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Por que hidrogênio e deutério são tão diferentes em SANS? Desvendando o mistério da tecnologia de mudança de contraste!
O espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo (SANS) é uma tecnologia experimental emergente usada especificamente para estudar a estrutura de diferentes substâncias em escala mesoscópica (cerca de 1-100 nanômetros). Comparado com o espalhamento de raios X de pequeno ângulo (SAXS), o SANS fornece um meio único para analisar a estrutura interna de sistemas desordenados, especialmente em amostras com heterogeneidades de densidade dispostas aleatoriamente. As principais vantagens da utilização de técnicas de espalhamento de pequeno ângulo são a sensibilidade aos elementos leves e a possibilidade de marcação isotópica, principalmente nas ciências biológicas.
O espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo possui propriedades únicas que o tornam superior a outras técnicas, especialmente na exploração de amostras biológicas.
Princípios e Tecnologia
Em um experimento SANS, um feixe de nêutrons é direcionado a amostras, que podem ser soluções aquosas, sólidos, pós ou cristais. Os nêutrons são dispersos elasticamente sob a influência de interações nucleares. Essa interação depende de diferentes isótopos. Essa característica faz com que o hidrogênio (H) e o deutério (D) apresentem diferenças óbvias no processo de espalhamento. Como o comprimento de espalhamento do hidrogênio é negativo, a fase de espalhamento de nêutrons dos átomos de hidrogênio é 180 graus diferente daquela de outros elementos, permitindo que a tecnologia SANS explore efetivamente essas diferenças de fase para mudanças de contraste.
As surpreendentes diferenças entre o hidrogênio e o deutério nos permitem obter insights sobre sistemas biológicos complexos por meio de técnicas de mudança contrastiva.
Tecnologias relacionadas
SANS geralmente usa a colimação do feixe de nêutrons para determinar o ângulo de espalhamento, o que resulta em uma baixa relação sinal-ruído dos dados relevantes obtidos da amostra. Para superar esse desafio, muitos pesquisadores optam por aumentar o brilho da fonte de luz, como o uso do espalhamento de nêutrons de ângulo ultrapequeno (USANS). Uma técnica alternativa, o espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo spin-eco (SESANS), também foi recentemente introduzida para estender o alcance de longa escala que pode ser estudado no espalhamento de nêutrons, rastreando o ângulo de espalhamento. Algumas técnicas, como Dispersão de Inclinação de Pequeno Ângulo (GISANS), combinam ideias de SANS e técnicas de reflexão de nêutrons, ampliando ainda mais o escopo da pesquisa.
Aplicações em biologia
A importância do SANS nas ciências biológicas está intimamente relacionada ao comportamento especial entre o hidrogênio e o deutério. Em sistemas biológicos, a presença de hidrogénio pode ser trocada por deutério, o que tem um efeito mínimo na amostra, mas pode ter um efeito surpreendente nos resultados de dispersão. A variação do contraste depende das diferentes propriedades de dispersão do hidrogênio e do deutério. As amostras biológicas são frequentemente dissolvidas em água, onde o hidrogênio pode ser trocado por deutério no solvente, tornando o efeito de dispersão geral da molécula dependente da proporção de hidrogênio para deutério.
Em certas proporções de água hidrogênio para água deutério, chamadas pontos de correspondência, o espalhamento das moléculas corresponderá ao espalhamento do solvente, eliminando a interferência dos dados.
Para proteínas, por exemplo, o ponto de correspondência geralmente está em uma concentração de D2O de cerca de 40% a 45%, onde o espalhamento da amostra é quase indistinguível do espalhamento do tampão. A técnica depende não apenas da dispersão diferencial de componentes dentro da amostra, mas também pode ser alcançada marcando diferencialmente os componentes, como ter uma proteína marcada com deutério pesado enquanto o restante permanece com hidrogênio leve.
Instrumentos
Uma variedade de instrumentos SANS estão disponíveis em instalações de nêutrons em todo o mundo, incluindo reatores de pesquisa e fontes de espalação. Esses instrumentos são projetados para explorar profundamente estruturas em nanoescala e promover pesquisas em biologia, ciência de materiais e outras disciplinas.
Com o avanço da ciência e da tecnologia, o escopo de aplicação do SANS continua a se expandir, e muitos pesquisadores começaram a combinar espalhamento de raios X de pequeno ângulo, SANS e dados de microscopia eletrônica para conduzir uma modelagem estrutural mais abrangente. Não muito tempo atrás, houve um relatório de pesquisa que construiu com sucesso um modelo atômico de uma grande enzima com múltiplas subunidades usando essas tecnologias, mostrando o potencial do SANS combinado com outras tecnologias de dispersão.
Enfrentando o futuro, como utilizar ainda mais o potencial do SANS em vários campos científicos, especialmente o seu desempenho na pesquisa de microestruturas, ainda é uma questão importante que os cientistas precisam discutir?
