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Linha de Luz Sapucaia

A SAPUCAIA será uma linha de luz dedicada à técnica de Espalhamento de Raios X a Baixos Ângulos (SAXS). SAXS é uma técnica de caracterização estrutural usada para o estudo de propriedades morfológicas (forma, tamanho e organização espacial) e dinâmicas de objetos nano e microestruturados. Trata-se de uma técnica bem estabelecida com aplicações em campos de pesquisa diversos, como física, química, biologia e engenharia. A linha de luz permitirá ao usuário investigar questões relacionadas às ciências da vida (com aplicações biológicas e médicas), à biologia estrutural (proteínas, ácidos nucleicos, lipídeos e macromoléculas em geral) e a diversos tópicos da ciência de materiais, incluindo nanotecnologia, polímeros, reologia e ciências ambientais.

A linha SAPUCAIA foi idealizada e projetada para alta performance (com alta reproducibilidade dos experimentos) aliada a acessibilidade e mudanças do aparato experimental quando o usuário assim desejar. Ela terá um túnel de aproximadamente 15 metros de comprimento, com 2 metros de diâmetro. Dentro do túnel (sempre mantido em baixa pressão) haverá um suporte contendo o sistema de detecção. O sistema poderá ser movido por trilhos, permitindo aos usuários acesso a diferentes condições experimentais durante as medidas. A definição do desenho da linha de luz foi baseada em três características principais que farão da SAPUCAIA uma das mais importantes linhas do mundo, que são: baixo espalhamento parasita, baixa divergência de feixe e alta estabilidade dos componentes ópticos. Essas características permitirão o estudo de partículas da dimensão de alguns nanometros até micrometros, de forma que a SAPUCAIA será uma ferramenta versátil para pesquisadores de áreas de estudo bastante distintas e diversas. A abertura a usuários está prevista para Junho de 2023.

Representação da linha de luz SAPUCAIA

CONTATO & EQUIPE

E-mail da Instalação: sapucaia@lnls.br

Coordenação: Leandro R. S. Barbosa
Tel.:
E-mail: leandro.barbosa@lnls.br

Clique aqui  para mais informações sobre a equipe responsável por esta Instalação.

LAYOUT & ELEMENTOS ÓTICOS

Visão geral dos elementos ópticos na linha SAPUCAIA.

 

Elemento Tipo Posição [m] Descrição
FONTE Ondulador 0 2x onduladores de 1,122 m, polarização horizontal, seção reta de alto beta
S1 Fenda branca 26 Fenda posicionada na entrada do hutch óptico
DCM Monocromador 29 Monocromador de dois cristais rebatidos verticalmente (Si 111 ou Si 311)
M1 Espelho 31 Espelho toroidal de Rh (Raio meridional: 97 mm; Raio sagital: 7800 m)
S2 Fenda definidora 32 Fenda definidora do feixe
S3 Fenda da amostra 47,5  Fendas scatterless posicionadas em frente à amostra
SH Porta-amostra 47,8 Posição do porta-amostra
TN Túnel 48 – 62 Túnel em vácuo com suporte de detector
DET Detector 48,5 – 58,5 Detector PiMega

PARÂMETROS

Parâmetro Valor Condição
Faixa de energia (keV) 6 – 17 Linha otimizada para utilização em 10 keV
Tamanho de feixe (μm2) 250 x 220 (h x v) Na posição da amostra. Estimativa com base em simulações (Shadow)
Divergência de feixe (μrad2) 21 x 19 (fonte, h x v)
29 x 23 (amostra, h x v)
Estimativa com base em simulações (Shadow)
Fluxo de fótons
(fótons/s/100mA)
1,5 x 1013 (@6 keV)
0,5 x 1013 (@10 keV)
0,1 x 1013 (@17 keV)
Na posição da amostra. Estimativa com base em simulações (Shadow)
Resolução de energia (λ/Δλ) 30000 (Si 311)
7500 (Si 111)
Estimativa para 10 keV com base nos parâmetros da óptica e divergência
Polarização Horizontal Onduladores da KYMA
Q min – máx (nm-1) 0,019 – 6,0 (@6 keV)
0,032 – 10,0 (@10 keV)
0,054 – 16,9 (@17 keV)
Detector próximo à amostra (0,8 m)
Q min – máx (nm-1) 0,0014 – 0,45 (@6 keV)
0,0023 – 0,75 (@10 keV)
0,0040 – 1,3 (@17 keV)
Detector afastado da amostra (10,8 m)
Q máx (WAXS) (nm-1) 13,9 (@6 keV)
23,2 (@10 keV)
39,5 (@17 keV)
Detector dentro do túnel a 0,8 m

ESTAÇÕES EXPERIMENTAIS E ACESSÓRIOS

A SAPUCAIA tera uma estação experimental com capacidade de realizar diferentes variações de experimentos de SAXS em conjunto com técnicas analíticas complementares in situ. Também haverá um robô trocador de amostra para líquidos. Além do SAXS convencional, usuários poderão fazer Espalhamento de Raios X a Altos Ângulos (WAXS), SAXS resolvido no tempo (TR-SAXS) para acompanhar mudanças na amostra em escala de milissegundos, SAXS Anômalo (ASAXS) para certos tipos de amostra e Cromatografia de Exclusão por Tamanho acoplada a SAXS (SEC-SAXS) para separação e seleção de estados de amostra, como diferentes estados oligoméricos de proteínas. Diferentes metódos de manuseio de amostra, como stopped-flow, reologia e microfluídica também estarão disponíveis para usuários.

PORTA-AMOSTRA ESPECÍFICO PARA LÍQUIDOS

O porta-amostra para líquidos consistirá em um capilar de 1.5 mm envolto por um dispositivo de controle térmico para 10ºC a 80ºC. Ele terá um ângulo de saída próximo a 30º (2θ ~30°) e será monitorado por uma câmera óptica que dará informações tais como posição do meníscuo, limpeza do capilar e presença inconveniente de bolhas. Uma abertura de 180º conterá um espectrômetro UV-Vis para monitorar a concentração da solução. Uma vez que é muito importante uma medição acurada da temperatura do capilar, ela será medida por uma câmera térmica 2D de infravermelho e, indiretamente, por termopares. O porta-amostra permitirá fácil mudança do suporte do capilar em caso de quebra ou presença de sujeira sem que que seja necessária desmontagem do resto da peça. Ele será ligado a tubos de vácuo e, apesar da presença do capilar, não haverão outras janelas de raios X.

Vista explodida do do porta-amostra de líquidos, que contém controle de temperatura por resistências e fluxo de água como resfriamento, e também permitirá medições simultâneas de espectroscopia de UV-Vis. (A) Estrutura externa do porta-amostra; (B) Suporte do capilar; (C) Espectrômetro UV-Vis; (D) Câmera de luz visível; (E) Resistência de cartuchos; (F) Tubos de água; (G) Bases de suporte do capilar.

SAXS RESOLVIDO NO TEMPO (TR-SAXS)

O alto fluxo de fótons fornecido na SAPUCAIA permitirá ao usuário fazer experimentos em escalas de tempo mais curtas do que a maioria das fontes de raios X, e com níveis de ruído similares. Está característica traz a possibilidade do estudo de fenômenos de dinâmica mais rápida, tais como enovelamento e desenovelamento proteicos, formação de nanopartículas e interações proteína-ligante.

Dados de SAXS Resolvido No Tempo simulando esferas com raio crescente com o decorrer do experimento. De acordo com nossas simulações, será possível realizar medidas da ordem de milissegundos.

CROMATOGRAFIA DE EXCLUSÃO POR TAMANHO COM SAXS (SEC-SAXS)

Um problema comum em experimentos de SAXS é de amostras com diferentes estados de agregação, o que pode ser um problema na etapa de análise de dados, especialmente para proteínas instáveis. Acoplar colunas de Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC) ao porta-amostra torna poss-ivel separar espalhadores de diferentes tamanhos, tais como diferentes estados oligoméricos de uma proteína, para o estudo de cada conjunto individualmente e contornar problemas relacionados à polidispersão de amostra.

SAXS ANÔMALO (ASAXS)

SAXS Anômalo (ASAXS) usa desvios de propriedades de espalhamento de determinados átomos quando a energia dos raios X incidentes é próxima da energia de ligação dos elétrons mais internos desses átomos. Nesta técnica, medidas são feitas em diversas energias de raios X próximas à borda de absorção para um elemento de interesse, em processo análogo a medir uma mesma partícula variando a densidade eletrônica daquele elemento específico. Isso traz informação com relação ao comportamento do elemento à parte de outros da amostra.

Portanto, tal procedimento permite que se obtenha informações específicas de um elemento da amostra. Tal medida é bastante comum e aplicada em matéria condensada ou sistemas inorgânicos, onde energias de ligação são da ordem de alguns keV.

Recentemente, porém, houveram estudos na literatura nos quais tal fenômeno foi obervado para sistemas biológicos, como proteínas*. Na SAPUCAIA, usuários poderão mudar a energia do feixe de 6 até 17 keV para poderem fazer experimentos de SAXS anômalo.

* Gruzinov, Andrey Yu, et al. “Anomalous SAXS at P12 beamline EMBL Hamburg: instrumentation and applications.” Journal of synchrotron radiation 28.3 (2021).

REQUISITOS PARA PREPARO DE AMOSTRA

SAXS é uma técnica versátil com relação a requisitos de preparo de amostra e uma variedade de porta-amostras estarão disponíveis para os usuários. Apesar disso, há condições ótimas para SAXS a depender do sistema. A SAPUCAIA receberá tanto amostras líquidas, em gel ou sólidas, sendo todas elas medidas em temperaturas controladas. Recomendamos que a equipe da linha seja contatada para mais informações com relação a concentração de amostra e temperatura, entre outros tópicos.

APLICAÇÕES  

ESTRUTURA, ENOVELAMENTO E COMPLEXOS PROTEICOS

Para obter informações no motivo de certa proteína ou complexo ter determinada função biológica, o estudo de sua estrutura é fundamental. SAXS permite ao usuário a obtenção de informações importantes para proteínas com relação a tamanho, massa, estado de enovelamento e forma em solução sob um vasto leque de condições.

Na SAPUCAIA, usuários se beneficiarão do baixo ruído devido ao alto fluxo e baixo espalhamento parasita em relação a outras fontes de raios X, o que permite não apenas a coleta de dados para amostras mais diluídas, mas também experimentos resolvidos no tempo para o acompanhamento de processos dinâmicos em escala de milissegundos. A linha de luz também fornecerá meios de fazer procedimentos de cromatografia seguidos por SAXS, permitindo o estudo de diferentes estados oligoméricos e mitigação de problemas relativos a agregação proteica.

NANOPARTÍCULAS

Nanopartículas para encapsulação de substâncias são de especial interesse para diferentes campos da ciência, indo desde medicina personalizada até as indústrias alimentícia e agrícola, sendo utilizados também para a remoção de contaminantes ambientais como metais pesados e poluentes tanto orgânicos quanto inorgânicos.

SAXS é uma técnica particularmente interessante  para o estudo deste tipo de sistema não apenas devido à informação que o usuário pode obter, mas também às diversas condições nas quais os experimentos podem ser realizados.

Na SAPUCAIA o usuário poderá fazer experimentos para acompanhar a formação de nanopartículas, o efeito de encapsulação ou liberação de uma droga (ou outra molécula de interesse) na estrutura da nanopartícula, transições de fase em escalas de tempo mais curtas e para partículas de diferentes tamanhos, permitindo não apenas a obtenção de informações locais, mas também na distribuição de tamanhos de nanopartículas. Além disso, a pequena divergência da SAPUCAIA, em conjunto com sua fonte de ondulador, permitirá medidas de partículas espalhadoras de até 2 – 4 mm, permitindo aos usuários o estudo de partículas micrométricas.

CIÊNCIA DE POLÍMEROS

O estudo de polímeros está presente em muitas áreas e são empregados para um amplo espectro de aplicações, desde cosméticos a combustíveis, e amostras poliméricas podem ser estudadas por muitas técnicas experimentais diferentes, de reologia a espectroscopia, que podem ser beneficiadas das informações complementares fornecidas por SAXS. Aqui na SAPUCAIA o usuário poderá se beneficiar de características da linha como menor escala de tempo entre medidas para acompanhar tamanho e estrutura na formação de compostos de rápida polimerização e processos de reticulação, e os ângulos especialmente baixos de espalhamento alcançados devido ao comprimento de nosso túnel também permitirá o estudo de grandes complexos poliméricos e transições de fase.

CATÁLISE

O acompanhamento de processos catalíticos é de grande interesse para um amplo leque de áreas, desde processos biológicos fundamentais a aplicações industriais. Na linha SAPUCAIA, o usuário poderá estudar catálise tanto em meios líquidos quanto sólidos em escalas de tempo curtas, e dispositivos de stopped-flow estarão disponíveis para o estudo de dinâmicas de catálise desde etapas mais iniciais no processo. Isso permitirá aos usuários o acompanhamento de catálise em mais detalhe para diversas condições e catalisadores.