجماً. كما يُستخدم أيضاً كاشف أصغر حجماً عالي الدقة وحساس للموضع، بالإضافة إلى مصدّ شعاع أصغر. ضع برج الكاشف عالي الدقة الصغير في نهاية الوحدة.

ابدأ عند منصة العينات في مقياس حيود الأشعة السينية لوضع العينات المُجهزة. هنا، تكون العينات مستقرة على منصة العينات وفي مسار الحزمة. وتشمل العينات جسيمات البوليسترين في الماء والماء الثقيل، وبوليمر مشترك ثنائي الكتلة في الماء الثقيل، وعينات مرجعية.

بعد وضع العينات في مكانها، غادر منطقة العينات وأغلق الباب الرصاصي للمتابعة. في غرفة التحكم، انتقل إلى جهاز كمبيوتر التحكم لتشغيل برنامج القياس. هذه هي الشاشة الرئيسية لبرنامج التحكم.

في الخطوات التالية، سيتم التركيز على الوظائف الموجودة على يسار الشاشة. أولاً، اختر وظيفة Configuration للوصول إلى نافذة Configuration. ومن هناك، اختر خيار القائمة User Data.

يؤدي هذا إلى ظهور حقول التعريف والملاحظات التي يجب استكمالها. عند الانتهاء، اخرج بالضغط على حفظ. بعد ذلك، اختر وظيفة العينة (Sample).

في النافذة التي تفتح، ستظهر قائمة بالعينات والمواقع على الجانب الأيسر. اختر واحدة منها وابدأ في إدخال المعلومات المطلوبة. تتضمن المعلومات المدخلة عنوان العينة، ونافذة شعاع العينة، ومعلومات حول سمك العينة، وملاحظة.

انتقل إلى "Close" وانقر عليه لحفظ المعلومات. أدخل المعلومات الخاصة بكل عينة في التجربة. عند الانتهاء من جميع العينات، أغلق نافذة العينة (Sample window) بالنقر على "Close".

بالعودة إلى نافذة التكوين (Configuration)، احفظ جميع التكوينات باستخدام خيارات قائمة الملف (File). ثم أغلق نافذة التكوين. وفي الشاشة الرئيسية، اختر وظيفة التعريف (Definition).

تُستخدم نافذة التعريف (Definition) لتحديد الإعداد التجريبي وبرنامج القياس. اختر وظيفة العينة (Sample) التي تفتح نافذة اختيار العينات (Select Samples). ومن عمود العينات المعروفة في نافذة اختيار العينات، اختر العينات الـ 12 التي يجب قياسها.

استخدم السهم الأزرق لنقل هذه العناصر إلى حقل العينات المختارة. لإعادة ترتيب إدخال في العينات المختارة، حدده واستخدم الأسهم الزرقاء الرأسية. قم بتغيير حقول المعلومات الخاصة بالعينات إذا لزم الأمر.

أغلق النافذة بالنقر على "حفظ/إغلاق" (Save/Close). والآن، اختر وظيفة الكاشف (Detector) من نافذة التعريف (Definition). سيؤدي ذلك إلى فتح نافذة تعريف القياسات (Definition of Measurements).

انتقل إلى حقل المحدد (Selector) واختر القيم المناسبة للطول الموجي. انتقل إلى منطقة القياس (Measurement) وحدد "قياس قياسي" (Standard) لاختيار قياس ثابت. انتقل إلى منطقة شروط النهاية (End Conditions) لاختيار وحدة الزمن المناسبة لوقت القياس.

استمر بالانتقال إلى منطقة تحديد مسافات الكاشف والموازِي. هنا، يتم ملء الحقول الخاصة بوقت قياس التجربة، وإعدادات العدسة والمستقطب، ومسافة التوازي. بمجرد تحديد هذا التكوين بالكامل، انقر فوق الزر New.

سيؤدي ذلك إلى تثبيت التكوين وتخزينه في الجدول أدناه. وبعد تحديد المجموعة الكاملة من التكوينات، انقر فوق حفظ/إغلاق (Save/Close). وسيقوم البرنامج بإنشاء قائمة بالقياسات.

يمكن فرز هذه القياسات باستخدام شروط الفرز الموجودة في أسفل القائمة. قم بإزالة القياسات أو تعديل وقت قياسها حسب الحاجة. غادر هذه الشاشة بالنقر على حفظ/إغلاق (Save/Close).

بعد ذلك، في نافذة التعريف (Definition)، انقر فوق إغلاق (Close) للعودة إلى الشاشة الرئيسية. تابع باختيار وظيفة التحكم (Control). وفي الشاشة الجديدة، قم بتسجيل الدخول لقفل الجلسة من أجل إنشاء نص التحكم البرمجي.

حدد تعريف الحلقة (Loop Definition) للتحقق من برنامج القياس الذي تم تحميله. اختر علامة تبويب القيم الحالية (Current Values) لرؤية تمثيل مرئي لمعلمات الجهاز أثناء القياسات. عند الجاهزية، اضغط على زر البدء (Start) وأجب عن الأسئلة المتعلقة بالسلامة لبدء القياسات.

توجد في الجزء العلوي من الشاشة معلومات حول موضع الموازِ، وموضع الكاشف، والأجهزة النشطة. ويحتوي الجزء الأوسط من الشاشة على معلومات حول العينة الحالية وحالة غالق الحزمة والعدسات. وعلى طول الجزء السفلي من الشاشة، توجد معلومات متعلقة بتوقيت القياسات، وتقارير عن شدة الكاشف والمراقب، وجدائل عدّ الأحداث، وتفاصيل حول محدد السرعة ومعلمات القاطع.

بعد الانتهاء من القياسات، افتح برنامج معالجة البيانات. من الشاشة الافتتاحية، اختر خيار Start New Session الموجود على الجانب الأيمن من النافذة. ثم، انقر فوق علامة تبويب معالجة البيانات.

يوجد شريط تمرير أفقي في الجزء العلوي من المنطقة اليمنى؛ استخدمه لتحديد عدد الظروف المستخدمة في التجربة. بعد ذلك، حدد رموز الأقلام الصفراء التي تشير إلى الصفوف التي تتطلب إدخال البيانات.

يجب تقديم أرقام التشغيل للخلية الفارغة (EC)، والحزمة المحجوبة (BC)، وعينات المعايرة. وتُخصص الحقول المركزية لأرقام تشغيل القياسات ذات التشتت الأمامي القوي. أما حقول EB فهي مخصصة لأرقام تشغيل الحزم الفارغة.

حدد المربعات أدناه لحساب نفاذية العينات. أدخل القيم المناسبة لهذه الحقول في كل تجربة. وبمجرد ملء الجدول، حدد جميع الصفوف التي تحتوي على أزرار بأسهم خضراء وانقر فوق كل منها.

يقوم هذا الإجراء بتحميل المعلومات اللازمة لمعالجة البيانات. بعد ذلك، قم بتسمية كل عمود من الأعمدة الصفراء عن طريق النقر على رأس العمود وكتابة التسمية المناسبة. عند الانتهاء من تسمية الأعمدة، انتقل إلى الزر الجديد وانقر عليه.

يؤدي هذا إلى إنشاء قائمة الملفات التي سيتم معالجتها. قم بتسمية القائمة قبل المتابعة، ثم انقر فوق زر Add لتحميل ملفات البيانات.

انتقل إلى زر النفاذية (Transmission) وانقر عليه لتحديد نفاذية كل عينة. ستظهر النتائج في جدول تم إنشاؤه. اختر المشروع (Project) لحفظ النتائج في المشروع الحالي.

بعد ذلك، انقر فوق الزر I(x, y) لإجراء تصحيح ومعايرة البيانات ثنائية الأبعاد. يتبع ذلك النقر فوق الزر I(q) لتصحيح البيانات ومعايرتها وإجراء المتوسط الشعاعي لها. ويمكن الوصول إلى البيانات الناتجة عن هذه الإجراءات من خلال المجلدات الموجودة في النافذة أسفل الشاشة.

هذا هو نمط التشتت لجزيئات البوليسترين بنصف قطر قدره 500 angstroms، باستخدام مسافة كاشف تبلغ ثمانية أمتار وطول موجي قدره five angstroms. وهذا النمط لجزيئات البوليسترين بنصف قطر 1000 angstrom، مع وضع الكاشف على مسافة 20 متراً، وطول موجي قدره 20 angstroms. أما هذا النمط الأخير فهو لجزيئات بنصف قطر 4000 angstrom، ومسافة كاشف تبلغ 17 متراً مع عدسات في الكاشف الثانوي عالي الدقة، وطول موجي قدره سبعة angstroms.

في جميع الحالات، يكون نمط التشتت موزَّعاً بشكل متماثل المناحي حول مانع الشعاع (beam-stop)، والذي يحجب الشعاع النافذ. إليكم المقطع العرضي المصحح والمعاير لجزيئات البوليسترين في الماء الثقيل بنصف قطر يبلغ 500 angstroms. يمكن لجهاز حيود الأشعة تغطية نطاق Q واسع في وضع الثقب الدبوسي التقليدي عن طريق تغيير موضع الكشف واستخدام طول موجي واحد أو أكثر.

أظهرت البيانات ميزات متجه الشكل للجسيمات الكروية. عند قيم Q العالية، يهيمن المذيب على المقطع العرضي ويكون مسطحاً. تم تصحيح هذه المقاطع العرضية لجسيمات البوليسترين ذات أنصاف الأقطار المختلفة من حيث مساهمة المذيب.

عند قيمة Q عالية، يكون الميل سالب أربعة، وهو أمر نموذجي للأجسام الكروية. وتؤدي قياسات المذيلات في الماء الثقيل إلى نمط التشتت هذا، وهو ثنائي الأبعاد ومتوسط شعاعياً في وضع الثقب (pinhole mode). ويكشف استخدام وضع الدقة القابلة للضبط بدقة أعلى عن البنية الدقيقة للقمم.

بمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن إتمامها في غضون 24 ساعة إذا نُفذت بشكل صحيح. وأثناء محاولة تطبيق هذا الإجراء، من المهم تذكر تخطيط التجربة بناءً على الأهداف العلمية. وبناءً على هذا الإجراء، يمكن تنفيذ طرق أخرى مثل المجهر الضوئي وcryo-TEM للمساعدة في تحديد المورفولوجيا العامة والمحلية للنظام قيد الدراسة كعامل مساعد في تفسير بيانات التشتت المعقدة.

بعد تطويرها، مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال المادة الرخوة والفيزياء الحيوية لاستكشافات مورفولوجيا البوليمرات والبوليمرات الإسهامية الكتلية، والبروتينات والجسيمات فوق الجزيئية، والهلامات والأنظمة الغروية، في تطبيقات الصحة والتكنولوجيا. لا تنسَ أن العمل مع النيوترونات قد يكون خطيراً للغاية، لذا يجب اتخاذ الاحتياطات دائماً، مثل تدابير الحماية التقليدية، عند تنفيذ هذا الإجراء.