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.
Den KWS-2 SANS diffraktometer er dedikeret til undersøgelse af blødt stof og biofysiske systemer, der dækker et bredt længde skala, fra nm til um. Instrumentet er optimeret til udforskning af den brede momentum transfer Q området mellem 1×10 -4 og 0,5 Å -1 ved at kombinere klassisk pinhole, fokusering (med objektiver), og tid-of-flight (med chopper) metoder, samtidig giver høj -neutron intensiteter med en justerbar opløsning. På grund af sin evne til at justere intensiteten og beslutningen inden for vide grænser under eksperimentet, kombineret med muligheden for at udstyre specifikke eksempler miljøer og accessoriske enheder, KWS-2 viser en høj alsidighed i håndteringen af de essentielle strukturelle og morfologiske undersøgelser i marken. Equilibrium strukturer kan studeres i statiske målinger, mens dynamiske og kinetiske processer kan undersøges i løbet af tidsskalaer mellem minutter til et tocifret antal millisekunderSkanningen starter med tid-løst tilgange. Typiske systemer, der undersøges med KWS-2 dækker området fra komplekse, hierarkiske systemer, der udviser flere strukturelle niveauer (fx, geler, netværk eller makro-aggregater) til små og dårligt sprednings- systemer (f.eks, enlige polymerer eller proteiner i løsning). Den nylige opjustering af detekteringssystemet, som muliggør påvisning af tællehastigheder i MHz-området, åbner nye muligheder for at studere selv meget små biologiske morfologier i pufferopløsning med svage scattering signaler tæt bufferen spredning niveau ved høj Q.
I dette papir, giver vi en protokol til at undersøge prøver med karakteristiske størrelse niveauer spænder over en bred længdeskala og udstille bestilling i mesoscale struktur ved hjælp af KWS-2. Vi præsenterer i detaljer, hvordan man bruger de mange arbejds- tilstande, der tilbydes af instrumentet og niveau af ydeevne, der er opnået.
Bløde og biologiske materialer viser en rig variation af morfologier der er karakteriseret ved funktioner som selvorganisering og selv-samling af elementære enheder til større, komplekse aggregater. De viser også kooperativ samspil med et stort antal frihedsgrader; svage vekselvirkning mellem de strukturelle enheder, og dermed høj følsomhed over for eksterne felter; og spatiotemporale sammenhænge, der kan spænde over en bred vifte, fra nanometer til millimeter og fra nanosekunder til dag. På grund af den store vifte af relevant længde- og tidsplaner, den eksperimentelle karakterisering af egenskaberne af disse materialer er meget udfordrende. Spredningsteknikker med neutroner spiller en vigtig rolle i forbindelse med undersøgelsen af strukturen, dynamik, og termodynamiske egenskaber af sådanne komplekse systemer. Som unikke prober, neutroner har den fordel forskellige interaktioner mellem 1 H og 2H (deuterium, D) hydrogenisotoper. Den store afvigerning i sammenhængende spredning længde densitet mellem hydrogen og deuterium repræsenterer basis af kontrast variation og kontrast matchende metoder. Da de fleste af de bløde stof og biologiske systemer består af carbonhydrider, hydrogen / deuterium (H / D) substitution giver mulighed for at variere den sammenhængende spredning længde tæthed af en forbindelse over et bredt område. Med denne teknik, kan udvalgte bestanddele i et komplekst system mærkes ved isotopudveksling. Afhængigt af dens kontrast-the kvadreret forskellen mellem dens spredning længde tæthed og de øvrige komponenter-udvalgte komponenter eller regioner i et kompleks bløde stof eller biofysisk morfologi kan gøres synlige eller usynlige i spredningen eksperimentet uden kemisk at ændre systemet. Desuden er neutroner meget gennemtrængende og kan bruges som ikke-destruktive sonder og til at studere prøver i særlige miljøer, hvor bidraget fra yderligere materialer placeret i bjælken kan være pålideligtdygtigt målt og korrigeret for.
Elastiske spredning eksperimenter levere information om strukturen og morfologien af en prøve. Den spredte intensitet måles i gensidig rum som funktion af det momentum overførsel Q, hvor Q = 4π / λ synd Θ / 2, med λ – neutronen bølgelængde og Θ – spredningsvinklen; dette derefter translateres til virkelige rum gennem en invers Fourier transformation. Således store Q-værdier vedrører korte længde skalaer, med undersøges af klassisk neutrondiffraktion (ND) de inter-atomare korrelationer. Ved små Q-værdier, kan skalaer store længde blive udforsket af små-vinkel neutronspredning (SANS). Typisk enkelt eller samling syntetiske eller naturlige makromolekyler i opløsning, smelte, er film eller bulk-prøver kendetegnet over en skala bred målt fra nanometer og mikrometer størrelser, via anvendelsen af de klassiske pin-hole SANS og uLTRA-SANS (baseret på fokusering eller enkelt-krystal diffraktion) teknikker. Men kombinationen af forskellige metoder eller faciliteter for at opnå en komplet strukturel karakterisering er undertiden vanskelig på grund af spørgsmål såsom tilgængelige mængde prøve, stabilitet af prøver over lange tidshorisonter, reproducerbarhed af effekter i særlige termodynamiske forhold, og den fælles analyse af eksperimentelle data opnået i forskellige eksperimentelle geometrier. Desuden de undersøgelser, der beskæftiger sig med strukturer og hurtige strukturelle ændringer, der er karakteriseret ved høje rum eller tid opløsning er meget udfordrende og kræver meget specielle forsøgsopstillinger. Derfor er udviklingen af alsidige SANS instrumenter, hvor grænserne kan skubbes ud over den typiske konfiguration på en nem og praktisk måde, er til gavn for mødet alle særlige krav fra brugerne.
SANS diffraktometer KWS-2 (figur 1), der drives af J2; lich Center for Neutron Science (JCNS) på Heinz Maier-Leibnitz Center (MLZ) i Garching, var oprindeligt en klassisk pinhole SANS instrument nyder godt af en høj neutron flux (Supplerende figur 1) leveret af FRM II neutron kilde 1 og den dedikerede føringssystem 2-4. Efter gentagne opgraderinger, blev instrumentet optimeret til udforskningen af en bred Q interval mellem 1×10 -4 og 0,5 Å -1, hvilket giver høje neutron intensiteter og en justerbar opløsning. Med tilgængeligheden af specifikke prøve miljøer og tilknyttede enheder (tabel 1), kan instrumentet være udstyret til at studere blødt stof og biofysiske systemer over en skala bred længde, fra nm op til um, gennem statiske målinger; det kan også udføre tid-løst undersøgelser af strukturer og morfologier ved ligevægt eller under forvandling skyldes kinetiske processer, der spænder over et bredt tidsskala mellem minutter og snesevis afmillisekunder. Ved konventionel bearbejdning (figur 2A), en Q interval mellem 7×10 -4 Å -1 og 0,5 Å -1 kan dækkes gennem variation af prøven og detektoren afstand og / eller bølgelængden. Derfor kan de strukturelle niveauer og korrelation effekter på en længde skala fra 10 A op til 9000 Å inspiceres i det virkelige rum (hvor dimensionen betragtes som 2π / Q). Udvælgelsen af bølgelængden, mellem 4,5 Å og 20 Å, anvendelse af en mekanisk monochromator (hastighed selector), der tilvejebringer en bølgelængde spredning Δλ / λ = 20%, variationen af kollimeringen betingelser (collimation længde L åbninger C og blænde, A C – indgangen blænde, efter den sidste neutron guide segment i strålen, og A S – prøven blænde, lige foran prøven) og detektionsafstand L D er færdig automatisk via computerstyring.
<p class = "jove_content"> Betydelige opgraderinger på intensiteten på prøven, blev instrumentet opløsning, den mindste momentum overførsel Q m, og den hurtige detektion ved høje count satser i MHz gennemført for nylig, der sigter mod at øge instrumentets ydeevne. Under denne proces blev det instrument udstyret med ekstra funktioner.Der er en dobbelt-disc chopper 5 med variable opskårne åbninger (Supplerende figur 2) og time-of-flight (TOF) dataopsamling mode. Chopperen kan drives ved en varierende frekvens f chopper mellem 10 Hz og 100 Hz og ved kantede åbninger af de to chopper vinduer mellem vinkler på 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° ved at ændre positioneringen af de to skiver i forhold til hinanden. Forbedringen i bølgelængde resolution Δλ / λ opnås ved at afkorte åbningen tidspunktet for neutron guide τ w af DECRlempelse Δφ og / eller øge f chopper. De resulterende impulser er optaget på detektoren er opdelt i et passende antal tidskanaler, der svarer til τ w i bredden og er kendetegnet ved lige Δλ / λ.
Der er også fokus elementer fremstillet af magnesium fluorit MgF2 parabolske linser 6 med en diameter på 50 mm (figur 1). 26 MgF2 linser er inddelt i tre pakker (4 + 6 + 16 linser), der kan flyttes uafhængigt i strålen til at opnå fokus forhold med forskellige bølgelængder X = 7-20 Å. For at øge transmissionen ved at reducere spredning på fononer i linsematerialet linserne holdes på 70 K ved hjælp af et specielt kølesystem.
Der er en sekundær høj opløsning positions-følsom scintillationsdetektor med en 1 mm stilling opløsning og en 0,45 mm pixel-størrelse. detektorentypisk placeret i tårnet på toppen af vakuumkammeret i en fast afstand L D = 17 m og kan bevæges lodret i eller ud af strålen (figur 1). Det vigtigste detektor er parkeret i slutposition af tanken på 20 m, mens den sekundære detektor flyttes i strålen, når undersøgelser i høj opløsning (lav Q) ved hjælp af linser bliver udført 4,7. Den sekundære detektor placeres i et brændpunkt i linsen systemet, mens en lille indgang blænde ved L C = 20 m ville være, i dette tilfælde, i det andet brændpunkt.
Der er en ny main detektionssystem, der består af et array af 144 3He rør (med en global effektivitet pr rør på 85% for λ = 5 A) og som definerer en aktiv ækvivalent detekteringsområde til 0,9 m 2 (figur 1). Innovative hurtige udlæsning elektronik monteret i en lukket sag på bagsiden af 3He rørramme forbedrerudlæsning egenskaber og reducerer baggrundsstøj. Det nye system, der erstattede det gamle scintillationsdetektor (6 Li scintillator og en matrix af 8×8 fotomultiplikatorer, figur 1) er kendetegnet ved en effektiv dead-tidskonstant på 25 ns og en samlet tællehastighed så højt som 5 MHz til 10% frist tid til flade profiler. Disse funktioner er skyldes, at systemet indeholder uafhængige kanaler drevet parallelt, hvilket er en fordel i forhold systemer, der oplever doedtiden efter en begivenhed. Den meget højere tællehastighed forkorter måling gange og derfor øger antallet af eksperimenter, der kan udføres i det samme tidsrum.
Med alle disse nyskabelser, instrumentet blev et meget alsidigt værktøj, der kan løse en bred vifte af strukturelle studier ved at tilbyde flere arbejdsforhold tilstande (tabel 2), der kan vælges og anvendes i en direkte og brugervenlig måde. I høj intensitet tilstand (Figur 2B), op til tolv gange intensiteten forstærkning sammenlignet med den konventionelle pinhole tilstand for den samme opløsning kan opnås med linser ved at øge antallet af stikprøver. I justerbar opløsning tilstand med chopper og TOF dataopsamling, er forbedret karakterisering af spredningen funktioner inden for forskellige Q intervaller aktiveret af muligheden for at variere bølgelængden opløsning Δ λ / λ mellem 2% og 20% 5. I den udvidede Q -range tilstand (Figur 2C), ved hjælp af linser og den sekundære høj opløsning detektor, en Q m så lav som 1 x 10 -4 Å -1 kan opnås, som i kombination med pinhole-mode, tilladelser udforskningen af størrelser over en kontinuerlig skala længden fra nm til mikrometer. Brugen af en helikopter til indsnævring Δ λ / λ giver nøjagtige stråle egenskaber ved at undgå grovhed og kromatiske effekter whOr hjælp af linserne. I realtidstilstand, ved at udnytte den høje intensitet og ekstern udløsning af dataopsamling ved prøve miljøer, strukturændringer kan løses med tiden resolutioner ned til 50 ms. Ved at forbedre bølgelængde opløsning ned til Δ λ / λ = 5% med chopper, kan tid resolutioner så god som 2 ms realiseres.
Her præsenterer vi i detaljer en protokol om hvordan typiske eksperimenter gennemføres på KWS-2 i de forskellige arbejdsformer, og hvordan der kan opnås strukturel information fra de undersøgte prøver fra de indsamlede data gennem reduktion af data. I denne demonstration vil vi bruge SANS til at karakterisere flere størrelser af standard partikel-løsninger og en højt koncentreret polymer micellar løsning for at vise, hvordan størrelse og orden kan studeres i brede intervaller på en fleksibel og effektiv måde med KWS-2 under en eksperimentel session. Polystyren sfæriske partikler med diffeleje størrelser (radier R = 150, 350, 500, 1000, og 4000 Å) og en størrelse polydispersitet af σ R 8% er dispergeret i en vandig opløsning (en blanding af 90% D2O og 10% H2O) ved en volumenfraktion på 1%. Miceller dannet af C 28 H 57 -PEO5 diblokcopolymerer i D2O ved en koncentration på 12% viser en ordnet struktur.
Bløde stof og biofysiske systemer er typisk kendetegnet ved strukturelle korrelationer og indbyrdes forbundne mikrostrukturelle og morfologiske niveauer, der spænder over et bredt længdeskala, fra nm til mikrometer. For at forstå den mekanisme for dannelse og udvikling af morfologi af sådanne systemer og forholdet mellem deres mikroskopiske egenskaber og makroskopiske egenskaber, er det vigtigt at udforske deres mikrostruktur i hele længden skala og under relevante miljøforhold (f.eks temperatur, tryk, pH , fugtighed osv). Typisk er små-vinkel spredning teknikker med neutroner (SANS) eller synkrotron røntgenstråler (SAXS) er involveret i sådanne undersøgelser. Intensiteten ulempe ved neutroner versus synkrotron røntgenstråler kompenseres ved brug af forholdsvis stor Δλ / λ, hvilket dog fører til forværring af den instrumentale opløsning. Ikke desto mindre, SANS giver unikke fordele pga de muligheder, som den contrast variation, især mellem brint isotoper. Derfor SANS er en eksperimentel metode specifikt anvendes i studiet af bløde stof og biofysiske systemer, hvortil det leverer unikke strukturelle og morfologiske information. De fleste af de SANS diffraktometre verdensplan 21 arbejde på pinhole princip (figur 2A), der gør det muligt for sigter lavt Q opløsning. Praktisk, alle high-flux SANS diffraktometre har en lignende maksimal flux i størrelsesordenen 1 x 10 8 n cm -2 sek -1. Baseret på den afslappede bølgelængde opløsning har KWS-2 en næsten fordoblet flux 2, 4. For nylig, meget specialiserede SANS diffraktometre blev operationelt til at tjene med optimerede egenskaber for et bestemt udvalg af applikationer, såsom for undersøgelser på meget lille spredning vektorer 22, 23. Med den meget nylige provision af de specialiserede TOF-SANS diffraktometre ved steady-state reaktorer 24 eller spallation kilder 25, 26, tilbydes massivt-øget dynamisk Q interval i en given forsøgsopstilling og øget fleksibilitet og optimering med hensyn til valget af den eksperimentelle opløsning. For KWS-2 SANS diffraktometer, er en høj grad af alsidighed og ydeevne, der kræves til meget specifikke strukturelle studier på området bløde stof og biofysik aktiveret på en ellers klassisk SANS instrument. Optimeringen, fleksibilitet og spontanitet i design og udførelse af komplekse undersøgelser, som understøttes af den beskrevne protokol, opnås ved at kombinere de optimerede eksperimentelle parametre (f.eks intensitet, længdeskala, rumlig opløsning, og tidsopløsning) og den komplekse prøve miljøer. Brug af flere arbejdsforhold modes opregnet i indledningen og understøttet af de resultater, der præsenteres i figurerne 8-15, KWS-2 forstærker på en nem og praktisk måde udførelsen af en klassisk SANS diffraktometeri et støt neutronkilde (reaktor) ud over de traditionelle grænser for sådanne instrumenter.
Denne protokol præsenterer de trin, en almindelig bruger skal udføre for at definere og gennemføre en simpel eksperimentelle program, der involverer kun er undersøgelsen af prøver ved omgivende termodynamiske forhold (temperatur, tryk, relativ fugtighed) og under statiske forhold (ingen kinetikken af dannelse struktur eller transformation, ingen forskydning eller flow). Adskillige temperaturkontrollerede indehavere eller særlige prøve miljøer (tabel 1 og supplerende Figur 19), såsom tryk celler, rheometers eller fugtighed celler, er tilgængelige og kan optimalt installeres og justeres med særlig hjælp fra instrumentet team. Denne protokol indeholder ikke anvisninger om indstillingerne og kontrol af sådant udstyr. Definitionen og aktivering af eksterne controllere kræver brug af en anden, mere kompleks protokol. Denne protokol præsenterertilfælde af arbejde med kvarts prøveceller af en smal rektangulær form (figur 3). Men en lang række celle geometrier og typer (supplerende Figur 19) tilbydes brugerne, for at give øget fleksibilitet og effektivitet i at gennemføre forsøgene. I tilfælde af anvendelse af sådanne celler, kan den foreliggende protokol følges med regulering af diskuterede parametre i trin 4.2.2. måling kontrol software er udviklet til at tilbyde brugerne øget fleksibilitet i at forfølge deres videnskabelige mål og optimering i den tekniske drift af instrumentet. Alle justeringer og konfigurationer af specielle funktioner og komponenter i instrumentet er udført af instrumentet holdet. Inddragelse af de videnskabelige brugere i konfigurationen, definition, og udnyttelse af instrumentet er forenklet og specifikt kun begrænset til de aspekter, der er i forbindelse med de videnskabelige spørgsmål af den eksperimentelle session. Configuration filer er foruddefineret for at dække alle særlige eksperimentelle spørgsmål, såsom placering af særlige holdere i strålen, prøven positionering i bjælken (koordinater x, y, Φ, og ω på prøven scenen, rotation bord, eller vugge i supplerende figur 5), justeringen af detektor og stråle-stop positioner for forskellige bølgelængder, justeringen af de chopper parametre (frekvens og åbne vindue) for forskellige bølgelængder, de detektionsafstande og rettet opløsning osv også den nuværende protokol beskriver ikke, hvordan det realtidstilstand kan bruges på KWS-2. Anvendelsen af en mere kompleks protokol er også påkrævet for at gennemføre tidsopløste SANS eksperimenter.
Desuden denne protokol præsenterer, hvordan de målte data kan korrigeres for forskellige sprednings bidrag fra instrumentet og referencerne og kalibreret for at opnå prøvens differential spredning tværsnit, da / dΩ, udtrykt i cm-1. Denne mængde indeholder hele strukturelle og morfologiske information om prøven og måles over et bredt Q interval svarende til en bred længdeskala, over hvilken strukturelle korrelationer og indbyrdes forbundne size-niveauer er karakteristiske for den undersøgte systemet vises. Spredningen tværsnit da / dΩ angår således intensiteten målt i en statisk spredende eksperiment i en vinkel Θ, jeg s = f (Θ) til de strukturelle egenskaber ved prøve.
Til vurdering af da / dΩ for et system af interesse, ud over måling af systemet, er der behov for yderligere målinger for at korrigere dataene for nogen ekstern spredning (dvs. miljø, prøvecellen, opløsningsmiddel eller pufferopløsning i tilfælde af opløste systemer, etc.) og til at kalibrere de korrigerede data i absolutte enheder <sup > 8. Den eksterne baggrund (prøve celle eller container), referenceprøven (opløsningsmiddel eller bufferopløsninger), prøve transmission (nødvendig for den korrekte baggrund subtraktion og kalibrering af de korrigerede resultater i absolutte enheder), den elektroniske baggrund af detektoren, detektoren følsomhed (inhomogenitet i detektor effektivitet, som er iboende for områdets detektorer), og det normaliserede standard prøve bør også måles. På KWS-2, plexiglas (PMMA), der anvendes som standard prøve. Dette er den såkaldte sekundære standard og periodisk kalibreret mod en primær standard prøve, som er vanadium. Vanadium leverer en meget svag spredte intensitet og kræver meget lange måling tider for indsamling af relevante statistikker; derfor, det er upraktisk for SANS formål. De indsamlede fra prøven af interesse I S og fra standard prøve I St intensitet kan udtrykkes som følger:
t "> [1][2]
hvor I 0 repræsenterer den indkommende intensitet (leveret af kollimering systemet), t er tykkelsen, A er arealet udsat for strålen, T er transmissionen, og Δ ψ er den faste vinkel, ved hvilken en detektering celle ses fra prøve position. Hvis både prøve og standard måles under samme betingelser med hensyn til den indkommende stråle (dvs. L C, A C og A S, og λ og Δ λ / λ), I 0 og A er ens og Rumvinklens udtrykt som en D / L D (med en D repræsenterer arealet af en detektering celle). Ved at dividere de to forbindelser, spredningen tværs sectipå af prøven opnås som:
[3]
hvor I St udtrykkes som et gennemsnit (standard som en usammenhængende spredning system leverer en flad spredning mønster). Den I S opnås efter korrektion den målte intensitet af prøven i cellen (beholder) i forhold til bidraget fra den tomme celle I ECell og baggrunden på detektoren for det lukkede bom, jeg B. Faktoren t St T St (da / dΩ) St, som indeholder den spredning og fysiske parametre standard prøve, afhænger af neutron bølgelængden λ og er typisk kendt fra kalibreringen af standard prøve. Således er det tabuleret i datareduktionssoftware 4. Parametrene og mængder i Eq. 3, der er kendt fra kalibrering procedures og definitionen af forsøgsopstillingen (t S, L D) danner den såkaldte kalibrering faktor k. De intensiteter og prøven transmission T S, der vises i Eq. 3 skal måles. Det dataanalyse program qtiKWS muliggør korrektion, kalibrering og radial gennemsnitsberegning af de eksperimentelle data og opnåelsen af da / dΩ for de undersøgte prøver på en fleksibel og alsidig arbejdsdag mode. De endelige resultater, der genereres med qtiKWS software præsenteres som tabeller med fire kolonner: Q, I, Δ I, Δσ hvor jeg repræsenterer da / dΩ og Δσ er Q resolution fem.
Fra et praktisk synspunkt, med KWS-2, kan kombineret SANS og USANS undersøgelser udføres, med den fordel, at prøven geometri og de termodynamiske forhold forbliver konstant. Store morfologier, der viser multiple strukturelle niveauer spænder over en bred længde-skala fra nanometer til mikrometer størrelser kan undersøges på en direkte måde, som vist i figur 12. Udover den lille skala strukturelle grænse Rc observeret i spredningen kurve målt i den konventionelle pinhole tilstand, ved at aktivere linserne og den høje opløsning detektor, storstilet strukturelle grænse L C af cylindriske kerne-skal-miceller dannet af poly – (hexylen-oxid-co-ethylen-oxid) PHO10k-PEO10k diblokcopolymer (fuldt protoneret) i D2O 14 kunne observeres ved meget lave Q-værdier i den udstrakte Q -range arbejder tilstand. De cylindriske miceller er karakteriseret ved en total tykkelse på ca. 300 Å og en længde på ca. 7.000 Å, som afsløret ved pasningen af de eksperimentelle resultater med kerne-skal-cylindrisk formfaktor 9,14. Derfor visse følsomme effekter såsom termofølsomme geler eller dannelse og vækst af krystallerline eller delvist krystallinske morfologier utvetydigt kan udforskes med KWS-2, i modsætning til den klassiske tilgang involverer to eller flere forskellige instrumenter og prøve geometrier.
Som vist i figur 11, korreleret systemer og beordrede strukturer kan studeres med tilpassede opløsninger i en meget fleksibel måde, uden at bruge tid og kræfter på installation af komplekse monochromatization systemer, hvilket ville medføre yderligere pleje og sikkerhedsmæssige aspekter. Desuden ved at inddrage chopper og TOF datafangst tilstand, monodisperse bløde stof systemer eller komplekser med lav størrelse polydispersitet kan karakteriseres meget præcist ved stadig høje intensiteter 5.
De hindringer, der genereres af den svage spredning som følge af brug af højt-fortyndede systemer eller ugunstige kontrastforhold kan overvindes ved anvendelse af endnu højere intensiteter baseret på den større strålestørrelse på prøven, samtidig med at denløsning. Figur 13A rapporterer spredningen mønstre fra polystyren partikler af en radius på R = 150 Å, målt i højintensive tilstand ved hjælp af linser og en kvadratisk bjælke størrelse på mellem 10 mm x 10 mm, den typiske størrelse anvendes i den konventionelle pinhole tilstand og 30 mm x 30 mm. Derudover er resultatet fra en måling med en rund bjælke 50 mm i diameter (fuld linse størrelse) vist. Parallelt hermed er det normaliserede resultat opnået i den konventionelle pinhole-mode præsenteres. Brug 26 objektiver med neutroner af λ = 7 Å og samme indgang blænde størrelse A C som for den konventionelle pinhole tilstand (figur 2B), er en gevinst i intensitet på prøven af omkring 12 gange opnået samtidig holde en konstant stråle størrelse (opløsning ) på detektoren, som vist i figur 13B-C. Den 27-linsesystem har en transmission på ca. 32% ved omgivelsernes temperatur. Afkøles til en temperatur på 50 K, linsen transmission øges som følgeundertrykkelse af spredning på fononer i linsen materiale. Systemet med 26 parabolske linser har en transmission på ca. 65% for en rund stråle størrelse på 50 mm, når strålen går igennem hele volumenet af linsen, og ca. 92% for en kvadratisk bjælke størrelse på 10 mm x 10 mm , når kun en meget mængde linsemateriale forbliver i bjælken. Høj intensitet tilstand med linser giver fordele i tilfælde af svag spredning, der generelt er stødt på et stort detektionsafstanden og er særlig problematisk i tilfælde af svage kontrastforhold. Derudover, når prøven er kun stabil i kort periode gange, anvendelsen af denne tilstand er en klar fordel, som ses andetsteds 15.
På den anden side, i tilfælde af biologiske systemer, små prøvevolumener er typisk tilgængelige for eksperimenter. Små biologiske molekyler i fysiologiske betingelser med størrelser på nogle få nanometer levere svage scattering signaler over domirende spredning fra bufferopløsninger. Sådanne signaler kan måles med KWS-2, nyder godt af den høje intensitet af instrumentet i lav opløsning opsætning af pinhole-tilstand, ved hjælp af korte kollimering længder L C = 2 m eller 4 m og korte detektionsafstande L D = 1 m, 2 m eller 4 m. Figur 14 viser spredningen mønstre fra beta amyloid protein (Ap 1-42, Mw = 4.5 kDa) monomerer i deutereret hexafluorisopropanol dHFIP, som opnået efter korrektion for spredning signal fra bufferen blev påført. En model fit af dataene leveret en monomer størrelse på ca. 16 ± 1 Å 16. En lang måletid på flere timer for hver eksperimentel betingelse (påvisning afstanden L D og prøve type) var involveret, selv om målingerne blev udført ved korte detektionsafstande. Den gamle detektor, som har vist begrænsninger vedrørende impulshastigheden, hindret anvendelsen af korte collimation afstandeL C, dermed anvendelsen af den maksimale flux på instrumentet. Med provision af det nye system til påvisning muliggør brug af hele neutronflux vil sådanne svage intensiteter måles i kortere tider og med forbedrede statistikker i fremtiden.
Endelig kan stimuli-følsomme effekter studeres på en fleksibel og nem måde ved hjælp af særligt hjælpeudstyr af KWS-2. Et eksempel er vist i figur 15, som viser SANS mønstre fra lysozym protein i D2O puffer og fra det indsamlede ved forskellige tryk puffer. Særlig opmærksomhed er blevet betalt til undersøgelse af baggrunden og fremad spredning fra lysozymet molekyler, der anvendes i udførelsen test af nye pres celle fremstillet internt ved at følge et design udført af PSI, Schweiz. Resultaterne svarede til dem opnået ved Kohlbrecher et al. I en lignende undersøgelse for at teste den oprindelige trykcelle model konstrueresder 17, 18. Med KWS-2, er yderligere data er erhvervet siden et tryk på 5000 bar er nået. Udviklingen i den forreste spredte intensitet fra proteinet følger en lineær opførsel, som observeret i studiet på PSI, Schweiz 18.
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 |