Dispersión de neutrones a ángulo pequeño

La dispersión de neutrones a ángulos pequeños ( SANS, por sus siglas en inglés) es una técnica experimental que utiliza la dispersión elástica de neutrones en ángulos de dispersión pequeños para investigar la estructura de diversas sustancias a una escala mesoscópica de aproximadamente 1 a 100  nm.

La dispersión de neutrones a ángulo pequeño es, en muchos aspectos, muy similar a la dispersión de rayos X a ángulo pequeño (SAXS); ambas técnicas se denominan conjuntamente dispersión a ángulo pequeño (SAS). ^{[ 1 ]} La característica más importante del método SAS es su potencial para analizar la estructura interna de sistemas desordenados, y con frecuencia la aplicación de este método es una forma única de obtener información estructural directa sobre sistemas con una disposición aleatoria de inhomogeneidades de densidad a escalas tan grandes. Las ventajas de SANS sobre SAXS son su sensibilidad a elementos ligeros, la posibilidad de marcaje isotópico y la fuerte dispersión por momentos magnéticos.

En un experimento SANS, un haz de neutrones se dirige hacia una muestra, que puede ser una solución, un sólido, un polvo o un cristal . Los neutrones se dispersan elásticamente por interacción con los núcleos o por 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 mayor sea el elemento, mayor será el efecto. En la dispersión de neutrones, los neutrones interactúan con los núcleos y la interacción depende del isótopo ; algunos elementos ligeros como el hidrógeno muestran una sección transversal de dispersión similar a la de elementos pesados ​​como el plomo .

En la teoría dinámica de orden cero de la difracción, el índice de refracción está directamente relacionado con la densidad de longitud de dispersión y es una medida de la intensidad de la interacción de una onda de neutrones con un núcleo dado. La siguiente tabla muestra la longitud de dispersión de neutrones para algunos elementos químicos en fm . ^{[ 2 ]}

La escala relativa de las longitudes de dispersión es la misma. Además, la dispersión del hidrógeno ^(¹H ) es distinta de la del deuterio . El hidrógeno es uno de los pocos elementos que presenta una longitud de dispersión negativa, lo que significa que los neutrones desviados por el hidrógeno están desfasados ​​180° con respecto a los desviados por los demás elementos. Estas características son importantes para la técnica de variación de contraste (véase más adelante).

Una característica crucial de la SANS que la 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 puede intercambiarse con el deuterio, lo que generalmente tiene un efecto mínimo en la muestra, pero efectos drásticos en la dispersión.

La técnica de variación de contraste (o ajuste de contraste ) se basa en la dispersión diferencial del hidrógeno frente al deuterio. La Figura 1 muestra la densidad de longitud de dispersión para el agua y varias macromoléculas biológicas en función de la concentración de deuterio. (Adaptado de ^{[ 2 ]} ) Las muestras biológicas suelen disolverse en agua, por lo que sus hidrógenos pueden intercambiarse con cualquier deuterio en el disolvente . Dado que la dispersión total de una molécula depende de la dispersión de todos sus componentes, esta 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 disolvente y, por lo tanto, se eliminará cuando se reste la dispersión del tampón de los datos. Por ejemplo, el punto de coincidencia para las proteínas suele estar alrededor del 40-45% de D₂O _, y a esa concentración la dispersión de la proteína será indistinguible de la del tampón.

Para utilizar la variación de contraste, los distintos componentes de un sistema deben dispersar la luz de forma diferente. Esto puede deberse a diferencias inherentes en la dispersión, por ejemplo, ADN frente a proteína, o surgir de componentes marcados diferencialmente, por ejemplo, tener una proteína en un complejo deuterada mientras que el resto están protonadas. En términos de modelado, los datos de dispersión de rayos X y neutrones de ángulo pequeño se pueden combinar con el programa MONSA. Recientemente se ha publicado un ejemplo en el que se han utilizado datos de SAXS, SANS y EM para construir un modelo atómico de una enzima grande de múltiples subunidades. ^{[ 3 ]} Para ver algunos ejemplos de este método, consulte ^{[ 4 ] .}

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

• microscopio de neutrones

• Fejgin, Lev A.: Análisis de la estructura mediante dispersión de rayos X y neutrones de ángulo pequeño. Nueva York: Plenum (1987).
• Higgins, Julia S .; Benoît, Henri: Polímeros y dispersión de neutrones. Oxford: Clarendon Press (1994?).
• Hamley, Ian ,: Dispersión de ángulo pequeño: teoría, instrumentación, datos y aplicaciones Chichester: Wiley (2022).

• El portal de dispersión de ángulo pequeño , colección de enlaces, con una lista de software detallada.
• Directorio mundial de instrumentos SANS. Archivado el 6 de agosto de 2024 en Wayback Machine.
• B. Hammouda: Exploración de estructuras a nanoescala – La caja de herramientas SANS. Archivado el 13 de agosto de 2012 en Wayback Machine (690 páginas).
• Dispersión de ángulo pequeño en la fuente de neutrones y muones ISIS