Det finnes omtrent 10 12 forskjellige proteiner i naturen som utfører en lang rekke funksjoner. Dette er enzymproteiner som katalyserer biokjemiske prosesser i en levende celle; og bærerproteiner, som lar andre molekyler passere gjennom kjerne- eller cellemembraner eller bevege seg mellom celler i hele kroppen; og immunoglobulære proteiner, karakterisert ved høy spesifisitet av interaksjon med antigener, noe som fører til aktivering av signalveier som sikrer immunresponsen til cellene. Dette er bare noen få eksempler på de unike egenskapene til proteinmolekyler. Som Francis Crick berømt uttrykte det, er proteiner viktige først og fremst fordi de kan utføre en lang rekke funksjoner med ekstraordinær letthet og ynde.
Med all deres strukturelle og funksjonelle mangfold, er alle naturlige proteiner bygget av 20 aminosyrer, koblet i samsvar med koden for proteinsyntese. Avhengig av sekvensen av aminosyrerester i polypeptidkjeden, dannes en viss stabil tredimensjonal struktur av proteinet, som bestemmer dets strukturelle og funksjonelle egenskaper. For eksempel er hvert enzym preget av en veldig spesifikk konformasjon av det aktive senteret, som sikrer spesifikk interaksjon med substratmolekyler og utfører den katalytiske handlingen. Dessuten, for effektiv dannelse av et enzym-substratkompleks, er ikke bare den geometriske korrespondansen (komplementariteten) til enzymet og substratmolekylene av stor betydning, men også dannelsen av hydrogenbindinger, elektrostatiske og hydrofobe interaksjoner mellom atomene til det aktive sentrum av enzymet og substratmolekylet. Dermed er ethvert proteinmolekyl preget av en unik struktur, som bestemmer det unike ved funksjonen.
Belysning av den romlige organiseringen av proteiner er en av hovedretningene i moderne biokjemi. I mange tilfeller er kunnskap om proteinstrukturen og dens kompleks med inhibitorer en avgjørende faktor i utviklingen av legemidler.
En av de viktigste eksperimentelle metodene som lar en finne ut med atompresisjon hva den tredimensjonale strukturen til et protein er, d.v.s. for å bestemme de romlige koordinatene til alle atomene til objektet som studeres, er røntgendiffraksjon, eller krystallografisk, analyse. Å kjenne posisjonen til hvert atom, interatomiske avstander, bindingsvinkler, rotasjonsvinkler rundt bindinger, overflateladningsfordeling og andre detaljer om molekylær geometri kan beregnes. Disse dataene trengs av kjemikere, biokjemikere og biologer som studerer forholdet mellom strukturelle egenskaper og funksjonelle egenskaper, samt spesialister som studerer den elektroniske strukturen til molekyler og molekylære interaksjoner. Den spesielle plassen til røntgendiffraksjonsanalyse blant andre eksperimentelle metoder gjenspeiles av det faktum at siden oppdagelsen av røntgenstråler i 1901 til i dag, har arbeid på dette feltet blitt tildelt 12 nobelpriser.
Bruken av røntgendiffraksjonsanalyse for å studere komplekse biologiske objekter begynte etter 1953, da Max Perutz, et medlem av Cavendish Laboratory ved University of Cambridge, fant en måte å bestemme strukturen til store molekyler som myoglobin og hemoglobin. Siden den gang har røntgendiffraksjonsanalyse av proteinmolekyler hjulpet oss med å forstå kjemien til biologiske reaksjoner. Til dags dato er strukturene til rundt 15 tusen proteiner og deres komplekser med biologisk viktige molekyler kjent.
Røntgenstråler er elektromagnetiske bølger med bølgelengder i området 0,01–10 nm. På kortbølgesiden er de ved siden av -stråler (bølgelengder mindre enn 0,1 nm), på langbølgesiden - med ultrafiolett (bølgelengder ca. 10–380 nm).
For å gjennomføre et røntgeneksperiment kreves monokromatisk røntgenstråling (dvs. en strengt definert bølgelengde). Ulike filtre og monokromatorer brukes til dette formålet.
Vanligvis, når en person hører om røntgenundersøkelse, husker han røntgenrommet på klinikken. Faktisk har røntgendiffraksjonsanalyse ingenting med medisinsk forskning å gjøre. Medisinsk fluoroskopi er basert på forskjellen i graden av absorpsjon av røntgenstråler av forskjellige vev, og røntgenkrystallografi er basert på spredning av røntgenstråler av elektronene til atomer. Hvis vi i medisin får et røntgenbilde av objektet som studeres, så inneholder ikke bildene noe bilde av noe i røntgenkrystallografi.
Hvordan utføres et røntgeneksperiment? Prinsippdiagrammet er enkelt (fig. 1): objektet som studeres plasseres i en stråle av røntgenstråler og intensiteten av stråling spredt i ulike retninger måles. Den enkleste måten er å plassere fotografisk film i banen til strålen og, basert på graden av mørkere av flekken etter fremkalling, bedømme intensiteten av spredning i denne retningen. Selvfølgelig er det i dag mer avanserte metoder, men nå er ikke dette viktig. I dette tilfellet er det viktige at vi ikke ser på intensiteten til strålene som passerte gjennom objektet, men på intensiteten til strålene som dukket opp der de angivelig ikke skulle ha vært.
Ris. 1. Skjema for røntgeneksperimentet
Så ved inngangen har vi et ukjent objekt, ved utgangen - et sett med intensiteter av stråler spredt i forskjellige retninger, eller et diffraksjonsmønster. Nå er det nødvendig å koble informasjonen som ble oppnådd i eksperimentet med atomstrukturen til objektet som studeres. La oss liste opp hovedprinsippene som den enkleste matematiske modellen for røntgenspredning er bygget på:
1) røntgenstrålen er en flat monokromatisk elektromagnetisk bølge;
2) under påvirkning av denne elektromagnetiske bølgen begynner hvert elektron å bevege seg, noe som kan beskrives med ligninger for gratis ladninger;
3) et elektron i bevegelse er i sin tur en kilde til en ny spredt sfærisk elektromagnetisk bølge som forplanter seg i alle retninger;
4) disse nye bølgene oppsummeres og bestemmer intensiteten av strålingen i retningen av interesse for oss.
Denne modellen kalles kinematisk spredningsteori. Dens største ulempe er at elektronet påvirkes ikke bare av primærstrålen, men også av spredte bølger, og deres innflytelse kan endre arten av bevegelsen. Et forsøk på å ta hensyn til disse korreksjonene gjøres i en mer sofistikert dynamisk spredningsteori, men for praktiske anvendelser er den enklere kinematiske spredningsteorien som regel ganske tilstrekkelig.
Røntgendiffraksjonsmetoden er basert på diffraksjon av røntgenstråler av et krystallgitter og er derfor kun anvendelig for stoffer i krystallinsk tilstand. Dette skyldes det faktum at for å registrere diffraksjonsspredningsmønsteret er det nødvendig å ha et tilstrekkelig antall spredningselektroner. Men hvis prøven består av et stort antall tilfeldig orienterte identiske molekyler (løsning), vil spredningsmønsteret bestemmes av noen karakteristikker som er gjennomsnittet over alle mulige orienteringer og vil neppe gi detaljert informasjon om atomstrukturen. Det er en annen sak om et stort antall identiske molekyler er orientert på samme måte. Krystallprøver gir oss denne muligheten.
Enkelt sagt (og uten å gå inn på komplekse matematiske formuleringer), er en krystall en prøve av et stoff som studeres der mange (~10 12) identiske molekyler er i samme orientering og sentrene deres danner et vanlig tredimensjonalt gitter.
Hovedtrekket i strukturen til hver krystall er at den er bygget av individuelle atomer eller grupper av atomer som regelmessig befinner seg i rommet. Hvis hver repeterende strukturell enhet erstattes av et punkt eller node, får du et tredimensjonalt krystallgitter (fig. 2). Gitteret kan tenkes som et system av identiske parallellepipeder. Hvert slikt parallellepiped kalles en "enhetscelle av en krystall" og beskrives av seks parametere: lengden på kantene (a, b, c) og vinklene mellom dem (, ,).
En av hovedklagene på metoden for røntgendiffraksjonsanalyse helt fra begynnelsen av studiet av proteinstrukturer er at proteiner i livet er i løsning, men under forskning krystalliserer vi dem. Et logisk spørsmål oppstår: oppstår fundamentale forvrengninger i strukturen til proteinmolekyler under krystallisering? Det er generelt akseptert at sterke forvrengninger ikke forekommer. Argumentene for denne posisjonen er som følger.
For det første beholder en rekke proteiner enzymatisk aktivitet selv i krystallisert tilstand, dvs. strukturen endres ikke så mye at proteinet blir «ufunksjonelt». En annen vurdering: i krystaller av biomakromolekyler er et betydelig volum (fra 30 til 80%) okkupert av løsningsmidlet, dvs. Pakkingen av proteinmolekyler i krystallen er ikke tett og vil neppe forårsake betydelige forvrengninger. Noe forvrengning i de frie løkkene er mulig, men strukturen til det aktive stedet er bevart. En annen bekreftelse: en alternativ bestemmelse av strukturene til noen proteiner ved bruk av todimensjonal kjernemagnetisk resonans ga ikke signifikante avvik med strukturene som ble dechiffrert ved røntgenmetoder.
Monokromatisk røntgenstråling, som passerer gjennom en krystall, spres hovedsakelig på de elektroniske skallene til periodisk repeterende atomer og danner et diffraksjonsmønster, eller røntgenmønster (fig. 3). Derfor gjør eksperimentelle røntgendata det mulig å bedømme særegenhetene ved arrangementet av elektroner i elementære krystallinske celler. Et elektron har bølgeegenskaper, og dets posisjon i rommet karakteriseres ikke av eksakte koordinater, men av elek(r), som gir det tidsgjennomsnittlige antall elektroner per 1 3 (kubikk ångstrøm). Basert på denne funksjonen kan man bedømme arrangementet av atomer i enhetsceller, pga Hvert atom tilsvarer en haug med elektrontetthet av en viss størrelse. Når du behandler eksperimentelle røntgendata, må to problemer derfor løses.
Ris. 3. Diffraksjonsmønsteret inneholder all informasjon om strukturen til proteinet
1. Fra røntgendataene, få et kart over fordelingen av elektrontetthet (r) i krystallen til objektet som studeres. På dette stadiet oppstår det en grunnleggende vanskelighet (som vil bli diskutert nedenfor) knyttet til umuligheten av å hente all nødvendig informasjon fra eksperimentet for å rekonstruere strukturen som studeres. For å få tak i den manglende delen av informasjonen, brukes ulike løsninger. Men det er ingen universell måte, og i hvert tilfelle velger forskeren den mest passende, basert på hans erfaring og intuisjon.
2. Basert på (r), bestem posisjonene til atomene i objektet som studeres. For å løse dette problemet blir strukturen gjentatte ganger utsatt for programvarebehandling og manuell raffinering for å oppnå best samsvar med elektrontettheten.
Hovedstadier av proteinstrukturbestemmelse
Isolasjon, rensing
Nesten alle eksperimentelle studier av proteinstrukturer begynner fra dette stadiet. For å oppnå ønsket protein brukes ulike biokjemiske metoder. Sekvensen av operasjoner for isolering av proteiner kommer vanligvis ned til å male biologisk materiale (homogenisering), ekstrahere proteiner fra det, eller mer presist, overføre proteiner til en oppløst tilstand (ekstraksjon) og isolere proteinet som studeres fra en blanding av andre proteiner, dvs. rensing og produksjon av individuelle proteiner. På dette stadiet ligger den største vanskeligheten i å produsere en tilstrekkelig mengde rent protein for eksperimentet.
Krystallisering
Å skaffe krystaller egnet for røntgendiffraksjonsanalyse er ofte en arbeidskrevende og langt fra triviell prosess, spesielt for komplekse forbindelser som proteiner og nukleinsyrer. Tilstedeværelsen av en overmettet løsning er en nødvendig betingelse for krystallisering. For å oppnå en slik løsning brukes ulike metoder. En av dem er gradvis fjerning av løsningsmidlet ved vanlig fordampning, noe som fører til en økning i konsentrasjonen av stoffet i løsningen, som på et tidspunkt blir overmettet. En annen metode innebærer å bruke avhengigheten av løselighet på temperatur. For eksempel, hvis løseligheten øker med temperaturen, kan du tilberede en mettet løsning ved en høyere temperatur og deretter avkjøle den sakte. På grunn av reduksjonen i løselighet under avkjøling oppnås en overmettet løsning. Den tredje metoden innebærer å introdusere et stoff i løsningen som forårsaker en reduksjon i løselighet. Enten salter eller organiske løsemidler brukes som slike stoffer. I tillegg er løseligheten til proteiner og nukleinsyrer sterkt avhengig av pH i løsningen; dette kan også brukes til å oppnå overmettede løsninger.
I praksis er alt mye mer komplisert. Det er fortsatt ingen universelle metoder for å velge optimale krystalliseringsforhold. For hvert spesifikt protein ser forskeren etter disse forholdene ved å endre type buffer, pH-verdi, temperatur, konsentrasjon av selve proteinet, utfelling av salt, etc. I dette arbeidet er det viktig å finne forhold under hvilke en krystall vil dannes og salt ikke faller ut. Derfor er dyrking av biologiske krystaller ikke bare en vitenskapelig retning, men også en kunst. Noen ganger, for å tvinge proteinet til å krystallisere, blir det sentrifugert eller til og med sendt inn i null tyngdekraft.
Valget av krystaller for røntgeneksperimentet utføres ved hjelp av et mikroskop. For dette formålet er et polariserende mikroskop spesielt nyttig, som lar en bestemme tilstedeværelsen av defekter i krystallen ved hjelp av polarisert lys. Enkeltkrystaller med en størrelse på 0,2–0,6 mm på hver side anses som optimale. Krystaller skal være fri for defekter og om mulig godt kuttet. Tilstedeværelsen av defekter fører til feil i den eksperimentelle målingen av diffraksjonsmønsteret og, som en konsekvens, til unøyaktighet (og ofte til umulighet) i dechiffreringen av krystallstrukturen. Ettersom kompleksiteten til objektet som studeres øker, øker kravene til kvaliteten på krystaller. Hvordan proteinkrystaller ser ut er vist i fig. 4.
Ris. 4. Proteinkrystaller: a – krystaller av grønt fluorescerende protein zGFP506; b - krystaller av zGFP506-proteinmutanten med aminosyresubstitusjon N66D
Dessverre er det ikke alltid mulig å få en krystall av proteinet som studeres, så dette stadiet er hovedbegrensningen for metoden for røntgenstrukturanalyse av proteiner.
Røntgeneksperiment, behandling av resultaterFor tiden prøver de å bruke en synkrotronakselerator som en kilde til røntgenstråler. Dette er et ganske dyrt bygg. Laboratorierøntgenmaskiner brukes også, men synkrotronstråling har betydelige fordeler.
For det første er dette strålekraften. Det er to fordeler her. Det første er klart - eksperimenttiden reduseres. For det andre har biologiske krystaller en tendens til å brytes ned når de utsettes for røntgenstråler. Ødeleggelsesprosessen tar en viss tid, og hvis strålen er kraftig, er det mulig å registrere ønsket bilde før krystallen ødelegges.
For det andre er det mulig å oppnå ønsket bølgelengde. Røntgenrør produserer en kraftig stråle med kun en fast bølgelengde (vanligvis ca. 1,57), mens når man utfører et eksperiment, er det ofte nødvendig å kunne velge bølgelengde. Dette kan gjøres med en synkrotron.
Behandling av resultatene av et røntgeneksperiment er basert på et kraftig matematisk apparat, som vi ikke skal vurdere her. Når en monokromatisk røntgenstråle faller inn på en krystall som er orientert på en bestemt måte, skjer spredning i diskrete retninger bestemt av krystallgitteret. Diffraksjonsmønsteret som vises på detektorfilmen (fig. 3) er et sett med flekker, eller refleksjoner. Ved å måle intensiteten til refleksene kan du få verdiene til modulene til den såkalte. strukturelle faktorer (komplekse tall) som beskriver fordelingen av elektrontetthet i krystallen (r). Men for å entydig bestemme (r), må du også kjenne de tilsvarende faseverdiene til disse faktorene, informasjon om hvilke er ikke inneholdt i diffraksjonsmønsteret. Hvis fasene er bestemt for en krystall, gir det ingen grunnleggende vanskeligheter å beregne posisjonene til atomene i denne krystallen.
Dermed er det sentrale problemet med røntgendiffraksjonsanalysemetoden, kalt fase problem, ligger i umuligheten av å få alle data som er nødvendige for beregningen direkte fra eksperimentet.
Det finnes ingen generell løsning på faseproblemet i dag. Hver sak krever en spesiell tilnærming. Det er viktig å forstå her at ny informasjon ikke kommer fra ingensteds. For å få faseverdier må vi enten gjøre noen nye antakelser om objektets struktur og egenskaper, eller gjennomføre nye eksperimenter. Nedenfor er hovedtilnærmingene for å løse "faseproblemet" som brukes i proteinkrystallografi.
Isomorf substitusjon
Du kan prøve å introdusere en bestemt merkelapp i krystallmolekylene - ett eller flere tunge atomer (for eksempel tungmetallioner), som enten kan legges til den native strukturen eller kan erstatte deler av atomene (fig. 5).
Isomorf innsetting av tunge atomer betyr at de legges til hver forekomst av molekylet på samme sted, og strukturen til proteinmolekylet endres ikke. Deretter, ved å i tillegg utføre et røntgeneksperiment med en slik modifisert forbindelse og bestemme endringer i intensiteten av refleksjoner sammenlignet med det native proteinet, kan ytterligere informasjon om faseverdiene oppnås. Vanskeligheten med denne metoden ligger i det faktum at det ikke alltid er mulig å oppnå et godt isomorft derivat, og også i behovet for et ekstra røntgeneksperiment.
Den isomorfe substitusjonsmetoden er hovedmetoden for å løse faseproblemet når strukturen til biologiske makromolekyler skal bestemmes. Denne metoden i seg selv oppsto for ganske lenge siden, men det var under arbeid med proteiner at den fikk en ekstremt viktig rolle. Det er to grunner til dette:
1) i lang tid var det den eneste metoden som tillot å løse faseproblemet for proteiner;
2) det er for proteiner det er mulig å "ganske enkelt" få isomorfe derivater. Sistnevnte skyldes det faktum at proteinkrystaller er ganske løse - fra 30 til 70% av volumet deres er okkupert av løsemiddel, dvs. Krystaller har "tomrom" hvor flere atomer kan passe.
Bruker den unormale spredningseffekten
Denne metoden er basert på å variere bølgelengden til røntgenstråling som faller inn på krystallen nær verdiene der en resonanseffekt (og tilsvarende uregelmessig spredning) observeres for flere "spesielle" atomer inneholdt i strukturen til makromolekylet. Hvis det ikke er unormalt spredte atomer i proteinet, kan du noen ganger prøve å feste dem kjemisk. Diffraksjonsmønstre oppnås for flere bølgelengder av den innfallende strålen, og basert på en analyse av intensitetsforskjellene til de tilsvarende refleksjonene, estimeres faseverdiene.
Suksessen til den unormale spredningsmetoden, så vel som isomorf substitusjon, avhenger i stor grad av muligheten for eksperimentelt å oppnå derivater med de nødvendige egenskapene.
De to nevnte metodene er et forsøk på å løse faseproblemet gjennom tilleggsinformasjon hentet fra ytterligere eksperimenter. Følgende metode brukes i en situasjon hvor vi kjenner strukturen til et lignende (homologt) protein.
Metode for molekylær erstatning
I biologi er en vanlig situasjon når det er rader med gjenstander som ligner hverandre, dvs. har strukturell homologi. Slik homologi kan for eksempel være tilstede i proteiner av samme type isolert fra forskjellige organismer. I dette tilfellet kan man håpe at fasene til de strukturelle faktorene beregnet fra den kjente atommodellen av det homologe proteinet vil være en ganske god innledende tilnærming til verdiene til de ukjente fasene som tilsvarer objektet som studeres. Ved å kombinere dem videre med de eksperimentelt målte modulene av strukturfaktorer for objektet som studeres, kan vi oppnå en god tilnærming til ønsket elektrontetthetsfordeling.
Men for å håpe på suksess langs denne veien, er det som et minimum nødvendig å først "plassere" et kjent homologt objekt på samme sted og i samme orientering som proteinet som studeres. Prosedyren for å lage en slik "datahybrid", der et molekyl av et annet er plassert inne i enhetscellen til en krystall av ett protein, kalles den molekylære erstatningsmetoden. Det er mulig å bedømme hvor nær den resulterende plasseringen er virkeligheten ved å sammenligne modulene med strukturelle faktorer beregnet ved hjelp av modellen med verdiene oppnådd i eksperimentet. Selvfølgelig er en slik substitusjon bare en spekulativ prosedyre, og ingen kjemisk substitusjon forekommer.
"Direkte" metoder
I motsetning til tidligere tilnærminger, er disse metodene ikke avhengige av ytterligere eksperiment eller informasjon om strukturen til et homologt objekt, men på en nesten filosofisk idé om atomiteten til objektet som studeres. "Direkte" metoder i krystallografi betyr strategier for å bestemme strukturer som bare bruker et sett med refleksjonsintensiteter oppnådd i et røntgeneksperiment som startinformasjon. For å bestemme fasene til strukturelle faktorer, bruker de en sannsynlig tilnærming. "Direkte" metoder er mer objektive i den forstand at de kun avhenger av anvendelsen av matematiske sammenhenger.
Basert på "direkte" metoder bestemmes strukturene til de fleste lavmolekylære forbindelser. Disse metodene krever ikke ytterligere eksperimenter, heller ikke delikat biokjemisk arbeid for å oppnå isomorfe derivater, eller tilstedeværelsen av kjente homologe strukturer, men dessverre er de ennå ikke anvendelige for proteinstrukturer på grunn av grunnleggende restriksjoner på antall atomer i strukturen som studeres .
Hvis både størrelsen og fasen til de strukturelle faktorene er kjent, kan vi rekonstruere fordelingen (r) ved å beregne den inverse Fourier-transformasjonen. Dette er ikke et beregningsmessig komplekst problem fra et moderne synspunkt, og dette trinnet skiller seg ut fordi det avslutter en viktig fase av arbeidet. Vi får endelig muligheten til å "se" på objektet som interesserer oss. Og etter hvor "klart" bildet viste seg, kan man bedømme suksessen til alle tidligere stadier av arbeidet. Og i tilfelle feil, gjenta alt på nytt.
Det neste trinnet er å konstruere en omtrentlig atommodell ved å bruke kartene for beregnet elektrontetthetsfordeling. Dette arbeidet krever maksimal bruk av menneskelig intelligens og utføres av kvalifiserte spesialister.
Ved hjelp av spesielle dataprogrammer legger forskeren manuelt inn atomene i proteinstrukturen i elektrontetthetskartet som ble oppnådd på forrige trinn (fig. 6).
Det er en metode for å studere den strukturelle strukturen til stoffer. Den er basert på diffraksjonen av en røntgenstråle på spesielle tredimensjonale krystallgitter. I studien bruker de som er omtrent 1A, som tilsvarer størrelsen på et atom. Det må sies at røntgendiffraksjonsanalyse, sammen med nøytron- og elektrondiffraksjon, refererer til diffraksjonsmetoder for å bestemme strukturen til stoffet som studeres.
Det hjelper å studere atomstrukturen, romgruppene, dens størrelse og form, samt symmetrigruppen til krystaller. Ved å bruke denne teknikken studeres metaller og deres forskjellige legeringer, organiske og uorganiske forbindelser, mineraler, amorfe materialer, væsker og gasser. I noen tilfeller brukes røntgendiffraksjonsanalyse av proteiner, nukleinsyrer og andre stoffer.
Denne analysen hjelper til med å identifisere atommaterialer som har en klart definert struktur og er naturlige for røntgenstråler. Det er verdt å merke seg at når man studerer andre stoffer, krever røntgendiffraksjonsanalyse tilstedeværelse av krystaller, noe som er en viktig, men ganske kompleks oppgave.
Oppdaget av Laue, teoretisk grunnlag utviklet av Wulff og Bragg. Debye og Scherrer foreslo å bruke de oppdagede mønstrene i rollen som analyse. Det må sies at for tiden er røntgendiffraksjonsanalyse fortsatt en av de vanligste metodene for å bestemme strukturen til stoffer, siden den er enkel å utføre og ikke krever betydelige materialkostnader.
Det gjør det mulig å studere ulike klasser av stoffer, og verdien av den innhentede informasjonen avgjør innføringen av stadig nye teknikker. Dermed begynte de først å studere ved å bruke funksjonen til interatomiske vektorer, og senere ble det utviklet direkte metoder for å bestemme krystallstrukturen. Det er verdt å merke seg at de første stoffene som ble studert ved hjelp av røntgenstråler var natrium- og kaliumklorider.
Studiet av romlig begynte på 30-tallet av forrige århundre i Storbritannia. Dataene som ble oppnådd ga opphav til molekylærbiologi, som gjorde det mulig å identifisere viktige fysisk-kjemiske egenskaper til proteiner, samt å lage den første modellen av DNA.
Siden 50-tallet begynte datamaskinmetoder for å samle informasjon som ble hentet fra røntgenstrukturanalyse aktivt å utvikle seg.
I dag brukes synkrotroner. De er monokrome kilder som brukes til å bestråle krystaller. Disse enhetene er mest effektive ved bruk av multi-bølge anomal dispersjonsmetode. Det er verdt å merke seg at de bare brukes i statlige forskningssentre. Laboratorier bruker mindre kraftig teknologi, som bare tjener til å kontrollere kvaliteten på krystaller, samt for å oppnå en grov analyse av stoffer.
Røntgenstråler, oppdaget i 1895 av V. Roentgen, er elektromagnetiske oscillasjoner med svært kort bølgelengde, sammenlignbar med atomstørrelser, som oppstår når materie utsettes for raske elektroner.
Røntgenstråler er mye brukt innen vitenskap og teknologi.
Deres bølgenatur ble etablert i 1912 av de tyske fysikerne M. Laue, W. Friedrich og P. Knipping, som oppdaget fenomenet røntgendiffraksjon på atomgitteret til krystaller. Ved å rette en smal stråle av røntgenstråler mot en stasjonær krystall, registrerte de et diffraksjonsmønster på en fotografisk plate plassert bak krystallen, som besto av et stort antall regelmessig plasserte flekker. Hver flekk er et spor av en diffraksjonsstråle spredt av en krystall. Et røntgenbilde oppnådd ved denne metoden kalles et Lauegram. Denne oppdagelsen var grunnlaget Røntgendiffraksjonsanalyse.
Bølgelengdene til røntgenstråler som brukes til praktiske formål varierer fra noen få ångstrøm til brøkdeler av en ångstrøm (Å), tilsvarende elektronenergier som produserer røntgenstråler fra 10³ til 10 5 eV.
Røntgendiffraksjonsanalyse er en metode for å studere strukturen til legemer, ved å bruke fenomenet røntgendiffraksjon, en metode for å studere strukturen til materie ved den romlige fordelingen og intensiteten av røntgenstråling spredt på det analyserte objektet. Diffraksjonsmønsteret avhenger av bølgelengden til røntgenstrålene som brukes og strukturen til objektet. For å studere atomstrukturen brukes stråling med en bølgelengde på ~1 Å, d.v.s. rekkefølge av atomstørrelse.
Røntgendiffraksjonsanalysemetoder brukes til å studere metaller, legeringer, mineraler, uorganiske og organiske forbindelser, polymerer, amorfe materialer, væsker og gasser, proteinmolekyler, nukleinsyrer, etc. Røntgendiffraksjonsanalyse er hovedmetoden for å bestemme strukturen til krystaller. Når du studerer krystaller, gir det mest informasjon. Dette skyldes det faktum at krystaller har en strengt periodisk struktur og representerer et diffraksjonsgitter for røntgenstråler skapt av naturen selv. Imidlertid gir den også verdifull informasjon når man studerer kropper med en mindre ordnet struktur, som væsker, amorfe kropper, flytende krystaller, polymerer og andre. Basert på mange allerede dechiffrerte atomstrukturer, kan det omvendte problemet også løses: fra røntgendiffraksjonsmønsteret til et polykrystallinsk stoff, for eksempel legert stål, legering, malm, månejord, kan den krystallinske sammensetningen av dette stoffet fastslås , det vil si at en faseanalyse kan utføres.
Under røntgendiffraksjonsanalyse plasseres prøven som studeres i banen til røntgenstråler, og diffraksjonsmønsteret som følge av interaksjonen mellom strålene med stoffet registreres. På neste trinn av studien analyseres diffraksjonsmønsteret og det relative arrangementet av partikler i rommet, som forårsaket utseendet til dette mønsteret, fastsettes ved beregning.
Røntgendiffraksjonsanalyse av krystallinske stoffer brytes ned i to trinn.
1) Bestemmelse av størrelsen på enhetscellen til en krystall, antall partikler (atomer, molekyler) i enhetscellen og symmetrien til arrangementet av partikler (den såkalte romgruppen). Disse dataene oppnås ved å analysere geometrien til plasseringen av diffraksjonsmaksima.
2) Beregning av elektrontettheten inne i enhetscellen og bestemmelse av koordinatene til atomer, som identifiseres med posisjonen til elektrontetthetsmaksima. Disse dataene oppnås ved å analysere intensiteten til diffraksjonsmaksima.
Metoder for røntgenfotografering av krystaller.
Det finnes ulike eksperimentelle metoder for å oppnå og registrere et diffraksjonsmønster. I alle fall er det en kilde for røntgenstråling, et system for å isolere en smal stråle av røntgenstråler, en enhet for å fikse og orientere prøven i strålen, og en mottaker av stråling spredt av prøven. Mottakeren er fotografisk film, eller ioniserings- eller scintillasjonstellere av røntgenkvanter. Registreringsmetoden ved bruk av tellere (diffraktometrisk) gir en betydelig høyere nøyaktighet ved bestemmelse av intensiteten til den registrerte strålingen.
Fra Wulff–Bragg-tilstanden følger det direkte at når du registrerer et diffraksjonsmønster, må en av de to parameterne som er inkludert i det, ¾l - bølgelengde eller q - innfallsvinkel, være variabel.
Hovedmetodene for røntgenfotografering av krystaller er: Laue-metoden, pulvermetoden (Debyegram-metoden), rotasjonsmetoden og dens variasjon - gyngemetoden og ulike røntgengoniometermetoder.
I Laue-metoden En stråle med ikke-monokromatiske ("hvite") stråler faller på en enkeltkrystallprøve (fig.). Bare de strålene hvis bølgelengder tilfredsstiller Wulff-Bragg-tilstanden, blir diffraktert. Diffraksjonsflekker på lagrammet (fig.) er plassert i ellipser, hyperbler og rette linjer, som nødvendigvis går gjennom flekken fra primærstrålen.
Fig. – Diagram av Laue røntgenmetoden: 1 - stråle av røntgenstråler som faller inn på en enkeltkrystallprøve; 2 - kollimator; 3 - prøve; 4 - diffrakterte bjelker; 5 - flat fotografisk film;
b – typisk Lauegram.
En viktig egenskap ved Lauegrammet er at med passende orientering av krystallen, reflekterer symmetrien til plasseringen av disse kurvene symmetrien til krystallen. Av arten av flekkene på Lauegrammene kan indre spenninger og noen andre defekter i krystallstrukturen identifiseres. Det er veldig vanskelig å indikere individuelle flekker i Lauegrammet. Derfor brukes Laue-metoden utelukkende for å finne ønsket orientering av krystallen og bestemme dens symmetrielementer. Denne metoden kontrollerer kvaliteten på enkeltkrystaller når du velger en prøve for en mer fullstendig strukturell studie.
I pulvermetoden(Fig), så vel som i alle andre røntgenfotograferingsmetoder beskrevet nedenfor, brukes monokromatisk stråling. Den variable parameteren er innfallsvinkelen q siden en polykrystallinsk pulverprøve alltid inneholder krystaller med en hvilken som helst orientering i forhold til retningen til primærstrålen.
Fig – diagram av røntgenfotografering ved bruk av pulvermetoden: 1 – primærstråle; 2 - pulver eller polykrystallinsk prøve; 3 - fotografisk film rullet i en sirkel; 4 - diffraksjonskjegler; 5 - "buer" på fotografisk film som oppstår når overflaten skjærer med diffraksjonskjegler;
b – typisk røntgenpulverdiffraksjonsmønster (dibogram).
Stråler fra alle krystaller hvis plan med en gitt interplanar avstand d hk1 er i en "reflekterende posisjon", det vil si tilfredsstiller Wulff-Bragg-betingelsen, danner en kjegle med en rastervinkel på 4q rundt primærstrålen. Hver d hk1 tilsvarer sin egen diffraksjonskjegle. Skjæringspunktet mellom hver kjegle av diffrakterte røntgenstråler med en stripe av fotografisk film, rullet opp i form av en sylinder, hvis akse går gjennom prøven, fører til at det vises spor på den i form av buer plassert symmetrisk i forhold til primærbjelken (fig.). Når vi kjenner avstandene mellom de symmetriske "buene", kan vi beregne de tilsvarende interplanare avstandene d i krystallen.
Pulvermetoden er den enkleste og mest praktiske sett fra eksperimentell teknikk, men den eneste informasjonen den gir – valget av interplanare avstander – lar oss dechiffrere de enkleste strukturene.
I rotasjonsmetoden(Fig.) Den variable parameteren er vinkelen q.
Opptak gjøres på sylindrisk film. I løpet av hele eksponeringstiden roterer krystallen jevnt rundt sin akse, som sammenfaller med en viktig krystallografisk retning og med sylinderens akse dannet av stangen. Diffraksjonsstråler beveger seg langs generatrisene til kjegler, som, når de krysser filmen, produserer linjer som består av flekker (de såkalte laglinjer.
Spinnmetoden gir eksperimentatoren rikere informasjon enn pulvermetoden. Fra avstandene mellom laglinjene kan gitterperioden i retning av krystallrotasjonsaksen beregnes.
Ris. – diagram av røntgenfotografering ved bruk av rotasjonsmetoden: 1 – primærstråle;
2 - prøve (roterer i pilens retning); 3 - sylindrisk film;
b – typisk rotasjonsrøntgenbilde.
Metoden som vurderes forenkler indikasjonen av røntgenflekker. Så hvis krystallen roterer rundt en akse Med gitter, så har alle punkter på linjen som går gjennom sporet til primærstrålen indekser (h,k,0), på laglinjene ved siden av den - henholdsvis (h,k,1) og (h,k,1 ¯ ) og så videre Videre. Rotasjonsmetoden gir imidlertid ikke all mulig informasjon; det er aldri kjent ved hvilken rotasjonsvinkel for krystallen rundt rotasjonsaksen et bestemt diffraksjonspunkt ble dannet.
I swingmetoden, som er en variant av rotasjonsmetoden, gjennomgår ikke prøven en fullstendig rotasjon, men «svinger» rundt samme akse i et lite vinkelintervall. Dette gjør det lettere å indikere flekker, siden det lar en oppnå et røntgenmønster av rotasjon i deler og bestemme, med en nøyaktighet av svingintervallet, ved hvilken rotasjonsvinkel av krystallen til primærstrålen visse diffraksjonsflekker oppsto. .
Den rikeste informasjonen er gitt av metoder Røntgengoniometer. Røntgengoniometer, en enhet som du samtidig kan registrere retningen til røntgenstråler som er diffraktert på prøven som studeres og posisjonen til prøven i diffraksjonsøyeblikket. En av dem, Weissenbergmetoden, er en videreutvikling av rotasjonsmetoden. I motsetning til sistnevnte, i Weissenberg røntgengoniometer, er alle diffraksjonskjegler, bortsett fra én, dekket av en sylindrisk skjerm, og flekkene på den gjenværende diffraksjonskjeglen (eller, hva er det samme, laglinjen) "foldes ut" over hele området av den fotografiske filmen ved hjelp av dens frem- og tilbakegående aksiale bevegelse synkront med rotasjon av krystallen. Dette gjør det mulig å bestemme i hvilken orientering av krystallen hver flekk i Wassenbergogrammet dukket opp.
|
|
Ris. Skjematisk diagram av et Weissenberg røntgengoniometer: 1 – en fast skjerm som lar bare én diffraksjonskjegle passere gjennom; 2 – krystall som roterer rundt X – X-aksen; 3 - sylindrisk fotografisk film som beveger seg fremover langs X-X-aksen synkront med rotasjonen av krystall 2; 4 – diffraksjonskjegle savnet av skjermen; 5 – primærbjelke.
Det finnes andre opptaksmetoder som bruker samtidig synkron bevegelse av prøven og filmen. De viktigste av dem er den gjensidige gitterfotograferingsmetoden og Burger-presesjonsmetoden. Alle disse metodene bruker fotografisk opptak av diffraksjonsmønsteret. I et røntgendiffraktometer kan du direkte måle intensiteten av diffraksjonsrefleksjoner ved hjelp av proporsjonal, scintillasjon og andre røntgenkvantetellere.
Anvendelse av røntgendiffraksjonsanalyse.
Røntgendiffraksjonsanalyse gjør det mulig å objektivt bestemme strukturen til krystallinske stoffer, inkludert komplekse stoffer som vitaminer, antibiotika, koordinasjonsforbindelser, etc. En fullstendig strukturell studie av en krystall lar en ofte løse rent kjemiske problemer, for eksempel å etablere eller avklare den kjemiske formelen, type binding, molekylvekt ved en kjent tetthet eller tetthet ved en kjent molekylvekt, symmetri og konfigurasjon av molekyler og molekylære ioner.
Røntgendiffraksjonsanalyse er vellykket brukt til å studere den krystallinske tilstanden til polymerer. Røntgendiffraksjonsanalyse gir også verdifull informasjon i studiet av amorfe og flytende legemer. Røntgenmønstre av slike kropper inneholder flere uskarpe diffraksjonsringer, hvis intensitet raskt avtar med økende q. Basert på bredden, formen og intensiteten til disse ringene, kan man trekke konklusjoner om egenskapene til kortdistanseorden i en bestemt flytende eller amorf struktur.
Et viktig bruksområde for røntgenstråler er radiografi av metaller og legeringer, som har blitt en egen gren av vitenskapen. Konseptet "radiografi" inkluderer, sammen med fullstendig eller delvis røntgenstrukturanalyse, også andre metoder for bruk av røntgenstråler - røntgenfeildeteksjon (overføring), røntgenspektralanalyse, røntgenmikroskopi, etc. Strukturene til rene metaller og mange legeringer er bestemt. Krystallkjemi av legeringer basert på røntgendiffraksjonsanalyse er en av de ledende grenene innen metallvitenskap. Ikke et enkelt fasediagram av metallegeringer kan anses som pålitelig etablert hvis disse legeringene ikke studeres ved røntgendiffraksjonsanalyse. Takket være bruken av røntgendiffraksjonsanalysemetoder ble det mulig å dyptstudere de strukturelle endringene som skjer i metaller og legeringer under deres plastiske og termiske prosessering.
Røntgendiffraksjonsanalysemetoden har også alvorlige begrensninger. For å gjennomføre en fullstendig røntgendiffraksjonsanalyse er det nødvendig at stoffet krystalliserer godt og gir tilstrekkelig stabile krystaller. Noen ganger er det nødvendig å forske ved høye eller lave temperaturer. Dette gjør eksperimentet svært vanskelig. En komplett studie er svært arbeidskrevende, tidkrevende og innebærer en stor mengde beregningsarbeid.
For å etablere en atomstruktur med gjennomsnittlig kompleksitet (~50-100 atomer i en enhetscelle), er det nødvendig å måle intensiteten til flere hundre og til og med tusenvis av diffraksjonsrefleksjoner. Dette svært arbeidskrevende og møysommelige arbeidet utføres av automatiske mikrodensitometre og datastyrte diffraktometre, noen ganger i flere uker eller til og med måneder (for eksempel når man analyserer proteinstrukturer, når antallet refleksjoner øker til hundretusener). I denne forbindelse, de siste årene, har høyhastighets datamaskiner blitt mye brukt for å løse problemer med røntgendiffraksjonsanalyse. Selv med bruk av datamaskiner er det imidlertid fortsatt en kompleks og tidkrevende jobb å bestemme strukturen. Ved å bruke flere tellere i et diffraktometer som samtidig kan registrere refleksjoner, kan forsøkstiden reduseres. Diffraktometriske målinger er overlegne fotoopptak i følsomhet og nøyaktighet.
Mens det gjør det mulig å objektivt bestemme strukturen til molekyler og den generelle karakteren av interaksjonen mellom molekyler i en krystall, gjør røntgendiffraksjonsanalyse det ikke alltid mulig å bedømme med den nødvendige grad av pålitelighet forskjellene i kjemikaliets natur. bindinger i molekylet, siden nøyaktigheten av å bestemme bindingslengder og bindingsvinkler ofte er utilstrekkelig for dette formålet. En alvorlig begrensning ved metoden er også vanskeligheten med å bestemme posisjonene til lette atomer og spesielt hydrogenatomer.
Røntgenstrukturanalyse metoder for å studere strukturen til materie ved romlig fordeling og intensiteter av røntgenstråling spredt på det analyserte objektet. R.s. EN. sammen med nøytronografi (Se Neutronography) og elektrondiffraksjon (Se Elektronografi) er en diffraksjonsstrukturell metode; den er basert på interaksjonen mellom røntgenstråler og elektroner i et stoff, som resulterer i røntgendiffraksjon. Diffraksjonsmønsteret avhenger av bølgelengden til røntgenstrålene som brukes (Se røntgenstråler) og strukturen til objektet. For å studere atomstrukturen brukes stråling med en bølgelengde av røntgenstrukturanalyse 1 Å, det vil si i størrelsesordenen til atomene. Ved å bruke metodene til R. s. EN. studere metaller, legeringer, mineraler, uorganiske og organiske forbindelser, polymerer, amorfe materialer, væsker og gasser, proteinmolekyler, nukleinsyrer, etc. Den mest suksessrike R. s. EN. brukes til å etablere atomstrukturen til krystallinske faste stoffer. Dette skyldes det faktum at krystaller har en strengt periodisk struktur og representerer et diffraksjonsgitter for røntgenstråler skapt av naturen selv. Historisk referanse. Røntgendiffraksjon av krystaller ble oppdaget i 1912 av de tyske fysikerne M. Laue, W. Friedrich og P. Knipping. Ved å rette en smal stråle av røntgenstråler mot en stasjonær krystall, registrerte de et diffraksjonsmønster på en fotografisk plate plassert bak krystallen, som besto av et stort antall regelmessig plasserte flekker. Hver flekk er et spor av en diffraksjonsstråle spredt av en krystall. Røntgen ,
oppnådd ved denne metoden kalles et Lauegram (Se Lauegram) ( ris. 1
). Teorien om røntgendiffraksjon av krystaller utviklet av Laue gjorde det mulig å relatere bølgelengden λ til stråling og parametrene til enhetscellen til krystallen a, b, c(se Krystallinsk rutenett) ,
innfallsvinkler (α 0, β 0, γ 0) og diffraksjons- (α, β, γ) stråler etter forholdene: en(cosα- cosα 0) = hλ ,
b(cosβ - cosβ 0) = kλ, (1) c(cosγ - cosγ 0) = lλ ,
På 50-tallet R.s metoder begynte å utvikle seg raskt. EN. bruke en datamaskin i eksperimentelle teknikker og i behandling av røntgendiffraksjonsinformasjon. Eksperimentelle metoder R. s. EN. For å legge forholdene til rette for diffraksjon og registrering av stråling benyttes røntgenkamera (Se røntgenkamera) og røntgendiffraktometer (Se røntgendiffraktometer). Den spredte røntgenstrålingen i dem registreres på fotografisk film eller måles med kjernefysiske strålingsdetektorer (Se Kjernestrålingsdetektorer). Avhengig av tilstanden til prøven som studeres og dens egenskaper, samt arten og volumet av informasjon som må innhentes, brukes ulike metoder for røntgenanalyse. EN. Enkeltkrystaller valgt for å studere atomstrukturen må ha dimensjoner røntgenstrukturanalyse 0,1 mm og om mulig ha en perfekt struktur. Studiet av defekter i relativt store, nesten perfekte krystaller utføres ved røntgentopografi, som noen ganger omtales som røntgentopografi. EN. Laue-metoden er den enkleste metoden for å få røntgenmønstre fra enkeltkrystaller. Krystallen i Laues eksperiment er stasjonær, og røntgenstrålingen som brukes har et kontinuerlig spektrum. Plassering av diffraksjonsflekker på Lauegrams ( ris. 1
) avhenger av symmetrien til krystallen (Se Symmetri of crystals) og dens orientering i forhold til den innfallende strålen. Laue-metoden gjør det mulig å bestemme om krystallen som studeres tilhører én eller 11 Laue symmetrigrupper og å orientere den (dvs. bestemme retningen til de krystallografiske aksene) med en nøyaktighet på flere bueminutter. Av arten av flekkene på Lauegrams og spesielt utseendet til asterisme, kan indre spenninger og noen andre defekter i krystallstrukturen identifiseres. Laue-metoden brukes til å kontrollere kvaliteten på enkeltkrystaller når du velger en prøve for en mer fullstendig strukturell studie. Prøvevipping og rotasjonsmetoder brukes for å bestemme gjentatte perioder (gitterkonstant) langs den krystallografiske retningen i en enkelt krystall. De tillater spesielt å angi parametere EN, b, c enhetscelle av en krystall. Denne metoden bruker monokromatisk røntgenstråling; prøven plasseres i oscillerende eller roterende bevegelse rundt en akse som faller sammen med den krystallografiske retningen, langs hvilken repeterbarhetsperioden studeres. Flekker på gyngende og roterende røntgenbilder oppnådd i sylindriske kassetter er plassert på en familie av parallelle linjer. Avstandene mellom disse linjene, bølgelengden til strålingen og diameteren på røntgenkamerakassetten gjør det mulig å beregne nødvendig repeterbarhetsperiode i krystallen. Laue-betingelsene for diffraksjonsstråler i denne metoden tilfredsstilles ved å endre vinklene inkludert i relasjoner (1) når prøven vippes eller roteres. Røntgen-goniometriske metoder. For en fullstendig studie av strukturen til en enkelt krystall ved hjelp av røntgenmetoder. EN. Det er nødvendig ikke bare å etablere posisjonen, men også å måle intensiteten til så mange diffraksjonsrefleksjoner som mulig som kan oppnås fra krystallen ved en gitt strålingsbølgelengde og alle mulige orienteringer av prøven. For å gjøre dette blir diffraksjonsmønsteret registrert på fotografisk film i et røntgengoniometer (se røntgengoniometer) og målt ved hjelp av et mikrofotometer.
graden av sverting av hver flekk på røntgenbildet. I et røntgendiffraktometer (se røntgendiffraktometer) kan du direkte måle intensiteten til diffraksjonsrefleksjoner ved hjelp av proporsjonal, scintillasjon og andre røntgenkvantetellere. For å ha et komplett sett med refleksjoner, oppnås en rekke røntgenbilder i røntgengoniometre. På hver av dem registreres diffraksjonsrefleksjoner, hvis Miller-indekser er underlagt visse begrensninger (for eksempel refleksjoner av typen hk 0, hk 1
etc.). Det mest utførte røntgen-goniometriske eksperimentet er Weissenberg-metoden. Burger ( ris. 2
) og de Jonga-Bowman. Den samme informasjonen kan fås ved hjelp av svingerøntgenbilder. For å etablere en atomstruktur med gjennomsnittlig kompleksitet (røntgenstrukturanalyse av 50-100 atomer i en enhetscelle), er det nødvendig å måle intensiteten til flere hundre og til og med tusenvis av diffraksjonsrefleksjoner. Dette svært arbeidskrevende og møysommelige arbeidet utføres av automatiske mikrodensitometre og datastyrte diffraktometre, noen ganger i flere uker eller til og med måneder (for eksempel når man analyserer proteinstrukturer, når antallet refleksjoner øker til hundretusener). Ved å bruke flere tellere i et diffraktometer som samtidig kan registrere refleksjoner, kan eksperimenttiden reduseres betydelig. Diffraktometriske målinger er overlegne fotoopptak i følsomhet og nøyaktighet. Metode for å studere polykrystaller (Debye - Scherrer-metoden). Metaller, legeringer og krystallinske pulvere består av mange små enkeltkrystaller av et gitt stoff. For å studere dem brukes monokromatisk stråling. Et røntgenmønster (Debye-mønster) av polykrystaller består av flere konsentriske ringer, inn i hver av disse smelter refleksjoner fra et visst system av plan av ulikt orienterte enkeltkrystaller. Debyegrammer av ulike stoffer har en individuell karakter og er mye brukt for å identifisere forbindelser (inkludert i blandinger). R.s.a. polykrystaller gjør det mulig å bestemme fasesammensetningen til prøver, etablere størrelser og preferanseorientering (teksturering) av korn i et stoff, overvåke spenninger i prøven og løse andre tekniske problemer. Studie av amorfe materialer og delvis ordnede gjenstander. Et klart røntgenmønster med skarpe diffraksjonsmaksima kan kun oppnås med full tredimensjonal periodisitet av prøven. Jo lavere grad av orden i atomstrukturen til et materiale, desto mer uskarp og diffus har røntgenstrålingen som er spredt av det. Diameteren til en diffus ring i et røntgendiffraksjonsmønster av et amorft stoff kan tjene som et grovt estimat av de gjennomsnittlige interatomiske avstandene i den. Med økende grad av orden (se lang rekkefølge og kort rekkefølge) i strukturen til objekter, blir diffraksjonsmønsteret mer komplekst og inneholder derfor mer strukturell informasjon. Småvinkelspredningsmetoden gjør det mulig å studere romlige inhomogeniteter av materie hvis dimensjoner overstiger interatomiske avstander, dvs. spenner fra 5-10 Å til røntgenstrukturanalyse 10 000 Å. I dette tilfellet er den spredte røntgenstrålingen konsentrert nær primærstrålen - i området med små spredningsvinkler. Småvinkelspredning brukes til å studere porøse og fint spredte materialer, legeringer og komplekse biologiske objekter: virus, cellemembraner, kromosomer. For isolerte proteinmolekyler og nukleinsyrer lar metoden en bestemme deres form, størrelse og molekylvekt; i virus - arten av det gjensidige arrangementet av deres bestanddeler: proteiner, nukleinsyrer, lipider; i syntetiske polymerer - pakking av polymerkjeder; i pulver og sorbenter - partikkel- og porestørrelsesfordeling; i legeringer - forekomsten og størrelsen av faser; i teksturer (spesielt i flytende krystaller) - formen for pakking av partikler (molekyler) i ulike typer supramolekylære strukturer. Røntgenmetoden med liten vinkel brukes også i industrien for å overvåke produksjonsprosessene til katalysatorer, sterkt spredte kull, etc. Avhengig av strukturen til objektet, måles det for spredningsvinkler fra brøkdeler av et minutt til flere grader. Bestemmelse av atomstruktur fra røntgendiffraksjonsdata.Å dechiffrere atomstrukturen til en krystall inkluderer: å etablere størrelsen og formen på enhetscellen; å bestemme om en krystall tilhører en av de 230 Fedorov (oppdaget av E. S. Fedorov (Se Fedorov)) krystallsymmetrigrupper (Se Krystallsymmetri); å få koordinatene til de grunnleggende atomene i strukturen. Det første og delvis det andre problemet kan løses ved å bruke Laue-metoder og vippe eller rotere krystallen. Det er mulig å endelig etablere symmetrigruppen og koordinatene til de grunnleggende atomene i komplekse strukturer bare ved hjelp av kompleks analyse og arbeidskrevende matematisk behandling av intensitetsverdiene til alle diffraksjonsrefleksjoner fra en gitt krystall. Det endelige målet med slik prosessering er å beregne, fra eksperimentelle data, elektrontetthetsverdiene ρ( x, y, z)
på et hvilket som helst punkt i krystallcellen med koordinater x, y, z. Periodisiteten til krystallstrukturen lar oss skrive ned elektrontettheten i den gjennom Fourier-serien :
Hvor V- enhet cellevolum, F hkl - Fourierkoeffisienter, som i R.s. EN. kalles strukturelle amplituder, Jeg= hkl og er assosiert med diffraksjonsrefleksjonen, som er bestemt av betingelser (1). Formålet med summering (2) er å matematisk samle røntgendiffraksjonsrefleksjoner for å produsere et bilde av atomstruktur. Syntetiser på denne måten bildet i R.S. EN. Dette skyldes fraværet i naturen av linser for røntgenstråling (i synlig lysoptikk brukes en samlelinse til dette). Diffraksjonsrefleksjon er en bølgeprosess. Den er karakterisert ved en amplitude lik ∣ F hkl∣, og fase α hkl(faseforskyvning av den reflekterte bølgen i forhold til den innfallende), gjennom hvilken den strukturelle amplituden uttrykkes: F hkl=∣F hkl∣(cosα hkl +Jeg sinα hkl). Et diffraksjonseksperiment lar en måle kun refleksjonsintensiteter proporsjonal med ∣ F hkl∣ 2, men ikke deres faser. Å bestemme fasene er hovedproblemet i å tyde krystallstrukturen. Bestemmelsen av fasene til strukturelle amplituder er grunnleggende lik for både krystaller bestående av atomer og krystaller bestående av molekyler. Etter å ha bestemt koordinatene til atomene i et molekylært krystallinsk stoff, er det mulig å isolere dets bestanddeler og bestemme deres størrelse og form. Det omvendte problemet med strukturell dekoding er lett å løse: å beregne strukturelle amplituder fra en kjent atomstruktur, og fra dem intensiteten til diffraksjonsrefleksjoner. Prøve- og feilingsmetoden, historisk sett den første metoden for å dechiffrere strukturer, består i å sammenligne eksperimentelt oppnådde ∣ F hkl∣ exp, med verdier beregnet basert på prøvemodellen ∣ F hkl∣ beregnet. Avhengig av størrelsen på divergensfaktoren En fundamentalt ny måte å dechiffrere atomstrukturene til enkeltkrystaller ble åpnet ved bruk av den såkalte. Paterson-funksjoner (funksjoner til interatomiske vektorer). Å konstruere Paterson-funksjonen til en struktur som består av N atomer, flytter vi det parallelt med seg selv slik at det første atomet treffer den faste origo først. Vektorer fra opprinnelsen til alle atomene i strukturen (inkludert en null-lengde vektor til det første atomet) vil indikere posisjonen N maksima for funksjonen til interatomiske vektorer, hvis helhet kalles bildet av strukturen i atomet 1.
La oss legge til mer til dem N maksima, hvis posisjon vil indikere N vektorer fra det andre atomet plassert under parallell overføring av strukturen til samme opprinnelse. Etter å ha gjort denne prosedyren med alle N atomer ( ris. 3
), vi vil få N 2 vektorer. Funksjonen som beskriver deres posisjon er Paterson-funksjonen. For Paterson-funksjonen R(u, υ, ω)
(u, υ, ω - koordinater til punkter i rommet til interatomiske vektorer) kan vi få uttrykket: hvorfra det følger at det bestemmes av modulene til de strukturelle amplitudene, ikke avhenger av deres faser og derfor kan beregnes direkte fra dataene fra diffraksjonseksperimentet. Vanskeligheter med å tolke en funksjon R(u, υ, ω) består i behovet for å finne koordinatene N atomer fra N 2 henne
maksima, hvorav mange smelter sammen på grunn av overlappinger som oppstår ved konstruksjon av funksjonen til interatomiske vektorer. Enklest å tyde R(u, υ, ω) tilfellet når strukturen inneholder ett tungt atom og flere lette. Bildet av en slik struktur i et tungt atom vil skille seg betydelig fra dets andre bilder. Blant de ulike metodene som gjør det mulig å bestemme modellen av strukturen som studeres ved hjelp av Paterson-funksjonen, var de mest effektive de såkalte superposisjonsmetodene, som gjorde det mulig å formalisere analysen og utføre den på en datamaskin. Paterson-funksjonsmetoder møter alvorlige vanskeligheter når de studerer strukturene til krystaller som består av atomer som er identiske eller nærme i atomnummer. I dette tilfellet viste de såkalte direkte metodene for å bestemme fasene til strukturelle amplituder seg å være mer effektive. Når man tar i betraktning det faktum at verdien av elektrontettheten i en krystall alltid er positiv (eller lik null), er det mulig å oppnå et stort antall ulikheter som styrer Fourier-koeffisientene (strukturelle amplituder) til funksjonen ρ( x, y, z). Ved hjelp av ulikhetsmetoder kan man relativt enkelt analysere strukturer som inneholder opptil 20-40 atomer i en enhetscelle av en krystall. For mer komplekse strukturer brukes metoder basert på en probabilistisk tilnærming til problemet: strukturelle amplituder og deres faser betraktes som tilfeldige variabler; Fra fysiske konsepter utledes distribusjonsfunksjoner til disse tilfeldige variablene, som gjør det mulig å estimere de mest sannsynlige faseverdiene, tatt i betraktning de eksperimentelle verdiene til modulene til strukturelle amplituder. Disse metodene er også implementert på en datamaskin og gjør det mulig å dechiffrere strukturer som inneholder 100-200 eller flere atomer i enhetscellen til en krystall. Så hvis fasene til de strukturelle amplitudene er etablert, kan elektrontetthetsfordelingen i krystallen beregnes i henhold til (2); maksima for denne fordelingen tilsvarer posisjonen til atomer i strukturen ( ris. 4
). Den endelige raffineringen av atomkoordinatene utføres på en datamaskin ved bruk av minste kvadraters metode.
og avhengig av kvaliteten på eksperimentet og kompleksiteten til strukturen, lar det en oppnå dem med en nøyaktighet på tusendeler av en Å (ved å bruke et moderne diffraksjonseksperiment kan man også beregne de kvantitative egenskapene til termiske vibrasjoner av atomer i en krystall, tatt i betraktning anisotropien til disse vibrasjonene). R.s. EN. gjør det mulig å etablere mer subtile egenskaper ved atomstrukturer, for eksempel fordelingen av valenselektroner i en krystall. Imidlertid har dette komplekse problemet så langt blitt løst bare for de enkleste strukturene. En kombinasjon av nøytrondiffraksjon og røntgenstudier er svært lovende for dette formålet: nøytrondiffraksjonsdata på koordinatene til atomkjerner sammenlignes med den romlige fordelingen av elektronskyen oppnådd ved bruk av røntgendiffraksjon. EN. For å løse mange fysiske og kjemiske problemer, brukes røntgendiffraksjonsstudier og resonansmetoder sammen. Toppen av prestasjonene til R. s. EN. - dechiffrere den tredimensjonale strukturen til proteiner, nukleinsyrer og andre makromolekyler. Proteiner danner som regel ikke krystaller under naturlige forhold. For å oppnå et regelmessig arrangement av proteinmolekyler, krystalliseres proteiner og deretter undersøkes deres struktur. Fasene til de strukturelle amplitudene til proteinkrystaller kan bare bestemmes som et resultat av felles innsats fra radiografer og biokjemikere. For å løse dette problemet er det nødvendig å skaffe og studere krystaller av selve proteinet, så vel som dets derivater med inkludering av tunge atomer, og koordinatene til atomene i alle disse strukturene må falle sammen. På de mange anvendelsene av R. s. metoder. EN. for studiet av ulike brudd på strukturen til faste stoffer under påvirkning av ulike påvirkninger, se art. Radiografi av materialer. Litt.: Belov N.V., Structural crystallography, M., 1951; Zhdanov G.S., Fundamentals of X-ray diffraction analysis, M. - L., 1940; James R., Optiske prinsipper for røntgendiffraksjon, trans. fra engelsk, M., 1950; Bokiy G.B., Porai-Koshits M.A., X-ray structural analysis, M., 1964; Poraj-Koshits M.A., Practical course of X-ray structural analysis, M., 1960: Kitaigorodsky A.I., Theory of structural analysis, M., 1957; Lipeon G., Cochran V., Bestemmelse av krystallstruktur, trans. fra engelsk, M., 1961; Vainshtein B.K., Strukturell elektrondiffraksjon, M., 1956; Bacon J., Neutron Diffraction, trans. fra engelsk, M., 1957; Burger M., Krystallstruktur og vektorrom, trans. fra engelsk, M., 1961; Guinier A., Radiografi av krystaller, trans. fra French, M., 1961; Woolfson M. M., An introduction to X-ray crystallography, Camb., 1970: Ramachandran G. N., Srinivasan R., Fourier methode in crystallography, N. Y., 1970; Krystallografisk databehandling, red. F.R. Ahmed, Cph., 1970; Stout G. H., Jensen L. H., røntgenstrukturbestemmelse, N. Y. - L., . V. I. Simonov. Ris. 9. a. Projeksjon på ab-planet av funksjonen til interatomiske vektorer av baotittmineralet O 16 Cl]. Linjene er trukket gjennom like intervaller av verdier for funksjonen til interatomiske vektorer (linjer på samme nivå). b. Projeksjon av elektrontettheten til baotitt på ab-planet, oppnådd ved å dechiffrere funksjonen til interatomiske vektorer (a). Elektrontetthetsmaksima (konsentrasjoner av linjer med like nivåer) tilsvarer posisjonene til atomer i strukturen. V. Bilde av en modell av atomstrukturen til baotitt. Hvert Si-atom er plassert inne i et tetraeder dannet av fire O-atomer; Ti- og Nb-atomer er i oktaedre sammensatt av O-atomer SiO 4-tetraedre og Ti(Nb)O 6-oktaedre i baotittstrukturen er forbundet som vist på figuren. En del av enhetscellen til en krystall, tilsvarende fig. a og b, uthevet med en stiplet linje. Stiplede linjer i fig. a og b bestemmer nullnivåene til verdiene til de tilsvarende funksjonene. Physical Encyclopedia - X-RAY STRUCTURAL ANALYSIS, studiet av atomstrukturen til en prøve av et stoff basert på diffraksjonsmønsteret til røntgenstråling på den. Lar deg etablere fordelingen av elektrontettheten til et stoff, som bestemmer typen atomer og deres... ... Illustrert encyklopedisk ordbok - (Røntgenstrukturanalyse), et sett med metoder for å studere atomstrukturen til materie ved hjelp av røntgendiffraksjon. Ved hjelp av diffraksjonsmønsteret bestemmes fordelingen av elektrontettheten til et stoff, og ut fra den typen atomer og deres... ... encyklopedisk ordbok - (Røntgenstrukturanalyse), metode for å studere atomær mol. bygninger i, kap. arr. krystaller, basert på studiet av diffraksjon som oppstår under interaksjon. med røntgenprøven som studeres med en bølgelengde på ca. 0,1 nm. Bruk kap. arr... Chemical Encyclopedia - (se RØNTGEN STRUKTURANALYSE, NEUTRONOGRAFI, ELEKTRONOGRAFI). Fysisk leksikon ordbok. M.: Sovjetisk leksikon. Sjefredaktør A. M. Prokhorov. 1983 ... Fysisk leksikon Bestemmelse av strukturen til materialer, dvs. klargjøring av plasseringen i rommet av deres konstituerende strukturelle enheter (molekyler, ioner, atomer). I snever forstand, S. a. bestemmelse av geometrien til molekyler og mol. systemer er vanligvis beskrevet av et sett med lengder ... ... Kjemisk leksikon
Året 1895 viste seg å være ekstremt viktig, først for vitenskapen, og snart for hele verden - det var da røntgenstråler først ble oppdaget, uten noe som det er veldig vanskelig å forestille seg livene våre i dag. Dette er et skummelt ord, alle er redde for det: dette er studien som dreper! Og etter katastrofer ved atomkraftverk blir blodet i årene våre kaldt. Alle har imidlertid hørt om tragediene, men få vet om fordelene som denne oppdagelsen ga folk. Og vi snakker ikke bare om spesielle fotografier - neppe den eneste effektive metoden for å identifisere mange patologier. Et annet anvendelsesområde for stråler er røntgenstrukturanalyse av metaller, proteiner og andre forbindelser.
Hva handler det om
Røntgenstråler er elektromagnetiske vibrasjoner. Et særtrekk er dens lille lengde, sammenlignbar med atomdimensjoner. Kilden til stråling er raske elektroner som påvirker atomstrukturen. For tiden har stråling funnet anvendelse i den vitenskapelige og tekniske sektoren.
Funksjonene til strålene ble avslørt i 1912 under tester utført av tyske forskere Knipping, Friedrich, Laue. Når man undersøkte atomgitteret, ble faktumet med diffraksjon etablert. Hvis du danner en smal strålestråle og retter den mot krystallen, for å sikre at den er ubevegelig, kan du få et brøkbilde på en fotografisk plate plassert bak krystallen. Refleksjonen oppnådd på denne måten var et ordnet system av flekker, som hver var sporet av en spesifikk stråle spredt under påvirkning av krystallen. Det ble besluttet å kalle bildet et Lauegram. Det dannet grunnlaget for røntgenstrukturanalyse av krystaller, som utvikler seg og forbedres i moderne tid.
hemmeligheter vs. vitenskapen
Røntgendiffraksjonsanalyse brukt i biologi gjorde det mulig å trenge inn i livets hemmelige essens. Det er imidlertid verdt å merke seg at grunnlaget for alt var kvantefysikk - det er dette som gir grunnlaget for fenomenene som vi nå forstår ved hjelp av røntgenstråler. Det er kjent at det omkringliggende rommet, kropper, gjenstander er dannet av molekyler, atomer, foldet inn i forskjellige systematiserte, ordnede strukturer. Identifikasjon av egenskapene til et bestemt stoff kan bare gjøres eksperimentelt. I dag er bruken av røntgendiffraksjonsanalyse en effektiv, nøyaktig og moderne måte å bestemme atomstrukturen på.
For å få nyttig informasjon er det nødvendig å bruke eksperimentelle installasjoner der bølger med lengde på ti til minus tiende potens (!) meter blir tvunget til å "arbeide". Dette er nøyaktig skalaen av avstander på atomnivå. For den gjennomsnittlige personen, langt fra fysikk, er det ikke engang mulig å forestille seg slike små mengder - men forskere var ikke bare i stand til å se dem, men analyserte dem også, tvang dem til å jobbe og produsere enda mer informasjon som er nødvendig for at menneskeheten skal forstå verden rundt oss og lovene for dens konstruksjon.
Strukturer og metoder
Eksperimenter i 1912 gjorde det mulig å formulere de grunnleggende prinsippene for røntgendiffraksjonsanalyse, ettersom forskere fikk en effektiv metode for å identifisere posisjonen til molekyler og atomer inne i en krystall. Over tid var det også mulig å samle informasjon om den indre strukturen til molekyler. Den nye informasjonen tiltrakk seg raskt oppmerksomheten til datidens flinkeste hoder, og to britiske forskere, far og sønn Braggy, tok opp arbeidet med den stadig utviklende røntgenstrukturanalysen. Det var de som skapte metoden, takket være hvilken menneskeheten var i stand til å bestemme den molekylære, mineralske strukturen veldig nøyaktig.
Over tid har forskere rettet oppmerksomheten mot stadig mer komplekse objekter, men røntgendiffraksjonsanalyse har vist seg å være overraskende universell. Gradvis var det levende molekylers tur. Det er vanskelig å forestille seg hvor viktig røntgendiffraksjonsmetoden er i biologien i dag. Nesten umiddelbart møtte forskere en rekke vanskeligheter, og først av alt problemet med å isolere krystaller. Ett molekyl er flere titusenvis av atomer, noe som ga et så forvirret bilde i bildet at det ikke var mulig å gjenopprette koordinatene. Men dette er bare begynnelsen: år har gått, metoden har blitt forbedret, og nå er dette problemet allerede løst.
Røntgendiffraksjonsanalyse av proteiner
Den mest betydningsfulle forskningen knyttet til dette emnet ble organisert ved Cavendish Laboratory. De ble ledet av den ovennevnte briten Bragg. Som en teknisk oppgave formulerte vi oppgaven med å identifisere proteinets romlige struktur. Dette målet var logisk: i midten av forrige århundre var det en oppfatning om at det viktigste molekylet for den levende verden var protein. For å forklare ideen var argumentet det faktum at kjemiske reaksjoner provosert i cellen - bare proteiner er enzymer som stimulerer dem. Fra dette trakk forskerne en logisk konklusjon om at protein er hovedbyggematerialet til en levende celle, og å mestre alle funksjonene i strukturen vil svare på alle spørsmål knyttet til livet. Og metoden for røntgendiffraksjonsanalyse skulle bidra til å studere strukturen.
Så fokuset var på en kompleks polymer - et protein, hvis enheter er monomerer, aminosyrerester. Studier har vist at de alltid er lineære, og strukturen er konstant med økende temperaturer, selv til et nivå der biologisk aktivitet er fullstendig hemmet. Basert på informasjonen som ble oppnådd, ble det klart at bare aminosyrerester i riktig sekvens ennå ikke kan gi mulighet for liv; det riktige arrangementet av grupper i rommet er også nødvendig.
Suksessen er rett rundt hjørnet
Røntgendiffraksjonsanalyse brukt i laboratorieforhold bidro til å løse problemet som ble stilt for forskere. Suksessen kom på midten av femtitallet, og pionerene var Perutz og Kendrew. Takket være dem vet verden nå at proteiner har en tredimensjonal struktur. Ikke mindre viktig er annen informasjon innhentet av forskjellige forskere under forskning og testing i et forsøk på å oppnå dette målet. Mange av dataene som ble innhentet på den tiden hjalp i fremtiden til å unngå feil og gjøre røntgendiffraksjonsanalyse av celler enklere.
For øyeblikket, ved hjelp av den utviklede teknologien, er det mulig å studere et atom av et hvilket som helst stoff og bestemme alle de spesifikke egenskapene til enhetscellen, inkludert plassering i rom, form, dimensjoner. Røntgendiffraksjonsanalyse lar en identifisere den krystallinske symmetrigruppen. I dag er denne metoden for å bestemme strukturen til et stoff mer utbredt enn noen annen, på grunn av dens relativt lave kostnader og enkle implementering.
Røntgenspektre
Dette konseptet er et av de viktigste for teorien om røntgendiffraksjonsanalyse. Det er vanlig å snakke om to typer: karakteristisk, bremsstrahlung stråling. Bremsing skyldes den tilsvarende bevegelsen av elektroner. Dette fenomenet kan provoseres i laboratorieforhold ved å aktivere anti-katoden til installasjonen. Forskeren får tilgang til et begrenset bredt spekter. Hvordan grensen vil bli lokalisert avhenger ikke av stoffet; den bestemmes helt av energireservene til de rettede elektronene. Bremsstrahlung-spekteret blir mer intenst hvis målpartiklene er lettere, og eksitasjonen av elektroner gjør det mulig å oppnå svært høye verdier.
Den karakteristiske strålingen som brukes i røntgendiffraksjonsanalysemetoden er ledsaget av bevegelse av elektroner. En partikkel som ligger på det indre atomlaget blir slått ut, en ladet partikkel fra det ytre laget beveger seg innover, hele prosessen er ledsaget av en viss karakteristikk - et spesifikt spektrum, som på mange måter ligner de som er iboende i gassformige stoffer. Den grunnleggende forskjellen mellom disse spektrene er avhengigheten (eller mangelen på dette i tilfellet med røntgenstudier) av elementet som provoserer dannelsen av fenomenet.
Røntgen, resultat og objekt
Som tester utført ved bruk av forskjellige forbindelser har vist, er røntgendiffraksjonsanalyse til en viss grad bestemt av dens funksjon, reflektert gjennom serienummeret til det periodiske systemet: jo større denne verdien er, jo sterkere er skiftet til kortbølgespekteret. I 1913 ble det bevist at kvadratroten ekstrahert fra frekvensverdien er lineært relatert til atomnummeret. I fremtiden ble dette mønsteret brukt for å rettferdiggjøre det periodiske systemet.
Det bør tas i betraktning at forskjellige elementer har forskjellige spekter. I dette tilfellet er det ingen avhengighet av eksitabilitet for utslipp av røntgenglød i fri form, kombinert med andre kjemiske elementer. Basert på dataene ble det mulig å gjennomføre røntgendiffraksjonsanalyse i forhold til komplekst strukturerte objekter. De identifiserte spesifikasjonene ble grunnlaget for å bestemme spesifisiteten til en analysemetode og er mye brukt i dag.
Røntgendiffraksjonsanalyse: teori og praksis
For tiden er denne analyseteknikken klassifisert som en kjemisk seksjon som gjelder analyse av materialsammensetning. Intensiteten til strålingen bestemmes av antall atomer som er involvert i prosessen. Eksitasjon fremprovoseres av elektronbombardement og bestråling. I det første tilfellet snakker de om direkte eksitasjon, og når de utsettes for røntgenstråler - fluorescerende (sekundær). Kvantumet av primær stråling må ha energireserver som overstiger kostnadene ved å slå et elektron ut av sin posisjon. Bombing forårsaker et spesifikt spektrum og stråling - kontinuerlig, med høy intensitet. Hvis sekundær eksitasjon antas, inneholder resultatet et linjespektrum.
Primær eksitabilitet er ledsaget av oppvarming av stoffet. Fluorescerende provoserer ikke en slik effekt. I den primære metoden fylles et rør med stoffet, hvor det skapes et høyt vakuum, og for fluorescensmetodikken er det nødvendig å plassere objektet i banen til røntgenstrålingen. Vakuumtilstanden spiller ingen rolle her. Dette er ganske praktisk: etter å ha undersøkt ett objekt, kan du fjerne prøven og plassere den neste; prosedyren er enkel og tar praktisk talt ingen tid. Samtidig er den sekundære strålingsintensiteten tusenvis av ganger svakere sammenlignet med primærmetoden. Ikke desto mindre utføres metoden for røntgenstrukturanalyse av en celle vanligvis ved bruk av sekundær, fluorescerende stråling, som antar tilstedeværelsen av raske elektroner.
Hva brukes?
For å utføre analysen må du ha en spesiell enhet til disposisjon. Fullprofil røntgendiffraksjonsanalyse utføres ved bruk av et diffraktometer. Det er også et fluorescensspektrometer. Denne enheten består av tre nøkkelkomponenter: et rør, en analysator og en detektor. Den første er en kilde til stråling som påvirker det fluorescerende spekteret til materialet som studeres. En analysator er nødvendig for å få spekteret. Detektoren overfører informasjon om intensiteten, neste trinn er å registrere resultatene av eksperimentet.
I praksis brukes et slikt spektrometer ganske ofte: emitterende kilde og detektor er plassert på en spesialisert sirkel, det sentrale stedet tilhører en krystall som er i stand til å rotere rundt sin egen akse. Faktisk trenger aksen gjennom midten av sirkelen.
Fokuseringsspektrometer
Som kan konkluderes fra informasjonen som er tilgjengelig for et bredt spekter av mennesker, er metoder og programmer for fullprofilrøntgenstrukturanalyse for øyeblikket vanskelig tilgjengelige, og har derfor ikke vært mye brukt i praksis. Det bemerkes at et mye mer relevant alternativ er refleksjonsmetoden oppfunnet av Johann, Johannson og Kapitsa. Det antas at et spesialisert spektrometer vil bli brukt. Et alternativt alternativ er teknologi, forfatterne av disse er Koush og Du-Mond. Dette alternativet kalles "bestått".
Disse for tiden mye brukte teknikkene kommer med en eller flere kanaler. Flerkanals kvantometre, outrometre, er en effektiv metode for å identifisere en rekke elementer. Selve arbeidet knyttet til analyse, ved bruk av slik teknologi, er automatisert til et høyt nivå. For det meste er enhetene utstyrt med rør og enheter, takket være hvilke en økt stabiliseringsgrad av studieintensitet blir oppnåelig. Spektrometeret bruker bølger fra området bestemt av analysatoren. Planene er preget av en viss spesifikk avstand, og det er umulig å reflektere slike stråler, hvis lengde er to ganger eller større enn den interplanare analysatoren.
Implementeringsfunksjoner
For tiden brukes et bredt utvalg av elementer som krystaller. De mest utbredte er glimmer, gips og kvarts. Detektorene er geigertellere, samt spesialiserte krystallproporsjonale. Den siste tiden har såkalte kvantescintillasjonstellere blitt brukt i økende grad.
Av gjenstandene som er studert med forskjellige instrumenter, tiltrekker vismutferritt ganske ofte oppmerksomheten til forskere. Fullprofil røntgendiffraksjonsanalyse av BiFeO3 har gjentatte ganger blitt hovedtemaet for vitenskapelig arbeid innen kjemi; det antas at noen aspekter ennå ikke er oppdaget.
Bruksområde
Røntgenspektralanalyse gjør det mulig å bestemme hvor mye en bestemt forbindelse inneholder av målelementet som vekker interessen til forskeren. Det er tillatt å studere komplekse sammensetninger, legeringer og metaller. Keramikk, sement og plastforbindelser blir ofte analysert på denne måten. Du kan til og med undersøke støv eller slipende komponenter. Kjemiske teknologier gir tilgang til et bredt spekter av forskjellige produkter, hvis egenskaper kan studeres ved hjelp av røntgenstråler. De mest relevante bruksområdene for analyse er geologi og metallurgi, hvor utstyr brukes til å identifisere mikroskopiske og makroskopiske komponenter.
Det er ingen grense for perfeksjon
Standardinstallasjonen for røntgenspektralanalyse tillater ikke alltid at man får nødvendig informasjon om objektet som studeres. For å øke følsomheten til den anvendte teknikken, er det mulig å kombinere flere tilnærminger: radiometri kombinerer godt med kjemiske metoder. Den største følsomheten bestemmes av atomnummeret til stoffet som skal påvises, samt prøvens gjennomsnittlige antall. Hvis vi snakker om lette elementer, anses oppgaven som ganske enkel. Nøyaktighet - 2-5% (relativ), vekt - noen få gram, varighet - opptil to timer, men noen ganger trengs bare noen få minutter. Men oppgaven anses som vanskelig hvis vi snakker om et mykt spektrum, liten Z.
Proteinanalyse: funksjoner
Et av de svært viktige bruksområdene for den beskrevne teknikken er proteinanalyse. Som nevnt ovenfor, for å få nøyaktig informasjon om objektet som studeres, må det studeres i form av en krystall, men i normal tilstand har ikke proteinmolekylet denne formen. En transformasjon er nødvendig for å utføre analysen.
Hvordan skjer dette?
Nesten enhver eksperimentell studie av protein involverer en biokjemisk metode for å trekke ut det opprinnelige stoffet. Det biologiske materialet knuses, proteinet overføres til en oppløst tilstand, og den nødvendige gjenstanden isoleres fra den generelle blandingen, som vil bli studert videre. På mange måter avhenger effektiviteten av arrangementet av kvaliteten på proteinisoleringen.
Det må dannes krystaller før røntgenanalyse kan tas i bruk. Hvis forbindelsen er kompleks, tar arbeidsprosessen lang tid. Som regel brukes en mettet løsning som startsammensetning, som deretter behandles og væsken fordamper. Det andre alternativet innebærer temperaturpåvirkning. De resulterende komponentene kan undersøkes i en spesiell installasjon.