Dispersión de neutrones en ángulo pequeño

La dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) es una técnica experimental que utiliza la dispersión de neutrones elástica en ángulos de dispersión pequeños para investigar la estructura de varias sustancias a una escala mesoscópica de alrededor de 1 a 100 nm.

La dispersión de neutrones de ángulo pequeño es, en muchos aspectos, muy similar a la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS); ambas técnicas se denominan conjuntamente dispersión de ángulo pequeño (SAS). Las ventajas de SANS sobre SAXS son su sensibilidad a los elementos ligeros, la posibilidad de etiquetado de isótopos y la fuerte dispersión por momentos magnéticos.

Técnica

Durante un experimento SANS, se dirige un haz de neutrones a una muestra, que puede ser una solución acuosa, un sólido, un polvo o un cristal. Los neutrones se dispersan elásticamente por la interacción nuclear con los núcleos o la interacción con el momento magnético de los electrones desapareados. En la dispersión de rayos X, los fotones interactúan con la nube electrónica, por lo que cuanto más grande es el elemento, mayor es el efecto. En la dispersión de neutrones, los neutrones interactúan con los núcleos y la interacción depende del isótopo; algunos elementos ligeros como el deuterio muestran una sección transversal de dispersión similar a la de elementos pesados como el Pb.

En la teoría dinámica de difracción de orden cero, el índice de refracción está directamente relacionado con la densidad de longitud de dispersión y es una medida de la fuerza de la interacción de una onda de neutrones con un núcleo determinado. La siguiente tabla muestra la longitud de dispersión de neutrones para algunos elementos químicos (en 10⁻¹² cm).

Tenga en cuenta que la escala relativa de las longitudes de dispersión es la misma. Otro punto importante es que la dispersión del hidrógeno es distinta de la del deuterio. Además, el hidrógeno es uno de los pocos elementos que tiene una longitud de dispersión negativa, lo que significa que los neutrones desviados por el hidrógeno están desfasados 180° en relación con los desviados por los otros elementos. Estas características son importantes para la técnica de variación de contraste (ver más abajo).

Técnicas relacionadas

SANS suele utilizar la colimación del haz de neutrones para determinar el ángulo de dispersión de un neutrón, lo que da como resultado una relación señal/ruido cada vez más baja para los datos que contiene información sobre las propiedades de una muestra en escalas de longitud relativamente largas, más allá de ~ 1 μm. La solución tradicional es aumentar el brillo de la fuente, como en Ultra Small Angle Neutron Scattering (USANS). Como alternativa, se introdujo la dispersión de neutrones de ángulo pequeño de eco de espín (SESANS), utilizando el eco de espín de neutrones para rastrear el ángulo de dispersión y ampliando el rango de escalas de longitud que se pueden estudiar mediante la dispersión de neutrones mucho más allá de 10 μm.

La dispersión de ángulo pequeño de incidencia rasante (GISANS) combina ideas de SANS y de reflectometría de neutrones.

En biología

Gráfico 1: La relación entre la dispersión de varias macromoléculas biológicas como función de la concentración de D2O.

Una característica crucial de SANS que lo hace particularmente útil para las ciencias biológicas es el comportamiento especial del hidrógeno, especialmente en comparación con el deuterio. En los sistemas biológicos, el hidrógeno se puede intercambiar con deuterio, que generalmente tiene un efecto mínimo en la muestra pero tiene efectos dramáticos en la dispersión.

La técnica de variación de contraste (o coincidencia de contraste) se basa en la dispersión diferencial del hidrógeno frente al deuterio. La figura 1 muestra la densidad de longitud de dispersión del agua y varias macromoléculas biológicas en función de la concentración de deuterio. (Adaptado de.) Las muestras biológicas generalmente se disuelven en agua, por lo que sus hidrógenos pueden intercambiarse con cualquier deuterio en el solvente. Dado que la dispersión global de una molécula depende de la dispersión de todos sus componentes, esto dependerá de la proporción de hidrógeno a deuterio en la molécula. En ciertas proporciones de H₂O a D₂O, llamadas puntos de coincidencia, la dispersión de la molécula será igual a la del solvente y, por lo tanto, se eliminará cuando la dispersión de el búfer se resta de los datos. Por ejemplo, el punto de coincidencia para las proteínas suele estar entre el 40 y el 45 % de D₂O y, a esa concentración, la dispersión de la proteína será indistinguible de la del tampón.

Para usar la variación de contraste, los diferentes componentes de un sistema deben dispersarse de manera diferente. Esto puede basarse en diferencias de dispersión inherentes, p. ADN frente a proteína, o surgen de componentes marcados diferencialmente, p. tener una proteína en un complejo deuterado mientras que el resto está protonado. En términos de modelado, los datos de dispersión de neutrones y rayos X de ángulo pequeño se pueden combinar con el programa MONSA. Recientemente se ha publicado un ejemplo en el que se han utilizado datos SAXS, SANS y EM para construir un modelo atómico de una gran enzima de múltiples subunidades. Para ver algunos ejemplos de este método, consulte.

Para el estudio de grandes escalas de materia (por ejemplo, materia blanda) y dinámicas lentas, se deben utilizar neutrones muy fríos (VCN). Sin embargo, debido al débil flujo de neutrones y la falta de componentes ópticos en este rango, la mayoría de los científicos usan neutrones de longitudes de onda más cortas. Se están haciendo esfuerzos para remediar esta carencia.

Instrumentos

Hay numerosos instrumentos SANS disponibles en todo el mundo en instalaciones de neutrones, como reactores de investigación o fuentes de espalación.

Libros de texto

• Fejgin, Lev A.: Análisis de estructuras por radiografía de pequeño ángulo y dispersión de neutrones. Nueva York: Plenum (1987).
• Higgins, Julia S.; Benoît, Henri: Polimeros y dispersión de neutrones. Oxford: Clarendon Press (1994?).