X射线晶体学

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X射線晶體學是一門利用X射線來研究晶體原子排列的學科。更準確地說,利用電子對X射線的散射作用,X射線晶體學可以獲得晶體中電子密度的分佈情況,再從中分析獲得原子的位置資訊,即晶體結構。(以下論述以高分子材料的X射線晶體學為主)由於所有的原子都含有電子,並且X射線波長範圍為0.001-10納米(即0.01-100),其波長與成鍵原子之間的距離(1-2埃附近)可比,因此X射線可用于研究各類分子的結構。但是,到目前為止還不能用X射線對單個的分子成像,因為沒有X射線透鏡可以聚焦X射線,而且X射線對單個分子的繞射能力非常弱,無法被探測。[1]而晶體(一般為單晶)中含有數量巨大的方位相同的分子,X射線對這些分子的繞射疊加在一起就能夠產生足以被探測的信號。從這個意義上說,晶體就是一個X射線的信號放大器。[1]X射線晶體學將X射線與晶體學聯繫在一起,從而可以對各類晶體結構進行研究,特別是蛋白質晶體結構。

研究方法[编辑]

晶体生长[编辑]

显微镜下的蛋白质晶体。用于X射线晶体学研究的晶体通常边长小于一个毫米。

为了获得可供衍射的单晶,就需要将纯化后的生物样品进行晶体生长。晶体生长的方法有很多,如气相扩散法、液相扩散法、温度渐变法、真空升华法、对流法等等,而目前应用最广泛的晶体生长方法是气相扩散法。气相扩散法又可以分为悬滴法、坐滴法、三明治法、油滴法和微量透析法。其中,悬滴法的使用频率最高。

(以上方法都属于化学方法,通常,研究凝聚态物理的用得最多的是区熔法,以多晶材料为基础通过局部施加高温使其部分熔化后再结晶,从而逐渐得到大块的晶体,高分子材料通常不能承受过高温度,所以无法使用这种方法)

在获得初步的晶体生长条件后,往往需要对晶体生长条件进行优化,包括调整沉淀剂浓度、pH值、样品浓度、温度离子强度等。

衍射数据收集[编辑]

在获得单晶之后,就需要进行衍射实验,即用X射线打到晶体上,产生衍射,并记录衍射数据。X射线的来源主要有两种,一种是在常用X射线仪上使用的,通过高能电子流轰击靶(或靶),产生多个特征波长的X射线,其中使用的CuKα的波长为1.5418Å;另一种就是利用同步辐射所产生的X射线,其波长可以变化。同步辐射X射线可以分为角散同步辐射(ADXD)和能散同步辐射(EDXRD)两种,角散同步辐射的实验原理与通常的X射线衍射仪是一样的,不过波长更低(如0.6199Å),能量更高;而能散使用白光入射,即入射光具有连续波长,收集的衍射信号是在固定角度进行的,它的分辩率较角散同步辐射低,技术要求也较低。现在中国的北京同步辐射装置(BSRF)已经升级成了角散的。

衍射数据(包括衍射点的位置和强度)的记录多采用像板或CCD探测器。

數據分析[编辑]

對記錄到的繞射數據進行分析,可以獲得晶體所屬的晶系和對應的布拉菲晶格以及每個繞射點在倒晶格上的密勒指數和對應的強度。

晶体结构解析[编辑]

由于晶体衍射实际上是晶体中每个原子的电子密度对X射线的衍射的叠加,衍射数据反映的是电子密度进行傅立叶变换的结果,用结构因子来表示。通过对结构因子进行反傅立叶变换,就可以获得晶体中电子密度的分布。而结构因子是与波动方程相关的,计算结构因子需要获得波动方程中的三个参数,即振幅频率相位。振幅可以通过每个衍射点的强度直接计算获得,频率也是已知的,但相位无法从衍射数据中直接获得,因此就产生了晶体结构解析中的“相位问题(phase problem)”。

晶体结构解析中所采用的解决相位问题的方法有直接法和Patterson法。而对于解析生物大分子结构的主要方法有分子置换法、同晶置换法和反常散射法。

参考资料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 (英文)Randy Read. Overview of macromolecular X-ray crystallography. 2008-4-22 [2009-1-1]. 

延伸阅读[编辑]

国际晶体学表[编辑]

  • (英文)International Tables for Crystallography. Volume A, Space-group Symmetry 5th edition, ed. Theo Hahn. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, for the International Union of Crystallography. 2002. ISBN 0-7923-6590-9. 
  • (英文)eds. Michael G. Rossmann and Eddy Arnold (编). International Tables for Crystallography. Volume F, Crystallography of biological molecules. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, for the International Union of Crystallography. 2001. ISBN 0-7923-6857-6. 
  • (英文)International Tables for Crystallography. Brief Teaching Edition of Volume A, Space-group Symmetry 4th revised and enlarged edition, ed. Theo Hahn. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, for the International Union of Crystallography. 1996. ISBN 0-7923-4252-6. 

研究文集[编辑]

  • (英文)Macromolecular Crystallography, Part A (Methods in Enzymology, v. 276) edited by CW Carter, Jr. and RM Sweet. San Diego: Academic Press. 1997. ISBN 0-12-182177-3. 
  • (英文)Macromolecular Crystallography, Part B (Methods in Enzymology, v. 277) edited by CW Carter, Jr. and RM Sweet. San Diego: Academic Press. 1997. ISBN 0-12-182178-1. 
  • (英文)Crystallization of Nucleic Acids and Proteins: A Practical Approach 2nd edition, edited by A. Ducruix and R. Giegé. Oxford: Oxford University Press. 1999. ISBN 0-19-963678-8. 

教科书[编辑]

  • (英文)Blow, D. Outline of Crystallography for Biologists. Oxford: Oxford University Press. 2002. ISBN 0-19-851051-9. 
  • (英文)Burns, G.; Glazer, A.M. Space Groups for Scientists and Engineers 2nd. Boston: Academic Press, Inc. 1990. ISBN 0-12-145761-3. 
  • (英文)Clegg, W. Crystal Structure Determination (Oxford Chemistry Primer). Oxford: Oxford University Press. 1998. ISBN 0-19-855-901-1. 
  • (英文)Cullity, B.D. Elements of X-Ray Diffraction 2nd. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company. 1978. ISBN 0-534-55396-6. 
  • (英文)Drenth, J. Principles of Protein X-Ray Crystallography. New York: Springer-Verlag. 1999. ISBN 0-387-98587-5. 
  • (英文)Giacovazzo, C; Monaco HL, Viterbo D, Scordari F, Gilli G, Zanotti G, and Catti M. Fundamentals of Crystallography. Oxford: Oxford University Press. 1992. ISBN 0-19-855578-4. 
  • (英文)Glusker, JP; Lewis M, Rossi M. Crystal Structure Analysis for Chemists and Biologists. New York: VCH Publishers. 1994. ISBN 0-471-18543-4. 
  • (英文)Massa, W. Crystal Structure Determination. Berlin: Springer. 2004. ISBN 3540206442. 
  • (英文)McPherson, A. Crystallization of Biological Macromolecules. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. 1999. ISBN 0-87969-617-6. 
  • (英文)McPherson, A. Introduction to Macromolecular Crystallography. John Wiley & Sons. 2003. ISBN 0-471-25122-4. 
  • (英文)McRee, DE. Practical Protein Crystallography. San Diego: Academic Press. 1993. ISBN 0-12-486050-8. 
  • (英文)O'Keeffe, M.; Hyde, B.G. Crystal Structures; I. Patterns and Symmetry. Washington, DC: Mineralogical Society of America, Monograph Series. 1996. ISBN 0-939950-40-5. 
  • (英文)Zachariasen, WH. Theory of X-ray Diffraction in Crystals. New York: Dover Publications. 1945. LCCN 67-26967. 

计算数据分析[编辑]

  • (英文)Young, R.A. (编). The Rietveld Method. Oxford: Oxford University Press & International Union of Crystallography. 1993. ISBN 0-19-855577-6. 

历史[编辑]

  • (英文)Friedrich, W. Die Geschichte der Auffindung der Röntgenstrahlinterferenzen. Die Naturwissenschaften. 1922, 10: 363–366. doi:10.1007/BF01565289. 
  • (英文)Lonsdale, K. Crystals and X-rays. New York: D. van Nostrand. 1949. 
  • (英文)William Lawrence Bragg. The Development of X-ray Analysis. New York: Dover. 1992. ISBN 0-486-67316-2.  已忽略文本“Bragg, William Lawrence, D. C. Phillips and H. Lipson ” (帮助)
  • (英文)Paul Peter Ewald. Fifty Years of X-ray Diffraction. Utrecht: published for the International Union of Crystallography by A. Oosthoek's Uitgeversmaatschappij N.V. 1962.  已忽略文本“Ewald PP, editor, and numerous crystallographers” (帮助)
  • (英文)Ewald, P. P., editor 50 Years of X-Ray Diffraction (Reprinted in pdf format for the IUCr XVIII Congress, Glasgow, Scotland, Copyright © 1962, 1999 International Union of Crystallography).
  • (英文)Johannes Martin Bijvoet. Early Papers on Diffraction of X-rays by Crystals (Volume I). Utrecht: published for the International Union of Crystallography by A. Oosthoek's Uitgeversmaatschappij N.V. 1969.  已忽略文本“Bijvoet JM, Burgers WG, Hägg G, eds. ” (帮助)
  • (英文)Johannes Martin Bijvoet. Early Papers on Diffraction of X-rays by Crystals (Volume II). Utrecht: published for the International Union of Crystallography by A. Oosthoek's Uitgeversmaatschappij N.V. 1972.  已忽略文本“Bijvoet JM, Burgers WG, Hägg G, eds. ” (帮助)

参见[编辑]

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