Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

在纳米富勒的飞秒衍射实验的长程电子关联的测量

Published: August 22, 2017 doi: 10.3791/56296
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 11, 2, 5, 2, 1, 2
1ARC Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging, School of Physics, University of Melbourne, 2Australian Research Council (ARC) Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging, Department of Chemistry and Physics, La Trobe Institute for Molecular Sciences, La Trobe University, 3Department of Physics, Imperial College London, 4Florey Institute of Neuroscience and Mental Health, 5Science and Engineering Faculty, Queensland University of Technology, 6Swinburne University of Technology, 7Department of Engineering Science, University of Oxford, 8Brookhaven National Laboratory, 9Linac Coherent Light Source, SLAC National Accelerator Laboratory, 10BioXFEL Science and Technology Center, 11Laboratory of Molecular Biophysics, Department of Cell and Molecular Biology, Uppsala University, 12Australian Synchrotron

Summary

我们描述了一个实验, 目的是通过强烈的 X 射线飞秒脉冲来探测 Buckminsterfullerene (C60) 中纳米晶的电子损伤。这项实验发现, 令人惊讶的是, 在 C60中 X 射线诱发的电子动力学是高度相关的, 在晶体中的几百个单元细胞上延伸到了1。

Abstract

强烈的 x 射线脉冲与物质相互作用的精确细节是一个研究人员试图解释的飞秒 x 射线自由电子激光 (XFEL) 实验结果强烈感兴趣的话题。越来越多的实验观测结果显示，尽管核运动可以忽略不计，但鉴于短足够入射脉冲持续时间，电子运动不能忽视。当前和被广泛接受的模型假设，虽然电子驱动脉冲与相互作用的动力学，但它们的运动可以很大程度上被认为 '随机'。这然后将允许从电子运动被视为一个连续的背景信号所谓非相干的贡献，因而忽略。我们的原始目的是实验的精确地测量的变化在个别的布拉格峰，由于 x 射线的强度损伤电子在模型系统中，结晶 C60。这种预期，相反我们指出，在最高的 x 射线强度，电子动力学在 C60事实上高度相关，在足够长的距离，布拉格反射的立场也明显有所改变。详细介绍了用于这些实验，进行了两个直线加速器相干光源 (LCLS) 和澳大利亚同步加速器 (AS)，以及用于分析数据的晶体学方法在协议与方法。

Introduction

X 射线自由电子激光器 (XFELs) 的主要目的之一是开发高吞吐量, 高分辨率的分子成像和动力学方法。结构生物学依赖于原子尺度信息, 传统上仅限于低分辨率 X 射线晶体技术在第三代加速器。在晶体中造成重大辐射损伤的长时间曝光时间, 极大地影响了使用传统技术实现的分辨率。快照衍射成像方案2,3,4使用在 XFELs, 涉及收集的衍射图像从短脉冲 X 射线击中任何固定目标样本 (这是翻译跨光束焦点)或注入光束路径的样本。

XFEL 脉冲样品的相互作用最终破坏了样本, 由于严重的辐射损伤的开始。由于 sub-100 fs 脉冲的持续时间, 在这一破坏开始之前收集了衍射图像。从纳米晶体中确定高分辨率结构的能力正在迅速地建立。然而, 在实验成像条件下飞秒尺度上发生的动力学过程提供了对原子物理的更深的洞察, 并且可以对纳米晶体及其衍射模式产生宏观影响5,6 ,7。

虽然在飞秒的时间尺度上避免了灾难性的结构损伤, 在这段时间内记录了一个快照衍射图像, 但 XFEL 脉冲的功率密度可能会高到足以修改 X 射线的样品的电子特性。交互7,8,9。强相干 X 射线脉冲与物质相互作用的物理学探索不仅是内在的科学兴趣, 但将是至关重要的解释任何实验, 其中光从一个 XFEL 脉冲是用来探索结构.

在对单个分子、小簇或由少数单元细胞组成的纳米晶体进行的 x 射线成像实验中, 扰分析表明, 一个人应该同时观察散射信号的明显相干性的降低8,和于背景信号的增长, 由于 electrodynamical 进程9。本实验试图评估由于与短 XFEL 脉冲的相互作用而产生的 electrodynamical 过程的退相干程度.

在本文中, 我们提供了有关的实验过程的详细信息, 其中一个高度有序的瞬态电子结构从 C60纳米晶体的观察, 由于与 XFEL 脉冲1的互动。在这些条件下产生的衍射图样与在相同的样品被较低功率照射时所观察到的有明显不同, 但同样的 XFEL 脉冲, 或者当使用相同光子能量的同步辐射光束时。这一差异的特点是存在的布拉格峰, 没有看到在两个衍射剖面对应的低功耗和同步辐射图像。我们展示了我们的分析和模型拟合方法, 用于确认 XFEL 脉冲-纳米晶相互作用引起的动态电子失真的存在。

Protocol

1.C 60 粉样品制备

  1. 应用聚酰胺薄膜，10 微米厚，在一侧的固定 1 毫米厚的铝样品架 （ 图 1a 所示的设计）。
  2. 粉碎 C 60 杵和臼在小批量的大约 100 微克。添加到砂浆样品的取样量不是关键，但确保它不超过杵四舍五入结束的高度，从而使您不 ' t 风险压缩而不是破碎它粉。这将确保生产精细纳米晶。此过程重复几次，以获得所需的数据收集量。
    警告： 纳米材料的准备与处理只应在生物安全柜内。
  3. 碎的 C 60 粉直接删除使用小抹砂浆和遍布作为尽可能薄的样品架，细胞与胶粘剂的聚酰亚胺薄膜样品储存器内面临粉支持方。
    1. 若要成功创建统一的单层，第二次的聚酰亚胺薄膜 (也 10 μ m 厚) 胶面直接置于粉在样品架和脱下。过剩 C 60 粉将坚持第二条带子，然后从样品架中删除。
    2. 重复，直到没有更多的粉脱落的磁带和单层 C 60 粉出现均匀地分散在个别样品持有人细胞 （见 图 1b）。
  4. 离开至少一个窗口空白 （没有样品等），使聚酰亚胺背景记录。
  5. 密封在塑料容器的运输到光束线样品室样品架。

2。初步澳大利亚同步加速器研究

  1. 准备在步骤 1.1-1.5 粉末衍射在澳大利亚的同步加速器 MX2 光束线的使用 C 60。
  2. 请求 12.905 入射能量 keV (0.9607 Å) 梁大小为 30 × 7 um。
  3. 装载 C 60 样品架上标准晶体学针，垂直于 x 射线束上约 625 毫米距离测从探测器，以便收集高分辨率数据。
  4. 移动收集低温喷嘴的位置以确保室温粉末衍射数据。
  5. 打开蓝光冰 10 软件程序控制 MX2 光束。
  6. 新闻 ' 开始 ' 按钮开始收集数据。
  7. 测试不同的曝光时间 （通过重复步骤 2.5 和 2.6） 为确保足够的粉数据收集图像 （其特点为强衍射圆环到探测器的边缘） 中最大限度地信号的动态范围不饱和的情况下探测器。
  8. C 60 样本窗口中扫描和收集多个图像，由同一样本。

3。光束线设置请求 XFEL 参数

  1. 请求的最短可能脉冲持续时间发售拼箱 (四月 2012年-32 fs FWHM)，没有重大的损失助焊剂 (' 高收费模式 ') 在拼箱相干 x 射线实验 11 光束成像 (CXI)。
  2. 请求的 10 千电子伏 (1.24 Å) 事件 x 射线能量使用。
  3. 要求最小焦斑尺寸几乎可以实现使用 CXI 柯克帕特里克-贝兹 (KB) 镜大约 100 x 100 毫微米 2.
    注： 调整脉冲宽度和光束集中进行 CXI 光束线的科学家。上游的聚焦的光斑大小 KB 光学的是大约 800 x 800 µ m 2，聚焦光束大小实现在后焦斑是大约 300 × 300 毫微米 2 半峰宽，由光学显微镜对坑由 XFELYAG 晶体中的光束。
  4. 请求的示例-探测器距离 （Z-） 的 79 毫米 ( 图 1c)。

4。记录的视场

  1. 设置数据记录参数数据采集 （） 12 控制面板中： 梁 （关闭），事件 (500)，事件记录设备 （康奈尔 SLAC 像素阵列检测器-CSPAD13） 的数量。
  2. 新闻 ' 记录运行 ' 时准备记录数据的快照映像集。
    注： 所有事件记录的数据集称为 ' 运行 ' 和保存在中。XTC 文件格式。

5。记录 10%事件 XFEL 流量运行

  1. 请求适当厚度的铝衰减器下游的样品，并直接在康奈尔 SLAC 像素阵列探测器 (CSPAD) 13 为了安置保护它免受损害。
  2. 请求硅衰减器上游样品的厚度计算衰减 90%的 x 射线击中样本事件的插入。请注意脉冲流量预计从梁当前监视器。在样品通量估计为 8.3 x 10 17 光子镀层 2 / 脉冲。
  3. 装载样品架包含 CXI 真空室中的 C 60 样本。
  4. 请求光束线科学家为样品室执行真空泵的过程，直到达到真空。大约 30 分钟达到 10 -7 Tor，室温。
  5. 设置数据记录在数据采集控制板的参数： 梁 （上），事件 (1500)，事件记录设备 (CSPAD)。
  6. 单击 ' 扫描 ' DAQ GUI 窗口的配置节中的按钮。
  7. 提供参数对光束线科学家设置光栅扫描程序运行。这些包括起始位置 （左上的角） 和结束位置 （右下角） 的一个样本持有人细胞窗口、 步长 (600 µ m) 和扫描运动 （在 x 轴） 的方向。使用这些参数，一个单元格窗口 ( 图 1 中所示) 允许在 x 方向的二十扫描超过三行的单元格窗口.
  8. 新闻 ' 应用 ' 时已经输入正确的价值观。
  9. 请求光束线科学家将设置脉冲的重复频率为 1 Hz.注意： 在拼箱可用脉冲重复率是 120 Hz，然而在固定目标扫描模式 14，较低的脉冲重复率是需要避免测量样品已由以往的射击损坏的可能性。警告： XFEL 互动与铝制样品框架带来的风险，饱和度和 CSPAD 和这么关心的损害必须采取避免框架。
  10. 新闻 ' 记录运行 ' 来记录 XFEL 快照粉末衍射数据集。
  11. 使用可用计算环境的拼箱 12，导航到文件目录，在终端窗口中将该数据在内部记录。
  12. 键入命令 ' xtcexplorer/文件路径/文件名 ' XTC GUI 资源文件管理器打开并查看图像记录在运行。
    13. 可能的探测器饱和，通常发生在大约 1,4000 ADUs 13 的
  13. 检查图像。如果探测器饱和铝衰减的探测器需要增加的任何迹象。如果发生这种情况，要求更多层的铝衰减器的探测器和重复步骤 5.6-5.12 与光栅扫描设置为下一个示例持有人牢房的窗户。一层铝 100 & #181; 米厚，覆盖中央的四个模块的 CSPAD 用于此数据集。

6。记录 100 %xfel 流量运行

  1. 请求的厚铝衰减器 (1,000 µ m) 插入在中央四个模块的 CSPAD 和薄 100 微米厚衰减器在外的四个模块。
  2. 请求删除的硅衰减器，以确保 100%的可用 x 射线通量打样品。峰值停息入射峰值流量估计要 7.5 × 10 11 光子脉冲 （给大约 8.3 x 1018 光子注/mm2/脉冲在样品）。
  3. 重复步骤 5.5 5.12 记录中衍射数据集的一个新的样本持有人细胞窗口。
  4. 重复步骤 5.13 监测探测器饱和的状态，并确定是否足够布拉格粉末衍射环或布拉格斑点 （外出的边缘检测器） 是可见的、 清晰。

7。XFEL 数据后处理和峰值分析

  1. 检索校准文件 （或文件路径） 从光束线科学家。
    注意： CSPAD 数据集内的被提供每个探头面板按事件号 （对应一个图像帧快照）。校准文件需要探测仪板组装成的正确的相对位置来产生对应于整个探测器重建的图像帧。
  2. 从视场运行数据集使用 python 脚本语言和应用校准文件中提取视场帧 （如 图 2a 所示）。注意： 软件和建立的数据处理管道为串行飞秒晶体学实验在 XFELS，在这次实验的时候是不是现在可用 15 ， 16.
  3. 总结视场帧，并生成一个平均视场图像。将它保存为暗视场。
  4. 衍射帧图像提取运行的衍射数据集 （例如象限图 2b 所示），并应用视场减法。（又暗视场及背景校正） 信号的稀疏性产生单个帧 图 2c 所示。
  5. 总和视场校正后的衍射图像，以产生最后的 2D 粉末衍射图像 ( 图 2d)。
  6. 作为输入文件在 FIT2D 17 （GUI 数据减少程序） 加载粉末衍射图像。
  7. 输入图像 （长度 x 和 y 长度为 1,800 像素） 的尺寸并选择 ' 粉末衍射 (2D) '。
  8. 点击 ' 梁中心 ' 查找衍射环的中心。选择四个点在内部大多数衍射环 （大约同样间隔）。新闻 ' 继续 ' 来确定中心的衍射模式数组。
  9. 单击 ' 集成 ' 来执行衍射图像方位集成。
  10. 输入的几何参数： 像素大小 （110 微米）、 样品探测器距离 （79 毫米）、 波长 （1.24 埃） 和新闻界继续生成 1 D 粉末衍射图样。
  11. 作为一个.chi 文件以产生的散射角 （2 θ） 与强度值数组导出粉末衍射图样。
  12. 确定由依托样品使用适当的软件聚酰亚胺聚酰胺散射的背景。注： 在本实验中的作者用于 PowderX 18，RIETAN 19 执行背景减法从 1 D 粉末衍射图样。
  13. 对数据集运行记录为不同的 XFEL 强度执行步骤 7.1-7.9。
  14. 选择三种粉末衍射线高强度价值。
  15. 规范所有的配置文件到模式中最激烈的山峰 – (111) 峰值。
  16. 绘制从澳大利亚的同步加速器 （协议第 2 条中所述），获得 100%通案以及 10%流量使用通用绘图软件 ( 图 3 的同一轴上 1 D x-射线粉末衍射图谱a 至 c 项)。
  17. 可选步骤： 通过执行您所选择的其他分析方法表征结构。晶体学数据分析从这个实验进行到使用程序 RIETAN-2000 （结合陶雅 20 ， 21 作为配置文件功能的拆分伪 Voigt 功能）分析了布拉格反射。以表面 22 软件确认有关 10 %xfel 强度和澳大利亚同步数据集的结构匹配室温催化裂化 C 60 的出版的结构进行了最大熵分析.

Representative Results

XFEL 粉末衍射

100%入射通量 XFEL 粉末衍射求和 1000 多个单次测量产生一个完全的粉圆环，分辨率比 2 更好的结果，给出的数据 Å。

粉末衍射配置文件比较

布喇格衍射环的山峰被确定和缩放到第一 （最强） 峰值反射 (111)。图 3显示了三个不同的衍射线轮廓。通过比较三个衍射谱线轮廓，我们观察记录在澳大利亚的同步加速器的衍射数据是几乎等同于在 10%的 XFEL 数据中看到的布喇格配置文件。观察到一些很细微的差别，在布拉格的山峰，却不是他们的立场的相对高度。形成鲜明的对比，100%的动力 XFEL 粉末衍射数据的配置文件会揭示不出现在 10 %xfel 数据配置文件，也不在同步数据配置文件中的额外峰值。这些额外的思考选址在表 1中。为了解释这些差异，建立了调整到预期的衍射模型从室温催化裂化 C60水晶。

X 射线衍射的室温催化裂化 C60结构建模

通过给出了与布拉格反射从晶体的粉末衍射峰的强度
Equation 3(1)

在哪里Equation 4是散射矢量， K是比例因子，Equation 5是多重性因数， Lp是洛仑兹极化因子， W(Equation 4) 是峰值分布函数和M是数目C60分子包含位于位置rm的散射卷中。分子形式因素 (MFF)， Equation 6 ，通过给出了 C60分子

Equation 7(2)
在rj jth碳原子在分子和fc中的地位是碳原子的原子散射因子。

的晶胞参数定义的位置的 x 射线粉末衍射模式允许思考。使用 C60，以及在 x-射线衍射实验中，实验几何的已知的室温催化裂化参数 （单位单元格长度，单位细胞内的分子职位） 峰 （布拉格反射） 的预期的位置可以利用 MFF C60和情商 1 和情商 2 计算。

X 射线衍射的 100 %xfel 数据建模

首先，我们假设期间 32 fs 不发生重大的扭曲转换或从其理想阵地核位移作为建议在事先的入射脉冲的持续时间研究23，24。相反，相反必须由 C60分子的电子结构的运动驱动强度 100 %xfel 数据所示的重大改变。在以下我们描述一种模型，再现了实验上观察到的 100 %xfel 衍射数据，通过修改 C60分子的中心对称分布特点。

在其正常而中立的国家，C60的晶体结构是由诱导其电子密度的瞬时波动的偶极力量来维持。此处所述实验方面的条件，然而，系统的电离生成强的内部电场诱导分子中的电偶极矩的极化。以前只在单分子和小群集使用光学技术，如 UV 光谱25观察 C60中偶极子的形成。在这里然而，观察到的电子密度的重新分配是显然远程和长寿有关的 XFEL 脉冲持续时间，其影响观察晶体的 x 射线衍射模式中。

这会导致通过库仑相互作用，邻近电偶极子的对齐方式和从底层核结构在大约 10 fs 的时间尺度的电子结构解耦。这被控对齐将影响生成的 C60分子对称性 （见图 4）。球面对称的分子丧失导致散射振幅，附加相贡献，因为 C MFFs60分子不再是真实而复杂的函数。

定期不同 MFF 用于模型的mth分子的电子密度分布流离失所相对其晶体结构中的位置不对称分子电荷分布的发生。C60 MFF 此修改，我们得以复制 100 %xfel 数据中见到的光强分布。

情商 2 构建的散射因素，捕获从 XFEL 诱导的偶极子在 100 %xfel 数据形成的长程电子关联的表达式提供了依据。从这可以构造一个新的 MFF 函数，修改极化 C60分子，考虑到：

Equation 8(3)

在Equation 9是理想的 C60分子 （给情商 2） MFF 和Equation 10定义的 XFEL 诱导偶极子极化强度矢量。在极限Equation 11、 情商 3 接近情商 2 和室温 10%功率衍射数据恢复。作为Equation 12当时, C Equation 13 60分子的对称性被改变, 所有可能的衍射峰值的比值都开始随着低功耗衍射模式而变化。为了使数据适合此模型, 对的值进行了探索, 在°≤ 2 Equation 14 θ ≤30°的散射角范围内显示了良好的协议. Equation 16

本实验的目的是测量碳原子中 K 壳的随机光对 FCC C60纳米晶的衍射强度的影响程度。碳原子 (电子结合能 = 284 eV) 中的 K 壳电子的光修改了原子散射因子, fc, 在高散射区域中被视为减小的散射振幅. Equation 4碳原子中的 K 壳孔在 C60内排列在晶格层中的分子会引起布拉格反射的散射振幅的改变。

我们希望观察到一个日益增长的各向同性的背景, 取决于光子通量应用于粉状纳米晶样品根据以下基本假设: 1) 光中的 K 壳在碳是占主导地位的过程样品-XFEL 相互作用, 2) 光的单个碳原子与晶体中的任何其他原子不相关, 3) photoionized 的电子在脉冲的持续时间内保持域, 从而促进了连续的背景信号.

我们在实验中实际观察到的是在室温下存在强烈的、禁止的反射, 当样品受到100% 功率 XFEL 脉冲时, C60的 FCC 纳米晶。域, 随机电离事件不能解释所观察到的禁忌反射。

图 3显示了这些被禁止的反射的外观, 与允许的 FCC 反射的强度大幅降低相符。这些变化不能用晶体晶格中理想的 C60分子的任何特定取向排序来描述。

根据我们的分析1, 在每个 C60分子 (Eq 4) 上的一个相关的中心电荷分布, 证明了生成与实验数据匹配的模型粉末衍射剖面的唯一方法 (见在图 5)。为了进行比较, 所有数据和模型都显示在一起, 但在图 6的同一坐标轴上相互垂直偏移。

Figure 1
图1。XFEL 粉末衍射试样设置与几何
(a)用于固定目标扫描模式的 C60晶体粉末的样本持有者。样品框架由铝构成。所示的测量单位为 mm. 样本单元的近似尺寸为 2 mm x 12 mm. (b)照片的 C60晶体粉末应用于三的细胞 (见暗色细胞) 与聚酰亚胺的支持应用作为支撑 (在样品架上的黄色薄膜。(c) c60实验的示意图。该示例在快照成像方案中以 x-y 方向扫描光栅。在样品中, XFEL 光束聚焦于 300 nm x 300 nm 的光斑大小。样品在真空中进行, 以稳定样品条件, 并尽量减少 X 射线与样品以外的散射源相互作用的可能性。传入的 XFEL 脉冲击中了样品持有者细胞中所持的晶体粉末, 并且在 CSPAD 探测器上记录了衍射图样。1.5 Å的分辨率是通过将采样器的距离设置为 79 mm 来实现的.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图2。CSPAD
注意, 白色刻度栏在 a), b) 和 d) 代表40毫米。
(a) CSPAD 暗。该探测器由32矩形模块组成, 其位置可通过向外移动同心以记录大衍射的需要而改变。(b)总结了原始数据帧 (右上角象限, 超过1000帧的总和), 然后再进行背景和暗校正。(c)单个衍射快照, 演示衍射信号的稀疏性。(d)衍射剖面, 它通过将1500衍射帧和背景信号减法应用于单个帧, 来显示定义良好的粉末衍射环。

Figure 3
图3。粉末衍射数据
(a)方位 10% XFEL 数据集、100% XFEL 数据集和同步数据集的平均衍射模式。fcc 布拉格峰的位置表示与室温 C60 fcc 结构一致。(b)嵌入区域, 显示在 100% FCC 结构中的反射存在于散射角度10⁰≤ 2θ ≤13⁰在其他两个配置文件中看不到。(c)嵌入区域, 在 100% XFEL 数据中显示不同的峰值分布在散射角度20⁰≤ 2θ ≤28⁰。10% XFEL 数据和同步辐射数据都满足了由电子中心分子组成的 FCC 结构的选择规则。然而, 100% XFEL 数据中出现的额外峰值 (反射) 违反了这些选择规则。请单击此处查看此图的较大版本.

e = "1" >Figure 4
图4。C60 的瞬态畸变
在相关电子暂态阶段, 对 FCC 晶格结构中偶极子的对准进行了可视化。C60分子由蓝色球体表示, 红色提示代表有序偶极子的方向。

Figure 5
图5。粉末衍射模型
通过模拟 c60的 fcc 结构 (使用 eq 1 和 2) 与 c60 fcc 结构的模型 (使用 eq 100% 和 1) 进行对比, 生成的粉末衍射剖面与 XFEL 脉冲的3强度相比较。已识别的布拉格峰被标记。有兴趣的区域 (°≤2θ≤30°) 由虚线突出显示。尽管 FCC 模型描述了允许的反射的强度, 但它并没有解释为100% 强度 XFEL 数据观测到的一些附加峰值 (参见图 2a和 b) 的存在。这样做的原因是, 在立方晶格的晶体轴上的分子簇 (图 3) 的简单平移给出了立方中极化的 C60分子的方向顺序的不完全图格.相比之下, 100% XFEL 模型, 考虑到电离诱导的偶极子在 FCC 晶格中的对准 (如图 4所示), 再现了在100% 强度 XFEL 数据中观察到的所有附加峰值。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 6
图6。模型与数据的粉末剖面比较
对在不同光照条件下记录的三衍射图样的线剖面进行了定性比较。此外, 还显示了使用我们的模型计算公式2和3的线轮廓。很明显, 引入周期性修改的 MFF, 100% XFEL 模型线剖面与我们的 100% XFEL 数据一致。

额外反射的测量散射角 (°) 额外反射的计算散射角 (°)
21.31 21.25, 21.45
23.23 22.99、23.02、23.39
24.44 24.29、24.43、24.47、24.64
26。6 26.51, 26.67

表1。在 XFEL 数据中看到的布拉格反射
在20⁰≤ 2 θ ≤30⁰中测量的布拉格反射集为 100% XFEL 衍射数据以及使用 Eqns. 1-4 的计算值。

分子的位置 对
(00, 0) table2_1
(0.5, 0.5, 0) table2_1
(0.5, 00. 5) table2_2
(00. 50. 5) table2_2

表2。瞬态相关阶段的 FCC 分子对准
此表描述了在 XFEL 脉冲期间所经历的晶体的瞬态相关位相中极化的 C60分子的对准。

Discussion

校准的衍射数据帧。

了。XTC 文件 （其中包含从完整的运行数据） 试验过程中包含定义 （如图 2a所示） 的 CSPAD 模块的几何排列的标定参数。数据记录在单独的模块上的正确安排至关重要组装包括数据记录在每次运行个别的衍射数据图像。当时进行了实验包含了正确的参数校准文件的位置不自动设置和手动计算团队需要纠正这一问题。由于没有设置快照运行数据集和检查的成功运行通过视场和背景之间的时间差的数据花费的时间表演校准中减去帧图像的数据集的总和。

晶体的大小。

在一些初始 XFEL 快照运行，强单晶布拉格反射见于一些图像帧。这起因于一些 C60样品不被压碎不够细。观察从碎粉光反射表明晶体方面有太大 (对应于可见光的波长 ~ 400-700 毫微米)。破碎阶段，这些思考应检查粉，如果强，单晶布拉格反射，主要见于数据粉需要被进一步粉碎。

由于这次实验的结果没有预期或计划成功粉末衍射数据集合 C60样品只得到在两个极端的强度设置 （10%和 100%的光通量）。梁在设施的时间是有限的因此任何设置、 计算或来样加工错误和问题实验计划有很大的影响。两种最广泛分离入射强度点的先后，曾经有段时间不足梁可用任何中间点收集可靠的统计数据。因此，我们没有能够实验评估 XFEL 通量在这短暂的相变发生的触发点。

初步的研究。

粉末衍射数据收集在澳大利亚的同步加速器，从同一个 C60样品作为测量在 XFEL。同步加速器通常用于屏幕为适合 XFEL 目标26，和在本案中积极地证实，在 10 %xfel 强度，衍射数据与 C60的基态 FCC 结构相一致。

样品和探测器的衰减。

通过上游硅衰减器调整入射通量校准样品的至关重要，特别是因为正在研究的影响是强度受抚养者。适用于铝衰减的探测器，与入射通量相匹配的建设也是至关重要的。

打样品在梁协调点的位置。

在 XFEL KB 焦斑的位置，还必须观察报告的现象，因为在样品上的磁通密度必须足以诱导偶极子在整个晶体的形成。由 XFEL 梁在 YAG 晶体使用光学显微镜，以及执行沿光轴的精细采样扫描测量撞击坑的大小创建和看的衍射强度用来确定焦平面的位置。

在将来将探索实现这项工作更多的入射强度，以及脉冲持续时间。这项工作已为即将到来的实验分析从纳米晶在 XFEL 来源收集的衍射数据的潜在影响。它还与物质，突出显示，XFELs 具有的潜力，探索新的物理不纳入常规晶体学提供 XFELs 的基本相互作用的新见解。

Disclosures

作者没有透露。

Acknowledgments

作者承认澳大利亚研究理事会中心卓越的先进分子成像的支持。在拼箱，由斯坦福大学美国能源部基础能源科学办公室代表全国用户设施进行了这项研究的部分。我们承认国际同步访问程序所提供的旅行资金管理，并由澳大利亚政府。此外，这项研究的一些对在 AS，维多利亚，澳大利亚 MX1 和 MX2 的光束线进行。作者的贡献： 学士学位是负责规划和管理项目的所有实验方面。试验的目的是文学学士，R.A.D.，威士茂，C.D.，和 G.J.W.学士、 H.M.Q.、 K.A.N.和 R.A.D.写了原拼箱提案。格里菲斯、 R.A.D.、 R.A.R.、 A.V.M.、 乳油，白雪进行了模拟工作。文学学士，R.A.D.，C.D.威士茂、 M.W.M.J.、 R.A.R.、 N.G.、 F.H.、 G.J.W.，法令和政令公报、 M.M.、 M.M.S.、 A.G.P.、 C.T.P.、 A.V.M.和 K.A.N.收集拼箱的实验数据。白雪、 V.A.S.和 R.A.D 收集实验数据在澳大利亚的同步加速器。C.T.P.和 A.V.M.领导的实验数据转换和分析。学士学位，C.D.、 N.G.和伊比是负责样品持有人设计和测试。R.A.R，文学学士，白雪，A.V.M 和 H.M.Q 写了这份手稿。电子损害内一致性理论制定执行的 H.M.Q.和 K.A.N.;R.A.D.开始构思这形式主义不适用于 c_ （60）。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Macroscopic 99.5+ % pure C60 SES RESEARCH
Pestle and mortar Sigma Aldrich used for crushing C60 powder;
Aluminium sheet used for constructing sample holder
kapton polyimide film Du Pont http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/polyimide-films/brands/kapton-polyimide-film/
CXI beamline SLAC http://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?yi5003
safety glasses
biosafety cabinet

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Abbey, B., et al. X-ray laser-induced electron dynamics observed by femtosecond diffraction from nanocrystals of Buckminsterfullerene. Sci. Adv. 2 (9), e1601186 (2016).
  2. Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nat. 470 (7332), 73-77 (2011).
  3. Boutet, S., et al. High-resolution protein structure determination by serial femtosecond crystallography. Science. 337 (6092), 362-364 (2012).
  4. Redecke, L., et al. Natively inhibited Trypanosoma brucei cathepsin B structure determined by using an X-ray laser. Sci. 339 (6116), 227-230 (2013).
  5. Kern, J., et al. Simultaneous femtosecond X-ray spectroscopy and diffraction of photosystem II at room temperature. Sci. 340 (6131), 491-495 (2013).
  6. Aquila, A., et al. Time-resolved protein nanocrystallography using an X-ray free-electron laser. Opt. Exp. 20 (3), 2706-2716 (2012).
  7. Nass, K., Hau-Riege, S. Radiation damage in ferredoxin microcrystals using high intensity X-FEL beams. , Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Livermore, CA. (2014).
  8. Quiney, H. M., Nugent, K. A. Biomolecular imaging and electronic damage using X-ray free-electron lasers. Nat. Phys. 7 (2), 142-146 (2011).
  9. Lorenz, U., Kabachnik, N., Weckert, E., Vartanyants, I. Impact of ultrafast electronic damage in single-particle x-ray imaging experiments. Phys. Rev. E. 86 (5), 051911 (2012).
  10. McPhillips, T. M., et al. Blu-Ice and the Distributed Control System: software for data acquisition and instrument control at macromolecular crystallography beamlines. J. Synchrotron Rad. 9, 401-406 (2002).
  11. Boutet, S., Williams, G. J. The coherent X-ray imaging (CXI) instrument at the Linac Coherent Light Source (LCLS). New J. of Phys. 12 (3), 035024 (2010).
  12. LCLS Photon Control and Data Systems Documentation Page. , Available from: https://confluence.slac.stanford.edu/display/PCDS/PCDS+Home (2009).
  13. Hart, P., et al. The CSPAD megapixel x-ray camera at LCLS. Proc. SPIE. 8504, (2012).
  14. Hunter, M. S., et al. Fixed-target protein serial microcrystallography with an x-ray free electron laser. Nat. Sci. Rep. 4, 6026 (2014).
  15. Nakane, T., et al. Data processing pipeline for serial femtosecond crystallography at SACLA. J. App. Crystallography. 49, 1035-1042 (2016).
  16. White, T. A., et al. Crystallographic data processing for free-electron laser sources. Acta. Cryst. 69, 1231-1240 (2013).
  17. Hammersley, A., et al. Two-Dimensional Detector Software: From Real Detector to Idealised Image or Two-Theta Scan. High Pressure Res. 14, 235-248 (1996).
  18. Dong, C. PowderX: Windows-95-based program for powder X-ray diffraction data processing. J App. Crystallography. 32 (4), 838 (1999).
  19. Multi-Purpose Pattern Fitting System REITAN-FP. , Adv. Ceramics Research Cnt. Nagoya Institute of Technology. Available from: http://fujioizumi.verse.jp/download/download_Eng.html (2014).
  20. Ida, T., Ando, M., Toraya, H. Extended pseudo-Voigt function for approximating the Voigt profile. J. App. Crystallography. 33 (6), 1311-1316 (2000).
  21. Toraya, H. Array-type universal profile function for powder pattern fitting. Journal of Applied Crystallography. 23, 485-491 (1990).
  22. Takata, E. N., Sakata, M. Charge density studies utilizing powder diffraction and MEM. Exploring of high Tc superconductors, C60 superconductors and manganites. Cryst. Mat. 216 (2), (2009).
  23. Neutze, R., Wouts, R., van der Spoel, D., Weckert, E., Hajdu, J. Potential for biomolecular imaging with femtosecond X-ray pulses. Nat. 406 (6797), 752-757 (2000).
  24. Hau-Riege, S. P., London, R. A., Szoke, A. Dynamics of biological molecules irradiated by short x-ray pulses. Phys. Rev. E. 69 (5), 051906 (2004).
  25. Petersen, J. C., et al. Clocking the Melting Transition of Charge and Lattice Order in 1T-TaS2 with Ultrafast Extreme -Ultraviolet Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy. Phys. Rev. Let. 107 (17), 177402 (2011).
  26. Darmanin, C., et al. Protein crystal screening and characterization for serial femtosecond nanocrystallography. Nat. Sci. Rep. 6, 25345 (2016).

Tags

化学 问题 126 Nanocrystallography 飞秒 x 射线衍射 相关电子动力学 x 射线自由电子激光器 直线加速器相干光源 Buckminsterfullerene
在纳米富勒的飞秒衍射实验的长程电子关联的测量
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ryan, R. A., Williams, S., Martin,… More

Ryan, R. A., Williams, S., Martin, A. V., Dilanian, R. A., Darmanin, C., Putkunz, C. T., Wood, D., Streltsov, V. A., Jones, M. W. M., Gaffney, N., Hofmann, F., Williams, G. J., Boutet, S., Messerschmidt, M., Seibert, M. M., Curwood, E. K., Balaur, E., Peele, A. G., Nugent, K. A., Quiney, H. M., Abbey, B. Measurements of Long-range Electronic Correlations During Femtosecond Diffraction Experiments Performed on Nanocrystals of Buckminsterfullerene. J. Vis. Exp. (126), e56296, doi:10.3791/56296 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter