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¿Por qué existen diferencias tan sorprendentes entre el hidrógeno y el deuterio en SANS? ¡Descubra la misteriosa tecnología de cambio de contraste!
La dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) es una tecnología experimental emergente que se utiliza específicamente para estudiar la estructura de diferentes sustancias a escala mesoscópica (alrededor de 1 a 100 nanómetros). En comparación con la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS), SANS proporciona un medio único para analizar la estructura interna de sistemas desordenados, especialmente en muestras con faltas de homogeneidad de densidad dispuestas aleatoriamente. Las principales ventajas de utilizar técnicas de dispersión de ángulo pequeño son su sensibilidad a elementos ligeros y la posibilidad de marcaje isotópico, especialmente en las ciencias biológicas.
La dispersión de neutrones de ángulo pequeño tiene propiedades únicas que la hacen superior a otras técnicas, especialmente cuando se exploran muestras biológicas.
Principios y tecnología
En un experimento SANS, se dirige un haz de neutrones a muestras, que pueden ser soluciones acuosas, sólidos, polvos o cristales. Los neutrones se dispersan elásticamente bajo la influencia de interacciones nucleares. Esta interacción depende de diferentes isótopos. Esta característica hace que el hidrógeno (H) y el deuterio (D) muestren diferencias evidentes en el proceso de dispersión. Dado que la longitud de dispersión del hidrógeno es negativa, la fase de dispersión de neutrones de los átomos de hidrógeno es 180 grados diferente de la de otros elementos, lo que permite a la tecnología SANS explotar eficazmente estas diferencias de fase para cambios de contraste.
Las sorprendentes diferencias entre el hidrógeno y el deuterio nos permiten obtener información sobre sistemas biológicos complejos a través de técnicas de cambio contrastivo.
Tecnologías relacionadas
SANS suele utilizar la colimación del haz de neutrones para determinar el ángulo de dispersión, lo que da como resultado una relación señal-ruido baja de los datos relevantes obtenidos de la muestra. Para superar este desafío, muchos investigadores optan por aumentar el brillo de la fuente de luz, mediante el uso de dispersión de neutrones de ángulo ultrapequeño (USANS). También se ha introducido recientemente una técnica alternativa, la dispersión de neutrones de ángulo pequeño con eco de espín (SESANS), para ampliar el rango de larga escala que puede estudiarse en la dispersión de neutrones mediante el seguimiento del ángulo de dispersión. Algunas técnicas, como la dispersión por inclinación de ángulo pequeño (GISANS), combinan ideas de SANS y técnicas de reflexión de neutrones, ampliando aún más el alcance de la investigación.
Aplicaciones en biología
La importancia de SANS en las ciencias biológicas está estrechamente relacionada con el comportamiento especial entre el hidrógeno y el deuterio. En los sistemas biológicos, la presencia de hidrógeno se puede intercambiar por deuterio, lo que tiene un efecto mínimo en la muestra pero puede tener un efecto sorprendente en los resultados de la dispersión. La variación del contraste se basa en las diferentes propiedades de dispersión del hidrógeno y el deuterio. Las muestras biológicas a menudo se disuelven en agua, donde el hidrógeno se puede intercambiar por deuterio en el disolvente, lo que hace que el efecto de dispersión general de la molécula dependa de la proporción de hidrógeno a deuterio.
En ciertas proporciones de agua con hidrógeno y agua con deuterio, llamadas puntos de coincidencia, la dispersión de las moléculas coincidirá con la dispersión del disolvente, eliminando la interferencia de los datos.
Para las proteínas, por ejemplo, el punto de coincidencia suele ser una concentración de D2O de aproximadamente 40%-45%, donde la dispersión de la muestra es casi indistinguible de la dispersión del tampón. La técnica se basa no solo en la dispersión diferencial de los componentes dentro de la muestra, sino que también se puede lograr marcando componentes de manera diferencial, como tener una proteína marcada con deuterio pesado mientras el resto sigue siendo hidrógeno ligero.
Instrumentos
Hay una variedad de instrumentos SANS disponibles en instalaciones de neutrones de todo el mundo, incluidos reactores de investigación y fuentes de espalación. Estos instrumentos están diseñados para explorar en profundidad estructuras a nanoescala y avanzar en la investigación en biología, ciencia de materiales y otras disciplinas.
Con el avance de la ciencia y la tecnología, el alcance de la aplicación de SANS continúa expandiéndose y muchos investigadores han comenzado a combinar datos de dispersión de rayos X de ángulo pequeño, SANS y microscopía electrónica para realizar modelos estructurales más completos. No hace mucho, hubo un informe de investigación que construyó con éxito un modelo atómico de una gran enzima de múltiples subunidades utilizando estas tecnologías, lo que muestra el potencial de SANS combinado con otras tecnologías de dispersión.
De cara al futuro, ¿cómo aprovechar aún más el potencial de SANS en diversos campos científicos, especialmente su desempeño en la investigación de microestructuras, sigue siendo un tema importante que los científicos deben discutir?
