CONTATO & EQUIPE
E-mail da Instalação: sapucaia@lnls.br
Coordenação: Aline R. Passos
Tel.: +55 19 3512 2332
E-mail: aline.passos@lnls.br
Clique aqui para mais informações sobre a equipe responsável por esta Instalação.
SAPUCAIA (Scattering APparatUs for Complex Applications and In-situ Assays) é uma linha de luz dedicada às técnicas de Espalhamento de Raios X a Baixos Ângulos (SAXS), Ultra Baixos Ângulos (USAXS) e Espectroscopia de Correlação de Fótons de Raios X (XPCS). SAXS/USAXS são técnicas de caracterização estrutural utilizadas para investigar propriedades como forma, tamanho, distribuição e organização espacial de objetos em escalas nano e submicrométricas. Além de medidas estáticas, essas técnicas permitem acompanhar alterações estruturais in situ e realizar estudos cinéticos resolvidos no tempo, com resolução temporal de milissegundos. O XPCS complementa essas informações estruturais ao explorar as flutuações temporais do espalhamento coerente de raios X, permitindo investigar a dinâmica, os processos de difusão e a reorganização estrutural em escalas nanométricas e submicrométricas. Em conjunto, essas técnicas possibilitam o estudo da estrutura e da dinâmica de sistemas complexos, com aplicações em diferentes áreas da física, química, biologia, ciência de materiais e engenharia.
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SAPUCAIA (Scattering APparatUs for Complex Applications and In-situ Assays) é uma linha de luz dedicada às técnicas de Espalhamento de Raios X a Baixos Ângulos (SAXS) e a Ultra Baixos Ângulos (USAXS). SAXS e USAXS são técnicas de caracterização estrutural usadas para o estudo de propriedades como forma, tamanho, distribuição e organização espacial de objetos nano e microestruturados. Além disso permitem a realização de estudos cinéticos resolvidos no tempo, com resolução temporal de milissegundos. Essas técnicas são consolidadas com aplicações em campos de pesquisa diversos, como física, química, biologia e engenharia. A linha de luz oferece aos usuários a possibilidade de investigar problemas relevantes nas ciências da vida, com aplicações biológicas e médicas, na biologia estrutural, abrangendo proteínas, ácidos nucleicos, lipídeos e macromoléculas em geral, e em múltiplos tópicos da ciência de materiais, como nanotecnologia, polímeros, e ciências ambientais.
A linha SAPUCAIA opera em regime high throughput, permitindo rápida troca de amostras. Para isso conta com trocador robótico de amostras, integrado ao controle da linha de luz e a aquisição de dados, permitindo experimentos de SAXS, USAXS e XPCS com elevada eficiência operacional. A linha está localizada em um trecho de alto beta, garantindo baixa divergência. A fonte é um ondulador KYMA, o feixe é focalizado por um espelho toroidal e a energia é definida por um monocromador DCM. A linha está comissionada para a configuração padrão de energia de 8 keV. O detector PIMEGA 540D está instalado em uma câmera de vácuo de 15 metros de comprimento e 2 metros de diâmetro, permitindo uma distância amostra-detector de 1 m a 10,5 m e frame rate 1kHz, cobrindo uma ampla faixa de q. Essas propriedades permitem o estudo de partículas com dimensões que variam de alguns nanômetros até micrômetros, tornando a SAPUCAIA uma ferramenta extremamente versátil para pesquisadores de áreas científicas diversas.
A linha SAPUCAIA foi projetada para ter baixo espalhamento parasita, baixa divergência do feixe e alta estabilidade dos componentes ópticos. A estação experimental dispõe de um robô trocador de amostras para líquidos (com viscosidade semelhante à da água) e um posicionador dedicado a amostras sólidas (pó, filme, fibra). A configuração experimental para amostras líquidas conta com controle de temperatura entre 10 e 50 °C. É possível realizar experimentos in situ e resolvidos no tempo, com resolução temporal de até 1 ms TR-SAXS (Time-Resolved Small Angle X-Ray Scattering). Para experimentos de XPCS, a SAPUCAIA permite acessar processos dinâmicos com tempos característicos a partir da escala de milissegundos.
| Elemento | Tipo | Posição [m] | Descrição |
|---|---|---|---|
| FONTE | Ondulador | 0 | Ondulador APU22 Kyma, seção reta de alto beta |
| S1 | Fenda branca | 27 | Fenda posicionada na entrada da cabana óptica |
| DCM | Monocromador | 29 | Monocromador de dois cristais rebatidos verticalmente (Si 111 ou Si 311) |
| S2 | Fenda mono | 30 | Fenda definidora do feixe |
| M1 | Espelho | 31 | Espelho toroidal de Rh (Raio meridional: 97 mm; Raio sagital: 7900 m) |
| S3 | Fenda definidora | 32 | Fenda definidora do feixe |
| S4 | Fenda da amostra | 47,5 | Fendas scatterless posicionadas em frente à amostra |
| SH | Porta-amostra | 48 | Posição do porta-amostra |
| TN | Túnel | 48 – 62 | Túnel em vácuo com suporte de detector |
| DET | Detector | 48,5 – 58,5 | Detector PiMega 540D, Medipix3 |
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| Faixa de energia (keV) | 5 — 20 keV |
| Fluxo de fótons (fótons/s/100mA) |
2 x 1012 ph/s @ 8 keV |
| Fluxo de fótons (modo coerente) (fótons/s/100mA) |
6 x 1010 ph/s @ 8 keV |
| Tamanho do feixe na amostra | ~ 200 µm2 |
| Distância amostra–detector | 1 — 10.62 m |
| q-range | 0.004 — 5.2 nm-1 |
O Espalhamento de Raios X a Baixos Ângulos (SAXS) investiga a organização estrutural de materiais em escala nanométrica a partir do espalhamento elástico de raios X por variações de densidade eletrônica presentes na amostra. Essas variações podem ocorrer, por exemplo, entre uma partícula e o solvente, entre diferentes domínios de um material ou entre regiões distintas de uma macromolécula. A intensidade espalhada depende, portanto, do contraste de densidade eletrônica entre a estrutura de interesse e o meio que a envolve. O espalhamento é descrito em função do módulo do vetor de espalhamento, q, que depende do comprimento de onda dos raios X e do ângulo de espalhamento. Como q é inversamente relacionado à escala de comprimento investigada, diferentes regiões da curva de SAXS correspondem a diferentes níveis de organização estrutural: baixos valores de q identificam estruturas de maiores dimensões, enquanto valores mais elevados de q revelam características progressivamente menores.
Experimentalmente, o padrão de espalhamento registrado no detector é convertido em uma curva de intensidade I(q), que representa uma média estatística da estrutura de um grande número de objetos presentes no volume iluminado pelo feixe. A forma dessa curva contém informações sobre dimensões, morfologia, distribuição de tamanhos, estrutura interna e organização espacial dos componentes da amostra. Em sistemas particulados, sua interpretação pode ser descrita de maneira simplificada pelas contribuições do fator de forma, P(q), relacionado à estrutura individual dos objetos espalhadores, e do fator de estrutura, S(q), associado às correlações e interações entre eles. A análise dos dados, utilizando abordagens independentes de modelo ou modelos estruturais adequados ao sistema, permite obter parâmetros como raio de giração, dimensões características, distribuições de tamanho, distâncias entre objetos e propriedades de interfaces, além de acompanhar processos de agregação, auto-organização e transições estruturais.
Para se aprofundar mais em SAXS/USAXS, consulte as seguintes referências:
A Espectroscopia de Correlação de Fótons de Raios X (XPCS) é uma técnica baseada no espalhamento coerente de raios X que permite investigar a dinâmica de materiais em escalas nano e sub-micrométricas. Ao iluminar uma amostra com um feixe coerente, as ondas espalhadas interferem entre si e produzem no detector um padrão granular de intensidade, denominado speckle. Esse padrão contém informação sobre a configuração instantânea da amostra e se modifica à medida que seus constituintes se movimentam ou se reorganizam. A evolução temporal dessas flutuações é quantificada por meio da função de autocorrelação de intensidade g₂(q, Δt), que compara o padrão de espalhamento registrado em diferentes instantes. O vetor de espalhamento q seleciona a escala espacial investigada, enquanto o intervalo Δt representa a escala temporal da medida. Dessa forma, o XPCS permite observar como estruturas em uma determinada escala de comprimento permanecem correlacionadas ou se reorganizam ao longo do tempo.
As curvas de autocorrelação fornecem um tempo característico de relaxação, cuja dependência com q revela informações sobre o mecanismo responsável pela dinâmica do sistema. Para partículas submetidas à difusão Browniana simples, por exemplo, a taxa de relaxação Γ varia como q², seguindo a relação Γ = Dq², em que D é o coeficiente de difusão translacional. Outros comportamentos podem indicar dinâmica coletiva, confinamento, heterogeneidade ou processos fora do equilíbrio.
Para se aprofundar mais sobre XPCS, consulte as seguintes referências:
Para a obtenção de dados de SAXS, USAXS e XPCS de qualidade, a amostra deve apresentar sinal de espalhamento adequado, permanecer estável durante a medida e ser compatível com o ambiente experimental utilizado. Além disso, a faixa de q escolhida deve estar de acordo com o tamanho das estruturas a serem analisadas. Desse modo, o usuário deve se atentar tanto a aspectos relacionados ao espalhamento de suas amostras, bem como o seu preparo e a sua adequação às condições experimentais oferecidas pela linha SAPUCAIA.
Em relação ao espalhamento da amostra, o usuário deve considerar:
Em relação à qualidade do preparo de amostra, deve-se ter em mente os seguintes fatores:
Em relação à adequação da amostra às condições experimentais oferecidas pela linha SAPUCAIA:
A função de biomacromoléculas está intimamente ligada à sua organização em solução e à capacidade de transitar entre diferentes estados estruturais. Proteínas, ácidos nucleicos e complexos biomoleculares podem apresentar múltiplas conformações, diferentes estados de oligomerização e associações transitórias que nem sempre são acessíveis por métodos baseados em estruturas cristalinas isoladas. SAXS oferece uma visão integrada dessas populações estruturais em solução, permitindo investigar conformação, flexibilidade, montagem de complexos e equilíbrio entre diferentes estados moleculares.
Mudanças conformacionais desencadeadas por interação molecular, pH, temperatura ou composição da solução podem ser acompanhadas de forma sistemática, enquanto experimentos resolvidos no tempo estendem essas análises à evolução de processos de associação, dissociação e reorganização estrutural. O regime high-throughput amplia ainda essa capacidade para a triagem de condições e estudos comparativos envolvendo grandes conjuntos de amostras.
O XPCS amplia essa caracterização ao fornecer acesso à dinâmica coletiva de sistemas biomoleculares, particularmente em soluções concentradas e sistemas que apresentam organização supramolecular. A técnica pode acompanhar processos como difusão, separação de fases, formação de condensados, gelificação e relaxações viscoelásticas, permitindo investigar como a mobilidade e as interações entre biomacromoléculas evoluem ao longo do tempo e em diferentes escalas espaciais.
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Em sistemas coloidais, a estrutura relevante não está apenas na morfologia de cada partícula, mas na maneira como seus constituintes interagem e se organizam coletivamente. Pequenas variações nas interações interpartículas podem produzir mudanças profundas no comportamento do sistema, levando à formação de agregados, redes percoladas, géis, vidros, cristais coloidais e outras fases organizadas. SAXS e USAXS oferecem acesso direto a essa organização em uma ampla faixa de escalas, conectando a estrutura das unidades individuais às arquiteturas hierárquicas que emergem em sistemas concentrados e complexos.
Essa abordagem é particularmente poderosa para investigar como a estrutura se forma e evolui, e não apenas seu estado final. Medidas in situ e resolvidas no tempo podem acompanhar vias de auto-organização, nucleação e crescimento de fases, transições estruturais, gelificação e envelhecimento, revelando estados intermediários e estruturas fora do equilíbrio. A possibilidade de explorar escalas nanométricas a sub-micrométricas torna o SAXS/USAXS especialmente adequado para relacionar interações microscópicas à organização mesoscópica e, em última instância, às propriedades macroscópicas de coloides e materiais de matéria mole.
A dinâmica é um componente fundamental do comportamento de sistemas coloidais e pode ser investigada diretamente por XPCS. A técnica permite quantificar movimentos difusivos e coletivos, tempos de relaxação, envelhecimento e respostas a perturbações externas, além de acompanhar a evolução de sistemas fora do equilíbrio. A combinação de SAXS/USAXS e XPCS possibilita, assim, correlacionar a organização estrutural dos coloides com os processos dinâmicos responsáveis por sua evolução.
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Nanomateriais desenvolvidos para aplicações médicas são sistemas cuja estrutura pode ser profundamente modificada pelo ambiente em que se encontram. A encapsulação de moléculas terapêuticas, mudanças na composição do meio e a interação com proteínas, lipídios e membranas podem alterar sua organização interna, estabilidade e estado de associação. Compreender essas transformações é essencial para estabelecer relações entre a arquitetura do nanomaterial e seu desempenho biológico.
SAXS permite investigar nanocarreadores diretamente em solução e acompanhar mudanças estruturais associadas à formulação, encapsulação e liberação de moléculas. Em interfaces nano–biológicas, a técnica oferece uma perspectiva particularmente valiosa ao permitir observar alterações que surgem após o contato das nanopartículas com o meio biológico, incluindo formação de coronas biomoleculares, reorganização estrutural e agregação. Essa capacidade torna possível comparar a estrutura originalmente projetada com aquela efetivamente apresentada pelo nanomaterial em condições biologicamente relevantes, fornecendo informações fundamentais para o desenvolvimento racional de nanopartículas lipídicas, lipossomos, sistemas poliméricos e nanomateriais inorgânicos destinados a aplicações biomédicas.
O XPCS permite investigar in situ a dinâmica de nanopartículas em ambientes biológicos complexos, acompanhando alterações em sua difusão decorrentes das interações com biomoléculas e com o meio. Mudanças na mobilidade das nanopartículas podem revelar processos como formação de corona proteica, agregação e alterações de estabilidade, permitindo avaliar a evolução da interface nano–biológica diretamente em meios concentrados e de elevada complexidade.
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Em materiais poliméricos, pequenas alterações na arquitetura molecular ou nas condições de processamento podem produzir mudanças profundas na organização em nanoescala. Copolímeros em bloco, partículas poliméricas, géis e materiais híbridos podem formar domínios, redes e estruturas periódicas cuja organização determina propriedades mecânicas, ópticas, de transporte e resposta a estímulos. SAXS e USAXS permitem acompanhar essa organização em diferentes escalas e estabelecer relações entre composição, processamento e estrutura final.
Uma das aplicações mais poderosas do SAXS nessa área é observar a formação do material enquanto ela ocorre. SAXS resolvido no tempo pode acompanhar diretamente nucleação e crescimento de partículas, polimerização, separação de fases e processos de polymerization-induced self-assembly, revelando intermediários estruturais que não permanecem presentes no produto final. Em materiais auto-organizados, a evolução dos padrões de espalhamento permite identificar o surgimento e a transformação de fases ordenadas, oferecendo uma visão direta de como a estrutura emerge e se reorganiza durante síntese, processamento ou aplicação de estímulos externos.
Em materiais poliméricos e auto-organizados, o XPCS permite acessar as relaxações microscópicas que acompanham a formação e a reorganização de estruturas ordenadas. A técnica pode revelar movimentos coletivos, rearranjos de domínios e diferenças na dinâmica entre diferentes fases, complementando a informação estrutural obtida por SAXS e permitindo relacionar a arquitetura do material aos mecanismos responsáveis por sua evolução temporal.
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Catalisadores e materiais porosos são frequentemente projetados a partir de estruturas que se estendem por diferentes escalas de comprimento. Nanopartículas ativas, agregados, interfaces, poros e estruturas hierárquicas podem evoluir durante síntese, ativação e operação, alterando diretamente a atividade, seletividade e estabilidade do material. SAXS e USAXS oferecem uma forma de acompanhar essas transformações em escala nanométrica e mesoscópica, inclusive em materiais heterogêneos nos quais a estrutura relevante não está restrita à fase cristalina.
Essa abordagem ganha especial importância em experimentos in situ e operando, nos quais a estrutura pode ser observada durante o funcionamento do material. Crescimento e coalescência de nanopartículas, sinterização, reconstruções morfológicas e processos de degradação podem ser acompanhados ao longo do tempo e correlacionados às condições de reação. Em materiais porosos e frameworks, medidas resolvidas no tempo também podem revelar intermediários e etapas de organização que antecedem a formação da estrutura final. Combinado a técnicas sensíveis à estrutura cristalina ou ao estado químico, o SAXS fornece assim uma descrição multiescala da evolução de catalisadores e materiais funcionais em condições relevantes de operação.
O XPCS acrescenta uma dimensão temporal ao estudo de materiais porosos ao permitir acompanhar flutuações, reorganizações e processos de crescimento em condições in situ. Em sistemas como zeólitas, a análise das correlações temporais do espalhamento pode distinguir diferentes etapas de nucleação, crescimento, transformação de fases e cristalização, fornecendo informações dinâmicas que complementam a evolução estrutural observada por SAXS.
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