小角X線散乱

小角X線散乱（SAXS）は、サンプル内のナノスケールの密度差を定量化できる小角散乱技術です。つまり、ナノ粒子のサイズ分布を決定したり、（単分散）高分子のサイズと形状を分解したり、部分的に秩序だった材料の細孔サイズと特性距離を決定したりできます。[ 1 ]これは、X線が材料を通過する際の弾性散乱挙動を分析し、小さな角度（通常0.1～10°、名前に「小角」があるため）での散乱を記録することによって実現されます。これは、小角中性子散乱とともに小角散乱（SAS）技術のファミリーに属し、通常、波長0.07～0.2 nmの硬X線を使用して行われます。明確な散乱信号を記録できる角度範囲に応じて、SAXSは1～100nmの寸法の構造情報と、最大150nmの部分的秩序システムの繰り返し距離を提供できます。[ 2 ] USAXS（超小角X線散乱）はさらに大きな寸法を分解できます。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]記録される角度が小さいほど、調査される 物体の寸法が大きくなります。

SAXSとUSAXSは、材料の特性評価に用いられるX線散乱技術の一種です。タンパク質などの生体高分子の場合、結晶構造解析と比較したSAXSの利点は、結晶サンプルを必要としないことです。さらに、SAXSの特性により、これらの分子の立体配座の多様性を調査することができます。[ 6 ]核磁気共鳴分光法は、分子量が30～40 kDaを超える高分子では問題が生じます。しかし、溶解した分子や部分的に秩序立った分子はランダムに配向しているため、空間平均化によって結晶構造解析に比べてSAXSの情報量が減少します。

アプリケーション

SAXSは、平均粒子サイズ、形状、分布、表面積比などのパラメータを用いて、粒子系のマイクロスケールまたはナノスケールの構造を決定するために使用されます。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]材料は固体または液体であり、同じ材料または別の材料の任意の組み合わせの固体、液体、または気体の領域（いわゆる粒子）を含むことができます。粒子だけでなく、ラメラやフラクタルのような材料のような秩序系の構造も研究できます。この方法は正確で非破壊的であり、通常は最小限のサンプル準備のみを必要とします。用途は非常に広く、インターポリ電解質複合体を含むあらゆる種類のコロイド[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] 、 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]ミセル[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]マイクロゲル[ 23 ]リポソーム[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]ポリマーソーム[ 27 ] [ 28 ] 金属、セメント、油、ポリマー[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]プラスチック、タンパク質[ 33 ] [ 34 ]食品、医薬品が含まれ、研究および品質管理の分野で使用されています。X線源は、実験室のX線源でも、より高いX線束を提供するシンクロトロン光でも構いません。

共鳴小角X線散乱

共鳴非弾性X線散乱と同様に、X線源のエネルギーを共鳴吸収端に一致させることで、X線散乱収率を高めることができる[ 35 ]。標準的なRIXS測定とは異なり、散乱光子は入射光子と同じエネルギーを持つとみなされる。

SAXS装置

SAXS装置では、単色X線ビームが試料に照射され、一部のX線は散乱しますが、大部分は試料と相互作用することなく透過します。散乱したX線は散乱パターンを形成し、検出器で検出されます。検出器は通常、試料に最初に入射した一次ビームの方向に対して垂直に試料の背後に配置された2次元平面X線検出器です。散乱パターンには、試料の構造に関する情報が含まれています。SAXS装置において克服しなければならない主要な問題は、弱い散乱強度を強い主ビームから分離することです。目標角度が小さいほど、これはより困難になります。この問題は、太陽コロナのように太陽に近い弱い放射物体を観測しようとするときに直面する問題に匹敵します。月が主光源を遮る場合にのみ、コロナは観測可能です。同様に、SAXSでは、試料を透過するだけの非散乱ビームを遮断する必要がありますが、隣接する散乱放射線は遮断しません。利用可能なX線源のほとんどは発散ビームを発するため、これが問題を複雑化させています。原理的にはビームを集束させることでこの問題は解決できますが、X線を扱う場合、これは容易ではなく、これまでは大型の曲面鏡を使用できるシンクロトロン以外では行われていませんでした。そのため、ほとんどの実験室用小角装置はコリメーションに依存しています。実験室用SAXS装置は、ポイントコリメーション装置とラインコリメーション装置の2つの主要なグループに分けられます。

ポイントコリメーション機器

ポイントコリメーション機器には、X線ビームを小さな円形または楕円形のスポットに成形してサンプルを照らすピンホールがあります。したがって、散乱は一次X線ビームの周囲に中心対称に分布し、検出面の散乱パターンは一次ビームの周囲の円で構成されます。照射されるサンプルの体積が小さく、コリメーション プロセスの無駄が少ない (正しい方向に飛ぶ光子のみが通過を許可される) ため、散乱強度は小さく、そのため測定時間は、散乱が非常に弱い場合は数時間または数日程度になります。曲がったミラーや曲がったモノクロメーター結晶などの集束光学系、または多層膜などのコリメートおよびモノクロメート光学系を使用すると、測定時間を大幅に短縮できます。ポイントコリメーションを使用すると、非等方性システム (繊維、せん断液体)の方向を決定できます。

線状視準器

ライン コリメーション機器は、ビームを 1 次元のみに制限します (ポイント コリメーションの場合は 2 次元)。そのため、ビーム断面は長くて細い線になります。照射されるサンプルの体積はポイント コリメーションに比べてはるかに大きく、同じフラックス密度での散乱強度は比例して大きくなります。そのため、ライン コリメーション SAXS 機器による測定時間はポイント コリメーションに比べてはるかに短く、数分の範囲になります。欠点は、記録されるパターンが本質的に多数の隣接するピンホール パターンの統合された重ね合わせ (自己畳み込み) になることです。結果として生じるスミアは、モデルフリー アルゴリズムまたはフーリエ変換に基づくデコンボリューション法を使用して簡単に除去できますが、システムが等方性である場合に限られます。ライン コリメーションは、タンパク質、界面活性剤、粒子分散液、エマルジョンなどの等方性ナノ構造材料に大きな利点があります。

SAXS機器メーカー

SAXS 機器メーカーには、オーストリアのAnton Paar、ドイツのBruker AXS、オーストリアの Hecus X-Ray Systems Graz、オランダの Malvern Panalytical、日本のRigaku Corporation、フランスのXenocs などがあります。

参照

参考文献

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