SAXS揭秘微观世界第三讲

当听到小角X射线散射（SAXS）时，你会想到什么？大型同步辐射环还是几十米长的仪器？

一、背景

尽管大型同步辐射设备具有强大的测试性能，但近年来实验室中SAXS仪器也取得了巨大进步，功能使用越来越广泛。实验室X射线光源和检测系统的技术改进也大大缩短了测量时间。

因此，我们需要思考的问题是：在什么情况下应该优先选择其中一种，以及这两种方法如何相互补充？

二、实验室中的数据质量如今与同步辐射设备相媲美

实验室仪器可以提供高质量的数据，并进行准确的数据分析。例如，我们可以用SAXS分析被广泛研究的生物系统——溶液中的蛋白质。SAXS可以对相关分子进行表征，包括溶液中的单体-二聚体平衡，这是使用其他生物物理技术难以实现的。

在图1（A）中，我们比较了使用Xenocs BioXolver仪器收集的SAXS数据与在PETRA III储存环（德国汉堡DESY）P1线站上收集的相同牛血清白蛋白的同步辐射SAXS数据[1]（同步辐射数据来自SASBDB条目SASDDN3 [2]）。尽管两组数据的信噪比不同，但它们之间的一致性是显而易见的。

溶液中的牛血清白蛋白（BSA）主要是单体的，但通常也存在少量二聚体。为了表征寡聚体的组成，可以使用SAXS数据拟合来自单体和二聚体的原子模型计算的散射图案的加权和（见图1（B））。两组数据均显示出存在少量二聚体，其单体到二聚体体积比相似：实验室数据为82:18%，同步辐射数据为79:21%。由于实验室仪器精度高，因此可以灵敏地检测溶液中的二聚体或大寡聚体比例，这与同步辐射的结果非常吻合。

图1（A）牛血清白蛋白（BSA）溶液的SAXS数据。黑点：在50mM Bis-Tris，pH 7.3中测量的2.5mg/ml BSA的SAXS数据，使用MetalJet光源在Xenocs BioXolver上测量了10分钟。绿点：在50mM HEPES，pH 7.5中测量的2.25mg/ml BSA的SAXS数据，使用同步辐射线站P12（EMBL/DESY）测量了5秒，数据来自SASBDB [2] 条目SASDDN3。图中显示了Guinier图和对分布函数。（B）使用单体：二聚体混合物拟合的相同数据。实线：从PDB：3v03（插图）中获取的BSA单体和二聚体模型的混合物计算的SAXS图谱。

在实验室使用SAXS仪器进行数据采集可能需要更长的曝光时间，但总体时间比去同步辐射的时间要短得多。

然而，有一些情况下同步辐射光束线是首选：

1、对于研究非常快速的过程，同步辐射的高通量可以实现亚毫秒级的时间分辨率。而实验室光源至少需要以秒为单位进行动力学研究。相反，如果您需要测试的反应进程十分缓慢，可以优先考虑实验室光源，因为可以更容易地获得光束时间，并且可以获得长时间段的实验时间。

2、对于需要微束扫描SAXS或广角X射线散射（WAXS）的研究。同步辐射设备上的仪器可以提供低至100 x 100 nm²的准直光束，其流量高达1011ph/s [4]，从而能在合理的时间内进行纳米光束扫描。在实验室光源的情况下，需要更仔细地考虑光通量和光束尺寸之间的平衡，将后者限制在几十微米。

三、实验室SAXS的便利之处

与同步辐射光源相比，实验室仪器更容易获得光束时间。同步辐射的申请接受率通常低于50%（见图2），根据申请的仪器不同，可能会降至30%。要在同步辐射上获得光束时间，您需要通过提交的申请中证明，与实验室光源相比，您的研究将极大受益于更高的通量。此外，申请中还应证明您已经掌握了样品的详细信息。在这方面，实验室SAXS是进行样品预先表征的优秀工具。

图2 欧洲同步辐射接受率。数据来源[5]。

此外，大多数同步辐射设施每年只有两次提交申请的机会。因此，一旦申请通过，实验安排可能需要几个月的时间。为了不耽误时间，您可以通过使用实验室SAXS仪器或与实验室建立合作关系用于您的研究。

四、实验室和同步辐射SAXS相结合，提升您的研究成果！

在许多情况下，实验室和同步辐射的两种测量是相辅相成的，可以更有效地利用同步辐射设施做好准备，或获得研究的全貌。实验室系统提供了以下机会：

1、进行原理验证测量和初步分析，在准备同步辐射申请时非常有价值。在这方面，与同步辐射的仪器相比，对实验设置拥有完全控制权是实验室仪器的主要优势。

2、通过测试大量样品并实时了解结果，可以改进样品制备过程。这一操作对于找到正确的实验条件至关重要，也是在同步辐射获得光束时间的重要先决条件。

3、为同步辐射实验中选择最适合的样品。对各种样品形态和在某些参数（如温度）下的变化进行常规表征，确保可以将合适的样品以最佳条件运送到同步辐射实验室。

4、在同步辐射实验时间有限或无法实时获得结果并准备额外样品的情况下，可能需要额外的数据来全面理解特定主题。这可能是因为需要更多数据来发表研究成果，这将增加时间，因为需要在重新提交时提供答复。前面提到，现代实验室和同步辐射仪器的数据质量相当。因此，可以通过结合实验室和同步辐射数据（如图3所示）来获得研究的全貌。

图3 展示了在Xeuss 2.0实验室仪器和ESRF的ID02同步辐射光束线上记录的四种纯PDMAC48−P(St-alt-NMI)x共聚物形态的1D SAXS图。相关TEM图像见图右侧[6]。来源：Macromolecules 2016, DOI: 10.1021/acs.macromol.6b01563。

五、总结

最近在X射线光源、光束准直和检测方面的进展，让科学家们可以在实验室内的SAXS/WAXS仪器进行更接近真实情况的高质量X射线散射测量。

实际上，对于大多数应用而言，使用实验室SAXS仪器，包括SAXS/WAXS/GISAXS/GIWAXS/X射线反射实验，可以在广泛的长度尺度表征各种样品的纳米结构。

尽管大型设施对于复杂的样品仍然非常重要，但如果您想迅速了解样品的纳米结构，实验室X射线散射仪器是一个很好的选择。尽管测量时间会比同步辐射光源长，但可以避免提交申请、等待光束时间和差旅时间。对于许多类型的样品，并不一定需要使用同步辐射SAXS，因为可以使用实验室光源轻松且全面地研究结构。此外，如果您获得了同步辐射的光束时间，实验室测量在优化实验参数以确保最佳结果或在回到实验室时补充数据集方面也至关重要。

参考文献：

[1]C. E. Blanchet, A. Spilotros, F. Schwemmer, M. A. Graewert, A. Kikhney, et al., Versatile Sample Environments and Automation for Biological Solution X-Ray Scattering Experiments at the P12 Beamline (PETRA III, DESY), J Appl Cryst 48, 2 (2015). DOI: 10.1107/S160057671500254X.

[2] A. G. Kikhney, C. R. Borges, D. S. Molodenskiy, C. M. Jeffries, and D. I. Svergun, SASBDB: Towards an Automatically Curated and Validated Repository for Biological Scattering Data, Protein Science 29, 66 (2020). DOI: 10.1002/pro.3731.

[3]K. A. Majorek, P. J. Porebski, M. Chruzcz, S. C., Almo, and W. Minor, Crystal structure of bovine serum albumin. (2012). Available at: https://www.rcsb.org/structure/3v03

[4]ESRF synchrotron, ID13 – MICROFOCUS BEAMLINE. Retrieved March 15, 2022, from https://www.esrf.fr/UsersAndScience/Experiments/XNP/ID13

[5]ESRF report: ESRF Highlights 2021 [Online].Available at:  https://www.esrf.fr/UsersAndScience/Publications/Highlights