Gamtoje randama maždaug 10 12 skirtingų baltymų, kurie atlieka labai įvairias funkcijas. Tai fermentiniai baltymai, katalizuojantys biocheminius procesus gyvoje ląstelėje; ir baltymai-nešikliai, leidžiantys kitoms molekulėms pereiti per branduolines ar ląstelių membranas arba judėti tarp ląstelių visame kūne; ir imunoglobuliniai baltymai, pasižymintys dideliu sąveikos su antigenais specifiškumu, dėl kurio suaktyvėja signalizacijos keliai, užtikrinantys ląstelių imuninį atsaką. Tai tik keli unikalių baltymų molekulių savybių pavyzdžiai. Kaip garsiai pasakė Francisas Crickas, baltymai yra svarbūs visų pirma todėl, kad jie gali nepaprastai lengvai ir maloniai atlikti įvairias funkcijas.
Visi natūralūs baltymai, turintys visą savo struktūrinę ir funkcinę įvairovę, yra sudaryti iš 20 aminorūgščių, sujungtų pagal baltymų sintezės kodą. Priklausomai nuo aminorūgščių liekanų sekos polipeptidinėje grandinėje, susidaro tam tikra stabili trimatė baltymo struktūra, kuri lemia jo struktūrines ir funkcines savybes. Pavyzdžiui, kiekvienam fermentui būdinga labai specifinė aktyvaus centro konformacija, kuri užtikrina specifinę sąveiką su substrato molekulėmis ir atlieka katalizinį veiksmą. Be to, efektyviam fermento ir substrato komplekso susidarymui didelę reikšmę turi ne tik fermento ir substrato molekulių geometrinis atitikimas (komplementarumas), bet ir vandenilinių jungčių susidarymas, elektrostatinės ir hidrofobinės sąveikos tarp aktyviosios medžiagos atomų. fermento centras ir substrato molekulė. Taigi bet kuriai baltymo molekulei būdinga savita struktūra, nuo kurios priklauso jos funkcijos išskirtinumas.
Baltymų erdvinės organizacijos išaiškinimas yra viena iš pagrindinių šiuolaikinės biochemijos krypčių. Daugeliu atvejų žinios apie baltymo struktūrą ir jo kompleksą su inhibitoriais yra lemiamas veiksnys kuriant vaistus.
Vienas iš svarbiausių eksperimentinių metodų, leidžiantis atominiu tikslumu išsiaiškinti, kokia yra baltymo trimatė struktūra, t.y. visų tiriamo objekto atomų erdvinėms koordinatėms nustatyti yra rentgeno spindulių difrakcijos, arba kristalografinė, analizė. Žinant kiekvieno atomo padėtį, galima apskaičiuoti tarpatominius atstumus, ryšių kampus, sukimosi aplink ryšius kampus, paviršiaus krūvio pasiskirstymą ir kitas molekulinės geometrijos detales. Šių duomenų reikia chemikams, biochemikams ir biologams, tiriantiems struktūrinių charakteristikų ir funkcinių savybių ryšius, taip pat specialistams, tyrinėjantiems molekulių elektroninę struktūrą ir molekulines sąveikas. Ypatingą rentgeno spindulių difrakcinės analizės vietą tarp kitų eksperimentinių metodų atspindi tai, kad nuo rentgeno spindulių atradimo 1901 m. iki šių dienų darbai šioje srityje buvo įvertinti 12 Nobelio premijų.
Rentgeno spindulių difrakcijos analizė sudėtingiems biologiniams objektams tirti pradėta naudoti po 1953 m., kai Kembridžo universiteto Cavendish laboratorijos narys Maxas Perutzas rado būdą, kaip nustatyti didelių molekulių, tokių kaip mioglobinas ir hemoglobinas, struktūrą. Nuo tada baltymų molekulių rentgeno difrakcijos analizė padėjo mums suprasti biologinių reakcijų chemiją. Iki šiol žinomos apie 15 tūkstančių baltymų ir jų kompleksų su biologiškai svarbiomis molekulėmis struktūros.
Rentgeno spinduliai yra elektromagnetinės bangos, kurių bangos ilgis yra 0,01–10 nm. Trumpųjų bangų pusėje jie yra greta -spindulių (bangos ilgis mažesnis nei 0,1 nm), ilgosios bangos pusėje - su ultravioletiniu (bangos ilgis apie 10–380 nm).
Rentgeno eksperimentui atlikti reikalinga monochromatinė rentgeno spinduliuotė (ty griežtai apibrėžto bangos ilgio). Tam naudojami įvairūs filtrai ir monochromatoriai.
Dažniausiai žmogus, išgirdęs apie rentgeno tyrimą, prisimena rentgeno kabinetą klinikoje. Tiesą sakant, rentgeno spindulių difrakcijos analizė neturi nieko bendra su medicininiais tyrimais. Medicininė fluoroskopija pagrįsta rentgeno spindulių sugerties laipsnio skirtumu įvairiuose audiniuose, o rentgeno kristalografija – rentgeno spindulių sklaida atomų elektronais. Jei medicinoje gauname tiriamo objekto rentgeno vaizdą, tai rentgeno kristalografijoje vaizduose nėra nieko vaizdo.
Kaip atliekamas rentgeno eksperimentas? Principinė schema paprasta (1 pav.): tiriamas objektas patalpinamas į rentgeno spindulių pluoštą ir matuojamas įvairiomis kryptimis išsklaidytos spinduliuotės intensyvumas. Paprasčiausias būdas yra patalpinti fotojuostos spindulių pluošto kelyje ir, remiantis dėmės tamsėjimo laipsniu po išryškinimo, spręsti apie sklaidos intensyvumą šia kryptimi. Žinoma, šiandien yra pažangesnių metodų, bet dabar tai nėra svarbu. Šiuo atveju svarbu yra tai, kad mes žiūrime ne į spindulių, kurie praėjo per objektą, intensyvumą, o į spindulių, kurie atsirado ten, kur jie tariamai neturėjo būti, intensyvumą.
Ryžiai. 1. Rentgeno eksperimento schema
Taigi, įvestyje turime nežinomą objektą, išvestyje - spindulių, išsibarsčiusių skirtingomis kryptimis, intensyvumo rinkinį arba difrakcijos modelį. Dabar reikia eksperimento metu gautą informaciją susieti su tiriamo objekto atomine sandara. Išvardinkime pagrindinius principus, kuriais remiantis sudaromas paprasčiausias matematinis rentgeno spindulių sklaidos modelis:
1) rentgeno spindulys yra plokščia monochromatinė elektromagnetinė banga;
2) šios elektromagnetinės bangos įtakoje kiekvienas elektronas pradeda judėti, tai galima apibūdinti laisvųjų krūvių lygtimis;
3) judantis elektronas savo ruožtu yra naujos išsklaidytos sferinės elektromagnetinės bangos, sklindančios visomis kryptimis, šaltinis;
4) šios naujos bangos yra sumuojamos ir nustato spinduliavimo intensyvumą mus dominančia kryptimi.
Šis modelis vadinamas kinematinės sklaidos teorija. Pagrindinis jo trūkumas yra tas, kad elektroną veikia ne tik pirminis pluoštas, bet ir išsklaidytos bangos, o jų įtaka gali pakeisti jo judėjimo pobūdį. Į šiuos pataisymus bandoma atsižvelgti sudėtingesnėje dinaminės sklaidos teorijoje, tačiau praktiniam pritaikymui paprastai pakanka paprastesnės kinematinės sklaidos teorijos.
Rentgeno spindulių difrakcijos metodas pagrįstas rentgeno spindulių difrakcija kristaline gardele, todėl taikomas tik kristalinės būsenos medžiagoms. Taip yra dėl to, kad norint užfiksuoti difrakcijos sklaidos modelį, būtina turėti pakankamą sklaidos elektronų skaičių. Bet jei mėginys susideda iš daugybės atsitiktinai orientuotų identiškų molekulių (tirpalo), tada sklaidos modelį lems kai kurios charakteristikos, suvidurkintos pagal visas įmanomas orientacijas, ir mažai tikėtina, kad ji suteiks išsamios informacijos apie atomo struktūrą. Kitas dalykas, jei daug vienodų molekulių yra orientuotos vienodai. Krištoliniai pavyzdžiai suteikia mums tokią galimybę.
Paprastais žodžiais tariant (ir nesigilinant į sudėtingas matematines formules), kristalas yra tiriamos medžiagos pavyzdys, kuriame daug (~10 12) identiškų molekulių yra toje pačioje orientacijoje, o jų centrai sudaro taisyklingą trimatę gardelę.
Pagrindinis kiekvieno kristalo struktūros bruožas yra tas, kad jis sudarytas iš atskirų atomų arba atomų grupių, reguliariai esančių erdvėje. Jei kiekvienas pasikartojantis struktūrinis vienetas pakeičiamas tašku arba mazgu, gaunama trimatė kristalinė gardelė (2 pav.). Grotelę galima įsivaizduoti kaip identiškų gretasienių sistemą. Kiekvienas toks gretasienis vadinamas „kristalo vienetine ląstele“ ir apibūdinamas šešiais parametrais: briaunų ilgiais (a, b, c) ir kampais tarp jų (, ,).
Vienas iš pagrindinių nusiskundimų dėl rentgeno difrakcinės analizės metodo nuo pat baltymų struktūrų tyrimo pradžios yra tas, kad gyvenime baltymai yra tirpale, tačiau tyrimų metu mes juos kristalizuojame. Kyla logiškas klausimas: ar kristalizacijos metu atsiranda esminių baltymų molekulių struktūros iškraipymų? Visuotinai pripažįstama, kad stiprių iškraipymų nebūna. Argumentai, palaikantys šią poziciją, yra šie.
Pirma, kai kurie baltymai išsaugo fermentinį aktyvumą net ir susikristalizavusioje būsenoje, t.y. struktūra nepasikeičia tiek, kad baltymas taptų „nefunkcinis“. Kitas aspektas: biomakromolekulių kristaluose nemažą tūrį (nuo 30 iki 80%) užima tirpiklis, t.y. Baltymų molekulių pakuotė kristale nėra tanki ir mažai tikėtina, kad sukels didelių iškraipymų. Galimas tam tikras laisvųjų kilpų iškraipymas, tačiau aktyviosios svetainės struktūra išsaugoma. Kitas patvirtinimas: alternatyvus kai kurių baltymų struktūrų nustatymas naudojant dvimatį branduolinį magnetinį rezonansą nesukėlė didelių neatitikimų su rentgeno metodais iššifruotomis struktūromis.
Monochromatinė rentgeno spinduliuotė, einanti per kristalą, daugiausia išsibarsčiusi ant periodiškai pasikartojančių atomų elektroninių apvalkalų ir sudaro difrakcijos paveikslą arba rentgeno paveikslą (3 pav.). Todėl eksperimentiniai rentgeno duomenys leidžia spręsti apie elektronų išsidėstymo elementariosiose kristalinėse ląstelėse ypatumus. Elektronas pasižymi banginėmis savybėmis, o jo padėtis erdvėje apibūdinama ne tiksliomis koordinatėmis, o elektronų tankio pasiskirstymo funkcija (r), kuri duoda vidutinį laiko elektronų skaičių 1 3 (kubinis angstromas). Remiantis šia funkcija, galima spręsti apie atomų išsidėstymą vienetinėse ląstelėse, nes Kiekvienas atomas atitinka tam tikro dydžio elektronų tankio krūvą. Taigi, apdorojant rentgeno eksperimentinius duomenis, reikia išspręsti dvi problemas.
Ryžiai. 3. Difrakcijos diagramoje yra visa informacija apie baltymo struktūrą
1. Iš rentgeno duomenų gaukite elektronų tankio (r) pasiskirstymo tiriamo objekto kristale žemėlapį. Šiame etape iškyla esminis sunkumas (kuris bus aptartas toliau), susijęs su tuo, kad iš eksperimento neįmanoma gauti visos informacijos, reikalingos tiriamai struktūrai rekonstruoti. Norint gauti trūkstamą informacijos dalį, naudojami įvairūs sprendimai. Bet universalaus būdo nėra ir kiekvienu atveju tyrėjas, remdamasis savo patirtimi ir intuicija, pasirenka tinkamiausią.
2. Remdamiesi elektronų tankio pasiskirstymo žemėlapiu (r), nustatykite atomų padėtis tiriamame objekte. Norint išspręsti šią problemą, struktūra pakartotinai apdorojama programine įranga ir rankiniu būdu tobulinama, kad būtų pasiektas geriausias elektronų tankio atitikimas.
Pagrindiniai baltymų struktūros nustatymo etapai
Izoliavimas, valymas
Beveik visi eksperimentiniai baltymų struktūrų tyrimai prasideda nuo šio etapo. Norint gauti norimą baltymą, naudojami įvairūs biocheminiai metodai. Baltymų išskyrimo operacijų seka dažniausiai susiveda į biologinės medžiagos susmulkinimą (homogenizaciją), baltymų iš jos išgavimą, tiksliau – baltymų perkėlimą į ištirpusią būseną (ekstrahavimą) ir tiriamo baltymo išskyrimą iš kitų baltymų mišinio, t.y. atskirų baltymų valymas ir gamyba. Šiame etape didžiausias sunkumas yra pagaminti pakankamą grynų baltymų kiekį eksperimentui.
Kristalizacija
Rentgeno spindulių difrakcijos analizei tinkamų kristalų gavimas dažnai yra daug darbo reikalaujantis ir toli gražu ne trivialus procesas, ypač sudėtingiems junginiams, tokiems kaip baltymai ir nukleorūgštys. Persotinto tirpalo buvimas yra būtina kristalizacijos sąlyga. Norint gauti tokį sprendimą, naudojami įvairūs metodai. Vienas iš jų yra laipsniškas tirpiklio pašalinimas įprastu garavimu, dėl kurio tirpale padidėja medžiagos koncentracija, kuri tam tikru momentu tampa persotinta. Kitas metodas apima tirpumo priklausomybę nuo temperatūros. Pavyzdžiui, jei tirpumas didėja didėjant temperatūrai, galite paruošti prisotintą tirpalą aukštesnėje temperatūroje ir lėtai atvėsinti. Dėl sumažėjusio tirpumo aušinimo metu gaunamas persotintas tirpalas. Trečiasis metodas apima medžiagos, kuri sumažina tirpumą, įvedimą į tirpalą. Kaip tokios medžiagos naudojamos arba druskos, arba organiniai tirpikliai. Be to, baltymų ir nukleino rūgščių tirpumas labai priklauso nuo tirpalo pH.
Praktiškai viskas yra daug sudėtingiau. Vis dar nėra universalių metodų optimalioms kristalizacijos sąlygoms parinkti. Kiekvienam konkrečiam baltymui tyrėjas ieško šių sąlygų keisdamas buferio tipą, pH vertę, temperatūrą, paties baltymo koncentraciją, nusodinamąją druską ir kt. Šiame darbe svarbu rasti sąlygas, kurioms esant susidarys kristalas ir neiškris druska. Todėl biologinių kristalų auginimas yra ne tik mokslo kryptis, bet ir menas. Kartais, norint priversti baltymą kristalizuotis, jis centrifuguojamas arba net siunčiamas į nulinę gravitaciją.
Kristalų atranka rentgeno eksperimentui atliekama naudojant mikroskopą. Tam ypač naudingas poliarizuojantis mikroskopas, leidžiantis poliarizuotos šviesos pagalba nustatyti kristalo defektus. Optimaliais laikomi pavieniai kristalai, kurių kiekvienos pusės dydis yra 0,2–0,6 mm. Kristalai turi būti be defektų ir, jei įmanoma, gerai nupjauti. Defektų buvimas sukelia eksperimentinio difrakcijos modelio matavimo klaidas ir dėl to netikslumą (ir dažnai neįmanoma) iššifruoti kristalų struktūrą. Didėjant tiriamo objekto sudėtingumui, didėja reikalavimai kristalų kokybei. Kaip atrodo baltymų kristalai, parodyta Fig. 4.
Ryžiai. 4. Baltymų kristalai: a – žaliai fluorescencinio baltymo zGFP506 kristalai; b – zGFP506 baltymo mutanto su aminorūgščių pakaitalu N66D kristalai
Deja, ne visada įmanoma gauti tiriamo baltymo kristalą, todėl šis etapas yra pagrindinis baltymų rentgeno struktūrinės analizės metodo apribojimas.
Rentgeno eksperimentas, rezultatų apdorojimasŠiuo metu jie bando naudoti sinchrotroninį greitintuvą kaip rentgeno spindulių šaltinį. Tai gana brangus pastatas. Taip pat naudojami laboratoriniai rentgeno aparatai, tačiau sinchrotroninė spinduliuotė turi didelių privalumų.
Pirma, tai yra spindulio galia. Čia yra du privalumai. Pirmas aiškus – eksperimento laikas sutrumpėja. Antra, biologiniai kristalai linkę suskaidyti veikiami rentgeno spindulių. Sunaikinimo procesas užtrunka tam tikrą laiką, o jei spindulys yra galingas, tada galima užregistruoti norimą paveikslėlį prieš sunaikinant kristalą.
Antra, galima gauti norimą bangos ilgį. Rentgeno vamzdeliai sukuria galingą tik fiksuoto bangos ilgio (dažniausiai apie 1,57) spindulį, o atliekant eksperimentą dažnai reikia mokėti pasirinkti bangos ilgį. Tai galima padaryti naudojant sinchrotroną.
Rentgeno eksperimento rezultatų apdorojimas pagrįstas galingu matematiniu aparatu, kurio čia nenagrinėsime. Kai monochromatinis rentgeno spindulys patenka į tam tikru būdu orientuotą kristalą, sklaida vyksta diskrečiomis kryptimis, kurias nustato kristalų gardelė. Detektoriaus plėvelėje pasirodantis difrakcijos raštas (3 pav.) yra dėmių arba atspindžių rinkinys. Išmatuodami refleksų intensyvumą, galite gauti vadinamųjų modulių vertes. struktūriniai veiksniai (sudėtingi skaičiai), apibūdinantys elektronų tankio pasiskirstymą kristale (r). Tačiau norint vienareikšmiškai nustatyti (r), taip pat turite žinoti atitinkamas šių veiksnių fazių reikšmes, kurių informacijos nėra difrakcijos modelyje. Jei kristalui nustatomos fazės, šio kristalo atomų padėties apskaičiavimas nesukelia jokių esminių sunkumų.
Taigi, centrinė rentgeno spindulių difrakcinės analizės metodo problema, vadinama fazės problema, slypi tuo, kad neįmanoma gauti visų skaičiavimui būtinų duomenų tiesiogiai iš eksperimento.
Šiandien nėra bendro fazės problemos sprendimo. Kiekvienu atveju reikalingas specialus požiūris. Čia svarbu suprasti, kad nauja informacija neatsiranda iš niekur. Norėdami gauti fazių reikšmes, turime arba padaryti keletą naujų prielaidų apie objekto struktūrą ir ypatybes, arba atlikti naujus eksperimentus. Žemiau pateikiami pagrindiniai baltymų kristalografijoje naudojami „fazės problemos“ sprendimo būdai.
Izomorfinis pakaitalas
Galite pabandyti į kristalų molekules įvesti tam tikrą etiketę – vieną ar daugiau sunkiųjų atomų (pavyzdžiui, sunkiųjų metalų jonų), kurie gali būti arba pridėti prie natūralios struktūros, arba gali pakeisti dalį jos atomų (5 pav.).
Izomorfinis sunkiųjų atomų įterpimas reiškia, kad jie pridedami prie kiekvieno molekulės egzemplioriaus toje pačioje vietoje, o baltymo molekulės struktūra nesikeičia. Tada, papildomai atliekant rentgeno eksperimentą su tokiu modifikuotu junginiu ir nustatant atspindžių intensyvumo pokyčius, lyginant su natūraliu baltymu, galima gauti papildomos informacijos apie fazių reikšmes. Šio metodo sudėtingumas slypi tame, kad ne visada įmanoma gauti gerą izomorfinį darinį, taip pat reikia atlikti papildomą rentgeno eksperimentą.
Izomorfinio pakeitimo metodas yra pagrindinis metodas sprendžiant fazių problemą nustatant biologinių makromolekulių struktūrą. Pats šis metodas atsirado gana seniai, tačiau būtent dirbant su baltymais jis įgijo itin svarbų vaidmenį. Tam yra dvi priežastys:
1) ilgą laiką tai buvo vienintelis metodas, leidžiantis išspręsti baltymų fazės problemą;
2) būtent baltymams galima „gana paprastai“ gauti izomorfinius darinius. Pastarąjį lemia tai, kad baltymų kristalai yra gana birūs – nuo 30 iki 70% jų tūrio užima tirpiklis, t.y. Kristalai turi „tuštumų“, kuriose gali tilpti papildomi atomai.
Naudojant anomalų sklaidos efektą
Šis metodas pagrįstas ant kristalo krentančios rentgeno spinduliuotės bangos ilgio keitimu netoli reikšmių, kurioms esant keliems makromolekulės struktūroje esantiems „ypatingiems“ atomams stebimas rezonansinis efektas (ir atitinkama anomali sklaida). Jei baltyme nėra anomaliai išsibarsčiusių atomų, kartais galite pabandyti juos prijungti chemiškai. Gauti difrakcijos modeliai keliems krintančio pluošto bangos ilgiams ir, remiantis atitinkamų atspindžių intensyvumo skirtumų analize, apskaičiuojamos fazės vertės.
Anomalinio sklaidos metodo, taip pat izomorfinio pakeitimo, sėkmė daugiausia priklauso nuo galimybės eksperimentiniu būdu gauti reikiamų savybių darinius.
Du minėti metodai yra bandymas išspręsti fazės problemą naudojant papildomą informaciją, gautą iš papildomų eksperimentų. Šis metodas naudojamas situacijoje, kai žinome panašaus (homologinio) baltymo struktūrą.
Molekulinio pakeitimo metodas
Biologijoje dažna situacija, kai yra eilės daiktų, panašių vienas į kitą, t.y. turintys struktūrinę homologiją. Tokia homologija gali būti, pavyzdžiui, to paties tipo baltymuose, išskirtuose iš skirtingų organizmų. Šiuo atveju galima tikėtis, kad struktūrinių faktorių fazės, apskaičiuotos pagal žinomą homologinio baltymo atominį modelį, bus gana geras pradinis apytikslis nežinomų fazių, atitinkančių tiriamą objektą, vertes. Toliau derindami juos su eksperimentiškai išmatuotais tiriamo objekto struktūros faktorių moduliais, galime gauti gerą norimo elektronų tankio pasiskirstymo aproksimaciją.
Tačiau norint tikėtis sėkmės šiame kelyje, būtina bent jau žinomą homologinį objektą „pastatyti“ toje pačioje vietoje ir ta pačia orientacija kaip ir tiriamas baltymas. Tokio „kompiuterinio hibrido“ sukūrimo procedūra, kai į vieno baltymo kristalo vienetinę ląstelę įdedama kitos molekulė, vadinama molekulinio pakeitimo metodu. Galima nuspręsti, kiek gauta vieta yra artima tikrovei, palyginus pagal modelį apskaičiuotus struktūrinių veiksnių modulius su eksperimento metu gautomis reikšmėmis. Žinoma, toks pakeitimas yra tik spekuliacinė procedūra, o cheminis pakeitimas nevyksta.
„Tiesioginiai“ metodai
Skirtingai nuo ankstesnių metodų, šie metodai remiasi ne papildomu eksperimentu ar informacija apie homologinio objekto struktūrą, o beveik filosofine idėja apie tiriamo objekto atomiškumą. „Tiesioginiai“ kristalografijos metodai reiškia struktūrų nustatymo strategijas, kuriose kaip pradinė informacija naudojamas tik atspindžio intensyvumo rinkinys, gautas atliekant rentgeno eksperimentą. Norėdami nustatyti struktūrinių veiksnių fazes, jie naudoja tikimybinį metodą. „Tiesioginiai“ metodai yra objektyvesni ta prasme, kad priklauso tik nuo matematinių ryšių taikymo.
Remiantis „tiesioginiais“ metodais, nustatomos daugumos mažos molekulinės masės junginių struktūros. Šie metodai nereikalauja nei papildomų eksperimentų, nei subtilaus biocheminio darbo, norint gauti izomorfinius darinius, nei žinomų homologinių struktūrų buvimo, bet, deja, jie dar nėra pritaikomi baltymų struktūroms dėl esminių tiriamos struktūros atomų skaičiaus apribojimų. .
Jei žinomi ir struktūrinių veiksnių dydis, ir fazė, tada skirstinį (r) galime atkurti apskaičiuodami atvirkštinę Furjė transformaciją. Šiuolaikiniu požiūriu tai nėra sudėtinga skaičiavimo problema, o šis žingsnis išsiskiria tuo, kad juo užbaigiamas svarbus darbo etapas. Pagaliau gauname galimybę „pažvelgti“ į mus dominantį objektą. Ir pagal tai, kaip „aiškus“ vaizdas pasirodė, galima spręsti apie visų ankstesnių darbo etapų sėkmę. O nesėkmės atveju pakartokite viską iš naujo.
Kitas etapas yra apytikslio atominio modelio sukūrimas naudojant apskaičiuotus elektronų tankio pasiskirstymo žemėlapius. Šis darbas reikalauja maksimaliai panaudoti žmogaus intelektą, jį atlieka kvalifikuoti specialistai.
Specialiomis kompiuterinėmis programomis tyrėjas rankiniu būdu įveda baltymo struktūros atomus į ankstesniame etape gautą elektronų tankio žemėlapį (6 pav.).
Tai medžiagų struktūrinės struktūros tyrimo metodas. Jis pagrįstas rentgeno spindulių difrakcija ant specialių trimačių kristalų gardelių. Tyrime jie naudoja maždaug 1A, o tai atitinka atomo dydį. Reikia pasakyti, kad rentgeno spindulių difrakcijos analizė kartu su neutronų ir elektronų difrakcija reiškia difrakcijos metodus tiriamos medžiagos struktūrai nustatyti.
Tai padeda ištirti atomo struktūrą, erdvės grupes, jo dydį ir formą, taip pat kristalų simetrijos grupę. Taikant šią techniką, tiriami metalai ir įvairūs jų lydiniai, organiniai ir neorganiniai junginiai, mineralai, amorfinės medžiagos, skysčiai, dujos. Kai kuriais atvejais naudojama baltymų, nukleorūgščių ir kitų medžiagų rentgeno difrakcinė analizė.
Ši analizė padeda nustatyti atomines medžiagas, kurios turi aiškiai apibrėžtą struktūrą ir yra natūralios rentgeno spinduliams. Verta paminėti, kad tiriant kitas medžiagas rentgeno spindulių difrakcijos analizei reikalingas kristalų buvimas, o tai yra svarbi, bet gana sudėtinga užduotis.
Atrado Laue, teorinį pagrindą sukūrė Wulffas ir Braggas. Debye ir Scherrer pasiūlė panaudoti atrastus modelius atliekant analizę. Reikia pasakyti, kad šiuo metu rentgeno spindulių difrakcinė analizė išlieka vienu iš labiausiai paplitusių medžiagų struktūros nustatymo metodų, nes ją atlikti paprasta ir nereikia didelių materialinių išlaidų.
Tai leidžia tirti įvairias medžiagų klases, o gautos informacijos vertė lemia vis naujų metodų diegimą. Taigi jie pirmiausia pradėjo studijuoti naudodami tarpatominių vektorių funkciją, o vėliau buvo sukurti tiesioginiai kristalų struktūros nustatymo metodai. Verta paminėti, kad pirmosios medžiagos, kurios buvo tiriamos naudojant rentgeno spindulius, buvo natrio ir kalio chloridai.
Erdviniai tyrimai prasidėjo praėjusio amžiaus 30-aisiais Didžiojoje Britanijoje. Iš gautų duomenų atsirado molekulinė biologija, kuri leido nustatyti svarbias fizikines ir chemines baltymų savybes, taip pat sukurti pirmąjį DNR modelį.
Nuo šeštojo dešimtmečio pradėjo aktyviai vystytis kompiuteriniai informacijos, gautos iš rentgeno struktūrinės analizės, rinkimo metodai.
Šiandien naudojami sinchrotronai. Jie yra monochrominiai šaltiniai, naudojami kristalams apšvitinti. Šie prietaisai yra veiksmingiausi naudojant kelių bangų anomalinės dispersijos metodą. Verta paminėti, kad jie naudojami tik valstybiniuose tyrimų centruose. Laboratorijose naudojama mažiau galinga technologija, skirta tik kristalų kokybei patikrinti, taip pat apytiksliai medžiagų analizei gauti.
Rentgeno spinduliai, kuriuos 1895 m. atrado V. Rentgenas, yra labai trumpo bangos ilgio elektromagnetiniai virpesiai, prilyginami atomų dydžiams, atsirandantys, kai materiją veikia greiti elektronai.
Rentgeno spinduliai plačiai naudojami moksle ir technikoje.
Jų banginę prigimtį 1912 metais nustatė vokiečių fizikai M. Laue, W. Friedrich ir P. Knipping, atradę rentgeno spindulių difrakcijos reiškinį ant kristalų atominės gardelės. Nukreipdami siaurą rentgeno spindulių spindulį į nejudantį kristalą, jie už kristalo pastatytoje fotografinėje plokštelėje užfiksavo difrakcijos modelį, kurį sudarė daugybė reguliariai išsidėsčiusių dėmių. Kiekviena dėmė yra difrakcijos pluošto, išsklaidyto kristalo, pėdsakas. Rentgeno nuotrauka, gauta šiuo metodu, vadinama Lauegram. Šis atradimas buvo pagrindas Rentgeno spindulių difrakcijos analizė.
Praktiniais tikslais naudojamų rentgeno spindulių bangos ilgiai svyruoja nuo kelių angstremų iki angstromo dalių (Å), atitinkančių elektronų energiją, kuri sukuria rentgeno spindulius nuo 10³ iki 105 eV.
Rentgeno spindulių difrakcinė analizė – tai kūnų sandaros tyrimo metodas, naudojant rentgeno spindulių difrakcijos fenomeną, medžiagos sandaros tyrimo metodas pagal rentgeno spinduliuotės, išsibarsčiusios ant analizuojamo objekto, erdvinį pasiskirstymą ir intensyvumą. Difrakcijos modelis priklauso nuo naudojamų rentgeno spindulių bangos ilgio ir objekto struktūros. Atomo sandarai tirti naudojama ~1 Å bangos ilgio spinduliuotė, t.y. atomo dydžio tvarka.
Rentgeno spindulių difrakcijos analizės metodais tiriami metalai, lydiniai, mineralai, neorganiniai ir organiniai junginiai, polimerai, amorfinės medžiagos, skysčiai ir dujos, baltymų molekulės, nukleino rūgštys ir kt. Rentgeno spindulių difrakcijos analizė yra pagrindinis kristalų struktūros nustatymo metodas. Tiriant kristalus ji suteikia daugiausiai informacijos. Taip yra dėl to, kad kristalai turi griežtai periodišką struktūrą ir yra pačios gamtos sukurtų rentgeno spindulių difrakcijos grotelės. Tačiau ji taip pat suteikia vertingos informacijos tiriant mažiau tvarkingos struktūros kūnus, tokius kaip skysčiai, amorfiniai kūneliai, skystieji kristalai, polimerai ir kt. Remiantis daugybe jau iššifruotų atominių struktūrų, galima išspręsti ir atvirkštinę problemą: iš polikristalinės medžiagos, pavyzdžiui, legiruotojo plieno, lydinio, rūdos, mėnulio dirvožemio, rentgeno spindulių difrakcijos modelio galima nustatyti šios medžiagos kristalinę sudėtį. , tai yra, galima atlikti fazių analizę.
Rentgeno spindulių difrakcijos analizės metu tiriamas mėginys patalpinamas į rentgeno spindulių kelią ir registruojamas difrakcijos vaizdas, atsirandantis dėl spindulių sąveikos su medžiaga. Kitame tyrimo etape analizuojamas difrakcijos modelis ir skaičiavimo būdu nustatomas santykinis dalelių išsidėstymas erdvėje, dėl kurio atsirado šis raštas.
Kristalinių medžiagų rentgeno difrakcinė analizė skirstoma į du etapus.
1) Kristalo vienetinės ląstelės dydžio, dalelių (atomų, molekulių) skaičiaus vienetinėje ląstelėje ir dalelių išsidėstymo simetrijos (vadinamoji erdvės grupė) nustatymas. Šie duomenys gaunami analizuojant difrakcijos maksimumų vietos geometriją.
2) Elektronų tankio vienetinės ląstelės viduje apskaičiavimas ir atomų koordinačių, identifikuojamų su elektronų tankio maksimumų padėtimi, nustatymas. Šie duomenys gauti analizuojant difrakcijos maksimumų intensyvumą.
Kristalų fotografavimo rentgeno spinduliais metodai.
Yra įvairių eksperimentinių metodų difrakcijos modeliui gauti ir įrašyti. Bet kuriuo atveju yra rentgeno spinduliuotės šaltinis, siauro rentgeno spindulių pluošto izoliavimo sistema, mėginio fiksavimo ir orientavimo įtaisas, mėginio išsklaidytos spinduliuotės imtuvas. Imtuvas yra fotografinė juosta arba rentgeno kvantų jonizacijos arba scintiliacijos skaitikliai. Registracijos metodas naudojant skaitiklius (difraktometrinis) suteikia žymiai didesnį tikslumą nustatant užfiksuotos spinduliuotės intensyvumą.
Iš Wulff-Bragg sąlygos tiesiogiai išplaukia, kad registruojant difrakcijos modelį, vienas iš dviejų į jį įtrauktų parametrų, ¾l - bangos ilgis arba q - kritimo kampas, turi būti kintamas.
Pagrindiniai kristalų rentgeno fotografavimo metodai yra: Laue metodas, miltelių metodas (Debyegram metodas), rotacijos metodas ir jo variacija - siūbavimo metodas ir įvairūs rentgeno goniometriniai metodai.
Laue metodu Nevienspalvių („baltų“) spindulių spindulys krenta ant vieno kristalo mėginio (pav.). Išsklaidomi tik tie spinduliai, kurių bangos ilgiai atitinka Wulff-Bragg sąlygą. Difrakcijos dėmės ant laugramos (pav.) yra elipsėse, hiperbolėse ir tiesiose linijose, būtinai einančios per dėmę nuo pirminio pluošto.
Pav. – Laue rentgeno metodo diagrama: 1 - rentgeno spindulių spindulys, patenkantis į vieno kristalo mėginį; 2 – kolimatorius; 3 – pavyzdys; 4 – difrakciniai spinduliai; 5 – plokščia fotojuosta;
b – tipinė Lauegrama.
Svarbi Lauegram savybė yra ta, kad, tinkamai orientuojant kristalą, šių kreivių vietos simetrija atspindi kristalo simetriją. Pagal Lauegramų dėmių pobūdį galima nustatyti vidinius įtempius ir kai kuriuos kitus kristalų struktūros defektus. Nurodyti atskiras dėmes Lauegram yra labai sunku. Todėl Laue metodas yra naudojamas tik norint rasti norimą kristalo orientaciją ir nustatyti jo simetrijos elementus. Šis metodas patikrina pavienių kristalų kokybę, kai pasirenkamas mėginys išsamesniam struktūriniam tyrimui.
Miltelių metodu(Pav.), kaip ir visuose kituose toliau aprašytuose rentgeno fotografavimo metoduose, naudojama monochromatinė spinduliuotė. Kintamasis parametras yra kritimo kampas q, nes polikristalinio miltelių mėginyje visada yra bet kokios orientacijos kristalų, palyginti su pirminio pluošto kryptimi.
Pav. – Rentgeno fotografavimo milteliniu būdu diagrama: 1 – pirminis spindulys; 2 – miltelinis arba polikristalinis mėginys; 3 – ratu susukta fotojuosta; 4 – difrakcijos kūgiai; 5 – fotojuostos „lankai“, atsirandantys, kai jos paviršius susikerta su difrakcijos kūgiais;
b – tipinis miltelinių rentgeno spindulių difrakcijos vaizdas (dibograma).
Visų kristalų, kurių plokštumos tam tikras tarpplaninis atstumas d hk1, spinduliai yra „atspindinčioje padėtyje“, tai yra, tenkina Wulff-Bragg sąlygą, aplink pirminį spindulį sudaro kūgį, kurio rastro kampas yra 4q. Kiekvienas d hk1 atitinka savo difrakcijos kūgį. Kiekvieno difrakuotų rentgeno spindulių kūgio susikirtimas su fotojuostos juostele, susukta cilindro pavidalu, kurios ašis eina per mėginį, ant jo atsiranda pėdsakai simetriškai išdėstytų lankų pavidalu. pirminio pluošto atžvilgiu (pav.). Žinodami atstumus tarp simetriškų „lankų“, galime apskaičiuoti atitinkamus tarpplaninius atstumus d kristale.
Miltelių metodas yra pats paprasčiausias ir patogiausias eksperimentinės technikos požiūriu, tačiau vienintelė jo pateikiama informacija – tarpplaninių atstumų pasirinkimas – leidžia iššifruoti pačias paprasčiausias struktūras.
Sukimosi metodu(Pav.) Kintamasis parametras yra kampas q.
Fotografuojama ant cilindrinės plėvelės. Visą ekspozicijos laiką kristalas tolygiai sukasi aplink savo ašį, kuri sutampa su svarbia kristalografine kryptimi ir su strypo suformuota cilindro ašimi. Difrakcijos spinduliai sklinda išilgai kūgių generatricų, kurios, susikirsdamos su plėvele, sukuria linijas, susidedančias iš dėmių (vadinamosios sluoksnių linijos.
Sukimo metodas suteikia eksperimentuotojui turtingesnę informaciją nei miltelių metodas. Iš atstumų tarp sluoksnių linijų galima apskaičiuoti gardelės periodą kristalo sukimosi ašies kryptimi.
Ryžiai. – rentgeno fotografavimo rotacijos metodu schema: 1 – pirminis spindulys;
2 – mėginys (suka rodyklės kryptimi); 3 – cilindrinė plėvelė;
b – tipinė rotacinė rentgenograma.
Nagrinėjamu metodu rentgeno dėmių rodymas yra supaprastintas. Taigi, jei kristalas sukasi aplink ašį Su gardelę, tada visos linijos dėmės, einančios per pirminio spindulio pėdsaką, turi indeksus (h,k,0), sluoksnio linijose, esančiose šalia jos - atitinkamai (h,k,1) ir (h,k,1 ¯ ) ir tt Toliau. Tačiau sukimosi metodas nesuteikia visos įmanomos informacijos, niekada nežinoma, kokiu kampu kristalas sukosi aplink sukimosi ašį, susidarė tam tikra difrakcijos dėmė.
Sūpynės metodu, kuris yra sukimosi metodo variantas, mėginys visiškai neapsisuka, o „svyruoja“ aplink tą pačią ašį nedideliu kampiniu intervalu. Tai palengvina dėmių žymėjimą, nes leidžia gauti rentgeno spindulių sukimosi vaizdą dalimis ir svyravimo intervalo tikslumu nustatyti, kokiu kampu kristalas sukosi į pirminį pluoštą, susidarė tam tikros difrakcijos dėmės. .
Turtingiausia informacija pateikiama metodais Rentgeno goniometras. Rentgeno goniometras – prietaisas, su kuriuo vienu metu galima fiksuoti tiriamo mėginio difraktuojančių rentgeno spindulių kryptį ir mėginio padėtį difrakcijos momentu. Vienas iš jų – Weissenbergo metodas – tolimesnė rotacijos metodo plėtra. Skirtingai nuo pastarojo, Weissenberg rentgeno goniometre visi difrakcijos kūgiai, išskyrus vieną, yra padengti cilindriniu ekranu, o likusio difrakcijos kūgio (arba, kas yra tas pats, sluoksnio linijos) dėmės yra „išskleidžiamos“ ant viršaus. visą fotografinės juostos plotą, sinchroniškai su kristalo sukimu, judant ašis atgal. Tai leidžia nustatyti, kokioje kristalo orientacijoje atsirado kiekviena Wassenbergogramos dėmė.
|
|
Ryžiai. Weissenberg rentgeno goniometro schema: 1 – fiksuotas ekranas, leidžiantis tik vieną difrakcijos kūgį; 2 – apie X – X ašį besisukantis kristalas; 3 – cilindrinė fotojuosta, judanti pirmyn išilgai X – X ašies sinchroniškai su kristalo 2 sukimu; 4 – ekrano praleistas difrakcijos kūgis; 5 – pirminis spindulys.
Yra ir kitų fotografavimo būdų, kuriuose naudojamas sinchroninis mėginio ir juostos judėjimas vienu metu. Svarbiausi iš jų – reciprokinės gardelės fotografavimo metodas ir Burger precesijos metodas. Visi šie metodai naudoja fotografinį difrakcijos modelio įrašymą. Rentgeno spindulių difraktometru galite tiesiogiai išmatuoti difrakcijos atspindžių intensyvumą, naudodami proporcinius, scintiliacinius ir kitus rentgeno kvantinius skaitiklius.
Rentgeno spindulių difrakcinės analizės taikymas.
Rentgeno spindulių difrakcijos analizė leidžia objektyviai nustatyti kristalinių medžiagų struktūrą, įskaitant sudėtingas medžiagas, tokias kaip vitaminai, antibiotikai, koordinaciniai junginiai ir kt. Išsamus kristalo struktūrinis tyrimas dažnai leidžia išspręsti grynai chemines problemas, pavyzdžiui, nustatyti arba patikslinti cheminę formulę, jungties tipą, molekulinę masę esant žinomam tankiui arba tankį esant žinomai molekulinei masei, molekulių simetriją ir konfigūraciją bei molekuliniai jonai.
Rentgeno spindulių difrakcijos analizė sėkmingai naudojama tiriant polimerų kristalinę būseną. Rentgeno spindulių difrakcijos analizė taip pat suteikia vertingos informacijos tiriant amorfinius ir skystuosius kūnus. Tokių kūnų rentgeno spinduliuose yra keli neryškūs difrakcijos žiedai, kurių intensyvumas greitai mažėja didėjant q. Pagal šių žiedų plotį, formą ir intensyvumą galima daryti išvadas apie trumpojo nuotolio tvarkos ypatumus tam tikroje skystoje ar amorfinėje struktūroje.
Svarbi rentgeno spindulių taikymo sritis yra metalų ir lydinių rentgenografija, tapusi atskira mokslo šaka. Sąvoka „rentgenografija“ kartu su visa ar daline rentgeno struktūrine analize apima ir kitus rentgeno spindulių panaudojimo būdus – rentgeno spindulių trūkumų aptikimą (perdavimą), rentgeno spindulių spektrinę analizę, rentgeno mikroskopiją ir kt. Nustatytos grynų metalų ir daugelio lydinių struktūros. Lydinių kristalų chemija, pagrįsta rentgeno spindulių difrakcijos analize, yra viena iš pirmaujančių metalo mokslo šakų. Nė viena metalų lydinių fazinė diagrama negali būti laikoma patikimai nustatyta, jei šie lydiniai nėra ištirti rentgeno spindulių difrakcijos analize. Rentgeno spindulių difrakcijos analizės metodų panaudojimo dėka atsirado galimybė nuodugniai ištirti metalų ir lydinių struktūrinius pokyčius plastmasinio ir terminio apdorojimo metu.
Rentgeno spindulių difrakcijos analizės metodas taip pat turi rimtų apribojimų. Norint atlikti pilną rentgeno spindulių difrakcijos analizę, būtina, kad medžiaga gerai kristalizuotųsi ir sudarytų pakankamai stabilius kristalus. Kartais reikia atlikti tyrimus aukštoje arba žemoje temperatūroje. Tai labai apsunkina eksperimentą. Išsamus tyrimas yra daug darbo reikalaujantis, daug laiko reikalaujantis ir daug skaičiavimo darbų.
Norint nustatyti vidutinio sudėtingumo atominę struktūrą (~50-100 atomų vienetinėje ląstelėje), reikia išmatuoti kelių šimtų ir net tūkstančių difrakcijos atspindžių intensyvumus. Šis itin daug darbo reikalaujantis ir kruopštus darbas atliekamas automatiniais mikrodensitometrais ir kompiuteriu valdomais difraktometrais, kartais net kelias savaites ar net mėnesius (pavyzdžiui, analizuojant baltymų struktūras, kai atspindžių skaičius išauga iki šimtų tūkstančių). Šiuo atžvilgiu pastaraisiais metais didelės spartos kompiuteriai buvo plačiai naudojami rentgeno spindulių difrakcijos analizės problemoms spręsti. Tačiau net ir naudojant kompiuterius, struktūros nustatymas išlieka sudėtingas ir daug laiko reikalaujantis darbas. Naudojant kelis difraktometro skaitiklius, kurie vienu metu gali registruoti atspindžius, galima sutrumpinti eksperimento laiką. Difraktometriniai matavimai yra pranašesni už fotoįrašymą jautrumu ir tikslumu.
Rentgeno spindulių difrakcijos analizė leidžia objektyviai nustatyti molekulių struktūrą ir bendrą molekulių sąveikos kristale pobūdį, tačiau ne visada leidžia reikiamu patikimumo laipsniu įvertinti cheminės medžiagos prigimties skirtumus. ryšiai molekulėje, nes jungties ilgio ir jungties kampų nustatymo tikslumas dažnai yra nepakankamas. Rimtas metodo apribojimas taip pat yra lengvųjų atomų, ypač vandenilio atomų, padėties nustatymo sunkumai.
Rentgeno struktūrinė analizė medžiagos sandaros tyrimo metodai pagal rentgeno spinduliuotės, išsklaidytos ant analizuojamo objekto, erdvinį pasiskirstymą ir intensyvumą. R.s. A. kartu su neutronografija (žr. Neutronografija) ir elektronų difrakcija (žr. Elektronografija) yra difrakcijos struktūrinis metodas; ji pagrįsta rentgeno spindulių sąveika su medžiagos elektronais, dėl kurios susidaro rentgeno spindulių difrakcija. Difrakcijos modelis priklauso nuo naudojamų rentgeno spindulių bangos ilgio (žr. Rentgeno spindulius) ir objekto struktūros. Atominei struktūrai tirti naudojama spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 1 Å, ty atomų dydžių tvarka. Taikant R. s. A. tirti metalus, lydinius, mineralus, neorganinius ir organinius junginius, polimerus, amorfines medžiagas, skysčius ir dujas, baltymų molekules, nukleino rūgštis ir kt. Sėkmingiausias R. s. A. naudojamas kristalinių kietųjų medžiagų atominei struktūrai nustatyti. Taip yra dėl to, kad kristalai turi griežtai periodišką struktūrą ir yra pačios gamtos sukurtų rentgeno spindulių difrakcijos grotelės. Istorinė nuoroda. Rentgeno spindulių difrakciją kristalais 1912 metais atrado vokiečių fizikai M. Laue, W. Friedrich ir P. Knipping. Nukreipdami siaurą rentgeno spindulių spindulį į nejudantį kristalą, jie už kristalo pastatytoje fotografinėje plokštelėje užfiksavo difrakcijos modelį, kurį sudarė daugybė reguliariai išsidėsčiusių dėmių. Kiekviena dėmė yra difrakcijos pluošto, išsklaidyto kristalo, pėdsakas. Rentgenas ,
Gauta šiuo metodu vadinama Lauegram (žr. Lauegram) ( ryžių. 1
). Laue sukurta rentgeno spindulių difrakcijos kristalais teorija leido susieti spinduliuotės bangos ilgį λ ir kristalo vieneto elemento parametrus. a, b, c(žr. Kristalinį tinklelį) ,
kritimo (α 0, β 0, γ 0) ir difrakcijos (α, β, γ) spindulių kampai pagal santykius: a(cosα- cosα 0) = hλ ,
b(cosβ - cosβ 0) = kλ, (1) c(cosγ – cosγ 0) = lλ ,
50-aisiais R. metodai pradėjo sparčiai vystytis. A. naudojant kompiuterį atliekant eksperimentinius metodus ir apdorojant rentgeno spindulių difrakcijos informaciją. Eksperimentiniai metodai R. s. A. Norint sudaryti sąlygas difrakcijai ir spinduliuotės registracijai, naudojamos rentgeno kameros (žr. rentgeno kamerą) ir rentgeno spindulių difraktometrus (žr. Rentgeno spindulių difraktometrą). Juose esanti išsklaidyta rentgeno spinduliuotė fiksuojama fotografinėje juostoje arba matuojama branduolinės spinduliuotės detektoriais (žr. Branduolinės spinduliuotės detektoriai). Atsižvelgiant į tiriamo mėginio būklę ir jo savybes, taip pat į informacijos, kurią reikia gauti, pobūdį ir kiekį, naudojami įvairūs rentgeno analizės metodai. A. Atrinkti pavieniai kristalai atominei struktūrai tirti turi turėti matmenis Rentgeno struktūrinė analizė 0.1 mm ir, jei įmanoma, turėti tobulą struktūrą. Palyginti didelių, beveik tobulų kristalų defektų tyrimas atliekamas rentgeno topografija, kuri kartais vadinama rentgeno topografija. A. Laue metodas yra paprasčiausias būdas gauti rentgeno spindulius iš pavienių kristalų. Laue eksperimento kristalas yra stacionarus, o naudojama rentgeno spinduliuotė turi ištisinį spektrą. Difrakcijos dėmių vieta Lauegrams ( ryžių. 1
) priklauso nuo kristalo simetrijos (žr. Kristalų simetriją) ir jo orientacijos krintančio pluošto atžvilgiu. Laue metodas leidžia nustatyti, ar tiriamas kristalas priklauso vienai ar 11 Laue simetrijos grupių, ir jį orientuoti (t.y. nustatyti kristalografinių ašių kryptį) kelių lanko minučių tikslumu. Pagal Lauegramų dėmių pobūdį ir ypač Asterizmo atsiradimą, galima nustatyti vidinius įtempimus ir kai kuriuos kitus kristalų struktūros defektus. Laue metodas naudojamas atskirų kristalų kokybei patikrinti, kai parenkamas mėginys išsamesniam struktūriniam tyrimui. Mėginio siūbavimo ir sukimosi metodai naudojami siekiant nustatyti pasikartojimo periodus (gardelės konstantą) pagal kristalografinę kryptį viename kristale. Visų pirma, jie leidžia nustatyti parametrus A, b, c kristalo vienetinė ląstelė. Šis metodas naudoja monochromatinę rentgeno spinduliuotę. Dėmės ant siūbuojančių ir besisukančių rentgenogramų, padarytų cilindrinėse kasetėse, yra lygiagrečių linijų šeimoje. Atstumai tarp šių linijų, spinduliuotės bangos ilgis ir rentgeno kameros kasetės skersmuo leidžia apskaičiuoti reikiamą pakartojamumo periodą kristale. Šio metodo difrakcijos pluoštų Laue sąlygos yra tenkinamos keičiant kampus, įtrauktus į santykį (1), kai bandinys siūbuojamas arba sukasi. Rentgeno goniometriniai metodai. Išsamiems vieno kristalo struktūros tyrimui naudojant rentgeno metodus. A. Būtina ne tik nustatyti padėtį, bet ir išmatuoti kuo daugiau difrakcijos atspindžių, kuriuos galima gauti iš kristalo, esant tam tikram spinduliavimo bangos ilgiui ir visoms įmanomoms bandinio orientacijoms. Norėdami tai padaryti, difrakcijos raštas įrašomas ant fotografinės juostos rentgeno goniometru (žr. Rentgeno goniometrą) ir išmatuojamas naudojant mikrofotometrą.
kiekvienos rentgenogramos dėmės juodėjimo laipsnis. Rentgeno spindulių difraktometru (žr. Rentgeno spindulių difraktometrą) galite tiesiogiai išmatuoti difrakcijos atspindžių intensyvumą, naudodami proporcinius, scintiliacinius ir kitus rentgeno kvantinius skaitiklius. Norint turėti pilną atspindžių rinkinį, rentgeno goniometruose daroma rentgenogramų serija. Ant kiekvieno iš jų registruojami difrakcijos atspindžiai, kurių Millerio indeksams taikomi tam tikri apribojimai (pavyzdžiui, tipo atspindžiai hk 0, hk 1
ir tt). Dažniausiai atliekamas rentgeno goniometrinis eksperimentas yra Weissenberg metodas. Burgeris ( ryžių. 2
) ir de Jonga-Bowman. Tą pačią informaciją galima gauti naudojant supamąsias rentgenogramas. Norint nustatyti vidutinio sudėtingumo atominę struktūrą (50-100 atomų vienetinėje ląstelėje rentgeno struktūrinė analizė), būtina išmatuoti kelių šimtų ir net tūkstančių difrakcijos atspindžių intensyvumus. Šis itin daug darbo reikalaujantis ir kruopštus darbas atliekamas automatiniais mikrodensitometrais ir kompiuteriu valdomais difraktometrais, kartais net kelias savaites ar net mėnesius (pavyzdžiui, analizuojant baltymų struktūras, kai atspindžių skaičius išauga iki šimtų tūkstančių). Naudojant kelis difraktometro skaitiklius, kurie vienu metu gali registruoti atspindžius, eksperimento laikas gali būti žymiai sumažintas. Difraktometriniai matavimai yra pranašesni už fotoįrašymą jautrumu ir tikslumu. Polikristalų tyrimo metodas (Debye - Scherrer metodas). Metalai, lydiniai ir kristaliniai milteliai susideda iš daugybės mažų pavienių tam tikros medžiagos kristalų. Joms tirti naudojama monochromatinė spinduliuotė. Polikristalų rentgeno paveikslas (Debye modelis) susideda iš kelių koncentrinių žiedų, į kuriuos kiekvieną susilieja atspindžiai iš tam tikros plokštumų sistemos skirtingai orientuotų pavienių kristalų. Įvairių medžiagų debyegramos turi individualų pobūdį ir yra plačiai naudojamos junginiams identifikuoti (taip pat ir mišiniuose). R.s.a. polikristalai leidžia nustatyti mėginių fazinę sudėtį, nustatyti medžiagos grūdelių dydžius ir pageidaujamą orientaciją (tekstūrą), stebėti bandinio įtempius ir išspręsti kitas technines problemas. Amorfinių medžiagų ir iš dalies sutvarkytų objektų tyrimas. Aiškų rentgeno paveikslą su aštriais difrakcijos maksimumais galima gauti tik esant visiškam mėginio trimačiui periodiškumui. Kuo žemesnis tvarkos laipsnis medžiagos atominėje struktūroje, tuo neryškesnė ir išsklaidyta jos išsklaidyta rentgeno spinduliuotė. Difuzinio žiedo skersmuo amorfinės medžiagos rentgeno spindulių difrakcijos schemoje gali būti apytikslis vidutinių tarpatominių atstumų jame įvertinimas. Didėjant objektų struktūros tvarkos laipsniui (žr. Ilgojo nuotolio tvarka ir trumpojo nuotolio tvarka), difrakcijos modelis tampa sudėtingesnis ir todėl jame yra daugiau struktūrinės informacijos. Mažo kampo sklaidos metodas leidžia tirti materijos erdvinius nehomogeniškumus, kurių matmenys viršija tarpatominius atstumus, t.y. svyruoja nuo 5-10 Å iki rentgeno struktūrinės analizės 10 000 Å. Šiuo atveju išsklaidyta rentgeno spinduliuotė yra sutelkta šalia pirminio pluošto - mažų sklaidos kampų srityje. Mažo kampo sklaida naudojama tiriant akytas ir smulkiai dispersines medžiagas, lydinius ir sudėtingus biologinius objektus: virusus, ląstelių membranas, chromosomas. Išskirtų baltymų molekulių ir nukleorūgščių atveju šis metodas leidžia nustatyti jų formą, dydį ir molekulinę masę; virusuose - jų sudedamųjų dalių: baltymų, nukleino rūgščių, lipidų tarpusavio išsidėstymo pobūdis; sintetiniuose polimeruose - polimerinių grandinių pakavimas; milteliuose ir sorbentuose – dalelių ir porų dydžio pasiskirstymas; lydiniuose - fazių atsiradimas ir dydis; tekstūrose (ypač skystuosiuose kristaluose) - dalelių (molekulių) pakavimo į įvairias supramolekulines struktūras forma. Mažo kampo rentgeno metodas taip pat naudojamas pramonėje stebint katalizatorių, labai dispersinių anglių ir kt. gamybos procesus. Atsižvelgiant į objekto struktūrą, atliekami sklaidos kampų matavimai nuo minutės dalių iki kelių laipsnių. Atominės struktūros nustatymas pagal rentgeno spindulių difrakcijos duomenis. Kristalo atominės struktūros iššifravimas apima: jo vienetinės ląstelės dydžio ir formos nustatymą; nustatant, ar kristalas priklauso vienai iš 230 Fiodorovo (atrado E. S. Fedorovas (žr. Fedorovas)) kristalų simetrijos grupių (žr. Kristalų simetrija); gavus pagrindinių struktūros atomų koordinates. Pirmąją ir iš dalies antrąją problemą galima išspręsti naudojant Laue metodus ir siūbuojant arba sukant kristalą. Galutinai nustatyti sudėtingų struktūrų pagrindinių atomų simetrijos grupę ir koordinates galima tik atliekant sudėtingą analizę ir daug darbo reikalaujantį matematinį visų difrakcijos atspindžių intensyvumo verčių apdorojimą iš tam tikro kristalo. Galutinis tokio apdorojimo tikslas yra iš eksperimentinių duomenų apskaičiuoti elektronų tankio reikšmes ρ( x, y, z)
bet kuriame kristalo ląstelės taške su koordinatėmis x, y, z. Kristalų struktūros periodiškumas leidžia užrašyti elektronų tankį jame per Furjė eilutę :
Kur V- vieneto ląstelės tūris, F hkl - Furjė koeficientai, kurie R.s. A. vadinamos struktūrinėmis amplitudėmis, i= hkl ir yra susijęs su difrakcijos atspindžiu, kurį lemia sąlygos (1). Sumavimo (2) tikslas yra matematiškai surinkti rentgeno spindulių difrakcijos atspindžius, kad būtų gautas atominės struktūros vaizdas. Tokiu būdu sintezuokite vaizdą R.S. A. Taip yra dėl to, kad nėra rentgeno spinduliuotės lęšių (regimosios šviesos optikoje tam naudojamas surenkantis lęšis). Difrakcinis atspindys yra banginis procesas. Jai būdinga amplitudė, lygi ∣ F hkl∣ ir fazė α hkl(atspindinčios bangos fazės poslinkis krintančios bangos atžvilgiu), per kurį išreiškiama struktūrinė amplitudė: F hkl=∣F hkl∣ (cosα hkl +i sinα hkl). Difrakcijos eksperimentas leidžia išmatuoti tik atspindžio intensyvumą, proporcingą ∣ F hkl∣ 2, bet ne jų fazės. Fazių nustatymas yra pagrindinė kristalų struktūros iššifravimo problema. Struktūrinių amplitudių fazių nustatymas iš esmės yra vienodas ir kristalams, susidedantiems iš atomų, ir kristalams, susidedantiems iš molekulių. Nustačius molekulinės kristalinės medžiagos atomų koordinates, galima išskirti jos sudedamąsias molekules ir nustatyti jų dydį bei formą. Nesunkiai išsprendžiama atvirkštinė struktūrinio dekodavimo problema: iš žinomos atominės struktūros apskaičiuojant struktūrines amplitudes, o iš jų – difrakcijos atspindžių intensyvumus. Bandymų ir klaidų metodas, istoriškai pirmasis struktūrų iššifravimo metodas, susideda iš eksperimentiniu būdu gautų ∣ palyginimo. F hkl∣ exp, su reikšmėmis, apskaičiuotomis remiantis bandomuoju modeliu ∣ F hkl∣ skaičiuok. Priklausomai nuo divergencijos koeficiento dydžio Iš esmės naujas būdas iššifruoti pavienių kristalų atomines struktūras buvo atidarytas naudojant vadinamąjį. Patersono funkcijos (tarpatominių vektorių funkcijos). Sukurti kokios nors struktūros Patersono funkciją, susidedančią iš N atomų, perkeliame jį lygiagrečiai sau taip, kad pirmasis atomas atsitrenktų į fiksuotą pradžią pirmas. Vektoriai nuo pradžios iki visų struktūros atomų (įskaitant nulinio ilgio vektorių iki pirmojo atomo) nurodys vietą N tarpatominių vektorių funkcijos maksimumai, kurių visuma vadinama struktūros atvaizdu atome 1.
Pridėkime prie jų daugiau N maxima, kurios padėtis parodys N vektoriai iš antrojo atomo, patalpinti lygiagrečiai perkeliant struktūrą į tą pačią pradžią. Atlikę šią procedūrą su visais N atomai ( ryžių. 3
), gausime N 2 vektoriai. Funkcija, apibūdinanti jų padėtį, yra Patersono funkcija. Patersono funkcijai R(u, υ, ω)
(u, υ, ω - taškų koordinates tarpatominių vektorių erdvėje) galime gauti išraišką: iš ko išplaukia, kad jis nustatomas pagal struktūrinių amplitudžių modulius, nepriklauso nuo jų fazių ir todėl gali būti skaičiuojamas tiesiogiai iš difrakcijos eksperimento duomenų. Sunku interpretuoti funkciją R(u, υ, ω) susideda iš poreikio rasti koordinates N atomai iš N 2 ją
maksimumai, kurių daugelis susilieja dėl persidengimų, atsirandančių konstruojant tarpatominių vektorių funkciją. Lengviausia iššifruoti R(u, υ, ω) atvejis, kai struktūroje yra vienas sunkusis atomas ir keli lengvieji. Tokios struktūros vaizdas sunkiajame atome labai skirsis nuo kitų vaizdų. Iš įvairių metodų, leidžiančių nustatyti tiriamos struktūros modelį naudojant Patersono funkciją, efektyviausi buvo vadinamieji superpozicijos metodai, kurie leido formalizuoti jos analizę ir atlikti ją kompiuteriu. Patersono funkcijos metodai susiduria su rimtais sunkumais tiriant kristalų, susidedančių iš identiškų arba artimų atomų skaičių, struktūras. Šiuo atveju veiksmingesni pasirodė vadinamieji tiesioginiai struktūrinių amplitudių fazių nustatymo metodai. Atsižvelgiant į tai, kad elektronų tankio vertė kristale visada yra teigiama (arba lygi nuliui), galima gauti daugybę nelygybių, kurios valdo funkcijos ρ(struktūrines amplitudes) Furjė koeficientus (struktūrines amplitudes). x, y, z). Taikant nelygybės metodus, gana nesunkiai galima išanalizuoti struktūras, turinčias iki 20-40 atomų vienetinėje kristalo ląstelėje. Sudėtingesnėms struktūroms naudojami tikimybiniu problemos požiūriu pagrįsti metodai: struktūrinės amplitudės ir jų fazės laikomos atsitiktiniais dydžiais; Iš fizikinių sąvokų išvedamos šių atsitiktinių dydžių pasiskirstymo funkcijos, leidžiančios įvertinti labiausiai tikėtinas fazių reikšmes, atsižvelgiant į eksperimentines struktūrinių amplitudių modulių vertes. Šie metodai taip pat įgyvendinami kompiuteryje ir leidžia iššifruoti struktūras, kuriose yra 100–200 ar daugiau atomų kristalo vienetinėje ląstelėje. Taigi, jei nustatomos struktūrinių amplitudių fazės, tai pagal (2) galima apskaičiuoti elektronų tankio pasiskirstymą kristale, šio skirstinio maksimumai atitinka atomų padėtį struktūroje (; ryžių. 4
). Galutinis atominių koordinačių patikslinimas atliekamas kompiuteriu, naudojant mažiausių kvadratų metodą.
ir priklausomai nuo eksperimento kokybės ir struktūros sudėtingumo, tai leidžia gauti juos tūkstantųjų Å tikslumu (naudojant šiuolaikinį difrakcijos eksperimentą, taip pat galima apskaičiuoti kiekybines atomų šiluminių virpesių charakteristikas kristalas, atsižvelgiant į šių virpesių anizotropiją). R.s. A. leidžia nustatyti subtilesnes atominių struktūrų charakteristikas, pavyzdžiui, valentinių elektronų pasiskirstymą kristale. Tačiau ši sudėtinga problema iki šiol buvo išspręsta tik pačioms paprasčiausioms konstrukcijoms. Šiuo tikslu labai perspektyvus yra neutronų difrakcijos ir rentgeno tyrimų derinys: neutronų difrakcijos duomenys apie atomų branduolių koordinates lyginami su elektronų debesies erdviniu pasiskirstymu, gautu naudojant rentgeno spindulių difrakciją. A. Daugeliui fizinių ir cheminių problemų išspręsti kartu naudojami rentgeno spindulių difrakcijos tyrimai ir rezonanso metodai. R. s. pasiekimų viršūnė. A. - baltymų, nukleorūgščių ir kitų makromolekulių trimatės struktūros iššifravimas. Baltymai, kaip taisyklė, natūraliomis sąlygomis nesudaro kristalų. Norint pasiekti reguliarų baltymų molekulių išsidėstymą, baltymai kristalizuojami ir tiriama jų struktūra. Baltymų kristalų struktūrinių amplitudių fazes galima nustatyti tik bendromis radiografų ir biochemikų pastangomis. Norint išspręsti šią problemą, reikia gauti ir ištirti paties baltymo kristalus, taip pat jo darinius su sunkiųjų atomų įtraukimu, o visų šių struktūrų atomų koordinatės turi sutapti. Dėl daugybės R. s metodų taikymo. A. įvairių kietųjų kūnų struktūros pažeidimų, veikiamų įvairių poveikių, tyrimą žr. Medžiagų radiografija. Lit.: Belovas N.V., Struktūrinė kristalografija, M., 1951; Ždanovas G.S., Rentgeno spindulių difrakcijos analizės pagrindai, M. - L., 1940; James R., Rentgeno spindulių difrakcijos optiniai principai, vert. iš anglų k., M., 1950; Bokiy G.B., Porai-Koshits M.A., Rentgeno struktūrinė analizė, M., 1964; Poraj-Koshits M.A., Praktinis rentgeno struktūrinės analizės kursas, M., 1960: Kitaigorodsky A.I., Struktūrinės analizės teorija, M., 1957; Lipeon G., Cochran V., Kristalinės struktūros nustatymas, vert. iš anglų k., M., 1961; Vainshtein B.K., Struktūrinė elektronų difrakcija, M., 1956; Bacon J., Neutronų difrakcija, vert. iš anglų k., M., 1957; Burger M., Kristalinė struktūra ir vektorinė erdvė, trans. iš anglų k., M., 1961; Guinier A., Kristalų radiografija, trans. iš prancūzų kalbos, M., 1961 m. Woolfson M. M., Įvadas į rentgeno kristalografiją, Camb., 1970: Ramachandran G. N., Srinivasan R., Fourier methode in crystallography, N. Y., 1970; Kristalografinė kompiuterija, red. F. R. Ahmed, Cph., 1970; Stout G. H., Jensen L. H., Rentgeno struktūros nustatymas, N. Y. - L., . V. I. Simonovas. Ryžiai. 9. a. Baotito mineralo O 16 Cl interatominių vektorių funkcijos projekcija į ab plokštumą]. Linijos brėžiamos per vienodus interatominių vektorių funkcijos reikšmių intervalus (vienodo lygio linijos). b. Baotito elektronų tankio projekcija į ab plokštumą, gauta iššifravus tarpatominių vektorių funkciją (a). Elektronų tankio maksimumai (lygių lygių linijų koncentracijos) atitinka atomų padėtis struktūroje. V. Baotito atominės struktūros modelio vaizdas. Kiekvienas Si atomas yra tetraedro, sudaryto iš keturių O atomų, viduje; Ti ir Nb atomai yra oktaedruose, sudarytuose iš O atomų, o baotito struktūroje esantys Ti(Nb)O 6 oktaedrai yra sujungti, kaip parodyta paveikslėlyje. Kristalo vienetinės ląstelės dalis, atitinkanti Fig. a ir b, paryškinti punktyrine linija. Taškinės linijos pav. a ir b nustato atitinkamų funkcijų reikšmių nulinius lygius. Fizinė enciklopedija – rentgeno struktūrinė analizė, medžiagos mėginio atominės struktūros tyrimas, pagrįstas ant jo esančios rentgeno spinduliuotės difrakcijos modeliu. Leidžia nustatyti medžiagos elektronų tankio pasiskirstymą, kuris lemia atomų tipą ir jų... ... Iliustruotas enciklopedinis žodynas - (rentgeno spindulių struktūrinė analizė), medžiagų atominės struktūros tyrimo metodų rinkinys naudojant rentgeno spindulių difrakciją. Naudojant difrakcijos modelį, nustatomas medžiagos elektronų tankio pasiskirstymas, o iš jo atomų tipas ir jų... ... enciklopedinis žodynas - (rentgeno struktūrinė analizė), atominio molio tyrimo metodas. pastatai, sk. arr. kristalai, pagrįsti sąveikos metu atsirandančios difrakcijos tyrimu. kai tiriamo rentgeno mėginio bangos ilgis yra apytiksliai. 0,1 nm. Naudokite ch. arr... Cheminė enciklopedija – (žr. RENGENGŲ STRUKTŪRINĖ ANALIZĖ, NEUTRONOGRAFIJA, ELEKTRONOGRAFIJOS). Fizinis enciklopedinis žodynas. M.: Tarybinė enciklopedija. Vyriausiasis redaktorius A. M. Prokhorovas. 1983... Fizinė enciklopedija Medžiagų struktūros nustatymas, t.y. jas sudarančių struktūrinių vienetų (molekulių, jonų, atomų) vietos erdvėje išaiškinimas. Siaurąja prasme S. a. molekulinės geometrijos nustatymas ir mol. sistemos paprastai apibūdinamos ilgių rinkiniu... ... Chemijos enciklopedija
1895-ieji pasirodė itin svarbūs pirmiausia mokslui, o netrukus ir visam pasauliui – būtent tada pirmą kartą buvo atrasti rentgeno spinduliai, be kurių šiandien labai sunku įsivaizduoti savo gyvenimą. Tai baisus žodis, visi jo bijo: tai tyrimas, kuris žudo! O po nelaimių atominėse elektrinėse mūsų gyslomis bėga šaltas kraujas. Tačiau apie tragedijas yra girdėję visi, tačiau mažai kas žino, kokią naudą žmonėms suteikė šis atradimas. Ir mes kalbame ne tik apie specialias nuotraukas - vargu ar vienintelis veiksmingas metodas daugeliui patologijų nustatyti. Kita spindulių taikymo sritis yra metalų, baltymų ir kitų junginių rentgeno struktūrinė analizė.
Apie ką tai
Rentgeno spinduliai yra elektromagnetinės vibracijos. Išskirtinis bruožas yra jo mažas ilgis, panašus į atominius matmenis. Spinduliuotės šaltinis yra greitieji elektronai, kurie veikia atomo struktūrą. Šiuo metu radiacija buvo pritaikyta mokslo ir technikos sektoriuje.
Spindulių ypatybės buvo atskleistos 1912 metais vokiečių mokslininkų Knippingo, Friedricho, Laue atliktų bandymų metu. Nagrinėjant atominę gardelę, buvo nustatytas difrakcijos faktas. Jei suformuosite siaurą spindulį ir nukreipsite jį į kristalą, užtikrindami jo nejudrumą, galite gauti trupmeninį vaizdą ant fotografinės plokštelės, esančios už kristalo. Tokiu būdu gautas atspindys buvo sutvarkyta dėmių sistema, kurių kiekviena buvo konkretaus spindulio, išsklaidyto veikiant kristalui, pėdsakas. Įvaizdį nuspręsta pavadinti Lauegram. Tai sudarė pagrindą kristalų rentgeno struktūrinei analizei, kuri vystosi ir tobulėja šiais laikais.
Paslaptys vs. Mokslas
Biologijoje naudojama rentgeno spindulių difrakcijos analizė leido įsiskverbti į slaptą gyvybės esmę. Tačiau verta paminėti, kad visko pagrindas buvo kvantinė fizika – būtent ji suteikia pagrindą reiškiniams, kuriuos dabar suprantame rentgeno spindulių pagalba. Yra žinoma, kad supančią erdvę, kūnus, objektus sudaro molekulės, atomai, susilankstę į įvairias susistemintas, tvarkingas struktūras. Konkrečios medžiagos savybes galima nustatyti tik eksperimentiniu būdu. Šiais laikais rentgeno spindulių difrakcijos analizė yra efektyvus, tikslus, modernus atominės struktūros nustatymo būdas.
Norint gauti naudingos informacijos, būtina naudoti eksperimentines instaliacijas, kuriose priverčiamos „dirbti“ bangos, kurių ilgis yra nuo dešimties iki minus dešimtosios galios (!) metrų. Būtent tokia atstumų skalė atominiame lygmenyje. Paprastam žmogui, toli nuo fizikos, net neįmanoma įsivaizduoti tokių mažyčių dydžių, tačiau mokslininkai ne tik sugebėjo juos pamatyti, bet ir analizavo, privertė dirbti ir pagaminti dar daugiau informacijos, reikalingos žmonijai suprasti. mus supantis pasaulis ir jo konstravimo dėsniai.
Struktūros ir metodai
1912 m. atlikti eksperimentai leido suformuluoti pagrindinius rentgeno spindulių difrakcijos analizės principus, nes mokslininkai gavo veiksmingą metodą, leidžiantį nustatyti molekulių ir atomų padėtį kristalo viduje. Laikui bėgant taip pat buvo galima rinkti informaciją apie vidinę molekulių struktūrą. Nauja informacija greitai patraukė šviesiausių to meto protų dėmesį, o du britų mokslininkai, tėvas ir sūnus Braggy, ėmėsi vis dar besivystančios rentgeno struktūrinės analizės. Būtent jie sukūrė metodą, kurio dėka žmonija galėjo labai tiksliai nustatyti molekulinę, mineralinę struktūrą.
Laikui bėgant mokslininkai sutelkė dėmesį į vis sudėtingesnius objektus, tačiau rentgeno spindulių difrakcijos analizė pasirodė esanti stebėtinai universali. Pamažu atėjo eilė gyvoms molekulėms. Sunku įsivaizduoti, kokią reikšmę šiandien biologijoje turi rentgeno spindulių difrakcijos metodas. Beveik iš karto mokslininkai susidūrė su daugybe sunkumų ir pirmiausia su kristalų izoliavimo problema. Viena molekulė – kelios dešimtys tūkstančių atomų, todėl vaizde atsirado toks painus vaizdas, kad atkurti koordinačių nepavyko. Bet tai tik pradžia: praėjo metai, metodas patobulintas, o dabar ši problema jau išspręsta.
Baltymų rentgeno difrakcinė analizė
Reikšmingiausi su šia tema susiję tyrimai buvo organizuoti Cavendish laboratorijoje. Jiems vadovavo minėtasis britas Braggas. Kaip techninę užduotį suformulavome baltymų erdvinės struktūros nustatymo užduotį. Toks tikslas buvo logiškas: praėjusio šimtmečio viduryje vyravo nuomonė, kad svarbiausia gyvojo pasaulio molekulė yra baltymai. Paaiškinant idėją, argumentas buvo ląstelėje išprovokuotų cheminių reakcijų faktas – tik baltymai yra juos stimuliuojantys fermentai. Iš to mokslininkai padarė logišką išvadą, kad baltymai yra pagrindinė gyvos ląstelės statybinė medžiaga, o visų jos struktūros ypatybių įvaldymas atsakytų į visus su gyvybės faktu susijusius klausimus. O rentgeno difrakcinės analizės metodas turėjo padėti ištirti struktūrą.
Taigi, dėmesys buvo sutelktas į sudėtingą polimerą – baltymą, kurio vienetai yra monomerai, aminorūgščių liekanos. Tyrimai parodė, kad jie visada yra linijiniai, o struktūra yra pastovi didėjant temperatūrai, net iki tokio lygio, kai biologinis aktyvumas yra visiškai slopinamas. Remiantis gauta informacija, paaiškėjo, kad tik aminorūgščių liekanos teisingoje sekoje negali suteikti gyvybės galimybės ir teisingas grupių išsidėstymas erdvėje.
Sėkmė – visai šalia
Laboratorinėmis sąlygomis naudojama rentgeno spindulių difrakcijos analizė padėjo išspręsti mokslininkams iškeltą problemą. Sėkmė atėjo šeštojo dešimtmečio viduryje, o pradininkai buvo Perutzas ir Kendrew. Jų dėka pasaulis dabar žino, kad baltymai turi trimatę struktūrą. Ne mažiau svarbi ir kita informacija, kurią įvairūs mokslininkai gauna tyrimų ir bandymų metu, bandydami pasiekti šį tikslą. Daugelis tuo metu gautų duomenų padėjo ateityje išvengti klaidų ir supaprastinti rentgeno spindulių difrakcinę ląstelių analizę.
Šiuo metu, naudojant sukurtą technologiją, galima ištirti bet kokios medžiagos atomą ir nustatyti visas specifines vienetinės ląstelės savybes, įskaitant vietą erdvėje, formą, matmenis. Rentgeno spindulių difrakcijos analizė leidžia nustatyti kristalinę simetrijos grupę. Šiais laikais šis medžiagos struktūros nustatymo metodas yra labiau paplitęs nei bet kuris kitas dėl jo santykinai mažų sąnaudų ir paprasto įgyvendinimo.
Rentgeno spindulių spektrai
Ši koncepcija yra viena iš pagrindinių rentgeno spindulių difrakcijos analizės teorijoje. Įprasta kalbėti apie du tipus: būdingą, bremsstrahlung spinduliuotę. Stabdymas atsiranda dėl atitinkamo elektronų judėjimo. Šį reiškinį galima išprovokuoti laboratorinėmis sąlygomis įjungus įrenginio antikatodą. Mokslininkas gauna prieigą prie riboto plataus diapazono. Tai, kaip bus išdėstyta riba, nepriklauso nuo medžiagos, tai visiškai lemia nukreiptų elektronų energijos atsargos. Bremsstrahlung spektras tampa intensyvesnis, jei tikslinės dalelės yra lengvesnės, o elektronų sužadinimas leidžia pasiekti labai aukštas vertes.
Būdinga spinduliuotė, naudojama rentgeno spindulių difrakcijos analizės metodu, yra lydima elektronų judėjimo. Dalelė, esanti ant vidinio atominio sluoksnio, išmušama, įkrauta dalelė iš išorinio sluoksnio juda į vidų, visą procesą lydi tam tikra charakteristika – specifinis spektras, daugeliu atžvilgių panašus į būdingus dujinėms medžiagoms. Esminis šių spektrų skirtumas yra priklausomybė (arba jos nebuvimas rentgeno tyrimų atveju) nuo elemento, provokuojančio reiškinio susidarymą.
Rentgenas, rezultatas ir objektas
Kaip parodė bandymai, atlikti naudojant įvairius junginius, rentgeno spindulių difrakcijos analizę tam tikru mastu lemia jos ypatybė, kurią atspindi periodinės lentelės eilės numeris: kuo didesnė ši vertė, tuo stipresnis poslinkis į trumpųjų bangų spektrą. 1913 m. buvo įrodyta, kad kvadratinė šaknis, išskirta iš dažnio reikšmės, yra tiesiškai susijusi su atominiu skaičiumi. Ateityje šis modelis buvo naudojamas periodinei lentelei pagrįsti.
Reikėtų atsižvelgti į tai, kad skirtingi elementai turi skirtingą spektrą. Šiuo atveju rentgeno spinduliuotės spinduliavimas laisvoje formoje, derinant su kitais cheminiais elementais, nepriklauso nuo sužadinimo. Remiantis gautais duomenimis, tapo įmanoma atlikti rentgeno spindulių difrakcijos analizę sudėtingos struktūros objektų atžvilgiu. Nustatytos specifikacijos tapo pagrindu nustatant analizės metodo specifiškumą ir yra plačiai naudojamos šiandien.
Rentgeno spindulių difrakcijos analizė: teorija ir praktika
Šiuo metu šis analizės metodas yra klasifikuojamas kaip cheminė dalis, taikoma medžiagų sudėties analizei. Spinduliavimo intensyvumą lemia procese dalyvaujančių atomų skaičius. Sužadinimą sukelia elektronų bombardavimas ir švitinimas. Pirmuoju atveju kalbama apie tiesioginį sužadinimą, o veikiant rentgeno spinduliams – fluorescencinis (antrinis). Pirminės spinduliuotės kvantas turi turėti energijos atsargas, viršijančias elektrono išmušimo iš padėties kainą. Bombardavimas sukelia specifinį spektrą ir spinduliuotę – nuolatinę, didelio intensyvumo. Jei daroma prielaida, kad yra antrinis sužadinimas, rezultate yra linijos spektras.
Pirminį jaudrumą lydi medžiagos kaitinimas. Fluorescentas tokio efekto nesukelia. Pirminiu būdu medžiaga užpildomas vamzdelis, kuriame sukuriamas didelis vakuumas, o fluorescencinei metodikai reikia objektą pastatyti rentgeno spinduliuotės kelyje. Vakuuminė sąlyga čia nevaidina. Tai gana patogu: ištyrę vieną objektą, galite išimti pavyzdį ir įdėti kitą procedūra yra paprasta ir beveik neužtrunka. Tuo pačiu metu antrinės spinduliuotės intensyvumas yra tūkstančius kartų silpnesnis, palyginti su pirminiu metodu. Nepaisant to, ląstelės rentgeno struktūrinės analizės metodas dažniausiai atliekamas naudojant antrinę, fluorescencinę spinduliuotę, kuri suponuoja greitų elektronų buvimą.
Kas naudojamas?
Norėdami atlikti analizę, turite turėti specialų prietaisą. Viso profilio rentgeno spindulių difrakcijos analizė atliekama naudojant difraktometrą. Taip pat yra fluorescencinis spektrometras. Šį įrenginį sudaro trys pagrindiniai komponentai: vamzdis, analizatorius ir detektorius. Pirmasis yra spinduliuotės šaltinis, kuris veikia tiriamos medžiagos fluorescencinį spektrą. Spektrui gauti reikalingas analizatorius. Detektorius perduoda informaciją apie intensyvumą, kitas žingsnis – eksperimento rezultatų fiksavimas.
Praktikoje toks spektrometras naudojamas gana dažnai: spinduliavimo šaltinis ir detektorius yra ant specializuoto apskritimo, centrinė vieta priklauso kristalui, galinčiam suktis aplink savo ašį. Tiesą sakant, ašis prasiskverbia į apskritimo centrą.
Fokusavimo spektrometras
Kaip galima daryti iš daugybės žmonių turimos informacijos, šiuo metu viso profilio rentgeno struktūrinės analizės metodai ir programos yra sunkiai prieinami, todėl praktikoje nėra plačiai naudojami. Pažymima, kad daug aktualesnis variantas yra Johanno, Johannsono ir Kapitsos išrastas refleksijos metodas. Daroma prielaida, kad bus naudojamas specializuotas spektrometras. Alternatyvus variantas yra technologija, kurios autoriai yra Koush ir Du-Mond. Ši parinktis vadinama „pradavimu“.
Šiuo metu plačiai naudojami metodai yra su vienu arba keliais kanalais. Daugiakanaliai kvantometrai, outrometrai, yra veiksmingas daugelio elementų nustatymo metodas. Pats darbas, susijęs su analize, naudojant tokią technologiją, yra automatizuotas iki aukšto lygio. Dažniausiai prietaisai aprūpinti vamzdeliais ir prietaisais, kurių dėka pasiekiamas padidintas tyrimo intensyvumo stabilizavimo laipsnis. Spektrometras naudoja bangas iš analizatoriaus nustatyto diapazono. Jo plokštumos pasižymi tam tikru specifiniu atstumu ir neįmanoma atspindėti tokių spindulių, kurių ilgis yra du kartus ar didesnis nei tarpplaninio analizatoriaus.
Diegimo ypatybės
Šiuo metu kaip kristalai naudojami įvairūs elementai. Labiausiai paplitę yra žėrutis, gipsas ir kvarcas. Detektoriai yra Geigerio skaitikliai, taip pat specializuoti proporcingi kristalai. Pastaruoju metu vis dažniau naudojami vadinamieji kvantinės scintiliacijos skaitikliai.
Iš objektų, kurie tiriami įvairiais instrumentais, mokslininkų dėmesį gana dažnai patraukia bismuto feritai. Viso profilio rentgeno spindulių difrakcijos analizė BiFeO3 ne kartą tapo pagrindine mokslinio darbo tema chemijos srityje, manoma, kad kai kurie aspektai dar neatrasti.
Taikymo sritis
Rentgeno spindulių spektrinė analizė leidžia nustatyti, kiek tam tikrame junginyje yra tikslinio elemento, kuris sukelia tyrėjo susidomėjimą. Leidžiama tirti sudėtingas kompozicijas, lydinius, metalus. Taip dažnai analizuojami keramikos, cemento ir plastiko junginiai. Jūs netgi galite ištirti dulkes ar abrazyvinius komponentus. Cheminės technologijos suteikia prieigą prie daugybės skirtingų gaminių, kurių charakteristikas galima ištirti naudojant rentgeno spindulius. Aktualiausios analizės taikymo sritys yra geologija ir metalurgija, kur įranga naudojama mikroskopiniams ir makroskopiniams komponentams identifikuoti.
Tobulumui ribų nėra
Standartinė rentgeno spektrinės analizės įranga ne visada leidžia gauti reikiamos informacijos apie tiriamą objektą. Norint padidinti taikomosios technikos jautrumą, galima derinti kelis metodus: radiometrija puikiai derinama su cheminiais metodais. Didžiausias jautrumas nustatomas pagal aptinkamos medžiagos atominį skaičių, taip pat vidutinį mėginio skaičių. Jei mes kalbame apie šviesos elementus, užduotis laikoma gana paprasta. Tikslumas – 2-5% (santykinis), svoris – keli gramai, trukmė – iki dviejų valandų, tačiau kartais prireikia vos kelių minučių. Tačiau užduotis laikoma sudėtinga, jei kalbame apie minkštą spektrą, mažą Z.
Baltymų analizė: savybės
Viena iš labai svarbių aprašytos technikos panaudojimo sričių yra baltymų analizė. Kaip minėta aukščiau, norint gauti tikslios informacijos apie tiriamą objektą, jis turi būti tiriamas kristalo pavidalu, tačiau normalioje būsenoje baltymo molekulė tokios formos neturi. Norint atlikti analizę, reikalinga transformacija.
Kaip tai atsitinka?
Beveik bet koks eksperimentinis baltymų tyrimas apima biocheminį pradinės medžiagos ekstrahavimo metodą. Biologinė medžiaga susmulkinama, baltymas perkeliamas į ištirpusią būseną, o iš bendro mišinio išskiriamas reikalingas objektas, kuris bus toliau tiriamas. Renginio efektyvumas labai priklauso nuo baltymų gavybos kokybės.
Prieš naudojant rentgeno analizę, turi būti suformuoti kristalai. Jei ryšys sudėtingas, darbo procesas užtrunka ilgai. Paprastai kaip pradinė kompozicija naudojamas prisotintas tirpalas, kuris vėliau apdorojamas ir skystis išgaruoja. Antrasis variantas susijęs su temperatūros įtaka. Gauti komponentai gali būti tiriami specialioje instaliacijoje.