Rentgeno spindulių kristalografija (XRD): molekulių 3D struktūros nustatymas

Sužinokite, kaip rentgeno spindulių kristalografija (XRD) atskleidžia molekulių 3D struktūrą, neardomai tiria organines ir neorganines medžiagas bei atskleidžia atomų išsidėstymą.

Rentgeno spindulių kristalografija - tai būdas pamatyti trimatę molekulės struktūrą. Atomo elektronų debesis šiek tiek išlenkia rentgeno spindulius. Taip sukuriamas molekulės "paveikslas", kurį galima matyti ekrane. Jį galima naudoti ir organinėms, ir neorganinėms molekulėms tirti. Proceso metu mėginys nesunaikinamas.

Šį metodą kartu išrado seras Williamas Braggas (1862-1942) ir jo sūnus seras Lawrence'as Braggas (1890-1971). Jie 1915 m. gavo Nobelio fizikos premiją. Lawrence'as Braggas yra jauniausias Nobelio premijos laureatas. Jis buvo Kembridžo universiteto Kavendišo laboratorijos direktorius, kai 1953 m. vasarį Džeimsas D. Vatsonas , Fransis Krikas , Morisas Vilkinsas ir Rozalinda Franklin atrado DNR struktūrą.

Seniausias rentgeno spindulių kristalografijos metodas yra rentgeno spindulių difrakcija (XRD). Rentgeno spinduliai paleidžiami į vieną kristalą ir pagal jų sklaidą sukuriamas modelis. Šie raštai naudojami atomų išsidėstymui kristalo viduje nustatyti.

Principai trumpai paaiškinti

Rentgeno kristalografijos esmė — matuoti, kaip atomo elektronų debesis išsklaido (difraguoja) monochromatinį rentgeno spindulį. Difrakcijos intensyvumai ir kampai suteikia informaciją apie atomų padėtį vieneto ląstelėje. Matematiškai ryšys tarp matomų difrakcijos kampų ir atstumų tarp lygumų apibūdinamas Braggo dėsniu: nλ = 2d sinθ, kur λ – bangos ilgis, d – tarplygio tarpas kristale, θ – difrakcijos kampas, n – refleksijos eilės skaičius. Iš gautų intensyvumų, taikant Fourier transformacijas ir modelių optimizavimą, gaunamas elektronų tankio žemėlapis ir iš jo – atominių branduolių koordinatės.

Single-crystal (vienakristalis) vs. powder (milturnis) XRD

• Vienakristalė XRD: duoda pilną 3D elektronų tankio žemėlapį ir leidžia tiksliai nustatyti atomų koordinatės bei cheminę sudėtį. Reikalauja geros kokybės atskirų kristalų.
• Milturnė (powder) XRD: naudojama, kai tyrime yra daug smulkių kristalinių dalelių arba kai neįmanoma gauti vienakristalio. Duomenys yra sumuoti per visus orientacijos kampus ir pateikiami kaip difrakcijos pikų raštas (intensyvumas pagal 2θ). Iš jo galima nustatyti fazes, ląstelės parametrus, kristalinę fazių kiekį ir kartais atlikti struktūrinį refinavimą (Rietveld metodas).

Įprastas eksperimentinių žingsnių srautas

• 1) Mėginio paruošimas: organiniams junginiams dažnai reikia užauginti vienakristalį; milturniams pavyzdžiams — homogeniškai susmulkinti ir užpildyti mėgintuvėlį.
• 2) Duomenų rinkimas: rentgeno šaltinis (pvz., laboratorinis Cu Kα arba sinchrotrono spindulys) ir detektorius fiksuoja difraguotus spindulius skirtingais kampais.
• 3) Indeksavimas ir integracija: atpažįstami refleksai, apskaičiuojami jų kampai ir intensyvumai.
• 4) „Phase problem“ sprendimas: reikia nustatyti fazes, kurių XRD nematuoja tiesiogiai — taikomos metodikos kaip Patterson vaizdas, tiesioginės metodikos arba molekulinis pakeitimas (angl. molecular replacement) baltymams.
• 5) Modelio sudarymas ir refinavimas: sukuriamas atominio modeliukas, kurio parametrai optimizuojami taip, kad generuotas difrakcijos raštas geriausiai sutaptų su matuotu.
• 6) Validacija ir interpretacija: patikrinami refinavimo rodikliai (pvz., R-faktorius), įvertinama tinkamumas, nagrinėjamos tarpkristalinės sąveikos, H atomų padėtys ir t. t.

Kas matosi ir kas ne

Rentgeno difrakcija gerai atvaizduoja sunkesnius elementus ir bendrą elektronų tankį — todėl atomų branduolių pozicijos dažniausiai aiškiai matomos. Silpniausiai matomos vandenilio atomos (turinčios mažai elektronų), todėl jų padėtis kartais nustatoma modeliuojant arba patvirtinant papildomais metodais. Norint nustatyti vandenilio padėtis tiksliau, dažnai naudojama neutronų difrakcija.

Privalumai ir apribojimai

• Privalumai: aukšta erdvinė rezoliucija (ypač vienakristalinei XRD), nekontaktuotas metodas, plačios taikymo sritys (chemija, biologija, medžiagotyra, farmacija, mineralogija).
• Apribojimai: vienakristalėms analizėms reikia gerų kristalų; disordered arba amorfiniai mėginiai duoda ribotą informaciją; lengvieji atomai ir mobilūs fragmentai gali būti prastai atvaizduoti; spinduliuotės žalojimas jautriems biopolimerams (dažnai taikoma kriogeninė temperatūra ~100 K).

Pritaikymas ir panaudojimo sritys

• Baltymų ir kitų makromolekulių struktūrų nustatymas (struktūrinė biologija).
• Farmaceutikos pramonėje — aktyviųjų medžiagų kristalinės formos ir polimorfų identifikavimas.
• Medžiagotyra — puslaidininkiai, katalizatoriai, keramikos, metalo struktūros.
• Geologija ir mineralogija — mineralų identifikacija ir kristalinės fazės analizė.
• Konstrukcinių medžiagų analitikai — stresai, fāzių transformacijos, kristalinės struktūros stabilumas.

Komplementarios technologijos

Rentgeno kristalografija dažnai derinama su kitomis technikomis: neutronų difrakcija (geras H vietoms nustatyti), elektronų mikroskopija (mažiems kristalams ir nanostruktūroms), NMR (sprendimai tirpale), sinchrotroninės šviesos šaltiniai — intensyvesniems ir greitesniems duomenų rinkimams.

Saugumas

Rentgeno spinduliai yra jonizuojanti spinduliuotė, todėl tyrimų įranga turi būti apsaugota, o darbai vykdomi laikantis saugos procedūrų: spinduliuotės šalinimo gaubtai, užrakinamos durys, prieigos kontrolė ir personalo apmokymas.

Apibendrinant, rentgeno spindulių kristalografija yra galingas ir plačiai taikomas metodas, leidžiantis tiesiogiai atvaizduoti atominius molekulių išdėstymus ir suprasti medžiagų struktūrą bei funkciją. Jos sėkmė daugiausia priklauso nuo mėginio kokybės, tinkamai parinktos eksperimento konfigūracijos bei duomenų analizės metodų.

Kristalų rentgeno spindulių analizė

Kristalai yra taisyklingos atomų matricos, t. y. atomai vis kartojasi visuose trijuose matmenyse. Rentgeno spinduliai yra elektromagnetinės spinduliuotės bangos. Kai rentgeno spinduliai susiduria su atomais, dėl atomuose esančių elektronų rentgeno spinduliai išsisklaido visomis kryptimis. Kadangi rentgeno spinduliai sklinda visomis kryptimis, rentgeno spindulys, atsitrenkęs į elektroną, sukelia antrines sferines bangas, sklindančias nuo elektrono. Elektronas vadinamas sklaidytuvu. Taisyklinga sklaidytuvų aibė (šiuo atveju - pasikartojantis kristalo atomų modelis) sukuria taisyklingą sferinių bangų aibę. Nors daugelyje krypčių šios bangos viena kitą naikina, keliomis konkrečiomis kryptimis, kurias lemia Braggo dėsnis, jos sumuojasi:

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

Čia d yra atstumas tarp difrakcinių plokštumų, θ {\displaystyle \theta } yra kritimo kampas, n yra bet koks sveikasis skaičius, o λ yra spindulio bangos ilgis. Šios konkrečios kryptys difrakcijos schemoje pasirodo kaip dėmės, vadinamos atspindžiais. Taigi rentgeno spindulių difrakcija atsiranda elektromagnetinei bangai (rentgeno spinduliams) atsitrenkus į taisyklingą sklaidytuvų masyvą (pasikartojančią atomų išsidėstymą kristale).

Įeinantis spindulys (iš viršaus kairėje) kiekvieną skleidėją (pvz., elektroną) priverčia iš naujo išspinduliuoti dalį savo energijos kaip sferinę bangą. Jei atomai išdėstyti simetriškai, atstumas tarp jų yra d, šios sferinės bangos sumuojasi tik ten, kur jų kelio ilgių skirtumas 2d sin θ yra lygus bangos ilgio λ kartotiniui. Tokiu atveju difrakcijos schemoje atsiranda atspindžio dėmė

Kristalų rentgeno spindulių analizė

Kristalai yra taisyklingos atomų matricos, t. y. atomai vis kartojasi visuose trijuose matmenyse. Rentgeno spinduliai yra elektromagnetinės spinduliuotės bangos. Kai rentgeno spinduliai susiduria su atomais, dėl atomuose esančių elektronų rentgeno spinduliai išsisklaido visomis kryptimis. Kadangi rentgeno spinduliai sklinda visomis kryptimis, rentgeno spindulys, atsitrenkęs į elektroną, sukelia antrines sferines bangas, sklindančias nuo elektrono. Elektronas vadinamas sklaidytuvu. Taisyklinga sklaidytuvų aibė (šiuo atveju - pasikartojantis kristalo atomų modelis) sukuria taisyklingą sferinių bangų aibę. Nors daugelyje krypčių šios bangos viena kitą naikina, keliomis konkrečiomis kryptimis, kurias lemia Braggo dėsnis, jos sumuojasi:

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

Čia d yra atstumas tarp difrakcinių plokštumų, θ {\displaystyle \theta } yra kritimo kampas, n yra bet koks sveikasis skaičius, o λ yra spindulio bangos ilgis. Šios konkrečios kryptys difrakcijos schemoje pasirodo kaip dėmės, vadinamos atspindžiais. Taigi rentgeno spindulių difrakcija atsiranda elektromagnetinei bangai (rentgeno spinduliams) atsitrenkus į taisyklingą sklaidytuvų masyvą (pasikartojančią atomų išsidėstymą kristale).

Įeinantis spindulys (iš viršaus kairėje) kiekvieną skleidėją (pvz., elektroną) priverčia iš naujo išspinduliuoti dalį savo energijos kaip sferinę bangą. Jei atomai išdėstyti simetriškai, atstumas tarp jų yra d, šios sferinės bangos sumuojasi tik ten, kur jų kelio ilgių skirtumas 2d sin θ yra lygus bangos ilgio λ kartotiniui. Tokiu atveju difrakcijos schemoje atsiranda atspindžio dėmė

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra rentgeno spindulių kristalografija?

K: Ar rentgeno spindulių kristalografija gali būti naudojama ir organinėms, ir neorganinėms molekulėms tirti?

K: Kas yra rentgeno spindulių kristalografijos išradėjai?

K: Koks yra seniausias rentgeno spindulių kristalografijos metodas?

Klausimas: Ar atliekant rentgeno kristalografiją mėginys buvo sunaikintas?

K: Kas buvo Kavendišo laboratorijos direktorius, kai buvo atrasta DNR struktūra?

K: Kas yra jauniausias Nobelio fizikos premijos laureatas?

Paieška pagal raidę