Diffusion des rayons X aux petits angles - Small-angle X-ray scattering

La diffusion des rayons X aux petits angles ( SAXS ) est une technique de diffusion aux petits angles qui permet de quantifier les différences de densité à l'échelle nanométrique dans un échantillon. Cela signifie qu'il peut déterminer les distributions granulométriques des nanoparticules, résoudre la taille et la forme des macromolécules (monodispersées) , déterminer la taille des pores, les distances caractéristiques des matériaux partiellement ordonnés, et bien plus encore. Ceci est réalisé en analysant le comportement de diffusion élastique des rayons X lorsqu'ils traversent le matériau, en enregistrant leur diffusion à de petits angles (généralement de 0,1 à 10°, d'où le « petit angle » dans son nom). Il appartient à la famille des techniques de diffusion aux petits angles (SAS) avec la diffusion des neutrons aux petits angles et se fait généralement à l'aide de rayons X durs avec une longueur d'onde de 0,07 à 0,2 nm . signal de diffusion peut être enregistré, SAXS est capable de fournir des informations structurelles de dimensions comprises entre 1 et 100 nm, et des distances de répétition dans des systèmes partiellement ordonnés allant jusqu'à 150 nm. USAXS (diffusion des rayons X à ultra-petit angle) peut résoudre des dimensions encore plus grandes, car plus l'angle enregistré est petit, plus les dimensions de l'objet sondé sont grandes.

SAXS et USAXS appartiennent à une famille de techniques de diffusion des rayons X utilisées dans la caractérisation des matériaux. Dans le cas des macromolécules biologiques telles que les protéines , l'avantage du SAXS par rapport à la cristallographie est qu'un échantillon cristallin n'est pas nécessaire. De plus, les propriétés de SAXS permettent d'étudier la diversité conformationnelle de ces molécules. Les méthodes de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire rencontrent des problèmes avec les macromolécules de masse moléculaire plus élevée (> 30-40 kDa ). Cependant, du fait de l'orientation aléatoire des molécules dissoutes ou partiellement ordonnées, le moyennage spatial conduit à une perte d'information en SAXS par rapport à la cristallographie.

Applications

SAXS est utilisé pour la détermination de la structure à l'échelle microscopique ou nanométrique des systèmes de particules en termes de paramètres tels que la taille moyenne des particules, les formes, la distribution et le rapport surface/volume. Les matériaux peuvent être solides ou liquides et ils peuvent contenir des domaines solides, liquides ou gazeux (appelés particules) du même matériau ou d'un autre dans n'importe quelle combinaison. Non seulement les particules, mais aussi la structure des systèmes ordonnés comme les lamelles et les matériaux de type fractal peuvent être étudiées. La méthode est précise, non destructive et ne nécessite généralement qu'un minimum de préparation d'échantillons. Les applications sont très larges et incluent les colloïdes de tous types, les métaux, le ciment, l'huile, les polymères , les plastiques, les protéines , les aliments et les produits pharmaceutiques et peuvent être trouvés dans la recherche ainsi que dans le contrôle qualité. La source de rayons X peut être une source de laboratoire ou une lumière synchrotron qui fournit un flux de rayons X plus élevé .

Instruments SAXS

Dans un instrument SAXS, un faisceau monochromatique de rayons X est amené à un échantillon à partir duquel certains des rayons X se dispersent, tandis que la plupart traversent simplement l'échantillon sans interagir avec lui. Les rayons X diffusés forment un motif de diffusion qui est ensuite détecté au niveau d'un détecteur qui est typiquement un détecteur de rayons X plat bidimensionnel situé derrière l'échantillon perpendiculairement à la direction du faisceau primaire qui a initialement frappé l'échantillon. Le motif de diffusion contient les informations sur la structure de l'échantillon. Le problème majeur qui doit être surmonté dans l'instrumentation SAXS est la séparation de la faible intensité diffusée du faisceau principal fort. Plus l'angle souhaité est petit, plus cela devient difficile. Le problème est comparable à celui rencontré en essayant d'observer un objet faiblement rayonnant près du soleil, comme la couronne solaire. Ce n'est que si la lune bloque la source de lumière principale que la couronne devient visible. De même, dans SAXS, le faisceau non diffusé qui ne fait que traverser l'échantillon doit être bloqué, sans bloquer le rayonnement diffusé étroitement adjacent. La plupart des sources de rayons X disponibles produisent des faisceaux divergents , ce qui aggrave le problème. En principe, le problème pourrait être surmonté en focalisant le faisceau, mais cela n'est pas facile lorsqu'il s'agit de rayons X et n'était auparavant fait que sur des synchrotrons où de grands miroirs courbés peuvent être utilisés. C'est pourquoi la plupart des appareils de laboratoire à petit angle reposent plutôt sur la collimation . Les instruments de laboratoire SAXS peuvent être divisés en deux groupes principaux : les instruments à collimation ponctuelle et à collimation linéaire :

Instruments de collimation ponctuelle

Les instruments à collimation ponctuelle ont des trous d' épingle qui façonnent le faisceau de rayons X en un petit point circulaire ou elliptique qui illumine l'échantillon. Ainsi, la diffusion est répartie de manière centro-symétrique autour du faisceau de rayons X primaire et le diagramme de diffusion dans le plan de détection est constitué de cercles autour du faisceau primaire. En raison du petit volume d'échantillon éclairé et du gaspillage du processus de collimation - seuls les photons qui volent dans la bonne direction sont autorisés à passer - l'intensité diffusée est faible et, par conséquent, le temps de mesure est de l'ordre d'heures ou de jours dans cas de diffuseurs très faibles. Si des optiques de focalisation comme des miroirs courbés ou des cristaux monochromateurs courbés ou des optiques de collimation et de monochromatage comme des multicouches sont utilisées, le temps de mesure peut être considérablement réduit. La collimation ponctuelle permet de déterminer l'orientation de systèmes non isotropes ( fibres , liquides cisaillés ).

Instruments de collimation linéaire

Les instruments de collimation linéaire limitent le faisceau à une seule dimension (au lieu de deux comme pour la collimation ponctuelle) de sorte que la section transversale du faisceau soit une ligne longue mais étroite. Le volume d'échantillon illuminé est beaucoup plus grand par rapport à la collimation ponctuelle et l'intensité diffusée à la même densité de flux est proportionnellement plus grande. Ainsi, les temps de mesure avec les instruments SAXS à collimation linéaire sont beaucoup plus courts par rapport à la collimation ponctuelle et sont de l'ordre de quelques minutes. Un inconvénient est que le motif enregistré est essentiellement une superposition intégrée (une auto- convolution ) de nombreux motifs de trous d'épingle adjacents. Le maculage résultant peut être facilement éliminé à l'aide d'algorithmes sans modèle ou de méthodes de déconvolution basées sur la transformation de Fourier, mais uniquement si le système est isotrope. La collimation linéaire est très avantageuse pour tous les matériaux nanostructurés isotropes, par exemple les protéines, les tensioactifs, les dispersions de particules et les émulsions.

Fabricants d'instruments SAXS

Les fabricants d'instruments SAXS incluent Anton Paar , Autriche ; Bruker AXS , Allemagne ; Hecus X-Ray Systems Graz, Autriche ; Malvern Panalytical . aux Pays-Bas, Rigaku Corporation, Japon ; Xénocs , France ; et Xenocs , États-Unis.

Voir également

Les références

Liens externes