Name: studying soft-matter and biological systems over a wide length-scale from nanometer and micrometer sizes at the small-angle neutron diffractometer kws-2
Uploaded: 2016-12-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 27 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Studying Soft-matter and Biological Systems over a Wide Length-scale from Nanometer and Micrometer Sizes at the Small-angle Neutron Diffractometer KWS-2 at Jo

We acknowledge Dr. Dietmar Schwahn (Forschungszentrum J&#252;lich GmbH) for support and stimulating discussions regarding the upgrades performed on the KWS-2 in 2010-2015. The constant help from the Central Institute of Engineering, Electronics, and Analytics (ZEA) and the JCNS-1 (Neutron Scattering) and JCNS-2 (Scattering Methods) Institutes in Forschungszentrum J&#252;lich GmbH during the design, installation, and commission of components, devices, and control software for the new working modes of the KWS-2 is gratefully acknowledged. We are thankful to Matthew Binns and Christopher J. Van Leeuwen (both at Louisiana State University) for the professional editing of this manuscript.

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The authors have nothing to disclose.

materia blanda y sistemas biofísicos se caracterizan típicamente por correlaciones estructurales y niveles microestructurales y morfológicos relacionados entre sí que se extienden a una escala de longitud de ancho, de nm a micras. Para entender el mecanismo de la formación y la evolución de la morfología de tales sistemas y la relación entre sus características microscópicas y las propiedades macroscópicas, es importante para explorar su microestructura en toda la escala de longitud y en las condiciones ambientales pertinentes (por ejemplo, temperatura, presión, pH , humedad, etc.). Por lo general, las técnicas con neutrones (SANS) o sincrotrón rayos X (SAXS) de dispersión de ángulo pequeño están involucrados en este tipo de estudios. El inconveniente intensidad de neutrones frente sincrotrón rayos X se compensa con el uso de comparativamente grande Δλ / λ, que sin embargo conduce al empeoramiento de la resolución instrumental. Sin embargo, SANS ofrece ventajas únicas debido las posibilidades que ofrece el contrvariación AST, especialmente entre los isótopos de hidrógeno. Por lo tanto, SANS es un método experimental utilizado específicamente en el estudio de sistemas de materia y biofísicos suaves, para la que proporciona información estructural y morfológica única. La mayoría de los difractómetros SANS en todo el mundo el 21 de trabajo en el principio del agujero de alfiler (Figura 2), lo que permite la resolución de baja Q dirigido. Prácticamente, todos los SANS difractómetros de alto flujo tienen un máximo flujo similar en el orden de 1 x 10 cm 8 n -2 seg -1. Sobre la base de la resolución de longitud de onda relajada, el KWS-2 tiene un flujo casi se duplicó 2, 4. Recientemente, SANS difractómetros muy especializados entró en funcionamiento para servir con características optimizadas para un rango específico de aplicaciones, como para las investigaciones a muy pequeña dispersión de vectores 22, 23. Con la reciente comisión de los difractómetros especializados TOF-SANS en los reactores de estado estable 24 o spallation fuentes 25, 26, un aumento masivo-Q rango dinámico en una configuración experimental dada y una mayor flexibilidad y optimización en cuanto a la elección de la resolución experimental se ofrecen. Para el KWS-2 SANS difractómetro, un alto nivel de versatilidad y el rendimiento necesarios para los estudios estructurales muy específicas en el campo de la materia blanda y biofísica está habilitado en un instrumento de otra manera clásica SANS. La optimización, la flexibilidad y la espontaneidad en el diseño y la realización de estudios complejos, como soportada por el protocolo descrito, se consigue mediante la combinación de los parámetros optimizados experimentales (por ejemplo, la intensidad, escala de longitud, resolución espacial y resolución temporal) y la muestra compleja ambientes. El uso de los múltiples modos de trabajo enumerados en la Introducción y apoyadas por los resultados que se presentan en las figuras 8-15, el KWS-2 mejora de una manera fácil y práctica el funcionamiento de un difractómetro SANS clásicaen una fuente de neutrones constante (reactor) más allá de los límites convencionales de tales instrumentos. Este protocolo presenta los pasos que un usuario regular debe llevar a cabo para definir y llevar a cabo un simple programa experimental que implica únicamente la investigación de muestras en condiciones ambientales termodinámicas (temperatura, presión, humedad relativa) y en condiciones estáticas (no cinética de formación de estructura o transformación, no cizalla o flujo). Varios titulares de temperatura controlada o ambientes especiales de la muestra (Tabla 1 y Figura complementario 19), tales como células de presión, reómetros, o células de humedad, están disponibles y pueden ser instalados y ajustados con la asistencia especial del equipo del instrumento de manera óptima. Este protocolo no proporciona instrucciones acerca de los ajustes y controles de dicho equipo. La definición y la activación de los controladores externos requieren el uso de otro, el protocolo más complejo. Este protocolo presenta lacaso de trabajar con células de la muestra de cuarzo de una forma rectangular estrecha (Figura 3). Sin embargo, una amplia gama de geometrías y tipos de células (Figura 19) se ofrece a los usuarios, con el fin de proporcionar una mayor flexibilidad y eficiencia en la realización de los experimentos. En el caso de la utilización de tales células, el presente protocolo puede ser seguido con el ajuste de los parámetros discutidos en el paso 4.2.2. El software de control de medición ha sido desarrollado para ofrecer a los usuarios una mayor flexibilidad en la consecución de sus objetivos científicos y optimización en la operación técnica del instrumento. Todos los ajustes y configuraciones de funciones y componentes del instrumento especiales son realizadas por el equipo del instrumento. La participación de los usuarios científicos de la configuración, definición, y la utilización del instrumento se simplifica y específicamente limitada sólo a aquellos aspectos que están en relación con las cuestiones científicas de la sesión experimental. Coarchivos nfiguration están predefinidas con el fin de abarcar todas las cuestiones experimentales especiales, tales como la colocación de soportes especiales en la viga, el posicionamiento de la muestra en el haz (coordenadas x, y, Φ, y ω en la etapa de la muestra, mesa de rotación, o cuna en la Figura complementario 5), el ajuste de las posiciones de los detectores y de la viga de punto para diferentes longitudes de onda, el ajuste de los parámetros de helicóptero (frecuencia y apertura de la ventana) para diferentes longitudes de onda, las distancias de detección y resolución destinada, etc. Además, el protocolo actual no se describe cómo el modo de tiempo real se puede utilizar en el KWS-2. También se requiere el uso de un protocolo más complejo con el fin de llevar a cabo con resolución temporal SANS experimentos. Por otra parte, este protocolo presenta cómo los datos medidos se pueden corregir para diferentes contribuciones de dispersión desde el instrumento y las referencias y calibrados con el fin de obtener la muestra de DifferentiAl sección eficaz de dispersión, dΣ / dΩ, expresado en cm -1. Esta cantidad contiene toda la información estructural y morfológica sobre la muestra y se mide en una amplia gama Q que corresponde a una escala de longitud de ancho, sobre el cual aparecen correlaciones estructurales y talla niveles interrelacionados característicos del sistema investigado. La sección eficaz de dispersión dΣ / dΩ se refiere por tanto la intensidad medida en un experimento de dispersión estática en un ángulo Θ, que s = F (Θ) a las propiedades estructurales de la muestra. Para la evaluación de dΣ / dΩ para un sistema de interés, además de la medición del sistema, se necesitan medidas adicionales con el fin de corregir los datos para cualquier dispersión externa (es decir, el medio ambiente, la celda de muestra, la solución de disolvente o tampón en el caso de sistemas de soluto, etc.) y para calibrar los datos corregidos en unidades absolutas <sup<html> &gt; 8. El fondo externo (celda de muestra o recipiente), la muestra de referencia (soluciones de disolvente o tampón), la transmisión de la muestra (necesario para el correcto sustracción de fondo y la calibración de los resultados corregidos en unidades absolutas), el fondo electrónico del detector, el detector sensibilidad (falta de homogeneidad en la eficiencia de detector que es inherente para detectores de área), y la muestra estándar normalizada también debe ser medido. Para el KWS-2, Plexiglas (PMMA) se utiliza como muestra estándar. Este es el llamado estándar secundario y se calibra periódicamente frente a una muestra estándar primario, que es vanadio. Vanadio entrega una intensidad dispersada muy débil y requiere tiempos de medición muy largos para la recogida de las estadísticas apropiadas; por lo tanto, no es práctico para los propósitos SANS. La intensidad de recogida de la muestra de interés I S y de la muestra estándar I St puede expresarse como sigue: t &quot;&gt; <img alt="Ecuación 1" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq1.jpg" /> [1] <img alt="Ecuación 1" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq2.jpg" /> [2] donde 0 representa la intensidad entrante (entregado por el sistema de colimación), t es el espesor, A es el área expuesta a la viga, T es la transmisión, y Δ ψ es el ángulo sólido en el que se observa una célula de detección de la posición de la muestra. Si tanto la muestra como norma se miden en las mismas condiciones con respecto al haz entrante (es decir, L C, A C y A S, y λ y Δ λ / λ), que 0 y A son los mismos y el ángulo sólido es expresado como a D / L D (con a D que representa el área de una célula de detección). Al dividir las dos relaciones, la dispersión transversal sectien de la muestra se obtiene como: <img alt="Ecuación 1" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq3.jpg" /> [3] donde el I St se expresa como una media (la norma como un sistema de dispersión incoherente entrega un patrón de dispersión plana). El I S se obtiene después de la corrección de la intensidad medida de la muestra en la célula (recipiente) con respecto a la contribución de la celda vacía I eCell y el fondo en el detector para el haz cerrado, I B. El factor de t St T St (dΣ / dΩ) St, que contiene la dispersión y los parámetros físicos de la muestra estándar, depende de la longitud de onda λ de neutrones y por lo general se conoce en la calibración de la muestra estándar. Por lo tanto, se tabula en el software de reducción de datos 4. Los parámetros y cantidades en la ecuación. 3 que se conoce a partir de la calibración procedurES y la definición de la configuración experimental (t S, L D) forman el denominado factor de calibración k. Las intensidades y la transmisión de la muestra T S que aparecen en la ecuación. 3 debe ser medido. El programa de análisis de datos qtiKWS permite la corrección, calibración, y el promedio radial de los datos experimentales y el logro de dΣ / dΩ de las muestras investigadas en un modo de trabajo flexible y versátil. Los resultados finales generados con el software qtiKWS se presentan como tablas con cuatro columnas: Q, I, Δ I, donde I representa Δσ dΣ / dΩ y Δσ es la resolución Q 5. Desde un punto de vista práctico, con el KWS-2, SANS combinados e investigaciones USANS pueden llevarse a cabo, con la ventaja de que la geometría de la muestra y las condiciones termodinámicas se mantienen constantes. Grandes morfologías que muestran multIPLE niveles estructurales que abarcan una amplia escala de longitud de nanómetro a micrómetro tamaños pueden ser investigados de manera directa, como se muestra en la Figura 12. Además de la pequeña escala límite estructural R C observado en la curva de dispersión medida en el modo de agujero de alfiler convencional, mediante la activación de las lentes y el detector de alta resolución, la gran escala límite estructural L C de micelas de núcleo-envoltura cilíndrica formada por el poli - (óxido de hexileno-etileno-co-óxido) copolímero de dos bloques PHO10k-PEO10k (totalmente protonada) en D2O 14 se pudieron observar a valores muy bajos Q en el modo de funcionamiento prolongado Q -range. Las micelas cilíndricas se caracterizan por un espesor total de aproximadamente 300 Å y una longitud de aproximadamente 7000 Å, tal como se revela por el ajuste de los resultados experimentales con el núcleo-envoltura cilíndrica de factor de forma de 9,14. Por lo tanto, ciertos efectos sensibles tales como geles termo-sensible o formación y crecimiento de cristallínea o parcialmente cristalinos morfologías pueden ser explorados de forma inequívoca con el KWS-2, a diferencia del enfoque clásico de la participación de dos o más diversos instrumentos y las geometrías de muestra. Tal como se presenta en la figura 11, los sistemas correlacionados y ordenó estructuras pueden ser estudiados con las resoluciones adaptadas de una manera muy flexible, sin tener que gastar tiempo y esfuerzo en la instalación de sistemas monochromatization complejas, lo que implicaría aspectos de cuidado y seguridad adicionales. Por otra parte, mediante la participación del helicóptero y el modo de adquisición de datos TOF, sistemas de materia blanda monodispersas o complejos con baja polidispersidad tamaño se puede caracterizar de forma muy precisa en el aún elevado de intensidades 5. Los obstáculos generados por la dispersión débil debido a la utilización de sistemas diluidos altamente o condiciones desfavorables de contraste se pueden superar mediante el uso de intensidades incluso superior basado en el tamaño del haz más grande en la muestra, mientras se mantiene laresolución. La figura 13A presenta los patrones de dispersión de partículas de poliestireno de un radio de R = 150 Å, medida en el modo de alta intensidad usando las lentes y un tamaño de haz de segundo grado que varía entre 10 mm x 10 mm, el tamaño típico utilizado en el modo de agujero de alfiler convencional , y 30 mm x 30 mm. Además, se muestra el resultado de una medición con una ronda haz de 50 mm de diámetro (el tamaño total de la lente). En paralelo, se presenta el resultado normalizado obtenido en el modo de agujero de alfiler convencional. El uso de 26 lentes con neutrones de λ = 7 Å y el mismo tamaño de abertura de entrada A C como para el modo de agujero de alfiler convencional (Figura 2B), se obtiene una ganancia en la intensidad en la muestra de alrededor de 12 veces mientras se mantiene un tamaño de haz constante (resolución ) en el detector, como se muestra en la Figura 13, parte B-C. El sistema 27 de lentes tiene una transmisión de aproximadamente 32% a temperatura ambiente. Enfría a una temperatura de 50 K, los aumentos de transmisión de la lente debidola supresión de la dispersión de fonones en el material de la lente. El sistema de 26 lentes parabólicos con una transmisión de alrededor de 65% para un tamaño de haz redondo de 50 mm, cuando el haz pasa a través de todo el volumen de la lente, y de aproximadamente 92% para un tamaño de haz cuadrática de 10 mm x 10 mm , cuando sólo una cantidad de material de la lente permanece en la viga. El modo de alta intensidad con lentes ofrece beneficios en el caso de dispersión débil que generalmente se encuentra en una gran distancia de detección y es particularmente problemático en el caso de condiciones de contraste débiles. Además, cuando la muestra sólo es estable durante un período corto de veces, el uso de este modo representa una clara ventaja, como se demuestra en otra parte 15. Por otro lado, en el caso de los sistemas biológicos, los volúmenes de muestra pequeños están típicamente disponibles para los experimentos. Las pequeñas moléculas biológicas en condiciones fisiológicas con tamaños de unos pocos nanómetros entregan señales de dispersión débiles por encima de la dominante de dispersión de las soluciones tampón. Dichas señales se pueden medir con el KWS-2, que se benefician de la alta intensidad del instrumento en la configuración de baja resolución del modo de agujero de alfiler, utilizando corto colimación longitudes L C = 2 m ó 4 m, y la detección de distancias cortas L D = 1 m, 2 m, 4 m. La Figura 14 presenta los patrones de dispersión de la proteína beta amiloide (Aß 1-42, M W = 4,5 kDa) monómeros en hexafluoroisopropanol deuterado dHFIP, tal como se obtiene después de que se aplicó la corrección de la señal de dispersión de la memoria intermedia. Un modelo de ajuste de los datos entregado un tamaño de monómero de aproximadamente 16 ± 1 a 16. Un tiempo de medición largo de varias horas para cada condición experimental (distancia de detección L D y tipo de muestra) estaba implicado, aunque las mediciones se llevaron a cabo a distancias de detección de cortocircuitos. El detector de edad, que ha mostrado limitaciones en cuanto a la tasa de recuento, obstaculizó el uso de distancias cortas de colimaciónL C, de ahí el uso del flujo máximo en el instrumento. Con la comisión del nuevo sistema de detección que permite el uso del flujo de neutrones completa, tales intensidades débiles se medirán en tiempos más cortos y con la mejora de las estadísticas en el futuro. Por último, los efectos de estímulos sensibles pueden ser estudiadas de manera flexible y fácil utilizando el equipo auxiliar especial de la KWS-2. Un ejemplo se expone en la figura 15, que muestra los patrones de SANS de la proteína lisozima en D 2 O tampón y desde el tampón recogido a diferentes presiones. Especial atención se ha prestado a la investigación de los antecedentes y la dispersión hacia adelante de las moléculas de lisozima, que se utiliza en la prueba de rendimiento de la nueva celda de presión de fabricación propia, siguiendo un diseño hecho por PSI, Suiza. Los resultados fueron similares a los obtenidos por Kohlbrecher et al. En un estudio similar para probar el modelo de células presión original construidohay 17, 18. Con el KWS-2, más datos ha sido adquirido desde que se ha alcanzado una presión de 5.000 bar. Evolución de la intensidad dispersada hacia adelante de la proteína sigue un comportamiento lineal, como se observa en el estudio en PSI, Suiza 18.

Los materiales suaves y biológicos muestran una rica variedad de morfologías que se caracterizan por características tales como la auto-organización y auto-ensamblaje de unidades elementales de agregados más grandes y complejos. También muestran interacción cooperativa con un gran número de grados de libertad; interacción débil entre las unidades estructurales, y por lo tanto alta sensibilidad a campos externos; y correlaciones espacio-temporales que pueden abarcar una amplia gama, desde nanómetros hasta milímetros y de nanosegundos a día. Debido a la gran variedad de longitud- y escalas de tiempo relevante, la caracterización experimental de las propiedades de estos materiales son muy difíciles. técnicas de dispersión de neutrones con juegan un papel importante en la investigación de la estructura, la dinámica y las propiedades termodinámicas de tales sistemas complejos. Como sondas únicas, los neutrones ofrecen la ventaja de diferentes interacciones entre la 1 H y 2 H (deuterio, D) los isótopos de hidrógeno. La gran difierenENCE en la densidad de longitud de dispersión coherente entre hidrógeno y deuterio representa la base de los métodos de variación de contraste y el contraste con las características determinadas. Como la mayoría de la materia blanda y sistemas biológicos consisten de hidrocarburos, hidrógeno / deuterio (H / D) sustitución ofrece la posibilidad de variar la densidad de longitud de dispersión coherente de un compuesto en un amplio intervalo. Con esta técnica, los componentes seleccionados en un sistema complejo pueden marcarse mediante intercambio de isótopos. Dependiendo de su contraste-la diferencia al cuadrado entre su densidad longitud de dispersión y la de los otros componentes o regiones componentes-seleccionados dentro de una materia blanda complejo o morfología biofísico puede hacerse visible o invisible en el experimento de dispersión sin alterar químicamente el sistema. Por otra parte, los neutrones son muy penetrantes y se pueden utilizar como sondas no destructivos y para el estudio de muestras en ambientes especiales, donde la contribución de los materiales adicionales colocados en el haz puede ser RELIhábilmente medido y corregido para. experimentos de dispersión elástica proporcionan información sobre la estructura y la morfología de una muestra. La intensidad dispersada se mide en el espacio recíproco como una función de la transferencia de momento Q, donde Q = 4π / λ pecado Θ / 2, con λ - la longitud de onda de neutrones y Θ - el ángulo de dispersión; esto se traduce en el espacio real a través de una transformación de Fourier inversa. Por lo tanto, los grandes valores Q se refieren a escalas de longitud corta, con las correlaciones inter-atómicas investigados por difracción de neutrones clásica (ND). A valores de Q pequeños, grandes escalas de longitud pueden ser explorados por la dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS). Por lo general, solo o montaje de macromoléculas sintéticas o naturales en solución, en estado fundido, películas, o muestras a granel se caracterizan sobre una escala de longitud de ancho, desde nanómetros y micrómetros de tamaño, a través de la aplicación de las SANS del agujero de alfiler clásicos y la ultra-SANS (basado en difractometría de un solo cristal de enfoque o técnicas). Sin embargo, la combinación de diferentes métodos o instalaciones para lograr una caracterización estructural completa es a veces difícil debido a problemas tales como la cantidad disponible de la muestra, la estabilidad de las muestras en escalas de tiempo largas, la reproducibilidad de los efectos en condiciones termodinámicas especiales, y el análisis conjunto de los datos experimentales obtenido en diferentes geometrías experimentales. Por otra parte, los estudios que se ocupan de las estructuras y los rápidos cambios estructurales que se caracterizan por una alta resolución temporal o espacial son muy difíciles, que requieren montajes experimentales muy especiales. Por lo tanto, el desarrollo de instrumentos SANS altamente versátiles, donde los límites pueden ser empujados más allá de la configuración típica de una manera fácil y factible, es beneficioso para satisfacer todas las demandas especiales de la comunidad de usuarios. El difractómetro SANS KWS-2 (Figura 1), operado por la J2; Lich Centro de neutrones Ciencia (JCNS) en el Heinz Maier-Leibnitz Center (MLZ) en Garching, era originalmente una clásica SANS agujero de alfiler instrumento se beneficia de un elevado flujo de neutrones (Figura 1) suministrada por la fuente de neutrones FRM II 1 y el sistema de guía dedicada 2-4. Después de actualizaciones repetidas, el instrumento se ha optimizado para la exploración de una amplia gama Q, entre 1x10 -4 y 0,5 Å -1, proporcionando altas intensidades de neutrones y una resolución ajustable. Con la disponibilidad de los entornos específicos de la muestra y los dispositivos auxiliares (Tabla 1), el instrumento puede estar equipado para estudiar la materia blanda y sistemas biofísicos más de una escala de longitud de ancho, desde nm hasta micras, a través de mediciones estáticas; También puede llevar a cabo investigaciones con resolución temporal de las estructuras y morfologías en equilibrio o en transformación debido a los procesos cinéticos, que abarca una amplia escala de tiempo entre los minutos y decenas demilisegundos. En el modo de trabajo convencional (Figura 2A), una gama Q entre 7x10 -4 -1 Å y 0,5 Å -1 puede ser cubierto a través de la variación de la distancia de muestra a detector y / o la longitud de onda. Por lo tanto, los niveles estructurales y efectos de correlación en una escala de longitud de 10 Å hasta 9.000 pueden ser inspeccionados en el espacio real (donde la dimensión se considera como 2π / Q). La selección de la longitud de onda, entre 4,5 Å y 20 Å, usando un monocromador mecánica (selector de velocidad) que proporciona un margen de longitud de onda Δλ / λ = 20%, la variación de las condiciones de colimación (longitud L aberturas de colimación C y de apertura, A C - la abertura de entrada, después de que el último segmento de neutrones guía en el haz, y a S - la abertura de muestreo, justo en frente de la muestra) y de la detección de la distancia L D se realiza de forma automática, a través de control de la computadora. Q m, y la detección rápida a altas tasas de recuento en el rango de MHz se llevaron a cabo recientemente, con el objetivo de potenciar el rendimiento del instrumento. Durante este proceso, el instrumento estaba equipado con características adicionales. Hay un interruptor de doble disco 5 con aberturas de rendija variable (Figura 2) y el modo de adquisición de datos de tiempo de vuelo (TOF). El helicóptero puede ser operado a una f chopper frecuencia variable entre 10 Hz y 100 Hz y en las aberturas angulares de las dos ventanas de helicóptero entre los ángulos de 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° por el cambio de la posición de los dos discos con respecto a la otra. La mejora en la resolución de longitud de onda Δλ / λ se logra mediante la reducción del tiempo de apertura de la guía de neutrones τ w por decraliviar Δφ y / o el aumento de f chopper. Los pulsos resultantes grabados en el detector se dividen en un número apropiado de canales de tiempo que coinciden con τ w de ancho y se caracterizan por la Δλ / λ dirigido. También hay elementos de enfoque hechos de fluorita de magnesio MgF 2 lentes parabólicos 6 con un diámetro de 50 mm (Figura 1). 26 MgF2 lentes se agrupan en tres paquetes (4 + 6 + 16 lentes) que se pueden mover independientemente en la viga para lograr condiciones de enfoque con diferentes longitudes de onda lambda = 7-20 Å. Con el fin de aumentar la transmisión mediante la reducción de la dispersión en los fonones en el material de la lente, las lentes se mantuvieron a 70 K usando un sistema de enfriamiento especial. Hay un detector sensible a la posición de alta resolución secundario de centelleo con una resolución de la posición 1 mm y un píxel de tamaño 0,45 mm. El detectorse coloca normalmente en la torre en la parte superior del tanque de vacío a una distancia L fijo D = 17 m y se puede mover verticalmente dentro o fuera de la viga (Figura 1). El detector principal se encuentra estacionado en la posición final de la cisterna a 20 m, mientras que el detector secundario se mueve en el haz cuando las investigaciones de alta resolución (bajo Q) utilizando lentes se realizan 4,7. El detector secundario se coloca en un punto focal del sistema de lentes, mientras que una pequeña abertura de entrada en L C = 20 m sería, en este caso, en el otro punto focal. Hay un nuevo sistema de detección principal que consiste en una matriz de 144 3 tubos de él (con una eficiencia global de por tubo de 85% para λ = 5 Å) y que define un área de detección activo equivalente a 0,9 m 2 (Figura 1). Innovadores de la electrónica de lectura rápida montados en una caja cerrada en la parte trasera del bastidor de tubo 3 Se mejora lalectura de las características y reduce el ruido de fondo. El nuevo sistema que sustituye el detector de centelleo de edad (6 Li centelleador y una matriz de 8x8 fotomultiplicadores, Figura 1) se caracteriza por una constante de tiempo muerto efectiva de 25 nseg y una tasa de recuento total tan alta como 5 MHz a 10% muerto- tiempo para perfiles planos. Estas características se deben al hecho de que el sistema contiene canales independientes operados en paralelo, lo que es una ventaja sobre los sistemas que experimentan de tiempo muerto después de un evento. La tasa de recuento mucho más alta acorta los tiempos de medición y por lo tanto aumenta el número de experimentos que se pueden realizar en el mismo período de tiempo. Con todas estas innovaciones, el instrumento se convirtió en una herramienta muy versátil que puede hacer frente a una amplia gama de estudios estructurales, ofreciendo múltiples modos de trabajo (Tabla 2) que pueden ser seleccionados y utilizados de una manera directa y fácil de usar. En el modo de alta intensidad (La Figura 2B), hasta doce veces la ganancia de intensidad en comparación con el modo de agujero de alfiler convencional para la misma resolución se puede lograr con lentes aumentando el tamaño de la muestra. En el modo de resolución sintonizable con chopper y datos TOF adquisición, mejorar la caracterización de las características de dispersión dentro de diferentes rangos de Q están habilitadas por la posibilidad de variar la resolución de longitud de onda Δ λ / λ entre 2% y 20% 5. En el modo extendido Q -range (Figura 2C), utilizando lentes y el detector de alta resolución secundario, un Q m precio tan bajo como 1 x 10 -4 y -1 se puede lograr, que, en combinación con el modo de agujero de alfiler, permisos la exploración de tamaños sobre una escala de longitud continua de la nm a la gama de micras. El uso de un helicóptero para el estrechamiento λ Δ / λ proporciona características del haz precisos, evitando de gravedad y cromáticas efectos when el uso de las lentes. En el modo de tiempo real, mediante la explotación de la alta intensidad y disparo externo de adquisición de datos por los entornos de ejemplo, los cambios estructurales se pueden resolver con las resoluciones de tiempo por debajo de 50 mseg. Al mejorar la resolución de longitud de onda hasta Δ λ / λ = 5% con el helicóptero, las resoluciones de tiempo tan bueno como 2 ms se pueden realizar. A continuación, presentamos en detalle un protocolo sobre cómo los experimentos típicos se llevan a cabo en el KWS-2 en sus diferentes modos de trabajo y cómo la información estructural de las muestras investigadas se puede obtener a partir de los datos recogidos a través de la reducción de datos. En esta demostración, utilizaremos SANS para caracterizar varios tamaños de soluciones de partículas estándar y una solución micelar polímero altamente concentrada con el fin de mostrar cómo el tamaño y el orden se pueden estudiar de intervalos amplios de una manera flexible y eficiente con el KWS-2 durante una sesión de análisis. partículas esféricas de poliestireno con difealquiler tamaños (radios de R = 150, 350, 500, 1000, y 4000 Å) y una polidispersidad tamaño de σ R <img alt="Ecuación 5" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq5.jpg" /> 8% se dispersan en una solución de agua (una mezcla de 90% D 2 O y 10% H 2 O) a una fracción de volumen de 1%. Las micelas formadas por los C 28 H 57 -PEO5 copolímeros de dos bloques en D 2 O a una concentración de 12% muestran una estructura ordenada.

<table><tbody><tr><td>heavy water D&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>151882</td><td></td></tr><tr><td>heavy water D&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O/H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>151882</td><td>90% D&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O and 10% H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td></tr><tr><td>3000 Series Nanosphere Size Standards (polystyrene)</td><td>Thermo Scientific</td><td>3030A</td><td>90% D&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O and 10% H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td></tr><tr><td>3000 Series Nanospher Size Standards (polystyrene)</td><td>Thermo Scientific</td><td>3070A</td><td>90% D&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O and 10% H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td></tr><tr><td>3000 Series Nanosphere Size Standards (polystyrene)</td><td>Thermo Scientific</td><td>3100A</td><td>90% D&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O and 10% H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td></tr><tr><td>3000 Series Nanospher Size Standards (polystyrene)</td><td>Thermo Scientific</td><td>3200A</td><td>90% D&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O and 10% H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td></tr><tr><td>3000 Series Nanosphere Size Standards (polystyrene)</td><td>Thermo Scientific</td><td>3800A</td><td>90% D&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O and 10% H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td></tr><tr><td>diblock copolymer C&lt;sub&gt;28&lt;/sub&gt;H&lt;sub&gt;57&lt;/sub&gt;-PEO5k</td><td>synthesized in house</td><td></td><td>in D&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td></tr><tr><td>Quartz Cells 110-QX</td><td>Hellma analytics</td><td>110-1-46</td><td></td></tr><tr><td>Aluminum cuvette-holder</td><td>manufactured in house</td><td></td><td>for measurements at ambient temperature</td></tr><tr><td>screwdriver</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Allen keys</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

studying soft-matter and biological systems over a wide length-scale from nanometer and micrometer sizes at the small-angle neutron diffractometer kws-2

El KWS-2 SANS difractómetro se dedica a la investigación de la materia blanda y sistemas biofísicos que cubren una amplia escala de longitud, desde nm a micras. El instrumento está optimizado para la exploración de la amplia gama Q transferencia de momento entre 1x10 -4 y 0,5 Å -1 mediante la combinación clásica del agujero de alfiler, de enfoque (con lentes), y el tiempo de vuelo (con interruptor) métodos, y al mismo tiempo proporcionar alta -neutron intensidades con una resolución ajustable. Debido a su capacidad para ajustar la intensidad y la resolución dentro de amplios límites durante el experimento, en combinación con la posibilidad de equipar a los entornos de muestra específicos y los dispositivos auxiliares, la KWS-2 muestra una alta versatilidad en el tratamiento de la amplia gama de estudios estructurales y morfológicos en el campo. estructuras de equilibrio pueden ser estudiados en mediciones estáticas, mientras que los procesos dinámicos y cinéticos pueden ser investigados en escalas de tiempo entre minutos a decenas de milisegundosgundos con los enfoques de resolución temporal. Los sistemas típicos que son investigados con la cubierta KWS-2 de la gama de sistemas complejos, jerárquicas que exhiben múltiples niveles estructurales (por ejemplo, geles, redes o macro-agregados) a los sistemas pequeños y mal de dispersión (por ejemplo, polímeros individuales o proteínas en solución). La reciente actualización del sistema de detección, lo que permite la detección de tasas de recuento en el rango de MHz, abre nuevas oportunidades para estudiar incluso muy pequeñas morfologías biológicos en solución tampón con señales de dispersión débiles cercanas al nivel de dispersión de la memoria intermedia a alta Q. En este trabajo, ofrecemos un protocolo para investigar las muestras con niveles de tamaño característicos que abarca una amplia escala de longitud y que presenta el pedido en la estructura de mesoescala usando KWS-2. Presentamos en detalle cómo utilizar los múltiples modos de trabajo que son ofrecidos por el instrumento y el nivel de rendimiento que se logra.

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Studying Soft-matter and Biological Systems over a Wide Length-scale from Nanometer and Micrometer Sizes at the Small-angle Neutron Diffractometer KWS-2

Here, we present a protocol to investigate soft matter and biophysical systems over a wide mesoscopic length scale, from nm to &#181;m that involves the use of the KWS-2 SANS diffractometer at high intensities and an adjustable resolution.

El estudio de la materia y Soft-Sistemas Biológicos en un amplio Longitud escala del nanómetro y el micrómetro Tamaños en el pequeño ángulo de neutrones difractómetro KWS-2

The KWS-2 SANS diffractometer is dedicated to the investigation of soft matter and biophysical systems covering a wide length scale, from nm to &#181;m. ...

studying-soft-matter-biological-systems-over-wide-length-scale-from

Research

JoVE Journal

Bioengineering

12.2K vistas.  Forschungszentrum Jülich GmbH. Here, we present a protocol to investigate soft matter and biophysical systems over a wide mesoscopic length scale, from nm to µm that involves the use of the KWS-2 SANS diffractometer at high intensities and an adjustable resolution.

Video: Studying Soft-matter and Biological Systems over a Wide Length-scale from Nanometer and Micrometer Sizes at the Small-angle Neutron Diffractometer KWS-2

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is presented. The SANS shear cell consists of a concentric cylinder Couette geometry that is sealed and rotating about a horizontal axis so that the vorticity direction of the flow field is aligned with the neutron beam enabling scattering from the 1-2 plane of shear (velocity-velocity gradient, respectively). This approach is an advance over previous shear cell sample environments as there is a strong coupling between the bulk rheology and microstructural features in the 1-2 plane of shear. Flow-instabilities, such as shear banding, can also be studied by spatially resolved measurements. This is accomplished in this sample environment by using a narrow aperture for the neutron beam and scanning along the velocity gradient direction. Time resolved experiments, such as flow start-ups and large amplitude oscillatory shear flow are also possible by synchronization of the shear motion and time-resolved detection of scattered neutrons. Representative results using the methods outlined here demonstrate the useful nature of spatial resolution for measuring the microstructure of a wormlike micelle solution that exhibits shear banding, a phenomenon that can only be investigated by resolving the structure along the velocity gradient direction. Finally, potential improvements to the current design are discussed along with suggestions for supplementary experiments as motivation for future experiments on a broad range of complex fluids in a variety of shear motions.

A shear cell is developed for small-angle neutron scattering measurements in the velocity-velocity gradient plane of shear and is used to characterize complex fluids. Spatially resolved measurements in the velocity gradient direction are possible for studying shear-banding materials. Applications include investigations of colloidal dispersions, polymer solutions, and self-assembled structures.

Medición material Microestructura Bajo Flujo de 1-2 Plano de Flujo de ángulo pequeño dispersión de neutrones

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

Investigación

Ingeniería

Small and Wide Angle X-Ray Scattering Studies of Biological Macromolecules in Solution

In this paper, Small and Wide Angle X-ray Scattering (SWAXS) analysis of macromolecules is demonstrated through experimentation. SWAXS is a technique where X-rays are elastically scattered by an inhomogeneous sample in the nm-range at small angles (typically 0.1 - 5&deg;) and wide angles (typically &gt; 5&deg;). This technique provides information about the shape, size, and distribution of macromolecules, characteristic distances of partially ordered materials, pore sizes, and surface-to-volume ratio. Small Angle X-ray Scattering (SAXS) is capable of delivering structural information of macromolecules between 1 and 200 nm, whereas Wide Angle X-ray Scattering (WAXS) can resolve even smaller Bragg spacing of samples between 0.33 nm and 0.49 nm based on the specific system setup and detector. The spacing is determined from Bragg's law and is dependent on the wavelength and incident angle.
In a SWAXS experiment, the materials can be solid or liquid and may contain solid, liquid or gaseous domains (so-called particles) of the same or another material in any combination. SWAXS applications are very broad and include colloids of all types: metals, composites, cement, oil, polymers, plastics, proteins, foods, and pharmaceuticals. For solid samples, the thickness is limited to approximately 5 mm.
Usage of a lab-based SWAXS instrument is detailed in this paper. With the available software (e.g., GNOM-ATSAS 2.3 package by D. Svergun EMBL-Hamburg and EasySWAXS software) for the SWAXS system, an experiment can be conducted to determine certain parameters of interest for the given sample. One example of a biological macromolecule experiment is the analysis of 2 wt% lysozyme in a water-based aqueous buffer which can be chosen and prepared through numerous methods. The preparation of the sample follows the guidelines below in the Preparation of the Sample section. Through SWAXS experimentation, important structural parameters of lysozyme, e.g. the radius of gyration, can be analyzed.

The demonstration of the small and wide angle X-ray scattering (SWAXS) procedure has become instrumental in the study of biological macromolecules. Through the use of the instrumentation and procedures of specific angle methods and preparation, the experimental data from the SWAXS displays the atomic and nano-scale characterization of macromolecules.

Pequeñas y Wide Angle X-Ray Estudios de dispersión de macromoléculas biológicas en disolución

In this paper, Small and Wide Angle X-ray Scattering (SWAXS) analysis of macromolecules is demonstrated through experimentation. SWAXS is a technique ...

Bioingeniería

Combining X-Ray Crystallography with Small Angle X-Ray Scattering to Model Unstructured Regions of Nsa1 from S. Cerevisiae

Determination of the full-length structure of ribosome assembly factor Nsa1 from Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) is challenging because of the disordered and protease labile C-terminus of the protein. This manuscript describes the methods to purify recombinant Nsa1 from S. cerevisiae for structural analysis by both X-ray crystallography and SAXS. X-ray crystallography was utilized to solve the structure of the well-ordered N-terminal WD40 domain of Nsa1, and then SAXS was used to resolve the structure of the C-terminus of Nsa1 in solution. Solution scattering data was collected from full-length Nsa1 in solution. The theoretical scattering amplitudes were calculated from the high-resolution crystal structure of the WD40 domain, and then a combination of rigid body and ab initio modeling revealed the C-terminus of Nsa1. Through this hybrid approach the quaternary structure of the entire protein was reconstructed. The methods presented here should be generally applicable for the hybrid structural determination of other proteins composed of a mix of structured and unstructured domains.

Combining X-Ray Crystallography with Small Angle X-Ray Scattering to Model Unstructured Regions of Nsa1 from S. Cerevisiae

This method describes the cloning, expression, and purification of recombinant Nsa1 for structural determination by X-ray crystallography and small-angle X-ray scattering (SAXS), and is applicable for the hybrid structural analysis of other proteins containing both ordered and disordered domains.

La combinación de Cristalografía de rayos x con dispersión de rayos-x de ángulo pequeño para modelar regiones no estructuradas de Nsa1 de S. Cerevisiae

Determination of the full-length structure of ribosome assembly factor Nsa1 from Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) is challenging because of the ...

Bioquímica

Functionalization of Single-walled Carbon Nanotubes with Thermo-reversible Block Copolymers and Characterization by Small-angle Neutron Scattering

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous solution. In a carbon nanotube/PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407) aqueous solution, the amphiphilic poloxamer 407 adsorbs onto the carbon nanotube surfaces and self-assembles into continuous layers, driven by intermolecular interactions between constituent molecules. The addition of 5-methylsalicylic acid changes the self-assembled structure from spherical-micellar to a cylindrical morphology. The fabricated poloxamer 407/carbon nanotube hybrid particles exhibit thermo-responsive structural features so that the density and thickness of poloxamer 407 layers are also reversibly controllable by varying temperature. The detailed structural properties of the poloxamer 407/carbon nanotube particles in suspension can be characterized by small-angle neutron scattering experiments and model fit analyses. The distinct curve shapes of the scattering intensities depending on temperature control or addition of aromatic additives are well described by a modified core-shell cylinder model consisting of a carbon nanotube core cylinder, a hydrophobic shell, and a hydrated polymer layer. This method can provide a simple but efficient way for the fabrication and in-situ characterization of carbon nanotube-based nano particles with a structure-tunable encapsulation.

A method for the functionalization of carbon nanotubes with structure-tunable polymeric encapsulation layers and structural characterization using small-angle neutron scattering is presented.

Funcionalización de pared simple nanotubos de carbono con Thermo-reversibles copolímeros de bloque y Caracterización de ángulo pequeño dispersión de neutrones

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous ...

Química

Contrast-Matching Detergent in Small-Angle Neutron Scattering Experiments for Membrane Protein Structural Analysis and Ab Initio Modeling

The biological small-angle neutron scattering instrument at the High-Flux Isotope Reactor of Oak Ridge National Laboratory is dedicated to the investigation of biological materials, biofuel processing, and bio-inspired materials covering nanometer to micrometer length scales. The methods presented here for investigating physical properties (i.e., size and shape) of membrane proteins (here, MmIAP, an intramembrane aspartyl protease from Methanoculleus marisnigri) in solutions of micelle-forming detergents are well-suited for this small-angle neutron scattering instrument, among others. Other biophysical characterization techniques are hindered by their inability to address the detergent contributions in a protein-detergent complex structure. Additionally, access to the Bio-Deuteration Lab provides unique capabilities for preparing large-scale cultivations and expressing deuterium-labeled proteins for enhanced scattering signal from the protein. While this technique does not provide structural details at high-resolution, the structural knowledge gap for membrane proteins contains many addressable areas of research without requiring near-atomic resolution. For example, these areas include determination of oligomeric states, complex formation, conformational changes during perturbation, and folding/unfolding events. These investigations can be readily accomplished through applications of this method.

Contrast-Matching Detergent in Small-Angle Neutron Scattering Experiments for Membrane Protein Structural Analysis and Ab Initio Modeling

This protocol demonstrates how to obtain a low-resolution ab initio model and structural details of a detergent-solubilized membrane protein in solution using small-angle neutron scattering with contrast-matching of the detergent.

Coincidencia de contraste detergente en Small-Angle Neutron Scattering experimentos para el análisis estructural de la proteína de membrana y modelado Ab Initio

The biological small-angle neutron scattering instrument at the High-Flux Isotope Reactor of Oak Ridge National Laboratory is dedicated to the ...

Disentangling High Strength Copolymer Aramid Fibers to Enable the Determination of Their Mechanical Properties

Traditionally, soft body armor has been made from poly(p-phenylene terephthalamide) (PPTA) and ultra-high molecular weight polyethylene. However, to diversify the fiber choices in the United States body armor market, copolymer fibers based on the combination of 5-amino-2-(p-aminophenyl) benzimidazole (PBIA) and the more conventional PPTA were introduced. Little is known regarding the long-term stability of these fibers, but as condensation polymers, they are expected to have potential sensitivity to moisture and humidity. Therefore, characterizing the strength of the materials and understanding their vulnerability to environmental conditions is important for evaluating their use lifetime in safety applications. Ballistic resistance and other critical structural properties of these fibers are predicated on their strength. To accurately determine the strength of the individual fibers, it is necessary to disentangle them from the yarn without introducing any damage. Three aramid-based copolymer fibers were selected for the study. The fibers were washed with acetone followed by methanol to remove an organic coating that held the individual fibers in each yarn bundle together. This coating makes it difficult to separate single fibers from the yarn bundle for mechanical testing without damaging the fibers and affecting their strength. After washing, fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy was performed on both washed and unwashed samples and the results were compared. This experiment has shown that there are no significant variations in the spectra of poly(p-phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co-p-phenylene terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) and PBIA-co-PPTA3 after washing, and only a small variation in intensity for PBIA. This indicates that the acetone and methanol rinses are not adversely affecting the fibers and causing chemical degradation. Additionally, single fiber tensile testing was performed on the washed fibers to characterize their initial tensile strength and strain to failure, and compare those to other reported values. Iterative procedural development was necessary to find a successful method for performing tensile testing on these fibers.

The primary goal of the study is to develop a protocol to prepare consistent specimens for accurate mechanical testing of high strength copolymer aramid fibers, by removing a coating and disentangling the individual fiber strands without introducing significant chemical or physical degradation.

Desenredar las fibras de aramida de copolímero de alta resistencia para permitir la determinación de sus propiedades mecánicas

Traditionally, soft body armor has been made from poly(p-phenylene terephthalamide) (PPTA) and ultra-high molecular weight polyethylene. However, to ...

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl sulfoxide (DMSO) and xanthan gum in water &#8212; two concentrated polymer solutions used as viscosifiers in foods, enhanced oil recovery, and soil remediation. Understanding the nonlinear rheological behavior of soft materials is important in the design and controlled manufacturing of many consumer products. It is shown how the response to LAOS of these polymer solutions can be interpreted in terms of a clear transition from linear viscoelasticity to viscoplastic deformation and back again during a period. The LAOS results are analyzed via the fully quantitative Sequence of Physical Processes (SPP) technique, using free MATLAB-based software. A detailed protocol of performing a LAOS measurement with a commercial rheometer, analyzing nonlinear stress responses with the freeware, and interpreting physical processes under LAOS is presented. It is further shown that, within the SPP framework, a LAOS response contains information regarding the linear viscoelasticity, the transient flow curves, and the critical strain responsible for the onset of nonlinearity.

We present a detailed protocol outlining how to perform nonlinear oscillatory shear rheology on soft materials, and how to run the SPP-LAOS analysis to understand the responses as a sequence of physical processes.

Estudio de respuesta de cizalla oscilatoria de amplitud grande de materiales blandos

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl ...

Study of Protein Dynamics via Neutron Spin Echo Spectroscopy

Most human body proteins' activity and functionality are related to configurational changes of entire subdomains within the protein crystal structure. The crystal structures build the basis for any calculation that describes the structure or dynamics of a protein, most of the time with strong geometrical restrictions. However, these restrictions from the crystal structure are not present in the solution. The structure of the proteins in the solution may differ from the crystal due to rearrangements of loops or subdomains on the pico to nanosecond time scale (i.e., the internal protein dynamics time regime). The present work describes how slow motions on timescales of several tens of nanoseconds can be accessed using neutron scattering. In particular, the dynamical characterization of two major human proteins, an intrinsically disordered protein that lacks a well-defined secondary structure and a classical antibody protein, is addressed by neutron spin echo spectroscopy (NSE) combined with a wide range of laboratory characterization methods. Further insights into protein domain dynamics were achieved using mathematical modeling to describe the experimental neutron data and determine the crossover between combined diffusive and internal protein motions. The extraction of the internal dynamic contribution to the intermediate scattering function obtained from NSE, including the timescale of the various movements, allows further vision into the mechanical properties of single proteins and the softness of proteins in their nearly natural environment in the crowded protein solution.

Study of Protein Dynamics via Neutron Spin Echo Spectroscopy

The present protocol describes methods for investigating the structure and dynamics of two model proteins that have an important role in human health. The technique combines bench-top biophysical characterization with neutron spin echo spectroscopy to access the dynamics at time and length scales relevant for protein interdomain motions.

Estudio de la dinámica de proteínas a través de la espectroscopia de eco de espín de neutrones

Most human body proteins' activity and functionality are related to configurational changes of entire subdomains within the protein crystal structure. The ...

Measuring the Time-Evolution of Nanoscale Materials with Stopped-Flow and Small-Angle Neutron Scattering

This paper presents the use of a stopped-flow small-angle neutron-scattering (SANS) sample environment to quickly mix liquid samples and study nanoscale kinetic processes on time scales of seconds to minutes. The stopped-flow sample environment uses commercially available syringe pumps to mix the desired volumes of liquid samples that are then injected through a dynamic mixer into a quartz glass cell in approximately 1 s. Time-resolved SANS data acquisition is synced with the sample mixing to follow the evolution of the nanostructure in solution after mixing. 
To make the most efficient use of neutron beam time, we use a series of flow selector valves to automatically load, rinse, and dry the cell between measurements, allowing for repeated data collection throughout multiple sample injections. Sample injections are repeated until sufficient neutron scattering statistics are collected. The mixing setup can be programmed to systematically vary conditions to measure the kinetics at different mixing ratios, sample concentrations, additive concentrations, and temperatures. The minimum sample volume required per injection is approximately 150 &#181;L depending on the path length of the quartz cell. 
Representative results using this stopped-flow sample environment are presented for rapid lipid exchange kinetics in the presence of an additive, cyclodextrin. The vesicles exchange outer-leaflet (exterior) lipids on the order of seconds and fully exchange both interior and exterior lipids within hours. Measuring lipid exchange kinetics requires in situ mixing to capture the faster (seconds) and slower (minutes) processes and extract the kinetic rate constants. The same sample environment can also be used to probe molecular exchange in other types of liquid samples such as lipid nanoparticles, proteins, surfactants, polymers, emulsions, or inorganic nanoparticles. Measuring the nanoscale structural transformations and kinetics of exchanging or reacting systems will provide new insights into processes that evolve at the nanoscale.

This protocol presents the use of a stopped-flow sample environment to quickly mix multiple liquid solutions in situ during a small-angle neutron scattering measurement and to study kinetic processes on nanometer length scales and second time scales.

Medición de la evolución temporal de materiales a nanoescala con flujo detenido y dispersión de neutrones de ángulo pequeño

This paper presents the use of a stopped-flow small-angle neutron-scattering (SANS) sample environment to quickly mix liquid samples and study nanoscale ...

High-Resolution Neutron Spectroscopy to Study Picosecond-Nanosecond Dynamics of Proteins and Hydration Water

Neutron scattering offers the possibility to probe the dynamics within samples for a wide range of energies in a nondestructive manner and without labeling other than deuterium. In particular, neutron backscattering spectroscopy records the scattering signals at multiple scattering angles simultaneously and is well suited to study the dynamics of biological systems on the ps-ns timescale. By employing D2O-and possibly deuterated buffer components-the method allows monitoring of both center-of-mass diffusion and backbone and side-chain motions (internal dynamics) of proteins in liquid state.
Additionally, hydration water dynamics can be studied by employing powders of perdeuterated proteins hydrated with H2O. This paper presents the workflow employed on the instrument IN16B at the Institut Laue-Langevin (ILL) to investigate protein and hydration water dynamics. The preparation of solution samples and hydrated protein powder samples using vapor exchange is explained. The data analysis procedure for both protein and hydration water dynamics is described for different types of datasets (quasielastic spectra or fixed-window scans) that can be obtained on a neutron backscattering spectrometer.
The method is illustrated with two studies involving amyloid proteins. The aggregation of lysozyme into &#181;m sized spherical aggregates-denoted particulates-is shown to occur in a one-step process on the space and time range probed on IN16B, while the internal dynamics remains unchanged. Further, the dynamics of hydration water of tau was studied on hydrated powders of perdeuterated protein. It is shown that translational motions of water are activated upon the formation of amyloid fibers. Finally, critical steps in the protocol are discussed as to how neutron scattering is positioned regarding the study of dynamics with respect to other experimental biophysical methods.

Neutron backscattering spectroscopy offers a nondestructive and label-free access to the ps-ns dynamics of proteins and their hydration water. The workflow is presented with two studies on amyloid proteins: on the time-resolved dynamics of lysozyme during aggregation and on the hydration water dynamics of tau upon fiber formation.

El estudio de la materia y Soft-Sistemas Biológicos en un amplio Longitud escala del nanómetro y el micrómetro Tamaños en el pequeño ángulo de neutrones difractómetro KWS-2

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