Badanie miękkiej materii i układów biologicznych w szerokiej skali długości od rozmiarów nanometrów i mikrometrów na małokątowym dyfraktometrze neutronowym KWS-2

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zbadanie wielkości i rozmieszczenia różnych morfologii polimerów w roztworze wodnym w skalach długości od kilkudziesięciu angstremów do jednego mikrona. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie miękkiej materii i biofizyki, takie jak fuzje i roztwory polimerów, amfifilowe zespoły kopolimerów blokowych, żele, koloidy, denaturacja białek, liposomy, nośniki leków. Główną zaletą tej techniki jest to, że charakterystyka strukturalna i morfologiczna jest przeprowadzana w szerokim zakresie długości z regulowaną rozdzielczością na jednym przyrządzie do rozpraszania neutronów.

Demonstracja ta odbywa się na dyfraktometrze KWS-2 w Julich Center for Neutron Science, Maier-Leibnitz Center. Dyfraktometr posiada trzy tryby pracy, w tym konwencjonalny tryb otworkowy. Neutrony najpierw przechodzą przez selektor prędkości, opcjonalnie przez rozdrabniacz wiązki i otwory kolimatora na wejściu i próbce, zanim zostaną rozproszone przez próbkę.

Detektor czuły na położenie rejestruje rozproszone cząstki. Ogranicznik wiązki zapobiega nasyceniu detektora wiązką bezpośrednią i określa minimalny kąt rozpraszania, który może być osiągnięty dla danej konfiguracji przyrządu. Drugi tryb to tryb ustawiania ostrości o wysokiej intensywności.

W nim znajdują się soczewki przed próbką i większa apertura próbki kolimatora. Umożliwiają one pomiar większych próbek z taką samą rozdzielczością jak w trybie otworkowym. Trzeci tryb może osiągnąć niższy minimalny transfer wektora fali niż tryb otworkowy.

Odbywa się to za pomocą mniejszego otworu wejściowego kolimatora i soczewek. Wykorzystuje również mniejszy detektor czuły na położenie o wysokiej rozdzielczości i mniejszy ogranicznik wiązki. Umieść małą wieżę detektora wysokiej rozdzielczości na końcu urządzenia.

Rozpocząć od etapu pobierania próbek dyfraktometru, aby ustawić przygotowane próbki. W tym przypadku próbki są umieszczane na stoliku na próbki i na linii wiązki. Próbki obejmują cząstki polistyrenu w wodzie i ciężkiej wodzie, kopolimer diblokowy w ciężkiej wodzie oraz próbki referencyjne.

Gdy próbki są na miejscu, opuść obszar próbki i zamknij drzwiczki ołowiane, aby kontynuować. W sterowni przejdź do komputera sterującego, aby uruchomić oprogramowanie pomiarowe. To jest główny ekran oprogramowania sterującego.

W kolejnych krokach nacisk zostanie położony na funkcje po lewej stronie ekranu. Najpierw wybierz funkcję Konfiguracja, aby przejść do okna Konfiguracja. Stamtąd wybierz opcję menu Dane użytkownika.

Prowadzi to do pól identyfikacji i komentarzy, które należy wypełnić. Po zakończeniu wyjdź, klikając Zapisz. Następnie wybierz funkcję Sample.

W oknie, które zostanie otwarte, po lewej stronie pojawi się lista próbek i pozycji. Wybierz jedną z nich i zacznij wprowadzać wymagane informacje. Wprowadzone informacje obejmują tytuł próbki, okno belki próbki, informacje o grubości próbki oraz komentarz.

Przejdź do opcji Zamknij i kliknij go, aby zapisać informacje. Wprowadź informacje o każdej próbce w eksperymencie. Po zakończeniu ze wszystkimi próbkami opuść okno Próbka, klikając przycisk Zamknij.

Wróć do okna Konfiguracja i zapisz wszystkie konfiguracje, korzystając z opcji menu Plik. Następnie zamknij okno Konfiguracja. Na ekranie głównym wybierz funkcję Definicja.

Okno Definicja służy do definiowania eksperymentalnego programu konfiguracji i pomiaru. Wybierz funkcję Sample, która otworzy okno Select Samples. W kolumnie Wybieranie próbek w oknie Wybierz próbki wybierz 12 próbek, które muszą zostać zmierzone.

Użyj niebieskiej strzałki, aby przenieść je do wybranego pola próbek. Aby zmienić kolejność wpisu w wybranych próbkach, zaznacz go i użyj pionowych niebieskich strzałek. W razie potrzeby zmień pola informacyjne dla próbek.

Opuść okno, klikając przycisk Zapisz/Zamknij. Teraz wybierz funkcję Detektor z okna Definicja. Spowoduje to otwarcie okna Definicja pomiarów.

Przejdź do pola Selektor i wybierz odpowiednie wartości dla długości fali. Przejdź do obszaru Pomiar i wybierz opcję Standardowa, aby wybrać pomiar statyczny. Przejdź do obszaru Warunki końcowe, aby wybrać odpowiednią jednostkę czasu dla czasu pomiaru.

Kontynuuj, przechodząc do obszaru Wybierz odległości detektora i kolimatora. W tym miejscu wypełniane są pola czasu pomiaru eksperymentu, ustawień soczewki i polaryzatora oraz odległości kolimacji. Po całkowitym zdefiniowaniu tej konfiguracji kliknij przycisk Nowy.

Spowoduje to naprawienie konfiguracji i zapisanie jej w poniższej tabeli. Po zdefiniowaniu całego zestawu konfiguracji kliknij przycisk Zapisz/Zamknij. Program wygeneruje listę pomiarów.

Można je sortować za pomocą warunków sortowania u dołu menu. W razie potrzeby usuń pomiary lub dostosuj ich czas pomiaru. Opuść ten ekran, klikając przycisk Zapisz/Zamknij.

Następnie w oknie Definicja kliknij przycisk Zamknij, aby powrócić do ekranu głównego. Kontynuuj, wybierając funkcję Kontrola. Na nowym ekranie zaloguj się, aby zablokować sesję generowania skryptu sterującego.

Wybierz opcję Loop Definition (Definicja pętli), aby sprawdzić przesłany program pomiarowy. Wybierz zakładkę Current Values (Wartości bieżące), aby wyświetlić wizualizację parametrów przyrządu podczas pomiarów. Gdy wszystko będzie gotowe, naciśnij przycisk Start i odpowiedz na pytania dotyczące bezpieczeństwa, aby rozpocząć pomiary.

W górnej części ekranu znajdują się informacje o położeniu kolimatora, położeniu detektora oraz aktywnych urządzeniach. W środkowej części ekranu znajdują się informacje o aktualnej próbce oraz stanie migawki wiązki i soczewek. U dołu ekranu znajdują się informacje związane z czasem pomiarów, raporty dotyczące intensywności detektora i monitora, warkocze zliczające zdarzenia oraz szczegóły dotyczące selektora prędkości i parametrów rozdrabniacza.

Po zakończeniu pomiarów otwórz oprogramowanie do przetwarzania danych. Na ekranie początkowym wybierz opcję Rozpocznij nową sesję po prawej stronie okna. Następnie kliknij zakładkę Przetwarzanie danych.

W górnej części obszaru po prawej stronie znajduje się poziomy suwak. Służy do definiowania liczby warunków używanych w eksperymencie. Następnie zidentyfikuj żółte symbole ołówka, które wskazują wiersze, które wymagają wprowadzenia.

Należy podać numery serii dla pustej celi, EC, zablokowanej wiązki, BC i próbek kalibracyjnych. Pola środkowe są przeznaczone dla numerów serii pomiarów z silnym rozpraszaniem do przodu. Pola EB są przeznaczone dla numerów serii pustych belek.

Zaznacz poniższe pola, aby obliczyć transmisję próbek. Wprowadź odpowiednie wartości dla tych pól w każdym eksperymencie. Po wypełnieniu tabeli zidentyfikuj wszystkie wiersze z przyciskami za pomocą zielonych strzałek i kliknij każdy z nich.

W ten sposób ładowane są informacje niezbędne do przetwarzania danych. Następnie nazwij każdą z żółtych kolumn, klikając nagłówek kolumny i podając etykietę. Po zakończeniu nazywania kolumn przejdź do nowego przycisku i kliknij go.

Spowoduje to wygenerowanie listy plików do przetworzenia. Nazwij listę, zanim przejdziesz dalej. Następnie kliknij przycisk Dodaj, aby załadować pliki danych.

Przejdź do przycisku Transmisja i kliknij go, aby znaleźć transmisję każdej próbki. Wyniki pojawią się w wygenerowanej tabeli. Wybierz pozycję Projekt, aby zapisać wyniki w bieżącym projekcie.

Następnie kliknij przycisk I(x, y), aby wykonać korektę i kalibrację danych 2D. Następnie kliknij przycisk I(q), aby uzyskać korektę, kalibrację i uśrednianie promieniowe danych. Dane z tych działań są dostępne za pośrednictwem folderów w oknie u dołu ekranu.

Jest to wzór rozpraszania cząstek polistyrenu o promieniu 500 angstremów, przy użyciu odległości detektora ośmiu metrów i długości fali pięciu angstremów. Ten wzór dotyczy cząstek polistyrenu o promieniu 1000 angstremów, detektorze na 20 metrach i długości fali 20 angstremów. Ten ostatni wzór dotyczy cząstek o promieniu 4000 angstremów, odległości detektora 17 metrów z soczewkami w wtórnym detektorze o wysokiej rozdzielczości i długości fali siedmiu angstremów.

We wszystkich przypadkach wzór rozpraszania jest izotropowo rozłożony wokół ogranicznika wiązki, który blokuje przekazywaną wiązkę. Oto skorygowany i skalibrowany przekrój poprzeczny dla cząstek polistyrenu w ciężkiej wodzie o promieniu 500 angstremów. Dyfraktometr może pokryć szeroki zakres Q w konwencjonalnym trybie otworkowym, zmieniając pozycję wykrywania i używając jednej lub więcej długości fali.

Dane pokazały cechy wektora formy cząstek sferycznych. Przy wysokim Q profil jest zdominowany przez rozpuszczalnik i jest płaski. Te przekroje dla cząstek polistyrenu o różnych promieniach są korygowane pod kątem udziału rozpuszczalnika.

Przy wysokim Q nachylenie wynosi minus cztery, co jest typowe dla obiektów kulistych. Pomiary miceli w ciężkiej wodzie prowadzą do tego dwuwymiarowego i promieniście średniego wzorca rozpraszania w trybie otworkowym. Użycie trybu regulowanej rozdzielczości z wyższą rozdzielczością ujawnia delikatną strukturę szczytów.

Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu 24 godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o zaplanowaniu eksperymentu w oparciu o cele naukowe. Po tej procedurze można zastosować inne metody, takie jak mikroskopia optyczna i krio-TEM, aby pomóc w określeniu ogólnej i lokalnej morfologii badanego systemu jako pomocy w interpretacji złożonych danych rozpraszania.

Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się miękką materią i biofizyką do badania morfologii polimerów i kopolimerów blokowych, białek i cząstek supramolekularnych, żeli i układu koloidalnego w zastosowaniach zdrowotnych i technologicznych. Nie zapominaj, że praca z neutronami może być niezwykle niebezpieczna i podczas wykonywania tej procedury należy zawsze podejmować środki ostrożności, takie jak tradycyjne środki ochrony.