高分辨率中子谱学研究蛋白质及水合水的皮秒至纳秒动力学

中子背散射可测量蛋白质和水合水的全局扩散与内部动力学，且不会造成辐射损伤。中子谱学能够同时在分子层面上获取空间和时间相关性。在软物质和生物材料中，尤其有意义的是从这些长程无序体系中获得有关局部有序的间接信息。

因此，中子背散射可用于研究生物学、化学或材料科学中的动力学过程。另一个重要应用领域是能源，例如对电池和燃料电池的研究。中子背散射已成功用于研究与阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病相关的蛋白质的分子动力学。

所获得的结果有助于我们更深入地理解这些病理的分子特征，并可能为开发更佳的诊断方法铺平道路。准备样品台时，首先用水彻底清洗平底铝制样品台及其铟丝密封圈和螺丝，随后用乙醇清洗，然后使其自然晾干。使用精密天平分别称量样品台的各个部件，包括底部、盖子和铟丝。

将一毫米粗的铟丝密封圈放入样品座底部的凹槽中，两端连接处留出少量重叠。加入约100毫克冻干蛋白，使其填满样品座底部的内表面。接着，将样品座放入干燥器中，并在干燥器内放置一个含有五氧化二磷粉末的培养皿，静置24小时，以彻底干燥蛋白粉末。

称量含有铟密封圈和干燥粉末的样品 holder 底部干燥部分，以获得干燥样品的质量。将五氧化二磷从干燥器中取出，放入一个装有重水的培养皿以及样品，以使粉末水合。重复干燥和水合过程三次，以实现完全的氢-氘交换。

定期测量粉末质量以监测水合程度，当水合程度略高于目标值时，等待质量缓慢下降。达到目标水合程度后，迅速将盖子盖到底部部件上，并先用四颗螺钉固定样品室，以阻止蒸汽交换。随后安装并拧紧其余所有螺钉，直至底部部件与盖子之间无可见缝隙。

称量密封的样品架，以检查中子实验后是否因泄漏导致潜在的水分流失。制备液态样品时，将蛋白质溶解于氘代缓冲液中。使用水确定应加入样品架中的液体适当体积。

在处理任何材料之前，确保电离辐射剂量低于每小时100微西弗。然后，彻底干燥样品杆，并清除任何先前的样品。将样品放置在样品杆上，检查其相对于光束中心是否居中，随后将样品杆插入低温炉中。

在 Nomad 中获取数据时，进入执行选项卡，将炉式低温控制器拖放到启动台中。将温度设置为 200 开尔文。使用快速模式并设置 30 分钟的超时时间，以确保温度有足够时间稳定。

单击刷新图标，以在温度下降期间于后台运行温度斜坡，进行数据采集。将 IN16 多普勒设置控制器拖放到启动面板中。将速度模式设为精确速度，控制方式设为最大能量差（max delta E），能量偏移设为 0.00 微电子伏特（micro electronvolt），通道数设为 128，以获得弹性固定窗口扫描配置。

将计数控制器拖放到启动面板中，在副标题字段中填写一个便于识别数据的名称，并设置每次扫描30秒，重复60次。接下来，将IN16多普勒设置控制器拖放到启动面板中。将速度分布设为符号（sign），设置依据设为速度，值为4.5米每秒，通道数设为2048，以获得准弹性中子散射配置。

拖放一个计数控制器，并在副标题字段中填写一个便于识别数据的名称。设置扫描时间为30分钟，重复四次。对于温度 ramp，拖放一个炉式低温控制器，将温度设置为310开尔文，并设置 ramp 至目标点，每6秒温度变化0.05开尔文。

使用 200 分钟的超时时间。使用 65 次重复的 for 循环。在循环内插入一个 IN16 多普勒设置控制器，接着插入计数控制器，并设置单次扫描时间为 30 秒。

随后，插入IN16多普勒设置，参数设置同前，但使用1.5微电子伏的能量偏移和1024个通道。然后插入计数控制器，并设置单次扫描时间为三分钟。为获取312开尔文下的最后一次准弹性中子散射数据，拖放此前已配置好的IN16多普勒设置和计数控制器。

然后，按下开始按钮以运行脚本。溶酶体的弹性与非弹性固定窗口扫描显示，在低动量转移和低能量转移处信号增强，而在高能量转移和低动量转移处信号减弱。初始质心扩散系数为15 埃²/纳秒，随后随时间呈指数下降。

当温度高于220开尔文时，tau纤维周围的水合水分子比tau单体周围的水合水分子具有显著更高的流动性。在纤维周围，发生平移运动的水分子比例以及水分子的平移和旋转扩散系数均有所增加。由于中子反向散射受到中子通量或样品池缓冲液背景的限制，蛋白质浓度应为2000毫克/毫升，或对于质子化蛋白质至少为20毫克/毫升。

中子背散射技术最近已被应用于研究水（蛋白质的天然环境）如何被合成聚合物完全取代，以用于生物技术应用，例如药物递送。