小角X射线散射原理与应用

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,小角,X,射线散射原理与应用,庄 文 昌,指导老师,:,大型仪器介绍课程,1,课程主要内容,小角,X,射线散射基础理论,小角,X,射线散射研究的几种常见体系,小角,X,射线散射系统简介,2,不同仪器可能探测的物质结构尺寸范围,3,小角,X,射线散射基础理论,20,世纪初，伦琴发现了比可见光波长小的辐射。由于对该射线性质一无所知，伦琴将其命名为,X,射线,(,X-ray),。,到,20,世纪,30,年代，人们以固态纤维和胶态粉末为研究物质发现了小角度,X,射线散射现象。,当,X,射线照射到试样上时，如果试样内部存在纳米尺度的电子密度不均匀区，则会在入射光束周围的小角度范围内（一般,2,6,）出现散射,X,射线，这种现象称为,X,射线小角散射或小角,X,射线散射（,Small Angle X-ray Scattering,），,简写为,SAXS 。,其物理实质在于,散射体和周围介质的电子云密度的差异,。,SAXS,已成为研究亚微米级固态或液态结构的有力工具。,4,SAX,与,WAX,的区别,Bragg equation：,Small,Large,Large d,Small d,Small Angle : Supramolecular Envelope,Wide - Angle Atomic/Molecular Lattice,5,SAX,WAX,X-rays,6,为什么是电子云密度分布?,带电粒子,电场强度,E,带电粒子所受作用力：,F=Eq=ma,a=E*q/m,带电粒子的散射强度正比于带电粒子的加速度。对一个原子而言：,7,两个电子对,X,射线的散射,o,p,如左图所示，入射方向与散射方向夹角为2,。,散射矢量,8,散 射 强 度,SAXS,用于数埃至数百埃尺度的电子密度不均匀区的定性和定量分析；,系统的电子密度起伏（,）决定其小角散射的强弱；,相关函数,(,r),决定着散射强度的分布。,散射强度,散射矢量,电子云密度起伏,X,射线辐照,体积,相关函数,散射体间距,9,小角,X,射线散射研究的几种常见体系,胶体分散体系(溶胶、凝胶、表面活性剂缔合结构),生物大分子(蛋白质、核酸),聚合物溶液，结晶取向聚合物(工业纤维、薄膜)，嵌段聚合物,溶致液晶、液晶态生物膜、囊泡、脂质体,10,小角,X,射线散射研究的几种常见粒子体系,Sketch maps of the typical colloid particle systems in SAXS research respectively for monodisperse and polydisperse particle systems,and,their,complementary systems,11,粒子及其互补体系的,SAXS,分析,定性分析：,(1)体系电子密度的均匀性(不均匀才有散射)；,(2)散射体的分散性(单分散或多分散，由,Guinier,图判定,)；,(3)两相界面是否明锐(对,Porod,或,Debye,定理的负偏离,)；,(4)每一相内电子密度的均匀性(对,Porod,或,Debye,定理的正偏离),(5)散射体的自相似性(是否有分形特征)。,定量分析：,散射体尺寸分布、平均尺度、回转半径、相关距离、平均壁厚、,散射体体积分数、比表面、平均界面层厚度、分形维数等。,12,Guinier Law,q,1/,R,Guinier,范围,Scattering curve,Radius of Gyration,R . Measure of particle size,13,Solution SAX-Scattering of Ag nanoparticles,X-ray power: 2kW (CuK,), exposure-time: 1000 s,R,g,= 35.5,Background-subtracted raw-data,Guinier-Plot,q (,-1,),Intensity (counts),log I(q),q,2,14,Distance Distribution Function P(r),15,尼 龙 11,16,Porod principle,Porod,定理，如曲线,即在散射矢量,h,较大值区域曲线走向趋于平行横坐标轴,曲线表示正偏离，这是由于体系中除散射体外还存在电子密度不均匀区或者热密度起伏,。,曲线表示负偏离，这是由于两相间界面模糊，存在弥散的过渡层,。,过渡层的厚度,E,为,（,为界面厚度参数,）：,h,2,I(h)h,3,Schematic description for Porod principle and its deviations,17,比 表 面,Porod,定理主要提示了散射强度随散射角度变化的渐近行为。,它可用于判断散射体系的理想与否，以及计算不变量,Q,和比表面,S,P,等结构参数。,18,Fractal Systems,Characterization of Fractal System,For surface fractal,where,3 ,4,It holds, that,D,s,6 -,ln h,lnI(h)h,-1,Slope= -,For mass fractal, where,0 ,3,it holds,that,D,m,=,19,SURFACE FRACTALS Different D,S,20,PHYSICAL METHODS FOR LIPOPROTEIN,21,Characterisation of the LDL,-,DOT,drug complexes with,SAXS,The peak maximum at large distances for native LDL was r,max,20.20.4 nm, which corresponds to the electron density autocorrelation of the phospholipid headgroups and protein moiety.,Broadening of maximum peak for LDL control without significant difference in r,max,value indicate formation of LDL aggregates during incubation.,Increase in r,max,value (,D,r=1.30.6 nm) and broadening of peak maximum for LDL-DOT indicate slightly increase in the maximum particle diameter and formation of LDL aggregates.,Experimental SAXS curves from LDL below the phase transition,22,Characterisation of the LDL-,MOT,drug complexes with,SAXS,No significant differences have been observed in r,max,value of peak maximum for native, reconstituted LDL as also for LDL-MOT complex with 50 molecules of drug per LDL particle.,Incorporation of MOT have no significant effect on particle diameter and core lipid arrangement,Experimental SAXS curves from LDL below the phase transition,Real space electron-pair distance distribution functions,23,聚合物,SAXS,曲线,不均一体系,SAXS,散射强度实验曲线是凹面曲线，如右图(,a),在稠密体系中，考虑粒子间相互干涉对散射的影响，实验曲线产生极大部分，如右图(,b),和(,c)。,有长周期结构存在的纤维，其小角散射强度曲线常属于此类型。,24,一维电子密度相关函数,(,SDCF,),可求得过渡层厚度(,d,tr,)，,平均片层厚度(,d)，,长周期(,L),以及比内表面积等,25,常见溶致液晶种类,lyotropic liquid crystal respectively for lamellar,Hexagonal and,Cubic phase,26,lyotropic lamellar liquid crystal,1/,d,2/,d,3/,d,4/,d,5/,d,#,0,q = 2,p/,d,= 2p * D,#,*,cw,/ (l*,a,),#,0,=,beam center,cw = channel width (54 m),l,= wave-length = 1.542 A,a = sample-detector distance,D,#,D,#,D,#,d,Sketch model of lyotropic lamellar liquid crystal,27,lyotropic,Hexagonal,liquid crystal,28,lyotropic,Cubic,liquid crystal,Im3m,P-surface,Pn3m,D-surface,Ia3d,G-surface,29,小角,X,射线散射系统,X,光源：（1）旋转阳极靶,（2）同步辐射,探测器：（1）照相法 （2）计数管法,（3）位敏探测器 （4）成像板法,SAXS,几何装置示意图,30,SAXS,准 直 系 统针孔准直系统,31,四狭缝准直系统,32,Kratky U,准直系统,33,锥形准直系统,34,Bruker SAXS,仪,35,Rigaku SAXS,仪,36,Philips SAXS,仪,37,同步辐射,SAXS,仪,38,HMBG,小角,X,射线散射系统简介,HMBG,SAX,小角,X,射线散射系统,，,Philips,公司。,SAXS,系统主要由准直系统、试样架、样品台、真空泵、循环水泵、,X,射线发生器、氩甲烷保护气、位敏检测器及其控制系统等部分组成。,X,射线发生器中采用,Cu,靶作为发射源，,X,射线波长,1.542,，,最高功率可达4,Kw。,真空泵可迅速抽真空至1,mbar。,样品台分为三种：块状固体样品台、粉末或粘稠液体样品台、毛细管样品台。,SAXS,是一种非破坏性的分析方法，在实验过程中具有许多优点：适用样品范围宽，干、湿态样品都适用；与透射电子显微镜,(,TEM),比较，几乎不需特殊样品制备，能表征,TEM,无法测量的样品；对弱序、液晶性结构、取向和位置相关性有较灵敏的检测；可以直接测量体相材料，有较好的粒子统计平均性,39,Scheme of the HECUS-MBraun SWAXS- System,40,Data Collection and transaction,ASA,.p00,3D,view,PS,41,3D-VIEW,42,PS,Calculation of the Radius of gyration of Lysozyme,43,Thank you!,仪器负责人：陈晓 教授,联系电话：（83）65425 65420,44,