Dispersión de rayos X en ángulo pequeño
La dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS, por sus siglas en inglés) es una técnica de dispersión de ángulo pequeño que permite cuantificar las diferencias de densidad a nanoescala en una muestra. Esto significa que puede determinar distribuciones de tamaño de nanopartículas, resolver el tamaño y la forma de macromoléculas (monodispersas), determinar tamaños de poros, distancias características de materiales parcialmente ordenados, etc.[1] Esto se consigue analizando el comportamiento de dispersión elástica de los rayos X cuando viajan a través del material, registrando su dispersión en ángulos pequeños (normalmente de 0,1 a 10°, de ahí el "ángulo pequeño" de su nombre). Pertenece a la familia de las técnicas de dispersión de ángulo pequeño (SAS) junto con la dispersión de neutrones de ángulo pequeño, y se suele realizar utilizando rayos X duros con una longitud de onda de 0,07 - 0,2 nm. Dependiendo del rango angular en el que pueda registrarse una señal de dispersión clara, SAXS es capaz de proporcionar información estructural de dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nm, y de repetir distancias en sistemas parcialmente ordenados de hasta 150 nm.[2] USAXS (dispersión de rayos X en ángulo ultrapequeño) puede resolver dimensiones aún mayores,[3][4][5] ya que cuanto menor es el ángulo registrado, mayores son las dimensiones del objeto sondeado.
SAXS y USAXS pertenecen a una familia de técnicas de dispersión de rayos X que se utilizan en la caracterización de materiales. En el caso de macromoléculas biológicas como las proteínas, la ventaja de SAXS sobre la cristalografía es que no se necesita una muestra cristalina. Además, las propiedades de SAXS permiten investigar la diversidad conformacional de estas moléculas.[6] Los métodos de espectroscopia de resonancia magnética nuclear encuentran problemas con macromoléculas de mayor masa molecular (> 30-40 kDa). Sin embargo, debido a la orientación aleatoria de las moléculas disueltas o parcialmente ordenadas, el promediado espacial conlleva una pérdida de información en SAXS en comparación con la cristalografía.
Aplicaciones
editarSAXS se utiliza para determinar la estructura a microescala o nanoescala de sistemas de partículas en términos de parámetros como el tamaño medio de las partículas, su forma, distribución y relación superficie-volumen.[7][8][9][10] Los materiales pueden ser sólidos o líquidos y pueden contener dominios sólidos, líquidos o gaseosos (las denominadas partículas) del mismo material o de otro en cualquier combinación. No sólo pueden estudiarse las partículas, sino también la estructura de sistemas ordenados, como las láminas, y los materiales de tipo fractal. El método es preciso, no destructivo y suele requerir una preparación mínima de la muestra. Las aplicaciones son muy amplias e incluyen coloides[11],[12],[13],[14] de todo tipo, incluidos complejos interpolielectrolíticos,[15],[16],[17] micelas,[18],[19],[20],[21],[22] microgeles,[23] liposomas,[24],[25],[26] polimersomas,[27],[28] metales, cemento, petróleo, polímeros,[29],[30],[31],[32] plásticos, proteínas,[33],[34] alimentos y productos farmacéuticos, y pueden encontrarse tanto en investigación como en control de calidad. La fuente de rayos X puede ser una fuente de laboratorio o de luz de sincrotrón, que proporciona un flujo de rayos X mayor.
Dispersión de rayos X de ángulo pequeño resonante
editarEs posible mejorar el rendimiento de la dispersión de rayos X[35] haciendo coincidir la energía de la fuente de rayos X con un borde de absorción resonante, tal y como se hace para la dispersión inelástica resonante de rayos X. A diferencia de las mediciones RIXS estándar, se considera que los fotones dispersados tienen la misma energía que los fotones incidentes.
Instrumentos SAXS
editarEn un instrumento SAXS, un haz monocromático de rayos X se dirige hacia una muestra desde la que algunos de los rayos X se dispersan, mientras que la mayoría simplemente atraviesa la muestra sin interactuar con ella. Los rayos X dispersos forman un patrón de dispersión que se detecta en un detector, que suele ser un detector de rayos X plano bidimensional situado detrás de la muestra perpendicular a la dirección del haz primario que golpeó inicialmente la muestra. El patrón de dispersión contiene información sobre la estructura de la muestra. El principal problema que debe superarse en la instrumentación SAXS es la separación de la intensidad dispersa débil del haz principal fuerte. Cuanto menor es el ángulo deseado, más difícil resulta. El problema es comparable al que se encuentra cuando se intenta observar un objeto débilmente radiante cerca del sol, como la corona solar. Sólo si la luna bloquea la fuente de luz principal, la corona se hace visible. Del mismo modo, en SAXS debe bloquearse el haz no disperso que se limita a atravesar la muestra, sin bloquear la radiación dispersa estrechamente adyacente. La mayoría de las fuentes de rayos X disponibles producen haces divergentes, lo que agrava el problema. En principio, el problema podría superarse enfocando el haz, pero esto no es fácil cuando se trata de rayos X y antes no se hacía excepto en sincrotrones donde pueden utilizarse grandes espejos curvados. Por este motivo, la mayoría de los dispositivos de laboratorio de ángulos pequeños se basan en la colimación. Los instrumentos SAXS de laboratorio pueden dividirse en dos grupos principales: instrumentos de colimación puntual e instrumentos de colimación lineal:
Instrumentos de colimación puntual
editarLos instrumentos de colimación puntual tienen agujeros de alfiler que conforman el haz de rayos X en un pequeño punto circular o elíptico que ilumina la muestra. De este modo, la dispersión se distribuye de forma centro-simétrica alrededor del haz de rayos X primario y el patrón de dispersión en el plano de detección consiste en círculos alrededor del haz primario. Debido al pequeño volumen de la muestra iluminada y al desperdicio del proceso de colimación— sólo se permite el paso de los fotones que vuelan en la dirección correcta — la intensidad de la dispersión es pequeña y, por lo tanto, el tiempo de medición es del orden de horas o días en el caso de dispersores muy débiles. Si se utilizan ópticas de enfoque, como espejos curvados o cristales monocromadores curvados, u ópticas de colimación y monocromación, como las multicapas, el tiempo de medición puede reducirse considerablemente. La colimación puntual permite determinar la orientación de sistemas no isótropos (fibras, líquidos cizallados).
Instrumentos de colimación lineal
editarLos instrumentos de colimación lineal restringen el haz sólo en una dimensión (en lugar de dos como en la colimación puntual), de modo que la sección transversal del haz es una línea larga pero estrecha. El volumen de muestra iluminado es mucho mayor en comparación con la colimación puntual y la intensidad dispersa con la misma densidad de flujo es proporcionalmente mayor. Por lo tanto, los tiempos de medición con instrumentos SAXS de colimación lineal son mucho más cortos en comparación con los de colimación puntual y se sitúan en el rango de los minutos. Una desventaja es que el patrón registrado es esencialmente una superposición integrada (una autoconvolución) de muchos patrones estenopeicos adyacentes. El emborronamiento resultante puede eliminarse fácilmente mediante algoritmos sin modelo o métodos de deconvolución basados en la transformación de Fourier, pero sólo si el sistema es isótropo. La colimación lineal es muy beneficiosa para cualquier material nanoestructurado isótropo, por ejemplo, proteínas, tensioactivos, dispersión de partículas y emulsiones.
Fabricantes de instrumentos SAXS
editarEntre los fabricantes de instrumentos SAXS se encuentran Anton Paar, Austria; Bruker AXS, Alemania; Hecus X-Ray Systems Graz, Austria; Malvern Panalytical. Países Bajos, Rigaku Corporation, Japón; Xenocs, Francia; y Xenocs, Estados Unidos.
Véase también
editarReferencias
editar- ↑ Hamley, I.W. "Small-Angle Scattering: Theory, Instrumentation, Data, and Applications" – Wiley, 2022. ISBN 978-1-119-76830-2.
- ↑ Glatter O; Kratky O, eds. (1982). Small Angle X-ray Scattering. Academic Press. ISBN 0-12-286280-5. Archivado desde el original el 21 de abril de 2008.
- ↑ Sztucki, M; Narayanan, T (2007). «Development of an ultra-small-angle X-ray scattering instrument for probing the microstructure and the dynamics of soft matter». Journal of Applied Crystallography 40: s459-s462. ISSN 1600-5767. doi:10.1107/S0021889806045833.
- ↑ Narayanan, T; Sztucki, M; Van Vaerenbergh, P; Léonardon, J; Gorini, J; Claustre, L; Sever, F; Morse, J et al. (2018). «A multipurpose instrument for time-resolved ultra-small-angle and coherent X-ray scattering». Journal of Applied Crystallography 51 (6): 1511-1524. ISSN 1600-5767. PMC 6276275. PMID 30546286. doi:10.1107/S1600576718012748.
- ↑ Patil, N; Narayanan, T; Michels, L; Skjønsfjell, ETB; Guizar-Sicairos, M; Van den Brande, N; Claessens, R; Van Mele, B et al. (May 2019). «Probing Organic Thin Films by Coherent X-ray Imaging and X-ray Scattering». ACS Applied Polymer Materials 1 (7): 1787-1797. ISSN 2637-6105. S2CID 189992231. doi:10.1021/acsapm.9b00324.
- ↑ Burger, Virginia M., Daniel J. Arenas, and Collin M. Stultz. "A structure-free method for quantifying conformational flexibility in proteins." Scientific reports 6 (2016): 29040. DOI: 10.1038/srep29040 (2016).| http://hdl.handle.net/1721.1/108809
- ↑ Pedersen, JS (July 1997). «Analysis of small-angle scattering data from colloids and polymer solutions: modeling and least-squares fitting». Advances in Colloid and Interface Science 70: 171-210. ISSN 0001-8686. doi:10.1016/S0001-8686(97)00312-6.
- ↑ Pedersen, JS (2000). «Form factors of block copolymer micelles with spherical, ellipsoidal and cylindrical cores». Journal of Applied Crystallography 33 (3): 637-640. ISSN 1600-5767. doi:10.1107/S0021889899012248.
- ↑ Pedersen, JS (1994). «Determination of size distribution from small-angle scattering data for systems with effective hard-sphere interactions». Journal of Applied Crystallography 27 (4): 595-608. ISSN 1600-5767. doi:10.1107/S0021889893013810.
- ↑ Gommes, CJ; Jaksch, S; Frielinghaus, H (2021). «Small-Angle Scattering for Beginners». Journal of Applied Crystallography 54 (6): 1832-1843. PMC 8662971. PMID 34963770. doi:10.1107/S1600576721010293.
- ↑ Hollamby, Martin J.; Aratsu, Keisuke; Pauw, Brian R.; Rogers, Sarah E.; Smith, Andrew J.; Yamauchi, Mitsuaki; Lin, Xu; Yagai, Shiki (16 de agosto de 2016). «Simultaneous SAXS and SANS Analysis for the Detection of Toroidal Supramolecular Polymers Composed of Noncovalent Supermacrocycles in Solution». Angewandte Chemie (en inglés) 128 (34): 10044-10047. Bibcode:2016AngCh.12810044H. doi:10.1002/ange.201603370.
- ↑ Fanova, Anastasiia; Janata, Miroslav; Filippov, Sergey K.; Šlouf, Miroslav; Netopilík, Miloš; Mariani, Alessandro; Štěpánek, Miroslav (27 de agosto de 2019). «Evolution of Structure in a Comb Copolymer–Surfactant Coacervate». Macromolecules (en inglés) 52 (16): 6303-6310. Bibcode:2019MaMol..52.6303F. ISSN 0024-9297. S2CID 202079335. doi:10.1021/acs.macromol.9b00332.
- ↑ Zhang, Xiaohan; Niebuur, Bart-Jan; Chytil, Petr; Etrych, Tomas; Filippov, Sergey K.; Kikhney, Alexey; Wieland, D. C. Florian; Svergun, Dmitri I. et al. (12 de febrero de 2018). «Macromolecular p HPMA-Based Nanoparticles with Cholesterol for Solid Tumor Targeting: Behavior in HSA Protein Environment». Biomacromolecules (en inglés) 19 (2): 470-480. ISSN 1525-7797. PMID 29381335. doi:10.1021/acs.biomac.7b01579.
- ↑ Fanova, Anastasiia; Šindelka, Karel; Uchman, Mariusz; Limpouchová, Zuzana; Filippov, Sergey K.; Pispas, Stergios; Procházka, Karel; Štěpánek, Miroslav (25 de septiembre de 2018). «Coassembly of Poly( N -isopropylacrylamide) with Dodecyl and Carboxyl Terminal Groups with Cationic Surfactant: Critical Comparison of Experimental and Simulation Data». Macromolecules (en inglés) 51 (18): 7295-7308. Bibcode:2018MaMol..51.7295F. ISSN 0024-9297. S2CID 105195163. doi:10.1021/acs.macromol.8b01161.
- ↑ Leisner, Dietrich; Imae, Toyoko (1 de agosto de 2003). «Interpolyelectrolyte Complex and Coacervate Formation of Poly(glutamic acid) with a Dendrimer Studied by Light Scattering and SAXS». The Journal of Physical Chemistry B (en inglés) 107 (32): 8078-8087. ISSN 1520-6106. doi:10.1021/jp027365l.
- ↑ Murmiliuk, Anastasiia; Matějíček, Pavel; Filippov, Sergey K.; Janata, Miroslav; Šlouf, Miroslav; Pispas, Stergios; Štěpánek, Miroslav (2018). «Formation of core/corona nanoparticles with interpolyelectrolyte complex cores in aqueous solution: insight into chain dynamics in the complex from fluorescence quenching». Soft Matter (en inglés) 14 (37): 7578-7585. Bibcode:2018SMat...14.7578M. ISSN 1744-683X. PMID 30140809. doi:10.1039/C8SM01174E.
- ↑ Dähling, Claudia; Lotze, Gudrun; Drechsler, Markus; Mori, Hideharu; Pergushov, Dmitry V.; Plamper, Felix A. (2016). «Temperature-induced structure switch in thermo-responsive micellar interpolyelectrolyte complexes: toward core–shell–corona and worm-like morphologies». Soft Matter (en inglés) 12 (23): 5127-5137. Bibcode:2016SMat...12.5127D. ISSN 1744-683X. PMID 27194585. doi:10.1039/C6SM00757K.
- ↑ Sommer, Cornelia; Pedersen, Jan Skov; Garamus, Vasil M. (1 de marzo de 2005). «Structure and Interactions of Block Copolymer Micelles of Brij 700 Studied by Combining Small-Angle X-ray and Neutron Scattering». Langmuir (en inglés) 21 (6): 2137-2149. ISSN 0743-7463. PMID 15752000. doi:10.1021/la047489k.
- ↑ Filippov, Sergey K.; Chytil, Petr; Konarev, Petr V.; Dyakonova, Margarita; Papadakis, ChristineM.; Zhigunov, Alexander; Plestil, Josef; Stepanek, Petr; Etrych, Tomas; Ulbrich, Karel; Svergun, Dmitri I. (13 de agosto de 2012). «Macromolecular HPMA-Based Nanoparticles with Cholesterol for Solid-Tumor Targeting: Detailed Study of the Inner Structure of a Highly Efficient Drug Delivery System». Biomacromolecules (en inglés) 13 (8): 2594-2604. ISSN 1525-7797. PMID 22793269. doi:10.1021/bm3008555.
- ↑ Filippov, Sergey K.; Franklin, John M.; Konarev, Petr V.; Chytil, Petr; Etrych, Tomas; Bogomolova, Anna; Dyakonova, Margarita; Papadakis, Christine M.; Radulescu, Aurel; Ulbrich, Karel; Stepanek, Petr (11 de noviembre de 2013). «Hydrolytically Degradable Polymer Micelles for Drug Delivery: A SAXS/SANS Kinetic Study». Biomacromolecules (en inglés) 14 (11): 4061-4070. ISSN 1525-7797. PMID 24083567. S2CID 36632159. doi:10.1021/bm401186z.
- ↑ Riabtseva, Anna; Kaberov, Leonid I.; Noirez, Laurence; Ryukhtin, Vasyl; Nardin, Corinne; Verbraeken, Bart; Hoogenboom, Richard; Stepanek, Petr et al. (February 2018). «Structural characterization of nanoparticles formed by fluorinated poly(2-oxazoline)-based polyphiles». European Polymer Journal (en inglés) 99: 518-527. S2CID 102663271. doi:10.1016/j.eurpolymj.2018.01.007. hdl:1854/LU-8561215.
- ↑ Filippov, Sergey K.; Verbraeken, Bart; Konarev, Petr V.; Svergun, Dmitri I.; Angelov, Borislav; Vishnevetskaya, Natalya S.; Papadakis, Christine M.; Rogers, Sarah; Radulescu, Aurel; Courtin, Tim; Martins, José C. (17 de agosto de 2017). «Block and Gradient Copoly(2-oxazoline) Micelles: Strikingly Different on the Inside». The Journal of Physical Chemistry Letters (en inglés) 8 (16): 3800-3804. ISSN 1948-7185. PMID 28759235. S2CID 206664063. doi:10.1021/acs.jpclett.7b01588.
- ↑ Suzuki, Daisuke; Nagase, Yasuhisa; Kureha, Takuma; Sato, Takaaki (27 de febrero de 2014). «Internal Structures of Thermosensitive Hybrid Microgels Investigated by Means of Small-Angle X-ray Scattering». The Journal of Physical Chemistry B 118 (8): 2194-2204. ISSN 1520-6106. PMID 24517119. doi:10.1021/jp410983x.
- ↑ Chaves, Matheus Andrade; Oseliero Filho, Pedro Leonidas; Jange, Camila Garcia; Sinigaglia-Coimbra, Rita; Oliveira, Cristiano Luis Pinto; Pinho, Samantha Cristina (July 2018). «Structural characterization of multilamellar liposomes coencapsulating curcumin and vitamin D3». Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects (en inglés) 549: 112-121. S2CID 103002028. doi:10.1016/j.colsurfa.2018.04.018.
- ↑ Di Cola, Emanuela; Grillo, Isabelle; Ristori, Sandra (28 de marzo de 2016). «Small Angle X-ray and Neutron Scattering: Powerful Tools for Studying the Structure of Drug-Loaded Liposomes». Pharmaceutics (en inglés) 8 (2): 10. ISSN 1999-4923. PMC 4932473. PMID 27043614. doi:10.3390/pharmaceutics8020010.
- ↑ Zaborova, Olga V.; Filippov, Sergey K.; Chytil, Petr; Kováčik, Lubomir; Ulbrich, Karel; Yaroslavov, Alexander A.; Etrych, Tomaš (April 2018). «A Novel Approach to Increase the Stability of Liposomal Containers via In Prep Coating by Poly[ N -(2-Hydroxypropyl)Methacrylamide] with Covalently Attached Cholesterol Groups». Macromolecular Chemistry and Physics (en inglés) 219 (7): 1700508. doi:10.1002/macp.201700508.
- ↑ Bressel, Katharina; Muthig, Michael; Prevost, Sylvain; Gummel, Jeremie; Narayanan, Theyencheri; Gradzielski, Michael (24 de julio de 2012). «Shaping Vesicles–Controlling Size and Stability by Admixture of Amphiphilic Copolymer». ACS Nano (en inglés) 6 (7): 5858-5865. ISSN 1936-0851. PMID 22713309. doi:10.1021/nn300359q.
- ↑ Mable, Charlotte J.; Derry, Matthew J.; Thompson, Kate L.; Fielding, Lee A.; Mykhaylyk, Oleksandr O.; Armes, Steven P. (13 de junio de 2017). «Time-Resolved SAXS Studies of the Kinetics of Thermally Triggered Release of Encapsulated Silica Nanoparticles from Block Copolymer Vesicles». Macromolecules (en inglés) 50 (11): 4465-4473. Bibcode:2017MaMol..50.4465M. ISSN 0024-9297. PMC 5472368. PMID 28626247. doi:10.1021/acs.macromol.7b00475.
- ↑ Filippov, Sergey K.; Bogomolova, Anna; Kaberov, Leonid; Velychkivska, Nadiia; Starovoytova, Larisa; Cernochova, Zulfiya; Rogers, Sarah E.; Lau, Wing Man; Khutoryanskiy, Vitaliy V.; Cook, Michael T. (31 de mayo de 2016). «Internal Nanoparticle Structure of Temperature-Responsive Self-Assembled PNIPAM- b -PEG- b -PNIPAM Triblock Copolymers in Aqueous Solutions: NMR, SANS, and Light Scattering Studies». Langmuir (en inglés) 32 (21): 5314-5323. ISSN 0743-7463. PMID 27159129. doi:10.1021/acs.langmuir.6b00284.
- ↑ Cook, Michael T.; Filippov, Sergey K.; Khutoryanskiy, Vitaliy V. (August 2017). «Synthesis and solution properties of a temperature-responsive PNIPAM–b-PDMS–b-PNIPAM triblock copolymer». Colloid and Polymer Science (en inglés) 295 (8): 1351-1358. ISSN 0303-402X. S2CID 100587522. doi:10.1007/s00396-017-4084-y. hdl:2299/19649.
- ↑ Sergeeva, Olga; Vlasov, Petr S.; Domnina, Nina S.; Bogomolova, Anna; Konarev, Petr V.; Svergun, Dmitri I.; Walterova, Zuzana; Horsky, Jiri; Stepanek, Petr; Filippov, Sergey K. (2014). «Novel thermosensitive telechelic PEGs with antioxidant activity: synthesis, molecular properties and conformational behaviour». RSC Adv. (en inglés) 4 (79): 41763-41771. Bibcode:2014RSCAd...441763S. ISSN 2046-2069. doi:10.1039/C4RA06978A.
- ↑ Kaberov, Leonid I.; Kaberova, Zhansaya; Murmiliuk, Anastasiia; Trousil, Jiří; Sedláček, Ondřej; Konefal, Rafal; Zhigunov, Alexander; Pavlova, Ewa; Vít, Martin; Jirák, Daniel; Hoogenboom, Richard (28 de junio de 2021). «Fluorine-Containing Block and Gradient Copoly(2-oxazoline)s Based on 2-(3,3,3-Trifluoropropyl)-2-oxazoline: A Quest for the Optimal Self-Assembled Structure for 19F Imaging». Biomacromolecules 22 (7): 2963-2975. ISSN 1525-7797. PMID 34180669. S2CID 235659596. doi:10.1021/acs.biomac.1c00367.
- ↑ Bernadó, Pau; Svergun, Dmitri I. (2012). «Structural analysis of intrinsically disordered proteins by small-angle X-ray scattering». Mol. BioSyst. (en inglés) 8 (1): 151-167. ISSN 1742-206X. PMID 21947276. doi:10.1039/C1MB05275F.
- ↑ Janisova, Larisa; Gruzinov, Andrey; Zaborova, Olga V.; Velychkivska, Nadiia; Vaněk, Ondřej; Chytil, Petr; Etrych, Tomáš; Janoušková, Olga; Zhang, Xiaohan; Blanchet, Clement; Papadakis, Christine M. (28 de enero de 2020). «Molecular Mechanisms of the Interactions of N-(2-Hydroxypropyl)methacrylamide Copolymers Designed for Cancer Therapy with Blood Plasma Proteins». Pharmaceutics (en inglés) 12 (2): 106. ISSN 1999-4923. PMC 7076460. PMID 32013056. doi:10.3390/pharmaceutics12020106.
- ↑ Schuelke, Winfried (21 de junio de 2007). Electron Dynamics by Inelastic X-Ray Scattering. Oxford University Press. ISBN 9780191523281.
Enlaces externos
editar- SAXS at a Synchrotron
- A movie demonstrating small-angle scattering using laserlight on a hair
- Esta obra contiene una traducción derivada de «Small-angle X-ray scattering» de Wikipedia en inglés, concretamente de esta versión, publicada por sus editores bajo la Licencia de documentación libre de GNU y la Licencia Creative Commons Atribución-CompartirIgual 4.0 Internacional.