Here, we present a protocol to investigate soft matter and biophysical systems over a wide mesoscopic length scale, from nm to µm that involves the use of the KWS-2 SANS diffractometer at high intensities and an adjustable resolution.
该KWS-2 SANS衍射仪是专门为软物质和覆盖面广长度尺度,从纳米到微米的生物系统调查。该仪器通过组合古典针孔,聚焦(用透镜)为广动量传输Q范围的勘探优化1×10 -4和0.5埃-1之间,并且(与斩波器)的方法飞行时间- ,同时提供高-neutron强度具有可调分辨率。由于调整强度和在实验过程中在宽范围内的分辨率来装备特定样品的环境和辅助设备的能力,具有的可能性相结合,所述KWS-2示出了在处理的广泛范围的结构和形态学研究的较高的通用性场。平衡结构可以在静态测量进行研究,而动态和动力学过程可以在调查分钟之间的时间尺度到几十毫秒哔声以时间分辨的方法。与该KWS-2盖调查从表现出多种结构层次(如凝胶,网络或团聚体),以小而差的散射系统(如单聚合物或蛋白质复杂,分级制度的范围内典型的系统解)。最近检测系统,这使得在MHz范围内计数率的检测升级,开辟新的机会来研究接近在高Q缓冲散射水平弱散射信号缓冲溶液中即使很小的生物形态。
在本文中,我们提供了一个协议,以调查与特征尺寸水平跨越了广泛的长度规模和参展使用KWS-2中尺度结构订购样品。我们提出具体如何使用由该仪器所达到的性能水平提供了多种工作模式。
柔软和生物材料显示了丰富多样的形态为特征的功能,如自组织和基本单元的自组装到较大的,复杂的聚集体。它们还显示有大量的自由度协同相互作用;的结构单元,以及外部场从而高灵敏度之间的弱相互作用;和时空相关性可以跨越广泛的范围内,从纳米到毫米,从纳秒到数天。因为大范围的相关长度 – 和时间表的,这些材料的性能的实验表征是非常具有挑战性的。中子散射技术起到结构,动力学,并且这样的复杂系统的热力学特性的调查中起重要作用。作为独特的探针,中子提供1 H和2 H(氘,D)的氢同位素之间不同的相互作用的优点。大不同ENCE在氢和氘之间的相干散射长度密度代表的对比度变化和对比匹配方法的基础。由于大部分的软物质和生物系统包括烃,氢气/氘(H / D)的取代提供了在宽的范围内变化的化合物的相干散射长度密度的可能性。利用这种技术,在一个复杂的系统选定成分可由同位素交换标记。取决于其对比度的平方其散射长度的密度和该其他部件选择的部件或区域的之间的复合软物质或生物物理形态内差异可以不化学改变系统进行的散射实验可见或不可见。此外,中子高度穿透性并且可以用作非破坏性的探针和用于特殊环境学习样本,其中来自放置在光束的另外的材料的贡献可以是RELI巧妙地测量和校正。
弹性散射实验提供关于样本的结构和形态学的信息。散射强度是在倒易空间测量动量传递Q,其中Q =4π/λ罪的函数 Θ/ 2,用λ – 中子波长和Θ – 散射角;这随后通过逆傅立叶变换转换成实空间。因此,大的Q值与短长度尺度,具有由经典中子衍射(ND)调查了原子间的相关性。在小Q值,大尺度可以通过小角度中子散射(SANS)进行探讨。通常情况下,单个或组装在溶液合成或天然高分子,熔融,膜或大块样品的特征在于在一个宽长度尺度,从纳米和微米尺寸,通过经典的针孔SANS的应用和ULTRA-SANS(基于聚焦或单晶衍射法)的技术。然而,不同的方法或设施用于实现一个完整的结构表征的组合是由于诸如样品的可用量,在长的时间尺度样品稳定,在特殊的热力学条件的影响的再现性,和实验数据的联合分析的问题,有时难以在不同的实验几何获得。此外,随着结构和特点是高空间或时间分辨率快速结构性变化应对的研究是非常具有挑战性的,需要非常特殊的实验装置。因此,高度灵活的SANS仪器,其中限制可以超越典型的配置在一个简单而可行的方式推动发展,是满足来自用户社区的所有特殊要求是有益的。
SANS的衍射KWS-2( 图1)中 ,歼操作2,巫妖中子科学(JCNS)在亨氏迈尔-莱布尼茨中心(MLZ)在嘉兴的中心,本来是一个经典的针孔SANS仪器从高中子通量受益的FRM II中子源交付( 补充图1)1专用导向系统2-4。反复升级之后,该仪器是为一个宽Q系列,勘探优化,1×10 -4和0.5之间埃-1,提供高的中子强度和可调节的分辨率。在具体的样品环境和辅助设备( 见表1)的可用性,该仪器可以配到研究软物质,并在一个很宽尺度生物系统,从纳米到微米,通过静态测量;它也可以在平衡或下变换由于动力学过程进行结构和形态的时间分辨的调查,跨越分钟几十之间的范围的时间尺度毫秒。在常规工作模式( 图2A),7×10 -4 A -1和0.5埃之间使用Q范围-1可通过样品到检测器的距离及/或波长的变化范围之内。因此,从10长尺度结构层次和关联效应高达9000可以在现实空间(其中维度被视为2π/ Q)进行检查。波长,提供波长传播Δλ/λ= 20%的选择,4.5埃和20埃,使用机械单色(速度选择器)之间的准直条件的变化(准直长度L C和光圈的开口,A C -入口孔,在梁的最后一个中子引导段,和A S以下-样品孔,只在该样品的前面)和检测距离L 的D是自动完成的,通过计算机控制。
<p clasS =“jove_content”>上的样品的强度相当大的升级,该仪器的分辨率,最小动量传输Q m和在在MHz范围内的高计数率的快速检测最近进行的,目的在于提高该仪器的性能。在此过程中,该仪器配备了附加功能。有一个双盘遮光器5与可变狭缝开口( 补充图2)和时间飞行(TOF)数据采集模式。斩波可以在10赫兹和100赫兹之间的变化频率f 斩波器和在0℃角之间两个斩波器窗口的角的开口进行操作≤Δφ≤通过相对于彼此改变两个盘的定位90°。在波长分辨率Δλ/λ的改进是通过缩短中子导向τ的开口时间瓦特由DECR实现宽松Δφ和/或增加˚F 菜刀 。记录在检测器上所产生的脉冲被分割为w的宽度匹配τ该和由旨在Δλ/λ的特征在于时间信道的适当数量。
也有一个直径为50毫米( 图1)由镁萤石氟化镁抛物线透镜6的聚焦元件。 26 氟化镁透镜被分成三个包(4 + 6 + 16的透镜),其可以独立地在梁被移动以实现具有不同波长λ= 7-20的聚焦条件。为了减少对在镜片材料中声子散射以增加传输,透镜是使用特殊的冷却系统保持在70ķ。
有一个与1毫米的位置分辨率和0.45毫米像素尺寸的二次高分辨率位置灵敏的闪烁探测器。该探测器通常被放置在塔上的真空罐的顶部以固定距离Lð= 17微米,可以或缩小的光束( 图1)垂直移动。主检测器以20米停在罐的端部位置,而当正在执行使用透镜高分辨率调查(低Q)4,7-次级检测器中束移动。次级检测器被放置在透镜系统的一个焦点,而在L C的小入口孔径= 20 M.将,在这种情况下,在另一个焦点。
有一个由144 3他管的阵列的一个新的主检测系统(每个为85%λ= 5的管子的全球效率)和限定有源检测区域相当于0.9米2( 图1)。安装在一个封闭的情况下,在3他管架的背侧创新快速读取电子提高了读出的特点和降低背景噪声。取代了旧闪烁检测器(6李闪烁体和8×8光电倍增管的阵列, 图1)的新系统的特点是25毫微秒的有效死区时间常数和一个总体计数率高达5兆赫在10%死区时间用于平面曲线。这些特征是由于该系统包含在并行操作的独立的信道的事实,这是在该事件后遇到的死区时间的系统的优点。高得多的计数率缩短了测量时间,因此增加了可以在同一时间段进行的实验次数。
与所有这些创新,仪器成为一种高度通用的工具,可以通过提供可以被选择,并在一个直接和用户友好的方式使用多种工作模式( 表2)满足广泛的结构研究。在高强度模式(图2B),最多十二倍的强度的增益相比,在相同的分辨率的现有针孔模式可以用透镜通过增加样本大小来实现。在斩波和TOF数据采集可调分辨率模式,改进的不同Q范围内的散射特征的表征是由可能性启用以改变2%和20%5之间的波长分辨率Δλ/λ。在更多的问答 -range模式( 图2C),使用透镜和次级高分辨率检测器,且Q m低至1×10 -4 -1可以实现的,其中,在结合针孔模式,许可证尺寸从纳米到微米范围内的勘探在连续长度尺度。利用对于缩小Δλ一菜刀/λ通过避免重力和色彩效果WH提供准确的光束特性连接使用的镜头。在实时模式中,通过利用高强度和样品中进行数据采集的外部触发,结构的变化可以用下降到50毫秒时间分辨率解决。通过用斩波提高波长分辨率下降到Δλ/λ= 5%,如2毫秒一样好时间分辨率可以实现。
这里,我们提出在详细描述如何典型实验在其不同的工作模式,以及如何能够从通过数据减少所收集的数据来获得从所研究的样品的结构信息的KWS-2进行的协议。在本演示中,我们将使用SANS表征,以标准粒子溶液多种尺寸和一个高度浓缩的聚合物胶束解决方案,以显示如何大小,顺序可以在被研究过广泛的范围与KWS-2灵活高效的方式1实验性会议。聚苯乙烯球形颗粒迪菲租金尺寸(R = 150,350,500,1000,和4000的半径)和σR的尺寸分散度 8%的分散在水溶液以1%的体积分数(90%D 2 O和10%H 2 O的混合物)。以12%的浓度在D 2 O中由C 28 H 57 -PEO5嵌段共聚物形成的胶束显示出有序结构。
软物质和生物物理系统的典型特征是跨越宽长度尺度,从纳米到微米的结构的相关性和相互关联的微观结构和形态的水平。理解的形成,而这些体系的形态和其微观特征和宏观性质之间的关系的进化的机构,在整个长度规模和相关的环境条件( 例如,温度,压力,pH值下,探讨其显微组织是很重要的,湿度等 )。通常情况下,小角散射中子(SAN)或同步加速器X射线(SAXS)技术涉及这样的研究。中子与同步辐射X射线的强度的缺点是通过使用比较大的Δλ/λ,然而导致仪器的分辨率的恶化得到补偿。然而,SANS由于提供了对照提供的可能性独特优势AST变型中,特别是氢同位素之间。因此,SANS是软物质和生物物理系统的研究,为此它提供了独特的结构和形态信息的专门用于实验的方法。最SANS的衍射仪上的针孔原理( 图2A)全世界21的工作,这使得针对低Q的分辨率。实际上,所有的高通量SANS衍射仪具有1×10 8 N厘米-2秒-1量级的类似最大通量。基于宽松的波长的分辨率,KWS-2具有近一倍通量2,4。日前,非常专业的SANS衍射仪开始运作与应用,如用于调查一个特定范围内的最佳特性,以服务于非常小的散射向量22,23。与专门TOF-SANS衍射仪的稳态反应堆24或spallatio非常最近佣金n个源25,26,在给定的实验装置和有关的实验的分辨率的选择更大的灵活性和优化大规模增动态Q系列,提供。对于KWS-2 SANS衍射,通用性和对在软物质和生物物理学领域非常具体的结构研究所需的性能的一个高层次上一个否则古典SANS仪启用。优化,灵活性和自发性在设计和进行复杂的研究,由所描述的协议所支持的,是通过优化实验参数(例如,强度,长度尺度,空间分辨率和时间分辨率)和复数样本的组合来实现环境。利用在引言中列举和由图8-15给出的结果所支持的多种工作模式,该KWS-2在一个简单而实用的方式增强了经典SANS衍射的性能在一个稳定的中子源(反应堆)超出这些文书的传统界限。
这个协议提出了一个普通用户必须执行来定义,并进行简单的实验方案涉及仅在环境热力学条件(温度,压力,相对湿度)和静态条件下样品的调查(无结构形成动力学或步骤变换,没有剪切或流量)。几个温度控制持有人或特殊样品的环境( 表1和补充图19),如压力单元,流变仪,或湿度的细胞,可用并且可以最佳地安装,并与从仪器团队特别协助调整。该协议不提供有关这种设备的设置和控制的说明。的定义和外部控制器的激活需要使用另一个更复杂的协议。该协议提出了情况下具有窄的矩形形状( 图3)的石英样品池的工作。然而,广泛的细胞几何形状和类型( 补充图19)的被提供给用户,以便提供增加的灵活性和效率在进行实验。在使用这种电池的情况下,本协议之后可能会有在步骤4.2.2所讨论的参数的调整。测量控制软件已经发展到提供用户在追求自己的科学目标和优化仪器的技术操作更大的灵活性。所有的调整和特殊功能和仪器的部件配置通过仪器团队完成的。在配置上,定义,和仪器的利用率科学用户的参与被简化,只特别地限定于处于与实验会议的科学问题连接的那些方面。有限公司nfiguration文件被预定义以涵盖所有特殊的实验问题,如特持有人在梁的定位,在光束的样品定位(坐标x,y,Φ,ω在样品台上,旋转工作台,或摇篮在补充图5),对不同波长的检测器和波束停止位置的调整,斩波参数的调整(频率和开口窗)为不同的波长,在检测的距离和目标的分辨率等 。此外,当前协议不描述如何实时模式可以在KWS-2一起使用。使用更复杂的协议,还需要为了进行时间分辨SANS实验。
此外,该协议提出如何测得的数据可用于从仪器和引用不同散射贡献来校正,并且为了获得样品的differenti校准人散射截面,dΣ/dΩ,表示在-1。这个量包含有关样品的整个结构和形态的信息,并在对应于一广泛的长度尺度,在其上调查系统的特征性结构的相关性和相互关联的大小的水平出现一个宽Q系列,进行测定。散射截面dΣ/dΩ因而涉及在一个角度Θ在静态散射实验测得的强度,I S = F(Θ)到样品的结构特性。
对于dΣ/dΩ的对于感兴趣的系统中的评价,除了系统的测量,需要以校正数据为任何外部散射( 即,环境,样品池,溶剂或缓冲液中的情况下,解决方案的其他的测量溶质系统, 等 ),并在绝对单位的校正数据校正<sup > 8。外部背景(样品池或容器)中,参照样品(溶剂或缓冲液),样本传输(用于在绝对单位校正结果的正确背景减除和校准)时,检测器的电子背景下,检测器灵敏度,并且归一化的标准样品(在检测器的效率是固有对于面积探测器不均匀性)也应进行测量。对于KWS-2,树脂玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)用作标准样品。这就是所谓的二级标准并定期校准针对主标准样品,这是钒。钒提供了一个非常微弱的散射强度,需要收集相应的统计数据很长的测量时间;因此,它是不切实际的SANS目的。从兴趣I S的样品,并从标准样品I ST收集的强度可表示如下:
T“> [1][2]
其中I 0表示传入的强度(由准直系统交付),t为厚度,A是暴露在光束的区域,T是传输,并且Δψ是在其中检测单元是从看到的立体角样品位置。如果两个样品和标准在相同条件下测量相对于所述入射光束( 即,L C,A C和A S和λ和Δλ/λ),I 0和A是相同的,在立体角是表示为A D / L D(与表示检测单元的区域A D)。通过将两个关系,散射横secti在样品的获得为:
[3]
其中我圣表示为平均值(标准作为一个非相干散射系统提供了一个平坦的散射图案)。该I S是相对于校正在细胞(容器)样品的测量强度为空电池ⅠECell的贡献和为封闭梁,I B的检测器上的背景后获得的。吨圣 Ť 圣 (dΣ/dΩ) 圣 ,其中包含散射和标准样品的物理参数的因子,取决于中子波长λ和通常从标准样品的校准已知的。因此,在数据还原软件4列。公式中的参数和数量。 3个从校准再修改的知ES和实验装置( 叔S,L D)的定义,形成所谓的校准系数k。出现在方程的强度和样品变速器T 秒 。 3,必须进行测量。数据分析程序qtiKWS使得校正,校准,和径向的实验数据的平均值和dΣ/dΩ为调查样品以灵活和通用的工作模式的实现。与qtiKWS软件生成的最终结果表示为具有四个列的表:Q,I,ΔI,Δσ其中I表示dΣ/dΩ和Δσ为Q分辨率5。
从实际的观点来看,与KWS-2,组合SANS和USANS调查可以进行,其优点是对样品的几何形状和热力学条件保持不变。大形态,显示MULTIPLE结构层次,从纳米跨越宽长度尺度到微米尺寸可以在一个直接方式进行研究,如如图12所示。除了在常规针孔模式中测得的散射曲线中观察到的小规模结构的限制R C中,通过激活透镜和高分辨率检测器,由该聚形成的圆筒状的核-壳微胶粒的大型结构限制L C – (亚己基-氧化物-共-环氧乙烷)在D 2 O中14 PHO10k-PEO10k二嵌段共聚物(完全质子化)可以在非常低的Q值在更多的问答 -range工作模式进行观察。圆柱形胶束的特征在于大约300埃的总厚度和大约7000埃的长度,由与芯-壳圆柱形外形9,14的实验结果的拟合所揭示。因此,某些敏感的影响,如热 – 反应凝胶或形成和晶体的生长线或部分结晶形态可与KWS-2可以清楚地探讨,不同于涉及两个或多个不同的仪器和样品的几何形状的传统方法。
如图11所示,相关系统和有序结构可以在一个非常灵活的方式适应的分辨率进行研究,无需花费时间和精力上的安装复杂的单色系统,这将涉及额外的护理和安全方面的问题。而且,涉及斩波器和飞行时间的数据采集模式,单分散性的软物质系统或具有低多分散性的大小配合,可以非常精确地在仍然高强度的特点5。
由于使用高度稀释的系统或不利对比度条件由弱散射产生的障碍可通过使用基于关于样本较大光束尺寸甚至更高强度来克服,同时保持解析度。 图13A从R的半径的聚苯乙烯颗粒报告散射图案= 150埃,使用的透镜和一个二次光束尺寸范围毫米10毫米之间×10,在传统的针孔模式中使用的典型大小中的高强度的模式中测得,30毫米×30毫米。此外,从与圆形梁50毫米的直径(全透镜尺寸)测定的结果被示出。平行地,在以往的针孔模式中得到的归一化的结果呈现。使用26透镜与λ= 7埃,同一入口孔径大小A C作为用于常规针孔模式( 图2B)的中子,同时保持恒定的束大小获得强度的增益在约12倍的样品(第)的检测器,如在图13B-C中所示的。 27透镜系统具有在环境温度下为约32%的透射。冷却到50 K的温度时,透镜传输的增加是由于抑制散射对在镜片材料中声子。 26抛物线透镜系统具有用于为50mm的圆形的光束的大小,约65%的透射当光束穿过透镜的整个体积,以及约92%的10毫米×10毫米的二次光束尺寸当只有透镜材料的非常量停留在光束。与镜头的高强度模式,在通常是在一个大的探测距离遇到的是在弱对比的条件的情况下特别有问题的弱散射的情况下提供好处。另外,当样品是仅在次短时间稳定,使用这种模式的表示有明显的优势,如证明别处15。
另一方面,在生物系统中的情况下,小的样品体积通常可用于实验。在具有几纳米的尺寸生理条件小的生物分子递送DOMI上述弱散射信号从缓冲溶液恶性散射。这样的信号可以与KWS-2进行测量,从针孔模式的低分辨率设置在仪器的高强度受益,使用短准直长度L C =2μm或4米和短路检测距离L1(D)= 1米,2米,或4微米。 图14表示从β淀粉样蛋白的蛋白质中的氘化六氟异丙醇dHFIP散射图案(Aβ1-42中,M W = 4.5 kDa)的单体,施加用于从所述缓冲器中的散射信号的修正后得到。数据的模型拟合交付约16±1单体尺寸为16。对于每个实验条件数小时(检测距离L D和样品类型)一个长的测量时间被卷入,虽然测量在短路检测距离进行。旧的探测器,它已经显示出对于计数率的限制,阻碍了中使用的短距离准直的L C,因此,在器械的使用的最大通量。与新的检测系统能够使用的全部中子通量的委托,这样弱的强度将在更短的时间,并在将来改进统计测量。
最后,刺激敏感效应可以以灵活和容易的方式通过使用KWS-2的特别的辅助设备的影响。一个例子被报告于图15,其示出了在D 2 O中缓冲,并从在不同压力下收集的缓冲器从溶菌酶蛋白的SANS图案。特别注意了从溶菌酶分子的背景和前向散射的研究,按照由PSI,瑞士做了设计,内部制造新的压力电池的性能测试中使用。该结果类似于由Kohlbrecher 等获得的那些。在类似的研究以测试构造的原始压力小区模型有17,18。与KWS-2,进一步的数据已经采集自5000巴的压力已经达到。从蛋白质的前方散射强度的进化遵循线性行为,如在PSI,瑞士18在研究中观察到的。
The authors have nothing to disclose.
We acknowledge Dr. Dietmar Schwahn (Forschungszentrum Jülich GmbH) for support and stimulating discussions regarding the upgrades performed on the KWS-2 in 2010-2015. The constant help from the Central Institute of Engineering, Electronics, and Analytics (ZEA) and the JCNS-1 (Neutron Scattering) and JCNS-2 (Scattering Methods) Institutes in Forschungszentrum Jülich GmbH during the design, installation, and commission of components, devices, and control software for the new working modes of the KWS-2 is gratefully acknowledged. We are thankful to Matthew Binns and Christopher J. Van Leeuwen (both at Louisiana State University) for the professional editing of this manuscript.
heavy water D2O | Sigma-Aldrich | 151882 | |
heavy water D2O/H2O | Sigma-Aldrich | 151882 | 90% D2O and 10% H2O |
3000 Series Nanosphere Size Standards (polystyrene) | Thermo Scientific | 3030A | 90% D2O and 10% H2O |
3000 Series Nanospher Size Standards (polystyrene) | Thermo Scientific | 3070A | 90% D2O and 10% H2O |
3000 Series Nanosphere Size Standards (polystyrene) | Thermo Scientific | 3100A | 90% D2O and 10% H2O |
3000 Series Nanospher Size Standards (polystyrene) | Thermo Scientific | 3200A | 90% D2O and 10% H2O |
3000 Series Nanosphere Size Standards (polystyrene) | Thermo Scientific | 3800A | 90% D2O and 10% H2O |
diblock copolymer C28H57-PEO5k | synthesized in house | in D2O | |
Quartz Cells 110-QX | Hellma analytics | 110-1-46 | |
Aluminum cuvette-holder | manufactured in house | for measurements at ambient temperature | |
screwdriver | |||
Allen keys |