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解析したり、細孔サイズや部分的に秩序だった材料の特性距離などを決定したりできます。^{[1]これは、X線が材料を通過するときの}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」が付いて）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解像できます。^{[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、材料の特性評価に使用されるX線散乱技術のファミリーに属します。タンパク質などの生物学的高分子の場合、結晶学に対するSAXSの利点は、結晶サンプルが必要ないことです。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できます。^[6] 核磁気共鳴分光法では、分子量が大きい高分子（> 30～40 kDa）では問題が発生します。ただし、溶解した分子や部分的に秩序だった分子の向きがランダムであるため、空間平均化により、結晶学と比較してSAXSの情報に損失が生じます。

SAXSは、平均粒子サイズ、形状、分布、表面積と体積の比などのパラメータの観点から、粒子システム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固体、液体、または気体の領域（いわゆる粒子）を任意の組み合わせで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などの秩序だったシステム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]食品および医薬品が含まれ、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かまいません。

共鳴非弾性X線散乱の場合と同様に、X線源のエネルギーを共鳴吸収端に一致させることにより、X線散乱収量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考えられる。

SAXS 装置では、単色X 線 ビームがサンプルに照射され、一部の X 線は散乱しますが、大部分はサンプルと相互作用せずにそのままサンプルを通過します。散乱した X 線は散乱パターンを形成し、次に検出器で検出されます。検出器は通常、サンプルの背後に最初にサンプルに当たった一次ビームの方向に対して垂直に配置された 2 次元のフラット X 線検出器です。散乱パターンには、サンプルの構造に関する情報が含まれています。SAXS 装置で克服しなければならない主な問題は、弱い散乱強度を強いメイン ビームから分離することです。必要な角度が小さいほど、これは難しくなります。この問題は、太陽の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遭遇する問題に匹敵します。月がメイン光源を遮った場合にのみ、コロナが見えるようになります。同様に、SAXS では、サンプルを通過するだけの非散乱ビームを遮る必要がありますが、すぐ近くの散乱放射は遮らないでください。利用可能なほとんどの X 線源は発散ビームを生成し、これが問題を複雑化させます。原理的には、ビームを集束させることでこの問題を克服できますが、これは X 線を扱う場合には容易ではなく、これまでは大きな曲面ミラー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、ほとんどの実験室の小角デバイスは代わりにコリメーションに依存しています。実験室の SAXS 機器は、ポイント コリメーションとライン コリメーションの 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装置には、サンプルを照らす小さな円形または楕円形のスポットにX 線ビームを成形する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ため (正しい方向に飛ぶ光子のみが通過を許可される)、散乱強度は小さく、したがって測定時間は、非常に弱い散乱体の場合は数時間または数日のオーダーになります。曲がったミラーや曲がったモノクロメータ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。

ラインコリメーション機器は、ビームを 1 次元のみに制限するため (ポイントコリメーションでは 2 次元)、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。したがって、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、数分の範囲です。欠点は、記録されたパターンが本質的に多く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) であることです。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方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のみです。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、米国の Xenocsなどがあります。

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