Малоугловое рассеяние нейтронов

Малоугловое рассеяние нейтронов ( МУРН ) — это экспериментальный метод , который использует упругое рассеяние нейтронов под малыми углами рассеяния для исследования структуры различных веществ в мезоскопическом масштабе около 1–100 нм.

Малоугловое рассеяние нейтронов во многих отношениях очень похоже на малоугловое рентгеновское рассеяние (МУРР); оба метода совместно называются малоугловым рассеянием (SAS). ^{[ 1 ]} Важнейшей особенностью метода SAS является его потенциал для анализа внутренней структуры неупорядоченных систем, и зачастую применение этого метода является уникальным способом получения прямой структурной информации о системах со случайным расположением неоднородностей плотности в таких больших масштабах. Преимуществами SANS перед SAXS 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 представлять собой водный раствор, твердое вещество, порошок или кристалл . Нейтроны упруго рассеиваются за счет взаимодействия ядер 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 взаимодействие зависит от изотопа; некоторые легкие элементы, такие как дейтерий, имеют такое же сечение рассеяния, что и тяжелые элементы, такие как Pb.

В динамической теории дифракции нулевого порядка показатель преломления напрямую связан с плотностью длины рассеяния и является мерой силы взаимодействия нейтронной волны с данным ядром. В следующей таблице показана длина рассеяния нейтронов для нескольких химических элементов (в 10 ⁻¹² см). ^{[ 2 ]}

ЧАС	Д	С	Н	ТО	П	С
−0.3742	0.6671	0.6651	0.940	0.5804	0.517	0.2847

Отметим, что относительный масштаб длин рассеяния одинаков. Другой важный момент состоит в том, что рассеяние водорода отличается от рассеяния дейтерия . Кроме того, водород — один из немногих элементов, который имеет отрицательную длину рассеяния, что означает, что нейтроны, отклоненные от водорода, сдвинуты по фазе на 180 ° по сравнению с нейтронами, отклоненными другими элементами. Эти особенности важны для техники вариации контраста (см. ниже).

Связанные методы

SANS обычно использует коллимацию нейтронного пучка для определения угла рассеяния нейтрона, что приводит к еще более низкому отношению сигнал/шум для данных, которые содержит информацию о свойствах образца на относительно больших масштабах длины, превышающих ~ 1 мкм. Традиционное решение — увеличить яркость источника, как в случае сверхмалого угла рассеяния нейтронов (USANS). В качестве альтернативы спин-эхо было представлено малоугловое рассеяние нейтронов (SESANS), использующее нейтронное спиновое эхо для отслеживания угла рассеяния и расширяющее диапазон масштабов длин, которые можно изучать с помощью нейтронного рассеяния, до значений, значительно превышающих 10 мкм.

Малоугловое рассеяние скользящего падения (GISANS) сочетает в себе идеи SANS и нейтронной рефлектометрии .

В биологии

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

Техника изменения контраста (или сопоставления контраста ) основана на дифференциальном рассеянии водорода и дейтерия. На рис. 1 показана зависимость плотности длины рассеяния воды и различных биологических макромолекул от концентрации дейтерия. (Адаптировано из. ^{[ 2 ]}) Биологические образцы обычно растворяются в воде, поэтому их водороды способны обмениваться с любым дейтерием в растворителе . Поскольку общий разброс молекулы зависит от разброса всех ее компонентов, то он будет зависеть от соотношения водорода и дейтерия в молекуле. При определенных соотношениях H ₂ O и D ₂ O, называемых точками соответствия, разброс молекулы будет равен разбросу растворителя и, таким образом, будет устранен, когда разброс буфера вычитается из данных. Например, точка соответствия для белков обычно составляет около 40–45% D ₂ O, и при этой концентрации разброс белка будет неотличим от разброса буфера.

Чтобы использовать изменение контраста, разные компоненты системы должны рассеиваться по-разному. Это может быть основано на присущих различиях в рассеянии, например, ДНК и белка, или возникать из-за дифференциально меченных компонентов, например, когда один белок в комплексе дейтерирован, а остальные протонированы. С точки зрения моделирования данные малоуглового рентгеновского и нейтронного рассеяния могут быть объединены с программой MONSA. Недавно был опубликован пример, в котором данные SAXS, SANS и EM использовались для построения атомной модели большого многосубъединичного фермента. ^{[ 3 ]} Некоторые примеры этого метода см. ^{[ 4 ]}

Для изучения больших масштабов материи (например, мягкой материи) и медленной динамики следует использовать очень холодные нейтроны (ВХН). Однако из-за слабого потока нейтронов и отсутствия оптических компонентов в этом диапазоне большинство учёных используют нейтроны с более короткими длинами волн. Прилагаются усилия по устранению этого недостатка. ^{[ 5 ]}

Инструменты

, имеется множество инструментов SANS Во всем мире на нейтронных установках, таких как исследовательские реакторы или источники расщепления .

См. также

Нейтронный микроскоп

Ссылки

^ Хэмли, И.В. «Малоугловое рассеяние: теория, приборы, данные и приложения» - Wiley, 2022.
^ Jump up to: ^а ^б 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 .
^ Кеннауэй, Крис; Тейлор, Джеймс; и др. (1 января 2012 г.). «Структура и действие ДНК-транслокирующих ферментов рестрикции ДНК I типа» . Гены и развитие . 26 (4): 92–104. дои : 10.1101/gad.179085.111 . ПМК 3258970 . ПМИД 22215814 .
^ Перкинс, SJ (1 января 1988 г.). «Структурные исследования белков методами высокопоточного рентгеновского и нейтронного рассеяния в растворе» . Биохимический журнал . 254 (2): 313–27. дои : 10.1042/bj2540313 . ПМК 1135080 . ПМИД 3052433 .
^ Хадден, Эльхусин; Исо, Юко; Куме, Ацуши; Умэмото, Коичи; Дженке, Тобиас; Фалли, Мартин; Клепп, Юрген; Томита, Ясуо (24 мая 2022 г.). «Композитные решетки наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов» . В Маклеоде, Роберт Р.; Томита, Ясуо; Шеридан, Джон Т.; Паскуаль Вильялобос, Инмакулада (ред.). Светочувствительные материалы и их применение II . Том. 12151. ШПИОН. стр. 70–76. дои : 10.1117/12.2623661 . ISBN 9781510651784 . S2CID 249056691 .

Учебники

Фейгин, Лев А.: Структурный анализ методами малоуглового рентгеновского и нейтронного рассеяния. Нью-Йорк: Пленум (1987).
Хиггинс, Джулия С .; Бенуа, Анри: Полимеры и рассеяние нейтронов. Оксфорд: Clarendon Press (1994?).
Хэмли, Ян : Малоугловое рассеяние: теория, приборы, данные и приложения. Чичестер: Wiley (2022).

Внешние ссылки

Портал по малоугловому рассеянию , коллекция ссылок, с подробным списком программного обеспечения.
Мировой каталог инструментов SANS
Б. Хаммуда: Исследование наномасштабных структур – Набор инструментов SANS (690 страниц)
Малоугловое рассеяние на источнике нейтронов и мюонов ISIS

[1] Хэмли, И.В. «Малоугловое рассеяние: теория, приборы, данные и приложения» - Wiley, 2022.

[Jacrot-2] Jump up to: ^а ^б 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 .

[3] Кеннауэй, Крис; Тейлор, Джеймс; и др. (1 января 2012 г.). «Структура и действие ДНК-транслокирующих ферментов рестрикции ДНК I типа» . Гены и развитие . 26 (4): 92–104. дои : 10.1101/gad.179085.111 . ПМК 3258970 . ПМИД 22215814 .

[4] Перкинс, SJ (1 января 1988 г.). «Структурные исследования белков методами высокопоточного рентгеновского и нейтронного рассеяния в растворе» . Биохимический журнал . 254 (2): 313–27. дои : 10.1042/bj2540313 . ПМК 1135080 . ПМИД 3052433 .

[5] Хадден, Эльхусин; Исо, Юко; Куме, Ацуши; Умэмото, Коичи; Дженке, Тобиас; Фалли, Мартин; Клепп, Юрген; Томита, Ясуо (24 мая 2022 г.). «Композитные решетки наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов» . В Маклеоде, Роберт Р.; Томита, Ясуо; Шеридан, Джон Т.; Паскуаль Вильялобос, Инмакулада (ред.). Светочувствительные материалы и их применение II . Том. 12151. ШПИОН. стр. 70–76. дои : 10.1117/12.2623661 . ISBN 9781510651784 . S2CID 249056691 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]