Het bestuderen van Soft-materie en Biological Systems over een breed Lengte-schaal van Nanometer en Micrometer Maten bij de Small-angle neutronendifractometer KWS-2

Het algemene doel van dit experiment is om de grootte en de rangschikking van diverse polymere morfologieën in waterige oplossing te onderzoeken over lengteschalen tussen tientallen angströms en één micron. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in de velden van zachte materie en biofysica, zoals polymeersmelten en -oplossingen, amfifiele blokcopolymeerassemblages, gellen, colloïden, eiwitdenaturatie en liposomale geneesmiddeldragers. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de structurele en morfologische karakterisering wordt uitgevoerd over een breed scala aan lengtes met instelbare resolutie op één enkel neutronenverstrooiingsinstrument.

Deze demonstratie vindt plaats bij de KWS-2 diffractometer van het Julich Center for Neutron Science, Maier-Leibnitz centrum. De diffractometer heeft drie werkmodi, waaronder een conventionele pinhole-modus. Neutronen passeren eerst een snelheidsselector, optioneel een beam chopper en collimatoropeningen bij de ingang en het monster, voordat ze door het monster worden verstrooid.

Een positiegevoelige detector registreert de verstrooide deeltjes. Een beam-stop voorkomt dat de directe bundel de detector verzadigt en bepaalt de minimale verstrooiingshoek die kan worden bereikt voor een gegeven instrumentconfiguratie. De tweede modus is een focusmodus met hoge intensiteit.

Hierin bevinden zich lenzen vóór het monster en een grotere collimator-monsteropening. Deze maken de meting van grotere monsters mogelijk met dezelfde resolutie als de pinhole-modus. De derde modus kan een lagere minimale golfvectoroverdracht bereiken dan de pinhole-modus.

Dit wordt uitgevoerd met een kleinere collimator-ingangsapertuur en lenzen. Er wordt ook gebruikgemaakt van een kleinere positiegevoelige detector met hoge resolutie en een kleinere beam-stop. Plaats de kleine detectortoren met hoge resolutie aan het uiteinde van de eenheid.

Begin bij de monstertafel van de diffractometer om de voorbereide monsters te positioneren. Hier zijn de monsters geplaatst op de monstertafel en in de straallijn. De monsters omvatten polystyreen-deeltjes in water en zwaar water, een diblok-copolymeer in zwaar water en referentiemonsters.

Zodra de monsters op hun plaats staan, verlaat u het monstergebied en sluit u de loden deur om verder te gaan. Ga in de controlekamer naar de controlecomputer om de meetsoftware te starten. Dit is het hoofdscherm van de controlesoftware.

In de volgende stappen ligt de focus op de functies aan de linkerkant van het scherm. Selecteer eerst de functie Configuratie om naar het configuratievenster te gaan. Selecteer daar de menuoptie Gebruikersgegevens.

Dit leidt tot identificatie- en opmerkingenvelden die moeten worden ingevuld. Klik na voltooiing op Save om dit venster te verlaten. Selecteer vervolgens de Sample-functie.

In het venster dat opent, staat links een lijst met monsters en posities. Selecteer een van deze opties en begin met het invoeren van de gevraagde informatie. De ingevoerde informatie omvat de titel van het monster, het straalvenster van het monster, informatie over de dikte van het monster en een opmerking.

Ga naar Sluiten en klik erop om de informatie op te slaan. Voer de informatie voor elk monster in het experiment in. Wanneer alle monsters zijn verwerkt, verlaat u het venster Monsters door op Sluiten te klikken.

Ga terug naar het configuratievenster en sla alle configuraties op via de opties in het bestandmenu. Sluit daarna het configuratievenster. Selecteer op het hoofdscherm de definitiefunctie.

Het venster Definitie wordt gebruikt om de experimentele opzet en het meetprogramma te definiëren. Selecteer de Sample-functie, waardoor het venster Select Samples wordt geopend. Kies in de kolom voor bekende monsters van het venster Select Samples de 12 monsters die gemeten moeten worden.

Gebruik de blauwe pijl om deze naar het veld met geselecteerde monsters te verplaatsen. Om een item in de geselecteerde monsters te herordenen, selecteert u dit en gebruikt u de verticale blauwe pijlen. Wijzig indien nodig de informatievelden voor de monsters.

Sluit het venster door op Opslaan/Sluiten te klikken. Kies nu de functie Detector in het venster Definitie. Hiermee wordt het venster Definitie van metingen geopend.

Ga naar het veld Selector en kies de juiste waarden voor de golflengte. Ga naar het gedeelte Measurement en selecteer Standard om een statische meting te kiezen. Ga naar het gedeelte End Conditions om de juiste tijdseenheid voor de meettijd te selecteren.

Ga vervolgens naar het gedeelte Select Detector and Collimator Distances. Hier worden de velden voor de tijd van de experimentele meting, de instellingen voor de lens en het polarisatiefilter, en de collimatiedistantie ingevuld. Wanneer deze configuratie volledig is gedefinieerd, klikt u op de knop New.

Hiermee wordt de configuratie vastgelegd en opgeslagen in de onderstaande tabel. Nadat de volledige set configuraties is gedefinieerd, klikt u op Opslaan/Sluiten. Het programma genereert vervolgens een lijst met metingen.

Deze kunnen worden gesorteerd met behulp van de sorteercondities onderaan het menu. Verwijder metingen of pas de meettijd aan indien nodig. Verlaat dit scherm door op Save/Close te klikken.

Klik vervolgens in het venster Definitie op Sluiten om terug te keren naar het hoofdscherm. Ga verder door de Control-functie te selecteren. Log op het nieuwe scherm in om de sessie te vergrendelen voor het genereren van het controlescript.

Selecteer Loop Definitie om het geüploade meetprogramma te controleren. Kies het tabblad Huidige Waarden om de visualisatie van de instrumentparameters tijdens de metingen te zien. Druk op de knop Start wanneer u klaar bent en beantwoord de veiligheidsvragen om de metingen te starten.

Bovenaan het scherm staat informatie over de positie van de collimator, de positie van de detector en de actieve apparaten. Het middelste gedeelte van het scherm bevat informatie over het huidige monster en de status van de bundelsluiter en de lenzen. Onderaan het scherm staat informatie met betrekking tot de timing van de metingen, rapporten over de intensiteit van de detector en monitor, event counting braids, en details over de velocitieselecteur en de chopper-parameters.

Nadat de metingen zijn voltooid, opent u de software voor gegevensverwerking. Kies op het startscherm de optie Start New Session aan de rechterkant van het venster. Klik vervolgens op het tabblad voor gegevensverwerking.

Bovenaan het rechtergedeelte bevindt zich een horizontale schuifregelaar. Gebruik deze om het aantal condities voor het experiment te definiëren. Identificeer vervolgens de gele potloodsymbolen, die aangeven welke rijen invoer vereisen.

Runnummers moeten worden opgegeven voor de lege cel, EC, de geblokkeerde straal, BC, en de kalibratiemonsters. De middelste velden zijn voor de runnummers van metingen met sterke voorwaartse verstrooiing. De EB-velden zijn voor de runnummers van lege stralen.

Vink de onderstaande vakjes aan om de transmissie van de monsters te berekenen. Voer in elk experiment de juiste waarden in voor deze velden. Zodra de tabel is ingevuld, identificeert u alle rijen met knoppen met groene pijlen en klikt u op elk daarvan.

Hiermee worden de noodzakelijke gegevens voor de gegevensverwerking geladen. Geef vervolgens elke gele kolom een naam door op de kolomkop te klikken en een label in te voeren. Nadat de kolommen zijn benoemd, gaat u naar de nieuwe knop en klikt u erop.

Hiermee wordt de lijst met te verwerken bestanden gegenereerd. Geef de lijst een naam voordat u verdergaat. Klik vervolgens op de knop Toevoegen om de databestanden te laden.

Ga naar de knop Transmission en klik erop om de transmissie van elk monster te bepalen. De resultaten verschijnen in een gegenereerde tabel. Kies Project om de resultaten in het huidige project op te slaan.

Klik vervolgens op de I(x, y)-knop om de correctie en kalibratie van de 2D-gegevens uit te voeren. Klik daarna op de I(q)-knop voor de correctie, kalibratie en radiale middeling van de gegevens. De gegevens van deze acties zijn toegankelijk via de mappen in het venster onderaan het scherm.

Dit is het verstrooiingspatroon voor polystyreen-deeltjes met een straal van 500 Å, waarbij een detectora standoff van acht meter en een golflengte van vijf Å zijn gebruikt. Dit patroon is voor polystyreen-deeltjes met een straal van 1000 Å, de detector op 20 meter en een golflengte van 20 Å. Dit laatste patroon is voor deeltjes met een straal van 4000 Å, een detectorafstand van 17 meter met lenzen in de secundaire detector met hoge resolutie en een golflengte van zeven Å.

In alle gevallen is het verstrooiingspatroon isotroop verdeeld rond de beam-stop, die de doorgelaten bundel blokkeert. Hier is de gecorrigeerde en gekalibreerde dwarsdoorsnede voor polystyreen-deeltjes in zwaar water met een straal van 500 angstroms. De diffractometer kan een breed Q-bereik bestrijken in de conventionele pinhole-modus door de detectiepositie te variëren en één of meer golflengten te gebruiken.

De gegevens toonden de vormfactor-kenmerken van sferische deeltjes. Bij een hoge Q wordt het profiel gedomineerd door het oplosmiddel en is dit vlak. Deze doorsneden voor polystyreen-deeltjes met verschillende radii zijn gecorrigeerd voor de bijdrage van het oplosmiddel.

Bij een hoge Q is de helling min vier, wat kenmerkend is voor sferische objecten. Metingen van micellen in zwaar water leiden in pinhole-modus tot dit tweedimensionale en radiaal gemiddelde verstrooiingspatroon. Gebruik van de instelbare resolutiemodus met een hogere resolutie onthult de fijne structuur van de pieken.

Zodra deze techniek beheerst is, kan deze in 24 uur worden voltooid mits deze correct wordt uitgevoerd. Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om het experiment te plannen op basis van de wetenschappelijke doelstellingen. Na deze procedure kunnen andere methoden, zoals optische microscopie en cryo-TEM, worden toegepast om de algehele en lokale morfologie van het onderzochte systeem te bepalen, wat dient als ondersteuning bij de interpretatie van de complexe verstrooiingsgegevens.

Na de ontwikkeling heeft deze techniek onderzoekers op het gebied van zachte materie en biofysica de mogelijkheid geboden om polymeer- en blokcopolymeermorfologieën, eiwitten en supramoleculaire deeltjes, gels en colloïde systemen te onderzoeken voor toepassingen in de gezondheidszorg en technologie. Houd er rekening mee dat het werken met neutronen extreem gevaarlijk kan zijn en dat er tijdens het uitvoeren van deze procedure altijd voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen, zoals traditionele beschermingsmaatregelen.