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Pourquoi y a-t-il des différences si surprenantes entre l'hydrogène et le deutérium dans le SANS ? Découvrez la mystérieuse technologie de changement de contraste !
La diffusion de neutrons aux petits angles (SANS) est une technologie expérimentale émergente spécifiquement utilisée pour étudier la structure de différentes substances à l'échelle mésoscopique (environ 1 à 100 nanomètres). Comparé à la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), SANS fournit un moyen unique d'analyser la structure interne des systèmes désordonnés, en particulier dans les échantillons présentant des inhomogénéités de densité disposées de manière aléatoire. Les principaux avantages de l’utilisation des techniques de diffusion aux petits angles sont leur sensibilité aux éléments lumineux et la possibilité de marquage isotopique, notamment dans le domaine des sciences biologiques.
La diffusion de neutrons aux petits angles possède des propriétés uniques qui la rendent supérieure aux autres techniques, notamment lors de l'exploration d'échantillons biologiques.
Principes et technologie
Dans une expérience SANS, un faisceau de neutrons est dirigé vers des échantillons, qui peuvent être des solutions aqueuses, des solides, des poudres ou des cristaux. Les neutrons sont diffusés élastiquement sous l'influence d'interactions nucléaires. Cette interaction dépend de différents isotopes. Cette caractéristique fait que l'hydrogène (H) et le deutérium (D) présentent des différences évidentes dans le processus de diffusion. Étant donné que la longueur de diffusion de l'hydrogène est négative, la phase de diffusion des neutrons des atomes d'hydrogène est différente de 180 degrés de celle des autres éléments, ce qui permet à la technologie SANS d'exploiter efficacement ces différences de phase pour les changements de contraste.
Les différences surprenantes entre l'hydrogène et le deutérium nous permettent de mieux comprendre des systèmes biologiques complexes grâce à des techniques de changement contrastées.
Technologies associées
SANS utilise généralement la collimation du faisceau de neutrons pour déterminer l'angle de diffusion, ce qui entraîne un faible rapport signal/bruit des données pertinentes obtenues à partir de l'échantillon. Afin de relever ce défi, de nombreux chercheurs choisissent d’augmenter la luminosité de la source lumineuse, par exemple en utilisant la diffusion de neutrons aux ultra-petits angles (USANS). Une technique alternative, la diffusion de neutrons aux petits angles par écho de spin (SESANS), a également été récemment introduite pour étendre la plage à longue échelle qui peut être étudiée en diffusion de neutrons en suivant l'angle de diffusion. Certaines techniques, telles que la diffusion par inclinaison aux petits angles (GISANS), combinent les idées du SANS et des techniques de réflexion des neutrons, élargissant ainsi la portée de la recherche.
Applications en biologie
L'importance du SANS dans les sciences biologiques est étroitement liée au comportement particulier de l'hydrogène et du deutérium. Dans les systèmes biologiques, la présence d’hydrogène peut être échangée contre du deutérium, ce qui a un effet minime sur l’échantillon mais peut avoir un effet surprenant sur les résultats de diffusion. La variation du contraste repose sur les différentes propriétés de diffusion de l'hydrogène et du deutérium. Les échantillons biologiques sont souvent dissous dans l’eau, où l’hydrogène peut être échangé contre du deutérium dans le solvant, ce qui rend l’effet de diffusion global de la molécule dépendant du rapport hydrogène/deutérium.
À certains rapports d'eau hydrogène/eau de deutérium, appelés points de correspondance, la diffusion des molécules correspondra à la diffusion du solvant, éliminant ainsi les interférences des données.
Pour les protéines, par exemple, le point de correspondance se situe généralement à une concentration de D2O d'environ 40 à 45 %, où la diffusion de l'échantillon est presque impossible à distinguer de la diffusion du tampon. La technique repose non seulement sur la diffusion différentielle des composants au sein de l'échantillon, mais peut également être obtenue en marquant différemment les composants, par exemple en marquant une protéine avec du deutérium lourd tandis que le reste reste de l'hydrogène léger.
Instruments
Une variété d'instruments SANS sont disponibles dans les installations neutroniques du monde entier, y compris les réacteurs de recherche et les sources de spallation. Ces instruments sont conçus pour explorer en profondeur les structures nanométriques et faire progresser la recherche en biologie, en science des matériaux et dans d’autres disciplines.
Avec les progrès de la science et de la technologie, le champ d'application du SANS continue de s'étendre et de nombreux chercheurs ont commencé à combiner les données de diffusion des rayons X aux petits angles, les données du SANS et de microscopie électronique pour réaliser une modélisation structurelle plus complète. Il n’y a pas si longtemps, un rapport de recherche a réussi à construire un modèle atomique d’une grande enzyme multi-sous-unités en utilisant ces technologies, montrant le potentiel du SANS combiné avec d’autres technologies de diffusion.
Face à l'avenir, comment utiliser davantage le potentiel du SANS dans divers domaines scientifiques, en particulier ses performances dans la recherche sur la microstructure, reste une question importante dont les scientifiques doivent discuter ?
