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.

matéria mole e sistemas biofísicos são tipicamente caracterizados por correlações estruturais e níveis microestruturais e morfológicas inter-relacionadas que abrangem uma escala de comprimento de largura, a partir nm para microns. Para entender o mecanismo de formação e evolução da morfologia de tais sistemas ea relação entre suas características microscópicas e propriedades macroscópicas, é importante explorar sua microestrutura ao longo de toda a escala de comprimento e sob condições ambientais relevantes (por exemplo, temperatura, pressão, pH , umidade, etc.). Normalmente, pequeno ângulo de espalhamento técnicas com nêutrons (SANS) ou raios-X síncrotron (SAXS) estão envolvidos em tais estudos. A desvantagem intensidade de nêutrons contra raios-X síncrotron é compensado pelo uso de relativamente grande Δλ / λ, que no entanto leva ao agravamento da resolução instrumental. No entanto, SANS oferece vantagens únicas, devido às possibilidades oferecidas pelo contrvariação ast, especialmente entre os isótopos de hidrogênio. Portanto, a SANS é um método experimental especificamente utilizado no estudo de sistemas de matéria e biofísicos macios, para a qual ele proporciona informação estrutural e morfologia única. A maioria dos difractómetros SANS em todo o mundo 21 trabalham no princípio do furo de pino (Figura 2A), o que permite a resolução baixa Q destinada. Praticamente, todos os SANS difractómetros de alto fluxo tem um fluxo máximo semelhante da ordem de 1 x 10 8 N cm-2 seg -1. Com base no comprimento de onda resolução relaxado, a KWS-2 tem um fluxo quase duplicou 2, 4. Recentemente, SANS difractómetros muito especializados tornou-se operacional para servir com características otimizadas para um intervalo específico de aplicações, como para as investigações em muito pequena dispersão vetores 22, 23. Com a recente Comissão das difractómetros especializados TOF-SANS em reatores de estado estacionário 24 ou spallation fontes 25, 26, um massivamente maior gama dinâmica Q em um determinado sistema experimental e aumento da flexibilidade e otimização quanto à escolha da resolução experimental são oferecidos. Para o SANS difractómetro KWS-2, um alto nível de versatilidade e desempenho necessários para estudos estruturais muito específicas no domínio da matéria mole e biofísica é habilitado em um instrumento SANS outra forma clássica. A otimização, flexibilidade e espontaneidade na concepção e realização de estudos complexos, como suportado pelo protocolo descrito, é conseguido através da combinação dos parâmetros otimizados experimentais (por exemplo, a intensidade, escala de comprimento, a resolução espacial e resolução de tempo) e a amostra complexa ambientes. Utilizando os vários modos de trabalho enumerados na introdução e apoiados pelos resultados apresentados nas Figuras 8-15, a KWS-2 aumenta de uma forma fácil e prático o desempenho de um SANS difractómetro clássicaa uma fonte de neutrões constante (reactor) para além dos limites convencionais de tais instrumentos. Este protocolo apresenta os passos que um usuário regular deve realizar para definir e conduzir um programa experimental simples que envolve apenas a investigação de amostras em condições ambientais termodinâmicos (temperatura, pressão, umidade relativa) e em condições estáticas (sem cinética de formação de estrutura ou transformação, sem cisalhamento ou fluxo). Vários portadores de temperatura controlada ou em ambientes especiais da amostra (Tabela 1 e Figura 19) suplementar, tais como células de pressão, reômetros, ou células de humidade, estão disponíveis e podem ser instalados de forma óptima e ajustado com um apoio especial da equipa instrumento. Este protocolo não fornece instruções sobre as configurações e controles de tais equipamentos. A definição e a activação de controladores externos requerem a utilização de um outro protocolo, mais complexo. Este protocolo apresenta acaso de se trabalhar com células de amostras de quartzo de uma forma rectangular estreita (Figura 3). No entanto, uma grande variedade de geometrias e tipos de células (Figura 19) suplementar é oferecida aos utilizadores, a fim de proporcionar uma maior flexibilidade e eficiência na realização das experiências. No caso de utilização de tais células, o protocolo pode ser seguido com o ajuste dos parâmetros discutidos no passo 4.2.2. O software de controle de medição foi desenvolvida para oferecer aos utilizadores uma maior flexibilidade na prossecução dos seus objectivos científicos e otimização na operação técnica do instrumento. Todos os ajustes e configurações de funções e componentes do instrumento especiais são feitas pela equipe de instrumento. O envolvimento dos usuários científicos na configuração, definição e utilização do instrumento é simplificado e especificamente limitado apenas aos aspectos que estão em conexão com as questões científicas da sessão experimental. coarquivos nfiguration são predefinidos, a fim de cobrir todas as questões experimentais especiais, tais como o posicionamento dos suportes especiais no feixe, o posicionamento da amostra no feixe (coordenadas x, y, Φ, e ω sobre o estágio da amostra, mesa de rotação, ou berço na suplementar Figura 5), o ajuste das posições do detector e feixe-stop para diferentes comprimentos de onda, o ajuste dos parâmetros de helicóptero (frequência e janela de abertura) para diferentes comprimentos de onda, as distâncias de detecção e resolução destinada, etc. Além disso, o protocolo atual não descreve como o modo em tempo real pode ser utilizado na KWS-2. A utilização de um protocolo mais complexo é também necessária a fim de realizar as experiências SANS resolvidas no tempo. Além disso, este protocolo apresenta a forma como os dados medidos podem ser corrigidas para as diferentes contribuições de dispersão a partir do instrumento e as referências e calibrado de modo a obter diferenciaram da amostraai secção transversal de dispersão, dΣ / dΩ, expressa em cm-1. Esta quantidade contém toda a informação estrutural e morfológica sobre a amostra e é medido ao longo de uma gama ampla Q correspondente a uma ampla escala de comprimento, sobre o qual correlações estruturais e tamanho-níveis inter-relacionados característicos do sistema investigado aparecer. A secção transversal de dispersão dΣ / dΩ refere-se assim a intensidade medida num experimento de dispersão estática num ângulo Θ, I S = f (Θ) com as propriedades estruturais da amostra. Para a avaliação da dΣ / dΩ para um sistema de interesse, para além da medição do sistema, medições adicionais são necessários a fim de corrigir os dados para toda a dispersão externa (isto é, ambiente, célula de amostra, a solução de solvente ou tampão, no caso de sistemas de soluto, etc.) e para calibrar os dados corrigidos em unidades absolutas <sup<html> &gt; 8. O fundo externo (célula de amostra ou recipiente), a amostra de referência (soluções de solvente ou tampão), a transmissão de amostra (necessária para a subtracção de fundo correcto e calibração dos resultados corrigidos em unidades absolutas), o fundo electrónico do detector, o detector sensibilidade (não homogeneidade na eficiência do detector que é inerente para detectores de área) e a amostra padrão normalizado também deve ser medido. Para a KWS-2, plexiglas (PMMA) é utilizado como padrão da amostra. Este é o chamado padrão secundário e é periodicamente calibrado contra uma amostra padrão primário, que é de vanádio. Vanadium proporciona uma intensidade dispersa muito fraco e requer tempos de medição muito longos para a recolha de estatísticas adequadas; portanto, não é prático para fins de SANS. A intensidade recolhidos a partir da amostra de interesse e I S a partir da amostra padrão I St pode ser expressa como se segue: t &quot;&gt; <img alt="equação 1" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq1.jpg" /> [1] <img alt="equação 1" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq2.jpg" /> [2] onde 0 representa a intensidade de entrada (emitido pelo sistema de colimação), t é a espessura, A é a área exposta ao feixe, T é a transmissão, e Δ ψ é o ângulo sólido que uma célula de detecção é vista a partir da posição da amostra. Se tanto a amostra como padrão são medidos nas mesmas condições, com respeito ao feixe de entrada (isto é, L C, Um C e A S, e λ e Δ λ / λ), I 0 e A são as mesmas e o ângulo sólido é expressa como uma D / L de D (com um D que representa a área de uma célula de detecção). Ao dividir as duas relações, o espalhamento transversal seçna da amostra é obtida como: <img alt="equação 1" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq3.jpg" /> [3] onde a I St é expresso como uma média (o padrão como um sistema de espalhamento incoerente oferece um padrão de dispersão plana). O I S é obtido depois de corrigir a intensidade medida da amostra na célula (recipiente) com respeito à contribuição da célula vazia ECell I e o plano de fundo no detector para o feixe de fechada, I B. O factor T T St St (dΣ / dΩ) St, que contém a dispersão e os parâmetros físicos da amostra-padrão, depende do comprimento de onda e λ neutrões é normalmente conhecido a partir da calibração da amostra padrão. Assim, é tabulados no software de redução de dados 4. Os parâmetros e quantidades na Eq. 3 que são conhecidos a partir de calibração ProcedurES e a definição da configuração experimental (t S, G D) formar o chamado factor de calibração k. As intensidades e a transmissão da amostra T S que aparecem na Eq. 3 tem de ser medido. O programa de análise de dados qtiKWS possibilita a correção, calibração e nivelamento radial dos dados experimentais e da realização dos dΣ / dΩ para as amostras investigadas em um modo de trabalho flexível e versátil. Os resultados finais gerados com o software qtiKWS são apresentados como tabelas com quatro colunas: Q, I, Δ I, Δσ onde representa dΣ / dΩ e Δσ é a resolução Q 5. De um ponto de vista prático, com o KWS-2, SANS combinadas e investigações USANS pode ser levada a cabo, com a vantagem de que a geometria da amostra e as condições termodinâmicas permanecer constante. Grandes morfologias que mostram multiple níveis estruturais que abrangem uma grande comprimento de escala nanométrica para micrômetro tamanhos podem ser investigadas de uma forma directa, como mostrado na Figura 12. Além disso a pequena escala limite estrutural R C observada na curva de dispersão medido no modo de pinhole convencional, através da activação das lentes e o detector de alta resolução, a grande escala estrutural limite G C de micelas de núcleo-invólucro cilíndrico formado pelo poli - (hexileno-óxido-co-etileno-óxido) PHO10k-PEO10k copolímero dibloco (totalmente protonada) em D 2 o 14 pode ser observado a valores muito baixos em Q o modo de funcionamento estendida Q -range. As micelas cilíndricos são caracterizados por uma espessura total de cerca de 300 A e com um comprimento de cerca de 7000 Â, como revelado pelo ajuste dos resultados experimentais com o núcleo-concha cilíndrica forma-factor de 9,14. Portanto, certos efeitos sensíveis, tais como géis termo-sensível ou formação e crescimento de cristallinha ou parcialmente cristalinos morfologias podem ser inequivocamente explorado com o KWS-2, ao contrário da abordagem clássica de envolver dois ou mais diferentes instrumentos e geometrias de amostra. Conforme apresentado na Figura 11, os sistemas correlacionados e ordenou estruturas podem ser estudadas com resoluções adaptados de uma forma muito flexível, sem gastar tempo e esforço na instalação de sistemas de monochromatization complexas, que envolvem aspectos de cuidados e de segurança adicionais. Além disso, através do envolvimento do chopper e do modo de aquisição de dados TOF, sistemas de matéria macia monodispersas ou complexos com baixa polidispersidade tamanho pode ser caracterizada de forma muito precisa a ainda alta intensidade 5. Os obstáculos gerados pela dispersão fraca devido à utilização de sistemas altamente diluído ou condições desfavoráveis ​​de contraste pode ser superada pela utilização de intensidades mais elevadas, mesmo com base no tamanho do feixe maior sobre a amostra, enquanto se mantém aresolução. A Figura 13A apresenta os padrões de dispersão de partículas de poliestireno de um raio de r = 150 Â, medido no modo de alta intensidade utilizando as lentes e um tamanho de feixe quadrática que varia entre 10 mm x 10 mm, o tamanho típico utilizado no modo de pinhole convencional , e em 30 mm x 30 mm. Além disso, o resultado de uma medição com um feixe redondo 50 mm de diâmetro (tamanho completo da lente) é mostrado. Em paralelo, o resultado normalizado obtido no modo de pinhole convencional é apresentado. Usando 26 lentes com neutrões de λ = 7 Â e o mesmo tamanho de entrada abertura A C como para o modo de pinhole convencional (Figura 2B), o ganho de intensidade na amostra de cerca de 12 vezes é obtida mantendo um tamanho de feixe constante (resolução ) no detector, como mostrado na Figura 13B-C. O sistema 27 de lente tem uma transmissão de cerca de 32% à temperatura ambiente. Arrefeceu-se até uma temperatura de 50 K, a transmissão da lente aumenta devidoa supressão de espalhamento na fonões no material da lente. O sistema de 26 lentes parabólicos tem uma transmissão de cerca de 65% para um tamanho de feixe rodada de 50 mm, quando o feixe passa através de todo o volume da lente, e de cerca de 92% para um tamanho de feixe quadrática de 10 mm x 10 mm , quando apenas uma quantidade de material da lente permanece na viga. O modo de alta intensidade com lentes oferece vantagens no caso de dispersão fraca, que geralmente é encontrado em uma grande distância de detecção e é particularmente problemática no caso de condições de contraste fracos. Além disso, quando a amostra só é estável ao longo do curto período de tempo, o uso deste modo representa uma clara vantagem, como é demonstrado em outros lugares 15. Por outro lado, no caso de sistemas biológicos, pequenos volumes de amostra são tipicamente disponível para experiências. Pequenas moléculas biológicas em condições fisiológicas com tamanhos de alguns nanômetros fornecer sinais de espalhamento fracas acima do dominant dispersão das soluções tampão. Tais sinais podem ser medidos com o KWS-2, beneficiando da alta intensidade do instrumento na configuração de baixa resolução do modo de pinhole, usando short collimation comprimentos L C = 2 m ou 4 m e detecção de distâncias curtas L D = 1 m, 2 m, ou 4 m. A Figura 14 apresenta os padrões de dispersão de proteína beta-amilóide (Ap 1-42, M W = 4,5 kDa) monômeros em hexafluoroisopropanol deuterado dHFIP, obtida após a correção para o sinal de espalhamento do tampão foi aplicada. A adequação do modelo dos dados entregues um tamanho monômero de cerca de 16 ± 1 a 16. Um tempo de medição longo de várias horas para cada condição experimental (distância de detecção L d e tipo de amostra) foi envolvida, embora as medições foram efectuadas a distâncias curtas de detecção. O detector de idade, que tem demonstrado limitações em relação à taxa de contagem, impediu o uso de distâncias curtas de colimaçãoL C, portanto, a utilização do fluxo máximo no instrumento. Com a comissão do novo sistema de detecção que permite o uso de fluxos de neutrões completo, tais intensidades fracas será medido em tempos mais curtos e com melhores estatísticas no futuro. Finalmente, os efeitos estímulos-sensíveis podem ser estudados de uma forma flexível e fácil usando o equipamento auxiliar especial do KWS-2. Um exemplo é apresentado na Figura 15, que mostra os padrões de SANS proteína lisozima em tampão D 2 O e do tampão recolhido a diferentes pressões. Especial atenção tem sido dada para a investigação de fundo e dispersão para a frente a partir das moléculas de lisozima, utilizada no teste da nova célula de pressão fabricados internamente desempenho, seguindo um design feito por PSI, Suíça. Os resultados foram semelhantes aos obtidos por Kohlbrecher et ai. Em um estudo semelhante para testar o modelo de célula de pressão originais construídoshá 17, 18. Com o KWS-2, mais dados tenha sido adquirido desde uma pressão de 5000 bar foi alcançado. Evolução da intensidade dispersa em frente, a partir da proteína segue um comportamento linear, tal como observado no estudo de PSI, Suíça 18.

Os materiais macios e biológicos mostram uma rica variedade de morfologias que são caracterizados por características tais como auto-organização e auto-montagem de unidades elementares para maiores, agregados complexos. Eles mostram também interacção cooperativa com um grande número de graus de liberdade; fraca interacção entre as unidades estruturais, e, assim, de alta sensibilidade a campos externos; e as correlações espaço-temporais que podem medir uma vasta gama, a partir de nanômetros a milímetros e de nanossegundos para dias. Por causa da grande variedade de Length- e escalas de tempo relevante, a caracterização experimental das propriedades destes materiais são muito desafiante. Dispersando técnicas com neutrões desempenhar um papel importante na investigação da estrutura, dinâmica, e as propriedades termodinâmicas de tais sistemas complexos. Como sondas originais, neutrões oferecem a vantagem de diferentes interacções entre o 1 H e 2 H (deutério, D) isótopos de hidrogénio. A grande diferemcia na densidade comprimento de espalhamento coerente entre o hidrogénio e deutério representa a base dos métodos de variação de contraste e de harmonização contraste. Como a maior parte da matéria mole e sistemas biológicos consistem em hidrocarbonetos, hidrogénio / deutério (H / D) substituição oferece a possibilidade de variar a densidade de comprimento de espalhamento coerente de um composto ao longo de um amplo intervalo. Com esta técnica, os componentes seleccionados de um sistema complexo podem ser marcadas por troca isotópica. Dependendo do seu contraste-a diferença entre o quadrado da sua densidade e comprimento de espalhamento de que os outros componentes ou componentes de regiões seleccionadas dentro de uma matéria macia ou morfologia complexa biofísico pode ser tornada visível ou invisível na experiência espalhamento sem alterar quimicamente o sistema. Além disso, neutrões são altamente penetrante e pode ser utilizado como sondas não destrutivos e para o estudo de amostras em ambientes especiais, em que a contribuição dos materiais adicionais colocados no feixe pode ser relihabilmente medido e corrigido para. experimentos espalhamento elástico fornecer informações sobre a estrutura e morfologia de uma amostra. A intensidade dispersa é medida no espaço recíproco como uma função do momento transferido Q, onde Q = 4π / λ pecado Θ / 2, com λ - o comprimento de onda de neutrões e Θ - o ângulo de espalhamento; este é então traduzido para o espaço real através de uma transformação Fourier inversa. Assim, grandes valores de Q relacionar com escalas de comprimento curto, com as correlações inter-atômicas investigados por difração de nêutrons clássica (ND). Em valores Q pequenas, grandes escalas de comprimento podem ser explorados por pequenas ângulo de espalhamento de nêutrons (SANS). Normalmente, simples ou montagem sintéticos ou naturais macromoléculas em solução, derreter, cinema, amostras ou a granel são caracterizados através de uma escala de comprimento de largura, a partir de tamanhos nanômetros e micrômetro, através da aplicação das SANS pin-hole clássicas ea uLTRA-SANS (com base em um único cristal de difratometria de focagem ou) técnicas. No entanto, a combinação de diferentes métodos ou meios para se alcançar uma caracterização estrutural completa às vezes é difícil por causa de questões como a quantidade disponível de amostra, a estabilidade das amostras durante longos prazos, reprodutibilidade dos efeitos em condições termodinâmicas especiais, e a análise conjunta dos dados experimentais obtidos em diferentes geometrias experimentais. Além disso, os estudos que lidam com estruturas e mudanças estruturais rápidas que são caracterizadas por um elevado espaço ou tempo de resolução são muito desafiadoras, exigindo montagens experimentais muito especiais. Portanto, o desenvolvimento de instrumentos SANS altamente versáteis, onde os limites podem ser empurradas para além da configuração típica de uma maneira fácil e viável, é benéfico para a reunião de todas as demandas especiais da comunidade de usuários. O difractómetro SANS KWS-2 (Figura 1), operado pela J2; lich Centro de Neutron Science (JCNS) no Heinz Maier-Leibnitz Center (MLZ), em Garching, era originalmente um SANS pinhole instrumento clássico beneficiando de um alto fluxo de nêutrons (Figura Suplementar 1) fornecida pela fonte de nêutrons FRM II 1 e do sistema de guia dedicado 2-4. Depois de atualizações repetidas, o instrumento foi optimizado para a exploração de uma gama Q de largura, entre 1x10 -4 e 0,5 Å -1, proporcionando alta intensidade de neutrões e uma resolução ajustável. Com a disponibilidade de ambientes de amostras específicos e dispositivos auxiliares (Tabela 1), o aparelho pode ser equipado para estudar matéria mole e sistemas biofísicos mais de uma ampla escala de comprimento, a partir de nm até um, por meio de medições estáticas; ele também pode realizar investigações resolvida em tempo de estruturas e morfologias em equilíbrio ou em transformação devido a processos cinéticos, abrangendo uma ampla escala de tempo entre minutos e dezenas demilissegundos. No modo de funcionamento convencional (Figura 2A), uma faixa de Q entre 7x10 -4 a -1 e 0,5 Å -1 pode ser coberto através da variação da distância de amostra-para-detector e / ou do comprimento de onda. Portanto, os níveis estruturais e efeitos de correlação em uma escala de comprimento de 10 A até 9.000 Å pode ser inspecionado no espaço real (onde a dimensão é considerada como 2π / Q). A selecção do comprimento de onda, entre 4,5 A e 20-A, utilizando um monocromador mecânica (selector de velocidade) que proporciona uma propagação de onda Δλ / λ = 20%, a variação das condições de colimação (colimação comprimento L C e de abertura das aberturas, A C - a abertura de entrada, seguindo o último segmento de nêutrons guia na viga, e a S - a abertura da amostra, mesmo em frente da amostra) e de detecção de distância L D são feitos automaticamente, através do controle de computador. Q m, e a detecção rápida em altas taxas de contagem na faixa MHz foram realizadas recentemente, com o objetivo de impulsionar o desempenho do instrumento. Durante este processo, o instrumento foi equipado com recursos adicionais. Há um helicóptero duplo disco 5 com aberturas variáveis de fenda (Suplementar Figura 2) e modo de aquisição de dados em tempo-de-voo (TOF). O helicóptero pode ser operado a uma variando f triturador de frequência entre 10 Hz e 100 Hz e nas aberturas angulares das duas janelas choppers entre ângulos de 0 ° ≤ Δφ ≤ 90 ° alterando o posicionamento dos dois discos com respeito um ao outro. A melhoria na resolução de comprimento de onda Δλ / λ é conseguido através da redução do tempo do τ guia de nêutrons abertura w por decraliviando Δφ e / ou aumentando f helicóptero. Os impulsos resultantes registados no detector são divididos num número adequado de canais de tempo que correspondem τ W de largura e são caracterizadas pela destinado Δλ / λ. Há também elementos de focagem feitos de fluoreto de magnésio MgF2 lentes parabólicos 6 com um diâmetro de 50 mm (Figura 1). 26 MgF2 lentes são agrupados em três volumes (4 + 6 + 16 lentes) que podem ser movidos de forma independente no feixe para atingir as condições de focagem com diferentes comprimentos de onda X = 7-20 a. A fim de aumentar a transmissão através da redução da dispersão em fonões no material das lentes, as lentes são mantidos a 70 K, utilizando um sistema de arrefecimento especial. Há um detector de cintilação secundária de alta resolução sensível à posição com uma resolução de posição 1 mm e um pixel de 0,45 milímetro de tamanho. o detectoré tipicamente colocado na torre na parte superior do tanque de vácuo, a uma distância fixa D L = 17 m e pode ser movido verticalmente dentro ou para fora do feixe (Figura 1). O detector principal está estacionado na posição final do tanque a 20 m, enquanto o detector secundário é movido no feixe quando as investigações de alta resolução (Q) baixo usando lentes estão a ser realizados 4,7. O detector secundário é colocado em um ponto focal do sistema de lentes, enquanto uma pequena abertura de entrada com uma relação L C = 20 m seria, neste caso, no outro ponto focal. Há um novo sistema de detecção principal, que consiste de uma matriz de 144 3 tubos He (com um rendimento global por tubo de 85% para λ = 5 A) e que define uma área de detecção activo equivalente a 0,9 m 2 (Figura 1). Inovadores eletrônica de leitura rápida montados em uma caixa fechada na parte traseira do quadro de tubo 3 Ele melhora aleia-out características e reduz o ruído de fundo. O novo sistema que substituiu o detector de cintilação de idade (6 Li cintilador e uma matriz de 8x8 fotomultiplicadores, Figura 1) é caracterizada por uma constante de tempo morto eficaz de 25 nanossegundos e uma taxa de contagem global tão alto quanto 5 MHz a 10% Dead- tempo de perfis planos. Estas características são, devido ao facto de o sistema contém canais independentes operados em paralelo, o que é uma vantagem em relação aos sistemas que experimentam tempo morto depois de um evento. A taxa de contagem muito maior encurta os tempos de medição e, por conseguinte, aumenta o número de experiências que pode ser realizado no mesmo período de tempo. Com todas estas inovações, o instrumento tornou-se uma ferramenta altamente versátil que pode lidar com uma ampla gama de estudos estruturais, oferecendo vários modos de trabalho (Tabela 2) que podem ser selecionados e utilizados de uma forma directa e fácil de usar. No modo de alta intensidade (A Figura 2B), até doze vezes o ganho de intensidade em comparação com o modo convencional do furo de pino para a mesma resolução pode ser conseguida com as lentes através do aumento do tamanho da amostra. No modo de resolução sintonizável com helicóptero e dados TOF aquisição, melhor caracterização das características de dispersão em diferentes gamas de Q estão activados pela possibilidade de variar o comprimento de onda resolução Δ λ / λ entre 2% e 20% 5. No modo estendido Q -range (Figura 2C), usando lentes eo detector de alta resolução secundário, um Q m tão baixo quanto 1 x 10 -4 a -1 pode ser alcançada, o que, em combinação com o modo de pinhole, licenças a exploração de tamanhos sobre uma escala de comprimento contínuo do nm para a gama de micron. O uso de um helicóptero para estreitar Δ λ / λ fornece características do feixe precisas, evitando os efeitos da gravidade e cromáticas when usando as lentes. No modo em tempo real, através da exploração da alta intensidade e o seu accionamento externo de aquisição de dados por ambientes de exemplo, mudanças estruturais podem ser resolvidos com resoluções de tempo para 50 mseg. Ao melhorar a resolução de comprimento de onda para baixo para Δ λ / λ = 5% com o helicóptero, resoluções de tempo tão boas como 2 ms pode ser realizada. Aqui, apresentamos detalhadamente um protocolo sobre como as experiências típicas são conduzidas com KWS-2 em seus diferentes modos de trabalho e como a informação estrutural das amostras investigadas podem ser obtidas a partir dos dados coletados por meio de redução de dados. Nesta demonstração, vamos usar SANS caracterizar diversos tamanhos de soluções de partículas padrão e um solução micelar polímero altamente concentrado, a fim de mostrar como tamanho e forma pode ser estudada em faixas amplas de uma forma flexível e eficiente com o KWS-2 durante uma sessão experimental. partículas esféricas de poliestireno com difealuguer tamanhos (raios de R = 150, 350, 500, 1000, e 4000 a) e uma polidispersidade de tamanho σ R <img alt="equação 5" src="/files/ftp_upload/54639/54639eq5.jpg" /> 8% são dispersos numa solução de água (uma mistura de 90% de D 2 O e 10% de H 2 O), uma fracção de volume de 1%. As micelas formadas pelos C 28 H 57 -PEO5 copolímeros dibloco em D 2 O a uma concentração de 12% mostram uma estrutura ordenada.

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

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

O SANS difractómetro KWS-2 é dedicado à investigação da matéria macia e sistemas biofísicos que cobrem uma escala de comprimento de largura, a partir nm para um. O instrumento é otimizado para a exploração da vasta gama Q transferência de momento entre 1x10 -4 e 0,5 Å -1 combinando pinhole clássica, concentrando-se (com lentes) e tempo-de-voo (com helicóptero) métodos e, simultaneamente, proporcionando alta -neutron intensidades com uma resolução ajustável. Devido à sua capacidade para ajustar a intensidade e a resolução dentro de amplos limites durante a experiência, combinada com a possibilidade de equipar os ambientes de amostras específicos e dispositivos auxiliares, a KWS-2 mostra uma versatilidade elevada na abordagem da ampla gama de estudos estruturais e morfológicas no o campo. estruturas de equilíbrio pode ser estudada em medições estáticas, enquanto processos dinâmicos e cinéticos podem ser investigados em escalas de tempo entre minutos a dezenas de millisecgundos com abordagens resolvidas no tempo. Sistemas típicos que são investigados com a tampa da KWS-2 gama de sistemas complexos, hierárquicos que apresentam vários níveis estruturais (por exemplo, geles, redes ou agregados macro-económicos) para pequenas e mal-espalhamento de sistemas (por exemplo, polímeros individuais ou proteínas solução). A recente atualização do sistema de detecção, que permite a detecção de taxas de contagem na faixa de MHz, abre novas oportunidades para estudar mesmo muito pequenas morfologias biológicas em solução tampão com sinais de espalhamento fracos perto do nível de dispersão tampão com alto Q. Neste artigo, nós fornecemos um protocolo para investigar amostras com níveis tamanho característico abrangendo uma escala de comprimento de largura e exibindo encomendar na estrutura de mesoescala utilizando KWS-2. Nós apresentamos detalhadamente como usar os vários modos de trabalho que são oferecidas pelo instrumento e o nível de desempenho que seja alcançado.

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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.

Estudar Soft-matéria e Sistemas Biológicos longo de um comprimento escala larga de nanômetros e micrômetro Tamanhos no pequeno ângulo Neutron Difractï¿½etro 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 visualizações.  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.

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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.

Medição de materiais Microstructure Sob fluxo Usando 1-2 Plane Fluxo-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 ...

Engenharia

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.

Pequenas e Wide Angle X-Ray Scattering Estudos de macromoléculas biológicas em solução

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

Bioengenharia

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 a cristalografia de raios x com espalhamento de raios-x de pequeno ângulo para modelar regiões não-estruturadas de Nsa1 de S. Cerevisiae

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

Bioquímica

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

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

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

Funcionalização da murada-Single nanotubos de carbono com termo-reversível copolímeros em bloco e caracterização por 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 ...

Química

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

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

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

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

Correspondência de contraste detergente em experimentos de espalhamento pequeno ângulo nêutrons para análise estrutural de proteínas de membrana e modelagem do Ab Initio

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

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

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

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

Desembaraçar as fibras de aramida de copolímero de alta resistência para permitir a determinação de suas propriedades mecânicas

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.

Estudar a resposta de grande Amplitude oscilatória de materiais macios

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.

Estudo da Dinâmica da Proteína via Espectroscopia de Eco de Neutron Spin

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.

Medindo a evolução temporal de materiais em nanoescala com espalhamento de nêutrons de fluxo interrompido e de pequeno ângulo

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.

Estudar Soft-matéria e Sistemas Biológicos longo de um comprimento escala larga de nanômetros e micrômetro Tamanhos no pequeno ângulo Neutron Difractï¿½etro KWS-2

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