La dispersión de neutrones de ángulo pequeño ( SANS ) es una técnica experimental que utiliza la dispersión elástica de neutrones en ángulos de dispersión pequeños para investigar la estructura de varias sustancias a una escala mesoscópica de aproximadamente 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 conocen conjuntamente como dispersión de 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 en escalas tan grandes. 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.
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 interacción nuclear con los núcleos o 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 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 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). [2]
Obsérvese que la escala relativa de las longitudes de dispersión es la misma. Otro punto importante es que la dispersión del hidrógeno es distinta a 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° con respecto a los desviados por los otros elementos. Estas características son importantes para la técnica de variación de contraste (véase más abajo).
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 menor para los datos que contienen 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 la dispersión de neutrones de ángulo ultra pequeño (USANS). Como alternativa, se introdujo la dispersión de neutrones de ángulo pequeño por eco de espín (SESANS), que utiliza el eco de espín de neutrones para rastrear el ángulo de dispersión y amplía el rango de escalas de longitud que se pueden estudiar mediante dispersión de neutrones mucho más allá de los 10 μm.
La dispersión de ángulo pequeño con incidencia rasante (GISANS) combina ideas de SANS y de reflectometría de neutrones .
Una característica crucial del 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 puede intercambiarse con el deuterio, lo que normalmente tiene un efecto mínimo en la muestra, pero tiene efectos dramáticos en la dispersión.
La técnica de variación de contraste (o igualación de contraste ) se basa en la dispersión diferencial de hidrógeno frente a deuterio. La figura 1 muestra la densidad de longitud de dispersión para agua y varias macromoléculas biológicas en función de la concentración de deuterio. (Adaptado de. [2] ) Las muestras biológicas suelen estar disueltas en agua, por lo que sus hidrógenos pueden intercambiarse con cualquier deuterio en el disolvente . Dado que la dispersión general de una molécula depende de la dispersión de todos sus componentes, esto dependerá de la relación de hidrógeno a deuterio en la molécula. En ciertas proporciones de H 2 O a D 2 O, llamadas puntos de coincidencia, la dispersión de la molécula será igual a la del disolvente y, por lo tanto, se eliminará cuando la dispersión del tampón se reste de los datos. Por ejemplo, el punto de coincidencia para las proteínas suele estar alrededor del 40-45% de D 2 O, y en esa concentración la dispersión de la proteína será indistinguible de la del tampón.
Para utilizar la variación de contraste, los diferentes componentes de un sistema deben dispersarse de forma diferente. Esto puede basarse en diferencias de dispersión inherentes, por ejemplo, ADN frente a proteínas, o surgir de componentes marcados de forma diferencial, por ejemplo, tener una proteína en un complejo deuterada mientras que el resto está protonada. 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 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]
Para el estudio de grandes escalas de materia (por ejemplo, materia blanda) y dinámica lenta, 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 utilizan neutrones de longitudes de onda más cortas. Se están realizando esfuerzos para remediar esta carencia. [5]
Hay numerosos instrumentos SANS disponibles en todo el mundo en instalaciones de neutrones, como reactores de investigación o fuentes de espalación .