Studere Soft-stof og biologiske systemer over en bred Længde skala fra nanometer og mikrometer Størrelser på Små-vinkel Neutron diffraktometer KWS-2

Bioengineering
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Den KWS-2 SANS diffraktometer er dedikeret til undersøgelse af blødt stof og biofysiske systemer, der dækker et bredt længde skala, fra nm til um. Instrumentet er optimeret til udforskning af den brede momentum transfer Q området mellem 1x10 -4 og 0,5 Å -1 ved at kombinere klassisk pinhole, fokusering (med objektiver), og tid-of-flight (med chopper) metoder, samtidig giver høj -neutron intensiteter med en justerbar opløsning. På grund af sin evne til at justere intensiteten og beslutningen inden for vide grænser under eksperimentet, kombineret med muligheden for at udstyre specifikke eksempler miljøer og accessoriske enheder, KWS-2 viser en høj alsidighed i håndteringen af ​​de essentielle strukturelle og morfologiske undersøgelser i marken. Equilibrium strukturer kan studeres i statiske målinger, mens dynamiske og kinetiske processer kan undersøges i løbet af tidsskalaer mellem minutter til et tocifret antal millisekunderSkanningen starter med tid-løst tilgange. Typiske systemer, der undersøges med KWS-2 dækker området fra komplekse, hierarkiske systemer, der udviser flere strukturelle niveauer (fx, geler, netværk eller makro-aggregater) til små og dårligt sprednings- systemer (f.eks, enlige polymerer eller proteiner i løsning). Den nylige opjustering af detekteringssystemet, som muliggør påvisning af tællehastigheder i MHz-området, åbner nye muligheder for at studere selv meget små biologiske morfologier i pufferopløsning med svage scattering signaler tæt bufferen spredning niveau ved høj Q.

I dette papir, giver vi en protokol til at undersøge prøver med karakteristiske størrelse niveauer spænder over en bred længdeskala og udstille bestilling i mesoscale struktur ved hjælp af KWS-2. Vi præsenterer i detaljer, hvordan man bruger de mange arbejds- tilstande, der tilbydes af instrumentet og niveau af ydeevne, der er opnået.

Introduction

Bløde og biologiske materialer viser en rig variation af morfologier der er karakteriseret ved funktioner som selvorganisering og selv-samling af elementære enheder til større, komplekse aggregater. De viser også kooperativ samspil med et stort antal frihedsgrader; svage vekselvirkning mellem de strukturelle enheder, og dermed høj følsomhed over for eksterne felter; og spatiotemporale sammenhænge, ​​der kan spænde over en bred vifte, fra nanometer til millimeter og fra nanosekunder til dag. På grund af den store vifte af relevant længde- og tidsplaner, den eksperimentelle karakterisering af egenskaberne af disse materialer er meget udfordrende. Spredningsteknikker med neutroner spiller en vigtig rolle i forbindelse med undersøgelsen af ​​strukturen, dynamik, og termodynamiske egenskaber af sådanne komplekse systemer. Som unikke prober, neutroner har den fordel forskellige interaktioner mellem 1 H og 2H (deuterium, D) hydrogenisotoper. Den store afvigerning i sammenhængende spredning længde densitet mellem hydrogen og deuterium repræsenterer basis af kontrast variation og kontrast matchende metoder. Da de fleste af de bløde stof og biologiske systemer består af carbonhydrider, hydrogen / deuterium (H / D) substitution giver mulighed for at variere den sammenhængende spredning længde tæthed af en forbindelse over et bredt område. Med denne teknik, kan udvalgte bestanddele i et komplekst system mærkes ved isotopudveksling. Afhængigt af dens kontrast-the kvadreret forskellen mellem dens spredning længde tæthed og de øvrige komponenter-udvalgte komponenter eller regioner i et kompleks bløde stof eller biofysisk morfologi kan gøres synlige eller usynlige i spredningen eksperimentet uden kemisk at ændre systemet. Desuden er neutroner meget gennemtrængende og kan bruges som ikke-destruktive sonder og til at studere prøver i særlige miljøer, hvor bidraget fra yderligere materialer placeret i bjælken kan være pålideligtdygtigt målt og korrigeret for.

Elastiske spredning eksperimenter levere information om strukturen og morfologien af ​​en prøve. Den spredte intensitet måles i gensidig rum som funktion af det momentum overførsel Q, hvor Q = 4π / λ synd Θ / 2, med λ - neutronen bølgelængde og Θ - spredningsvinklen; dette derefter translateres til virkelige rum gennem en invers Fourier transformation. Således store Q-værdier vedrører korte længde skalaer, med undersøges af klassisk neutrondiffraktion (ND) de inter-atomare korrelationer. Ved små Q-værdier, kan skalaer store længde blive udforsket af små-vinkel neutronspredning (SANS). Typisk enkelt eller samling syntetiske eller naturlige makromolekyler i opløsning, smelte, er film eller bulk-prøver kendetegnet over en skala bred målt fra nanometer og mikrometer størrelser, via anvendelsen af ​​de klassiske pin-hole SANS og uLTRA-SANS (baseret på fokusering eller enkelt-krystal diffraktion) teknikker. Men kombinationen af ​​forskellige metoder eller faciliteter for at opnå en komplet strukturel karakterisering er undertiden vanskelig på grund af spørgsmål såsom tilgængelige mængde prøve, stabilitet af prøver over lange tidshorisonter, reproducerbarhed af effekter i særlige termodynamiske forhold, og den fælles analyse af eksperimentelle data opnået i forskellige eksperimentelle geometrier. Desuden de undersøgelser, der beskæftiger sig med strukturer og hurtige strukturelle ændringer, der er karakteriseret ved høje rum eller tid opløsning er meget udfordrende og kræver meget specielle forsøgsopstillinger. Derfor er udviklingen af ​​alsidige SANS instrumenter, hvor grænserne kan skubbes ud over den typiske konfiguration på en nem og praktisk måde, er til gavn for mødet alle særlige krav fra brugerne.

SANS diffraktometer KWS-2 (figur 1), der drives af J2; lich Center for Neutron Science (JCNS) på Heinz Maier-Leibnitz Center (MLZ) i Garching, var oprindeligt en klassisk pinhole SANS instrument nyder godt af en høj neutron flux (Supplerende figur 1) leveret af FRM II neutron kilde 1 og den dedikerede føringssystem 2-4. Efter gentagne opgraderinger, blev instrumentet optimeret til udforskningen af en bred Q interval mellem 1x10 -4 og 0,5 Å -1, hvilket giver høje neutron intensiteter og en justerbar opløsning. Med tilgængeligheden af specifikke prøve miljøer og tilknyttede enheder (tabel 1), kan instrumentet være udstyret til at studere blødt stof og biofysiske systemer over en skala bred længde, fra nm op til um, gennem statiske målinger; det kan også udføre tid-løst undersøgelser af strukturer og morfologier ved ligevægt eller under forvandling skyldes kinetiske processer, der spænder over et bredt tidsskala mellem minutter og snesevis afmillisekunder. Ved konventionel bearbejdning (figur 2A), en Q interval mellem 7x10 -4 Å -1 og 0,5 Å -1 kan dækkes gennem variation af prøven og detektoren afstand og / eller bølgelængden. Derfor kan de strukturelle niveauer og korrelation effekter på en længde skala fra 10 A op til 9000 Å inspiceres i det virkelige rum (hvor dimensionen betragtes som 2π / Q). Udvælgelsen af bølgelængden, mellem 4,5 Å og 20 Å, anvendelse af en mekanisk monochromator (hastighed selector), der tilvejebringer en bølgelængde spredning Δλ / λ = 20%, variationen af kollimeringen betingelser (collimation længde L åbninger C og blænde, A C - indgangen blænde, efter den sidste neutron guide segment i strålen, og A S - prøven blænde, lige foran prøven) og detektionsafstand L D er færdig automatisk via computerstyring.

Q m, og den hurtige detektion ved høje count satser i MHz gennemført for nylig, der sigter mod at øge instrumentets ydeevne. Under denne proces blev det instrument udstyret med ekstra funktioner.

Der er en dobbelt-disc chopper 5 med variable opskårne åbninger (Supplerende figur 2) og time-of-flight (TOF) dataopsamling mode. Chopperen kan drives ved en varierende frekvens f chopper mellem 10 Hz og 100 Hz og ved kantede åbninger af de to chopper vinduer mellem vinkler på 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° ved at ændre positioneringen af de to skiver i forhold til hinanden. Forbedringen i bølgelængde resolution Δλ / λ opnås ved at afkorte åbningen tidspunktet for neutron guide τ w af DECRlempelse Δφ og / eller øge f chopper. De resulterende impulser er optaget på detektoren er opdelt i et passende antal tidskanaler, der svarer til τ w i bredden og er kendetegnet ved lige Δλ / λ.

Der er også fokus elementer fremstillet af magnesium fluorit MgF2 parabolske linser 6 med en diameter på 50 mm (figur 1). 26 MgF2 linser er inddelt i tre pakker (4 + 6 + 16 linser), der kan flyttes uafhængigt i strålen til at opnå fokus forhold med forskellige bølgelængder X = 7-20 Å. For at øge transmissionen ved at reducere spredning på fononer i linsematerialet linserne holdes på 70 K ved hjælp af et specielt kølesystem.

Der er en sekundær høj opløsning positions-følsom scintillationsdetektor med en 1 mm stilling opløsning og en 0,45 mm pixel-størrelse. detektorentypisk placeret i tårnet på toppen af vakuumkammeret i en fast afstand L D = 17 m og kan bevæges lodret i eller ud af strålen (figur 1). Det vigtigste detektor er parkeret i slutposition af tanken på 20 m, mens den sekundære detektor flyttes i strålen, når undersøgelser i høj opløsning (lav Q) ved hjælp af linser bliver udført 4,7. Den sekundære detektor placeres i et brændpunkt i linsen systemet, mens en lille indgang blænde ved L C = 20 m ville være, i dette tilfælde, i det andet brændpunkt.

Der er en ny main detektionssystem, der består af et array af 144 3He rør (med en global effektivitet pr rør på 85% for λ = 5 A) og som definerer en aktiv ækvivalent detekteringsområde til 0,9 m 2 (figur 1). Innovative hurtige udlæsning elektronik monteret i en lukket sag på bagsiden af 3He rørramme forbedrerudlæsning egenskaber og reducerer baggrundsstøj. Det nye system, der erstattede det gamle scintillationsdetektor (6 Li scintillator og en matrix af 8x8 fotomultiplikatorer, figur 1) er kendetegnet ved en effektiv dead-tidskonstant på 25 ns og en samlet tællehastighed så højt som 5 MHz til 10% frist tid til flade profiler. Disse funktioner er skyldes, at systemet indeholder uafhængige kanaler drevet parallelt, hvilket er en fordel i forhold systemer, der oplever doedtiden efter en begivenhed. Den meget højere tællehastighed forkorter måling gange og derfor øger antallet af eksperimenter, der kan udføres i det samme tidsrum.

Med alle disse nyskabelser, instrumentet blev et meget alsidigt værktøj, der kan løse en bred vifte af strukturelle studier ved at tilbyde flere arbejdsforhold tilstande (tabel 2), der kan vælges og anvendes i en direkte og brugervenlig måde. I høj intensitet tilstand (Figur 2B), op til tolv gange intensiteten forstærkning sammenlignet med den konventionelle pinhole tilstand for den samme opløsning kan opnås med linser ved at øge antallet af stikprøver. I justerbar opløsning tilstand med chopper og TOF dataopsamling, er forbedret karakterisering af spredningen funktioner inden for forskellige Q intervaller aktiveret af muligheden for at variere bølgelængden opløsning Δ λ / λ mellem 2% og 20% 5. I den udvidede Q -range tilstand (Figur 2C), ved hjælp af linser og den sekundære høj opløsning detektor, en Q m så lav som 1 x 10 -4 Å -1 kan opnås, som i kombination med pinhole-mode, tilladelser udforskningen af ​​størrelser over en kontinuerlig skala længden fra nm til mikrometer. Brugen af en helikopter til indsnævring Δ λ / λ giver nøjagtige stråle egenskaber ved at undgå grovhed og kromatiske effekter whOr hjælp af linserne. I realtidstilstand, ved at udnytte den høje intensitet og ekstern udløsning af dataopsamling ved prøve miljøer, strukturændringer kan løses med tiden resolutioner ned til 50 ms. Ved at forbedre bølgelængde opløsning ned til Δ λ / λ = 5% med chopper, kan tid resolutioner så god som 2 ms realiseres.

Her præsenterer vi i detaljer en protokol om hvordan typiske eksperimenter gennemføres på KWS-2 i de forskellige arbejdsformer, og hvordan der kan opnås strukturel information fra de undersøgte prøver fra de indsamlede data gennem reduktion af data. I denne demonstration vil vi bruge SANS til at karakterisere flere størrelser af standard partikel-løsninger og en højt koncentreret polymer micellar løsning for at vise, hvordan størrelse og orden kan studeres i brede intervaller på en fleksibel og effektiv måde med KWS-2 under en eksperimentel session. Polystyren sfæriske partikler med diffeleje størrelser (radier R = 150, 350, 500, 1000, og 4000 Å) og en størrelse polydispersitet af σ R ligning 5 8% er dispergeret i en vandig opløsning (en blanding af 90% D2O og 10% H2O) ved en volumenfraktion på 1%. Miceller dannet af C 28 H 57 -PEO5 diblokcopolymerer i D2O ved en koncentration på 12% viser en ordnet struktur.

Protocol

1. Indlæsning af Sample Cells

  1. Disperse polystyren sfæriske partikler med forskellige størrelser (radier R = 150, 350, 500, 1000, og 4000 A) og en størrelse polydispersitet af σ R ligning 5 8% i en vandig opløsning (en blanding af 90% D2O og 10% H2O) ved en volumenfraktion på 1%.
  2. Overfør de seks opløsninger af polystyrenpartikler i D2O / H2O, opløsningen af C 28 H 57 -PEO5 i D2O, og D2O / H2O og D2O opløsningsmidler til kvarts-celler (figur 3 ) under anvendelse Pasteur-pipetter. Fyld hver af kvarts celler op til halsen. Luk kvarts-celler med deres propper.
    BEMÆRK: Driften af ​​fylde kvarts celler med prøver skal udføres i forbindelse med udarbejdelsen prøve lab af FRM II ved at overholde de særlige arbejdsforhold, der er defineret der.
  3. Install de fyldte kvarts celler ind i Al-patroner af prøveholderen (figur 3). Placer hver fyldt kvarts celle i et hulrum af patronen og kontrollere, om kvarts cellen er fyldt med nok prøve ved at bestemme om prøven helt dækker vinduet åbning i patron, der er fastsat for neutroner. Placer korrektion og standard prøver (den tomme kvarts celle, bor-carbid plade, og plexiglas plade) i yderligere steder på patronen og efterlade et sted fri for den tomme bjælke måling.
  4. Dæk patronen med Cd-belagte Al-dækplader (figur 3) ved hjælp af cap skruer (M3x5). Fastgør patronen på Al-frame indehaveren af prøven ved hjælp af de særlige Al skruer (Figur 4).

2. Positionering Sample Holder / Sample Miljø på Sample Stage

  1. Bestem den nødvendige plads ved prøven position prøveholderen ved at justerelængden af kollimeringen næse (figur 5). Vælg den relevante konfiguration til indehaveren af ​​prøven fra de gemte konfigurationer i kollimeringen næse kontrolsystem.
  2. Installere passende prøveholder / prøve miljø på prøven fase i den forudbestemte position på den optiske breadboard hjælp unbrakoskruer, M6x40 (figur 6).
  3. Luk motordrevet glidende bly dør (figur 5) ved hjælp af knapperne på sin ydre side, holde betjeningsknapperne aktiveret, indtil døren når slutningen position, som vil blive angivet med et lysende signal.
    Forsigtig: Uden for døren helt lukket og den endelige switch aktiveres, strålen lukkeren kan ikke åbnes, enten manuelt eller fra målingen kontrol software; målingen software vil kræve en ekstra check for dette spørgsmål, før du starter målingen.

3. Planlægning af forsøg

  1. Vælg adequspiste eksperimentel konfiguration og mode for at udføre undersøgelsen en Q område, der er passende for længden omfanget af de strukturer og korrelationseffekt afsløret af prøven. Check det dynamiske område af instrumentet 4 (figur 7 og tabel 2).
  2. Vælg den passende eksperimentelle konfiguration og indstilling, der muliggør korrekt intensitet på prøven baseret på den anslåede spredte intensitet ved at kende den omtrentlige størrelse, koncentration, og kontrast faktor, der kendetegner de prøver, der skal undersøges 8. Dette gøres for at optimere måletiden for en målrettet målt statistik og til at matche prøven stabilitet i tilfælde af prøver med en kort stabilitet tid. Check intensiteten kortet for forskellige eksperimentelle konfigurationer 4 (Supplerende figur 1 og tabel 2).
  3. Vælg den passende eksperimentelle konfiguration og indstillingtil tilvejebringelse af en korrekt beslutning baseret på en omtrentlig kendskab til graden af polydispersitet i størrelse og koncentrationen af spredningen objekter i prøve 8. Dette gøres for at muliggøre løsningen af ​​fine scattering funktioner, der opstår på grund af bestilling virkninger i prøven. Check for muligheden for tuning bølgelængden resolution 5 (tabel 2).

4. Forberedelse af Measurement Software og Gennemførelse og visualisere Experiment

  1. Start softwaren målingen ved at skrive KWS2TC i et terminalvindue ved måling kontrol computer med KWS-2 instrument for at aktivere hovedmenuen (Supplerende figur 3). Brug venstre sæt funktioner til at definere de elementære motoriske positioner (Konfiguration), til at vælge prøver og opsætning betingelser (Definition), for at starte målingen og overvåge alle motorer (Control), og for at overvåge den faktiskedetektor (Live-Display).
  2. Vælg Konfiguration funktionen i hovedmenuen for at aktivere kws2-Configuration menu (Supplerende figur 4) at fastlægge de brugerdata og konfigurere elementære motoriske holdninger og set-point for de enheder og felter på prøven.
    1. Vælg UserData funktionen (Supplerende figur 4) og fyld felterne User navn, e-mail, første del af filnavnet, og måling kommentar i menuen Brugerdata (se / rediger). Forlad menuen ved at klikke på Gem.
      Forsigtig: Brug ikke specialtegn, ligesom @, $,%, osv, for filnavnet præfiks. Undgå at bruge specialtegn i hele eksperimentelle procedure.
    2. Vælg Sample funktionen (Supplerende figur 4) for at aktivere Sample konfigurationsmenuen (Supplerende figur 4). Udfyld felterne Sample titel, Sample beam vindue - Størrelse, Sample tykkelse, og Kommentar for hver Sample og position valgt fra venstre lodrette liste over menuen. Gem hver prøve konfiguration efter endt definition. Forlad menuen ved at klikke på Luk.
    3. Gem alle konfigurationer under File funktion på øverste sæt af funktioner i menuen Konfiguration.
  3. Vælg Definition funktionen i hovedmenuen (Supplerende figur 3) for at aktivere kws2 Definition menuen (Supplerende figur 5) for at definere forsøgsopstillingen og måleprogrammet.
    1. Vælg Sample funktion med henblik på at aktivere udtage menuen (Supplerende figur 5).
      1. Vælg de tolv prøver, der skal måles (som vist i figur 3) fra listen over kendte prøver i venstre lodrette felt og flytte dem til den udvalgte prøver felt ved hjælp af blå pil. Bestille listen over de udvalgte prøver ved hjælp af de blå lodrette pile.
      2. Tjek prøven ptning og justere navn, tykkelse og kommentar, hvis det er nødvendigt. Forlad menuen ved at klikke på Gem eller Luk.
    2. Vælg Detector funktion for at aktivere Definition af Målinger menuen (Supplerende figur 6).
      1. Vælg den statiske måling typen ved at vælge Standard i måleområdet. I sidste ende betingelser område, skal du vælge den korrekte tidsenhed for feltet måling tid.
      2. I Select Detector og Kollimation Afstande område, skal du vælge den eksperimentelle opsætning og funktion ved at vælge de relevante værdier for bølgelængden (Selector felt), detektionsafstand (Detector Distance feltet), datafangst mode (TOF felt), der tager sigte bølgelængde opløsning (DLambda / Lambda felt), måling tid (Time felt), linser konfiguration (linser felt), og kollimering afstand (kollimation distance felt).
      3. Klik på knappen Ny efter en konfiguration er helt defineret for at ordne det og gemme det i lower bord. Definer den næste konfiguration og gemme det på samme måde, indtil hele sæt af konfigurationer (Supplerende figur 6) er afsluttet. Hit Gem eller Luk i Definition af Målinger menu, når justeringen af ​​forsøgsopstillingen og arbejdsvilkår modes er færdig.
      4. Sortere listen over målinger i henhold til de tre sløjfer (sortering forhold) vises nederst i den menu, der er genereret af programmet (Supplerende figur 7). Fjern de målinger, der ikke ønskede ved at markere den tilsvarende linje og klikke på "X" knappen markeret med rødt. Juster måling for hver måling som ønsket ved at kontrollere den samlede definerede måletid i den centrale område, markeret med rødt, i kws2 Definition menu, som altid forbliver aktiv på skærmen.
      5. Lad menu med Gem eller Luk og gå tilbage til kws2 Definition menuen (Supplerende figur 5). Luk kws2 Definitionmenuen og vende tilbage til hovedmenuen (Supplerende figur 3).
  4. Vælg Control funktionen i hovedmenuen for KWS2 måling software (Supplerende figur 3) for at aktivere Måling kontrol menuen (Supplerende figur 8).
    1. Log ind med brugernavn og adgangskode, som vil blive meddelt af instrumentet videnskabsmand og låse sessionen til at generere scriptet, som vil udføre kommandoerne i den uploadede måleprogram. Vælg Loop Definition for at kontrollere den uploadede måleprogram.
    2. Tryk på knappen Start, og besvare de spørgsmål, der genereres af programmet om den faktiske status af prøven position døren og bjælken-lukkeren. Målingen Programmet vil blive startet. Vælg aktuelle værdier for at muliggøre visualisering af den igangværende måling (holdninger motorer og status for instrumentets komponenter, tælle sats, og Evolution af integralet intensitet i tid).
      BEMÆRK: Den integrerede intensitet på detektoren og tællehastighederne af detektoren og skærme er vist og kan bruges til at ændre programmet måling, enten individuelt eller hele den sæt målinger.
  5. Tillad målingerne gennemført og afsluttet i henhold til den definerede måleprogram.
    BEMÆRK: Målingerne kan afbrydes eller stoppes ved at aktivere stop-funktion og vælge den ønskede indstilling (for at fortsætte, for at stoppe den aktuelle måling med eller uden at gemme filen, eller for at stoppe hele programmet), når den integrerede intensitet indsamlet op til en bestemt tidspunkt anses for tilstrækkeligt, eller når fejl er identificeret i målingerne rækkefølge.
    1. Generer Logbog af målingen session ved at klikke på knappen Udskriv under Loop Definitioner option (Supplerende figur 8), når det definerede måleprogram er blevet stoppet eller compniveau, slettes.
  6. Vælg Levende-Display i hovedmenuen af KWS2 måling software (Supplerende figur 3) for at aktivere KWSlive_MainWindow interface (Supplerende figur 9).
    1. På skærmbilledet vælge enten GEDET eller PSD for at visualisere data indsamlet med de vigtigste eller den sekundære (høj opløsning) detektor hhv. Vælg visualisering tilstand ved Display Mode ved at vælge den tredimensionale (Surface), den todimensionale (Contour), eller den endimensionale (Radial gennemsnit) mode. Indtast plot muligheder (lineære eller logaritmisk skala) og parameterværdierne (bølgelængde og detektion afstand L D) inden for den gennemsnitlige indstillinger menuen Radial for at muliggøre præsentation af data som n intensitet (ukorrigeret) versus Q.
    2. Vælg en ønsket TOF-kanal for at visualisere data indsamlet i TOF-tilstand (med enten hoved- eller den sekundære detektor).

5. Data Analysis

  1. Start databehandling software ved at skrive qtiKWS kommando i en terminal vindue i dataanalyse computer af KWS-2 instrument. Vælg Ny Script option på højre side af den primære grænseflade.
  2. Vælg DAN mulighed i øverste funktioner menu af de vigtigste interface (Supplerende figur 10) for at aktivere dataanalyse funktioner. Vælg KWS-2 instrument fra Indstillinger i menuen til højre side for at aktivere dataanalyse mode for data målt på KWS-2 ved hjælp af primære detektor. Definer den mappe, hvor de målte data filer er placeret, og hvor de korrigerede datafiler gemmes.
  3. Vælg indstillingen Tools og aktivere Header (e) funktion på højre side menuen (Supplerende figur 11) og generere info-tabel, der indeholder de filer, der skal behandles. Definer navnet tabellen ved at klikke på venstre sæt grønne pilepå Header (e) område. Læg de målte filer ved at klikke den rigtige kombination af grønne pile på Header (er) feltet og vælge de målte filer.
    BEMÆRK: Info-tabel, der indeholder de fuldstændige oplysninger om hver måling fil gemmes i explorer-lignende menu i den nederste del af projektet. Alle resultater, som vil blive genereret senere i projektet vil blive gemt der.
  4. Aktiver Mask funktion i højre side af menuen (Supplerende figur 12) og generere den aktive maske, der definerer det område af detektoren, der vil komme i betragtning til databehandling. Indtast værdier i Edge og Beam-Stop felter for at definere det nederste venstre og øverste højre hjørne på den rektangulære maske i tilfælde af analysen af ​​isotrope sprednings- mønstre.
  5. Aktiver Sensitivity funktionen i højre side menuen (Supplerende figur 13) og generere detektoren følsomhed for en bestemt konfiguration ved at indtaste i den markante grønne fifelter run numre for målingerne af standard prøve (plexiglas), tomme bjælke (EB), og blokeret stråle (B4C).
    1. Klik på det sæt af grønne pile ved siden af ​​det gule felt (transmission) til beregning af transmissionen af ​​standard prøve. Generer og navngive følsomhed matrix ved at vælge Beregn som Ny, og visualisere den genererede matrix ved brug af passende plot funktioner i den nederste menu. Gentag denne procedure i tilfælde af andre konfigurationer.
  6. Aktiver Data Processing-funktionen i højre side menuen (Supplerende figur 14) og generere korrektionen og kalibrering bord og scriptet tabellen for at rette, kalibrere, og udføre den radiale midling af data.
    1. Definere antallet af betingelser, der anvendes i eksperimentet ved hjælp af vandrette skyder på toppen af ​​den højre menu (rød pil). Udfyld felterne der er markeret med den gule blyant ved at indtaste for hver eksperimentel betingelsekøre tal for den tomme celle (EF), blokeret stråle (B4C), og standard prøver-det plexiglas (Abs. Cal. FS), tomme stråle for standard korrektion (Abs. Cal. EB), og blokerede stråle til standarden korrektion (Abs. Cal. B4C).
    2. Indtast de kører antal målinger med stærke fremad spredning i feltet Center. Indtast run nummeret på en tom bjælke i EB feltet og vælg den tilsvarende eksperimentel betingelse for beregningen af ​​fremsendelse af prøver ved at markere feltet ved siden af ​​funktionen Tr (Ec-til-EB).
    3. Klik på hver knap angivet med et sæt roterende grønne pile på den lodrette række muligheder (Supplerende figur 14) for at indlæse de nødvendige oplysninger til forarbejdning af data fra de definerede filer og til at beregne transmissionen af den tomme celle. Klik lederen af ​​hver gul søjle for at definere kolonnenavnet.
    4. Klik på knappen Ny for at generere og navngive tabellen over de datafiler, vil Be behandles. Klik på knappen Tilføj for at indlæse datafiler, der vil blive behandlet. Klik på knappen Tr angivet med det sæt af roterende grønne pile under Script-Table Værktøj område for at beregne transmissionen af ​​hver prøve. Tjek resultaterne i den genererede tabel (Supplerende figur 14).
    5. Vælg Projekt i nederste højre hjørne af interfacet (Supplerende figur 14) for at gemme alle resultaterne som tabeller eller matricer i den aktuelle qtiKWS session (projekt). Klik på knappen I [x, y] for at udføre korrektionen og kalibrering af todimensionale data. Klik på knappen I (Q) for at udføre korrektionen, kalibrering og radial midling af data. Plot resultaterne ved hjælp af de grafiske funktioner under Graph (Supplerende figur 15) mulighed.
      BEMÆRK: Alle resultater vil blive genereret som eksterne filer, der vil blive gemt i den eksterne mappe, der blev defineret i trin 5.2, da, i the nederste højre hjørne af grænsefladen, er File valgt i stedet for Project.
  7. Vælg Værktøjer i højre side menuen (Supplerende figur 11) og aktivere TOF | RT option (Supplerende figur 16) for at splitte de data, der blev indsamlet med de vigtigste detektor i TOF arbejder tilstand i enkelte filer, der svarer til hver gang kanal.
    1. Klik på TOF :: Beregn Parametre funktion og belastning en fil, hvorfra oplysninger om TOF betingelser er udvundet. Klik på TOF | RT :: Sum vs nummer :: Læs funktion og indlæse filen af ​​interesse, målt i realtid eller TOF tilstande, for at generere en sum-tof-fil tabel som der er vist på venstre side af arbejdsmiljøet grænseflade. Plot den integrerede intensitet som funktion af tid kanaler (Supplerende figur 16) fra summen-tof-fil ved hjælp af de grafiske muligheder under Graph funktionen i den øverste funktioner menuen.
    2. Definer behandlingen ptning inden for TOF-funktionen. Klik på TOF | RT :: Alle valgte Steps :: Fortsæt knappen for at indlæse datafiler, der vil blive adskilt i enkelte filer svarende til hvert af de definerede tidsintervaller.
      BEMÆRK: Filer, der indeholder data målt i hver timeslot genereres og lagres i stedfilen defineret i trin 5.2 og modtage navnet på den oprindelige TOF fil, efterfulgt af antallet af tidsvinduet.
    3. Fortsæt som i trin 5.6 med henblik på at analysere de målte data med forbedret opløsning, svarende til Δλ Å sigter, ved hjælp af helikopter.
  8. Vælg KWS2-HRD instrument fra Indstillinger i menuen til højre side af den primære grænseflade (Supplerende figur 17) for at aktivere dataanalyse mode for data målt med KWS-2 ved hjælp af den sekundære høj opløsning detektor. Aktiver Mask funktionen i menuen højre side (Supplerende figur 18A) og generate den aktive maske, der definerer det aktive område af detektoren.
    1. Vælg DANP mulighed i den øverste funktioner menu af de vigtigste interface (Supplerende figur 18B). Vælg ASCII.2D i menuen til højre side. Aktiver 2D Masking funktion med henblik på at definere en særlig sektor på detektoren, der vil komme i betragtning til dataanalyse.
    2. Indføre strålen-stop center i marken Center. Vælg masken matrix og værdien 0 i Mask :: Betingelser at forsømme området uden for den særlige maske. Vælg den kantede sektor og klik på den farvede knap på højre side af sektoren felter. Fortsæt med de målte data med høj opløsning detektor, som i trin 5.5 og 5.6.
  9. Gem qtiKWS projektet (gem funktioner under File mulighed for den øverste menu).

Representative Results

Repræsentative resultater af en vellykket eksperiment, der blev udført med KWS-2 i forskellige arbejdsgrupper tilstande struktur og morfologi to repræsentative typer af bløde stof systemer er givet i figur 8-11. Disse resultater er fra undersøgelser af en række polystyrenstandard-partikler i D2O / H2O opløsninger, med en D2O indhold på 90%, og af den fuldt protoneret diblokcopolymer C 28 H 57 -PEO5 i D2O ved en høj polymer volumenfraktion (12%). De polystyren standard-partikler, med radier R = 150, 350, 500, og 1000 Å blev brugt til at teste den konventionelle pinhole tilstand ved hjælp af forskellige kombinationer af detektionsafstande L D og bølgelængder λ. Større størrelse partikler (R = 4000 Å) blev anvendt til at teste og idriftsætte den udvidede Q -range mode. Diblokcopolymeren der giver en ordnet micellar struktur ved høje koncentrationer af D2O blev anvendt til at teste og bemyndiger afstemmelige opløsningsmodus.

Figur 8 viser resultaterne af de to-dimensionelle scattering mønstre målt i pinhole tilstand ved hjælp af den vigtigste detektor (den gamle scintillationsdetektor) og i den udvidede Q -range tilstand ved hjælp af de fokus linser og høj opløsning sekundær detektor. Figur 8A repræsenterer spredning mønster fra polystyren partikler med R = 500 Å målt ved L D = 8 m ved hjælp af λ = 5 Å. Figur 8B viser spredningen mønster fra polystyren partikler med R = 1000 Å, indsamlet på L D = 20 m ved hjælp af λ = 20 Å. For målingerne udført med λ = 5 Å, blev den direkte stråle opsamlet på den centrale bjælke-stop installeret foran detektoren, og den transmitterede stråle kan overvåges med et Smalll 3He tæller, der blev installeret i midten af strålen-stop. Dette er den såkaldte Monitor 3 (Supplerende figur 8). Instrumentet har to yderligere 3 Han tællere, som er installeret foran hastigheden vælgeren (Monitor 1) at overvåge polykromatisk stråle, og bag hastigheden vælgeren (Monitor 2) at overvåge monokromatisk stråle. På grund af tekniske begrænsninger, blev målingerne med λ = 20 Å udført med den direkte stråle på detektoren, som var den typisk opsætning anvendes med den gamle KWS-2-detektor. Den svagere, direkte stråle intensitet ved lange bølgelængder, der falder ned på grund af tyngdekraften, kunne påvises uden skader på detektoren. Den udsendte stråle i dette tilfælde blev overvåget med Monitor 3 på en kort detektionsafstand L D = 2 m. I dette tilfælde er de tyngdekraft effekter er svage og den direkte stråle falder på bjælken-stop (som i figur 8A). De data, der indsamles to-dimensionally på detektoren for en pixelstørrelse på 5,25 mm x 5,25 mm blev yderligere korrigeret for detektoren følsomhed, og bidragene fra den tomme celle, instrument baggrund, og opløsningsmiddel var absolut kalibreres ved hjælp af spredning fra plexiglas sekundære standard 4. Endelig blev scattering mønstre, der blev isotropisk fordelt omkring positionen Q → 0 gennemsnit radialt, der har truffet da / dΩ for hver polystyren partikel system.

Det todimensionale spredning mønster fra de store polystyrenpartikler (R = 4.000 A) er vist i figur 8C, som det blev målt med den høje opløsning detektor for en pixelstørrelse på 0,5 mm x 0,5 mm. Den lille direkte stråle fokuseres af linsesystemet på påvisning plan og er omfattet af en lille bjælke-stop (4 mm x 4 mm) installeret på detektoren ansigt. kan observeres skyggen af ​​den kvadratiske bjælkelignende stop i <strong> Figur 8C i øverste venstre side af den aktive detektor området. Gravity effekter fremkalde en bred vertikale fordeling af neutroner af forskellige bølgelængder på detektoren. Desuden, fordi linserne er fokuseret perfekt, kun de neutroner karakteriseret ved den centrale bølgelængde λ af den trekantede fordeling leveres af hastigheden vælgeren 2,5; neutronerne af forskellige bølgelængder omkring det centrale ene ankommer på detektoren lidt ude af fokus. Disse to virkninger giver de svage direkte stråle spor, som kan observeres lige over og under strålen-stop. I den statiske udvidet Q -range tilstand ved hjælp linser og den høje opløsning detektor, er de indsamlede data kontinuerligt. For at mindske bidraget fra tyngdekraften virkninger, er de spredte data analyseres i en smal vinkelsektor, der starter fra strålens stop og strækker vandret til sin ret, som vist i figur 8C. Dataene behandles fDERLIGERE hjælp den typiske tilgang til at nå da / dΩ. Figur 8D viser intensiteten versus position fra strålen-stop mod randen af detektoren, som det blev opsamlet i en smal horisontal skive med en bredde på 1 pixel (0,5 mm) på den høje opløsning detektoren. Data fra prøveopløsningen og referencen (opløsningsmiddel) er vist som de blev opsamlet i en kort test måling af 5 min. Faldet i intensitet ved korte positioner skyldes bjælkelignende stop. Ud fra forholdet mellem intensiteterne i den korteste positioner, kunne prøven transmission (87%) estimeres.

De korrigerede og kalibrerede opnåede resultater i form af da / dΩ om opløsning af polystyrenpartiklerne med R = 500 Å er vist i figur 9, sammen med dem fra opløsningsmidlet. Disse resultater illustrerer Q område, der kan dækkes med KWS-2 på konventionel pinhole tilstandgennem variationen af detekteringspositionen L U og anvendelse af en eller flere bølgelængder. Formfaktor indeholder 8,9 af de sfæriske partikler også afsløret: den Guinier region ved lav Q og svingninger på grund af den sfæriske Bessel-funktionen i det mellemliggende Q interval. I høj Q interval, er spredningen profil domineret af spredningen fra opløsningsmidlet, og derfor viser en flad adfærd, ligesom der fra selve opløsningsmidlet. Formfaktor minima påvirkes af instrumentet resolution 5 på den ene side, og af partikelstørrelsen polydispersitet på den anden side. Instrumentet opløsning i tilfælde af KWS-2 er for det meste afhængig af bølgelængden spredning af Δλ / λ = 20%. Størrelsen polydispersitet til alle typer partikler var ca. σ R = 8%. Figur 10 viser resultaterne opnået i SANS undersøgelse af alle typer polystyrenpartikler udtrykt som dΣ/ DΩ efter korrektion for opløsningsmidlet bidrag blev anvendt. De Guinier regionerne klart fremgår af alle partikler mod lavere Q-værdier, mens i de høje Q intervaller, er hældningen af -4 afsløret, hvilket er typisk for den form faktor af de sfæriske objekter. De strukturelle parametre for standard-størrelse partikler blev bekræftet af fit af data med form-faktor polydisperse kugler 8,9 højtravende med opløsning funktion af instrumentet 10-12.

Figur 11 viser den todimensionale og radialt midlede endimensionale scattering mønstre fra bestilling struktur C 28 H 57 -PEO5 polymer miceller, der forekommer i D2O ved en polymer volumenfraktion på 12%. Resultaterne blev indsamlet på forskellige detektionsafstande L D, med både konventionelle pinhole og afstemmelige opløsning for kombineret isamme måling session. Når systemet er undersøgt i den konventionelle pinhole tilstand ved hjælp af bølgelængden spredning af Δλ / λ = 20%, som leveres af hastigheden vælgeren, og kontinuerlig (statisk) dataopsamling, er tre brede toppe observeret i spredningen mønstre på L D = 4 m. I afstemmelige opløsningsmodus, ved hjælp af chopper og TOF dataopsamling i kombination med hastigheden vælgeren, bølgelængden spredning kan forbedres, således at det kan kontrolleres, om disse funktioner er reel, eller hvis en fin struktur af dem vil i sidste ende blive vist. Den første og anden toppe observeret ved Δλ / λ = 20% afslører en opsplitning, når de måles med Δλ / λ = 5%, hvilket gjorde det muligt for en klar identificering af bestilling af miceller i ansigt-centreret kubiske (FCC) krystaller 5,13 .

Det er to typiske eksempler på, hvordan den alsidighed og ydeevne af KWS-2 SANS diffra ctometer kan bruges på en nem og brugervenlig måde ved at følge den medfølgende protokol for at gennemføre detaljerede undersøgelser af blødt stof og biofysiske systemer, der viser komplekse strukturelle træk i form af længde skala og bestilling.

figur 1
Figur 1: Layout af KWS-2 SANS instrument, herunder alle opgraderinger udført mellem 2010 og 2015. (A) Den generelle opfattelse af instrumentet. (B) Det sekundære høj opløsning detektor og dens tårn på toppen af vakuumkammeret. (C) MGF 2 fokus linser, inddelt i tre pakker, og deres kølesystem (kolde hoved). (D) Den gamle vigtigste detektor (scintillation) med dens 8 x 8 matrix af fotomultiplikatorer. (E) Den nye primære detektor (3 Han rør) med et større detekteringsområde.f = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54639/54639fig1large.jpg" target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2: Skematisk billede af tre arbejdsdage tilstande tilbydes på KWS-2. (A) Den konventionelle pinhole tilstand. For L C = L D, hvor L C og L D er kollimeringen og påvisning længde henholdsvis og optimal pinhole betingelse A C = 2A S, hvor A C og A S er kollimeringen indgangsåbningen og prøven åbning, henholdsvis , strålen profil i 'P ved detektoren er omtrent trekantet med en base bredde lig med 2A C. (B) Den høje intensitet fokus tilstand. Ved at bruge linser, kan større prøver måles med samme opløsning som i the konventionel pinhole mode (bjælken profil I »P ved detektoren er rektangulær i dette tilfælde). (C) Den udvidede Q -range fokus-funktion. Ved at bruge linser og en lille indgang blænde A C (typisk 4 mm x 4 mm), der er placeret på et centralt punkt i det linsesystem, er en lille stråle transmitteret på detektoren, som er placeret på den anden omdrejningspunktet for linserne . Derfor kan en lavere værdi for det mindste bølgevektor transfer Qm end i konventionelle pinhole tilstand opnås. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3: View af prøverne monteret i Al-patron indehaveren af prøven til målinger ved stuetemperatur. ihulrum, der er fastsat i Al-patron. (A) kvarts celler (B) fyldt med prøver og dækket med deres propper (C) kan placeres. De positioner på Al-patron var besat med prøver på følgende måde: i stillinger No. 1 til nr 5, polystyren partikler med størrelser af R = 150, 350, 500, 1000 og 4000 Å i D2O / H2 O opløsningsmiddel; i position No. 6, C 28 H 57 -PEO5 diblokcopolymer i D2O; i positioner No. 7 og # 8, opløsningsmidlerne D2O / H2O og D2O; i position No. 9, den tomme kvarts celle (reference); i position No. 10, plexiglas (standard); i position No. 11, intet (til måling af det tomme bjælke); i position No. 12, B 4 C plade (tapede på bagsiden, til måling af instrumentet baggrund med den blokerede stråle). Al dækplade (D), belagt med Cd maske på ydersiden, erfastgjort på toppen af patronen med skruerne (E) for at sikre prøvecellerne og til at definere neutron vindue (F). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4: Udsigt over en af flere niveauer og multi-position celle-holdere, der anvendes på KWS-2 til målinger i det omgivende miljø. Prøverne til den aktuelle eksperimentelle session blev installeret i den midterste niveau. De tre niveauer kan udstyres med patroner (a) er udformet til forskellige celle geometrier, der er lukket med Al-dækplader overtrukket med CD masker på den ydre flade (mod neutroner). Installationen af patroner på holderen er udført ved hjælp af skruerne (B (C), der tillader dets installation i en forudbestemt position på prøven scenen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5: Skematisk ovenfra af prøven området KWS-2. (A) Præsentation af to ekstreme konfigurationer af kollimeringen næse, der viser den tilgængelige plads til installation af forskellige sample miljøer i bjælke (neutroner kommer fra bunden, som angivet ved de gule pile). (B) Kontrolpanelet af bly døren, med åbning og lukning taster (1 og 2, henholdsvis). Døren motor fungerer kun så længe tasterne kontinuerligt trykkes. Døren er udstyret på kanterne medsensorer, der inducerer lukning af motoren, når en forhindring detekteres. Efter fjernelse af forhindringen, kan motoren blokering annulleres med den øverste tast (3), og åbne eller lukke handling kan genoptages. (C) Betjeningspanelet af kollimering næse. Fra næsen panel, kan en passende konfiguration vælges med tasten (4). Næsen bevæges ved at holde knappen (5) kontinuerligt aktiveret, indtil den valgte positionering er nået, og bevægelsen stopper af sig selv. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6: Installation på flere og flere positioner prøve holder på prøven scenen for SANS målinger ved omgivelsestemperatur (Foto kreditter: Wenzel Schürmann, Technische Universität München, Tyskland). De vigtigste komponenter ved prøvens position er kollimeringen næse med prøven åbning ved sin ende (A), prøve fase, der giver den vandrette og lodrette placering af prøverne i bjælken (B), indgangen vindue af detektoren vakuumkammeret (C), den ledende døren med sensorer på sin kant (D), og basen støtte af cellen holder (E), som foreskriver montering af holderen på den optiske breadboard (F) af prøven fase. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7: Det dynamiske område for forskellige instrumentale opsætninger på KWS-2. I 0 repræsenterer neutronflux på prøven position. De definerede områder angiver den tilgængelige Q område, der kan dækkes, når bølgelængden er varieret mellem 4,5 Å og 20 Å for bestemte kollimering-afsløring konfigurationer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8
Figur 8: Eksempler på todimensionale scattering mønstre indsamlet under den eksperimentelle session i henhold til den gældende protokol. (A) Spredningen mønster opsamlet ved L D = 8 m fra polystyrenpartikler med en radius på R = 500 Å i D2O / H2O, som målt med λ = 5 Å. Spredningen mønster er isotropisk fordelt omkring BEAM-stop, som blokerer direkte stråle i midten af ​​detektoren. (B) Spredningen mønster opsamlet ved L D = 20 m fra polystyrenpartikler med en radius på R = 1,000 Å i D2O / H2O, som målt med λ = 20 Å. Spredningen mønster er isotropisk fordelt rundt positionen af ​​den transmitterede stråle, der for denne bølgelængde falder ind under strålen-stop og er maskeret sammen med bjælken-stop ved hjælp af funktioner i visualisering software. (C) Spredningen mønster opsamlet med den høje opløsning detektor ved L D = 17 m fra polystyrenpartikler med en størrelse på R = 4,000 Å i D2O / H2O, som målt med λ = 7 Å i den udstrakte Q interval , med linser og den høje opløsning detektor. Spredningen mønster er isotropisk fordelt omkring den lille bjælke-stop (4 mm x 4 mm), som blokerer den fokuserede direkte stråle. Den vinkelsektor i which analyseres yderligere data er angivet på højre side af bjælken-stop. (D) Intensiteten versus position fra strålens stop som det blev opsamlet i en kort test måling i en smal horisontal skive, med bredde på 1 pixel (0,5 mm), på den høje opløsning detektoren. Dataene er vist fra prøveopløsningen og referencen (opløsningsmiddel). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9
Figur 9: spredningen mønstre fra polystyrenpartiklerne i D2O / H2O-opløsning (symboler) og fra opløsningsmidlet (linjer). Dataene blev indsamlet i den konventionelle pinhole tilstand ved forskellige instrument konfigurationer,er angivet med forskellige farver. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 10
Figur 10: spredningen mønstre fra polystyrenpartikler af forskellig størrelse i D2O / H2O efter korrektion for spredning fra opløsningsmidlet blev anvendt. De røde linier repræsenterer passer med kugleform-faktor 9, herunder instrumentet opløsning 10, 11 og størrelsen polydispersitet. Den typiske Q -4 asymptotisk opførsel for den sfæriske form faktor er angivet med den rette linje i høj Q interval. Den lave grænse for Q område, der dækkes med forskellige bølgelængder eller opsætninger er specifikt Marked. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 11
Figur 11: De to-dimensionale og den radialt gennemsnit endimensionale scattering mønstre fra de C 28 H 57 -PEO5k polymer miceller i D2O (på en polymer volumenfraktion på 12%), målt i den konventionelle pinhole tilstand med Δλ / λ = 20% (øverst) og i den afstembare opløsningsmodus, med Δλ / λ = 5% ved L D = 4m (venstre side) og L D = 8m (højre side). I den konventionelle tilstand, kunne tre brede toppe observeres. En fin struktur af de to første toppe er afsløret 5, 13 med forbedret Δ & #955; / λ opløsning. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 12
Figur 12: Spredningen mønster fra fuldt protonerede PHO10k-PEO10k diblokcopolymer miceller i D2O (efter korrektion for spredning fra opløsningsmidlet blev anvendt), som målt ved at kombinere den konventionelle pinhole og de udvidede Q -range modes. En kerne-skal cylindrisk morfologi er angivet ved Q -1 afhængighed af spredt intensitet ved mellemliggende Q og Q -5/3 afhængighed (blob spredning) observeret ved høj Q. Intensiteten plateau ved lav Q og bøjning på mellemliggende Q afslører than længde og tykkelse af cylindrene, henholdsvis. Den røde kurve repræsenterer pasformen af de eksperimentelle data med en kerne-skal-cylinder model 9, med den instrumentelle opløsning inkluderet 10-12. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 13
Figur 13: spredningen mønstre fra polystyren partikler (R = 150 Å) i D2O / H2O, målt i den konventionelle pinhole og høj intensitet (linse) tilstande. (A) De endimensionale scattering mønstre målt med λ = 7 Å ved L D = 8 m i den konventionelle mode og ved L D = 20 m i højintensive mode med linser. i than højintensive tilstand, forskellige beam størrelser på prøven, blev benyttet for at øge intensiteten. Op til 12 gange den øgede intensitet blev opnået, når 26 linser blev anvendt sammenlignet med den konventionelle pinhole tilstand. En stor prøve blev anbragt i strålen ved hjælp af en rund kvarts celle med en diameter på 5 cm. (B) Den todimensionale spredning mønster opsamlet på detektoren i pinhole tilstand til en stråle-størrelse på 10 mm x 10 mm. (C) Den todimensionale spredning mønster opsamlet på detektoren i højintensive tilstand ved hjælp 27 linser og en stråle størrelse på 30 mm x 30 mm. Størrelsen (opløsning) af den direkte stråle fokuseret på detektoren, er den samme som i den pinhole tilstand. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 14
Figur 14: Spredningen mønster fra pufferopløsningen og fra beta amyloid protein monomerer (Ap 1-42, molekylvægt M W = 4.5 kDa) i deutereret hexafluorisopropanol dHFIP puffer ved en koncentration på 5,6 mg / ml efter tre ugers inkubation. De fuldstændige prikker repræsenterer spredningen kurven fra proteinopløsningen mens den fulde trekant viser spredningen kurven fra pufferopløsningen. De blå prikker angiver spredningen tværsnit (på højre lodrette akse) fra monomerer efter korrektion for bufferen bidrag blev påført. Fejlbjælkerne viser standardafvigelserne afledt fra neutronkilden tæller. Den røde fuldt optrukne linie viser den tilpassede Beaucage funktion med fast dimensionalitet d = 2 14. Klik her for at se en større version af dette tal.


Figur 15: spredningen mønstre fra lysozym 50 mg / ml i 50 mM acetatpuffer i D2O og fra pufferopløsning målt ved forskellige tryk, fra omgivelsestemperatur til 5.000 bar. Symbolerne repræsenterer data fra proteinopløsningen mens linjerne viser data fra bufferen. Dataene blev indsamlet på to detektionsafstande, L D = 4 m (åbne symboler) og L D = 1 m (fuld symboler). Det indsatte viser forløbet af den forreste spredte intensitet I (Q → 0) fra proteinopløsningen, bufferen, og proteinet selv (efter korrektion for bufferen bidrag er anvendt) som en funktion af tryk. Klik her for at se en større version af dette tal.

Parameter / funktion hjælpeudstyr Range af brug Nøjagtighed Tekniske detaljer
Positionering Prøve fase max. indlæse 600 kg
X 0 - 360 mm 0,05 mm
Y 0 - 330 mm 0,05 mm
Z (beam-akse) manuelt, 600 mm
θ r (rotation) 0 ° - 360 ° 0,002 °
θ t (vugge) ± 30 ° 0,002 °
Omgivelsestemperatur tre-niveau multi-position Al holder (Cd masker) 3x9 = 27 brede kvarts celler
3x12 = 36 smalle kvarts-celler
tre positioner 3 store kvarts-celler (diameter Φ = 5 cm)
Al holder (B 4 C maske)
Temperatur termostat (oliebad) + fra -25 ° C til 200 ° C ± 0,5 ° C 4 positioner
små kobber blok i luft eller i vakuumkammeret (med forseglede kuvetter)
termostat (vandbad) + to-niveau multi-position fra 5 ° C til 85 ° C ± 0,2 ° C 2x9 = 18 brede kvarts-celler; 2x12 = 24 smalle kvarts-celler
Al blok
termostat + høj præcision ovn fra 10 ° C til120 ° C <0,1 ° C 1 positionen, bred kvartscelle
Peltier-termostatstyret kuvette-holder fra -20 ° C til 140 ° C ± 0,2 ° C 8 positioner (alle typer af kvarts eller bras sandwich type celler celler); kontrolleret atmosfære under 5 ° C
(B4C maske)
Tryk HP celle SANS + termostat (vandbad) op til 5.000 bar Temperatur i området fra 5 ° C til 85 ° C
Lav-temperatur Kryostat med safir vinduer ned til 50 K
Rheometry rheometer; stationære eller oscillerende modes
Fugtighed Fugtighed Cell 5% til 95% Temperaturi området fra 15 ° C til 60 ° C
In-situ FT-IR 20 FT-IR spektrometer Sample celler med ZnSe vinduer

Tabel 1: Listen over hjælpeudstyr til rådighed for KWS-2 SANS diffraktometer, herunder rækken af brug, nøjagtigheden, og detaljerne for hver enhed.

Måling tilstand Eksperimentel opsætning Løsning bjælke / stikprøvestørrelse max. intensitet [n / s] Q-range [Å -1]
Δλ / λ
Konventionel pinhole λ = 7 Å 20% 10 x10 mm 2 1,3 x 10 8 0,002 .. 0,3
L C = 2 m - 20 m
L D = 1 m - 20 m
λ = 4,5 Å, L C = 2 m, L D = 1 m 20% 10 x 10 mm 2 2 x 10 8 0.01 .. 0,5
λ = 10 Å, L C = 20 m, L D = 20 m 20% 10 x 10 mm 2 7.5 x 10 5 0,001 .. 0,02
λ = 20 Å, L C = 20 m, L D = 20 m 20% 10 x 10 mm 2 4 x 10 4 7x10 -4 .. 1,5x10 -2
Fokusering høj intensitet λ = 7 Å, L C = 20 m, L D = 17 m 20% Φ = 50 mm 3 x 10 7 ≈ 0,002 .. 0,03
Fokusering
høj opløsning
(Udvidet Q-range)
λ = 7 Å, L C = 20 m, L D = 17 m,
A C = 4 x 4 mm 2
20% 10 x 10 mm 2 1,6 x 10 4 ≈ 2x10 -4 .. 0.02
tunable opløsning λ = 4,5 Å, 5% 10 x 10 mm 2 ca. 7% fra konventionel tilstand 0,002 .. 0,5
L C = 20 m,
L D = 1 m .. 20 m

Tabel 2: De eksperimentelle konfigurationer tilgængelige på KWS-2 SANS diffraktometer.

Supplerende Figur 1: Den absolutte neutronflux på prøven stilling af KWS-2 som en funktion af bølgelængden λ på forskellige kollimering længder L C og til optimal fyldning af reaktoren kold kilde. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 2: Skematisk afbildning af den dobbelte disc chopper med en variabel slids åbning. Slidsen åbning Δφ kan justeres mellem 0 ° og 90 °, så, afhængigt af chopper frekvens fchopper, kan åbningen tid τ w af vejledning (den røde firkant på den højre lodrette række billeder) varieres. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 3: Den vigtigste brugergrænseflade af målingen styring og visualisering software af KWS-2. De venstre-side-funktioner (A) kan bruges af eksperimentalister, mens den højre side funktioner og indikatorer (B) anvendes af instrumentet ansvarlige. En server eller proces vises i menuen højre side er i drift og fungerer normalt, når det er markeret med grøn. Komponenterne markeret med gult er ikke aktiveret. Enhver fejlfunktion indikeres med rødt. Klik her for at downloade ther figur.

Supplerende Figur 4: Udsigt over kws2-Configuration menu og Sample konfiguration funktioner. Brugerne skal udfylde oplysninger i UserData felterne første og derefter gøre konfigurationen af ​​prøver. De felter, der skal udfyldes og de handlinger, der skal tages, er markeret med rødt. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 5: Udsigt over kws2 Definition menuen og Vælg Sample funktioner. De foranstaltninger, der skal træffes af brugeren, er beskrevet i trin 4.3. Klik her for at downloade dette tal.

SupplementAry Figur 6: Udsigt over kws2 Definition menu og definition af målinger funktioner. De foranstaltninger, der skal træffes af brugeren, er beskrevet i trin 4.3. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 7: Målingen program frembringes ved at kombinere de definerede prøver og de definerede eksperimentelle betingelser. De foranstaltninger, der skal træffes af brugeren, er beskrevet i trin 4.3. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 8: kws2-Måling kontrol menu og de aktuelle værdier mulighed. De faste parametre (position, navne, bølgelængde, osv) og variables (tid, intensiteter, tælle rate, osv), der karakteriserer den løbende måling vises. De foranstaltninger, der skal træffes af brugeren, er beskrevet i trin 4.4. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 9: Live-Display option med menuen KWSlive_MainWindow og forskellige data visualisering muligheder. The Surface visualisering er valgt. Når Radial gennemsnit er valgt (højre side billede), kan findes indstillingen af parametrene i menuen Indstillinger Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 10: Den vigtigste interface af datareduktion software qtiKWS w ed mulighederne for udvælgelse af instrumentet og placeringen af ​​de eksperimentelle og behandlede data. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 11: Funktionerne for at definere logbogen for det sæt af data, der skal behandles (info-tabel). De foranstaltninger, der skal træffes af brugeren, er beskrevet i trin 5.3. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 12: Funktionerne for at definere detektoren maske, hvortil oplysningerne vil blive behandlet. De foranstaltninger, der skal træffes af brugeren, er beskrevet i trin 5.4.target = "_ blank"> Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 13: Funktionerne for at definere detektor følsomhed kort. De foranstaltninger, der skal træffes af brugeren, er beskrevet i trin 5.5. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 14: Funktionerne for generering scriptet tabellen for korrektion, kalibrering og radial gennemsnitsberegning af data. De foranstaltninger, der skal træffes af brugeren, er beskrevet i trin 5.6. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 15: Funktionerne for plotte than behandlede data. De foranstaltninger, der skal træffes af brugeren, er beskrevet i trin 5.6.5. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 16: Funktionerne for udarbejdelse og opsplitning af de målte data i afstemmelige opløsning mode. Data fra de to pulser leveret af helikopteren og indsamlet i første omgang i 64 TOF kanaler lagt sammen til én puls. Flere kanaler er grupperet således at de resulterende tid kanaler, der er karakteriseret ved Δλ / λ sigter kan gemmes som separate filer. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 17: Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 18: Funktionerne for at definere de højopløselige detektor masker, hvortil oplysningerne vil blive behandlet. De foranstaltninger, der skal træffes af brugeren, er beskrevet i trin 5.8. Klik her for at downloade dette tal.

Supplerende Figur 19: Oversigt over alle typer af prøveceller typisk anvendes på KWS-2 til undersøgelse af blødt stof og biologiske prøver ved omgivende eller variabel temperatur. (A) Udsigt over large kvarts celler til rådighed for høj intensitet tilstand med linser og en stor stråle størrelse. celle Indehaveren af, som er udstyret med borerede plastik masker (1), tillader planlægning og gennemførelse af tre målinger i en session. (B) Visning af kvarts eller messing celler, der anvendes som prøvebeholdere og et temperaturreguleret holder (Peltier-type) udstyret med 8-stillingen patroner passende for hver type celle. Holderen er afskærmet med boreret plastik masker (1) på begge sider. (C) Udsigt trykket celle i operation på KWS-2. Cellen kan give tryk på prøven mellem omgivende og 5.000 bar i en automatisk tilstand, styres af måleprogram. Den runde Cd maske (1) med en lille hul i midten bestemmer stråle-størrelse på prøven. Klik her for at downloade dette tal.

Discussion

Bløde stof og biofysiske systemer er typisk kendetegnet ved strukturelle korrelationer og indbyrdes forbundne mikrostrukturelle og morfologiske niveauer, der spænder over et bredt længdeskala, fra nm til mikrometer. For at forstå den mekanisme for dannelse og udvikling af morfologi af sådanne systemer og forholdet mellem deres mikroskopiske egenskaber og makroskopiske egenskaber, er det vigtigt at udforske deres mikrostruktur i hele længden skala og under relevante miljøforhold (f.eks temperatur, tryk, pH , fugtighed osv). Typisk er små-vinkel spredning teknikker med neutroner (SANS) eller synkrotron røntgenstråler (SAXS) er involveret i sådanne undersøgelser. Intensiteten ulempe ved neutroner versus synkrotron røntgenstråler kompenseres ved brug af forholdsvis stor Δλ / λ, hvilket dog fører til forværring af den instrumentale opløsning. Ikke desto mindre, SANS giver unikke fordele pga de muligheder, som den contrast variation, især mellem brint isotoper. Derfor SANS er en eksperimentel metode specifikt anvendes i studiet af bløde stof og biofysiske systemer, hvortil det leverer unikke strukturelle og morfologiske information. De fleste af de SANS diffraktometre verdensplan 21 arbejde på pinhole princip (figur 2A), der gør det muligt for sigter lavt Q opløsning. Praktisk, alle high-flux SANS diffraktometre har en lignende maksimal flux i størrelsesordenen 1 x 10 8 n cm -2 sek -1. Baseret på den afslappede bølgelængde opløsning har KWS-2 en næsten fordoblet flux 2, 4. For nylig, meget specialiserede SANS diffraktometre blev operationelt til at tjene med optimerede egenskaber for et bestemt udvalg af applikationer, såsom for undersøgelser på meget lille spredning vektorer 22, 23. Med den meget nylige provision af de specialiserede TOF-SANS diffraktometre ved steady-state reaktorer 24 eller spallation kilder 25, 26, tilbydes massivt-øget dynamisk Q interval i en given forsøgsopstilling og øget fleksibilitet og optimering med hensyn til valget af den eksperimentelle opløsning. For KWS-2 SANS diffraktometer, er en høj grad af alsidighed og ydeevne, der kræves til meget specifikke strukturelle studier på området bløde stof og biofysik aktiveret på en ellers klassisk SANS instrument. Optimeringen, fleksibilitet og spontanitet i design og udførelse af komplekse undersøgelser, som understøttes af den beskrevne protokol, opnås ved at kombinere de optimerede eksperimentelle parametre (f.eks intensitet, længdeskala, rumlig opløsning, og tidsopløsning) og den komplekse prøve miljøer. Brug af flere arbejdsforhold modes opregnet i indledningen og understøttet af de resultater, der præsenteres i figurerne 8-15, KWS-2 forstærker på en nem og praktisk måde udførelsen af en klassisk SANS diffraktometeri et støt neutronkilde (reaktor) ud over de traditionelle grænser for sådanne instrumenter.

Denne protokol præsenterer de trin, en almindelig bruger skal udføre for at definere og gennemføre en simpel eksperimentelle program, der involverer kun er undersøgelsen af ​​prøver ved omgivende termodynamiske forhold (temperatur, tryk, relativ fugtighed) og under statiske forhold (ingen kinetikken af ​​dannelse struktur eller transformation, ingen forskydning eller flow). Adskillige temperaturkontrollerede indehavere eller særlige prøve miljøer (tabel 1 og supplerende Figur 19), såsom tryk celler, rheometers eller fugtighed celler, er tilgængelige og kan optimalt installeres og justeres med særlig hjælp fra instrumentet team. Denne protokol indeholder ikke anvisninger om indstillingerne og kontrol af sådant udstyr. Definitionen og aktivering af eksterne controllere kræver brug af en anden, mere kompleks protokol. Denne protokol præsenterertilfælde af arbejde med kvarts prøveceller af en smal rektangulær form (figur 3). Men en lang række celle geometrier og typer (supplerende Figur 19) tilbydes brugerne, for at give øget fleksibilitet og effektivitet i at gennemføre forsøgene. I tilfælde af anvendelse af sådanne celler, kan den foreliggende protokol følges med regulering af diskuterede parametre i trin 4.2.2. måling kontrol software er udviklet til at tilbyde brugerne øget fleksibilitet i at forfølge deres videnskabelige mål og optimering i den tekniske drift af instrumentet. Alle justeringer og konfigurationer af specielle funktioner og komponenter i instrumentet er udført af instrumentet holdet. Inddragelse af de videnskabelige brugere i konfigurationen, definition, og udnyttelse af instrumentet er forenklet og specifikt kun begrænset til de aspekter, der er i forbindelse med de videnskabelige spørgsmål af den eksperimentelle session. Configuration filer er foruddefineret for at dække alle særlige eksperimentelle spørgsmål, såsom placering af særlige holdere i strålen, prøven positionering i bjælken (koordinater x, y, Φ, og ω på prøven scenen, rotation bord, eller vugge i supplerende figur 5), justeringen af detektor og stråle-stop positioner for forskellige bølgelængder, justeringen af de chopper parametre (frekvens og åbne vindue) for forskellige bølgelængder, de detektionsafstande og rettet opløsning osv også den nuværende protokol beskriver ikke, hvordan det realtidstilstand kan bruges på KWS-2. Anvendelsen af ​​en mere kompleks protokol er også påkrævet for at gennemføre tidsopløste SANS eksperimenter.

Desuden denne protokol præsenterer, hvordan de målte data kan korrigeres for forskellige sprednings bidrag fra instrumentet og referencerne og kalibreret for at opnå prøvens differential spredning tværsnit, da / dΩ, udtrykt i cm-1. Denne mængde indeholder hele strukturelle og morfologiske information om prøven og måles over et bredt Q interval svarende til en bred længdeskala, over hvilken strukturelle korrelationer og indbyrdes forbundne size-niveauer er karakteristiske for den undersøgte systemet vises. Spredningen tværsnit da / dΩ angår således intensiteten målt i en statisk spredende eksperiment i en vinkel Θ, jeg s = f (Θ) til de strukturelle egenskaber ved prøve.

Til vurdering af da / dΩ for et system af interesse, ud over måling af systemet, er der behov for yderligere målinger for at korrigere dataene for nogen ekstern spredning (dvs. miljø, prøvecellen, opløsningsmiddel eller pufferopløsning i tilfælde af opløste systemer, etc.) og til at kalibrere de korrigerede data i absolutte enheder > 8. Den eksterne baggrund (prøve celle eller container), referenceprøven (opløsningsmiddel eller bufferopløsninger), prøve transmission (nødvendig for den korrekte baggrund subtraktion og kalibrering af de korrigerede resultater i absolutte enheder), den elektroniske baggrund af detektoren, detektoren følsomhed (inhomogenitet i detektor effektivitet, som er iboende for områdets detektorer), og det normaliserede standard prøve bør også måles. På KWS-2, plexiglas (PMMA), der anvendes som standard prøve. Dette er den såkaldte sekundære standard og periodisk kalibreret mod en primær standard prøve, som er vanadium. Vanadium leverer en meget svag spredte intensitet og kræver meget lange måling tider for indsamling af relevante statistikker; derfor, det er upraktisk for SANS formål. De indsamlede fra prøven af interesse I S og fra standard prøve I St intensitet kan udtrykkes som følger:

t "> ligning 1 [1]

ligning 1 [2]

hvor I 0 repræsenterer den indkommende intensitet (leveret af kollimering systemet), t er tykkelsen, A er arealet udsat for strålen, T er transmissionen, og Δ ψ er den faste vinkel, ved hvilken en detektering celle ses fra prøve position. Hvis både prøve og standard måles under samme betingelser med hensyn til den indkommende stråle (dvs. L C, A C og A S, og λ og Δ λ / λ), I 0 og A er ens og Rumvinklens udtrykt som en D / L D (med en D repræsenterer arealet af en detektering celle). Ved at dividere de to forbindelser, spredningen tværs sectipå af prøven opnås som:

ligning 1 [3]

hvor I St udtrykkes som et gennemsnit (standard som en usammenhængende spredning system leverer en flad spredning mønster). Den I S opnås efter korrektion den målte intensitet af prøven i cellen (beholder) i forhold til bidraget fra den tomme celle I ECell og baggrunden på detektoren for det lukkede bom, jeg B. Faktoren t St T St (da / dΩ) St, som indeholder den spredning og fysiske parametre standard prøve, afhænger af neutron bølgelængden λ og er typisk kendt fra kalibreringen af standard prøve. Således er det tabuleret i datareduktionssoftware 4. Parametrene og mængder i Eq. 3, der er kendt fra kalibrering procedures og definitionen af forsøgsopstillingen (t S, L D) danner den såkaldte kalibrering faktor k. De intensiteter og prøven transmission T S, der vises i Eq. 3 skal måles. Det dataanalyse program qtiKWS muliggør korrektion, kalibrering og radial gennemsnitsberegning af de eksperimentelle data og opnåelsen af ​​da / dΩ for de undersøgte prøver på en fleksibel og alsidig arbejdsdag mode. De endelige resultater, der genereres med qtiKWS software præsenteres som tabeller med fire kolonner: Q, I, Δ I, Δσ hvor jeg repræsenterer da / dΩ og Δσ er Q resolution fem.

Fra et praktisk synspunkt, med KWS-2, kan kombineret SANS og USANS undersøgelser udføres, med den fordel, at prøven geometri og de termodynamiske forhold forbliver konstant. Store morfologier, der viser multiple strukturelle niveauer spænder over en bred længde-skala fra nanometer til mikrometer størrelser kan undersøges på en direkte måde, som vist i figur 12. Udover den lille skala strukturelle grænse Rc observeret i spredningen kurve målt i den konventionelle pinhole tilstand, ved at aktivere linserne og den høje opløsning detektor, storstilet strukturelle grænse L C af cylindriske kerne-skal-miceller dannet af poly - (hexylen-oxid-co-ethylen-oxid) PHO10k-PEO10k diblokcopolymer (fuldt protoneret) i D2O 14 kunne observeres ved meget lave Q-værdier i den udstrakte Q -range arbejder tilstand. De cylindriske miceller er karakteriseret ved en total tykkelse på ca. 300 Å og en længde på ca. 7.000 Å, som afsløret ved pasningen af de eksperimentelle resultater med kerne-skal-cylindrisk formfaktor 9,14. Derfor visse følsomme effekter såsom termofølsomme geler eller dannelse og vækst af krystallerline eller delvist krystallinske morfologier utvetydigt kan udforskes med KWS-2, i modsætning til den klassiske tilgang involverer to eller flere forskellige instrumenter og prøve geometrier.

Som vist i figur 11, korreleret systemer og beordrede strukturer kan studeres med tilpassede opløsninger i en meget fleksibel måde, uden at bruge tid og kræfter på installation af komplekse monochromatization systemer, hvilket ville medføre yderligere pleje og sikkerhedsmæssige aspekter. Desuden ved at inddrage chopper og TOF datafangst tilstand, monodisperse bløde stof systemer eller komplekser med lav størrelse polydispersitet kan karakteriseres meget præcist ved stadig høje intensiteter 5.

De hindringer, der genereres af den svage spredning som følge af brug af højt-fortyndede systemer eller ugunstige kontrastforhold kan overvindes ved anvendelse af endnu højere intensiteter baseret på den større strålestørrelse på prøven, samtidig med at denløsning. Figur 13A rapporterer spredningen mønstre fra polystyren partikler af en radius på R = 150 Å, målt i højintensive tilstand ved hjælp af linser og en kvadratisk bjælke størrelse på mellem 10 mm x 10 mm, den typiske størrelse anvendes i den konventionelle pinhole tilstand og 30 mm x 30 mm. Derudover er resultatet fra en måling med en rund bjælke 50 mm i diameter (fuld linse størrelse) vist. Parallelt hermed er det normaliserede resultat opnået i den konventionelle pinhole-mode præsenteres. Brug 26 objektiver med neutroner af λ = 7 Å og samme indgang blænde størrelse A C som for den konventionelle pinhole tilstand (figur 2B), er en gevinst i intensitet på prøven af omkring 12 gange opnået samtidig holde en konstant stråle størrelse (opløsning ) på detektoren, som vist i figur 13B-C. Den 27-linsesystem har en transmission på ca. 32% ved omgivelsernes temperatur. Afkøles til en temperatur på 50 K, linsen transmission øges som følgeundertrykkelse af spredning på fononer i linsen materiale. Systemet med 26 parabolske linser har en transmission på ca. 65% for en rund stråle størrelse på 50 mm, når strålen går igennem hele volumenet af linsen, og ca. 92% for en kvadratisk bjælke størrelse på 10 mm x 10 mm , når kun en meget mængde linsemateriale forbliver i bjælken. Høj intensitet tilstand med linser giver fordele i tilfælde af svag spredning, der generelt er stødt på et stort detektionsafstanden og er særlig problematisk i tilfælde af svage kontrastforhold. Derudover, når prøven er kun stabil i kort periode gange, anvendelsen af denne tilstand er en klar fordel, som ses andetsteds 15.

På den anden side, i tilfælde af biologiske systemer, små prøvevolumener er typisk tilgængelige for eksperimenter. Små biologiske molekyler i fysiologiske betingelser med størrelser på nogle få nanometer levere svage scattering signaler over domirende spredning fra bufferopløsninger. Sådanne signaler kan måles med KWS-2, nyder godt af den høje intensitet af instrumentet i lav opløsning opsætning af pinhole-tilstand, ved hjælp af korte kollimering længder L C = 2 m eller 4 m og korte detektionsafstande L D = 1 m, 2 m eller 4 m. Figur 14 viser spredningen mønstre fra beta amyloid protein (Ap 1-42, Mw = 4.5 kDa) monomerer i deutereret hexafluorisopropanol dHFIP, som opnået efter korrektion for spredning signal fra bufferen blev påført. En model fit af dataene leveret en monomer størrelse på ca. 16 ± 1 Å 16. En lang måletid på flere timer for hver eksperimentel betingelse (påvisning afstanden L D og prøve type) var involveret, selv om målingerne blev udført ved korte detektionsafstande. Den gamle detektor, som har vist begrænsninger vedrørende impulshastigheden, hindret anvendelsen af ​​korte collimation afstandeL C, dermed anvendelsen af den maksimale flux på instrumentet. Med provision af det nye system til påvisning muliggør brug af hele neutronflux vil sådanne svage intensiteter måles i kortere tider og med forbedrede statistikker i fremtiden.

Endelig kan stimuli-følsomme effekter studeres på en fleksibel og nem måde ved hjælp af særligt hjælpeudstyr af KWS-2. Et eksempel er vist i figur 15, som viser SANS mønstre fra lysozym protein i D2O puffer og fra det indsamlede ved forskellige tryk puffer. Særlig opmærksomhed er blevet betalt til undersøgelse af baggrunden og fremad spredning fra lysozymet molekyler, der anvendes i udførelsen test af nye pres celle fremstillet internt ved at følge et design udført af PSI, Schweiz. Resultaterne svarede til dem opnået ved Kohlbrecher et al. I en lignende undersøgelse for at teste den oprindelige trykcelle model konstrueresder 17, 18. Med KWS-2, er yderligere data er erhvervet siden et tryk på 5000 bar er nået. Udviklingen i den forreste spredte intensitet fra proteinet følger en lineær opførsel, som observeret i studiet på PSI, Schweiz 18.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics