Summary
נתאר ניסוי שתוכנן כדי לחקור את הנזק אלקטרונית המושרה ב nanocrystals של Buckminsterfullerene (C60) על-ידי פולסים הפמטו-שנייה אינטנסיבי, קרני רנטגן. בניסוי נמצא כי, באופן מפתיע, במקום להיות סטוכסטי, הרנטגן המושרה אלקטרון דינמיקה ב C60 נמצאים בקורלציה גבוהה, הנמשך לאורך מאות תאים יחידה בתוך גבישים1.
Abstract
הפרטים המדויקים של האינטראקציה של פולסים רנטגן אינטנסיבי עם חומר הם הנושאים המעניינים אינטנסיבי לחוקרים מנסה לפרש את התוצאות של הניסויים לייזר (XFEL) של אלקטרונים חופשיים רנטגן הפמטו-שנייה. מספר גדל והולך של ניסיוני תצפיות הראו כי למרות תנועה גרעיני יכול להיות זניח, בהתחשב קצר מספיק משך פעימה התקרית, תנועה אלקטרונית שאי אפשר להתעלם ממנו. הדגמים הנוכחי, מקובל מאד להניח כי למרות האלקטרונים עוברים dynamics מונע על ידי אינטראקציה עם הדופק, תנועה שלהם במידה רבה להחשב 'אקראי'. זה היה אז לאפשר את התרומה כביכול מבולבלת באמצעות תנועה אלקטרונית שינהגו אות רציף רקע, ובכך התעלמה. המטרה המקורית של הניסוי שלנו היה למדוד במדויק את השינוי בעוצמתם של פסגות בראג בודדים, עקב רנטגן המושרה נזק אלקטרוניים במערכת מודל, C גבישי60. בניגוד לציפיות הזה, הבחנו כי על עוצמות הרנטגן הגבוהה, הדינמיקה אלקטרונים ב C60 היו למעשה מאוד בקורלציה, על פני מרחקים ארוכים מספיק כי העמדות של השתקפויות בראג באופן משמעותי שונו. מאמר זה מתאר בפירוט את שיטות של פרוטוקולים המשמשים לניסויים אלה, אשר נערכו הן את Linac קוהרנטי אור מקור (LCLS), את האוסטרלית סינכרוטרון (AS), כמו גם את הגישות לחקר הגבישים נהגו לנתח את הנתונים.
Introduction
אחת המטרות הגדולות של רנטגן לייזר אלקטרונים חופשיים (XFELs) היא לפתח עם תפוקה גבוהה, גישה ברזולוציה גבוהה הדמיה מולקולרית, דינמיקה. ביולוגיה מבנית תלוי בקנה מידה אטומי מידע, באופן מסורתי מוגבלת כדי להוריד את הרזולוציה קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן טכניקות בנטילת synchrotrons הדור השלישי. פעמים חשיפה ארוכה אשר לגרום נזק משמעותי הקרינה בגבישים, השפיעו באופן ניכר את הרזולוציה הושג ע י שימוש בטכניקות מסורתיות. עקיפה תמונת הדמיה ערכת2,3,4 המועסקים XFELs, כרוך איסוף תמונות דיפרקציה של צילומי רנטגן הדופק קצר להכות גם דגימות יעד קבוע (אשר מתורגמים לאורך המוקד קרן) או דוגמאות מוזרק לתוך הנתיב של הקרן.
האינטראקציה הדופק-sample XFEL הורס בסופו של דבר הדגימות, בשל תחילתה של נזק הקרינה חמורה. תמונות דיפרקציה נאספים לפני התחלתה של ההרס הזה עקב המשכים הדופק fs sub-100. היכולת לקבוע רזולוציה גבוהה במבני nanocrystals הופכת במהירות וותיקה. עם זאת, דינמיות תהליכים אשר מתרחשים על צירי הזמן הפמטו-שנייה בתנאים הדמיה ניסיוניים תובנות עמוק יותר לתוך פיזיקה אטומית, יכולה להיות השפעה מאקרוסקופית nanocrystals ו שלהם עקיפה דפוסי5,6 ,7.
בזמן נזק קטסטרופלי הוא נמנע בציר הפמטו-שנייה שבמהלכו נרשם תמונת דיפרקציה בזק, צפיפות כוח הדופק XFEL עשוי להיות גבוה מספיק כדי לשנות את המאפיינים אלקטרונית של המדגם שבה צילומי הרנטגן אינטראקציה7,8,9. חקירה של הפיזיקה של אינטראקציה אינטנסיבית פולסים רנטגן קוהרנטי עם חומר אינו רק עניין מהותי מדעי, אבל יהיה חשוב באופן ביקורתי הפרשנות של כל ניסוי שבו האור מן XFEL הדופק משמש כדי לחקור מבנה.
בצילום ניסויים ההדמיה המבוצעות על מולקולות יחיד, בקבוצות קטנות או nanocrystals מורכבת כמה תאים יחידה, סימטריה analysis מציין שאחד צריך להתבונן בשני ירידה ה קוהרנטיות לכאורה של האות פזורים8, ומעבד הצמיחה של אות רקע structureless כתוצאה electrodynamical9. ניסוי זה ביקשו להעריך מידת שאליו דה-קוהרנטיות קוונטית עקב תהליכים electrodynamical, מתרחשת אבקת תכונות C60 עקב אינטראקציה עם פולסים XFEL.
במאמר זה, אנו מספקים פרטים לגבי ההליך ניסיוני שבו מבנה מאוד מסודרת אלקטרוניקה ארעי מ ג60 nanocrystals נוצרת עקב אינטראקציה עם דופק XFEL1. התבנית עקיפה מיוצר בתנאים אלה שונה באופן משמעותי מזה שנצפה כאשר באותה דגימת זרע הוא מואר על ידי צריכת החשמל נמוכה יותר, אבל XFEL אחרת זהה פולסים, או כאשר קרן סינכרוטרון-האנרגיה הפוטונים משמש. הבדל זה מסומן על ידי הנוכחות של פסגות בראג, כי הם לא ראו בפרופילי עקיפה שני המייצגים התמונות עקיפה של צריכת חשמל נמוכה, סינכרוטרון. נדגים ניתוח שלנו והתפיסה דגם-התאמה, נעשה שימוש כדי לאשר את הנוכחות של עיוות אלקטרונית דינמית המושרה על ידי האינטראקציה הדופק-nanocrystal XFEL.
Protocol
1-C 60 הכנת הדוגמא אבקת
- החל פוליאמיד סרט, עבה, לצד אחד של בעל מדגם אלומיניום בעובי 1 מ מ קבוע (עיצוב שמוצג באיור 1a) 10 מיקרומטר.
- למחוץ את C 60 באמצעות שהעקב מרגמה בקבוצות קטנות כ-100 µg. כמות הדגימה נוספו המליטה אינה קריטית, אבל להבטיח כי זה אינו עולה על הגובה של סוף איחדו מעוגל כך ' t סיכון דחיסת האבקה במקום לשבור את זה. פעולה זו תבטיח כי nanocrystals בסדר מיוצרים. חזור על תהליך זה מספר פעמים כדי להשיג את הסכום הנדרש עבור אוסף נתוני.
התראה: הכנה וטיפול ננו רק להתבצע בתוך ארונות אבטחה. - להסיר את האבקה 60 C כתוש ישירות המליטה בעזרת מרית קטנה, התפשטה כל דק ככל האפשר על-פני התאים של בעל מדגם, עם הצד דבק של הסרט פוליאימיד גיבוי ב בעל מדגם מול האבקה.
- כדי ליצור בהצלחה של טפט אחידה, מניחים בצד דבק של סרט פוליאימיד השני (גם 10 מיקרומטר עבה) ישירות מעל אבקת בעל מדגם, להצליח. עודף C 60 אבקת ידבק החלק השני של הסרט, ואז ניתן להסיר את בעל מדגם.
- חזור עד אין עוד אבקה באה את הקלטת, טפט של C 60 אבקת מופיע להפיץ באופן שווה על-פני תאים בעל מדגם בודדים (ראה איור 1b).
- להשאיר לפחות חלון אחד ריק (אין דוגמה) כדי לאפשר רקע פוליאימיד שיירשמו.
- חותם בעל הדגימה במיכל פלסטיק להעברה לתא מדגם הפרעות לקרן החלקיקים.
2. מחקרים ראשוניים סינכרוטרון האוסטרלי
- שימוש C 60 מוכנים כמו צעדים 1.1-1.5 אבקת עקיפה-הפרעות לקרן MX2 החלקיקים-סינכרוטרון אוסטרלי-
- לבקש אנרגיה התקרית של 12.905 קוו (0.9607 Å) וגודל קרן של 30 x 7 אמ.
- הר בעל מדגם C 60 על סיכה קריסטלוגרפיה סטנדרטי, אנכי על הקורה רנטגן על מד זווית ממרחק של בערך 625 מ מ הגלאי, כדי לאפשר נתונים ברזולוציה גבוהה להיות שנאספו.
- להזיז את הצינור קריוגני התפקיד כדי להבטיח שהנתונים עקיפה אבקת בטמפרטורת החדר נאסף.
- פתיחת התוכנית תוכנה 10 Blu-קרח אשר שולטת על הפרעות לקרן החלקיקים MX2.
- העיתונות ' להתחיל ' כפתור כדי להתחיל אוסף נתונים.
- בדיקה פעמים חשיפה שונים (על-ידי חזרה על שלבים 2.5 ו- 2.6) כדי להבטיח מספיק נתונים אבקת נאסף בתמונה (מאופיינת טבעות עקיפה חזק החוצה אל הקצה של הגלאי) למקסם את הטווח הדינמי של האות ללא קולח הגלאי.
- סרוק חלון מדגם C 60, לאסוף תמונות מרובות באותה דגימת זרע.
3. בקשה XFEL פרמטרים ההתקנה הפרעות לקרן החלקיקים
- בקשה משך הדופק אפשרי הקצר לרשותכם LCLS (אפריל 2012-32 fs FWHM), ללא אובדן משמעותי של השטף (' מצב תשלום גבוה ') לניסוי-הרנטגן קוהרנטי LCLS הדמיה (CXI) הפרעות לקרן החלקיקים 11.
- לבקש את השימוש קוו (1.24 Å) 10 תקרית רנטגן אנרגיה.
- לבקש את הקטן מוקד בגודל נקודה כמעט ניתנים להשגה באמצעות מראות CXI קירקפטריק-באאז (KB) גודל 100 100x nm 2.
הערה: התאמת משך פעימה של קרן מקוד מתבצע על ידי המדענים-הפרעות לקרן החלקיקים CXI. גודל קרן unfocused במעלה הזרם של אופטיקה KB כ 800 x 800 מיקרומטר 2, לאחר התמקדות בגודל קרן נקודת מוקד היה כ 300 x 300 ננומטר 2 FWHM, כפי שנקבע על ידי מיקרוסקופ אופטי של מכתשים שנעשו על ידי XFEL קרן בגבישים YAG. - לבקש מדגם - גלאי מרחק (Z-מרחק) 79 מ מ ( איור 1 ג).
4. להקליט את שדה אפל
- להגדיר את הנתונים הקלטה פרמטרים בלוח הבקרה של 12 DAQ (קירור והקפאה): קרן (כבוי), מספר האירועים (500), התקן הקלטת האירוע (קורנל-SLAC פיקסל מערך גלאי - CSPAD13).
- העיתונות ' שיא לרוץ ' כאשר מוכן להקליט dataset של בזק תמונות.
הערה: ערכת הנתונים של כל האירועים הקליט נקרא ' לרוץ ' נשמר ב-. XTC שתבנית הקובץ.
5. להקליט את 10% התקרית XFEL השטף להפעיל
- בקשה המיקום של עובי המתאים של אלומיניום מחליש במורד הזרם של המדגם, ישירות מול גלאי מערך פיקסל קורנל-SLAC (CSPAD) 13 על מנת להגן עליו מפני נזק.
- לבקש החדרת סיליקון attenuators במעלה הזרם של המדגם-עובי מחושב כדי להחליש 90% האירוע רנטגן להכות את הדגימה. שימו לב כי שטף הדופק מעריכים מהצג הנוכחי של קרן. הכשרון ב המדגם היה מוערך 8.3 x 10 17 פוטונים /mm 2 / מתקפים.
- הר בעל מדגם המכיל את הדגימה 60 C בבית הבליעה ואקום CXI.
- לבקש המדענים הפרעות לקרן החלקיקים כדי לבצע את ההליך משאבת ואקום עבור תא הדגימה עד ואקום. לוקח בסביבות 30 דקות להגיע 10 -7 תור, בטמפרטורת החדר.
- להגדיר את הנתונים הקלטה פרמטרים בלוח הבקרה DAQ: קרן (על), אירועים (1500), התקן הקלטת האירוע (CSPAD).
- לחץ ' סריקה ' לחצן במקטע תצורת של חלון DAQ GUI. מדענים
- לספק פרמטרים הפרעות לקרן החלקיקים כדי להגדיר על הרסטר סרוק נוהל ההפעלה. אלה כוללים את ההתחלה הצב (בפינה השמאלית העליונה) ולסיים את המיקום (בפינה הימנית התחתונה) של דוגמא אחת מחזיק תא חלון, גודל צעד (600 מיקרומטר) ואת הכיוון של הסריקה התנועה (ציר x). באמצעות הפרמטרים האלה, תא אחד חלון (המוצג באיור 1) היתרים סריקות 20 x-כיוון מעל שלוש שורות של חלון תא.
- העיתונות ' החל ' כאשר הערכים הנכונים הוזן.
- לבקש המדענים הפרעות לקרן החלקיקים כדי להגדיר את קצב החזרה של הדופק 1 הרץ. הערה: הקצב חזרה הדופק הזמין LCLS הוא 120 הרץ, אולם ב קבוע-יעד סריקה מצב 14, קצב חזרה הדופק נמוך יותר נדרשת כדי למנוע האפשרות של מדידה לדוגמה כי כבר נפגע מקליע הקודם. התראה: XFEL אינטראקציה עם מסגרת הדגימה האלומיניום מהווה את הסיכון של רוויה, נזק של CSPAD ושל טיפול כל כך יש לנקוט כדי למנוע את המסגרת.
- העיתונות ' שיא לרוץ ' להקלטה XFEL בזק אבקת עקיפה הנתונים (dataset).
- באמצעות את סביבת מיחשוב זמינה ב LCLS 12, נווט אל הספריה קובץ הנתונים הרשום בתוך בחלון המסוף.
- להקליד את הפקודה ' xtcexplorer/filepath/שם קובץ ' כדי לפתוח את סייר הקבצים XTC GUI ולהציג תמונות טלקוה במנוסה. תמונות
- הסימון ' רוויה ' גלאי אפשריים, אשר מתרחשת בדרך כלל בגיל ADUs סביב 1,4000 13. אם הגלאי מראה סימנים של רוויה הנחתה אלומיניום-הגלאי צריך להיות מוגברת. במקרה זה, לבקש יותר שכבות של אלומיניום מחליש את הגלאי וחזור על שלבים 5.6-5.12 עם רסטר לסרוק להגדיר עבור החלון הבא של התא בעל מדגם. שכבת אלומיניום 100 & #181; מ' עבה, המכסים את המודולים ארבעה מרכזי של CSPAD שימשו את הנתונים (dataset).
6. להקליט את 100% לרוץ השטף XFEL
- בקשת הכניסה של מנחת אלומיניום עבה (1,000 מיקרומטר) על המודולים ארבעה מרכזי את CSPAD ואת רזה 100 מיקרומטר מחליש עבה מעל ארבעת המודולים החיצוני.
- לבקש את הסרת סיליקון attenuators כדי לאפשר 100% של שטף רנטגן זמין כדי להכות את הדגימה. שטף שיא unattenuated שיא האירוע היה מוערך להיות 7.5 × 10 11 פוטונים/מתקפים (ויתור הכשרון של 8.3 x פוטונים 1018/mm2/דופק ב המדגם).
- חזור על השלבים 5.5-5.12 להקליט את ערכת הנתונים עקיפה על חלון חדש של התא בעל מדגם.
- חזור על שלב 5.13 לנטר מצב רוויה גלאי ולקבוע אם בראג מספיק אבקה טבעות עקיפה או נקודות בראג (out לקצה של הגלאי) יהיו גלויים ולא מוגדרת היטב-
7. XFEL שלאחר עיבוד נתונים וניתוח שיא
- אחזר הכיול קובץ (או נתיב קובץ) מן המדענים הפרעות לקרן החלקיקים.
הערה: הנתונים CSPAD dataset מסופק לוחות גלאי בודדים מקובצים לפי מספר האירועים (תואם כתמונה מסגרת תמונה אחת). הקובץ כיול יש צורך להרכיב פאנלים גלאי לתוך היחסיים הנכון כדי לייצר מסגרת תמונה המשוחזרת התואם כל גלאי. - לחלץ שדה אפל מסגרות (למשל שמוצג באיור 2a) שדה אפל להפעיל ערכת נתונים באמצעות פיתון שפת scripting וליישם את קובץ כיול. הערה: תוכנה ועיבוד נתונים הוקמה צינור עבור ניסוי קריסטלוגרפיה טורי הפמטו-שנייה-XFELS אשר לא היה זמין, בזמנו של הניסוי הזה הוא זמין עכשיו 15 , 16 .
- לסכם את המסגרות שדה אפל וצור תמונה ממוצעת שדה אפל. להציל את זה כמו שדה אפל.
- לחלץ את התמונות מסגרת עקיפה datasets עקיפה לרוץ (רביע לדוגמה מוצג באיור 2b) ולהחיל חיסור שדה אפל. בנושאי דלילות של האות מיוצר מסגרות בודדות (לאחר תיקון שדה אפל ורקע) מוצג באיור 2 c.
- סכום שדה אפל תיקון תמונות דיפרקציה כדי לייצר תמונת דיפרקציה אבקת 2D הסופי ( איור דו-ממדי).
- לטעון תמונת דיפרקציה אבקת כקובץ קלט FIT2D 17 (תוכנית הפחתת GUI נתונים).
- הזן את הממדים של התמונה (אורך x ו- y באורך 1,800 פיקסלים) ובחר ' אבקת עקיפה (2D) '.
- לחץ ' מרכז קרן ' לאתר המרכז של טבעות עקיפה. בחר ארבע נקודות על הפנימי עקיפה רוב טבעת (בערך באותה מידה רווח). העיתונות ' המשך ' כדי לקבוע את המרכז של המערך תבנית עקיפה.
- לחץ על ' לשלב ' לבצע שילוב azimuthal של תמונת דיפרקציה.
- להזין את הפרמטרים הגיאומטריה: גודל הפיקסל (110 מיקרון), לדוגמה-גלאי מרחק (79 מ מ), אורך הגל (אנגסטרום 1.24) והקש המשך ליצור תבנית עקיפה של אבקת 1 י.
- לייצא את תבנית עקיפה של אבקת כקובץ .chi לייצר מערך של זווית פיזור (2 θ באמצעות) לעומת ערכי העוצמה.
- לקבוע את הרקע מיוצג על ידי הפיזור של פוליאמיד פוליאימיד גיבוי על הדגימה באמצעות תוכנה מתאימה. שים לב: המחברים בניסוי זה המשמש PowderX 18 ו- RIETAN 19 לביצוע רקע חיסור מהרשימה תבנית עקיפה של אבקת 1 י.
- לבצע צעדים 7.1-7.9 עבור ערכת הנתונים פועל מוקלט על עוצמות שונות XFEL.
- בחר את הערך בעוצמה הגבוהה ביותר מתוך הפרופילים עקיפה אבקת שלוש.
- לנרמל את כל הפרופילים לשיא האינטנסיבי ביותר בדוגמת המילוי – הפסגה (111).
- מגרש 1 י רנטגן אבקת עקיפה הדפוסים המתקבל את סינכרוטרון אוסטרלי (שמתואר פרוטוקול בסעיף 2), המארז השטף 100% וכל המקרה השטף 10% על הצירים אותו באמצעות תוכנת ההתוויה כלליים ( איור 3 -ג). שלב
- אופציונלי: לאפיין את המבנה על-ידי ביצוע שיטות ניתוח נוסף של הבחירה שלך. ניתוח נתונים לחקר הגבישים ומהניסוי הזה בוצע באמצעות תוכנית RIETAN-2000 (המאגדת את הפונקציה פסאודו-וויגט פיצול של 20 , Toraya 21 כפונקציה פרופיל) כדי לנתח את בראג השתקפויות. ניתוח מקסימום אנטרופיה התבצע בעזרת התוכנה פרימה 22 כדי לאשר כי המבנה הנוגעות בעוצמה XFEL 10% ו- datasets סינכרוטרון אוסטרלי התאימה את המבנה שפורסמו בטמפרטורת החדר ה-FCC C 60 .
Representative Results
XFEL אבקת עקיפה
הנתונים המוצגים עבור 100% התקרית שטף XFEL אבקת עקיפה היא התוצאה של סיכום יותר מ- 1000 מדידות קליע בודד כדי לייצר טבעת אבקת להשלים עם רזולוציה של יותר מ-2 Å.
אבקת עקיפה פרופילים השוואה
הפסגות בראג עבור טבעות עקיפה מזוהה, את גודלו ההשתקפות שיא (האינטנסיבי ביותר) הראשון (111). איור 3 מראה את שלושת הפרופילים קו עקיפה שונים. על ידי השוואת הפרופילים שורה של הדפוסים עקיפה שלוש, אנו מבחינים עקיפה להקליט את סינכרוטרון אוסטרלי שהנתונים כמעט זהה לפרופיל בראג ראיתי את הנתונים XFEL של 10%. כמה הבדלים קלים מאוד הפרש הגבהים של הפסגות בראג, אבל לא את העמדות שלהם שנצפו. בניגוד מוחלט, הפרופיל של הכוח 100% XFEL אבקת עקיפה הנתונים מגלה הנוכחות של פסגות נוספות לא ראיתי בפרופיל נתונים XFEL 10%, ולא בפרופיל נתונים סינכרוטרון. המיקומים של השתקפויות נוסף אלה מזוהות ב טבלה 1. על מנת לפרש הבדלים אלה, נבנה התאמת הדגם של עקיפה הצפוי של טמפרטורת החדר ה-FCC C60 קריסטל.
רנטגן עקיפה דוגמנות של טמפרטורת החדר ה-FCC C60 מבנה
האינטנסיביות של אבקת עקיפה פסגות המשויך בראג הרהורים מן הגביש ניתנת על ידי
(1),
איפה 
הוא וקטור פיזור, K הוא הגורם בקנה מידה, 
הוא הגורם הריבוי, Lp היא הגורם לורנץ-קיטוב, W() היא פונקציית פרופיל שיא ו M הוא המספר C60 מולקולות הכלול שעוצמת פיזור ממוקם עמדות rm. מארז מולקולרית (מזין רב-תכליתי), 
, כי מולקולה60 C ניתנת על ידי
(2),
איפה rj העמדה של אטום פחמןth jמולקולה ו- fc הוא הגורם פיזור אטומי של אטום פחמן.
הפרמטרים של תא היחידה של הגביש מגדירים את העמדות של הרהורים מותרים עבור תבנית עקיפה של קרני רנטגן אבקה. באמצעות הפרמטרים הידועים בטמפרטורת החדר ה-FCC (אורך תא יחידה, מולקולה עמדות בתוך תא היחידה) של C60, יחד עם הגיאומטריה ניסיוני בניסוי קרני רנטגן, ניתן העמדות הצפוי של פסגות (בראג השתקפויות) יש לחשב את מזין רב-תכליתי עבור C60 ואת הציוד 1 ו- 2 הציוד.
קרני רנטגן דוגמנות של נתונים XFEL 100%
נתחיל בהנחה עיוותים משמעותיים/המרות או displacements של גרעינים עמדותיהם אידיאלי אינן מתרחשות במהלך fs 32 משך הדופק התקרית כפי שהוצע ב מוקדמת מחקרים23,24. ליתר דיוק, זה שינוי מהותי עוצמות ראיתי בנתונים XFEL 100% חייב במקום להיות מונע על ידי תנועות של המבנה האלקטרוני של מולקולות60 C. בקישורים הבאים נתאר מודל מתרבה התכונות שנצפה השפעול של הנתונים עקיפה XFEL 100%, באמצעות שינוי של ההתפלגות סימטרית-סנטרו של מולקולות60 C.
במצב נורמלי, נייטרלי, המבנה הגבישי של C60 מתוחזק בידי כוחות dipolar כי הם המושרה על-ידי תנודות מיידי בצפיפות האלקטרונים שלו. תחת התנאים ניסיוני המתוארים כאן, עם זאת, יינון של המערכת יוצר שדה חשמלי פנימי חזק שגורם רגעים דיפול חשמלי המולקולות על ידי קיטוב. בעבר היווצרות של וקטורי ב C60 נצפתה רק מולקולות יחיד, בקבוצות קטנות, תוך שימוש בטכניקות אופטית כגון UV ספקטרוסקופיה25. כאן הפצה מחדש של צפיפות אלקטרונים ציין זאת, אין ספק הן לטווח ארוך ומאריך יחסית משך הדופק XFEL כך השפעותיו הם נצפו התבנית לחקר הגבישים עקיפה של קרני רנטגן.
התוצאה היישור של וקטורי שכנות באמצעות האינטראקציה הקולומבית ואת סופגת את המבנה אלקטרונית של המבנה הגרעין הבסיסי על צירי הזמן גודל 10 fs. זה טעון יישור משפיע על הסימטריה וכתוצאה מכך של המולקולה60 C (ראה איור 4). אובדן סימטריה כדורית של המולקולה מוביל תרומת שלב נוסף משרעת פיזור, מאחר שהמולקולות60 MFFs של C אינם עוד פונקציות אמיתי אבל מורכבים.
מזין רב-תכליתי משתנות מעת לעת שימשה מודל ההתרחשות של התפלגות מטען מולקולרית סימטרי שבו ההתפלגות של צפיפות אלקטרונים של מולקולתה mהוא שנעקרו יחסית למיקומו מבנה גבישי. עם שינוי זה ל C60 מזין רב-תכליתי, היינו יכולים לשכפל את הפרופיל בעוצמה ראיתי בנתונים XFEL 100%.
הציוד 2 מספק את הבסיס עבור בניית ביטוי עבור הגורם פיזור, אשר לוכדת את מתאמים אלקטרונית ארוכי טווח של XFEL-induced הדיפולים בנתונים XFEL 100%. מכאן ניתן לבנות פונקציה מזין רב-תכליתי חדש, שונה כדי חשבון עבור מולקולות60 C מקוטב:
(3),
איפה 
הוא מזין רב-תכליתי של מולקולות60 C אידיאלי (מוענקת כברירת הציוד 2) ו- 
מגדיר וקטור קיטוב של דיפול מושרה XFEL. ב מגבלת 
, הציוד 3 קירוב 2 הציוד ואת הנתונים עקיפה של כוח 10% בטמפרטורת החדר הוא התאושש. כמו
, הסימטריה של המולקולה60 C היא שונה, היחס של כל הפסגות עקיפה אפשרי להתחיל להשתנות ביחס התבנית עקיפה צריכת חשמל נמוכה. כדי להתאים את הנתונים למודל זה, הערכים של 
היו חקר, מציג הסכם טוב בטווח 20° ≤ 2θ באמצעות ≤ 30 מעלות של זוויות פיזור עבור 
.
מטרת ניסוי זה המיועד היה למדוד מידת אל אשר photoionisation סטוכסטי K-קליפה אטומי פחמן משפיע על עוצמות diffracted שנמדד עבור ה-FCC C60 nanocrystals. Photoionisation K-מעטפת האלקטרונים של אטומי פחמן (אלקטרון מחייב אנרגיה = 284 eV) משנה הגורמים פיזור אטומי, נג, ראיתי כמו משרעת פיזור מופחתת בתוך הגבוה פיזור אזורים. K-מעטפת חורים אטומי פחמן בתוך מולקולות60 C מסודרים סריג גבישי גורם שינויים של amplitudes פיזור של השתקפויות בראג.
אנו אמורים לצפות רקע איזוטרופיות הולך וגדל, תלויים שטף הפוטונים חלה על אבקת nanocrystal דוגמאות על פי ההנחות הבסיסיות הבאות: 1) כי photoionisation של K-קליפה פחמן הוא תהליך הדומיננטי לדוגמה-XFEL אינטראקציה, 2) את photoionisation של אטומי פחמן בודדת היא לא בקורלציה כל אטומי אחר הקריסטל, 3) כי photoionized אלקטרונים נותרות מאותרים עבור משך הזמן של הדופק, ומכאן לתרום הרקע רציפה האות.
מה למעשה נצפו בניסוי הייתה נוכחות חזקה, אסור השתקפויות הטמפרטורה בחדר, FCC nanocrystals של C60 כאשר המדגם היה נתון הפולסים XFEL 100% כוח. יינון מאותרים וסתמית אירועים יכולה להסביר התצפיות אסור השתקפויות.
איור 3 מראה את המראה של הגות אסורים, בד בבד עם צמצום משמעותי עוצמות של השתקפויות FCC המותרים. שינויים אלה לא יכול להיות מתואר על ידי כל ספציפי orientational הזמנה של מולקולות60 C אידיאלי בסריג הגביש.
על-פי שלנו ניתוח1, מתואם, התפלגות הלא-centrosymmetric על כל מולקולה60 C (הציוד 4), הוכיח האמצעי היחיד של יצירת פרופיל עקיפה של מודל אבקת התואם את נתוני הניסוי (ראה ב- איור 5). לשם השוואה, כל נתונים ומודלים מוצגים יחד, אבל הסטה אנכית ביחס אחד לשני, על הציר אותו איור6.
איור 1. XFEL אבקת עקיפה מדגם ההתקנה וגיאומטריה
(א) בעל מדגם המשמש את המטרה קבועה במצב של C60 קריסטל אבקת סריקה. מסגרת הדגימה בנוי אלומיניום. המידות שצוינו הם ביחידות של מ מ. Approximate מידות של דגימת תאים הם 2 מ מ x 12 מ"מ. (b) צילום של C60 קריסטל אבקת המוחלת בשלוש של התאים (נראה כמו תאים צבעוניים בקדרות) עם גיבוי פוליאימיד מורחים (תמיכה הסרט הצהוב על המחזיק לדוגמה). תיאור סכמטי של הניסוי60 סי (c) . המדגם הוא רסטר שנסרקו בכיוונים x-y ב- תמונת הדמיה ערכה. K-B מראות ממקדים את הקרן XFEL לגודל ספוט של 300 ננומטר x 300 nm ב המדגם. דוגמאות מתקיימים בחלל ריק כדי לייצב את התנאים מדגם ולצמצם את האפשרות של רנטגן אינטראקציה עם פיזור מקורות חוץ המדגם. נכנסות XFEL פולסים להכות את האבקה קריסטל שנערך התאים בעל מדגם, תבנית עקיפה נרשם בגלאי CSPAD. רזולוציה של 1.5 Å מושגת על-ידי הגדרת המדגם גלאי מרחק כדי 79 מ מ. אנא לחצו כאן לקבלת תצוגה גרסה גדולה יותר של הדמות הזו.
באיור 2. CSPAD
שים לב כי הבר לבן מידה), ב) ו- d) מייצג 40 מ מ.
(א) CSPAD שדה אפל. הגלאי מורכב של מודולים מלבני 32, ניתן לשנות את העמדות אשר על-ידי הזזת גלילים בציר מעגלי כלפי חוץ רשומה עקיפה זווית גבוהה כנדרש. (b) מסוכם מסגרות נתונים גולמיים (רביע ימין למעלה, למעלה מ-1,000 מסגרות מסוכם) לפני רקע ותיקון שדה אפל. (ג) תמונות דיפרקציה בודדים הוכחת בנושאי דלילות של האות עקיפה. (ד) עקיפה הפרופיל מציג היטב מוגדרים טבעות עקיפה אבקת שבוצעה על-ידי סיכום 1500 עקיפה מסגרות עם חיסור אות רקע להחיל מסגרות בודדות.
איור 3. אבקת עקיפה נתונים
(א) Azimuthally בממוצע תבניות עקיפה את ערכת הנתונים XFEL 10%, 100% XFEL הנתונים (dataset), את ערכת הנתונים סינכרוטרון. עמדות של ה-FCC בראג פסגות מצוינים בקנה אחד עם מבנה FCC בטמפרטורת החדר C60 . (b) שיבוץ region מציג השתקפויות נוכח במבנה ה-FCC 100% בין פיזור זוויות 10⁰ ≤ 2θ באמצעות ≤ 13⁰ לא ראיתי את שני פרופילים אחרים. (ג) שיבוץ region מציג את הפרופיל שיא שונים הנתונים XFEL 100% בין פיזור זוויות 20⁰ ≤ 2θ באמצעות 28⁰ ≤. הנתונים XFEL 10% וגם את הנתונים סינכרוטרון לספק את שכללי הבחירה של ה-FCC מבנים מורכבים ממולקולות centrosymmetric אלקטרונית. אולם הנוכחות של פסגות נוספות (השתקפויות) ראיתי את הנתונים XFEL 100% להפר הכללים הבחירה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
באיור 4. עיוות ארעית של C60
ויזואלזציה של היישור של הדיפולים בתוך מבנה סריג FCC במהלך שלב חולף אלקטרונית מתואם. C60 מולקולות מיוצגים על ידי כדורים כחולים ולייצג הטיפים אדום לכיוון הדיפולים מסודרות.
איור 5. אבקת עקיפה מודל
אבקת עקיפה פרופיל שנוצר על ידי דגמי מבנה FCC C60 (באמצעות Eq 1 ו- 2) לעומת דגם C60 FCC במבנה נתון בעוצמה 100% דופק XFEL (באמצעות Eq 1 ו- 3). לזהות את בראג לוחיות ההסבר פסגות. אזור בעל עניין (20° ≤ 2θ ≤ 30 מעלות) מודגשת על ידי הקו המקווקו. אף על פי המודל FCC מתאר את עוצמת הבאר הרהורים מותרים, זה לא מסביר את הנוכחות של מספר פסגות נוספות (ראה איור 2a ו- b) נצפתה לגבי עוצמת 100% XFEL נתונים. הסיבה לכך היא כי התרגום פשוטה של האשכול מולקולרית (איור 3) לאורך הציר לחקר הגבישים של השבכה מעוקב נותן לנו תמונה לא שלמה של סידור orientational מקוטב מולקולות60 C במעוקב סריג. לעומת הדגם XFEL 100%, אשר תיקח בחשבון יינון-induced יישור הדיפולים בשבכה FCC (כפי שמוצג באיור4), מתרבה כל הפסגות נוספים נצפו בעוצמת 100% XFEL נתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 6. אבקת פרופיל השוואה בין מודל נתונים
השוואה איכותית של הפרופילים שורה עבור התבניות עקיפה שלושה הקליטה בתנאי תאורה שונים השפעול. בנוסף, הפרופילים שורה מחושב באמצעות משוואות 2 ו- 3 באמצעות המודל שלנו מוצגים. ברור כי כניסתה של מזין רב-תכליתי ששונו מעת לעת, הפרופיל קו 100% דגם XFEL מסכים עם נתונים XFEL שלנו 100%.
| זוויות פיזור שנמדד של השתקפויות נוסף (מעלות). | זוויות הפיזור מחושב של השתקפויות נוסף (מעלות). |
| 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 |
טבלה 1. השתקפויות בראג ראיתי בנתונים XFEL
בערכה של בראג השתקפויות נמדדת בטווח 20⁰ ≤ ≤ 30⁰ 2θ באמצעות הנתונים עקיפה XFEL 100%, כמו גם אלה מחושבים באמצעות Eqns-1-4.
| המיקום של המולקולה | יישור |
| (0,0,0) |  |
| (0.5,0.5,0) | |
| (0.5,0,0.5) |  |
| (0,0.5,0.5) | |
בטבלה 2. ה-FCC יישור מולקולרי במהלך ארעי בקורלציה שלב
הטבלה הבאה מתארת את היישור של מולקולות מקוטב של60 C במהלך שלב מתואם ארעית של הגביש מנוסים במהלך הדופק XFEL.
Discussion
כיול של מסגרות נתונים עקיפה.
. קבצי XTC (אשר מכילות את הנתונים מריצה מלאה) מכילים בכיול הפרמטרים המגדירים את סידור גיאומטרי של מודולים CSPAD (ראה איור2 א) במהלך הניסוי. הסדר הנכון של נתונים הוקלט על מודולים נפרדים חיוני להרכיב את התמונות נתונים בודדים עקיפה הכוללת נתונים טלקוה כל הפעלה. בזמן שהניסוי בוצע המיקום של הקובץ כיול המכיל הפרמטרים הנכונים הייתה לא להגדיר באופן אוטומטי את, חישוב ידני נדרש על ידי הצוות כדי לתקן את הבעיה. עקב הכיול ביצוע תוספת הזמן המושקע של הנתונים היתה שיחה בין הגדרת dataset בזק להפעיל בדיקת הצלחת לברוח דרך שדה אפל בעלת רקע יופחת סכום של תמונה מסגרות בערכת הנתונים.
קריסטל בגדלים.
בחלק מן XFEL הראשונית בזק פועלת, חזקה קריסטל יחיד בראג השתקפויות נראו בכמה מסגרות תמונה. זה נבעה חלק המדגם60 C לא מלהיות כתוש דק מספיק. התבוננות אופטי הרהורים מן האבקה כתוש מציין הצדדים קריסטל גדולים מדי (מתאימות את אורך הגל של האור הנראה ~ 400-700 nm). האבקה צריך להיבדק על הגות בשלב מוחצת, וצריך אם חזק, קריסטל יחיד בראג השתקפויות נראים בנתונים האבקה להימחץ עוד יותר.
מאז התוצאות של הניסוי הזה שלא צפוי או המתוכנן אבקת מוצלחת עקיפה לאיסוף נתונים עבור המדגם60 C הושג רק עוצמת קיצוני שתי הגדרות (השטף 10% ל- 100%). קרן זמן במתקן מוגבל, ולכן כל הגדרת, חישוב או דוגמת עיבוד שגיאות ובעיות יש השפעה גדולה על תוכנית ניסיונית. הכי שני מפרידים ביניהם עוצמת האירוע נקודות היו עדיפות והיה קרן אין די זמן זמין כדי לאסוף נתונים מהימנים עבור כל נקודות ביניים. לכן, אנחנו לא היו מסוגלים השפעול להעריך את נקודת ההדק במונחים של שטף XFEL שבה מתרחש שינוי זה שלב חולף.
מחקרים ראשוניים.
איסוף נתונים עקיפה אבקת-סינכרוטרון האוסטרלי, מדגם60 C באותו כפי שנמדדה ב XFEL. Synchrotrons נעשה שימוש באופן שגרתי מסך עבור XFEL מתאימים מטרות26ולאחר חיובי במקרה ההווה אישרו בעוצמה של 10% XFEL, נתוני דיפרקציה היה עקבי עם מבנה קרקע המדינה FCC C60.
לדוגמה, גלאי הנחתה.
כיול של שטף האירוע דרך ההתאמה של הסיליקון attenuators במעלה הזרם של המדגם היה חיוני, במיוחד בגלל האפקט נחקר היה תלוי בעוצמה. בניית מחליש אלומיניום מתאים-הגלאי, להתאים את השטף האירוע היה גם קריטי.
להכות את הדגימה במיקום של נקודת המוקד קרן.
המיקום של נקודת מוקד KB-XFEL היה גם חיוני כדי לבחון את התופעה מדווחת, מאז צפיפות השטף על הדגימה חייב להיות מספיק כדי לגרום להיווצרות הדיפולים לאורך הגביש. מדידת הגודל של מכתשים שנוצרו על-ידי קרן XFEL ב גביש YAG באמצעות מיקרוסקופ אופטי, כמו גם ביצוע סריקה מדגם בסדר לאורך הציר האופטי, מסתכל על עוצמת עקיפה שימש לקביעת מיקום מישור המיקוד.
בעתיד ניתן לסייר מימושים של עבודה זו, מספר גדול יותר של עוצמות האירוע, כמו גם הדופק משכים. עבודה זו השלכות אפשריות לניסויים עתידיים ניתוח הנתונים עקיפה שנאסף nanocrystals-מקורות XFEL. הוא גם מספק תובנות חדשות היסוד של XFELs עם חומר, המדגיש כי XFELs יש את הפוטנציאל לחקור new פיזיקה שלא לאכלס בתוך קריסטלוגרפיה קונבנציונלי.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
המחברים להכיר את התמיכה של אוסטרליה מחקר המועצה מרכז של מצוינות מתקדם הדמיה מולקולרית. חלקים של מחקר זה בוצעו ב LCLS, מתקן משתמש הלאומי שמפעילה את אוניברסיטת סטנפורד מטעם משרד האנרגיה האמריקני, Office של מדעי האנרגיה הבסיסית. אנו להכיר מימון הנסיעה שסופק על-ידי התוכנית הגישה סינכרוטרון הבינלאומי מנוהל על ידי כפי על ידי הממשלה האוסטרלית. בנוסף, חלק מחקר זה נערך ב- beamlines MX1 ו MX2-כפי, ויקטוריה, אוסטרליה. מחבר תרומות: B.A. היה אחראי על תכנון וניהול של כל היבטי הפרויקט ניסיוני. ניסויים עוצבו על ידי b. A, R.A.D., שסוחרי, מועדון, ו- G.J.W. B.A., H.M.Q., K.A.N. ו R.A.D. כתב את ההצעה המקורית של LCLS. D.W., R.A.D., R.A.R., העיוות, E.C. ו לונדון ביצעו את העבודה סימולציה. B. A, R.A.D., מועדון, שסוחרי, M.W.M.J., R.A.R., N.G., F.H., G.J.W., ומסווגים, מ'מ, M.M.S., A.G.P., C.T.P., העווית ואת K.A.N. שנאספו הנתונים ניסיוני LCLS. ייגמר בתיקו, V.A.S., R.A.D אספו נתונים ניסיוני סינכרוטרון אוסטרלי. C.T.P., העווית הוביל את נתוני הניסוי המרה וניתוח. B. A, מועדון, N.G. אי היו אחראי על העיצוב בעל מדגם ולאחר בדיקה. R.A.R, בי. איי, ייגמר בתיקו, A.V.M H.M.Q כתב כתב היד הזה. ניסוח של נזק אלקטרונית בתוך תיאוריה קוהרנטית מבוצע על ידי H.M.Q. ו- K.A.N.; R.A.D. הגה את הרעיון כדי להחיל את פורמליזם 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 |
References
- Abbey, B., et al. X-ray laser-induced electron dynamics observed by femtosecond diffraction from nanocrystals of Buckminsterfullerene. Sci. Adv. 2 (9), e1601186 (2016).
- Chapman, H. N., et al. Femtosecond X-ray protein nanocrystallography. Nat. 470 (7332), 73-77 (2011).
- Boutet, S., et al. High-resolution protein structure determination by serial femtosecond crystallography. Science. 337 (6092), 362-364 (2012).
- Redecke, L., et al. Natively inhibited Trypanosoma brucei cathepsin B structure determined by using an X-ray laser. Sci. 339 (6116), 227-230 (2013).
- Kern, J., et al. Simultaneous femtosecond X-ray spectroscopy and diffraction of photosystem II at room temperature. Sci. 340 (6131), 491-495 (2013).
- Aquila, A., et al. Time-resolved protein nanocrystallography using an X-ray free-electron laser. Opt. Exp. 20 (3), 2706-2716 (2012).
- Nass, K., Hau-Riege, S. Radiation damage in ferredoxin microcrystals using high intensity X-FEL beams. , Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Livermore, CA. (2014).
- Quiney, H. M., Nugent, K. A. Biomolecular imaging and electronic damage using X-ray free-electron lasers. Nat. Phys. 7 (2), 142-146 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- LCLS Photon Control and Data Systems Documentation Page. , Available from: https://confluence.slac.stanford.edu/display/PCDS/PCDS+Home (2009).
- Hart, P., et al. The CSPAD megapixel x-ray camera at LCLS. Proc. SPIE. 8504, (2012).
- Hunter, M. S., et al. Fixed-target protein serial microcrystallography with an x-ray free electron laser. Nat. Sci. Rep. 4, 6026 (2014).
- Nakane, T., et al. Data processing pipeline for serial femtosecond crystallography at SACLA. J. App. Crystallography. 49, 1035-1042 (2016).
- White, T. A., et al. Crystallographic data processing for free-electron laser sources. Acta. Cryst. 69, 1231-1240 (2013).
- 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).
- Dong, C. PowderX: Windows-95-based program for powder X-ray diffraction data processing. J App. Crystallography. 32 (4), 838 (1999).
- 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).
- Ida, T., Ando, M., Toraya, H. Extended pseudo-Voigt function for approximating the Voigt profile. J. App. Crystallography. 33 (6), 1311-1316 (2000).
- Toraya, H. Array-type universal profile function for powder pattern fitting. Journal of Applied Crystallography. 23, 485-491 (1990).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Darmanin, C., et al. Protein crystal screening and characterization for serial femtosecond nanocrystallography. Nat. Sci. Rep. 6, 25345 (2016).
