El estudio de la materia y Soft-Sistemas Biológicos en un amplio Longitud escala del nanómetro y el micrómetro Tamaños en el pequeño ángulo de neutrones difractómetro KWS-2

El objetivo general de este experimento es investigar el tamaño y la disposición de diversas morfologías poliméricas en solución acuosa a escalas de longitud entre decenas de angstroms y un micrómetro. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en los campos de materia blanda y biofísica, como fusiones y soluciones de polímeros, ensamblajes de copolímeros bloque anfifílicos, geles, coloides, desnaturalización de proteínas y sistemas de liberación de fármacos basados en liposomas. La principal ventaja de esta técnica es que la caracterización estructural y morfológica se lleva a cabo en un amplio rango de longitudes con resolución ajustable, utilizando un único instrumento de dispersión de neutrones.

Esta demostración tiene lugar en el difractómetro KWS-2 del Centro Julich para la Ciencia de Neutrones, centro Maier-Leibnitz. El difractómetro tiene tres modos de funcionamiento, incluido un modo de orificio convencional. Los neutrones pasan primero a través de un selector de velocidad, opcionalmente a través de un cortador de haz, y aberturas de colimador en la entrada y en la muestra, antes de ser dispersados por la muestra.

Un detector sensible a la posición registra las partículas dispersadas. Un obstáculo para el haz evita que el haz directo sature el detector y define el ángulo mínimo de dispersión que puede alcanzarse para una configuración determinada del instrumento. El segundo modo es un modo de enfoque de alta intensidad.

En este, hay lentes antes de la muestra y una abertura de muestra colimadora más grande. Esto permite la medición de muestras más grandes con la misma resolución que en el modo de orificio de alfiler. El tercer modo puede alcanzar un vector de transferencia de onda mínima más bajo que el modo de orificio de alfiler.

Esto se realiza con una abertura de entrada del colimador más pequeña y lentes. También utiliza un detector sensible a la posición de alta resolución más pequeño y un obstáculo de haz más pequeño. Coloque la torre del detector pequeño de alta resolución al final de la unidad.

Comience en la etapa de muestra del difractómetro para colocar las muestras preparadas. Aquí, las muestras están colocadas en la etapa de muestra y en la línea del haz. Las muestras incluyen partículas de poliestireno en agua y agua pesada, un copolímero dibloque en agua pesada, y muestras de referencia.

Con las muestras en posición, abandone el área de muestra y cierre la puerta de plomo para continuar. En la sala de control, diríjase al ordenador de control para iniciar el software de medición. Esta es la pantalla principal del software de control.

En los siguientes pasos, el enfoque estará en las funciones situadas a la izquierda de la pantalla. Primero, seleccione la función Configuración para acceder a la ventana de Configuración. A continuación, seleccione la opción de menú Datos del usuario.

Esto conduce a campos de identificación y comentarios que deben completarse. Una vez finalizado, salga haciendo clic en Guardar. A continuación, seleccione la función Muestra.

En la ventana que se abre, habrá una lista de muestras y posiciones a lo largo del lado izquierdo. Seleccione una de estas y comience a ingresar la información solicitada. La información ingresada incluye el título de la muestra, la ventana de haz de la muestra, datos sobre el espesor de la muestra y un comentario.

Diríjase a Cerrar y haga clic en ello para guardar la información. Ingrese la información de cada muestra en el experimento. Cuando haya terminado con todas las muestras, salga de la ventana de Muestra haciendo clic en Cerrar.

De regreso en la ventana de Configuración, guarde todas las configuraciones utilizando las opciones del menú Archivo. Luego, cierre la ventana de Configuración. En la pantalla principal, seleccione la función Definición.

La ventana Definición se utiliza para definir la configuración experimental y el programa de medición. Seleccione la función Muestra, que abre la ventana Seleccionar muestras. En la columna de muestras conocidas de la ventana Seleccionar muestras, elija las 12 muestras que deben medirse.

Utilice la flecha azul para mover estos al campo de muestras seleccionadas. Para reordenar una entrada en las muestras seleccionadas, selecciónela y utilice las flechas azules verticales. Si es necesario, cambie los campos de información para las muestras.

Salga de la ventana haciendo clic en Guardar/Cerrar. Ahora, seleccione la función Detector en la ventana de Definición. Esto abre la ventana de Definición de Mediciones.

Diríjase al campo Selector y elija los valores adecuados para la longitud de onda. Vaya al área de Medición y seleccione Estándar para elegir una medición estática. Acceda al área de Condiciones finales para seleccionar la unidad de tiempo adecuada para el tiempo de medición.

Continúe yendo al área de Selección de Distancias del Detector y Colimador. Aquí, se completan los campos para el tiempo de medición del experimento, la configuración de la lente y el polarizador, y la distancia de colimación. Con esta configuración completamente definida, haga clic en el botón Nuevo.

Esto fijará la configuración y la almacenará en la tabla inferior. Después de definir todo el conjunto de configuraciones, haga clic en Guardar/Cerrar. El programa generará una lista de mediciones.

Estos se pueden ordenar utilizando las condiciones de ordenación en la parte inferior del menú. Elimine mediciones o ajuste su tiempo de medición según sea necesario. Salga de esta pantalla haciendo clic en Guardar/Cerrar.

A continuación, en la ventana Definición, haga clic en Cerrar para regresar a la pantalla principal. Continúe seleccionando la función Control. En la nueva pantalla, inicie sesión para bloquear la sesión y generar el script de control.

Seleccione Definición de bucle para verificar el programa de medición cargado. Elija la pestaña Valores actuales para ver la visualización de los parámetros del instrumento durante las mediciones. Cuando esté listo, presione el botón Iniciar y responda las preguntas relacionadas con la seguridad para comenzar las mediciones.

En la parte superior de la pantalla hay información sobre la posición del colimador, la posición del detector y los dispositivos activos. La parte central de la pantalla contiene información sobre la muestra actual y el estado del obturador del haz y de las lentes. En la parte inferior de la pantalla se muestra información relacionada con el tiempo de las mediciones, informes sobre la intensidad del detector y del monitor, trenzas de conteo de eventos, y detalles sobre el selector de velocidad y los parámetros del chopper.

Tras completar las mediciones, abra el software de procesamiento de datos. Desde la pantalla de inicio, seleccione la opción Comenzar Nueva Sesión en el lado derecho de la ventana. Luego, haga clic en la pestaña de procesamiento de datos.

En la parte superior de la región derecha, hay un control deslizante horizontal. Úselo para definir el número de condiciones utilizadas en el experimento. A continuación, identifique los símbolos amarillos de lápiz que indican las filas que requieren entrada.

Se deben proporcionar números de ejecución para la celda vacía, EC, el haz bloqueado, BC, y las muestras de calibración. Los campos centrales son para los números de ejecución de mediciones con dispersión hacia adelante intensa. Los campos EB son para los números de ejecución de haces vacíos.

Marque las casillas a continuación para calcular la transmisión de las muestras. Ingrese los valores apropiados para estos campos en cada experimento. Una vez completada la tabla, identifique todas las filas que tengan botones con flechas verdes y haga clic en cada una de ellas.

Esto carga la información necesaria para el procesamiento de datos. A continuación, asigne un nombre a cada una de las columnas amarillas haciendo clic en la cabecera de la columna y proporcionando una etiqueta. Una vez finalizado el nombrado de las columnas, pase al nuevo botón y haga clic en él.

Esto genera la lista de archivos que se procesarán. Asigne un nombre a la lista antes de continuar. Luego, haga clic en el botón Agregar para cargar los archivos de datos.

Diríjase al botón Transmisión y haga clic en él para encontrar la transmisión de cada muestra. Los resultados aparecerán en una tabla generada. Elija Proyecto para guardar los resultados en el proyecto actual.

A continuación, haga clic en el botón I(x, y) para realizar la corrección y calibración de los datos 2D. A continuación, haga clic en el botón I(q) para la corrección, calibración y promediado radial de los datos. Los datos resultantes de estas acciones son accesibles a través de las carpetas en la ventana situada en la parte inferior de la pantalla.

Este es el patrón de dispersión para partículas de poliestireno con un radio de 500 angstroms, utilizando una distancia del detector de ocho metros y una longitud de onda de cinco angstroms. Este patrón corresponde a partículas de poliestireno con un radio de 1000 angstroms, el detector a 20 metros y una longitud de onda de 20 angstroms. Este patrón final es para partículas con un radio de 4000 angstroms, una distancia del detector de 17 metros con lentes en el detector secundario de alta resolución, y una longitud de onda de siete angstroms.

En todos los casos, el patrón de dispersión se distribuye isotrópicamente alrededor del obstáculo central, que bloquea el haz transmitido. Aquí se muestra la sección eficaz corregida y calibrada para partículas de poliestireno en agua pesada con un radio de 500 angstroms. El difractómetro puede cubrir un amplio rango de Q en modo de orificio convencional variando la posición de detección y utilizando una o más longitudes de onda.

Los datos mostraron las características del vector de forma de partículas esféricas. A valores altos de Q, el perfil está dominado por el disolvente y es plano. Estas secciones transversales para partículas de poliestireno de diferentes radios se corrigieron para tener en cuenta la contribución del disolvente.

En micelas con alto Q, la pendiente es menos cuatro, lo cual es típico para objetos esféricos. Las mediciones de micelas en agua pesada conducen a este patrón de dispersión bidimensional y promediado radialmente en modo de orificio de alfiler. El uso del modo de resolución ajustable con mayor resolución revela la estructura fina de los picos.

Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en 24 horas si se lleva a cabo correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante recordar planificar el experimento según los objetivos científicos. Tras seguir este procedimiento, se pueden realizar otros métodos como microscopía óptica y criomicroscopía electrónica de transmisión (cryo-TEM) para ayudar a determinar la morfología general y local del sistema en estudio, lo cual sirve como apoyo para interpretar los datos complejos de dispersión.

Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la materia blanda y la biofísica exploraran morfologías de polímeros y copolímeros en bloque, proteínas y partículas supramoleculares, geles y sistemas coloidales, en aplicaciones para la salud y la tecnología. No olvide que trabajar con neutrones puede ser extremadamente peligroso y que siempre se deben tomar precauciones, como medidas tradicionales de protección, durante la realización de este procedimiento.