在小角度中子衍射仪KWS-2研究软物质和生物系统在广泛的长度尺度从纳米,微米尺寸

Bioengineering
 

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Radulescu, A., Szekely, N. K., Appavou, M. S., Pipich, V., Kohnke, T., Ossovyi, V., Staringer, S., Schneider, G. J., Amann, M., Zhang-Haagen, B., Brandl, G., Drochner, M., Engels, R., Hanslik, R., Kemmerling, G. Studying Soft-matter and Biological Systems over a Wide Length-scale from Nanometer and Micrometer Sizes at the Small-angle Neutron Diffractometer KWS-2. J. Vis. Exp. (118), e54639, doi:10.3791/54639 (2016).

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Abstract

该KWS-2 SANS衍射仪是专门为软物质和覆盖面广长度尺度,从纳米到微米的生物系统调查。该仪器通过组合古典针孔,聚焦(用透镜)为广动量传输Q范围的勘探优化1×10 -4和0.5埃-1之间,并且(与斩波器)的方法飞行时间- ,同时提供高-neutron强度具有可调分辨率。由于调整强度和在实验过程中在宽范围内的分辨率来装备特定样品的环境和辅助设备的能力,具有的可能性相结合,所述KWS-2示出了在处理的广泛范围的结构和形态学研究的较高的通用性场。平衡结构可以在静态测量进行研究,而动态和动力学过程可以在调查分钟之间的时间尺度到几十毫秒哔声以时间分辨的方法。与该KWS-2盖调查从表现出多种结构层次(如凝胶,网络或团聚体),以小而差的散射系统(如单聚合物或蛋白质复杂,分级制度的范围内典型的系统解)。最近检测系统,这使得在MHz范围内计数率的检测升级,开辟新的机会来研究接近在高Q缓冲散射水平弱散射信号缓冲溶液中即使很小的生物形态。

在本文中,我们提供了一个协议,以调查与特征尺寸水平跨越了广泛的长度规模和参展使用KWS-2中尺度结构订购样品。我们提出具体如何使用由该仪器所达到的性能水平提供了多种工作模式。

Introduction

柔软和生物材料显示了丰富多样的形态为特征的功能,如自组织和基本单元的自组装到较大的,复杂的聚集体。它们还显示有大量的自由度协同相互作用;的结构单元,以及外部场从而高灵敏度之间的弱相互作用;和时空相关性可以跨越广泛的范围内,从纳米到毫米,从纳秒到数天。因为大范围的相关长度 - 和时间表的,这些材料的性能的实验表征是非常具有挑战性的。中子散射技术起到结构,动力学,并且这样的复杂系统的热力学特性的调查中起重要作用。作为独特的探针,中子提供1 H和2 H(氘,D)的氢同位素之间不同的相互作用的优点。大不同ENCE在氢和氘之间的相干散射长度密度代表的对比度变化和对比匹配方法的基础。由于大部分的软物质和生物系统包括烃,氢气/氘(H / D)的取代提供了在宽的范围内变化的化合物的相干散射长度密度的可能性。利用这种技术,在一个复杂的系统选定成分可由同位素交换标记。取决于其对比度的平方其散射长度的密度和该其他部件选择的部件或区域的之间的复合软物质或生物物理形态内差异可以不化学改变系统进行的散射实验可见或不可见。此外,中子高度穿透性并且可以用作非破坏性的探针和用于特殊环境学习样本,其中来自放置在光束的另外的材料的贡献可以是RELI巧妙地测量和校正。

弹性散射实验提供关于样本的结构和形态学的信息。散射强度是在倒易空间测量动量传递Q,其中Q =4π/λ罪的函数 Θ/ 2,用λ - 中子波长和Θ - 散射角;这随后通过逆傅立叶变换转换成实空间。因此,大的Q值与短长度尺度,具有由经典中子衍射(ND)调查了原子间的相关性。在小Q值,大尺度可以通过小角度中子散射(SANS)进行探讨。通常情况下,单个或组装在溶液合成或天然高分子,熔融,膜或大块样品的特征在于在一个宽长度尺度,从纳米和微米尺寸,通过经典的针孔SANS的应用和ULTRA-SANS(基于聚焦或单晶衍射法)的技术。然而,不同的方法或设施用于实现一个完整的结构表征的组合是由于诸如样品的可用量,在长的时间尺度样品稳定,在特殊的热力学条件的影响的再现性,和实验数据的联合分析的问题,有时难以在不同的实验几何获得。此外,随着结构和特点是高空间或时间分辨率快速结构性变化应对的研究是非常具有挑战性的,需要非常特殊的实验装置。因此,高度灵活的SANS仪器,其中限制可以超越典型的配置在一个简单而可行的方式推动发展,是满足来自用户社区的所有特殊要求是有益的。

SANS的衍射KWS-2( 图1)中 ,歼操作2,巫妖中子科学(JCNS)在亨氏迈尔-莱布尼茨中心(MLZ)在嘉兴的中心,本来是一个经典的针孔SANS仪器从高中子通量受益的FRM II中子源交付( 补充图1)1专用导向系统2-4。反复升级之后,该仪器是为一个宽Q系列勘探优化,1×10 -4和0.5之间埃-1,提供高的中子强度和可调节的分辨率。在具体的样品环境和辅助设备( 见表1)的可用性,该仪器可以配到研究软物质,并在一个很宽尺度生物系统,从纳米到微米,通过静态测量;它也可以在平衡或下变换由于动力学过程进行结构和形态的时间分辨的调查,跨越分钟几十之间的范围的时间尺度毫秒。在常规工作模式( 图2A),7×10 -4 A -1和0.5埃之间使用Q范围-1可通过样品到检测器的距离及/或波长的变化范围之内。因此,从10长尺度结构层次和关联效应高达9000可以在现实空间(其中维度被视为2π/ Q)进行检查。波长,提供波长传播Δλ/λ= 20%的选择,4.5埃和20埃,使用机械单色(速度选择器)之间的准直条件的变化(准直长度L C和光圈的开口,A C -入口孔,在梁的最后一个中子引导段,和A S以下-样品孔,只在该样品的前面)和检测距离L 的D是自动完成的,通过计算机控制。

Q m和在在MHz范围内的高计数率的快速检测最近进行的,目的在于提高该仪器的性能。在此过程中,该仪器配备了附加功能。

有一个双盘遮光器5与可变狭缝开口( 补充图2)和时间飞行(TOF)数据采集模式。斩波可以在10赫兹和100赫兹之间的变化频率f 斩波器和在0℃角之间两个斩波器窗口的角的开口进行操作≤Δφ≤通过相对于彼此改变两个盘的定位90°。在波长分辨率Δλ/λ的改进是通过缩短中子导向τ的开口时间瓦特由DECR实现宽松Δφ和/或增加˚F 菜刀 。记录在检测器上所产生的脉冲被分割为w的宽度匹配τ该和由旨在Δλ/λ的特征在于时间信道的适当数量。

也有一个直径为50毫米( 图1)由镁萤石氟化镁抛物线透镜6的聚焦元件。 26 氟化镁透镜被分成三个包(4 + 6 + 16的透镜),其可以独立地在梁被移动以实现具有不同波长λ= 7-20的聚焦条件。为了减少对在镜片材料中声子散射以增加传输,透镜是使用特殊的冷却系统保持在70ķ。

有一个与1毫米的位置分辨率和0.45毫米像素尺寸的二次高分辨率位置灵敏的闪烁探测器。该探测器通常被放置在塔上的真空罐的顶部以固定距离Lð= 17微米,可以或缩小的光束( 图1)垂直移动。主检测器以20米停在罐的端部位置,而当正在执行使用透镜高分辨率调查(低Q)4,7-次级检测器中束移动。次级检测器被放置在透镜系统的一个焦点,而在L C的小入口孔径= 20 M.将,在这种情况下,在另一个焦点。

有一个由144 3他管的阵列的一个新的主检测系统(每个为85%λ= 5的管子的全球效率)和限定有源检测区域相当于0.9米2( 图1)。安装在一个封闭的情况下,在3他管架的背侧创新快速读取电子提高了读出的特点和降低背景噪声。取代了旧闪烁检测器(6李闪烁体和8x8光电倍增管的阵列, 图1)的新系统的特点是25毫微秒的有效死区时间常数和一个总体计数率高达5兆赫在10%死区时间用于平面曲线。这些特征是由于该系统包含在并行操作的独立的信道的事实,这是在该事件后遇到的死区时间的系统的优点。高得多的计数率缩短了测量时间,因此增加了可以在同一时间段进行的实验次数。

与所有这些创新,仪器成为一种高度通用的工具,可以通过提供可以被选择,并在一个直接和用户友好的方式使用多种工作模式( 表2)满足广泛的结构研究。在高强度模式(图2B),最多十二倍的强度的增益相比,在相同的分辨率的现有针孔模式可以用透镜通过增加样本大小来实现。在斩波和TOF数据采集可调分辨率模式,改进的不同Q范围内的散射特征的表征是由可能性启用以改变2%和20%5之间的波长分辨率Δλ/λ。在更多的问答 -range模式( 图2C),使用透镜和次级高分辨率检测器,且Q m低至1×10 -4 -1可以实现的,其中,在结合针孔模式,许可证尺寸从纳米到微米范围内的勘探在连续长度尺度。利用对于缩小Δλ一菜刀通过避免重力和色彩效果WH提供准确的光束特性连接使用的镜头。在实时模式中,通过利用高强度和样品中进行数据采集的外部触发,结构的变化可以用下降到50毫秒时间分辨率解决。通过用斩波提高波长分辨率下降到Δλ/λ= 5%,如2毫秒一样好时间分辨率可以实现。

这里,我们提出在详细描述如何典型实验在其不同的工作模式,以及如何能够从通过数据减少所收集的数据来获得从所研究的样品的结构信息的KWS-2进行的协议。在本演示中,我们将使用SANS表征,以标准粒子溶液多种尺寸和一个高度浓缩的聚合物胶束解决方案,以显示如何大小,顺序可以在被研究过广泛的范围与KWS-2灵活高效的方式1实验性会议。聚苯乙烯球形颗粒迪菲租金尺寸(R = 150,350,500,1000,和4000的半径)和σR的尺寸分散度公式5 8%的分散在水溶液以1%的体积分数(90%D 2 O和10%H 2 O的混合物)。以12%的浓度在D 2 O中由C 28 H 57 -PEO5嵌段共聚物形成的胶束显示出有序结构。

Protocol

1.装入样品池

  1. 分散具有不同尺寸(R = 150,350,500,1000的半径,和4000埃)和σR的大小多分散性的聚苯乙烯球形颗粒公式5在水溶液8%以1%的体积分数(90%D 2 O和10%H 2 O的混合物)。
  2. 转移聚苯乙烯颗粒的六大解决方案,D 2 O / H 2 0,的C 28在D 2 O中的溶液H 57 -PEO5,和D 2 O / H 2 O和D 2 O溶剂石英细胞( 图3 )使用巴斯德吸管。填充每个石英细胞到颈部。关闭石英细胞与他们的瓶塞。
    注意:用样品填充所述石英细胞的操作必须在FRMⅡ的样品制备的实验室通过与其中定义的特殊工作条件符合来进行。
  3. 的InstaLL填充石英细胞进入样品架的铝筒( 图3)。将每个填充石英池在盒的空腔,并检查石英小区是否通过确定所述样品是否完全覆盖在于提供了一种用于中子暗盒窗口开口填充有足够的样本。放置在盒上其他位置的校正和标准样品(空石英电池中,硼碳化物板,和有机玻璃板),并留下自由的空光束测量一个位置。
  4. 包括与使用螺栓(M3x5)镉涂层铝盖板( 图3)墨盒。通过使用特殊的铝螺钉( 图4)固定样品架中的Al-框架上的墨盒。

2.定位样品台的样品架/样品环境

  1. 通过调整确定在样品架的样本位置的必要的空间准直鼻子的长度( 图5)。选择用于从准直机头的控制系统所存储的配置中的样本保持器的适当的配置。
  2. 在使用内六角螺钉,M6x40( 图6)的光学平台的预定位置安装在样品台上的相应样本保持器/样品的环境。
  3. 通过使用在其外侧的旋钮,保持控制旋钮激活直到门到达端位置,这将是一个发光信号指示关闭机动滑动引线门( 图5)。
    注意:如果没有门完全关闭和最终开关激活时,光束快门不能打开,手动或从测量控制软件;测量软件将需要针对此问题额外的检查开始测量之前。

3.规划实验

  1. 选择adequ吃实验结构和模式,用于执行在问答范围的调查是适合的结构和通过样品揭示了相关效应的长度尺度。检查仪器4( 图7表2)的动态范围。
  2. 选择用于实现对通过知道表征样品进行调查8的近似大小,浓度和对比度因子基于所述散射强度的估计可与样品适当强度的充分的实验配置和模式。这样做是为了优化测量时间为目标测量统计并在样本的情况下,样品的稳定性具有短的稳定时间匹配完成。检查不同的实验配置4( 补充图1表2)的强度图。
  3. 选择适当的实验配置和模式用于基于多分散性的大小程度和试样8中的散射的对象的浓度的近似知识妥善解决。这是为了使所发生由于订货样品中的效果优良的散射特性的分辨率完成。检查调整波长分辨率5( 表2)的可能性。

4.准备测量软件和进行和可视化实验

  1. 通过以激活主菜单( 补充 图3)中的KWS-2仪器的测量控制计算机终端窗口键入KWS2TC开始测量软件。使用左边的功能集来定义基本电机位置(配置),选择样本和设置条件(定义),开始测量和监督所有电机(控制)和监督权的实际探测器(实时显示)。
  2. 为了激活kws2-配置菜单( 补充图4)来定义用户数据,并配置为在样品上的装置和字段的基本马达位置和设定点选择主菜单中的配置的功能。
    1. 选择的UserData功能( 补充图4),满山遍野用户名,电子邮件,文件名的第一部分,并在用户数据菜单测量评论(查看/编辑)。通过单击保存退出菜单。
      注意:不要使用特殊字符,如@,$,% ,文件名前缀。避免在整个实验过程中使用特殊字符。
    2. 为了激活示例配置菜单( 图补充4)选择采样功能( 补充图4)。满山遍野样品名称,样品束窗口 - 尺寸,试样厚度和注释每个SAMPLe和从菜单的左垂直列表中选择的位置。在完成定义后保存每个样品的配置。通过单击关闭退出菜单。
    3. 保存在配置菜单上的功能集的文件功能下的所有配置。
  3. 为了激活kws2定义菜单( 补充图5)来定义的实验装置和测量程序选择主菜单( 补充图3)定义的功能。
    1. 为了激活选择样本菜单( 补充图5)选择采样功能。
      1. 选择十二个样品必须进行测量( 见图3)从已知样本的列表在左侧垂直场,并使用蓝色箭头它们移动到选定的样品字段。通过使用蓝色垂直箭头订购选择的样本的列表。
      2. 检查样品Parameters和,调整名称,厚度和评论,如果必要的。通过单击保存或关闭退出菜单。
    2. 选择检测功能,以激活测量菜单( 补充图6)的定义。
      1. 通过在测量面积选择标准选择静态测量类型。在结束条件区域,选择正确的时间单位现场测量时间。
      2. 在选择探测器和准直距离区,由波长(选择字段),检测距离(检测距离场),数据采集模式(TOF场),旨在波长分辨率选择合适的值选择实验设置和工作模式(DLambda /λ场),测量时间(时间字段),镜头配置(镜头场),和准直距离(距离瞄准场)。
      3. 单击新建按钮后一种配置是为了修复它,并把它存储在LO完全定义WER表。定义下一个配置并存储在一个类似的方式,直到整组的配置的( 补充图6)被完成。点击保存或测量菜单的定义关闭时,实验设置和工作模式的调整结束。
      4. 根据三个环(排序条件)在由该程序( 补充图7)生成的菜单的底部示出排序的测量结果列表。删除未通过标记相应的行,然后点击“X”按钮标记为红色所需的测量。通过检查场中央的总定义的测量时间,标记为红色,在kws2定义菜单,始终保持活跃在屏幕上,需要调整测量时间每次测量。
      5. 离开菜单,保存或关闭并返回到kws2定义菜单( 补充图5)。关闭kws2定义菜单和返回主菜单( 补充图3)。
  4. 为了激活测量控制菜单( 图补充8)选择在KWS2测量软件( 补充图3)的主菜单中的控制功能。
    1. 登录的用户名和密码,将由仪器科学家连通并锁定会话用于产生脚本,它将执行上传的测量程序的命令。为了检查上传的测量程序选择循环定义。
    2. 按下启动按钮,并回答了约样品位置门的实际状态和梁快门程序生成的问题。测量程序将被启动。为了使正在进行测量的可视化(电机的位置和仪表元器件的状态选择当前值,计数率和进化论在时间积分强度的n个)。
      注:检测器和检测器和监视器的计数率上的积分强度示出并可以用来改变测量程序,单独或该组测量值的全部。
  5. 允许测量根据所定义的测量程序进行,并完成。
    注意:测量可通过激活停止功能并选择所需的选项(继续,有或没有保存文件以停止电流测量,或停止整个程序),当积分强度收集到一个被中断或停止一定的时间点被认为是足够的,或者当故障在测量序列被识别。
    1. 通过点击循环定义选项下的打印按钮生成测量会话日志( 补充图8)时所定义的测量程序已经停止或补偿leted。
  6. 为了激活KWSlive_MainWindow接口( 补充图9)选择在KWS2测量软件( 补充图3)的主菜单实况显示。
    1. 在类型屏幕,选择使用GEDET或PSD以分别以可视化的主要或次要(高清晰度)探测器收集的数据。通过选择所述三维(表面)在显示模式的可视化模式中,二维(轮廓),或一维(径向平均)模式。为了使数据的相对Q上呈现为n强度(未校正)输入的情节选项(线性或对数标度),并在径向平均选项菜单的字段的参数值(波长和检测距离L D)。
    2. 为了形象化在TOF模式(无论是主或次级检测器)收集的数据选择所需的飞行时间的信道。

5.数据分析

  1. 通过在KWS-2仪器的数据分析计算机的终端窗口中键入qtiKWS命令启动数据处理软件。选择主界面右侧的新脚本选项。
  2. 为了激活数据分析功能选择在主界面( 补充图10)的上的功能菜单的DAN选项。为了激活对KWS-2测得的数据使用主探测器的数据分析模式选择右侧菜单上的选项的KWS-2仪器。定义,其中所测量的数据文件的位置和其中所述校正数据文件将被存储的文件夹。
  3. 选择工具选择和激活右侧菜单( 补充图11)上的头(多个)功能并生成信息表包含要处理的文件。点击左侧集绿色箭头的定义表名在页眉(S)字段。通过点击右侧设置页眉(S)领域的绿色箭头,然后选择测量文件加载测量文件。
    注:包含关于每个测量文件的完整信息的信息表被存储在项目的下部探险状菜单。将在项目稍后产生的所有结果将被存储在那里。
  4. 激活在右侧的菜单( 补充图12)的掩码函数和生成的活性掩模限定将要考虑的用于数据处理的检测器的面积。输入限定的各向同性散射图案的分析的情况下,矩形的荫罩的左下和右上拐角中的边缘和值波束停止字段。
  5. 激活在右侧的菜单( 补充图13)的灵敏度函数和通过输入在标记为绿色音响产生用于某些配置的检测器灵敏度视场的标准样品(树脂玻璃),空束(EB),并阻断光束(B 4 C)的测量值的游程数。
    1. 点击集绿色箭头旁边的黄色字段(传输),用于计算标准样品的传输。产生并通过选择计算作为新命名灵敏度矩阵,并且通过在下部菜单使用适当的情节功能可视化生成矩阵。在其他配置的情况下,重复此过程。
  6. 激活在右侧的菜单( 补充图14)的数据处理功能,并产生为了校正,校准,并执行数据的径向平均的校正和校准表和脚本表。
    1. 定义的,通过使用水平滑块上右侧菜单(红色箭头)的顶部在实验中使用的条件的数目。通过输入每个实验条件填充黄色铅笔指示的字段运行空细胞数(EC),阻断光束(B 4 C),和标准样品,有机玻璃(绝对校准。FS),用于标准校正(绝对校准。EB)空光束,并阻止光束为标准校正(绝对校准。B4C)。
    2. 具有很强的前锋在中心场散射输入测量的运行数字。输入在EB字段空束的运行次数并通过检查旁边的TR(EC-至EB)功能的框选择为样本的传输的计算相应的实验条件。
    3. 点击由一组以从定义的文件加载所需的数据处理的信息,并计算出空单元的传送旋转在垂直一系列选项( 补充图14)的绿色箭头的指示的每个按钮。点击每个黄色塔的顶部,以定义列名。
    4. 点击为了新建按钮,生成并命名数据文件,将B的表Ë处理。点击以加载将要处理的数据文件添加按钮。点击与该组,以便计算每种样品的透射旋转脚本表格工具区域下的绿色箭头的指示的TR按钮。检查所生成的表( 补充图14)的结果。
    5. 为了节省所有结果在当前qtiKWS会议(项目)表或矩阵选择项目中的接口( 补充图14)的右下角。点击以便执行二维数据的校正和校准的I [X,Y]按钮。点击以执行校正,校准和数据的径向平均的I(Q)的按钮。使用下图( 图补充15)选项图形功能绘制的结果。
      注:所有结果将作为将被保存在步骤5.2中定义的外部文件夹外部文件的时候,在日生成E中的界面的右下角,文件选择,而不是项目。
  7. 在右侧的菜单( 补充图11)选择的工具和激活TOF |为了分割收集与在飞行时间的工作模式到单个文件对应每次主检测器的数据的RT选项( 补充图16)渠道。
    1. 单击TOF ::计算参数的功能和负载一个文件,从中提取有关TOF条件的信息。点击TOF | RT ::求和VS数量::了解功能和负载感兴趣的文件,在实时或TOF模式测量,以产生像上的左侧示出的总和-TOF-文件表工作界面。积的积分强度作为使用在上层的功能菜单中的图形函数下的图形选项从总和-TOF-文件时道( 补充图16)的功能。
    2. 定义处理P.arameters在TOF功能的领域。单击TOF | RT ::所有选定步骤::以加载将被分离成对应于各所定义的时隙单个文件中的数据文件继续按钮。
      注:包含在每个时隙测量的数据文件被生成并存储在在步骤5.2中定义的文件的位置和接收原始TOF文件的名称,后面的时隙的数目。
    3. 进行如在步骤5.6为了分析具有改进的分辨率的测量的数据,对应于Δλλ 目的 ,使用斩波器。
  8. 为了激活使用二次高分辨检测与KWS-2测得的数据进行数据分析模式,从主界面( 补充图17)的右侧菜单上的选项的KWS2-HRD仪器。激活右侧菜单屏蔽功能( 补充图18A)和发电机密封e本有源掩模限定检测器的有源区。
    1. 选择主界面( 如图补充18B)的上部的功能菜单中的选项DANP。选择右侧菜单中的选项ASCII.2D。激活以定义将被认为是数据分析的检测器上的特殊扇区的2D屏蔽功能。
    2. 介绍在现场中心束一站式中心。选择掩码矩阵和面具::条件值为0忽视的特殊面膜的外侧区域。选择角扇区和点击扇区字段的右侧的彩色按钮。与高分辨率检测器测得的,如在步骤5.5和5.6中的数据继续进行。
  9. 保存qtiKWS项目(除上级菜单的文件选项下的功能)。

Representative Results

那是在结构上与两种有代表性的软物质系统的形态不同的工作模式与KWS-2进行了成功实验的代表性结果图8-11中给出。这些结果是从一系列聚苯乙烯标准尺寸的粒子的在D 2 O / H 2 O解决方案的调查,用2内容的D 2 O的90%,且完全质子化的二嵌段共聚物的C 28 H 57 -PEO5在D 2 O中在高聚合物的体积分数(12%)。聚苯乙烯标准尺寸的粒子,其中R的半径= 150,350,500,和1000埃被用来测试的常规针孔模式下使用的检测的不同组合距离L1 D和波长λ。较大尺寸的颗粒(R = 4000埃)被用来测试和调试更多的问答 -range模式。能产生有序micel二嵌段共聚物在高浓度D 2 O中的拉尔结构是用来测试和调试调谐分辨率模式。

图8给出使用主检测器(老闪烁检测器)和在更多的问答 -range模式中使用的聚焦透镜和高分辨率次级探测器针孔模式中测得的二维散射图案的结果。 图8A表示从聚苯乙烯颗粒R = 500 a。使用λ= 5散射图案为L D =8米测量。 图8B显示聚苯乙烯颗粒R = 1000 a。使用λ= 20散射模式,为L D =20米收集。对于具有λ= 5埃进行的测量,直接光束被收集在中央波束停止安装在检测器的前面,并发射束可以与一个SMA监视LL被安装在光束光阑的中间3他计数器。这就是所谓的监视器3( 补充图8)。该仪器具有两个额外的3他计数器,其被安装在速度选择器(监视器1)来监视多色光束的前面,并在速度选择器的后面(监视器2)来监视单色光束。由于技术限制,以λ= 20埃的测量与检测器,这是与旧的KWS-2检测器中使用的典型设置的直接光束进行的。较弱,直接束流强度长波长,这滴下来,由于重力作用,可以在不造成对探测器的损伤进行检测。在这种情况下,所发射的光束在一个短路检测距离L D = 2米监视器3监视。在这种情况下,重力作用较弱而所述直光束落在光束停止(像在图8A)。数据收集两dimensionally探测器为5.25毫米×5.25毫米像素尺寸上进一步校正的检测器灵敏度,并且从空盒,仪器背景,和溶剂的贡献使用从有机玻璃二级标准4散射进行绝对标定。最后,被周围各向同性的位置Q→0分布散射模式进行径向平均,其交付的dΣ/dΩ每个聚苯乙烯粒子系统。

从大的聚苯乙烯颗粒(R = 4000埃)二维散射图案示于图8C,因为它是为0.5毫米×0.5mm的像素尺寸高分辨率检测器测量。小直光束被透镜系统上的检测计划集中,并通过安装在检测器面的小射束停止(在4 mm×4mm)所捕获。从二次光束停在阴影中可以观察到<在有源探测器区域的左上侧强>图8C。重力感应的影响在探测器上不同波长的中子的宽垂直分布。另外,由于镜片是完全集中,仅其特征在于由三角分布的中心波长λ的中子由速度选择器2,5递送;围绕中央一台不同波长的中子探测器上稍微到达失焦。这两种效应产生,可以观察到的正上方和下方的波束停止弱直接光束踪迹。在使用透镜和高分辨率检测器的静更多的问答 -range模式中,数据被连续收集。为了减少重力的影响的贡献,该分散的数据在从光束停止启动并水平地延伸到其右侧, 如图8C所示的窄的角扇区进行分析。的数据被处理˚Further使用实现dΣ/dΩ典型的方法。 图8D给出了强度与从朝向检测器的边缘光束停止的位置,因为它是在与高分辨率检测器上1个像素(0.5mm)的宽度的窄的横切片收集。从样品溶液和参考(溶剂)数据被示为它们在5分钟的短的测试测量被收集。强度中的空仓下降是由于波束停止。从以最短的位置的强度的比率,样品传输(87%)可被估算。

在聚苯乙烯粒子的带有R = 500埃的溶液dΣ/dΩ方面所获得的校正和校准结果示于图9中 ,与那些从溶剂在一起。这些结果表明,可与KWS-2在常规针孔模式被覆盖在Q范围通过检测位置L D的变化和用途的一个或多个波长。外形设有球状粒子的8,9还透露:在低Q的吉尼耶区域,并且由于在中间Q系列球形贝塞尔函数的振荡。在高Q范围,散射轮廓由从溶剂散射支配,因此,它显示了一个扁平的行为,这样的从溶剂本身。外形极小由一方面仪器分辨率5的影响,并通过在另一方面粒径多分散性。在KWS-2的情况下,仪器的分辨率主要是由Δλ/λ= 20%的波长传播确定的。所有类型的颗粒的大小多分散性为约σR = 8%。 图10示出表示为dΣ所有类型的聚苯乙烯粒子的SANS调查所获得的结果/修正为溶剂的贡献后dΩ施。的吉尼尔区域清楚地证实了向低Q值的所有的粒子,而在高Q范围,-4斜率显露出来,这是典型的球状物体的形状因数。标准尺寸的粒子的结构参数通过用多分散的形式因子的数据的拟合证实球体8,9卷积用仪器10-12的分辨率的功能。

图11表示从C 28 H 57 -PEO5高分子胶束,在12%的聚合物的体积分数发生在D 2 O中的排序结构的二维和径向平均一维散射图案。结果是在不同的探测收集的距离L1 D,与常规的针孔和可调谐分辨率模式组合在同样的测量会话。当该系统在传统的针孔模式下使用的Δλ/λ= 20%的波长扩展研究,如由速度选择器,并连续(静态)的数据采集提供三个宽峰在为L D中的散射图案观察= 4米。在可调谐分辨率模式,通过使用斩波器和与该速度选择组合TOF数据采集,波长扩展可以改善,使得它可以检查这些特征是否是真实的,或者如果它们的精细结构,最终会出现。当它们与Δλ/λ= 5%,这使该明确确定微胶粒的排序成面心立方(FCC)结晶5,13测量为Δλ/λ= 20%中观察到的第一和第二峰值揭示分裂。

这些是KWS-2 SANS迪夫拉如何的通用性和性能的两个典型的例子 ctometer可以以简单且用户友好的方式通过以下用于进行软物质,并且表现出在长度尺度和订货方面复杂的结构特征的生物物理系统的详细调查所提供的协议被使用。

图1
图1:KWS-2 SANS仪器,其中包括2010年和2015年 (A)仪器的普遍看法之间进行的所有升级的布局(B)中的次级高分辨率检测器和其在真空罐顶部塔。 (C)氟化镁聚焦透镜,分成三个包,和它们的冷却系统(冷却盖)。 (D)旧的主探测器(闪烁)及其8×8阵列光电倍增管的。 ( )新的主探测器(3他管)具有较大的检测区域。F =“http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54639/54639fig1large.jpg”目标=“_空白”>点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2:对KWS-2提供三种工作模式的示意图。 )传统的针孔模式。为L C = L D,其中L C和L D是准直和检测长度,分别与最佳针孔条件A C = 2A S,其中,A C和A S分别是准直入口孔和样品孔,时,光束轮廓I'p的检测器是与碱宽度等于2Aç大致三角形。 (B)中的高强度聚焦模式。通过使用透镜,较大的样品可以用相同的分辨率来测量在第È常规针孔模式(在检测器的束分布曲线Ⅰ'P是在这种情况下,矩形的)。 (C)中更多的问答 -range对焦模式。通过使用透镜和一个小的入口孔A C(通常为4毫米x 4 MM)被放置在透镜系统的一个焦点,一个小的光束被传输到检测器,它被放置在透镜的另一个焦点。因此,可以实现的最低波矢量转印Qm比常规的针孔模式的较低值。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
图3: 安装在在环境温度下测量样品架中的Al-盒样品的视角。在里面在铝筒设置空腔。充满了样品,覆盖其止动器(C)(A)石英细胞(B)可以放置。在Al-盒上的位置与样品占用如下:在位置号1至5号中,聚苯乙烯粒子为R = 150,350,500,1000的大小和4000埃在D 2 O / H 2 Ø溶剂;位置6号,在D 2 O中的C 28 H 57 -PEO5二嵌段共聚物;持仓7号和8号,溶剂D 2 O / H 2 O和D 2 O;位置9号,空石英池(参考);位置10号,有机玻璃(标准);在位置11号,没有什么(用于空束的测量);在位置12号中,B 4 C板(贴在背面;为仪器的背景与被阻塞的光束的测量)。铝盖板(D),涂以镉面膜的外表面,是为了确保样品的细胞和以限定中子窗(F)固定在用螺钉(E)的暗盒的顶部。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
图4: 对KWS-2中使用在环境条件下测量的多层次,多位置细胞持有者之一的视角。对于当前的实验会话将样品安装在中间水平。三个层次可以配备设计为与涂有镉掩模上的外表面(朝向中子)的Al-盖板关闭不同的细胞几何形状的墨盒(A)中。在支架的墨盒使用的螺钉完成的安装( (C),它允许其安装在样品台上的预定位置。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5
5:KWS-2 的样品面积的示意俯视图。 (A)的准直鼻子的两种极端配置演示文稿,示出了用于在光束的安装各种样品环境的可用空间(中子从底部来,通过黄色箭头)。 (B)的引线门的控制面板,以打开和关闭钥匙(1和2,分别)。门马达仅只要键被连续按压的工作原理。门配备它与边缘传感器诱导马达的停机时的障碍被感测。除去障碍物后,电机阻断可以与上键(3)和开口被取消或者可以恢复关闭动作。 ( )准直鼻子的控制面板。从鼻子面板,一个适当的配置可以用键(4)被选择。鼻子通过保持键(5)不断地激活,直到达到所选择的定位和运动本身停止移动。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6
6: 在环境温度下SANS测量样品台的多层次,多位置样本保持器的安装(摄影:文策尔舒尔曼,TECHNI血清胆碱酯酶Universität大学慕尼黑,德国)。在样本位置的主要组成部分是准直鼻子与在其端部(A)中,提供了在梁(B)的样品的水平和垂直定位样本台,检测器真空罐的入口窗的样品孔(C)中 ,引线门在其边缘(D)的传感器,并且该底座支承单元保持体(E),它提供了在样品台上的光学平台(F)的安装支架的。 请点击此处查看该图的放大版本。

图7
7: 动态范围上KWS-不同工具的设置2.我0表示在样本位置的中子通量。所定义的区域表示当波长4.5埃和20埃为特定准直检测配置之间变化,可以覆盖的推出范围。 请点击此处查看该图的放大版本。

图8
8: 根据当前协议实验会话期间收集的二维散射图案的例子。 (A)Lð= 8米的聚苯乙烯颗粒,其中R = 500埃的D 2 O中的半径/ H 2 O,与λ= 5埃测量所收集的散射图案。散射图案周围将b各向同性分布EAM停止,这是阻塞在检测器的中间的直接光束。 (B)中为L D = 20米的聚苯乙烯粒子收集的散射图案,其中R = 1,000埃的半径在D 2 O中/ H 2 O,与λ= 20埃进行测定。散射图案周围发射束,这对于该波长的光束停止下滑落,被使用的可视化软件的功能的波束停止掩蔽在一起的位置各向同性地分散。 (C)为L d用高分辨率检测器收集的散射图案= 17米,在D 2 O中一个大小为R = 4000埃/ H 2 O,与λ= 7埃的更多的问答范围内测得的聚苯乙烯粒子与镜片和高分辨率检测器。该散射图案被左右的小射束停止(在4 mm×4mm的),该块的聚焦直射光束各向同性地分散。在w中角部门HICH被进一步分析的数据上的光束停止的右侧被指示。 (D)的强度与从它被收集在一个简短的测试测量在一个狭窄的水平切片,与1个像素(0.5mm)的宽度,高分辨率检测器上的光束停止的位置。的数据被从样品溶液和参考(溶剂)中。 请点击此处查看该图的放大版本。

图9
图9: 从聚苯乙烯颗粒的散射图案在D 2 O / H 2 O溶液(符号),并从溶剂(线)。数据收集在传统的针孔模式,在不同的仪器配置,通过不同的颜色表示。 请点击此处查看该图的放大版本。

图10
图10: 从不同大小的聚苯乙烯颗粒散射图案D中2 O / H 2 O的修正从溶剂散射后使用。红色线表示与球形外形9配合,包括仪器分辨率10,11和大小多分散性。用于球形外形的典型Q -4渐近行为是由在高Q范围的直线表示。覆盖着不同的波长或设置在Q范围的下限是专门三月糟透了。 请点击此处查看该图的放大版本。

图11
图11: 在D 2 的C 28 H 57 -PEO5k高分子胶束O(在12%的聚合物的体积分数),在以往的针孔模式中测得具有Δλ 的二维和径向平均一维散射图案 / λ= 20%(上)和在该可调谐分辨率模式,具有Δλ/λ= 5为L D =米(左侧)和L D =8米(右侧)%。在传统模式中,三个大的峰,可以观察到。第2个峰值的微细结构显露5,13具有改进Δ&#955; /λ分辨率。 请点击此处查看该图的放大版本。

图12
图12: 从完全质子化PHO10k-PEO10k二嵌段共聚物胶束在D 2 O 中的散射图案 (施加用于从溶剂散射校正后),如通过结合常规的针孔和更多的 问答 -range模式 测定 的芯-壳筒状的形态是由在Q -1在中间Q和在高Q观察在Q -5/3依赖性(一滴散射)的散射强度的依赖性指示。在低Q值的强度高原和在中间的Q弯曲揭示Ť他长度和缸分别厚度。红色曲线代表具有一个核-壳气缸模型9的实验数据的配合,与仪器的分辨率包括10-12。 请点击此处查看该图的放大版本。

图13
图13: 从聚苯乙烯颗粒(R = 150埃)在D 2 O 如在常规针孔和高强度(透镜)模式测得 的散射图案 / H 2 O。 (A)和λ= 7埃为Lð= 8米的常规模式和为L D =20μm的与透镜的高强度模式中测得的一维散射图案。在T他高强度的模式,在样品上不同的光束尺寸,以增加强度,使用。高达12倍比以往的针孔模式时,使用26透镜达到的强度的增益。一个大的样品通过使用圆形石英细胞与直径5cm放置在光束。 (B)收集在针孔模式的检测器为10毫米×10毫米的射束尺寸上的二维散射图案。 (C)通过使用27透镜和30毫米×30毫米的光束尺寸收集在高强度模式下的检测器上的二维散射图案。直接光束聚焦在检测器上的尺寸(分辨率)是一样的,在针孔模式。 请点击此处查看该图的放大版本。

图14
图14:从缓冲溶液和从β淀粉样蛋白的蛋白质的单体 在5.6毫克浓度 的散射图案(Aβ1-42,分子量 M W = 4.5 kDa的)在氘化六氟异丙醇dHFIP缓冲器/ ml的三周后温育。全点表示从蛋白质溶液的散射曲线而全三角形表示从缓冲溶液的散射曲线。施加用于缓冲贡献校正后的蓝色的点表示从单体的散射截面(在右侧垂直刻度)。误差条表示由所述中子计数得到的标准偏差。红色实线示出了具有固定的维数D = 2 14拟合Beaucage功能。 请点击此处查看该图的放大版本。


图15: 从溶菌酶50毫克/毫升的散射图案在50mM乙酸盐缓冲液在D 2 O ,并从在不同压力下测定缓冲液中,从室温至5000巴。的符号表示从蛋白质溶液的数据,而线表示从缓冲器中的数据。该数据是在两个探测距离,LÐ= 4米(空心符号)和L D = 1米(全符号)收集。插图示出了从蛋白质溶液,所述缓冲液和蛋白质本身的前向散射强度I(Q→0)(校正为缓冲区贡献后涂布)的行为作为压力的函数。 请点击此处查看该图的放大版本。

参数/功能辅助设备使用范围准确性技术细节
定位样品台最大。加载600千克
X 0 - 360毫米 0.05毫米
ÿ 0 - 330毫米 0.05毫米
Z(光轴) 手动600毫米的带
θR(旋转) 0° - 360° 0.002°
θT(摇篮) ±30° 0.002°
环境温度三电平多位置的Al支架(镉掩模) 3X9 = 27宽石英细胞
3x12 = 36窄石英细胞
三个位置 3大石英细胞(直径Φ= 5厘米)
铝架(B 4℃面罩)
温度恒温器(油浴)+ 从-25℃至200℃的 ±0.5°C 4个位置
小铜块在空气或在真空室(具有密封比色皿)
恒温器(水浴)+两级多位置从5°C至85°C ±0.2°C 2X9 = 18宽石英细胞; 2X12 = 24窄石英细胞
铝块
温控器+高精密烤箱从10℃至120℃ <0.1°C 1位,宽石英池
珀尔帖恒温试管持有人为-20℃至140℃ ±0.2°C 8个位置(各类石英或胸罩夹层型细胞的细胞);低于5℃受控气氛
(B4C面罩)
压力惠普电池SANS +恒温器(水浴) 高达5000巴温度范围为5℃至85℃
低温低温恒温器与蓝宝石窗口下降到50K的
流变流变仪;稳态和振荡模式
湿度湿度细胞 5%至95% 温度在从15℃至60℃的范围内
原位 FT-IR 20 的FT-IR光谱仪样品细胞ZnSe窗

表1:辅助设备可用于KWS-2 SANS衍射,包括使用的范围,精度,和各设备的细节的列表。

测量模式实验装置解析度梁/采样大小最大。强度[N / S] Q-范围[-1]
Δλ/λ
传统的针孔 λ= 7 20% 10×10mM的2- 1.3×10 8 0.002 0.3 ..
L C = 2米- 20米
l D同时= 1米- 20米
λ= 4.5,L C = 2 M,Lð= 1 M 20% 10×10mm的2 2×10 8 0.01 0.5 ..
λ= 10埃,L C = 20 M,L D =20米 20% 10×10mm的2 7.5×10 5个 0.001 0.02 ..
λ= 20,L C = 20 M,L D =20米 20% 10×10mm的2 4×10 4个 7×10 -4 .. 1.5×10 -2
聚焦高强度 λ= 7,L C = 20 M,L D =17米 20% Φ=50毫米 3×10 7 ≈0.002 0.03 ..
调焦
高分辨率
(扩展Q-范围)
λ= 7,L C = 20 M,LÐ= 17男,
A C = 4×4 平方毫米
20% 10×10mm的2 1.6×10 4个 ≈2×10 -4 0.02 ..
可调分辨率 λ= 4.5, 5% 10×10mm的2 7%,从常规模式 0.002 0.5 ..
L C = 20男,
l D同时= 1 M ..20米

表2:对KWS-2 SANS衍射可用的实验配置。

补充图1: 在KWS-2的作为波长λ的不同的准直的一个函数的样本位置的绝对中子通量长度L C和反应堆冷源的最佳填充。 请点击这里下载这个数字。

补充图2:双盘斩波具有可变狭缝开口的示意图。狭缝开口Δφ可在0°和90°之间进行调节,从而,取决于斩波频率f斩波器,开口时间τW上的导向(在右侧垂直系列图像的红色矩形)可以变化。 请点击这里下载这个数字。

补充图3:KWS-2的测量控制和可视化软件的主要用户界面。左侧功能(A)可以通过实验者使用,而右侧功能和指标(B),由负责该仪器使用。在右侧的菜单上显示的服务器或工艺操作,当它被标记为绿色正常工作。标记为黄色的组件没有被激活。任何故障的显示为红色。 请点击这里下载日是图。

补充图4:kws2的配置菜单和样本配置功能观。用户必须填写中的UserData字段第一信息,然后执行样品的配置。必须采取必须填充的字段和动作标记为红色。 请点击这里下载这个数字。

补充图5:kws2定义菜单的查看和选择采样功能。必须采取由用户的操作,在步骤4.3中描述。 请点击这里下载这个数字。

补充元图6:测量功能kws2定义菜单和定义的视图。必须采取由用户的操作,在步骤4.3中描述。 请点击这里下载这个数字。

补充图7:通过组合所定义的样品和所定义的实验条件产生的测量程序。必须采取由用户的操作,在步骤4.3中描述。 请点击这里下载这个数字。

补充图8:kws2测量控制菜单和当前值的选项。固定参数(位置,名称,波长 )和无功iables(时间,强度,计数率 )表征运行测量被显示。必须采取由用户的操作,在步骤4.4中描述。 请点击这里下载这个数字。

补充图9:与KWSlive_MainWindow菜单以及不同的数据可视化选项的实况显示选项。表面可视化模式中选择。当选择了径向平均模式(右侧图像),参数的设定可以在选项菜单中找到,请点击此处下载这个数字。

补充图10:数据还原软件qtiKWS W的主接口第i个对仪器的选择和实验和处理的数据的位置的选项。 请点击这里下载这个数字。

补充图11:待处理用于定义所述一组数据的记录册的功能(信息表)。必须采取由用户的操作,在步骤5.3中描述。 请点击这里下载这个数字。

补充图12:用于定义该数据将被处理的探测器掩模的功能。必须采取由用户的操作,在步骤5.4中描述。目标=“_空白”>请点击这里下载这个数字。

补充图13:用于限定检测器的灵敏度映射的功能。必须采取由用户的操作,在步骤5.5中描述。 请点击这里下载这个数字。

补充图14:用于产生脚本表的校正,校准和径向数据的平均化的功能。必须采取由用户的操作,在步骤5.6中描述。 请点击这里下载这个数字。

补充图15:密谋T中的功能他处理过的数据。必须采取由用户的动作在步骤5.6.5中描述。 请点击这里下载这个数字。

补充图16:在可调谐分辨率模式中测得的数据的准备和分离的功能。从由斩波器64的TOF通道最初交付并收集两个脉冲中的数据被合并成一个脉冲。几个通道被分组在一起,以便为特征由Δλ/λ 旨在将所得时间通道可以保存为独立的文件。 请点击这里下载这个数字。

补充图17: 请点击这里下载这个数字。

补充图18:用于定义该数据将被处理高分辨率探测器掩模的功能。必须采取由用户的操作,在步骤5.8中描述。 请点击这里下载这个数字。

补充图19:通常在KWS-2用于软物质和生物样品在室温或变温的调查,所有类型的细胞样品的概述。 (一)升查看可用于与镜片高强度模式和一个大的光束尺寸ARGE石英细胞。池架,其配备了硼酸化塑料面罩(1),允许规划和在一个会话中的三次测量导通。 (B)被用作样品容器,并配有适当的每个类型的细胞的8位墨盒温控架(帕尔贴型)的石英或黄铜细胞观。保持器被屏蔽硼酸塑料面罩(1)在两个面上。 (三)对KWS-2在经营压力细胞观。细胞可以提供环境和5000巴在自动模式中,通过测定程序控制之间的样品的压力。圆镉掩模(1),在中间的小孔确定样品上的光束大小。 请点击这里下载这个数字。

Discussion

软物质和生物物理系统的典型特征是跨越宽长度尺度,从纳米到微米的结构的相关性和相互关联的微观结构和形态的水平。理解的形成,而这些体系的形态和其微观特征和宏观性质之间的关系的进化的机构,在整个长度规模和相关的环境条件( 例如,温度,压力,pH值下,探讨其显微组织是很重要的,湿度 )。通常情况下,小角散射中子(SAN)或同步加速器X射线(SAXS)技术涉及这样的研究。中子与同步辐射X射线的强度的缺点是通过使用比较大的Δλ/λ,然而导致仪器的分辨率的恶化得到补偿。然而,SANS由于提供了对照提供的可能性独特优势AST变型中,特别是氢同位素之间。因此,SANS是软物质和生物物理系统的研究,为此它提供了独特的结构和形态信息的专门用于实验的方法。最SANS的衍射仪上的针孔原理( 图2A)全世界21的工作,这使得针对低Q的分辨率。实际上,所有的高通量SANS衍射仪具有1×10 8 N厘米-2-1量级的类似最大通量。基于宽松的波长的分辨率,KWS-2具有近一倍通量2,4。日前,非常专业的SANS衍射仪开始运作与应用,如用于调查一个特定范围内的最佳特性,以服务于非常小的散射向量22,23。与专门TOF-SANS衍射仪的稳态反应堆24或spallatio非常最近佣金n个源25,26,在给定的实验装置和有关的实验的分辨率的选择更大的灵活性和优化大规模增动态Q系列提供。对于KWS-2 SANS衍射,通用性和对在软物质和生物物理学领域非常具体的结构研究所需的性能的一个高层次上一个否则古典SANS仪启用。优化,灵活性和自发性在设计和进行复杂的研究,由所描述的协议所支持的,是通过优化实验参数(例如,强度,长度尺度,空间分辨率和时间分辨率)和复数样本的组合来实现环境。利用在引言中列举和由图8-15给出的结果所支持的多种工作模式,该KWS-2在一个简单而实用的方式增强了经典SANS衍射的性能在一个稳定的中子源(反应堆)超出这些文书的传统界限。

这个协议提出了一个普通用户必须执行来定义,并进行简单的实验方案涉及仅在环境热力学条件(温度,压力,相对湿度)和静态条件下样品的调查(无结构形成动力学或步骤变换,没有剪切或流量)。几个温度控制持有人或特殊样品的环境( 表1补充图19),如压力单元,流变仪,或湿度的细胞,可用并且可以最佳地安装,并与从仪器团队特别协助调整。该协议不提供有关这种设备的设置和控制的说明。的定义和外部控制器的激活需要使用另一个更复杂的协议。该协议提出了情况下具有窄的矩形形状( 图3)的石英样品池的工作。然而,广泛的细胞几何形状和类型( 补充图19)的被提供给用户,以便提供增加的灵活性和效率在进行实验。在使用这种电池的情况下,本协议之后可能会有在步骤4.2.2所讨论的参数的调整。测量控制软件已经发展到提供用户在追求自己的科学目标和优化仪器的技术操作更大的灵活性。所有的调整和特殊功能和仪器的部件配置通过仪器团队完成的。在配置上,定义,和仪器的利用率科学用户的参与被简化,只特别地限定于处于与实验会议的科学问题连接的那些方面。有限公司nfiguration文件被预定义以涵盖所有特殊的实验问题,如特持有人在梁的定位,在光束的样品定位(坐标x,y,Φ,ω在样品台上,旋转工作台,或摇篮在补充图5),对不同波长的检测器和波束停止位置的调整,斩波参数的调整(频率和开口窗)为不同的波长,在检测的距离和目标的分辨率 。此外,当前协议不描述如何实时模式可以在KWS-2一起使用。使用更复杂的协议,还需要为了进行时间分辨SANS实验。

此外,该协议提出如何测得的数据可用于从仪器和引用不同散射贡献来校正,并且为了获得样品的differenti校准人散射截面,dΣ/dΩ,表示在-1。这个量包含有关样品的整个结构和形态的信息,并在对应于一广泛的长度尺度,在其上调查系统的特征性结构的相关性和相互关联的大小的水平出现一个宽Q系列进行测定。散射截面dΣ/dΩ因而涉及在一个角度Θ在静态散射实验测得的强度,I S = F(Θ)到样品的结构特性。

对于dΣ/dΩ的对于感兴趣的系统中的评价,除了系统的测量,需要以校正数据为任何外部散射( 即,环境,样品池,溶剂或缓冲液中的情况下,解决方案的其他的测量溶质系统, ),并在绝对单位的校正数据校正 > 8。外部背景(样品池或容器)中,参照样品(溶剂或缓冲液),样本传输(用于在绝对单位校正结果的正确背景减除和校准)时,检测器的电子背景下,检测器灵敏度,并且归一化的标准样品(在检测器的效率是固有对于面积探测器不均匀性)也应进行测量。对于KWS-2,树脂玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)用作标准样品。这就是所谓的二级标准并定期校准针对主标准样品,这是钒。钒提供了一个非常微弱的散射强度,需要收集相应的统计数据很长的测量时间;因此,它是不切实际的SANS目的。从兴趣I S的样品,并从标准样品I ST收集的强度可表示如下:

T“> 式(1) [1]

式(1) [2]

其中I 0表示传入的强度(由准直系统交付),t为厚度,A是暴露在光束的区域,T是传输,并且Δψ是在其中检测单元是从看到的立体角样品位置。如果两个样品和标准在相同条件下测量相对于所述入射光束( 即,L C,A C和A SλΔλ/λ),I 0A是相同的,在立体角是表示为A D / L D(与表示检测单元的区域A D)。通过将两个关系,散射横secti在样品的获得为:

式(1) [3]

其中表示为平均值(标准作为一个非相干散射系统提供了一个平坦的散射图案)。该I S是相对于校正在细胞(容器)样品的测量强度为空电池ⅠECell的贡献和为封闭梁,I B的检测器上的背景后获得的。吨 Ť (dΣ/dΩ) ,其中包含散射和标准样品的物理参数的因子,取决于中子波长λ和通常从标准样品的校准已知的。因此,在数据还原软件4列。公式中的参数和数量。 3个从校准再修改的知ES和实验装置( S,L D)的定义,形成所谓的校准系数k。出现在方程的强度和样品变速器T 。 3,必须进行测量。数据分析程序qtiKWS使得校正,校准,和径向的实验数据的平均值和dΣ/dΩ为调查样品以灵活和通用的工作模式的实现。与qtiKWS软件生成的最终结果表示为具有四个列的表:Q,I,ΔI,Δσ其中I表示dΣ/dΩ和Δσ为Q分辨率5。

从实际的观点来看,与KWS-2,组合SANS和USANS调查可以进行,其优点是对样品的几何形状和热力学条件保持不变。大形态,显示MULTIPLE结构层次,从纳米跨越宽长度尺度到微米尺寸可以在一个直接方式进行研究,如如图12所示。除了在常规针孔模式中测得的散射曲线中观察到的小规模结构的限制R C中,通过激活透镜和高分辨率检测器,由该聚形成的圆筒状的核-壳微胶粒的大型结构限制L C - (亚己基-氧化物-共-环氧乙烷)在D 2 O中14 PHO10k-PEO10k二嵌段共聚物(完全质子化)可以在非常低的Q值在更多的问答 -range工作模式进行观察。圆柱形胶束的特征在于大约300埃的总厚度和大约7000埃的长度,由与芯-壳圆柱形外形9,14的实验结果的拟合所揭示。因此,某些敏感的影响,如热 - 反应凝胶或形成和晶体的生长线或部分结晶形态可与KWS-2可以清楚地探讨,不同于涉及两个或多个不同的仪器和样品的几何形状的传​​统方法。

如图11所示,相关系统和有序结构可以在一个非常灵活的方式适应的分辨率进行研究,无需花费时间和精力上的安装复杂的单色系统,这将涉及额外的护理和安全方面的问题。而且,涉及斩波器和飞行时间的数据采集模式,单分散性的软物质系统或具有低多分散性的大小配合,可以非常精确地在仍然高强度的特点5。

由于使用高度稀释的系统或不利对比度条件由弱散射产生的障碍可通过使用基于关于样本较大光束尺寸甚至更高强度来克服,同时保持解析度。 图13A从R的半径的聚苯乙烯颗粒报告散射图案= 150埃,使用的透镜和一个二次光束尺寸范围毫米10毫米之间×10,在传统的针孔模式中使用的典型大小中的高强度的模式中测得,30毫米×30毫米。此外,从与圆形梁50毫米的直径(全透镜尺寸)测定的结果被示出。平行地,在以往的针孔模式中得到的归一化的结果呈现。使用26透镜与λ= 7埃,同一入口孔径大小A C作为用于常规针孔模式( 图2B)的中子,同时保持恒定的束大小获得强度的增益在约12倍的样品(第)的检测器,如在图13B-C中所示的。 27透镜系统具有在环境温度下为约32%的透射。冷却到50 K的温度时,透镜传输的增加是由于抑制散射对在镜片材料中声子。 26抛物线透镜系统具有用于为50mm的圆形的光束的大小,约65%的透射当光束穿过透镜的整个体积,以及约92%的10毫米×10毫米的二次光束尺寸当只有透镜材料的非常量停留在光束。与镜头的高强度模式,在通常是在一个大的探测距离遇到的是在弱对比的条件的情况下特别有问题的弱散射的情况下提供好处。另外,当样品是仅在次短时间稳定,使用这种模式的表示有明显的优势,如证明别处15。

另一方面,在生物系统中的情况下,小的样品体积通常可用于实验。在具有几纳米的尺寸生理条件小的生物分子递送DOMI上述弱散射信号从缓冲溶液恶性散射。这样的信号可以与KWS-2进行测量,从针孔模式的低分辨率设置在仪器的高强度受益,使用短准直长度L C =2μm或4米和短路检测距离L1(D)= 1米,2米,或4微米。 图14表示从β淀粉样蛋白的蛋白质中的氘化六氟异丙醇dHFIP散射图案(Aβ1-42中,M W = 4.5 kDa)的单体,施加用于从所述缓冲器中的散射信号的修正后得到。数据的模型拟合交付约16±1单体尺寸为16。对于每个实验条件数小时(检测距离L D和样品类型)一个长的测量时间被卷入,虽然测量在短路检测距离进行。旧的探测器,它已经显示出对于计数率的限制,阻碍了中使用的短距离准直的L C,因此,在器械的使用的最大通量。与新的检测系统能够使用的全部中子通量的委托,这样弱的强度将在更短的时间,并在将来改进统计测量。

最后,刺激敏感效应可以以灵活和容易的方式通过使用KWS-2的特别的辅助设备的影响。一个例子被报告于图15,其示出了在D 2 O中缓冲,并从在不同压力下收集的缓冲器从溶菌酶蛋白的SANS图案。特别注意了从溶菌酶分子的背景和前向散射的研究,按照由PSI,瑞士做了设计,内部制造新的压力电池的性能测试中使用。该结果类似于由Kohlbrecher 获得的那些在类似的研究以测试构造的原始压力小区模型有17,18。与KWS-2,进一步的数据已经采集自5000巴的压力已经达到。从蛋白质的前方散射强度的进化遵循线性行为,如在PSI,瑞士18在研究中观察到的。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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