Étude Soft-matière et les systèmes biologiques sur une échelle de longueur large de nanomètre et micromètre Tailles au Petit-angle Neutron Diffractomètre KWS-2

L'objectif général de cette expérience est d'étudier la taille et l'organisation de diverses morphologies polymériques en solution aqueuse à des échelles de longueur allant de quelques dizaines d'angstroms à un micron. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans les domaines de la matière molle et de la biophysique, telles que les mélanges et solutions de polymères, les assemblages de copolymères diblocs amphiphiles, les gels, les colloïdes, la dénaturation des protéines et les vecteurs médicamenteux liposomiques. Le principal avantage de cette technique réside dans le fait que la caractérisation structurale et morphologique est réalisée sur une large gamme d'échelles de longueur, avec une résolution ajustable, à l'aide d'un seul instrument de diffusion de neutrons.

Cette démonstration a lieu au diffractomètre KWS-2 du Centre Julich pour la Science des Neutrons, centre Maier-Leibnitz. Le diffractomètre dispose de trois modes de fonctionnement, dont un mode à trous d'épingle conventionnel. Les neutrons traversent d'abord un sélecteur de vitesse, éventuellement un coupe-faisceau, puis des ouvertures de collimateur à l'entrée et à l'échantillon, avant d'être diffusés par l'échantillon.

Un détecteur sensible à la position enregistre les particules diffusées. Un obturateur empêche le faisceau direct de saturer le détecteur et définit l'angle de diffusion minimal pouvant être atteint pour une configuration d'instrument donnée. Le second mode est un mode focalisant à haute intensité.

Dans ce mode, il y a des lentilles situées avant l'échantillon et une ouverture d'échantillon plus grande pour le collimateur. Cela permet de mesurer des échantillons plus volumineux avec la même résolution que le mode à trou d'épingle. Le troisième mode peut atteindre un vecteur d'onde de transfert minimal plus faible que le mode à trou d'épingle.

Cela est réalisé à l'aide d'une ouverture d'entrée de collimateur plus petite et de lentilles. Cela utilise également un détecteur sensible à la position de petite taille et à haute résolution, ainsi qu'un diaphragme de faisceau plus petit. Placez la tour du détecteur à haute résolution de petite taille à l'extrémité de l'appareil.

Commencez par le porte-échantillon du diffractomètre afin de positionner les échantillons préparés. Ici, les échantillons sont placés sur le porte-échantillon et alignés dans le trajet du faisceau. Les échantillons comprennent des particules de polystyrène dans l’eau et dans l’eau lourde, un copolymère dibloc dans l’eau lourde, ainsi que des échantillons de référence.

Avec les échantillons en place, quittez la zone d'échantillonnage et fermez la porte en plomb pour poursuivre. Dans la salle de contrôle, rendez-vous à l'ordinateur de commande pour démarrer le logiciel de mesure. Voici l'écran principal du logiciel de contrôle.

Dans les étapes suivantes, l'accent sera mis sur les fonctions situées à gauche de l'écran. Commencez par sélectionner la fonction Configuration pour accéder à la fenêtre de configuration. À partir de là, choisissez l'option de menu Données utilisateur.

Cela conduit à des champs d'identification et de commentaire qui doivent être remplis. Une fois terminé, quittez en cliquant sur Enregistrer. Ensuite, sélectionnez la fonction Échantillon.

Dans la fenêtre qui s'ouvre, une liste d'échantillons et de positions apparaîtra sur le côté gauche. Sélectionnez-en un et commencez à saisir les informations demandées. Les informations saisies comprennent le titre de l'échantillon, la fenêtre de faisceau de l'échantillon, les données sur l'épaisseur de l'échantillon, ainsi qu'un commentaire.

Accédez à Fermer et cliquez dessus pour enregistrer les informations. Saisissez les informations pour chaque échantillon de l'expérience. Une fois tous les échantillons saisis, quittez la fenêtre Échantillon en cliquant sur Fermer.

Dans la fenêtre de configuration, enregistrez toutes les configurations à l'aide des options du menu Fichier. Ensuite, fermez la fenêtre de configuration. Dans l'écran principal, sélectionnez la fonction Définition.

La fenêtre Définition sert à définir le dispositif expérimental et le programme de mesure. Sélectionnez la fonction Échantillon, qui ouvre la fenêtre Sélectionner les échantillons. Dans la colonne des échantillons connus de la fenêtre Sélectionner les échantillons, choisissez les 12 échantillons qui doivent être mesurés.

Utilisez la flèche bleue pour les déplacer vers le champ des échantillons sélectionnés. Pour réorganiser une entrée dans les échantillons sélectionnés, sélectionnez-la et utilisez les flèches bleues verticales. Si nécessaire, modifiez les champs d'information pour les échantillons.

Quittez la fenêtre en cliquant sur Enregistrer/Fermer. Choisissez maintenant la fonction Détecteur dans la fenêtre Définition. Ceci ouvre la fenêtre Définition des mesures.

Accédez au champ Sélecteur et choisissez les valeurs appropriées pour la longueur d'onde. Allez dans la zone Mesure et sélectionnez Standard pour choisir une mesure statique. Rendez-vous dans la zone Conditions de fin pour choisir l'unité de temps appropriée pour la durée de mesure.

Continuez en accédant à la section Sélectionner les distances du détecteur et du collimateur. Ici, les champs relatifs à la durée de la mesure expérimentale, aux réglages de l'objectif et du polariseur, ainsi qu'à la distance de collimation sont remplis. Une fois cette configuration entièrement définie, cliquez sur le bouton Nouveau.

Cela fixera la configuration et la stockera dans le tableau ci-dessous. Une fois que l'ensemble des configurations est défini, cliquez sur Enregistrer/Fermer. Le programme générera une liste de mesures.

On peut trier ces éléments à l'aide des conditions de tri situées en bas du menu. Supprimez les mesures ou ajustez leur instant de mesure selon les besoins. Quittez cet écran en cliquant sur Enregistrer/Fermer.

Ensuite, dans la fenêtre Définition, cliquez sur Fermer pour revenir à l'écran principal. Poursuivez en sélectionnant la fonction Contrôle. Sur le nouvel écran, connectez-vous pour verrouiller la session de génération du script de contrôle.

Sélectionnez Définition de la boucle pour vérifier le programme de mesure téléchargé. Choisissez l'onglet Valeurs actuelles pour visualiser les paramètres de l'instrument pendant les mesures. Lorsque vous êtes prêt, appuyez sur le bouton Démarrer et répondez aux questions relatives à la sécurité pour commencer les mesures.

En haut de l'écran, des informations concernent la position du collimateur, la position du détecteur et les dispositifs actifs. La partie centrale de l'écran présente des données sur l'échantillon en cours, ainsi que sur l'état du diaphragme du faisceau et des lentilles. En bas de l'écran figurent des informations relatives au chronométrage des mesures, aux rapports d'intensité du détecteur et du moniteur, aux tresses de comptage d'événements, ainsi qu'aux détails sur le sélecteur de vitesse et les paramètres du chopper.

Une fois les mesures terminées, ouvrez le logiciel de traitement des données. À partir de l'écran d'ouverture, sélectionnez l'option Démarrer une nouvelle session située du côté droit de la fenêtre. Ensuite, cliquez sur l'onglet traitement des données.

Dans la partie supérieure de la zone droite, un curseur horizontal est présent. Utilisez-le pour définir le nombre de conditions utilisées dans l'expérience. Ensuite, repérez les symboles jaunes en forme de crayon qui indiquent les lignes nécessitant une saisie.

Les numéros de série doivent être fournis pour la cellule vide, EC, le faisceau bloqué, BC, et les échantillons de calibration. Les champs centraux sont destinés aux numéros de série des mesures avec une diffusion avant intense. Les champs EB sont destinés aux numéros de série des faisceaux vides.

Cochez les cases ci-dessous pour calculer la transmission des échantillons. Saisissez les valeurs appropriées pour ces champs dans chaque expérience. Une fois le tableau rempli, identifiez toutes les lignes comportant des boutons avec des flèches vertes et cliquez sur chacune d’elles.

Cela charge les informations nécessaires au traitement des données. Ensuite, nommez chacune des colonnes jaunes en cliquant sur l'en-tête de la colonne et en fournissant une étiquette. Une fois le nommage des colonnes terminé, passez au nouveau bouton et cliquez dessus.

Cela génère la liste des fichiers à traiter. Nommez la liste avant de continuer. Ensuite, cliquez sur le bouton Ajouter pour charger les fichiers de données.

Accédez au bouton Transmission et cliquez dessus pour afficher la transmission de chaque échantillon. Les résultats apparaîtront dans un tableau généré. Choisissez Projet pour enregistrer les résultats dans le projet en cours.

Ensuite, cliquez sur le bouton I(x, y) pour effectuer la correction et l'étalonnage des données 2D. Procédez ensuite en cliquant sur le bouton I(q) pour la correction, l'étalonnage et la moyenne radiale des données. Les données issues de ces actions sont accessibles via les dossiers dans la fenêtre située en bas de l'écran.

Il s'agit du motif de diffusion pour des particules de polystyrène ayant un rayon de 500 angströms, en utilisant une distance de détecteur de huit mètres et une longueur d'onde de cinq angströms. Ce motif correspond à des particules de polystyrène avec un rayon de 1000 angströms, le détecteur placé à 20 mètres et une longueur d'onde de 20 angströms. Ce motif final concerne des particules ayant un rayon de 4000 angströms, une distance de détecteur de 17 mètres avec des lentilles dans le détecteur secondaire haute résolution, et une longueur d'onde de sept angströms.

Dans tous les cas, le motif de diffusion est distribué de manière isotrope autour du bloqueur de faisceau, qui arrête le faisceau transmis. Voici la section efficace corrigée et calibrée pour des particules de polystyrène dans l'eau lourde, avec un rayon de 500 angströms. Le diffractomètre peut couvrir une large gamme de Q en mode pinhole conventionnel en faisant varier la position de détection et en utilisant une ou plusieurs longueurs d'onde.

Les données ont montré les caractéristiques vectorielles de forme de particules sphériques. À haut Q, le profil est dominé par le solvant et est plat. Ces sections transversales pour des particules de polystyrène de rayons différents sont corrigées de la contribution du solvant.

À fort Q, la pente est de moins quatre, ce qui est typique pour des objets sphériques. Les mesures de micelles dans l'eau lourde conduisent à ce motif de diffusion bidimensionnel et moyenné radialement en mode sténopé. L'utilisation du mode à résolution ajustable avec une résolution plus élevée révèle la structure fine des pics.

Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en 24 heures si elle est correctement effectuée. Lors de la mise en œuvre de cette procédure, il est important de bien planifier l'expérience en fonction des objectifs scientifiques. Après cette procédure, d'autres méthodes telles que la microscopie optique et la cryo-MET peuvent être réalisées afin de déterminer la morphologie globale et locale du système étudié, ce qui facilite l'interprétation des données complexes de diffusion.

Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la matière molle et de la biophysique pour explorer les morphologies des polymères et des copolymères séquencés, des protéines et des particules supramoléculaires, ainsi que des gels et des systèmes colloïdaux, dans des applications liées à la santé et aux technologies. N'oubliez pas que travailler avec des neutrons peut être extrêmement dangereux et que des précautions, telles que les mesures classiques de protection, doivent toujours être prises lors de l'exécution de cette procédure.