La dispersión de neutrones de ángulo pequeño ( SANS ) es una técnica experimental que utiliza la dispersión de neutrones elástica en ángulos de dispersión pequeños para investigar la estructura de varias sustancias a una escala mesoscópica de aproximadamente 1 a 100 nm.
La dispersión de neutrones de ángulo pequeño es en muchos aspectos muy similar a la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS); ambas técnicas se denominan conjuntamente dispersión de ángulo pequeño (SAS). Las ventajas de SANS sobre SAXS son su sensibilidad a los elementos ligeros, la posibilidad de etiquetado isotópico y la fuerte dispersión por momentos magnéticos.
Técnica
Durante un experimento SANS, un haz de neutrones se dirige a una muestra, que puede ser una solución acuosa, un sólido, un polvo o un cristal . Los neutrones se dispersan elásticamente por interacción nuclear con los núcleos o interacción con el momento magnético de electrones no apareados. En la dispersión de rayos X, los fotones interactúan con la nube electrónica, por lo que cuanto más grande es el elemento, mayor es el efecto. En la dispersión de neutrones, los neutrones interactúan con los núcleos y la interacción depende del isótopo; algunos elementos ligeros como el deuterio muestran una sección transversal de dispersión similar a la de elementos pesados como el Pb.
En la teoría dinámica de la difracción de orden cero, el índice de refracción está directamente relacionado con la densidad de longitud de dispersión y es una medida de la fuerza de la interacción de una onda de neutrones con un núcleo dado. La siguiente tabla muestra la longitud de dispersión de neutrones para algunos elementos químicos (en 10-12 cm). [1]
H | D | C | norte | O | PAG | S |
---|---|---|---|---|---|---|
−0,3742 | 0,6671 | 0,6651 | 0,940 | 0.5804 | 0.517 | 0.2847 |
Tenga en cuenta que la escala relativa de las longitudes de dispersión es la misma. Otro punto importante es que la dispersión del hidrógeno es distinta de la del deuterio . Además, el hidrógeno es uno de los pocos elementos que tiene una dispersión negativa, lo que significa que los neutrones desviados del hidrógeno están desfasados 180 ° con respecto a los desviados por los otros elementos. Estas características son importantes para la técnica de variación del contraste (ver más abajo).
Técnicas relacionadas
SANS generalmente usa la colimación del haz de neutrones para determinar el ángulo de dispersión de un neutrón, lo que da como resultado una relación señal / ruido cada vez más baja para los datos que contienen información sobre las propiedades de una muestra en escalas de longitud relativamente largas, más allá de ~ 1 μm . La solución tradicional es aumentar el brillo de la fuente, como en la dispersión de neutrones de ángulo ultra pequeño (USANS). Como alternativa, se introdujo la Dispersión de neutrones de ángulo pequeño con eco de espín (SESANS), utilizando el eco de espín de neutrones para rastrear el ángulo de dispersión y expandiendo el rango de escalas de longitud que se pueden estudiar mediante la dispersión de neutrones a más de 10 μm.
La dispersión de ángulo pequeño de incidencia rasante (GISANS) combina ideas de SANS y de reflectometría de neutrones .
En biologia
Una característica crucial de SANS que lo hace particularmente útil para las ciencias biológicas es el comportamiento especial del hidrógeno, especialmente en comparación con el deuterio. En los sistemas biológicos, el hidrógeno se puede intercambiar con deuterio, que normalmente tiene un efecto mínimo en la muestra, pero tiene efectos dramáticos en la dispersión.
La técnica de variación de contraste (o coincidencia de contraste ) se basa en la dispersión diferencial de hidrógeno frente a deuterio. La Figura 1 muestra la densidad de longitud de dispersión del agua y varias macromoléculas biológicas en función de la concentración de deuterio. (Adaptado de. [1] ) Las muestras biológicas generalmente se disuelven en agua, por lo que sus hidrógenos pueden intercambiarse con cualquier deuterio en el solvente . Dado que la dispersión general de una molécula depende de la dispersión de todos sus componentes, esto dependerá de la proporción de hidrógeno a deuterio en la molécula. En ciertas proporciones de H 2 O a D 2 O, llamadas puntos de coincidencia, la dispersión de la molécula será igual a la del disolvente y, por lo tanto, se eliminará cuando la dispersión del tampón se reste de los datos. Por ejemplo, el punto de coincidencia para las proteínas es típicamente alrededor del 40-45% de D 2 O, ya esa concentración la dispersión de la proteína será indistinguible de la del tampón.
Para usar la variación de contraste, los diferentes componentes de un sistema deben dispersarse de manera diferente. Esto puede basarse en diferencias de dispersión inherentes, por ejemplo, ADN frente a proteína, o surgir de componentes marcados diferencialmente, por ejemplo, tener una proteína en un complejo deuterado mientras que el resto está protonado. En términos de modelado, los datos de dispersión de neutrones y rayos X de ángulo pequeño se pueden combinar con el programa MONSA. Recientemente se ha publicado un ejemplo en el que se han utilizado datos de SAXS, SANS y EM para construir un modelo atómico de una gran enzima de múltiples subunidades. [2] Para ver algunos ejemplos de este método, consulte. [3]
Instrumentos
Hay numerosos instrumentos SANS disponibles en todo el mundo en instalaciones de neutrones, como reactores de investigación o fuentes de espalación .
Ver también
Referencias
- ↑ a b Jacrot, B (1976). "El estudio de estructuras biológicas por dispersión de neutrones desde solución" . Informes sobre avances en física . 39 (10): 911–53. Código Bibliográfico : 1976RPPh ... 39..911J . doi : 10.1088 / 0034-4885 / 39/10/001 .
- ^ Kennaway, Chris; Taylor, James; et al. (1 de enero de 2012). "Estructura y funcionamiento de las enzimas de restricción de ADN de tipo I de translocación de ADN" . Genes y desarrollo . 26 (4): 92-104. doi : 10.1101 / gad.179085.111 . PMC 3258970 . PMID 22215814 .
- ^ Perkins, SJ (1 de enero de 1988). "Estudios estructurales de proteínas por dispersión de solución de neutrones y rayos X de alto flujo" . Revista bioquímica . 254 (2): 313–27. PMC 1135080 . PMID 3052433 .
Libros de texto
- Fejgin, Lev A .: Análisis de estructuras mediante rayos X de ángulo pequeño y dispersión de neutrones. Nueva York: Plenum (1987).
- Higgins, Julia S .; Benoît, Henri: Polímeros y dispersión de neutrones. Oxford: Clarendon Press (¿1994?).
enlaces externos
- El portal de dispersión de ángulo pequeño , colección de enlaces, con una lista de software elaborada
- Directorio mundial de instrumentos SANS
- B. Hammouda: Sondeo de estructuras a nanoescala: la caja de herramientas SANS (690 páginas)
- Dispersión de ángulo pequeño en la fuente de neutrones y muones de ISIS