Studerer Soft-materie og biologiske systemer over et bredt Lengde skala fra nanometer og mikrometer Størrelser på Small-vinkel Neutron Diffractometer 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 diffractometer er dedikert til etterforskningen av mykt materiale og biofysiske systemer som dekker et bredt lengde skala, fra nm til mikrometer. Instrumentet er optimalisert for utforskning av det brede momentum transfer Q området mellom 1x10 -4 og 0,5 Å -1 ved å kombinere klassisk pinhole, fokusering (med linser), og time-of-flight (med helikopter) metoder, samtidig som det gir høy -neutron intensiteter med en justerbar oppløsning. På grunn av sin evne til å justere intensiteten og oppløsningen innen vide grenser under forsøket, kombinert med muligheten til å utstyre konkrete eksempler på miljøer og tilknyttede enheter, viser KWS-2 en høy allsidighet i møte den brede spekter av strukturelle og morfologiske studier feltet. Likevektsstrukturer kan studeres i statiske målinger, mens dynamiske og kinetiske prosesser kan bli undersøkt i løpet av tidsskalaer mellom minutter til titalls milliseksekunder med tids løst tilnærminger. Typiske systemer som er undersøkt med dekselet KWS-2 området fra komplekse, hierarkiske systemer som viser flere strukturelle nivåer (f.eks, geleer, nettverk eller makro-aggregater) til små og dårlig spredningssystemer (f.eks enkelt polymerer eller proteiner i løsning). Den nylig oppgradering av deteksjonssystemet, noe som muliggjør deteksjon av tellerater i MHz-området, åpner nye muligheter for å studere selv meget små biologiske morfologi i bufferløsning med svake spredning signaler nær bufferspredningsnivået ved høy Q.

I denne artikkelen gir vi en protokoll for å undersøke prøver med karakteristiske størrelse nivåer som spenner over et bredt lengde skala og utstilling bestiller i mesoskala struktur ved hjelp av KWS-2. Vi presenterer i detalj hvordan du bruker flere arbeidsmåter som tilbys av instrumentet og ytelsesnivå som er oppnådd.

Introduction

Myke og biologisk materiale viser et rikt utvalg av morfologi som er preget av funksjoner som selvorganisering og selvbygging av elementære enheter til større, komplekse aggregater. De viser også samarbeidende samspill med et stort antall frihetsgrader; svake vekselvirkningen mellom de strukturelle enhetene, og således høy følsomhet for ytre felt; og tid og rom sammenhenger som kan spenner over et bredt spekter, fra nanometer til millimeter og fra nanosekunder til dager. På grunn av det store utvalget av relevant lengde og tidsrammer, eksperimentell karakterisering av egenskapene til disse materialene er svært utfordrende. Sprednings teknikker med nøytroner som spiller en viktig rolle ved undersøkelse av strukturen, dynamikk, og termodynamiske egenskaper til slike komplekse systemer. Som unike prober, nøytroner tilbyr fordelen av forskjellige vekselvirkninger mellom en H og 2 H (deuterium, D) hydrogenisotoper. Den store avvikeence i den koherente lengden spredende densitet mellom hydrogen og deuterium representerer grunnlag av kontrastvariasjon og kontrastsamsvarende metoder. Som det meste av det myke materiale og biologiske systemer består av hydrokarboner, hydrogen / deuterium (H / D) substitusjon gir muligheten til å variere den koherente lengden spredning tetthet av en forbindelse over et vidt område. Med denne teknikken kan utvalgte bestanddeler i et komplekst system være merket med isotopen utveksling. Avhengig av kontrast den kvadrerte forskjell mellom dens spredning lengde tetthet, og at de andre komponenter-utvalgte komponenter eller områder i et komplekst mykt materiale eller biofysiske morfologi kan gjøres synlig eller usynlig i den spredende forsøket uten kjemisk å endre systemet. Videre er nøytroner sterkt penetrerende, og kan brukes som ikke-destruktive prober og for å studere prøver i spesielle miljøer, hvor bidraget fra de andre materialene som er plassert i strålen kan være relidyktig målt og korrigert for.

Elastisk spredning eksperimenter gir informasjon om strukturen og morfologien til en prøve. Den spredte intensitet måles i gjensidig plass som en funksjon av impulsoverføringen Q, hvor Q = 4π / λ sin Θ / 2, med λ - nøytron bølgelengde og Θ - spredningsvinkelen; Dette blir deretter oversatt til fast plass gjennom en invers Fourier transformasjon. Dermed store Q-verdier knyttet til korte lengdeskalaer, med inter-atom sammenhenger undersøkt av klassisk nøytron diffraksjon (ND). På små Q-verdier, kan store lengdeskalaer bli utforsket av liten vinkel nøytronspredning (SANS). Vanligvis, enkelt eller montering syntetiske eller naturlige makromolekyler i løsning, smelte, blir filmen, eller masseprøver, karakterisert over en bred skala lengde, fra nanometer mikrometer og størrelser, via anvendelse av de klassiske pin-hull SANS og ultra-SANS (basert på fokus eller single-krystall diffractometry) teknikker. Imidlertid er kombinasjonen av forskjellige fremgangsmåter eller innretninger for å oppnå en fullstendig strukturell karakterisering noen ganger vanskelig på grunn av problemer som for eksempel tilgjengelige mengden av prøven, stabilitet av prøver over lange tidsrammer, reproduserbarhet av effekter hos spesielle termodynamiske forhold, og den felles analyse av eksperimentelle data innhentet i ulike eksperimentelle geometrier. Videre studier som omhandler strukturer og raske strukturelle endringer som er preget av høy plass eller tidsoppløsning er svært utfordrende og krever helt spesielle forsøksoppsett. Derfor er utviklingen av svært allsidige SANS instrumenter, hvor grensene kan skyves utover vanlig konfigurasjon på en enkel og praktisk måte gunstig for møte alle spesielle krav fra brukeren samfunnet.

SANS diffractometer KWS-2 (figur 1), som drives av J2, lich Centre of Neutron Science (JCNS) ved Heinz Maier-Leibnitz Senter (MLZ) i Garching, var opprinnelig en klassisk pinhole SANS instrument nyter godt av en høy nøytronfluks (Supplementary figur 1) levert av FRM II nøytronkilde 1 og den dedikerte guiden system 2-4. Etter gjentatte oppgraderinger, ble instrumentet optimalisert for utforskning av et bredt spekter Q, mellom 1x10 -4 og 0,5 Å -1, noe som gir høye nøytron- intensiteter og en justerbar oppløsning. Med tilgjengeligheten av konkrete eksempler på miljøer og tilknyttede enheter (tabell 1), kan instrumentet være utstyrt for å studere mykt materiale og biofysiske systemer over et bredt lengde skala, fra nm opp til mikrometer, gjennom statiske målinger; det kan også utføre tids løst undersøkelser av strukturer og morfologi ved likevekt eller under transformasjon på grunn av kinetiske prosesser, som spenner over et vidt tidsskala mellom minutter og titusmillisekunder. I konvensjonelle arbeidsmodus (figur 2A), en Q-område mellom 7x10 -4 Å -1 og 0,5 Å -1 kan dekkes ved variasjon av sample-til-detektor avstanden og / eller bølgelengden. Derfor kan strukturelle nivåer og korrelasjonseffekter på en lengde skala fra 10 Å opp til 9000 Å bli inspisert i fast plass (der dimensjonen er regnet som 2π / Q). Utvelgelsen av bølgelengden, mellom 4,5 Å og 20 Å, ved hjelp av en mekanisk monokromator (hastighetsvelger) som gir en bølgelengde spredning Δλ / λ = 20%, variasjonen av kollimeringen værforhold (kollimasjon lengde L C og blenderåpninger, A C - inngangen blenderåpning, etter den siste nøytron guide segment i strålen, og A S - prøven blenderåpning, like foran prøven) og deteksjonsavstand L D blir gjort automatisk, via datastyring.

Q m, og den raske påvisning ved høye tellehastigheter i MHz-området utført nylig, med formål å øke den instrumentytelsen. Under denne prosessen ble instrumentet utstyrt med flere funksjoner.

Det er en dobbel-disc chopper 5 med variable spalteåpninger (Supplementary figur 2) og time-of-flight (TOF) datainnsamling modus. Kutteren kan drives ved en varierende frekvens f kvern mellom 10 Hz og 100 Hz, og at vinkelåpningene i de to helikopter vinduer mellom vinkler på 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° ved å endre plasseringen av de to plater i forhold til hverandre. Forbedringen i bølgelengdeoppløsning Δλ / λ oppnås ved å korte åpningstiden for nøytron guide τ w ved redusere påvirkerlettelser Δφ og / eller øke f helikopter. De resulterende pulser registrert på detektoren er delt i et passende antall tidskanaler som samsvarer τ w i bredden og er preget av den rettet Δλ / λ.

Det er også fokus elementer laget av magnesium fluoritt MGF 2 parabolske objektiver 6 med en diameter på 50 mm (figur 1). 26 MGF to objektiver er gruppert i tre pakker (4 + 6 + 16 linser) som kan flyttes uavhengig i strålen for å oppnå fokus forhold med forskjellige bølgelengder X = 7-20 A. For å øke overførings ved å redusere spredning på fononer i linsematerialet, er glassene ble holdt ved 70 K ved hjelp av et spesielt kjølesystem.

Det er et sekundært høy oppløsning posisjonssensitiv scintillasjonsdetektor med en 1 mm stilling oppløsning og en 0,45 mm pikselstørrelse. detektorener vanligvis plassert i tårnet på toppen av vakuumtanken i en fast avstand L D = 17 m og kan beveges vertikalt i eller ut av bjelken (figur 1). Den viktigste detektoren er parkert i den endestilling av tanken ved 20 m, mens den sekundære detektoren beveges i strålen når høy oppløsning undersøkelser (lav Q) ved hjelp av linsene blir utført 4,7. Den sekundære detektoren er plassert i en brennpunktet av linsesystemet, mens en liten åpning ved inngang L C = 20 m ville være, i dette tilfelle i det andre brennpunktet.

Det er en ny hoveddeteksjonssystem som består av en matrise av 144 3 He-rør (med en global effektivitet per rør på 85% for λ = 5 Å) og som definerer et aktivt deteksjonsområde tilsvarende 0,9 m 2 (figur 1). Innovative rask avlesning elektronikk som er montert i et lukket etui på baksiden av 3 Han røret ramme forbedrerutlesning egenskaper og reduserer bakgrunnsstøy. Det nye system som erstattet de gamle scintillasjons-detektor (6 Li scintillator og en rekke 8x8 fotomultiplikatorer, figur 1) er kjennetegnet ved et effektivt dead-tidskonstanten til 25 nanosekunder og en total telletakt så høyt som 5 MHz til 10% Fristen tid for flate profiler. Disse funksjonene er på grunn av det faktum at systemet inneholder uavhengige kanaler som drives i parallell, noe som er en fordel i forhold til systemer som er utsatt for dødtid etter en hendelse. Den mye høyere tellehastighet kortere måletider, og derfor øker antallet forsøk som kan utføres i den samme tidsperiode.

Med alle disse nyvinningene, ble instrumentet en svært allsidig verktøy som kan løse et bredt spekter av strukturstudier ved å tilby flere modi (tabell 2) som kan velges og brukes i en direkte og brukervennlig måte. I høy-intensitetsmodusen (Figur 2B), opp til tolv ganger forsterkningen intensitet sammenlignet med den konvensjonelle pinhole-modus for den samme oppløsning kan oppnås med linser ved å øke størrelsen på utvalget. I tunable oppløsningsmodus med helikopter og TOF datainnsamling, er forbedret karakterisering av sprednings funksjoner i ulike Q-serier aktivert av muligheten til å variere bølgelengde oppløsning Δ λ / λ mellom 2% og 20% 5. I den utvidede Q -serien modus (figur 2C), som bruker linser og sekundær høy oppløsning detektor, en Q m så lav som 1 x 10 -4 -1 kan oppnås, som i kombinasjon med pinhole-modus, tillatelser utforskningen av størrelser over en kontinuerlig lengde skala fra nm til mikrometerområdet. Bruken av et helikopter for å begrense Δ λ / λ gir nøyaktige bjelke egenskaper ved å unngå tyngdekraften og kromatiske effekter hvno bruker linser. I sanntidsmodus, ved å utnytte den høye intensiteten og ekstern utløser av datainnsamling ved prøven miljøer, strukturelle endringer kan løses med tids oppløsninger ned til 50 millisekunder. Ved å forbedre bølgelengde oppløsning ned til Δ λ / λ = 5% med helikopter, kan tids oppløsninger så god som 2 msek bli realisert.

Her presenterer vi i detalj en protokoll på hvordan typiske forsøk utføres på KWS-2 i sine forskjellige arbeidsmodi, og hvor strukturinformasjon fra de undersøkte prøver kan oppnås fra de innsamlede data gjennom datareduksjon. I denne demonstrasjonen, vil vi bruke SANS for å karakterisere forskjellige størrelser av standard partikkelløsninger og en svært konsentrerte polymer micellær oppløsning for å vise hvordan størrelse og orden kan bli studert over brede områder på en fleksibel og effektiv måte med den KWS-2 i løpet en eksperimentell sesjon. Polystyren sfæriske partikler med diffeleie størrelser (radiene R = 150, 350, 500, 1000, og 4000 Å) og en polydispersitet på størrelse σ R ligning 5 8% er dispergert i en vannoppløsning (en blanding av 90% D 2 O og 10% H2O) til en volumfraksjon på 1%. Miceller dannet av C 28 H 57 -PEO5 diblokk-kopolymerer i D 2 O i en konsentrasjon på 12% viser en ordnet struktur.

Protocol

1. Legge eksempel Cells

  1. Disperse polystyren sfæriske partikler med forskjellige størrelser (radiene R = 150, 350, 500, 1000, og 4000 A) og en polydispersitet på størrelse σ R ligning 5 8% i en vannløsning (en blanding av 90% D 2 O og 10% H2O) til en volumfraksjon på 1%.
  2. Overfør de seks oppløsninger av polystyrenpartikler i D 2 O / H 2 O, løsning av C 28 H 57 -PEO5 i D 2 O, og D 2 O / H 2 O og D 2 O løsemidler til kvarts-celler (Figur 3 ) ved hjelp av Pasteur pipetter. Fyll hver av kvarts celler opp til halsen. Lukk kvarts celler med sine stoppere.
    MERK: Operasjonen med å fylle kvarts celler med prøvene skal utføres i prøveopparbeidelse lab av FRM II ved å følge de spesielle arbeidsforholdene som er definert der.
  3. Install de fylte kvarts celler i Al-kassetter av prøveholderen (figur 3). Plasser hver fylt kvartscelle i et hulrom av kassetten, og sjekke om kvartscellen er fylt med nok prøve ved å bestemme hvorvidt prøven fullstendig dekker vindusåpningen i patronen som er gitt for nøytroner. Plasser korreksjon og standard prøver (den tomme kvartscelle, den bor-karbid plate, og pleksiglass plate) i flere steder på kassetten og la ett sted fritt for den tomme strålen måling.
  4. Dekk kassetten med Cd-belagte Al-dekkplater (figur 3) ved hjelp av hodeskruer (M3x5). Feste patronen i Al-rammen på prøveholderen ved hjelp av den spesielle Al-skruene (figur 4).

2. Plassering av prøveholderen / Sample Miljø på Sample Stage

  1. Bestemme den nødvendige plass i prøveposisjon av prøveholderen ved å justerelengden av kollimeringen nesen (figur 5). Velg riktig konfigurasjon for prøveholderen fra de lagrede konfigurasjoner i collimation nesen kontrollsystem.
  2. Installere de aktuelle prøveholderen / prøvemiljø på prøven stadium i forutbestemt posisjon på den optiske brødfjel ved hjelp av sekskantskruer, M6x40 (figur 6).
  3. Lukk motorisert skyvedør fører dør (figur 5) ved å bruke bryterne på yttersiden, holde bryterne aktiveres før porten når sluttposisjonen, som vil bli angitt med en lysende signal.
    Forsiktig: Uten døren helt lukket og slutt bryteren aktiveres, strålen lukkeren ikke kan åpnes, enten manuelt eller fra målingen kontroll programvare; målingen programvare vil kreve en ekstra sjekk for dette problemet før du starter målingen.

3. Planlegging av eksperimenter

  1. Velg adequspiste eksperimentell konfigurasjon og modus for å utføre undersøkelsen i en Q utvalg som passer for lengden omfanget av strukturer og korrelasjonseffekter avslørt av prøven. Sjekk det dynamiske området av instrumentet 4 (figur 7 og tabell 2).
  2. Velg tilstrekkelig eksperimentelle konfigurasjon og modus for aktivering riktig intensitet på prøven basert på estimert nivået av spredt intensiteten ved å vite omtrentlig størrelse, konsentrasjon, og kontrast faktor som karakteriserer prøvene som skal undersøkes åtte. Dette er gjort for å optimalisere måletiden for en målrettet målt statistikk og for å samsvare med prøven stabilitet i tilfelle av prøver med en kort tid stabilitet. Sjekk kart intensiteten for forskjellige eksperimentelle utforminger 4 (Supplementary figur 1 og tabell 2).
  3. Velg tilstrekkelig eksperimentelle konfigurasjon og modusfor å tilveiebringe en riktig oppløsning basert på et omtrentlig kjennskap til graden av polydispersitet i størrelse og konsentrasjonen av sprednings objekter i prøven 8. Dette er gjort for å muliggjøre oppløsning av fine spredningsfunksjoner som oppstår på grunn av bestilling effekter i prøven. Se etter muligheten for tuning bølgelengde oppløsning 5 (tabell 2).

4. Klar måling programvare og drive og Visualisering eksperimentet

  1. Start måling programvare ved å skrive inn KWS2TC i et terminalvindu på måle kontroll datamaskinen til KWS-2 instrument for å aktivere hovedmenyen (Supplementary figur 3). Bruk venstre sett med funksjoner for å definere elementære motorposisjoner (Configuration), for å velge prøver og oppsett forhold (HD), for å starte måling og overvåke alle motorer (Control), og for å føre tilsyn med selvedetektor (Live-Display).
  2. Velg Configuration funksjon i hovedmenyen for å aktivere kws2-konfigurasjonsmenyen (Supplementary figur 4) for å definere brukerdata og konfigurere de elementære motorposisjoner og set-poeng for enhetene og felt på prøven.
    1. Velg Userdata-funksjonen (Supplementary figur 4) og fyll feltene brukernavn, e-post, første del av filnavnet, og måling kommentar i data menyen Bruker (vis / rediger). Gå ut av menyen ved å klikke på Lagre.
      Forsiktig: Ikke bruk spesialtegn, som @, $,%, etc., for filnavnprefikset. Unngå å bruke spesialtegn i hele eksperimentelle prosedyren.
    2. Velg Sample funksjon (Supplementary figur 4) for å aktivere prøvekonfigurasjonsmenyen (Supplementary figur 4). Fyll ut feltene Sample tittel, Sample bjelke vindu - Størrelse, Sample tykkelse, og Kommentar for hver sample og posisjon valgt fra venstre vertikal liste av menyen. Lagre hver prøve konfigurasjon etter endt definisjonen. Gå ut av menyen ved å klikke på Lukk.
    3. Lagre alle konfigurasjoner under File-funksjonen på den øvre sett av funksjoner i konfigurasjonsmenyen.
  3. Velg Definition-funksjonen i hovedmenyen (Supplementary figur 3) for å aktivere kws2 Definition menyen (Supplementary figur 5) for å definere den eksperimentelle oppsettet og måleprogrammet.
    1. Velg Sample funksjon for å aktivere Select Samples menyen (Supplementary figur 5).
      1. Velg de tolv prøver som skal måles (som vist i Figur 3) fra listen over kjente prøver i venstre vertikale feltet og flytte dem til utvalgte prøver feltet med den blå pilen. Bestill listen over de utvalgte prøver ved hjelp av blå vertikale piler.
      2. Sjekk utvalget parameters og justere navn, tykkelse, og kommentere, om nødvendig. Gå ut av menyen ved å klikke på Lagre eller Lukk.
    2. Velg Detector funksjonen for å aktivere Definisjon av Målinger menyen (Supplementary figur 6).
      1. Velg den statiske måletype ved å velge Standard i måleområdet. Til slutt betingelser området, velge riktig tidsenhet for feltet å måle tid.
      2. I Velg Detector og Kollimering Avstander område, velg den eksperimentelle oppsett og arbeidsmodus ved å velge de riktige verdiene for den bølgelengde (Selector felt), deteksjon avstand (Detector Avstand felt), datainnsamling modus (TOF felt), som tar sikte bølgelengde oppløsning (DLambda / Lambda-feltet), tidsmåling (Time-feltet), linser konfigurasjon (objektiver felt), og collimation avstand (kollimering Avstand feltet).
      3. Klikk på Ny-knappen etter en konfigurasjon er helt definert for å fikse det og lagre den i lower tabellen. Definer neste konfigurasjon og lagre den på en lignende måte til hele settet med konfigurasjoner (Supplementary figur 6) er fullført. Hit Lagre eller Lukk i Definisjon av Målinger menyen når justeringen av den eksperimentelle oppsett og arbeidsfunksjoner er ferdig.
      4. Sorter listen av målinger i henhold til de tre sløyfer (sortering forhold) vises nederst på menyen som genereres av programmet (Supplementary figur 7). Fjern målingene som ikke er ønsket av merking den tilsvarende linjen og klikke på "X" knappen merket med rødt. Juster måletiden for hver måling som ønskes ved å kontrollere den totale definert måletiden i det sentrale felt, merket med rødt, i kws2 definisjon meny, som alltid forblir aktiv på skjermen.
      5. Gå ut av menyen med Lagre eller Lukk og gå tilbake til kws2 Definition menyen (Supplementary figur 5). Lukk kws2 Definitionmenyen og gå tilbake til hovedmenyen (Supplementary figur 3).
  4. Velg kontrollfunksjonen i hovedmenyen til KWS2 måling programvare (Supplementary figur 3) for å aktivere Måling kontrollmenyen (Supplementary Figur 8).
    1. Logg inn med brukernavn og passord som vil bli kommunisert av instrumentet vitenskapsmann og låse skjermen for å generere skriptet, som vil utføre kommandoer av den opplastede måleprogrammet. Velg Loop definisjon for å sjekke opp måleprogrammet.
    2. Trykk på Start-knappen og svare på spørsmålene som genereres av programmet om den nåværende status for prøven posisjon døren og stråle lukkeren. Måleprogrammet vil bli startet. Velge strømverdier for å muliggjøre visualisering av den pågående måling (posisjonene til motorer og status for apparatkomponenter, tellehastigheten, og evolution av integralet intensitet i tid).
      NB: Den integrerte intensiteten på detektoren, og telleverdiene i detektoren og skjermer er vist og kan brukes til å endre måleprogrammet, enten individuelt eller i sin helhet av settet av målinger.
  5. Tillat målingene utføres og fullføres i henhold til den definerte måleprogrammet.
    MERK: Målingene kan avbrytes eller stoppes ved å aktivere Stop-funksjonen og velge ønsket alternativ (for å fortsette, for å stoppe strømmåling med eller uten å lagre filen, eller stoppe hele programmet) når den integrerte intensitet samlet opp til en visst tidspunkt anses tilstrekkelig, eller når feil er identifisert i målesekvensen.
    1. Generere Loggbok av målingen økten ved å klikke på Skriv ut-knappen under Loop Definisjoner alternativ (Supplementary figur 8) når den definerte måleprogrammet har blitt stoppet eller kompleted.
  6. Velg Levende-Display i hovedmenyen til KWS2 måling programvare (Supplementary figur 3) for å aktivere KWSlive_MainWindow grensesnitt (Supplementary figur 9).
    1. På skjermbildet Type velge enten GEDET eller PSD for å visualisere dataene som samles inn med hoved eller med den sekundære (høy-oppløsning) detektor, respektivt. Velg visualisering modus på visningsmodus ved å velge de tre-dimensjonale (Surface), to-dimensjonale (Contour), eller en-dimensjonale (Radial gjennomsnitt) modus. Skriv tomten alternativer (lineær eller logaritmisk skala) og parameterverdier (bølgelengde og gjenkjenning avstand L D) i feltene i Radial gjennomsnittlig alternativmenyen for å muliggjøre presentasjonen av data som n intensitet (ukorrigert) versus Q.
    2. Velg en ønsket TOF-kanal for å visualisere de innsamlede dataene i TOF-modus (med enten hoved- eller sekundær detektor).

5. Data Analysis

  1. Start databehandling programvare ved å skrive qtiKWS kommando i et terminalvindu for dataanalyse datamaskinen til KWS-2 instrument. Velg New Script alternativ på høyre side av hovedgrensesnittet.
  2. Velg DAN alternativet i øvre funksjonsmenyen av de viktigste grensesnittet (Supplementary figur 10) for å aktivere data analysefunksjoner. Velg KWS-2 instrument fra Alternativer på høyre side meny for å aktivere dataanalyse modus for data målt på KWS-2 bruker hoved detektoren. Definer mappen der de målte datafiler er plassert og hvor de korrigerte datafiler vil bli lagret.
  3. Velg Verktøy-alternativet og aktiver (e) -funksjonen Header på høyre side meny (Supplementary Figur 11) og generere info-tabell som inneholder filene som skal behandles. Definere tabellnavnet ved å klikke på venstre sett grønne pilenepå Header (e) felt. Last de målte filer ved å klikke på riktig sett med grønne pilene på Header (e) felt og velge de målte filer.
    MERK: Info-tabell som inneholder fullstendig informasjon om hver måling filen er lagret i explorer-lignende meny i den nedre delen av prosjektet. Alle resultater som vil bli generert senere i prosjektet vil bli lagret der.
  4. Aktiver Mask-funksjonen i den høyre sidemenyen (Supplementary figur 12) og å generere det aktive maske som definerer området av detektoren som vil bli vurdert for databehandling. Skriv inn verdier i Edge og Beam-Stop felt for å definere nedre venstre og øvre høyre hjørne av den rektangulære maske når det gjelder analyse av isotrope spredningsmønstre.
  5. Aktiver Følsomhet funksjon i høyre sidemenyen (Supplementary figur 13) og generere detektoren følsomhet for en viss konfigurasjon ved å skrive inn i markedet grønne fifeltene kjørings tallene for målinger av standard sample (pleksiglass), tom stråle (EB), og blokkerte strålen (B4C).
    1. Klikk på settet til grønne piler ved siden av det gule feltet (Transmission) for beregning av overføring av standarden prøven. Generer og navngi sensitivitetsmatrisen ved å velge Beregn som Ny, og visualisere generert matrise ved å bruke de riktige Plottet fungerer i nedre menyen. Gjenta denne fremgangsmåten i tilfelle av andre konfigurasjoner.
  6. Aktiver Data Processing funksjon i høyre sidemenyen (Supplementary figur 14) og generere korreksjon og kalibrering bord og scriptet bordet for å korrigere, kalibrere, og utfører radial midling av dataene.
    1. Definer rekke forhold som brukes i eksperimentet ved hjelp av den horisontale glidebryteren på toppen av høyre sidemenyen (rød pil). Fyll ut feltene som er merket med den gule blyanten ved å skrive inn for hver eksperimentell tilstandkjøre tall for den tomme cellen (EC), blokkerte strålen (B4C), og standard prøver-Plexiglas (Abs. Cal. FS), tom stråle for standard korreksjon (Abs. Cal. EB), og blokkerte strålen for standard korreksjon (Abs. Cal. B4C).
    2. Angi kjører antall målinger med sterk fremover spredning i sentrum feltet. Skriv inn rømmen antall av en tom bjelke i EB-feltet, og velg den tilsvarende eksperimentelle betingelsen for beregning av overføring av prøvene ved å krysse av boksen ved siden av Tr (EF-til-EB) -funksjonen.
    3. Klikk på hver knapp indikert av et sett med roterende grønne pilene på den vertikale rekke alternativer (Supplementary figur 14) for å laste den informasjonen som trengs for databehandling fra de definerte filer og å beregne overføring av tom celle. Klikk på hodet av hver gul kolonne for å definere kolonnenavnet.
    4. Klikk på Ny-knappen for å generere og tabellen navnet av datafiler som vil be behandlet. Klikk på knappen Legg til for å laste datafiler som skal behandles. Klikk på Tr knappen merket med settet av roterende grønne pilene under Script-Table Tools området for å beregne overføring av hver prøve. Sjekk resultatene i den genererte tabellen (Supplementary figur 14).
    5. Velg Prosjekt i nederste høyre hjørne av grensesnittet (Supplementary figur 14) for å lagre alle resultatene som tabeller eller matriser i gjeldende qtiKWS økten (prosjekt). Klikk I [x, y] knapp for å utføre korreksjon og kalibrering av to-dimensjonale data. Klikk på knappen I (Q) for å utføre korreksjonen, kalibrering og radial gjennomsnittsberegning av dataene. Plott resultatene ved hjelp av grafiske funksjoner under grafen (Supplerende Figur 15) alternativet.
      MERK: Alle resultatene vil bli generert som eksterne filer som vil bli lagret i den eksterne mappen som ble definert i trinn 5.2, da, i the nederste høyre hjørne av grensesnittet, er File valgt i stedet for Project.
  7. Velg Verktøy i høyre sidemenyen (Supplementary Figur 11) og aktivere TOF | RT alternativ (Supplementary figur 16) for å splitte de dataene som ble samlet inn med hoveddetektor i arbeidsmodus TOF inn enkeltfiler som tilsvarer hver gang kanal.
    1. Klikk på TOF :: Beregn Parametere funksjon og belastning én fil, der informasjon om TOF forholdene er hentet. Klikk på TOF | RT :: Sum vs Antall :: Les funksjon og laste ned filen av interesse, målt i sanntid eller TOF moduser, for å generere en sum-tof-fil tabellen som det som vises på venstre side av arbeids grensesnitt. Plott integrert intensitet som funksjon av tidskanaler (Supplementary figur 16) fra summen-tof-fil ved hjelp av grafiske alternativene under grafen funksjon i den øvre funksjonsmenyen.
    2. Definer behandling parameters i feltene i TOF funksjon. Klikk på TOF | RT :: Alle Valgte Steps :: Fortsett-knappen for å laste datafilene som vil bli delt inn i enkeltfiler som svarer til hver av de definerte tidsluker.
      MERK: Filer som inneholder data målt i hver tidsluke som er generert og lagret i filen sted som er definert i trinn 5.2 og motta navnet på den originale filen TOF, etterfulgt av nummeret på den tidsluke.
    3. Fortsett som i trinn 5.6 for å analysere data målt med bedre oppløsning, tilsvarende AX X rettet, ved hjelp av helikopter.
  8. Velg KWS2-HRD instrument fra Alternativer på høyre side menyen i hovedgrensesnittet (Supplementary figur 17) for å aktivere dataanalyse modus for data målt med KWS-2 ved hjelp av sekundær høy oppløsning detektor. Aktiver Mask funksjon i høyre sidemenyen (Supplementary figur 18A) og generate den aktive maske som definerer det aktive området av detektoren.
    1. Velg DANP alternativet i den øvre funksjonsmenyen av de viktigste grensesnittet (Supplementary figur 18B). Velg ASCII.2D alternativet i høyre side menyen. Aktiver 2D Maske funksjon for å definere en spesiell sektor på den detektor som vil bli vurdert for dataanalyse.
    2. Introduser bjelke-stop senter i feltet Center. Velg masken matrise og verdien 0 i Mask :: betingelser for å forsømme utenfor området av den spesielle masken. Velg vinkelsektoren og klikk på fargeknappen på høyre side av sektorfelt. Fortsett med de data som ble målt med høy oppløsning detektoren, som i trinn 5.5 og 5.6.
  9. Lagre qtiKWS prosjektet (lagre funksjoner under Fil-alternativet i øvre menyen).

Representative Results

Representative resultater for en vellykket eksperiment som ble utført med den KWS-2 i forskjellige arbeidsmodi for strukturen og morfologien til to representative typer myke materie systemer er gjengitt i figurene 8-11. Disse resultater er fra en undersøkelse av en serie av polystyren av standard størrelse-partikler i D2O / H 2 O-løsninger, med en D-2-O-innhold på 90%, og av den fullt protonerte diblokk-kopolymer C 28 H 57 -PEO5 i D 2 O ved et høyt polymervolumandel (12%). Det polystyren-standard-størrelse partikler, med radiene R = 150, 350, 500, og 1000 Å ble anvendt for å teste den konvensjonelle pinhole-modus ved hjelp av forskjellige kombinasjoner av deteksjons avstander L D og bølgelengder λ. Større store partikler (R = 4.000 Å) ble brukt til å teste og ferdigstille utvidet Q -serien modus. Diblokk copolymer som gir en ordnet micellar struktur ved høye konsentrasjoner av D 2 O ble brukt til å teste og ferdigstille fleksibel oppløsning.

Figur 8 viser resultatene av de to-dimensjonale spredningsmønstre målt i pinhole-modus bruker hoveddetektoren (den gamle scintillasjonsdetektor) og i den utvidede Q -serien modus ved hjelp av fokusobjektiver og høy oppløsning sekundær detektoren. Figur 8A representerer spredning mønster fra polystyren partikler med R = 500 Å målt ved L D = 8 m ved hjelp λ = 5 Å. Figur 8B viser spredning mønsteret fra polystyren partikler med R = 1000 Å, samlet på L D = 20 m ved hjelp λ = 20 Å. For de målinger som utføres med λ = 5 A, ble den direkte strålen samles på den sentrale bjelke-stoppe montert foran detektoren, og den utsendte strålen kan bli overvåket med en small 3 Han teller som ble installert i midten av strålen-stop. Dette er den såkalte Monitor 3 (Supplementary Figur 8). Instrumentet har to ekstra 3 Han tellere, som er montert foran hastighetsvelgeren (Monitor 1) for å overvåke polykromatisk strålen, og bak hastighetsvelgeren (skjerm 2) for å overvåke monokromatisk strålen. På grunn av tekniske begrensninger, ble målingene med λ = 20 Å utført med den direkte strålen på detektoren, som var typisk oppsett brukes sammen med den gamle KWS-2-detektor. Det svakere, direkte stråleintensitet ved lange bølgelengder, som synker ned på grunn av tyngdekraften, kan bli detektert uten skade på detektoren. Den utsendte strålen i dette tilfelle ble overvåket med skjerm 3 i en kort avstand deteksjons L D = 2 m. I dette tilfelle er tyngdekraften effektene er svak og den direkte strålen faller på den bjelke-stop (som i figur 8A). Dataene samles to-dimensionally på detektoren for en pikselstørrelse på 5,25 mm x 5,25 mm ble ytterligere korrigert for detektoren følsomhet, og bidragene fra den tomme cellen, instrument bakgrunn, og væske ble helt kalibrert med spredning fra pleksiglass sekundære standard 4. Til slutt ble de spredningsmønstre som ble isotropisk fordelt rundt posisjon Q → 0 gjennomsnitt radialt, som leverte den dΣ / dΩ for hvert polystyren partikkel system.

Den to-dimensjonale mønster spredning fra de store polystyren-partikler (R = 4000 Å) er vist i figur 8C, slik det ble målt med høy oppløsning detektor for en pikselstørrelse på 0,5 mm x 0,5 mm. Den lille direkte strålen fokuseres av linsesystemet på deteksjons plan og fanges opp av en liten bjelke-stop (4 mm x 4 mm) som er installert på detektoren ansiktet. Skyggen fra den kvadratiske bjelke-stopp kan observeres i <strong> Figur 8C i øvre venstre side av den aktive detektoren området. Tyngdekraften effekter induserer en bred vertikal fordeling av nøytroner med forskjellige bølgelengder på detektoren. I tillegg, på grunn av at linsene ble fokusert perfekt, blir bare de neutroner som er kjennetegnet ved den sentrale bølgelengden λ av triangulære fordeling levert av hastighetsvelger 2,5; nøytronene med forskjellige bølgelengder rundt den sentrale en kommer inn på detektoren litt ute av fokus. Disse to effektene gir de svake direkte stråle spor som kan observeres rett over eller under strålen-stop. I den statiske utvidet Q -serien modus med linser og høy oppløsning detektor, blir data samlet inn kontinuerlig. For å minske bidraget fra gravitasjonsvirkninger, er de spredte data analyseres i en smal vinkelsektor som starter fra bjelke-stop og strekker seg horisontalt til høyre, som vist i figur 8C. Dataene blir behandlet further bruke vanlig tilnærming for å oppnå den dΣ / dΩ. Figur 8D viser intensitet i forhold til den posisjon fra bjelken stopp mot kanten av detektoren, som det ble samlet opp i en smal horisontal skive med en bredde på en piksel (0,5 mm) på høy oppløsning detektoren. Data fra prøveløsningen og referanse (løsningsmiddel) er vist som de ble oppsamlet på en kort test måling av 5 min. Dråpen av intensitet ved korte posisjoner er på grunn av stråle-stop. Fra forholdet mellom intensitetene ved de korteste posisjon, kan prøveoverførings (87%) estimeres.

De korrigerte og kalibrert resultater som ble oppnådd i form av dΣ / dΩ på løsning av polystyren partikler med R = 500 Å er vist i figur 9, sammen med de fra løsningsmidlet. Disse resultatene illustrerer Q området som kan dekkes med den KWS-2 på konvensjonell pinhole-modusved variasjon av deteksjonsposisjonen L D og bruken av en eller flere bølgelengder. Formfaktoren inneholder 8,9 av de sfæriske partikler er også åpenbart: den Guinier region med lav Q og svingninger på grunn av den sfæriske Bessel-funksjonen i mellom Q rekkevidde. I høy Q-området, blir spredningsprofilen dominert av spredning fra løsningsmidlet, og derfor er det viser en flat oppførsel, som det fra løsningsmidlet i seg selv. Formfaktoren minima påvirkes av instrumentet oppløsning 5 på den ene side, og av partikkelstørrelsen polydispersitet på den annen side. Instrumentet oppløsning i tilfellet med KWS-2 er hovedsakelig bestemt av bølgelengden spredning av Δλ / λ = 20%. Størrelsen polydispersitet for alle typer partikler var omtrent σ R = 8%. Figur 10 viser resultatene oppnådd i SANS undersøkelse av alle typer polystyren-partikler uttrykt som dΣ/ DΩ etter korreksjon for løsemiddel bidraget ble brukt. De Guinier regionene er klart dokumentert for alle partikler mot lave Q-verdier, mens i de høye Q-serier, er helningen på -4 avslørt, noe som er typisk for den formfaktoren til de sfæriske stedene. De strukturelle parametere av standard størrelse partikler ble bekreftet ved tilpasning av data med form-faktor på polydisperse kuler 8,9 convoluted med oppløsning funksjon av instrumentet 10-12.

Figur 11 viser den to-dimensjonale og de radialt-midlede endimensjonal spredningsmønstre fra bestilling strukturen C 28 H 57 -PEO5 polymer miceller som forekommer i D 2 O ved en polymervolumfraksjon på 12%. Resultatene ble samlet inn på forskjellige deteksjons avstander L D, med både konvensjonelle pinhole og tunbare oppløsning for kombinert isamme måling økt. Når systemet er undersøkt i den konvensjonelle pinhole modus ved hjelp av bølgelengde spredning av Δλ / λ = 20%, som leveres av hastigheten velgeren, og kontinuerlig (statisk) datainnsamling, er tre brede topper observert i spredningsmønster på L D = 4 m. I avstembar oppløsningsmodus, ved hjelp av helikopteret og datainnsamlings TOF i kombinasjon med hastighetsvelger, bølgelengdespredningen den kan forbedres, slik at det kan sjekkes hvorvidt disse egenskapene er reelle eller hvis en fin struktur av dem vil til slutt vises. De første og andre topper observert ved Δλ / λ = 20% viser en splitting når de måles med Δλ / λ = 5%, noe som gjorde det mulig entydig identifisering av ordningen av miceller i flatesentrert kubisk (FCC) 5,13 krystaller .

Dette er to typiske eksempler på hvordan allsidighet og ytelse av KWS-2 SANS diffra ctometer kan brukes på en enkel og brukervennlig måte ved å følge den vedlagte protokoll for å gjennomføre detaljerte undersøkelser på mykt materiale og biofysiske systemer som viser komplekse strukturelle trekk i form av lengde skala og bestilling.

Figur 1
Figur 1: Oppsett av KWS-2 SANS instrument, inkludert alle oppgraderinger gjort mellom 2010 og 2015. (A) Den generelle syn på instrumentet. (B) Den sekundære høy oppløsning detektor og dens tårn på toppen av vakuumtanken. (C) MGF 2 med fokus linser, gruppert i tre pakker, og deres kjølesystem (kaldt hode). (D) Den gamle hoved detektor (scintillation) med sin 8 x 8 rekke fotomultiplikatorer. (E) Den nye hoved detektor (3 Han rør) med en større registreringsområdet.f = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54639/54639fig1large.jpg" target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2: Skjematisk oversikt over tre arbeidsprogram som tilbys på KWS-2. (A) Den konvensjonelle pinhole-modus. For L C = L D, der L C og L D er kollimasjon og påvisning lengde, henholdsvis, og optimal pinhole betingelse A C = 2A S, hvor A C og A S er henholdsvis kollimeringen inngangsåpning og prøven åpning, , den stråleprofilen i 'P ved detektoren er omtrent trekantet med en base bredde lik 2A C. (B) Den høye intensitet med fokus modus. Ved hjelp av linser, kan større prøver måles med den samme oppløsning som i the konvensjonell pinhole-modus (stråleprofilen I 'P ved detektoren er rektangulær i dette tilfelle). (C) Den utvidede Q -serien fokus modus. Ved å bruke linser og en liten entré åpning A C (vanligvis 4 mm x 4 mm) som er plassert på en Brennpunkt av linsesystemet, er en liten trålen på detektoren, som er plassert på den andre sentrale punktet i linsene . Derfor kan en lavere verdi for den minste bølgevektor overføring Q m enn i konvensjonell pinhole modus oppnås. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: View av prøvene montert i Al-patron av prøveholderen for målinger ved omgivelsestemperatur. påhulrom som er gitt i Al-kassett. (A) kvarts celler (B) fylt med prøver og dekket med sine stoppere (C) kan plasseres. Stillingene på Al-patronen ble opptatt med prøver som følger: i posisjonene No. 1 til # 5, polystyren partikler med størrelser av R = 150, 350, 500, 1000 og 4000 Å i D 2 O / H 2 O løsemiddel; i stilling No. 6, C-28 H-57 -PEO5 diblokk-kopolymer i D2O; i posisjoner No. 7 og # 8, den løse D 2 O / H 2 O og D 2 O; i stilling nr 9, den tomme kvartscelle (referanse); i stilling No. 10, Plexiglas (standard); i stilling No. 11, ingenting (for måling av den tomme stråle); i posisjon nr 12, B-4 C platen (tapet på baksiden, for måling av instrumentet bakgrunn med de blokkerte stråle). Al dekkplate (D), belagt med Cd maske på den ytre flate, erfestet på toppen av kassetten ved hjelp av skruene (E) for å feste prøvecellene, og for å definere den nøytronvindu (F). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4: riss av en av de flere nivåer og har flere stillinger celleholdere som brukes i KWS-2 for målinger ved omgivelsesbetingelser. Prøvene for gjeldende eksperimentell sesjon ble installert i midten nivå. De tre nivåer kan være utstyrt med patroner (A) for et antall forskjellige celle geometrier som er lukket med Al-dekkplater belagt med Cd masker på den ytre flate (mot nøytroner). Installasjonen av patronene på holderen er gjort ved hjelp av skruene (B (C) som tillater dens installasjon i en forutbestemt posisjon på prøvetrinnet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5: Skjematisk grunnriss av prøveområdet KWS-2. (A) Presentasjon av to ekstreme konfigurasjoner av kollimeringen nese, som viser den tilgjengelige plassen for installasjon av forskjellige eksempler på miljøer i bjelken (nøytronene kommer fra bunnen, som antydet med de gule piler). (B) Kontrollpanelet ledelsen døren, med åpning og lukking tastene (1 og 2, henholdsvis). Døren motor fungerer bare så lenge tastene er trykket inn. Døren er utstyrt på kantene medsensorer som induserer nedleggelse av motoren når en hindring registreres. Etter å ha fjernet hinderet, kan motoren blokkering bli kansellert med den øvre tasten (3) og åpne eller lukke handling kan gjenopptas. (C) Kontrollpanelet kollimasjon nesen. Fra nesen panel, kan en passende konfigurasjon velges med knappen (4). Nesen er flyttet ved å holde tasten (5) kontinuerlig aktivert til den valgte posisjonering er nådd, og bevegelsen stopper av seg selv. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6: Installasjon av multilevel og multi-posisjon prøveholderen på prøven scenen for SANS målinger ved romtemperatur (Fotokreditering: Wenzel Schürmann, Technische Universität München, Tyskland). De viktigste komponentene i prøven stilling er kollimeringen nese med prøven åpning ved sin ende (A), idet prøven trinnet som gir den horisontale og vertikale plassering av prøvene i bjelken (B), inngangsvinduet av vakuumtanken detektoren (C), hoveddøren med sensorer på sin kant (D), og basisen av celleholderen (E), som sørger for montering av holderen på den optiske brødfjel (F) av prøven trinnet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7: Den dynamiske området for ulike instrumentale oppsett på KWS-2. I 0 representerer nøytronfluksen i prøveposisjon. De definerte områder indikerer det tilgjengelige Q området som kan dekkes når bølgelengden er varierte mellom 4,5 Å og 20 A for spesielle collimation-gjenkjenning konfigurasjoner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8: Eksempler på todimensjonale spredningsmønster som er samlet i løpet av den eksperimentelle sesjonen i henhold til den aktuelle protokoll. (A) Et spredning mønster oppsamlet ved L D = 8 m fra polystyren partikler med en radius R = 500 Å i D 2 O / H 2 O, målt med λ = 5 Å. Spredningsmønster isotropically fordelt rundt bEAM-stopp, som blokkerer den direkte strålen i midten av detektoren. (B) Den spredning mønster oppsamlet ved L D = 20 m fra polystyren partikler med en radius på R = 1000 Å i D 2 O / H 2 O, målt med λ = 20 Å. Spredningsmønster er isotropisk fordelt rundt posisjonen til den utsendte strålen, som for denne bølgelengde faller inn under bjelken og praktiske og er maskert sammen med bjelken stopp ved hjelp av funksjoner av visualiserings programvare. (C) Et spredning mønster oppsamlet med høy oppløsning detektoren ved L D = 17 m fra polystyren partikler med en størrelse på R = 4000 Å i D 2 O / H 2 O, målt med λ = 7 Å i den utvidede Q rekkevidde med linser og høy oppløsning detektoren. Spredningsmønster isotropically fordelt rundt den lille strålen-stop (4 mm x 4 mm), som blokkerer fokusert direkte strålen. Vinkel sektor i wjør dataene blir videre analysert er angitt på høyre side av bjelken stopp. (D) Den intensitet i forhold til posisjonen av strålen-stopper som det ble samlet i en kort testmåling i en smal horisontal skive, med bredden av ett bildeelement (0,5 mm), på høy oppløsning detektoren. Dataene er vist fra prøveoppløsningen og referanse (løsningsmiddel). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9
Figur 9: spredningsmønster fra polystyren partikler i D 2 O / H 2 O-løsning (symboler) og fra løsemidler (linjer). Dataene ble samlet inn i den konvensjonelle pinhole-modus på ulike instrument konfigurasjoner somer angitt ved forskjellige farger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 10
Figur 10: spredningsmønstre fra polystyren-partikler med forskjellige størrelser i D 2 O / H 2 O etter korreksjon for spredning av oppløsningsmidlet ble påført. De røde linjene representerer passer med den sfæriske formfaktor 9, inkludert instrument oppløsning 10, 11 og størrelsen polydispergerbarheten. Den typiske Q -4 asymptotiske virkemåte for den kuleformede formfaktoren er angitt ved den rette linje i det høye Q-serien. Den lave grensen for Q serien dekket med forskjellige bølgelengder eller oppsett er spesielt marked. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 11
Figur 11: Den to-dimensjonale og den radialt gjennomsnitt endimensjonal spredningsmønstre fra de C 28 H 57 -PEO5k polymer miceller i D 2 O (i en polymervolumfraksjon på 12%), målt i den konvensjonelle pinhole-modus med Δλ / λ = 20% (øverst) og i fleksibel oppløsningsmodus, med Δλ / λ = 5% på L D = 4m (venstre side) og L D = 8m (høyre side). I den konvensjonelle modus og kunne tre brede topper observeres. En fin struktur av de første to toppene er åpenbart 5, 13 med forbedret Δ & #955; / λ oppløsning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 12
Figur 12: Den spredning mønsteret fra fullt protonerte PHO10k-PEO10k diblokk-copolymer miceller i D 2 O (etter korreksjon for spredning av oppløsningsmidlet ble anvendt), målt ved å kombinere konvensjonelle hullet og de utvidede Q treet modi. En kjerne-skall sylindrisk morfologi er indikert med Q -1 avhengighet av spredt intensitet ved mellomliggende Q og Q -5/3 avhengighet (klumpen spredning) observert ved høy Q. Intensiteten platå ved lav Q og bøye på mellomnivå Q avslører than lengden og tykkelsen av sylindrene, henholdsvis. Den røde kurven representerer tilpasning av de eksperimentelle data med en kjerne-skall sylinder modell 9, med den instrument oppløsning inkludert 10-12. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 13
Figur 13: De spredningsmønstre fra polystyren partikler (R = 150 a) i D 2 O / H 2 O, målt i den konvensjonelle pinhole og høy intensitet (Lens) moduser. (A) Den endimensjonale spredningsmønster målt med λ = 7 Å ved L D = 8 m i den konvensjonelle modus og ved L D = 20 m i høy-intensitetsmodusen med linser. i tHan høy-intensitetsmodusen, forskjellige stråle størrelser på prøven ble anvendt for å øke intensiteten. Opptil 12 ganger gevinsten i intensitet ble oppnådd da 26 linser ble brukt i forhold til konvensjonelle pinhole-modus. En stor prøve ble plassert i strålen ved hjelp av en rund kvartscelle med en diameter på 5 cm. (B) Det todimensjonale spredningsmønster oppsamlet på detektoren i pinhole-modus for et bjelke-størrelse på 10 mm x 10 mm. (C) Det todimensjonale spredningsmønster oppsamlet på detektoren i høy intensitet modus ved å bruke 27 linser og en bjelke størrelse på 30 mm x 30 mm. Størrelsen (oppløsning) av den direkte strålen fokusert på detektoren er den samme som i den pinhole-modus. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 14
Figur 14: Den spredning mønsteret fra bufferløsning og fra beta-amyloid protein monomerer (Ap 1-42, molekylvekt M W = 4,5 kDa) i deuterisert heksafluorisopropanol dHFIP-buffer ved en konsentrasjon på 5,6 mg / ml etter tre ukers inkubering. De fullstendige punktene representerer spredning kurve fra proteinløsningen mens hele trekanten viser spredningskurven fra bufferoppløsningen. De blå punktene betegner det spredende tverrsnitt (til høyre vertikale akse) fra monomerer etter korreksjon for bufferen bidraget ble brukt. Feilstolpene representerer standardavvik avledet fra nøytron-teller. Den røde heltrukne linjen viser utstyrt Beaucage funksjon med fast dimensionality d = 2 14. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Figur 15: spredningsmønstre fra lysozym 50 mg / ml i 50 mM acetatbuffer i D2O og fra bufferoppløsning målt ved forskjellige trykk, fra omgivelsestemperatur til 5000 bar. Symbolene som representerer data fra proteinoppløsningen, mens linjene viser dataene fra bufferen. Dataene ble samlet inn på to deteksjons avstander, L D = 4 m (åpne symboler) og L D = 1 m (full symboler). Det innfelte viser virkemåten av den fremover spredte intensitet I (Q → 0) fra proteinoppløsningen, buffer, og proteinet i seg selv (etter korreksjon for bufferen bidraget ble brukt) som funksjon av trykk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Parameter / funksjon Hjelpe utstyr Bruksområder nøyaktighet Tekniske detaljer
posisjonering Eksempel scenen max. laste 600 kg
x 0 - 360 mm 0,05 mm
Y 0 - 330 mm 0,05 mm
Z (bjelke-aksen) manuelt, 600 mm
θ r (rotasjon) 0 ° - 360 ° 0,002 °
θ t (vugge) ± 30 ° 0,002 °
omgivelsestemperatur tre-nivå flerposisjons Al holder (Cd masker) 3x9 = 27 bred kvarts celler
3x12 = 36 smale kvarts celler
tre posisjoner 3 store kvarts celler (diameter Φ = 5 cm)
Al holderen (B 4 C maske)
Temperatur termostat (oljebad) + fra -25 ° C til 200 ° C ± 0,5 ° C 4 posisjoner
liten kobber blokk i luft eller i vakuumkammeret (med forseglede kyvetter)
termostat (vannbad) + to-nivå multi-posisjon fra 5 ° C til 85 ° C ± 0,2 ° C 2x9 = 18 bred kvarts celler; 2x12 = 24 smale kvarts celler
Al blokk
termostat + høy presisjon ovn fra 10 ° C til120 ° C <0,1 ° C En posisjon, bred kvarts celle
Peltier-termostat kyvette-holderen fra -20 ° C til 140 ° C ± 0,2 ° C 8 stillinger (alle typer kvarts eller bras sandwich typen celler celler); kontrollert atmosfære under 5 ° C
(B4C maske)
Trykk HP celle SANS + termostat (vannbad) opp til 5000 bar Temperatur i området fra 5 ° C til 85 ° C
Lav temperatur Kryostat med safir vinduer ned til 50 K
Rheometry rheometer; steady state og oscillasjonsmoduser
Luftfuktighet fuktighet Cell 5% til 95% Temperaturi området fra 15 ° C til 60 ° C
In-situ FT-IR 20 FT-IR-spektrometer Eksempel på celler med ZnSe vinduer

Tabell 1: Listen over tilleggsutstyr er tilgjengelig for KWS-2 SANS diffractometer, herunder omfanget av bruk, nøyaktighet, og detaljene for hver enhet.

måling Mode eksperimentell oppsett oppløsning bjelke / utvalgsstørrelsen max. intensitet [n / s] Q-range [-1]
Δλ / λ
konvensjonell 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 A, 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 høy 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
høy oppløsning
(Utvidet Q-serien)
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
Fleksibel oppløsning λ = 4,5 Å, 5% 10 x 10 mm 2 ca. 7% fra konvensjonell modus 0.002 .. 0.5
L C = 20 m,
L D = 1 m .. 20 m

Tabell 2: De eksperimentelle konfigurasjoner tilgjengelig på KWS-2 SANS diffractometer.

Supplerende Figur 1: Den absolutte nøytronfluks ved prøven posisjonen til KWS-2 som en funksjon av bølgelengde λ ved forskjellig kollimering lengder L C og for optimal fylling av reaktorkjøleanordning. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 2: skjematisk riss av den doble skive helikopteret med en variabel spalteåpning. Slissen åpner Δφ kan justeres mellom 0 ° og 90 °, slik at, avhengig av helikopteret frekvens fchopper, kan åpningstid τ w av veiledningen (den røde firkanten på høyre vertikale serie bilder) være variert. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 3: Hoved brukergrensesnitt for målingen styring og visualisering programvare for KWS-2. Den venstre funksjoner (A) kan brukes av experimentalists, mens den høyre funksjoner og indikatorer (B) brukes av instrumentet ansvarlig. En server eller prosessen vist i den høyre menyen er operativ og fungerer normalt når det er markert med grønt. Komponentene som er merket med gult er ikke aktivert. Enhver feil er indikert med rødt. Klikk her for å laste ther figur.

Tilleggs Figur 4: Utsikt over kws2-konfigurasjonsmenyen og Sample konfigurasjonsfunksjoner. Brukerne må fylle ut informasjon i brukerdata felt første og deretter gjøre konfigurasjonen av prøver. Feltene som må fylles ut og handlingene som må tas er merket med rødt. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Tilleggs Figur 5: Utsikt over kws2 Definition-menyen og velg prøvefunksjoner. Handlingene som må tas av brukeren er beskrevet i trinn 4.3. Klikk her for å laste ned dette tallet.

supplementary Figur 6: Utsikt over kws2 Definition menyen og definisjon av målinger funksjoner. Handlingene som må tas av brukeren er beskrevet i trinn 4.3. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Tilsetnings Figur 7: Måleprogrammet som genereres ved å kombinere de definerte prøvene, og de angitte forsøksbetingelser. Handlingene som må tas av brukeren er beskrevet i trinn 4.3. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 8: kws2-måling kontrollmenyen og de gjeldende verdiene alternativet. De faste parametre (posisjoner, navn, bølgelengde, etc.) og Variables (tid, intensitet, telle rate, etc.) som karakteriserer den løpende målingen vises. Handlingene som må tas av brukeren er beskrevet i trinn 4.4. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 9: Live-Display alternativet med KWSlive_MainWindow menyen og ulike data visualiseringsmuligheter. The Surface visualisering modus er valgt. Når Radial gjennomsnittlig modus er valgt (høyre side bilde), kan innstillingen av parametrene finnes under menyen Alternativer Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 10: Hovedgrensesnittet av data reduksjon programvare qtiKWS w ith mulighetene for valg av instrumentet og plasseringen av de eksperimentelle og behandlede data. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 11: Funksjonene for å definere loggboken for datasettet som skal behandles (info-tabell). Handlingene som må tas av brukeren er beskrevet i trinn 5.3. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 12: Funksjonene for å definere detektoren maske som opplysningene vil bli behandlet. Handlingene som må tas av brukeren er beskrevet i trinn 5.4.target = "_ blank"> Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 13: Funksjonene for å definere detektor følsomhets kart. Handlingene som må tas av brukeren er beskrevet i trinn 5.5. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 14: Funksjonene for å generere skriptet bordet for korreksjon, kalibrering og radial gjennomsnittsberegning av data. Handlingene som må tas av brukeren er beskrevet i trinn 5.6. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 15: Funksjonene for plotting than behandlet data. Handlingene som må tas av brukeren er beskrevet i trinn 5.6.5. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 16: Funksjonene for forberedelse og splitting av data målt i tunable-oppløsning. Dataene fra de to pulser levert av helikopteret og samles først i 64 TOF kanaler slås sammen til en puls. Flere kanaler er gruppert sammen slik at de resulterende tidskanaler som er preget av den Δλ / λ rettet kan lagres som separate filer. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 17: Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 18: Funksjonene for å definere de høyoppløselige detektor masker som opplysningene vil bli behandlet. Handlingene som må tas av brukeren er beskrevet i trinn 5.8. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Supplerende Figur 19: Oversikt over alle typer prøve celler som vanligvis brukes på KWS-2 for etterforskningen av myke materie og biologiske prøver ved omgivelses eller variabel temperatur. (A) Utsikt over large kvarts celler tilgjengelig for høy intensitet modus med linser og en stor bjelke størrelse. Celleholderen, som er utstyrt med boratplastmasker (1), tillater planlegging og gjennomføring av tre målinger i én økt. (B) Utsikt over kvarts eller messing celler som er brukt som prøvebeholdere og en temperatur kontrollert holderen (Peltier-type) utstyrt med 8-posisjon patroner som passer for hver type celle. Holderen er skjermet med borerte plast masker (1) på begge sider. (C) Utsikt over trykkcelle i drift på KWS-2. Cellen kan gi trykk på prøven mellom omgivelsestemperatur og 5000 bar i en automatisk modus, kontrollert av måleprogrammet. Den runde Cd maske (1) med en liten åpning i midten bestemmer stråle-størrelse på prøven. Klikk her for å laste ned dette tallet.

Discussion

Myk materie og biofysiske systemer er vanligvis preget av strukturelle sammenhenger og beslektede mikrostruktur og morfologiske nivåer som spenner over et bredt lengde skala, fra nm til mikron. For å forstå mekanismen for dannelsen og utviklingen av morfologien av slike systemer og forholdet mellom deres mikroskopiske egenskaper og makroskopiske egenskaper, er det viktig å utforske deres mikrostruktur over hele lengden skala og under relevante miljøbetingelser (for eksempel temperatur, trykk, pH- , fuktighet, etc.). Vanligvis er liten vinkel spredning teknikker med nøytroner (SANS) eller synkrotron røntgen (SaXs) som er involvert i slike studier. Intensiteten Ulempen med nøytroner versus synkrotron røntgenstråling kompenseres ved bruk av forholdsvis stor Δλ / λ, noe som imidlertid fører til en forverring av den instrument oppløsning. Likevel gir SANS unike fordeler på grunn av de mulighetene som tilbys av kontrast variasjoner, særlig mellom hydrogen- isotoper. Derfor er SANS en eksperimentell metode er spesielt brukt i studiet av mykt materiale og biofysiske systemer, som det gir unike strukturelle og morfologisk informasjon. De fleste av SANS diffractometers verdensbasis 21 arbeids på pinhole-prinsippet (figur 2A), som gjør det rettet lav Q oppløsning. Praktisk talt alle high-flux SANS diffractometers har en lignende maksimal flux på omtrent 1 x 10 8 n cm -2 -1 sek. Basert på den avslappede bølgelengde oppløsning, har KWS-2 en nesten doblet flux 2, 4. Nylig, svært spesialiserte SANS diffractometers ble satt i drift for å tjene med optimaliserte egenskaper for et bestemt utvalg av programmer, for eksempel for undersøkelser i svært liten spredning vektorer 22, 23. Med det aller siste oppdrag av spesialiserte TOF-SANS diffractometers ved steady-state reaktorer 24 eller spallation kilder 25, 26, et massivt-økt dynamisk Q område i et gitt eksperimentelt oppsett og økt fleksibilitet og optimalisering med hensyn til valg av den eksperimentelle oppløsning tilbys. For KWS-2 SANS diffractometer, er en høy grad av allsidighet og ytelse som kreves for svært spesifikke strukturelle studier innen myk materie og biofysikk aktivert på en ellers klassisk SANS instrument. Optimaliseringen, fleksibilitet, og spontanitet i å utforme og drive komplekse studier, som støttes av den beskrevne protokoll, oppnås ved kombinasjon av de optimaliserte eksperimentelle parametere (for eksempel, intensitet, lengdeskala, plass oppløsning, og tidsoppløsning) og den komplekse prøven miljøer. Bruke flere arbeidsmåter som er oppregnet i innledningen og som støttes av resultatene presentert i figur 8-15, KWS-2 forbedrer på en enkel og praktisk måte ytelsen til en klassisk SANS diffractometerved en jevn nøytronkilde (reaktor) utover de vanlige grenser for slike instrumenter.

Denne protokollen presenterer trinnene som en vanlig bruker må gjennomføre for å definere og gjennomføre en enkel eksperimentelt program som involverer bare etterforskningen av prøvene ved omgivelsestermodynamiske forhold (temperatur, trykk, relativ fuktighet) og under statiske forhold (ingen kinetikk struktur dannelse eller transformasjon, ikke skjær eller flow). Flere temperaturregulerte holdere eller spesielle prøve miljøer (tabell 1 og analytiker figur 19), for eksempel trykkceller, rheometers eller fuktighet celler, er tilgjengelig og kan være optimalt installert og justert med spesiell assistanse fra instrumentet team. Denne protokollen gir ikke informasjon om innstillinger og kontroll av slikt utstyr. Definisjonen og aktivering av eksterne styringer krever bruk av en annen, mer kompleks protokoll. Denne protokollen presentererVed å arbeide med kvartsprøve celler av en smal rektangulær form (figur 3). Det er imidlertid et bredt spekter av celletyper og geometrier (Tilsetnings figur 19) tilbys til brukere, for å gi øket fleksibilitet og effektivitet i å gjennomføre eksperimentene. I tilfellet med anvendelse av slike celler, kan den foreliggende protokoll følges med justeringen av parametrene som omtales i trinn 4.2.2. Målingen kontroll programvare er utviklet for å gi brukerne økt fleksibilitet i å forfølge sine faglige mål og optimalisering i teknisk drift av apparatet. Alle justeringer og konfigurasjoner av spesielle funksjoner og komponenter til instrumentet er gjort av instrumentet team. Involvering av de vitenskapelige brukere i konfigurasjonen, definisjon, og utnyttelse av instrumentet er forenklet og spesielt begrenset kun til de forhold som er i forbindelse med vitenskapelige utgaver av den eksperimentelle sesjon. Configuration filer er forhåndsdefinert for å dekke alle spesielle eksperimentelle problemer, for eksempel plassering av spesielle holdere i bjelken, prøven posisjonering i strålen (koordinater x, y, Φ, og ω på prøvestadiet, rotasjon bord eller vugge Tilsetnings i figur 5), justering av detektor og bjelke-stopp posisjoner for forskjellige bølgelengder, justering av hugger parametere (frekvens og åpningsvinduet) for forskjellige bølgelengder, deteksjons avstander og rettet oppløsning, etc. også den aktuelle protokoll beskriver ikke hvordan sanntid modus kan brukes på KWS-2. Anvendelsen av en mer kompleks protokoll er også nødvendig for å utføre tids løst SANS eksperimenter.

Videre presenterer denne protokollen hvor de målte data kan korrigeres for ulike spredningsbidrag fra instrumentet og referansene og kalibrert for å oppnå prøvens differensiertal spredningstverrsnitt, dΣ / dΩ, uttrykt i cm -1. Denne mengde inneholder hele strukturelle og morfologisk informasjon om prøven og måles over et bredt spekter Q svarende til en bred skala lengde, over hvilke strukturelle sammenhenger og innbyrdes størrelse-nivåer som er karakteristiske for den undersøkte system vises. Spredningstverrsnitt dΣ / dΩ således angår intensiteten målt i en statisk spredning eksperiment i en vinkel Θ, I s = f (Θ) til de strukturelle egenskapene til prøven.

For evaluering av dΣ / dΩ for et system av interesse, i tillegg til måling av systemet, er ytterligere målinger nødvendig for å korrigere dataene til en hvilken som helst ekstern spredning (dvs. miljø, prøvecellen, oppløsningsmiddel eller en bufferoppløsning i tilfelle av løsningssystemer, etc.) og å kalibrere de korrigerte data i absolutte enheter > 8. Den eksterne bakgrunn (prøvecelle eller beholder), referanseprøven (løsemiddel eller bufferløsninger), prøveoverførings (nødvendig for riktig bakgrunn subtraksjon og kalibrering av de korrigerte resulterer i absolutte enheter), den elektroniske bakgrunn av detektoren, detektor følsomhet (inhomogenitet i detektoren effektivitet som er iboende for område detektorer), og det normaliserte standardprøve bør også måles. For KWS-2, pleksiglass (PMMA) anvendt som standardprøve. Dette er den såkalte sekundære standard, og blir periodisk kalibrert mot en primær standardprøve, som er vanadium. Vanadium leverer et meget svakt spredt intensitet og krever svært lange måle ganger for å samle de nødvendige statistikk; Derfor, er det upraktisk for SANS formål. Det oppsamlede fra prøven av interesse I S og fra standard prøve jeg St intensitet kan uttrykkes som følger:

t "> ligning 1 [1]

ligning 1 [2]

hvor I 0 representerer den innkommende intensitet (levert av kollimeringen system), blir t tykkelse, A er det området som utsettes for strålen, er T overføring, og Δ ψ er den faste vinkelen som en deteksjonscelle er sett fra prøveposisjon. Hvis både prøve og standard er målt under de samme betingelser med hensyn til den innkommende strålen (dvs. L C A C og A S, og λ og Δ λ / λ), I 0 og A er de samme og det faste vinkel er uttrykt som A D / L D (med A D representerer arealet av en deteksjonscelle). Ved å dele de to relasjoner, spredning cross-sectipå av prøven oppnås som:

ligning 1 [3]

hvor jeg St uttrykkes som et gjennomsnitt (standard som en usammenhengende spredning systemet gir en flat spredning mønster). I S ble oppnådd etter å korrigere den målte intensitet av prøven i cellen (beholderen) i forhold til bidraget fra den tomme cellen jeg ECell og bakgrunnen på detektoren for den lukkede bjelke, I B. Faktoren t St t St (dΣ / dΩ) St, som inneholder sprednings og fysiske parametre av standard-prøven, avhengig av nøytron bølgelengde λ den, og er vanligvis kjent fra kalibreringen av standard-prøven. Således er det tabulert i datareduksjon programvare 4. Parametrene og mengder i Eq. 3 som er kjent fra kalibrerings procedures og definisjonen av den eksperimentelle oppsett (t S, L D) danner den såkalte kalibreringsfaktoren k. De intensiteter og prøven overføring T S som vises i Eq. 3 må måles. Den dataanalyse program qtiKWS gjør det mulig for korreksjon, kalibrering og radial gjennomsnittsberegning av de eksperimentelle data og oppnåelse av dΣ / dΩ for de undersøkte prøvene på en fleksibel og allsidig arbeidsmodus. De endelige resultatene som genereres med qtiKWS programvare presenteres som tabeller med fire kolonner: Q, jeg, Δ jeg, Δσ hvor jeg representerer dΣ / dΩ og Δσ er Q-oppløsning 5.

Fra et praktisk synspunkt, med KWS-2 kan kombineres SANS og USANS undersøkelser skal gjennomføres, med den fordelen at prøven geometri og de termodynamiske forholdene forblir konstant. Store morfologi som viser multiple strukturelle nivåer som spenner over et bredt lengde-skala fra nanometer til mikrometer størrelser kan bli undersøkt på en direkte måte, som vist i figur 12. Foruten de små-skala strukturelle grense R C observert i spredningskurve målt på konvensjonell pinhole-modus, ved å aktivere linsen og høy oppløsning detektor, den store konstruksjonsgrense L C sylindriske kjerne-skall miceller dannet av poly - (heksylenglykol-oksid-ko-etylen-oksid) PHO10k-PEO10k diblokk copolymer (fullt proton) i D 2 O 14 kunne observeres ved svært lave Q-verdier i arbeidsmodus utvidet Q -serien. De sylindriske miceller er kjennetegnet ved en total tykkelse på ca. 300 Å, og en lengde på omkring 7000 Å, som vist ved tilpasning av de eksperimentelle resultatene med kjerne-skall sylindrisk formfaktoren 9,14. Derfor visse følsomme effekter som termofølsomme geler eller dannelse og vekst av krystallerlinje eller delvis krystallinske morfologi kan utvetydig utforskes med KWS-2, i motsetning til den klassiske tilnærmingen involverer to eller flere forskjellige instrumenter og prøve geometrier.

Som vist i figur 11, korrelert systemer og beordret strukturer kan studeres med tilpasset vedtak i en svært fleksibel måte, uten å bruke tid og krefter på installasjon av komplekse monochromatization systemer, noe som ville innebære ekstra omsorg og sikkerhetsaspekter. Videre ved å involvere helikopteret og TOF datainnsamling modus, monodisperse myk uansett systemer eller komplekser med lav størrelse polydispergerbarheten kan karakteriseres meget presist på fortsatt høye intensiteter 5.

De hindringer som genereres av den svake spredning som skyldes bruk av svært fortynnede systemer eller ugunstige kontrastforhold kan overvinnes ved anvendelse av enda høyere intensiteter basert på den større stråle størrelsen på prøven, samtidigoppløsning. Figur 13A rapporterer spredningsmønstre fra polystyren-partikler med en radius på R = 150 Å, målt i den høy-intensitetsmodusen ved hjelp av linser og en kvadratisk bjelke størrelse som varierer mellom 10 mm x 10 mm, den typiske størrelse som brukes i den konvensjonelle pinhole-modus , og 30 mm x 30 mm. I tillegg er resultatet av en måling med en rund bjelke 50 mm i diameter (full linse størrelse) er vist. Parallelt med dette blir den normaliserte resultatet oppnådd i den konvensjonelle pinhole-modus presentert. Ved hjelp av 26 linser med nøytroner med λ = 7 Å og samme inngang blenderåpningen A C som for det konvensjonelle pinhole-modus (figur 2B), er en gevinst i intensitet på prøven på ca 12 ganger oppnås samtidig som en konstant stråle størrelse (oppløsning ) på detektoren, som vist i Figur 13B-C. 27-linsesystemet har en transmisjon på omtrent 32% ved omgivelsestemperatur. Kjøles ned til en temperatur på 50 K, linsen overførings øker på grunnundertrykkelse av spredning på fononer i linsematerialet. Systemet med 26 parabolske linser har en transmisjon på omtrent 65% for en rund bjelke størrelse på 50 mm, når strålen går gjennom hele volumet av linsen, og fra omtrent 92% for en kvadratisk bjelke størrelse på 10 mm x 10 mm når bare en meget mengde linsemateriale forblir i bjelken. Den høye intensitetsmodusen med linser gir fordeler når det gjelder svake spredning som vanligvis påtreffes på et stort deteksjons avstand og er spesielt problematisk når det gjelder svake kontrastforhold. Dessuten, når prøven er bare stabil i løpet av kort periode av tid, ved bruk av denne modusen er en klar fordel, slik det er vist et annet sted 15.

På den annen side, i tilfellet med biologiske systemer, små prøvevolumer er vanligvis tilgjengelig for eksperimenter. Små biologiske molekyler i fysiologiske tilstander med størrelser på noen få nanometer levere svake spredningssignaler over Dominant spredning fra bufferløsninger. Slike signaler kan måles med KWS-2, drar nytte av den høye intensiteten av instrumentet i lav oppløsning oppsett av pinhole-modus, bruker kort collimation lengder L C = 2 m eller 4 m og kort deteksjon avstander L D = 1 m, 2 m eller 4 m. Figur 14 viser spredningsmønstre fra beta-amyloidprotein (Ap 1-42, M W = 4,5 kDa) monomerer i deuterert heksafluorisopropanol dHFIP, som oppnås etter korreksjon for spredning signalet fra bufferen ble brukt. En modell tilpasning av dataene levert en monomer størrelse på omtrent 16 ± 1 Å 16. En lang måling tid på flere timer for hver eksperimentell tilstand (påvisning avstanden L D og prøven type) var involvert, selv om målingene ble utført ved korte avstander deteksjon. Den gamle detektoren, noe som har vist begrensninger med hensyn til telletakten, hindret ved bruk av korte avstander kollimasjonL C, derav bruk av den maksimale fluks av apparatet. Med provisjon av nye deteksjonssystemet muliggjør bruk av hele nøytronfluks vil slike svake intensiteter måles i kortere tid og med bedre statistikk i fremtiden.

Endelig kan stimuli som er følsomme for effekter bli studert i en fleksibel og enkel måte ved hjelp av spesielle hjelpeutstyr i KWS-2. Et eksempel er angitt i figur 15, som viser SANS mønstre fra Lysozym protein i D2O buffer og fra buffer oppsamlet ved forskjellige trykk. Spesiell oppmerksomhet har blitt betalt til etterforskningen av bakgrunnen og videre spredning fra Lysozyme molekyler, som brukes i ytelsestest av den nye trykkcelle produsert internt ved å følge et design utført av PSI, Sveits. Resultatene var tilsvarende de som ble oppnådd ved Kohlbrecher et al. i en lignende studie for å teste den opprinnelige trykkcelle modell konstruertdet 17, 18. Med KWS-2, har ytterligere data er ervervet siden et trykk på 5000 bar er oppnådd. Utviklingen av fremover spredt intensiteten fra protein følger en lineær oppførsel, som observert i studien ved PSI, Sveits 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