[論文レビュー] I22: SAXS/WAXS beamline at Diamond Light Source -- an overview of 10 years operation

Andrew J. Smith, Simon G. Alcock+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Ion-surface interactions and analysis参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、ダイアモンド・ライトソースに設置された高輝度SAXS/WAXSビームラインI22の10年間の運用レビューを包括的に行っている。2mの真空内ウインドレルと10×10 µm²までのマイクロフォーカス能力を備え、極限条件下での高分解能・時間分解能を有する構造動態研究を可能としている。主な応用分野にはコラーゲンの機械的性質、自己集合型DNAナノ構造、ポリマー成形が含まれ、ミリ秒スケールでのデータ取得と多様な科学分野におけるイン・シチューキャラクタリゼーションを実証している。

ABSTRACT

Beamline I22 at Diamond Light Source is dedicated to the study of soft matter systems from both biological and materials science. The beamline can operate in the range 3.7 keV to 22 keV for transmission SAXS and 14 keV to 20 keV for microfocus SAXS with beamsizes 240 x 60 μm$^{2}$ spot [Full width half maximum (FWHM) Horizontal (H) x Vertical (V)] at sample for the main beamline, and approximately 10 x 10 μm$^{2}$ for the dedicated microfocussing platform. There is a versatile sample platform for accommodating a range of facility, and user developed, sample environments. The high brilliance of the insertion device source on I22 allows structural investigation of materials under extreme environments (for example fluid flow at high pressures and temperatures). I22 provides reliable access to millisecond timescales, essential to understanding kinetic processes such as early folding events in proteins or structural evolution in polymers and colloids.

研究の動機と目的

• 本論文は、I22ビームラインが初の10年間を経過した後の包括的運用概要を提供することを目的としている。
• 本ビームラインがソフトマターおよび生物学的系の高分解能・時間分解能・イン・シチューキャラクタリゼーション研究を支援する能力を強調することを目的としている。
• 本ビームラインが極限環境（例：高圧、高温、流れ）および複雑なサンプル環境を対応可能としている多様性を示すこと。
• 本ビームラインの高フラックスおよびマイクロフォーカス能力が、生物学、材料科学、医学分野における重要な科学的応用を可能にしたことを紹介すること。
• 本ビームラインを英国および国際科学コミュニティにおける主要なマルチユースSAXS/WAXS施設として確立すること。

提案手法

• 25mm周期の2mの真空内ウインドレルを用い、7–20 keVの連続エネルギー範囲を提供し、特に8–20 keVの運用に最適化されている。
• エネルギー選択および水平・垂直のフォーカスミラーによるビームフォーカスを実現する固定エグジット二重クリスタルモノクロメーター（Si 111）を採用している。
• 飛行路が真空化されカプロン窓を備えた可変長SAXSカメラ（1.9–9.9 m、0.25 mステップ）を実装し、検出器へのアクセスを可能にしている。
• 標準運用用の240×60 µm²（FWHM）メインビームラインと、高空間分解能研究を目的とした専用10×10 µm²マイクロフォーカスプラットフォームを設置している。
• 極限条件（例：高圧、高温、流れ）下でのイン・シチューや時間分解能実験を可能にする多目的なサンプル環境プラットフォームを統合している。
• 静的および時間分解能SAXS/WAXS測定に面積検出器を用い、ミリ秒スケールまでのデータ取得が可能になっている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 I22ビームラインは、その10年間の運用を通じて、ソフトマターおよび生物学的系の高分解能・時間分解能構造研究をどのように可能にしてきたか？
• RQ2 I22の主な技術的特長は、材料科学および生命科学分野におけるイン・シチューや極限環境下での研究をどのように支援しているか？
• RQ3 本ビームラインのマイクロフォーカスおよび高輝度特性は、コラーゲン線維や自己集合型DNAナノ構造体といった複雑な系の構造的特徴をどのように向上させているか？
• RQ4 ミリ秒分解能でのデータ取得により、タンパク質の折りたたみ、ポリマーの構造的進化、および軟骨における応力緩和の動的過程に関するどのような知見が得られたか？
• RQ5 I22は、生物学、医学、材料科学、環境科学の分野を横断する研究をどれほど促進したか？

主な発見

• I22はq範囲0.0011～9.45 Å⁻¹をカバーしており、ナノスケールから原子スケールの特徴の構造的特徴づけが可能である。
• 標準運用時、サンプル面に240×60 µm²（FWHM）のビームを照射可能であり、10×10 µm²のマイクロフォーカスビームを用いることで高空間分解能マッピングが可能である。
• ミリ秒スケールでのデータ取得が達成され、初期タンパク質折りたたみやポリマー・コロイドの構造的進化といったキネティクス過程のリアルタイム観察が可能になった。
• 時間分解能SAXSにより、軟骨における応力緩和中にコラーゲン線維のプレストレイン（1–2%）に一時的60秒の低下と回復が観察された。これは分子的無秩序化と軸方向オーバーラップ変化に関連している。
• 研究では、プロテオグリカンの除去がコラーゲンプレストレインおよび一時的機械的応答を破壊することを示した。これは、線維力学に浸透圧が果たす役割を強調している。
• I22のマイクロフォーカスSAXSにより、高孔率なCスターダイナミックナノ構造の詳細な特徴づけが可能となり、コレステロール修飾ストランドのおかげで柔軟で連続的な三次元ネットワークを形成できることを明らかにした。