Chemistry

Metingen van luchtverontreiniging over lange afstand elektronische correlaties tijdens femtoseconde diffractie experimenten uitgevoerd op nanokristallen van Buckminsterfullerene

Published: August 22, 2017 doi: 10.3791/56296

Rebecca A. Ryan¹, Sophie Williams¹, Andrew V. Martin¹, Ruben A. Dilanian¹, Connie Darmanin², Corey T. Putkunz¹, David Wood³, Victor A. Streltsov⁴, Michael W.M. Jones⁵, Naylyn Gaffney⁶, Felix Hofmann⁷, Garth J. Williams⁸, Sebastien Boutet⁹, Marc Messerschmidt¹⁰, M. Marvin Seibert¹¹, Evan K. Curwood¹¹, Eugeniu Balaur², Andrew G. Peele⁵, Keith A. Nugent², Harry M. Quiney¹, Brian Abbey²

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

We beschrijven een experiment dat is ontworpen om de elektronische schade veroorzaakte in nanokristallen van Buckminsterfullerene (C-₆₀) sonde door intens, femtoseconde pulsen van x-stralen. Het experiment vond dat verrassend, in plaats van stochastische, de X-ray elektron dynamiek in C₆₀zijn sterk gecorreleerd geïnduceerde, ruimtelijk honderden eenheid cellen binnen de kristallen¹.

Abstract

De precieze details van de interactie van intense X-ray pulsen met zaak zijn een onderwerp van intense belangstelling voor onderzoekers proberen te interpreteren van de resultaten van femtoseconde X-ray vrije elektron laser (XFEL) experimenten. Een toenemend aantal experimentele waarnemingen hebben aangetoond dat hoewel kernenergie beweging te verwaarlozen zijn kan, krijgen een korte genoeg incident impulstijd, elektronische motion kan niet worden genegeerd. De huidige en algemeen aanvaarde modellen wordt ervan uitgegaan dat hoewel elektronen ondergaan dynamics gedreven door interactie met de pols, hun beweging kan grotendeels worden beschouwd als 'random'. Dit zou dan de zogenaamd onsamenhangend bijdrage van de elektronische motie te worden behandeld als een continue achtergrond signaal en dus genegeerd. Het oorspronkelijke doel van ons experiment was om juist het meten van de verandering in intensiteit van individuele Bragg pieken, als gevolg van X-ray geïnduceerde elektronische schade in een modelsysteem, kristallijne C₆₀. In tegenstelling tot deze verwachting vastgesteld we hebben dat bij de hoogste X-ray intensiteiten, de dynamiek van de elektron in C₆₀ waren in feite sterk gecorreleerd, en over voldoende lange afstanden dat de posities van de Bragg reflecties aanzienlijk zijn gewijzigd. Deze paper beschrijft in detail de methoden en protocollen die worden gebruikt voor deze experimenten, die werden uitgevoerd zowel op de Linac Coherent licht bron (LCLS) en de Australische Synchrotron (AS), alsmede de kristallografische benaderingen gebruikt om de gegevens te analyseren.

Introduction

Een van de belangrijkste doeleinden van X-ray vrije elektron lasers (XFELs) is het ontwikkelen van een hoge doorvoer, hoge resolutie benadering van moleculaire beeldvorming en dynamica. Structurele biologie, hangt af van atoomschaal informatie, traditioneel beperkt tot lagere resolutie röntgendiffractie technieken uitgevoerd op de derde generatie synchrotrons. Lange belichtingstijden waardoor aanzienlijke stralingsschade in kristallen, zijn sterk van invloed op de resolutie bereikt met behulp van traditionele technieken. De momentopname diffractie imaging schema²^,omvat³^,⁴ werksaam by XFELs, het verzamelen van diffractie beelden van korte puls röntgenstralen raken beide vaste doelstelling monsters (die zijn vertaald in de balk focus) of monsters geïnjecteerd in de richting van de lichtbundel.

De interactie van de puls-monster XFEL vernietigt uiteindelijk de monsters, als gevolg van het intreden van ernstige stralingsschade. De diffractie-beelden worden verzameld vóór het intreden van deze verwoesting als gevolg van de sub-100 fs pulse duur. De mogelijkheid om hoge resolutie structuren uit nanokristallen is in snel tempo goed ingeburgerd. Echter, dynamische processen die zich op femtoseconde tijdschalen onder proefomstandigheden imaging voordoen bieden diepere inzichten in de atoomfysica en kunnen een macroscopische effect hebben op nanokristallen en hun diffractie patronen⁵^,⁶ ^,⁷.

Terwijl catastrofale structurele schade wordt voorkomen op de tijdschaal van de femtoseconde gedurende welke een momentopname diffractie afbeelding is opgenomen, de vermogensdichtheid van een XFEL-puls hoog genoeg om de elektronische eigenschappen van het monster waarmee wijzigen kan worden de x-stralen ⁷^,⁸^,⁹te communiceren. Een verkenning van de fysica van de interactie van intense coherente X-ray pulsen met materie is niet alleen van intrinsieke wetenschappelijk belang, maar zullen cruciaal zijn voor de interpretatie van een experiment in welke licht van een XFEL impuls wordt gebruikt om te verkennen structuur.

In x-stralen imaging experimenten uitgevoerd op afzonderlijke moleculen, kleine clusters en nanokristallen bestaat uit een paar eenheid cellen, blijkt perturbatieve analyse dat men zich aan moet houden beide een vermindering in de schijnbare samenhang van de verspreide signaal⁸, en de groei van een signaal van de structureless achtergrond als gevolg van electrodynamical processen⁹. Dit experiment wilde beoordelen de mate waarin kwantumdecoherentie als gevolg van electrodynamical processen, treedt op in poedervorm nanocrystalline C₆₀ als gevolg van de interactie met korte pulsen van de XFEL.

In dit artikel leveren we details met betrekking tot de experimentele procedure waarin een zeer geordende voorbijgaande elektronische structuur van C₆₀ nanokristallen wordt waargenomen als gevolg van de interactie met een XFEL pulse¹. Het patroon van de diffractie geproduceerd onder deze omstandigheden verschilt aanzienlijk van dat waargenomen wanneer hetzelfde monster wordt verlicht door lager vermogen, maar identieke XFEL pulsen, of wanneer een synchrotron lichtbundel op de dezelfde foton-energie wordt gebruikt. Dit verschil wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van Bragg bergtoppen die niet worden gezien in de twee diffractie profielen die overeenkomt met de spaarstand en synchrotron diffractie-beelden. Wij tonen onze analyse en aanpak van de model-montage, gebruikt ter bevestiging van de aanwezigheid van een dynamische elektronische vervorming geïnduceerd door XFEL puls-nanocrystal interactie.

Protocol

1. C ₆₀ bereiding van de monsters van de poeder

toepassen polyamide film, 10 µm dik, aan de ene kant van de vaste 1 mm dik aluminium monsterhouder (ontwerp weergegeven in Figuur 1a).
Crush de C ₆₀ met behulp van een stamper en vijzel in kleine batches van ongeveer 100 µg. De hoeveelheid monster aan het cement toegevoegd is niet kritisch, maar ervoor zorgen dat het niet de hoogte van het afgeronde einde van de stamper overschrijdt zodat u don ' t risico comprimeren van het poeder in plaats van aandrukken. Dit zal ervoor zorgen dat fijne nanokristallen worden geproduceerd. Herhaal dit proces meerdere keren te verkrijgen van het bedrag dat vereist is voor gegevensverzameling.
Let op: Voorbereiding en behandeling van nanomaterialen moeten alleen worden uitgevoerd binnen de bioveiligheid kasten.
Verwijderen van de geplette C ₆₀ poeder rechtstreeks vanuit de mortel met behulp van een kleine spatel en verspreid zo dun mogelijk over de cellen van de monsterhouder, met de klevende kant van de film van polyimide back-ups maken, in de monsterhouder geconfronteerd met het poeder.
1. Met succes maken een uniforme enkelgelaagde, plaatst u de zelfklevende kant van een tweede polyimide film (ook 10 µm dik) direct boven het poeder in de monsterhouder en trek. Overmaat C ₆₀ poeder zal vasthouden aan het tweede stuk van tape en kan vervolgens worden verwijderd van de monsterhouder.
2. Herhalen totdat er geen meer poeder komt uit de band en een enkelgelaagde C ₆₀ poeder lijkt gelijkmatig verspreid over individuele monster houder cellen (Zie Figuur 1b).
Verlaten ten minste één venster leeg (geen enkel monster) zodat een polyimide achtergrond moeten worden opgetekend.
Zegel van de monsterhouder in een plastic container voor transport naar de monsterkamer beamline.

2. Australische Synchrotron voorstudies

Gebruik C ₆₀ voorbereid in stappen 1.1-1.5 poeder diffractie bij de MX2 beamline op de Australische Synchrotron.
Vragen een incident energie van 12.905 keV (0.9607 Å) en de grootte van een straal van 30 x 7 Umm.
De C ₆₀ monsterhouder monteren op een standaard kristallografie pin, verticale naar de X-ray-balk op de goniometer op een afstand van ongeveer 625 mm van de detector, om hoge resolutie gegevens moeten worden verzameld.
Verplaatsen de cryogene mondstuk uit positie om kamertemperatuur poeder diffractie gegevens worden verzameld.
Open het Blu-Ice ¹⁰ softwareprogramma dat de MX2 beamline controleert.
Druk op de ' Start ' knop om te beginnen van gegevensverzameling.
Test verschillende belichtingstijden (door stappen te herhalen 2.5 en 2.6) om ervoor te zorgen dat voldoende poeder gegevens worden verzameld in de afbeelding (gekenmerkt door sterke diffractie ringen uit tot aan de rand van de detector) het dynamisch bereik van het signaal te maximaliseren zonder verzadigen de detector.
De C ₆₀ monster venster scannen en het verzamelen van meerdere afbeeldingen uit hetzelfde monster.

3. Aanvragen XFEL Parameters voor de installatie van de Beamline

verzoek de kortste mogelijke impulstijd beschikbaar op de LCLS (April 2012-32 fs FWHM), zonder een significant verlies van flux (' high-charge modus ') voor het experiment in de LCLS samenhangende X-ray ¹¹-beamline Imaging (CXI).
Verzoek van het gebruik van 10 keV (1.24 Å) incident X-ray energie.
Vragen de kleinste focal plek grootte praktisch uitvoerbaar CXI Kirkpatrick-Baez (KB) spiegels op de orde van 100 x 100 nm ².
Opmerking: Aanpassing van de impulstijd en straal scherpstellen gebeurt door de wetenschappers van de CXI beamline. De grootte van het ongericht lichtbundel stroomopwaarts van de optica KB was ongeveer 800 x 800 µm ², nadat de grootte van de lichtbundel richten verwezenlijkt de focal plek was ongeveer 300 x 300 nm ² FWHM, zoals bepaald door de optische microscopie van kraters gemaakt door de XFEL balk in YAG kristallen.
Het aanvragen van een sample - detector afstand (Z-afstand) van 79 mm ( Figuur 1 c).

4. De Darkfield opnemen

Set van de gegevensregistratie parameters in het deelvenster Beheer van DAQ (Data-acquisitie) ¹²: lichtbundel (uit), diverse evenementen (500), gebeurtenis opnameapparaat (Cornell-SLAC Pixel Array Detector - CSPAD13).
Pers ' Record uitvoeren ' als u klaar bent om op te nemen van een dataset van momentopname beelden.
Opmerking: De dataset van alle gebeurtenissen die zijn vastgelegd heet een ' uitvoeren ' en wordt opgeslagen het. XTC bestandsindeling.

5. Opnemen van de 10% Incident XFEL Flux Run

verzoek de plaatsing van de juiste dikte van de aluminium verzwakker stroomafwaarts van het monster, en direct voor de Cornell-SLAC Pixel Array Detector (CSPAD) ¹³ ter beschermen tegen schade.
Vragen de invoeging van silicium Verzwakkers stroomopwaarts van het monster bij een dikte berekend om te verzachten van 90% van het incident röntgenstralen raken van het monster. Merk op dat de puls-flux van de lichtbundel huidige monitor. De fluentie op het monster werd geschat op 8.3 x 10 ¹⁷ fotonen /mm ² / pulse.
Monteren van de monsterhouder met de C ₆₀ monster in de Vacuuemcel CXI.
Vragen de wetenschappers van de beamline het uitvoeren van de procedure van de vacuümpomp voor de monsterkamer totdat vacuüm is bereikt. Het duurt ongeveer 30 minuten tot 10 ^-7 Tor, bij kamertemperatuur.
Stelt u de parameters opnemen in het Configuratiescherm DAQ: balk (aan), gebeurtenissen (1500), gebeurtenis opname-apparaat (CSPAD).
Klik op de ' Scan ' knop in de configuratiesectie van de DAQ GUI venster.
Geven parameters aan de beamline wetenschappers om in te stellen van het raster scan procedure voor de run. Deze omvatten de begin positie (linker bovenhoek) en eindigen positie (rechtsonder) van één monster houder cel venster, de stap-grootte (600 µm) en de richting van de beweging van de scan (in de x-as). Met behulp van deze parameters, één cel venster (afgebeeld in Figuur 1 een) vergunningen twintig scans in de x-richting meer dan drie rijen van de cel venster.
Pers ' toepassen ' Wanneer de juiste waarden zijn ingevoerd.
Vragen de wetenschappers van de beamline in te stellen van de polsslag van de herhaling op 1 Hz. Opmerking: de beschikbare polsslag met herhaling op het LCLS is 120 Hz, maar in de vaste doelsoort scannen modus ¹⁴, een lagere hartslag voor herhaling is vereist om te vermijden de mogelijkheid voor het meten van de steekproef die reeds is aangetast door een vorige schot. Let op: XFEL interactie met het frame van aluminium monster brengt het risico van verzadiging en beschadiging van de CSPAD en zo zorg moet worden genomen om het frame voorkomen.
Pers ' Record uitvoeren ' graag een XFEL momentopname poeder diffractie dataset.
Met behulp van de computeromgeving beschikbaar op LCLS ¹², navigeer naar de map die de gegevens worden vastgelegd in binnen in een terminalvenster.
Typ de opdracht ' xtcexplorer/filepath/filename ' openen de XTC bestand Ontdekkingsreiziger GUI en bekijken van de beelden opgenomen in de run.
Selectievakje beelden voor mogelijke detector verzadiging, die meestal bij ongeveer 1,4000 ADUs ^{13 plaatsvindt}. Als de detector tekenen van verzadiging toont, die de aluminium-demping op de detector moet worden verhoogd. Als dit gebeurt, vraag meer lagen van aluminium verzwakker op de detector en herhaal stappen 5.6-5.12 met het raster scan instellen voor de volgende monster houder cel venster. Een laag aluminium 100 & #181; m dik, die betrekking hebben op de centrale vier modules van de CSPAD werd gebruikt voor deze dataset.

6. Opnemen van de 100% XFEL Flux Run

de invoeging van dikke aluminium verzwakker (1.000 µm) aanvragen via de centrale vier modules van de CSPAD en dunner 100 µm dik verzwakker over de buitenste vier modules.
Verzoeken om de verwijdering van silicium Verzwakkers dat 100% van de beschikbare X-ray flux te raken van het monster. De piek unattenuated incident piek flux werd geschat op 7,5 × 10 ¹¹ fotonen worden/pulse (het geven van een fluentie voor ongeveer 8.3 x 1018 fotonen/mm2/puls op de steekproef).
Herhaal stap 5.5-5.12 om vast te leggen van de dataset diffractie op een nieuw monster houder cel venster.
Herhaal stap 5.13 detector verzadiging status controleren en bepalen of voldoende Bragg poeder diffractie ringen of Bragg vlekken (uit tot aan de rand van de detector) zijn zichtbaar en goed gedefinieerde.

7. XFEL gegevens na verwerking en analyse van de Peak

ophalen de kalibratie bestand (of bestandspad) van de wetenschappers beamline.
Opmerking: De CSPAD-gegevens in een dataset is beschikbaar als afzonderlijke detector panelen gegroepeerd op een gebeurtenis-id (overeenkomend met een afbeelding frame momentopname). De kalibratie-bestand is nodig om te assembleren detector panelen in de juiste relatieve posities voor de productie van een frame van de gereconstrueerde beeld overeenkomt met de hele detector.
Uittreksel donkerveld frames (voorbeeld in Figuur 2a) uit de darkfield dataset met behulp van de python scripting taal en het toepassen van de kalibratie-bestand uitvoeren. Opmerking: software en een gevestigde gegevensverwerking van gasleiding voor seriële femtoseconde kristallografie experiment op XFELS die niet beschikbaar op het moment van dit experiment was is nu beschikbaar ¹⁵ ^, ¹⁶.
Som de darkfield frames en genereren een gemiddelde donkerveld afbeelding. Bewaar dit als de darkfield.
De diffractie frame beelden uittreksel uit de datasets van de diffractie uitvoeren (een Kwadrant in het volgende voorbeeld is weergegeven in Figuur 2b), en een donkerveld aftrekken van toepassing. Het spookdebat van het signaal geproduceerd in afzonderlijke frames (na darkfield en achtergrond correctie) wordt weergegeven in Figuur 2 c.
Som de darkfield gecorrigeerd diffractie beelden te produceren van het definitieve 2D poeder diffractie beeld ( figuur 2d).
De poeder diffractie afbeelding laden als het invoerbestand in FIT2D ¹⁷ (een GUI data reductie programma).
Voer de afmetingen van de afbeelding (lengte x en y-lengte als 1800 pixels) en selecteer ' poeder DIFFRACTIE (2D) '.
Klik ' Beam centrum ' te vinden van het midden van de diffractie-ringen. Selecteer vier punten op de binnenste meeste diffractie ring (ongeveer gelijk verdeeld). Druk op ' doorgaan ' om te bepalen van het midden van de diffractie patroon array.
Klik op ' Integreer ' voor het uitvoeren van een azimutale integratie van het beeld van diffractie.
De geometrie parameters opgeven: pixelgrootte (110 micron), monster-detector afstand (79 mm), golflengte (1.24 Angstrom) en pers blijven voor het genereren van een 1D poeder diffractie patroon.
De poeder diffractie patroon exporteren als een bestand .chi voor de productie van een matrix van verstrooiing hoek (2 θ) versus intensiteitswaarden.
Bepalen de achtergrond vertegenwoordigd door de verstrooiing van de polyimide polyamide back-ups maken op het monster met behulp van de juiste software. Opmerking: De auteurs in dit experiment gebruikt PowderX ¹⁸ en ¹⁹ van de RIETAN voor het uitvoeren van achtergrond aftrekken van de 1 D poeder diffractie patroon.
Stappen 7.1-7,9 uitvoeren voor de dataset opgenomen voor de verschillende intensiteiten van de XFEL loopt.
Selecteer de hoogste intensiteitswaarde uit de drie poeder diffractie profielen.
Normaliseren alle van de profielen naar de meest intense peak in het patroon – de (111) piek.
Plot de 1D X-ray poeder diffractie patronen verkregen van de Australische Synchrotron (beschreven in sectie 2 Protocol), de 100% flux geval en het geval van de flux van 10% op de dezelfde assen softwarematig generieke plotting ( Figuur 3 a-c).
Optioneel stap: karakteriseren de structuur door het uitvoeren van aanvullende analysemethoden van uw keuze. Kristallografische data-analyse uit dit experiment werd uitgevoerd met het programma RIETAN-2000 (waarin de functie split pseudo-Voigt van Toraya ²⁰ ^, ²¹ als de functie van een profiel) Bragg reflecties te analyseren. Maximale entropie analyse werd uitgevoerd met behulp van de software PRIMA ²² om te bevestigen dat de structuur met betrekking tot de 10% XFEL intensiteit en Australische Synchrotron datasets gematched de gepubliceerde structuur voor kamertemperatuur FCC C ₆₀.

Representative Results

XFEL poeder diffractie

De gegevens voor de invallende lichtstroom van 100% XFEL poeder diffractie het resultaat is van de optelling van meer dan 1000 single-shot metingen voor de productie van een volledige poeder-ring met een resolutie van beter dan 2 Å.

Poeder diffractie profielen vergelijking

De toppen van de Bragg voor de diffractie ringen werden geïdentificeerd en geschaald naar de eerste (meest intense) piek reflectie (111). Figuur 3 toont de drie verschillende diffractie lijn profielen. Door het vergelijken van de profielen van de lijn van de drie patronen van diffractie, zien we dat de diffractie gegevens opgenomen in de Australische Synchrotron vrijwel identiek aan de Bragg-profiel in de gegevens van de XFEL 10% gezien is. Sommige zeer kleine verschillen in de relatieve hoogte van de toppen Bragg, maar niet hun posities in acht worden genomen. In schril contrast blijkt het profiel van de macht van de 100% XFEL poeder diffractie gegevens de aanwezigheid van extra pieken niet gezien in de 10% profiel voor de gegevens van de XFEL, noch in het Synchrotron gegevens profiel. De locaties van deze extra reflecties zijn aangegeven in tabel 1. Om te interpreteren deze verschillen, werd een aanpassing van het model van de verwachte diffractie van een kamertemperatuur FCC C₆₀ kristal gebouwd.

X-Ray diffractie modellering van de kamertemperatuur FCC C₆₀structuur

De intensiteit van poeder diffractie pieken gekoppeld Bragg reflecties van een kristal wordt gegeven door
Equation 3 (1),

waar Equation 4 is de verstrooiing vector, K is de schaalfactor, Equation 5 is de multipliciteit factor, L_p is de Lorentz-polarisatie factor, W() is de piek profiel functie en M is het aantal C₆₀ moleculen die zijn opgenomen in het volume van de verstrooiing gelegen op posities r_m. De moleculaire form factor (MFK), Equation 6 , want een C₆₀ molecuul wordt gegeven door

Equation 7 (2),
waar r_j is de positie van de j^th koolstof-atoom in de molecuul en f_c is de factor van de atomaire verstrooiing van het koolstofatoom.

De eenheidparameters cel van het kristal definiëren de positie van toegestane reflecties voor een X-ray poeder diffractie patroon. Met behulp van de bekende kamertemperatuur FCC parameters (lengte van de cellen eenheid, molecuul posities binnen de eenheidscel) van C₆₀, samen met de experimentele geometrie in het experiment van röntgendiffractie, de verwachte posities van de pieken (Bragg reflecties) kunt doen worden berekend aan de hand van het MFK voor C₆₀ en Eq. 1 en Eq. 2.

Röntgendiffractie modellering van 100% XFEL gegevens

We beginnen door, ervan uitgaande dat significante verstoringen/veranderingen of verplaatsingen van de kernen van hun ideale posities niet tijdens de fs 32 komen duur voor het incident pulse als voorgesteld in voorafgaande studies²³^,²⁴. Daarentegen moet dat significante verandering in de intensiteiten gezien in de 100% XFEL gegevens in plaats daarvan worden gereden door bewegingen van de elektronische structuur van de moleculen van de₆₀ C. In de volgende beschrijven we een model dat de experimenteel waargenomen kenmerken van de 100% XFEL diffractie gegevens, via een wijziging van de centro-symmetrische verdeling van de C₆₀ moleculen reproduceert.

In zijn normale, neutrale staat, wordt de kristallijne structuur van C₆₀ onderhouden door dipolaire krachten die worden veroorzaakt door momentane schommelingen in de dichtheid van het elektron. Onder de proefomstandigheden beschreven hier, echter de ionisatie van het systeem genereert een sterke interne elektrisch veld dat elektrische dipoolmomenten in de moleculen door polarisatie induceert. De vorming van dipolen in C₆₀ heeft eerder alleen waargenomen in afzonderlijke moleculen en kleine clusters met behulp van optische technieken zoals UV spectroscopie²⁵. Hier is de herverdeling van de dichtheid van de elektron waargenomen echter blijkbaar zowel lange-afstands en langlevende ten opzichte van de duur van de XFEL pols zodat de effecten worden waargenomen in de kristallografische röntgendiffractie patroon.

Dit resulteert in de uitlijning van naburige dipolen via een Coulomb interactie, en een ontkoppeling van de elektronische structuur van de structuur van het onderliggende nucleaire op tijdschalen volgorde 10 fs. Deze laste uitlijning is van invloed op de resulterende symmetrie van het molecuul van de₆₀ C (Zie Figuur 4). Het verlies van de sferische symmetrie van het molecuul leidt tot een aanvullende fase bijdrage aan de amplitude van de verstrooiing, aangezien de MFFs van C₆₀ moleculen niet langer reële maar complexe functies zijn.

Een periodiek variërende MFK werd gebruikt om het model van het vóórkomen van een asymmetrische moleculaire ladingsverdeling waarin de verdeling van de elektronen dichtheid van de m^thmolecuul wordt verplaatst ten opzichte van haar positie in de kristalstructuur. Met deze wijziging naar de C₆₀MFK konden we het profiel van de intensiteit gezien in de 100% XFEL-gegevens worden gerepliceerd.

EQ. 2 vormt de basis voor de bouw van een expressie voor de verstrooiing factor, die de luchtverontreiniging over lange afstand elektronische correlaties gevormd uit de XFEL-geïnduceerde dipolen in de 100% XFEL-gegevens vangt. Hieruit kan een nieuwe MFK-functie, aangepast aan de account voor de gepolariseerde C₆₀ moleculen, worden geconstrueerd:

Equation 8 (3),

waar Equation 9 is het MFK voor de ideale C₆₀ moleculen (gegeven door Eq. 2) en Equation 10 definieert de vector van de polarisatie van de XFEL geïnduceerde dipool. In de limiet Equation 11 , Eq. 3 benadert Eq. 2 en de kamertemperatuur 10% macht diffractie gegevens is hersteld. Als Equation 12 toeneemt, de symmetrie van het molecuul wordt gewijzigd, en de verhoudingen van alle pieken van de mogelijke diffractie beginnen te variëren. De werkelijke verdeling van gepolariseerde moleculen in een kubieke rooster heeft invloed op de resulterende diffractie-patroon.

Wanneer Equation 13 , de symmetrie van het molecuul C₆₀ wordt gewijzigd en de verhoudingen van alle pieken van de mogelijke diffractie beginnen te variëren ten opzichte van de spaarstand diffractie-patroon. Aan de hoeveelheid gegevens naar dit model, de waarden van Equation 14 werden onderzocht, tonen goed akkoord in de 20° ≤ 2θ ≤ 30 ° cellenbereik verstrooiing hoeken voor Equation 16 .

Het beoogde doel van dit experiment was de mate waarin stochastische photoionisation voor de K-shell in koolstof-atomen is van invloed op de eiwitkristallen intensiteiten gemeten voor FCC C₆₀ nanokristallen maatregel. Photoionisation van de elektronen van de K-shell in koolstofatomen (elektron bindingsenergie = 284 eV) wijzigt de atomaire verstrooiing factoren, f_c, gezien als een verminderde verstrooiing amplitude binnen de hoge Equation 4 verstrooiing regio's. K-shell gaten in koolstof-atomen binnen C₆₀ moleculen in een kristallijne rooster gerangschikt zorgt ervoor dat wijzigingen van de amplitudes van de verstrooiing van de Bragg reflecties.

We moeten observeren van een groeiende isotrope achtergrond, afhankelijk van de foton-flux toegepast op poedervorm nanocrystal monsters volgens de volgende fundamentele aannames: 1) dat de photoionisation voor de K-shell in koolstof is de dominante proces in de de tussenkomst van de monster-XFEL, 2) die photoionisation van individuele koolstof-atomen is niet gecorreleerd aan elke andere atomen in het kristal, 3) dat photoionized elektronen gedelokaliseerd voor de duur van de pols blijven en derhalve tot de continue achtergrond bijdragen signaal.

Wat we eigenlijk waargenomen in de experiment was de aanwezigheid van sterke, reflecties op kamertemperatuur, FCC nanokristallen C₆₀ wanneer het monster was onderworpen aan de macht van de 100% XFEL pulsen verboden. Ionisatie gedelokaliseerd, willekeurige gebeurtenissen kunnen niet goed zijn voor de waargenomen verboden reflecties.

Figuur 3 toont de verschijning van deze verboden reflecties, samenvalt met een aanzienlijke vermindering in de intensiteit van de toegestane FCC reflecties. Deze wijzigingen kunnen niet worden beschreven door een specifieke oriënterende bestellen van ideale C₆₀ moleculen in het kristalrooster.

Volgens onze analyse¹, een gecorreleerde, niet-centrosymmetric ladingsverdeling op elke molecuul₆₀ C (Eq. 4), is gebleken dat het enige middel van het genereren van een model poeder diffractie profiel dat overeenkomt met de experimentele gegevens (gezien in Figuur 5). Ter vergelijking, alle gegevens en modellen staan samen, maar verschoven verticaal ten opzichte van elkaar, op dezelfde as in Figuur 6.

Figuur 1. XFEL poeder diffractie monster Setup en meetkunde
(a) de monsterhouder gebruikt voor de vaste doelstelling scanmodus C₆₀ crystal poeder. Het monster frame is opgebouwd uit aluminium. Metingen die aangegeven zijn in eenheden van mm. Approximate afmetingen van monster cellen 2 mm x 12 mm. (b) fotograferen voor C₆₀ crystal poeder toegepast in drie van de cellen (gezien als darkly gekleurde cellen) met steun van polyimide toegepast als een ondersteuning ( de gele film op de top van de monsterhouder). (c) schematische voorstelling van het C-₆₀ -experiment. Het monster is raster gescand in x-y richtingen in de momentopname imaging regeling. K-B spiegels concentreren de lichtbundel van de XFEL aan een plek grootte van 300 nm x 300 nm bij het monster. Monsters worden gehouden in vacuüm te stabiliseren van de monster-voorwaarden en minimaliseren de mogelijkheid van X-ray interactie met verstrooiing bronnen dan het monster. Inkomende XFEL pulsen hit het poeder van de crystal gehouden in de steekproef houder cellen, en een diffractie-patroon is opgenomen in de CSPAD-detector. Een resolutie van 1.5 Å wordt bereikt door het instellen van het monster op detector afstand tot 79 mm. Klik hier aan Bekijk een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 2. De CSPAD
Merk op dat de witte schaal bar in een), b) en d) vertegenwoordigt van 40 mm.
(a) CSPAD donkerveld. De detector is samengesteld uit 32 rechthoekige modules, waarvan kunnen worden gewijzigd door concentrisch naar buiten naar record hoge-hoek diffractie zo nodig. (b) vatte onbewerkte gegevensframes (bovenste rechter Kwadrant, meer dan 1000 frames opgeteld) vóór achtergrond en donkerveld correctie. (c) individuele diffractie snapshots demonstreren spookdebat van het signaal van diffractie. (d) diffractie verkregen waaruit blijkt goed gedefinieerd poeder diffractie ringen uitgevoerd door optelling van 1500 diffractie frames met achtergrond signaal aftrekken toegepast op afzonderlijke frames.

Figuur 3. Poeder diffractie gegevens
(a) azimutale gemiddeld diffractie patronen voor de 10% XFEL dataset, 100% XFEL dataset en Synchrotron dataset. Ligging van FCC Bragg pieken zijn consistent met een kamertemperatuur C₆₀ FCC structuur aangegeven. (b) het verzonken vlak van de regio reflecties in de structuur van de FCC 100% tussen verstrooiing hoeken 10⁰ ≤ 2θ ≤ 13⁰ niet gezien in de andere twee profielen aanwezig. (c) het verzonken vlak van regio de verschillende piek-profiel in de gegevens van de XFEL 100% tussen de verstrooiing hoeken 20⁰ ≤ 2θ ≤ 28⁰ tonen. De 10% XFEL en de synchrotron gegevens zowel beantwoorden aan dat de selectieregels voor FCC structuren samengesteld van elektronisch centrosymmetric moleculen. Echter de aanwezigheid van extra pieken (reflecties) in de gegevens van de XFEL 100% gezien deze selectieregels overtreden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

e = "1" >

Figuur 4. Voorbijgaande concurrentievervalsing C60
Visualisatie van de uitlijning van de dipolen binnen de FCC rooster structuur tijdens de gecorreleerde elektronische voorbijgaande fase. C₆₀ moleculen zijn vertegenwoordigd door blauwe bollen en de rode tips vertegenwoordigen de richting van de bestelde dipolen.

Figuur 5. Poeder diffractie Model
Poeder diffractie profiel gegenereerd door modellering van de structuur van de FCC voor C₆₀ (met Eq 1 en 2) vergeleken met een model van de C₆₀FCC structuur onderworpen aan een 100% intensiteit XFEL pulse (met Eq 1 en 3). Geïdentificeerd Bragg pieken zijn geëtiketteerd. Een gebied van belang (20° ≤ 2θ ≤ 30°) wordt benadrukt door de stippellijn. Hoewel de FCC-model de intensiteit van de toegestane reflecties put beschrijft, verklaart het niet de aanwezigheid van een aantal extra pieken (Zie Figuur 2a en b) waargenomen voor de 100% intensiteit XFEL gegevens. De reden hiervoor is dat de eenvoudige vertaling van de moleculaire cluster (Figuur 3) langs de kristallografische as van de kubieke rooster ons een onvolledig beeld geeft van de oriënterende bestellen van gepolariseerde C₆₀ moleculen in de cubic rooster. Daarentegen is het 100% XFEL model, dat in rekening ionisatie-geïnduceerde uitlijning van de dipolen binnen het FCC lattice (zoals weergegeven in Figuur 4) neemt, reproduceert aller de extra pieken waargenomen in de 100% intensiteit XFEL gegevens. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 6. Poeder profiel vergelijking tussen Model en gegevens
Een kwalitatieve vergelijking van de profielen van de lijn voor de drie diffractie patronen opgenomen onder verschillende verlichting voorwaarden experimenteel. Bovendien, berekend de lijn-profielen met behulp van de vergelijkingen 2 en 3 met behulp van ons model staan. Het is duidelijk dat de invoering van een periodiek gemodificeerde MFK, het 100% XFEL model lijn profiel eens met onze 100% XFEL-gegevens is.

Gemeten verstrooiing hoeken van extra reflecties (deg.)	Berekende verstrooiing hoeken van extra reflecties (deg.)
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

Tabel 1. Bragg reflecties gezien in XFEL gegevens
De set van Bragg reflecties gemeten binnen het 20⁰ ≤ 2θ ≤ 30⁰ voor de 100% XFEL diffractie gegevens evenals die berekend aan de hand Eqns. 1-4.

Positie van het molecuul	Uitlijning
(0,0,0)
(0.5,0.5,0)
(0.5,0,0.5)
(0,0.5,0.5)

Tabel 2. FCC moleculaire uitlijning tijdens voorbijgaande fase gecorreleerd
Deze tabel bevat een beschrijving van de uitlijning van gepolariseerde C₆₀ moleculen tijdens de voorbijgaande gecorreleerde fase van het kristal ervaren tijdens de XFEL pols.

Discussion

Kalibratie van diffractie gegevensframes.

De. XTC-bestanden (die de gegevens bevatten uit een complete run) bevatten Calibratieparameters die de geometrische rangschikking van CSPAD modules definiëren (afgebeeld in Figuur 2a) tijdens het experiment. De juiste rangschikking van gegevens opgenomen op de individuele modules is cruciaal voor het monteren van de individuele diffractie gegevens beelden met gegevens die zijn opgenomen in elke serie. Op het moment dat het experiment werd uitgevoerd de locatie van het bestand van de kalibratie met de juiste parameters niet automatisch ingesteld en handmatige berekening moest door het team om het probleem te corrigeren. Als gevolg van de extra tijd presterende kalibratie van de gegevens er een vertraging was tussen het instellen van een dataset momentopname uitvoeren en controleren van het succes van de run via een darkfield en achtergrond afgetrokken sommatie van afbeeldingsframes in de gegevensset.

Crystal maten.

In sommige van de eerste XFEL momentopname wordt uitgevoerd, sterke één crystal Bragg reflecties werden gezien in sommige van de afbeeldingsframes. Dit resulteerde uit een aantal het C₆₀ monster niet fijn genoeg die verpletterd. Observeren van optische reflecties van gemalen poeder geeft aan dat de crystal-facetten te groot (correspondeert met de golflengte van zichtbaar licht ~ 400-700 nm). Het poeder moet worden gecontroleerd voor deze reflecties in de verpletterende stadium, en als sterke, één crystal Bragg reflecties worden gezien in de gegevens het poeder moet verder worden verpletterd.

Aangezien de resultaten van dit experiment werden niet verwacht of gepland voor was succesvolle poeder diffractie gegevensverzameling voor de steekproef C₆₀ alleen verkrijgbaar bij twee extreme intensiteitinstellingen (10% en 100% flux). Bundel de faciliteit tijdstip is beperkt en dus elke set-up, berekening of monster verwerking van fouten en problemen hebben een grote impact op een proefopzet. De twee meest wijd gescheiden incident intensiteit punten moesten kunnen worden gedetecteerd en er was onvoldoende lichtbundel tijd beschikbaar voor verzamelde betrouwbare statistieken voor elke tussenliggende punten. Daarom konden we niet experimenteel beoordelen het trekkerpunt in termen van XFEL flux waartegen deze voorbijgaande fase wordt gewijzigd.

Voorbereidende studies.

Het verzamelen van poeder diffractie gegevens op de Australische Synchrotron, uit hetzelfde C₆₀monster, gemeten bij de XFEL. Synchrotrons worden routinematig gebruikt scherm voor geschikte XFEL richt zich op²⁶, en in het huidige geval positief bevestigd dat bij 10% XFEL intensiteit, de diffractie gegevens consistent met de structuur van de grondtoestand FCC van C_{60 was}.

Monster en detector demping.

Kalibratie van de invallende lichtstroom via aanpassing van het silicium Verzwakkers stroomopwaarts was van het monster essentieel, vooral omdat het effect onderzocht intensiteit afhankelijk was. Bouw van een geschikt aluminium verzwakker op de detector, afgestemd op de invallende lichtstroom was ook kritisch.

Het raken van het monster op de locatie van het brandpunt van de lichtbundel.

De locatie van de KB focal plek op de XFEL was ook essentieel voor het observeren van de gerapporteerde fenomeen, aangezien de fluxdichtheid van de steekproef moet voldoende zijn voor het opwekken van de vorming van dipolen gedurende het kristal. Meten van de grootte van de kraters gemaakt door de XFEL-balk in een YAG-kristal met behulp van optische microscopie, evenals het uitvoeren van een scan van de fijne monster langs de optische as en kijken naar de diffractie-intensiteit werd gebruikt om te bepalen van de locatie van het brandvlak.

Implementaties van dit werk een groter aantal incident intensiteiten, alsmede de duur van de pols zal in de toekomst worden onderzocht. Dit werk heeft potentiële gevolgen voor toekomstige experimenten analyseren van de gegevens van de diffractie van nanokristallen op XFEL bronnen verzameld. Het biedt ook nieuwe inzichten in de fundamentele wisselwerking tussen XFELs met materie, benadrukken dat XFELs hebben het potentieel om te verkennen van nieuwe fysica niet ondergebracht binnen de conventionele kristallografie.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs erkennen de steun van het Australische onderzoek Raad Centre of Excellence in Advanced Molecular Imaging. Gedeelten van dit onderzoek werden uitgevoerd bij de LCLS, een faciliteit van de nationale gebruiker namens de Amerikaanse Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences beheerd door de Stanford-universiteit. Wij erkennen de reizen financiering geboden door het internationaal programma voor de toegang van de Synchrotron beheerd door de AS en de Australische regering. Daarnaast werd een deel van dit onderzoek uitgevoerd op de MX1 en MX2 straallijnen op de AS, Victoria, Australië. Auteur bijdragen: B.A. was verantwoordelijk voor het plannen en beheren van alle experimentele aspecten van het project. Experimenten werden ontworpen door B.A., R.A.D., VS, schreef C.D., en G.J.W. B.A., H.M.Q., K.A.N. en R.A.D. het oorspronkelijke voorstel van de LCLS. D.W. R.A.D., R.A.R., A.V.M., E.C. en S.W. de simulatie werkzaamheden verricht. B.A., R.A.D., C.D., VS, M.W.M.J., R.A.R., N.G., F.H., G.J.W., S.B., M.M. M.M.S., A.G.P., C.T.P., A.V.M. en K.A.N. verzameld de experimentele gegevens op de LCLS. Innen van experimentele gegevens op de Australische Synchrotron S.W., V.A.S. en R.A.D. C.T.P. en A.V.M. leidde de experimentele gegevensconversie en analyse. B.A., C.D., N.G. en E.B. waren verantwoordelijk voor het ontwerp van de houder steekproef en testen. R.A.R, B.A., S.W., A.V.M en H.M.Q schreef dit manuscript. De formulering van elektronische schade in samenhang theorie wordt uitgevoerd door H.M.Q. en K.A.N.; R.A.D. bedacht het idee toe te passen dit formalisme op C60.

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