小角与广角X射线散射（SWAXS）实验方法的建立，已成为生物大分子研究中的关键手段。通过特定角度方法的仪器使用与样品制备流程，SWAXS实验数据能够呈现大分子的原子级与纳米级结构特征。
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本文内容
摘要
摘要
本文通过实验演示了大分子的小角与广角X射线散射（SWAXS）分析。SWAXS是一种X射线在纳米尺度范围内对非均匀样品进行弹性散射的技术，散射角度包括小角（通常为0.1 - 5°）和广角（通常> 5°）。该技术可提供有关大分子的形状、尺寸和分布、部分有序材料的特征距离、孔径大小以及比表面积的信息。小角X射线散射（SAXS）能够提供1至200 nm尺度范围内大分子的结构信息，而广角X射线散射（WAXS）则可根据具体系统配置和探测器，分辨出样品中0.33 nm至0.49 nm范围内的更小布拉格间距。该间距由布拉格定律确定，取决于X射线波长和入射角。
在小角X射线散射（SWAXS）实验中，材料可以是固体或液体，并可包含以任意组合形式存在的同种或异种材料的固体、液体或气体区域（所谓颗粒）。SWAXS的应用范围非常广泛，涵盖所有类型的胶体：金属、复合材料、水泥、油类、聚合物、塑料、蛋白质、食品和药物制剂。对于固体样品，其厚度通常限制在约5 mm以内。
本文详细介绍了实验室用SWAXS仪器的使用方法。利用现有软件（例如，可使用GNOM-ATSAS 2.3软件包（由D. Svergun，EMBL-Hamburg开发）和EasySWAXS软件）对SWAXS系统开展实验，以测定样品的若干关键参数。一个典型的生物大分子实验示例是分析水基缓冲液中2 wt%的溶菌酶，该样品可通过多种方法选择和制备。样品的制备步骤遵循下文“样品制备”部分中的指南。通过SWAXS实验，可获得溶菌酶的重要结构参数， 例如 回转半径可被分析。
方案
1. 样品制备
- 使用针头从样品容器中取出部分样品。
- 用针头将样品填充至毛细管（最大直径为 2.2 mm）中，填充长度需从底部起达到 2 至 3 cm。
- 在毛细管尖端熔化石蜡，将其封闭。
- 将真空样品杆从系统中旋下。
- 用手握住毛细管的熔封端（石蜡端），将未熔封的一端插入样品杆中。
- 将样品杆放回系统中，并旋紧固定。
* 固体样品（包括粉末样品）可直接放入样品架中（无需毛细管），而液体样品必须置于毛细管内。
SWAXS 仪器的启动
2. 源设备冷启动程序
- 通过按下安全快门按钮关闭快门。
- 按下绿色开启按钮，将主电源打开。
- 确认紧急“关闭”按钮处于伸出位置。
- 按下绿色按钮，打开主电源。
- 确认联锁LED指示灯为绿色，表示所有联锁状态正常。
- 等待触摸屏加载完成。加载完成后，按菜单上的“R6”按钮。
- 将待机钥匙转至“ON”位置。
- 将X射线钥匙转至“ON”位置。红色X射线指示灯应亮起。
- 等待触摸屏显示待机参数（30 kV 和 0.4 mA）。
- 将待机安全钥....
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结果
小角X射线散射（SAXS）和广角X射线散射（WAXS）结合可提供样品的以下结构信息：回转半径、颗粒尺寸与形状、溶液结构因子、比内表面积和孔径、晶格类型与晶格尺寸，以及电子密度。SAXS和WAXS还可用于研究蛋白质动力学1。
通过比较实验测得的谱图与系统的计算结果，可以获得小角与广角X射线散射（SWAXS）实验的结构信息。计算结果是在软件中利用基于统计力学模型（如Ornstein-Zernike（OZ）积分方程理论）构建的合理有效势 V eff(r) 得到的（此类分析的一个示例可参见文献2）。
作为数据分析方法的一部分，模型 用于SWAXS绝对强度 I(q) 需要在软件中为研究开发散射强度， I(q), 是倒易空间中动量转移的函数，散射矢量 q = 4π sin(θ/2)/λ。 q 是一个与散.......
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讨论
SWAXS 系统的对比分析方法可从实验分析中确定多种变量。根据样品和实验设置的不同，分析所得的参数可用于不同目的。SAXS 提供有关物体纳米尺度尺寸和形状的信息，而 WAXS 则侧重于原子级和微米级结构（例如 分子晶格、晶胞尺寸对称性）。更具体而言，对于稀溶液中的颗粒，SAXS 可研究回转半径、颗粒尺寸和形状；对于高密度样品，SAXS 可研究溶液的结构因子；对于无序多孔/两相体系，SAXS 可研究特定内表面积和孔径；对于液晶样品，WAXS 可研究晶格尺寸和晶胞结构。然而，SWAXS 的一个局限性在于，颗粒尺寸分布范围过宽或存在多分散性会严重降低实验结果的质量。
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披露
未声明任何利益冲突。
致谢
我们感谢奥地利格拉茨奥地利科学院生物物理学与纳米系统研究所 Hecus XRS 的 Manfred Kriechbaum 博士。LL 和 XW 的研究部分得到了美国能源部 NERI-C 项目（资助号：DE-FG07-07ID14889）以及美国核管理委员会（资助号：NRC-38-08-950）的支持。SWAXS 仪器也部分得到了美国能源部（资助号：DE-NE0000325）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| System3 小角和广角X射线散射（SWAXS）相机 | Hecus XRS 和 IBN， 奥地利格拉茨 | ||
| GNOM | 由 D. Svergun 提供的 EMBL-汉堡 ATSAS 2.3 软件包 |
参考文献
- Bernadó, P., Blackledge, M. Structural biology: Proteins in dynamic equilibrium. Nature. 468, 1046-1048 (2010).
- Zhang, F., Skoda, M. W. A., Jacobs, R. M. J., Martin, R. A., Martin, C. M., Schreiber, F. Protein Interactions Studied by SAXS: Effect ....
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