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.

<ol>
	<li>Gl&#228;ser, W., Petry, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+new+neutron+source+FRM+II.">The new neutron source FRM II.</a> Physica. B. 276-278, 30-32 (2000).</li><li>Radulescu, A., Pipich, V., Ioffe, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quality+assessment+of+neutron+delivery+system+for+small-angle+neutron+scattering+diffractometers+of+the+J&#252;lich+Centre+for+Neutron+Science+at+FRM+II.">Quality assessment of neutron delivery system for small-angle neutron scattering diffractometers of the J&#252;lich Centre for Neutron Science at FRM II.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. 689, 1-6 (2012).</li><li>Radulescu, A., Ioffe, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neutron+guide+system+for+small-angle+neutron+scattering+instruments+of+the+J&#252;lich+Centre+for+Neutron+Science+at+FRM-II.">Neutron guide system for small-angle neutron scattering instruments of the J&#252;lich Centre for Neutron Science at FRM-II.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. 586, 55-58 (2008).</li><li>Radulescu, A., Pipich, V., Frielinghaus, H., Appavou, M. S. K. W. S. -. 2. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=the+high+intensity/wide+Q-range+small+angle+neutron+diffractometer+for+soft-matter+and+biology+at+FRM+II.">the high intensity/wide Q-range small angle neutron diffractometer for soft-matter and biology at FRM II.</a> J. Phys.: Conf. Ser. 351, 012026 (2012).</li><li>Radulescu, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tuning+the+instrument+resolution+using+chopper+and+time+of+flight+at+the+small-angle+neutron+scattering+diffractometer+KWS-2.">Tuning the instrument resolution using chopper and time of flight at the small-angle neutron scattering diffractometer KWS-2.</a> J.Appl.Cryst. 48, 1849-1859 (2015).</li><li>Frielinghaus, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aspherical+refractive+lenses+for+small-angle+neutron+scattering.">Aspherical refractive lenses for small-angle neutron scattering.</a> J. Appl. Cryst. 42, 681-690 (2009).</li><li>Radulescu, A., Fetters, L. J., Richter, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+characterization+of+semicrystalline+polymer+morphologies+by+imaging-SANS.">Structural characterization of semicrystalline polymer morphologies by imaging-SANS.</a> J.Phys.: Conf.Ser. 340, 012089 (2012).</li><li>Zemb, T., Lindner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Neutron, X-rays and Light Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. , (2002).</li><li>Pedersen, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+small-angle+scattering+data+from+colloids+and+polymer+solutions:+modeling+and+least+square+fittings.">Analysis of small-angle scattering data from colloids and polymer solutions: modeling and least square fittings.</a> Adv. Colloid Interface Sci. 70, 171-210 (1997).</li><li>Barker, J. G., Pedersen, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Instrumental+Smearing+Effects+in+Radially+Symmetric+Small-Angle+Neutron+Scattering+by+Numerical+and+Analytical+Methods.">Instrumental Smearing Effects in Radially Symmetric Small-Angle Neutron Scattering by Numerical and Analytical Methods.</a> J. Appl. Cryst. 28, 105-114 (1995).</li><li>Hammouda, B., Mildner, D. F. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Small-angle+neutron+scattering+resolution+with+refractive+optics.">Small-angle neutron scattering resolution with refractive optics.</a> J. Appl. Cryst. 40, 250-259 (2007).</li><li>Vad, T., Sager, W. F. C., Zhang, J., Buitenhuis, J., Radulescu, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+determination+of+resolution+function+parameters+from+small-angle+neutron+scattering+data+of+a+colloidal+SiO2+dispersion.">Experimental determination of resolution function parameters from small-angle neutron scattering data of a colloidal SiO2 dispersion.</a> J. Appl. Cryst. 43, 686-692 (2010).</li><li>Amann, M., Willner, L., Stellbrink, J., Radulescu, A., Richter, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studying+the+concentration+dependence+of+the+aggregation+number+of+a+micellar+model+system+by+SANS.">Studying the concentration dependence of the aggregation number of a micellar model system by SANS.</a> Soft Matter. 11, 4208-4217 (2015).</li><li>Str&#246;bl, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Diploma Thesis. , (2008).</li><li>Dahdal, Y. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Small-Angle+Neutron+Scattering+Studies+of+Mineralization+on+BSA+Coated+Citrate+Capped+Gold+Nanoparticles+Used+as+a+Model+Surface+for+Membrane+Scaling+in+RO+Wastewater+Desalination.">Small-Angle Neutron Scattering Studies of Mineralization on BSA Coated Citrate Capped Gold Nanoparticles Used as a Model Surface for Membrane Scaling in RO Wastewater Desalination.</a> Langmuir. 30, 15072-15082 (2014).</li><li>Zhang-Haagen, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monomeric+Amyloid+Beta+Peptide+in+Hexafluoroisopropanol+Detected+by+Small+Angle+Neutron+Scattering.">Monomeric Amyloid Beta Peptide in Hexafluoroisopropanol Detected by Small Angle Neutron Scattering.</a> PLOS One. 11, e0150267 (2016).</li><li>Kaneko, F., Radulescu, A., Ute, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-resolved+small-angle+neutron+scattering+on+guest-exchange+processes+in+co-crystals+of+syndiotactic+polystyrene.">Time-resolved small-angle neutron scattering on guest-exchange processes in co-crystals of syndiotactic polystyrene.</a> J. Appl. Cryst. 47, 6-13 (2014).</li><li>Kohlbrecher, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high+pressure+cell+for+small+angle+neutron+scattering+up+to+5000+MPa+in+combination+with+light+scattering+to+investigate+liquid+samples.">A high pressure cell for small angle neutron scattering up to 5000 MPa in combination with light scattering to investigate liquid samples.</a> Rev. Sci. Instr. 78, 125101 (2007).</li><li>Vavrin, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+and+phase+diagram+of+an+adhesive+colloidal+dispersion+under+high+pressure:+A+small+angle+neutron+scattering,+diffuse+wave+spectroscopy,+and+light+scattering.">Structure and phase diagram of an adhesive colloidal dispersion under high pressure: A small angle neutron scattering, diffuse wave spectroscopy, and light scattering.</a> J. Chem. Phys. 130, 154903 (2009).</li><li>Kaneko, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+Simultaneous+SANS/FTIR+Measuring+System.">Development of a Simultaneous SANS/FTIR Measuring System.</a> Chem. Lett. 44, 497-499 (2015).</li><li>Goerigk, G., Varga, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comprehensive+upgrade+of+the+high-resolution+small+angle+neutron+scattering+instrument+KWS-3+at+FRM+II.">Comprehensive upgrade of the high-resolution small angle neutron scattering instrument KWS-3 at FRM II.</a> J. Appl. Cryst. 44, 337-342 (2011).</li><li>Desert, S., Thevenot, V., Oberdisse, J., Brulet, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+new+very-small-angle+neutron+scattering+spectrometer+at+Laboratoire+L&#233;on+Brillouin.">The new very-small-angle neutron scattering spectrometer at Laboratoire L&#233;on Brillouin.</a> J. Appl. Cryst. 40, s471-s473 (2007).</li><li>Dewhurst, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=D33+-+a+third+small-angle+neutron+scattering+instrument+at+the+Institute+Laue+Langevin.">D33 - a third small-angle neutron scattering instrument at the Institute Laue Langevin.</a> Meas. Sci. Technol. 19, 034007 (2008).</li><li>Zhao, J. K., Gao, K. Y., Liu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+extended+Q-range+small-angle+neutron+scattering+diffractometer+at+the+SNS.">The extended Q-range small-angle neutron scattering diffractometer at the SNS.</a> J. Appl. Cryst. 43, 1068-1077 (2010).</li><li>Takata, S., Suzuki, J., Shinohara, T., Oku, T., Tominaga, T., Ohishi, K., Iwase, H., Nakatani, T., Inamura, Y., Ito, T., Suzuya, K., Aizawa, K., Arai, M., Otomo, T., Sugiyama, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Design+and+q+Resolution+of+the+Small+and+Wide+Angle+Neutron+Scattering+Instrument+(TAIKAN)+in+J-PARC.">The Design and q Resolution of the Small and Wide Angle Neutron Scattering Instrument (TAIKAN) in J-PARC.</a> JPS Conf. Proc. 8, 036020 (2015).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

חומרים רכים וביולוגיים להראות מגוון עשיר של מורפולוגיות המאופיינות תכונות כגון ארגון עצמי ואת הרכבה עצמית של יחידות אלמנטרית, אגרגטים מורכבים גדולים יותר. הם גם מראים גומלין של שיתוף פעולה עם מספר רב של דרגות חופש; אינטראקציה חלשה בין היחידות המבניות, ובכך הרגישות גבוהה לשדות חיצוניים; ומתאמי spatiotemporal יכול להקיף מגוון רחב, החל ננומטר עד מילימטרים ומן ננו שניות עד ימים. בגלל המגוון הרחב של length- ואת לוחות זמנים רלוונטיים, אפיון ניסיוני של תכונות חומרים אלה הם מאוד מאתגרים. טכניקות עם נויטרונים פיזור לשחק תפקיד חשוב החקירה של מבנה, דינמיקה, ואת תכונות תרמודינמיות של מערכות מורכבות כאלה. כמו בדיקות ייחודיות, ניטרונים מציעים את היתרון של אינטראקציות שונות בין 1 H ו- 2 H (דאוטריום, D) איזוטופים של מימן. הגדול שונהence בצפיפות אורך פיזור קוהרנטית בין מימן דאוטריום מייצג את הבסיס של התאמת וריאציה בניגוד והניגודיות שיטות. כמו רוב החומר הרך מערכות ביולוגיות מורכב של פחמימנים, מימן / דאוטריום (H / D) החלפה מציעה את האפשרות לגוון את צפיפות אורך פיזור קוהרנטית של תרכובת על פני טווח רחב. בעזרת טכניקה זו, מרכיבים שנבחרו במערכת מורכבת יכול להיות מתויג על ידי חילופי איזוטופ. בהתאם ההבדל-הניגוד בריבוע שלה בין צפיפות אורך פיזור שלה לבין זה של רכיבים או אזורים רכיבים נבחרים אחרים בתוך כמה רך מורכבים או מורפולוגיה biophysical יכול להתבצע, גלויה או סמויה בניסוי פיזור מבלי לשנות את מערכת כימית. יתר על כן, ניטרונים חודרים מאוד וניתן להשתמש בו כמו בדיקות בלתי הרסניות ו ללימוד דגימות בסביבות מיוחדות, כאשר התרומה מהחומרים הנוספים להציב הקורה יכולה להיות רליבכשרון רב עבור נמדד ותיקן. ניסויי פיזור אלסטי לספק מידע על המבנה והמורפולוגיה של מדגם. העוצמת המפוזרת נמדדת במרחב גומלין כפונקציה של Q העברת מומנטום, כאשר q = 4π / חטא λ Θ / 2, עם λ - אורך גל הנויטרונים ו Θ - זווית הפיזור; זה מתורגם אז אל חלל אמת באמצעות טרנספורמציה פורה הפוכה. לכן, ערכי Q גדולים להתייחס סולמות אורך קצרים, עם המתאמים בין-אטומיים נחקרו על ידי עקיפת ניטרונים קלסית (ND). בערכי Q קטנים, סולמות אורך גדולים יכולים להיחקר על ידי פיזור נייטרונים קטן-זווית (SANS). בדרך כלל, אחת או להרכבה סינטתית או מקרומולקולות טבעי בתמיסה, להמס, סרט, או דגימות בתפזורת מאופיינות על בקנה מידת אורך רחב, החל בגדלי ננומטר מיקרומטר, באמצעות היישום של SANS הקלסית סיכת הגומות ואת ultra-SANS (מבוסס על התמקדות או יחיד גביש diffractometry) טכניקות. עם זאת, השילוב של שיטות שונות או מתקנים השיג אפיון מבני שלם לפעמים קשה בגלל בעיות כגון זמין סכום של מדגם, יציבות של דגימות על לוחות זמנים ארוכים, שחזור של תופעות בתנאים התרמודינמית מיוחדים, ואת הניתוח המשותף של נתוני ניסוי שהושג גיאומטריות ניסויים שונות. יתר על כן, המחקרים העוסקים מבנים ושינויים מבניים מהר מאופיינים ברזולוציה מרחב או זמן גבוהים מאוד מאתגרים, הדורש setups הניסיון מאוד מיוחד. לכן, הפיתוח של מכשירי SANS תכליתיים מאוד, שבו גבולות יכולים להידחף אל מעבר בתצורה הטיפוסית בצורה נוחה מבחינה מעשית, הוא מועיל מפגש כל הדרישות המיוחדות של קהילת המשתמשים. Diffractometer SANS KWS-2 (איור 1), המופעל על ידי J2; Lich המרכז של ניוטרון Science (JCNS) במרכז היינץ המאייר-לייבניץ (MLZ) ב Garching, במקור היו מכשיר SANS החריר קלסי מרוויח שטף ניטרונים גבוהים (איור 1 משלים) נמסר על ידי מקור ניטרוני FRM השני 1 ו מערכת המדריך הייעודית 2-4. לאחר שדרוגים חזרו, המכשיר היה מותאם עבור הבדיקה של מגוון רחב Q, בין 1x10 -4 ו -0.5 Å -1, מתן עוצמות ניטרונים גבוהים ברזולוציית מתכווננת. עם הזמינות של סביבות מדגם מסוימות והתקנים נלווים (טבלה 1), המכשיר יכול להיות מצויד ללמוד משנה רכה ומערכות biophysical מעל סולם אורך רחב, החל ננומטר עד מיקרומטר, באמצעות מדידות סטטי; גם הוא יכול לבצע חקירות זמן לפתור מבנים מורפולוגיות בשיווי משקל או המשנה את פניה בשל תהליכי קינטית, פורש על ציר הזמן רחב בין דקות ועשרות<html> אלפיות השנייה. במצב עבודה קונבנציונאלי (איור 2 א), מגוון Q בין 7x10 -4 Å -1 ו -0.5 Å -1 יכול להיות מכוסה באמצעות וריאציה של המרחק מדגם אל גלאי ו / או אורך הגל. לכן, רמות מבניות ואפקטי המתאם בסולם אורך בין 10 א &#39;עד 9,000 יכולים להיבדק בחלל אמיתי (בהתאם הממד נחשב 2π / Q). הבחירה של אורך הגל, בין 4.5 ו -20 א &#39;, באמצעות monochromator מכאני (בורר מהירות) המספקת התפשטות גל Δλ / λ = 20%, שינוי תנאי collimation (פתחי C וצמצם L אורך collimation, A C - צמצם הכניסה, בעקבות קטע מדריך הנויטרונים האחרון קורה, ו- A S - הצמצם המדגם, ממש מול המדגם) ושל D L מרחק זיהוי מתבצע באופן אוטומטי, באמצעות שליטה במחשב. s = &quot;jove_content&quot;&gt; שדרוגים ניכרו על העוצמת על המדגם, ברזולוציה המכשירה, מ &#39;ש העברת מומנטום המינימום, ואת האיתור המהיר בשיעורי ספירה גבוהים בטווח MHz בוצעו לאחרונה, במטרה להגביר את הביצועים המכשירים. במהלך תהליך זה, המכשיר היה מצויד עם תכונות נוספות. יש מסוק פעמים 5 דיסק עם פתחי חריץ משתנים (משלים איור 2) וזמן של טיסה (TOF) במצב רכישת נתונים. המסוק יכול להיות מופעל על מסוק f תדירות משתנה בין 10 הרץ ו 100 הרץ ו בפתיחות זוויתי של שני חלונות המסוק בין הזוויות של 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° על ידי שינוי המיקום של שני דיסקים עם כבוד זה לזה. השיפור ברזולוציה גל Δλ / λ מושגת על ידי קיצור זמן פתיחת τ מדריך נויטרונים w ידי decrהקלת Δφ ו / או הגדלת מסוק f. הפולסים וכתוצאה מכך רשמו על הגלאים נחצו מספר מתאים של ערוצי זמן תואמים τ w רוחב ו מאופיין Δλ / λ המכוון. ישנם גם אלמנטים התמקדות עשוי מגנזיום פלואוריט MGF 2 עדשות פרבוליות 6 בקוטר של 50 מ&quot;מ (איור 1). 26 MGF 2 עדשות מקובצות שלוש חבילות (4 + 6 + 16 עדשות) כי ניתן להעביר באופן עצמאי הקורה כדי להשיג תנאים התמקדות עם = λ באורכי גל שונים 7-20 Å. על מנת להגדיל את השידור על ידי הקטנת הפיזור על פונונים בחומר העדשה, העדשות נשמרות 70 K באמצעות מערכת קירור מיוחדת. יש גלאי נצנץ רגיש מיקום משניים ברזולוציה גבוהה עם רזולוציה בעמדת 1 מ&quot;מ ו 0.45 מ&quot;מ פיקסל בגודל. הגלאיבדרך כלל ממוקם במגדל על החלק העליון של הטנק ואקום בכל D L מרחק קבוע = 17 מ &#39;ניתן להעביר אנכי או קטן של הקורה (איור 1). הגלאי הראשי חונה מיקום הסיום של הטנקים לעבר 20 מ &#39;, בעוד הגלאי המשני מועבר הקורה כאשר חקירות ברזולוציה גבוהה (Q הנמוך) באמצעות עדשות מבוצעות 4,7. הגלאי המשני ממוקם נקודת מיקוד אחת של מערכת העדשה, בעוד צוהר כניסה קטן ב L C = 20 מ &#39;יהיה, במקרה זה, את המוקד האחר. יש מערכת זיהוי ראשית חדשה שמורכבת מערך של 144 3 צינורות הוא (עם יעילות גלובלית לכל צינור של 85% עבור λ = 5 א) ו- מגדיר שטח השווה איתור פעיל כדי 0.9 מ &#39;2 (איור 1). אלקטרוניקת הודעה מהירה חדשנית רכובה במקרה סגור על הישבן של מסגרת הצינור הוא 3 משפרת אתלקריאה מתוך מאפיינים ומפחית רעש רקע. המערכת החדשה שהחליפה את גלאי הנצנץ הישן (scintillator 6 Li ואת מערך של photomultipliers 8x8, איור 1) מאופיינת מתמיד מת-זמן יעיל של 25 NSEC ושיעור מהספירה הכוללת גבוה ככל 5 מגה-הרץ ב -10% dead- זמן פרופילים שטוחים. תכונות אלה הן בשל העובדה כי המערכת כוללת ערוצים עצמאיים פעלו במקביל, דבר המהווה יתרון על פני מערכות אשר לחוות מת בזמן לאחר אירוע. השיעור לספור הרבה יותר גבוה מקצר את זמני מדידה ולכן מגדיל את מספר ניסויים שניתן לבצע באותו פרק הזמן. עם כל החידושים הללו, המכשיר הפך לכלי צדדי מאוד שיכולים מענה למגוון רחב של מחקרים מבניים על ידי הצעת מצבי עבודה מרובות (לוח 2) כי ניתן לבחור והשתמשו באופן ישיר וידידותי למשתמש. במצב בעצימות גבוהה (תרשים 2B), עד שנתי עשר פעמים הרווחות העוצם לעומת מצב החריר הקונבנציונלי עבור אותה הרזולוציה יכול להיות מושג עם עדשות על ידי הגדלת גודל המדגם. במצב ברזולוציה מתכונן עם רכישת נתוני מסוק TOF, אפיון המשופר של תכונות הפיזור בתוך טווחי Q שונים מופעל על ידי האפשרות לגוון את רזולוצית גל Δ λ / λ בין 2% לבין 20% 5. במצב ש -range המורחב (איור 2 ג), העדשות באמצעות ואת הגלאי ברזולוציה גבוהה משני, מ &#39;ש נמוך כמו 1 x 10 -4 Å -1 יכול להיות מושג, אשר, בשילוב עם מצב החריר, היתרים החקר בגדלים מעל סולם אורך רציף מן ננומטר למגוון מיקרון. השימוש מסוק לצמצום λ Δ / λ מספקת מאפייני קרן מדויק על ידי הימנעות תופעות הכבידה כרומטית ש&quot;שen באמצעות עדשות. במצב בזמן האמת, על ידי ניצול בעצמה הגבוהה מפעילה חיצונית של רכישת נתונים על ידי סביבות מדגמות, ניתן לפתור שינויים מבניים עם רזולוציות זמן עד 50 msec. ידי שיפור הרזולוציה גל עד Δ λ / λ = 5% עם המסוק, החלטות זמן טוב כמו 2 msec יכול להתממש. כאן, אנו מציגים בפירוט פרוטוקול כיצד ניסויים טיפוסיים נערכים על KWS-2 מצבי העבודה השונים שלה וכיצד מידע מבני מן הדגימות הנחקרות ניתן לקבל את הנתונים שנאספו באמצעות הפחתת נתונים. בהפגנה זו, נשתמש SANS לאפיין בכמה מידות של פתרונות חלקיק סטנדרטיים פתרון micellar פולימר אחד פערים מרוכז כדי להראות עד כמה גודל וסדר ניתן ללמוד על טווחים רחבים בצורה גמישה ויעילה עם KWS-2 במהלך אחד הפעלה ניסיונית. חלקיקים כדוריים פוליסטירן עם diffeבגדלים להשכרה (רדיוס של R = 150, 350, 500, 1,000, ו -4,000 א) ו polydispersity גודל של R σ <img alt="משוואה 5" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq5.jpg" /> 8% מפוזרים בתמיסת מים (תערובת של 90% D 2 O ו -10% O H 2) בכל חלק נפח של 1%. Micelles נוצר על ידי קופולימרים C 28 H 57 -PEO5 diblock ב D 2 O בריכוז של 12% העלו שמבנה הורה.

<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

Diffractometer SANS KWS-2 מוקדש לחקירת נושא רך מערכות biophysical המשתרעים על בקנה מידה אורך רחב, החל ננומטר עד מיקרומטר. המכשיר מותאם לחקר טווח Q העברת מומנטום הרחב בין 1x10 -4 ו -0.5 Å -1 ידי שילוב חריר קלסי, התמקדות (עם עדשות), וזמן של טיסה (עם מסוק) שיטות, ובמקביל מתן גבוה -neutron עוצמות עם רזולוציה מתכווננת. בגלל היכולת שלה להתאים את עצם ואת ההחלטה בגבולות רחבים במהלך הניסוי, בשילוב עם האפשרות לצייד סביבות מדגם מסוימות והתקנים נלווים, את KWS-2 מציג צדדי גבוהה בהתמודדות עם המגוון הרחב של מחקרים מבניים מורפולוגיים השדה. ניתן ללמוד מבני שיווי משקל במדידות סטטי, ואילו תהליכים דינאמיים הקינטית יכול להיחקר על סולמות זמן בין דקות לעשרות milliseconds עם גישות זמן נפתרה. מערכות אופייניות כי נחקרות עם כיסוי KWS-2 בטווח של מערכות מורכבות, היררכיות כי תערוכת רמות מבניות מרובות (למשל, ג&#39;לים, רשתות, או-אגרגטים מאקרו) למערכות קטנות גרוע-פיזור (למשל, פולימרים יחידים או חלבונים פִּתָרוֹן). השדרוג האחרון של מערכת זיהוי, המאפשרת זיהוי של שיעורי ספירה בטווח MHz, פותח הזדמנויות חדשות ללמוד אפילו קטנות מאוד מורפולוגיות ביולוגיות בפתרון חיץ עם אותות פיזור חלשים קרובים לרמת חיץ הפיזור ב- Q הגבוה. במאמר זה, אנו מספקים פרוטוקול לחקור דגימות עם רמות גודל מאפיין פורשים בקנה מידת אורך רחב ומציגות הזמנה במבנה mesoscale באמצעות KWS-2. אנו מציגים בפירוט כיצד להשתמש מצבי עבודה מרובות המוצעים על ידי המכשיר ואת רמת הביצועים כי מושגת.

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

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.

לימוד-משנה רך מערכות ביולוגיות על פני אורך בקנה מידה רחבה מן ננומטר ו מיקרומטר גדלים בזווית-הקטנה ניוטרון diffractometer 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 Views.  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.

מדידת חומר מיקרו תחת זרם באמצעות 1-2 מטוס זרימה קטן זווית ניוטרון פיזור

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

Engineering

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.

מחקרים קטנים ורחבים זווית X-Ray פיזור של מקרומולקולות ביולוגיות בפתרון

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

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.

שילוב קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן עם זווית קטנה פיזור קרני רנטגן ליצור מודל לא מובנה מחוזות Nsa1 של Cerevisiae ס

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

Biochemistry

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.

Functionalization של ננו-צינורות פחמן חד-דופנות עם קופולימרים לחסום Thermo-הפיך אפיון על ידי פיזור קטן זווית ניוטרון

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

Chemistry

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.

התאמת ניגודיות דטרגנט בניסויים פיזור ניוטרון זווית קטנה עבור ניתוח מבנה של חלבון ממברנה ומודלים Initio אלב

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.

Disentangling חוזק גבוה קופולימר ארמיד סיבים כדי לאפשר קביעת תכונות מכניות שלהם

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.

לימוד התגובה הטיה מתנדנדות משרעת גדולה של חומרים רכים

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.

חקר דינמיקת חלבונים באמצעות ספקטרוסקופיה של הד ספין נויטרונים

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.

מדידת התפתחות הזמן של חומרים ננומטריים באמצעות זרימה עצורה ופיזור נייטרונים בזווית קטנה

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.

לימוד-משנה רך מערכות ביולוגיות על פני אורך בקנה מידה רחבה מן ננומטר ו מיקרומטר גדלים בזווית-הקטנה ניוטרון diffractometer KWS-2

Summary

Explore More Videos

PLAYLIST