stringtranslate.com

Малоугловое рентгеновское рассеяние

Малоугловое рентгеновское рассеяние ( SAXS ) — это метод малоуглового рассеяния , с помощью которого можно количественно оценить различия в плотности наночастиц в образце. Это означает, что он может определять распределение размеров наночастиц , разрешать размер и форму (монодисперсных) макромолекул , определять размеры пор, характерные расстояния частично упорядоченных материалов и многое другое. [1] Это достигается путем анализа упругого рассеивания рентгеновских лучей при прохождении через материал, регистрации их рассеяния под малыми углами (обычно 0,1–10°, отсюда и «Малоугловое» в его названии). Он относится к семейству методов малоуглового рассеяния (SAS) вместе с малоугловым рассеянием нейтронов и обычно выполняется с использованием жестких рентгеновских лучей с длиной волны 0,07–0,2 нм . В зависимости от углового диапазона, в котором может быть зарегистрирован четкий сигнал рассеяния, метод SAXS способен предоставлять структурную информацию с размерами от 1 до 100 нм и с повторяющимися расстояниями в частично упорядоченных системах до 150 нм. [2] USAXS (сверхмалые углы рентгеновского рассеяния) может разрешать даже большие размеры, [3] [4] [5] поскольку чем меньше регистрируемый угол, тем больше размеры исследуемого объекта.

SAXS и USAXS относятся к семейству методов рассеяния рентгеновских лучей , которые используются для характеристики материалов. В случае биологических макромолекул, таких как белки , преимущество SAXS перед кристаллографией заключается в том, что кристаллический образец не требуется. Кроме того, свойства SAXS позволяют исследовать конформационное разнообразие в этих молекулах. [6] Методы спектроскопии ядерного магнитного резонанса сталкиваются с проблемами с макромолекулами с более высокой молекулярной массой (> 30–40 кДа ). Однако из-за случайной ориентации растворенных или частично упорядоченных молекул пространственное усреднение приводит к потере информации в SAXS по сравнению с кристаллографией.

Приложения

SAXS используется для определения микромасштабной или наномасштабной структуры систем частиц с точки зрения таких параметров, как усредненные размеры частиц, формы, распределение и отношение поверхности к объему. [7] [8] [9] [10] Материалы могут быть твердыми или жидкими, и они могут содержать твердые, жидкие или газообразные домены (так называемые частицы) того же или другого материала в любой комбинации. Можно изучать не только частицы, но и структуру упорядоченных систем, таких как ламели и фракталоподобные материалы. Метод является точным, неразрушающим и обычно требует лишь минимальной подготовки образца. Применения очень широки и включают коллоиды [11] , [12] , [13] , [14] всех типов, включая интерполиэлектролитные комплексы, [15] , [16] , [17] мицеллы , [18] , [19] , [20] , [21] , [22] микрогели, [23] липосомы , [24] , [25] , [26] полимерсомы , [27] , [28] металлы, цемент, нефть, полимеры , [29] , [30] , [31] , [32] пластики, белки , [33] , [34] продукты питания и фармацевтические препараты и могут быть найдены в исследованиях, а также в контроле качества. Источником рентгеновского излучения может быть лабораторный источник или синхротронный свет , который обеспечивает более высокий поток рентгеновского излучения .

Резонансное малоугловое рентгеновское рассеяние

Можно повысить выход рентгеновского рассеяния [35] , согласовав энергию источника рентгеновского излучения с резонансным краем поглощения , как это делается для резонансного неупругого рентгеновского рассеяния . В отличие от стандартных измерений RIXS, считается, что рассеянные фотоны имеют ту же энергию, что и падающие фотоны.

SAXS-инструменты

В приборе SAXS монохроматический пучок рентгеновских лучей направляется на образец, от которого часть рентгеновских лучей рассеивается, в то время как большая часть просто проходит через образец, не взаимодействуя с ним. Рассеянные рентгеновские лучи образуют картину рассеяния, которая затем обнаруживается на детекторе, который обычно представляет собой 2-мерный плоский рентгеновский детектор, расположенный за образцом перпендикулярно направлению первичного пучка, который изначально попал на образец. Картина рассеяния содержит информацию о структуре образца. Основная проблема, которую необходимо преодолеть в приборе SAXS, — это отделение слабой рассеянной интенсивности от сильного основного пучка. Чем меньше желаемый угол, тем сложнее это становится. Проблема сравнима с той, которая возникает при попытке наблюдения слабо излучающего объекта вблизи Солнца, например, солнечной короны. Только если Луна закрывает основной источник света, корона становится видимой. Аналогично, в SAXS нерассеянный луч, который просто проходит через образец, должен быть заблокирован, не блокируя близко расположенное рассеянное излучение. Большинство доступных источников рентгеновского излучения создают расходящиеся пучки, и это усугубляет проблему. В принципе, проблему можно было бы решить, сфокусировав пучок, но это нелегко, когда речь идет о рентгеновских лучах, и ранее это не делалось, за исключением синхротронов , где можно использовать большие изогнутые зеркала. Вот почему большинство лабораторных малоугловых устройств вместо этого полагаются на коллимацию . Лабораторные приборы SAXS можно разделить на две основные группы: приборы с точечной коллимацией и приборы с линейной коллимацией:

Инструменты для точечного коллимирования

Инструменты с точечной коллимацией имеют отверстия , которые формируют рентгеновский луч в небольшое круглое или эллиптическое пятно, которое освещает образец. Таким образом, рассеяние центрально-симметрично распределено вокруг первичного рентгеновского луча, а картина рассеяния в плоскости обнаружения состоит из кругов вокруг первичного луча. Из-за малого объема освещенного образца и расточительности процесса коллимации — пропускаются только те фотоны, которые случайно летят в правильном направлении — рассеянная интенсивность мала, и поэтому время измерения составляет порядка часов или дней в случае очень слабых рассеивателей. Если используется фокусирующая оптика, такая как изогнутые зеркала или изогнутые монохроматорные кристаллы, или коллимирующая и монохромирующая оптика, такая как многослойные, время измерения может быть значительно сокращено. Точечная коллимация позволяет определять ориентацию неизотропных систем ( волокна , сдвиговые жидкости).

Линейно-коллимационные приборы

Инструменты с линейной коллимацией ограничивают пучок только в одном измерении (а не в двух, как при точечной коллимации), так что поперечное сечение пучка представляет собой длинную, но узкую линию. Освещенный объем образца намного больше по сравнению с точечной коллимацией, а рассеянная интенсивность при той же плотности потока пропорционально больше. Таким образом, время измерения с помощью инструментов SAXS с линейной коллимацией намного короче по сравнению с точечной коллимацией и находится в диапазоне минут. Недостатком является то, что записанный рисунок по сути является интегрированной суперпозицией (самосверткой ) многих соседних рисунков отверстий. Полученное размытие можно легко удалить с помощью алгоритмов без модели или методов деконволюции, основанных на преобразовании Фурье, но только если система изотропна. Линейная коллимация имеет большое преимущество для любых изотропных наноструктурированных материалов, например, белков, поверхностно-активных веществ, дисперсий частиц и эмульсий.

Производители инструментов SAXS

Производители приборов SAXS включают Anton Paar , Австрия; Bruker AXS , Германия; Hecus X-Ray Systems Graz, Австрия; Malvern Panalytical , Нидерланды; Rigaku Corporation, Япония; Xenocs , Франция; и Xenocs , США.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хэмли, И. В. «Малоугловое рассеяние: теория, приборы, данные и приложения» – Wiley, 2022. ISBN 978-1-119-76830-2.
  2. ^ Glatter O; Kratky O, ред. (1982). Малоугловое рентгеновское рассеяние. Academic Press . ISBN 0-12-286280-5. Архивировано из оригинала 21 апреля 2008 года.
  3. ^ Sztucki, M; Narayanan, T (2007). «Разработка прибора для сверхмалого углового рентгеновского рассеяния для исследования микроструктуры и динамики мягкой материи». Журнал прикладной кристаллографии . 40 : s459–s462. doi : 10.1107/S0021889806045833 . ISSN  1600-5767.
  4. ^ Narayanan, T; Sztucki, M; Van Vaerenbergh, P; Léonardon, J; Gorini, J; Claustre, L; Sever, F; Morse, J; Boesecke, P (2018). «Многоцелевой прибор для сверхмалых углов и когерентного рентгеновского рассеяния с временным разрешением». Журнал прикладной кристаллографии . 51 (6): 1511–1524. doi :10.1107/S1600576718012748. ISSN  1600-5767. PMC 6276275. PMID 30546286  . 
  5. ^ Патил, Н; Нараянан, Т; Михельс, Л; Скьёнсфьелл, ЭТБ; Гизар-Сикайрос, М; Ван ден Бранде, Н; Классенс, Р; Ван Меле, Б; Брейби, ДВ (май 2019 г.). «Исследование органических тонких пленок с помощью когерентной рентгеновской визуализации и рентгеновского рассеяния». ACS Applied Polymer Materials . 1 (7): 1787–1797. doi :10.1021/acsapm.9b00324. ISSN  2637-6105. S2CID  189992231.
  6. ^ Burger, Virginia M., Daniel J. Arenas и Collin M. Stultz. «Метод количественной оценки конформационной гибкости белков без учета структуры». Scientific reports 6 (2016): 29040. DOI: 10.1038/srep29040 (2016).| http://hdl.handle.net/1721.1/108809
  7. ^ Педерсен, Дж. С. (июль 1997 г.). «Анализ данных малоуглового рассеяния от коллоидов и полимерных растворов: моделирование и подгонка по методу наименьших квадратов». Advances in Colloid and Interface Science . 70 : 171–210. doi :10.1016/S0001-8686(97)00312-6. ISSN  0001-8686.
  8. ^ Педерсен, Дж. С. (2000). «Форм-факторы мицелл блок-сополимеров со сферическими, эллипсоидальными и цилиндрическими ядрами». Журнал прикладной кристаллографии . 33 (3): 637–640. doi :10.1107/S0021889899012248. ISSN  1600-5767.
  9. ^ Педерсен, Дж. С. (1994). «Определение распределения размеров из данных рассеяния под малыми углами для систем с эффективным взаимодействием твердых сфер». Журнал прикладной кристаллографии . 27 (4): 595–608. doi :10.1107/S0021889893013810. ISSN  1600-5767.
  10. ^ Gommes, CJ; Jaksch, S; Frielinghaus, H (2021). «Малоугловое рассеяние для начинающих». Журнал прикладной кристаллографии . 54 (6): 1832–1843. doi : 10.1107/S1600576721010293 . PMC 8662971. PMID  34963770 . 
  11. ^ Холламби, Мартин Дж.; Аратсу, Кейсуке; Пау, Брайан Р.; Роджерс, Сара Э.; Смит, Эндрю Дж.; Ямаути, Мицуаки; Лин, Сюй; Ягай, Шики (16 августа 2016 г.). «Одновременный анализ SAXS и SANS для обнаружения тороидальных супрамолекулярных полимеров, состоящих из нековалентных супермакроциклов в растворе». Angewandte Chemie . 128 (34): 10044–10047. Bibcode : 2016AngCh.12810044H. doi : 10.1002/ange.201603370.
  12. ^ Фанова, Анастасия; Джаната, Мирослав; Филиппов Сергей К.; Шлоуф, Мирослав; Нетопилик, Милош; Мариани, Алессандро; Штепанек, Мирослав (27 августа 2019 г.). «Эволюция структуры гребенчатого сополимера и коацервата ПАВ». Макромолекулы . 52 (16): 6303–6310. Бибкод : 2019MaMol..52.6303F. doi : 10.1021/acs.macromol.9b00332. ISSN  0024-9297. S2CID  202079335.
  13. ^ Чжан, Сяохан; Ниебуур, Барт-Ян; Хитил, Петр; Этрих, Томас; Филиппов, Сергей К.; Кихней, Алексей; Виланд, Д. К. Флориан; Свергун, Дмитрий И.; Пападакис, Кристин М. (12.02.2018). "Макромолекулярные наночастицы на основе p HPMA с холестерином для воздействия на солидные опухоли: поведение в среде белка HSA". Biomacromolecules . 19 (2): 470–480. doi :10.1021/acs.biomac.7b01579. ISSN  1525-7797. PMID  29381335.
  14. ^ Фанова, Анастасия; Шинделка, Карел; Учман, Мариуш; Лимпухова, Зузана; Филиппов Сергей К.; Писпас, Стергий; Прохазка, Карел; Штепанек, Мирослав (25 сентября 2018 г.). «Совместная сборка поли(N-изопропилакриламида) с додециловыми и карбоксильными концевыми группами с катионным поверхностно-активным веществом: критическое сравнение экспериментальных данных и данных моделирования». Макромолекулы . 51 (18): 7295–7308. Бибкод : 2018MaMol..51.7295F. doi :10.1021/acs.macromol.8b01161. ISSN  0024-9297. S2CID  105195163.
  15. ^ Лейснер, Дитрих; Имае, Тоёко (2003-08-01). «Образование интерполиэлектролитного комплекса и коацервата поли(глутаминовой кислоты) с дендримером, изученное с помощью рассеяния света и малоуглового рентгеновского рассеяния». Журнал физической химии B. 107 ( 32): 8078–8087. doi :10.1021/jp027365l. ISSN  1520-6106.
  16. ^ Мурмилюк, Анастасия; Матейичек, Павел; Филиппов, Сергей К.; Яната, Мирослав; Шлоуф, Мирослав; Писпас, Стергиос; Штепанек, Мирослав (2018). «Формирование наночастиц core/corona с интерполиэлектролитными комплексными ядрами в водном растворе: понимание динамики цепи в комплексе по тушению флуоресценции». Soft Matter . 14 (37): 7578–7585. Bibcode :2018SMat...14.7578M. doi :10.1039/C8SM01174E. ISSN  1744-683X. PMID  30140809.
  17. ^ Dähling, Claudia; Lotze, Gudrun; Drechsler, Markus; Mori, Hideharu; Pergushov, Dmitry V.; Plamper, Felix A. (2016). «Температурно-индуцированное переключение структуры в термочувствительных мицеллярных интерполиэлектролитных комплексах: к морфологии типа ядро–оболочка–корона и червеобразным структурам». Soft Matter . 12 (23): 5127–5137. Bibcode :2016SMat...12.5127D. doi :10.1039/C6SM00757K. ISSN  1744-683X. PMID  27194585.
  18. ^ Sommer, Cornelia; Pedersen, Jan Skov; Garamus, Vasil M. (2005-03-01). "Структура и взаимодействия мицелл блок-сополимера Brij 700, изученные с помощью комбинирования малоуглового рентгеновского и нейтронного рассеяния". Langmuir . 21 (6): 2137–2149. doi :10.1021/la047489k. ISSN  0743-7463. PMID  15752000.
  19. ^ Филиппов, Сергей К.; Хитил, Петр; Конарев, Петр В.; Дьяконова, Маргарита; Пападакис, Кристин М.; Жигунов, Александр; Плестил, Йозеф; Степанек, Петр; Этрих, Томас; Ульбрих, Карел; Свергун, Дмитрий И. (13.08.2012). "Макромолекулярные наночастицы на основе HPMA с холестерином для воздействия на солидные опухоли: подробное исследование внутренней структуры высокоэффективной системы доставки лекарств". Biomacromolecules . 13 (8): 2594–2604. doi :10.1021/bm3008555. ISSN  1525-7797. PMID  22793269.
  20. ^ Филиппов, Сергей К.; Франклин, Джон М.; Конарев, Петр В.; Хитил, Петр; Этрих, Томас; Богомолова, Анна; Дьяконова, Маргарита; Пападакис, Кристин М.; Радулеску, Аурел; Ульбрих, Карел; Степанек, Петр (11.11.2013). «Гидролитически разлагаемые полимерные мицеллы для доставки лекарств: исследование кинетики малоуглового рассеяния рентгеновских лучей/малых нейтронов». Biomacromolecules . 14 (11): 4061–4070. doi :10.1021/bm401186z. ISSN  1525-7797. PMID  24083567. S2CID  36632159.
  21. ^ Рябцева, Анна; Каберов, Леонид И.; Нуарез, Лоренс; Рюхтин, Василь; Нардин, Коринн; Вербракен, Барт; Хугенбум, Ричард; Степанек, Петр; Филиппов, Сергей К. (февраль 2018 г.). «Структурная характеристика наночастиц, образованных фторированными поли(2-оксазолиновыми)-основанными полифилами». European Polymer Journal . 99 : 518–527. doi :10.1016/j.eurpolymj.2018.01.007. hdl : 1854/LU-8561215 . S2CID  102663271.
  22. ^ Филиппов, Сергей К.; Вербракен, Барт; Конарев, Петр В.; Свергун, Дмитрий И.; Ангелов, Борислав; Вишневецкая, Наталья С.; Пападакис, Кристин М.; Роджерс, Сара; Радулеску, Аурел; Куртен, Тим; Мартинс, Хосе К. (17.08.2017). «Блочные и градиентные сополи(2-оксазолиновые) мицеллы: поразительно разные изнутри». The Journal of Physical Chemistry Letters . 8 (16): 3800–3804. doi : 10.1021/acs.jpclett.7b01588 . hdl : 1854/LU-8534833 . ISSN  1948-7185. PMID  28759235. S2CID  206664063.
  23. ^ Suzuki, Daisuke; Nagase, Yasuhisa; Kureha, Takuma; Sato, Takaaki (2014-02-27). «Внутренние структуры термочувствительных гибридных микрогелей, исследованные с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния». The Journal of Physical Chemistry B. 118 ( 8): 2194–2204. doi :10.1021/jp410983x. ISSN  1520-6106. PMID  24517119.
  24. ^ Чавес, Матеус Андраде; Осельеро Фильо, Педро Леонидас; Янге, Камила Гарсия; Синигалья-Коимбра, Рита; Оливейра, Криштиану Луиш Пинту; Пиньо, Саманта Кристина (июль 2018 г.). «Структурная характеристика мультиламеллярных липосом, инкапсулирующих куркумин и витамин D3». Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и инженерные аспекты . 549 : 112–121. doi : 10.1016/j.colsurfa.2018.04.018. S2CID  103002028.
  25. ^ Ди Кола, Эмануэла; Грилло, Изабель; Ристори, Сандра (2016-03-28). «Малоугловое рентгеновское и нейтронное рассеяние: мощные инструменты для изучения структуры липосом, нагруженных лекарствами». Фармацевтика . 8 (2): 10. doi : 10.3390/pharmaceutics8020010 . ISSN  1999-4923. PMC 4932473. PMID  27043614 . 
  26. ^ Заборова, Ольга В.; Филиппов, Сергей К.; Хитил, Петр; Ковачик, Любомир; Ульбрих, Карел; Ярославов, Александр А.; Этрих, Томаш (апрель 2018 г.). "Новый подход к повышению стабильности липосомальных контейнеров с помощью покрытия In Prep Poly[N-(2-гидроксипропил)метакриламидом] с ковалентно прикрепленными группами холестерина". Macromolecular Chemistry and Physics . 219 (7): 1700508. doi :10.1002/macp.201700508.
  27. ^ Брессель, Катарина; Мутиг, Майкл; Прево, Сильвен; Гуммель, Джереми; Нараянан, Йенчери; Градзельски, Майкл (2012-07-24). «Формирование везикул — контроль размера и стабильности путем примешивания амфифильного сополимера». ACS Nano . 6 (7): 5858–5865. doi :10.1021/nn300359q. ISSN  1936-0851. PMID  22713309.
  28. ^ Mable, Charlotte J.; Derry, Matthew J.; Thompson, Kate L.; Fielding, Lee A.; Mykhaylyk, Oleksandr O.; Armes, Steven P. (2017-06-13). "Time-Resolved SAXS Studies of the Kinetics of Thermally Triggered Release of Encapsulated Silica Nanoparticles from Block Copolymer Vesicles". Macromolecules . 50 (11): 4465–4473. Bibcode :2017MaMol..50.4465M. doi :10.1021/acs.macromol.7b00475. ISSN  0024-9297. PMC 5472368 . PMID  28626247. 
  29. ^ Филиппов, Сергей К.; Богомолова, Анна; Каберов, Леонид; Величкивская, Надежда; Старовойтова, Лариса; Чернохова, Зульфия; Роджерс, Сара Э.; Лау, Винг Мэн; Хуторянский, Виталий В.; Кук, Майкл Т. (2016-05-31). "Внутренняя структура наночастиц термочувствительных самоорганизующихся триблок-сополимеров PNIPAM- b -PEG- b -PNIPAM в водных растворах: исследования ЯМР, МУРН и рассеяния света". Langmuir . 32 (21): 5314–5323. doi : 10.1021/acs.langmuir.6b00284 . hdl : 2299/17369 . ISSN  0743-7463. PMID  27159129.
  30. ^ Кук, Майкл Т.; Филиппов, Сергей К.; Хуторянский, Виталий В. (август 2017 г.). «Синтез и свойства раствора термочувствительного триблок-сополимера PNIPAM–b-PDMS–b-PNIPAM». Colloid and Polymer Science . 295 (8): 1351–1358. doi :10.1007/s00396-017-4084-y. hdl : 2299/19649 . ISSN  0303-402X. S2CID  100587522.
  31. ^ Сергеева, Ольга; Власов, Петр С.; Домнина, Нина С.; Богомолова, Анна; Конарев, Петр В.; Свергун, Дмитрий И.; Вальтерова, Зузана; Горский, Иржи; Степанек, Петр; Филиппов, Сергей К. (2014). «Новые термочувствительные телехелические ПЭГ с антиоксидантной активностью: синтез, молекулярные свойства и конформационное поведение». RSC Adv . 4 (79): 41763–41771. Bibcode : 2014RSCAd...441763S. doi : 10.1039/C4RA06978A. ISSN  2046-2069.
  32. ^ Каберов, Леонид И.; Каберова, Жансая; Мурмилюк Анастасия; Трусил, Иржи; Седлачек, Ондржей; Конефаль, Рафаль; Жигунов Александр; Павлова, Ева; Вит, Мартин; Жирак, Даниэль; Хугенбум, Ричард (28 июня 2021 г.). «Фторсодержащие блок- и градиентные сополи (2-оксазолины) на основе 2-(3,3,3-трифторпропил)-2-оксазолина: поиск оптимальной самособирающейся структуры для визуализации 19F». Биомакромолекулы . 22 (7): 2963–2975. doi : 10.1021/acs.biomac.1c00367. ISSN  1525-7797. PMID  34180669. S2CID  235659596.
  33. ^ Бернадо, Пау; Свергун, Дмитрий И. (2012). «Структурный анализ внутренне неупорядоченных белков с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния». Mol. BioSyst . 8 (1): 151–167. doi :10.1039/C1MB05275F. ISSN  1742-206X. PMID  21947276.
  34. ^ Янисова, Лариса; Грузинов, Андрей; Заборова Ольга Владимировна; Величковская, Надежда; Ванек, Ондржей; Хитил, Петр; Этрих, Томаш; Янушкова, Ольга; Чжан, Сяохань; Бланше, Клеман; Пападакис, Кристин М. (28 января 2020 г.). «Молекулярные механизмы взаимодействия сополимеров N-(2-гидроксипропил)метакриламида, предназначенных для терапии рака, с белками плазмы крови». Фармацевтика . 12 (2): 106. doi : 10.3390/pharmaceutics12020106 . ISSN  1999-4923. ПМК 7076460 . ПМИД  32013056. 
  35. ^ Schuelke, Winfried (21 июня 2007 г.). Электронная динамика с помощью неупругого рассеяния рентгеновских лучей . Oxford University Press. ISBN 9780191523281.

Внешние ссылки