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.
Le KWS-2 SANS diffractomètre est dédié à l'étude de la matière molle et les systèmes biophysiques couvrant une échelle de longueur de large, de nm à um. L'instrument est optimisé pour l'exploration de la vaste gamme de Q de transfert de mouvement entre 1×10 -4 et 0,5 Å -1 en combinant sténopé classique, mise au point (avec des lentilles), et le temps de vol (avec chopper) méthodes, tout en fournissant simultanément haute -neutron intensités avec une résolution réglable. En raison de sa capacité à ajuster l'intensité et la résolution dans de larges limites pendant l'expérience, combinée avec la possibilité d'équiper les environnements d'échantillons spécifiques et les équipements auxiliaires, le KWS-2 montre une grande polyvalence dans la lutte contre la vaste gamme d'études structurales et morphologiques le champ. structures d'équilibre peuvent être étudiés dans les mesures statiques, tandis que les processus dynamiques et cinétiques peuvent être étudiés sur des échelles de temps entre les minutes à plusieurs dizaines de millisecondescondes avec des approches de résolution temporelle. Les systèmes typiques qui sont étudiés avec le couvercle KWS-2 la gamme de systèmes hiérarchiques complexes qui présentent des niveaux structurels multiples (par exemple, des gels, des réseaux ou macro-agrégats) aux petites et mal de diffusion de systèmes (par exemple, des polymères simples ou protéines dans Solution). La récente mise à jour du système de détection, ce qui permet la détection de taux de comptage dans la plage MHz, ouvre de nouvelles opportunités pour étudier même de très petites morphologies biologiques en solution tampon avec de faibles diffusion des signaux proches du niveau de diffusion de la mémoire tampon à haute Q.
Dans cet article, nous fournissons un protocole pour enquêter sur des échantillons avec des niveaux de taille caractéristique couvrant une échelle de longueur de large et présentant la commande dans la structure mesoscale utilisant KWS-2. Nous présentons en détail comment utiliser les multiples modes de travail qui sont offerts par l'instrument et le niveau de performance qui est atteint.
Les matériaux souples et biologiques montrent une riche variété de morphologies qui sont caractérisés par des fonctionnalités telles que l'auto-organisation et l'auto-assemblage d'unités élémentaires aux plus grandes, des agrégats complexes. Ils montrent également l'interaction de coopération avec un grand nombre de degrés de liberté; interaction faible entre les unités structurelles, et donc une sensibilité élevée aux champs externes; et les corrélations spatio-temporelles qui peuvent couvrir une large gamme, de nanomètres à millimètres et de nanosecondes à jours. En raison de la large gamme de longueur-et les délais pertinents, la caractérisation expérimentale des propriétés de ces matériaux sont très difficiles. techniques Scattering avec des neutrons jouent un rôle important dans l'enquête sur la structure, la dynamique et les propriétés thermodynamiques de ces systèmes complexes. En tant que sondes uniques, les neutrons offrent l'avantage de différentes interactions entre le 1 H et 2 H (deuterium, D) , les isotopes de l' hydrogène. La grande diffèrentrence de la densité de la longueur de diffusion cohérente entre l'hydrogène et le deuterium représente la base des méthodes de variation de contraste et un contraste correspondant. Comme la plupart des matières tendres et des systèmes biologiques sont constitués par des hydrocarbures, de l'hydrogène / deutérium (H / D) la substitution offre la possibilité de faire varier la densité de longueur de diffusion cohérente d'un composé sur une large plage. Avec cette technique, des composants sélectionnés dans un système complexe peut être marqué par échange isotopique. En fonction de son contraste la différence quadratique entre la densité de sa longueur de diffusion et celle des composantes sélectionnées d'autres composants ou régions au sein d'une matière molle complexe ou la morphologie biophysique peut être rendu visible ou invisible dans l'expérience de diffusion sans modifier chimiquement le système. De plus, les neutrons sont très pénétrants et peuvent être utilisés en tant que sondes non destructive et pour l'étude d'échantillons dans des environnements particuliers, où la contribution des matériaux supplémentaires placés dans le faisceau peut être relihabilement mesuré et corrigé pour.
Les expériences de diffusion élastiques fournissent des informations sur la structure et la morphologie d'un échantillon. L'intensité diffusée est mesurée dans l' espace réciproque en fonction du transfert de quantité de mouvement Q, où Q = 4π / λ sin Θ / 2, avec λ – la longueur d'onde de neutrons et Θ – l'angle de diffusion; ceci est ensuite traduit dans l'espace réel par le biais d'une transformation de Fourier inverse. Ainsi, les grandes valeurs de Q se rapportent à des échelles de longueur courte, avec les corrélations inter-atomiques étudiés par diffraction neutronique classique (ND). A petites valeurs de Q, de grandes échelles de longueur peuvent être explorées par un petit angle de diffusion de neutrons (SANS). En règle générale, seule ou assemblage synthétique ou macromolécules naturelles en solution, faire fondre, films, ou des échantillons en vrac sont caractérisés sur une échelle de longueur de large, de nanomètre et micromètre tailles, via l'application des classiques SANS trou d'épingle et l'ultra-SANS (basé sur diffractométrie monocristallines mise au point ou) techniques. Cependant, la combinaison de différentes méthodes ou installations pour obtenir une caractérisation structurale complète est parfois difficile en raison de problèmes tels que le montant disponible de l'échantillon, la stabilité des échantillons sur de longues périodes, la reproductibilité des effets dans des conditions thermodynamiques spéciales, et l'analyse conjointe des données expérimentales obtenu dans différentes géométries expérimentales. De plus, les études qui traitent des structures et des changements structurels rapides qui se caractérisent par une forte espace ou la résolution de temps sont très difficiles, nécessitant des configurations expérimentales très spéciales. Par conséquent, le développement d'instruments SANS très polyvalents, où les limites peuvent être poussé au-delà de la configuration typique d'une manière simple et pratique, est bénéfique pour la réunion de toutes les exigences particulières de la communauté des utilisateurs.
Le diffractomètre SANS KWS-2 (figure 1), actionné par le J2; lich Centre de Neutron Science (JCNS) au Heinz Maier-Leibnitz Center (MLZ) à Garching, était à l' origine un SANS sténopé instrument classique bénéficiant d'un haut flux de neutrons (figure supplémentaire 1) délivré par la source de neutrons FRM II 1 et le système de guidage dédié 2-4. Après les mises à jour répétées, l'instrument a été optimisé pour l'exploration d'une gamme de Q large, entre 1×10 -4 et 0,5 Å -1, fournissant des intensités de neutrons élevées et une résolution réglable. Avec la disponibilité des environnements d'échantillons spécifiques et des dispositifs auxiliaires (tableau 1), l'instrument peut être équipé pour étudier la matière molle et les systèmes biophysiques sur une échelle de longueur de large, de nm jusqu'à um, par des mesures statiques; il peut également effectuer des enquêtes résolues en temps des structures et des morphologies à l'équilibre ou sous transformation en raison de processus cinétiques, couvrant une échelle de temps important entre les minutes et des dizaines demillisecondes. En mode de travail conventionnel (figure 2A), une gamme de Q entre 7×10 -4 Å -1 et 0,5 Å -1 peut être couvert par la variation de la distance échantillon-détecteur et / ou la longueur d' onde. Par conséquent, les niveaux structurels et des effets de corrélation sur une échelle de longueur de 10 Å jusqu'à 9.000 Å peuvent être inspectés dans l' espace réel (où la dimension est considérée comme 2π / Q). La sélection de la longueur d' onde, entre 4,5 Å et 20 Å, en utilisant un monochromateur mécanique (sélecteur de vitesse) , qui fournit une répartition de longueur d'onde Δλ / λ = 20%, la variation des conditions de collimation (collimation longueur L c et de l' ouverture d' ouvertures, A C – l'ouverture d'entrée, à la suite du dernier segment de neutrons dans le faisceau de guidage et A S – l'ouverture de l' échantillon, juste en face de l'échantillon) et la détection de la distance l D sont effectués automatiquement, par le contrôle de l' ordinateur.
<p class = "jove_content"> améliorations considérables sur l'intensité de l'échantillon, la résolution de l' instrument, le minimum transfert d'impulsion Q m, et la détection rapide à des taux de comptage élevés dans la gamme MHz ont été réalisées récemment, visant à améliorer les performances de l' instrument. Pendant ce processus, l'instrument a été équipé avec des fonctionnalités supplémentaires.Il y a un chopper double disque 5 avec des ouvertures variables de fente (figure complémentaire 2) et le temps de vol (TOF) mode d'acquisition de données. Le hachoir peut être exploité à une fréquence variable f hacheur entre 10 Hz et 100 Hz et à des ouvertures angulaires des deux fenêtres de découpage entre les angles de 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° , en modifiant la position des deux disques par rapport à l'autre. L'amélioration de la résolution de longueur d'onde Δλ / λ est obtenue en réduisant le temps d'ouverture de la τ guide de neutrons w par decrassouplissement Δφ et / ou en augmentant f chopper. Les impulsions résultantes enregistrées sur le détecteur sont divisés en un nombre approprié de canaux temporels qui correspondent à τ w en largeur et sont caractérisés par la Δλ / λ visé.
Il existe également des éléments de focalisation en fluorite de magnésium MgF 2 lentilles paraboliques 6 ayant un diamètre de 50 mm (figure 1). 26 MgF 2 lentilles sont regroupées en trois ensembles (4 + 6 + 16 lentilles) qui peuvent être déplacés indépendamment dans le faisceau pour obtenir des conditions de focalisation avec différentes longueurs d' onde X = 7-20 Å. Afin d'augmenter la transmission en réduisant la diffusion sur phonons dans le matériau de la lentille, les lentilles sont maintenues à 70 K au moyen d'un système de refroidissement spécial.
Il existe une position sensible à haute résolution détecteur de scintillation secondaire avec une résolution de position 1 mm et 0,45 mm de taille de pixel. le détecteurest typiquement placé dans la tour au sommet du réservoir à vide à une distance fixe L = 17 m D et peut être déplacée verticalement dans ou hors du faisceau (figure 1). Le détecteur principal est stationné dans la position d'extrémité du réservoir à 20 m, tandis que le détecteur secondaire est déplacé dans le faisceau lors des enquêtes à haute résolution (faible Q) à l' aide de lentilles sont effectuées 4,7. Le détecteur secondaire est placé en un point focal du système de lentilles, tandis qu'une petite ouverture d'entrée à L C = 20 m serait, dans ce cas, dans l'autre point focal.
Il y a un nouveau système de détection principal qui consiste en un réseau de 144 3 tubes He (avec un rendement global par tube de 85% pour λ = 5 Å) et qui définit une zone de détection active équivalente à 0,9 m 2 (figure 1). Électronique de lecture rapide innovants montés dans un boîtier fermé à l'arrière du châssis tubulaire 3 Il améliore lalecture caractéristiques et réduit le bruit de fond. Le nouveau système , qui a remplacé l'ancien détecteur de scintillation (6 Li scintillateur et un réseau de photomultiplicateurs 8×8, Figure 1) est caractérisé par une constante de temps mort effectif de 25 nanosecondes et un taux de comptage global aussi élevé que 5 MHz à 10% date limite temps pour profils plats. Ces caractéristiques sont dues au fait que le système comporte des canaux indépendants fonctionnant en parallèle, ce qui est un avantage par rapport aux systèmes qui subissent des temps morts après un événement. Le taux de comptage beaucoup plus élevé raccourcit les temps de mesure et augmente le nombre d'expériences qui peuvent être effectuées dans le même laps de temps conséquent.
Avec toutes ces innovations, l'instrument est devenu un outil très polyvalent qui peut répondre à un large éventail d'études structurales en offrant de multiples modes de travail (tableau 2) qui peuvent être sélectionnées et utilisées d'une manière directe et conviviale. Dans le mode de haute intensité (La figure 2B), jusqu'à douze fois le gain d'intensité par rapport au mode conventionnel sténopé pour la même résolution peut être obtenue avec des lentilles en augmentant la taille de l' échantillon. Dans le mode de résolution accordable avec l' acquisition de hachage et des données TOF, une meilleure caractérisation des caractéristiques de diffusion au sein de différentes gammes de Q sont activés par la possibilité de faire varier la résolution de longueur d'onde Δ λ / λ entre 2% et 20% 5. Dans le mode étendu Q -range (figure 2C), à l' aide de lentilles et le détecteur secondaire à haute résolution, un m aussi bas que 1 x 10 -4 -1 peut être atteint, qui, en combinaison avec le mode sténopé, permis Q l'exploration des dimensions sur une échelle de longueur continue à partir de la nm à l'ordre du micron. L'utilisation d'un hachoir pour rétrécissant Δ λ / λ fournit des caractéristiques de faisceau précises en évitant la gravité des effets chromatiques et when utilisant les lentilles. En mode temps réel, en exploitant la forte intensité et le déclenchement externe de l'acquisition de données par des environnements d'échantillons, les changements structurels peuvent être résolus avec des résolutions de temps jusqu'à 50 msec. En améliorant la résolution de longueur d'onde vers / λ = 5% de Δ avec le hachoir, des résolutions temporelles aussi bonnes que 2 ms peuvent être réalisés.
Ici, nous présentons en détail un protocole sur la façon dont les expériences typiques sont menées sur le KWS-2 dans ses différents modes de travail et de la façon dont l'information structurelle des échantillons étudiés peuvent être obtenues à partir des données collectées par le biais de la réduction des données. Dans cette démonstration, nous allons utiliser SANS pour caractériser plusieurs tailles de solutions de particules standard et une solution micellaire polymère hautement concentré afin de montrer comment la taille et l'ordre peuvent être étudiés sur de larges gammes d'une manière souple et efficace avec le KWS-2 au cours de une session expérimentale. des particules sphériques de polystyrène avec diffelocation tailles (rayons de R = 150, 350, 500, 1000 et 4000 Å) et une polydispersité de taille σ R 8% sont dispersés dans une solution d'eau (un mélange de 90% de D 2 O et 10% de H 2 O) , à une fraction volumique de 1%. Des micelles formées par les C 28 H 57 -PEO5 copolymères diblocs dans D 2 O à une concentration de 12% présentent une structure ordonnée.
Matière molle et les systèmes biophysiques sont généralement caractérisés par des corrélations structurelles et les niveaux de microstructure et morphologiques interdépendants qui couvrent une échelle de longueur de large, de nm à microns. Pour comprendre le mécanisme de la formation et de l' évolution de la morphologie de ces systèmes et la relation entre leurs caractéristiques microscopiques et les propriétés macroscopiques, il est important d'explorer leur microstructure sur l'échelle de toute la longueur et dans des conditions environnementales pertinentes (par exemple, température, pression, pH , humidité, etc.). En règle générale, un petit angle techniques avec des neutrons (SANS) ou rayons X synchrotron (SAXS) de diffusion sont impliqués dans de telles études. L'inconvénient de l'intensité des neutrons par rapport aux rayons X synchrotron est compensée par l'utilisation de relativement grande Δλ / λ, ce qui conduit cependant à l'aggravation de la résolution instrumentale. Néanmoins, SANS offre des avantages uniques en raison des possibilités offertes par le contrvariation de ast, en particulier entre les isotopes de l'hydrogène. Par conséquent, SANS est une méthode expérimentale spécifiquement utilisée dans l'étude des systèmes de matière et biophysiques doux, pour lesquels il fournit des informations structurales et morphologique unique. La plupart des diffractomètres SANS dans le monde entier 21 de travail sur le principe sténopé (figure 2A), ce qui permet la résolution de Q faible visant. Pratiquement, tous les flux élevé SANS diffractomètres ont un flux maximum similaire de l'ordre de 1 x 10 8 n cm -2 s -1. Sur la base de la résolution de longueur d'onde détendue, KWS-2 a presque doublé d' un flux 2, 4. Récemment, SANS très spécialisés diffractomètres sont devenus opérationnels pour servir avec des caractéristiques optimisées pour une gamme spécifique d'applications, telles que des enquêtes à très faible dispersion de vecteurs 22, 23. Avec la commission très récente des spécialisés diffractomètres TOF-SANS dans les réacteurs en régime permanent 24 ou spallation sources 25, 26, une gamme massivement augmenté Q dynamique dans une configuration expérimentale donnée et une flexibilité accrue et une optimisation en ce qui concerne le choix de la résolution expérimentale sont offerts. Pour le SANS diffractomètre KWS-2, un niveau élevé de polyvalence et les performances requises pour les études structurelles très spécifiques dans le domaine de la matière molle et biophysique est activé sur un instrument SANS autrement classique. L'optimisation, la flexibilité et la spontanéité dans la conception et la réalisation d' études complexes, comme soutenu par le protocole décrit, est obtenu par la combinaison des paramètres optimisés expérimentaux (par exemple, l' intensité, échelle de longueur, la résolution spatiale et la résolution temporelle) et l'échantillon complexe environnements. En utilisant les multiples modes de travail énumérés dans l'introduction et soutenues par les résultats présentés dans les figures 8-15, le KWS-2 améliore d'une manière simple et pratique les performances d'un SANS diffractomètre classiqueà une source de neutrons stable (réacteur) au-delà des limites conventionnelles de ces instruments.
Ce protocole présente les étapes qu'un utilisateur régulier doit effectuer pour définir et mener un programme expérimental simple qui implique que l'enquête des échantillons dans des conditions ambiantes thermodynamiques (température, pression, humidité relative) et dans des conditions statiques (pas de cinétique de la formation de la structure ou transformation, pas de cisaillement ou de flux). Plusieurs supports à température contrôlée ou des environnements particuliers de l' échantillon (tableau 1 et complémentaire figure 19), telles que les cellules de pression, rhéomètres, ou des cellules d'humidité, sont disponibles et peuvent être parfaitement installés et réglés avec l' aide spéciale de l'équipe de l' instrument. Ce protocole ne fournit pas d'instructions sur les réglages et les contrôles de ces équipements. La définition et l'activation des contrôleurs externes nécessitent l'utilisation d'un autre protocole, plus complexe. Ce protocole présente l'cas de travail avec des cellules d'une forme rectangulaire étroite (figure 3) de l' échantillon en quartz. Cependant, une large gamme de géométries de cellules et types (figure supplémentaire 19) est offert aux utilisateurs, afin d'offrir une flexibilité et une efficacité accrue dans la conduite des expériences. Dans le cas de l'utilisation de ces cellules, le présent protocole peut être suivi avec le réglage des paramètres décrits à l'étape 4.2.2. Le logiciel de contrôle de mesure a été développé pour offrir aux utilisateurs une plus grande flexibilité dans la poursuite de leurs objectifs scientifiques et d'optimisation dans le fonctionnement technique de l'instrument. Tous les réglages et configurations des fonctions et composants de l'instrument spéciales sont faites par l'équipe de l'instrument. La participation des utilisateurs scientifiques dans la configuration, la définition et l'utilisation de l'instrument est simplifiée et spécifiquement limitée aux seuls aspects qui sont en relation avec les questions scientifiques de la session expérimentale. Cofichiers nfiguration sont prédéfinis afin de couvrir toutes les questions expérimentales particulières, telles que le positionnement des supports spéciaux dans le faisceau, le positionnement de l' échantillon dans le faisceau (coordonnées x, y, Φ et ω sur la scène de l' échantillon, une table de rotation, ou berceau dans supplémentaire Figure 5), le réglage des positions de détection et de faisceaux d' arrêt pour différentes longueurs d' onde, le réglage des paramètres de découpage (fréquence et la fenêtre d' ouverture) pour différentes longueurs d' onde, les distances de détection et de la résolution visé, etc. en outre, le protocole actuel ne décrit pas comment le mode en temps réel peut être utilisé sur le KWS-2. L'utilisation d'un protocole plus complexe est également nécessaire afin de mener SANS expériences résolues en temps.
En outre, ce protocole présente la façon dont les données mesurées peuvent être corrigées pour les différentes contributions de diffusion de l'instrument et les références et calibrés afin d'obtenir le differenti de l'échantillonal section de diffusion, dΣ / dΩ, exprimée en cm -1. Cette quantité contient l'ensemble des informations structurales et morphologiques de l'échantillon et est mesurée sur une plage de Q large correspondant à une échelle de longueur large, sur laquelle les corrélations structurelles et taille-niveaux interdépendants caractéristiques du système étudié apparaissent. La section efficace de diffusion dΣ / dΩ concerne donc l'intensité mesurée dans un essai de dispersion statique à un angle Θ, I s = f (Θ) pour les propriétés structurales de l'échantillon.
Pour l'évaluation des dΣ / dΩ pour un système d'intérêt, en plus de la mesure du système, des mesures supplémentaires sont nécessaires pour corriger les données pour chaque diffusion externe ( par exemple, l' environnement cellulaire de l' échantillon, solution dans un solvant ou un tampon dans le cas d' systèmes de soluté, etc.) et de calibrer les données corrigées en unités absolues <sup > 8. L'arrière-plan externe (cellule d'échantillon ou le conteneur), l'échantillon de référence (solutions de solvants ou de tampons), la transmission de l'échantillon (nécessaire pour la soustraction de fond correcte et l'étalonnage des résultats corrigés en unités absolues), le fond électronique du détecteur, le détecteur sensibilité (inhomogénéité efficacité du détecteur qui est inhérent pour les détecteurs de surface), et l'échantillon standard normalisé devrait également être mesurée. Pour le KWS-2, Plexiglas (PMMA) est utilisé comme échantillon standard. Ceci est la norme dite secondaire et est périodiquement étalonné par rapport à un échantillon étalon primaire, qui est le vanadium. Vanadium délivre une intensité diffusée très faible et nécessite des temps de mesure très longues pour la collecte des statistiques appropriées; Par conséquent, il est peu pratique pour Sans fin. L'intensité recueillie à partir de l'échantillon d'intérêt I S , et à partir de l'échantillon standard I St peut être exprimée comme suit:
t "> [1][2]
où I 0 représente l'intensité d' entrée (fournie par le système de collimation), t est l'épaisseur, A est la surface exposée au faisceau, T est la transmission, et Δ ψ est l'angle solide à laquelle une cellule de détection est visible à partir de la position de l'échantillon. Si l'échantillon et étalon sont mesurées dans les mêmes conditions par rapport au faisceau entrant ( par exemple, L C A C A S, et λ et Δ λ / λ) I 0 et A sont les mêmes , et l'angle solide est exprimée en a D / l D (D avec a représentant la surface d'une cellule de détection). En divisant les deux relations, la dispersion inter-sectisur de l'échantillon est obtenue comme suit:
[3]
où I St est exprimé en tant que moyenne (la norme comme un système de diffusion incohérente délivre un motif de diffusion plat). Le I S est obtenue après correction de l'intensité mesurée de l'échantillon dans la cellule (conteneur) par rapport à la contribution de la cellule vide I eCell et l'arrière – plan sur le détecteur pour le faisceau fermé, I B. Le facteur t St St T (dΣ / dΩ) St, qui contient la dispersion et les paramètres physiques de l'échantillon étalon, dépend de la longueur d' onde λ des neutrons et est généralement connue par l'étalonnage de l'échantillon standard. Ainsi, il est tabulée dans le logiciel de réduction des données 4. Les paramètres et les quantités dans l'équation. 3 qui sont connus de l'étalonnage procedures et la définition de la configuration expérimentale (t S, L D) forment le soi-disant facteur d'étalonnage k. Les intensités et la transmission de l' échantillon T S qui apparaissent dans l' équation. 3 doit être mesuré. Le programme d'analyse des données qtiKWS permet la correction, l'étalonnage et radiale moyenne des données expérimentales et la réalisation des dΣ / dΩ pour les échantillons étudiés dans un mode de travail flexible et polyvalent. Les résultats finaux générés avec le logiciel qtiKWS sont présentés sous forme de tableaux à quatre colonnes: Q, I, Δ I, Δσ où je représente dΣ / dΩ et Δσ est la résolution Q 5.
D'un point de vue pratique, avec le KWS-2, SANS combinées et les enquêtes USANS peuvent être effectuées, avec l'avantage que la géométrie de l'échantillon et les conditions thermodynamiques restent constantes. Morphologies qui montrent de grands multIPLE niveaux structurels couvrant une échelle de longueur large du nanomètre au micromètre tailles peuvent être étudiés d'une manière directe, comme le montre la Figure 12. Outre la petite limite structurelle R C observée dans la courbe de diffusion mesurée dans le mode sténopé classique, en activant les lentilles et le détecteur à haute résolution, à grande échelle structurelle limite L C cylindriques micelles noyau-enveloppe formée par le poly – (hexylène-oxyde-co-oxyde d' éthylène) copolymère dibloc PHO10k-PEO10k (entièrement protonée) dans D 2 O 14 ont pu être observées à des valeurs très basses de Q dans le mode de fonctionnement prolongée Q -range. Les micelles cylindriques se caractérisent par une épaisseur totale d'environ 300 Å et une longueur d'environ 7000 Å, comme révélé par l'ajustement des résultats expérimentaux avec le noyau-enveloppe cylindrique sous forme de facteur 9,14. Par conséquent, certains effets sensibles tels que les gels sensibles à la chaleur ou à la formation et la croissance des cristauxligne ou partiellement cristallins morphologies peuvent être clairement explorées avec le KWS-2, contrairement à l'approche classique de la participation de deux ou plusieurs instruments et des géométries échantillon.
Comme présenté dans la figure 11, les systèmes corrélés et structures ordonnées peut être étudié avec des solutions adaptées d'une manière très souple, sans perdre de temps et d' efforts à l'installation de systèmes de monochromatisation complexes, ce qui impliquerait des aspects de soins et de sécurité supplémentaires. De plus, en impliquant le chopper et le mode d'acquisition de données TOF, systèmes ou complexes avec une faible polydispersité de taille matière molle monodisperses peut être caractérisée très précisément à encore des intensités élevées 5.
Les obstacles générés par la faible diffusion due à l'utilisation de systèmes hautement dilués ou des conditions de contraste défavorables peuvent être surmontées par l'utilisation d'intensités encore plus élevées en fonction de la taille du faisceau plus large sur l'échantillon, tout en gardant lerésolution. La figure 13A présente les motifs de diffusion de particules de polystyrène d'un rayon de R = 150 Å, mesuré dans le mode de haute intensité à l' aide des lentilles et une taille de faisceau quadratique comprise entre 10 mm x 10 mm, la taille typique utilisé dans le mode sténopé conventionnel et de 30 mm x 30 mm. En outre, le résultat d'une mesure avec une ronde poutre 50 mm de diamètre (taille réelle de l'objectif) est affiché. Parallèlement, le résultat normalisé obtenu dans le mode sténopé classique est présenté. En utilisant 26 des lentilles avec des neutrons de λ = 7 Å et la même taille d'ouverture d'entrée A C comme pour le mode sténopé classique (figure 2B), soit un gain en intensité sur l'échantillon d'environ 12 heures est obtenue tout en conservant une taille de faisceau constante (résolution ) sur le détecteur, comme représenté sur la figure 13B-C. 27 Le système de lentilles a une transmission d'environ 32% à la température ambiante. Refroidi à une température de 50 K, la transmission de la lentille augmente à causela suppression de la diffusion sur phonons dans le matériau de la lentille. Le système de 26 lentilles paraboliques a une transmission d'environ 65% pour une taille de faisceau rond de 50 mm, lorsque le faisceau passe à travers la totalité du volume de la lentille, et d'environ 92% pour une taille de faisceau quadratique de 10 mm x 10 mm , alors que seulement une quantité même de matériau de la lentille reste dans le faisceau. Le mode de haute intensité avec des lentilles offre des avantages dans le cas d'une faible dispersion qui est généralement rencontrée à une grande distance de détection et est particulièrement problématique dans le cas des faibles conditions de contraste. En outre, lorsque l'échantillon est stable sur une courte période de temps, l'utilisation de ce mode représente un avantage évident, comme cela est démontré ailleurs 15.
D'autre part, dans le cas des systèmes biologiques, les petits volumes d'échantillons sont généralement disponibles pour les expériences. Les petites molécules biologiques dans des conditions physiologiques avec des tailles de quelques nanomètres délivrent des signaux de diffusion faibles au-dessus du domila diffusion de solutions domi- les tampons. De tels signaux peuvent être mesurés avec le KWS-2, bénéficiant de la haute intensité de l'instrument dans la configuration basse résolution du mode sténopé, en utilisant court collimation longueurs L C = 2 m ou 4 m et la détection de courtes distances L D = 1 m, 2 m ou 4 m. La figure 14 présente les motifs de diffusion de la protéine bêta-amyloïde (Aß 1-42, M = 4,5 kDa) monomères dans l' hexafluoroisopropanol deutéré dHFIP, tel qu'obtenu après la correction du signal de diffusion à partir du tampon a été appliqué. Un ajustement du modèle des données livré une taille de monomère d'environ 16 ± 1 Å 16. Un temps de plusieurs heures pour chaque condition expérimentale (distance de détection L D et le type d'échantillon) , la mesure à long a été impliqué, bien que les mesures ont été effectuées à des distances de détection courtes. Le vieux détecteur, qui a montré des limites en ce qui concerne le taux de comptage, entravé l'utilisation de courtes distances de collimationL C, d' où l'utilisation du flux maximal à l'instrument. Avec la commission du nouveau système de détection permettant l'utilisation du flux de neutrons plein, ces faibles intensités seront mesurées dans des temps plus courts et avec des statistiques améliorées à l'avenir.
Enfin, les effets des stimuli-sensibles peuvent être étudiés d'une manière flexible et facile à l'aide de l'équipement auxiliaire spécial du KWS-2. Un exemple est indiqué sur la figure 15, qui montre les motifs de la protéine lysozyme SANS dans D 2 O tampon et du tampon ont été recueillies à des pressions différentes. Une attention particulière a été accordée à l'enquête sur l'arrière-plan et de diffusion vers l'avant à partir des molécules de lysozyme, utilisé dans le test de performance de la nouvelle cellule de pression fabriqués en interne en suivant un design réalisé par PSI, Suisse. Les résultats étaient similaires à ceux obtenus par Kohlbrecher et al. Dans une étude similaire pour tester le modèle de cellule de pression initiale construiteil 17, 18. Avec le KWS-2, de nouvelles données ont été acquises depuis une pression de 5000 bar soit atteinte. Evolution de l'intensité diffusée vers l' avant à partir de la protéine suit un comportement linéaire, comme observé dans l'étude du PSI, Suisse 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 |