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在小角中子衍射仪KWS-2上研究纳米至微米尺度的软物质与生物系统

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DOI：

10.3791/54639

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2016年12月8日

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1Jülich Centre for Neutron Science Outstation at MLZ, Forschungszentrum Jülich GmbH, 2Department of Chemistry, Louisiana State University, 3Jülich Centre for Neutron Science JCNS-1 & Institute of Complex Systems ICS-1, Forschungszentrum Jülich GmbH, 4Central Institute of Engineering, Electronics and Analytics — Electronic Systems (ZEA-2), Forschungszentrum Jülich GmbH, 5Central Institute of Engineering, Electronics and Analytics — Engineering and Technology (ZEA-1), Forschungszentrum Jülich GmbH

本文内容

摘要

本文介绍了一种用于在宽泛的介观尺度（从纳米到微米）上研究软物质与生物物理系统的实验方案， µ使用KWS-2小角中子散射仪在高强度和可调分辨率条件下的方法。

摘要

KWS-2 SANS 衍射仪专用于研究软物质和生物物理体系，其尺度范围覆盖从纳米到微米的广泛长度尺度， µm. 该仪器通过结合传统的针孔法、聚焦法（使用透镜）和飞行时间法（使用斩波器），在提供可调节分辨率的同时实现高中子通量，从而优化了对1×10⁻⁴至0.5 Å⁻¹宽范围动量转移Q的探测。 Q 1×10⁻⁴ 到 0.5 Å⁻¹ 的范围-4 和 0.5 Å-1 通过结合传统的针孔法、聚焦法（使用透镜）和飞行时间法（使用斩波器），在同时提供高强度中子束和可调节分辨率的情况下实现。由于KWS-2能够在实验过程中在较宽范围内调节强度和分辨率，并可配备特定的样品环境和辅助设备，因此在应对该领域内广泛的结构与形态学研究方面展现出高度的多功能性。平衡态结构可通过静态测量进行研究，而动态和动力学过程则可利用时间分辨方法在从数分钟到数十毫秒的时间尺度上进行探测。利用KWS-2研究的典型体系涵盖从具有多个结构层次的复杂分级体系（例如， 凝胶、网络结构或大聚集体）到微小且散射信号弱的体系（例如， 单个聚合物或溶液中的蛋白质）。检测系统的近期升级使其能够检测兆赫（MHz）范围的计数率，从而为研究缓冲溶液中散射信号极弱、在高Q值下接近缓冲液散射水平的微小生物形态提供了新的机遇 Q.

本文提供了一种利用 KWS-2 研究具有跨越宽尺度范围特征尺寸并表现出介观结构有序性的样品的实验方案。我们详细介绍了如何使用该仪器提供的多种工作模式，以及所能达到的性能水平。

引言

软物质和生物材料展现出丰富多样的形态，其特征包括基本单元自发组织和自组装形成更大、更复杂的聚集体。这些材料还表现出大量自由度之间的协同相互作用；结构单元之间相互作用较弱，因而对外部场具有高度敏感性；以及跨越广阔时空尺度的关联性，范围从纳米到毫米，从纳秒到天。由于涉及的长度和时间尺度范围广泛，对这些材料性质的实验表征极具挑战性。中子散射技术在研究此类复杂系统的结构、动力学和热力学性质方面发挥着重要作用。作为独特的探针，中子在1H和2H（氘，D）氢同位素之间具有不同的相互作用。氢与氘之间相干散射长度密度的显著差异构成了对比度变化和对比度匹配方法的基础。由于大多数软物质和生物系统由碳氢化合物组成，氢/氘（H/D）取代使得化合物的相干散射长度密度可在较宽范围内调节。利用该技术，可通过同位素交换对复杂系统中的特定组分进行标记。根据其对比度——即其散射长度密度与其他组分散射长度密度之差的平方——可在散射实验中使复杂软物质或生物物理形态中的特定组分或区域变得可见或不可见，而无需对系统进行化学修饰。此外，中子具有很强的穿透能力，可作为非破坏性探针使用，并可用于研究处于特殊环境中的样品，其中光束路径上附加材料所产生的信号贡献可被可靠测量并加以校正。

弹性散射实验可提供关于样品结构和形貌的信息。散射强度在倒易空间中作为动量转移Q的函数进行测量，其中Q=4π/λ sin Θ/2， λ为中子波长， Θ为散射角；随后通过逆傅里叶变换将其转换至实空间。因此，较大的Q值对应较短的长度尺度，可用于研究原子间关联的常规中子衍射（ND）即基于此原理。在较小的Q值范围内，则可通过小角中子散射（SANS）探测较大的长度尺度。通常，利用经典的针孔SANS技术以及超小角中子散射（基于聚焦或单晶衍射技术）方法，可在从纳米到微米的宽广尺度范围内，对溶液、熔体、薄膜或块体样品中的单个或自组装的合成与天然大分子进行表征。然而，由于样品用量有限、样品在长时间尺度下的稳定性、特殊热力学条件下效应的可重复性，以及在不同实验几何构型下获得的实验数据联合分析等问题，结合多种方法或设施以实现完整的结构表征有时十分困难。此外，针对具有高空间或时间分辨率的结构及其快速结构变化的研究极具挑战性，需要极为特殊的实验装置。因此，开发高度多功能的小角中子散射仪器，使其能够以简便且可行的方式突破传统配置的限制，对于满足用户群体的各种特殊需求具有重要意义。

SANS 衍射仪 KWS-2（图1），由位于加兴的海因茨·迈尔-莱布尼茨中心（MLZ）的于利希中子科学中心（JCNS）运行，最初是一种经典的针孔小角中子散射仪，具有高中子通量优势（补充图1由FRM II中子源提供的）1 以及专用的引导系统2-4经过多次升级后，该仪器已优化用于广泛探索 Q 范围，介于 1x10-4 和 0.5 Å-1，提供高强度中子和可调节的分辨率。配合特定的样品环境和辅助设备（表1），该仪器可配置用于在宽长度尺度范围内研究软物质和生物物理系统，尺度范围从纳米（nm）到 µm，通过静态测量；它还可以在分钟到数十毫秒的宽时间尺度范围内，对处于平衡状态或因动力学过程而发生转变的结构与形貌进行时间分辨的研究。在常规工作模式下（图2A），一个 Q 介于 7x10 之间-4 Å-1 和 0.5 Å-1 可通过改变样品与探测器之间的距离和/或波长来覆盖。因此，可研究从10纳米尺度上的结构层次及相关效应 Å 最多 9,000 Å 可以在实空间中进行观察（此处将维度视为2）π/Q）。波长的选择范围在 4.5 Å 和 20 Å，使用机械单色仪（速度选择器）以提供波长分布 Δλ/λ= 20%，准直条件的变化（准直长度 LC 以及孔径开口，AC- 光束中最后一个中子导管段之后的入口光阑，以及 AS- 样品孔径（位于样品前方）和检测距离 LD 通过计算机控制自动完成。

最近对样品强度、仪器分辨率、最小动量转移Qm以及在兆赫范围内的高计数率下的快速检测能力进行了显著提升，旨在提高仪器性能。在此过程中，仪器还增加了多项附加功能。

采用带有可变狭缝开口的双圆盘斩波器5（补充图2）和飞行时间（TOF）数据采集模式。通过调整两个圆盘之间的相对位置，斩波器可在10 Hz至100 Hz的可变频率fchopper下运行，且两个斩波器窗口的角开口范围为0° ≤ Δφ ≤ 90°。通过减小Δφ和/或增加fchopper来缩短中子导管的开口时间τw，从而提高波长分辨率Δλ/λ。探测器上记录到的脉冲信号被划分为适当数量的时间通道，每个通道的宽度与τw相匹配，并对应目标Δλ/λ值。

此外，还有由氟化镁（MgF2）制成的抛物面透镜聚焦元件6，其直径为 50 mm（图 1）。26 个 MgF2 透镜被分为三组（4+6+16 个透镜），可在光束中独立移动，以实现不同波长（λ = 7–20 Å）下的聚焦条件。为了通过减少透镜材料中声子散射来提高透射率，透镜采用特殊冷却系统维持在 70 K。

有一个次级高分辨率位置灵敏闪烁探测器，其位置分辨率为1 mm，像素尺寸为0.45 mm。该探测器通常放置在真空罐顶部的塔架上，固定距离LD = 17 m处，可垂直移入或移出光束（图1）。主探测器停放在20 m处真空罐末端的位置，而在使用透镜进行高分辨率研究（低Q）时，将次级探测器移入光束中4,7。次级探测器位于透镜系统的一个焦点处，而此时位于LC = 20 m处的一个小入射光阑则位于另一个焦点处。

一种新的主探测系统由144根3He管组成（在λ = 5 Å时每根管的全局效率为85%），其定义的有效探测面积相当于0.9 m2（图1）。创新的快速读出电子学组件安装在3He管阵列框架背面的封闭外壳中，可改善读出特性并降低背景噪声。该新系统取代了原有的闪烁体探测器（6Li闪烁体和8×8光电倍增管阵列，图1），具有25纳秒的有效死时间常数，在平坦分布条件下，当死时间为10%时，总计数率可高达5 MHz。这些特性得益于系统内包含多个并行运行的独立通道，相较于事件发生后即进入死时间的系统，具有明显优势。更高的计数率显著缩短了测量时间，从而可在相同时间内完成更多的实验。

通过上述各项创新，该仪器已成为一种高度多功能的工具，可通过提供多种工作模式（表2），以直接且用户友好的方式选择并应用于广泛的结构研究。在高通量模式下（图2B），通过增大样品尺寸并使用透镜，可在相同分辨率条件下实现高达传统针孔模式十二倍的强度增益。在配备斩波器和飞行时间（TOF）数据采集的可调分辨率模式中，通过将波长分辨率 Δλ/λ 在2%至20%范围内调节，可实现对不同Q范围内散射特征的更优表征5。在扩展Q范围模式（图2C）中，结合使用透镜和二级高分辨率探测器，可实现低至1 × 10-4 Å-1的Qm，该性能与针孔模式结合，使得从纳米到微米尺度的连续长度范围内的结构尺寸得以研究。使用斩波器缩小Δλ/λ，可在使用透镜时避免重力和色差效应，从而获得精确的束流特性。在实时模式中，利用高通量特性以及样品环境对外部触发数据采集的支持，可实现低至50毫秒的时间分辨率来解析结构变化。通过斩波器将波长分辨率进一步提升至Δλ/λ = 5%，可实现高达2毫秒的时间分辨率。

本文详细介绍了如何在不同工作模式下使用KWS-2开展典型实验，并通过数据约化从采集的数据中获取样品的结构信息。在本示例中，我们将利用小角中子散射（SANS）技术表征多种不同尺寸的标准颗粒溶液以及一种高浓度的聚合物胶束溶液，以展示在一次实验过程中如何利用KWS-2灵活高效地在宽范围内研究样品的尺寸与有序结构。实验所用的聚苯乙烯球形颗粒具有不同尺寸（半径R = 150、350、500、1,000和4,000 Å），尺寸多分散性为σR figure-introduction-1 8%，分散于水溶液（90% D2O 和 10% H2O 的混合液）中，体积分数为1%。浓度为12%的C28H57-PEO5二嵌段共聚物在D2O中形成的胶束呈现出有序结构。

方案

1. 加载样品细胞

  1. 将不同粒径（半径 R = 150、350、500、1,000 和 4,000 Å）且粒径多分散性 σR figure-protocol-1 8% 的聚苯乙烯球形颗粒分散于水溶液（90% D2O 与 10% H2O 的混合液）中，体积分数为 1%。
  2. 使用巴斯德移液管将六种聚苯乙烯颗粒的 D2O/H2O 溶液、C28H57-PEO5 在 D2O 中的溶液，以及 D2O/H2O 和 D2O 溶剂转移至石英池（图 3）中。将每个石英池填充至颈部，并用塞子密封。
    注意：在 FRM II 的样品制备实验室中，必须遵守该处规定的特殊工作条件，进行石英池的装样操作。
  3. 将装有样品的石英池安装到样品架的铝制卡匣中（图 3）。将每个装满样品的石英池放入卡匣的腔室中，并通过检查样品是否完全覆盖卡匣上为中子束预留的窗口开口，来确认石英池内样品是否充足。将校正样品和标准样品（空石英池、碳化硼板和有机玻璃板）放置在卡匣的其他指定位置，并预留一个位置用于空白光束测量。
  4. 使用盖形螺钉（M3x5）将涂镉的铝盖板固定在卡匣上（图 3）。使用专用的铝螺钉将卡匣固定在样品架的铝框架上（图 4）。

2. 将样品台/样品环境装置放置在样品台上

  1. 通过调节准直器前端的长度来确定样品架样品位置所需的空隙图5). 从准直器鼻部控制系统中存储的配置中选择样品架的适当配置。
  2. 使用内六角螺钉 M6x40 将适当的样品台/样品环境装置安装在光学面包板上预定位置的样品台处图6).
  3. 关闭电动滑动铅门（图5通过其外侧的旋钮进行调节，同时保持控制旋钮处于激活状态，直至门到达末端位置，此时将有发光信号指示。
    注意：若门未完全关闭或终端开关未激活，则光束快门无法打开，无论是手动操作还是通过测量控制软件均无法开启；测量软件在开始测量前将对此问题进行额外检查。

3. 实验设计

  1. 选择适当的实验配置和模式，以在适合样品结构长度尺度及样品所揭示的相关效应的 Q 范围内开展研究。检查仪器的动态范围4（图7 和 表2）。
  2. 根据对散射强度水平的预估，结合样品的大致尺寸、浓度和对比度因子等特征，选择适当的实验配置和模式，以确保样品上获得合适的入射强度8。此举旨在优化目标统计精度下的测量时间，并适应稳定性较差样品（如短稳定时间样品）的实验需求。查阅不同实验配置下的强度分布图4（补充图1 和 表2）。
  3. 基于对样品中散射体尺寸多分散程度及其浓度的粗略了解，选择适当的实验配置和模式，以实现合适的分辨率8。此举旨在分辨因样品中有序化效应所产生的精细散射特征。检查是否可调节波长分辨率5（表2）。

4. 准备测量软件并进行实验及可视化

  1. 在KWS-2仪器的测量控制计算机终端窗口中输入KWS2TC，启动测量软件，以激活主菜单（补充材料 图3）。使用左侧的功能组来定义基本电机位置（Configuration）、选择样品和设置条件（Definition）、启动测量并监控所有电机（Control），以及监控实际探测器（Live-Display）。
  2. 在主菜单中选择配置功能，以激活 kws2-配置菜单（补充图4) 用于定义用户数据，并配置基本电机位置以及样品上各设备和场的设定点。
    1. 选择 UserData 功能（补充图4）并在用户数据菜单（查看/编辑）中填写用户名、电子邮件、文件名的前半部分和测量备注。点击保存以退出该菜单。
      注意：请勿使用特殊字符，如 @、$、% 等等。，作为文件名前缀。在整个实验过程中避免使用特殊字符。
    2. 选择样本功能（补充图4) 以激活样本配置菜单（补充图4）。从左侧垂直菜单列表中选择每个样品和位置后，填写“样品标题”、“样品光窗尺寸”、“样品厚度”和“备注”字段。完成定义后，保存每个样品的配置。单击“关闭”退出菜单。
    3. 在配置菜单上方的功能栏中，通过“文件”功能保存所有配置。
  3. 在主菜单中选择“定义”功能（补充图3) 以激活 kws2 定义菜单补充图5) 以确定实验装置和测量程序。
    1. 选择样本功能以激活“选择样本”菜单（补充图5).
      1. 选择必须测量的十二个样本（如图所示） 图3从左侧垂直字段的已知样本列表中选择样本，并使用蓝色箭头将其移至“已选样本”字段。使用蓝色垂直箭头对已选样本列表进行排序。
      2. 检查样本参数，必要时调整名称、厚度和备注。点击保存或关闭以退出菜单。
    2. 选择检测器功能以激活测量定义菜单（补充图6).
      1. 在“测量”区域中选择“标准”以选定静态测量类型。在“结束条件”区域中，为测量时间字段选择合适的时间单位。
      2. 在“选择探测器与准直距离”区域，通过为以下参数选择适当值来确定实验装置和工作模式：波长（“波长”选择框）、探测距离（“探测距离”字段）、数据采集模式（“飞行时间”字段）、目标波长分辨率（“DLambda/Lambda”字段）、测量时间（“时间”字段）、透镜配置（“透镜”字段）以及准直距离（“准直距离”字段）。
      3. 单击“新建”按钮以固定已完全定义的一个配置，并将其存储在下方表格中。以类似方式定义下一个配置并进行存储，直至完成全部配置集（补充图6完成实验装置和工作模式的调整后，在“测量定义”菜单中点击保存或关闭。
      4. 根据程序生成的菜单底部显示的三个循环（排序条件）对测量值列表进行排序补充图7）。通过标记相应行并点击，删除不需要的测量结果 "X" 红色标记的按钮。通过查看屏幕中央始终处于激活状态的 kws2 定义菜单中以红色标记的中央区域内的总设定测量时间，可根据需要调整每次测量的测量时间。
      5. 保存或关闭菜单，然后返回 kws2 定义菜单（补充图5）。关闭 kws2 定义菜单并返回主菜单（补充图3).
  4. 在 KWS2 测量软件的主菜单中选择控制功能补充图3) 以激活测量控制菜单（补充图8).
    1. 使用仪器科学家提供的用户名和密码登录，并锁定会话以生成脚本，该脚本将执行已上传的测量程序中的命令。选择“循环定义”以检查已上传的测量程序。
    2. 按下开始按钮，并回答程序提出的关于样品位置门和光束快门当前状态的问题。测量程序将被启动。选择“当前值”以启用正在进行的测量过程的可视化（包括电机位置、仪器组件状态、计数率以及积分强度随时间的变化）。
      注意：探测器上的积分强度以及探测器和监测器的计数率将被显示，可用于单独或整体调整测量程序。
  5. 按照预设的测量程序进行并完成测量。
    注意：当累积至某一时间点的积分强度已足够，或在测量序列中发现异常时，可通过激活停止功能并选择相应选项来中断或终止测量（可选择继续测量、停止当前测量并选择是否保存文件，或终止整个程序）。
    1. 通过点击“环路定义”选项下方的“打印”按钮，生成测量会话的日志记录补充图8) 当预设的测量程序停止或完成后。
  6. 在 KWS2 测量软件的主菜单中选择 Live-Display补充图3) 以激活 KWSlive_MainWindow 界面补充图9).
    1. 在类型界面中，选择 GEDET 或 PSD，分别用于显示使用主探测器或次级（高分辨率）探测器采集的数据。在显示模式中选择三维（表面）、二维（等高线）或一维（径向平均）模式以设定可视化方式。输入绘图选项（线性或对数尺度）以及参数值（波长和探测距离 L）D) 在径向平均选项菜单的字段中，以将数据表示为 n 强度（未校正）相对于 Q.
    2. 选择所需的飞行时间通道，以可视化飞行时间模式下采集的数据（使用主探测器或次级探测器）。

5. 数据分析

  1. 在 KWS-2 仪器的数据分析计算机的终端窗口中输入 qtiKWS 命令，启动数据处理软件。在主界面右侧选择“新建脚本”选项。
  2. 在主界面顶部功能菜单中选择 DAN 选项（补充图 10），以激活数据分析功能。在右侧菜单的“选项”中选择 KWS-2 仪器，以激活针对使用主探测器在 KWS-2 上测得数据的数据分析模式。定义测量数据文件所在文件夹以及校正后数据文件的存储位置。
  3. 选择“工具”选项，并在右侧菜单中激活“Header(s)”功能（补充图 11），生成包含待处理文件的信息表。通过点击“Header(s)”字段左侧的一组绿色箭头来定义表格名称。通过点击“Header(s)”字段右侧的一组绿色箭头并选择测量文件，加载测量数据文件。
    注意：包含每个测量文件完整信息的信息表将存储在项目下方类似资源管理器的菜单中。项目后续生成的所有结果也将存储在此处。
  4. 在右侧菜单中激活“Mask”功能（补充图 12），生成定义探测器用于数据处理区域的活动掩模。在分析各向同性散射图样时，在“Edge”和“Beam-Stop”字段中输入数值，以定义矩形掩模的左下角和右上角。
  5. 在右侧菜单中激活“Sensitivity”功能（补充图 13），通过在标记为绿色的字段中输入标准样品（Plexiglas）、空光束（EB）和阻断光束（B4C）的运行编号，为特定配置生成探测器灵敏度。
    1. 点击黄色字段（Transmission）旁的一组绿色箭头，计算标准样品的透射率。选择“Calculate as New”以生成并命名灵敏度矩阵，并使用下方菜单中的适当绘图功能可视化生成的矩阵。若存在其他配置，重复此步骤。
  6. 在右侧菜单中激活“Data Processing”功能（补充图 14），生成校正与校准表以及脚本表，以对数据进行校正、校准并执行径向平均。
    1. 使用右侧菜单顶部的水平滑块（红色箭头）定义实验中使用的条件数量。使用黄色铅笔标记的字段，为每个实验条件输入空池（EC）、阻断光束（B4C）和标准样品的运行编号：Plexiglas（Abs. Cal. FS）、标准校正用空光束（Abs. Cal. EB）以及标准校正用阻断光束（Abs. Cal. B4C）。
    2. 在“Center”字段中输入具有强前向散射的测量运行编号。在“EB”字段中输入空光束的运行编号，并通过勾选“Tr (Ec-to-EB)”功能旁的复选框，选择相应的实验条件以计算样品的透射率。
    3. 依次点击右侧菜单中垂直排列选项旁由旋转绿色箭头标识的按钮（补充图 14），以从已定义文件加载数据处理所需信息，并计算空池的透射率。点击每个黄色列的列头，以定义列名称。
    4. 点击“New”按钮，生成并命名待处理数据文件的表格。点击“Add”按钮，加载待处理的数据文件。点击“Script-Table Tools”区域下方由旋转绿色箭头标识的“Tr”按钮，以计算每个样品的透射率。在生成的表格中检查结果（补充图 14）。
    5. 在界面右下角选择“Project”（补充图 14），以将所有结果作为表格或矩阵保存在当前 qtiKWS 会话（项目）中。点击“I[x,y]”按钮，执行二维数据的校正与校准。点击“I(Q)”按钮，执行数据的校正、校准和径向平均。使用“Graph”（补充图 15）选项下的图形功能绘制结果。
      注意：当在界面右下角选择“File”而非“Project”时，所有结果将以外部文件形式生成，并保存在第 5.2 步中定义的外部文件夹中。
  7. 在右侧菜单中选择“Tools”（补充图 11），并激活“TOF|RT”选项（补充图 16），以将主探测器在 TOF 工作模式下采集的数据拆分为对应于每个时间通道的单个文件。
    1. 点击“TOF :: Calculate Parameters”功能，并加载一个文件以提取关于 TOF 条件的信息。点击“TOF|RT :: Sum vs Number :: Read”功能，并加载在实时或 TOF 模式下测量的目标文件，以生成如工作界面左侧所示的 sum-tof-file 表。使用顶部功能菜单中“Graph”功能下的图形选项，绘制积分强度随时间通道变化的曲线（补充图 16）。
    2. 在 TOF 功能的字段中定义处理参数。点击“TOF|RT :: All Selected Steps :: Proceed”按钮，加载将被分离为对应于各个定义时间槽的单个文件的数据文件。
      注意：包含在每个时间槽中测量数据的文件将被生成，并存储在第 5.2 步中定义的文件位置，文件名采用原始 TOF 文件名后接时间槽编号的形式。
    3. 按照第 5.6 步的方法继续操作，以使用斩波器分析对应于 Δλ\λaimed 的更高分辨率测量数据。
  8. 在主界面右侧菜单的“选项”中选择 KWS2-HRD 仪器（补充图 17），以激活针对使用 KWS-2 的次级高分辨率探测器测得数据的数据分析模式。在右侧菜单中激活“Mask”功能（补充图 18A），生成定义探测器有效区域的活动掩模。
    1. 在主界面顶部功能菜单中选择 DANP 选项（补充图 18B）。在右侧菜单中选择 ASCII.2D 选项。激活“2D Masking”功能，以定义探测器上用于数据分析的特定扇区。
    2. 在“Center”字段中输入光束挡板中心位置。选择掩模矩阵并在“Mask :: Conditions”中输入值 0，以忽略特殊掩模外部区域。选择角度扇区，并点击扇区字段右侧的彩色按钮。按照第 5.5 和 5.6 步的方法继续处理高分辨率探测器测得的数据。
  9. 保存 qtiKWS 项目（使用顶部菜单中“File”选项下的保存功能）。

结果

使用KWS-2在不同工作模式下对两种典型软物质体系的结构与形貌进行实验所获得的代表性结果如图8-11所示。这些结果来源于在D2O/H2O溶液（D2O含量为90%）中对一系列聚苯乙烯标准尺寸颗粒的研究，以及在高聚合物体积分数（12%）条件下对全质子化的嵌段共聚物C28H57-PEO5在D2O中的研究。聚苯乙烯标准尺寸颗粒的半径分别为R = 150、350、500和1,000 Å，用于测试传统针孔模式下不同探测距离LD与波长λ组合的效果。较大尺寸的颗粒（R = 4,000 Å）用于测试和调试扩展Q范围模式。在高浓度D2O条件下可形成有序胶束结构的嵌段共聚物则用于测试和调试可调分辨率模式。

图8展示了使用主探测器（旧的闪烁探测器）在针孔模式下以及使用聚焦透镜和高分辨率次级探测器在扩展Q范围模式下测得的二维散射图样结果。图8A表示在LD = 8 m处使用λ=5 Å测得的半径R = 500 Å的聚苯乙烯颗粒的散射图样。图8B显示了在LD = 20 m处使用λ= 20 Å采集的半径R = 1,000 Å的聚苯乙烯颗粒的散射图样。对于使用 λ = 5 Å进行的测量，直接光束被安装在探测器前方的中心光束挡板收集，透射光束则可通过安装在光束挡板中心的小型3He计数器进行监测。这就是所谓的监测器3（补充图8）。该仪器还配备另外两个3He计数器，其中一个安装在速度选择器前方（监测器1），用于监测多色光束，另一个安装在速度选择器后方（监测器2），用于监测单色光束。由于技术限制，使用 λ = 20 Å的测量是在直接光束照射探测器的条件下进行的，这是旧KWS-2探测器常用的典型配置。在长波长下，由于重力作用导致直接光束强度较弱，因此可在不损坏探测器的情况下进行检测。在此情况下，透射光束通过在短探测距离LD = 2 m处的监测器3进行监测。此时重力效应较弱，直接光束落在光束挡板上（如图8A所示）。探测器上以5.25 mm × 5.25 mm像素尺寸采集的二维数据进一步进行了探测器灵敏度校正，并利用Plexiglas次级标准样品的散射对空样品池、仪器背景和溶剂的贡献进行了绝对校准4。最后，将围绕Q→0位置各向同性分布的散射图样进行径向平均，从而得到每种聚苯乙烯颗粒体系的dΣ/dΩ。

大尺寸聚苯乙烯颗粒（R = 4,000 Å）产生的二维散射图样如图8C所示，该图样是使用高分辨率探测器在像素尺寸为0.5 mm × 0.5 mm的条件下测得的。微小的直射束经透镜系统聚焦于探测平面，并被安装在探测器表面的小型束阻（4 mm × 4 mm）所阻挡。图8C中探测器有效区域的左上角可见该方形束阻的阴影。重力效应导致不同波长的中子在探测器上呈现较宽的垂直分布。此外，由于透镜系统仅对三角形波长分布的中心波长 λ实现完美聚焦，速度选择器仅传输具有该中心波长的中子2,5；而围绕中心波长的其他波长中子到达探测器时则略微失焦。这两种效应共同导致在束阻正上方和正下方出现微弱的直射束痕迹。在使用透镜和高分辨率探测器的静态扩展Q范围模式下，数据被连续采集。为了减小重力效应的影响，散射数据的分析限定在一个狭窄的角度扇区内，该扇区从束阻起始并向右水平延伸，如图8C所示。随后采用典型方法对数据进行处理，以获得dΣ/dΩ。图8D展示了从束阻向探测器边缘方向的强度随位置的变化关系，数据取自高分辨率探测器上宽度为1个像素（0.5 mm）的狭窄水平切片。样品溶液和参比（溶剂）的数据来自一次持续5分钟的短时间测试测量。短距离处强度的下降是由于束阻造成的。根据最短距离处强度的比值，可估算出样品的透射率（87%）。

在聚苯乙烯颗粒溶液（R = 500 Å）中测得的经校正和标定的 dΣ/dΩ 结果如图9所示，图中同时给出了溶剂的结果。这些结果展示了 KWS-2 在常规针孔模式下，通过改变探测位置 LD 以及使用一种或多种波长所能覆盖的Q 范围。球形颗粒的形状因子特征8,9 也得以显现：低Q 处的Guinier 区域，以及中等Q 范围内由球形贝塞尔函数引起的振荡。在高Q 范围，散射曲线主要受溶剂散射的主导，因此表现出与溶剂本身相似的平坦行为。形状因子的极小值一方面受到仪器分辨率5 的影响，另一方面受到颗粒尺寸多分散性的影响。对于 KWS-2 而言，仪器分辨率主要由 Δλ/λ = 20% 的波长展宽决定。所有类型颗粒的尺寸多分散性约为 σR = 8%。图10 展示了在扣除溶剂贡献后，所有类型聚苯乙烯颗粒的小角中子散射（SANS）研究结果，以 dΣ/dΩ 表示。所有颗粒在低Q 值区域均清晰显示出 Guinier 区域，而在高Q 范围则呈现出 -4 的斜率，这是球形物体形状因子的典型特征。标准尺寸颗粒的结构参数通过将实验数据与多分散球形颗粒的形状因子8,9 及仪器分辨率函数10–12 的卷积进行拟合而得以确认。

图11展示了C28H57-PEO5聚合物胶束在重水（D2O）中、聚合物体积分数为12%时形成的有序结构所产生的二维及径向平均的一维散射图样。实验在不同的探测距离LD下采集数据，并在同一测量过程中结合了传统的针孔模式与可调分辨率模式。当采用速度选择器提供的Δλ/λ = 20%波长分布，并以连续（静态）数据采集方式在传统针孔模式下研究该体系时，在LD = 4 m处的散射图样中可观察到三个宽峰。而在可调分辨率模式下，结合斩波器与飞行时间（TOF）数据采集系统以及速度选择器，可显著改善波长分布，从而验证这些特征是否真实存在，或其内部是否存在更精细的结构。当使用Δλ/λ = 5%进行测量时，原先在Δλ/λ = 20%下观测到的第一和第二峰出现分裂，由此可明确识别出胶束有序排列形成了面心立方（fcc）晶体结构5,13。

这是两个典型示例，说明如何通过遵循所提供的实验方案，以简便且用户友好的方式利用KWS-2小角中子散射仪的多功能性和高性能，对在长度尺度和有序性方面具有复杂结构特征的软物质和生物物理系统进行详细研究。

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图1： KWS-2 小角中子散射仪的布局，包括2010年至2015年间完成的所有升级。（A）仪器的整体视图。（B）次级高分辨率探测器及其位于真空罐顶部的支撑塔。（C）MgF2 聚焦透镜，分为三个组件，及其冷却系统（冷头）。（D）旧的主探测器（闪烁体探测器），配有8×8阵列的光电倍增管。（E）新的主探测器（3He 管探测器），具有更大的探测面积。请点击此处查看此图的放大版本。

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图2：KWS-2提供的三种工作模式的示意图。 (A) 传统的针孔模式。对于 LC = LD，其中 LC 和 LD 分别为准直长度和检测长度，A 为最佳针孔条件C =2AS，其中 AC 和 AS 分别为准直入口光阑和样品光阑，光束轮廓 我P 检测器处的信号大致呈三角形，其底边宽度等于2AC. (B高聚焦强度模式。通过使用透镜，可对较大样品进行测量，其分辨率与传统的针孔模式相同（光束轮廓 I'P （检测器处的截面在此情况下为矩形）。C）延伸的 Q- 范围聚焦模式。通过使用透镜和一个小的入口光阑 AC （通常为 4 mm × 4 mm）的样品置于透镜系统的某一焦点处，一束细小的光束被传输至位于透镜系统另一焦点处的探测器上。因此，最小波矢转移的数值较低 Qm 相较于传统针孔模式，可实现更高的分辨率。 请点击此处以查看此图的放大版本。

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图3： 样品安装在样品架的铝制卡匣中，用于常温测量。样品置于铝制卡匣的凹槽内。（A）石英样品管（B）中装入样品后，盖上塞子（C），然后放入卡匣。铝制卡匣上的样品位置分配如下：第1至第5号位置分别放置在D2O/H2O溶剂中粒径为R = 150、350、500、1,000和4,000 Å的聚苯乙烯颗粒；第6号位置为D2O中的C28H57-PEO5二嵌段共聚物；第7和第8号位置分别为D2O/H2O和D2O溶剂；第9号位置为空石英管（作为空白参比）；第10号位置为有机玻璃（标准样品）；第11号位置为空（用于测量空光束）；第12号位置为B4C板（粘贴于背面，用于测量光束阻断时的仪器本底）。铝制盖板（D）外表面涂有镉屏蔽层，通过螺钉（E）固定在卡匣顶部，以固定样品管并定义中子窗口（F）。请点击此处查看该图的放大版本。

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图4： KWS-2上用于常温条件下测量的多层多位置样品架之一的示意图。 当前实验批次的样品安装在中间层。这三个层均可装配设计用于不同样品池几何结构的样品盒（A），样品盒通过外表面（朝向中子一侧）涂有镉掩膜的铝制盖板封闭。样品盒通过螺钉（B）固定在样品架上。样品架具有一个基座支撑结构（C），可确保其在样品台上的预设位置准确安装。请点击此处查看该图的放大版本。

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图5： KWS-2样品区域的示意图顶视图。（A）准直鼻部两种极端构型的示意图，显示了在光束中安装各种样品环境时可用的空间（中子从底部入射，如黄色箭头所示）。（B）铅门的控制面板，配有开启和关闭按钮（分别为1和2）。门的电机仅在按钮持续按压时工作。门的边缘装有传感器，当检测到障碍物时会自动关闭电机。移除障碍物后，可通过上方按钮（3）解除电机锁定，继续执行开启或关闭操作。（C）准直鼻部的控制面板。通过按钮（4）可在鼻部面板上选择合适的构型。通过持续按压按钮（5）来移动鼻部，直至到达选定位置，移动将自动停止。请点击此处查看该图的放大版本。

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图6： 在样品台安装用于常温小角中子散射（SANS）测量的多层级、多位置样品架（照片提供：Wenzel Schürmann，德国慕尼黑工业大学）。 样品位置处的主要组件包括位于末端带样品孔径的准直鼻部（A）、用于在光束中实现样品水平和垂直定位的样品台（B）、探测器真空罐的入射窗口（C）、边缘带有传感器的铅门（D），以及样品架的基座支撑（E），该支撑用于将样品架安装在样品台的光学面包板（F）上。请点击此处查看此图的放大版本。

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图7： KWS-2 上不同仪器配置的动态范围。 I0 表示样品位置处的中子通量。图中所示区域表示在特定准直-探测配置下，当波长在 4.5 Å 到 20 Å 之间变化时可覆盖的可用 Q 范围。请点击此处查看该图的放大版本。

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图8：根据本实验方案在实验过程中采集的二维散射图样示例。（A）在 LD = 8 m 处，使用 λ = 5 Å 的中子束，从 D2O/H2O 溶剂中半径为 R = 500 Å 的聚苯乙烯颗粒采集的散射图样。散射信号以光束挡板为中心呈各向同性分布，光束挡板位于探测器中心，用于阻挡直射中子束。（B）在 LD = 20 m 处，使用 λ = 20 Å 的中子束，从 D2O/H2O 溶剂中半径为 R = 1,000 Å 的聚苯乙烯颗粒采集的散射图样。散射信号围绕透射束位置呈各向同性分布；由于该波长下的透射束位于光束挡板下方，因此在可视化软件中与光束挡板一同被遮蔽。（C）使用高分辨率探测器，在 LD = 17 m 处，结合透镜系统和扩展的 Q 范围（λ = 7 Å），从 D2O/H2O 溶剂中尺寸为 R = 4,000 Å 的聚苯乙烯颗粒采集的散射图样。散射信号围绕小型光束挡板（4 mm × 4 mm）呈各向同性分布，该挡板用于阻挡聚焦后的直射束。图中右侧标示了后续数据分析所用的角区间。（D）在高分辨率探测器上，沿一条宽度为1像素（0.5 mm）的狭窄水平切片进行短时间测试测量所获得的散射强度随距光束挡板位置的变化曲线。图中同时显示了样品溶液和参比（溶剂）的数据。请点击此处查看该图的放大版本。

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图9：聚苯乙烯颗粒在D2O/H2O溶液中的散射图样（符号）以及溶剂的散射图样（线条）。 数据在常规针孔模式下采集，对应不同的仪器配置，以不同颜色表示。请点击此处查看该图的放大版本。

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图10：在对溶剂散射进行校正后，不同尺寸的聚苯乙烯颗粒在D2O/H2O中的散射图样。 红色线条表示采用球形形状因子9的拟合结果，其中包含了仪器分辨率10, 11和粒径多分散性的影响。在高Q区域，直线标示了球形形状因子典型的Q-4渐近行为。不同波长或实验装置所能覆盖的Q范围的下限被特别标出。请点击此处查看该图的放大版本。

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图11：在常规针孔模式（Δλ/λ = 20%）下（上图）以及可调分辨率模式下（Δλ/λ = 5%，LD = 4 m（左侧）和 LD = 8 m（右侧）），测得的 D2O 中 C28H57-PEO5k 聚合物胶束的二维及径向平均一维散射图样（聚合物体积分数为12%）。在常规模式下可观察到三个宽峰。通过提高 Δλ/λ 分辨率，前两个峰的精细结构得以显现5, 13。请点击此处查看该图的放大版本。

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图12： 完全质子化的PHO10k-PEO10k二嵌段共聚物胶束在D中的散射图样2O（在对溶剂散射进行校正后），通过结合传统针孔与扩展测量得到 Q-范围模式。 核壳圆柱形形貌由以下特征表明 Q-1 中等角度散射强度的依赖性 Q 以及 Q-5/3 高浓度下观察到的依赖性（斑点散射） Q低强度平台期 Q 以及中间阶段的弯曲 Q 分别显示圆柱体的长度和厚度。红色曲线表示采用核-壳圆柱模型对实验数据进行的拟合结果9，包含仪器分辨率10-12. 请点击此处以查看此图的放大版本。

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图13：在常规针孔模式和高通量（透镜）模式下测得的聚苯乙烯颗粒（R = 150 Å）在D2O/H2O中的散射图样。（A）在常规模式下，使用λ = 7 Å、LD = 8 m测得的一维散射图样；在带透镜的高通量模式下，LD = 20 m。在高通量模式中，通过使用不同的样品束斑尺寸来提高强度。当使用26个透镜时，与常规针孔模式相比，强度增益最高可达12倍。实验中使用直径为5 cm的圆形石英池放置大尺寸样品。（B）在针孔模式下，束斑尺寸为10 mm × 10 mm时，探测器上采集的二维散射图样。（C）在高通量模式下，使用27个透镜且束斑尺寸为30 mm × 30 mm时，探测器上采集的二维散射图样。直接光束在探测器上聚焦后的尺寸（分辨率）与针孔模式相同。请点击此处查看该图的放大版本。

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图14：缓冲溶液及β-淀粉样蛋白单体（Aβ 1-42，分子量 MW = 4.5 kDa）在氘代六氟异丙醇（dHFIP）缓冲液中于5.6 mg/ml浓度下孵育三周后的散射图样。 实心圆点代表蛋白溶液的散射曲线，实心三角形代表缓冲溶液的散射曲线。蓝色圆点表示扣除缓冲液贡献后单体的散射截面（右侧纵坐标）。误差棒表示由中子计数得出的标准偏差。红色实线为拟合的Beaucage函数，其维度固定为d=214。请点击此处查看该图的放大版本。

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图15：在D2O中含50 mg/mL溶菌酶的50 mM醋酸盐缓冲液以及缓冲液溶液在不同压力下（从常压至5,000 bar）测得的散射图样。符号代表蛋白质溶液的数据，线条代表缓冲液的数据。数据在两个检测距离下采集：LD = 4 m（空心符号）和LD = 1 m（实心符号）。插图显示了蛋白质溶液、缓冲液以及蛋白质本身（扣除缓冲液贡献后）的前向散射强度I(Q→0)随压力的变化关系。请点击此处查看该图的放大版本。

参数 / 功能辅助设备使用范围精度技术细节
定位样品台最大负载 600 kg
X0 - 360 mm0.05 mm
Y0 - 330 mm0.05 mm
Z（光束轴）手动，600 mm
θr（旋转）0° - 360°0.002°
θt（样品架）± 30°0.002°
常温三级多位铝支架（Cd屏蔽）3×9=27 个宽石英池
3×12=36 个窄石英池
三个位置3 个大石英池（直径 Φ = 5 cm）
铝支架（B4C 屏蔽）
温度恒温器（油浴）+从 -25 °C 到 200 °C± 0.5 °C4 个位置
小型铜块在空气或真空腔中（使用密封比色皿）
恒温器（水浴）+ 双级多位从 5 °C 到 85 °C± 0.2 °C2×9=18 个宽石英池；2×12=24 个窄石英池
铝块 
恒温器 + 高精度烘箱从 10 °C 到 120 °C< 0.1 °C1 个位置，宽石英池
帕尔贴温控比色皿架从 -20 °C 到 140 °C± 0.2 °C8 个位置（各种类型的石英或黄铜三明治式池）；5 °C 以下可控气氛
(B4C 屏蔽)
压力SANS 高压池 + 恒温器（水浴）最高 5,000 bar温度范围为 5 °C 到 85 °C
低温带蓝宝石窗口的低温恒温器低至 50 K
流变测量流变仪；稳态和振荡模式
湿度湿度池5% 至 95%温度范围为 15 °C 到 60 °C
原位 FT-IR20FT-IR 光谱仪带 ZnSe 窗口的样品池

表1：KWS-2 小角中子散射衍射仪可使用的辅助设备列表，包括各设备的使用范围、精度及详细信息。

测量模式实验设置分辨率光束/样品尺寸最大强度 [n/s]Q-范围 [Å-1]
Δλ/λ
传统针孔λ = 7 Å 20%10 x 10 mm21.3 x 1080.002 .. 0.3
LC = 2 m - 20 m
LD = 1 m - 20 m
λ = 4.5 Å, LC = 2 m, LD = 1 m20%10 x 10 mm22 x 1080.01 .. 0.5
λ = 10 Å, LC = 20 m, LD = 20 m20%10 x 10 mm27.5 x 1050.001 .. 0.02
λ = 20 Å, LC = 20 m, LD = 20 m20%10 x 10 mm24 x 1047x10-4 .. 1.5x10-2
聚焦高通量λ = 7 Å, LC = 20 m, LD = 17 m20%Φ = 50 mm3 x 107≈ 0.002  .. 0.03
聚焦
高分辨
（扩展Q-范围） 		λ = 7 Å, LC = 20 m, LD = 17 m,
AC = 4 x 4 mm2		20%10 x 10 mm21.6 x 104≈ 2x10-4 .. 0.02
可调分辨率λ = 4.5 Å, 5%10 x 10 mm2ca. 7% 来自传统模式0.002 .. 0.5
LC = 20 m,
LD = 1 m .. 20 m

表2：KWS-2小角中子散射衍射仪上可用的实验配置。

补充图1： 在不同准直长度 LC 和反应堆冷中子源最佳填充条件下，KWS-2 样品位置处中子通量绝对值随波长 λ 的变化关系。请点击此处下载该图。

补充图2：带有可变狭缝开口的双圆盘斩波器示意图。狭缝开口 Δφ 可在 0° 至 90° 之间调节，因此根据斩波器频率 fchopper，可改变导管的开启时间 τw（右侧垂直排列图片中的红色矩形）。请点击此处下载该图。

补充图3： KWS-2测量控制与可视化软件的主用户界面。左侧功能（A）供实验人员使用，右侧功能和指示器（B）由仪器负责人使用。右侧菜单中显示的服务器或进程若以绿色标记，表示其正在运行且工作正常；黄色标记的组件未激活；任何故障将以红色标示。请点击此处下载该图。

补充图4：kws2-配置菜单和样本配置功能的界面。用户必须首先填写UserData字段中的信息，然后进行样本配置。必须填写的字段和必须执行的操作均以红色标记。请点击此处下载该图。

补充图5：kws2定义菜单和选择样本功能的界面视图。用户需执行的操作详见步骤4.3。请点击此处下载该图。

补充图6：kws2 定义菜单和测量定义功能的界面视图。用户需执行的操作详见步骤 4.3。请点击此处下载该图。

补充图7：通过组合定义的样品和定义的实验条件生成的测量程序。用户必须执行的操作在步骤4.3中进行了描述。请点击此处下载该图。

补充图8： kws2-测量控制菜单和当前值选项。固定参数（位置、名称、波长， 等等。）以及变量（时间、强度、计数率， 等等。显示表征运行测量的参数。用户必须采取的操作在步骤 4.4 中描述。 请点击此处下载该图片。

补充图9：KWSlive_MainWindow 菜单中的 Live-Display 选项及不同的数据可视化选项。当前选中的是表面可视化模式。当选择径向平均模式时（右侧图像），可在“选项”菜单下找到参数设置 请点击此处下载该图。

补充图10： 数据还原软件qtiKWS的主界面，包含仪器选择以及实验数据和已处理数据存储位置的选项。请点击此处下载该图。

补充图11：用于定义待处理数据集日志记录（信息表）的函数。用户需执行的操作详见步骤5.3。请点击此处下载该图。

补充图12：用于定义将要处理数据的探测器掩膜的函数。用户需执行的操作详见步骤5.4。请点击此处下载该图。

补充图13：用于定义探测器灵敏度图的函数。用户需执行的操作详见步骤5.5。请点击此处下载该图。

补充图14： 用于生成数据校正、校准和径向平均脚本表的函数。用户需执行的操作详见步骤5.6。 请点击此处下载该图。

补充图15：用于绘制处理后数据的函数。用户必须执行的操作在步骤5.6.5中进行了描述。 请点击此处下载该图。

补充图16： 可调分辨率模式下测量数据的准备与分割功能。由斩波器发出的两个脉冲信号，最初在64个飞行时间通道中采集，随后合并为一个脉冲。若干通道被分组合并，以生成具有目标Δλ/λaimed 特征的时间通道，并可保存为独立文件。请点击此处下载该图。

补充图17：使用高分辨率探测器测量数据处理选项的数据约减软件qtiKWS主界面。请点击此处下载该图。

补充图18：用于定义高分辨率探测器掩模的函数，数据将根据这些掩模进行处理。用户需要执行的操作详见步骤5.8。请点击此处下载该图。

补充图19：在KWS-2上用于常温或变温条件下软物质和生物样品研究时，通常使用的所有类型样品池的概览。(A) 可用于高强度模式并配备透镜和大尺寸光束的大石英池视图。该样品池架配有含硼塑料屏蔽罩（1），可在一次实验中规划并完成三项测量。(B) 用作样品容器的石英或黄铜样品池，以及配备8位卡匣的温控样品池架（帕尔贴型），每种类型的样品池均有对应的卡匣。样品池架的两个侧面均装有含硼塑料屏蔽罩（1）。(C) KWS-2上正在使用的压力池视图。该样品池可在测量程序控制下，以自动模式为样品提供从常压至5,000 bar之间的压力。中间带有小孔径的圆形镉屏蔽罩（1）用于确定照射在样品上的光束尺寸。请点击此处下载该图。

讨论

软物质与生物物理系统通常具有跨越从纳米到微米宽广尺度的结构关联性，以及相互关联的多级微结构与形态特征。为了理解此类系统形态形成与演化的机制，及其微观特征与宏观性质之间的关系，有必要在完整的长度尺度范围内，并在相应的环境条件下，对其微结构进行深入研究例如， 温度、压力、pH、湿度 等等。）。通常，此类研究涉及中子小角散射（SANS）或同步辐射X射线小角散射（SAXS）技术。尽管中子的强度低于同步辐射X射线，但通过使用相对较大的样品量可弥补这一不足 Δλ/λ，但这会导致仪器分辨率下降。然而，由于中子散射对比度可调，特别是氢同位素之间的对比度差异，小角中子散射（SANS）具有独特优势。因此，SANS是一种专门用于研究软物质和生物物理系统的实验方法，可提供独特的结构与形貌信息。全球大多数SANS衍射仪21 基于小孔成像原理图2A），从而实现目标低水平Q 分辨率。实际上，所有高通量小角中子散射（SANS）衍射仪的最大通量均处于约 1 x 108 n cm-2 秒-1基于较宽松的波长分辨率，KWS-2 的通量几乎增加了一倍2, 4最近，一些高度专业化的SANS衍射仪已投入运行，其设计具有针对特定应用范围（如极小散射矢量下的研究）优化的特性22, 23. 随着稳态反应堆上近期刚投入运行的专用飞行时间小角中子散射衍射仪24 或散裂源 25, 26，显著增强的动态范围 Q 在特定的实验设置中，该方法提供了更宽广的测量范围，并在实验分辨率的选择上具有更高的灵活性和优化空间。对于KWS-2小角中子散射（SANS）衍射仪而言，尽管其整体架构属于传统的SANS仪器，但通过上述方案所支持的实验参数优化组合，使其具备了开展软物质与生物物理学领域中高度特异性结构研究所需的卓越多功能性与性能。复杂研究的设计与实施得以实现优化、灵活且高效的推进，这得益于实验参数的优化组合。 例如， 强度、长度尺度、空间分辨率和时间分辨率）以及复杂的样品环境。利用引言中列举的多种工作模式，并结合所呈现的结果支持 图8-15KWS-2 以一种简便且实用的方式，在稳态中子源（反应堆）上超越了传统仪器的常规限制，提升了经典小角中子散射衍射仪的性能。

本方案介绍了普通用户在仅涉及常温热力学条件（温度、压力、相对湿度）和静态条件下（无结构形成或转变的动力学过程、无剪切或流动）进行简单实验程序时所需执行的步骤。多种温控样品台或特殊样品环境（表1 和 补充图19），例如压力池、流变仪或湿度控制池，均可供使用，并可在仪器团队的专门协助下进行最佳安装和调节。本方案不提供此类设备的设置与控制说明。外部控制器的定义与激活需采用另一套更为复杂的方案。本方案以使用窄矩形石英样品池的情况为例（图3）。然而，用户还可选择多种不同的样品池几何形状和类型（补充图19），以提高实验的灵活性与效率。若使用其他类型的样品池，可参照本方案，并根据第4.2.2步中讨论的参数进行相应调整。测量控制软件的设计旨在为用户实现科研目标提供更高的灵活性，并优化仪器的技术操作。所有特殊功能和组件的调整与配置均由仪器团队完成。科研用户在仪器配置、定义和使用中的参与被简化，并明确限制在与实验环节相关的科学问题方面。配置文件已预先设定，以涵盖所有特殊实验需求，例如特殊样品台在光束中的定位、样品在光束中的位置（样品台、旋转台或样品架上的坐标 x、y、Φ 和 ω，见 补充图5）、针对不同波长调节探测器和光束挡板位置、调节斩波器参数（频率和开窗时间）、探测距离与目标分辨率等。等等。此外，本方案未描述如何在KWS-2上使用实时模式。若要开展时间分辨SANS实验，还需使用更复杂的方案。

此外，本方案还介绍了如何对测量数据进行校正，以消除仪器和参比样品产生的不同散射贡献，并进行校准，从而获得样品的微分散射截面 dΣ/dΩ，单位为 cm-1。该参数包含了样品的全部结构和形貌信息，并在较宽的 Q 范围内进行测量，对应于广泛的长度尺度，在此尺度范围内可观察到被研究体系特有的结构关联和相互关联的尺寸层级。因此，散射截面 dΣ/dΩ 将静态散射实验中在角度 Θ 处测得的强度 Is=f(Θ) 与样品的结构特性关联起来。

用于评估 dΣ/dΩ 对于一个待研究的系统，除了对该系统本身的测量外，还需要进行额外的测量，以校正数据中可能存在的外部散射干扰即， 环境、样品池、溶剂或溶液体系中的缓冲液 等等。并以绝对单位校准校正后的数据8外部背景（样品池或容器）、参考样品（溶剂或缓冲溶液）、样品透射率（用于正确扣除背景并以绝对单位校准校正后的结果）、探测器的电子学背景、探测器灵敏度（面探测器固有的探测效率不均匀性）以及归一化标准样品也需进行测量。对于KWS-2仪器，标准样品采用聚甲基丙烯酸甲酯（Plexiglas，PMMA），称为次级标准，其定期以钒作为初级标准样品进行校准。钒产生的散射强度极弱，为获得足够的统计精度需要极长的测量时间，因此不适用于小角中子散射（SANS）的常规测量。从目标样品收集到的强度 IS 以及标准样品 ISt 可以表示如下：

figure-discussion-1 [1]

figure-discussion-2 [2]

其中 I0 表示入射光强度（由准直系统提供）， t 是厚度， A 是暴露于光束下的区域， T 是传播，以及 Δψ 是从样品位置观察检测单元所对应的立体角。如果样品和标准样品相对于入射光束在相同条件下进行测量（即， LC，AC 和 AS，以及 λ 和 Δλ/λ), I0 和 A 相同，立体角表示为 AD/LD （与 AD （代表检测单元的面积）。通过将上述两个关系式相除，可得到样品的散射截面：

figure-discussion-3 [3]

其中，ISt 表示为平均值（标准样品作为非相干散射体系，产生平坦的散射图谱）。IS 是通过将样品在样品池（容器）中测得的强度扣除空池贡献 IECell 以及闭束条件下探测器的背景 IB 后获得的。因子 tStTSt(dΣ/dΩ)St 包含标准样品的散射和物理参数，依赖于中子波长 λ，通常由标准样品的标定确定，因此在数据还原软件中已制表给出4。公式 3 中通过标定程序和实验装置定义已知的参数和量（tS、LD）构成了所谓的标定因子 k。公式 3 中出现的强度和样品透射率 TS 必须通过实验测量。数据分析程序 qtiKWS 能够以灵活多样的工作模式对实验数据进行校正、标定和径向平均，从而获得被研究样品的 dΣ/dΩ。使用 qtiKWS 软件生成的最终结果以四列数据表形式呈现：Q、I、ΔI、Δσ，其中 I 代表 dΣ/dΩ， Δσ 为 Q 的分辨率5。

从实际角度来看，使用KWS-2可同时开展小角中子散射（SANS）和超小角中子散射（USANS）研究，其优势在于样品几何形状和热力学条件保持恒定。如图12所示，可直接研究具有从纳米到微米尺度跨越多个结构层次的大型形貌。除了在传统针孔模式下测得的散射曲线中观察到的小尺度结构极限RC外，通过启用透镜系统和高分辨率探测器，在扩展的Q范围工作模式下，可在极低Q值处观测到全质子化的聚（己烯氧化物-共-乙二醇氧化物）PHO10k-PEO10k二嵌段共聚物在D2O14中形成的圆柱核-壳胶束的大尺度结构极限LC。根据核-壳圆柱形因子模型对实验结果的拟合分析9,14，该圆柱形胶束的总厚度约为300 Å，长度约为7,000 Å。因此，与需要使用两种或多种不同仪器和样品几何构型的传统方法不同，利用KWS-2可明确地研究某些敏感效应，例如热响应性凝胶、晶体或部分结晶形貌的形成与生长过程。

如图11所示，相关体系和有序结构可以在非常灵活的情况下以适配的分辨率进行研究，而无需花费时间和精力安装复杂的单色化系统，后者会涉及额外的操作注意事项和安全问题。此外，通过使用斩波器和飞行时间（TOF）数据采集模式，即使在较高强度下，仍可对单分散软物质体系或尺寸多分散性较低的复合物进行非常精确的表征5。

由于使用高度稀释体系或不利的对比度条件导致散射信号较弱，由此产生的测量困难可通过增大样品处的光束尺寸以获得更高强度来克服，同时保持分辨率不变。图13A展示了在高强度模式下使用透镜测得的聚苯乙烯颗粒（半径 R = 150 Å）的散射图样，所用光束为方形，尺寸范围从10 mm × 10 mm（传统针孔模式下的典型尺寸）到30 mm × 30 mm。此外，还展示了使用直径为50 mm圆形光束（透镜全尺寸）测量的结果。作为对照，同时给出了传统针孔模式下归一化的测量结果。使用26个透镜、波长λ = 7 Å的中子束以及与传统针孔模式相同的入射光阑尺寸AC（参见图2B），在保持探测器端光束尺寸（分辨率）恒定的前提下，样品处的强度增益约为12倍，如图13B-C所示。27个透镜组成的系统在室温下的透射率约为32%。当系统冷却至50 K时，由于透镜材料中声子散射被抑制，透镜透射率随之提高。对于26个抛物面透镜组成的系统，当光束穿过透镜整个体积时，直径为50 mm圆形光束的透射率约为65%；而当光束仅通过极少透镜材料时（如10 mm × 10 mm方形光束），透射率可达约92%。在弱散射情况下，尤其是大探测距离下通常遇到的弱散射，以及在对比度条件较差时尤为显著的问题，使用透镜的高强度模式具有明显优势。此外，当样品仅在短时间内保持稳定时，该模式的使用也具有显著优势，这一点已在其他研究中得到证实15。

另一方面，在生物系统的研究中，实验通常只能获得少量样品。在生理条件下，尺寸仅为数纳米的生物小分子所产生的散射信号微弱，且被缓冲溶液强烈的散射背景所掩盖。利用KWS-2仪器可在针孔模式下的低分辨率配置中，通过较短的准直长度（LC = 2 m 或 4 m）和较短的探测距离（LD = 1 m、2 m 或 4 m），实现对这类微弱信号的测量。图14展示了经扣除缓冲液散射信号校正后，在氘代六氟异丙醇（dHFIP）中的β-淀粉样蛋白（Aβ 1-42，MW = 4.5 kDa）单体的散射图样。对数据进行模型拟合后得到单体尺寸约为16 ± 1 Å16。尽管测量在较短的探测距离下进行，但每种实验条件（探测距离LD和样品类型）仍需数小时的长时间测量。由于旧探测器在计数率方面存在局限性，无法使用更短的准直距离LC，从而限制了仪器最大中子通量的利用。随着新型探测系统的投入使用，未来将能够充分利用全部中子通量，从而在更短时间内完成此类弱信号的测量，并显著提升数据的统计质量。

最后，通过使用KWS-2的特殊辅助设备，可灵活且便捷地研究刺激响应性效应。一个示例如下所述 图15，显示了溶菌酶蛋白在D中的SANS图谱2O缓冲液以及在不同压力下收集的缓冲液。特别关注了用于新研制压力池性能测试的溶菌酶分子的背景散射和前向散射，该压力池由本实验室根据瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的设计制造。实验结果与Kohlbrecher所得结果相似 等 在一项类似的研究中，测试了在那里构建的原始压力室模型17, 18使用KWS-2，已在达到5,000 bar压力后获得了更多数据。蛋白质前向散射强度的变化呈现线性行为，这与瑞士保罗谢勒研究所（PSI）的研究中观察到的结果一致。18.

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们感谢德国于利希研究中心有限公司（Forschungszentrum Jülich GmbH）的 Dietmar Schwahn 博士在 2010 至 2015 年间对 KWS-2 仪器升级工作所提供的支持以及富有启发性的讨论。在 KWS-2 新工作模式所涉及的部件、设备和控制软件的设计、安装与调试过程中，德国于利希研究中心有限公司的工程、电子与分析中心研究所（ZEA）、JCNS-1（中子散射研究所）和 JCNS-2（散射方法研究所）提供了持续帮助，我们对此深表感谢。我们感谢路易斯安那州立大学（Louisiana State University）的 Matthew Binns 和 Christopher J. Van Leeuwen 对本稿件进行的专业编辑。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
重水 D2OSigma-Aldrich151882
重水 D2O/H2OSigma-Aldrich15188290% D2O 和 10% H2O
3000 系列纳米球尺寸标准品（聚苯乙烯）Thermo Scientific3030A90% D2O 和 10% H2O
3000 系列纳米球尺寸标准品（聚苯乙烯）Thermo Scientific3070A90% D2O 和 10% H2O
3000 系列纳米球尺寸标准品（聚苯乙烯）Thermo Scientific3100A90% D2O 和 10% H2O
3000 系列纳米球尺寸标准品（聚苯乙烯）Thermo Scientific3200A90% D2O 和 10% H2O
3000 系列纳米球尺寸标准品（聚苯乙烯）Thermo Scientific3800A90% D2O 和 10% H2O
二嵌段共聚物 C28H57-PEO5k实验室自制溶于 D2O
石英比色皿 110-QXHellma analytics110-1-46
铝制比色皿架实验室自制用于室温条件下的测量
螺丝刀
内六角扳手

参考文献

  1. Gläser, W., Petry, W. The new neutron source FRM II. Physica. B. 276-278, 30-32 (2000).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Frielinghaus, H., et al. Aspherical refractive lenses for small-angle neutron scattering. J. Appl. Cryst. 42, 681-690 (2009).
  7. Radulescu, A., Fetters, L. J., Richter, D. Structural characterization of semicrystalline polymer morphologies by imaging-SANS. J.Phys.: Conf.Ser. 340, 012089(2012).
  8. Neutron, X-rays and Light Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. Zemb, T., Lindner, P. , Elsevier Science. (2002).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Hammouda, B., Mildner, D. F. R. Small-angle neutron scattering resolution with refractive optics. J. Appl. Cryst. 40, 250-259 (2007).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Ströbl, M. Diploma Thesis. , Univ. Regensburg. Germany. (2008).
  15. 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).
  16. Zhang-Haagen, B., et al. Monomeric Amyloid Beta Peptide in Hexafluoroisopropanol Detected by Small Angle Neutron Scattering. PLOS One. 11, e0150267(2016).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Kaneko, F., et al. Development of a Simultaneous SANS/FTIR Measuring System. Chem. Lett. 44, 497-499 (2015).
  21. SAS Portal. , Available from: www.smallangle.org (2016).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Dewhurst, C. W. D33 - a third small-angle neutron scattering instrument at the Institute Laue Langevin. Meas. Sci. Technol. 19, 034007(2008).
  25. 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).
  26. 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).

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KWS 2 Q

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