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Perché ci sono differenze così sorprendenti tra idrogeno e deuterio nel SANS? Scopri la misteriosa tecnologia di cambiamento del contrasto!
La diffusione di neutroni a piccolo angolo (SANS) è una tecnologia sperimentale emergente utilizzata specificamente per studiare la struttura di diverse sostanze su scala mesoscopica (circa 1-100 nanometri). Rispetto allo scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS), SANS fornisce un mezzo unico per analizzare la struttura interna di sistemi disordinati, specialmente in campioni con disomogeneità di densità disposte in modo casuale. I principali vantaggi dell'utilizzo di tecniche di diffusione a piccolo angolo sono la sensibilità agli elementi leggeri e la possibilità di etichettatura isotopica, soprattutto nell'ambito delle scienze biologiche.
La diffusione dei neutroni a piccolo angolo ha proprietà uniche che la rendono superiore ad altre tecniche, soprattutto quando si esplorano campioni biologici.
Principi e tecnologia
In un esperimento SANS, un fascio di neutroni viene diretto verso i campioni, che possono essere soluzioni acquose, solidi, polveri o cristalli. I neutroni sono dispersi elasticamente sotto l'influenza delle interazioni nucleari. Questa interazione dipende da diversi isotopi. Questa caratteristica fa sì che l'idrogeno (H) e il deuterio (D) mostrino evidenti differenze nel processo di diffusione. Poiché la lunghezza di diffusione dell'idrogeno è negativa, la fase di diffusione dei neutroni da parte degli atomi di idrogeno è diversa di 180 gradi da quella di altri elementi, consentendo alla tecnologia SANS di sfruttare efficacemente queste differenze di fase per i cambiamenti di contrasto.
Le sorprendenti differenze tra idrogeno e deuterio ci consentono di acquisire informazioni su sistemi biologici complessi attraverso tecniche di cambiamento contrastivo.
Tecnologie correlate
SANS solitamente utilizza la collimazione del fascio di neutroni per determinare l'angolo di diffusione, il che si traduce in un basso rapporto segnale-rumore dei dati rilevanti ottenuti dal campione. Per superare questa sfida, molti ricercatori scelgono di aumentare la luminosità della sorgente luminosa, ad esempio utilizzando lo scattering di neutroni ad angolo ultrapiccolo (USANS). Recentemente è stata introdotta anche una tecnica alternativa, lo scattering di neutroni a piccolo angolo spin-echo (SESANS), per estendere l'intervallo a lunga scala che può essere studiato nello scattering di neutroni monitorando l'angolo di diffusione. Alcune tecniche, come l'Inclination Small Angle Scattering (GISANS), combinano idee provenienti dal SANS e tecniche di riflessione dei neutroni, ampliando ulteriormente l'ambito della ricerca.
Applicazioni in biologia
L'importanza del SANS nelle scienze biologiche è strettamente correlata al comportamento speciale tra idrogeno e deuterio. Nei sistemi biologici, la presenza di idrogeno può essere scambiata con deuterio, che ha un effetto minimo sul campione ma può avere un effetto sorprendente sui risultati dello scattering. La variazione del contrasto si basa sulle diverse proprietà di diffusione dell'idrogeno e del deuterio. I campioni biologici vengono spesso disciolti in acqua, dove l'idrogeno può essere scambiato con il deuterio nel solvente, rendendo l'effetto di diffusione complessivo della molecola dipendente dal rapporto tra idrogeno e deuterio.
A determinati rapporti tra acqua di idrogeno e acqua di deuterio, chiamati punti di corrispondenza, la dispersione delle molecole corrisponderà alla dispersione del solvente, eliminando l'interferenza dai dati.
Per le proteine, ad esempio, il punto di corrispondenza è solitamente a una concentrazione di D2O di circa il 40%-45%, dove la dispersione dal campione è quasi indistinguibile dalla dispersione dal tampone. La tecnica si basa non solo sulla dispersione differenziale dei componenti all'interno del campione, ma può anche essere ottenuta etichettando in modo differenziale i componenti, ad esempio avendo una proteina marcata con deuterio pesante mentre il resto rimane idrogeno leggero.
Strumenti
Una varietà di strumenti SANS sono disponibili presso gli impianti di neutroni di tutto il mondo, inclusi reattori di ricerca e fonti di spallazione. Questi strumenti sono progettati per esplorare in profondità le strutture su scala nanometrica e far avanzare la ricerca in biologia, scienza dei materiali e altre discipline.
Con il progresso della scienza e della tecnologia, l'ambito di applicazione del SANS continua ad espandersi e molti ricercatori hanno iniziato a combinare dati di diffusione di raggi X a piccolo angolo, SANS e microscopia elettronica per condurre una modellazione strutturale più completa. Non molto tempo fa, è stato pubblicato un rapporto di ricerca che ha costruito con successo un modello atomico di un grande enzima multi-subunità utilizzando queste tecnologie, mostrando il potenziale del SANS combinato con altre tecnologie di scattering.
Guardando al futuro, come sfruttare ulteriormente il potenziale del SANS in vari campi scientifici, in particolare le sue prestazioni nella ricerca sulle microstrutture, è ancora una questione importante di cui gli scienziati devono discutere?
