تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة ( SANS ) هو تقنية تجريبية تستخدم تشتت النيوترونات المرن بزوايا تشتت صغيرة لدراسة بنية المواد المختلفة على نطاق متوسط ​​يبلغ حوالي 1-100  نانومتر.

يُشابه تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة، من نواحٍ عديدة، تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS)؛ ويُشار إلى كلتا التقنيتين معًا باسم تشتت الزاوية الصغيرة (SAS). [ 1 ] وتتمثل أهم ميزة لطريقة SAS في قدرتها على تحليل البنية الداخلية للأنظمة غير المنتظمة، وغالبًا ما يُعد تطبيق هذه الطريقة وسيلة فريدة للحصول على معلومات هيكلية مباشرة عن الأنظمة ذات التوزيع العشوائي لعدم تجانس الكثافة على نطاقات واسعة. أما مزايا تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) على تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS) فتتمثل في حساسيته للعناصر الخفيفة، وإمكانية وسم النظائر، والتشتت القوي بواسطة العزوم المغناطيسية.

تقنية

في تجربة تشتت النيوترونات بزوايا صغيرة (SANS)، يُوجَّه شعاع من النيوترونات نحو عينة، قد تكون محلولًا أو مادة صلبة أو مسحوقًا أو بلورة . تتشتت النيوترونات تشتتًا مرنًا نتيجة تفاعلها مع النوى أو مع الزخم المغناطيسي للإلكترونات غير المزدوجة. في تشتت الأشعة السينية، تتفاعل الفوتونات مع السحابة الإلكترونية، لذا كلما زاد حجم العنصر، زاد التأثير. أما في تشتت النيوترونات، فتتفاعل النيوترونات مع النوى، ويعتمد هذا التفاعل على النظير ؛ إذ تُظهر بعض العناصر الخفيفة، كالهيدروجين، مقطعًا عرضيًا للتشتت مشابهًا للعناصر الثقيلة، كالرصاص .

في نظرية الحيود الديناميكية من الرتبة الصفرية ، يرتبط معامل الانكسار ارتباطًا مباشرًا بكثافة طول التشتت ، وهو مقياس لقوة تفاعل موجة النيوترون مع نواة معينة. يوضح الجدول التالي طول تشتت النيوترون لبعض العناصر الكيميائية بوحدة الفيمتومتر (fm) . [ 2 ]

ح2 ساعةجشمالياPS
-3.7426.6716.6519.405.8045.172.847

المقياس النسبي لأطوال التشتت متساوٍ. كما أن تشتت الإلكترونات من الهيدروجين (¹H ) يختلف عن تشتتها من الديوتيريوم . يُعدّ الهيدروجين من العناصر القليلة التي لها طول تشتت سالب، مما يعني أن النيوترونات المنحرفة من الهيدروجين تكون خارج الطور بمقدار 180° بالنسبة لتلك المنحرفة من العناصر الأخرى. هذه الخصائص مهمة لتقنية تغيير التباين (انظر أدناه).

تستخدم تقنية تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) عادةً تجميع حزمة النيوترونات لتحديد زاوية التشتت، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل ملحوظ للبيانات التي تحتوي على معلومات حول خصائص العينة على نطاقات طولية كبيرة نسبيًا، تتجاوز 1 ميكرومتر تقريبًا. يتمثل الحل التقليدي في زيادة سطوع المصدر، كما هو الحال في تقنية تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة جدًا (USANS). وكبديل، تم تقديم تقنية تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة باستخدام صدى الدوران (SESANS)، والتي تستخدم صدى دوران النيوترون لتتبع زاوية التشتت، مما يوسع نطاق النطاقات الطولية التي يمكن دراستها بواسطة تشتت النيوترونات إلى ما هو أبعد من 10 ميكرومتر.

يجمع تشتت الزاوية الصغيرة عند السقوط المماسي (GISANS) بين أفكار تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) وانعكاس النيوترونات .

في علم الأحياء

الشكل 1 : العلاقة بين تشتت الجزيئات الحيوية الكبيرة المختلفة كدالة لتركيز D2O.

من أهم خصائص تقنية تشتت النيوترونات بزوايا صغيرة (SANS) التي تجعلها مفيدة بشكل خاص في العلوم البيولوجية، هو السلوك المميز للهيدروجين، لا سيما بالمقارنة مع الديوتيريوم. ففي الأنظمة البيولوجية، يمكن استبدال الهيدروجين بالديوتيريوم، وهو ما يكون له عادةً تأثير ضئيل على العينة، ولكنه يُحدث تأثيرات كبيرة على التشتت.

تعتمد تقنية تباين التباين (أو مطابقة التباين ) على التشتت التفاضلي للهيدروجين مقابل الديوتيريوم. يوضح الشكل 1 كثافة طول التشتت للماء وجزيئات حيوية كبيرة مختلفة كدالة لتركيز الديوتيريوم. (مقتبس من [ 2 ] ). عادةً ما تُذاب العينات البيولوجية في الماء، لذا فإن ذرات الهيدروجين فيها قادرة على التبادل مع أي ذرات ديوتيريوم في المذيب . وبما أن التشتت الكلي للجزيء يعتمد على تشتت جميع مكوناته، فإن هذا يعتمد على نسبة الهيدروجين إلى الديوتيريوم في الجزيء. عند نسب معينة من H₂O إلى D₂O ، تُسمى نقاط المطابقة، يتساوى تشتت الجزيء مع تشتت المذيب، وبالتالي يُزال عند طرح تشتت المحلول المنظم من البيانات. على سبيل المثال، تكون نقطة المطابقة للبروتينات عادةً حوالي 40-45% D₂O ، وعند هذا التركيز، يكون تشتت البروتين غير قابل للتمييز عن تشتت المحلول المنظم.

لاستخدام تباين التباين، يجب أن تتشتت مكونات النظام المختلفة بشكل مختلف. يمكن أن يستند هذا إلى اختلافات التشتت الذاتية، مثل الحمض النووي مقابل البروتين، أو ينشأ من مكونات موسومة بشكل مختلف، مثل وجود بروتين واحد في مركب مُدَوتَر بينما تكون بقية البروتينات مُبرتَنة. من حيث النمذجة، يمكن دمج بيانات تشتت الأشعة السينية والنيوترونات بزوايا صغيرة مع برنامج MONSA. نُشر مؤخرًا مثالٌ استُخدمت فيه بيانات SAXS وSANS وEM لبناء نموذج ذري لإنزيم كبير متعدد الوحدات الفرعية. [ 3 ] للاطلاع على بعض الأمثلة لهذه الطريقة، انظر [ 4 ] .

الآلات الموسيقية

تتوفر العديد من أجهزة تشتت النيوترونات بزوايا صغيرة (SANS) في جميع أنحاء العالم في مرافق النيوترونات مثل مفاعلات الأبحاث أو مصادر التفتت .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ هاملي، آي دبليو "التشتت بزاوية صغيرة: النظرية، والأجهزة، والبيانات، والتطبيقات" – وايلي، 2022.
  2. 1 2 جاكرو، ب (1976). "دراسة البنى البيولوجية بواسطة تشتت النيوترونات من المحلول" . تقارير عن التقدم في الفيزياء . 39 (10): 911-53 . Bibcode : 1976RPPh...39..911J . doi : 10.1088/0034-4885/39/10/001 . S2CID 250751286 . 
  3. ↑ كينواي، كريس؛ تايلور، جيمس؛ وآخرون . (1 يناير 2012). "بنية وعمل إنزيمات تقييد الحمض النووي من النوع الأول التي تنقل الحمض النووي" . الجينات والتطور . 26 (4): 92-104 . doi : 10.1101/gad.179085.111 . PMC 3258970. PMID 22215814 .   
  4. ↑ بيركنز، إس. جيه. (1 يناير 1988). "دراسات بنيوية للبروتينات باستخدام تشتت الأشعة السينية والنيوترونات في المحلول عالي التدفق" . مجلة الكيمياء الحيوية . 254 (2): 313-327 . doi : 10.1042/bj2540313 . PMC 1135080. PMID 3052433 .  

الكتب الدراسية

  • فيجين، ليف أ.: تحليل البنية بواسطة تشتت الأشعة السينية والنيوترونات بزاوية صغيرة. نيويورك: بلينوم (1987).
  • هيغينز، جوليا س .؛ بينوا، هنري: البوليمرات وتشتت النيوترونات. أكسفورد: مطبعة كلارندون (1994؟).
  • هاملي، إيان : التشتت بزاوية صغيرة: النظرية، والأجهزة، والبيانات، والتطبيقات تشيتشستر: وايلي (2022).