Summary
작고 다양한 각도 X-선 산란 (SWAXS) 절차의 데모는 생물 고분자의 연구 수단이되고있다. 특정 각도 방법과 준비 계측 및 절차의 사용을 통해, SWAXS의 실험 데이터는 고분자의 원자 및 나노 규모 특성을 표시합니다.
Abstract
본 논문에서는 고분자의 소형 및 와이드 앵글 X-선 산란 (SWAXS) 분석 실험을 통해 입증된다. 넓은 각도 (일반적으로> 5 °) - SWAXS는 X-선을 탄 성적으로 작은 각도 (5 ° 일반적으로 0.1)에서 나노 미터 범위의 inhomogeneous 샘플에 의해 분산되어 기술입니다. 이 기술은 모양, 크기, 고분자, 부분적으로 주문 자료, 기공 크기 및 표면 - 투 - 볼륨 비율의 특성 거리의 분포에 대한 정보를 제공합니다. 와이드 앵글 X-선 산란 (WAXS)가에 따라 0.33 나노 미터와 0.49 나노 미터 사이의 샘플도 작은 브래그 간격을 해결할 수 있습니다 반면, 작은 각도 X-선 산란 (SAXS)는, 1, 200 nm의 사이에 고분자의 구조 정보를 제공 할 수 있습니다 특정 시스템 설정 및 검출기. 간격은 브래그의 법칙에서 결정하고 파장과 사건 각도에 따라 달라입니다.
SWAXS 실험에서, 자료는 고체 수 있습니다또는 액체와 조합에서 동일한 또는 다른 재료의 고체, 액체 또는 기체 도메인 (소위 입자)를 포함 할 수 있습니다. SWAXS 응용 프로그램은 매우 광범위하고 모든 유형의 colloids은 다음과 같습니다 금속, 복합 재료, 시멘트, 석유, 폴리머, 플라스틱, 단백질, 식품 및 제약합니다. 고체 시료를 들어, 두께는 약 5mm로 제한됩니다.
실험실 기반의 SWAXS 장비의 사용이 논문에 자세히 설명되어 있습니다. SWAXS 시스템에 사용할 수있는 소프트웨어 (예를 들어, D. Svergun EMBL - 함부르크 (Hamburg)와 EasySWAXS 소프트웨어를 사용하여 GNOM - ATSAS 2.3 패키지)를 통해 실험은 주어진 샘플에 대한 관심의 특정 매개 변수를 결정하기 위해 실시 할 수 있습니다. 생물 macromolecule 실험 중 하나 예 선택하고 다양한 방법으로 준비 할 수있는 물을 기반 수성 버퍼 2 중량 %의 라이소자임의 분석이다. 샘플의 준비는 샘플 섹션의 준비에 아래의 지침을 따릅니다. SWAXS 실험을 통해,라이소자임의 중요한 구조 매개 변수는 단면 2 차 반경을 예를 들어, 분석 할 수 있습니다.
Protocol
1. 샘플의 작성
- 샘플 컨테이너에서 샘플의 일부를 제거하는 바늘을 사용합니다. *
- 모세관을 채우기 위해 바늘을 사용 (2.2 mm 최대 직경) 샘플. 모세는 바닥에서 2 3cm 사이에 작성해야합니다.
- 그 끝에 녹는 왁스로 모세관을 닫습니다.
- 나사가 빠지다 시스템에서 진공 샘플 홀더를.
- 융합 끝 (왁스 끝)에 의해 모세관를 타고 샘플 홀더에 해제 - 융합 끝을 삽입합니다.
- 장소에 시스템 및 나사에 다시 홀더를 배치합니다.
액체 샘플이 모세관에 삽입해야합니다 반면, * 고체 시료 (분말 샘플 포함) 직접 샘플 홀더 (NO 모세관 필요)에 배치 할 수 있습니다.
시작 - 업 SWAXS 기계의
2. 소스 냉간 시동 절차
- 안전 셔터 버튼을 눌러 셔터를 닫습니다.
- 주 전원 스위치버튼을 녹색을 눌러 "ON".
- 긴급 "시스템 종료 - 오프 '버튼을 확장 위치에 있는지 확인합니다.
- 녹색 버튼을 눌러에 주 전원을 전환합니다.
- 연동 LED의 빛은 모든 연동 괜찮 니 나타내는 녹색 확인합니다.
- 로드 터치 스크린이 나올 때까지 기다리는 것이 좋습니다. 일단로드, 메뉴의 "R6"를 누르십시오.
- "ON"위치로 대기 모드 키를 설정합니다.
- "ON"위치로 X-레이 키를 설정합니다. 빨간색 X-선 라이트가 점등합니다.
- 대기 수준 (30 KV와 0.4 mA)을 읽는 터치 스크린이 나올 때까지 기다리는 것이 좋습니다.
- "OFF"위치에 대기 안전 키를 설정합니다. 터치 스크린 하단에있는 "시작주기"버튼을 누르십시오.
- 정격 출력 (50 KV와 1mA)를 읽어 터치 스크린이 나올 때까지 기다리는 것이 좋습니다. 다른 전원 수준이 필요하다면, 터치 스크린에 'R4'를 누르고 원하는 설정을 입력하여 구성 화면을 입력합니다.
3. 냉각기 절차
- 전원을 켜 swi온도 제어 패널의 "ON"위치로 tch. 제어 빛과 LED 온도 표시가 점등됩니다.
- 냉각기에있는 "ON"위치로 전원 스위치를 켜십시오.
- 온도 디스플레이가 읽 때까지 기다리십시오 "OFF." 이 대기 모드입니다.
- 누르면 약 4 초 또는 온도 표시 될 때까지 ENTER 버튼 (반환 기호)를 개최는 실제 온도를 나타냅니다.
- 온도를 변경하려면 위 또는 아래 화살표를 누르십시오. 그것이 실제 값으로 돌아갑니다 전에 설정 값은 약 8 초 동안 온도 디스플레이에 표시됩니다.
- 원하는 설정 값이 표시되면 ENTER 버튼을 누릅니다. 이것은 값을 저장합니다.
- 실제 온도가 원하는 설정 값을 도달 할 때까지 기다리십시오.
참고 : 언제든지 오류 "E 01"온도 디스플레이에 표시되면, 탱크 fil에 정화 물을 붓는하여 냉각 시스템 종료 방법, 충전 목욕 단위를 따르십시오저는 다음 다시 냉각기의 시작 절차를 수행합니다.
4. 냉각기의 종료
- 약 4 초에 "를 입력"키를 누릅니다.
- "OFF"위치로 전원 스위치를 켜십시오.
5. 진공 켜기
- 진공 문이 곳에서 고정되어 있는지 확인합니다.
- "ON"위치로 진공 1, 2 노브를 켜십시오.
- VAP5 진공 게이지 1.5 mbar보다 진공 레벨 이하 읽습니다 때까지 기다리십시오.
6. 감지기 시스템 설치
- 가스 압력을 설정하려면 확인 감소 밸브의 주요 압력 게이지는 최소 10 줄입니다.
- 메인 밸브를 엽니 다.
- 압력이 운영 압력 게이지 8 줄을 도달 할 때까지 천천히 작동 압력 밸브를 엽니 다.
- 두 번째 메인 밸브를 엽니 다
- 가스의 흐름을 조정하려면 가스 제어 패널의 수직 위치에 노브를 돌려 메인 압력 밸브를 엽니 다.
- 흐름을 조정니들 밸브와 속도 게이지가 약 8 줄을 읽습니다 때까지.
- "ON"위치로 주 전원 스위치를 켜십시오. LED 빛은 점등합니다.
- 높은 전압을 조정하려면 "ON"위치로 스위치를 설정하여 높은 전압을 활성화합니다. LED 빛은 점등합니다.
- 약 3.5kV이 게이지에 도달 할 때까지 천천히 전압 제어 노브를 켜십시오. 4kV를 초과하지 마십시오.
7. 구경 측정
- 위의 실험 단계는 알려진 봉우리의 샘플로 수행됩니다.
- ASA 3.3은 5 봉우리와 강도 대 채널의 그래프를 얻을하는 데 사용됩니다.
- 메뉴로 이동 → 옵션 → 채널과 해당 농도를 입력합니다.
- 첫번째 "TPF '탭을 ASA3로 이동합니다.
- 필터 변경, 상단 1mm 니켈을 (빔 필터) 떠났다.
- → 위치로 이동 검출기는 정말이에요 있는지 확인해야 진공은 아래 5 mbar인지 확인 위치 32000을 (32000에 이르는 28,000, 28,000 주위에 중요한 지역) 설정1,000 - 10,000 사이 땡.
- 초 당 약 52 카운트에 대한 10 초에 실행합니다.
- 에너지 창을 (또는하지 필터 케이스 포함 만 샘플로 에너지 창을 측정) 변경합니다. 10 초에 대한 최종 실행을 설정합니다.
- 주 빔 (예를 들어 채널 233)의 위치를 찾습니다.
- 다른 실행를 들어, 2mm 텅스텐 (W, 빔 스토퍼)로 다시 필터링하고 30,000부터 시작을 변경할 수 있습니다.
- 샘플 다른 모든 봉우리의 위치를 찾습니다.
- SAXS을 보정 ImageJ - 매크로 소프트웨어를 사용하여 - (그림 1) 강도 대 채널에서 강도 대 Q (또는 D 간격)로 전환하는.
- WAXS을 보정 ImageJ - 매크로 소프트웨어를 사용 - 강도 대 채널에서 강도 대 Q (또는 D 간격)로 전환하기 (그림 2).
8. 소프트웨어 절차
- 라이브 데이터를 수집하기 위해, 소프트웨어에게 ASA 3.3 사용 : 라이브 데이터 → TPF 탭 → 파일을 저장합니다.
- EasySWAX에 대한S는 장치 설정 탭을 클릭합니다.
- "A", 람다, 및 D 값뿐만 아니라 무게 중심을 입력합니다.
- 포인트 시준을 선택합니다.
- 구상 입자 유형을 선택합니다 (이것은 평면 모양의 입자의로드로 알려져 있지 않는 한).
- Guinier - 플롯 탭을 클릭합니다. I 대 Q이 그래프가 표시됩니다.
- 약 선형 기울기의 한 부분을 둘러싸고있는 수직 라인을 끕니다.
- 화면의 하단에서 R 값이 표시됩니다. 이 옆에 유효성 검사 요구 사항이 있습니다.
- 유효성 검사 값이 1과 2 사이에 때까지 서로 가깝게 수직 라인을 드래그하고 있습니다. 이 주관적입니다. 획득 R 값, 단면 2 차 반경, 추정치입니다.
9. 소스 종료 절차
- 안전을 확인하고 빠른 셔터은 실행 종료와 함께 해제된다.
- "ON"위치로 대기 모드 키를 설정합니다.
- 대기 수준을 읽을 터치 스크린 기다립니다.
- t에 보도 R5ouchscreen.
- 0 A.에 전류를 감소
- 0 A.에 전압을 감소
- "OFF"위치에 X-레이 키를 설정합니다.
- 빨간색 해제 버튼을 눌러 주 전원 "OFF"를 전환합니다.
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Representative Results
선전, 입자의 크기와 모양, 솔루션 구조 요소, 특정 내부 표면 및 기공 크기, 격자 유형 및 크기, 그리고 전자 밀도 1의 반경 : SAXS와 WAXS 교수는 다음 매개 변수를 통해 샘플의 구조 정보를 제공 할 수 있습니다. SAXS 및 WAXS 또한 단백질 역학 (2)의 연구에 적용 할 수 있습니다.
SWAXS 실험의 구조 정보는 실험적으로 발견 스펙트럼과 시스템의 계산 결과를 비교하여 얻어진다. 계산 결과는 같은 Ornstein-Zernike (OZ) 적분 방정식 이론 (예 : 분석의 예를 참조에서 볼 수 있습니다. 3)과 같은 통계 역학 모델에서 개발 한 합리적인 효과가 잠재적 인 V EFF (R)과 소프트웨어에서 계산 된 .
데이터 분석 방법, 모델의 일부로서 SWAXS 절대 강도 I (Q)에 대한 연구를위한 소프트웨어 개발해야합니다 위치에 분산 강도, I (Q), 상호 공간에 운동량 전달의 기능이며, 산란 벡터 Q는 = 4π 죄 (θ / 2) / λ. Q는 θ 산란 각도, 그리고 방사선, λ의 파장에 연결되어 스칼라 양이다. Q는 0.03의 범위에 있습니다 - 0.6 Å -1을 선택한 샘플 - 투 - 검출기 거리가있는 전형적인 SAXS 실험 인치 실제 공간에서 조사 지역의 크기는 R = 2π / Q에서 Q에 관한, 그리고 범위 11-2000 4에 자리 잡고 있습니다. 있습니다 WAXS는 반면에, Å. I (Q)는 원자 기능과 원자 분산 센터의 위치에 따라 달라집니다 3.3보다 큰 간격을 해결할 수 있습니다. SWAXS 실험에서 처음 측정 된 강도 대 채널 (그림 1과 Q 또는 간격 D 대 강도로 조정해야 2 중량 %의 물을 기반 수성 버퍼에있는 라이소자임의 SAXS 분석의 예는 그림 3에 표시됩니다. 취득 및 그림 3에 표시된 단면 2 차 반경의 값은 약 1.44 nm의 (5)의 기대 값에 잘 비교합니다. 생물 고분자에 SAXS를 적용하는 방법에 대한 자세한 예는 심판이 판결에서 발견 할 수 있습니다. 6-13는. 리포좀의 WAXS 분석의 예는 그림 4에 표시되어 수용액에 분산. 증가 Q를 감소 동등하게 이격 된 봉우리는 층상 구조로 물 기반의 수용액 샘플의 리포좀을 대여. 각 lamellae로 발생 산란 감소가 있습니다. 
그림 1. ImageJ - 매크로 소프트웨어와 SAXS 보정. 사용 예제는 D 간격 48.68 Å은은 스테아르 산입니다. 기본 빔은 채널 367에 위치하고 있으며, 5 개의 주요 봉우리 (또는 샘플의 격자 매개 변수), 539에서 각각 717, 896, 1,075 및 1,253 채널을 자리 잡고 있습니다. 
그림 2. ImageJ - 매크로 소프트웨어와 WAXS-Callibration. 사용 예제는 파라 - 브로 모 Benzoic 산 분말입니다. 6 개 주요 봉우리 (또는 샘플의 격자 매개 변수)는 각각 130, 484, 555, 613, 657 및 902 채널,에 위치하고 있습니다. 
그림 3. 배경 - 공제 SAXS 라이소자임의 원시 - 데이터 (2 중량 %). EasySWAXS 소프트웨어의 Guinier - 줄거리는 매우 낮은 Q를 활용할 수 
그림 4. 배경 - 공제 WAXS 리포좀의 원시 - 데이터가 물을 따라 수용액에 분산은 그림 4A에 표시됩니다. 리포좀의 구조의 개략적 인 다이어그램 (1D 층상)의 친수성 머리와 소수성 꼬리의 인지질 막 스택, 그리고 전자 밀도 함수는 그림 4B에 표시됩니다. 더 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
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Discussion
SWAXS 시스템의 비교 절차는 실험 분석에서 결정되는 수많은 변수를 할 수 있습니다. 분석 달성하는 매개 변수 샘플 및 실험 설정에 따라 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. WAXS는 원자 및 마이크로 규모의 구조 (예 : 분자 격자, 단위 셀 치수 대칭)에 초점을 맞추고 반면 SAXS는 나노 규모의 크기와 물체의 모양에 대한 정보를 제공합니다. 좀 더 구체적으로 말하자면, 희석 솔루션의 입자를 들어, SAXS는 나선, 입자 크기, 모양의 반지름을 공부할 수, 고밀도 샘플에 대해, SAXS은 솔루션의 구조 요소를 공부 수 있으며, 다공성 무작위 / 2 단계 시스템을위한, SAXS 공부 할 수 있습니다 특정 내부 표면 및 기공 크기 및 액체 결정 샘플에 대해 WAXS는 격자 크기 및 단위 세포 구조를 연구 할 수 있습니다. 그러나, SWAXS의 한계는 입자 크기 나 polydispersity 배포의 다양한 범위가 심각하게 downgr 것입니다실험 결과를 ADE.
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Disclosures
관심 없음 충돌이 선언 없습니다.
Acknowledgments
우리는 그라츠 (Graz), 오스트리아 과학 아카데미 오스트리아에서 박사 만프레드 Hecus의 XRS의 Kriechbaum 및 생물 물리학 및 Nanosystems 연구 연구소 감사드립니다. LL 및 XW는 수상 번호 NRC-38-08-950 아래 네리-C 상 번호 DE-FG07-07ID14889, 미국 원자력 규제위원회에서, 에너지 미국학과에 의해 부분적으로 지원되었다. SWAXS기구는 수상 번호 DE-NE0000325 아래, 에너지의 미국학과에 의해 부분적으로 지원됩니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| The System3 Small- and Wide-Angle X-Ray Scattering (SWAXS) Camera | Hecus XRS and IBN, Graz, Austria |
||
| GNOM | ATSAS 2.3 package by D. Svergun EMBL-Hamburg |
References
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