Малоугловое рассеяние нейтронов ( МУРН ) - это экспериментальный метод, в котором используется упругое рассеяние нейтронов при малых углах рассеяния для исследования структуры различных веществ в мезоскопическом масштабе примерно 1–100 нм.
Малоугловое рассеяние нейтронов во многих отношениях очень похоже на малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (МУРР); оба метода вместе называются малоугловым рассеянием (SAS). Преимуществами МУРН перед МУРР являются его чувствительность к легким элементам, возможность мечения изотопов и сильное рассеяние на магнитных моментах.
Техника
Во время эксперимента SANS пучок нейтронов направляется на образец, который может быть водным раствором, твердым телом, порошком или кристаллом . Нейтроны упруго рассеиваются за счет ядерного взаимодействия с ядрами или взаимодействия с магнитным моментом неспаренных электронов. При рассеянии рентгеновских лучей фотоны взаимодействуют с электронным облаком, поэтому чем больше элемент, тем сильнее эффект. При рассеянии нейтронов нейтроны взаимодействуют с ядрами, и это взаимодействие зависит от изотопа; некоторые легкие элементы, такие как дейтерий, имеют такое же сечение рассеяния, как тяжелые элементы, такие как Pb.
В нулевом порядке теории динамической дифракции преломление напрямую связанно с плотностью длиной рассеяния и является мерой силы взаимодействия нейтронной волны с данным ядром. В следующей таблице показана длина рассеяния нейтронов для нескольких химических элементов (в 10 -12 см). [1]
ЧАС | D | C | N | O | п | S |
---|---|---|---|---|---|---|
-0,3742 | 0,6671 | 0,6651 | 0,940 | 0,5804 | 0,517 | 0,2847 |
Обратите внимание, что относительный масштаб длин рассеяния такой же. Другой важный момент состоит в том, что рассеяние на водороде отличается от рассеяния дейтерия . Кроме того, водород является одним из немногих элементов, которые имеют отрицательное рассеяние, что означает, что нейтроны, отклоненные от водорода, находятся на 180 ° не в фазе по сравнению с нейтронами, отклоненными другими элементами. Эти особенности важны для техники изменения контраста (см. Ниже).
Связанные методы
МУРН обычно использует коллимацию нейтронного пучка для определения угла рассеяния нейтрона, что приводит к еще более низкому отношению сигнал / шум для данных, которые содержат информацию о свойствах образца на относительно больших масштабах, превышающих ~ 1 мкм. . Традиционное решение - увеличить яркость источника, как в случае сверхмалоуглового рассеяния нейтронов (USANS). В качестве альтернативы было введено спин-эхо-малоугловое рассеяние нейтронов (SESANS), использующее спиновое эхо нейтронов для отслеживания угла рассеяния и расширяющее диапазон масштабов длины, которые можно изучать с помощью рассеяния нейтронов, до значений, значительно превышающих 10 мкм.
Малоугловое рассеяние при скользящем падении (GISANS) объединяет идеи МУРН и нейтронной рефлектометрии .
В биологии
Важнейшей особенностью SANS, которая делает его особенно полезным для биологических наук, является особое поведение водорода, особенно по сравнению с дейтерием. В биологических системах водород можно обменять на дейтерий, который обычно оказывает минимальное влияние на образец, но оказывает сильное влияние на рассеяние.
Техника изменения контраста (или согласования контраста ) основана на дифференциальном рассеянии водорода по отношению к дейтерию. На рис. 1 показана плотность длины рассеяния для воды и различных биологических макромолекул в зависимости от концентрации дейтерия. (Адаптировано из. [1] ) Биологические образцы обычно растворяются в воде, поэтому их атомы водорода способны обмениваться с любыми дейтериями в растворителе . Поскольку общий разброс молекулы зависит от разброса всех ее компонентов, он будет зависеть от отношения водорода к дейтерию в молекуле. При определенных соотношениях H 2 O к D 2 O, называемых точками совпадения, разброс молекулы будет равен разбросу молекулы и, таким образом, будет устранен, когда разброс от буфера вычитается из данных. Например, точка совпадения для белков обычно составляет около 40–45% D 2 O, и при этой концентрации разброс белка будет неотличим от разброса в буфере.
Чтобы использовать вариацию контраста, разные компоненты системы должны рассеиваться по-разному. Это может быть основано на присущих различиях в рассеянии, например ДНК по сравнению с белком, или возникать из-за различных меченых компонентов, например наличия одного белка в комплексе, дейтерированного, в то время как остальные протонированы. С точки зрения моделирования, данные малоуглового рентгеновского излучения и рассеяния нейтронов могут быть объединены с программой MONSA. Недавно был опубликован пример, в котором данные SAXS, SANS и EM были использованы для построения атомной модели большого многосубъединичного фермента. [2] Для некоторых примеров этого метода см. [3]
Инструменты
Во всем мире существует множество инструментов SANS на нейтронных объектах, таких как исследовательские реакторы или источники отщепления .
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b Жакро, B (1976). «Исследование биологических структур методом рассеяния нейтронов из раствора» . Отчеты о достижениях физики . 39 (10): 911–53. Bibcode : 1976RPPh ... 39..911J . DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 39/10/001 .
- ^ Кеннауэй, Крис; Тейлор, Джеймс; и другие. (1 января 2012 г.). «Структура и действие ДНК-транслокационных ферментов рестрикции ДНК I типа» . Гены и развитие . 26 (4): 92–104. DOI : 10,1101 / gad.179085.111 . PMC 3258970 . PMID 22215814 .
- ^ Перкинс, SJ (1 января 1988 г.). «Структурные исследования белков с помощью высокопоточного рентгеновского излучения и рассеяния нейтронов в растворах» . Биохимический журнал . 254 (2): 313–27. PMC 1135080 . PMID 3052433 .
Учебники
- Фейгин, Лев А .: Структурный анализ методом малоуглового рентгеновского и нейтронного рассеяния. Нью-Йорк: Пленум (1987).
- Хиггинс, Джулия С .; Бенуа, Анри: Полимеры и рассеяние нейтронов. Оксфорд: Clarendon Press (1994?).
Внешние ссылки
- Портал малоуглового рассеяния , коллекция ссылок, со сложным списком программного обеспечения
- Мировой каталог инструментов SANS
- Б. Хаммуда: Исследование наноразмерных структур - Набор инструментов SANS (690 страниц)
- Малоугловое рассеяние на нейтронном и мюонном источнике ISIS