Δομική ανάλυση ακτίνων Χ. Δομική ανάλυση ακτίνων Χ κρυστάλλων και ερμηνεία μοτίβων περίθλασης Τι είναι η δομική ανάλυση ουσιών με ακτίνες Χ

Ονομα αναλυτική μέθοδοςαντανακλά το περιεχόμενό της - δηλαδή ανάλυση της δομής μιας ουσίας με την έκθεσή της σε ακτινοβολία ακτίνων Χ. Οι θεμελιώδεις αρχές της μεθόδου σχετίζονται με τις θεωρητικές αρχές περί περίθλασης ακτινογραφίεςσε περιοδικές δομές, που ανακαλύφθηκε από τον M. Laue το 1912.

Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσης. Τα όργανα που καταγράφουν κβάντα ακτίνων Χ ονομάζονται περιθλασίμετρα ακτίνων Χ. Το μηχάνημα ακτίνων Χ διαθέτει πίνακα ελέγχου, έναν αριθμό από όργανα μέτρησηςκαι κάποιες βοηθητικές συσκευές.

Τα κύρια στοιχεία της εγκατάστασης ακτίνων Χ είναι (Εικ. 20):

• - Ανιχνευτής ακτίνων Χ (μετρητής) με αντίστοιχο ηλεκτρονικό κύκλωμα και συσκευή εγγραφής.
• - πηγή ακτινοβολίας (μηχάνημα ακτίνων Χ με σωλήνα ακτίνων Χ).
• - μια γωνιομετρική συσκευή στην οποία το δείγμα και ο μετρητής κινούνται σε σχέση με την κύρια δέσμη των ακτίνων Χ.

Ρύζι. 20. Κύρια εξαρτήματα του περιθλασίμετρου DRON: 1 - μονάδα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. 2 - τροφοδοτικό? 3 - περίθλαση βάση? 4 - σωλήνας ακτίνων Χ. 5 - γωνιόμετρο. 6 - γωνιομετρική προσάρτηση. 7 - μονάδα ανίχνευσης. 8 - σύμπλεγμα ελέγχου. 9 - μπλοκ εγγραφής. 10 - συγκρότημα καταμέτρησης. 11 - συσκευή εγγραφής? 12 - συσκευή εκτύπωσης. 13 - σφυροδράπανο

Ο ανιχνευτής καταγράφει σε κάθε χρονική στιγμή την ένταση της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας σε ένα στενό γωνιακό διάστημα της δέσμης ακτινοβολίας. Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας σταθερός μετρητής ελέγχου.

Η πηγή της ακτινοβολίας ακτίνων Χ είναι ένας σωλήνας ακτίνων Χ (Εικ. 21), και η πηγή ηλεκτρική ενέργειαΓια το σωλήνα ακτίνων Χ χρησιμοποιείται ακτινογραφία. Ο μετασχηματισμός ενέργειας συμβαίνει στο σωλήνα ακτίνων Χ ηλεκτρικό ρεύμα, που μεταφέρονται από ηλεκτρόνια που επιταχύνονται σε υψηλές ταχύτητες, στην ενέργεια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Τα αντικείμενα της έρευνας μπορεί να είναι ουσίες διαφόρων καταστάσεων φάσης - στερεές, υγρές, αέριες, κρυσταλλικές και άμορφες. Ωστόσο, οι μέθοδοι περίθλασης ακτίνων Χ χρησιμοποιούνται συχνότερα για τη μελέτη στερεών με κρυσταλλική δομή, δηλ. τέτοιες ουσίες που χαρακτηρίζονται από μια διατεταγμένη, κανονική διάταξη στο χώρο των συστατικών ατόμων, ιόντων ή συμπλοκών τους. Η βασική κανονικότητα της δομής των κρυσταλλικών ουσιών, δηλαδή η επαναληψιμότητα της χωρικής διάταξης των σωματιδίων σε τρεις (δύο) κατευθύνσεις με μια ορισμένη περίοδο, αντανακλά την ουσία της δομής της κρυσταλλικής ουσίας, τη συμμετρία και τη στοιχειώδη σύνθεσή της.

Ρύζι. 21.

Κάθε ουσία έχει μόνο τη δική της κρυσταλλική δομή, η οποία καθορίζει την ατομικότητα του καθενός ορυκτού τύπουή ένωση, και τον προσδιορισμό των κρυσταλλοφυσικών ιδιοτήτων της. Πολλά ορυκτά μπορεί να έχουν την ίδια σύνθεση, για παράδειγμα, πυρίτης και μαρκασίτης (FeS), ασβεστίτης και αραγωνίτης (CaCO 3), αλλά οι διαφορετικές σχετικές θέσεις στο χώρο των ατόμων και των ιόντων οδηγούν στην εξατομίκευση κάθε ορυκτού είδους. Η κρυσταλλική δομή χαρακτηρίζεται από ένα σύστημα παράλληλων ατομικών επιπέδων, που κατοικούνται περισσότερο ή λιγότερο από άτομα, οι αποστάσεις μεταξύ αυτών των επιπέδων ονομάζονται διαεπίπεδες (d i). και η πυκνότητα πληθυσμού χαρακτηρίζεται από τη σχετική ένταση ανάκλασης ακτίνων Χ (J i). Αυτό μας επιτρέπει να λύσουμε το αντίστροφο πρόβλημα - λαμβάνοντας d και J διαγιγνώσκουν ποιοτικά και ποσοτικά τη δομή του ορυκτού.

Η αλληλεπίδραση των ακτίνων Χ με έναν κρύσταλλο μπορεί να θεωρηθεί ως η ανάκλασή τους από ατομικά επίπεδα και η παρεμβολή των ανακλώμενων ακτίνων. Οι ανακλώμενες ακτίνες, μέγιστης έντασης, παρατηρούνται σε ορισμένες γωνίες, οι οποίες εξαρτώνται από τις διαεπίπεδες αποστάσεις της ανακλώσας ατομικής δομής και τα μήκη κύματος της αρχικής ακτινοβολίας ακτίνων Χ (Εικ. 22).

Αυτή η σχέση εκφράζεται από την εξίσωση Wulf-Bragg:

όπου και είναι η γωνία (Wulf-Bragg) μέγιστης ανάκλασης των ακτίνων Χ από το ατομικό επίπεδο. d - απόσταση μεταξύ ανακλαστικών επιπέδων (ενδοεπίπεδες αποστάσεις). l - ακέραιος (σειρά ανάκλασης). d είναι το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Αυτή η εξίσωση επιτρέπει, γνωρίζοντας την τιμή l και τις πειραματικά μετρούμενες γωνίες u, να προσδιορίσουμε τις διαεπίπεδες αποστάσεις d.

Ρύζι. 22.

Η χρήση αυτού του τύπου επιτρέπει, λαμβάνοντας υπόψη τον χωρικό προσανατολισμό των ατομικών επιπέδων (h, k, ?) σε ορυκτά διαφορετικών συστημάτων, τον προσδιορισμό της θέσης των κόμβων του ατομικού (ιονικού) πλέγματος, υποδεικνύοντας τις παραμέτρους της μονάδας κελί (a, b, c), όπου a, b, c - αποστάσεις μεταξύ κόμβων στο ατομικό επίπεδο και d - απόσταση μεταξύ επιπέδων, σύμφωνα με τον τύπο (για κυβικό σύστημα):

Για τη λήψη ακτινογραφιών χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες μέθοδοι:

• - Μέθοδος Laue (σταθερός κρύσταλλος ακτινοβολημένος με μη μονοχρωματική ακτινοβολία).
• - μέθοδος περιστροφής κρυστάλλου.
• - μέθοδος πούδρας (ακτινοβόληση συμπιεσμένης σκόνης με μονοχρωματική ακτινοβολία).

Κατά τη μελέτη της κρυσταλλικής δομής μιας ουσίας χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Laue, λαμβάνεται ένα μοτίβο περίθλασης ενός μόνο κρυστάλλου σε λευκή (ευρέως φάσματος) ακτινοβολία ακτίνων Χ. Ο μονοκρύσταλλος τοποθετείται κάτω από μια ροή ακτίνων Χ, οι ακτίνες αντανακλώνται από ατομικά επίπεδα και πέφτουν στο φιλμ ακτίνων Χ (Εικ. 23). Οι διάσπαρτες ακτίνες παράγουν σημειακές ανακλάσεις στο φιλμ, καθεμία από τις οποίες έχει το δικό της μήκος κύματος l από το πολυχρωμικό φάσμα. Η συμμετρία στη διάταξη των κηλίδων αντανακλά τη συμμετρία του κρυστάλλου (Εικ. 24).

Ρύζι. 23. Σχέδιο για την απόκτηση Lauegram (α). άποψη του σχεδίου περίθλασης για τον κρύσταλλο (b): ελλείψεις που σχεδιάζονται μέσω των ανακλάσεων τέμνονται στο σημείο που αντιστοιχεί στον άξονα συμμετρίας 4ης τάξης (hppt://s-d-p.narod.ru)

Ρύζι. 24.

Μέσω των αντανακλάσεων μπορούν να σχεδιαστούν ελλείψεις, το σημείο τομής των οποίων είναι ο άξονας συμμετρίας. Το σχέδιο περίθλασης από έναν μόνο κρύσταλλο μπορεί να ληφθεί περιστρέφοντάς τον γύρω από έναν άξονα κάθετο προς την κατεύθυνση της προσπίπτουσας μονοχρωματικής δέσμης και παράλληλο στον κρυσταλλογραφικό άξονα, ο οποίος, κατά κανόνα, έχει μικρούς δείκτες.

Το σχέδιο περίθλασης θα έχει απλή εμφάνιση μόνο εάν ο άξονας περιστροφής είναι παράλληλος σε οποιαδήποτε κομβική σειρά του πλέγματος. Εάν η μεμβράνη τυλίγεται με τη μορφή κυλίνδρου, ο άξονας του οποίου συμπίπτει με τον άξονα περιστροφής του κρυστάλλου και η δέσμη κατευθύνεται κάθετα προς αυτόν τον άξονα (Εικ. 25, α), τότε επίπεδα παράλληλα προς τον άξονα της περιστροφής θα δώσει ένα σχέδιο περίθλασης με τη μορφή σημείων που βρίσκονται κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής που διέρχεται από το κεντρικό φιλμ και ονομάζεται γραμμή μηδενικού στρώματος του πρώτου είδους. Επίπεδα προσανατολισμένα λοξά σε σχέση με τον άξονα περιστροφής θα δώσουν αντανακλάσεις που σχηματίζουν γραμμές στρώματος που βρίσκονται πάνω και κάτω από το μηδέν (Εικ. 25, β). Από την απόσταση μεταξύ των γραμμών στρώματος του πρώτου είδους, μπορούμε να υπολογίσουμε τη μικρότερη απόσταση μεταξύ των ατόμων που βρίσκονται κατά μήκος της κρυσταλλογραφικής κατεύθυνσης, παράλληλα με τον άξοναπεριστροφή του κρυστάλλου.

Ρύζι. 25. Σχέδιο φωτογραφίας ακτίνων Χ χρησιμοποιώντας τη μέθοδο περιστροφής (hppt://bestreferat.ru): 1 - κύρια δέσμη. 2 - δείγμα (περιστρέφεται προς την κατεύθυνση του βέλους). 3 - κυλινδρική μεμβράνη. β - τυπική ακτινογραφία περιστροφής

Η κρυσταλλική δομή μιας ουσίας μπορεί επίσης να προσδιοριστεί από μοτίβα περίθλασης σκόνης που λαμβάνονται από πολυκρυσταλλικά αντικείμενα. Αυτή η μέθοδος δομικής μελέτης ακτίνων Χ ορυκτών ονομάζεται μέθοδος Debyegram. Δίνει ένα λιγότερο πλήρες δομικό χαρακτηριστικό του ορυκτού, αλλά ελλείψει μεγάλων και καλής ποιότηταςΟι μέθοδοι σκόνης μονοκρυστάλλου είναι πολύ χρήσιμες. Για τη μελέτη αυτής της μεθόδου, λαμβάνεται μια λεπτή σκόνη θρυμματισμένων κρυστάλλων, από την οποία κατασκευάζεται μια συμπιεσμένη στήλη ή συμπιεσμένες πλάκες. Τα θεμέλια αυτής της μεθόδου σχετίζονται με τη θέση ότι ένα πολυκρυσταλλικό αντικείμενο περιέχει πολλούς κρυστάλλους με διαφορετικό προσανατολισμό και είναι απαραίτητο να δημιουργηθούν συνθήκες για τον προσανατολισμό όσο το δυνατόν περισσότερων από αυτούς σε μια θέση που να ικανοποιεί την εξίσωση Wulff-Bragg, δηλ. αποκτήστε μέγιστες γωνίες και εντάσεις ανάκλασης (Εικ. 26, α). Η εικόνα των ανακλώμενων ακτίνων ονομάζεται Debyegram (Εικ. 26, β). Η ανάλυση των αποτελεσμάτων καταλήγει στη σύγκριση του Debyeogram ενός άγνωστου ορυκτού με εικόνες αναφοράς προτύπων.

Ρύζι. 26. Σχέδιο φωτογραφίας ακτίνων Χ με τη μέθοδο της σκόνης (hppt://roman.by): 1 - κύρια δέσμη. 2 - σκόνη ή πολυκρυσταλλικό δείγμα. 3 - φωτογραφικό φιλμ τυλιγμένο σε κύκλο. 4 - κώνοι περίθλασης. 5 - «τόξα» σε φωτογραφικό φιλμ που προκύπτουν όταν η επιφάνειά του τέμνεται με κώνους περίθλασης. β - τυπικό μοτίβο περίθλασης ακτίνων Χ σκόνης (Debyegram)

Οι προαναφερθείσες μέθοδοι φωτογράφησης ακτίνων Χ χαρακτηρίζονται από την καταγραφή των περιθλαμένων ακτίνων Χ σε φωτογραφικό φιλμ. Στα όργανα που ονομάζονται περιθλασίμετρα, οι δέσμες καταγράφονται από μετρητές που συνδέονται με μια ηλεκτρονική συσκευή εγγραφής. Το αποτέλεσμα της μελέτης μιας ουσίας με ένα περιθλασίμετρο είναι ένα σχέδιο περίθλασης (Εικ. 27), στο οποίο η οριζόντια θέση των κορυφών δείχνει τη γωνία και το ύψος τους χαρακτηρίζει την ένταση. Τα περιθλασίμετρα της σειράς DRON παράγονται στη Ρωσία.

Η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ, που πραγματοποιείται σε προηγμένο εξοπλισμό και χρησιμοποιώντας υψηλής ποιότητας υλικό αναφοράς για τον εντοπισμό παραμέτρων κρυσταλλικού πλέγματος, επιτρέπει:

• - προσδιορίστε τον τύπο ορυκτού.
• - Προσδιορίστε την ποικιλία ορυκτών. (τύπος κρυσταλλικού πλέγματος).
• - να προσδιορίσει τις δομικές ποικιλίες (υποτύπους).
• - να διαπιστωθεί η παρουσία δομικών τυπομορφικών χαρακτηριστικών.
• - να καθιερώσει και να πραγματοποιήσει ποσοτική αξιολόγηση των στοιχείων πρόσμειξης·
• - να αναγνωρίσουν τον βαθμό τάξης της δομής και την τελειότητά της.

Είναι μια μέθοδος για τη μελέτη της δομικής δομής των ουσιών. Βασίζεται στην περίθλαση μιας δέσμης ακτίνων Χ σε ειδικά τρισδιάστατα κρυσταλλικά πλέγματα. Στη μελέτη χρησιμοποιούν το οποίο είναι περίπου 1Α, που αντιστοιχεί στο μέγεθος ενός ατόμου. Πρέπει να ειπωθεί ότι η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ, μαζί με τη διάθλαση νετρονίων και ηλεκτρονίων, αναφέρεται σε μεθόδους περίθλασης για τον προσδιορισμό της δομής της υπό μελέτη ουσίας.

Βοηθά στη μελέτη της ατομικής δομής, των διαστημικών ομάδων, του μεγέθους και του σχήματός του, καθώς και της ομάδας συμμετρίας των κρυστάλλων. Με τη χρήση αυτής της τεχνικής μελετώνται τα μέταλλα και τα διάφορα κράματά τους, οργανικά και μη. οργανικές ενώσεις, ορυκτά, άμορφα υλικά, υγρά και αέρια. Σε ορισμένες περιπτώσεις, χρησιμοποιείται ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ πρωτεϊνών, νουκλεϊκά οξέακαι άλλες ουσίες.

Αυτή η ανάλυση βοηθά στον εντοπισμό ατομικών υλικών που έχουν σαφώς καθορισμένη δομή και είναι φυσικά στις ακτίνες Χ. Αξίζει να σημειωθεί ότι κατά τη μελέτη άλλων ουσιών, η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ απαιτεί την παρουσία κρυστάλλων, η οποία είναι μια σημαντική αλλά μάλλον περίπλοκη εργασία.

Ο Λάου ανακάλυψε θεωρητικές βάσειςπου αναπτύχθηκε από τους Wolfe και Bragg. Οι Debye και Scherrer πρότειναν τη χρήση των μοτίβων που ανακαλύφθηκαν στο ρόλο της ανάλυσης. Πρέπει να ειπωθεί ότι επί του παρόντος, η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ παραμένει μία από τις πιο κοινές μεθόδους για τον προσδιορισμό της δομής των ουσιών, καθώς είναι απλή στην εκτέλεση και δεν απαιτεί σημαντικό κόστος υλικού.

Καθιστά δυνατή τη μελέτη διαφόρων κατηγοριών ουσιών και η αξία των πληροφοριών που λαμβάνονται καθορίζει την εισαγωγή ολοένα καινούργιων τεχνικών. Έτσι, άρχισαν αρχικά να μελετούν χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση διατομικών φορέων και αργότερα αναπτύχθηκαν άμεσες μέθοδοι για τον προσδιορισμό της κρυσταλλικής δομής. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι πρώτες ουσίες που μελετήθηκαν με χρήση ακτίνων Χ ήταν το χλωριούχο νάτριο και το κάλιο.

Η μελέτη του χώρου ξεκίνησε τη δεκαετία του '30 του περασμένου αιώνα στη Μεγάλη Βρετανία. Τα δεδομένα που ελήφθησαν προκάλεσαν μοριακή βιολογία, που κατέστησε δυνατό τον εντοπισμό σημαντικών φυσικές και χημικές ιδιότητεςπρωτεϊνών, και επίσης δημιουργούν το πρώτο μοντέλο DNA.

Από τη δεκαετία του '50, οι μέθοδοι υπολογιστών για τη συγκέντρωση πληροφοριών που ελήφθησαν από τη δομική ανάλυση ακτίνων Χ άρχισαν να αναπτύσσονται ενεργά.

Σήμερα χρησιμοποιούνται σύγχροτρα. Είναι μονόχρωμες πηγές που χρησιμοποιούνται για την ακτινοβόληση κρυστάλλων. Αυτές οι συσκευές είναι πιο αποτελεσματικές χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ανώμαλης διασποράς πολλαπλών κυμάτων. Αξίζει να σημειωθεί ότι ισχύουν μόνο στην κυβέρνηση επιστημονικά κέντρα. Τα εργαστήρια χρησιμοποιούν λιγότερο ισχυρό εξοπλισμό, ο οποίος χρησιμεύει μόνο για τον έλεγχο της ποιότητας των κρυστάλλων, καθώς και για την απόκτηση πρόχειρη ανάλυσηουσίες.

Επί του παρόντος, η ανάλυση φάσης ακτίνων Χ (διάθλαση ακτίνων Χ, ή περίθλαση ακτίνων Χ) είναι η πιο κοινή μέθοδος ανάλυσης περίθλασης. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι μέθοδοι περίθλασης χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της δομής όχι μόνο στερεών κρυσταλλικών ουσιών, αλλά και υγρών και γυαλιών. Υγρά και ποτήρια στα οποία υπάρχει κάποια κυμαινόμενη στατιστική σειρά δομικά στοιχεία, χαρακτηρίζονται επίσης από ανομοιόμορφη διασπορά. Σε αυτή την περίπτωση, ο αριθμός και η ευκρίνεια των μεγίστων αυξάνονται καθώς η ουσία μεταβαίνει στην κρυσταλλική κατάσταση.

Η περίθλαση ακτίνων Χ βασίζεται στη λήψη και ανάλυση του σχεδίου περίθλασης που προκύπτει από την παρεμβολή των ακτίνων Χ που σκεδάζονται από ηλεκτρόνια των ατόμων του ακτινοβολούμενου αντικειμένου.

Το φαινόμενο της παρεμβολής των ακτίνων Χ που διασκορπίζονται από έναν κρύσταλλο οδηγεί στα ίδια αποτελέσματα με την κατοπτρική ανάκλαση των ακτίνων από τα ατομικά επίπεδα του κρυστάλλου στο Σχ. 4.5.

Ρύζι. 4.5. Αντανάκλαση ακτίνων Χ

από τα ατομικά επίπεδα του κρυστάλλου:

q – γωνία ολίσθησης (γωνία Bragg);

α είναι η γωνία πρόσπτωσης. ρε 1 , ρε 2 – διαεπίπεδες αποστάσεις

Οι ανακλώμενες ακτίνες διαδίδονται σε μία μόνο φάση (η ένταση αυξάνεται) εάν ικανοποιείται η εξίσωση Wulff–Bragg:

n∙ l = 2 ρε sinq,

Οπου n− σειρά προβληματισμού. l είναι το μήκος κύματος της δέσμης ακτίνων Χ. ρε– απόσταση μεταξύ των ατομικών επιπέδων του κρυστάλλου. q είναι η γωνία βόσκησης της δέσμης των ακτίνων.

Όταν αλλάζει η γωνία βόσκησης, όταν δεν τηρείται η εξίσωση Wulf–Bragg, οι ανακλώμενες ακτίνες διαδίδονται σε διαφορετικές φάσεις και αλληλοακυρώνονται.

Είναι προφανές ότι η μέγιστη ένταση των ανακλώμενων ακτίνων θα παρατηρηθεί σε διαφορετικές τιμές της γωνίας q για μια οικογένεια επίπεδων πλεγμάτων με διαφορετικές έννοιες ρε. Κάθε κρυσταλλική ουσία έχει ένα μεμονωμένο σύνολο οικογενειών επίπεδων δικτύων, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την ατομικότητα του σχεδίου περίθλασης, δηλαδή την κατανομή των εντάσεων ανάκλασης ανάλογα με την τιμή της γωνίας q. Επομένως, το σχέδιο περίθλασης καταγράφεται σε συντεταγμένες εγώ− q (ένταση ανακλώμενων ακτίνων − γωνία βόσκησης).

Για να ληφθεί μια δέσμη ακτίνων Χ, χρησιμοποιούνται σωλήνες ακτίνων Χ (Εικ. 4.6), στους οποίους οι ακτίνες Χ προκύπτουν ως αποτέλεσμα της επιβράδυνσης των ηλεκτρονίων σε μια μεταλλική άνοδο. Μια ροή ηλεκτρονίων που εκπέμπεται από ένα νήμα βολφραμίου και επιταχύνεται σε πεδίο τάσης 30 kV βομβαρδίζει έναν μεταλλικό στόχο - την άνοδο του σωλήνα ακτίνων Χ (από χαλκό, κοβάλτιο ή σίδηρο). Η ενέργεια των πρωτογενών ηλεκτρονίων είναι αρκετή για να εξουδετερώσει ένα ηλεκτρόνιο 1−S ( Κ− κέλυφος χαλκού, Εικ. 4.7).

Ρύζι. 4.6. Διάγραμμα σωλήνα ακτίνων Χ:

1 – άνοδος; 2 – νήμα βολφραμίου; 3 − παράθυρο

από αλουμινόχαρτο Ni? 4 - Ακτινογραφία

Ρύζι. 4.7. Εμφάνιση ακτινοβολίας CuK

Τα ηλεκτρόνια από τα εξωτερικά τροχιακά μετακινούνται αμέσως στον κενό χώρο, δηλαδή στο εσωτερικό επίπεδο 1s. Η ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτή τη διαδικασία εκπέμπεται με τη μορφή ακτίνων Χ. Η ενέργεια μιας τέτοιας μετάβασης είναι μια αυστηρά σταθερή τιμή.

Για τον χαλκό, είναι δυνατοί δύο τύποι μεταπτώσεων: 2p ® 1s (ακτινοβολία K a, l = 1,5418 Å) και 3p ® 1s (ακτινοβολία Kb, l = 1,3922 Å). Οι μεταβάσεις του πρώτου τύπου συμβαίνουν πολύ πιο συχνά, επομένως η ακτινοβολία K a είναι πιο έντονη. Για την κύρια δέσμη ακτίνων Χ, είναι επιθυμητό να φιλτράρονται οι ακτίνες με άλλα μήκη κύματος, αφήνοντας μόνο την ακτινοβολία Ka. Για τους σκοπούς αυτούς, το φύλλο Ni-foil χρησιμοποιείται για να εμποδίσει την ακτινοβολία Kb.

Για μια άνοδο σιδήρου, η ακτινοβολία K a αντιστοιχεί σε μήκος κύματος 0,1936 nm.

Υπάρχουν τρεις κλασικές μέθοδοι για τη λήψη του φαινομένου περίθλασης από έναν κρύσταλλο:

1) πολυχρωματική μέθοδος (μέθοδος Laue), που βασίζεται στη χρήση ενός συνεχούς φάσματος ακτινοβολίας ακτίνων Χ.

2) η περιστρεφόμενη μέθοδος μονοκρυστάλλου, που βασίζεται στη χρήση μονοχρωματικής ακτινοβολίας.

3) μέθοδος σκόνης (μέθοδος Debye - Scherrer), στην οποία οι συνθήκες περίθλασης της μονοχρωματικής ακτινοβολίας ακτίνων Χ προσδιορίζονται από μεγάλο αριθμό διαφορετικών προσανατολισμένων συστημάτων επιπέδων.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στις μεθόδους 1 και 2 είναι απαραίτητη η χρήση ενός μόνο κρυσταλλικού δείγματος της υπό μελέτη ουσίας. Εφόσον στην πραγματικότητα λαμβάνονται πιο συχνά ουσίες με πολυκρυσταλλική δομή, η μέθοδος 3 γίνεται ιδιαίτερα σημαντική από πρακτική άποψη.

Για την καταγραφή του σχεδίου περίθλασης και της γωνίας περίθλασης στη μέθοδο της σκόνης, χρησιμοποιούνται επί του παρόντος διάφοροι τύποι βολής, τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα περιθλασίμετρα είναι η μάρκα DRON. γενικό σχέδιοπου φαίνεται στο Σχ. 4.8.

Ρύζι. 4.8. Διάγραμμα περιθλασίμετρου:

1 – σωλήνας ακτίνων Χ. 2 – διάφραγμα;

3 – δείγμα; 4 – γωνιόμετρο; 5 – μετρητής;

6 – κύκλος αντίθετης κίνησης

Το δείγμα βρίσκεται στο κέντρο ενός κύκλου σταθερής ακτίνας κατά μήκος του οποίου κινείται ο μετρητής. Σε αυτή την περίπτωση, το δείγμα περιστρέφεται ταυτόχρονα με τον μετρητή. Η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του μετρητή είναι διπλάσια γωνιακή ταχύτηταπεριστροφή του δείγματος. Έτσι, εάν το δείγμα περιστρέφεται κατά μια ορισμένη γωνία q, τότε η γωνία περιστροφής του μετρητή είναι 2q. Η ακτινοβολία ακτίνων Χ, που ανακλάται από το δείγμα, εισέρχεται στον μετρητή, όπου μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα (ο μετρητής Geiger-Müller χρησιμοποιεί την ικανότητα των ακτίνων Χ να ιονίζουν αέριο). Η ακτινογραφία καταγράφεται σε συντεταγμένες I − 2q. Για παράδειγμα, παρακάτω είναι ένα σχέδιο περίθλασης ακτίνων Χ χαλαζία χαμηλής θερμοκρασίας (Εικ. 4.9).

Ρύζι. 4.9. Μοτίβο περίθλασης ακτίνων Χ χαλαζία χαμηλής θερμοκρασίας

Με βάση τη φύση των προβλημάτων που επιλύονται, διακρίνονται δύο τύποι ανάλυσης ακτίνων Χ:

− Ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ (XRD), σχεδιασμένη για τον προσδιορισμό παραμέτρων και ποιοτικά χαρακτηριστικάκρυσταλλικό πλέγμα της αναλυόμενης ουσίας.

− Ανάλυση φάσης ακτίνων Χ (XRF), η οποία συνίσταται στον προσδιορισμό της ύπαρξης φάσεων (ποιοτική ανάλυση) και του σχετικού περιεχομένου τους στο αναλυόμενο δείγμα (ποσοτική ανάλυση).

Ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ.Κατά τη μελέτη της δομής μιας κρυσταλλικής ουσίας, προκύπτουν τα ακόλουθα προβλήματα:

− προσδιορισμός του μεγέθους και του σχήματος της μονάδας κυψέλης του κρυσταλλικού πλέγματος και, κατά συνέπεια, του αριθμού των ατόμων ανά κύτταρο.

− προσδιορισμός της ειδικής θέσης (συντεταγμένης) κάθε συμμετρικά ανεξάρτητου ατόμου του κυττάρου.

− προσδιορισμός σταθερών θερμικής δόνησης ατόμων και κατανομής της πυκνότητας ηλεκτρονίων στα άτομα και μεταξύ τους.

Η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ είναι μια από τις πιο κατατοπιστικές μεθόδους για τη μελέτη κρυσταλλικών ουσιών.

Ανάλυση φάσης ακτίνων Χ.Τα περισσότερα υλικά αποτελούνται από διάφορες φάσεις. Η αποκρυπτογράφηση της ποιοτικής σύνθεσης φάσεων και η ποσοτική αναλογία των διαφορετικών φάσεων, ο προσδιορισμός του τύπου και της κατάστασης των στερεών διαλυμάτων, η πιθανή μέγιστη συγκέντρωσή τους είναι οι πιο κοινές εργασίες επιστήμης υλικών της ανάλυσης φάσης ακτίνων Χ.

Γενικά, η ανάλυση φάσης ακτίνων Χ βασίζεται σε δύο αρχές:

− κάθε φάση παράγει ένα σύνολο γραμμών περίθλασης μοναδικές για αυτήν (ανεξάρτητα από την παρουσία άλλων φάσεων).

− η ένταση των γραμμών είναι ανάλογη με το περιεχόμενο φάσης.

Ένα χαρακτηριστικό της ανάλυσης είναι η ευαισθησία της - η ελάχιστη ποσότητα ουσίας στην οποία είναι ακόμα ορατή η ισχυρότερη γραμμή (αναφοράς). Σε γενικές γραμμές, η ευαισθησία του XRF δεν υπερβαίνει τα λίγα τοις εκατό, για παράδειγμα, για τα ορυκτά κλίνκερ είναι 2−3%.

Ένα σχέδιο περίθλασης ακτίνων Χ ενός πολυφασικού συστήματος είναι το αποτέλεσμα της υπέρθεσης μοτίβων περίθλασης ακτίνων Χ μεμονωμένων φάσεων. Εάν το περιεχόμενο φάσης είναι χαμηλό, θα αντιπροσωπεύεται μόνο από έναν περιορισμένο αριθμό από τις πιο έντονες γραμμές.

Η ερμηνεία των ακτινογραφιών συνίσταται στον προσδιορισμό των τιμών των διαεπίπεδων αποστάσεων ρεαπό μέγιστα περίθλασης και συγκριτική ένταση της τελευταίας εγώ.

Για τον υπολογισμό των τιμών των διαεπίπεδων αποστάσεων, καθορίζεται η ακριβής τιμή των γωνιών (2q) για τις κορυφές περίθλασης (με βάση το μέγιστο τους) και η τιμή της διαεπίπεδης απόστασης προσδιορίζεται από τους αντίστοιχους πίνακες ρε. Στη συνέχεια συγκρίνεται η αντιστοιχία ενός συνόλου αντανακλαστικών που είναι κοντά σε αξία ρεΚαι εγώαναφορά. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των ανακλάσεων που αντιστοιχούν σε αυτό στο μοτίβο περίθλασης ακτίνων Χ, τόσο μεγαλύτερη είναι η αξιοπιστία της αναγνώρισης μιας κρυσταλλικής φάσης. Συνήθως μπορεί κανείς να πει με σιγουριά για την παρουσία μιας συγκεκριμένης φάσης εάν υπάρχουν τουλάχιστον τρία αντανακλαστικά που αντιστοιχούν σε αυτήν.

Η αναζήτηση και η αναγνώριση των φάσεων πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας το ευρετήριο κάρτας ASTM - ICPDS χρησιμοποιώντας ένα αρχείο PDF περίθλασης σκόνης. Επί του παρόντος, η βάση δεδομένων υπολογιστή ICDD χρησιμοποιείται επίσης ευρέως για ανάλυση φάσης ακτίνων Χ.

Η ποσοτική ανάλυση φάσης ακτίνων Χ βασίζεται στη σύγκριση της έντασης των γραμμών των καθορισμένων φάσεων μεταξύ τους ή με την ένταση της γραμμής ενός δείγματος αναφοράς που λαμβάνεται σε ένα σχέδιο περίθλασης ακτίνων Χ χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ανάμειξης ενός προτύπου ή μέθοδο ενός ανεξάρτητου προτύπου.

Σε αυτή την περίπτωση, στην περίπτωση της ποσοτικής ανάλυσης, είναι απαραίτητο να μετρηθεί η ένταση της γραμμής όσο το δυνατόν ακριβέστερα, ειδικά για μια φάση της οποίας η ποσότητα είναι μικρή.

Δομική ανάλυση ακτίνων Χ

μέθοδοι για τη μελέτη της δομής της ύλης με τη χωρική κατανομή και τις εντάσεις της ακτινοβολίας ακτίνων Χ που είναι διάσπαρτες στο αναλυόμενο αντικείμενο. R.s. ΕΝΑ. μαζί με την ουδετρονογραφία (Βλ. βασίζεται στην αλληλεπίδραση των ακτίνων Χ με τα ηλεκτρόνια μιας ουσίας, η οποία οδηγεί σε περίθλαση ακτίνων Χ. Το σχέδιο περίθλασης εξαρτάται από το μήκος κύματος των ακτίνων Χ που χρησιμοποιούνται (Δείτε ακτίνες Χ) και τη δομή του αντικειμένου. Για τη μελέτη της ατομικής δομής, χρησιμοποιείται ακτινοβολία με μήκος κύματος δομικής ανάλυσης ακτίνων Χ 1 Α, δηλ. με τη σειρά των μεγεθών των ατόμων. Χρησιμοποιώντας τις μεθόδους του R. s. ΕΝΑ. μελετούν μέταλλα, κράματα, μέταλλα, ανόργανες και οργανικές ενώσεις, πολυμερή, άμορφα υλικά, υγρά και αέρια, μόρια πρωτεϊνών, νουκλεϊκά οξέα κ.λπ. Το πιο επιτυχημένο R. s. ΕΝΑ. χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ατομικής δομής κρυσταλλικά σώματα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι Κρύσταλλοι έχουν αυστηρή περιοδικότητα δομής και δημιουργούνται από την ίδια τη φύση. πλέγμα περίθλασηςγια ακτινογραφίες.

Ιστορικές πληροφορίες.Η περίθλαση ακτίνων Χ από κρυστάλλους ανακαλύφθηκε το 1912 από τους Γερμανούς φυσικούς M. Laue, W. Friedrich και P. Knipping. Κατευθύνοντας μια στενή δέσμη ακτίνων Χ σε έναν ακίνητο κρύσταλλο, κατέγραψαν ένα μοτίβο περίθλασης σε μια φωτογραφική πλάκα που τοποθετήθηκε πίσω από τον κρύσταλλο, η οποία αποτελούνταν από μεγάλο αριθμό κανονικά τοποθετημένων κηλίδων. , Κάθε κηλίδα είναι ένα ίχνος μιας δέσμης περίθλασης που διασκορπίζεται από έναν κρύσταλλο. ακτινογραφία που λαμβάνεται με αυτή τη μέθοδο ονομάζεται Lauegram (Βλ. Lauegram) ( ).

ρύζι. 1 Η θεωρία της περίθλασης ακτίνων Χ από κρυστάλλους που αναπτύχθηκε από τον Laue κατέστησε δυνατή τη συσχέτιση του μήκους κύματος λ της ακτινοβολίας και των παραμέτρων της μονάδας κυψέλης του κρυστάλλουα, β, γ , (βλ. Κρυσταλλικό πλέγμα)

γωνίες πρόσπτωσης (α 0, β 0, γ 0) και περίθλασης (α, β, γ) ακτίνων με τους λόγους:ένα (cosα- cosα 0) =λ ,

ησι (cosβ - cosβ 0) =κ

λ, (1)ντο (cosγ - cosγ 0) =λ ,

μεγάλο

Στη δεκαετία του '50 Οι μέθοδοι του R. άρχισαν να αναπτύσσονται γρήγορα. ΕΝΑ. χρησιμοποιώντας υπολογιστή σε πειραματικές τεχνικές και στην επεξεργασία πληροφοριών περίθλασης ακτίνων Χ.Για τη δημιουργία συνθηκών περίθλασης και καταγραφής της ακτινοβολίας, χρησιμοποιούνται κάμερες ακτίνων Χ (Βλέπε κάμερα ακτίνων Χ) και περιθλασίμετρα ακτίνων Χ (βλέπε περιθλασίμετρο ακτίνων Χ). Η διάσπαρτη ακτινοβολία ακτίνων Χ σε αυτά καταγράφεται σε φωτογραφικό φιλμ ή μετράται από ανιχνευτές πυρηνικής ακτινοβολίας (Βλ. Ανιχνευτές πυρηνικής ακτινοβολίας). Ανάλογα με την κατάσταση του υπό μελέτη δείγματος και τις ιδιότητές του, καθώς και με τη φύση και τον όγκο των πληροφοριών που πρέπει να ληφθούν, διάφορες μεθόδους R.s. ΕΝΑ. Οι μονοκρυστάλλοι που επιλέγονται για τη μελέτη της ατομικής δομής πρέπει να έχουν διαστάσεις δομική ανάλυση ακτίνων Χ 0,1 mmκαι, αν είναι δυνατόν, να έχουν τέλεια δομή. Η μελέτη των ελαττωμάτων σε σχετικά μεγάλους, σχεδόν τέλειους κρυστάλλους πραγματοποιείται με τοπογραφία ακτίνων Χ, η οποία μερικές φορές αναφέρεται ως τοπογραφία ακτίνων Χ. ΕΝΑ.

Μέθοδος Laue - απλούστερη μέθοδοςλήψη μοτίβων ακτίνων Χ από μονοκρυστάλλους. Ο κρύσταλλος στο πείραμα του Laue είναι ακίνητος και η ακτινοβολία ακτίνων Χ που χρησιμοποιείται έχει συνεχές φάσμα. Θέση των σημείων περίθλασης στα Lauegrams ( που λαμβάνεται με αυτή τη μέθοδο ονομάζεται Lauegram (Βλ. Lauegram) ( ) εξαρτάται από τη συμμετρία του κρυστάλλου (Βλ. Συμμετρία κρυστάλλων) και τον προσανατολισμό του σε σχέση με την προσπίπτουσα δέσμη. Η μέθοδος Laue καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό του αν ο υπό μελέτη κρύσταλλος ανήκει σε μία ή 11 ομάδες συμμετρίας Laue και τον προσανατολισμό του (δηλαδή τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης των κρυσταλλογραφικών αξόνων) με ακρίβεια αρκετών λεπτών τόξου. Από τη φύση των κηλίδων στα Lauegrams και ιδιαίτερα την εμφάνιση του Asterism a, μπορεί κανείς να αναγνωρίσει εσωτερικές πιέσειςκαι κάποια άλλα ελαττώματα στην κρυσταλλική δομή. Η μέθοδος Laue χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ποιότητας των μονοκρυστάλλων κατά την επιλογή ενός δείγματος για μια πληρέστερη δομική μελέτη.

Οι μέθοδοι ταλάντωσης και περιστροφής δειγμάτων χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των περιόδων επαναληψιμότητας (σταθερά πλέγματος) κατά μήκος της κρυσταλλογραφικής κατεύθυνσης σε έναν μόνο κρύσταλλο. Επιτρέπουν, ειδικότερα, τον καθορισμό παραμέτρων ΕΝΑ, β, γμοναδιαίο κύτταρο ενός κρυστάλλου. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί μονοχρωματικές ακτίνες Χ και προκαλεί δόνηση του δείγματος ή περιστροφική κίνησηγύρω από έναν άξονα που συμπίπτει με την κρυσταλλογραφική κατεύθυνση κατά μήκος της οποίας μελετάται η περίοδος επαναληψιμότητας. Κηλίδες σε ταλαντευόμενες και περιστρεφόμενες ακτινογραφίες που λαμβάνονται σε κυλινδρικές κασέτες βρίσκονται σε μια οικογένεια παράλληλων γραμμών. Οι αποστάσεις μεταξύ αυτών των γραμμών, το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και η διάμετρος της κασέτας της κάμερας ακτίνων Χ καθιστούν δυνατό τον υπολογισμό της απαιτούμενης περιόδου επαναληψιμότητας στον κρύσταλλο. Οι συνθήκες Laue για τις δέσμες περίθλασης σε αυτή τη μέθοδο ικανοποιούνται αλλάζοντας τις γωνίες που περιλαμβάνονται στις σχέσεις (1) κατά την ταλάντωση ή την περιστροφή του δείγματος.

Γωνιομετρικές μέθοδοι ακτίνων Χ. Για πλήρη μελέτη της δομής ενός μόνο κρυστάλλου με χρήση μεθόδων ακτίνων Χ. ΕΝΑ. είναι απαραίτητο όχι μόνο να καθιερωθεί η θέση, αλλά και να μετρηθούν όσο το δυνατόν περισσότερο οι εντάσεις περισσότεροανακλάσεις περίθλασης που μπορούν να ληφθούν από έναν κρύσταλλο σε δεδομένο μήκος κύματος ακτινοβολίας και όλους τους πιθανούς προσανατολισμούς του δείγματος. Για να γίνει αυτό, το μοτίβο περίθλασης καταγράφεται σε φωτογραφικό φιλμ σε γωνιόμετρο ακτίνων Χ (Βλ. γωνιόμετρο ακτίνων Χ) και μετράται χρησιμοποιώντας μικροφωτόμετρο. ο βαθμός μαυρίσματος κάθε σημείου στην ακτινογραφία. Σε ένα περιθλασίμετρο ακτίνων Χ (Δείτε περιθλασίμετρο ακτίνων Χ), μπορείτε να μετρήσετε απευθείας την ένταση των ανακλάσεων περίθλασης χρησιμοποιώντας αναλογικούς, σπινθηρισμούς και άλλους κβαντικούς μετρητές ακτίνων Χ. Για να έχουμε ένα πλήρες σύνολο αντανακλάσεων, λαμβάνεται μια σειρά ακτινογραφιών σε γωνιόμετρα ακτίνων Χ. Σε καθένα από αυτά καταγράφονται ανακλάσεις περίθλασης, οι δείκτες Miller των οποίων υπόκεινται σε ορισμένους περιορισμούς (για παράδειγμα, ανακλάσεις του τύπου hk 0, hk 1 και τα λοιπά.). Το πιο συχνά εκτελούμενο γωνιομετρικό πείραμα ακτίνων Χ είναι η μέθοδος Weissenberg. Μπέργκερ ( ρύζι. 2 ) και de Jonga-Bowman. Οι ίδιες πληροφορίες μπορούν να ληφθούν χρησιμοποιώντας ακτινογραφίες ταλάντωσης.

Για να δημιουργηθεί μια ατομική δομή μέσης πολυπλοκότητας (δομική ανάλυση ακτίνων Χ 50-100 ατόμων σε μια μονάδα κυψέλης), είναι απαραίτητο να μετρηθούν οι εντάσεις αρκετών εκατοντάδων, ακόμη και χιλιάδων ανακλάσεων περίθλασης. Αυτή η πολύ κοπιαστική και επίπονη εργασία εκτελείται με αυτόματα μικροπυκνόμετρα και περιθλασίμετρα ελεγχόμενα από υπολογιστή, μερικές φορές για αρκετές εβδομάδες ή και μήνες (για παράδειγμα, όταν αναλύονται οι δομές πρωτεΐνης, όταν ο αριθμός των ανακλάσεων αυξάνεται σε εκατοντάδες χιλιάδες). Χρησιμοποιώντας πολλούς μετρητές σε ένα περιθλασίμετρο που μπορεί ταυτόχρονα να καταγράφει αντανακλάσεις, ο χρόνος του πειράματος μπορεί να μειωθεί σημαντικά. Οι περιθλασιμετρικές μετρήσεις είναι ανώτερες από τη φωτοεγγραφή σε ευαισθησία και ακρίβεια.

Μέθοδος μελέτης πολυκρυστάλλων (μέθοδος Debye - Scherrer). Τα μέταλλα, τα κράματα και οι κρυσταλλικές σκόνες αποτελούνται από πολλούς μικρούς μονοκρυστάλλους μιας δεδομένης ουσίας. Για τη μελέτη τους χρησιμοποιείται μονοχρωματική ακτινοβολία. Ένα μοτίβο ακτίνων Χ (μοτίβο Debye) πολυκρυστάλλων αποτελείται από πολλούς ομόκεντρους δακτυλίους, σε καθέναν από τους οποίους συγχωνεύονται αντανακλάσεις από ένα συγκεκριμένο σύστημα επιπέδων διαφορετικών προσανατολισμένων μονοκρυστάλλων. Debyegrams διαφόρων ουσιών έχουν ατομικό χαρακτήρακαι χρησιμοποιούνται ευρέως για την αναγνώριση ενώσεων (συμπεριλαμβανομένων των μιγμάτων). R.s.a. Οι πολυκρυστάλλοι καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό της σύνθεσης φάσης των δειγμάτων, τον καθορισμό των μεγεθών και του προτιμησιακού προσανατολισμού (υφή) των κόκκων σε μια ουσία, την παρακολούθηση των τάσεων στο δείγμα και την επίλυση άλλων τεχνικών προβλημάτων.

Μελέτη άμορφων υλικών και μερικώς διατεταγμένων αντικειμένων. Ένα καθαρό μοτίβο ακτίνων Χ με αιχμηρά μέγιστα περίθλασης μπορεί να ληφθεί μόνο με πλήρη τρισδιάστατη περιοδικότητα του δείγματος. Όσο χαμηλότερος είναι ο βαθμός παραγγελίας ατομική δομήυλικό, τόσο πιο θολή και διάχυτη έχει η ακτινοβολία ακτίνων Χ που διαχέει. Διάμετρος διάχυτου δακτυλίου στην ακτινογραφία άμορφη ουσίαμπορεί να χρησιμεύσει για μια πρόχειρη εκτίμηση των μέσων διατομικών αποστάσεων σε αυτό. Με την αύξηση του βαθμού τάξης (βλ. Τάξη μεγάλης εμβέλειας και τάξη μικρής εμβέλειας) στη δομή των αντικειμένων, το μοτίβο περίθλασης γίνεται πιο περίπλοκο και, επομένως, περιέχει περισσότερες δομικές πληροφορίες.

Η μέθοδος σκέδασης μικρής γωνίας καθιστά δυνατή τη μελέτη χωρικών ανομοιογενειών της ύλης των οποίων οι διαστάσεις υπερβαίνουν τις διατομικές αποστάσεις, δηλ. κυμαίνονται από 5-10 Å έως δομική ανάλυση ακτίνων Χ 10.000 Å. Σε αυτή την περίπτωση, η διάσπαρτη ακτινοβολία ακτίνων Χ συγκεντρώνεται κοντά στην κύρια δέσμη - στην περιοχή των μικρών γωνιών σκέδασης. Η σκέδαση μικρής γωνίας χρησιμοποιείται για τη μελέτη πορωδών και λεπτώς διασκορπισμένων υλικών, κραμάτων και πολύπλοκων βιολογικών αντικειμένων: ιοί, κυτταρικές μεμβράνες, χρωμοσώματα. Για απομονωμένα μόρια πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων, η μέθοδος επιτρέπει σε κάποιον να προσδιορίσει το σχήμα, το μέγεθός τους, μοριακό βάρος; σε ιούς - η φύση της αμοιβαίας διάταξης των συστατικών τους: πρωτεΐνη, νουκλεϊκά οξέα, λιπίδια. σε συνθετικά πολυμερή - συσκευασία αλυσίδων πολυμερών. σε σκόνες και ροφητές - κατανομή μεγέθους σωματιδίων και πόρων. σε κράματα - η εμφάνιση και το μέγεθος των φάσεων. σε υφές (ιδίως σε υγρούς κρυστάλλους) - η μορφή συσκευασίας σωματιδίων (μόρια) σε διάφορα είδη υπερμοριακών δομών. Η μέθοδος ακτίνων Χ μικρής γωνίας χρησιμοποιείται επίσης στη βιομηχανία για την παρακολούθηση των διαδικασιών παραγωγής καταλυτών, άνθρακα υψηλής διασποράς κ.λπ. Ανάλογα με τη δομή του αντικειμένου, γίνονται μετρήσεις για γωνίες σκέδασης από κλάσματα του λεπτού έως πολλές μοίρες.

Προσδιορισμός ατομικής δομής από δεδομένα περίθλασης ακτίνων Χ.Η αποκρυπτογράφηση της ατομικής δομής ενός κρυστάλλου περιλαμβάνει: τον καθορισμό του μεγέθους και του σχήματος της μονάδας κυψέλης. προσδιορισμός εάν ένας κρύσταλλος ανήκει σε μία από τις 230 ομάδες κρυσταλλικής συμμετρίας Fedorov (ανακαλύφθηκε από τον E. S. Fedorov (Βλ. Fedorov)) (Βλ. Συμμετρία κρυστάλλου). λαμβάνοντας τις συντεταγμένες των βασικών ατόμων της δομής. Το πρώτο και εν μέρει το δεύτερο πρόβλημα μπορούν να λυθούν χρησιμοποιώντας μεθόδους Laue και λικνίζοντας ή περιστρέφοντας τον κρύσταλλο. Είναι δυνατό να καθοριστεί τελικά η ομάδα συμμετρίας και οι συντεταγμένες των βασικών ατόμων σύνθετων δομών μόνο με τη βοήθεια σύνθετης ανάλυσης και μαθηματικής επεξεργασίας έντασης εργασίας των τιμών έντασης όλων των ανακλάσεων περίθλασης από έναν δεδομένο κρύσταλλο. Ο απώτερος στόχος μιας τέτοιας επεξεργασίας είναι να υπολογιστούν, από πειραματικά δεδομένα, οι τιμές πυκνότητας ηλεκτρονίων ρ( x, y, z) σε οποιοδήποτε σημείο της κρυσταλλικής κυψέλης με συντεταγμένες x, y, z.Η περιοδικότητα της κρυσταλλικής δομής μας επιτρέπει να καταγράψουμε την πυκνότητα ηλεκτρονίων σε αυτήν μέσω της σειράς Fourier :

Οπου V-όγκος μονάδας κυψέλης, F hkl -Συντελεστές Fourier, οι οποίοι στο R.s. ΕΝΑ. ονομάζονται δομικά πλάτη, εγώ= hkl και σχετίζεται με την ανάκλαση περίθλασης, η οποία καθορίζεται από τις συνθήκες (1). Ο σκοπός της άθροισης (2) είναι να συλλέξει μαθηματικά τις ανακλάσεις περίθλασης ακτίνων Χ για να παράγει μια εικόνα της ατομικής δομής. Με αυτόν τον τρόπο, συνθέστε την εικόνα σε R.S. ΕΝΑ. Αυτό οφείλεται στην απουσία στη φύση φακών για ακτινοβολία ακτίνων Χ (στην οπτική του ορατού φωτός χρησιμοποιείται ένας συλλεκτικός φακός για αυτό).

Η ανάκλαση περίθλασης είναι μια διαδικασία κυμάτων. Χαρακτηρίζεται από πλάτος ίσο με ∣ F hkl∣ και φάση α hkl(μετατόπιση φάσης του ανακλώμενου κύματος σε σχέση με το προσπίπτον), μέσω της οποίας εκφράζεται το δομικό πλάτος: F hkl=∣F hkl∣(cosα hkl +εγώ sina hkl). Ένα πείραμα περίθλασης επιτρέπει σε κάποιον να μετρήσει μόνο τις εντάσεις ανάκλασης ανάλογες του ∣ F hkl∣ 2, αλλά όχι οι φάσεις τους. Ο προσδιορισμός των φάσεων είναι το κύριο πρόβλημα στην αποκρυπτογράφηση της κρυσταλλικής δομής. Ο προσδιορισμός των φάσεων των δομικών πλατών είναι ουσιαστικά ο ίδιος και για τους κρυστάλλους που αποτελούνται από άτομα και για τους κρυστάλλους που αποτελούνται από μόρια. Έχοντας καθορίσει τις συντεταγμένες των ατόμων σε μια μοριακή κρυσταλλική ουσία, είναι δυνατό να απομονωθούν τα συστατικά της μόρια και να προσδιοριστεί το μέγεθος και το σχήμα τους.

Το αντίστροφο πρόβλημα της δομικής αποκωδικοποίησης λύνεται εύκολα: υπολογισμός με χρήση ενός γνωστού ατομική δομήδομικά πλάτη, και με βάση αυτά - τις εντάσεις των ανακλάσεων περίθλασης. Η μέθοδος δοκιμής και λάθους, ιστορικά η πρώτη μέθοδος αποκρυπτογράφησης δομών, συνίσταται στη σύγκριση πειραματικά ∣ F hkl∣ exp, με τιμές που υπολογίζονται με βάση το δοκιμαστικό μοντέλο ∣ F hkl∣ υπολ. Ανάλογα με το μέγεθος του παράγοντα απόκλισης

Ένας θεμελιωδώς νέος τρόπος για την αποκρυπτογράφηση των ατομικών δομών των μονοκρυστάλλων άνοιξε με τη χρήση του λεγόμενου. Συναρτήσεις Paterson (συναρτήσεις διατομικών διανυσμάτων). Για την κατασκευή της συνάρτησης Paterson κάποιας δομής που αποτελείται από Νάτομα, το μετακινούμε παράλληλα με τον εαυτό του, έτσι ώστε το πρώτο άτομο να χτυπήσει πρώτα τη σταθερή αρχή. Τα διανύσματα από την αρχή σε όλα τα άτομα της δομής (συμπεριλαμβανομένου ενός διανύσματος μηδενικού μήκους μέχρι το πρώτο άτομο) θα υποδεικνύουν τη θέση Νμέγιστα της συνάρτησης διατομικών διανυσμάτων, το σύνολο των οποίων ονομάζεται εικόνα της δομής στο άτομο 1. Ας προσθέσουμε περισσότερα σε αυτά Νμέγιστα, η θέση των οποίων θα υποδεικνύει Νδιανύσματα από το δεύτερο άτομο που τοποθετούνται κατά την παράλληλη μεταφορά της δομής στην ίδια αρχή. Έχοντας κάνει αυτή τη διαδικασία με όλους Νάτομα ( ρύζι. 3 ), θα πάρουμε Ν 2φορείς. Η συνάρτηση που περιγράφει τη θέση τους είναι η συνάρτηση Paterson.

Για τη λειτουργία Paterson R(u, υ, ω) (u, υ, ω -συντεταγμένες σημείων στο χώρο των διατομικών διανυσμάτων) μπορούμε να λάβουμε την έκφραση:

από το οποίο προκύπτει ότι προσδιορίζεται από τα συντελεστές των δομικών πλατών, δεν εξαρτάται από τις φάσεις τους και, επομένως, μπορεί να υπολογιστεί απευθείας από τα δεδομένα του πειράματος περίθλασης. Δυσκολία στην ερμηνεία μιας συνάρτησης R(u, υ, ω) συνίσταται στην ανάγκη εύρεσης των συντεταγμένων Νάτομα από Ν 2αυτήν μέγιστα, πολλά από τα οποία συγχωνεύονται λόγω επικαλύψεων που προκύπτουν κατά την κατασκευή της συνάρτησης διατομικών διανυσμάτων. Το πιο εύκολο στην αποκρυπτογράφηση R(u, υ, ω) την περίπτωση που η δομή περιέχει ένα βαρύ άτομο και πολλά ελαφριά. Η εικόνα μιας τέτοιας δομής σε ένα βαρύ άτομο θα διαφέρει σημαντικά από τις άλλες εικόνες της. Μεταξύ των διαφόρων μεθόδων που καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό του μοντέλου της υπό μελέτη δομής χρησιμοποιώντας τη συνάρτηση Paterson, οι πιο αποτελεσματικές ήταν οι λεγόμενες μέθοδοι υπέρθεσης, οι οποίες κατέστησαν δυνατή την επισημοποίηση της ανάλυσής της και την εκτέλεση της σε υπολογιστή.

Οι μέθοδοι λειτουργίας Paterson αντιμετωπίζουν σοβαρές δυσκολίες όταν μελετούν τις δομές των κρυστάλλων που αποτελούνται από άτομα που είναι πανομοιότυπα ή κοντά σε ατομικό αριθμό. Σε αυτή την περίπτωση, οι λεγόμενες άμεσες μέθοδοι για τον προσδιορισμό των φάσεων των δομικών πλατών αποδείχθηκαν πιο αποτελεσματικές. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η τιμή της πυκνότητας ηλεκτρονίων σε έναν κρύσταλλο είναι πάντα θετική (ή ίση με μηδέν), είναι δυνατόν να ληφθεί ένας μεγάλος αριθμός ανισώσεων που διέπουν τους συντελεστές Fourier (δομικά πλάτη) της συνάρτησης ρ( x, y, z). Χρησιμοποιώντας μεθόδους ανισότητας, μπορεί κανείς σχετικά εύκολα να αναλύσει δομές που περιέχουν έως και 20-40 άτομα σε ένα μοναδιαίο στοιχείο ενός κρυστάλλου. Για πιο σύνθετες δομές, χρησιμοποιούνται μέθοδοι που βασίζονται σε μια πιθανολογική προσέγγιση του προβλήματος: τα δομικά πλάτη και οι φάσεις τους θεωρούνται ως τυχαίες μεταβλητές. Από φυσικές έννοιες, οι συναρτήσεις κατανομής αυτών τυχαίες μεταβλητές, που καθιστούν δυνατή την εκτίμηση των πιο πιθανών τιμών φάσης, λαμβάνοντας υπόψη τις πειραματικές τιμές των συντελεστών των δομικών πλατών. Αυτές οι μέθοδοι εφαρμόζονται επίσης σε έναν υπολογιστή και καθιστούν δυνατή την αποκρυπτογράφηση δομών που περιέχουν 100-200 ή περισσότερα άτομα στο μοναδιαίο κύτταρο ενός κρυστάλλου.

Έτσι, εάν καθοριστούν οι φάσεις των δομικών πλάτη, τότε σύμφωνα με το (2) μπορεί να υπολογιστεί η κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων στον κρύσταλλο, τα μέγιστα αυτής της κατανομής αντιστοιχούν στη θέση των ατόμων στη δομή. ρύζι. 4 ). Η τελική βελτίωση των ατομικών συντεταγμένων πραγματοποιείται σε υπολογιστή χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων. και ανάλογα με την ποιότητα του πειράματος και την πολυπλοκότητα της δομής, επιτρέπει σε κάποιον να τα αποκτήσει με ακρίβεια έως και χιλιοστών του Å (χρησιμοποιώντας ένα σύγχρονο πείραμα περίθλασης, μπορεί κανείς επίσης να υπολογίσει τα ποσοτικά χαρακτηριστικά των θερμικών δονήσεων των ατόμων σε έναν κρύσταλλο, λαμβάνοντας υπόψη την ανισοτροπία αυτών των κραδασμών). R.s. ΕΝΑ. καθιστά δυνατή την καθιέρωση πιο λεπτών χαρακτηριστικών των ατομικών δομών, για παράδειγμα, την κατανομή των ηλεκτρονίων σθένους σε έναν κρύσταλλο. Ωστόσο, αυτό το πολύπλοκο πρόβλημα έχει λυθεί μέχρι στιγμής μόνο για τις απλούστερες κατασκευές. Ένας συνδυασμός μελετών περίθλασης νετρονίων και ακτίνων Χ είναι πολλά υποσχόμενος για το σκοπό αυτό: τα δεδομένα περίθλασης νετρονίων στις συντεταγμένες των ατομικών πυρήνων συγκρίνονται με τη χωρική κατανομή του νέφους ηλεκτρονίων που λαμβάνεται με τη χρήση περίθλασης ακτίνων Χ. ΕΝΑ. Για την επίλυση πολλών φυσικών και χημικών προβλημάτων, χρησιμοποιούνται από κοινού μελέτες περίθλασης ακτίνων Χ και μέθοδοι συντονισμού.

Η κορυφή των επιτευγμάτων του R. s. ΕΝΑ. - αποκρυπτογράφηση της τρισδιάστατης δομής των πρωτεϊνών, των νουκλεϊκών οξέων και άλλων μακρομορίων. Οι πρωτεΐνες, κατά κανόνα, δεν σχηματίζουν κρυστάλλους υπό φυσικές συνθήκες. Για να επιτευχθεί μια κανονική διάταξη των πρωτεϊνικών μορίων, οι πρωτεΐνες κρυσταλλώνονται και στη συνέχεια εξετάζεται η δομή τους. Οι φάσεις του δομικού πλάτη των πρωτεϊνικών κρυστάλλων μπορούν να προσδιοριστούν μόνο ως αποτέλεσμα των κοινών προσπαθειών ακτινογράφων και βιοχημικών. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, είναι απαραίτητο να ληφθούν και να μελετηθούν οι κρύσταλλοι της ίδιας της πρωτεΐνης, καθώς και τα παράγωγά της με τη συμπερίληψη βαρέων ατόμων, και οι συντεταγμένες των ατόμων σε όλες αυτές τις δομές πρέπει να συμπίπτουν.

Σχετικά με τις πολυάριθμες εφαρμογές των μεθόδων R. s. ΕΝΑ. να μελετήσει διάφορες δομικές διαταραχές στερεάυπό την επίδραση όλων των ειδών επιρροών, βλ. Art. Ακτινογραφία υλικών.

Λιτ.: Belov N.V., Structural crystallography, Μ., 1951; Zhdanov G.S., Fundamentals of X-ray diffraction analysis, M. - L., 1940; James R., Οπτικές αρχές περίθλασης ακτίνων Χ, μτφρ. from English, Μ., 1950; Bokiy G. B., Porai-Koshits M. A., X-ray structural analysis, Μ., 1964; Poraj-Koshits M. A., Πρακτικό μάθημαΔομική ανάλυση ακτίνων Χ, Μ., 1960: Kitaygorodsky A.I., Theory of structural analysis, M., 1957; Lipeon G., Cochran V., Προσδιορισμός κρυσταλλικής δομής, μτφρ. from English, Μ., 1961; Vainshtein B.K., Structural electron diffraction, Μ., 1956; Bacon J., Neutron Diffraction, trans. from English, Μ., 1957; Burger M., Crystal structure and διανυσματικός χώρος, μετάφρ. from English, Μ., 1961; Guinier A., ​​Ακτινογραφία κρυστάλλων, μτφρ. από French, Μ., 1961; Woolfson M. M., An introduction to X-ray crystallography, Camb., 1970: Ramachandran G. N., Srinivasan R., Fourier methode in crystallography, Ν. Υ., 1970; Crystallographic computing, εκδ. F. R. Ahmed, Cph., 1970; Stout G. Η., Jensen L. Η., προσδιορισμός δομής ακτίνων Χ, Ν. Υ. - L.,.

V. I. Simonov.

Ρύζι. 9. α. Προβολή στο επίπεδο ab της συνάρτησης διατομικών φορέων του ορυκτού βαοτίτη O 16 Cl]. Οι γραμμές σχεδιάζονται μέσα από ίσα διαστήματα τιμών της συνάρτησης διατομικών διανυσμάτων (γραμμές ίσου επιπέδου). σι. Προβολή της πυκνότητας ηλεκτρονίων του βαοτίτη στο επίπεδο ab, που προκύπτει με την αποκρυπτογράφηση της συνάρτησης των διατομικών φορέων (α). Τα μέγιστα της πυκνότητας ηλεκτρονίων (συγκεντρώσεις γραμμών ίσων επιπέδων) αντιστοιχούν στις θέσεις των ατόμων στη δομή. V. Εικόνα ενός μοντέλου της ατομικής δομής του βαοτίτη. Κάθε άτομο Si βρίσκεται μέσα σε ένα τετράεδρο που σχηματίζεται από τέσσερα άτομα Ο. Τα άτομα Ti και Nb είναι σε οκτάεδρα που αποτελούνται από άτομα O SiO 4 τετράεδρα και Ti(Nb)O 6 οκτάεδρα στη δομή του βαοτίτη συνδέονται όπως φαίνεται στο σχήμα. Μέρος της μονάδας κυψέλης ενός κρυστάλλου, που αντιστοιχεί στο Σχ. α και β, επισημαίνονται με διακεκομμένη γραμμή. Διακεκομμένες γραμμές στο Σχ. Τα α και β καθορίζουν τα μηδενικά επίπεδα των τιμών των αντίστοιχων συναρτήσεων.

Φυσική Εγκυκλοπαίδεια - ΔΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ, η μελέτη της ατομικής δομής ενός δείγματος μιας ουσίας με βάση το σχέδιο περίθλασης της ακτινοβολίας ακτίνων Χ σε αυτό. Σας επιτρέπει να καθορίσετε την κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων μιας ουσίας, η οποία καθορίζει τον τύπο των ατόμων και τους... ... Εικονογραφημένο εγκυκλοπαιδικό λεξικό

- (Δομική ανάλυση ακτίνων Χ), ένα σύνολο μεθόδων για τη μελέτη της ατομικής δομής της ύλης με χρήση περίθλασης ακτίνων Χ. Χρησιμοποιώντας το σχέδιο περίθλασης, προσδιορίζεται η κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων μιας ουσίας και από αυτήν ο τύπος των ατόμων και οι... ... Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό

- (Δομική ανάλυση ακτίνων Χ), μέθοδος μελέτης ατομικού mol. κτίρια σε, κεφ. αρ. κρυστάλλων, με βάση τη μελέτη της περίθλασης που συμβαίνει κατά την αλληλεπίδραση. με το υπό μελέτη δείγμα ακτίνων Χ να έχει μήκος κύματος περίπου. 0,1 nm. Χρησιμοποιήστε το κεφ. αρ... Chemical Encyclopedia - (βλ. ΔΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ, ΝΕΥΤΡΟΝΟΓΡΑΦΙΑ, ΗΛΕΚΤΡΟΝΟΓΡΑΦΙΑ). Φυσικό εγκυκλοπαιδικό λεξικό. Μ.: Σοβιετική εγκυκλοπαίδεια. Αρχισυντάκτης A. M. Prokhorov. 1983... Φυσική εγκυκλοπαίδεια

Προσδιορισμός της δομής των υλικών, δηλαδή αποσαφήνιση της θέσης στο χώρο των δομικών μονάδων τους (μόρια, ιόντα, άτομα). Με τη στενή έννοια, ο S. a. προσδιορισμός της γεωμετρίας των μορίων και μολ. Τα συστήματα περιγράφονται συνήθως από ένα σύνολο μηκών... ... Χημική εγκυκλοπαίδεια

Υπάρχουν περίπου 10 12 διαφορετικές πρωτεΐνες που βρίσκονται στη φύση που εκτελούν μια μεγάλη ποικιλία λειτουργιών. Αυτές είναι ενζυμικές πρωτεΐνες που καταλύουν βιοχημικές διεργασίες σε ένα ζωντανό κύτταρο. και πρωτεΐνες-φορείς, οι οποίες επιτρέπουν σε άλλα μόρια να περάσουν μέσω πυρηνικών ή κυτταρικών μεμβρανών ή να μετακινηθούν μεταξύ των κυττάρων σε όλο το σώμα. και ανοσοσφαιρικές πρωτεΐνες, που χαρακτηρίζονται από υψηλή ειδικότητα αλληλεπίδρασης με αντιγόνα, η οποία οδηγεί στην ενεργοποίηση οδών σηματοδότησης που διασφαλίζουν την ανοσολογική απόκριση των κυττάρων. Αυτά είναι μόνο μερικά παραδείγματα των μοναδικών ιδιοτήτων των μορίων πρωτεΐνης. Όπως το έθεσε περίφημα ο Francis Crick, οι πρωτεΐνες είναι σημαντικές κυρίως επειδή μπορούν να εκτελέσουν μια μεγάλη ποικιλία λειτουργιών με εξαιρετική ευκολία και χάρη.

Με όλη τη δομική και λειτουργική τους ποικιλομορφία, όλες οι φυσικές πρωτεΐνες είναι κατασκευασμένες από 20 αμινοξέα, συνδεδεμένα σύμφωνα με τον κώδικα πρωτεϊνοσύνθεσης. Ανάλογα με την αλληλουχία των υπολειμμάτων αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα, σχηματίζεται μια ορισμένη σταθερή τρισδιάστατη δομή της πρωτεΐνης, η οποία καθορίζει τις δομικές και λειτουργικές της ιδιότητες. Για παράδειγμα, κάθε ένζυμο χαρακτηρίζεται από μια πολύ συγκεκριμένη διαμόρφωση του ενεργού κέντρου, η οποία εξασφαλίζει ειδική αλληλεπίδραση με τα μόρια του υποστρώματος και εκτελεί την καταλυτική δράση. Επιπλέον, για τον αποτελεσματικό σχηματισμό ενός συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος, μεγάλη σημασία δεν έχει μόνο η γεωμετρική αντιστοιχία (συμπληρωματικότητα) του ενζύμου και των μορίων του υποστρώματος, αλλά και ο σχηματισμός δεσμών υδρογόνου, ηλεκτροστατικών και υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων του ενεργού κέντρο του ενζύμου και του μορίου του υποστρώματος. Έτσι, οποιαδήποτε μόριο πρωτεΐνηςχαρακτηρίζεται από τη μοναδικότητα της δομής, η οποία καθορίζει τη μοναδικότητα της λειτουργίας της.

Η αποσαφήνιση της χωρικής οργάνωσης των πρωτεϊνών είναι μια από τις κύριες κατευθύνσεις της σύγχρονης βιοχημείας. Σε πολλές περιπτώσεις, η γνώση της δομής της πρωτεΐνης και του συμπλόκου της με αναστολείς είναι καθοριστικός παράγοντας για την ανάπτυξη φαρμάκων.

Μια από τις πιο σημαντικές πειραματικές μεθόδους που επιτρέπει σε κάποιον να ανακαλύψει με ατομική ακρίβεια ποια είναι η τρισδιάστατη δομή μιας πρωτεΐνης, δηλ. Για τον προσδιορισμό των χωρικών συντεταγμένων όλων των ατόμων του υπό μελέτη αντικειμένου είναι η περίθλαση ακτίνων Χ, ή κρυσταλλογραφική ανάλυση. Γνωρίζοντας τη θέση κάθε ατόμου, μπορούν να υπολογιστούν οι διατομικές αποστάσεις, οι γωνίες δεσμών, οι γωνίες περιστροφής γύρω από τους δεσμούς, η κατανομή του επιφανειακού φορτίου και άλλες λεπτομέρειες της μοριακής γεωμετρίας. Αυτά τα δεδομένα χρειάζονται χημικοί, βιοχημικοί και βιολόγοι που μελετούν τις σχέσεις μεταξύ δομικών χαρακτηριστικών και λειτουργικών ιδιοτήτων, καθώς και ειδικοί που μελετούν την ηλεκτρονική δομή των μορίων και τις μοριακές αλληλεπιδράσεις. Η ιδιαίτερη θέση της ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ μεταξύ άλλων πειραματικών μεθόδων αντικατοπτρίζεται από το γεγονός ότι από την ανακάλυψη των ακτίνων Χ το 1901 έως σήμερα, οι εργασίες σε αυτόν τον τομέα έχουν βραβευτεί με 12 βραβεία Νόμπελ.

Η χρήση της ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ για τη μελέτη πολύπλοκων βιολογικών αντικειμένων ξεκίνησε μετά το 1953, όταν ο Max Perutz, μέλος του εργαστηρίου Cavendish στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, βρήκε έναν τρόπο να προσδιορίσει τη δομή μεγάλων μορίων όπως η μυοσφαιρίνη και η αιμοσφαιρίνη. Από τότε, η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ των μορίων πρωτεΐνης μας βοήθησε να κατανοήσουμε τη χημεία των βιολογικών αντιδράσεων. Μέχρι σήμερα είναι γνωστές οι δομές περίπου 15 χιλιάδων πρωτεϊνών και τα σύμπλοκά τους με βιολογικά σημαντικά μόρια.

Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα με μήκη κύματος στην περιοχή από 0,01–10 nm. Στην πλευρά των βραχέων κυμάτων γειτνιάζουν με -ακτίνες (μήκη κύματος μικρότερα από 0,1 nm), στην πλευρά των μακρών κυμάτων - με υπεριώδη (μήκη κύματος περίπου 10–380 nm).

Για τη διεξαγωγή ενός πειράματος ακτίνων Χ, απαιτείται μονοχρωματική ακτινοβολία ακτίνων Χ (δηλαδή, ένα αυστηρά καθορισμένο μήκος κύματος). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται διάφορα φίλτρα και μονοχρωματικά.

Συνήθως, όταν ένα άτομο ακούει για ακτινογραφία, θυμάται την αίθουσα ακτινογραφίας στην κλινική. Στην πραγματικότητα, η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ δεν έχει καμία σχέση με την ιατρική έρευνα. Η ιατρική ακτινοσκόπηση βασίζεται στη διαφορά στον βαθμό απορρόφησης των ακτίνων Χ από διαφορετικούς ιστούς και η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ βασίζεται στη σκέδαση των ακτίνων Χ από τα ηλεκτρόνια των ατόμων. Εάν στην ιατρική λάβουμε μια εικόνα ακτίνων Χ του υπό μελέτη αντικειμένου, τότε στην κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ οι εικόνες δεν περιέχουν καμία εικόνα τίποτα.

Πώς γίνεται ένα πείραμα ακτίνων Χ; Το αρχικό διάγραμμα είναι απλό (Εικ. 1): το υπό μελέτη αντικείμενο τοποθετείται σε μια δέσμη ακτίνων Χ και μετράται η ένταση της ακτινοβολίας που διασκορπίζεται σε διάφορες κατευθύνσεις. Ο απλούστερος τρόπος είναι να τοποθετήσετε φωτογραφικό φιλμ στη διαδρομή της δέσμης των ακτίνων και, με βάση το βαθμό σκοτεινότητας του σημείου μετά την ανάπτυξη, να κρίνετε την ένταση της διασποράς προς αυτή την κατεύθυνση. Φυσικά, σήμερα υπάρχουν πιο προηγμένες μέθοδοι, αλλά τώρα αυτό δεν είναι σημαντικό. Σε αυτή την περίπτωση, το σημαντικό είναι ότι δεν εξετάζουμε την ένταση των ακτίνων που πέρασαν μέσα από το αντικείμενο, αλλά την ένταση των ακτίνων που εμφανίστηκαν εκεί που φαινόταν ότι δεν ήταν εκεί.

Ρύζι. 1. Σχέδιο του πειράματος ακτίνων Χ

Έτσι, στην είσοδο έχουμε ένα άγνωστο αντικείμενο, στην έξοδο - ένα σύνολο εντάσεων ακτίνων διάσπαρτες σε διαφορετικές κατευθύνσεις ή ένα σχέδιο περίθλασης. Τώρα είναι απαραίτητο να συνδέσουμε τις πληροφορίες που ελήφθησαν στο πείραμα με την ατομική δομή του υπό μελέτη αντικειμένου. Ας απαριθμήσουμε τις κύριες αρχές στις οποίες βασίζεται το απλούστερο μαθηματικό μοντέλο σκέδασης ακτίνων Χ:

1) η δέσμη ακτίνων Χ είναι ένα επίπεδο μονοχρωματικό ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
2) κάτω από την επίδραση αυτού του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, κάθε ηλεκτρόνιο αρχίζει να κινείται, το οποίο μπορεί να περιγραφεί με εξισώσεις για ελεύθερα φορτία.
3) ένα κινούμενο ηλεκτρόνιο είναι, με τη σειρά του, μια πηγή ενός νέου διάσπαρτου σφαιρικού ηλεκτρομαγνητικού κύματος που διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις.
4) αυτά τα νέα κύματα συνοψίζονται και καθορίζουν την ένταση της ακτινοβολίας προς την κατεύθυνση που μας ενδιαφέρει.

Αυτό το μοντέλο ονομάζεται θεωρία κινηματικής σκέδασης. Το κύριο μειονέκτημά του είναι ότι το ηλεκτρόνιο επηρεάζεται όχι μόνο από την κύρια δέσμη, αλλά και από τα διάσπαρτα κύματα, και η επιρροή τους μπορεί να αλλάξει τη φύση της κίνησής του. Μια προσπάθεια να ληφθούν υπόψη αυτές οι διορθώσεις γίνεται σε μια πιο εξελιγμένη θεωρία δυναμικής σκέδασης, αλλά για πρακτικές εφαρμογές η απλούστερη θεωρία κινηματικής σκέδασης είναι, κατά κανόνα, αρκετά επαρκής.

Η μέθοδος περίθλασης ακτίνων Χ βασίζεται στην περίθλαση των ακτίνων Χ από ένα κρυσταλλικό πλέγμα και επομένως εφαρμόζεται μόνο σε ουσίες σε κρυσταλλική κατάσταση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι για την καταγραφή του σχεδίου σκέδασης περίθλασης είναι απαραίτητο να υπάρχει επαρκής αριθμός ηλεκτρονίων σκέδασης. Αλλά αν το δείγμα αποτελείται από μεγάλο αριθμό τυχαίων προσανατολισμένων πανομοιότυπων μορίων (διάλυμα), τότε το σχέδιο σκέδασης θα καθοριστεί από ορισμένα χαρακτηριστικά που υπολογίζονται κατά μέσο όρο σε όλους τους πιθανούς προσανατολισμούς και είναι απίθανο να παρέχει λεπτομερείς πληροφορίες για την ατομική δομή. Είναι άλλο θέμα αν είναι μεγάλος ο αριθμός πανομοιότυπα μόριαπροσανατολισμένο με τον ίδιο τρόπο. Τα δείγματα κρυστάλλου μας δίνουν αυτή την ευκαιρία.

Με απλά λόγια (και χωρίς να υπεισέλθουμε σε πολύπλοκες μαθηματικές διατυπώσεις), ένας κρύσταλλος είναι ένα δείγμα ουσίας υπό μελέτη στην οποία πολλά (~10 12) πανομοιότυπα μόρια βρίσκονται στον ίδιο προσανατολισμό και τα κέντρα τους σχηματίζουν ένα κανονικό τρισδιάστατο πλέγμα.

Το κύριο χαρακτηριστικό της δομής κάθε κρυστάλλου είναι ότι κατασκευάζεται από μεμονωμένα άτομα ή ομάδες ατόμων που βρίσκονται τακτικά στο διάστημα. Εάν κάθε επαναλαμβανόμενη δομική μονάδα αντικατασταθεί από ένα σημείο ή κόμβο, λαμβάνετε ένα τρισδιάστατο κρυσταλλικό πλέγμα (Εικ. 2). Το πλέγμα μπορεί να φανταστεί ως ένα σύστημα πανομοιότυπων παραλληλεπίπεδων. Κάθε τέτοιο παραλληλεπίπεδο ονομάζεται «μοναδιαίο κελί κρυστάλλου» και περιγράφεται από έξι παραμέτρους: τα μήκη των ακμών (a, b, c) και τις γωνίες μεταξύ τους (, ,).

Ένα από τα κύρια παράπονα σχετικά με τη μέθοδο ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ από την αρχή της μελέτης των πρωτεϊνικών δομών είναι ότι στη ζωή οι πρωτεΐνες βρίσκονται σε διάλυμα, αλλά κατά τη διάρκεια της έρευνας τις κρυσταλλώνουμε. Τίθεται ένα λογικό ερώτημα: συμβαίνουν θεμελιώδεις παραμορφώσεις στη δομή των μορίων πρωτεΐνης κατά την κρυστάλλωση; Είναι γενικά αποδεκτό ότι δεν εμφανίζονται ισχυρές παραμορφώσεις. Τα επιχειρήματα υπέρ αυτής της θέσης είναι τα ακόλουθα.

Πρώτον, ένας αριθμός πρωτεϊνών διατηρούν την ενζυματική δραστηριότητα ακόμη και σε κρυσταλλωμένη κατάσταση, δηλ. η δομή δεν αλλάζει τόσο πολύ ώστε η πρωτεΐνη να γίνει «μη λειτουργική». Μια άλλη σκέψη: στους κρυστάλλους των βιομακρομορίων, ένας σημαντικός όγκος (από 30 έως 80%) καταλαμβάνεται από τον διαλύτη, δηλ. Η συσσώρευση των μορίων πρωτεΐνης στον κρύσταλλο δεν είναι πυκνή και είναι απίθανο να προκαλέσει σημαντικές παραμορφώσεις. Είναι δυνατή κάποια παραμόρφωση στους ελεύθερους βρόχους, αλλά η δομή της ενεργής τοποθεσίας διατηρείται. Μια άλλη επιβεβαίωση: ένας εναλλακτικός προσδιορισμός των δομών ορισμένων πρωτεϊνών χρησιμοποιώντας δισδιάστατο πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό δεν προκάλεσε σημαντικές αποκλίσεις με τις δομές που αποκρυπτογραφήθηκαν με μεθόδους ακτίνων Χ.

Η μονοχρωματική ακτινοβολία ακτίνων Χ, που διέρχεται από έναν κρύσταλλο, διασκορπίζεται κυρίως στα ηλεκτρονιακά κελύφη των περιοδικά επαναλαμβανόμενων ατόμων και σχηματίζει ένα σχέδιο περίθλασης, ή σχέδιο ακτίνων Χ (Εικ. 3). Επομένως, τα πειραματικά δεδομένα ακτίνων Χ καθιστούν δυνατή την κρίση των ιδιαιτεροτήτων της διάταξης των ηλεκτρονίων σε στοιχειώδη κρυσταλλικά κύτταρα. Ένα ηλεκτρόνιο έχει κυματικές ιδιότητες και η θέση του στο χώρο δεν χαρακτηρίζεται από ακριβείς συντεταγμένες, αλλά από τη συνάρτηση κατανομής πυκνότητας ηλεκτρονίων (r), η οποία δίνει τον μέσο όρο χρόνου των ηλεκτρονίων ανά 1 3 (κυβικό άνγκστρομ). Με βάση αυτή τη συνάρτηση, μπορεί κανείς να κρίνει τη διάταξη των ατόμων σε μοναδιαία κύτταρα, επειδή Κάθε άτομο αντιστοιχεί σε μια δέσμη πυκνότητας ηλεκτρονίων συγκεκριμένου μεγέθους. Έτσι, κατά την επεξεργασία πειραματικών δεδομένων ακτίνων Χ, πρέπει να λυθούν δύο προβλήματα.

Ρύζι. 3. Το σχέδιο περίθλασης περιέχει όλες τις πληροφορίες σχετικά με τη δομή της πρωτεΐνης

1. Από τα δεδομένα ακτίνων Χ, λάβετε έναν χάρτη της κατανομής της πυκνότητας ηλεκτρονίων (r) στον κρύσταλλο του υπό μελέτη αντικειμένου. Σε αυτό το στάδιο, προκύπτει μια θεμελιώδης δυσκολία (η οποία θα συζητηθεί παρακάτω) που σχετίζεται με την αδυναμία λήψης από το πείραμα όλων των απαραίτητων πληροφοριών για την ανακατασκευή της υπό μελέτη δομής. Για να λάβετε το μέρος των πληροφοριών που λείπει, χρησιμοποιούνται διάφορες λύσεις. Όμως δεν υπάρχει καθολικός τρόπος και σε κάθε περίπτωση ο ερευνητής επιλέγει τον καταλληλότερο, με βάση την εμπειρία και τη διαίσθησή του.

2. Με βάση τον χάρτη κατανομής πυκνότητας ηλεκτρονίων (r), προσδιορίστε τις θέσεις των ατόμων στο υπό μελέτη αντικείμενο. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, η δομή υποβάλλεται επανειλημμένα σε επεξεργασία λογισμικού και χειροκίνητη βελτίωση για να επιτευχθεί η καλύτερη αντιστοιχία με την πυκνότητα ηλεκτρονίων.

Κύρια στάδια προσδιορισμού πρωτεϊνικής δομής

Απομόνωση, κάθαρση

Σχεδόν όλες οι πειραματικές μελέτες των πρωτεϊνικών δομών ξεκινούν από αυτό το στάδιο. Για να ληφθεί η επιθυμητή πρωτεΐνη, χρησιμοποιούνται διάφορες βιοχημικές μέθοδοι. Η αλληλουχία εργασιών για την απομόνωση πρωτεϊνών συνήθως καταλήγει στην άλεση βιολογικού υλικού (ομογενοποίηση), στην εξαγωγή πρωτεϊνών από αυτό, ή ακριβέστερα, στη μεταφορά πρωτεϊνών σε διαλυμένη κατάσταση (εκχύλιση) και στην απομόνωση της υπό μελέτη πρωτεΐνης από ένα μείγμα άλλων πρωτεϊνών, π.χ. καθαρισμό και παραγωγή μεμονωμένων πρωτεϊνών. Σε αυτό το στάδιο, η μεγαλύτερη δυσκολία έγκειται στην παραγωγή επαρκούς ποσότητας καθαρής πρωτεΐνης για το πείραμα.

Αποκρυστάλλωση

Η απόκτηση κρυστάλλων κατάλληλων για ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ είναι συχνά μια διαδικασία έντασης εργασίας και μακριά από ασήμαντη διαδικασία, ειδικά για πολύπλοκες ενώσεις όπως πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Η παρουσία υπερκορεσμένου διαλύματος είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την κρυστάλλωση. Για να ληφθεί μια τέτοια λύση, χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι. Ένα από αυτά είναι η σταδιακή απομάκρυνση του διαλύτη με συνηθισμένη εξάτμιση, η οποία οδηγεί σε αύξηση της συγκέντρωσης της ουσίας στο διάλυμα, η οποία σε κάποιο σημείο γίνεται υπερκορεσμένο. Μια άλλη μέθοδος περιλαμβάνει τη χρήση της εξάρτησης της διαλυτότητας από τη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, εάν η διαλυτότητα αυξάνεται με τη θερμοκρασία, μπορείτε να παρασκευάσετε ένα κορεσμένο διάλυμα σε υψηλότερη θερμοκρασία και στη συνέχεια να το ψύξετε αργά. Λόγω της μείωσης της διαλυτότητας κατά την ψύξη, λαμβάνεται ένα υπερκορεσμένο διάλυμα. Η τρίτη μέθοδος περιλαμβάνει την εισαγωγή στο διάλυμα μιας ουσίας που προκαλεί μείωση της διαλυτότητας. Ως τέτοιες ουσίες χρησιμοποιούνται είτε άλατα είτε οργανικοί διαλύτες. Επιπλέον, η διαλυτότητα των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το pH του διαλύματος, αυτό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη λήψη υπερκορεσμένων διαλυμάτων.

Στην πράξη, όλα είναι πολύ πιο περίπλοκα. Δεν υπάρχουν ακόμη καθολικές μέθοδοι για την επιλογή των βέλτιστων συνθηκών κρυστάλλωσης. Για κάθε συγκεκριμένη πρωτεΐνη, ο ερευνητής αναζητά αυτές τις συνθήκες αλλάζοντας τον τύπο του ρυθμιστικού διαλύματος, την τιμή του pH, τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση της ίδιας της πρωτεΐνης, το άλας καθίζησης κ.λπ. Σε αυτή την εργασία, είναι σημαντικό να βρούμε συνθήκες κάτω από τις οποίες θα σχηματιστεί ένας κρύσταλλος και δεν θα πέσει αλάτι. Επομένως, η καλλιέργεια βιολογικών κρυστάλλων δεν είναι μόνο μια επιστημονική κατεύθυνση, αλλά και μια τέχνη. Μερικές φορές, για να αναγκαστεί η πρωτεΐνη να κρυσταλλωθεί, φυγοκεντρείται ή ακόμη και στέλνεται σε μηδενική βαρύτητα.

Η επιλογή των κρυστάλλων για το πείραμα ακτίνων Χ πραγματοποιείται με τη χρήση μικροσκοπίου. Για το σκοπό αυτό, ένα πολωτικό μικροσκόπιο είναι ιδιαίτερα χρήσιμο, το οποίο επιτρέπει σε κάποιον να προσδιορίσει την παρουσία ελαττωμάτων στον κρύσταλλο χρησιμοποιώντας πολωμένο φως. Μονοί κρύσταλλοι με μέγεθος 0,2–0,6 mm σε κάθε πλευρά θεωρούνται βέλτιστοι. Οι κρύσταλλοι πρέπει να είναι απαλλαγμένοι από ελαττώματα και, εάν είναι δυνατόν, καλά κομμένοι. Η παρουσία ελαττωμάτων οδηγεί σε σφάλματα στην πειραματική μέτρηση του σχεδίου περίθλασης και, κατά συνέπεια, σε ανακρίβεια (και συχνά σε αδυναμία) στην αποκρυπτογράφηση της κρυσταλλικής δομής. Καθώς αυξάνεται η πολυπλοκότητα του υπό μελέτη αντικειμένου, οι απαιτήσεις για την ποιότητα των κρυστάλλων αυξάνονται. Πώς μοιάζουν οι κρύσταλλοι πρωτεΐνης φαίνεται στο Σχ. 4.

Ρύζι. 4. Κρύσταλλοι πρωτεΐνης: α – κρύσταλλοι πράσινης φθορίζουσας πρωτεΐνης zGFP506. β – κρύσταλλοι του μεταλλάγματος πρωτεΐνης zGFP506 με υποκατάσταση αμινοξέων N66D

Δυστυχώς, δεν είναι πάντα δυνατό να ληφθεί ένας κρύσταλλος της πρωτεΐνης που μελετάται, επομένως αυτό το στάδιο είναι ο κύριος περιορισμός της μεθόδου της δομικής ανάλυσης των πρωτεϊνών με ακτίνες Χ.

Πείραμα ακτίνων Χ, επεξεργασία αποτελεσμάτων

Επί του παρόντος, προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν έναν επιταχυντή σύγχροτρον ως πηγή ακτίνων Χ. Αυτό είναι ένα αρκετά ακριβό κτίριο. Χρησιμοποιούνται επίσης εργαστηριακά μηχανήματα ακτίνων Χ, αλλά η ακτινοβολία σύγχροτρον έχει σημαντικά πλεονεκτήματα.

Πρώτον, αυτή είναι η ισχύς της δέσμης. Υπάρχουν δύο πλεονεκτήματα εδώ. Το πρώτο είναι σαφές - ο χρόνος πειράματος μειώνεται. Δεύτερον, οι βιολογικοί κρύσταλλοι τείνουν να διασπώνται όταν εκτίθενται σε ακτίνες Χ. Η διαδικασία καταστροφής διαρκεί συγκεκριμένο χρόνο και εάν η δέσμη είναι ισχυρή, τότε είναι δυνατό να καταχωρήσετε την επιθυμητή εικόνα πριν καταστραφεί ο κρύσταλλος.

Δεύτερον, είναι δυνατό να ληφθεί το επιθυμητό μήκος κύματος. Οι σωλήνες ακτίνων Χ παράγουν μια ισχυρή δέσμη μόνο σταθερού μήκους κύματος (συνήθως περίπου 1,57), ενώ κατά την εκτέλεση ενός πειράματος είναι συχνά απαραίτητο να μπορείτε να επιλέξετε το μήκος κύματος. Αυτό μπορεί να γίνει με ένα σύγχροτρο.

Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων ενός πειράματος ακτίνων Χ βασίζεται σε μια ισχυρή μαθηματική συσκευή, την οποία δεν θα εξετάσουμε εδώ. Όταν μια μονοχρωματική δέσμη ακτίνων Χ προσπίπτει σε έναν κρύσταλλο που είναι προσανατολισμένος με συγκεκριμένο τρόπο, η σκέδαση συμβαίνει σε διακριτές κατευθύνσεις που καθορίζονται από το κρυσταλλικό πλέγμα. Το σχέδιο περίθλασης που εμφανίζεται στο φιλμ του ανιχνευτή (Εικ. 3) είναι ένα σύνολο κηλίδων ή αντανακλάσεων. Μετρώντας την ένταση των αντανακλαστικών, μπορείτε να λάβετε τις τιμές των μονάδων του λεγόμενου. δομικοί παράγοντες ( μιγαδικοί αριθμοί), περιγράφοντας την κατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων στον κρύσταλλο (r). Αλλά για να προσδιορίσετε με σαφήνεια το (r), πρέπει επίσης να γνωρίζετε τις αντίστοιχες τιμές φάσης αυτών των παραγόντων, πληροφορίες για τις οποίες δεν περιέχονται στο μοτίβο περίθλασης. Εάν οι φάσεις προσδιορίζονται για έναν κρύσταλλο, τότε ο υπολογισμός των θέσεων των ατόμων αυτού του κρυστάλλου δεν παρουσιάζει θεμελιώδεις δυσκολίες.

Έτσι, το κεντρικό πρόβλημα της μεθόδου ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ, που ονομάζεται πρόβλημα φάσης, έγκειται στην αδυναμία λήψης όλων των απαραίτητων δεδομένων για τον υπολογισμό απευθείας από το πείραμα.

Δεν υπάρχει γενική λύση στο πρόβλημα της φάσης σήμερα. Κάθε περίπτωση απαιτεί ειδική προσέγγιση. Είναι σημαντικό να καταλάβουμε εδώ ότι οι νέες πληροφορίες δεν προέρχονται από το πουθενά. Για να λάβουμε τιμές φάσης, πρέπει είτε να κάνουμε κάποιες νέες υποθέσεις σχετικά με τη δομή και τα χαρακτηριστικά του αντικειμένου, είτε να διεξάγουμε νέα πειράματα. Παρακάτω είναι οι κύριες προσεγγίσεις για την επίλυση του «προβλήματος φάσης» που χρησιμοποιείται στην κρυσταλλογραφία πρωτεϊνών.

Ισόμορφη αντικατάσταση

Μπορείτε να προσπαθήσετε να εισάγετε μια συγκεκριμένη ετικέτα στα μόρια του κρυστάλλου - ένα ή περισσότερα βαριά άτομα (για παράδειγμα, ιόντα βαρέων μετάλλων), τα οποία μπορούν είτε να προστεθούν στη φυσική δομή είτε να αντικαταστήσουν μέρος των ατόμων του (Εικ. 5).

Η ισομορφική εισαγωγή βαρέων ατόμων σημαίνει ότι προστίθενται σε κάθε περίπτωση του μορίου στην ίδια θέση και η δομή του μορίου πρωτεΐνης δεν αλλάζει. Στη συνέχεια, διεξάγοντας επιπλέον ένα πείραμα ακτίνων Χ με μια τέτοια τροποποιημένη ένωση και προσδιορίζοντας τις αλλαγές στην ένταση των αντανακλάσεων σε σύγκριση με την φυσική πρωτεΐνη, μπορούν να ληφθούν πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τις τιμές φάσης. Η δυσκολία αυτής της μεθόδου έγκειται στο γεγονός ότι δεν είναι πάντα δυνατό να ληφθεί ένα καλό ισομορφικό παράγωγο, καθώς και στην ανάγκη για ένα επιπλέον πείραμα ακτίνων Χ.

Η μέθοδος ισομορφικής υποκατάστασης είναι η κύρια μέθοδος για την επίλυση του προβλήματος της φάσης κατά τον προσδιορισμό της δομής των βιολογικών μακρομορίων. Αυτή η μέθοδος προέκυψε πριν από πολύ καιρό, αλλά όταν εργαζόταν με πρωτεΐνες απέκτησε έναν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο. Υπάρχουν δύο λόγοι για αυτό:

1) για μεγάλο χρονικό διάστημα ήταν η μόνη μέθοδος που επέτρεπε την επίλυση του προβλήματος της φάσης για τις πρωτεΐνες.

2) για τις πρωτεΐνες είναι δυνατό να ληφθούν "πολύ απλά" ισόμορφα παράγωγα. Το τελευταίο οφείλεται στο γεγονός ότι οι κρύσταλλοι πρωτεΐνης είναι αρκετά χαλαροί - από 30 έως 70% του όγκου τους καταλαμβάνεται από διαλύτη, δηλ. Οι κρύσταλλοι έχουν «κενά» όπου μπορούν να χωρέσουν επιπλέον άτομα.

Χρησιμοποιώντας το φαινόμενο ανώμαλης σκέδασης

Αυτή η μέθοδος βασίζεται στη μεταβολή του μήκους κύματος της ακτινοβολίας ακτίνων Χ που προσπίπτει στον κρύσταλλο κοντά στις τιμές στις οποίες παρατηρείται ένα φαινόμενο συντονισμού (και αντίστοιχη ανώμαλη σκέδαση) για πολλά «ειδικά» άτομα που περιέχονται στη δομή του μακρομορίου. Εάν δεν υπάρχουν ανώμαλα διασκορπισμένα άτομα στην πρωτεΐνη, μπορείτε μερικές φορές να προσπαθήσετε να τα συνδέσετε χημικά. Λαμβάνονται μοτίβα περίθλασης για πολλά μήκη κύματος της προσπίπτουσας δέσμης και, βάσει ανάλυσης των διαφορών έντασης των αντίστοιχων ανακλάσεων, εκτιμώνται οι τιμές φάσης.

Η επιτυχία της μεθόδου της ανώμαλης σκέδασης, καθώς και της ισομορφικής υποκατάστασης, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη δυνατότητα πειραματικής λήψης παραγώγων με τις απαιτούμενες ιδιότητες.

Οι δύο μέθοδοι που αναφέρονται είναι μια προσπάθεια επίλυσης του προβλήματος της φάσης μέσω πρόσθετων πληροφοριών που λαμβάνονται από πρόσθετα πειράματα. Η ακόλουθη μέθοδος χρησιμοποιείται σε μια κατάσταση όπου γνωρίζουμε τη δομή μιας παρόμοιας (ομόλογης) πρωτεΐνης.

Μέθοδος μοριακής αντικατάστασης

Στη βιολογία, μια κοινή κατάσταση είναι όταν υπάρχουν σειρές αντικειμένων παρόμοια μεταξύ τους, δηλ. έχοντας δομική ομολογία. Μια τέτοια ομολογία μπορεί να υπάρχει, για παράδειγμα, σε πρωτεΐνες του ίδιου τύπου που απομονώνονται από διαφορετικούς οργανισμούς. Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί κανείς να ελπίζει ότι οι φάσεις των δομικών παραγόντων που υπολογίζονται από το γνωστό ατομικό μοντέλο της ομόλογης πρωτεΐνης θα είναι μια αρκετά καλή αρχική προσέγγιση στις τιμές των άγνωστων φάσεων που αντιστοιχούν στο αντικείμενο που μελετάται. Συνδυάζοντάς τα περαιτέρω με τους πειραματικά μετρούμενους συντελεστές δομής για το υπό μελέτη αντικείμενο, μπορούμε να επιτύχουμε μια καλή προσέγγιση στην επιθυμητή κατανομή πυκνότητας ηλεκτρονίων.

Ωστόσο, για να ελπίζουμε σε επιτυχία σε αυτό το μονοπάτι, είναι απαραίτητο, τουλάχιστον, να «τοποθετήσουμε» πρώτα ένα γνωστό ομόλογο αντικείμενο στην ίδια θέση και στον ίδιο προσανατολισμό με την πρωτεΐνη υπό μελέτη. Η διαδικασία για τη δημιουργία ενός τέτοιου «υβριδίου υπολογιστή», στο οποίο ένα μόριο ενός άλλου τοποθετείται μέσα στο μοναδιαίο κύτταρο ενός κρυστάλλου μιας πρωτεΐνης, ονομάζεται μέθοδος μοριακής αντικατάστασης. Είναι δυνατό να κρίνουμε πόσο κοντά είναι η προκύπτουσα τοποθέτηση στην πραγματικότητα συγκρίνοντας τα συντελεστές δομικών παραγόντων που υπολογίζονται χρησιμοποιώντας το μοντέλο με τις τιμές που ελήφθησαν στο πείραμα. Φυσικά, μια τέτοια υποκατάσταση είναι απλώς μια κερδοσκοπική διαδικασία και δεν λαμβάνει χώρα καμία χημική υποκατάσταση.

«Άμεσες» μεθόδους

Σε αντίθεση με προηγούμενες προσεγγίσεις, αυτές οι μέθοδοι δεν βασίζονται σε πρόσθετο πείραμα ή πληροφορίες σχετικά με τη δομή ενός ομόλογου αντικειμένου, αλλά σε μια σχεδόν φιλοσοφική ιδέα για την ατομικότητα του αντικειμένου που μελετάται. Οι «άμεσες» μέθοδοι στην κρυσταλλογραφία σημαίνουν στρατηγικές για τον προσδιορισμό δομών που χρησιμοποιούν μόνο ένα σύνολο εντάσεων ανάκλασης που λαμβάνονται σε ένα πείραμα ακτίνων Χ ως αρχική πληροφορία. Για τον προσδιορισμό των φάσεων των δομικών παραγόντων, χρησιμοποιούν μια πιθανολογική προσέγγιση. Οι «άμεσες» μέθοδοι είναι πιο αντικειμενικές με την έννοια ότι εξαρτώνται μόνο από την εφαρμογή μαθηματικών σχέσεων.

Με βάση τις «άμεσες» μεθόδους, προσδιορίζονται οι δομές των περισσότερων χαμηλών μοριακών ενώσεων. Αυτές οι μέθοδοι δεν απαιτούν πρόσθετα πειράματα, ούτε λεπτή βιοχημική εργασία για τη λήψη ισομορφικών παραγώγων, ούτε την παρουσία γνωστών ομόλογων δομών, αλλά δυστυχώς, δεν είναι ακόμη εφαρμόσιμες σε πρωτεϊνικές δομές λόγω θεμελιωδών περιορισμών στον αριθμό των ατόμων της υπό μελέτη δομής .

Εάν είναι γνωστά τόσο το μέγεθος όσο και η φάση των δομικών παραγόντων, τότε μπορούμε να ανακατασκευάσουμε την κατανομή (r) υπολογίζοντας τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier. Αυτό δεν είναι ένα υπολογιστικά πολύπλοκο πρόβλημα από μια σύγχρονη άποψη, και αυτό το βήμα ξεχωρίζει γιατί ολοκληρώνει ένα σημαντικό στάδιο εργασίας. Έχουμε επιτέλους την ευκαιρία να «κοιτάξουμε» το αντικείμενο που μας ενδιαφέρει. Και από το πόσο «σαφή» αποδείχθηκε η εικόνα, μπορεί κανείς να κρίνει την επιτυχία όλων των προηγούμενων σταδίων της εργασίας. Και σε περίπτωση αποτυχίας, επαναλάβετε τα πάντα από την αρχή.

Το επόμενο στάδιο είναι η κατασκευή ενός κατά προσέγγιση ατομικού μοντέλου με βάση τους υπολογισμένους χάρτες κατανομής πυκνότητας ηλεκτρονίων. Αυτή η εργασία απαιτεί τη μέγιστη χρήση της ανθρώπινης νοημοσύνης και πραγματοποιείται από ειδικευμένους ειδικούς.

Χρησιμοποιώντας ειδικά προγράμματα υπολογιστή, ο ερευνητής εισάγει χειροκίνητα τα άτομα της δομής της πρωτεΐνης στον χάρτη πυκνότητας ηλεκτρονίων που ελήφθη στο προηγούμενο στάδιο (Εικ. 6).