Dispersió de neutrons de petit angle

La dispersió de neutrons d'angle petit (SANS) és una tècnica experimental que utilitza la dispersió elàstica de neutrons a angles de dispersió petits per investigar l'estructura de diverses substàncies a una escala mesoscòpica d'aproximadament 1-100 nm.

La dispersió de neutrons d'angle petit és en molts aspectes molt semblant a la dispersió de raigs X d'angle petit (SAXS); ambdues tècniques es coneixen conjuntament com a dispersió d'angle petit (SAS). La característica més important del mètode SAS és el seu potencial per analitzar l'estructura interna de sistemes desordenats, i amb freqüència l'aplicació d'aquest mètode és una manera única d'obtenir informació estructural directa sobre sistemes amb una disposició aleatòria de les inhomogeneïtats de densitat a escala tan gran. Els avantatges de SANS sobre SAXS són la seva sensibilitat als elements lleugers, la possibilitat d'etiquetatge d'isòtops i la forta dispersió per moments magnètics.

Dispersió de neutrons/lum de petit angle.

Tècnica

Durant un experiment SANS, un feix de neutrons es dirigeix a una mostra, que pot ser una solució aquosa, un sòlid, una pols o un cristall. Els neutrons es dispersen elàsticament per la interacció nuclear amb els nuclis o la interacció amb el moment magnètic d'electrons no aparellats. En la dispersió de raigs X, els fotons interactuen amb el núvol electrònic, de manera que com més gran sigui l'element, més gran serà l'efecte. En la dispersió de neutrons, els neutrons interactuen amb els nuclis i la interacció depèn de l'isòtop; alguns elements lleugers com el deuteri mostren una secció transversal de dispersió similar als elements pesats com el Pb.

En la teoria dinàmica de la difracció d'ordre zero, l'índex de refracció està directament relacionat amb la densitat de la longitud de dispersió i és una mesura de la força de la interacció d'una ona de neutrons amb un nucli determinat. La taula següent mostra la longitud de dispersió de neutrons d'uns quants elements químics (en 10^-12 cm).

H	D	C	N	O	P	S
−0,3742	0,6671	0,6651	0,940	0,5804	0,517	0,2847

Tingueu en compte que l'escala relativa de les longituds de dispersió és la mateixa. Un altre punt important és que la dispersió de l'hidrogen és diferent de la del deuteri. A més, l'hidrogen és un dels pocs elements que té una longitud de dispersió negativa, la qual cosa significa que els neutrons desviats de l'hidrogen estan 180° desfasats en relació amb els desviats pels altres elements. Aquestes característiques són importants per a la tècnica de variació del contrast (vegeu més avall).

Tècniques relacionades

El SANS sol utilitzar la col·limació del feix de neutrons per determinar l'angle de dispersió d'un neutró, la qual cosa resulta en una relació senyal-soroll cada cop més baixa per a dades que contenen informació sobre les propietats d'una mostra a escales de longitud relativament llargues, més enllà de ~1 μm. La solució tradicional és augmentar la brillantor de la font, com en la dispersió de neutrons d'angle ultra petit (USANS). Com a alternativa, es va introduir la dispersió de neutrons d'angle petit de Spin-Echo (SESANS), utilitzant eco d'espín de neutrons per fer un seguiment de l'angle de dispersió i ampliant el rang d'escales de longitud que es poden estudiar mitjançant la dispersió de neutrons molt més enllà dels 10 μm.

La dispersió de petit angle d'incidència de pastura (GISANS) combina idees de SANS i de reflectometria de neutrons.

En biologia

Figura 1 : La relació entre la dispersió de diverses macromolècules biològiques en funció de la concentració de D2O.

Una característica crucial del SANS que el fa especialment útil per a les ciències biològiques és el comportament especial de l'hidrogen, especialment en comparació amb el deuteri. En els sistemes biològics, l'hidrogen es pot intercanviar amb deuteri, que normalment té un efecte mínim sobre la mostra, però té efectes dramàtics sobre la dispersió.

La tècnica de la variació del contrast (o l'adaptació del contrast ) es basa en la dispersió diferencial d'hidrogen versus deuteri. La figura 1 mostra la densitat de longitud de dispersió per a l'aigua i diverses macromolècules biològiques en funció de la concentració de deuteri. (Adaptat de ) Les mostres biològiques solen estar dissoltes en aigua, de manera que els seus hidrògens poden intercanviar-se amb qualsevol deuteri del dissolvent. Com que la dispersió global d'una molècula depèn de la dispersió de tots els seus components, això dependrà de la proporció d'hidrogen a deuteri de la molècula. A determinades proporcions de H₂O a D₂O, anomenades punts de concordança, la dispersió de la molècula serà igual a la del dissolvent i, per tant, s'eliminarà quan la dispersió del tampó es resta de les dades. Per exemple, el punt de concordança de les proteïnes és típicament al voltant del 40-45% de D₂O, i en aquesta concentració la dispersió de la proteïna serà indistinguible de la del tampó.Per utilitzar la variació de contrast, els diferents components d'un sistema s'han de dispersar de manera diferent. Això es pot basar en diferències de dispersió inherents, per exemple, ADN versus proteïna, o sorgir de components marcats de manera diferent, per exemple, tenir una proteïna en un complex deuterat mentre la resta són protonades. Pel que fa al modelatge, les dades de dispersió de neutrons i raigs X de petit angle es poden combinar amb el programa MONSA. Recentment s'ha publicat un exemple en què les dades SAXS, SANS i EM s'han utilitzat per construir un model atòmic d'un gran enzim multisubunitat. Per a alguns exemples d'aquest mètode vegeu.

Per a l'estudi de grans escales de matèria (per exemple, matèria tova) i dinàmica lenta, s'han d'utilitzar neutrons molt freds (VCN). Tanmateix, a causa del fluix de neutrons feble i la manca de components òptics en aquest rang, la majoria dels científics utilitzen neutrons de longituds d'ona més curtes. S'estan fent esforços per esmenar aquesta mancança.