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Background elimination using the SNIP algorithm for Bragg reflections from a protein crystal measured by a TOF single-crystal neutron diffractometer

飛行時間型単結晶中性子回折計によって測定された蛋白質結晶のブラッグ反射データへのSNIPアルゴリズム適用によるバックグラウンド除去法

友寄 克亮; 平野 優; 栗原 和男; 玉田 太郎

Tomoyori, Katsuaki; Hirano, Yu; Kurihara, Kazuo; Tamada, Taro

蛋白質等の生体高分子の単結晶回折測定において、プロファイル関数を用いた積分法は弱いブラッグ反射の積分強度精度の向上に有効な手法であり、大強度陽子加速器施設(J-PARC)をはじめとする国内外の大強度パルス中性子線源に設置された単結晶回折装置における回折データ処理においても、その有効性が期待されている。本手法を中性子回折データ処理に適応する場合、水素原子の非干渉性散乱由来の強いバックグラウンドを正確に見積もることが鍵となる。我々は、バックグラウンド評価の際に、統計的に強度の弱いピークを認識するだけでなく、データソーススペクトルからの複数次元(x, y, TOF)のバックグラウンドの除去が可能なSNIP(Statistics-sensitive Nonlinear Iterative Peak-clipping)アルゴリズムを適用することを提案している。本研究では、蛋白質のパルス中性子回折実験で得られた実データのソーススペクトルに対して本アルゴリズムを適用することによるバックグラウンド除去を試みた。次に、TOFのピーク形状を忠実に再現するランダウあるいはバビロフ関数をガウス関数に畳み込んだ関数を、バックグラウンドを除去した一次元TOFヒストグラムデータに適用することにより、回折ピークへのフィッティングと積分を試みた。その結果、蛋白質結晶中の水素原子に起因する強いバックグラウンドに対して、空間方向だけでなく波長によってピーク幅が異なるTOF方向に対しても精度よくバックグラウンド除去が可能であることが分かった。

In neutron protein crystallography, it should be also emphasized that the weak Bragg reflections due to the large unit cells may be buried beneath the strong background caused by the incoherent scattering of hydrogen atoms. Therefore, the background estimation from the source is more reliable to improve the accuracy of Bragg integral intensity. We propose the adoption of Statistics-sensitive Nonlinear Iterative Peak-clipping (SNIP) algorithm for background estimation, which can eliminate the background from the source spectrum as well as statistically enhance low peaks. In addition, it was recently reported that the Landau and Vavilov distributions, which are used to describe the energy loss of charged particles traversing a thin absorber were found to be in excellent agreement with the observed TOF profile. I show that it may be beneficial to establish a profile-fitting method with the combined use of the Landau/Vavilov functions to faithfully reproduce the TOF peak shape and a SNIP background evaluation algorithm to eliminate statistical fluctuations.

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