小角中性子回折計KWS-2でのナノおよびマイクロメータサイズからワイド長さスケール上でソフトマターと生物学的システムを学びます

サマリー

ここでは、KWS-2 SANS回折計を高強度で調整可能な分解能で使用する、nmからμmまでの広いメゾスコピック長スケールでソフトマターと生物物理学システムを調査するためのプロトコルを紹介します。

要約

KWS-2 SANS回折計は、ソフトマターとナノメートルからマイクロメートルまで、幅広い長さスケールをカバーする生物物理学的システムの研究に取り組んでいます。同時に高を提供しながら、機器は、方法（チョッパー）、古典的なピンホールを組み合わせる（レンズ付）焦点を当て、および飛行時間型によって1×10 ^-4〜0.5Å-1の間の広い運動量移行Q範囲の探査のために最適化されています調節可能な解像度で強度-neutron。特定のサンプル環境や補助装置を装備する可能性と合わせ強度と実験中の広い範囲内で解像度を調整する能力のため、KWS-2は、構造的および形態学的研究の広い範囲内に対処する上で高い汎用性を示していますフィールド。動的及び運動プロセスは、ミリ秒から数十分の間の時間スケールにわたって調査することができるが、平衡構造は、静的測定で研究することができます秒単位の時間分解アプローチと。 KWS-2のカバーと、複数の構造的なレベルを示す複雑な階層システム（ 例えば、ゲル、ネットワーク、またはマクロ凝集体）から小さくて貧弱散乱システム（ 例えば、単一のポリマーまたはタンパク質の範囲を検討している典型的なシステム溶液）。 MHzの範囲内の計数率の検出を可能にする検出システムの最近のアップグレードは、高Qでバッファ散乱レベルに近い微弱な散乱信号との緩衝溶液中であっても非常に小さな生物学的形態を研究するための新しい機会を開きます。

本稿では、特徴的なサイズのレベルは広い長さスケールにまたがるとKWS-2を使用して、メソスケール構造体に発注出展してサンプルを調査するためのプロトコルを提供します。私たちは、楽器と達成されるパフォーマンスのレベルによって提供されている複数の動作モードを使用する方法を詳細に提示します。

概要

ソフトおよび生物学的材料は、大きく、複雑な集合体への自己組織化と基本単位の自己組織化などの機能によって特徴付けられる形態の豊かな多様性を示しています。彼らはまた、自由度の数が多いと協力相互作用を示す図です。構造単位、及び外部磁界に対するこのように高感度の間の相互作用が弱いです。ナノメートルからミリメートルとナノ秒から日までの広い範囲にまたがることができ、時空間の相関関係。そのため、関連する長さ - とタイムスケールの大規模な範囲で、これらの材料の特性の実験的特性評価は非常に困難です。中性子散乱技術は、構造、ダイナミクス、およびそのような複雑なシステムの熱力学的性質の研究に重要な役割を果たしています。ユニークなプローブとして、中性子が¹ Hおよび² H（重水素、D）水素同位体間の異なる相互作用の利点を提供します。大異なります水素と重水素との間の干渉性散乱長密度のレンスは、コントラスト変化とコントラスト・マッチング方法の基礎を表します。ソフトマターのほとんどおよび生物学的システムは、炭化水素で構成されているように、水素/重水素（H / D）置換広い範囲にわたって化合物の干渉性散乱長密度を変化させる可能性を提供しています。この技術では、複雑なシステム内の選択された成分は、同位体交換により標識することができます。複雑なソフトマターや生物物理学的形態内での散乱長密度およびその他のコンポーネント - 選択したコンポーネントまたは領域のそれとの間のコントラスト二乗差に応じて化学的にシステムを変更せずに散乱実験での表示または非表示にすることができます。さらに、中性子が非常に貫通されており、非破壊プローブとして、ビーム内に配置され、追加の物質からの寄与がRELIことができる特別な環境中の試料を研究するために使用することができます巧みに測定して補正。

弾性散乱実験は、試料の構造や形態についての情報を提供します。散乱強度は、Q =4π/λ罪運動量移動Qの関数として逆空間で測定され 中性子波長とΘ - - λとΘ/ 2、散乱角。これは、その後、逆フーリエ変換を介して実空間に変換されます。このように、大きなQ値は、古典的な中性子回折（ND）によって調査の原子間の相関関係で、短い長さスケールに関連しています。小さなQ値において、大きな長さスケールは、小角中性子散乱（SANS）により探索することができます。一般的に、単一または溶液中で合成又は天然高分子を組み立て、メルト、フィルム、またはバルクサンプルは、古典的なピンホールSANSの適用とuを経由して、ナノメートルからマイクロメートルサイズから、幅広い長さスケールにわたって特徴づけています（フォーカシングや単結晶回折法に基づく）LTRA-SANS技術。しかし、完全な構造的特徴を達成するためのさまざまな方法や施設の組み合わせがあるため、利用可能な試料の量、長い時間スケールを超えるサンプルの安定性、特殊な熱力学的条件での効果の再現性、および実験データの共同解析などの問題のが困難な場合があります異なる実験ジオメトリで得られました。また、高い空間や時間分解能によって特徴付けられる構造と高速構造変化を扱う研究は非常に特別な実験装置を必要とする、非常に挑戦しています。そのため、簡単かつ実用的な方法では限界が典型的な構成を超えてプッシュすることができ、汎用性の高いSANS機器の開発は、ユーザーコミュニティからのすべての特別な要求を満たすために有益です。

Jにより操作SANS回折KWS-2（ 図1）2;ガルヒングでハインツマイヤー・ライプニッツセンター（MLZ）での中性子科学センター（JCNS）リッチ、もともと高い中性子束（ 補足図1）の恩恵を受けて、古典的なピンホールのSANS計器たFRM II中性子源¹によって配信され、専用ガイドシステム^2-4。繰り返しアップグレードした後、機器は高い中性子強度と調節可能な解像度を提供し^、Å-1 1×10 ^-4〜0.5、広いQ範囲の探査のために最適化しました。特定のサンプル環境や補助装置（ 表1）が利用可能で、機器は静的測定を通じて、ミクロンまでnmでから、幅広い長さスケールにわたってソフトマターと生物物理学的システムを研究するために装備することができます。それはまた、数分の間に数十の広い時間スケールにまたがる、原因運動プロセスに平衡時または変換の下での構造および形態の時間分解調査を行うことができますミリ秒。従来の作業モード（ 図2A）において、7×10 ^-4 A ^-1及び^0.5Å-1の間のQの範囲は、サンプルから検出器までの距離及び/又は波長の変化を介して被覆することができます。そのため、9000オングストロームまでの10オングストロームから長さスケールでの構造的レベルと相関効果は（寸法が2π/ Qのように考えられている）実空間に検査することができます。波長の広がりΔλを提供し 、機械的モノクロメーター（速度セレクター）を使用して、4.5オングストロームと20オングストロームの間の波長の選択、/λ= 20％、視準条件（コリメート長L _Cと絞り開口部_、A、Cの変化-ビーム内の入口開口部は、次の最後の中性子ガイドセグメント、および_S -サンプル絞り、単にサンプルの前に）、検出距離L _Dのは、コンピュータ制御によって、自動的に行われます。

サンプル上の強度にかなりのアップグレードは、機器の解像度、最小運動量移行Q _mを 、とMHzの範囲内の高計数率での高速検出は、機器の性能を向上することを目指し、最近行われました。このプロセスの間、機器は追加機能を備えていました。

可変スリット開口部（ 補足図2）飛行時間型（TOF）データ取得モードとダブルディスクチョッパー^5があります。チョッパー10 Hzから100 Hzの間で互いに対して2つのディスクの位置を変化させることにより、0°≤Δφ≤90°の角度の間の2つのチョッパ窓の角開口に変化する周波数f _{チョッパー}で動作させることができます。波長分解能Δλ/λの改善はDECRによって_wの中性子ガイドτの開放時間を短くすることによって達成されます。Δφを緩和および/またはf _{チョッパーを}増加_させます。検出器に記録された結果として得られるパルスの幅が_wを τと一致している時間チャネルの適切な数に分割され、目的Δλ/λによって特徴付けられます。

50ミリ（ 図1）の直径を有するマグネシウム蛍石のMgF ₂を放物線レンズ⁶からなる集束素子もあります。 26のMgF ₂のレンズは、異なる波長λ= 7-20Å集光条件を達成するために、ビームに独立して移動することができる3つのパッケージ（4 + 6 + 16レンズ）にグループ分けされています。レンズ材料におけるフォノンの散乱を減少させることによって透過率を高めるために、レンズは、特別な冷却システムを使用して70 Kに維持されます。

、1mmの位置分解能0.45ミリメートルの画素サイズを有する二次高分解能位置敏感シンチレーション検出器があります。検出器典型的には一定の距離L _D = 17 mにおける真空槽の上部に塔内に配置され、上下方向（ 図1）に又はビームの外に移動することができます。レンズを使用して高解像度の調査（低Q）は ^4,7-が実行されている場合、二次検出器がビームに移動させながら、主検出器20 mでは、タンクの端部位置に駐車されています。二次検出器は、L _Cの小さな入口開口ながら= 20 mが他方の焦点に、この場合には、なり、レンズ系の焦点位置に配置されます。

そこに144 ³氏管のアレイからなる新しいメイン検出システムは、（λ= 5Åのための85％のチューブ当たりグローバル効率で）であり、それは0.9メートル^2（ 図1）への積極的な検出エリアと同等を定義します。 ³彼チューブフレームの裏側に密閉ケースに搭載された革新的な急速な読み出し電子が向上特性を、読み出してバックグラウンドノイズを低減します。古いシンチレーション検出器^（6李シンチレータと8×8の光電子増倍管、 図1の配列）を交換し、新しいシステムが10％でナノ秒25の効果的なデッドタイムの定数と5 MHzのと同じくらいの高全体の計数率によって特徴付けられるデッドフラットプロファイルのための時間。これらの特徴は、システムがイベント後のデッドタイムを経験するシステムよりも有利である、並列動作の独立したチャネルを含んでいるという事実に起因します。非常に高い計数率は、測定時間を短縮し、したがって、同じ時間で行うことができる実験の数を増加させます。

すべてのこれらの技術革新と、器具は、直接かつユーザーフレンドリーな方法で選択して使用することができ、複数の作業モード（ 表2）を提供することにより、構造研究の広い範囲に対処することができる汎用性の高いツールとなりました。高輝度モード（図2B）、同じ解像度のための従来のピンホール方式に比べて最大12倍の強度ゲインは、サンプルサイズを増大させることによって、レンズを用いて達成することができます。チョッパーとTOFデータ取得に調整可能な解像度モードでは、異なるQの範囲内で散乱機能の改善された特徴付けは2％と^20％5と^の間^に波長分解能Δλ/λを変化させる可能性で有効になっています。 ^-4、1×10限り低く拡張Qの -rangeモード（ 図2C）、レンズを使用し、二次高分解能検出器、Q _mの^Å-1達成することができ、これは、ピンホールモードと組み合わせて、許可ミクロン範囲に1nmから連続した長さスケールを超えるサイズの探査。 Δのλ/λを狭めるためのチョッパーの使用は、重力と色彩効果WHを回避することにより、正確なビーム特性を提供しますレンズを使用したアン。リアルタイムモードでは、高強度と試料環境によるデータ取得の外部トリガを利用することによって、構造変化は、50ミリ秒までの時間分解能で解決することができます。チョッパーでダウンΔλ/λ= 5％の波長分解能を向上させることで、2ミリ秒と同じくらい良い時間分解能を実現することができます。

ここでは、詳細にその異なる作業モードでKWS-2に基づいて行われており、どのような構造情報を調べたサンプルからは、データ削減を通じて収集されたデータから取得することができる方法の典型的な実験上のプロトコルを提示します。このデモでは、我々はサイズと順序が中にKWS-2で柔軟かつ効率的な方法で広い範囲にわたって研究することができる方法を示すために、標準粒子液と1高濃度ポリマーミセル溶液のいくつかのサイズを特徴付けるためにSANSを使用します1つの実験セッション。 diffeポリスチレン球状粒子家賃のサイズ（R = 150、350、500、1,000及び4,000オングストロームの半径）と_σRのサイズの多分散性 8％は、1％の体積分率での水溶液（90％D ₂ O、10％H ₂ Oの混合物）中に分散されています。 12％の濃度でD ₂ OにC ₂₈ H ₅₇ -PEO5ジブロック共重合体により形成されたミセルが規則的な構造を示しています。

プロトコル

1. サンプルセルのロード

1. 異なるサイズ（半径 R = 150, 350, 500, 1,000, 4,000 nm）のポリスチレン球状粒子を分散させる Å）およびサイズ多分散指数（polydispersity）が σ_R 水溶液中に8%（90% D2Oと10% H2Oの混合液）₂Oおよび10% H₂体積分率1%で。
2. ポリスチレン粒子を含む6つの溶液をDに移行させる₂O/H₂O、Cの溶液₂₈H₅₇D中のPEO5₂OおよびD₂O/H₂OおよびD₂石英セルに溶媒を添加し（図3パステールピペットを用いて、各石英セルをネック部分まで満たします。その後、ストッパーで石英セルを密閉します。
   注意：石英セルへの試料充填操作は、FRM IIの試料調製室において、同室で定められた特別な作業条件に従って行わなければなりません。
3. 充填済みの石英セルをサンプルホルダーのAlカートリッジに装着します（図3試料を満たした各クオーツセルをカートリッジのキャビティに設置し、中性子用のカートリッジ窓開口部が試料で完全に覆われているかを確認して、試料が十分に充填されているか判断する。補正用試料および標準試料（空のクオーツセル、炭化ホウ素プレート、プレキシグラスプレート）をカートリッジの別の位置に設置し、空ビーム測定用に1か所を空けておく。
4. カートリッジをCdコーティングされたAlカバープレートで覆います（図3) キャップスクリュー（M3x5）を用いて固定します。専用のアルミ製スクリューを用いて、カートリッジをサンプルホルダーのアルミフレームに固定します（図 4).

2. サンプルステージへのサンプルホルダー/サンプル環境の配置

1. コリメーションノーズの長さを調整し、サンプルホルダーのサンプル位置に必要なスペースを決定します（図5）。コリメーションノーズ制御システムに保存されている構成から、サンプルホルダーに適した構成を選択してください。
2. M6x40のアレンネジを使用して、光学ブレッドボード上の所定の位置にあるサンプルステージに、適切なサンプルホルダーまたはサンプル環境を設置します（図6）。
3. 外側のノブを使用して、電動スライドリードドア（図5）を閉じます。ドアがエンドポジションに到達し、発光信号で表示されるまで、コントロールノブを操作し続けてください。
   注意：ドアが完全に閉じられ、エンドスイッチが作動していない限り、ビームシャッターを手動または測定制御ソフトウェアで開くことはできません。測定ソフトウェアは、測定を開始する前にこの点について追加のチェックを行います。

3. 実験の計画

1. 構造の長さスケールおよび試料によって明らかになる相関効果に適したQ範囲で調査を行うために、適切な実験構成とモードを選択します。装置のダイナミックレンジを確認してください⁴（図7および表2）。
2. 調査対象となる試料を特徴付ける概略のサイズ、濃度、およびコントラスト因子に基づき、散乱強度の推定レベルから判断して、試料に適切な強度を導入するための適切な実験構成とモードを選択します⁸。これは、目標とする測定統計量に対する測定時間を最適化し、安定性の短い試料の場合に試料の安定性に合わせるために行われます。異なる実験構成における強度マップを確認してください⁴（付録図1および表2）。
3. 試料中の散乱体のサイズ多分散度および濃度の概略的な知識に基づき、適切な分解能を得るための適切な実験構成とモードを選択します⁸。これは、試料内の秩序化効果によって生じる微細な散乱特徴の分解を可能にするために行われます。波長分解能を調整できるか確認してください⁵（表2）。

4. 測定ソフトウェアの準備、実験の実施および可視化

1. KWS-2装置の計測制御用コンピュータのターミナルウィンドウに「KWS2TC」と入力して計測ソフトウェアを起動し、メインメニューをアクティブにします（付録 図3）。左側の機能セットを用いて、基本的なモーター位置の定義（Configuration）、サンプルの選択および条件の設定（Definition）、測定の開始および全モーターの監視（Control）、そして実際の検出器の監視（Live-Display）を行います。
2. メインメニューのConfiguration機能を選択し、kws2-Configurationメニューを有効にします（付随図4）ユーザーデータを定義し、基本モーター位置ならびに試料上のデバイスおよびフィールドのセットポイントを設定します。
   1. UserData関数を選択し（補足図 4）を選択し、「User data」メニュー（表示/編集）の「User name」、「E-mail」、「First part of filename」、「Measurement comment」の各フィールドを入力します。「Save」をクリックしてメニューを閉じます。
      注意：@、$、%などの特殊文字は使用しないでください。 など。ファイル名の接頭辞に使用します。実験手順全体を通して、特殊文字の使用は避けてください。
   2. 「サンプル」機能を選択します（補完図4）サンプル構成メニューを有効にするために（補足図4メニューの左側にある垂直リストからサンプルと位置を選択し、それぞれのサンプルについて、「Sample title」、「Sample beam window - Size」、「Sample thickness」、および「Comment」のフィールドを入力してください。定義が完了したら、各サンプルの設定を保存してください。「Close」をクリックしてメニューを閉じます。
   3. 設定メニューの上部にある関数セットの「File」関数から、すべての設定を保存してください。
3. メインメニューから「Definition」機能を選択します（補足図3kws2の定義メニューを有効にするために（補足図 5）実験セットアップおよび測定プログラムを定義します。
   1. 「Sample（サンプル）」機能を選択し、「Select Samples（サンプルの選択）」メニューを有効にします（補足図5).
      1. 測定が必要な12個のサンプルを選択します（以下に示すように 図3左側の垂直フィールドにある既知のサンプルリストからサンプルを選択し、青い矢印を使用して「選択済みサンプル（Selected Samples）」フィールドに移動します。青い垂直矢印を使用して、選択したサンプルのリストの順序を整えます。
      2. サンプルのパラメータを確認し、必要に応じて名前、厚さ、およびコメントを調整してください。「Save」または「Close」をクリックしてメニューを閉じます。
   2. 「Detector」機能を選択し、「Definition of Measurements」メニューを有効にします（付随図 6).
      1. [測定]エリアで[標準]を選択し、静的測定タイプを選択します。[終了条件]エリアで、測定時間のフィールドに適した時間単位を選択してください。
      2. 「検出器およびコリメーション距離の選択」エリアにおいて、波長（Selectorフィールド）、検出距離（Detector Distanceフィールド）、データ収集モード（TOFフィールド）、目標波長分解能（DLambda/Lambdaフィールド）、測定時間（Timeフィールド）、レンズ構成（Lensesフィールド）、およびコリメーション距離（Collimation Distanceフィールド）に適切な値を設定し、実験セットアップと動作モードを選択します。
      3. 1つの構成の定義が完全に完了したら、「New」ボタンをクリックしてそれを確定し、下のテーブルに保存してください。同様の手順で次の構成を定義し、すべての構成セット（付随図6）が完了します。実験セットアップおよび動作モードの調整が完了したら、「Definition of Measurements」メニューの「Save」または「Close」をクリックしてください。
      4. プログラムによって生成されるメニューの下部に表示される3つのループ（ソート条件）に従って、測定値のリストをソートします（補足図7）。不要な測定値がある場合は、該当する行を選択してから［ ］をクリックし、削除します。 "X" 赤色で示されたボタン。画面上に常に表示されているkws2 Definitionメニューの中央にある赤色で示されたフィールドで、定義された合計測定時間を確認し、必要に応じて各測定の測定時間を調整します。
      5. 「保存」または「閉じる」を選択してメニューを閉じ、kws2定義メニューに戻ります（補足図 5). kws2 Definitionメニューを閉じ、メインメニューに戻ります（付随図3).
4. KWS2測定ソフトウェアのメインメニューから「Control」機能を選択します（補足図3) 測定コントロールメニューを有効にするために（補足図8).
   1. 装置担当者から通知されるユーザー名とパスワードでログインし、アップロードされた測定プログラムのコマンドを実行するためのスクリプトを作成するため、セッションをロックしてください。Loop Definitionを選択し、アップロードされた測定プログラムを確認します。
   2. Startボタンを押し、サンプルポジションドアおよびビームシャッターの実際の状態について、プログラムによって生成される質問に回答してください。これにより測定プログラムが開始されます。Current Valuesを選択すると、進行中の測定状況（モーターの位置と装置コンポーネントの状態、計数率、および積分強度の経時変化）を可視化できます。
      注意：検出器上の積分強度ならびに検出器およびモニターの計数率が表示されており、これらを用いて、個別の測定または一連の測定全体について測定プログラムを変更することができます。
5. 定義された測定プログラムに従って、測定を実施し、完了させてください。
   注：ある時点までに収集された積分強度で十分であると判断された場合、または測定シーケンスに不備が見つかった場合は、「Stop（停止）」機能を有効にし、希望するオプション（継続、ファイルの保存ありまたはなしでの現在の測定の停止、またはプログラム全体の停止）を選択することで、測定を中断または停止させることができます。
   1. 「ループ定義（Loop Definitions）」オプションの下にある「印刷（Print）」ボタンをクリックして、測定セッションのログブックを生成します（補足図 8定義された測定プログラムが停止または完了したとき。
6. KWS2測定ソフトウェアのメインメニューで「Live-Display」を選択します（付随図 3KWSlive_MainWindowインターフェースを起動するために（補足図9).
   1. [Type]画面で、メイン検出器またはセカンダリ（高解像度）検出器で収集したデータを可視化するために、それぞれ[GEDET]または[PSD]のいずれかを選択します。[Display Mode]で、3次元（Surface）、2次元（Contour）、または1次元（Radial average）のいずれかの可視化モードを選択します。プロットオプション（線形または対数スケール）およびパラメータ値（波長および検出距離L）を入力します。_DRadial averageオプションメニューのフィールド内で、データを強度（未補正）対として表示できるように設定します。 Q.
   2. TOFモード（メイン検出器またはセカンダリ検出器のいずれかを使用）で収集されたデータを可視化するために、目的のTOFチャンネルを選択してください。

5. データ解析

1. KWS-2装置のデータ解析用コンピュータのターミナルウィンドウでqtiKWSコマンドを入力し、データ処理ソフトウェアを起動します。メインインターフェースの右側にある「New Script」オプションを選択してください。
2. メインインターフェースの上部にあるファンクションメニューから「DAN」オプションを選択します（補足図10データ解析機能を有効にするために操作を行います。メイン検出器を用いてKWS-2で測定されたデータの解析モードを有効にするには、右側メニューの「Options」からKWS-2インストゥルメントを選択します。測定データファイルが保存されているフォルダと、補正後のデータファイルを保存するフォルダを指定してください。
3. 「ツール」オプションを選択し、右側メニューの「ヘッダー」機能を有効にします（補足図11)を行い、処理対象のファイルを含む情報テーブルを生成します。[Header(s)]フィールドの左側にある緑色の矢印をクリックして、テーブル名を定義します。[Header(s)]フィールドの右側にある緑色の矢印をクリックし、測定ファイルを選択して、測定ファイルをロードします。
   注：各測定ファイルの完全な情報を含む情報テーブルは、プロジェクト下部のエクスプローラー形式のメニューに保存されます。プロジェクトで以降に生成されるすべての結果も、そこに保存されます。
4. 右側のメニューにある「マスク」機能を有効にします（付随図12）そして、データ処理の対象となる検出器の領域を定義するアクティブマスクを生成します。等方性散乱パターンの解析を行う場合は、「Edge」および「Beam-Stop」フィールドに値を入力し、矩形マスクの左下隅と右上隅を定義してください。
5. 右側のメニューにある「Sensitivity」機能を有効にします（補足図13）そして、緑色でマークされたフィールドに標準試料（プレキシグラス）、空ビーム（EB）、および遮蔽ビーム（B4C）の測定のラン番号を入力することで、特定の構成における検出器感度を算出します。
   1. 標準試料の透過率を算出するため、黄色いフィールド（Transmission）の隣にある緑色の矢印セットをクリックします。「Calculate as New」を選択して感度行列を生成し、名前を付けて保存します。その後、下部メニューにある適切なプロット関数を使用して、生成された行列を可視化してください。他の構成についても、同様の手順を繰り返します。
6. 右側メニューの「データ処理」機能を有効にします（補足図14）を行い、データの補正、校正、および半径方向平均化を実行するための補正・校正テーブルとスクリプトテーブルを生成します。
   1. 右側メニュー上部にある水平スライダー（赤色の矢印）を使用して、実験で使用する条件数を設定します。黄色の鉛筆で示されたフィールドに、各実験条件における空セル（EC）、ビーム遮断（B4C）、および標準試料（プレキシグラス（Abs. Cal. FS）、標準補正用空ビーム（Abs. Cal. EB）、標準補正用ビーム遮断（Abs. Cal. B4C））のラン番号を入力してください。
   2. Centerフィールドに、前方散乱の強い測定のラン番号を入力してください。EBフィールドに空ビームのラン番号を入力し、Tr (Ec-to-EB)機能の隣にあるチェックボックスをオンにして、サンプルの透過率算出に対応する実験条件を選択してください。
   3. 垂直に並んだオプション列にある、回転する緑色の矢印で示された各ボタンをクリックしてください（補足図 14データ処理に必要な情報を定義済みファイルから読み込み、空セルの透過率を算出します。各黄色い列の見出しをクリックして、列名を定義してください。
   4. [New]ボタンをクリックして、処理対象となるデータファイルのテーブルを作成し、名前を付けます。[Add]ボタンをクリックして、処理するデータファイルを読み込みます。[Script-Table Tools]領域の下にある、緑色の回転矢印で表示されている[Tr]ボタンをクリックし、各サンプルの透過率を算出します。生成されたテーブルで結果を確認してください（付随図14).
   5. インターフェースの右下にあるProjectを選択します（付随図14)現在のqtiKWSセッション（プロジェクト）にすべての結果をテーブルまたはマトリックスとして保存します。2次元データの補正およびキャリブレーションを行うには、I[x,y]ボタンをクリックしてください。データの補正、キャリブレーション、および動径平均化を行うには、I(Q)ボタンをクリックしてください。Graph（の配下にあるグラフィック機能を用いて、結果をプロットします。付随図 15) オプション。
      注：インターフェースの右下隅で「Project」ではなく「File」を選択した場合、すべての結果は外部ファイルとして生成され、ステップ5.2で定義した外部フォルダーに保存されます。
7. 右側のメニューからツールを選択します（補足図11）を選択し、TOF|RTオプションを有効にします（付随図16TOF動作モードでメイン検出器を用いて収集されたデータを、各タイムチャネルに対応する個別のファイルに分割するため。
   1. 「TOF :: Calculate Parameters」機能をクリックしてファイルを1つ読み込むと、TOF条件に関する情報が抽出されます。「TOF|RT :: Sum vs Number :: Read」機能をクリックし、リアルタイムモードまたはTOFモードで測定された目的のファイルを読み込むことで、作業インターフェースの左側に表示されているような合計TOFファイルテーブルを生成します。積分強度を時間チャネルの関数としてプロットします（付随図 16上部関数メニューのGraph機能にあるグラフィカルオプションを使用して、sum-tof-fileから（）を抽出します。
   2. TOF機能のフィールド内で処理パラメータを定義します。 [TOF|RT :: All Selected Steps :: Proceed] ボタンをクリックしてデータファイルをロードしてください。これにより、定義した各タイムスロットに対応する個別のファイルにデータが分離されます。
      注：各タイムスロットで測定されたデータを含むファイルが生成され、ステップ5.2で定義されたファイル保存先に格納されます。ファイル名は、元のTOFファイル名にタイムスロット番号を付け加えたものになります。
   3. 向上した分解能で測定されたデータを解析するため、ステップ5.6に従って操作を行い、以下に対応させます。 Δλ\λ_{目的とした}チョッパーを用いて。
8. メインインターフェースの右側メニューにある「Options」から、KWS2-HRD装置を選択します（補足図17) 次世代高分解能検出器を用いてKWS-2で測定したデータのデータ解析モードを有効にするために、右側メニューのマスク（Mask）機能を有効にします（付録図 18A)を行い、検出器の有効領域を定義するアクティブマスクを生成します。
   1. メインインターフェースの上部機能メニューで「DANP」オプションを選択します（補足図 18B）。右側のメニューからASCII.2Dオプションを選択します。2D Masking機能を有効にし、データ解析の対象となる検出器上の特定のセクターを定義します。
   2. field Center（中心）にビームストップセンターを導入します。Mask :: Conditions（マスク条件）でマスクマトリックスと値0を選択し、特殊マスクの範囲外を無視するように設定します。角度セクターを選択し、セクターフィールドの右側にある色付きボタンをクリックします。ステップ5.5および5.6と同様に、高分解能検出器で測定したデータで処理を進めてください。
9. qtiKWSプロジェクトを保存します（上部メニューの「File」オプションにある保存機能を使用してください）。

結果

異なる動作モードのKWS-2を用いて、2つの代表的なソフトマターシステムの構造および形態に対して行われた成功した実験の代表的な結果を図8-11に示します。これらの結果は、D₂O含有量90%のD₂O/H₂O溶液中における一連のポリスチレン標準粒子、および高ポリマー体積分率（12%）のD₂O中における完全プロトン化ジブロック共重合体C₂₈H₅₇-PEO5の調査によるものです。半径R = 150, 350, 500, および 1,000 Åのポリスチレン標準粒子を使用して、検出距離L_Dと波長λの異なる組み合わせを用いた従来のピンホールモードのテストを行いました。より大きなサイズの粒子（R = 4,000 Å）を使用して、拡張Q範囲モードのテストおよび検証を行いました。高濃度のD₂Oにおいて秩序あるミセル構造を形成するジブロック共重合体を使用して、可変分解能モードのテストおよび検証を行いました。

図8 メイン検出器（旧シンチレーション検出器）を用いたピンホールモードおよび拡張モードで測定された、二次元散乱パターンの結果を示す。 Q集光レンズおよび高解像度二次検出器を用いたレンジモード。 図 8A R = 500のポリスチレン粒子からの散乱パターンを示す Å Lで測定された_D ＝ 8 m を使用して λ=5 Å. 図8B R = 1,000のポリスチレン粒子による散乱パターンを示す Å、Lで採取された_D ～を用いて20 mに λ= 20 Å～を用いて実施した測定において。 λ = 5 Å直接ビームは検出器の前方に設置された中央ビームストップで回収し、透過ビームは小型の ³ビームストップの中間に設置されたカウンタです。これが、いわゆるモニター3（付随図 8）。この装置には、さらに2つの ³カウンタは、多色ビームを監視するために速度選択器の前（モニター1）に、また単色ビームを監視するために速度選択器の後（モニター2）に設置されています。技術的な制限により、以下の測定では λ = 20 Å 検出器に直接ビームを照射する設定で実施されました。これは旧KWS-2検出器で用いられていた標準的な構成です。長波長側では、重力の影響で直接ビームの強度が低下するため、検出器に損傷を与えることなく検出することが可能でした。この際、透過ビームは短い検出距離Lにあるモニター3で監視されました。_D = 2 m。この場合、重力の影響は弱く、直接ビームはビームストップに当たります（以下のように）。 図8A5.25 mm x 5.25 mmのピクセルサイズで検出器上に二次元的に収集されたデータに対し、検出器感度による補正をさらに行い、空セルの寄与、装置背景、および溶媒による寄与を、Plexiglas二次標準の散乱を用いて絶対的に校正した。⁴最終的に、その位置の周囲に等方的に分布していた散乱パターンが Q→放射方向に平均化し、これによりdを導出した。Σ/dΩ 各ポリスチレン粒子系について。

大きなポリスチレン粒子（R = 4,000 Å）からの二次元散乱パターンをFigure 8Cに示します。これは、ピクセルサイズ 0.5 mm x 0.5 mmの高分解能検出器を用いて測定されたものです。小さな直進光はレンズ系によって検出面に集光され、検出器面に設置された小型のビームストップ（4 mm x 4 mm）で遮断されます。正方形のビームストップによる影は、Figure 8Cの検出器有効領域の左上に観察できます。重力の影響により、波長の異なる中性子が検出器上で垂直方向に広く分布します。さらに、レンズが完全に集光しているため、速度選択器^2,5によって、三角分布の中心波長 λを持つ中性子のみが届けられます。中心波長以外の波長を持つ中性子は、わずかに焦点が外れた状態で検出器に到達します。これら2つの効果により、ビームストップの直上および直下に弱い直進光の跡が観察されます。レンズと高分解能検出器を使用した静的拡張Q範囲モードでは、データは連続的に収集されます。重力の影響による寄与を軽減するため、散乱データは、Figure 8Cに示すように、ビームストップから始まり右方向へ水平に伸びる狭い角度セクター内で解析されます。データは、dΣ/dΩを得るための一般的な手法を用いてさらに処理されます。Figure 8Dは、高分解能検出器上の幅1ピクセル（0.5 mm）の狭い水平スライスで収集された、ビームストップから検出器端に向かう位置に対する強度を示しています。試料溶液と参照（溶媒）のデータは、5 minの短時間のテスト測定で収集されたものです。短距離での強度の低下は、ビームストップによるものです。最短距離における強度の比から、試料の透過率（87%）を推定することができました。

R = 500 Åのポリスチレン粒子溶液について、dΣ/dΩとして得られた補正および校正済みの結果を、溶媒の結果とともにFigure 9に示します。これらの結果は、検出位置L_Dの変更および1つ以上の波長の利用を通じて、従来のピンホールモードのKWS-2でカバー可能なQ範囲を示しています。また、球状粒子の形状因子の特徴^8,9も明らかになっています。すなわち、低Q領域におけるギニエ領域と、中間Q領域における球ベッセル関数に起因する振動です。高Q領域では、散乱プロファイルは溶媒からの散乱に支配されるため、溶媒自体の結果と同様に平坦な挙動を示します。形状因子の極小値は、一方では装置分解能⁵に、他方では粒子サイズの多分散性に影響されます。KWS-2の場合、装置分解能は主にΔλ/λ= 20%の波長分散によって決定されます。すべての種類の粒子におけるサイズ多分散性は、約σ_R = 8%でした。Figure 10は、溶媒の寄与を補正した後のdΣ/dΩとして表した、すべての種類のポリスチレン粒子のSANS調査で得られた結果を示しています。低Q 値に向かって、すべての粒子でギニエ領域が明確に認められ、一方で高Q領域では、球状物体の形状因子に典型的な-4の勾配が認められます。標準サイズの粒子の構造パラメータは、多分散球の形状因子^8,9と装置の分解能関数^10-12を畳み込み合わせたデータフィッティングによって確認されました。

図11は、ポリマー体積分率12%のD₂O中で生じるC₂₈H₅₇-PEO5ポリマーミセルの秩序構造から得られた、二次元および半径方向平均の一次元散乱パターンを示している。これらの結果は、異なる検出距離L_Dで収集され、同一の測定セッション内で従来のピンホールモードと分解能可変モードの両方が組み合わされている。速度選択器による波長分散Δλ/λ= 20%を用い、連続（静的）データ収集を行う従来のピンホールモードでシステムを調査すると、L_D = 4 mでの散乱パターンにおいて3つの広範なピークが観察される。分解能可変モードでは、チョッパーとTOFデータ収集を速度選択器と組み合わせて使用することで、波長分散を改善でき、これによりこれらの特徴が実在するのか、あるいは最終的に微細構造が現れるかを確認することができる。Δλ/λ= 20%で観察された第1および第2ピークは、Δλ/λ= 5%で測定した際に分裂することが判明し、これによりミセルが面心立方（fcc）晶に秩序化していることが明確に同定された^5,13。

これらは、KWS-2 SANS回折計の汎用性と性能を、提供されたプロトコルに従って簡単かつユーザーフレンドリーに活用し、スケールや秩序に関して複雑な構造的特徴を示すソフトマターおよび生物物理学的システムに関する詳細な調査を行う際の2つの典型的な例です。

図1： 2010年から2015年の間に行われたすべてのアップグレードを含む、KWS-2 SANS装置のレイアウト。 (A装置の全景。B真空タンク上部の二次高分解能検出器およびそのタワー。C) MgF2₂ 3つのパッケージにまとめられた集光レンズおよびその冷却システム（コールドヘッド）。(D) 8 x 8の光電子増倍管アレイを備えた旧メイン検出器（シンチレーション）。(E) 新しいメイン検出器（³より広い検出面積を持つチューブ（Heチューブ）。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図 2：KWS-2で提供される3つの動作モードの概略図。(A) 従来のピンホールモード。L_C = L_D（L_CおよびL_Dはそれぞれコリメーション長および検出長）、および最適なピンホール条件 A_C =2A_S（A_CおよびA_Sはそれぞれコリメーション入射開口および試料開口）において、検出器でのビームプロファイル I'_P は、底辺の幅が2A_Cに等しいほぼ三角形となる。(B) 高強度集光モード。レンズを用いることで、従来のピンホールモードと同じ分解能でより大きな試料を測定できる（この場合、検出器でのビームプロファイル I'_P は矩形となる）。(C) 拡張Q範囲集光モード。レンズと、レンズ系の1つの焦点に配置された小さな入射開口 A_C（通常 4 mm x 4 mm）を用いることで、レンズのもう1つの焦点に配置された検出器に細いビームが伝送される。これにより、従来のピンホールモードよりも小さい最小波数転移 Q_m の値を達成できる。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3： 室温での測定用にサンプルホルダーのAlカートリッジに装着されたサンプルの様子。Alカートリッジ内のキャビティに配置されている。 (A石英セル（B）にサンプルを満たし、ストッパーで蓋をした（C）を配置することができます。Alカートリッジ上の各ポジションには、以下のようにサンプルを配置しました。ポジション1から5には、サイズ R = 150、350、500、1,000、および4,000のポリスチレン粒子を配置しました。 Å Dにおいて₂O/H₂溶媒；6位において、C₂₈H₅₇D中のPEO5ジブロック共重合体₂O。7番目と8番目の位置に溶媒Dを₂O/H₂起点と終点₂O；9番の位置に空の石英セル（リファレンス）、10番の位置にプレキシガラス（標準）、11番の位置には何も置かず（空ビームの測定用）、12番の位置にB₄Cプレート（裏面にテープを貼付。ビームを遮断した状態での装置バックグラウンド測定用）。Alカバープレート（D）、外面にCdマスクをコーティングしたものを、ネジでカートリッジ上部に固定する（E) サンプルセルを固定し、中性子窓を定義するために（F). こちらの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4: 周囲条件下での測定にKWS-2で使用される、多段・多位置セルホルダーの一例。本実験セッションの試料は中段に設置された。3つの段には、異なるセル形状に合わせて設計されたカートリッジ（A）を装備することができ、これらは外側（中性子側）にCdマスクをコーティングしたAlカバープレートで密閉されている。ホルダーへのカートリッジの設置は、ネジ（B）を用いて行われる。ホルダーにはベースサポート（C）があり、これにより試料ステージ上の所定の位置に設置することが可能である。こちらのリンクからこの図の拡大版を表示できます。

図 5：KWS-2のサンプル領域の概略上面図。(A) コリメーションノーズの2つの極端な構成を示しており、ビーム内に様々なサンプル環境を設置するための利用可能な空間を示している（黄色い矢印で示されるように、中性子は下から入射する）。(B) 鉛製ドアのコントロールパネルで、それぞれ開閉キー（1および2）を備えている。ドアモーターは、キーが継続的に押されている間のみ作動する。ドアの端にはセンサーが装備されており、障害物を検知するとモーターを停止させる。障害物を除去した後、上のキー（3）でモーターのロックを解除し、開閉動作を再開できる。(C) コリメーションノーズのコントロールパネル。ノーズパネルから、キー（4）を使用して適切な構成を選択できる。ノーズは、選択した位置に到達し、動作が自動的に停止するまで、キー（5）を押し続けることで移動する。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図6：室温でのSANS測定用サンプルステージへの多段・多位置サンプルホルダーの設置（写真提供：Wenzel Schürmann, Technische Universität München, Germany）。サンプル位置にある主要構成要素は、先端にサンプル開口部を備えたコリメーションノーズ（A）、ビーム内でのサンプルの水平および垂直方向の位置決めを行うサンプルステージ（B）、検出器真空タンクの入射窓（C）、エッジにセンサーを備えた鉛製ドア（D）、およびサンプルステージの光学ブレッドボード（F）へのホルダー設置を可能にするセルホルダーのベースサポート（E）である。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図 7： KWS-2における異なる装置構成でのダイナミックレンジ。 I₀ 試料位置における中性子束を表します。定義された領域は、利用可能な Q 波長を4.5の間で変化させたときにカバーできる範囲 Å および20 Å 特定のコリメーション・検出構成において。 この図を拡大して表示するには、ここをクリックしてください。

図 8: 本プロトコルに従い実験セッション中に収集された2次元散乱パターンの例。(A) λ= 5 Åで測定した、D₂O/H₂O中の半径 R = 500 Åのポリスチレン粒子から L_D = 8 mで収集された散乱パターン。散乱パターンは、検出器中央で直接ビームを遮断しているビームストップの周囲に等方的に分布している。(B) λ= 20 Åで測定した、D₂O/H₂O中の半径 R = 1,000 Åのポリスチレン粒子から L_D = 20 mで収集された散乱パターン。散乱パターンは透過ビームの位置の周囲に等方的に分布しているが、この波長では透過ビームはビームストップの下に位置するため、可視化ソフトウェアの機能を用いてビームストップと共にマスクされている。(C) レンズと高分解能検出器を用い、拡張Q範囲においてλ= 7 Åで測定した、D₂O/H₂O中のサイズ R = 4,000 Åのポリスチレン粒子から L_D = 17 mの高分解能検出器で収集された散乱パターン。散乱パターンは、集光された直接ビームを遮断する小型ビームストップ（4 mm x 4 mm）の周囲に等方的に分布している。データがさらに解析される角度セクターをビームストップの右側に示している。(D) 高分解能検出器上の幅 1 pixel (0.5 mm) の狭い水平スライスで短いテスト測定により収集された、ビームストップからの位置に対する強度のプロット。サンプル溶液とリファレンス（溶媒）のデータを示している。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図9： Dにおけるポリスチレン粒子の散乱パターン₂O/H₂溶液（記号）および溶媒（線）から。 データは、異なる色で示される装置の異なる構成において、従来のピンホールモードで収集されました。 こちらの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図10： Dにおける異なるサイズのポリスチレン粒子からの散乱パターン₂O/H₂溶媒による散乱の補正を適用した後のO。 赤線は球形フォームファクターを用いたフィッティングを示している。⁹、機器の分解能を含む^{10, 11} およびサイズ多分散性。一般的な Q^-4 球形形状因子の漸近的挙動は、高領域における直線で示されている。 Q 範囲。～の下限は Q 異なる波長またはセットアップでカバーされた範囲が明記されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図11： Cからの二次元および半径方向平均の一次元散乱パターン₂₈H₅₇D中のPEO5kポリマーミセル₂O（ポリマー体積分率12%）を、従来のピンホールモードで測定したところ、 Δλ/λ= 20%（上端）、および調整可能な解像度モードで、 Δλ/λ= Lにおける5%_D = 4m（左側）および L_D = 8m（右側）。 従来モードでは、3つの幅広なピークが観察されました。最初の2つのピークにおいて、微細構造が明らかになります。^{5, 13} 改善された Δλ/λ 解像度 こちらの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図12：従来のピンホールモードと拡張Q-レンジモードを組み合わせて測定した、D₂O中の完全プロトン化PHO10k-PEO10kジブロック共重合体ミセルの散乱パターン（溶媒による散乱の補正後）。中間Q領域における散乱強度のQ^-1依存性と、高Q領域で観察されるQ^-5/3依存性（ブロッブ散乱）により、コアシェル円筒状形態であることが示されている。低Q領域の強度プラトーと中間Q領域の曲がりは、それぞれ円筒の長さと厚さを表している。赤線は、装置分解能を考慮した^10-12コアシェル円筒モデル⁹による実験データのフィッティング結果である。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図 13：従来のピンホールモードおよび高強度（レンズ）モードで測定した、D₂O/H₂O中のポリスチレン粒子（R = 150 Å）による散乱パターン。(A) 従来のモードではL_D = 8 m、レンズを用いた高強度モードではL_D = 20 m、λ = 7 Åで測定した一次元散乱パターン。高強度モードでは、強度を高めるために試料上の異なるビームサイズを使用した。26個のレンズを使用した際、従来のピンホールモードと比較して最大12倍の強度利得が得られた。直径5 cmの円筒形石英セルを用いて、ビーム内に大きな試料を配置した。(B) ビームサイズ 10 mm x 10 mm のピンホールモードで検出器に収集された二次元散乱パターン。(C) 27個のレンズとビームサイズ 30 mm x 30 mm を用いた高強度モードで検出器に収集された二次元散乱パターン。検出器に集光された直接ビームのサイズ（分解能）は、ピンホールモードと同じである。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図14：3週間のインキュベーション後、濃度 5.6 mg/ml の重水素化ヘキサフルオロイソプロパノール（dHFIP）緩衝液中における、緩衝液およびベータアミロイドタンパク質モノマー（Aβ 1-42、分子量 M_W = 4.5 kDa）からの散乱パターン。塗りつぶされた円はタンパク質溶液からの散乱曲線を、塗りつぶされた三角形は緩衝液からの散乱曲線を示している。青い点は、緩衝液の寄与を補正した後のモノマーからの散乱断面積（右側の垂直スケール）を示す。エラーバーは中性子カウントから導出された標準偏差を表す。赤の実線は、次元を d=2¹⁴ に固定してフィッティングしたBeaucage関数を示している。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図15：50 mM 酢酸バッファー（D₂O）中におけるリゾチーム（50 mg/ml）およびバッファー溶液から、常圧から5,000 barの異なる圧力下で測定された散乱パターン。シンボルはタンパク質溶液のデータを表し、線はバッファーのデータを示す。データは2つの検出距離、L_D = 4 m（白抜きシンボル）およびL_D = 1 m（塗りつぶしシンボル）で収集された。挿入図は、タンパク質溶液、バッファー、およびタンパク質自体（バッファーの寄与を補正後）の前方散乱強度 I(Q→0) の圧力依存性を示している。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

パラメータ / 機能	補助機器	使用範囲	正確性	技術的詳細
ポジショニング	サンプルステージ			最大耐荷重 600 kg
	X	0 - 360 mm	0.05 mm
	Y	0 - 330 mm	0.05 mm
	Z（ビーム軸）	手動で、600 mm
	θr （回転）	0° - 360°	0.002°
	θt （クレードル）	± 30°	0.002°
室温	3段多位置アルミニウムホルダー（Cdマスク）			3x9=27 ワイド石英セル
				3x12=36 個のナロークオーツセル
	3つのポジション			3個の大型石英セル（直径 Φ = 5 cm)
	Alホルダー (B4Cマスク)
温度	恒温槽（オイルバス）	〜から25 °C 〜へ 200 °C	± 0.5 °C	4つのポジション
	小型銅ブロック			空気中または真空チャンバー内（密閉キュベット使用）
	恒温槽（ウォーターバス）、2段・多位置タイプ	〜から 5 °C へ 85 °C	± 0.2 °C	2x9=18個の幅広石英セル、2x12=24個の狭い石英セル
	アルミブロック
	恒温槽 + 高精度オーブン	から 10 °C ～へ（または、～に） 120 °C	< 0.1 °C	1ポジション、ワイドクオーツセル
	ペルチェ温度制御機能付きキュベットホルダー	-から20 °C ～へ 140 °C	± 0.2 °C	8ポジション（あらゆる種類の石英または真鍮製サンドイッチ型セルに対応）；下部に雰囲気制御機能あり 5 °C
	(B4Cマスク)
圧力	HPセルSANS + サーモスタット（ウォーターバス）	最大5,000 barまで		〜の範囲の温度 5 °C ～へ 85 °C
低温	サファイア窓付きクライオスタット	50 Kまで
レオメトリー	レオメーター：定常状態および振動モード
湿度	湿度セル	5%～95%		～の範囲の温度 15 °C 〜へ 60 °C
インサイチュ フーリエ変換赤外分光法 (FT-IR)20	FT-IR分光光度計			ZnSeウィンドウを備えたサンプルセル

表1：KWS-2 SANS回折計で使用可能な補助装置の一覧。各装置の使用範囲、精度、および詳細を示す。

測定モード	実験セットアップ	解像度	ビーム／試料サイズ	最大強度 [n/s]	Q-レンジ [Å-1]
		Δλ/λ
従来形式のピンホール	λ = 7 Å	20%	10 x 10 mm2	1.3 x 108	0.002 .. 0.3
	LC = 2 m - 20 m
	LD = 1 m - 20 m
	λ = 4.5 Å, LC = 2 m, LD = 1 m	20%	10 x 10 mm2	2 x 108	0.01 .. 0.5
	λ = 10 Å, LC = 20 m, LD = 20 m	20%	10 x 10 mm2	7.5 x 105	0.001 .. 0.02
	λ = 20 Å, LC = 20 m, LD = 20 m	20%	10 x 10 mm2	4 x 104	7x10-4 .. 1.5x10-2
高強度集束	λ = 7 Å, LC = 20 m, LD = 17 m	20%	Φ = 50 mm	3 x 107	≈ 0.002  .. 0.03
フォーカシング 高解像度 （拡張Q範囲）	λ = 7 Å, LC = 20 m, LD ＝17 m、 AC = 4 x 4 mm2	20%	10 x 10 mm2	1.6 x 104	≈ 2x10-4 .. 0.02
可変分解能	λ = 4.5 Å,	5%	10 x 10 mm2	約 従来モードから7%増加	0.002 .. 0.5
	LC = 20 m,
	LD = 1 m .. 20 m

表2：KWS-2 SANS回折計で利用可能な実験構成。

補足図 1： 異なるコリメーション長 L_Cにおける、原子炉冷源の最適充填時のKWS-2試料位置における絶対中性子束の波長 λ 依存性。こちらをクリックして図をダウンロードしてください。

補足図 2: 可変スリット開口部を備えたダブルディスクチョッパーの概略図。スリット開口幅 Δφは0°から90°の間で調整可能であり、これによりチョッパー周波数 f_chopperに応じて、ガイド（右側の垂直写真列にある赤色の長方形）の開口時間 τ_wを変化させることができる。こちらをクリックして図をダウンロードしてください。

付録図3：KWS-2の測定制御および可視化ソフトウェアのメインユーザーインターフェース。左側の機能（A）は実験者が使用し、右側の機能およびインジケーター（B）は装置責任者が使用します。右側のメニューに表示されるサーバーまたはプロセスが緑色で表示されている場合は、動作しており正常に機能しています。黄色で表示されているコンポーネントは有効になっていません。不具合がある場合は赤色で示されます。こちらをクリックしてこの図をダウンロードしてください。

補足図4：kws2-構成メニューおよびサンプルの構成機能の表示。ユーザーはまずUserDataフィールドに情報を入力し、その後サンプルの構成を行う必要があります。入力必須のフィールドおよび実施すべき操作は赤色で示されています。こちらのリンクをクリックして、この図をダウンロードしてください。

補足図 5: kws2の定義メニューおよびサンプル選択機能の画面。ユーザーが行うべき操作はステップ4.3に記載されています。こちらのリンクから図をダウンロードしてください。

補足図 6: kws2の定義メニューと測定値の定義機能の表示。ユーザーが実行すべき操作はステップ 4.3に記載されています。こちらのリンクから図をダウンロードしてください。

補足図7：定義されたサンプルと定義された実験条件を組み合わせて生成された測定プログラム。ユーザーが行うべき操作はステップ4.3に記載されています。こちらのリンクをクリックして、この図をダウンロードしてください。

付随図 8： kws2-測定コントロールメニューと「Current Values」オプション。固定パラメータ（位置、名称、波長、 など) および変数（時間、強度、計数率、 など。実行中の測定を特徴付ける内容が表示されます。ユーザーが実施すべき操作については、ステップ4.4に記載されています。 こちらの図をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足図9：KWSlive_MainWindowメニューにおけるLive-Displayオプションと、さまざまなデータ可視化オプション。ここではSurface可視化モードが選択されている。Radial averageモードを選択した場合（右側の画像）、パラメータの設定はOptionsメニューから行える。こちらのリンクから本図をダウンロードしてください。

補完図 10：データ解析ソフトウェアqtiKWSのメインインターフェース。装置の選択および実験データと処理済みデータの保存場所を指定するオプションが表示されている。ここをクリックして本図をダウンロードしてください。

補足図11：処理対象のデータセットのためのログブック（情報テーブル）を定義する関数。ユーザーが実施すべき操作はステップ5.3に記載されています。こちらをクリックして本図をダウンロードしてください。

補足図 12：データを処理する検出器マスクを定義するための機能。ユーザーが行うべき操作はステップ 5.4 に記載されています。こちらをクリックして、この図をダウンロードしてください。

補足図13：検出器感度マップを定義するための関数。ユーザーが実施すべき操作は、ステップ5.5に記載されています。こちらをクリックして、この図をダウンロードしてください。

補足図14：データの補正、キャリブレーション、および放射状平均化のためのスクリプトテーブルを生成する関数。ユーザーが行うべき操作はステップ5.6に記載されています。こちらのリンクからこの図をダウンロードしてください。

補完図 15： 処理済みデータをプロットするための関数。ユーザーが実施すべき操作は、ステップ 5.6.5 に記載されています。こちらをクリックして、この図をダウンロードしてください。

補足図16：可変分解能モードで測定されたデータの準備および分割のための関数。チョッパーによって送出され、最初に64個のTOFチャンネルで収集された2つのパルスからのデータは、1つのパルスに統合されます。複数のチャンネルをグループ化することで、Δλ/λ_aimedによって特徴付けられる結果の時間チャンネルを個別のファイルとして保存できます。この図をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足図 17: 高解像度検出器で測定されたデータの処理オプションを選択した状態の、データリダクションソフトウェア qtiKWS のメインインターフェース。こちらをクリックして、この図をダウンロードしてください。

補足図 18：データ処理の対象となる高解像度検出器マスクを定義するための関数。ユーザーが実施すべき操作については、ステップ 5.8 に記載されています。こちらのリンクをクリックして、この図をダウンロードしてください。

補足図19： 常温または可変温度でソフトマターおよび生物学的試料を調査するためにKWS-2で通常使用される、あらゆる種類の試料セルの概要。(A) レンズと大きなビームサイズを用いる高強度モードで利用可能な大型石英セルの外観。ホウ素入りプラスチックマスク (1) を備えたセルホルダーにより、1回のセッションで3つの測定を計画し実施することが可能である。(B) 試料容器として使用される石英または真鍮製セルと、各タイプのセルに適した8ポジションカートリッジを備えた温度制御ホルダー（ペルチェ型）の外観。ホルダーの両面はホウ素入りプラスチックマスク (1) で遮蔽されている。(C) KWS-2で動作中の圧力セルの外観。このセルは、測定プログラムによって制御される自動モードで、試料に常圧から 5,000 bar までの圧力を加えることができる。中央に小さな開口部を持つ円形のCdマスク (1) が、試料上のビームサイズを決定する。ここをクリックしてこの図をダウンロードしてください。

ディスカッション

ソフトマターおよび生物物理学的システムは、通常、nmからミクロンにわたる広い長さスケールに及ぶ構造相関、および相互に関連した微視的構造と形態レベルによって特徴付けられます。このようなシステムの形態の形成・進化のメカニズム、およびその微視的特徴とマクロ的な物性の関係を理解するためには、関連する環境条件（例：温度、圧力、pH、湿度など）の下で、全長さスケールにわたって微視的構造を探索することが重要です。通常、このような研究には中性子小角散乱（SANS）またはシンクロトロンX線小角散乱（SAXS）などの小角散乱手法が用いられます。シンクロトロンX線に対する中性子の強度的な弱点は、比較的大きなΔλ/λを使用することで補われますが、これは装置分解能の低下を招きます。それにもかかわらず、SANSは、特に水素同位体間でのコントラスト変動によって提供される可能性により、独自の利点をもたらします。したがって、SANSはソフトマターや生物物理学的システムの研究に特化して用いられる実験手法であり、それらのシステムに対して独自の構造的および形態的な情報を提供します。世界中のほとんどのSANS回折計²¹はピンホール原理（Figure 2A）に基づいて動作しており、これにより目的とする低-Q分解能が可能になります。実質的に、すべての高フラックスSANS回折計は、1 x 10⁸ n cm^-2 sec^-1のオーダーという同様の最大フラックスを有しています。波長分解能を緩和したことで、KWS-2は約2倍のフラックスを実現しています^{2, 4}。最近では、非常に小さな散乱ベクトルの調査^{22, 23}など、特定のアプリケーション範囲に対して最適化された特性を備えた非常に専門的なSANS回折計が稼働しています。定常状態原子炉²⁴やスポレーション源 ^{25, 26}における専門的なTOF-SANS回折計の最近の導入により、特定の実験セットアップにおけるダイナミックQ範囲の大幅な拡大、および実験分解能の選択に関する柔軟性と最適化が向上しました。KWS-2 SANS回折計では、古典的なSANS装置でありながら、ソフトマターおよび生物物理学の分野における非常に特定の構造研究に必要な高度な汎用性と性能が実現されています。本プロトコルでサポートされているような、複雑な研究を設計し実施する際の最適化、柔軟性、および即時性は、最適化された実験パラメータ（例：強度、長さスケール、空間分解能、および時間分解能）と複雑な試料環境の組み合わせによって達成されます。「はじめに」で列挙し、Figures 8-15に提示された結果で裏付けられた複数の動作モードを使用することで、KWS-2は定常中性子源（原子炉）における古典的なSANS回折計の性能を、簡単かつ実用的な方法で従来の限界を超えて向上させます。

本プロトコルでは、標準的なユーザーが、周囲の熱力学的条件（温度、圧力、相対湿度）および静的条件（構造形成や変換の速度論的変化がなく、せん断や流れがない状態）での試料調査のみを含む、簡便な実験プログラムを定義し、実施するために必要な手順を提示します。温度制御ホルダーまたは特殊な試料環境がいくつか（表1 および 補足図19）、例えば圧力セル、レオメーター、または湿度セルなどの装置が利用可能であり、計測チームによる特別な支援を得ることで最適に設置および調整できます。本プロトコルでは、これらの装置の設定および制御に関する指示は提供しません。外部コントローラの定義および有効化には、別途、より複雑なプロトコルの使用が必要です。本プロトコルでは、狭い長方形形状の石英試料セルを用いて作業する場合について提示します（図3）。しかしながら、広範な細胞形状および細胞種（付随図19実験の実施における柔軟性と効率性を高めるため、ユーザーに提供されます。このようなセルを使用する場合、ステップ4.2.2で述べるパラメータを調整した上で、本プロトコルに従ってください。計測制御ソフトウェアは、ユーザーが科学的目標を追求する際の柔軟性を高め、装置の技術的運用を最適化するように開発されています。装置の特殊な機能およびコンポーネントのすべての調整と設定は、装置チームによって行われます。科学ユーザーが装置の設定、定義、および利用に関与する範囲は簡素化されており、実験セッションの科学的な問題に関連する側面にのみ限定されています。ビーム内への特殊ホルダーの配置や、ビーム内での試料の位置（座標x、y、 Φ、および ω サンプルステージ、回転テーブル、またはクレードル上の 補足図5）、波長ごとの検出器およびビームストップ位置の調整、波長ごとのチョッパーパラメータ（周波数およびオープンウィンドウ）の調整、検出距離および目標分解能 など。 また、現在のプロトコルでは、KWS-2でリアルタイムモードをどのように使用できるかが記載されていません。時間分解SANS実験を実施するためには、より複雑なプロトコルの使用も必要となります。

さらに、本プロトコルでは、測定データを装置やリファレンスからの異なる散乱寄与に基づいて補正し、サンプルを校正して、cm^-1で表されるサンプルの微分散乱断面積 dΣ/dΩ を算出する方法を提示します。この量は、サンプルの構造および形態に関するすべての情報を含んでおり、調査対象のシステムに特徴的な構造相関や相互に関連するサイズレベルが現れる、広範な長さスケールに対応する広い Q 範囲にわたって測定されます。したがって、散乱断面積 dΣ/dΩ は、静的散乱実験において角度 Θ で測定される強度 I_s=f(Θ) と、サンプルの構造特性を関連付けるものです。

注目する系のdΣ/dΩを評価するには、系の測定に加えて、外部散乱（すなわち、環境、サンプルセル、溶質系の場合は溶媒または緩衝液など）によるデータを補正し、補正後のデータを絶対単位で校正するための追加測定が必要です⁸。外部バックグラウンド（サンプルセルまたは容器）、参照サンプル（溶媒または緩衝液）、サンプル透過率（正確なバックグラウンド減算および補正結果の絶対単位での校正に必要）、検出器の電子的なバックグラウンド、検出器感度（面検出器に固有の検出効率の不均一性）、および標準化された標準サンプルも測定する必要があります。KWS-2では、標準サンプルとしてプレキシガラス（PMMA）が使用されています。これは、いわゆる二次標準であり、一次標準サンプルであるバナジウムを用いて定期的に校正されます。バナジウムは散乱強度が非常に弱く、適切な統計量を収集するために非常に長い測定時間を必要とするため、SANSの目的には不向きです。注目するサンプルから得られた強度 I_S と標準サンプルから得られた強度 I_St は、次のように表されます。

[1]

[2]

どこ I₀ 入射強度（コリメーションシステムによって供給される）を表し、 t 厚さは、 A ビームが照射される領域であり、 T 伝播であり、そして Δψ は、試料位置から検出セルが見える立体角である。試料と標準物質の両方が、入射ビームに対して同じ条件で測定される場合（すなわち、 L_C, A_C およびA_S、および λ および Δλ/λ), I₀ および A 同一であり、立体角は次のように表される。 A_D/L_D (〜を伴う/〜と共に) A_D （検出セルの面積を表す）。これら2つの関係式を割り合わせることで、試料の散乱断面積が次のように得られる：

[3]

ここで、I_Stは平均値として表されます（標準試料として非干渉散乱系を用いるため、散乱パターンは平坦になります）。I_Sは、セル（容器）内の試料の測定強度を、空セルの寄与I_ECellおよびビーム遮断時の検出器のバックグラウンドI_Bを用いて補正することで得られます。標準試料の散乱および物理的パラメータを含む係数 t_StT_St(dΣ/dΩ)_Stは、中性子波長 λに依存し、通常は標準試料の校正から既知となります。したがって、これはデータ解析ソフトウェア⁴に表形式でまとめられています。式3において、校正手順および実験装置の定義（t_S, L_D）から既知となるパラメータおよび量は、いわゆる校正係数kを構成します。式3に現れる強度および試料透過率T_Sは測定する必要があります。データ解析プログラムqtiKWSを用いることで、実験データの補正、校正、および放射状平均を行い、柔軟かつ多用途なワークモードで調査試料のdΣ/dΩを算出することが可能です。qtiKWSソフトウェアで生成される最終結果は、Q、I、ΔI、Δσの4列からなる表として提示され、ここでIはdΣ/dΩを、 ΔσはQ分解能⁵を表します。

実用的な観点から、KWS-2を用いることで、試料の形状および熱力学的条件を一定に保ったまま、SANSとUSANSの複合的な調査を行うことが可能です。これにより、ナノメートルからマイクロメートルサイズまで、広範なスケンにわたる複数の構造レベルを持つ大きな形態学的構造を、以下に示すように直接的に調査することができます。 図12. また、小規模構造の限界 $R$ に加え、_C 従来のピンホールモードで測定された散乱曲線に観察される、レンズおよび高分解能検出器を起動することによる大スケール構造の限界 L_C D2O中でポリ(ヘキシレンオキシド-co-エチレンオキシド) PHO10k-PEO10kジブロック共重合体（完全プロトン化）によって形成された円筒形コアシェルミセルによる₂O¹⁴ 極めて低い状態で観察された Q 拡張された値 Q-範囲の動作モード。円筒状ミセルは、約300の全厚を特徴とする Å および約7,000の長さ Å、実験結果とコアシェル円筒状フォームファクタとのフィッティングによって明らかになったように^9,14したがって、2つ以上の異なる装置や試料形状を用いる従来の手法とは異なり、KWS-2を用いることで、温度応答性ゲルの形成や、結晶性または部分結晶性形態の形成および成長といった、特定の感度の高い現象を明確に探索することが可能です。

図11に示されているように、相関系や秩序構造は、複雑なモノクロメータ系の設置に時間と労力を費やすことなく、非常に柔軟に、適応した分解能で研究することが可能です。なお、複雑な系の設置には追加の配慮や安全上の側面が伴います。さらに、チョッパーとTOFデータ収集モードを併用することで、単分散のソフトマター系やサイズ多分散性の低い複合体を、依然として高い強度で非常に精密に特性評価することができます⁵。

高希釈システムや不適切なコントラスト条件の使用による弱い散乱に起因する障害は、分解能を維持しつつ、試料上のビームサイズを大きくすることで得られるより高い強度を用いることで克服できます。Figure 13Aは、レンズを用い、10 mm x 10 mm（従来のピンホールモードで使用される典型的なサイズ）から30 mm x 30 mmの範囲の正方形ビームサイズを使用した高強度モードで測定された、半径R = 150 Åのポリスチレン粒子の散乱パターンを示しています。さらに、直径50 mm（レンズの全サイズ）の円形ビームによる測定結果も示されています。並行して、従来のピンホールモードで得られた正規化結果を提示します。λ= 7 Åの中性子と、従来のピンホールモード（Figure 2B）と同じ入射開口サイズA_Cを用いて26個のレンズを使用したところ、Figure 13B-Cに示すように、検出器上のビームサイズ（分解能）を一定に保ちながら、試料上の強度が約12倍向上しました。27個のレンズシステムは、室温で約32%の透過率を有しています。温度を50 Kまで冷却すると、レンズ材料中のフォノンによる散乱が抑制されるため、レンズの透過率は上昇します。26個の放物面レンズシステムは、ビームがレンズの全体積を通過する直径50 mmの円形ビームサイズでは約65%の透過率であり、レンズ材料がビーム内にごくわずかしか存在しない10 mm x 10 mmの正方形ビームサイズでは約92%の透過率となります。レンズを用いた高強度モードは、一般に検出距離が長い場合に遭遇し、特にコントラスト条件が弱い場合に問題となる弱い散乱のケースにおいて有用です。さらに、試料が短時間しか安定しない場合、このモードの使用は明確な利点となり、それは別の文献¹⁵で実証されています。

一方で、生物学的系の場合は、通常、実験に使用できるサンプル量が少量に限られます。生理的条件下にあるサイズ数ナノメートルの低分子生物学的分子は、緩衝液からの支配的な散乱を上回る弱い散乱信号しか出しません。このような信号は、KWS-2を用いて測定可能です。ピンホールモードの低分解能設定における装置の高い強度を活かし、短いコリメーション長 L_C = 2 m または 4 m および短い検出距離 L_D = 1 m, 2 m, または 4 m を使用します。Figure 14は、緩衝液からの散乱信号の補正を行った後に入手した、重水素化ヘキサフルオロイソプロパノール（dHFIP）中におけるベータアミロイドタンパク質（Aβ 1-42, M_W = 4.5 kDa）モノマーの散乱パターンを示しています。データのモデルフィッティングにより、モノマーのサイズは約 16 ± 1 Ź⁶であることが導き出されました。測定は短い検出距離で行われましたが、各実験条件（検出距離 L_D およびサンプルタイプ）に対して数時間という長い測定時間を要しました。カウント率に制限のある旧検出器が、短いコリメーション距離 L_C の使用を妨げたため、装置の最大フラックスを使用しました。全中性子フラックスの使用を可能にする新しい検出システムの導入により、このような弱い強度も、将来的にはより短時間で、かつ改善された統計精度で測定できるようになります。

最後に、KWS-2の特殊な補助装置を用いることで、刺激応答性を柔軟かつ容易に研究することができます。その一例がFigure 15に示されており、D₂Oバッファー中のリゾチームタンパク質および異なる圧力下で回収されたバッファーからのSANSパターンが示されています。スイスのPSIの設計に基づき自社で製造した新型圧力セルの性能試験において、リゾチーム分子からのバックグラウンドおよび前方散乱の調査に特に重点が置かれました。その結果は、同所で構築されたオリジナルの圧力セルモデルをテストしたKohlbrecher et al.による同様の研究で得られた結果と同等でした^{17, 18}。KWS-2では、5,000 barの圧力に達したため、さらなるデータが取得されています。タンパク質からの前方散乱強度の変化は、スイスのPSIでの研究で観察されたのと同様に、線形的な挙動を示しています¹⁸。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
重水 D2O	Sigma-Aldrich	151882
重水 D2O/H2O	Sigma-Aldrich	151882	90% D2O and 10% H2O
3000 Series Nanosphere Size Standards (ポリスチレン)	Thermo Scientific	3030A	90% D2Oおよび 10% H2O
3000 シリーズ ナノスフィア サイズ標準液 (ポリスチレン)	Thermo Scientific	3070A	90% D2O および 10% H2O
3000 シリーズ ナノスフィア サイズ スタンダード (ポリスチレン)	Thermo Scientific	3100A	90% D2O および 10% H2O
3000 シリーズ ナノスファー サイズ標準物質(ポリスチレン)	Thermo Scientific	3200A	90% D2O および 10% H2O
3000 シリーズ ナノスフィア サイズ標準物質(ポリスチレン)	Thermo Scientific	3800A	90% D2O および 10% H2O
ジブロック共重合体 C28H57-PEO5k		D2O
ォーツセル 110-QX	ヘルマ分析	110-1-46
アルミ製キュベットホルダー	周囲温度でのドライバー
ドライバー アレンキー