Нейтронное спиновое эхо

нейтронного спинового эха Спектроскопия — это метод неупругого рассеяния нейтронов, изобретенный Ференцем Мезеи в 1970-х годах и разработанный в сотрудничестве с Джоном Хейтером. ^[1] В знак признания его работы и в других областях Мезей был удостоен первой премии Вальтера Хельга в 1999 году.

Анимация нейтронного спинового эха, показывающая реакцию луча нейтронов (красные стрелки) в их синей сфере Блоха , когда они проходят через серию магнитов.

В магнитном резонансе спиновое эхо — это перефокусировка спиновой намагниченности импульсом резонансного электромагнитного излучения . Спектрометр спинового эха обладает чрезвычайно высоким энергетическим разрешением (примерно одна стотысячная часть). Кроме того, он измеряет корреляцию плотность-плотность (или промежуточную функцию рассеяния ) F(Q,t) как функцию передачи импульса Q и времени. Другие методы рассеяния нейтронов измеряют динамический структурный коэффициент S(Q,ω), который можно преобразовать в F(Q,t) с помощью преобразования Фурье , что может оказаться затруднительным на практике. Для слабых неупругих свойств S(Q,ω) лучше подходит, однако для (медленных) релаксаций естественное представлениезадается F(Q,t). Благодаря исключительно высокому эффективному энергетическому разрешению по сравнению с другими методами рассеяния нейтронов NSE является идеальным методом наблюдения. ^[2]сверхзатухающие внутренние динамические моды (релаксации) и другие диффузионные процессы в таких материалах, как смеси полимеров , алкановые цепи или микроэмульсии . Необычайная мощь NSE-спектрометрии ^[3] недавно был дополнительно продемонстрирован ^[4]^[5] путем прямого наблюдения связанной внутренней динамики белков в белках NHERF1 и Taq-полимеразе и адгезионном соединении , ^[6] позволяющий напрямую визуализировать белковые наномашины в движении.Существует несколько элементарных обзоров этой техники. ^[7]^[8]^[9]^[10]^[11]

Как это работает

Нейтронное спиновое эхо — это времяпролетный метод. Что касается спинов нейтронов, то оно имеет сильную аналогию с так называемым эхом Хана . ^[12] хорошо известен вполе ЯМР . В обоих случаях потеря поляризации (намагниченность) из-за дефазировки спинов во времени восстанавливается эффективной операцией обращения времени:что приводит к восстановлению поляризации (перефазировке). В ЯМР дефазировка происходит из-за изменения локальных полей в положенияхядрах, в NSE дефазировка обусловлена разными скоростями нейтронов в приходящем нейтронном пучке.Ларморовская прецессия спина нейтрона в зоне подготовки с магнитным полем перед кодированием образцаиндивидуальные скорости нейтронов в пучке в углы прецессии. Вблизи образца обращение времени осуществляется за счет так называемогофлиппер. Далее следует симметричная зона декодирования, в конце которой угол прецессии, накопленный в зоне подготовки, точно компенсируется.(при условии, что образец не изменил скорость нейтрона, т.е. упругое рассеяние), все спины меняют фазу, образуя «спиновое эхо». В идеале полная поляризация восстанавливается. Этот эффект не зависит от скорости/энергии/длины волны влетающего нейтрона. Если рассеяние на образце неупругое, а меняет скорость нейтрона, то перефазировка станет неполной и произойдет потеря конечнойрезультат поляризации, который зависит от распределения разностей во времени, которое необходимо нейтронам пролететь через симметричные первую (кодирующую) и вторую (декодирующую) зоны прецессии. Разница во времени возникает из-за изменения скорости, приобретенного за счет неупругого рассеяния на образце. Распределение этих временных разностей пропорционально (в приближении линеаризации, пригодном для квазиупругой спектроскопии высокого разрешения) спектральной части функция рассеяния S(Q,ω). Влияние на измеряемую поляризацию пучка пропорционально преобразованию cos-Фурье спектральной функции, промежуточной функции рассеяния F(Q,t). Параметр времени зависит от длины волны нейтрона и фактора, связывающего угол прецессии с (обратной) скоростью, которой можно управлять, например, путем установки определенного магнитного поля в зонах подготовки и декодирования. Затем можно выполнить сканирование t, изменяя магнитное поле.

Важно отметить: все спиновые манипуляции — это всего лишь средство обнаружения изменений скорости нейтрона, которые влияют — по техническим причинам — с точки зрения преобразования Фурье спектральной функции на измеренную интенсивность. Изменения скорости нейтронов передают физическую информацию, доступную с помощью NSE, т.е.

$I(Q,t)\propto S(Q)+\int \cos(\omega t)\,S(Q,\omega )\,dt$ где $\omega \propto \Delta v$ и $t\propto B\times \lambda ^{3}$ .

B обозначает напряженность поля прецессии, λ(средняя) длина волны нейтрона и Δv изменение скорости нейтрона при рассеянии на образце.

Основная причина использования NSE заключается в том, что с помощью вышеуказанных средств можно достичь времен Фурье до многих 100 нс, что соответствует энергииразрешение в диапазоне нэВ. Самый близкий к этому разрешению спектроскопический нейтронный прибор, а именно спектрометр обратного рассеяния (BSS) находится в диапазоне от 0,5 до 1 мкэВ. Трюк спинового эха позволяет использовать интенсивный пучок нейтронов с распределением длин волн 10% и более и в то же время бытьчувствителен к изменению скорости в диапазоне менее 10 ⁻⁴.

Примечание: приведенные выше пояснения предполагают общую конфигурацию NSE, впервые использованную прибором IN11 в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL). Другие подходывозможны как резонансное спиновое эхо , NRSE с концентрированным полем постоянного тока и радиочастотное поле в ластах в концезоны подготовки и декодирования, которые затем оказываются без магнитного поля (нулевое поле). В принципе эти подходы эквивалентны в отношениисвязь конечного сигнала интенсивности с промежуточной функцией рассеяния. По техническим причинам до сих пор этого не сделали.достигли того же уровня производительности, что и универсальные типы NSE (IN11). ^{[ нужна ссылка ]}

Что он может измерить

В исследованиях мягких веществ структура макромолекулярных объектов часто исследуется методом малоуглового рассеяния нейтронов ( МУРН). Обмен водорода на дейтерий в некоторых молекулах создает контраст рассеяния даже между одинаковыми химическими соединениями. Картина дифракции SANS, если ее интерпретировать в реальном пространстве, соответствует мгновенной картине молекулярного расположения. Приборы нейтронного спинового эха могут анализировать неупругое уширение интенсивности МУРН и тем самым анализировать движение макромолекулярных объектов. ^[13]Грубой аналогией будет фотография с определенным временем открытия, а не снимок, подобный SANS. Таким образом, мы можем проанализировать изменение расположения молекул в зависимости от времени. Время открытия соответствует времени Фурье , которое зависит от настройки NSE-спектрометра, оно пропорционально магнитному полю (интегральному) и третьей степени длины волны нейтрона. Доступны значения до нескольких сотен наносекунд. Обратите внимание, что пространственное разрешение эксперимента по рассеянию находится в нанометровом диапазоне, а это означает, что временной диапазон, например, 100 нс соответствует эффективной скорости движения молекул 1 нм/100 нс = 1 см/с. Это можно сравнить с типичной скоростью нейтронов 200...1000 м/с, используемой в экспериментах такого типа.

Спин-некогерентное рассеяние (на протонах)

Многие неупругие исследования, в которых используются обычные времяпролетные (TOF) или спектрометры обратного рассеяния, основаны на огромном некогерентном рассеянии нейтронов.сечение протонов. В сигнале рассеяния преобладает соответствующий вклад, который представляет собой (среднюю) автокорреляциюфункция (во времени) протонов.

по спину NSE Некогерентное рассеяние имеет тот недостаток, что оно переворачивает спины нейтронов во время рассеяния с вероятностью 2/3.Таким образом, преобразуя 2/3 интенсивности рассеяния в «неполяризованный» фон и помещая коэффициент -1/3 перед интегралом cos-Фурье. вклад, относящийся к некогерентной интенсивности. Этот сигнал вычитается из когерентного эхо-сигнала. Результат может оказаться сложным комбинация, которую невозможно разложить, если использовать только NSE.Однако в чистых случаях, т. е. когда подавляющий вклад в интенсивность дают протоны, NSE можно использовать для измерения их некогерентного спектра.

Ситуация с интенсивностью НУШ, например, для образцов мягкой материи, такая же, как и при малоугловом рассеянии нейтронов ( МУРН ). Молекулярные объекты с контрастом когерентного рассеяния при низкой передаче импульса ( Q ) демонстрируют когерентное рассеяние со значительно более высокой интенсивностью, чем некогерентное фоновое рассеяние. Этот эффект ослабевает по мере увеличения Q. Для систем, содержащих водород, контраст требует присутствия некоторых протонов, что обязательно добавляет некоторый некогерентный вклад в интенсивность рассеяния. Кроме того, даже дейтроны добавляютслабая интенсивность спин-некогерентного рассеяния. В SANS эти Q-независимые интенсивности обычно считаются фоном и вычитаются.В экспериментах NSE они присутствуют и могут стать более существенной примесью по мере увеличения Q.

Полностью протонированные образцы позволяют проводить успешные некогерентные измерения, но при интенсивности порядка уровня фона МУРН. ^[14]Примечание. Это вмешательство в манипуляцию со спином в методе NSE происходит только при некогерентном рассеянии по спину. Изотопно-некогерентныйрассеяние дает «нормальный» сигнал NSE.

Существующие спектрометры

IN11 ( Иллинойс , Гренобль, Франция)

IN15 ( Иллинойс , Гренобль, Франция)

NL2a J-NSE «ФЕНИКС» ( JCNS , Юлих, Германия, принимающая сторона FRM II Мюнхен , Мюнхен, Германия)

NL5-S RESEDA ( FRM II Мюнхен , Мюнхен, Германия)

V5/SPAN ( Институт Хана-Мейтнера , Берлин, Германия)

C2-3-1 iNSE (JRR-3, Токай, Япония)

BL06 VIN-ROSE (MLF, J-PARC, Токай, Япония)

BL-15 NSE ( SNS , ORNL , Ок-Ридж, США)

NG5-NSE ( NCNR , NIST , Гейтерсбург, США)

См. также

Ссылки

^ Мезей, Ф., изд. (1980). Нейтронное спиновое эхо . Конспекты лекций по физике Vol. 128. Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк: Springer.
^ Б. Фараго (2006). «Исследование нейтронного спинового эха хорошо организованных систем мягкой материи». Физика Б. 385–386: 688–691. Бибкод : 2006PhyB..385..688F . дои : 10.1016/j.physb.2006.05.292 .
^ Каллауэй, диджей; Фараго, Б; Бу, З (2013). «Наномасштабная динамика белков: новый рубеж нейтронной спин-эхо-спектроскопии». Европейский физический журнал Э. 36 (7): 76. doi : 10.1140/epje/i2013-13076-1 . ПМИД 23884624 . S2CID 10246098 .
^ Б. Фараго , Ли Джей, Корнилеску Дж, Каллауэй DJE , Бу Зи (ноябрь 2010 г.). «Активация наномасштабного движения домена аллостерического белка, обнаруженная с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха» . Биофизический журнал . 99 (10): 3473–3482. Бибкод : 2010BpJ....99.3473F . дои : 10.1016/j.bpj.2010.09.058 . ПМЦ 2980739 . ПМИД 21081097 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Бу З, Биль Р., Монкенбуш М, Рихтер Д., Каллауэй DJE (2005). «Связанное движение белковых доменов в Taq-полимеразе, выявленное с помощью нейтронной спин-эхо-спектроскопии» . Proc Natl Acad Sci США . 102 (49): 17646–17651. Бибкод : 2005PNAS..10217646B . дои : 10.1073/pnas.0503388102 . ПМЦ 1345721 . ПМИД 16306270 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Фараго Б., Николл И.Д., Ван С., Ченг Икс, Каллауэй DJ, Бу Зи (30 марта 2021 г.). «Активированное наномасштабное движение актин-связывающего домена в комплексе катенин-кадгерин, выявленное с помощью нейтронной спин-эхо-спектроскопии» . Proc Natl Acad Sci США . 118 (13): e2025012118. Бибкод : 2021PNAS..11825012F . дои : 10.1073/pnas.2025012118 . ПМК 8020631 . ПМИД 33753508 .
^ Л. Кей Николсон (1981). «Нейтронный спин-эхо-спектрометр: новый метод высокого разрешения в рассеянии нейтронов». Созерцание Физ . 22 (4): 451–475. Бибкод : 1981ConPh..22..451N . дои : 10.1080/00107518108231544 .
^ Хиггинс Дж.С. , Бенуа Х.К. (1997). Полимеры и рассеяние нейтронов . Оксфордская серия по рассеянию нейтронов в конденсированном состоянии (книга 8). Кларендон Пресс. ISBN 978-0198500636 .
^ Callaway DJ, Бу Зи (2017). «Визуализация наномасштаба: внутренняя динамика белка и нейтронная спин-эхо-спектроскопия» . Курс. Мнение. Структура. Биол . 42 : 1–5. дои : 10.1016/j.sbi.2016.10.001 . ПМК 5374024 . ПМИД 27756047 .
^ Рихтер Д. (2006). «Нейтронное спиновое эхо для исследования крупномасштабной макромолекулярной динамики». Дж. Физ. Соц. Япония . 75 (11): 110041–11004112. Бибкод : 2006JPSJ...75k1004R . дои : 10.1143/JPSJ.75.111004 .
^ Жакро, Б. (1976). «Исследование биологических структур методом рассеяния нейтронов из растворов» . Отчеты о прогрессе в физике . 39 (10): 911–53. Бибкод : 1976RPPh...39..911J . дои : 10.1088/0034-4885/39/10/001 . S2CID 250751286 .
^ ЭЛЬ Хан (1950). «Спиновое эхо». Физический обзор . 80 (4): 580. Бибкод : 1950PhRv...80..580H . дои : 10.1103/PhysRev.80.580 .
^ М. Монкенбуш и Д. Рихтер (2007). «Нейтронная спектроскопия высокого разрешения – инструмент исследования динамики полимеров и мягких веществ» . Comptes Rendus Physique . 8 (7–8): 845–864. Бибкод : 2007CRPhy...8..845M . дои : 10.1016/j.crhy.2007.10.001 .
^ А. Вишневский, М. Монкенбуш, Л. Виллнер, Д. Рихтер и Г. Кали (2003). «Прямое наблюдение перехода от свободного односегментного движения к вынужденному в запутанных полимерных расплавах» . Письма о физических отзывах . 90 (5): 058302. Бибкод : 2003PhRvL..90e8302W . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.058302 . ПМИД 12633402 .

[1] Мезей, Ф., изд. (1980). Нейтронное спиновое эхо . Конспекты лекций по физике Vol. 128. Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк: Springer.

[2] Б. Фараго (2006). «Исследование нейтронного спинового эха хорошо организованных систем мягкой материи». Физика Б. 385–386: 688–691. Бибкод : 2006PhyB..385..688F . дои : 10.1016/j.physb.2006.05.292 .

[3] Каллауэй, диджей; Фараго, Б; Бу, З (2013). «Наномасштабная динамика белков: новый рубеж нейтронной спин-эхо-спектроскопии». Европейский физический журнал Э. 36 (7): 76. doi : 10.1140/epje/i2013-13076-1 . ПМИД 23884624 . S2CID 10246098 .

[pmid21081097-4] Б. Фараго , Ли Джей, Корнилеску Дж, Каллауэй DJE , Бу Зи (ноябрь 2010 г.). «Активация наномасштабного движения домена аллостерического белка, обнаруженная с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха» . Биофизический журнал . 99 (10): 3473–3482. Бибкод : 2010BpJ....99.3473F . дои : 10.1016/j.bpj.2010.09.058 . ПМЦ 2980739 . ПМИД 21081097 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[5] Бу З, Биль Р., Монкенбуш М, Рихтер Д., Каллауэй DJE (2005). «Связанное движение белковых доменов в Taq-полимеразе, выявленное с помощью нейтронной спин-эхо-спектроскопии» . Proc Natl Acad Sci США . 102 (49): 17646–17651. Бибкод : 2005PNAS..10217646B . дои : 10.1073/pnas.0503388102 . ПМЦ 1345721 . ПМИД 16306270 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[pmid33753508-6] Фараго Б., Николл И.Д., Ван С., Ченг Икс, Каллауэй DJ, Бу Зи (30 марта 2021 г.). «Активированное наномасштабное движение актин-связывающего домена в комплексе катенин-кадгерин, выявленное с помощью нейтронной спин-эхо-спектроскопии» . Proc Natl Acad Sci США . 118 (13): e2025012118. Бибкод : 2021PNAS..11825012F . дои : 10.1073/pnas.2025012118 . ПМК 8020631 . ПМИД 33753508 .

[nicholson-7] Л. Кей Николсон (1981). «Нейтронный спин-эхо-спектрометр: новый метод высокого разрешения в рассеянии нейтронов». Созерцание Физ . 22 (4): 451–475. Бибкод : 1981ConPh..22..451N . дои : 10.1080/00107518108231544 .

[higgins-8] Хиггинс Дж.С. , Бенуа Х.К. (1997). Полимеры и рассеяние нейтронов . Оксфордская серия по рассеянию нейтронов в конденсированном состоянии (книга 8). Кларендон Пресс. ISBN 978-0198500636 .

[current-9] Callaway DJ, Бу Зи (2017). «Визуализация наномасштаба: внутренняя динамика белка и нейтронная спин-эхо-спектроскопия» . Курс. Мнение. Структура. Биол . 42 : 1–5. дои : 10.1016/j.sbi.2016.10.001 . ПМК 5374024 . ПМИД 27756047 .

[richter-10] Рихтер Д. (2006). «Нейтронное спиновое эхо для исследования крупномасштабной макромолекулярной динамики». Дж. Физ. Соц. Япония . 75 (11): 110041–11004112. Бибкод : 2006JPSJ...75k1004R . дои : 10.1143/JPSJ.75.111004 .

[Jacrot-11] Жакро, Б. (1976). «Исследование биологических структур методом рассеяния нейтронов из растворов» . Отчеты о прогрессе в физике . 39 (10): 911–53. Бибкод : 1976RPPh...39..911J . дои : 10.1088/0034-4885/39/10/001 . S2CID 250751286 .

[12] ЭЛЬ Хан (1950). «Спиновое эхо». Физический обзор . 80 (4): 580. Бибкод : 1950PhRv...80..580H . дои : 10.1103/PhysRev.80.580 .

[13] М. Монкенбуш и Д. Рихтер (2007). «Нейтронная спектроскопия высокого разрешения – инструмент исследования динамики полимеров и мягких веществ» . Comptes Rendus Physique . 8 (7–8): 845–864. Бибкод : 2007CRPhy...8..845M . дои : 10.1016/j.crhy.2007.10.001 .

[14] А. Вишневский, М. Монкенбуш, Л. Виллнер, Д. Рихтер и Г. Кали (2003). «Прямое наблюдение перехода от свободного односегментного движения к вынужденному в запутанных полимерных расплавах» . Письма о физических отзывах . 90 (5): 058302. Бибкод : 2003PhRvL..90e8302W . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.058302 . ПМИД 12633402 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]