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Bioengineering

Studiare Soft-materia e sistemi biologici per una lunghezza scala larga da nanometri e micrometro Taglie al piccolo angolo Neutron Diffrattometro KWS-2

Published: December 8, 2016 doi: 10.3791/54639
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 3, 3, 1, 4, 4, 5, 1
1Jülich Centre for Neutron Science Outstation at MLZ, Forschungszentrum Jülich GmbH, 2Department of Chemistry, Louisiana State University, 3Jülich Centre for Neutron Science JCNS-1 & Institute of Complex Systems ICS-1, Forschungszentrum Jülich GmbH, 4Central Institute of Engineering, Electronics and Analytics — Electronic Systems (ZEA-2), Forschungszentrum Jülich GmbH, 5Central Institute of Engineering, Electronics and Analytics — Engineering and Technology (ZEA-1), Forschungszentrum Jülich GmbH

Abstract

Il SANS diffrattometro KWS-2 è dedicato alla ricerca di materia soffice e sistemi biofisici che coprono una scala di lunghezza di larghezza, dal nm a micron. Lo strumento è ottimizzato per l'esplorazione della gamma Q trasferimento di moto largo fra 1x10 -4 e 0,5 Å -1 combinando pinhole classica, messa a fuoco (con lenti), e il tempo di volo (con chopper) metodi, fornendo allo stesso tempo alta -neutron intensità con una risoluzione regolabile. A causa della sua capacità di regolare l'intensità e la risoluzione entro ampi limiti durante l'esperimento, unitamente alla possibilità di dotare ambienti campioni specifici e dispositivi ausiliari, la KWS-2 mostra una elevata versatilità per affrontare l'ampia gamma di studi strutturali e morfologiche il campo. strutture di equilibrio possono essere studiate nelle misurazioni statiche, mentre i processi dinamici e cinetici possono essere studiati su scale temporali tra minuti a decine di millisecondicondi con approcci risolte nel tempo. Sistemi tipici che vengono studiati con il coperchio KWS-2 nell'intervallo da complessi sistemi gerarchici che esibiscono livelli multipli strutturali (per esempio, gel, rete o macro-aggregati) alle piccole e mal di scattering sistemi (ad esempio, polimeri singoli o proteine soluzione). Il recente aggiornamento del sistema di rilevamento, che consente il rilevamento della velocità di conteggio nell'intervallo MHz, apre nuove opportunità per studiare anche molto piccole morfologie biologiche in soluzione tampone con segnali di diffusione deboli vicino al livello dispersione tampone ad alto Q.

In questo lavoro, mettiamo a disposizione un protocollo per indagare campioni con livelli di dimensione caratteristica che coprono una vasta scala di lunghezza ed esibendo ordinare nella struttura mesoscala con KWS-2. Vi presentiamo in dettaglio come utilizzare le molteplici modalità di lavoro che vengono offerti dallo strumento e il livello di prestazioni che si ottiene.

Introduction

Materiali morbidi e biologici mostrano una ricca varietà di morfologie che sono caratterizzati da caratteristiche come auto-organizzazione e auto-assemblaggio di unità elementari ai più grandi, aggregati complessi. Essi mostrano anche interazione cooperativa con un gran numero di gradi di libertà; debole interazione tra le unità strutturali, e quindi elevata sensibilità ai campi esterni; e le correlazioni spazio-temporali che possono estendersi una vasta gamma, da nanometri a millimetri e da nanosecondi a giorni. A causa della vasta gamma di lunghezza ed in tempi rilevanti, la caratterizzazione sperimentale delle proprietà di questi materiali sono molto impegnativo. tecniche di scattering con neutroni giocano un ruolo importante nelle indagini della struttura, dinamiche e proprietà termodinamiche di tali sistemi complessi. Come sonde uniche, neutroni offrono il vantaggio di diverse interazioni tra 1 H e 2 H (deuterio D) isotopi di idrogeno. La grande differisconoza nella coerente densità lunghezza di diffusione tra l'idrogeno e deuterio rappresenta la base dei metodi variazione contrasto e di adattamento di contrasto. Poiché la maggior parte della materia soffice e sistemi biologici costituiti da idrocarburi, idrogeno / deuterio (H / D) sostituzione offre la possibilità di variare la densità coerente lunghezza di diffusione di un composto in un ampio intervallo. Con questa tecnica, i componenti selezionati in un sistema complesso possono essere etichettati mediante scambio isotopico. A seconda della sua contrasto il quadrato della differenza tra la densità lunghezza di diffusione e quella degli altri componenti o regioni componenti-selezionati nel giro morbido complessa o morfologia biofisico può essere reso visibile o invisibile nel esperimento di diffusione senza alterare chimicamente il sistema. Inoltre, i neutroni sono altamente penetranti e possono essere usati come sonde non distruttive e per studiare campioni in ambienti particolari, in cui il contributo dei materiali aggiuntivi posti in fascio può essere reliabilmente misurata e corretta per.

esperimenti di scattering elastico forniscono informazioni sulla struttura e la morfologia di un campione. L'intensità diffusa viene misurata in spazio reciproco in funzione del momento trasferito Q, dove Q = 4π / λ sin Θ / 2, con λ - la lunghezza d'onda dei neutroni e Θ - dell'angolo di diffusione; questo viene poi tradotto in spazio reale attraverso una trasformazione di Fourier inversa. Così, i grandi valori di Q si riferiscono a brevi scale di lunghezza, con le correlazioni inter-atomiche di indagine da parte di diffrazione di neutroni classica (ND). A valori Q piccoli, grandi scale di lunghezza possono essere esplorati da scattering di neutroni piccolo angolo (SANS). In genere, singolo o assemblando sintetico o macromolecole naturali in soluzione, si fondono, film, o campioni di massa sono caratterizzati sopra una scala di lunghezza ampio, dal nanometro e micrometro dimensioni, attraverso l'applicazione dei classici SANS pin-hole e l'ultra-SANS (sulla base di diffrattometria singolo cristallo di messa a fuoco o) tecniche. Tuttavia, la combinazione di metodi o diversi mezzi per conseguire una caratterizzazione strutturale completa è talvolta difficile a causa di problemi quali la quantità disponibile di campione, stabilità dei campioni per lunghi tempi, riproducibilità degli effetti in condizioni termodinamiche speciali, e l'analisi congiunta dei dati sperimentali ottenuto in diverse geometrie sperimentali. Inoltre, gli studi che si occupano di strutture e cambiamenti strutturali veloci che sono caratterizzati da alta risoluzione spazio o di tempo sono molto impegnativo, che richiede configurazioni sperimentali molto speciali. Pertanto, lo sviluppo di strumenti di SANS altamente versatili, in cui limiti possono essere spinti oltre la tipica configurazione in modo semplice e praticabile, è utile per soddisfare tutte le esigenze speciali della comunità degli utenti.

Il diffrattometro SANS KWS-2 (Figura 1), azionato dal J2; lich Centro di Neutron Science (JCNS) presso la Heinz Maier-Leibnitz Center (MLZ) a Garching, in origine era un classico strumento di SANS pinhole che beneficiano di un flusso elevato di neutroni (Figura supplementare 1) fornita dalla sorgente di neutroni FRM II 1 e il sistema di guida dedicata 2-4. Dopo gli aggiornamenti ripetuti, lo strumento è stato ottimizzato per l'esplorazione di una serie Q ampio, tra 1x10 -4 e 0,5 A -1, fornendo intensità elevate di neutroni e una risoluzione regolabile. Con la disponibilità di ambienti di campioni specifici e dispositivi ausiliari (Tabella 1), lo strumento può essere dotato di studiare la materia morbida e sistemi biofisici su una scala di lunghezza di larghezza, dal nm fino a micron, attraverso misure statiche; si può anche eseguire indagini risolte nel tempo di strutture e morfologie all'equilibrio o in trasformazione a causa di processi cinetici, che coprono un arco di tempo ampio tra minuti e decine dimillisecondi. In modalità di funzionamento convenzionale (Figura 2A), un intervallo Q tra 7x10 -4 Å -1 e 0,5 Å -1 può essere coperto con la variazione della distanza di campionamento a rivelatore e / o la lunghezza d'onda. Pertanto, i livelli strutturali e effetti di correlazione su una scala di lunghezza da 10 A fino a 9.000 A possono essere controllati nello spazio reale (dove la dimensione è considerato come 2π / Q). La selezione della lunghezza d'onda tra 4,5 Å e 20 Å, usando un monocromatore meccanica (selettore velocità) che fornisce una diffusione di lunghezze d'onda Δλ / λ = 20%, la variazione delle condizioni di collimazione (collimazione lunghezza L C e apertura aperture, A C - l'apertura di entrata, dopo l'ultimo segmento neutroni guida in fascio, e a S - l'apertura del campione, di fronte campione) e di rilevazione della distanza L D sono fatto automaticamente, tramite controllo del computer.

Q m, e il rilevamento veloce ad alti tassi di conteggio della gamma MHz sono stati effettuati di recente, con l'obiettivo di aumentare le prestazioni dello strumento. Durante questo processo, lo strumento è dotato di caratteristiche aggiuntive.

Vi è un elicottero a doppio disco con 5 aperture variabili fessura (Figura integrativa 2) e la modalità di acquisizione dei dati tempo di volo (TOF). Il chopper può essere fatto funzionare ad una frequenza variabile f chopper compresa tra 10 Hz e 100 Hz ed in corrispondenza di aperture angolari dei due finestre chopper tra angoli di 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° cambiando il posizionamento dei due dischi rispetto all'altro. Il miglioramento della risoluzione lunghezza d'onda Δλ / λ si ottiene accorciando il tempo della τ guida di neutroni apertura w per decrfacilitando Δφ e / o aumentando f chopper. Gli impulsi risultanti registrati sul rivelatore sono suddivisi in un numero appropriato di canali temporali che hanno τ w in larghezza e sono caratterizzati dal Δλ / λ mirato.

Ci sono anche elementi di focalizzazione in magnesio fluorite MgF 2 lenti paraboliche 6 con un diametro di 50 mm (Figura 1). 26 MgF 2 lenti sono raggruppati in tre pacchetti (4 + 6 + 16 lenti) che possono essere spostati in modo indipendente nel fascio di ottenere condizioni di messa a fuoco con diverse lunghezze d'onda l = 7-20 Å. Per aumentare la trasmissione riducendo la dispersione sul fononi nel materiale della lente, le lenti sono mantenuti a 70 K utilizzando un particolare sistema di raffreddamento.

Vi è ad alta risoluzione rilevatore a scintillazione sensibile alla posizione secondaria con una risoluzione di posizione 1 mm e 0,45 millimetri di pixel-size. Il rivelatoreè tipicamente collocato nella torre sulla sommità del serbatoio sotto vuoto ad una distanza L fissa D = 17 m e può essere spostato verticalmente in o fuori della trave (Figura 1). Il rivelatore principale è arrestato nella posizione di estremità del serbatoio a 20 m, mentre il rilevatore secondario viene spostato nel fascio quando indagini ad alta risoluzione (low Q) utilizzando lenti vengono eseguite 4,7. Il rivelatore secondario viene collocato in un punto focale del sistema di lenti, mentre una piccola apertura di entrata a L C = 20 m sarebbe, in questo caso, l'altro punto focale.

C'è un nuovo sistema di rilevamento principale che consiste in una serie di 144 3 tubi He (con un'efficienza globale per provetta del 85% per λ = 5 Å) e che definisce una superficie di rilevamento attiva pari a 0,9 m 2 (Figura 1). Innovative elettronica di lettura rapida montati in un caso chiuso sul retro del telaio tubo 3 Egli migliora laread-out caratteristiche e riduce il rumore di fondo. Il nuovo sistema che ha sostituito il vecchio rivelatore a scintillazione (6 Li scintillatore e un array di fotomoltiplicatori 8x8, Figura 1) è caratterizzato da una costante dead-time efficace di 25 nsec e un tasso di conteggio generale fino al 5 MHz a 10% scadenze tempo per profili piani. Queste caratteristiche sono dovute al fatto che il sistema contiene canali indipendenti azionati in parallelo, che è un vantaggio rispetto ai sistemi che sperimentano tempo morto dopo un evento. La velocità di conteggio molto superiore riduce i tempi di misura e quindi aumenta il numero di esperimenti che possono essere eseguite nello stesso periodo di tempo.

Con tutte queste innovazioni, lo strumento è diventato uno strumento altamente versatile che può affrontare una vasta gamma di studi strutturali, offrendo molteplici modalità di lavoro (Tabella 2) che possono essere selezionati e utilizzati in modo diretto e facile da usare. Nella modalità ad alta intensità (Figura 2B), fino a dodici volte il guadagno intensità rispetto alla modalità pinhole convenzionale per la stessa risoluzione può essere ottenuto con lenti aumentando la dimensione del campione. Nella modalità di risoluzione sintonizzabile con chopper e dati TOF acquisizione, migliore caratterizzazione delle caratteristiche di diffusione all'interno diverse gamme Q sono abilitati dalla possibilità di variare la lunghezza d'onda di risoluzione Δ λ / λ tra il 2% e il 20% 5. Nella modalità estesa Q-range (Figura 2C), che utilizzano le lenti e il rilevatore ad alta risoluzione secondario, un Q m a partire da 1 x 10 -4 -1 può essere realizzato, che, in combinazione con la modalità pinhole, permessi l'esplorazione di dimensioni su una scala di lunghezza continua dal nm alla gamma micron. L'uso di un elicottero per il restringimento Δ λ / λ fornisce caratteristiche del fascio accurate, evitando di gravità e cromatici effetti whit utilizzando le lenti. Nella modalità in tempo reale, sfruttando l'elevata intensità e trigger esterno di acquisizione dati per ambienti di esempio, cambiamenti strutturali possono essere risolti con risoluzioni tempo fino a 50 msec. Migliorando la risoluzione di lunghezza d'onda fino a Δ λ / λ = 5% con l'elicottero, le risoluzioni di tempo buono come 2 ms possono essere realizzate.

Qui, vi presentiamo in dettaglio un protocollo su come esperimenti tipici sono condotte sul KWS-2 nelle sue diverse modalità di funzionamento e di come le informazioni strutturali dai campioni analizzati può essere ottenuto dai dati raccolti attraverso la riduzione dei dati. In questa dimostrazione, useremo SANS per caratterizzare diversi formati di soluzioni di particelle e una soluzione micellare polimero altamente concentrato, al fine di mostrare come le dimensioni e l'ordine possono essere studiati su vaste gamme in modo flessibile ed efficiente con la KWS-2 durante una sessione sperimentale. particelle sferiche di polistirolo con diffeaffitto dimensioni (raggi di R = 150, 350, 500, 1000, e 4000 Å) e una polidispersità dimensione σ R Equazione 5 8% sono dispersi in una soluzione acquosa (una miscela di 90% D 2 O e 10% H 2 O) in una percentuale in volume di 1%. Le micelle formate dalle C 28 H 57 -PEO5 copolimeri diblock in D 2 O ad una concentrazione del 12% mostrano una struttura ordinata.

Protocol

1. Caricamento delle celle campione

  1. Disperse particelle sferiche di polistirene con dimensioni diverse (raggi di R = 150, 350, 500, 1000, e 4000 Å) e una polidispersità dimensione σ R Equazione 5 8% in soluzione acquosa (una miscela di 90% D 2 O e 10% H 2 O) in una percentuale in volume di 1%.
  2. Trasferire le sei soluzioni di particelle di polistirene in D 2 O / H 2 O, la soluzione di C 28 H 57 -PEO5 in D 2 O, e D 2 O / H 2 O e D 2 O solventi per celle al quarzo (Figura 3 ) utilizzando pipette Pasteur. Riempire ciascuna cella di quarzo fino al collo. Chiudere le celle al quarzo con i loro tappi.
    NOTA: L'operazione di riempire le celle al quarzo con campioni deve essere effettuata in laboratorio preparazione del campione di FRM II rispettando le condizioni di lavoro particolari definite lì.
  3. Install le celle al quarzo riempite in Al-cartucce del supporto del campione (figure 3). Posizionare ogni cella di quarzo riempito in una cavità della cartuccia e verificare se la cella di quarzo è riempito con il campione sufficiente per determinare se il campione copre completamente l'apertura della finestra nella cartuccia che è previsto per neutroni. Posizionare la correzione e campioni di riferimento (la cella di quarzo vuota, la piastra di boro-carburo, e la piastra in plexiglas) in altre località sulla cartuccia e lasciare una posizione libera per la misurazione fascio vuoto.
  4. Coprire la cartuccia con le piastre di Al-copertina del CD-rivestite (Figura 3) con viti (M3x5). Fissare la cartuccia sul Al telaio del supporto del campione utilizzando le viti speciali Al (Figura 4).

2. Posizionamento del Campione / Ambiente campione sullo stage di esempio

  1. Determinare lo spazio necessario alla posizione del campione del supporto del campione regolandola lunghezza del naso collimazione (Figura 5). Selezionare la configurazione appropriata per il supporto del campione le configurazioni memorizzate nel sistema di controllo del naso collimazione.
  2. Installare l'ambiente titolare / campione campione appropriato sulla fase del campione nella posizione predeterminata sulla basetta ottica utilizzando viti a brugola, M6x40 (Figura 6).
  3. Chiudere la scorrevole motorizzato porta piombo (Figura 5) in base alle manopole sul suo lato esterno, mantenendo le manopole attivati finché la porta raggiunge la posizione finale, che sarà indicata da un segnale luminoso.
    Attenzione: Senza la porta completamente chiusa e l'estremità interruttore attivato, l'otturatore fascio non può essere aperto, manualmente o dal software di controllo di misura; il software di misura richiederà un ulteriore controllo per questo problema prima di iniziare la misurazione.

3. Pianificare gli esperimenti

  1. Scegliere il adequmangiato configurazione e modalità sperimentale per effettuare la ricerca in una gamma Q che è appropriato per la scala di lunghezza delle strutture e gli effetti di correlazione rivelato dal campione. Controllare la gamma dinamica dello strumento 4 (figura 7 e tabella 2).
  2. Scegliere un'adeguata configurazione sperimentale e modalità per consentire la corretta intensità sul campione in base al livello stimato dell'intensità sparsi conoscendo il fattore dimensioni, la concentrazione, e il contrasto approssimativo che caratterizzano i campioni da investigare 8. Questo viene fatto al fine di ottimizzare il tempo di misura per una statistica misurata mirata e adatta al stabilità del campione in caso di campioni con un breve periodo di stabilità. Controllare la mappa intensità per diverse configurazioni sperimentali 4 (figura di complemento 1 e Tabella 2).
  3. Scegliere l'adeguata configurazione e modalità sperimentaleper fornire una risoluzione adeguata basata su una conoscenza approssimativa del grado di polidispersità dimensioni e la concentrazione degli oggetti diffusione del campione 8. Questo viene fatto al fine di consentire la risoluzione delle caratteristiche di scattering sottili che si verificano a causa di ordinare effetti nel campione. Controllare la possibilità di sintonizzare la risoluzione d'onda 5 (Tabella 2).

4. Preparare il software di misura e Direzione d'orchestra e la visualizzazione Experiment

  1. Avviare il software di misura digitando il KWS2TC in una finestra di terminale al computer di controllo di misura dello strumento KWS-2 per attivare il menù principale (Figura complementare 3). Utilizzare il set sinistra di funzioni per definire le posizioni del motore elementari (Configuration), per selezionare i campioni e le condizioni di impostazione (definizione), per avviare la misurazione e supervisionare tutti i motori (Control), e di sovrintendere alla realerivelatore (Live-Display).
  2. Selezionare la funzione di configurazione nel menu principale, al fine di attivare il menu kws2-Configuration (Figura supplementare 4) per definire i dati utente e configurare le posizioni del motore elementari e il set-point per i dispositivi e campi sul campione.
    1. Selezionare la funzione UserData (Figura supplementare 4) e compilare i campi Nome utente, E-mail, prima parte del nome del file, e commentare misurazione nel menu Dati utente (Visualizza / Modifica). Lasciare il menu facendo clic su Salva.
      Attenzione: non utilizzare caratteri speciali, come @, $,%, ecc, per il prefisso del nome del file. Evitare l'uso di caratteri speciali durante l'intera procedura sperimentale.
    2. Selezionare la funzione di esempio (Figura supplementare 4) al fine di attivare il menu di configurazione di esempio (Figura supplementare 4). Riempire i campi titolo di esempio, la finestra del fascio del campione - dimensioni, lo spessore del campione, e un commento per ogni samplee posizione selezionata dalla lista verticale sinistra del menu. Salvare ogni configurazione di esempio dopo aver completato la definizione. Lasciare il menu facendo clic su Chiudi.
    3. Salva tutte le configurazioni sotto la funzione File alla serie superiore di funzioni nel menu di configurazione.
  3. Selezionare la funzione Definizione nel menu principale (Figura complementare 3) per attivare il menu kws2 Definition (figura complementare 5) per definire la configurazione sperimentale e il programma di misurazione.
    1. Selezionare la funzione di esempio, al fine di attivare il menu Campioni Seleziona (Figura supplementare 5).
      1. Scegliere le dodici campioni che devono essere misurate (come mostrato in figura 3) dalla lista dei campioni noti nel campo verticale sinistra e passare al campo campioni selezionati utilizzando la freccia blu. Ordinare la lista dei campioni selezionati utilizzando le frecce blu verticale.
      2. Controllare il campione parametri e modificare il nome, lo spessore, e commentare, se necessario. Lasciare il menu facendo clic su Salva e chiudi.
    2. Selezionare la funzione Detector per attivare la definizione di menù Misure (Figura supplementare 6).
      1. Scegliere il tipo di misura statica selezionando standard nella zona di misura. Nell'area Condizioni finali, selezionare l'unità di tempo adeguato per il campo di misura del tempo.
      2. Nell'area Seleziona Detector e collimazione distanze, selezionare il setup sperimentale e modalità di lavoro, scegliendo i valori appropriati per la lunghezza d'onda (campo di selezione), distanza di rilevamento (Detector distanza campo), modalità di acquisizione dei dati (campo TOF), la risoluzione di lunghezza d'onda volto (DLambda / Lambda campo), tempo di misura (campo Time), la configurazione lenti (campo lenti), e la distanza collimazione (collimazione distanza campo).
      3. Fare clic sul pulsante Nuovo dopo una configurazione viene interamente definito, al fine di risolvere il problema e memorizzarlo nella lotavolo wer. Definire la configurazione successiva e memorizzarlo in un modo simile fino l'intero set di configurazioni (figura complementare 6) è completato. Hit salva o si chiude nella definizione di menu di misure quando la regolazione del setup sperimentale e modalità di lavoro è finito.
      4. Ordinare la lista di misure secondo le tre anelli (condizioni classificare) mostrate nella parte inferiore del menu che viene generato dal programma (figura complementare 7). Rimuovere le misure che non sono desiderati contrassegnando la riga corrispondente e facendo clic sul pulsante "X" segnata in rosso. Regolare il tempo di misura per ogni misurazione lo desideri controllando il tempo di misurazione totale definito nel campo centrale, segnato in rosso, nel menu kws2 Definition, che rimane sempre attiva sullo schermo.
      5. Lasciare il menu con Salva o Chiudi e tornare al menu kws2 Definition (Figura supplementare 5). Chiudere la definizione kws2menu e tornare al menu principale (figura supplementare 3).
  4. Selezionare la funzione di controllo nel menu principale del software di misura KWS2 (figura supplementare 3) al fine di attivare il menu di controllo di misura (Figura supplementare 8).
    1. Accedi con il nome utente e la password che verrà comunicata dallo scienziato strumento e bloccare la sessione per la generazione dello script, che eseguirà i comandi del programma di misurazione caricato. Selezionare Loop Definizione al fine di verificare il programma di misurazione caricato.
    2. Premere il pulsante Start e rispondere alle domande generati dal programma sullo stato attuale della porta posizione del campione e la trave-otturatore. verrà avviato il programma di misura. Selezionare Valori correnti al fine di consentire la visualizzazione della misura in atto (le posizioni dei motori e lo stato dei componenti dello strumento, contare tasso, e EVOLUTIOn dell'intensità integrale nel tempo).
      NOTA: L'intensità integrale sul rilevatore e velocità di conteggio del rivelatore e monitor sono presenti e può essere usato per cambiare il programma di misura, individualmente o la totalità del set di misure.
  5. Lasciare le misurazioni condotte e completate secondo il programma di misura definita.
    NOTA: Le misure possono essere sospeso o interrotto attivando la funzione Stop e scegliendo l'opzione desiderata (per continuare, per fermare la misura corrente con o senza salvare il file, o per fermare l'intero programma) quando l'intensità integrale raccolto fino ad un certo punto di tempo è considerato sufficiente o quando guasti sono identificati nella sequenza misurazioni.
    1. Generare il Logbook della sessione di misurazione facendo clic sul pulsante Stampa sotto l'opzione Loop Definizioni (Figura supplementare 8) quando il programma di misurazione definito è stato interrotto o compcellati.
  6. Selezionare live-Display nel menu principale del software di misura KWS2 (figura supplementare 3) al fine di attivare l'interfaccia KWSlive_MainWindow (Figura supplementare 9).
    1. Nella schermata Tipo, scegliere GEDET o PSD, al fine di visualizzare i dati raccolti con il principale o con il rivelatore secondaria (ad alta risoluzione), rispettivamente. Scegliere la modalità di visualizzazione a modalità di visualizzazione selezionando tridimensionale (superficie), bidimensionale (Contour), o la modalità unidimensionale (media Radial). Immettere le opzioni trama (scala lineare o logaritmica) ei valori dei parametri (lunghezza d'onda e di rilevamento a distanza L D) nei campi del menu Opzioni media radiale al fine di consentire la presentazione dei dati come n intensità (non corretta) rispetto Q.
    2. Scegliere un TOF-canale desiderato per visualizzare i dati raccolti in modalità TOF (sia con il principale o il rilevatore secondario).

Analisi 5. I dati

  1. Avviare il software di elaborazione dei dati digitando il comando qtiKWS in una finestra di terminale del computer di analisi dei dati dello strumento KWS-2. Scegliere l'opzione Nuovo script sul lato destro dell'interfaccia principale.
  2. Scegliere l'opzione DAN nel menu funzioni superiore dell'interfaccia principale (Figura complementare 10) per attivare le funzioni di analisi dati. Selezionare lo strumento KWS-2 da Opzioni dal menu di destra, al fine di attivare la modalità di analisi dei dati per i dati misurati sul KWS-2 utilizzando il rivelatore principale. Definire la cartella in cui si trovano i file di dati misurati e in cui verranno memorizzati i file di dati corretti.
  3. Scegliere l'opzione Strumenti e attivare la funzione di intestazione (s) nel menu di destra (figura complementare 11) e generare la info-tabella che contiene i file da elaborare. Definire il nome della tabella, fare clic sul set sinistra di frecce verdisul campo Header (s). Caricare i file misurati cliccando il giusto set di frecce verdi sul campo di intestazione (s) e selezionando i file misurati.
    NOTA: Le informazioni-tabella che contiene le informazioni complete su ogni file di misurazione viene memorizzato nel menu esploratore-come nella parte inferiore del progetto. Tutti i risultati che saranno generati in seguito nel progetto saranno memorizzati lì.
  4. Attivare la funzione Mask nel menu di destra (figura complementare 12) e generare la maschera attiva che definisce la zona del rivelatore che saranno considerati per l'elaborazione dei dati. Inserire i valori nel bordo e campi fascio-stop per definire gli angoli in basso a sinistra e in alto a destra della maschera rettangolare nel caso di analisi di modelli di scattering isotropo.
  5. Attivare la funzione di sensibilità nel menu di destra (figura complementare 13) e generare la sensibilità del rivelatore per una determinata configurazione immettendo nel fi verde marcatacampi i numeri di esecuzione per le misurazioni del campione di riferimento (plexiglas), trave vuoto (EB), e la trave bloccato (B4C).
    1. Clicca sul set di frecce verdi vicino al campo giallo (Transmission) di calcolo della trasmissione del campione standard. Generare e assegnare un nome alla matrice di sensibilità selezionando Calcolare come nuovo, e visualizzare la matrice generata utilizzando le funzioni trama appropriate nel menu in basso. Ripetere questa procedura in caso di altre configurazioni.
  6. Attivare la funzione Data Processing nel menu di destra (figura complementare 14) e generare la tabella di correzione e la calibrazione e la tabella di script al fine di correggere, calibrare, ed eseguire la media radiale dei dati.
    1. Definire il numero di condizioni utilizzate nell'esperimento utilizzando il cursore orizzontale sulla parte superiore del menu di destra (freccia rossa). Riempire i campi indicati con la matita gialla inserendo per ogni condizione sperimentaleeseguire numeri per la cella vuota (CE), fascio bloccato (B4C), e Standard campioni-del plexiglas (Abs. Cal. FS), trave vuoto per la correzione standard (Abs. Cal. EB), e fascio bloccato per lo standard correzione (Abs. Cal. B4C).
    2. Inserire i numeri serie di misure con una forte dispersione in avanti nel campo Center. Inserire il numero di esecuzione di un fascio vuoto nel campo EB e seleziona la condizione sperimentale corrispondente per il calcolo della trasmissione di campioni selezionando la casella accanto alla funzione Tr (Ec-to-EB).
    3. Istruzioni ciascun pulsante indicato da una serie di rotazione frecce verdi sulla serie verticale di opzioni (Figura complementare 14) per caricare le informazioni necessarie per l'elaborazione dei dati dai file definiti e per calcolare la trasmissione della cella vuota. Clicca sul capo di ciascuna colonna gialla per definire il nome della colonna.
    4. Fare clic sul pulsante Nuovo per generare e il nome della tabella dei file di dati che verranno Be trasformati. Fare clic sul pulsante Aggiungi per caricare i file di dati che verranno elaborati. Fare clic sul pulsante Tr indicata con il set di rotazione frecce verdi sotto l'area Script-Table Tools al fine di calcolare la trasmissione di ogni campione. Controllare i risultati nella tabella generato (figura supplementare 14).
    5. Scegliere Project nell'angolo in basso a destra dell'interfaccia (Figura supplementare 14) al fine di salvare tutti i risultati come tabelle o matrici nella sessione corrente qtiKWS (progetto). Clicca sul pulsante I [x, y] per eseguire la correzione e la calibrazione dei dati bidimensionali. Clicca sul pulsante I (Q) per eseguire la correzione, calibrazione e media radiale dei dati. Tracciare i risultati utilizzando le funzioni grafiche sotto l'opzione grafico (Figura supplementare 15).
      NOTA: Tutti i risultati saranno generati come file esterni che verranno salvati nella cartella esterna che è stato definito nella fase 5.2, quando, in the nell'angolo in basso a destra dell'interfaccia, File è scelto invece di Progetto.
  7. Abbiamo scelto Tools nel menu di destra (figura complementare 11) e attivare il TOF | option RT (Figura complementare 16) per dividere i dati sono stati raccolti con il rivelatore principale nelle modalità operative TOF in file singoli corrispondente a ciascun tempo canale.
    1. Fare clic sul TOF :: Calcola funzione di parametri e caricare un file, da cui si estrae le informazioni sulle condizioni del TOF. Fare clic sul TOF | RT :: Somma vs Numero :: Leggi la funzione e caricare il file di interesse, misurata in modalità real-time o TOF, al fine di generare una tabella di somma-TOF-file, come quella mostrata sul lato sinistro della l'interfaccia di lavoro. Tracciare l'intensità integrale come funzione di canali temporali (Figura complementare 16) dal-tof file somma utilizzando le opzioni grafiche nella funzione Graph in menu funzioni superiore.
    2. Definire il trattamento parametri nei campi della funzione TOF. Fare clic sul TOF | RT :: Tutti i passaggi selezionati :: pulsante Proceed per caricare i file di dati che verranno separati in singoli file corrispondenti a ciascuna delle fasce orarie definite.
      NOTA: i file che contiene i dati misurati in ogni time slot sono generate e memorizzate nella posizione file definito nel passaggio 5.2 e ricevono il nome del file TOF originale, seguito dal numero di time slot.
    3. Procedere come al punto 5.6, al fine di analizzare i dati misurati con una migliore risoluzione, corrispondente a Δλ lambda finalizzata, con l'elicottero.
  8. Selezionare lo strumento KWS2-HRD da Opzioni dal menu di destra dell'interfaccia principale (figura complementare 17) al fine di attivare la modalità di analisi dei dati per i dati misurati con il KWS-2 utilizzando il rivelatore secondario ad alta risoluzione. Attivare la funzione Maschera nel menu di destra (supplementare Figura 18A) e generatall'e la maschera attiva che definisce l'area attiva del rivelatore.
    1. Scegliere l'opzione DANP nel menu in alto le funzioni dell'interfaccia principale (supplementare Figura 18B). Selezionare l'opzione ASCII.2D nel menu di destra. Attivare la funzione 2D Masking per definire un settore speciale sul rivelatore che verrà considerato per l'analisi dei dati.
    2. Introdurre il centro del fascio-stop nel centro campo. Selezionare la matrice di maschera e il valore 0 in maschera :: Condizioni trascurare l'area esterna della maschera speciale. Scegliere il settore angolare e fare clic sul pulsante di colore sul lato destro dei campi del settore. Procedere con i dati misurati con il rivelatore alta risoluzione, come nei passi 5.5 e 5.6.
  9. Salvare il progetto qtiKWS (tranne le funzioni sotto l'opzione File del menu superiore).

Representative Results

Risultati rappresentativi di un esperimento riuscito che è stata effettuata con il KWS-2 in diversi modi di funzionamento sulla struttura e morfologia dei due tipi rappresentativi di sistemi di materia molli sono riportati nelle figure 8-11. Questi risultati sono dall'analisi di una serie di particelle di polistirene di dimensioni standard in D O / O soluzioni 2 H 2, con D 2 O contenuto del 90%, e del completamente protonato diblock copolimero C 28 H 57 -PEO5 in D 2 O a una frazione di volume alto polimero (12%). Le particelle di dimensioni standard di polistirene, con raggi di R = 150, 350, 500 e 1.000 sono stati usati per testare la modalità pinhole convenzionale utilizzando diverse combinazioni di rilevamento distanze L D e lunghezze d'onda λ. Le particelle più grandi dimensioni (R = 4.000) sono stati utilizzati per testare e mettere la modalità Q-range esteso. Il copolimero diblock che produce un micel ordinataStruttura lar ad alte concentrazioni di D 2 O è stato utilizzato per testare e mettere la modalità di risoluzione sintonizzabile.

Figura 8 presenta i risultati dei modelli bidimensionali di scattering misurati in modalità pinhole utilizzando il rivelatore principale (il vecchio rivelatore a scintillazione) e in modalità Q -gamma estesa utilizzando le lenti di focalizzazione e il rivelatore secondaria ad alta risoluzione. Figura 8A rappresenta il modello di dispersione di particelle di polistirene con R = 500 A misurato a L D = 8 m utilizzando λ = 5 Å. La figura 8B mostra il modello di dispersione di particelle di polistirene con R = 1.000, raccolti a L D = 20 m utilizzando λ = 20 Å. Per le misure effettuate con λ = 5 Å, il fascio diretto è stato raccolto sulla centrale fascio-stop installato davanti al rivelatore, e il fascio trasmesso potrebbe essere controllata mediante un small 3 contatore Egli è stato installato al centro della trave-stop. Questo è il cosiddetto Monitor 3 (figura complementare 8). Lo strumento dispone di due ulteriori 3 Egli contatori, che sono installati davanti al selettore di velocità (Monitor 1) per monitorare il fascio policromatico, e dietro il selettore di velocità (Monitor 2) per monitorare il fascio monocromatico. A causa di limitazioni tecniche, le misure con λ = 20 A sono stati eseguiti con il fascio diretto sul rivelatore, che era la tipica configurazione utilizzata con il vecchio KWS-2 rivelatore. L'intensità più debole, diretto fascio a lunghezze d'onda, che scende verso il basso a causa della gravità, è stato possibile rilevare, senza danni causati al rivelatore. Il fascio trasmesso in questo caso è stato monitorato con Monitor 3 a breve distanza di rilevamento L D = 2 m. In questo caso, gli effetti gravitazionali sono deboli e il raggio diretto cade sulla trave-stop (come nella figura 8A). I dati raccolti a due dimensigonale sul rivelatore per una dimensione del pixel di 5,25 mm x 5,25 mm sono stati ulteriormente corretti per la sensibilità del rivelatore, e del contributo degli cella vuota, sfondo strumento, e solvente sono stati assolutamente calibrato utilizzando la dispersione dallo standard secondario plexiglas 4. Infine, i modelli di scattering che sono stati isotropa distribuiti intorno alla posizione Q → 0 sono stati mediati radialmente, che ha emesso la dΣ / dΩ per ogni sistema di polistirolo particelle.

Il modello di dispersione bidimensionale dai grandi particelle di polistirene (R = 4,000 Å) è mostrato in figura 8C, come è stato misurato con il rivelatore alta risoluzione per una dimensione di pixel di 0,5 mm x 0,5 mm. Il piccolo fascio diretto è focalizzato da parte del sistema di lenti sul piano di rilevamento e viene catturato da un piccolo fascio-stop (4 mm x 4 mm) installato sul viso rivelatore. L'ombra dalla quadratica fascio-stop può essere osservata in <strong> Figura 8C nel lato superiore sinistro dell'area sonda attiva. Gli effetti gravitazionali inducono un'ampia distribuzione verticale di neutroni di diverse lunghezze d'onda sul rivelatore. Inoltre, poiché le lenti sono focalizzati perfettamente, solo i neutroni caratterizzati dalla lunghezza d'onda λ centrale della distribuzione triangolare sono consegnati dal selettore di velocità 2,5; i neutroni di diverse lunghezze d'onda intorno a quello centrale arrivano sul rivelatore leggermente fuori fuoco. Questi due effetti producono le tracce fascio diretto deboli osservabili appena sopra e sotto la trave-stop. Nella modalità Q -gamma estesa statico utilizzando lenti e il rilevatore ad alta risoluzione, i dati sono raccolti continuamente. Al fine di diminuire il contributo degli effetti gravitazionali, i dati sparsi vengono analizzati in una stretta settore angolare che parte dalla trave-stop e si estende orizzontalmente alla sua destra, come illustrato nella Figura 8C. I dati sono trattati fLTERIORI utilizzando l'approccio tipico per raggiungere l'dΣ / dΩ. Figura 8D presenta l'intensità rispetto alla posizione del fascio di arresto verso il bordo del rivelatore, come è stato raccolto in una fetta orizzontale stretta con una larghezza di 1 pixel (0,5 mm) sul rivelatore alta risoluzione. I dati della soluzione campione e il riferimento (solvente) sono mostrati come sono stati raccolti in un breve misura di prova 5 min. Il calo di intensità a posizioni corte è dovuto al fascio-stop. Dal rapporto delle intensità nelle posizioni più brevi, la trasmissione dei campioni (87%) può essere stimato.

I risultati corretti e calibrati ottenuti in termini di dΣ / dΩ sulla soluzione delle particelle di polistirene con R = 500 Å sono mostrati in Figura 9, insieme a quelli dal solvente. Questi risultati illustrano la gamma Q che può essere coperto con la KWS-2 in modalità pinhole convenzionaleattraverso la variazione della posizione di rilevamento L D e l'uso di una o più lunghezze d'onda. Il fattore di forma 8,9 presenta delle particelle sferiche sono anche rivelato: la regione Guinier a basso Q e le oscillazioni dovute alla funzione sferica di Bessel nella gamma Q intermedio. Nella gamma alta Q, il profilo di dispersione è dominato dalla diffusione dal solvente, e quindi mostra un comportamento piatta, come quella dal solvente stesso. Il fattore di forma minimi sono interessati dalla risoluzione dello strumento 5 da una parte, e dal polidispersione granulometria dall'altro. La risoluzione dello strumento nel caso del KWS-2 è in gran parte determinato dalla diffusione lunghezza d'onda Δλ / λ = 20%. La polidispersità dimensioni per tutti i tipi di particelle era circa σ R = 8%. La Figura 10 mostra i risultati ottenuti nelle indagini SANS di tutti i tipi di particelle di polistirene espressi come dΣ/ DΩ dopo la correzione per il contributo solvente è stato applicato. Le regioni Guinier sono chiaramente evidenziati per tutte le particelle verso valori bassi Q, mentre nelle gamme alte Q, la pendenza -4 è rivelato, che è tipico per il fattore di forma degli oggetti sferici. I parametri strutturali delle particelle di dimensioni standard sono state confermate dal fit dei dati con il fattore di forma di sfere con polidisperso 8,9 contorto con la funzione di risoluzione dello strumento 10-12.

Figura 11 presenta il bidimensionale e gli schemi di scattering unidimensionali radialmente mediati dalla struttura ordinazione di C 28 H 57 -PEO5 micelle polimeriche che si verifica in D 2 O in una percentuale in volume di polimero del 12%. I risultati sono stati raccolti a diverse distanze di rilevamento L D, con entrambe le modalità di risoluzione pinhole e accordabili convenzionali combinate instessa sessione di misura. Quando il sistema è studiato in modo pinhole convenzionale impiegando la diffusione lunghezza d'onda Δλ / λ = 20%, come previsto dal selettore di velocità, e acquisizione dati continuo (statico), tre ampi picchi sono osservati nei modelli di scattering a L D = 4 m. Nella modalità di risoluzione sintonizzabile, utilizzando l'elicottero e l'acquisizione dei dati TOF in combinazione con il selettore di velocità, la diffusione lunghezza d'onda può essere migliorato in modo da poter verificare se queste caratteristiche sono reali o se finirà apparirà una struttura fine di loro. Il primo e secondo picchi osservati a Δλ / λ = 20% rivelano una scissione, quando sono misurati con Δλ / λ = 5%, che ha permesso la chiara identificazione del l'ordinamento delle micelle in cubi (FCC) cristalli 5,13 facce centrate .

Questi sono due esempi tipici di come la versatilità e le prestazioni della KWS-2 SANS diffra ctometer può essere utilizzato in modo semplice e user-friendly, seguendo il protocollo previsto per lo svolgimento di indagini dettagliate sulla materia morbida e sistemi biofisici che mostrano caratteristiche strutturali complesse in termini di scala di lunghezza e l'ordinamento.

Figura 1
Figura 1: Layout dello strumento KWS-2 SANS, compresi tutti gli aggiornamenti fatti tra il 2010 e il 2015. (A) Il punto di vista generale dello strumento. (B) Il rivelatore ad alta risoluzione secondaria e la sua torre sulla sommità del serbatoio vuoto. (C) MGF 2 lenti di messa a fuoco, raggruppati in tre pacchetti, e il loro sistema di raffreddamento (raffreddore). (D) Il vecchio rivelatore principale (scintillazione) con i suoi 8 x 8 matrice di fotomoltiplicatori. (E) Il nuovo rivelatore principale (3 Egli Tubes) con un'area di rilevamento più ampia.f = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54639/54639fig1large.jpg" target = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2: Rappresentazione schematica di tre modalità di lavoro offerti sul KWS-2. (A) La modalità Pinhole convenzionale. Per L C = L D, dove L C e L D sono la collimazione e la lunghezza di rilevamento, rispettivamente, e ottimale pinhole condizione A C = 2A S, dove A C e A S sono l'apertura di entrata collimazione e l'apertura per il campione, rispettivamente, , il profilo del fascio I 'P al rilevatore è approssimativamente triangolare con una larghezza di base pari a 2A C. (B) L'alta intensità di modalità di messa a fuoco. Utilizzando le ottiche, campioni più grandi possono essere misurati con la stessa risoluzione in the modalità pinhole convenzionale (il profilo trave 'P al rivelatore è rettangolare in questo caso). (C) La Q estesa -range modalità di messa a fuoco. Utilizzando lenti e una piccola apertura di entrata A C (in genere 4 mm x 4 mm) che è posto in un punto focale del sistema di lenti, un piccolo fascio è trasmesso sul rilevatore, che è posto sull'altro punto focale delle lenti . Pertanto, un valore più basso per il minimo onda vettore di trasferimento Q m rispetto alla modalità pinhole convenzionale può essere raggiunto. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3: Vista dei campioni montati nel Al cartuccia del supporto del campione per misure a temperatura ambiente. Nelcavità previste in Al-cartuccia. Celle al quarzo (A) (B) riempito con campioni e coperte con i tappi (C) può essere collocato. Le posizioni sul Al-cartuccia sono stati occupati con i campioni come segue: nelle posizioni n ° 1 al n ° 5, le particelle di polistirene con dimensioni di R = 150, 350, 500, 1.000, e 4.000 in D 2 O / H 2 O solvente; in posizione No. 6, C 28 H 57 -PEO5 diblock copolimero in D 2 O; in posizioni # 7 e # 8, la solventi D 2 O / H 2 O e D 2 O; in posizione No. 9, la cella di quarzo vuoto (di riferimento); in posizione No. 10, plexiglas (standard); in posizione No. 11, nulla (per la misura del fascio vuoto); in posizione No. 12, la piastra B 4 C (registrata sul retro, per la misura dello sfondo strumento con il fascio bloccato). La piastra di Al copertura (D), rivestito con Cd maschera sulla faccia esterna, èfissato sulla parte superiore della cartuccia con le viti (E) al fine di assicurare le celle campione e per definire la finestra di neutroni (F). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4: Vista di uno dei multilivello e multi-posizione della cella titolari utilizzati sul KWS-2 per misurazioni a condizioni ambiente. I campioni per la sessione sperimentale corrente sono stati installati nel livello medio. I tre livelli possono essere dotati di cartucce (A) progettati per diverse geometrie di cellule che sono chiuse con piastre di copertura Al-rivestiti con maschere Cd sulla faccia esterna (verso i neutroni). L'installazione delle cartucce sul supporto viene fatto usando le viti (B (C) che permette la sua installazione in una posizione predeterminata sulla fase del campione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5: vista dall'alto schematica dell'area campione di KWS-2. (A) Presentazione di due configurazioni estreme del naso collimazione, che mostra lo spazio disponibile per l'installazione di vari ambienti di esempio nella trave (i neutroni provengono dal basso, come indicato dalle frecce gialle). (B) Il pannello di controllo della porta piombo, con i tasti di apertura e chiusura (1 e 2, rispettivamente). Il motore porte funziona solo fino a quando i tasti sono premuti continuamente. La porta è dotata sui suoi bordi consensori che inducono l'arresto del motore quando un ostacolo viene rilevato. Dopo aver rimosso l'ostacolo, il blocco motore può essere annullato con il tasto superiore (3) e l'apertura o l'azione di chiusura può essere ripreso. (C) Il pannello di controllo del naso collimazione. Dal pannello di naso, una configurazione appropriata può essere selezionato tramite il tasto (4). Il naso è spostato mantenendo premuto il tasto (5) continuamente attivato fino a raggiungere la posizione selezionata e il movimento ferma da solo. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6: installazione del supporto del campione multilivello e multi-posizione sulla scena campione per SANS misurazioni a temperatura ambiente (Photo credits: Wenzel Schürmann, Technische Universität München, Germania). I principali componenti nella posizione del campione sono naso collimazione con l'apertura del campione alla sua estremità (A), la fase del campione che fornisce il posizionamento orizzontale e verticale dei campioni nel fascio (B), la finestra d'ingresso del serbatoio vuoto del rivelatore (C), la porta piombo con sensori sul suo bordo (D), e il supporto di base del supporto della cella (e), che prevede l'installazione del supporto sul tagliere ottica (F) dello stadio di campionamento. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7
Figura 7: La gamma dinamica per le diverse configurazioni strumentali sul KWS-2. I 0 rappresenta il flusso di neutroni nella posizione del campione. Le aree definite indicano la gamma Q disponibile che può essere coperto quando la lunghezza d'onda è variato tra 4.5 Å e 20 A per particolari configurazioni collimazione di rilevamento. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8
Figura 8: Esempi di modelli di scattering bidimensionali raccolti durante la sessione sperimentale secondo il protocollo corrente. (A) Il modello di scattering raccolte a L D = 8 m da particelle di polistirene con raggio R = 500 Å in D 2 O / H 2 O, come misurata con λ = 5 Å. Il modello di dispersione è isotropa distribuito in tutto il beam-stop, che blocca il fascio diretto al centro del rivelatore. (B) Il modello di scattering raccolte a L D = 20 m da particelle di polistirene con raggio R = 1,000 Å in D 2 O / H 2 O, come misurata con λ = 20 Å. Il modello di scattering viene isotropa distribuito intorno alla posizione del fascio trasmesso, che per questa lunghezza d'onda ricade sotto la trave-stop e mascherato insieme con il fascio di arresto utilizzando le funzioni del software di visualizzazione. (C) Il pattern dispersione raccolti con il rivelatore alta risoluzione a L D = 17 m da particelle di polistirene con dimensioni di R = 4,000 Å in D 2 O / H 2 O, come misurata con λ = 7 Å nell'intervallo Q estesa , con lenti e il rivelatore alta risoluzione. Il modello di dispersione è isotropa distribuito intorno al piccolo fascio-stop (4 mm x 4 mm), che blocca il fascio diretto focalizzato. Il settore angolare in which i dati vengono ulteriormente analizzati è indicato sul lato destro della trave-stop. (D) L'intensità rispetto alla posizione del fascio di arresto come è stato raccolto in un breve misura di prova in una fetta orizzontale stretta, con la larghezza di 1 pixel (0,5 mm), sul rivelatore alta risoluzione. I dati sono mostrati dalla soluzione campione e il riferimento (solvente). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 9
Figura 9: I modelli di diffusione delle particelle di polistirene in D 2 O / H 2 O soluzione (simboli) e dal solvente (linee). I dati sono stati raccolti nel modo convenzionale pinhole a diverse configurazioni dello strumento chesono indicati da colori diversi. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 10
Figura 10: I modelli di diffusione di particelle di polistirene di dimensioni diverse in D 2 O / H 2 O dopo la correzione per la diffusione di solvente è stato applicato. Le linee rosse rappresentano adatta con il fattore di forma sferica 9, tra la risoluzione dello strumento 10, 11 e la polidispersità dimensioni. Il tipico comportamento Q -4 asintotica per il fattore di forma sferica è indicato dalla linea retta nella gamma alta Q. Il limite inferiore della gamma Q coperta con diverse lunghezze d'onda o configurazioni è specificamente marked. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 11
Figura 11: modelli di scattering bidimensionale e in media radialmente unidimensionali dalle C 28 H 57 -PEO5k micelle polimeriche in D 2 O (in una percentuale in volume di polimero del 12%), misurati in modalità pinhole convenzionale con Δλ / λ = 20% (in alto) e nella modalità di risoluzione sintonizzabile, con Δλ / λ = 5% a L D = 4m (lato sinistro) e L D = 8m (lato destro). Nel modo convenzionale, possono essere osservate tre ampi picchi. Una struttura fine dei primi due picchi si rivela 5, 13 con una migliore Δ & #955; la risoluzione / λ. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 12
Figura 12: Il modello dispersione da completamente protonate micelle PHO10k-PEO10k diblock copolimero in D 2 O (dopo l'applicazione la correzione per la diffusione di solvente), misurata combinando la modalità Q -gamma estesi pinhole convenzionale. Un cilindrica morfologia core-shell è indicato dalla dipendenza Q -1 di intensità diffusa a Q intermedia e la Q -5/3 dipendenza (blob scattering) osservata a Q elevato. L'altopiano intensità a basso Q e la piegatura a Q intermedia rivelano tha lunghezza e lo spessore dei cilindri rispettivamente. La curva rossa rappresenta la misura dei dati sperimentali con un modello di cilindro di core-shell 9, con la risoluzione strumentale incluso 10-12. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 13
Figura 13: I modelli di dispersione di particelle di polistirene (R = 150 A) in D 2 O / H 2 O, misurati nella modalità ad alta intensità (lenti) pinhole convenzionale e. (A) I modelli di scattering unidimensionali misurati con λ = 7 Å a L D = 8 m nel modo convenzionale e ad L D = 20 m nella modalità ad alta intensità con lenti. in tha modalità ad alta intensità, diverse dimensioni del fascio sul campione sono stati utilizzati per aumentare l'intensità. Fino a 12 volte il guadagno in intensità è stato raggiunto quando 26 lenti stati usati rispetto alla modalità pinhole convenzionale. Un grande campione è stato collocato nel fascio utilizzando una cella di quarzo rotonda con un diametro di 5 cm. (B) Il modello di dispersione bidimensionale raccolti sul rivelatore in modalità pinhole per un fascio di dimensioni pari a 10 mm x 10 mm. (C) Il modello di dispersione bidimensionale raccolti sul rivelatore in modalità ad alta intensità utilizzando 27 lenti e una dimensione del fascio da 30 mm x 30 mm. Le dimensioni (risoluzione) del fascio diretta focalizzata sul rivelatore è la stessa come nel modo pinhole. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 14
Figura 14: Il modello dispersione dalla soluzione tampone e dai monomeri proteina beta amiloide (Ap 1-42, peso molecolare M W = 4,5 kDa) in deuterato esafluoroisopropanolo tampone dHFIP ad una concentrazione di 5,6 mg / ml dopo tre settimane di incubazione. I punti pieni rappresentano la curva di dispersione dalla soluzione proteica mentre il triangolo pieno mostra la curva di dispersione dalla soluzione tampone. I punti blu indicano la sezione di scattering (sulla scala verticale destro) da monomeri dopo la correzione per il contributo del buffer è stato applicato. Le barre di errore rappresentano le deviazioni standard derivanti dai conteggi di neutroni. La linea continua rossa mostra la funzione montato Beaucage con dimensionalità fisso d = 2 14. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.


Figura 15: I modelli di diffusione di lisozima 50 mg / ml in 50 mM di tampone di acetato in D 2 O e dalla soluzione tampone misurata a pressioni diverse, da ambiente a 5000 bar. I simboli rappresentano i dati dalla soluzione proteica mentre le linee mostrano i dati dal buffer. I dati sono stati raccolti in due distanze di rilevamento, L D = 4 m (simboli aperti) e L D = 1 m (simboli pieni). L'inserto mostra il comportamento dell'intensità avanti sparsi I (Q → 0) dalla soluzione proteica, il buffer, e la proteina stessa (dopo la correzione per il contributo tampone applicata) in funzione della pressione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Parametro / Funzionalità attrezzature ausiliarie Campo di utilizzo Precisione Dettagli tecnici
Posizionamento fase del campione max. carico di 600 kg
X 0 - 360 mm 0.05 mm
Y 0 - 330 mm 0.05 mm
Z (asse del fascio) Manualmente, 600 mm
θ R (rotazione) 0 ° - 360 ° 0.002 °
θ t (culla) ± 30 ° 0.002 °
Temperatura ambiente tre livelli multi-posizione Al titolare (maschere Cd) 3x9 = 27 celle al quarzo larghe
3x12 = 36 celle al quarzo strette
tre posizioni 3 grandi celle al quarzo (diametro Φ = 5 cm)
Al titolare (B 4 C maschera)
Temperatura termostato (bagno d'olio) + da -25 ° C a 200 ° C ± 0.5 ° C 4 posizioni
blocco di rame piccolo in aria o in camera da vuoto (con cuvette sigillati)
termostato (bagno d'acqua) + due livelli multi-posizione da 5 ° C a 85 ° C ± 0,2 ° C 2x9 = 18 celle al quarzo da ampi; 2x12 = 24 celle al quarzo strette
Al blocco
termostato + alta precisione forno da 10 ° C a120 ° C <0,1 ° C 1 posizione, ampia cella di quarzo
Peltier-termostatato portacuvette da -20 ° C a 140 ° C ± 0,2 ° C 8 posizioni (tutti i tipi di cellule di quarzo o un panino reggiseni tipo celle); atmosfera controllata inferiore a 5 ° C
(Maschera B4C)
Pressione SANS cellulari CV + termostato (bagno d'acqua) fino a 5.000 bar Temperatura nell'intervallo da 5 ° C a 85 ° C
Bassa temperatura Criostato con le finestre di zaffiro fino a 50 K
reometria Reometro; modalità a regime e oscillatori stabili
Umidità Umidità cellulare 5% a 95% Temperaturanell'intervallo da 15 ° C a 60 ° C
In-situ FT-IR 20 spettrometro FT-IR celle campione con finestre ZnSe

Tabella 1: L'elenco delle apparecchiature ausiliarie disponibili per la KWS-2 SANS diffrattometro, tra cui il campo di utilizzo, la precisione ei dettagli di ogni dispositivo.

Modalità di misurazione Setup sperimentale Risoluzione fascio / dimensione del campione max. intensità [n / s] Q-gamma [A -1]
Δλ / λ
pinhole convenzionale λ = 7 Å 20% 10 x10 mm 2 1,3 x 10 8 0,002 0,3 ..
L C = 2 m - 20 m
L D = 1 m - 20 m
λ = 4.5 Å, L C = 2 m, L D = 1 m 20% 10 x 10 mm 2 2 x 10 8 0.01 .. 0.5
λ = 10 A, L C = 20 m, L D = 20 m 20% 10 x 10 mm 2 7,5 x 10 5 0.001 .. 0.02
λ = 20 A, L C = 20 m, L D = 20 m 20% 10 x 10 mm 2 4 x 10 4 7x10 -4 .. 1,5x10 -2
Messa a fuoco ad alta intensità λ = 7 A, L C = 20 m, L D = 17 m 20% Φ = 50 mm 3 x 10 7 ≈ 0,002 .. 0.03
Messa a fuoco
alta risoluzione
(Esteso Q-gamma) 		λ = 7 A, L C = 20 m, L D = 17 m,
A C = 4 x 4 mm 2 		20% 10 x 10 mm 2 1,6 x 10 4 ≈ 2x10 -4 .. 0.02
risoluzione sintonizzabile λ = 4.5 Å, 5% 10 x 10 mm 2 ca. 7% dalla modalità convenzionale 0,002 0,5 ..
L C = 20 m,
L D = 1 m .. 20 m

Tabella 2: Le configurazioni sperimentali disponibili sul SANS diffrattometro KWS-2.

Figura 1 supplementare: Il flusso di neutroni assoluto nella posizione campione del KWS-2 in funzione della lunghezza d'onda λ a differenti lunghezze collimazione L C e per il riempimento ottimale della sorgente fredda reattore. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura integrativa 2: Rappresentazione schematica del chopper doppio disco con una apertura a fessura variabile. La fessura di apertura Δφ può essere regolata tra 0 ° e 90 ° in modo che, a seconda della frequenza chopper fchopper, il tempo di apertura τ w della guida (il rettangolo rosso sulla serie verticale destro di immagini) può essere variata. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 3: L'interfaccia utente principale del controllo di misura e visualizzazione del software del KWS-2. Le funzioni laterale sinistro (A) possono essere utilizzati da sperimentali, mentre le funzioni del lato destro e indicatori (B) vengono utilizzati dallo strumento responsabile. Un server o un processo mostrato nel menu di destra è operativo e funziona normalmente quando è segnato in verde. I componenti contrassegnati in giallo non sono attivati. Qualsiasi guasto è indicato con il rosso. Clicca qui per scaricare °è figura.

Figura supplementare 4: Vista del menu kws2-configurazione e le funzioni di configurazione di esempio. Gli utenti devono compilare le informazioni nei campi UserData prima e poi fare la configurazione dei campioni. I campi che devono essere riempiti e le azioni che devono essere prese sono contrassegnati in rosso. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 5: Vista del menu Definizione kws2 e selezionare funzioni di esempio. Le azioni che devono essere prese da parte dell'utente sono descritte al punto 4.3. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Supplementoary Figura 6: Vista del menù kws2 Definizione e traduzione di funzioni Misure. Le azioni che devono essere prese da parte dell'utente sono descritte al punto 4.3. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura complementare 7: Il programma di misurazione generata combinando i campioni definiti e le condizioni sperimentali definite. Le azioni che devono essere prese da parte dell'utente sono descritte al punto 4.3. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 8: Il menu di controllo kws2-Misurazione e l'opzione valori correnti. I parametri fissi (posizioni, nomi, lunghezza d'onda, etc.) e la variables (tempo, intensità, contare rate, ecc) che caratterizzano la misurazione in esecuzione vengono visualizzate. Le azioni che devono essere prese da parte dell'utente sono descritte al punto 4.4. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 9: L'opzione Live-Display con il menu KWSlive_MainWindow e diverse opzioni di visualizzazione dei dati. Viene selezionata la modalità di visualizzazione della superficie. Quando è selezionata la modalità di media radiale (immagine destra), l'impostazione dei parametri può essere trovata nel menu Opzioni Si prega di cliccare qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 10: L'interfaccia principale dei qtiKWS software di riduzione dei dati w ith le opzioni per la selezione dello strumento e la posizione dei dati sperimentali ed elaborati. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 11: Le funzioni per la definizione del giornale di bordo per l'insieme di dati da trattare (info-table). Le azioni che devono essere prese da parte dell'utente sono descritte al punto 5.3. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura complementare 12: Le funzioni per definire la maschera rivelatore per cui verranno elaborati i dati. Le azioni che devono essere prese da parte dell'utente sono descritte al punto 5.4.target = "_ blank"> Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 13: Le funzioni per la definizione delle mappe di sensibilità del rivelatore. Le azioni che devono essere prese da parte dell'utente sono descritte al punto 5.5. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 14: Le funzioni per la generazione della tabella di script per la correzione, la calibrazione, e radiale media dei dati. Le azioni che devono essere prese da parte dell'utente sono descritte al punto 5.6. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 15: Le funzioni per la stampa tha elaborato i dati. Le azioni che devono essere prese da parte dell'utente sono descritte al punto 5.6.5. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura complementare 16: Le funzioni per la preparazione e la divisione dei dati misurati in modalità sintonizzabile risoluzione. I dati provenienti dai due impulsi erogati dal chopper e raccolti inizialmente in 64 canali TOF sono fusi in un unico impulso. Diversi canali sono raggruppati insieme in modo che i canali di termini derivanti che si caratterizzano per la Δλ / λ volto possono essere salvati come file separati. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 17: Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 18: Le funzioni per la definizione delle maschere rivelatore ad alta risoluzione per i quali verranno trattati i dati. Le azioni che devono essere prese da parte dell'utente sono descritte al punto 5.8. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Figura supplementare 19: Panoramica di tutti i tipi di cellule del campione tipicamente utilizzati sul KWS-2 per lo studio della materia soffice e campioni biologici a temperatura ambiente o variabile. (A) Veduta del lcellule arge quarzo disponibili per la modalità ad alta intensità con lenti e una grande dimensione del fascio. Il supporto della cella, che è dotato di maschere di plastica borato (1), permette la progettazione e conduzione di tre misurazioni in una sessione. (B) Vista delle cellule quarzo o ottone che vengono utilizzati come contenitori di campione e di un supporto a temperatura controllata (Peltier-type) dotato di cartucce 8 posizioni appropriate per ciascun tipo di cellula. Il supporto è schermato con maschere di plastica borato (1) su entrambe le facce. (C) Vista della cella di pressione in funzione sul KWS-2. La cella può fornire la pressione sul campione tra l'ambiente e 5,000 bar in modo automatico, comandato dal programma di misurazione. La maschera Cd rotondo (1) con una piccola apertura al centro determina il raggio-size sul campione. Clicca qui per scaricare questa cifra.

Discussion

materia soffice e sistemi biofisici sono tipicamente caratterizzati da correlazioni strutturali e livelli microstrutturali e morfologiche interconnessi che si estendono su una scala di lunghezza di larghezza, dal nm a micron. Per comprendere il meccanismo di formazione ed evoluzione della morfologia di tali sistemi e il rapporto tra le loro caratteristiche microscopiche e proprietà macroscopiche, è importante esplorare la microstruttura sull'intera scala di lunghezza e in condizioni ambientali pertinenti (ad esempio, temperatura, pressione, pH , umidità, etc.). Tipicamente, piccolo angolo tecniche con neutroni (SANS) o raggi X di sincrotrone (SAXS) dispersione sono coinvolti in tali studi. Lo svantaggio intensità di neutroni contro raggi X di sincrotrone viene compensato mediante l'uso di relativamente grande Δλ / λ, che però porta al peggioramento della risoluzione strumentale. Tuttavia, SANS offre vantaggi unici grazie alle possibilità offerte dal contrvariazione ast, in particolare tra gli isotopi di idrogeno. Pertanto, SANS è un metodo sperimentale specifico utilizzato nello studio dei sistemi di materia e biofisiche morbide, che trasporta informazioni strutturali e morfologiche unico. La maggior parte dei diffrattometri SANS in tutto il mondo 21 di lavoro sul principio foro stenopeico (Figura 2A), che consente la risoluzione Q bassa mirato. Praticamente, tutti SANS diffrattometri a flusso elevato hanno un massimo di flusso simile dell'ordine di 1 x 10 8 n cm -2 s -1. In base alla risoluzione della lunghezza d'onda rilassato, il KWS-2 ha una quasi raddoppiato flusso di 2, 4. Recentemente, SANS diffrattometri molto specializzati è diventato operativo a servire con caratteristiche ottimizzate per una specifica gamma di applicazioni, come ad esempio per le indagini a molto piccola dispersione vettori 22, 23. Con la recentissima commissione dei diffrattometri specializzati TOF-SANS in reattori steady-state 24 o spallation fonti 25, 26, un massicciamente-maggiore gamma dinamica Q in un dato apparato sperimentale e una maggiore flessibilità e ottimizzazione per quanto riguarda la scelta della risoluzione sperimentale sono offerti. Per la SANS diffrattometro KWS-2, un elevato livello di versatilità e le prestazioni richieste molto specifiche studi strutturali nel campo della materia soffice e biofisica è abilitato su uno strumento altrimenti classica SANS. L'ottimizzazione, flessibilità, e spontaneità nella progettazione e realizzazione di studi complessi, come supportato dal protocollo descritto, è ottenuta attraverso la combinazione dei parametri ottimizzati sperimentali (ad esempio, intensità, lunghezza di scala, risoluzione spaziale e risoluzione temporale) e il campione complesso ambienti. Utilizzando le molteplici modalità di funzionamento elencati nella Introduzione e supportati dai risultati presentati nelle Figure 8-15, la KWS-2 migliora in modo semplice e pratico le prestazioni di un diffrattometro SANS classicaad una fonte di neutroni costante (reattore) oltre i limiti convenzionali di tali strumenti.

Questo protocollo presenta i passi che un utente normale deve svolgere per definire e condurre un semplice programma sperimentale che coinvolge solo l'indagine di campioni a condizioni ambientali termodinamiche (temperatura, pressione, umidità relativa) e in condizioni statiche (non cinetica di formazione struttura o trasformazione, nessun taglio o il flusso). Diversi supporti a temperatura controllata o in ambienti speciali campione (Tabella 1 e complementari Figura 19), come le celle di pressione, reometri, o cellule di umidità, sono disponibili e possono essere installati e regolati con assistenza speciale da parte del team dello strumento in modo ottimale. Questo protocollo non fornisce istruzioni sulle impostazioni e controlli di tali apparecchiature. La definizione e l'attivazione di controllori esterni richiedono l'uso di un altro, protocollo più complesso. Questo protocollo presenta lacaso di funzionamento con celle campione quarzo di forma rettangolare stretta (Figura 3). Tuttavia, una vasta gamma di geometrie cellulari e tipi (Figura 19) complementare è offerto agli utenti, al fine di fornire una maggiore flessibilità ed efficienza nella conduzione degli esperimenti. Nel caso di utilizzo di tali cellule, la presente protocollo può essere seguita con la regolazione dei parametri descritti al punto 4.2.2. Il software di controllo di misura è stato sviluppato per offrire agli utenti una maggiore flessibilità nel perseguire i loro obiettivi scientifici e l'ottimizzazione del funzionamento tecnico dello strumento. Tutte le regolazioni e le configurazioni di funzioni e componenti dello strumento speciali sono fatte dal team di strumento. Il coinvolgimento degli utenti scientifici nella configurazione, la definizione e l'utilizzo dello strumento è semplificata e specificamente limitata solo a quegli aspetti che sono in connessione con le questioni scientifiche della sessione sperimentale. cofile nfiguration sono predefiniti in modo da coprire tutti gli aspetti sperimentali particolari, come il posizionamento dei supporti speciali nel fascio, il posizionamento del campione nel fascio (coordinate x, y, Φ, e ω sul palco del campione, tavolo di rotazione, o culla nel supplementare figura 5), la regolazione del rivelatore e fascio-stop posizioni per diverse lunghezze d'onda, la regolazione dei parametri di chopper (frequenza e la finestra di apertura) per le diverse lunghezze d'onda, le distanze di rilevamento e la risoluzione mirata, ecc Inoltre, l'attuale protocollo non descrive come la modalità in tempo reale può essere utilizzato sul KWS-2. L'utilizzo di un protocollo più complessa è necessaria anche per condurre SANS esperimenti risolte nel tempo.

Inoltre, questo protocollo presenta come i dati misurati possono essere corretti per diversi contributi di scattering dallo strumento e riferimenti e calibrati per ottenere Differenti del campioneAl di scattering sezione trasversale, dΣ / dΩ, espressa in cm -1. Questa quantità contiene l'intera informazioni strutturali e morfologiche sul campione e viene misurata su una gamma Q larga corrispondente ad una scala di lunghezza larga, sul quale compaiono correlazioni strutturali e taglia livelli interconnessi caratteristici del sistema investigato. La sezione trasversale di scattering dΣ / dΩ riguarda quindi l'intensità misurata in un esperimento di diffusione statica ad angolo Θ, I s = f (Θ) per le proprietà strutturali del campione.

Per la valutazione delle dΣ / dΩ per un sistema di interesse, oltre la misura del sistema, misurazioni aggiuntive sono necessari al fine di correggere i dati per qualsiasi dispersione esterno (cioè, ambiente, cella campione, solvente o buffer in caso di sistemi soluto, ecc) e per calibrare i dati corretti in unità assolute > 8. Lo sfondo esterna (cella campione o contenitore), il campione di riferimento (soluzione di solventi o tampone), la trasmissione del campione (necessario per lo sfondo corretto sottrazione e calibrazione dei risultati corretti in unità assolute), sfondo elettronico del rivelatore, il rivelatore sensibilità (disomogeneità dell'efficienza rivelatore che è inerente per rivelatori zona), e il campione normalizzato, deve essere misurato. Per la KWS-2, plexiglas (PMMA) è usato come campione standard. Questo è il cosiddetto standard secondario e viene periodicamente calibrato contro un campione standard primario, che è vanadio. Vanadio offre una intensità sparso molto debole e non richiede tempi di misura molto lunghi per la raccolta delle statistiche appropriate; Pertanto, non è pratico per scopi SANS. L'intensità raccolto dal campione di interesse I S e dal campione standard I St può essere espresso come segue:

t "> Equazione 1 [1]

Equazione 1 [2]

dove 0 rappresenta l'intensità entrata (erogata dal sistema di collimazione), t è lo spessore, A è l'area esposta al fascio, T è la trasmissione e Δ ψ è l'angolo solido in cui una cella di rilevamento è visto dal posizione del campione. Se sia campione e dello standard sono misurate nelle stesse condizioni rispetto al fascio in ingresso (ad esempio, L C, A C e A S e λ e Δ λ / λ), I 0 e A sono uguali e l'angolo solido è espressi in D / L D (con a D rappresenta l'area di una cella di rilevamento). Dividendo le due relazioni, la diffusione cross-sectisulla del campione è ottenuta come:

Equazione 1 [3]

dove I St viene espressa come media (standard come sistema scattering incoerente batte un modello di dispersione piatta). L'I S si ottiene dopo la correzione dell'intensità misurata del campione nella cella (contenitore) rispetto al contributo della cella vuota I eCell e lo sfondo sul rivelatore per il fascio chiuso, I B. Il fattore t St T St (dΣ / dΩ) St, contenente la dispersione e parametri fisici del campione di riferimento, dipende dalla lunghezza d'onda λ neutroni e tipicamente è noto dalla taratura del campione di riferimento. Così, è tabulato nel software riduzione dei dati 4. I parametri e le quantità in Eq. 3 che sono noti da immissio calibrazionees e la definizione del setup sperimentale (t S, L D) formano il cosiddetto fattore di calibrazione k. Le intensità e la T S trasmissione dei campioni che appaiono in Eq. 3 deve essere misurata. Il programma di analisi dei dati qtiKWS consente la correzione, calibrazione e radiale media dei dati sperimentali e il raggiungimento di dΣ / dΩ per i campioni esaminati in una modalità di lavoro flessibile e versatile. I risultati finali generati con il software qtiKWS sono presentati come tabelle con quattro colonne: A, E, I Δ, Δσ dove I rappresenta dΣ / dΩ e Δσ è la risoluzione Q 5.

Da un punto di vista pratico, con la KWS-2, SANS combinati e ricerche USANS possono essere eseguite, con il vantaggio che la geometria del campione e le condizioni termodinamiche rimangono costanti. Grandi morfologie che mostrano multiple livelli struttura abbracciano una vasta lunghezza scala da nanometrica al micrometro dimensioni possono essere studiate in modo diretto, come mostrato in Figura 12. Oltre alla piccola scala limite strutturale R C osservata nella curva dispersione misurata nel modo pinhole convenzionale, attivando le lenti e il rilevatore ad alta risoluzione, il grande limite strutturale L C del cilindrici micelle core-shell formata dal poly - (hexylene-ossido-co-etilene-ossido) PHO10k-PEO10k diblock copolimero (completamente protonato) in D 2 O 14 potrebbero essere osservati a valori molto bassi Q nella modalità di lavoro esteso Q-range. Le micelle cilindriche sono caratterizzate da uno spessore totale di circa 300 Å e una lunghezza di circa 7000 Å, come rivelato dalla misura dei risultati sperimentali con nucleo-mantello cilindrico fattore di forma 9,14. Pertanto, alcuni effetti sensibili come gel termo-sensibile o la formazione e la crescita di cristallidi linea o parzialmente cristallini morfologie possono essere esplorati in modo inequivocabile con la KWS-2, a differenza del classico approccio di coinvolgere due o più strumenti differenti e geometrie del campione.

Come illustrato nella figura 11, i sistemi correlati e ha ordinato strutture possono essere studiate con risoluzioni adattati in modo molto flessibile, senza spendere tempo e fatica per l'installazione di sistemi di monochromatization complessi, che comporterebbe aspetti di assistenza e di sicurezza supplementari. Inoltre, coinvolgendo l'elicottero e la modalità di acquisizione dei dati TOF, sistemi di materia soffice monodisperse o complessi con bassa polidispersità dimensioni può essere caratterizzato con grande precisione AT Still-alte intensità 5.

Gli ostacoli generati dalla dispersione debole a causa ad uso di sistemi altamente diluiti o condizioni sfavorevoli di contrasto possono essere superati con l'uso di intensità ancora maggiori in base alla dimensione più grande fascio sul campione, mantenendo larisoluzione. Figura 13A riporta i modelli di scattering da particelle di polistirene di un raggio di R = 150 Å, misurata nel modo alta intensità utilizzando le lenti e una dimensione del fascio quadratica compresa tra i 10 mm x 10 mm, la dimensione tipica utilizzata nella modalità pinhole convenzionale , ea 30 mm x 30 mm. Inoltre, viene visualizzato il risultato di una misurazione con un giro subbio 50 mm di diametro (full size lente). In parallelo, il risultato normalizzato ottenuto nel modo pinhole convenzionale è presentato. Uso 26 lenti con neutroni di λ = 7 Å e le stesse dimensioni all'ingresso dell'apertura A C per il modo pinhole convenzionale (Figura 2B), un guadagno in intensità sul campione di circa 12 volte si ottiene mantenendo una dimensione del fascio costante (risoluzione ) sul rivelatore, come mostrato nella Figura 13B-C. Il sistema 27-lente ha una trasmissione di circa 32% a temperatura ambiente. Raffreddato ad una temperatura di 50 K, gli aumenti di trasmissione lente dovutela soppressione della dispersione sul fononi nel materiale della lente. Il sistema di 26 lenti paraboliche ha una trasmissione di circa il 65% per una dimensione del fascio giro di 50 mm, quando il fascio passa attraverso l'intero volume della lente, e di circa il 92% per una dimensione del fascio quadratica di 10 mm x 10 mm , quando solo una quantità di materiale della lente rimane nel fascio. La modalità ad alta intensità con lenti offre prestazioni in caso di dispersione debole che si incontra generalmente ad una grande distanza di rilevamento ed è particolarmente problematico nel caso di condizioni di contrasto deboli. Inoltre, quando il campione è stabile solo su breve periodo di tempo, l'uso di questa modalità rappresenta un chiaro vantaggio, come è dimostrato altrove 15.

D'altra parte, nel caso di sistemi biologici, piccoli volumi di campione sono in genere disponibili per gli esperimenti. Piccole molecole biologiche in condizioni fisiologiche con dimensioni di pochi nanometri forniscono segnali di scattering deboli sopra la domiNant dispersione delle soluzioni tampone. Tali segnali possono essere misurati con il KWS-2, beneficiando della alta intensità dello strumento nella configurazione a bassa risoluzione della modalità foro stenopeico, utilizzando breve collimazione lunghezze L C = 2 m e rilevazione brevi distanze mo 4 L D = 1 m, 2 m, o di 4 m. Figura 14 presenta i modelli di scattering di proteina beta amiloide (Ap 1-42, M W = 4,5 kDa) monomeri in deuterato esafluoroisopropanolo dHFIP, come ottenuto dopo la correzione per il segnale dispersione dal buffer è stato applicato. Un modello fit dei dati consegnati una dimensione monomero di circa 16 ± 1 a 16. Un tempo di misurazione lungo di diverse ore per ogni condizione sperimentale (distanza di rilevamento L D e tipo di esempio) è stato coinvolto, anche se le misurazioni sono state effettuate a brevi distanze di rilevamento. Il vecchio rivelatore, che ha dimostrato le limitazioni per quanto riguarda il tasso di conteggio, ostacolato l'uso di brevi distanze di collimazioneL C, quindi l'uso del flusso massimo sullo strumento. Con la commissione del nuovo sistema di rilevazione che consente l'uso del flusso completo di neutroni, tali intensità deboli saranno misurati in tempi più brevi e con le statistiche migliorato in futuro.

Infine, effetti stimoli sensibili possono essere studiati in maniera flessibile e facile utilizzando lo speciale apparecchiature ausiliarie del KWS-2. Un esempio è riportato nella figura 15, che mostra i modelli SANS dalla proteina lisozima in D 2 O buffer e dal buffer raccolti a diverse pressioni. Particolare attenzione è stata dedicata alla ricerca di sfondo e dispersione in avanti dalle molecole lisozima, utilizzato nel test delle prestazioni della nuova cella di pressione prodotte in casa, seguendo un disegno fatto da PSI, Svizzera. I risultati sono simili a quelli ottenuti da Kohlbrecher et al. in uno studio simile per testare il modello cellulare pressione originaria costruitalì 17, 18. Con la KWS-2, ulteriori dati sono stati acquisiti da allora è stata raggiunta una pressione di 5000 bar. Evoluzione dell'intensità avanti dispersa dalla proteina segue un comportamento lineare, come osservato nello studio al PSI, Svizzera 18.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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Bioingegneria piccolo angolo scattering di neutroni (SANS) SANS ad alta risoluzione SANS ad alta intensità SANS di messa a fuoco sistemi di materia morbida sistemi biofisici
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Radulescu, A., Szekely, N. K.,… More

Radulescu, A., Szekely, N. K., Appavou, M. S., Pipich, V., Kohnke, T., Ossovyi, V., Staringer, S., Schneider, G. J., Amann, M., Zhang-Haagen, B., Brandl, G., Drochner, M., Engels, R., Hanslik, R., Kemmerling, G. Studying Soft-matter and Biological Systems over a Wide Length-scale from Nanometer and Micrometer Sizes at the Small-angle Neutron Diffractometer KWS-2. J. Vis. Exp. (118), e54639, doi:10.3791/54639 (2016).

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