Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей
Малоугловое рентгеновское рассеяние ( SAXS ) — это метод малоуглового рассеяния, с помощью которого можно количественно определить наномасштабные различия плотности в образце. Это означает, что он может определять распределение наночастиц по размерам, определять размер и форму (монодисперсных) макромолекул , определять размеры пор, характерные расстояния частично упорядоченных материалов и многое другое. [1] Это достигается путем анализа поведения упругого рассеяния рентгеновских лучей при прохождении через материал, регистрации их рассеяния под малыми углами (обычно 0,1–10 °, отсюда и «малый угол» в его названии). Он принадлежит к семейству методов малоуглового рассеяния (SAS) наряду с малоугловым рассеянием нейтронов и обычно выполняется с использованием жесткого рентгеновского излучения с длиной волны 0,07–0,2 нм . В зависимости от углового диапазона, в котором может быть записан четкий сигнал рассеяния, SAXS способен передавать структурную информацию размером от 1 до 100 нм, а также о повторных расстояниях в частично упорядоченных системах до 150 нм. [2] USAXS (рассеяние рентгеновских лучей под сверхмалым углом) может разрешать даже большие размеры, [3] [4] [5] чем меньше зарегистрированный угол, тем больше размеры исследуемого объекта.
SAXS и USAXS относятся к семейству методов рассеяния рентгеновских лучей , которые используются для характеристики материалов. В случае биологических макромолекул, таких как белки , преимущество SAXS перед кристаллографией заключается в том, что кристаллический образец не требуется. Более того, свойства МУРР позволяют исследовать конформационное разнообразие этих молекул. [6] Методы спектроскопии ядерного магнитного резонанса сталкиваются с проблемами с макромолекулами с более высокой молекулярной массой (> 30–40 кДа ). Однако из-за случайной ориентации растворенных или частично упорядоченных молекул пространственное усреднение приводит к потере информации в МУРР по сравнению с кристаллографией.
Приложения
[ редактировать ]МУРР используется для определения микро- или наномасштабной структуры систем частиц с точки зрения таких параметров, как усредненные размеры частиц, форма, распределение и соотношение поверхности к объему. [7] [8] [9] [10] Материалы могут быть твердыми или жидкими и могут содержать твердые, жидкие или газообразные домены (так называемые частицы) того же или другого материала в любой комбинации. не только частицы, но и структуру упорядоченных систем, таких как ламели , и фракталоподобных Можно изучать материалов. Метод является точным, неразрушающим и обычно требует лишь минимальной подготовки проб. Область применения очень широка и включает коллоиды. [11] , [12] , [13] , [14] всех типов, включая интерполиэлектролитные комплексы, [15] , [16] , [17] мицеллы , [18] , [19] , [20] , [21] , [22] микрогели, [23] липосомы , [24] , [25] , [26] полимерсомы , [27] , [28] металлы, цемент, нефть, полимеры , [29] , [30] , [31] , [32] пластмассы, белки , [33] , [34] продукты питания и фармацевтические препараты , и их можно найти как в исследованиях, так и при контроле качества. Источником рентгеновского излучения может быть лабораторный источник или синхротронный свет рентгеновского излучения , обеспечивающий более высокий поток .
Резонансное малоугловое рассеяние рентгеновских лучей
[ редактировать ]Можно повысить выход рентгеновского рассеяния [35] путем согласования энергии источника рентгеновского излучения с краем резонансного поглощения , как это делается для резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей . В отличие от стандартных измерений RIXS, считается, что рассеянные фотоны имеют ту же энергию, что и падающие фотоны.
Инструменты SAXS
[ редактировать ]В приборе SAXS монохроматический пучок рентгеновских лучей подводится к образцу, от которого часть рентгеновских лучей рассеивается, тогда как большая часть просто проходит через образец, не взаимодействуя с ним. Рассеянные рентгеновские лучи образуют картину рассеяния, которая затем детектируется детектором, который обычно представляет собой двумерный плоский детектор рентгеновского излучения, расположенный позади образца перпендикулярно направлению первичного луча, который первоначально попал на образец. Картина рассеяния содержит информацию о структуре образца.Основная проблема, которую необходимо решить в приборах SAXS, - это отделение слабой рассеянной интенсивности от сильного главного луча. Чем меньше желаемый угол, тем сложнее это становится. Проблема сравнима с той, которая возникает при попытке наблюдать слабоизлучающий объект, близкий к Солнцу, например, солнечную корону. Корона становится видимой только в том случае, если Луна закрывает основной источник света. Аналогично, в МУРР нерассеянный луч, который просто проходит через образец, должен быть заблокирован. не блокируя близко расположенное рассеянное излучение. Большинство доступных источников рентгеновского излучения производят расходящиеся лучи, и это усугубляет проблему. В принципе проблему можно было бы решить, сфокусировав луч, но это непросто при работе с рентгеновскими лучами, и раньше это делалось только в синхротронах , где можно использовать большие изогнутые зеркала. Вот почему большинство лабораторных малоугловых устройств вместо этого полагаются на коллимацию .Лабораторные инструменты SAXS можно разделить на две основные группы: инструменты точечной коллимации и инструменты линейной коллимации:
Инструменты точечной коллимации
[ редактировать ]Инструменты точечной коллимации имеют точечные отверстия , которые формируют рентгеновский луч в небольшое круглое или эллиптическое пятно, освещающее образец. Таким образом, рассеяние центросимметрично распределяется вокруг первичного рентгеновского луча, а картина рассеяния в плоскости обнаружения представляет собой круги вокруг первичного пучка. Из-за небольшого объема освещаемого образца и расточительности процесса коллимации (пропускаются только те фотоны, которые летят в правильном направлении) интенсивность рассеяния мала, и поэтому время измерения составляет порядка часов или дней в случай очень слабых рассеивателей. фокусирующая оптика, такая как изогнутые зеркала или изогнутые кристаллы монохроматора Если используется ориентацию неизотропных систем ( волокон , сдвигающихся , или коллимирующая и монохроматирующая оптика, такая как многослойная, время измерения может быть значительно сокращено. Точечная коллимация позволяет определять жидкостей).
Линейно-коллимационные приборы
[ редактировать ]Приборы для линейной коллимации ограничивают луч только в одном измерении (а не в двух, как при точечной коллимации), так что поперечное сечение луча представляет собой длинную, но узкую линию. Объем освещенного образца намного больше по сравнению с точечной коллимацией, а интенсивность рассеяния при той же плотности потока пропорционально больше. Таким образом, время измерения с помощью инструментов SAXS с линейной коллимацией намного короче по сравнению с точечной коллимацией и составляет несколько минут. Недостаток заключается в том, что записанный рисунок представляет собой, по сути, интегрированную суперпозицию (самосвертку ) множества соседних точечных узоров. Возникающее размытие можно легко устранить с помощью безмодельных алгоритмов или методов деконволюции, основанных на преобразовании Фурье, но только в том случае, если система изотропна. Коллимация линий имеет большое преимущество для любых изотропных наноструктурных материалов, например белков, поверхностно-активных веществ, дисперсий частиц и эмульсий.
Производители инструментов SAXS
[ редактировать ]Среди производителей инструментов SAXS — Anton Paar , Австрия; Bruker AXS , Германия; Hecus X-Ray Systems Грац, Австрия; Малверн Паналитикал . Нидерланды, Rigaku Corporation, Япония; Ксенокс , Франция; и Ксенокс , США.
См. также
[ редактировать ]- Биологическое малоугловое рассеяние
- GISAS (Малоугловое рассеяние скользящего падения)
- Флуктуационное рентгеновское рассеяние (FXS)
- Широкоугольное рассеяние рентгеновских лучей
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хэмли, И.В. «Малоугловое рассеяние: теория, приборы, данные и приложения» - Wiley, 2022. ISBN 978-1-119-76830-2.
- ^ Глаттер О; Кратки О, ред. (1982). Малоугловое рентгеновское рассеяние . Академическая пресса . ISBN 0-12-286280-5 . Архивировано из оригинала 21 апреля 2008 года.
- ^ Штуцкий, М; Нарайанан, Т (2007). «Разработка сверхмалоуглового рентгеновского рассеивающего прибора для исследования микроструктуры и динамики мягких веществ» . Журнал прикладной кристаллографии . 40 : с459–с462. дои : 10.1107/S0021889806045833 . ISSN 1600-5767 .
- ^ Нарайанан, Т; Штуцкий, М; Ван Веренберг, П; Леонардон, Дж; Горини, Дж; Клаустр, Л; Север, Ф; Морс, Дж; Безеке, П. (2018). «Многоцелевой прибор для сверхмалоуглового и когерентного рассеяния рентгеновских лучей с временным разрешением» . Журнал прикладной кристаллографии . 51 (6): 1511–1524. дои : 10.1107/S1600576718012748 . ISSN 1600-5767 . ПМК 6276275 . ПМИД 30546286 .
- ^ Патил, Н.; Нарайанан, Т; Михельс, Л; Скьёнсфьель, ETB; Гисар-Сикайрос, М; Ван ден Бранде, Н.; Классенс, Р; Ван Меле, Б; Брейби, DW (май 2019 г.). «Исследование органических тонких пленок с помощью когерентной рентгеновской визуализации и рентгеновского рассеяния» . Прикладные полимерные материалы ACS . 1 (7): 1787–1797. дои : 10.1021/acsapm.9b00324 . ISSN 2637-6105 . S2CID 189992231 .
- ^ Бургер, Вирджиния М., Дэниел Дж. Аренас и Коллин М. Стульц. «Бесструктурный метод количественной оценки конформационной гибкости белков». Scientific report 6 (2016): 29040. DOI: 10.1038/srep29040 (2016).| http://hdl.handle.net/1721.1/108809
- ^ Педерсен, Дж. С. (июль 1997 г.). «Анализ данных малоуглового рассеяния коллоидов и растворов полимеров: моделирование и аппроксимация методом наименьших квадратов». Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки . 70 : 171–210. дои : 10.1016/S0001-8686(97)00312-6 . ISSN 0001-8686 .
- ^ Педерсен, Дж. С. (2000). «Формфакторы мицелл блок-сополимеров со сферическим, эллипсоидным и цилиндрическим ядром». Журнал прикладной кристаллографии . 33 (3): 637–640. дои : 10.1107/S0021889899012248 . ISSN 1600-5767 .
- ^ Педерсен, Дж. С. (1994). «Определение распределения размеров по данным малоуглового рассеяния для систем с эффективным взаимодействием твердых сфер». Журнал прикладной кристаллографии . 27 (4): 595–608. дои : 10.1107/S0021889893013810 . ISSN 1600-5767 .
- ^ Гоммес, CJ; Якш, С; Фрилингхаус, Х (2021). «Малоугловое рассеяние для начинающих» . Журнал прикладной кристаллографии . 54 (6): 1832–1843. дои : 10.1107/S1600576721010293 . ПМЦ 8662971 . ПМИД 34963770 .
- ^ Холламби, Мартин Дж.; Арацу, Кейсуке; Пау, Брайан Р.; Роджерс, Сара Э.; Смит, Эндрю Дж.; Ямаути, Мицуаки; Линь, Сюй; Ягай, Сики (16 августа 2016 г.). «Одновременный анализ МУРР и МУРН для обнаружения тороидальных супрамолекулярных полимеров, состоящих из нековалентных супермакроциклов, в растворе» . Ангеванде Хеми . 128 (34): 10044–10047. Бибкод : 2016AngCh.12810044H . дои : 10.1002/ange.201603370 .
- ^ Фанова, Анастасия; Джаната, Мирослав; Филиппов Сергей К.; Шлоуф, Мирослав; Нетопилик, Милош; Мариани, Алессандро; Степанек, Мирослав (27 августа 2019 г.). «Эволюция структуры гребенчатого сополимера и коацервата ПАВ» . Макромолекулы . 52 (16): 6303–6310. Бибкод : 2019МаМол..52.6303F . doi : 10.1021/acs.macromol.9b00332 . ISSN 0024-9297 . S2CID 202079335 .
- ^ Чжан, Сяохань; Нибюр, Барт-Ян; Хитил, Петр; Этрих, Томас; Филиппов Сергей К.; Кихней, Алексей; Виланд, округ Колумбия Флориан; Свергун Дмитрий Игоревич; Пападакис, Кристин М. (12 февраля 2018 г.). «Макромолекулярные наночастицы на основе p-HPMA с холестерином для нацеливания на солидные опухоли: поведение в среде белка HSA» . Биомакромолекулы . 19 (2): 470–480. дои : 10.1021/acs.biomac.7b01579 . ISSN 1525-7797 . ПМИД 29381335 .
- ^ Фанова, Анастасия; Шинделка, Карел; Учман, Мариуш; Лимпухова, Зузана; Филиппов Сергей К.; Писпас, Стергий; Прохазка, Карел; Степанек, Мирослав (25 сентября 2018 г.). «Совместная сборка поли(N-изопропилакриламида) с додециловыми и карбоксильными концевыми группами с катионным поверхностно-активным веществом: критическое сравнение экспериментальных данных и данных моделирования» . Макромолекулы . 51 (18): 7295–7308. Бибкод : 2018МаМол..51.7295F . doi : 10.1021/acs.macromol.8b01161 . ISSN 0024-9297 . S2CID 105195163 .
- ^ Лейснер, Дитрих; Имаэ, Тойоко (1 августа 2003 г.). «Интерполиэлектролитный комплекс и образование коацервата поли(глутаминовой кислоты) с дендримером, изученное методом светорассеяния и SAXS» . Журнал физической химии Б. 107 (32): 8078–8087. дои : 10.1021/jp027365l . ISSN 1520-6106 .
- ^ Мурмилюк Анастасия; Матейичек, Павел; Филиппов Сергей К.; Джаната, Мирослав; Шлоуф, Мирослав; Писпас, Стергий; Штепанек, Мирослав (2018). «Формирование наночастиц ядро/корона с ядрами интерполиэлектролитного комплекса в водном растворе: понимание динамики цепей в комплексе в результате тушения флуоресценции» . Мягкая материя . 14 (37): 7578–7585. Бибкод : 2018SMat...14.7578M . дои : 10.1039/C8SM01174E . ISSN 1744-683X . ПМИД 30140809 .
- ^ Далинг, Клаудия; Лотце, Гудрун; Дрекслер, Маркус; Мори, Хидехару; Пергушов Дмитрий Владимирович; Плампер, Феликс А. (2016). «Температурное переключение структуры в термочувствительных мицеллярных интерполиэлектролитных комплексах: в сторону морфологии ядро-оболочка-корона и червеобразной морфологии» . Мягкая материя . 12 (23): 5127–5137. Бибкод : 2016SMat...12.5127D . дои : 10.1039/C6SM00757K . ISSN 1744-683X . ПМИД 27194585 .
- ^ Соммер, Корнелия; Педерсен, Ян Сков; Гарамус, Василь М. (01 марта 2005 г.). «Структура и взаимодействие мицелл блок-сополимера Brij 700, изученных методом совмещения малоуглового рентгеновского и нейтронного рассеяния» . Ленгмюр . 21 (6): 2137–2149. дои : 10.1021/la047489k . ISSN 0743-7463 . ПМИД 15752000 .
- ^ Филиппов Сергей К.; Хитил, Петр; Конарев Петр Владимирович; Дьяконова, Маргарита; Пападакис, Кристина М.; Жигунов Александр; Плестиль, Йозеф; Степанек, Петр; Этрих, Томас; Ульбрих, Карел; Свергун, Дмитрий И. (13 августа 2012 г.). «Макромолекулярные наночастицы на основе HPMA с холестерином для нацеливания на солидные опухоли: детальное исследование внутренней структуры высокоэффективной системы доставки лекарств» . Биомакромолекулы . 13 (8): 2594–2604. дои : 10.1021/bm3008555 . ISSN 1525-7797 . ПМИД 22793269 .
- ^ Филиппов Сергей К.; Франклин, Джон М.; Конарев Петр Владимирович; Хитил, Петр; Этрих, Томас; Богомолова, Анна; Дьяконова, Маргарита; Пападакис, Кристин М.; Радулеску, Аурел; Ульбрих, Карел; Степанек, Петр (11 ноября 2013 г.). «Гидролитически разлагаемые полимерные мицеллы для доставки лекарств: кинетическое исследование SAXS/SANS» . Биомакромолекулы . 14 (11): 4061–4070. дои : 10.1021/bm401186z . ISSN 1525-7797 . ПМИД 24083567 . S2CID 36632159 .
- ^ Рябцева, Анна; Каберов Леонид Иванович; Нуарес, Лоуренс; Рюхтин Василий; Нарден, Коринн; Вербрекен, Барт; Хугенбум, Ричард; Степанек, Петр; Филиппов, Сергей К. (февраль 2018 г.). «Структурная характеристика наночастиц, образованных полифилами на основе фторированного поли(2-оксазолина)» . Европейский журнал полимеров . 99 : 518–527. doi : 10.1016/j.eurpolymj.2018.01.007 . hdl : 1854/LU-8561215 . S2CID 102663271 .
- ^ Филиппов Сергей К.; Вербрекен, Барт; Конарев Петр Владимирович; Свергун Дмитрий Игоревич; Ангелов, Борислав; Вишневецкая Наталья С.; Пападакис, Кристин М.; Роджерс, Сара; Радулеску, Аурел; Куртин, Тим; Мартинс, Хосе К. (17 августа 2017 г.). «Мицелы блочной и градиентной сополи(2-оксазолина): поразительно разные внутри» . Журнал физической химии . 8 (16): 3800–3804. doi : 10.1021/acs.jpclett.7b01588 . hdl : 1854/LU-8534833 . ISSN 1948-7185 . ПМИД 28759235 . S2CID 206664063 .
- ^ Сузуки, Дайсуке; Нагасе, Ясухиса; Куреха, Такума; Сато, Такааки (27 февраля 2014 г.). «Внутренняя структура термочувствительных гибридных микрогелей, исследованная методом малоуглового рентгеновского рассеяния» . Журнал физической химии Б. 118 (8): 2194–2204. дои : 10.1021/jp410983x . ISSN 1520-6106 . ПМИД 24517119 .
- ^ Чавес, Матеус Андраде; Осельеро Фильо, Педро Леонидас; Янге, Камила Гарсия; Синигалья-Коимбра, Рита; Оливейра, Криштиану Луиш Пинту; Пиньо, Саманта Кристина (июль 2018 г.). «Структурная характеристика мультиламеллярных липосом, инкапсулирующих куркумин и витамин D3» . Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 549 : 112–121. doi : 10.1016/j.colsurfa.2018.04.018 . S2CID 103002028 .
- ^ Ди Кола, Эмануэла; Грилло, Изабель; Ристори, Сандра (28 марта 2016 г.). «Малоугловое рентгеновское излучение и рассеяние нейтронов: мощные инструменты для изучения структуры липосом, нагруженных лекарственными средствами» . Фармацевтика . 8 (2): 10. doi : 10.3390/pharmaceutics8020010 . ISSN 1999-4923 . ПМЦ 4932473 . ПМИД 27043614 .
- ^ Заборова Ольга Владимировна; Филиппов Сергей К.; Хитил, Петр; Ковачик, Любомир; Ульбрих, Карел; Ярославов Александр Александрович; Этрих, Томаш (апрель 2018 г.). «Новый подход к повышению стабильности липосомальных контейнеров посредством предварительной обработки покрытием поли[N-(2-гидроксипропил)метакриламидом] с ковалентно присоединенными группами холестерина» . Макромолекулярная химия и физика . 219 (7): 1700508. doi : 10.1002/macp.201700508 .
- ^ Брессель, Катарина; Мутиг, Майкл; Прево, Сильвен; Гаммел, Джереми; Нарайанан, Тейенчери; Градзельски, Майкл (24 июля 2012 г.). «Формирование везикул: контроль размера и стабильности путем добавления амфифильного сополимера» . АСУ Нано . 6 (7): 5858–5865. дои : 10.1021/nn300359q . ISSN 1936-0851 . ПМИД 22713309 .
- ^ Мейбл, Шарлотта Дж.; Дерри, Мэтью Дж.; Томпсон, Кейт Л.; Филдинг, Ли А.; Михайлик, Александр О.; Армс, Стивен П. (13 июня 2017 г.). «Исследование SAXS с временным разрешением кинетики термически вызванного высвобождения инкапсулированных наночастиц кремнезема из везикул блок-сополимера» . Макромолекулы . 50 (11): 4465–4473. Бибкод : 2017МаМол..50.4465М . doi : 10.1021/acs.macromol.7b00475 . ISSN 0024-9297 . ПМЦ 5472368 . ПМИД 28626247 .
- ^ Филиппов Сергей К.; Богомолова, Анна; Каберов, Леонид; Величковская, Надежда; Старовойтова Лариса; Чернохова, Зульфия; Роджерс, Сара Э.; Лау, Крылатый Человек; Хуторянский Виталий Владимирович; Кук, Майкл Т. (31 мая 2016 г.). «Внутренняя структура наночастиц термочувствительных самоорганизующихся триблок-сополимеров PNIPAM-b-PEG-b-PNIPAM в водных растворах: ЯМР, МУРН и исследования светорассеяния» . Ленгмюр . 32 (21): 5314–5323. doi : 10.1021/acs.langmuir.6b00284 . hdl : 2299/17369 . ISSN 0743-7463 . ПМИД 27159129 .
- ^ Кук, Майкл Т.; Филиппов Сергей К.; Хуторянский, Виталий В. (август 2017 г.). «Синтез и свойства раствора термочувствительного триблок-сополимера ПНИПАМ – b-ПДМС – b-ПНИПАМ» . Коллоидная и полимерная наука . 295 (8): 1351–1358. дои : 10.1007/s00396-017-4084-y . hdl : 2299/19649 . ISSN 0303-402X . S2CID 100587522 .
- ^ Сергеева, Ольга; Власов Петр С.; Домнина, Нина С.; Богомолова, Анна; Конарев Петр Владимирович; Свергун Дмитрий Игоревич; Валтерова, Зузана; Горский, Иржи; Степанек, Петр; Филиппов, Сергей К. (2014). «Новые термочувствительные телехелатные ПЭГ с антиоксидантной активностью: синтез, молекулярные свойства и конформационное поведение» . РСК Адв . 4 (79): 41763–41771. Бибкод : 2014RSCAd...441763S . дои : 10.1039/C4RA06978A . ISSN 2046-2069 .
- ^ Каберов Леонид Иванович; Каберова, Жансая; Мурмилюк Анастасия; Трусил, Иржи; Седлачек, Ондржей; Конефаль, Рафаль; Жигунов Александр; Павлова, Ева; Вит, Мартин; Жирак, Даниэль; Хугенбум, Ричард (28 июня 2021 г.). «Фторсодержащие блок- и градиентные сополи(2-оксазолины) на основе 2-(3,3,3-трифторпропил)-2-оксазолина: поиск оптимальной самособирающейся структуры для визуализации 19F» . Биомакромолекулы . 22 (7): 2963–2975. doi : 10.1021/acs.biomac.1c00367 . ISSN 1525-7797 . ПМИД 34180669 . S2CID 235659596 .
- ^ Бернадо, Пау; Свергун, Дмитрий И. (2012). «Структурный анализ внутренне неупорядоченных белков методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей» . Мол. БиоСист . 8 (1): 151–167. дои : 10.1039/C1MB05275F . ISSN 1742-206X . ПМИД 21947276 .
- ^ Янисова, Лариса; Грузинов Андрей; Заборова Ольга Владимировна; Величковская, Надя; Ванек, Ондржей; Пойман, Питер; Этрих, Томас; Янушкова, Ольга; Чжан, Сяохань; Бланше, Клеман; Пападакис, Кристин М. (28 января 2020 г.). «Молекулярные механизмы взаимодействия сополимеров N-(2-гидроксипропил)метакриламида, предназначенных для терапии рака, с белками плазмы крови» . Фармацевтика . 12 (2): 106. doi : 10.3390/pharmaceutics12020106 . ISSN 1999-4923 . ПМК 7076460 . ПМИД 32013056 .
- ^ Шуэльке, Винфрид (21 июня 2007 г.). Электронная динамика по неупругому рассеянию рентгеновских лучей . Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780191523281 .