Малоугловое рассеяние нейтронов - Small-angle neutron scattering

Малоугловое рассеяние нейтронов (SANS) является экспериментальная техника который использует упругое рассеяние нейтронов при малых углах рассеяния для исследования структуры различных веществ на мезоскопическая шкала около 1–100 нм.

Малоугловое рассеяние нейтронов во многом очень похоже на рассеяние нейтронов. малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS); оба метода вместе именуются малоугловое рассеяние (SAS). Преимуществами МУРН перед МУРР являются его чувствительность к легким элементам, возможность мечения изотопов и сильное рассеяние на магнитных моментах.

Техника

Во время эксперимента МУРН пучок нейтронов направляется на образец, который может быть водный раствор, твердое тело, порошок, или кристалл. Нейтроны упруго рассеиваются за счет ядерного взаимодействия с ядрами или взаимодействия с магнитным моментом неспаренных электронов. При рассеянии рентгеновских лучей фотоны взаимодействуют с электронным облаком, поэтому чем больше элемент, тем сильнее эффект. При рассеянии нейтронов нейтроны взаимодействуют с ядрами, и это взаимодействие зависит от изотопа; некоторые легкие элементы, такие как дейтерий, имеют такое же сечение рассеяния, как тяжелые элементы, такие как Pb.

В нулевом порядке динамическая теория дифракции то показатель преломления напрямую связано с плотность длины рассеяния и является мерой силы взаимодействия нейтронной волны с данным ядром. В следующей таблице показаны длина рассеяния нейтронов для нескольких химических элементов (в 10⁻¹² см).^[1]

ЧАС	D	C	N	О	п	S
−0.3742	0.6671	0.6651	0.940	0.5804	0.517	0.2847

Обратите внимание, что относительный масштаб длин рассеяния такой же. Другой важный момент заключается в том, что рассеяние на водороде отличается от рассеяния на водороде. дейтерий. Кроме того, водород является одним из немногих элементов с отрицательным разбросом, что означает, что нейтроны, отклоненные от водорода, находятся на 180 ° не в фазе по сравнению с нейтронами, отклоненными другими элементами. Эти особенности важны для техники изменения контраста (см. Ниже).

Связанные методы

МУРН обычно использует коллимацию нейтронного пучка для определения угла рассеяния нейтрона, что приводит к еще более низкому отношению сигнал / шум для данных, содержащих информацию о свойствах образца на относительно больших масштабах, превышающих ~ 1 мкм. Традиционное решение - увеличить яркость источника, как в случае сверхмалоуглового рассеяния нейтронов (USANS). В качестве альтернативы было введено малоугловое рассеяние нейтронов спин-эхо (SESANS) с использованием нейтронное спиновое эхо для отслеживания угла рассеяния и расширения диапазона масштабов длины, который можно изучать с помощью рассеяния нейтронов, до значений, значительно превышающих 10 мкм.

Малоугловое рассеяние при скользящем падении (GISANS) объединяет идеи SANS и нейтронная рефлектометрия.

В биологии

Рисунок 1: Взаимосвязь между разбросом различных биологических макромолекул в зависимости от концентрации D2O.

Важнейшей особенностью МУРН, которая делает его особенно полезным для биологических наук, является особое поведение водорода, особенно по сравнению с дейтерием. В биологических системах водород можно обменять на дейтерий, который обычно оказывает минимальное влияние на образец, но оказывает сильное влияние на рассеяние.

Техника вариация контраста (или сопоставление контраста) зависит от дифференциального рассеяния водорода относительно дейтерия. На рис.1 представлена плотность длины рассеяния для воды и различные биологические макромолекулы в зависимости от концентрации дейтерия. (Адаптирован из.^[1]) Биологические образцы обычно растворяются в воде, поэтому их водороды способны обмен с любыми дейтериями в растворитель. Поскольку общий разброс молекулы зависит от разброса всех ее компонентов, он будет зависеть от отношения водорода к дейтерию в молекуле. При определенных соотношениях H₂O к D₂O, называемые точками совпадения, разброс молекулы будет равен разбросу для растворителя и, таким образом, будет исключен, когда разброс от буфера вычтется из данных. Например, точка соответствия для белков обычно составляет около 40–45% D.₂O, и при этой концентрации разброс белка будет неотличим от разброса буфера.

Чтобы использовать вариацию контраста, разные компоненты системы должны рассеиваться по-разному. Это может быть основано на собственных различиях рассеяния, например ДНК по сравнению с белком или возникают из компонентов, меченных по-разному, например один белок в комплексе дейтерирован, а остальные протонированы. С точки зрения моделирования, данные малоуглового рентгеновского излучения и рассеяния нейтронов могут быть объединены с программой MONSA. Недавно был опубликован пример, в котором данные SAXS, SANS и EM были использованы для построения атомной модели большого многосубъединичного фермента.^[2] Для некоторых примеров этого метода см.^[3]

Инструменты

Во всем мире существует множество инструментов SANS на нейтронных объектах, таких как исследовательские реакторы или источники отслаивания.

Смотрите также

Нейтронный микроскоп

использованная литература

^ ^а ^б Жакро, Б. (1976). «Исследование биологических структур методом рассеяния нейтронов из раствора». Отчеты о достижениях физики. 39 (10): 911–53. Bibcode:1976RPPh ... 39..911J. Дои:10.1088/0034-4885/39/10/001.
^ Кеннауэй, Крис; Тейлор, Джеймс; и другие. (1 января 2012 г.). «Структура и действие ДНК-транслокационных ферментов рестрикции ДНК типа I». Гены и развитие. 26 (4): 92–104. Дои:10.1101 / gad.179085.111. ЧВК 3258970. PMID 22215814.
^ Перкинс, SJ (1 января 1988 г.). «Структурные исследования белков с помощью высокопоточного рентгеновского излучения и рассеяния нейтронов в растворах». Биохимический журнал. 254 (2): 313–27. ЧВК 1135080. PMID 3052433.

Учебники

Фейгин, Лев А .: Структурный анализ методом малоуглового рентгеновского и нейтронного рассеяния. Нью-Йорк: Пленум (1987).
Хиггинс, Джулия С.; Бенуа, Анри: Полимеры и рассеяние нейтронов. Оксфорд: Clarendon Press (1994?).

внешние ссылки

Портал малоуглового рассеяния, коллекция ссылок, с подробным списком программного обеспечения
Мировой каталог инструментов SANS
Б. Хаммуда: Исследование наноразмерных структур - Набор инструментов SANS (690 стр.)
Малоугловое рассеяние на нейтронном и мюонном источнике ISIS

[Jacrot-1] а ^б Жакро, Б. (1976). «Исследование биологических структур методом рассеяния нейтронов из раствора». Отчеты о достижениях физики. 39 (10): 911–53. Bibcode:1976RPPh ... 39..911J. Дои:10.1088/0034-4885/39/10/001.

[2] Кеннауэй, Крис; Тейлор, Джеймс; и другие. (1 января 2012 г.). «Структура и действие ДНК-транслокационных ферментов рестрикции ДНК типа I». Гены и развитие. 26 (4): 92–104. Дои:10.1101 / gad.179085.111. ЧВК 3258970. PMID 22215814.

[3] Перкинс, SJ (1 января 1988 г.). «Структурные исследования белков с помощью высокопоточного рентгеновского излучения и рассеяния нейтронов в растворах». Биохимический журнал. 254 (2): 313–27. ЧВК 1135080. PMID 3052433.

[1]

[2]

[3]