Рентгенова кристалография: как работи и за какво служи

Рентгенова кристалография: как X-лъчите разкриват 3D структурата на молекули, приложения в наука и медицина, история и съвременни методи.

Рентгеновата кристалография е начин да се види триизмерната структура на дадена молекула. Електронният облак на атома леко огъва рентгеновите лъчи. Така се получава "картина" на молекулата, която може да се види на екран. Методът може да се използва както за органични, така и за неорганични молекули. Пробата не се разрушава в процеса, но при дълго облъчване може да настъпи радиационно увреждане, затова често се използва охлаждане (криокристалография) или силни източници като синхротрони.

Как работи рентгеновата кристалография

За да се получи структурна информация, пробата обикновено трябва да е в кристална форма — множество правилно подредени молекули. Когато монохроматични рентгенови лъчи ударят кристала, част от лъчите се разсейват от електронните облаци на атомите. Разпръснатите вълни се събират (интерферират) и дават характерен дифракционен модел от светли точки. Позициите и интензитетите на тези точки съдържат информация за позициите на атомите в кристала.

Физическото обяснение на явлението се дава чрез закона на Браг: при определени ъгли разпръснатите вълни добавят по фаза и се усилват, което дава ярки отражения. По измерените ъгли и интензитети се изчислява електронната плътност в триизмерен вид (чрез обратна Фурие трансформация), а от нея се моделира атомната структура.

Етапи на типичния експеримент

• Получаване на кристал: растеж на единични кристали с достатъчен размер и качество — често най-трудната и критична част.
• Събиране на дифракционни данни: облъчване с рентгенови лъчи (лабораторни източници или синхротрони) и регистриране на дифракционния модел с цифрови детектори, докато кристалът се завърта.
• Разрешаване на фазовия проблем: от измерените интензитети се губи фазовата информация; тя се възстановява с методи като молекулно заместване (molecular replacement), многократно изоморфно заместване (MIR) или чрез аномална дисперсия (SAD/MAD).
• Изчисляване на електронната плътност: създава се карта на електронната плътност, върху която се вгражда атомен модел.
• Рафиниране и валидиране: оптимизация на модела спрямо данните (намаляване на разликите между наблюдаваните и изчислените интензитети) и проверка за химическа и геометрична логика.

История и значение

Техниката е изобретена съвместно от сър Уилям Браг (1862-1942) и неговия син сър Лорънс Браг (1890-1971). Те получават Нобелова награда за физика за 1915 г. Лорънс Браг е най-младият нобелов лауреат. Той е директор на Кавендишката лаборатория в Кеймбриджкия университет, когато през февруари 1953 г. Джеймс Д. Уотсън , Франсис Крик , Морис Уилкинс и Розалинд Франклин откриват структурата на ДНК. Откритията, направени чрез рентгенова кристалография, имат огромно влияние върху физиката, химията, биологията и фармацията — от разгадаване на кристалните решетки на минерали до определяне на структури на протеини и нуклеинови киселини.

Видове рентгенова кристалография

• Единичнокристална рентгенова дифракция (XRD): най-разпространеният подход за детайлни атомни модели.
• Прахова рентгенова дифракция: използва се, когато не са налични единични кристали; дава по-ограничена информация за средната структура и фазовия състав на материала.
• Криокристалография: охлаждане на кристала до ниски температури за намаляване на радиационните щети и за подобряване на качеството на данните.

Приложения

• Определяне на триизмерни структури на протеини, ензими, нуклеинови киселини — критично за разбиране на функция и дизайн на лекарства (структурна биология, фармация).
• Идентификация и оптимизация на нови химични вещества и каталитични центрове (органична и неорганична химия).
• Изследване на материали, минерали и полиморфизъм в твърди вещества (материалознание и геология).
• Проверка на синтезирани съединения и точността на химични формули чрез определяне на връзки и геометрии.

Предимства и ограничения

• Предимства: дава много подробна и точна атомна информация; приложима за широка гама от вещества; резултатите са лесно сравними и възпроизводими.
• Ограничения: изисква добър единичен кристал за висока разделителна способност; фазовият проблем може да бъде техническо предизвикателство; хидрогенните атоми често са трудни за визуализиране при по-ниски резолюции; възможно е радиационно увреждане при чувствителни образци.

Рентгеновата кристалография остава един от основните инструменти за структурен анализ в науката. Тя непрекъснато се развива — със силни синхротронни източници, усъвършенствани детектори и компютърни методи за моделиране, срокът за получаване на качествени структури е значително намален, а точността и приложенията се разширяват.

Рентгенов анализ на кристали

Кристалите са правилни масиви от атоми, което означава, че атомите се повтарят отново и отново в трите измерения. Рентгеновите лъчи са вълни на електромагнитно излъчване. Когато рентгеновите лъчи се срещнат с атоми, електроните в атомите предизвикват разсейване на рентгеновите лъчи във всички посоки. Тъй като рентгеновите лъчи се излъчват във всички посоки, рентгеновото лъчение, което се сблъсква с електрон, предизвиква вторични сферични вълни, които се излъчват от електрона. Електронът е известен като разсейвател. Правилен масив от разсейватели (тук повтарящият се модел на атомите в кристала) създава правилен масив от сферични вълни. Въпреки че тези вълни се унищожават взаимно в повечето посоки, те се сумират в няколко специфични посоки, определени от закона на Браг:

2 d sin θ = n λ {\displaystyle 2d\sin \theta =n\lambda }

Тук d е разстоянието между дифракционните равнини, θ {\displaystyle \theta } е ъгълът на падане, n е всяко цяло число, а λ е дължината на вълната на лъча. Тези специфични посоки се появяват като петна върху дифракционната картина, наречени отражения. По този начин рентгеновата дифракция е резултат от попадането на електромагнитна вълна (рентгеновото лъчение) в правилен масив от разсейватели (повтарящата се подредба на атомите в кристала).

Входящият лъч (отгоре вляво) кара всеки разсейващ елемент (напр. електрон) да преизлъчи част от енергията си като сферична вълна. Ако атомите са разположени симетрично с разстояние d, тези сферични вълни ще се сумират само там, където разликата в дължината на пътя им 2d sin θ е равна на кратно на дължината на вълната λ. В този случай в дифракционната картина се появява точка на отражение

Рентгенов анализ на кристали

Кристалите са правилни масиви от атоми, което означава, че атомите се повтарят отново и отново в трите измерения. Рентгеновите лъчи са вълни на електромагнитно излъчване. Когато рентгеновите лъчи се срещнат с атоми, електроните в атомите предизвикват разсейване на рентгеновите лъчи във всички посоки. Тъй като рентгеновите лъчи се излъчват във всички посоки, рентгеновото лъчение, което се сблъсква с електрон, предизвиква вторични сферични вълни, които се излъчват от електрона. Електронът е известен като разсейвател. Правилен масив от разсейватели (тук повтарящият се модел на атомите в кристала) създава правилен масив от сферични вълни. Въпреки че тези вълни се унищожават взаимно в повечето посоки, те се сумират в няколко специфични посоки, определени от закона на Браг:

2 d sin θ = n λ {\displaystyle 2d\sin \theta =n\lambda }

Тук d е разстоянието между дифракционните равнини, θ {\displaystyle \theta } е ъгълът на падане, n е всяко цяло число, а λ е дължината на вълната на лъча. Тези специфични посоки се появяват като петна върху дифракционната картина, наречени отражения. По този начин рентгеновата дифракция е резултат от попадането на електромагнитна вълна (рентгеновото лъчение) в правилен масив от разсейватели (повтарящата се подредба на атомите в кристала).

Входящият лъч (отгоре вляво) кара всеки разсейващ елемент (напр. електрон) да излъчи отново част от енергията си като сферична вълна. Ако атомите са разположени симетрично с разстояние d, тези сферични вълни ще се сумират само там, където разликата в дължината на пътя им 2d sin θ е равна на кратно на дължината на вълната λ. В този случай в дифракционната картина се появява точка на отражение

Въпроси и отговори

В: Какво представлява рентгеновата кристалография?

Въпрос: Може ли рентгеновата кристалография да се използва както за органични, така и за неорганични молекули?

В: Кои са изобретателите на рентгеновата кристалография?

В: Кой е най-старият метод на рентгеновата кристалография?

Въпрос: Унищожава ли се образецът по време на процеса на рентгенова кристалография?

Въпрос: Кой е бил директор на лабораторията "Кавендиш", когато е направено откритието за структурата на ДНК?

Въпрос: Кой е най-младият Нобелов лауреат за физика?

Търсене по буква