小角x射線散射原理與應(yīng)用課件

小角X射線散射原理與應(yīng)用莊文昌指導(dǎo)老師:陳曉大型儀器介紹課程小角X射線散射原理與應(yīng)用莊文昌大型儀器介紹課程1課程主要內(nèi)容小角X射線散射基礎(chǔ)理論小角X射線散射研究的幾種常見體系小角X射線散射系統(tǒng)簡介課程主要內(nèi)容小角X射線散射基礎(chǔ)理論2不同儀器可能探測的物質(zhì)結(jié)構(gòu)尺寸范圍不同儀器可能探測的物質(zhì)結(jié)構(gòu)尺寸范圍3小角X射線散射基礎(chǔ)理論20世紀初，倫琴發(fā)現(xiàn)了比可見光波長小的輻射。由于對該射線性質(zhì)一無所知，倫琴將其命名為X射線(X-ray)。到20世紀30年代，人們以固態(tài)纖維和膠態(tài)粉末為研究物質(zhì)發(fā)現(xiàn)了小角度X射線散射現(xiàn)象。當X射線照射到試樣上時，如果試樣內(nèi)部存在納米尺度的電子密度不均勻區(qū)，則會在入射光束周圍的小角度范圍內(nèi)（一般2

6o）出現(xiàn)散射X射線，這種現(xiàn)象稱為X射線小角散射或小角X射線散射（SmallAngleX-rayScattering），簡寫為SAXS。其物理實質(zhì)在于散射體和周圍介質(zhì)的電子云密度的差異。SAXS已成為研究亞微米級固態(tài)或液態(tài)結(jié)構(gòu)的有力工具。小角X射線散射基礎(chǔ)理論20世紀初，倫琴發(fā)現(xiàn)了比可見光波長小的4SAX與WAX的區(qū)別Braggequation：SmallLarge

LargedSmalldSmall–Angle:SupramolecularEnvelopeWide-Angle–Atomic/MolecularLatticeSAX與WAX的區(qū)別Braggequation：Small5SAXWAXX-raysSAXWAXX-rays6為什么是電子云密度分布?帶電粒子電場強度E帶電粒子所受作用力：F=Eq=maa=E*q/m帶電粒子的散射強度正比于帶電粒子的加速度。對一個原子而言：為什么是電子云密度分布?帶電粒子電場強度E帶電粒子所受作7兩個電子對X射線的散射op如左圖所示，入射方向與散射方向夾角為2θ。散射矢量兩個電子對X射線的散射op如左圖所示，入射方向與散射方向夾角8散射強度SAXS用于數(shù)埃至數(shù)百埃尺度的電子密度不均勻區(qū)的定性和定量分析；系統(tǒng)的電子密度起伏（△）決定其小角散射的強弱；相關(guān)函數(shù)(r)決定著散射強度的分布。散射強度散射矢量電子云密度起伏X射線輻照體積相關(guān)函數(shù)散射體間距散射強度SAXS用于數(shù)埃至數(shù)百埃尺度的電子密度不均勻區(qū)9小角X射線散射研究的幾種常見體系膠體分散體系(溶膠、凝膠、表面活性劑締合結(jié)構(gòu))生物大分子(蛋白質(zhì)、核酸)聚合物溶液，結(jié)晶取向聚合物(工業(yè)纖維、薄膜)，嵌段聚合物溶致液晶、液晶態(tài)生物膜、囊泡、脂質(zhì)體小角X射線散射研究的幾種常見體系膠體分散體系(溶膠、凝膠、表10小角X射線散射研究的幾種常見粒子體系SketchmapsofthetypicalcolloidparticlesystemsinSAXSresearchrespectivelyformonodisperseandpolydisperseparticlesystems

andtheircomplementarysystems小角X射線散射研究的幾種常見粒子體系Sketchmaps11粒子及其互補體系的SAXS分析定性分析：(1)體系電子密度的均勻性(不均勻才有散射)；(2)散射體的分散性(單分散或多分散，由Guinier圖判定)；(3)兩相界面是否明銳(對Porod或Debye定理的負偏離)；(4)每一相內(nèi)電子密度的均勻性(對Porod或Debye定理的正偏離)(5)散射體的自相似性(是否有分形特征)。定量分析：散射體尺寸分布、平均尺度、回轉(zhuǎn)半徑、相關(guān)距離、平均壁厚、散射體體積分數(shù)、比表面、平均界面層厚度、分形維數(shù)等。粒子及其互補體系的SAXS分析定性分析：12GuinierLawq1/RGuinier范圍ScatteringcurveRadiusofGyrationR...MeasureofparticlesizeGuinierLawq1/RGuinier范圍Scatt13SolutionSAX-ScatteringofAgnanoparticles

X-raypower:2kW(CuKα),exposure-time:1000sRg=35.5?Background-subtractedraw-dataGuinier-Plotq(?-1)Intensity(counts)logI(q)q2SolutionSAX-ScatteringofAg14DistanceDistributionFunction—P(r)DistanceDistributionFunction15尼龍11尼龍1116PorodprinciplePorod定理，如曲線①即在散射矢量h較大值區(qū)域曲線走向趨于平行橫坐標軸曲線②表示正偏離，這是由于體系中除散射體外還存在電子密度不均勻區(qū)或者熱密度起伏。曲線③表示負偏離，這是由于兩相間界面模糊，存在彌散的過渡層。過渡層的厚度E為（為界面厚度參數(shù)

）：①②③h2I(h)h3SchematicdescriptionforPorodprincipleanditsdeviationsPorodprinciplePorod定理，如曲線①即在散17比表面Porod定理主要提示了散射強度隨散射角度變化的漸近行為。它可用于判斷散射體系的理想與否，以及計算不變量Q和比表面SP等結(jié)構(gòu)參數(shù)。比表面18FractalSystemsCharacterizationofFractalSystem

Forsurfacefractal,where3<

<4

Itholds,thatDs＝6-

lnhln[I(h)h-1]Slope=-

Formassfractal,where0<<3,itholds,thatDm=FractalSystemsCharacterizatio19SURFACEFRACTALSDifferentDSSURFACEFRACTALSDifferentDS20PHYSICALMETHODSFORLIPOPROTEINPHYSICALMETHODSFORLIPOPROT21CharacterisationoftheLDL

-DOTdrugcomplexeswith

SAXSThepeakmaximumatlargedistancesfornativeLDLwasrmax20.2±0.4nm,whichcorrespondstotheelectrondensityautocorrelationofthephospholipidheadgroupsandproteinmoiety.BroadeningofmaximumpeakforLDLcontrolwithoutsignificantdifferenceinrmaxvalueindicateformationofLDLaggregatesduringincubation.Increaseinrmaxvalue(Dr=1.3±0.6nm)andbroadeningofpeakmaximumforLDL-DOTindicateslightlyincreaseinthemaximumparticlediameterandformationofLDLaggregates.ExperimentalSAXScurvesfromLDLbelowthephasetransitionCharacterisationoftheLDL-22CharacterisationoftheLDL-MOTdrugcomplexeswith

SAXSNosignificantdifferenceshavebeenobservedinrmaxvalueofpeakmaximumfornative,reconstitutedLDLasalsoforLDL-MOTcomplexwith50moleculesofdrugperLDLparticle.IncorporationofMOThavenosignificanteffectonparticlediameterandcorelipidarrangementExperimentalSAXScurvesfromLDLbelowthephasetransitionRealspaceelectron-pairdistancedistributionfunctionsCharacterisationoftheLDL-M23聚合物SAXS曲線不均一體系SAXS散射強度實驗曲線是凹面曲線，如右圖(a)在稠密體系中，考慮粒子間相互干涉對散射的影響，實驗曲線產(chǎn)生極大部分，如右圖(b)和(c)。有長周期結(jié)構(gòu)存在的纖維，其小角散射強度曲線常屬于此類型。聚合物SAXS曲線不均一體系SAXS散射強度實驗曲線是凹面曲24一維電子密度相關(guān)函數(shù)(SDCF)可求得過渡層厚度(dtr)，平均片層厚度(d)，長周期(L)以及比內(nèi)表面積等一維電子密度相關(guān)函數(shù)(SDCF)可求得過渡層厚度(dtr)，25常見溶致液晶種類lyotropicliquidcrystalrespectivelyforlamellar,Hexagonaland

Cubicphase常見溶致液晶種類lyotropicliquidcryst26lyotropiclamellarliquidcrystal1/d2/d3/d4/d5/d#0q=2p/d=2p*D#*cw/(l*a)#0=beamcentercw=channelwidth(54μm)l=wave-length=1.542Aa=sample-detectordistanceD#D#D#dSketchmodeloflyotropiclamellarliquidcrystallyotropiclamellarliquidcrys27lyotropicHexagonalliquidcrystallyotropicHexagonalliquidcry28lyotropicCubicliquidcrystalIm3mP-surfacePn3mD-surfaceIa3dG-surfacelyotropicCubicliquidcrystal29小角X射線散射系統(tǒng)X光源：（1）旋轉(zhuǎn)陽極靶（2）同步輻射探測器：（1）照相法（2）計數(shù)管法（3）位敏探測器（4）成像板法

SAXS幾何裝置示意圖小角X射線散射系統(tǒng)X光源：（1）旋轉(zhuǎn)陽極靶（2）同30SAXS準直系統(tǒng)

—針孔準直系統(tǒng)SAXS準直系統(tǒng)

—針孔準直系統(tǒng)31四狹縫準直系統(tǒng)四狹縫準直系統(tǒng)32KratkyU

準直系統(tǒng)KratkyU準直系統(tǒng)33錐形準直系統(tǒng)錐形準直系統(tǒng)34BrukerSAXS儀BrukerSAXS儀35RigakuSAXS儀RigakuSAXS儀36PhilipsSAXS儀PhilipsSAXS儀37同步輻射SAXS儀同步輻射SAXS儀38HMBG小角X射線散射系統(tǒng)簡介HMBG－SAX小角X－射線散射系統(tǒng)

，Philips公司。SAXS系統(tǒng)主要由準直系統(tǒng)、試樣架、樣品臺、真空泵、循環(huán)水泵、X射線發(fā)生器、氬甲烷保護氣、位敏檢測器及其控制系統(tǒng)等部分組成。X射線