小角中性子回折計KWS-2でのナノおよびマイクロメータサイズからワイド長さスケール上でソフトマターと生物学的システムを学びます

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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

KWS-2 SANS回折計は、ソフトマターとナノメートルからマイクロメートルまで、幅広い長さスケールをカバーする生物物理学的システムの研究に取り組んでいます。同時に高を提供しながら、機器は、方法(チョッパー)、古典的なピンホールを組み合わせる(レンズ付)焦点を当て、および飛行時間型によって1×10 -4〜0.5Å-1の間の広い運動量移行Q範囲の探査のために最適化されています調節可能な解像度で強度-neutron。特定のサンプル環境や補助装置を装備する可能性と合わせ強度と実験中の広い範囲内で解像度を調整する能力のため、KWS-2は、構造的および形態学的研究の広い範囲内に対処する上で高い汎用性を示していますフィールド。動的及び運動プロセスは、ミリ秒から数十分の間の時間スケールにわたって調査することができるが、平衡構造は、静的測定で研究することができます秒単位の時間分解アプローチと。 KWS-2のカバーと、複数の構造的なレベルを示す複雑な階層システム( 例えば、ゲル、ネットワーク、またはマクロ凝集体)から小さくて貧弱散乱システム( 例えば、単一のポリマーまたはタンパク質の範囲を検討している典型的なシステム溶液)。 MHzの範囲内の計数率の検出を可能にする検出システムの最近のアップグレードは、高Qでバッファ散乱レベルに近い微弱な散乱信号との緩衝溶液中であっても非常に小さな生物学的形態を研究するための新しい機会を開きます。

本稿では、特徴的なサイズのレベルは広い長さスケールにまたがるとKWS-2を使用して、メソスケール構造体に発注出展してサンプルを調査するためのプロトコルを提供します。私たちは、楽器と達成されるパフォーマンスのレベルによって提供されている複数の動作モードを使用する方法を詳細に提示します。

Introduction

ソフトおよび生物学的材料は、大きく、複雑な集合体への自己組織化と基本単位の自己組織化などの機能によって特徴付けられる形態の豊かな多様性を示しています。彼らはまた、自由度の数が多いと協力相互作用を示す図です。構造単位、及び外部磁界に対するこのように高感度の間の相互作用が弱いです。ナノメートルからミリメートルとナノ秒から日までの広い範囲にまたがることができ、時空間の相関関係。そのため、関連する長さ - とタイムスケールの大規模な範囲で、これらの材料の特性の実験的特性評価は非常に困難です。中性子散乱技術は、構造、ダイナミクス、およびそのような複雑なシステムの熱力学的性質の研究に重要な役割を果たしています。ユニークなプローブとして、中性子が1 Hおよび2 H(重水素、D)水素同位体間の異なる相互作用の利点を提供します。大異なります水素と重水素との間の干渉性散乱長密度のレンスは、コントラスト変化とコントラスト・マッチング方法の基礎を表します。ソフトマターのほとんどおよび生物学的システムは、炭化水素で構成されているように、水素/重水素(H / D)置換広い範囲にわたって化合物の干渉性散乱長密度を変化させる可能性を提供しています。この技術では、複雑なシステム内の選択された成分は、同位体交換により標識することができます。複雑なソフトマターや生物物理学的形態内での散乱長密度およびその他のコンポーネント - 選択したコンポーネントまたは領域のそれとの間のコントラスト二乗差に応じて化学的にシステムを変更せずに散乱実験での表示または非表示にすることができます。さらに、中性子が非常に貫通されており、非破壊プローブとして、ビーム内に配置され、追加の物質からの寄与がRELIことができる特別な環境中の試料を研究するために使用することができます巧みに測定して補正。

弾性散乱実験は、試料の構造や形態についての情報を提供します。散乱強度は、Q =4π/λ罪運動量移動Qの関数として逆空間で測定され 中性子波長とΘ - - λとΘ/ 2、散乱角。これは、その後、逆フーリエ変換を介して実空間に変換されます。このように、大きなQ値は、古典的な中性子回折(ND)によって調査の原子間の相関関係で、短い長さスケールに関連しています。小さなQ値において、大きな長さスケールは、小角中性子散乱(SANS)により探索することができます。一般的に、単一または溶液中で合成又は天然高分子を組み立て、メルト、フィルム、またはバルクサンプルは、古典的なピンホールSANSの適用とuを経由して、ナノメートルからマイクロメートルサイズから、幅広い長さスケールにわたって特徴づけています(フォーカシングや単結晶回折法に基づく)LTRA-SANS技術。しかし、完全な構造的特徴を達成するためのさまざまな方法や施設の組み合わせがあるため、利用可能な試料の量、長い時間スケールを超えるサンプルの安定性、特殊な熱力学的条件での効果の再現性、および実験データの共同解析などの問題のが困難な場合があります異なる実験ジオメトリで得られました。また、高い空間や時間分解能によって特徴付けられる構造と高速構造変化を扱う研究は非常に特別な実験装置を必要とする、非常に挑戦しています。そのため、簡単かつ実用的な方法では限界が典型的な構成を超えてプッシュすることができ、汎用性の高いSANS機器の開発は、ユーザーコミュニティからのすべての特別な要求を満たすために有益です。

Jにより操作SANS回折KWS-2( 図1)2;ガルヒングでハインツマイヤー・ライプニッツセンター(MLZ)での中性子科学センター(JCNS)リッチ、もともと高い中性子束( 補足図1)の恩恵を受けて、古典的なピンホールのSANS計器たFRM II中性子源1によって配信され、専用ガイドシステム2-4。繰り返しアップグレードした後、機器は高い中性子強度と調節可能な解像度を提供し、Å-1 1×10 -4〜0.5、広いQ範囲の探査のために最適化しました。特定のサンプル環境や補助装置( 表1)が利用可能で、機器は静的測定を通じて、ミクロンまでnmでから、幅広い長さスケールにわたってソフトマターと生物物理学的システムを研究するために装備することができます。それはまた、数分の間に数十の広い時間スケールにまたがる、原因運動プロセスに平衡時または変換の下での構造および形態の時間分解調査を行うことができますミリ秒。従来の作業モード( 図2A)において、7×10 -4 A -1及び0.5Å-1の間のQの範囲は、サンプルから検出器までの距離及び/又は波長の変化を介して被覆することができます。そのため、9000オングストロームまでの10オングストロームから長さスケールでの構造的レベルと相関効果は(寸法が2π/ Qのように考えられている)実空間に検査することができます。波長の広がりΔλを提供 、機械的モノクロメーター(速度セレクター)を使用して、4.5オングストロームと20オングストロームの間の波長の選択、/λ= 20%、視準条件(コリメート長L Cと絞り開口部、A、Cの変化-ビーム内の入口開口部は、次の最後の中性子ガイドセグメント、およびS -サンプル絞り、単にサンプルの前に)、検出距離L Dのは、コンピュータ制御によって、自動的に行われます。

Q mを 、とMHzの範囲内の高計数率での高速検出は、機器の性能を向上することを目指し、最近行われました。このプロセスの間、機器は追加機能を備えていました。

可変スリット開口部( 補足図2)飛行時間型(TOF)データ取得モードとダブルディスクチョッパー5があります。チョッパー10 Hzから100 Hzの間で互いに対して2つのディスクの位置を変化させることにより、0°≤Δφ≤90°の角度の間の2つのチョッパ窓の角開口に変化する周波数f チョッパーで動作させることができます。波長分解能Δλ/λの改善はDECRによってwの中性子ガイドτの開放時間を短くすることによって達成されます。Δφを緩和および/またはf チョッパーを増加せます。検出器に記録された結果として得られるパルスの幅がwを τと一致している時間チャネルの適切な数に分割され、目的Δλ/λによって特徴付けられます。

50ミリ( 図1)の直径を有するマグネシウム蛍石のMgF 2を放物線レンズ6からなる集束素子もあります。 26のMgF 2のレンズは、異なる波長λ= 7-20Å集光条件を達成するために、ビームに独立して移動することができる3つのパッケージ(4 + 6 + 16レンズ)にグループ分けされています。レンズ材料におけるフォノンの散乱を減少させることによって透過率を高めるために、レンズは、特別な冷却システムを使用して70 Kに維持されます。

、1mmの位置分解能0.45ミリメートルの画素サイズを有する二次高分解能位置敏感シンチレーション検出器があります。検出器典型的には一定の距離L D = 17 mにおける真空槽の上部に塔内に配置され、上下方向( 図1)に又はビームの外に移動することができます。レンズを使用して高解像度の調査(低Q)は 4,7-が実行されている場合、二次検出器がビームに移動させながら、主検出器20 mでは、タンクの端部位置に駐車されています。二次検出器は、L Cの小さな入口開口ながら= 20 mが他方の焦点に、この場合には、なり、レンズ系の焦点位置に配置されます。

そこに144 3氏管のアレイからなる新しいメイン検出システムは、(λ= 5Åのための85%のチューブ当たりグローバル効率で)であり、それは0.9メートル2( 図1)への積極的な検出エリアと同等を定義します。 3彼チューブフレームの裏側に密閉ケースに搭載された革新的な急速な読み出し電子が向上特性を、読み出してバックグラウンドノイズを低減します。古いシンチレーション検出器(6李シンチレータと8×8の光電子増倍管、 図1の配列)を交換し、新しいシステムが10%でナノ秒25の効果的なデッドタイムの定数と5 MHzのと同じくらいの高全体の計数率によって特徴付けられるデッドフラットプロファイルのための時間。これらの特徴は、システムがイベント後のデッドタイムを経験するシステムよりも有利である、並列動作の独立したチャネルを含んでいるという事実に起因します。非常に高い計数率は、測定時間を短縮し、したがって、同じ時間で行うことができる実験の数を増加させます。

すべてのこれらの技術革新と、器具は、直接かつユーザーフレンドリーな方法で選択して使用することができ、複数の作業モード( 表2)を提供することにより、構造研究の広い範囲に対処することができる汎用性の高いツールとなりました。高輝度モード(図2B)、同じ解像度のための従来のピンホール方式に比べて最大12倍の強度ゲインは、サンプルサイズを増大させることによって、レンズを用いて達成することができます。チョッパーとTOFデータ取得に調整可能な解像度モードでは、異なるQの範囲内で散乱機能の改善された特徴付けは2%と20%5波長分解能Δλ/λ変化せる可能性で有効になっています。 -4、1×10限り低く拡張Qの -rangeモード( 図2C)、レンズを使用し、二次高分解能検出器、Q mÅ-1達成することができ、これは、ピンホールモードと組み合わせて、許可ミクロン範囲に1nmから連続した長さスケールを超えるサイズの探査。 Δのλ/λ狭めるためのチョッパーの使用は、重力と色彩効果WHを回避することにより、正確なビーム特性を提供しますレンズを使用したアン。リアルタイムモードでは、高強度と試料環境によるデータ取得の外部トリガを利用することによって、構造変化は、50ミリ秒までの時間分解能で解決することができます。チョッパーでダウンΔλ/λ= 5%の波長分解能を向上させることで、2ミリ秒と同じくらい良い時間分解能を実現することができます。

ここでは、詳細にその異なる作業モードでKWS-2に基づいて行われており、どのような構造情報を調べたサンプルからは、データ削減を通じて収集されたデータから取得することができる方法の典型的な実験上のプロトコルを提示します。このデモでは、我々はサイズと順序が中にKWS-2で柔軟かつ効率的な方法で広い範囲にわたって研究することができる方法を示すために、標準粒子液と1高濃度ポリマーミセル溶液のいくつかのサイズを特徴付けるためにSANSを使用します1つの実験セッション。 diffeポリスチレン球状粒子家賃のサイズ(R = 150、350、500、1,000及び4,000オングストロームの半径)とσRのサイズの多分散性式(5) 8%は、1%の体積分率での水溶液(90%D 2 O、10%H 2 Oの混合物)中に分散されています。 12%の濃度でD 2 OにC 28 H 57 -PEO5ジブロック共重合体により形成されたミセルが規則的な構造を示しています。

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

  1. Gläser, W., Petry, W. The new neutron source FRM II. Physica. B. 276-278, 30-32 (2000).
  2. Radulescu, A., Pipich, V., Ioffe, A. Quality assessment of neutron delivery system for small-angle neutron scattering diffractometers of the Jülich Centre for Neutron Science at FRM II. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. 689, 1-6 (2012).
  3. Radulescu, A., Ioffe, A. Neutron guide system for small-angle neutron scattering instruments of the Jülich Centre for Neutron Science at FRM-II. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. 586, 55-58 (2008).
  4. Radulescu, A., Pipich, V., Frielinghaus, H., Appavou, M. S. K. W. S. -2 the high intensity/wide Q-range small angle neutron diffractometer for soft-matter and biology at FRM II. J. Phys.: Conf. Ser. 351, 012026 (2012).
  5. Radulescu, A., et al. Tuning the instrument resolution using chopper and time of flight at the small-angle neutron scattering diffractometer KWS-2. J.Appl.Cryst. 48, 1849-1859 (2015).
  6. Frielinghaus, H., et al. Aspherical refractive lenses for small-angle neutron scattering. J. Appl. Cryst. 42, 681-690 (2009).
  7. Radulescu, A., Fetters, L. J., Richter, D. Structural characterization of semicrystalline polymer morphologies by imaging-SANS. J.Phys.: Conf.Ser. 340, 012089 (2012).
  8. Neutron, X-rays and Light Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. Zemb, T., Lindner, P. Elsevier Science. (2002).
  9. Pedersen, J. S. Analysis of small-angle scattering data from colloids and polymer solutions: modeling and least square fittings. Adv. Colloid Interface Sci. 70, 171-210 (1997).
  10. Barker, J. G., Pedersen, J. S. Instrumental Smearing Effects in Radially Symmetric Small-Angle Neutron Scattering by Numerical and Analytical Methods. J. Appl. Cryst. 28, 105-114 (1995).
  11. Hammouda, B., Mildner, D. F. R. Small-angle neutron scattering resolution with refractive optics. J. Appl. Cryst. 40, 250-259 (2007).
  12. Vad, T., Sager, W. F. C., Zhang, J., Buitenhuis, J., Radulescu, A. Experimental determination of resolution function parameters from small-angle neutron scattering data of a colloidal SiO2 dispersion. J. Appl. Cryst. 43, 686-692 (2010).
  13. Amann, M., Willner, L., Stellbrink, J., Radulescu, A., Richter, D. Studying the concentration dependence of the aggregation number of a micellar model system by SANS. Soft Matter. 11, 4208-4217 (2015).
  14. Ströbl, M. Diploma Thesis. Univ. Regensburg. Germany. (2008).
  15. Dahdal, Y. N., et al. Small-Angle Neutron Scattering Studies of Mineralization on BSA Coated Citrate Capped Gold Nanoparticles Used as a Model Surface for Membrane Scaling in RO Wastewater Desalination. Langmuir. 30, 15072-15082 (2014).
  16. Zhang-Haagen, B., et al. Monomeric Amyloid Beta Peptide in Hexafluoroisopropanol Detected by Small Angle Neutron Scattering. PLOS One. 11, e0150267 (2016).
  17. Kaneko, F., Radulescu, A., Ute, K. Time-resolved small-angle neutron scattering on guest-exchange processes in co-crystals of syndiotactic polystyrene. J. Appl. Cryst. 47, 6-13 (2014).
  18. Kohlbrecher, J., et al. A high pressure cell for small angle neutron scattering up to 5000 MPa in combination with light scattering to investigate liquid samples. Rev. Sci. Instr. 78, 125101 (2007).
  19. Vavrin, R., et al. Structure and phase diagram of an adhesive colloidal dispersion under high pressure: A small angle neutron scattering, diffuse wave spectroscopy, and light scattering. J. Chem. Phys. 130, 154903 (2009).
  20. Kaneko, F., et al. Development of a Simultaneous SANS/FTIR Measuring System. Chem. Lett. 44, 497-499 (2015).
  21. SAS Portal. Available from: www.smallangle.org (2016).
  22. Goerigk, G., Varga, Z. Comprehensive upgrade of the high-resolution small angle neutron scattering instrument KWS-3 at FRM II. J. Appl. Cryst. 44, 337-342 (2011).
  23. Desert, S., Thevenot, V., Oberdisse, J., Brulet, A. The new very-small-angle neutron scattering spectrometer at Laboratoire Léon Brillouin. J. Appl. Cryst. 40, s471-s473 (2007).
  24. Dewhurst, C. W. D33 - a third small-angle neutron scattering instrument at the Institute Laue Langevin. Meas. Sci. Technol. 19, 034007 (2008).
  25. Zhao, J. K., Gao, K. Y., Liu, D. The extended Q-range small-angle neutron scattering diffractometer at the SNS. J. Appl. Cryst. 43, 1068-1077 (2010).
  26. Takata, S., Suzuki, J., Shinohara, T., Oku, T., Tominaga, T., Ohishi, K., Iwase, H., Nakatani, T., Inamura, Y., Ito, T., Suzuya, K., Aizawa, K., Arai, M., Otomo, T., Sugiyama, M. The Design and q Resolution of the Small and Wide Angle Neutron Scattering Instrument (TAIKAN) in J-PARC. JPS Conf. Proc. 8, 036020 (2015).

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