לימוד-משנה רך מערכות ביולוגיות על פני אורך בקנה מידה רחבה מן ננומטר ו מיקרומטר גדלים בזווית-הקטנה ניוטרון diffractometer KWS-2

המטרה הכוללת של ניסוי זה היא לחקור את הגודל והסידור של מורפולוגיות פולימריות שונות בתמיסות מימיות בטווח אורכים שבין עשרות אנגסטרומים למיקרון אחד. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחומי החומר הרך והביופיזיקה, כגון תמיסות ונמסים של פולימרים, התסמכות של קו-פולימרים חסומיים אמפיפיליים, ג'לים, קולואידים, דנטורציה של חלבונים ונשאי תרופות מסוג ליפוזומים. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שהאפיון המבני והמורפולוגי מבוצע על פני טווח רחב של אורכים עם רזולוציה ניתנת להתאמה במכשיר בודד לפיזור נייטרונים.

הדגמה זו נערכת במערכת הדיפרקטומטר KWS-2 של מרכז יוליך למדעי נייטרונים, מרכז מאייר-לייבניץ. לדיפרקטומטר שלושה מצבי עבודה, הכוללים מצב חור סיכה (pinhole) קונבנציונלי. לפני הפיזור על ידי הדגימה, הנייטרונים עוברים תחילה דרך בורר מהירות, ובמידת הצורך דרך קוצץ גרנימה (beam chopper), ומבעד למפתחי קולמטור בכניסה ובמיקום הדגימה.

גלאי רגיש למיקום רושם את החלקיקים המפוזרים. מעצור קרן (beam-stop) מונע מהקרן הישירה להוכיח רוויה של הגלאי ומגדיר את זווית הפיזור המינימלית שניתן להגיע אליה עבור תצורת מכשיר נתונה. המצב השני הוא מצב מיקוד בעוצמה גבוהה.

במצב זה, קיימות עדשות לפני הדגימה ופתח דגימה גדול יותר של הקולמטור. אלה מאפשרים מדידה של דגימות גדולות יותר באותה רזולוציה כמו במצב הפינחול (pinhole). המצב השלישי יכול להשיג וקטור העברה מינימלי נמוך יותר מאשר במצב הפינחול.

תהליך זה מבוצע באמצעות עדשות ופתח כניסה קטן יותר של הקולמטור. נעשה בו שימוש גם בגלאי רגיש למיקום בעל רזולוציה גבוהה ובגודל קטן יותר, ובמחסום קרן (beam-stop) קטן יותר. מקמו את מגדל הגלאי הקטן בעל הרזולוציה הגבוהה בקצה היחידה.

התחל בבמה של מד הדיפרקציה (diffractometer) כדי למקם את הדגימות שהוכנו. כאן, הדגימות נמצאות במקומן על במת הדגימה ובקו הקרינה. הדגימות כוללות חלקיקי פוליסטירן במים ובמים כבדים, קו-פולימר דו-בלוק במים כבדים, ודגימות ייחוס.

כאשר הדגימות נמצאות במקומן, עזוב את אזור הדגימה וסגור את דלת העופרת כדי להמשיך. בחדר הבקרה, פנה למחשב הבקרה כדי להפעיל את תוכנת המדידה. זהו המסך הראשי של תוכנת הבקרה.

בשלבים הבאים, המיקוד יהיה על הפונקציות המופיעות בצד שמאל של המסך. ראשית, בחרו בפונקציית Configuration כדי להגיע לחלון ה-Configuration. משם, בחרו באפשרות User Data בתפריט.

שלב זה מוביל לשדות זיהוי והערות שיש להשלים. עם סיום המילוי, לחץ על Save כדי לשמור. לאחר מכן, בחר בפונקציית Sample.

בחלון שייפתח, תופיע רשימה של דגימות ומיקומים בצד שמאל. בחר אחת מהן והתחל להזין את המידע המבוקש. המידע להזנה כולל את כותרת הדגימה, חלון קרן הדגימה, מידע על עובי הדגימה והערה.

עברו אל "Close" ולחצו עליו כדי לשמור את המידע. הזינו את המידע עבור כל דגימה בניסוי. בסיום הזנת כל הדגימות, צאו מחלון הדגימה (Sample) על ידי לחיצה על "Close".

בחלון התצורה (Configuration), שמרו את כל ההגדרות באמצעות האפשרויות בתפריט הקובץ (File). לאחר מכן, סגרו את חלון התצורה. במסך הראשי, בחרו בפונקציית ההגדרה (Definition).

חלון ההגדרה (Definition) משמש להגדרת מערך הניסוי ותוכנית המדידה. בחר בפונקציית הדגימה (Sample), הפותחת את חלון בחירת הדגימות (Select Samples). בעמודת הדגימות הידועות (known samples) בחלון בחירת הדגימות, בחר את 12 הדגימות שיש למדוד.

השתמשו בחץ הכחול כדי להעביר אלו לשדה הדגימות שנבחרו. כדי לשנות את סדר הפריטים בדגימות שנבחרו, בחרו את הפריט והשתמשו בחצים הכחולים האנכיים. במידת הצורך, שנו את שדות המידע עבור הדגימות.

צאו מהחלון על ידי לחיצה על Save/Close. כעת, בחרו בפונקציית Detector מחלון ה-Definition. פעולה זו תפתח את חלון ה-Definition of Measurements.

עברו לשדה ה-Selector ובחרו את הערכים המתאימים לאורך הגל. עברו לאזור המדידה (Measurement) ובחרו ב-Standard כדי לבחור מדידה סטטית. עברו לאזור תנאי הסיום (End Conditions) כדי לבחור את יחידת הזמן המתאימה לזמן המדידה.

המשיכו למעבר לאזור בחירת מרחקי הגלאי והקולמטור (Select Detector and Collimator Distances). כאן, השדות עבור זמן מדידת הניסוי, הגדרות העדשה והמקטב, ומרחק הקולמציה כבר מלאים. לאחר שהגדרות תצורה אלו הוגדרו במלואן, לחצו על כפתור New.

פעולה זו תגדיר את התצורה ותשמור אותה בטבלה להלן. לאחר הגדרת כל מערכת התצורות, לחצו על Save/Close. התוכנה תפיק רשימה של מדידות.

ניתן למיין אלו באמצעות תנאי המיון בתחתית התפריט. הסר מדידות או התאם את זמן המדידה שלהן לפי הצורך. צא ממסך זה על ידי לחיצה על שמירה/סגירה.

לאחר מכן, בחלון ההגדרה (Definition), לחצו על Close כדי לחזור למסך הראשי. המשיכו בבחירת פונקציית הבקרה (Control). במסך החדש, התחברו למערכת כדי לנעול את הסשן עבור יצירת סקריפט הבקרה.

בחר ב-Loop Definition כדי לבדוק את תוכנית המדידה שהועלתה. בחר בלשונית Current Values כדי לראות את הוויזואליזציה של פרמטרי המכשיר במהלך המדידות. כשאתה מוכן, לחץ על כפתור Start וענה על השאלות הנוגעות לבטיחות כדי להתחיל את המדידות.

בחלק העליון של המסך מופיע מידע על מיקום הקולמטור, מיקום הגלאי ומכשירים פעילים. בחלק המרכזי של המסך מופיע מידע על הדגימה הנוכחית ועל מצב תריס הקרן והעדשות. לאורך תחתית המסך מופיע מידע הקשור לתזמון המדידות, דוחות על עוצמת הגלאי והניטור, ספירת אירועים ופרטים על בורר המהירות ופרמטרי הקיצץ (chopper).

לאחר השלמת המדידות, פתח את התוכנה לעיבוד נתונים. ממסך הפתיחה, בחר באפשרות Start New Session בצד ימין של החלון. לאחר מכן, לחץ על לשונית עיבוד הנתונים.

בחלק העליון של האזור הימני מופיע סליידר אופקי. השתמש בו כדי להגדיר את מספר התנאים המשמשים בניסוי. לאחר מכן, זהה את סמלי העיפרון הצהובים המציינים שורות הדורשות קלט.

יש לספק מספרי הרצה עבור התא הריק, EC, הקרן החסומה, BC, ודגימות כיול. השדות המרכזיים מיועדים למספרי ההרצה של מדידות עם פיזור קדמי חזק. השדות EB מיועדים למספרי ההרצה של קרניים ריקות.

סמנו את התיבות למטה כדי לחשב את הנבחירה של הדגימות. הזינו את הערכים המתאימים עבור שדות אלה בכל ניסוי. לאחר מילוי הטבלה, זהו את כל השורות שבהן מופיעים כפתורים עם חצים ירוקים ולחצו על כל אחד מהם.

שלב זה טוען את המידע הדרוש לעיבוד הנתונים. לאחר מכן, תנו שם לכל אחת מהעמודות הצהובות על ידי לחיצה על ראש העמודה והזנת תווית. עם סיום שיום העמודות, עברו לכפתור "new" ולחצו עליו.

פעולה זו יוצרת את רשימת הקבצים שיוספו לעיבוד. תנו שם לרשימה לפני שתמשיכו. לאחר מכן, לחצו על כפתור ההוספה (Add) כדי להטעין את קבצי הנתונים.

עברו אל כפתור ה-Transmission ולחצו עליו כדי למצוא את הנבקרות (transmission) של כל דגימה. התוצאות יופיעו בטבלה שתו produced. בחרו ב-Project כדי לשמור את התוצאות בפרויקט הנוכחי.

בשלב הבא, לחצו על כפתור I(x, y) כדי לבצע תיקון וכיול של נתונים דו-ממדיים (2D). לאחר מכן, לחצו על כפתור I(q) לצורך תיקון, כיול וממוצע רדיאלי של הנתונים. הנתונים מהפעולות הללו זמינים דרך התיקיות בחלון שבתחתית המסך.

זוהי תבנית הפיזור עבור חלקיקי פוליסטירן עם רדיוס של 500 angstroms, תוך שימוש במרחק גלאי של שמונה מטרים ואורך גל של חמישה angstroms. תבנית זו היא עבור חלקיקי פוליסטירן עם רדיוס של 1000 angstroms, כאשר הגלאי נמצא במרחק של 20 מטרים ואורך הגל הוא 20 angstroms. תבנית סופית זו היא עבור חלקיקים עם רדיוס של 4000 angstroms, מרחק גלאי של 17 מטרים עם עדשות בגלאי הרזולוציה הגבוהה המשני, ואורך גל של שבעה angstroms.

בכל המקרים, תבנית הפיזור מפוזרת באופן איזוטרופי סביב מעצור האלומה (beam-stop), החוסם את האלומה המועברת. כאן מוצג חתך הפעולה המתוקן והמכויל עבור חלקיקי פוליסטרין במים כבדים עם רדיוס של 500 angstroms. הדיפרקטומטר יכול לכסות טווח Q רחב במצב pinhole קונבנציונלי על ידי שינוי מיקום הגילוי ושימוש באורך גל אחד או יותר.

הנתונים הראו את מאפייני וקטור הצורה של חלקיקים כדוריים. ב-Q גבוה, הפרופיל נשלט על ידי הממס והוא שטוח. חתכים אלו עבור חלקיקי פוליסטירן ברדיוסים שונים תוקנו עבור תרומת הממס.

בערכי Q גבוהים השיפוע הוא מינוס ארבע, דבר האופייני לאובייקטים כדוריים. מדידות של מיצלות במים כבדים מובילות לתבנית פיזור דו-ממדית זו, הממוצעת רדיאלית, במצב pinhole. שימוש במצב רזולוציה可tunable עם רזולוציה גבוהה יותר חושף את מבנה הפסגות העדין.

ברגע שהטכניקה תשלט, ניתן לבצעה בתוך 24 שעות אם היא מבוצעת כראוי. בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לזכור לתכנן את הניסוי בהתבסס על המטרות המדעיות. בעקבות פרוצדורה זו, ניתן לבצע שיטות אחרות כגון מיקרוסקופיה אופטית ו-cryo-TEM כדי לסייע בקביעת המורפולוגיה הכללית והמקומית של המערכת הנחקרת כעזר לפירוש נתוני הפיזור המורכבים.

לאחר פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך עבור חוקרים בתחומי החומר הרך והביופיזיקה לחקור מורפולוגיות של פולימרים וקו-פולימרים בלוקיים, חלבונים וחלקיקים סופרא-מולקולריים, ג'לים ומערכות קולואידיות, ביישומים רפואיים וטכנולוגיים. יש לזכור כי עבודה עם נייטרונים עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות, כגון אמצעי הגנה סטנדרטיים, בעת ביצוע הליך זה.