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 soffice e sistemi biofisici sono tipicamente caratterizzati da correlazioni strutturali e livelli microstrutturali e morfologiche interconnessi che si estendono su una scala di lunghezza di larghezza, dal nm a micron. Per comprendere il meccanismo di formazione ed evoluzione della morfologia di tali sistemi e il rapporto tra le loro caratteristiche microscopiche e proprietà macroscopiche, è importante esplorare la microstruttura sull&#39;intera scala di lunghezza e in condizioni ambientali pertinenti (ad esempio, temperatura, pressione, pH , umidità, etc.). Tipicamente, piccolo angolo tecniche con neutroni (SANS) o raggi X di sincrotrone (SAXS) dispersione sono coinvolti in tali studi. Lo svantaggio intensità di neutroni contro raggi X di sincrotrone viene compensato mediante l&#39;uso di relativamente grande Δλ / λ, che però porta al peggioramento della risoluzione strumentale. Tuttavia, SANS offre vantaggi unici grazie alle possibilità offerte dal contrvariazione ast, in particolare tra gli isotopi di idrogeno. Pertanto, SANS è un metodo sperimentale specifico utilizzato nello studio dei sistemi di materia e biofisiche morbide, che trasporta informazioni strutturali e morfologiche unico. La maggior parte dei diffrattometri SANS in tutto il mondo 21 di lavoro sul principio foro stenopeico (Figura 2A), che consente la risoluzione Q bassa mirato. Praticamente, tutti SANS diffrattometri a flusso elevato hanno un massimo di flusso simile dell&#39;ordine di 1 x 10 8 n cm -2 s -1. In base alla risoluzione della lunghezza d&#39;onda rilassato, il KWS-2 ha una quasi raddoppiato flusso di 2, 4. Recentemente, SANS diffrattometri molto specializzati è diventato operativo a servire con caratteristiche ottimizzate per una specifica gamma di applicazioni, come ad esempio per le indagini a molto piccola dispersione vettori 22, 23. Con la recentissima commissione dei diffrattometri specializzati TOF-SANS in reattori steady-state 24 o spallation fonti 25, 26, un massicciamente-maggiore gamma dinamica Q in un dato apparato sperimentale e una maggiore flessibilità e ottimizzazione per quanto riguarda la scelta della risoluzione sperimentale sono offerti. Per la SANS diffrattometro KWS-2, un elevato livello di versatilità e le prestazioni richieste molto specifiche studi strutturali nel campo della materia soffice e biofisica è abilitato su uno strumento altrimenti classica SANS. L&#39;ottimizzazione, flessibilità, e spontaneità nella progettazione e realizzazione di studi complessi, come supportato dal protocollo descritto, è ottenuta attraverso la combinazione dei parametri ottimizzati sperimentali (ad esempio, intensità, lunghezza di scala, risoluzione spaziale e risoluzione temporale) e il campione complesso ambienti. Utilizzando le molteplici modalità di funzionamento elencati nella Introduzione e supportati dai risultati presentati nelle Figure 8-15, la KWS-2 migliora in modo semplice e pratico le prestazioni di un diffrattometro SANS classicaad una fonte di neutroni costante (reattore) oltre i limiti convenzionali di tali strumenti. Questo protocollo presenta i passi che un utente normale deve svolgere per definire e condurre un semplice programma sperimentale che coinvolge solo l&#39;indagine di campioni a condizioni ambientali termodinamiche (temperatura, pressione, umidità relativa) e in condizioni statiche (non cinetica di formazione struttura o trasformazione, nessun taglio o il flusso). Diversi supporti a temperatura controllata o in ambienti speciali campione (Tabella 1 e complementari Figura 19), come le celle di pressione, reometri, o cellule di umidità, sono disponibili e possono essere installati e regolati con assistenza speciale da parte del team dello strumento in modo ottimale. Questo protocollo non fornisce istruzioni sulle impostazioni e controlli di tali apparecchiature. La definizione e l&#39;attivazione di controllori esterni richiedono l&#39;uso di un altro, protocollo più complesso. Questo protocollo presenta lacaso di funzionamento con celle campione quarzo di forma rettangolare stretta (Figura 3). Tuttavia, una vasta gamma di geometrie cellulari e tipi (Figura 19) complementare è offerto agli utenti, al fine di fornire una maggiore flessibilità ed efficienza nella conduzione degli esperimenti. Nel caso di utilizzo di tali cellule, la presente protocollo può essere seguita con la regolazione dei parametri descritti al punto 4.2.2. Il software di controllo di misura è stato sviluppato per offrire agli utenti una maggiore flessibilità nel perseguire i loro obiettivi scientifici e l&#39;ottimizzazione del funzionamento tecnico dello strumento. Tutte le regolazioni e le configurazioni di funzioni e componenti dello strumento speciali sono fatte dal team di strumento. Il coinvolgimento degli utenti scientifici nella configurazione, la definizione e l&#39;utilizzo dello strumento è semplificata e specificamente limitata solo a quegli aspetti che sono in connessione con le questioni scientifiche della sessione sperimentale. cofile nfiguration sono predefiniti in modo da coprire tutti gli aspetti sperimentali particolari, come il posizionamento dei supporti speciali nel fascio, il posizionamento del campione nel fascio (coordinate x, y, Φ, e ω sul palco del campione, tavolo di rotazione, o culla nel supplementare figura 5), la regolazione del rivelatore e fascio-stop posizioni per diverse lunghezze d&#39;onda, la regolazione dei parametri di chopper (frequenza e la finestra di apertura) per le diverse lunghezze d&#39;onda, le distanze di rilevamento e la risoluzione mirata, ecc Inoltre, l&#39;attuale protocollo non descrive come la modalità in tempo reale può essere utilizzato sul KWS-2. L&#39;utilizzo di un protocollo più complessa è necessaria anche per condurre SANS esperimenti risolte nel tempo. Inoltre, questo protocollo presenta come i dati misurati possono essere corretti per diversi contributi di scattering dallo strumento e riferimenti e calibrati per ottenere Differenti del campioneAl di scattering sezione trasversale, dΣ / dΩ, espressa in cm -1. Questa quantità contiene l&#39;intera informazioni strutturali e morfologiche sul campione e viene misurata su una gamma Q larga corrispondente ad una scala di lunghezza larga, sul quale compaiono correlazioni strutturali e taglia livelli interconnessi caratteristici del sistema investigato. La sezione trasversale di scattering dΣ / dΩ riguarda quindi l&#39;intensità misurata in un esperimento di diffusione statica ad angolo Θ, I s = f (Θ) per le proprietà strutturali del campione. Per la valutazione delle dΣ / dΩ per un sistema di interesse, oltre la misura del sistema, misurazioni aggiuntive sono necessari al fine di correggere i dati per qualsiasi dispersione esterno (cioè, ambiente, cella campione, solvente o buffer in caso di sistemi soluto, ecc) e per calibrare i dati corretti in unità assolute <sup<html> &gt; 8. Lo sfondo esterna (cella campione o contenitore), il campione di riferimento (soluzione di solventi o tampone), la trasmissione del campione (necessario per lo sfondo corretto sottrazione e calibrazione dei risultati corretti in unità assolute), sfondo elettronico del rivelatore, il rivelatore sensibilità (disomogeneità dell&#39;efficienza rivelatore che è inerente per rivelatori zona), e il campione normalizzato, deve essere misurato. Per la KWS-2, plexiglas (PMMA) è usato come campione standard. Questo è il cosiddetto standard secondario e viene periodicamente calibrato contro un campione standard primario, che è vanadio. Vanadio offre una intensità sparso molto debole e non richiede tempi di misura molto lunghi per la raccolta delle statistiche appropriate; Pertanto, non è pratico per scopi SANS. L&#39;intensità raccolto dal campione di interesse I S e dal campione standard I St può essere espresso come segue: t &quot;&gt; <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq1.jpg" /> [1] <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq2.jpg" /> [2] dove 0 rappresenta l&#39;intensità entrata (erogata dal sistema di collimazione), t è lo spessore, A è l&#39;area esposta al fascio, T è la trasmissione e Δ ψ è l&#39;angolo solido in cui una cella di rilevamento è visto dal posizione del campione. Se sia campione e dello standard sono misurate nelle stesse condizioni rispetto al fascio in ingresso (ad esempio, L C, A C e A S e λ e Δ λ / λ), I 0 e A sono uguali e l&#39;angolo solido è espressi in D / L D (con a D rappresenta l&#39;area di una cella di rilevamento). Dividendo le due relazioni, la diffusione cross-sectisulla del campione è ottenuta come: <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq3.jpg" /> [3] dove I St viene espressa come media (standard come sistema scattering incoerente batte un modello di dispersione piatta). L&#39;I S si ottiene dopo la correzione dell&#39;intensità misurata del campione nella cella (contenitore) rispetto al contributo della cella vuota I eCell e lo sfondo sul rivelatore per il fascio chiuso, I B. Il fattore t St T St (dΣ / dΩ) St, contenente la dispersione e parametri fisici del campione di riferimento, dipende dalla lunghezza d&#39;onda λ neutroni e tipicamente è noto dalla taratura del campione di riferimento. Così, è tabulato nel software riduzione dei dati 4. I parametri e le quantità in Eq. 3 che sono noti da immissio calibrazionees e la definizione del setup sperimentale (t S, L D) formano il cosiddetto fattore di calibrazione k. Le intensità e la T S trasmissione dei campioni che appaiono in Eq. 3 deve essere misurata. Il programma di analisi dei dati qtiKWS consente la correzione, calibrazione e radiale media dei dati sperimentali e il raggiungimento di dΣ / dΩ per i campioni esaminati in una modalità di lavoro flessibile e versatile. I risultati finali generati con il software qtiKWS sono presentati come tabelle con quattro colonne: A, E, I Δ, Δσ dove I rappresenta dΣ / dΩ e Δσ è la risoluzione Q 5. Da un punto di vista pratico, con la KWS-2, SANS combinati e ricerche USANS possono essere eseguite, con il vantaggio che la geometria del campione e le condizioni termodinamiche rimangono costanti. Grandi morfologie che mostrano multiple livelli struttura abbracciano una vasta lunghezza scala da nanometrica al micrometro dimensioni possono essere studiate in modo diretto, come mostrato in Figura 12. Oltre alla piccola scala limite strutturale R C osservata nella curva dispersione misurata nel modo pinhole convenzionale, attivando le lenti e il rilevatore ad alta risoluzione, il grande limite strutturale L C del cilindrici micelle core-shell formata dal poly - (hexylene-ossido-co-etilene-ossido) PHO10k-PEO10k diblock copolimero (completamente protonato) in D 2 O 14 potrebbero essere osservati a valori molto bassi Q nella modalità di lavoro esteso Q-range. Le micelle cilindriche sono caratterizzate da uno spessore totale di circa 300 Å e una lunghezza di circa 7000 Å, come rivelato dalla misura dei risultati sperimentali con nucleo-mantello cilindrico fattore di forma 9,14. Pertanto, alcuni effetti sensibili come gel termo-sensibile o la formazione e la crescita di cristallidi linea o parzialmente cristallini morfologie possono essere esplorati in modo inequivocabile con la KWS-2, a differenza del classico approccio di coinvolgere due o più strumenti differenti e geometrie del campione. Come illustrato nella figura 11, i sistemi correlati e ha ordinato strutture possono essere studiate con risoluzioni adattati in modo molto flessibile, senza spendere tempo e fatica per l&#39;installazione di sistemi di monochromatization complessi, che comporterebbe aspetti di assistenza e di sicurezza supplementari. Inoltre, coinvolgendo l&#39;elicottero e la modalità di acquisizione dei dati TOF, sistemi di materia soffice monodisperse o complessi con bassa polidispersità dimensioni può essere caratterizzato con grande precisione AT Still-alte intensità 5. Gli ostacoli generati dalla dispersione debole a causa ad uso di sistemi altamente diluiti o condizioni sfavorevoli di contrasto possono essere superati con l&#39;uso di intensità ancora maggiori in base alla dimensione più grande fascio sul campione, mantenendo larisoluzione. Figura 13A riporta i modelli di scattering da particelle di polistirene di un raggio di R = 150 Å, misurata nel modo alta intensità utilizzando le lenti e una dimensione del fascio quadratica compresa tra i 10 mm x 10 mm, la dimensione tipica utilizzata nella modalità pinhole convenzionale , ea 30 mm x 30 mm. Inoltre, viene visualizzato il risultato di una misurazione con un giro subbio 50 mm di diametro (full size lente). In parallelo, il risultato normalizzato ottenuto nel modo pinhole convenzionale è presentato. Uso 26 lenti con neutroni di λ = 7 Å e le stesse dimensioni all&#39;ingresso dell&#39;apertura A C per il modo pinhole convenzionale (Figura 2B), un guadagno in intensità sul campione di circa 12 volte si ottiene mantenendo una dimensione del fascio costante (risoluzione ) sul rivelatore, come mostrato nella Figura 13B-C. Il sistema 27-lente ha una trasmissione di circa 32% a temperatura ambiente. Raffreddato ad una temperatura di 50 K, gli aumenti di trasmissione lente dovutela soppressione della dispersione sul fononi nel materiale della lente. Il sistema di 26 lenti paraboliche ha una trasmissione di circa il 65% per una dimensione del fascio giro di 50 mm, quando il fascio passa attraverso l&#39;intero volume della lente, e di circa il 92% per una dimensione del fascio quadratica di 10 mm x 10 mm , quando solo una quantità di materiale della lente rimane nel fascio. La modalità ad alta intensità con lenti offre prestazioni in caso di dispersione debole che si incontra generalmente ad una grande distanza di rilevamento ed è particolarmente problematico nel caso di condizioni di contrasto deboli. Inoltre, quando il campione è stabile solo su breve periodo di tempo, l&#39;uso di questa modalità rappresenta un chiaro vantaggio, come è dimostrato altrove 15. D&#39;altra parte, nel caso di sistemi biologici, piccoli volumi di campione sono in genere disponibili per gli esperimenti. Piccole molecole biologiche in condizioni fisiologiche con dimensioni di pochi nanometri forniscono segnali di scattering deboli sopra la domiNant dispersione delle soluzioni tampone. Tali segnali possono essere misurati con il KWS-2, beneficiando della alta intensità dello strumento nella configurazione a bassa risoluzione della modalità foro stenopeico, utilizzando breve collimazione lunghezze L C = 2 m e rilevazione brevi distanze mo 4 L D = 1 m, 2 m, o di 4 m. Figura 14 presenta i modelli di scattering di proteina beta amiloide (Ap 1-42, M W = 4,5 kDa) monomeri in deuterato esafluoroisopropanolo dHFIP, come ottenuto dopo la correzione per il segnale dispersione dal buffer è stato applicato. Un modello fit dei dati consegnati una dimensione monomero di circa 16 ± 1 a 16. Un tempo di misurazione lungo di diverse ore per ogni condizione sperimentale (distanza di rilevamento L D e tipo di esempio) è stato coinvolto, anche se le misurazioni sono state effettuate a brevi distanze di rilevamento. Il vecchio rivelatore, che ha dimostrato le limitazioni per quanto riguarda il tasso di conteggio, ostacolato l&#39;uso di brevi distanze di collimazioneL C, quindi l&#39;uso del flusso massimo sullo strumento. Con la commissione del nuovo sistema di rilevazione che consente l&#39;uso del flusso completo di neutroni, tali intensità deboli saranno misurati in tempi più brevi e con le statistiche migliorato in futuro. Infine, effetti stimoli sensibili possono essere studiati in maniera flessibile e facile utilizzando lo speciale apparecchiature ausiliarie del KWS-2. Un esempio è riportato nella figura 15, che mostra i modelli SANS dalla proteina lisozima in D 2 O buffer e dal buffer raccolti a diverse pressioni. Particolare attenzione è stata dedicata alla ricerca di sfondo e dispersione in avanti dalle molecole lisozima, utilizzato nel test delle prestazioni della nuova cella di pressione prodotte in casa, seguendo un disegno fatto da PSI, Svizzera. I risultati sono simili a quelli ottenuti da Kohlbrecher et al. in uno studio simile per testare il modello cellulare pressione originaria costruitalì 17, 18. Con la KWS-2, ulteriori dati sono stati acquisiti da allora è stata raggiunta una pressione di 5000 bar. Evoluzione dell&#39;intensità avanti dispersa dalla proteina segue un comportamento lineare, come osservato nello studio al PSI, Svizzera 18.

Materiali morbidi e biologici mostrano una ricca varietà di morfologie che sono caratterizzati da caratteristiche come auto-organizzazione e auto-assemblaggio di unità elementari ai più grandi, aggregati complessi. Essi mostrano anche interazione cooperativa con un gran numero di gradi di libertà; debole interazione tra le unità strutturali, e quindi elevata sensibilità ai campi esterni; e le correlazioni spazio-temporali che possono estendersi una vasta gamma, da nanometri a millimetri e da nanosecondi a giorni. A causa della vasta gamma di lunghezza ed in tempi rilevanti, la caratterizzazione sperimentale delle proprietà di questi materiali sono molto impegnativo. tecniche di scattering con neutroni giocano un ruolo importante nelle indagini della struttura, dinamiche e proprietà termodinamiche di tali sistemi complessi. Come sonde uniche, neutroni offrono il vantaggio di diverse interazioni tra 1 H e 2 H (deuterio D) isotopi di idrogeno. La grande differisconoza nella coerente densità lunghezza di diffusione tra l&#39;idrogeno e deuterio rappresenta la base dei metodi variazione contrasto e di adattamento di contrasto. Poiché la maggior parte della materia soffice e sistemi biologici costituiti da idrocarburi, idrogeno / deuterio (H / D) sostituzione offre la possibilità di variare la densità coerente lunghezza di diffusione di un composto in un ampio intervallo. Con questa tecnica, i componenti selezionati in un sistema complesso possono essere etichettati mediante scambio isotopico. A seconda della sua contrasto il quadrato della differenza tra la densità lunghezza di diffusione e quella degli altri componenti o regioni componenti-selezionati nel giro morbido complessa o morfologia biofisico può essere reso visibile o invisibile nel esperimento di diffusione senza alterare chimicamente il sistema. Inoltre, i neutroni sono altamente penetranti e possono essere usati come sonde non distruttive e per studiare campioni in ambienti particolari, in cui il contributo dei materiali aggiuntivi posti in fascio può essere reliabilmente misurata e corretta per. esperimenti di scattering elastico forniscono informazioni sulla struttura e la morfologia di un campione. L&#39;intensità diffusa viene misurata in spazio reciproco in funzione del momento trasferito Q, dove Q = 4π / λ sin Θ / 2, con λ - la lunghezza d&#39;onda dei neutroni e Θ - dell&#39;angolo di diffusione; questo viene poi tradotto in spazio reale attraverso una trasformazione di Fourier inversa. Così, i grandi valori di Q si riferiscono a brevi scale di lunghezza, con le correlazioni inter-atomiche di indagine da parte di diffrazione di neutroni classica (ND). A valori Q piccoli, grandi scale di lunghezza possono essere esplorati da scattering di neutroni piccolo angolo (SANS). In genere, singolo o assemblando sintetico o macromolecole naturali in soluzione, si fondono, film, o campioni di massa sono caratterizzati sopra una scala di lunghezza ampio, dal nanometro e micrometro dimensioni, attraverso l&#39;applicazione dei classici SANS pin-hole e l&#39;ultra-SANS (sulla base di diffrattometria singolo cristallo di messa a fuoco o) tecniche. Tuttavia, la combinazione di metodi o diversi mezzi per conseguire una caratterizzazione strutturale completa è talvolta difficile a causa di problemi quali la quantità disponibile di campione, stabilità dei campioni per lunghi tempi, riproducibilità degli effetti in condizioni termodinamiche speciali, e l&#39;analisi congiunta dei dati sperimentali ottenuto in diverse geometrie sperimentali. Inoltre, gli studi che si occupano di strutture e cambiamenti strutturali veloci che sono caratterizzati da alta risoluzione spazio o di tempo sono molto impegnativo, che richiede configurazioni sperimentali molto speciali. Pertanto, lo sviluppo di strumenti di SANS altamente versatili, in cui limiti possono essere spinti oltre la tipica configurazione in modo semplice e praticabile, è utile per soddisfare tutte le esigenze speciali della comunità degli utenti. Il diffrattometro SANS KWS-2 (Figura 1), azionato dal J2; lich Centro di Neutron Science (JCNS) presso la Heinz Maier-Leibnitz Center (MLZ) a Garching, in origine era un classico strumento di SANS pinhole che beneficiano di un flusso elevato di neutroni (Figura supplementare 1) fornita dalla sorgente di neutroni FRM II 1 e il sistema di guida dedicata 2-4. Dopo gli aggiornamenti ripetuti, lo strumento è stato ottimizzato per l&#39;esplorazione di una serie Q ampio, tra 1x10 -4 e 0,5 A -1, fornendo intensità elevate di neutroni e una risoluzione regolabile. Con la disponibilità di ambienti di campioni specifici e dispositivi ausiliari (Tabella 1), lo strumento può essere dotato di studiare la materia morbida e sistemi biofisici su una scala di lunghezza di larghezza, dal nm fino a micron, attraverso misure statiche; si può anche eseguire indagini risolte nel tempo di strutture e morfologie all&#39;equilibrio o in trasformazione a causa di processi cinetici, che coprono un arco di tempo ampio tra minuti e decine dimillisecondi. In modalità di funzionamento convenzionale (Figura 2A), un intervallo Q tra 7x10 -4 Å -1 e 0,5 Å -1 può essere coperto con la variazione della distanza di campionamento a rivelatore e / o la lunghezza d&#39;onda. Pertanto, i livelli strutturali e effetti di correlazione su una scala di lunghezza da 10 A fino a 9.000 A possono essere controllati nello spazio reale (dove la dimensione è considerato come 2π / Q). La selezione della lunghezza d&#39;onda tra 4,5 Å e 20 Å, usando un monocromatore meccanica (selettore velocità) che fornisce una diffusione di lunghezze d&#39;onda Δλ / λ = 20%, la variazione delle condizioni di collimazione (collimazione lunghezza L C e apertura aperture, A C - l&#39;apertura di entrata, dopo l&#39;ultimo segmento neutroni guida in fascio, e a S - l&#39;apertura del campione, di fronte campione) e di rilevazione della distanza L D sono fatto automaticamente, tramite controllo del computer. Q m, e il rilevamento veloce ad alti tassi di conteggio della gamma MHz sono stati effettuati di recente, con l&#39;obiettivo di aumentare le prestazioni dello strumento. Durante questo processo, lo strumento è dotato di caratteristiche aggiuntive. Vi è un elicottero a doppio disco con 5 aperture variabili fessura (Figura integrativa 2) e la modalità di acquisizione dei dati tempo di volo (TOF). Il chopper può essere fatto funzionare ad una frequenza variabile f chopper compresa tra 10 Hz e 100 Hz ed in corrispondenza di aperture angolari dei due finestre chopper tra angoli di 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° cambiando il posizionamento dei due dischi rispetto all&#39;altro. Il miglioramento della risoluzione lunghezza d&#39;onda Δλ / λ si ottiene accorciando il tempo della τ guida di neutroni apertura w per decrfacilitando Δφ e / o aumentando f chopper. Gli impulsi risultanti registrati sul rivelatore sono suddivisi in un numero appropriato di canali temporali che hanno τ w in larghezza e sono caratterizzati dal Δλ / λ mirato. Ci sono anche elementi di focalizzazione in magnesio fluorite MgF 2 lenti paraboliche 6 con un diametro di 50 mm (Figura 1). 26 MgF 2 lenti sono raggruppati in tre pacchetti (4 + 6 + 16 lenti) che possono essere spostati in modo indipendente nel fascio di ottenere condizioni di messa a fuoco con diverse lunghezze d&#39;onda l = 7-20 Å. Per aumentare la trasmissione riducendo la dispersione sul fononi nel materiale della lente, le lenti sono mantenuti a 70 K utilizzando un particolare sistema di raffreddamento. Vi è ad alta risoluzione rilevatore a scintillazione sensibile alla posizione secondaria con una risoluzione di posizione 1 mm e 0,45 millimetri di pixel-size. Il rivelatoreè tipicamente collocato nella torre sulla sommità del serbatoio sotto vuoto ad una distanza L fissa D = 17 m e può essere spostato verticalmente in o fuori della trave (Figura 1). Il rivelatore principale è arrestato nella posizione di estremità del serbatoio a 20 m, mentre il rilevatore secondario viene spostato nel fascio quando indagini ad alta risoluzione (low Q) utilizzando lenti vengono eseguite 4,7. Il rivelatore secondario viene collocato in un punto focale del sistema di lenti, mentre una piccola apertura di entrata a L C = 20 m sarebbe, in questo caso, l&#39;altro punto focale. C&#39;è un nuovo sistema di rilevamento principale che consiste in una serie di 144 3 tubi He (con un&#39;efficienza globale per provetta del 85% per λ = 5 Å) e che definisce una superficie di rilevamento attiva pari a 0,9 m 2 (Figura 1). Innovative elettronica di lettura rapida montati in un caso chiuso sul retro del telaio tubo 3 Egli migliora laread-out caratteristiche e riduce il rumore di fondo. Il nuovo sistema che ha sostituito il vecchio rivelatore a scintillazione (6 Li scintillatore e un array di fotomoltiplicatori 8x8, Figura 1) è caratterizzato da una costante dead-time efficace di 25 nsec e un tasso di conteggio generale fino al 5 MHz a 10% scadenze tempo per profili piani. Queste caratteristiche sono dovute al fatto che il sistema contiene canali indipendenti azionati in parallelo, che è un vantaggio rispetto ai sistemi che sperimentano tempo morto dopo un evento. La velocità di conteggio molto superiore riduce i tempi di misura e quindi aumenta il numero di esperimenti che possono essere eseguite nello stesso periodo di tempo. Con tutte queste innovazioni, lo strumento è diventato uno strumento altamente versatile che può affrontare una vasta gamma di studi strutturali, offrendo molteplici modalità di lavoro (Tabella 2) che possono essere selezionati e utilizzati in modo diretto e facile da usare. Nella modalità ad alta intensità (Figura 2B), fino a dodici volte il guadagno intensità rispetto alla modalità pinhole convenzionale per la stessa risoluzione può essere ottenuto con lenti aumentando la dimensione del campione. Nella modalità di risoluzione sintonizzabile con chopper e dati TOF acquisizione, migliore caratterizzazione delle caratteristiche di diffusione all&#39;interno diverse gamme Q sono abilitati dalla possibilità di variare la lunghezza d&#39;onda di risoluzione Δ λ / λ tra il 2% e il 20% 5. Nella modalità estesa Q-range (Figura 2C), che utilizzano le lenti e il rilevatore ad alta risoluzione secondario, un Q m a partire da 1 x 10 -4 -1 può essere realizzato, che, in combinazione con la modalità pinhole, permessi l&#39;esplorazione di dimensioni su una scala di lunghezza continua dal nm alla gamma micron. L&#39;uso di un elicottero per il restringimento Δ λ / λ fornisce caratteristiche del fascio accurate, evitando di gravità e cromatici effetti whit utilizzando le lenti. Nella modalità in tempo reale, sfruttando l&#39;elevata intensità e trigger esterno di acquisizione dati per ambienti di esempio, cambiamenti strutturali possono essere risolti con risoluzioni tempo fino a 50 msec. Migliorando la risoluzione di lunghezza d&#39;onda fino a Δ λ / λ = 5% con l&#39;elicottero, le risoluzioni di tempo buono come 2 ms possono essere realizzate. Qui, vi presentiamo in dettaglio un protocollo su come esperimenti tipici sono condotte sul KWS-2 nelle sue diverse modalità di funzionamento e di come le informazioni strutturali dai campioni analizzati può essere ottenuto dai dati raccolti attraverso la riduzione dei dati. In questa dimostrazione, useremo SANS per caratterizzare diversi formati di soluzioni di particelle e una soluzione micellare polimero altamente concentrato, al fine di mostrare come le dimensioni e l&#39;ordine possono essere studiati su vaste gamme in modo flessibile ed efficiente con la KWS-2 durante una sessione sperimentale. particelle sferiche di polistirolo con diffeaffitto dimensioni (raggi di R = 150, 350, 500, 1000, e 4000 Å) e una polidispersità dimensione σ R <img alt="Equazione 5" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq5.jpg" /> 8% sono dispersi in una soluzione acquosa (una miscela di 90% D 2 O e 10% H 2 O) in una percentuale in volume di 1%. Le micelle formate dalle C 28 H 57 -PEO5 copolimeri diblock in D 2 O ad una concentrazione del 12% mostrano una struttura ordinata.

<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

Il SANS diffrattometro KWS-2 è dedicato alla ricerca di materia soffice e sistemi biofisici che coprono una scala di lunghezza di larghezza, dal nm a micron. Lo strumento è ottimizzato per l&#39;esplorazione della gamma Q trasferimento di moto largo fra 1x10 -4 e 0,5 Å -1 combinando pinhole classica, messa a fuoco (con lenti), e il tempo di volo (con chopper) metodi, fornendo allo stesso tempo alta -neutron intensità con una risoluzione regolabile. A causa della sua capacità di regolare l&#39;intensità e la risoluzione entro ampi limiti durante l&#39;esperimento, unitamente alla possibilità di dotare ambienti campioni specifici e dispositivi ausiliari, la KWS-2 mostra una elevata versatilità per affrontare l&#39;ampia gamma di studi strutturali e morfologiche il campo. strutture di equilibrio possono essere studiate nelle misurazioni statiche, mentre i processi dinamici e cinetici possono essere studiati su scale temporali tra minuti a decine di millisecondicondi con approcci risolte nel tempo. Sistemi tipici che vengono studiati con il coperchio KWS-2 nell&#39;intervallo da complessi sistemi gerarchici che esibiscono livelli multipli strutturali (per esempio, gel, rete o macro-aggregati) alle piccole e mal di scattering sistemi (ad esempio, polimeri singoli o proteine soluzione). Il recente aggiornamento del sistema di rilevamento, che consente il rilevamento della velocità di conteggio nell&#39;intervallo MHz, apre nuove opportunità per studiare anche molto piccole morfologie biologiche in soluzione tampone con segnali di diffusione deboli vicino al livello dispersione tampone ad alto Q. In questo lavoro, mettiamo a disposizione un protocollo per indagare campioni con livelli di dimensione caratteristica che coprono una vasta scala di lunghezza ed esibendo ordinare nella struttura mesoscala con KWS-2. Vi presentiamo in dettaglio come utilizzare le molteplici modalità di lavoro che vengono offerti dallo strumento e il livello di prestazioni che si ottiene.

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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.

Studiare Soft-materia e sistemi biologici per una lunghezza scala larga da nanometri e micrometro Taglie al piccolo angolo Neutron Diffrattometro 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. ...

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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.

Misurare Materiale microstruttura Under flusso Utilizzo di 1-2 aereo 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 ...

Ricerca

Ingegneria

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.

Piccole e Wide Angle X-Ray Scattering Studi di macromolecole biologiche in soluzione

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

Bioingegneria

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.

Combinando la cristallografia a raggi x con piccolo angolo x-ray Scattering per modellare le regioni non strutturate di Nsa1 da S. Cerevisiae

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

Biochimica

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.

Funzionalizzazione di single-walled nanotubi di carbonio con termo-reversibili Block Copolimeri e caratterizzazione da piccolo angolo Neutron Scattering

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

Chimica

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.

Contrasto-Matching detergente in esperimenti di Scattering di neutroni Small-Angle per Ab Initio modellazione e analisi strutturale di proteine di membrana

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.

Districante fibre di aramide copolimero ad alta resistenza per consentire la determinazione delle loro proprietà meccaniche

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.

Studiare la risposta di Shear oscillatorio di grande ampiezza di materiali morbidi

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.

Studio della dinamica delle proteine tramite spettroscopia eco-spin neutronica

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.

Misurare l'evoluzione temporale di materiali su scala nanometrica con scattering neutronico a flusso interrotto e a piccolo angolo

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.

Studiare Soft-materia e sistemi biologici per una lunghezza scala larga da nanometri e micrometro Taglie al piccolo angolo Neutron Diffrattometro KWS-2

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