Malý úhel rozptylu neutronů - Small-angle neutron scattering

Věda s neutrony
Neutron.svg
Nadace
Rozptyl neutronů
Další aplikace
Infrastruktura
Neutronová zařízení
Pro širší pokrytí tohoto tématu viz Malý úhel rozptylu.

Malý úhel rozptylu neutronů (SANS) je experimentální technika který používá pružný rozptyl neutronů při malých úhlech rozptylu zkoumat strukturu různých látek při a mezoskopická stupnice asi 1–100 nm.

Malý úhel rozptylu neutronů je v mnoha ohledech velmi podobný malý úhel rentgenového rozptylu (SAXS); obě techniky jsou společně označovány jako malý úhel rozptylu (SAS). Výhodou SANS oproti SAXS je jeho citlivost na světelné prvky, možnost značení izotopů a silný rozptyl magnetickými momenty.

Technika

Během experimentu SANS je paprsek neutronů směrován na vzorek, kterým může být vodný roztok, pevná látka, a prášek nebo krystal. Neutrony jsou pružně rozptýleny jadernou interakcí s jádry nebo interakcí s magnetickým momentem nepárových elektronů. Při rentgenovém rozptylu fotony interagují s elektronickým mrakem, takže čím větší je prvek, tím větší je účinek. Při rozptylu neutronů neutrony interagují s jádry a interakce závisí na izotopu; některé lehké prvky jako deuterium vykazují podobný rozptylový průřez jako těžké prvky jako Pb.

V nulovém pořadí dynamická teorie difrakce the index lomu přímo souvisí s hustota rozptylové délky a je měřítkem síly interakce neutronové vlny s daným jádrem. Následující tabulka ukazuje délka rozptylu neutronů pro několik chemických prvků (v 10−12 cm).[1]

HDCNÓPS
−0.37420.66710.66510.9400.58040.5170.2847

Pamatujte, že relativní měřítko délek rozptylu je stejné. Dalším důležitým bodem je, že rozptyl z vodíku je odlišný od rozptylu z deuterium. Vodík je také jedním z mála prvků, které mají negativní rozptyl, což znamená, že neutrony vychýlené z vodíku jsou 180 ° mimo fázi vzhledem k těm, které jsou vychýleny jinými prvky. Tyto funkce jsou důležité pro techniku ​​variace kontrastu (viz níže).

Související techniky

SANS obvykle používá kolimaci neutronového paprsku k určení úhlu rozptylu neutronu, což má za následek stále nižší poměr signálu k šumu u dat, která obsahují informace o vlastnostech vzorku v měřítcích relativně dlouhé délky, přes ~ 1 μm. Tradičním řešením je zvýšení jasu zdroje, jako je tomu v případě Ultra Small Angle Neutron Scattering (USANS). Jako alternativa byl zaveden Spin-echo Small-angle Neutron Scattering (SESANS) s použitím neutronová spinová ozvěna ke sledování úhlu rozptylu a rozšíření rozsahu délkových měřítek, které lze studovat rozptylem neutronů na mnohem více než 10 μm.

Malý úhel rozptylu pastvy (GISANS) kombinuje myšlenky SANS a neutronová reflektometrie.

V biologii

Obrázek 1: Vztah mezi rozptylem různých biologických makromolekul jako funkce koncentrace D2O.
Hlavní článek: Biologický rozptyl v malém úhlu

Rozhodujícím rysem SANS, díky kterému je zvláště užitečný pro biologické vědy, je speciální chování vodíku, zejména ve srovnání s deuteriem. V biologických systémech může být vodík vyměňován s deuteriem, které má obvykle minimální účinek na vzorek, ale má dramatické účinky na rozptyl.

Technika kontrastní variace (nebo kontrastní shoda) se opírá o diferenciální rozptyl vodíku vs. deuteria. Obrázek 1 ukazuje hustotu délky rozptylu pro voda a různé biologické makromolekuly jako funkce koncentrace deuteria. (Převzato z.[1]) Biologické vzorky jsou obvykle rozpuštěny ve vodě, takže jejich vodíky jsou schopné výměna s jakýmkoli deuteriem v solventní. Protože celkový rozptyl molekuly závisí na rozptylu všech jejích složek, bude to záviset na poměru vodíku k deuteriu v molekule. Při určitých poměrech H2O až D2O, nazývaný shoda bodů, se rozptyl z molekuly bude rovnat rozptylu rozpouštědla, a bude tak eliminován, když se rozptyl z pufru odečte od dat. Například srovnávací bod pro bílkoviny je obvykle kolem 40–45% D2O a při této koncentraci bude rozptyl z proteinu nerozeznatelný od rozptylu pufru.

Chcete-li použít variaci kontrastu, musí se různé komponenty systému rozptýlit odlišně. To může být založeno na inherentních rozptylových rozdílech, např. DNA vs. protein, nebo vznikají z odlišně značených složek, např. mít jeden protein v komplexu deuterovaný, zatímco zbytek je protonován. Pokud jde o modelování, lze s programem MONSA kombinovat data rentgenového paprsku a rozptylu neutronů malého úhlu. Nedávno byl zveřejněn příklad, ve kterém byla data SAXS, SANS a EM použita k vytvoření atomového modelu velkého vícepodjednotkového enzymu.[2] Některé příklady této metody viz.[3]

Nástroje

Po celém světě existuje řada přístrojů SANS v neutronových zařízeních, jako je výzkumné reaktory nebo spalační zdroje.

Viz také

Reference

  1. ^ A b Jacrot, B (1976). „Studium biologických struktur rozptylem neutronů z roztoku“. Zprávy o pokroku ve fyzice. 39 (10): 911–53. Bibcode:1976RPPh ... 39..911J. doi:10.1088/0034-4885/39/10/001.
  2. ^ Kennaway, Chris; Taylor, James; et al. (1. ledna 2012). "Struktura a činnost DNA-translokačních restrikčních enzymů typu I". Geny a vývoj. 26 (4): 92–104. doi:10.1101 / gad.179085.111. PMC  3258970. PMID  22215814.
  3. ^ Perkins, SJ (1. ledna 1988). „Strukturální studie proteinů rentgenovým paprskem s vysokým tokem a rozptylem neutronového roztoku“. Biochemical Journal. 254 (2): 313–27. PMC  1135080. PMID  3052433.

Učebnice

  • Fejgin, Lev A .: Strukturní analýza rentgenovým paprskem a rozptylem neutronů v malém úhlu. New York: Plenum (1987).
  • Higgins, Julia S.; Benoît, Henri: Polymery a rozptyl neutronů. Oxford: Clarendon Press (1994?).

externí odkazy