Методическая статья

Измерения на большие расстояния электронной корреляции во время Фемтосекундный дифракции эксперименты, проведенные на нанокристаллов Бакминстерфуллерен

9.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/56296

⸱

22 августа 2017 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1ARC Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging, School of Physics, University of Melbourne, 2Australian Research Council (ARC) Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging, Department of Chemistry and Physics, La Trobe Institute for Molecular Sciences, La Trobe University, 3Department of Physics, Imperial College London, 4Florey Institute of Neuroscience and Mental Health, 5Science and Engineering Faculty, Queensland University of Technology, 6Swinburne University of Technology, 7Department of Engineering Science, University of Oxford, 8Brookhaven National Laboratory, 9Linac Coherent Light Source, SLAC National Accelerator Laboratory, 10BioXFEL Science and Technology Center, 11Laboratory of Molecular Biophysics, Department of Cell and Molecular Biology, Uppsala University, 12Australian Synchrotron

В этой статье

Краткое содержание

Мы описываем эксперимент, предназначенных для проверки электронных повреждение наведенное в нанокристаллов Бакминстерфуллерен (60C) интенсивный, фемтосекундные импульсы рентгеновского излучения. Эксперимента обнаружили, что удивительно, стохастик, а X-ray индуцированной электронов, которые высоко коррелируют динамика в C60 , протяженностью сотни блок ячеек в пределах кристаллы1.

Аннотация

Точные детали взаимодействия интенсивных рентгеновского импульсов с вопросом являются темой интенсивный интерес для исследователей, пытаясь интерпретировать результаты фемтосекундным рентгеновского свободный электрон лазер (XFEL) экспериментов. Все большее количество экспериментальных наблюдений показали, что хотя ядерное движение может быть незначительным, учитывая короткий достаточно падающего импульса, электронные движения нельзя игнорировать. Текущей и общепринятой модели предполагают, что хотя электроны проходят динамика обусловлен взаимодействием с пульс, их движения могут во многом считаться «случайно». Это затем позволит якобы бессвязные вклад от электронных движения следует рассматривать как непрерывный фонового сигнала и таким образом игнорируется. Первоначальная цель нашего эксперимента было точно измерить изменения в интенсивности отдельных пиков Брэгг, благодаря рентгеновского наведенное повреждение электронных в модель системы, кристаллический C60. Вопреки этим ожиданиям мы отметили, что при высокой интенсивности рентгеновского, динамике электрона в C60 были на самом деле тесно связана и на достаточно дальние расстояния что позиции Брэгг размышления значительно изменяются. Этот документ подробно описывает методы и протоколы, используемые для этих экспериментов, которые проводились как в Linac источник последовательной света (ССК) и австралийский синхротрон (AS), а также кристаллографических подходы, используемые для анализа данных.

Введение

Одна из основных целей рентгеновских лазеров свободный электрон (XFELs) является развивать высокую пропускную способность, высоким разрешением подход к молекулярной визуализации и динамика. Структурная биология зависит от атомного масштаба информации, традиционно ограничивается ниже методы рентгеноструктурного анализа резолюции на третьего поколения synchrotrons. Долгих выдержек, которые причиняют ущерб значительным излучения в кристаллах, сильно влияют на резолюции, с помощью традиционных методов. Моментальных снимков дифракции изображений схема2,3,4 , работающих на XFELs, включает в себя сбор дифракционного изображения из короткого импульса рентгеновских лучей, ударяя либо фиксированных целевых выборок, (которые переводятся через фокус пучка) или образцов, вводят в путь луча.

XFEL пульс пример взаимодействия в конечном итоге разрушает образцы, из-за наступления тяжелых радиационного повреждения. Дифракционные изображения собираются до наступления этого разрушения из-за длительности импульса суб-100 fs. Возможность определения структур высокого разрешения из нанокристаллов быстро становится хорошо известна. Однако динамические процессы, которые происходят на Фемтосекундный сроки в условиях эксперимента изображений предлагают глубже взглянуть на атомной физики и может иметь эффект макроскопических нанокристаллов и их дифракции узоры5,6 ,7.

Во время катастрофического повреждения избегается на шкале фемтосекундные, во время которого записывается снимок дифракционного изображения, плотность мощности XFEL импульса может быть достаточно высокой, чтобы модифицировать Электронные свойства образца с которой рентгеновских снимков взаимодействие,78,9. Изучение физики взаимодействия интенсивных последовательной рентгеновского импульсов с вопросом не только представляющие научный интерес, но будет иметь критически важное значение для толкования любого эксперимента, в котором свет от XFEL импульса используется для изучения структура.

В рентгеновских изображений эксперименты на одной молекулы, небольших кластеров или нанокристаллов состоит из нескольких блок клеток пертурбативный анализ показывает, что тот должен соблюдать оба сокращения в очевидной согласованности рассеянного сигнала8, и рост structureless фонового сигнала в результате электродинамических процессов9. Этот эксперимент, стремилась оценить степень, в которой декогерентности электродинамических процессов, происходит в нанокристаллических пудры C60 за счет взаимодействия с коротких импульсов XFEL.

В этой статье мы предоставляем подробную информацию относительно экспериментальной процедуры, в которой весьма упорядоченный переходный электронной структуры от C60 нанокристаллов наблюдается за счет взаимодействия с XFEL импульса1. Дифракционный рисунок, производимых в этих условиях значительно отличается от той, которая наблюдается при той же выборке загорана меньшей мощности, но идентичных XFEL импульсов, или когда используется синхротрона луча на той же энергии фотона. Эта разница отмечена наличием пиков Брэгг, которые не видны в двух профилях дифракции, соответствующий малой мощности и синхротронного дифракционного изображения. Мы демонстрируем наш анализ и облегающие модели подход, используемый для подтверждения наличия динамических электронных искажений, вызванных XFEL пульс Нанокристаллические взаимодействия.

Протокол

1. C 60 порошок пробоподготовки

  1. Применить полиамидные пленки, 10 мкм толщиной, с одной стороны держателя образца фиксированной 1 мм толщиной алюминия (дизайн, показанный на рисунке 1a).
  2. Раздавить C 60 с помощью пестика и раствор небольшими партиями приблизительно 100 мкг. Количество образцов, добавляется раствор не является критическим, но убедитесь, что она не превышает высоту округлые конца пестиком, так что вы don ' t риска прессование порошка вместо дробления его. Это будет гарантировать, что штраф нанокристаллов производятся. Повторите этот процесс несколько раз для получения суммы, необходимой для сбора данных.
    Предупреждение: Подготовка и обработке наноматериалов должно выполняться только в пределах биобезопасности шкафов.
  3. Измельченного порошка 60 C непосредственно удалить из минометов, используя небольшой лопаткой и распределены клетки держателя образца с клейкой пленки полиимидные, бэк в держателе образца, с которыми сталкиваются порошок как тонко, как это возможно.
    1. Для успешного создания единообразной монослоя, поместить клейкой стороне второй Пленки полиимидные (также толщиной 10 мкм) непосредственно над порошок в держателе образца и стащить. Избыток C 60 порошок будет придерживаться второй кусок ленты и затем может быть удален из держателя образца.
    2. Повторять до тех пор, пока не больше порошка приходит ленты и монослоя порошка 60 C появляется равномерно распространяться через индивидуальный образец держатель клетки (см. рис. 1b).
  4. Оставить по крайней мере одно окно пустым (не образца) для включения полиимида фона быть записаны.
  5. Уплотнение держателя образца в пластиковый контейнер для транспортировки в камеру образец излучение.

2. Предварительные исследования Австралийского синхротрона

  1. использования C 60 подготовленных как шаги 1.1-1.5 для порошковой дифракции на излучение MX2 в Австралийский синхротрон.
  2. Запрос падающей энергии 12.905 кэВ (0.9607 Å) и луч размером 30 x 7 мкм.
  3. Смонтировать держатель образца 60 C на стандартный кристаллографии ПИН, вертикальный для рентгеновского пучка на гониометре на расстоянии около 625 мм от детектора, чтобы включить с высоким разрешением данные должны быть собраны.
  4. Перемещение криогенных сопло из положения для обеспечения комнатной температуре порошковой дифракции данные собираются.
  5. Открыть Blu-Ice 10 программное обеспечение программа, которая контролирует излучение MX2.
  6. Пресс ' начало ' кнопку, чтобы начать сбор данных.
  7. Тест разных выдержек (, повторив шаги 2.5 и 2.6) для обеспечения достаточной порошок данные собираются в изображении (характеризуется сильным дифракции кольца вне к краю детектора) максимизация динамический диапазон сигнала без насыщения детектор.
  8. Сканирования в окне образца 60 C и собирать несколько изображений из того же образца.

3. XFEL параметры запроса для установки излучение

  1. запрос кратчайшие возможные импульса в ССК (Апрель 2012-32 fs FWHM), без значительной потери потока (' режим высокой заряд ') для эксперимента в ССК согласованного рентгеновской Обработка изображений (CXI) излучение 11.
  2. С просьбой использовать 10 кэВ (1.24 Å) инцидента рентген энергетического.
  3. Запрос наименьшее место размер фокусного практически достижимыми, используя зеркала CXI Киркпатрик Баэз (КБ), порядка 100 x 100 Нм 2.
    Примечание: Настройка длительности импульса и фокусировки луча осуществляется учеными на излучение CXI. Нецеленаправленных луч размер вверх по течению оптики КБ был примерно 800 x 800 мкм 2, после фокусировки луча размер достигается на фокуса месте был примерно 300 x 300 Нм 2 FWHM, как определяется оптической микроскопии кратеров, сделанные XFEL Брус в YAG кристаллы.
  4. Запрос образца - детектор расстояние (Z-расстояние), 79 мм ( рис. 1 c).

4. Запись Darkfield

  1. набор данных, записи параметров в панели управления 12 DAQ (сбора данных): луч (выключено), количество событий (500), устройство для записи событий (Корнелл-SLAC массив пиксельный детектор - CSPAD13).
  2. Пресс ' запись запуска ' когда готовы к записи набора данных моментального снимка изображения.
    Примечание: Набор всех событий, записанных данных называется ' запустить ' и сохраняется в. Формат файла XTC.

5. Запись на 10% инцидент XFEL потока выполнения

  1. запрос размещение соответствующей толщины алюминия аттенюатора вниз по течению образца и непосредственно перед Корнелл-SLAC пиксель массива детектор (CSPAD) 13 для того чтобы защитить его от повреждений.
  2. Запрос вставки кремния Аттенюаторы, вверх по течению образца при толщине рассчитаны для смягчения 90% падающего рентгеновских лучей, попав в образце. Обратите внимание, что поток импульсов оценивается от луча текущего монитора. Флюенса в образце составил 8,3 x 10 17 фотоны/мм 2 / pulse.
  3. Подключить держателя образца с образцом 60 C в вакуумной камере CXI.
  4. Запрос излучение ученых для выполнения процедуры вакуумного насоса для образца камеры, пока не будет достигнуто вакуума. Она занимает около 30 минут, чтобы добраться до 10 -7 Tor, при комнатной температуре.
  5. Набор данных, записи параметров в панели управления DAQ: пучка (на), события (1500), устройство для записи событий (CSPAD).
  6. Нажмите ' сканирования ' кнопку в разделе конфигурации окна DAQ GUI.
  7. Предоставляют параметры излучение ученых для задания растр сканирования процедуры для запуска. К ним относятся начало позиции (левый верхний угол) и конечное положение (в правом нижнем углу) один образец держатель ячейки окна, шаг размеров (600 мкм) и направление движения сканирования (в оси x). Используя эти параметры, одну ячейку окна (показано на рисунке 1) разрешает двадцать сканов в x направлении более трех строк в окне ячейки.
  8. Нажмите ' применить ' когда были введены правильные значения.
  9. Запрос излучение ученых для задания частота следования импульсов до 1 Гц. Примечание: доступные частота следования импульсов в ССК является 120 Гц, однако в сканирующий режим фиксированной цели 14, Нижняя частота следования импульсов требуется избежать возможность измерения образца, который уже был поврежден на предыдущем снимке. Предупреждение: XFEL взаимодействие с алюминиевой рамкой образца создает опасность насыщения и повреждение CSPAD и так ухода должны быть приняты во избежание кадр.
  10. Пресс ' запустить запись ' для записи XFEL снимок порошковой дифракции dataset.
  11. С помощью вычислительной среды доступны в ССК 12, перейдите в каталог файлов, данные записываются в в в окне терминала.
  12. Введите команду ' xtcexplorer/filepath/имя_файла ' открыть проводник XTC GUI и просматривать изображения, записанные в беге.
  13. Проверка изображений для возможных детектор насыщенность, который обычно происходит около 1,4000 ADUs 13. Если детектор показывает каких-либо признаков насыщения алюминия затухание на детектор необходимо увеличить. Если это происходит, просить больше слоев алюминия аттенюатора на детектор и повторить шаги 5.6-5.12 с растром сканирования задать для следующего окна клеток держатель образца. Слой алюминия 100 & #181, толщиной, охватывающий Центральный четырех модулей CSPAD был использован для этого набора данных м.

6. Запись на 100% XFEL потока выполнения

  1. запрос вставки толщиной алюминиевой Аттенюатор (1000 мкм) через Центральный четырех модулей CSPAD и тоньше 100 µm толщиной аттенюатора над внешней четырех модулей.
  2. Запрос на удаление аттенюаторы кремния позволяет 100% доступных рентгеновского потока удар образца. Потока падающего пик пик unattenuated составил 7,5 × 10 11 фотоны/пульс (давая Флюенс приблизительно 8,3 x 1018 фотоны/мм2/пульс на образце).
  3. Повторите шаги 5.5-5.12 для записи набора данных дифракции на новом окне ячейки держатель образца.
  4. Повторите шаг 5.13 контролировать состояние детектор насыщенность и определить ли достаточно Брэгг порошковой дифракции кольца или пятна Брэгг (выход к краю детектора) являются видимыми и хорошо определены.

7. XFEL данных после обработки и анализа пик

  1. получить калибровки файла (или путь к файлу) излучение ученых.
    Примечание: CSPAD данные в наборе данных предоставляется индивидуальный детектор панелей, сгруппированных по номер события (соответствующий снимок кадра одного изображения). Калибровки файл необходимо собрать детектор панелей в правильный относительные позиции производить реконструированный кадр, соответствующий всему детектор.
  2. Извлечение darkfield Фоторамки (пример приведен на рисунке 2a) из darkfield, запуск набора данных с помощью python скриптовый язык и применения калибровки файл. Примечание: программное обеспечение и установленным обработки данных газопровода для последовательного Фемтосекундный кристаллографии эксперимент в XFELS, которая не была доступна во время этого эксперимента является теперь доступны 15 , 16 .
  3. Сумма darkfield кадры и создавать образ Средний darkfield. Сохранить как darkfield.
  4. Экстракт дифракции кадр изображения из дифракция запуска наборы данных (квадрант пример показан на рис. 2b) и применить darkfield вычитание. Разреженности сигнала производится в отдельных кадрах (после коррекции darkfield и фона) показано в рисунке 2 с.
  5. Сумма darkfield исправлены дифракционного изображения для получения окончательного 2D порошок дифракционного изображения ( Рисунок 2d).
  6. Загрузить изображение порошковой дифракции как входной файл в FIT2D 17 (GUI данных программа сокращения).
  7. Введите размеры изображения (x и y длиной 1800 пикселей) и выберите ' порошковой ДИФРАКЦИИ (2D) '.
  8. Нажмите ' центр луч ' чтобы найти центр дифракционных колец. Выберите четыре очка на внутреннем большинство дифракции кольцо (примерно на равном расстоянии). Пресс ' продолжить ' для определения центра массива шаблон дифракции.
  9. Нажмите ' интегрировать ' для выполнения азимутальной интеграции дифракционного изображения.
  10. Введите параметры геометрии: размер пикселя (110 мкм), образец детектор расстояния (79 мм), длина волны (1.24 ангстрем) и нажмите продолжать генерировать 1D порошок дифракционный рисунок.
  11. Экспорт порошок дифракционный рисунок в виде .chi файла для создания массива угол рассеяния (2 θ) против значения интенсивности.
  12. Определить фон, представленной рассеяния из полиимида полиамида, бэк на образце с помощью соответствующего программного обеспечения. Примечание: Авторы в этом эксперименте использовали PowderX 18 и 19 RIETAN выполнять вычитание фона от 1 D порошок дифракционной картины.
  13. Выполнить шаги 7,1-7,9 dataset выполняет записанные для различных интенсивностей XFEL.
  14. Выберите самое высокое значение интенсивности из трех порошковой дифракции профили.
  15. Нормализовать все профили наиболее интенсивных пик в шаблоне – (111) пик.
  16. Участок 1D рентгеновского порошок дифракционные текстуры, полученные из Австралийского синхротрона (описано в протоколе раздел 2), поток 100% и 10% потока дело на одинаковые оси с помощью универсального построения программного обеспечения ( рис. 3 a-c).
  17. Необязательный шаг: охарактеризовать структуру, выполняя методы дополнительного анализа по вашему выбору. Кристаллографическая данных из этого эксперимента анализировали с помощью программы RIETAN-2000 (включающих псевдо Voigt функция split Торайа 20 , 21 как функция профиля) для анализ Брэгг размышления. Максимальная энтропия анализ проводился с помощью программного обеспечения PRIMA 22 для подтверждения, что структуры, связанные с 10% XFEL интенсивности и австралийский синхротрон наборы данных соответствуют опубликованные структуры для комнатной температуре FCC C 60 .

Результаты

XFEL порошковой дифракции

Данные, представленные для 100% падающий поток XFEL порошковой дифракции является результатом суммирования более чем 1000 single shot измерения производить полный порошок кольцо с разрешением лучше, чем 2 Å.

Сравнение профилей дифракции порошок

Брэгг пики для дифракционных колец были определены и масштабируется до первый (наиболее интенсивные) пик отражения (111). Рисунок 3 показывает три различных дифракционные линии профилей. Сравнивая линии профилей из трех шаблонов дифракции, мы отмечаем, что дифракционный данные, записанные на австралийский синхротрон практически идентичен профиль Брэгг, видели в 10% XFEL данных. Наблюдаются некоторые незначительные различия в относительной высоты вершины Брэгг, но не их позиции. В противоположность профиль 100% мощности XFEL порошковой дифракции данных показывает наличие дополнительных вершин, не видели в 10% XFEL данных профиля, ни в синхротрона данных профиля. Расположение этих дополнительных размышления определены в таблице 1. Для того, чтобы интерпретировать эти различия, корректировка модели ожидаемых дифракции от комнатной температуре FCC C60 Кристалл был построен.

Рентгеновской дифракции моделирования комнатной температуры FCC C60 структуры

Задается интенсивность порошковой дифракции пиков связанные с Брэгг отражений от кристалла
figure-results-1(1),

где figure-results-2 рассеяния вектор, K -коэффициент масштаба, figure-results-3 является коэффициент кратности, Lp является фактором, Лоренц поляризации, W(figure-results-4) является функция профиль пик и M — это количество C60 молекул, содержащиеся в томе рассеяния, расположенный на позиции rm. Молекулярных форм-фактор (МФФ), figure-results-5 , молекулы C60 задается

figure-results-6(2),
где rj положение атома углеродай jв молекуле и fc является фактор атомной рассеяния атома углерода.

Параметры ячейки единица кристалла определяют позиции разрешенных размышления для рентгеновского порошок дифракционной картины. С помощью параметров известных комнатной температуре FCC (единицу длины ячейки, молекула позиций в пределах ячейки) C60, вместе с экспериментальной геометрии в эксперименте дифракции рентгеновских лучей, ожидаемые позиции пиков (Брэгг размышления) можно рассчитываться с использованием MFF для C60 и уравнение 1 и 2 эквалайзера.

Дифракция рентгеновских лучей моделирование данных XFEL 100%

Мы начнем, предполагая, что значительные искажения/преобразования или смещений ядра от их идеальной позиции не происходят во время 32 fs длительность импульса инцидент как предлагается в предварительного исследования23,24. Скорее что значительные изменения в интенсивности, видели в 100% XFEL данных вместо должны определяться движениями электронной структуры молекул60 C. Ниже мы описываем модель, которая воспроизводит экспериментально наблюдаемого функции 100% XFEL дифракции данных, через изменения centro симметричного распределения молекул60 C.

В нормальной, нейтральное государство кристаллической структуры C60 поддерживается двухполюсные силами, которые индуцированных мгновенной колебания в своей электронной плотности. В экспериментальных условиях, описанных здесь однако, ионизации система генерирует сильного внутреннего электрического поля, которая вызывает электрических дипольных моментов в молекулы, поляризации. Ранее формирования диполей в C60 наблюдалась только в одной молекулы и небольших кластеров с помощью оптических методов, таких как УФ спектроскопия25. Здесь однако, перераспределения плотности электронов наблюдается явно как дальнего, так и долгоживущих по отношению к длительности импульса XFEL таким образом, чтобы его эффекты наблюдаются в шаблоне кристаллографических дифракции рентгеновских лучей.

Это приводит к выравнивание соседних диполи через кулоновского взаимодействия и отделению электронной структуры базовой ядерные структуры на временных масштабах порядка 10 fs. Это взимается выравнивания влияет на результирующий симметрии молекулы60 C (см. Рисунок 4). Потеря сферичной симметрии молекулы приводит к дополнительная фаза вклад амплитуда рассеяния, так как молекулы60 MFFs C больше не являются реальным, но сложных функций.

Периодически различной MFF был использован для моделирования возникновение распределения асимметричной молекулярной заряда, в котором распределение плотности электронов молекулыth mсмещается относительно его позиции в кристаллической структуре. С этой модификации к C60 MFF мы смогли воспроизвести интенсивность профиля, видели в 100% XFEL данных.

Уравнение 2 обеспечивает основу для построения выражения для рассеяния фактор, который захватывает дальней электронной корреляции, образуются из XFEL-индуцированной диполей в 100% XFEL данных. Это новая функция MFF, изменения для учета поляризованных молекул C60 , могут быть построены:

figure-results-7(3),

где figure-results-8 является MFF молекул идеального C60 (Данное уравнение 2) и figure-results-9 определяет вектор поляризации XFEL индуцированной диполя. В пределе figure-results-10 , 3 экв приближается уравнение 2 и комнатной температуре 10% мощности дифракции данных восстанавливается. Какfigure-results-116/56296eq12.jpg» / > увеличивается, симметрии молекулы изменяется, и соотношения всех возможных дифракции вершины начинают меняться. Фактическое распределение поляризованных молекул в кубической решёткой влияет на результирующий дифракционной картины.

Когда figure-results-12 , изменены симметрии молекулы60 C и соотношения всех возможных дифракции вершины начинают изменяться относительно маломощные дифракционной картины. В соответствии с данными для этой модели, значения figure-results-13 были изучены, показывая хорошее согласие в диапазоне 20° ≤ 2θ ≤ 30 ° рассеяния углов для figure-results-14 .

Цель этого эксперимента было измерить степень, в которой стохастических photoionisation K-Shell в атомов углерода влияет дифрагированных света, измеренная для FCC C60 нанокристаллов. Photoionisation K-оболочки электронов в атомах углерода (энергия электрона = 284 eV) изменяет атомной рассеяния факторы, fc, как уменьшение рассеяния амплитудой в высоких figure-results-15 рассеяние регионов. K-оболочки отверстия в атомов углерода в рамках C60 молекул в кристаллической решетке вызывает изменения амплитуд рассеяния Брэгг отражений.

Мы ожидали наблюдать растущую изотропной фон, зависит от поток фотонов, применяется к образцы порошкового Нанокристаллические согласно следующие основные предположения: 1) photoionisation K-оболочки в углерода является доминирующей процесс в Пример XFEL взаимодействия, 2), photoionisation отдельных углеродных атомов не коррелируется с любых других атомов в кристалле, 3) photoionized электронов остаются делокализованных для длительности импульса и таким образом способствовать непрерывной фон сигнал.

То, что мы на самом деле наблюдается в эксперименте было наличие сильного, запрещено размышления в комнатной температуре, FCC нанокристаллов C60 когда образец был подвергнут XFEL импульсов 100% мощности. Ионизации делокализованных, случайные события не может объяснить наблюдаемое Запретный размышления.

Рисунок 3 показывает внешний вид этих запрещенных размышления, совпадая с значительное снижение интенсивности разрешенных размышления FCC. Эти изменения нельзя быть описаны любые конкретные ориентационного заказ идеально C60 молекул в кристаллической решетке.

В соответствии с нашего анализа1, коррелированных, распределения заряда не Центросимметричная на каждой молекулы60 C (экв. 4), оказался единственным средством создания модели порошковой дифракции профиль, который соответствует экспериментальных данных (видел в Рисунок 5). Для сравнения все данные и модели показаны вместе, но смещение по вертикали относительно друг друга, на той же оси на рисунке 6.

figure-results-16
Рисунок 1. Установка образцов XFEL порошковой дифракции и геометрии
(a) держателя образца используется для фиксированной цели сканирующий режим C60 кристаллический порошок. Выборки построен из алюминия. Измерения указано приведены в единицах мм. приблизительно размеры образцов клеток являются 2 мм x 12 мм. (b) фотография C60 кристаллический порошок применяется в трех клеток (рассматривать как мрачно окрашенных клеток) с поддержкой полиимидные, применяется в качестве поддержки ( Желтая пленка на вершине держателя образца). (c) схема эксперимента60 C. Образец является растровые, проверенных в направлениях x-y в моментальном снимке изображения схемы. K-B зеркала фокус XFEL луч пятно размером 300 Нм x 300 Нм на образец. Образцы проходят в вакууме стабилизировать условия выборки и свести к минимуму возможность взаимодействия рентгеновского рассеяния источников помимо образца. Входящие импульсы XFEL хит порошок кристалл в камерах держателя образца, и дифракционный рисунок записывается на детектор CSPAD. Разрешение 1.5 Å достигается путем установки образца детектор расстояния до 79 мм. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы мнение большего версия этой фигуры.

figure-results-17
Рисунок 2. CSPAD
Обратите внимание, что бар белые шкалы в), b) и d) представляет собой 40 мм.
darkfield () CSPAD. Извещатель состоит из 32 прямоугольных модулей, положения которого могут быть изменены путем перемещения концентрически наружу рекордно высокий угол дифракции при необходимости. (b) суммируются кадров необработанных данных (верхней правой штанге, более 1000 кадров суммируются) до фона и darkfield коррекции. (c) отдельных дифракции снимки, демонстрируя разреженности дифракции сигнала. (d) профиль дифракции, показаны также определены порошковой дифракции кольца осуществляется путем суммирования 1500 дифракции кадры с фонового сигнала вычитание применяется к отдельным кадрам.

figure-results-18
На рисунке 3. Порошковой дифракции данных
(a) Azimuthally среднем дифракционные текстуры для dataset XFEL 10%, 100% XFEL dataset и синхротронного dataset. Позиции FCC Bragg пиков указаны в соответствии с комнатной температуре C60 ГЦК структурой. (b) врезные региона показаны размышления в структуре FCC 100% между рассеяния углы 10⁰ ≤ 2θ ≤ 13⁰ не видели в других двух профилей. (c) врезные региона показаны различные пик профиль в 100% XFEL данных между рассеяния углы 20⁰ ≤ 2θ ≤ 28⁰. 10% данных XFEL и синхротронного данных удовлетворяют правила выбора для FCC структуры, состоящие из электронно Центросимметричная молекул. Однако наличие дополнительных вершин (отражения) видели в 100% данных XFEL нарушать эти правила выбора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

e = «1» >figure-results-19
Рисунок 4. Переходные искажения C60
Визуализации выравнивания диполей в структуре решетки FCC на этапе коррелированных электронных переходных. C60 молекул представлены синий сферах и красный советы представляют направление приказал диполей.

figure-results-20
Рисунок 5. Порошковой дифракции модель
Порошковой дифракции профиль порожденных моделирования структуры FCC для C60 (с помощью эквалайзера 1 и 2) по сравнению с моделью C60 FCC структуры подвергаются 100% интенсивности XFEL импульса (с помощью эквалайзера 1 и 3). Выявленные пики помечены Брэгг. Область интересов (20° ≤ 2θ ≤ 30°) выделяется пунктирной линией. Хотя модель FCC описывает интенсивность разрешенных размышления хорошо, это не объясняет наличие целого ряда дополнительных вершин (см. Рисунок 2a и b) наблюдается 100% интенсивности XFEL данных. Причина этого заключается, что простой перевод молекулярного кластера (Рисунок 3) вдоль кристаллографических осей кубической решёткой дает неполную картину ориентационного заказа поляризованных молекул60 C в кубической решетка. В отличие от 100% XFEL модель, которая принимает во внимание ионизации индуцированной выравнивания диполей в FCC решетки (как показано на рис. 4), воспроизводит всех дополнительных вершин, отмечено в 100% интенсивности XFEL данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

figure-results-21
Рисунок 6. Сравнение характеристик порошка между моделью и данных
Качественное сравнение линии профилей для трех дифракционные текстуры записано в условиях различных освещения экспериментально. Кроме того профили линии рассчитывается с помощью уравнения 2 и 3 нашей модели отображаются. Ясно, что введение периодически модифицированных MFF, профиль линии модели XFEL 100% согласна с нашей 100% XFEL данных.

Измеренные рассеяния углы дополнительных размышлений (град.)Расчет рассеивания углы дополнительных размышлений (град.)
21.3121.25, 21.45
23.2322.99, 23.02, 23.39
24.4424.29 24.43, 24.47, 24.64
26.626.51, 26.67

Таблица 1. Брэгг размышления, видели в XFEL данных
Набор Брэгг размышления измеряется в 20⁰ ≤ 2θ ≤ 30⁰ для 100% данных XFEL дифракции, а также те, рассчитанных с использованием Eqns. 1-4.

Положение молекулВыравнивание
(0,0,0)figure-results-22
(0.5,0.5,0)figure-results-23
(0.5,0,0.5)figure-results-24
(0,0.5,0.5)figure-results-25

Таблица 2. FCC молекулярной выравнивания во время переходных коррелированных фаза
Эта таблица описывает выравнивание поляризованных молекул60 C на этапе переходных коррелированных опытных во время импульса XFEL кристалла.

Обсуждение

Калибровка кадров данных дифракции.

С. XTC файлы (которые содержат данные из полного запуска) содержат калибровочные параметры, определяющие геометрические расположение CSPAD модулей (показано на рисунке 2А) во время эксперимента. Правильное расположение данных, записанных на отдельных модулей имеет решающее значение для сборки отдельных дифракции данных изображений, содержащих данные, записанные в каждом запуске. В то время, выполненных эксперимент расположение файла калибровки, содержащих правильные параметры не был установлен автоматически, и ручных вычислений требуется команда для устранения проблемы. Из-за дополнительное время, затраченное исполняющей калибровки данных, которые было времени между параметр набора данных моментальных снимков выполнения и проверки успешного выполнения через darkfield и фон вычитается суммирования кадров изображения в наборе данных.

Кристалл размеров.

В некоторых из первоначального XFEL моментального снимка выполняется, сильный монокристаллов, Брэгг размышления были замечены в некоторых кадров изображения. Это явилось результатом некоторых из образца60 C, не достаточно мелко дробленая. Наблюдения оптических размышления из измельченного порошка показывает, что грани кристалла слишком велики (соответствует длине волны видимого света ~ 400-700 Нм). Порошок следует проверять эти размышления на стадии дробления, и если сильный, монокристаллов, Брэгг размышления рассматриваются в данных порошок необходимо далее дробленая.

Поскольку результаты этого эксперимента были не ожидается или планируемых для успешного порошковой дифракции сбора данных для образца60 C был получен только на два крайних интенсивности настройки (10% и 100% потока). Луч время на объекте ограничено, и поэтому любые настройки, вычисления или образец обработки ошибок и проблем имеют большое влияние на экспериментальный план. Два наиболее широко разделены инцидента интенсивности точек были приоритеты и было недостаточно луч время для сбора достоверных статистических данных для любых промежуточных точек. Таким образом мы были не в состоянии экспериментально оценить триггерный с точки зрения XFEL потока, на котором происходит изменение этого переходного этапа.

Предварительные исследования.

Сбор данных порошковой дифракции на австралийский синхротрон, от того же образца60 C, измеряемая на XFEL. Synchrotrons обычно используются для экрана для подходящих XFEL целей26и в настоящем случае положительно подтвердил, что на 10% XFEL интенсивности, дифракция данных соответствует структуре государственной земли FCC C60.

Образец и детектор затухание.

Калибровка падающий поток путем регулировки кремния аттенюаторы вверх по течению образца имеет важное значение, особенно поскольку изучается эффект зависит от интенсивности. Строительство подходящий алюминиевый аттенюатора на детектор, соответствует падающий поток также было критическим.

Удар образца на местоположение фокальной точки луча.

Положение фокуса месте КБ на XFEL необходимо также соблюдать сообщил явление, так как плотность потока на образце должна быть достаточно, чтобы вызвать образование диполей во всем кристалл. Измерение размера кратеров созданные XFEL света в кристалле YAG с помощью оптической микроскопии, а так же прекрасный образец сканирования вдоль оптической оси и глядя на интенсивности дифракционного был использован для определения местоположения фокальной плоскости.

В будущем будет изучена реализаций этой работы большего количество падающего света, а также длительности импульса. Эта работа имеет потенциальные последствия для предстоящих экспериментов анализа дифракции данных, собранных из нанокристаллов XFEL источников. Он также предоставляет новые идеи в фундаментальное взаимодействие XFELs с вопросом, подчеркнув, что XFELs имеют потенциал, чтобы исследовать новой физики, не размещены внутри обычных кристаллографии.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Авторы признают поддержки Австралийский исследовательский совет центра передового опыта в Расширенный молекулярной визуализации. Части этого исследования были проведены в ССК, механизм национальных пользователей, Стэнфордский университет, выполняемых от имени Министерства энергетики США, отделение фундаментальных наук энергии. Мы признаем, что финансирование командировок, предусмотренные программой международной синхротрона доступ управляемого AS и правительством Австралии. Кроме того некоторые из этого исследования был проведен на MX1 и MX2 излучение в AS, Виктория, Австралия. Автор взносы: Б.А. отвечал за планирование и управление всеми аспектами экспериментального проекта. Эксперименты были разработаны Б.А., R.A.D., в.с., ПД и Б.А. G.J.W., H.M.Q., к.а.н. и R.A.D. написал оригинальный ССК предложение. D.W., R.A.D., R.A.R., A.V.M., ЕС и с.в. осуществляется моделирование работой. Б.А., R.A.D., ПД, в.с., M.W.M.J., R.A.R., н.г., F.H., G.J.W., с.б., м.м., M.M.S., A.G.P., C.T.P., A.V.M. и к.а.н. сбор экспериментальных данных в ССК. Сбор экспериментальных данных на австралийский синхротрон с.в., V.A.S. и R.A.D. C.T.P. и A.V.M. привели преобразования экспериментальных данных и анализа. Б.А., ПД, н.г. и е.б. были ответственен за дизайн держатель образца и тестирования. R.A.R, Б.А., с.в., A.V.M и H.M.Q писал этот манускрипт. Разработка электронных ущерба согласованности теории осуществляется H.M.Q. и к.а.н.; R.A.D. задумал применить этот формализм C60.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Макроскопический 99,5+ % чистый C60SES RESEARCH
Пестик и ступкаSigma Aldrichиспользуется для измельчения порошка C60;
Алюминиевый листиспользуемый для изготовления держателя образца
каптоновой полиимидной пленкиDu Ponthttp://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film/
CXI beamlineSLAChttp://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?yi5003
защитные очки
биобезопасности шкаф
,

Ссылки

  1. Abbey, B., et al. X-ray laser-induced electron dynamics observed by femtosecond diffraction from nanocrystals of Buckminsterfullerene. Sci. Adv. 2 (9), e1601186(2016).
  2. Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nat. 470 (7332), 73-77 (2011).
  3. Boutet, S., et al. High-resolution protein structure determination by serial femtosecond crystallography. Science. 337 (6092), 362-364 (2012).
  4. Redecke, L., et al. Natively inhibited Trypanosoma brucei cathepsin B structure determined by using an X-ray laser. Sci. 339 (6116), 227-230 (2013).
  5. Kern, J., et al. Simultaneous femtosecond X-ray spectroscopy and diffraction of photosystem II at room temperature. Sci. 340 (6131), 491-495 (2013).
  6. Aquila, A., et al. Time-resolved protein nanocrystallography using an X-ray free-electron laser. Opt. Exp. 20 (3), 2706-2716 (2012).
  7. Nass, K., Hau-Riege, S. Radiation damage in ferredoxin microcrystals using high intensity X-FEL beams. , Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Livermore, CA. (2014).
  8. Quiney, H. M., Nugent, K. A. Biomolecular imaging and electronic damage using X-ray free-electron lasers. Nat. Phys. 7 (2), 142-146 (2011).
  9. Lorenz, U., Kabachnik, N., Weckert, E., Vartanyants, I. Impact of ultrafast electronic damage in single-particle x-ray imaging experiments. Phys. Rev. E. 86 (5), 051911(2012).
  10. McPhillips, T. M., et al. Blu-Ice and the Distributed Control System: software for data acquisition and instrument control at macromolecular crystallography beamlines. J. Synchrotron Rad. 9, 401-406 (2002).
  11. Boutet, S., Williams, G. J. The coherent X-ray imaging (CXI) instrument at the Linac Coherent Light Source (LCLS). New J. of Phys. 12 (3), 035024(2010).
  12. LCLS Photon Control and Data Systems Documentation Page. , Available from: https://confluence.slac.stanford.edu/display/PCDS/PCDS+Home (2009).
  13. Hart, P., et al. The CSPAD megapixel x-ray camera at LCLS. Proc. SPIE. 8504, (2012).
  14. Hunter, M. S., et al. Fixed-target protein serial microcrystallography with an x-ray free electron laser. Nat. Sci. Rep. 4, 6026(2014).
  15. Nakane, T., et al. Data processing pipeline for serial femtosecond crystallography at SACLA. J. App. Crystallography. 49, 1035-1042 (2016).
  16. White, T. A., et al. Crystallographic data processing for free-electron laser sources. Acta. Cryst. 69, 1231-1240 (2013).
  17. Hammersley, A., et al. Two-Dimensional Detector Software: From Real Detector to Idealised Image or Two-Theta Scan. High Pressure Res. 14, 235-248 (1996).
  18. Dong, C. PowderX: Windows-95-based program for powder X-ray diffraction data processing. J App. Crystallography. 32 (4), 838(1999).
  19. Multi-Purpose Pattern Fitting System REITAN-FP. , Adv. Ceramics Research Cnt. Nagoya Institute of Technology. Available from: http://fujioizumi.verse.jp/download/download_Eng.html (2014).
  20. Ida, T., Ando, M., Toraya, H. Extended pseudo-Voigt function for approximating the Voigt profile. J. App. Crystallography. 33 (6), 1311-1316 (2000).
  21. Toraya, H. Array-type universal profile function for powder pattern fitting. Journal of Applied Crystallography. 23, 485-491 (1990).
  22. Takata, E. N., Sakata, M. Charge density studies utilizing powder diffraction and MEM. Exploring of high Tc superconductors, C60 superconductors and manganites. Cryst. Mat. 216 (2), (2009).
  23. Neutze, R., Wouts, R., van der Spoel, D., Weckert, E., Hajdu, J. Potential for biomolecular imaging with femtosecond X-ray pulses. Nat. 406 (6797), 752-757 (2000).
  24. Hau-Riege, S. P., London, R. A., Szoke, A. Dynamics of biological molecules irradiated by short x-ray pulses. Phys. Rev. E. 69 (5), 051906(2004).
  25. Petersen, J. C., et al. Clocking the Melting Transition of Charge and Lattice Order in 1T-TaS2 with Ultrafast Extreme -Ultraviolet Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy. Phys. Rev. Let. 107 (17), 177402(2011).
  26. Darmanin, C., et al. Protein crystal screening and characterization for serial femtosecond nanocrystallography. Nat. Sci. Rep. 6, 25345(2016).

Перепечатки и разрешения

Теги

C60
Измерения на большие расстояния электронной корреляции во время Фемтосекундный дифракции эксперименты, проведенные на нанокристаллов Бакминстерфуллерен
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.