Rentgena struktūras analīze. Kristālu rentgenstaru difrakcijas analīze un difrakcijas modeļu interpretācija Kas ir vielu rentgenstaru difrakcijas analīze

Analītiskās metodes nosaukums atspoguļo tās saturu - tas ir, vielas struktūras analīzi, pakļaujot to rentgena stariem. Metodes fundamentālie pamati ir saistīti ar teorētiskajiem rentgenstaru difrakcijas principiem pēc periodiskām struktūrām, ko M. Laue atklāja 1912. gadā.

Rentgena stariem ir elektromagnētisks raksturs. Ierīces, kas reģistrē rentgenstaru kvantus, sauc par rentgenstaru difraktometriem. Rentgena iekārtai ir vadības panelis, vairākas mērierīces un dažas palīgierīces.

Rentgena bloka galvenās vienības ir (20. att.):

• - rentgena detektors (skaitītājs) ar atbilstošu elektronisko shēmu un ierakstīšanas ierīci;
• - starojuma avots (rentgena iekārta ar rentgena cauruli);
• - goniometriskā ierīce, kurā veic parauga un skaitītāja kustību attiecībā pret primāro rentgena staru.

Rīsi. divdesmit. Galvenās DRON difraktometra sastāvdaļas: 1 - barošanas bloks; 2 - barošanas avots; 3 - difrakcijas statīvs; 4 - rentgena caurule; 5 - goniometrs; 6 - goniometriskais stiprinājums; 7 - noteikšanas vienība; 8 - vadības komplekss; 9 - reģistrācijas bloks; 10 - skaitīšanas komplekss; 11 - pašreģistrācijas ierīce; 12 - drukas iekārta; 13 - perforators

Detektors katrā laika momentā reģistrē izkliedētā starojuma intensitāti starojuma stara šaurā leņķiskā intervālā. Šajā gadījumā var izmantot fiksētu kontroles skaitītāju.

Rentgenstaru avots ir rentgenstaru caurule (21. att.), un rentgena iekārta kalpo kā rentgenstaru lampas elektriskās enerģijas avots. Rentgena caurulē elektriskās strāvas enerģija, ko nes elektroni, paātrinoties līdz lieliem ātrumiem, tiek pārveidota par elektromagnētiskā starojuma enerģiju.

Pētījuma objekti var būt dažādu fāzu stāvokļu vielas - cietas, šķidras, gāzveida, kristāliskas un amorfas. Tomēr biežāk tiek izmantotas rentgenstaru difrakcijas metodes, lai pētītu cietas vielas ar kristālisku struktūru, t.i. tādas vielas, kurām raksturīgs sakārtots, regulārs to veidojošo atomu, jonu vai kompleksu izvietojums telpā. Galvenais kristālisko vielu struktūras modelis, proti, daļiņu telpiskā izvietojuma atkārtojamība trīs (divos) virzienos ar noteiktu periodu, atspoguļo kristāliskās vielas struktūras būtību, tās simetriju un elementu sastāvu.

Rīsi. 21.

Katrai vielai ir tikai tai piemītošā kristāliskā struktūra, kas nosaka katras minerālu sugas vai savienojuma individualitāti un nosaka tās kristālfizikālās īpašības. Vairākiem minerāliem var būt vienāds sastāvs, piemēram, pirīts un markazīts (FeS), kalcīts un aragonīts (CaCO 3), taču atšķirīgais atomu un jonu relatīvais izvietojums telpā noved pie katras minerālu sugas individualizācijas. Kristālu struktūru raksturo paralēlu atomu plakņu sistēma, kuru vairāk vai mazāk apdzīvo atomi, attālumus starp šīm plaknēm sauc par starpplaknēm (d i), un iedzīvotāju blīvumu raksturo rentgenstaru atstarošanas relatīvā intensitāte (J i). Tas ļauj mums atrisināt apgriezto problēmu - saņemot d un J kvalitatīvi un kvantitatīvi diagnosticēt minerālu struktūru.

Rentgenstaru mijiedarbību ar kristālu var uzskatīt par to atspīdumu atomu plaknēs un atstaroto staru interferenci. Atstarotie stari, kuru intensitāte ir maksimālā, tiek novēroti noteiktos leņķos, kas ir atkarīgi no atstarojošās atomu struktūras starpplakņu attālumiem un sākotnējā rentgena starojuma viļņu garumiem (22. att.).

Šo attiecību izsaka Vulfa-Braga vienādojums:

kur u ir rentgenstaru maksimālās atstarošanas leņķis (Vulfs-Brags) atomu plaknē; d ir attālums starp atstarojošajām plaknēm (starpplakņu attālumi); l ir vesels skaitlis (atspoguļošanas secība); d ir krītošo rentgenstaru viļņa garums. Šis vienādojums ļauj, zinot l vērtību un eksperimentāli izmērītos leņķus u, noteikt starpplakņu attālumus d.

Rīsi. 22.

Šīs formulas izmantošana ļauj, ņemot vērā atomu plakņu (h, k, ?) telpisko orientāciju dažādu singoniju minerālos, noteikt atomu (jonu) režģa mezglu stāvokli, norādot vienības šūnas parametrus ( a, b, c), kur a, b, c - attālums starp mezgliem atomu plaknē un d - attālums starp plaknēm saskaņā ar formulu (kubiskajai singonijai):

Lai iegūtu rentgena attēlus, tiek izmantotas šādas metodes:

• - Laue metode (fiksēts kristāls, kas apstarots ar nemonohromatisku starojumu);
• - kristāla rotācijas metode;
• - pulvera difrakcijas metode (saspiesta pulvera apstarošana ar monohromatisku starojumu).

Pētot vielas kristālisko struktūru ar Laue metodi, baltā (plašā spektra) rentgena starojumā tiek iegūts monokristāla difrakcijas attēls. Zem rentgenstaru straumes novieto monokristālu, stari atstarojas no atomu plaknēm un nokrīt uz rentgena plēves (23. att.). Izkliedētie stari rada punktveida atstarojumus uz plēves, katram no kuriem ir savs viļņa garums l no polihromatiskā spektra. Simetrija plankumu atrašanās vietā atspoguļo kristāla simetriju (24. att.).

Rīsi. 23. Lauegram iegūšanas shēma (a); kristāla difrakcijas modeļa skats (b): caur atstarojumiem novilktas elipses krustojas punktā, kas atbilst 4. kārtas simetrijas asij (hppt://s-d-p.narod.ru)

Rīsi. 24.

Caur atspīdumiem var zīmēt elipses, kuru krustpunkts ir simetrijas ass. Viena kristāla difrakcijas zīmējumu var iegūt, pagriežot to ap asi, kas ir perpendikulāra krītošā monohromatiskā stara virzienam un paralēla kristalogrāfiskajai asij, kurai, kā likums, ir mazi indeksi.

Difrakcijas shēmai būs vienkārša forma tikai tad, ja rotācijas ass ir paralēla kādai režģa mezglu rindai. Ja plēvi sarullē cilindra formā, kura ass sakrīt ar kristāla griešanās asi, un stars ir vērsts perpendikulāri šai asij (25. att., a), tad plaknes, kas ir paralēlas rotācijas ass sniegs difrakcijas modeli punktu veidā, kas atrodas gar taisnu līniju, kas iet caur centrālo plēvi un ko sauc par pirmā veida nulles slāņa līniju. Plaknes, kas orientētas slīpi attiecībā pret griešanās asi, dos atspulgus, kas veido slāņainas līnijas virs un zem nulles (25. att., b). No attāluma starp pirmā veida slāņveida līnijām var aprēķināt īsāko attālumu starp atomiem, kas atrodas pa kristalogrāfisko virzienu paralēli kristāla rotācijas asij.

Rīsi. 25. Rentgenstaru aptaujas shēma pēc rotācijas metodes (hppt://bestreferat.ru): 1 - primārais stars; 2 - paraugs (griežas bultiņas virzienā); 3 - cilindriska plēve; b - tipiska rotācijas rentgenogrāfija

Vielas kristālisko struktūru var noteikt arī pēc pulvera difrakcijas modeļiem, kas iegūti no polikristāliskiem objektiem. Šo minerālu rentgenstaru difrakcijas pētījumu metodi sauc par Debjegramas metodi. Tas sniedz mazāk pilnīgu minerāla struktūras raksturojumu, bet, ja nav lielu un labas kvalitātes monokristālu, pulvera metodes ir ļoti noderīgas. Pētījumiem ar šo metodi tiek ņemts smalks sasmalcinātu kristālu pulveris, no kura tiek izgatavota presēta kolonna vai presētas plāksnes. Šīs metodes pamati ir saistīti ar pieņēmumu, ka polikristālisks objekts satur daudz dažādi orientētu kristālu un ir jārada apstākļi, lai pēc iespējas lielākā daļa no tiem būtu orientēta pozīcijā, kas apmierina Volfa-Bragg vienādojumu, t.i. iegūt maksimālos leņķus un atstarošanas intensitātes (26. att., a). Atstaroto staru momentuzņēmumu sauc par debjegrammu (26. att., b). Rezultātu analīze tiek samazināta līdz nezināma minerāla Debjeogrammas salīdzināšanai ar standartu atsauces attēliem.

Rīsi. 26. Rentgena fotografēšanas shēma ar pulvera metodi (hppt://roman.by): 1 - primārais stars; 2 - pulverveida vai polikristālisks paraugs; 3 - plēve, kas velmēta pa apkārtmēru; 4 - difrakcijas konusi; 5 - "loki" uz plēves, kas rodas, kad tās virsma krustojas ar difrakcijas konusiem; b - tipisks pulvera rentgens (debjegramma)

Iepriekš minētās rentgena fotografēšanas metodes raksturo difrakcijas rentgena staru reģistrēšana uz fotofilmas. Ierīcēs, ko sauc par difraktometriem, starus reģistrē skaitītāji, ar kuriem ir pievienota elektroniskā ierakstīšanas ierīce. Vielas izpētes rezultāts uz difraktometra ir difraktogramma (27. att.), kurā virsotņu horizontālais stāvoklis norāda leņķa lielumu, bet to augstums raksturo intensitāti. DRON sērijas difraktometrus ražo Krievijā.

Rentgenstaru difrakcijas analīze, kas veikta ar modernu aprīkojumu un izmantojot augstas kvalitātes references materiālu kristāla režģa parametru noteikšanai, ļauj:

• - noteikt minerālu sugu;
• - noteikt minerālu šķirni; (kristāla režģa veids);
• - identificēt strukturālās šķirnes (apakštipus);
• - noteikt strukturālo tipomorfisko pazīmju klātbūtni;
• - noteikt un kvantitatīvi noteikt piemaisījumu elementus;
• - atklāt struktūras sakārtotības pakāpi un tās pilnību.

Tā ir vielu strukturālās struktūras izpētes metode. Tā pamatā ir rentgenstaru stara difrakcija uz īpašiem trīsdimensiju kristāla režģiem. Pētījumā viņi izmanto, kas ir aptuveni 1A, kas atbilst atoma izmēram. Jāteic, ka rentgenstaru difrakcijas analīze kopā ar neitronu un elektronu difrakciju pieder pie difrakcijas metodēm pētāmās vielas struktūras noteikšanai.

Tas palīdz izpētīt atoma uzbūvi, telpas grupas, tās izmērus un formu, kā arī kristālu simetrijas grupu. Izmantojot šo paņēmienu, tiek pētīti metāli un dažādi to sakausējumi, organiskie un neorganiskie savienojumi, minerāli, amorfie materiāli, šķidrumi un gāzes. Dažos gadījumos tiek izmantota proteīnu, nukleīnskābju un citu vielu rentgena difrakcijas analīze.

Šī analīze palīdz noteikt atomu materiālus, kuriem ir skaidri noteikta struktūra un kuri ir dabiski rentgena stariem. Jāatzīmē, ka citu vielu pētījumos rentgenstaru difrakcijas analīzei ir nepieciešama kristālu klātbūtne, kas ir svarīgs, bet diezgan sarežģīts uzdevums.

Atklāja Laue, Volfa un Brega izstrādātie teorētiskie pamati. Debye un Scherrer ieteica izmantot atklātās likumsakarības analīzes lomā. Jāteic, ka šobrīd rentgenstaru difrakcijas analīze joprojām ir viena no visizplatītākajām vielu struktūras noteikšanas metodēm, jo ​​tā ir vienkārši izpildāma un neprasa ievērojamas materiālās izmaksas.

Tas ļauj izpētīt dažādas vielu klases, un iegūtās informācijas vērtība nosaka jaunu metožu ieviešanu. Tātad sākumā viņi sāka pētīt, izmantojot interatomisko vektoru funkciju, vēlāk tika izstrādātas tiešas kristāla struktūras noteikšanas metodes. Ir vērts atzīmēt, ka pirmās vielas, kas tika pētītas, izmantojot rentgena starus, bija nātrija un kālija hlorīdi.

Telpiskā izpēte sākās pagājušā gadsimta 30. gados Lielbritānijā. Iegūtie dati radīja molekulāro bioloģiju, kas ļāva atklāt svarīgas olbaltumvielu fizikāli ķīmiskās īpašības, kā arī izveidot pirmo DNS modeli.

Kopš 1950. gadiem sāka aktīvi attīstīties datormetodes informācijas apkopošanai, kas iegūta no rentgenstaru struktūras analīzes.

Mūsdienās tiek izmantoti sinhrotroni. Tie ir vienkrāsaini avoti, kurus izmanto kristālu apstarošanai. Šīs ierīces ir visefektīvākās, ja tiek izmantota daudzviļņu anomālās dispersijas metode. Jāatzīmē, ka tos izmanto tikai valsts zinātniskajos centros. Laboratorijās tiek izmantota mazāk jaudīga tehnika, kas kalpo tikai kristālu kvalitātes pārbaudei, kā arī vielu aptuvenas analīzes iegūšanai.

Pašlaik rentgena fāzes analīze (radiogrāfija vai rentgenstaru difrakcija) ir visizplatītākā no difrakcijas analīzes metodēm. Jāņem vērā, ka difrakcijas metodes izmanto ne tikai cietu kristālisku vielu, bet arī šķidrumu un stiklu struktūras pētīšanai. Šķidrumiem un stikliem, kuros ir noteikta svārstīga strukturālo elementu statistiskā secība, arī raksturīga nevienmērīga izkliede. Šajā gadījumā maksimumu skaits un asums palielinās, vielai pārejot kristāliskā stāvoklī.

Radiogrāfija balstās uz difrakcijas modeļa iegūšanu un analīzi, kas rodas rentgenstaru traucējumu rezultātā, ko izkliedē apstarotā objekta atomu elektroni.

Kristāla izkliedēto rentgenstaru traucējumu parādība rada tādus pašus rezultātus kā staru spožā atstarošana no kristāla atomu plaknēm (att. 4.5.

Rīsi. 4.5. Rentgenstaru atspoguļojums

no kristāla atomu plaknēm:

q ir slīdēšanas leņķis (Bragg leņķis);

a ir krišanas leņķis; d 1 , d 2 - starpplakņu attālumi

Atspoguļotie stari izplatās vienā fāzē (intensitāte palielinās), ja tiek ievērots Vulfa-Braga vienādojums:

n l = 2 d sinq,

kur n− pārdomu kārtība; l ir rentgena staru kūļa viļņa garums; d ir attālums starp kristāla atomu plaknēm; q ir staru kūļa slīpuma leņķis.

Mainoties ganīšanas leņķim, kad Vulfa-Braga vienādojums netiek ievērots, atstarotie stari izplatās dažādās fāzēs un izslēdz viens otru.

Ir skaidrs, ka plakano režģu saimei ar dažādām vērtībām atstaroto staru intensitātes maksimumi tiks novēroti pie dažādām leņķa q vērtībām. d. Katrai kristāliskajai vielai ir individuāls plakano režģu saimes kopums, kas rada difrakcijas modeļa individualitāti, t.i., atstarošanas intensitātes sadalījumu atkarībā no leņķa q vērtības. Tāpēc difrakcijas modeļa ierakstīšana tiek veikta koordinātās es− q (atstaroto staru intensitāte − skatīšanās leņķis).

Rentgena staru kūļa iegūšanai tiek izmantotas rentgenstaru lampas (4.6. att.), kurās rentgenstari rodas elektronu palēninājuma rezultātā uz metāla anoda. Volframa kvēldiega izstarotā elektronu plūsma, kas paātrināta 30 kV sprieguma laukā, bombardē metāla mērķi - rentgena caurules anodu (izgatavota no vara, kobalta vai dzelzs). Primāro elektronu enerģija ir pietiekama, lai izsist 1-S elektronu ( K− vara apvalks, att. 4.7).

Rīsi. 4.6. Rentgena caurules diagramma:

1 - anods; 2 - volframa kvēldiegs; 3 - logs

no Ni folijas; 4 - rentgena stars

Rīsi. 4.7. CuK a -starojuma rašanās

Elektroni no ārējām orbitālēm nekavējoties pārvietojas uz brīvo vietu, t.i., uz iekšējo 1s līmeni. Šajā procesā atbrīvotā enerģija tiek izstarota rentgenstaru veidā. Šādas pārejas enerģija ir stingri fiksēta vērtība.

Varam iespējamas divu veidu pārejas: 2р ® 1s (K a - starojums; l = 1,5418 Å) un 3р ® 1s (K b - starojums; l = 1,3922 Å). Pirmā veida pārejas notiek daudz biežāk, tāpēc K a starojums ir intensīvāks. Primārajam rentgena staram ir vēlams izfiltrēt starus ar citiem viļņu garumiem, atstājot tikai K a starojumu. Šiem nolūkiem tiek izmantota Ni-folija, kas aizkavē K b starojumu.

Dzelzs anodam Ka -starojums atbilst viļņa garumam 0,1936 nm.

Ir trīs klasiskās metodes difrakcijas efekta iegūšanai no kristāla:

1) polihromatiskā metode (Laue metode), kuras pamatā ir nepārtraukta rentgena starojuma spektra izmantošana;

2) rotējošo monokristālu metodi, kas balstīta uz monohromatiskā starojuma izmantošanu;

3) pulvera metode (Debye-Scherrer metode), kurā monohromatiskā rentgena starojuma difrakcijas nosacījumus rada liels skaits dažādi orientētu plakņu sistēmu.

Jāņem vērā, ka 1. un 2. metodē ir nepieciešams izmantot testējamās vielas vienkristāla paraugu. Tā kā patiesībā visbiežāk tiek iegūtas vielas ar polikristālisku struktūru, 3. metode kļūst īpaši svarīga no praktiskā viedokļa.

Lai ierakstītu difrakcijas rakstu un difrakcijas leņķi pulvermetodē, tiek izmantoti vairāki šaušanas veidi, šobrīd visbiežāk izmantotie difraktometri ir zīmola DRON difraktometri, kuru vispārīgā shēma parādīta att. 4.8.

Rīsi. 4.8. Difraktometra shēma:

1 - rentgena caurule; 2 - diafragma;

3 - paraugs; 4 - goniometrs; 5 - skaitītājs;

6 - skaitītāja kustības aplis

Paraugs atrodas nemainīga rādiusa apļa centrā, pa kuru pārvietojas skaitītājs. Šajā gadījumā paraugs griežas vienlaikus ar skaitītāju. Skaitītāja leņķiskais ātrums ir divreiz lielāks par parauga leņķisko ātrumu. Tādējādi, ja paraugu pagriež ar kādu leņķi q, tad pretgriešanās leņķis ir 2q. Rentgena starojums, atstarots no parauga, nonāk skaitītājā, kur tas tiek pārveidots par elektrisko signālu (Ģēģera-Mullera skaitītājā tiek izmantota rentgenstaru spēja jonizēt gāzi). Rentgena attēlu ieraksta koordinātēs I − 2q. Kā piemērs zemāk redzams zemas temperatūras kvarca rentgens (4.9. att.).

Rīsi. 4.9. Zemas temperatūras kvarca rentgenstaru difrakcijas modelis

Atkarībā no risināmo uzdevumu rakstura izšķir divu veidu radiogrāfiskās analīzes:

- Rentgenstaru difrakcijas analīze (XRD), kas izstrādāta, lai noteiktu analizējamās vielas kristāliskā režģa parametrus un kvalitatīvos raksturlielumus;

− rentgena fāzu analīze (XRF), kas sastāv no fāžu esamības noteikšanas (kvalitatīvā analīze) un to relatīvā satura analizējamajā paraugā (kvantitatīvā analīze).

Rentgenstaru difrakcijas analīze. Pētot kristāliskas vielas struktūru, rodas šādas problēmas:

- kristāla režģa elementāršūnas izmēra un formas noteikšana, un līdz ar to atomu skaita noteikšana šūnā;

– katra simetriski neatkarīga šūnas atoma konkrētās pozīcijas (koordinātas) noteikšana;

− atomu termisko vibrāciju konstantu noteikšana un elektronu blīvuma sadalījums pa atomiem un starp tiem.

Rentgenstaru difrakcijas analīze ir viena no informatīvākajām metodēm kristālisko vielu pētīšanai.

Rentgena fāzes analīze. Lielākā daļa materiālu sastāv no vairākām fāzēm. Kvalitatīvas fāzes sastāva un dažādu fāžu kvantitatīvās attiecības atšifrēšana, cieto šķīdumu veida un stāvokļa noteikšana, to iespējamās ierobežojošās koncentrācijas ir visizplatītākās rentgena fāzu analīzes materiālzinātnes problēmas.

Kopumā rentgena fāzes analīze balstās uz diviem pieņēmumiem:

– katra fāze dod tikai tai raksturīgu difrakcijas līniju kopu (neatkarīgi no citu fāžu klātbūtnes);

− līnijas intensitāte ir proporcionāla fāzes saturam.

Analīzes īpašība ir tās jutība - minimālais vielas daudzums, pie kura joprojām ir pamanāma spēcīgākā (atskaites) līnija. Kopumā XPA jutība nepārsniedz dažus procentus, piemēram, klinkera minerāliem tas ir 2–3%.

Daudzfāžu sistēmas rentgenstaru difrakcijas modelis ir atsevišķu fāžu rentgenstaru difrakcijas modeļu superpozīcijas rezultāts. Ja fāzes saturs ir zems, tas tiks attēlots tikai ar ierobežotu skaitu intensīvāko līniju.

Rentgena attēlu interpretācija sastāv no starpplakņu attālumu vērtību noteikšanas d pēc difrakcijas maksimumiem un pēdējās relatīvās intensitātes es.

Lai aprēķinātu starpplakņu attālumu vērtības, tiek iestatīta precīza leņķu vērtība (2q) difrakcijas virsotnēm (atbilstoši to maksimumam), un starpplakņu attāluma vērtība tiek noteikta no attiecīgajām tabulām. d. Pēc tam tiek salīdzināta to refleksu kopuma atbilstība, kas ir tuvu vērtībām. d Un es atsauce. Jo lielāka ir kristāliskās fāzes identifikācijas ticamība, jo vairāk tai atbilstošo atspulgu rentgenstaru difrakcijas shēmā. Parasti var droši teikt par vienas vai otras fāzes klātbūtni vismaz trīs tai atbilstošu atspulgu klātbūtnē.

Fāžu meklēšana un identifikācija tiek veikta, izmantojot ASTM - ICPDS failu skapi, izmantojot PDF pulvera difrakcijas failu. Pašlaik ICDD datoru datubāze tiek plaši izmantota arī rentgena fāzes analīzei.

Rentgena kvantitatīvās fāzes analīzes pamatā ir noteikto fāžu līniju intensitātes salīdzināšana savā starpā vai ar etalonparauga līnijas intensitāti, kas iegūta uz rentgena modeļa ar atsauces sajaukšanas metodi vai metodi. neatkarīga atsauce.

Šajā gadījumā kvantitatīvās analīzes gadījumā ir nepieciešami visprecīzākie līnijas intensitātes mērījumi, īpaši fāzei, kuras apjoms ir mazs.

Rentgena struktūras analīze

metodes matērijas struktūras izpētei pēc sadalījuma telpā un uz analizējamā objekta izkliedētā rentgena starojuma intensitātēm. R. s. bet. kopā ar neitronu difrakciju (sk. Neitronu difrakciju) un elektronu difrakciju (sk. Elektronu difrakciju) ir difrakcijas strukturāla metode; tā pamatā ir rentgenstaru mijiedarbība ar matērijas elektroniem, kā rezultātā rodas rentgenstaru difrakcija. Difrakcijas shēma ir atkarīga no izmantoto rentgenstaru viļņa garuma (sk. Rentgenstari) un objekta struktūras. Atomu struktūras pētīšanai tiek izmantots starojums ar rentgena struktūras analīzes viļņa garumu 1 Å, t.i., atomu lieluma secībā. R. metodes ar. bet. pētīt metālus, sakausējumus, minerālus, neorganiskos un organiskos savienojumus, polimērus, amorfos materiālus, šķidrumus un gāzes, olbaltumvielu molekulas, nukleīnskābes u.c. Visveiksmīgāk R. ar. bet. izmanto kristālisko ķermeņu atomu struktūras noteikšanai. Tas ir saistīts ar faktu, ka kristāliem ir stingra struktūras periodiskums un tie veido pašas dabas radīto rentgenstaru difrakcijas režģi.

Vēstures atsauce. Rentgenstaru difrakciju ar kristāliem 1912. gadā atklāja vācu fiziķi M. Laue, V. Frīdrihs un P. Knipings. Novirzot šauru rentgena staru kūli uz stacionāru kristālu, tie reģistrēja difrakcijas rakstu uz fotoplāksnes, kas novietota aiz kristāla, kas sastāvēja no liela skaita regulāri sakārtotu plankumu. Katrs plankums ir kristāla izkliedēta difrakcijas stara pēda. rentgenogramma , kas iegūta ar šo metodi, tiek saukta par Lauegram (sk. Lauegram) ( rīsi. viens ).

Laue izstrādātā kristālu rentgenstaru difrakcijas teorija ļāva saistīt starojuma viļņa garumu λ, kristāla vienības šūnas parametrus. a, b, c(skatiet kristāla režģi) , krītošo (α 0 , β 0 , γ 0) un difrakcijas (α, β, γ) staru leņķi pēc attiecībām:

a(cosα - cosα 0) = hλ ,

b(cosβ - cosβ 0) = kλ, (1)

c(cosγ - cosγ 0) = lλ ,

50. gados. R. metodes lapas sāka strauji attīstīties. bet. ar datoru izmantošanu eksperimenta tehnikā un rentgenstaru difrakcijas informācijas apstrādē.

Eksperimentālās metodes R. ar. bet. Rentgena kameras un rentgena difraktometrus izmanto, lai radītu apstākļus starojuma difrakcijai un reģistrācijai. Tajos izkliedētais rentgena starojums tiek fiksēts fotofilmā vai izmērīts ar kodolstarojuma detektoriem. Atkarībā no pētāmā parauga stāvokļa un tā īpašībām, kā arī no iegūstamās informācijas rakstura un apjoma tiek izmantotas dažādas R. s metodes. bet. Atomu struktūras izpētei atlasītajiem monokristāliem jābūt izmēriem Rentgena struktūras analīze 0.1 mm un, ja iespējams, ar perfektu struktūru. Salīdzinoši lielu, gandrīz ideālu kristālu defektu izpēti veic ar rentgena topogrāfiju, ko dažkārt dēvē par rentgena topogrāfiju. bet.

Laue metode ir vienkāršākā metode rentgenstaru modeļu iegūšanai no monokristāliem. Laue eksperimentā kristāls ir nekustīgs, un izmantotajiem rentgena stariem ir nepārtraukts spektrs. Difrakcijas plankumu atrašanās vieta Laue shēmās ( rīsi. viens ) ir atkarīgs no kristāla simetrijas un tā orientācijas attiecībā pret krītošo staru. Laue metode ļauj noteikt, vai pētāmais kristāls pieder vienai un 11 Laue simetrijas grupām, un to orientēt (t.i., noteikt kristalogrāfisko asu virzienu) ar vairāku loka minūšu precizitāti. Pēc plankumu rakstura uz Lauegrammām un jo īpaši pēc Asterism a parādīšanās var atklāt iekšējos spriegumus un dažus citus kristāla struktūras defektus. Laue metode pārbauda monokristālu kvalitāti, izvēloties paraugu tā pilnīgākai struktūras izpētei.

Paraugu šūpošanas un rotācijas metodes tiek izmantotas, lai noteiktu atkārtošanās periodus (režģa konstanti) pa kristalogrāfisko virzienu monokristālā. Tie jo īpaši ļauj iestatīt parametrus bet, b, c kristāla vienības šūna. Šajā metodē tiek izmantots monohromatiskais rentgena starojums, paraugs tiek ievests svārstīgā vai rotācijas kustībā ap asi, kas sakrīt ar kristalogrāfisko virzienu, pa kuru tiek pārbaudīts atkārtošanās periods. Punkti uz šūpošanas un rotācijas rentgenogrammām, kas iegūtas cilindriskās kasetēs, atrodas uz paralēlu līniju saimes. Attālumi starp šīm līnijām, starojuma viļņa garums un rentgena kameras kasetes diametrs ļauj aprēķināt nepieciešamo atkārtošanās periodu kristālā. Laue nosacījumi difrakcijas stariem šajā metodē tiek izpildīti, mainot leņķus, kas iekļauti attiecībās (1) parauga šūpošanas vai rotācijas laikā.

Rentgena metodes. Pilnīgai monokristāla struktūras izpētei ar rentgena metodēm. bet. nepieciešams ne tikai noteikt pozīciju, bet arī izmērīt pēc iespējas vairāk difrakcijas atstarojuma intensitātes, ko var iegūt no kristāla noteiktā starojuma viļņa garumā un visās iespējamās parauga orientācijās. Lai to izdarītu, difrakcijas rakstu reģistrē uz fotofilmas rentgena goniometrā (skatīt rentgena goniometru) un mēra, izmantojot mikrofotometru a. katras vietas melnuma pakāpe uz rentgena. Rentgenstaru difraktometrā var tieši izmērīt difrakcijas atstarojuma intensitāti, izmantojot proporcionālos, scintilācijas un citus rentgena fotonu skaitītājus. Lai iegūtu pilnu atspulgu komplektu, rentgena goniometri ņem virkni rentgenstaru modeļu. Uz katra no tiem tiek reģistrēti difrakcijas atspīdumi, kuru Millera indeksiem ir noteikti noteikti ierobežojumi (piemēram, tipa atspulgi hk 0, hk 1 utt.). Visbiežāk rentgena goniometriskais eksperiments tiek veikts, izmantojot Veizenbergas metodes. Burger ( rīsi. 2 ) un de Jong-Bowman. To pašu informāciju var iegūt ar šūpošanas rentgenogrammu palīdzību.

Lai izveidotu vidējas sarežģītības atomu struktūru (50-100 atomu rentgena struktūras analīze vienības šūnā), nepieciešams izmērīt vairāku simtu un pat tūkstošu difrakcijas atstarojuma intensitāti. Šo ļoti laikietilpīgo un rūpīgo darbu veic automātiskie mikrodensitometri un datorvadāmie difraktometri, dažkārt vairākas nedēļas vai pat mēnešus (piemēram, proteīnu struktūru analīzē, kad atspīdumu skaits palielinās līdz simtiem tūkstošu). Izmantojot difraktometrā vairākus skaitītājus, kas spēj paralēli reģistrēt atspulgus, eksperimenta laiku var ievērojami samazināt. Difraktometriskie mērījumi jutības un precizitātes ziņā ir pārāki par fotografēšanu.

Polikristālu izpētes metode (Debija - Šerera metode). Metāli, sakausējumi, kristāliskie pulveri sastāv no daudziem maziem konkrētas vielas atsevišķiem kristāliem. To pētīšanai tiek izmantots monohromatiskais starojums. Polikristālu rentgena zīmējums (Debyegram) sastāv no vairākiem koncentriskiem gredzeniem, no kuriem katrs apvieno atstarojumus no noteiktas atšķirīgi orientētu monokristālu plakņu sistēmas. Dažādu vielu debyegrammām ir individuāls raksturs, un tās plaši izmanto savienojumu (tostarp maisījumos) identificēšanai. R.s.a. polikristāli ļauj noteikt paraugu fāzes sastāvu, noteikt graudu izmēru un vēlamo orientāciju (teksturāciju) vielā, kontrolēt spriegumus paraugā un atrisināt citas tehniskas problēmas.

Amorfo materiālu un daļēji sakārtotu objektu izpēte. Skaidru rentgena attēlu ar asiem difrakcijas maksimumiem var iegūt tikai ar pilnīgu parauga trīsdimensiju periodiskumu. Jo zemāka ir materiāla atomu struktūras sakārtotības pakāpe, jo izplūdušāks, izkliedētāks ir tā izkliedētais rentgena starojums. Izkliedētā gredzena diametrs amorfas vielas rentgenstaru difrakcijas shēmā var kalpot kā aptuvens aprēķins par vidējo starpatomisko attālumu tajā. Palielinoties sakārtotības pakāpei (sk. Long-Range Order un Short-Range Order) objektu struktūrā, difrakcijas modelis kļūst sarežģītāks un līdz ar to satur vairāk strukturālās informācijas.

Mazā leņķa izkliedes metode dod iespēju pētīt vielas telpiskās neviendabības, kuru izmēri pārsniedz starpatomiskos attālumus, t.i. diapazons no 5-10 Å līdz rentgenstaru struktūras analīzei 10 000 Å. Izkliedētais rentgena starojums šajā gadījumā koncentrējas primārā staru kūļa tuvumā - mazu izkliedes leņķu reģionā. Maza leņķa izkliede tiek izmantota, lai pētītu porainus un smalki izkliedētus materiālus, sakausējumus un sarežģītus bioloģiskos objektus: vīrusus, šūnu membrānas, hromosomas. Izolētām olbaltumvielu molekulām un nukleīnskābēm metode ļauj noteikt to formu, izmēru, molekulmasu; vīrusos - to sastāvdaļu savstarpējās sakraušanas raksturs: olbaltumvielas, nukleīnskābes, lipīdi; sintētiskajos polimēros - polimēru ķēžu iepakošana; pulveros un sorbentos - daļiņu un poru sadalījums pēc izmēra; sakausējumos - fāžu rašanās un lielums; tekstūrās (jo īpaši šķidrajos kristālos) - daļiņu (molekulu) iesaiņošanas forma dažāda veida supramolekulārās struktūrās. Rentgena mazā leņķa metodi izmanto arī rūpniecībā, lai kontrolētu katalizatoru, smalko ogļu u.c. ražošanas procesus. Atkarībā no objekta struktūras tiek veikti mērījumi izkliedes leņķiem no minūtes daļām līdz vairākiem grādiem.

Atomu struktūras noteikšana pēc rentgenstaru difrakcijas datiem. Kristāla atomu struktūras atšifrēšana ietver: tā elementārās šūnas izmēra un formas noteikšanu; noteikšana, vai kristāls pieder kādai no 230 Fjodorova (atklāja E. S. Fedorovs (sk. Fedorovs)) kristālu simetrijas grupām (sk. Kristālu simetrija); struktūras pamatatomu koordināšu iegūšana. Pirmo un daļēji otro problēmu var atrisināt ar Laue metodēm un kristāla šūpošanu vai rotāciju. Sarežģītu struktūru pamata atomu simetrijas grupu un koordinātas beidzot ir iespējams noteikt tikai ar sarežģītas analīzes un darbietilpīgas visu difrakcijas atstarojumu intensitātes vērtību matemātiskās apstrādes palīdzību no dotā kristāla. Šādas apstrādes galvenais mērķis ir aprēķināt elektronu blīvuma vērtības ρ( x, y, z) jebkurā kristāla šūnas punktā ar koordinātām x, y, z. Kristāla struktūras periodiskums ļauj mums tajā ierakstīt elektronu blīvumu caur Furjē sēriju :

kur V- vienības šūnas tilpums, Fhkl- Furjē koeficienti, kas R. s. bet. sauc par strukturālajām amplitūdām, i= hkl un ir saistīts ar difrakcijas atstarošanos, ko nosaka nosacījumi (1). Summēšanas (2) mērķis ir matemātiski apkopot rentgenstaru difrakcijas atstarojumus, lai iegūtu atomu struktūras attēlu. Lai šādā veidā radītu attēla sintēzi R. s. bet. Tas ir saistīts ar to, ka dabā trūkst lēcu rentgena stariem (redzamās gaismas optikā tam kalpo saplūstoša lēca).

Difrakcijas atstarošana ir viļņu process. To raksturo amplitūda, kas vienāda ar ∣ Fhkl∣ un fāze α hkl(ar atstarotā viļņa fāzes nobīdi attiecībā pret incidentu), caur kuru tiek izteikta strukturālā amplitūda: Fhkl=∣Fhkl∣ (cosα hkl +i sinα hkl). Difrakcijas eksperiments ļauj izmērīt tikai atstarošanas intensitāti, kas ir proporcionāla ∣ Fhkl∣ 2 , bet ne to fāzes. Fāzes noteikšana ir galvenā problēma kristāla struktūras atšifrēšanā. Strukturālo amplitūdu fāžu definīcija būtībā ir vienāda gan kristāliem, kas sastāv no atomiem, gan kristāliem, kas sastāv no molekulām. Nosakot atomu koordinātas molekulārā kristāliskā vielā, ir iespējams izolēt to veidojošās molekulas un noteikt to izmēru un formu.

Problēmu ir viegli atrisināt, strukturālās interpretācijas otrādi: strukturālo amplitūdu zināmās atomu struktūras aprēķins un uz tiem - difrakcijas atstarojumu intensitātes. Mēģinājumu un kļūdu metode, vēsturiski pirmā struktūru atšifrēšanas metode, sastāv no eksperimentāli iegūto ∣ salīdzināšanas. Fhkl∣ exp, ar vērtībām, kas aprēķinātas, pamatojoties uz izmēģinājuma modeli ∣ Fhkl∣ aprē. Atkarībā no novirzes koeficienta vērtības

Principiāli jauns veids monokristālu atomu struktūru atšifrēšanai tika atvērts, izmantojot t.s. Patersona funkcijas (starpatomu vektoru funkcijas). Konstruēt Patersona funkciju kādai struktūrai, kas sastāv no N atomi, mēs to pārvietojam paralēli sev, lai pirmais atoms vispirms nonāktu fiksētajā izcelsmē. Vektori no sākuma līdz visiem struktūras atomiem (ieskaitot nulles garuma vektoru līdz pirmajam atomam) norādīs pozīciju N starpatomu vektoru funkcijas maksimumi, kuru kopumu sauc par struktūras attēlu atomā 1. Papildināsim tos vēl vairāk N maksimumi, kuru novietojums norādīs N vektori no otrā atoma, kas novietoti paralēli struktūras pārnesei uz to pašu izcelsmi. Pēc šīs procedūras veikšanas ar visiem N atomi ( rīsi. 3 ), mēs saņemsim N 2 vektori. Funkcija, kas apraksta viņu stāvokli, ir Patersona funkcija.

Patersona funkcijai R(u, υ, ω) (u, υ, ω - punktu koordinātes starpatomisko vektoru telpā), var iegūt izteiksmi:

no kā izriet, ka to nosaka strukturālo amplitūdu moduļi, nav atkarīgs no to fāzēm un līdz ar to var aprēķināt tieši no difrakcijas eksperimenta datiem. Grūtības interpretēt funkciju R(u, υ, ω) sastāv no nepieciešamības atrast koordinātas N atomi no N 2 viņa maksimumi, no kuriem daudzi saplūst pārklāšanās dēļ, kas rodas, konstruējot interatomisko vektoru funkciju. Visvieglāk atšifrēt R(u, υ, ω) gadījumā, kad struktūrā ir viens smagais atoms un vairāki vieglie. Šādas struktūras attēls smagajā atomā būtiski atšķirsies no citiem tā attēliem. Starp dažādām metodēm, kas ļauj noteikt pētāmās struktūras modeli pēc Patersona funkcijas, visefektīvākās bija tā sauktās superpozīcijas metodes, kas ļāva formalizēt tās analīzi un veikt to datorā.

Patersona funkcijas metodes sastopas ar nopietnām grūtībām, pētot kristālu struktūras, kas sastāv no identiskiem vai līdzīgiem atomiem pēc atomu skaita. Šajā gadījumā efektīvākas izrādījās tā sauktās tiešās metodes strukturālo amplitūdu fāžu noteikšanai. Ņemot vērā faktu, ka elektronu blīvuma vērtība kristālā vienmēr ir pozitīva (vai vienāda ar nulli), var iegūt lielu skaitu nevienādību, kurām Furjē koeficienti (strukturālās amplitūdas) funkcijai ρ( x, y, z). Izmantojot nevienādību metodes, ir samērā viegli analizēt struktūras, kas kristāla šūnā satur līdz 20–40 atomiem. Sarežģītākām struktūrām tiek izmantotas metodes, kuru pamatā ir varbūtības pieeja problēmai: strukturālās amplitūdas un to fāzes tiek uzskatītas par nejaušiem mainīgajiem; Šo nejaušo lielumu sadalījuma funkcijas tiek iegūtas no fizikāliem attēlojumiem, kas ļauj novērtēt fāžu visticamākās vērtības, ņemot vērā strukturālo amplitūdu moduļu eksperimentālās vērtības. Šīs metodes tiek realizētas arī datorā un ļauj atšifrēt struktūras, kas satur 100–200 vai vairāk atomus kristāla vienības šūnā.

Tātad, ja ir noteiktas strukturālo amplitūdu fāzes, tad elektronu blīvuma sadalījumu kristālā var aprēķināt no (2), šī sadalījuma maksimumi atbilst atomu novietojumam struktūrā ( rīsi. 4 ). Galīgo atomu koordinātu precizēšanu veic datorā Mazāko kvadrātu metode om un atkarībā no eksperimenta kvalitātes un struktūras sarežģītības ļauj tos iegūt ar precizitāti līdz Å tūkstošdaļām (ar moderna difrakcijas eksperimenta palīdzību var aprēķināt arī kvantitatīvos raksturlielumus atomu termiskās vibrācijas kristālā, ņemot vērā šo vibrāciju anizotropiju). R. s. bet. ļauj noteikt smalkākus atomu struktūru raksturlielumus, piemēram, valences elektronu sadalījumu kristālā. Tomēr šī sarežģītā problēma līdz šim ir atrisināta tikai visvienkāršākajām konstrukcijām. Šim nolūkam ļoti perspektīva ir neitronu difrakcijas un rentgenstaru difrakcijas pētījumu kombinācija: neitronu difrakcijas dati par atomu kodolu koordinātām tiek salīdzināti ar elektronu mākoņa telpisko sadalījumu, kas iegūts, izmantojot rentgenstaru difrakciju. bet. Daudzu fizikālu un ķīmisku problēmu risināšanai kopīgi tiek izmantoti rentgenstaru difrakcijas pētījumi un rezonanses metodes.

R. sasniegumu virsotne. bet. - proteīnu, nukleīnskābju un citu makromolekulu trīsdimensiju struktūras atšifrēšana. Proteīni dabiskos apstākļos, kā likums, neveido kristālus. Lai panāktu regulāru olbaltumvielu molekulu izkārtojumu, olbaltumvielas tiek kristalizētas un pēc tam tiek pārbaudīta to struktūra. Olbaltumvielu kristālu strukturālo amplitūdu fāzes var noteikt tikai kopīgiem radiogrāfu un bioķīmiķu pūliņiem. Lai atrisinātu šo problēmu, ir jāiegūst un jāizpēta paša proteīna kristāli, kā arī tā atvasinājumi ar smago atomu iekļaušanu, un atomu koordinātām visās šajās struktūrās jāsakrīt.

Par daudzajiem R. metožu pielietojumiem lappusē. bet. izpētīt dažādus cietvielu struktūras pārkāpumus dažādu ietekmju ietekmē, skatīt Art. Materiālu radiogrāfija.

Lit.: Belovs N.V., Strukturālā kristalogrāfija, Maskava, 1951; Ždanovs G. S., Rentgenstaru difrakcijas analīzes pamati, M. - L., 1940; James R., Rentgenstaru difrakcijas optiskie principi, trans. no angļu val., M., 1950; Boky G. B., Poray-Koshits M. A., rentgena analīze, M., 1964; Poray-Koshits M.A., Rentgenstaru difrakcijas analīzes praktiskais kurss, M., 1960: Kitaigorodskis A.I., Strukturālās analīzes teorija, M., 1957; Lipeon G., Cochran V., Kristālu struktūras noteikšana, trans. no angļu val., M., 1961; Weinshtein B.K., Strukturālā elektronu difrakcija, M., 1956; Bacon, J., Neitron Diffraction, trans. no angļu val., M., 1957; Burger M., Kristālu struktūra un vektoru telpa, tulk. no angļu val., M., 1961; Guinier A., ​​Kristālu rentgena difrakcija, trans. no franču valodas, Maskava, 1961; Woolfson M. M., An Introduction to X-ray crystallography, Camb., 1970: Ramachandran G. N., Srinivasan R., Furjē metode kristalogrāfijā, N. Y., 1970; Kristalogrāfiskā skaitļošana, ed. F. R. Ahmeds, Cph., 1970; Stout G. H., Jensen L. H., Rentgena struktūras noteikšana, N. Y. - L., .

V. I. Simonovs.

Rīsi. 9. a. Minerālbaotīta O 16 Cl interatomisko vektoru funkcijas projekcija uz ab plakni]. Līnijas ir novilktas caur tiem pašiem interatomisko vektoru funkciju vērtību intervāliem (vienāda līmeņa līnijas). b. Baotīta elektronu blīvuma projekcija uz ab plakni, kas iegūta, atšifrējot starpatomisko vektoru funkciju (a). Elektronu blīvuma maksimumi (vienāda līmeņa līniju kopas) atbilst atomu pozīcijām struktūrā. iekšā. Baotīta atomu struktūras modeļa attēls. Katrs Si atoms atrodas tetraedra iekšpusē, ko veido četri O atomi; Ti un Nb atomi atrodas oktaedros, kas sastāv no O atomiem.SiO 4 tetraedri un Ti(Nb)O 6 oktaedri baotīta struktūrā ir savienoti, kā parādīts attēlā. Daļa no kristāla vienības šūnas, kas atbilst att. a un b ir atzīmēti ar pārtrauktu līniju. Punktētas līnijas att. a un b nosaka atbilstošo funkciju vērtību nulles līmeņus.

Fizikālā enciklopēdija - X-STARU STRUKTURĀLĀ ANALĪZE, vielas parauga atomu struktūras izpēte, izmantojot rentgenstaru difrakcijas modeli. Ļauj noteikt vielas elektronu blīvuma sadalījumu, kas nosaka atomu veidu un to ... ... Ilustrētā enciklopēdiskā vārdnīca

- (rentgenstaru difrakcijas analīze), metožu kopums vielas atomu struktūras izpētei, izmantojot rentgenstaru difrakciju. Saskaņā ar difrakcijas modeli tiek noteikts vielas elektronu blīvuma sadalījums, un saskaņā ar to tiek noteikts atomu veids un to ... ... enciklopēdiskā vārdnīca

- (rentgena struktūras analīze), pētījuma metode atomu mol. ēkas c, ch. arr. kristāli, pamatojoties uz difrakcijas izpēti, kas rodas mijiedarbības rezultātā. ar testa paraugu rentgena starojumam, kura viļņa garums ir apm. 0,1 nm. Izmantojiet Ch. arr… Ķīmiskā enciklopēdija - (sk. RENTGENA STRUKTURĀLĀ ANALĪZE, NEITRONOGRĀFIJA, ELEKTRONOGRĀFIJA). Fiziskā enciklopēdiskā vārdnīca. Maskava: padomju enciklopēdija. Galvenais redaktors A. M. Prohorovs. 1983... Fiziskā enciklopēdija

Struktūras noteikšana iekštelpās un materiālos, t.i., tos veidojošo struktūrvienību (molekulu, jonu, atomu) atrašanās vietas noteikšana telpā. Šaurā nozīmē S. a. molekulu un molu ģeometrijas noteikšana. sistēmas, kuras parasti apraksta ar garumu kopu ... ... Ķīmiskā enciklopēdija

Dabā sastopami aptuveni 10 12 dažādi proteīni, kas pilda ļoti dažādas funkcijas. Tie ir proteīnu enzīmi, kas katalizē bioķīmiskos procesus dzīvā šūnā; un nesējproteīni, kas ļauj citām molekulām iziet cauri kodola vai šūnu membrānām vai pārvietoties starp šūnām visā ķermenī; un imūnglobulāri proteīni, kam raksturīga augsta mijiedarbības specifika ar antigēniem, kas izraisa signālu ceļu aktivizēšanu, kas nodrošina šūnu imūnreakciju. Šie ir tikai daži proteīnu molekulu unikālo īpašību piemēri. Frensisa Krika tēlainajā izteicienā olbaltumvielas ir svarīgas galvenokārt tāpēc, ka tās var veikt ļoti dažādas funkcijas, turklāt ar neparastu vieglumu un graciozitāti.

Ar visu to strukturālo un funkcionālo daudzveidību visas dabiskās olbaltumvielas ir veidotas no 20 aminoskābēm, kas savienotas saskaņā ar proteīnu sintēzes kodu. Atkarībā no aminoskābju atlikumu secības polipeptīdu ķēdē veidojas noteikta stabila proteīna trīsdimensiju struktūra, kas nosaka tā strukturālās un funkcionālās īpašības. Piemēram, katram fermentam ir raksturīga skaidri noteikta aktīvā centra konformācija, kas nodrošina specifisku mijiedarbību ar substrāta molekulām un veic katalītisko darbību. Turklāt efektīvai fermenta-substrāta kompleksa veidošanai liela nozīme ir ne tikai fermenta un substrāta molekulu ģeometriskajai atbilstībai (komplementaritātei), bet arī ūdeņraža saišu veidošanai, elektrostatiskajai un hidrofobajai mijiedarbībai starp aktīvās vielas atomiem. enzīma centrs un substrāta molekula. Tādējādi jebkurai proteīna molekulai ir raksturīga unikāla struktūra, kas nosaka tās funkcijas unikalitāti.

Olbaltumvielu telpiskās organizācijas noskaidrošana ir viena no galvenajām mūsdienu bioķīmijas jomām. Daudzos gadījumos zināšanas par proteīna uzbūvi un tā kompleksu ar inhibitoriem ir noteicošais faktors zāļu izstrādē.

Viena no svarīgākajām eksperimentālajām metodēm, kas ļauj ar atomu precizitāti noskaidrot, kāda ir proteīna trīsdimensiju struktūra, t.i. Lai noteiktu visu pētāmā objekta atomu telpiskās koordinātas, ir rentgenstaru difrakcijas jeb kristalogrāfiskā analīze. Zinot katra atoma stāvokli, var aprēķināt starpatomiskos attālumus, saišu leņķus, griešanās leņķus ap saitēm, virsmas lādiņu sadalījumu un citas molekulārās ģeometrijas detaļas. Šie dati ir nepieciešami ķīmiķiem, bioķīmiķiem un biologiem, kas pēta strukturālo īpašību un funkcionālo īpašību attiecības, kā arī speciālistiem, kas nodarbojas ar molekulu elektroniskās struktūras un molekulu mijiedarbības izpēti. Rentgenstaru difrakcijas analīzes īpašā vieta citu eksperimentālo metožu vidū atspoguļo faktu, ka kopš rentgenstaru atklāšanas 1901. gadā līdz mūsdienām darbam šajā jomā ir piešķirtas 12 Nobela prēmijas.

Rentgenstaru difrakcijas analīzes izmantošana sarežģītu bioloģisko objektu pētīšanai sākās pēc 1953. gada, kad Kembridžas Universitātes Kavendiša laboratorijas darbinieks Makss Perucs atrada veidu, kā noteikt lielu molekulu, piemēram, mioglobīna un hemoglobīns. Kopš tā laika olbaltumvielu molekulu rentgenstaru difrakcijas analīze ir palīdzējusi mums izprast bioloģisko reakciju ķīmiju. Līdz šim ir zināmas aptuveni 15 tūkstošu olbaltumvielu struktūras un to kompleksi ar bioloģiski nozīmīgām molekulām.

Rentgenstari ir elektromagnētiskie viļņi ar viļņu garumu no 0,01 līdz 10 nm. Īsviļņu pusē tie atrodas blakus -stariem (viļņu garums ir mazāks par 0,1 nm), garo viļņu pusē - ultravioletajam (viļņu garums aptuveni 10–380 nm).

Lai veiktu rentgena eksperimentu, ir nepieciešams monohromatisks rentgena starojums (ti, stingri noteikts viļņa garums). Šim nolūkam tiek izmantoti dažādi filtri un monohromatori.

Parasti cilvēks, dzirdot par rentgena izmeklējumu, atceras rentgena kabinetu klīnikā. Faktiski rentgenstaru difrakcijas analīzei nav nekā kopīga ar medicīnisko izpēti. Medicīniskā fluoroskopija balstās uz rentgenstaru absorbcijas pakāpes atšķirību dažādos audos, bet rentgena kristalogrāfijas pamatā ir rentgenstaru izkliede ar atomu elektroniem. Ja medicīnā mēs iegūstam pētāmā objekta rentgena attēlu, tad rentgena kristalogrāfijā attēlos nav nekāda attēla.

Kā tiek izveidots rentgena eksperiments? Shēma ir vienkārša (1. att.): pētāmo objektu ievieto rentgena starā un mēra dažādos virzienos izkliedētā starojuma intensitāti. Vienkāršākais veids ir novietot fotofilmu staru kūļa ceļā un pēc plankuma tumšuma pakāpes pēc attīstīšanas spriest par izkliedes intensitāti šajā virzienā. Protams, šodien ir progresīvākas metodes, bet tagad tas nav svarīgi. Šajā gadījumā ir svarīgi, lai mēs skatāmies nevis uz to staru intensitāti, kas ir izgājuši caur objektu, bet gan uz to staru intensitāti, kas radušies tur, kur tiem, šķiet, nevajadzētu būt.

Rīsi. 1. Rentgena eksperimenta shēma

Tātad ieejā mums ir nezināms objekts, izejā - dažādos virzienos izkliedētu staru intensitātes kopums vai difrakcijas modelis. Tagad ir nepieciešams eksperimentā iegūto informāciju saistīt ar pētāmā objekta atomu uzbūvi. Mēs uzskaitām galvenos noteikumus, uz kuriem tiek veidots vienkāršākais rentgenstaru izkliedes matemātiskais modelis:

1) rentgena stars ir plakans monohromatisks elektromagnētiskais vilnis;
2) šī elektromagnētiskā viļņa ietekmē katrs elektrons sāk kustēties, ko var aprakstīt ar vienādojumiem brīvajiem lādiņiem;
3) kustīgais elektrons savukārt ir jauna izkliedēta sfēriska elektromagnētiskā viļņa avots, kas izplatās visos virzienos;
4) šie jaunie viļņi tiek summēti un nosaka starojuma intensitāti mūs interesējošā virzienā.

Tādu modeli sauc kinemātiskās izkliedes teorija. Tās galvenais trūkums ir tas, ka elektronu ietekmē ne tikai primārais stars, bet arī izkliedēti viļņi, un to ietekme var mainīt tā kustības raksturu. Mēģinājums ņemt vērā šos labojumus tiek veikts sarežģītākā dinamiskās izkliedes teorijā, bet praktiskiem lietojumiem ar vienkāršāku kinemātiskās izkliedes teoriju parasti pietiek.

Rentgenstaru difrakcijas analīzes metode ir balstīta uz rentgenstaru difrakciju uz kristāliskā režģa un tāpēc ir piemērojama tikai vielām kristāliskā stāvoklī. Tas ir saistīts ar faktu, ka, lai reģistrētu izkliedes difrakcijas modeli, ir nepieciešams pietiekams skaits izkliedes elektronu. Bet, ja paraugs sastāv no liela skaita patvaļīgi orientētu identisku molekulu (šķīduma), tad izkliedes modeli noteiks daži raksturlielumi, kas vidēji tiek aprēķināti visās iespējamās orientācijās un diez vai ļaus iegūt detalizētu informāciju par atoma struktūru. Cita lieta, ja liels skaits identisku molekulu ir orientētas vienādi. Šādu iespēju mums dod kristāliskie paraugi.

Vienkāršiem vārdiem (un neiedziļinoties sarežģītos matemātiskajos formulējumos) kristāls ir tāds pētāmās vielas paraugs, kurā daudzas (~10 12) identiskas molekulas atrodas vienā orientācijā un to centri veido regulāru trīsdimensiju režģi. .

Katra kristāla struktūras galvenā iezīme ir tā, ka tas ir veidots no atsevišķiem atomiem vai atomu grupām, kas regulāri izvietotas telpā. Ja katru atkārtoto struktūrvienību aizvieto ar punktu jeb mezglu, tad iegūs trīsdimensiju kristāla režģi (2. att.). Režģi var uzskatīt par identisku paralēlskaldņu sistēmu. Katru šādu paralēlskaldni sauc par "kristāla elementāro šūnu" un to raksturo seši parametri: malu garumi (a, b, c) un leņķi starp tiem (, , ).

Viena no galvenajām pretenzijām uz rentgenstaru difrakcijas analīzes metodi jau no paša proteīna struktūru izpētes sākuma ir tāda, ka dzīvē olbaltumvielas atrodas šķīdumā, savukārt pētījumā mēs tās kristalizējam. Rodas loģisks jautājums: vai proteīna molekulu struktūra kristalizācijas laikā tiek būtiski izkropļota? Ir vispāratzīts, ka spēcīgi kropļojumi joprojām nenotiek. Argumenti par labu šai pozīcijai ir šādi.

Pirmkārt, vairākas olbaltumvielas saglabā fermentatīvo aktivitāti kristalizētā stāvoklī, t.i. struktūra nemainās tik ļoti, lai proteīns kļūtu "nedarbīgs". Vēl viens apsvērums: biomakromolekulu kristālos ievērojamu tilpumu (no 30 līdz 80%) aizņem šķīdinātājs, t.i. olbaltumvielu molekulu iesaiņojums kristālā nav blīvs un, visticamāk, neizraisīs būtiskus traucējumus. Ir iespējami daži kropļojumi brīvajās cilpās, taču tiek saglabāta aktīvā centra struktūra. Vēl viens apstiprinājums: alternatīvā dažu proteīnu struktūru noteikšana ar divdimensiju kodolmagnētiskās rezonanses metodi nedeva būtiskas neatbilstības ar rentgena metodēm atšifrētajām struktūrām.

Monohromatiskais rentgena starojums, ejot cauri kristālam, tiek izkliedēts galvenokārt uz periodiski atkārtojošos atomu elektronu apvalkiem un veido difrakcijas zīmējumu jeb rentgena zīmējumu (3. att.). Tāpēc eksperimentālie rentgenstaru dati ļauj spriest par elektronu izvietojuma iezīmēm elementārajās kristāliskajās šūnās. Elektronam ir viļņu īpašības, un tā atrašanās vietu telpā raksturo nevis precīzas koordinātas, bet gan elektronu blīvuma sadalījuma funkcija (r), kas dod laika vidējo elektronu skaitu uz 1 3 (kubiskais angstroms). Pamatojoties uz šo funkciju, var spriest par atomu izvietojumu elementāršūnās, jo katrs atoms atbilst noteikta izmēra elektronu blīvuma kopai. Tādējādi, apstrādājot rentgena eksperimenta datus, ir jāatrisina divas problēmas.

Rīsi. 3. Difrakcijas modelis satur visu informāciju par proteīna struktūru

1. No rentgenstaru datiem iegūstiet elektronu blīvuma (r) sadalījuma karti pētāmā objekta kristālā. Šajā posmā rodas būtiskas grūtības (kas tiks apspriestas turpmāk), kas saistītas ar neiespējamību iegūt no eksperimenta visu informāciju, kas nepieciešama pētāmās struktūras rekonstrukcijai. Lai iegūtu trūkstošo informāciju, tiek izmantoti dažādi risinājumi. Taču universāla ceļa nav, un katrā gadījumā pētnieks izvēlas piemērotāko, vadoties pēc savas pieredzes un intuīcijas.

2. Pamatojoties uz elektronu blīvuma sadalījuma karti (r), nosaka atomu pozīcijas pētāmajā objektā. Lai atrisinātu šo problēmu, struktūra tiek atkārtoti pakļauta programmatūras apstrādei un manuālai uzlabošanai, lai panāktu vislabāko atbilstību elektronu blīvumam.

Galvenie soļi proteīna struktūras noteikšanā

Izolācija, attīrīšana

Gandrīz visi eksperimentālie proteīnu struktūru pētījumi sākas no šī posma. Lai iegūtu vēlamo proteīnu, tiek izmantotas dažādas bioķīmiskās metodes. Proteīnu izolēšanas darbību secība parasti ir saistīta ar bioloģiskā materiāla sasmalcināšanu (homogenizāciju), proteīnu ekstrakciju no tā vai, pareizāk sakot, proteīnu pārvietošanu izšķīdinātā stāvoklī (ekstrakciju) un pētāmā proteīna izolēšanu no citu vielu maisījuma. olbaltumvielas, ti atsevišķa proteīna attīrīšana un ražošana. Šajā posmā lielākās grūtības rada eksperimentam pietiekama daudzuma tīra proteīna ražošana.

Kristalizācija

Rentgenstaru difrakcijas analīzei piemērotu kristālu iegūšana bieži ir darbietilpīgs un nebūt ne triviāls process, īpaši sarežģītiem savienojumiem, piemēram, olbaltumvielām un nukleīnskābēm. Pārsātināta šķīduma klātbūtne ir nepieciešams nosacījums kristalizācijai. Lai iegūtu šādu risinājumu, tiek izmantotas dažādas metodes. Viens no tiem ir pakāpeniska šķīdinātāja atdalīšana ar parasto iztvaicēšanu, kas izraisa vielas koncentrācijas palielināšanos šķīdumā, kas kādā brīdī kļūst pārsātināts. Vēl viena metode ir saistīta ar šķīdības atkarības no temperatūras izmantošanu. Piemēram, ja šķīdība palielinās, palielinoties temperatūrai, varat sagatavot piesātinātu šķīdumu augstākā temperatūrā un pēc tam to lēnām atdzesēt. Tā kā šķīdība dzesēšanas procesā samazinās, tiek iegūts pārsātināts šķīdums. Trešā metode ir saistīta ar vielas ievadīšanu šķīdumā, kas izraisa šķīdības samazināšanos. Kā šādas vielas izmanto sāļus vai organiskos šķīdinātājus. Turklāt olbaltumvielu un nukleīnskābju šķīdība ir ļoti atkarīga no šķīduma pH, ko var izmantot arī pārsātinātu šķīdumu iegūšanai.

Praksē viss ir daudz sarežģītāk. Līdz šim nav universālu metožu optimālu kristalizācijas apstākļu izvēlei. Katram konkrētam proteīnam pētnieks meklē šos apstākļus, mainot bufera veidu, pH vērtības, temperatūru, paša proteīna koncentrāciju, izgulsnējamo sāli utt. Šajā darbā svarīgi atrast tādus apstākļus, kādos tiks iegūts kristāls, un sāls neizkristu. Tāpēc bioloģisko kristālu audzēšana ir ne tikai zinātnisks virziens, bet arī māksla. Dažreiz, lai piespiestu olbaltumvielas kristalizēties, to centrifugē vai pat nosūta uz nulles gravitāciju.

Kristālu izvēle rentgena eksperimentam tiek veikta, izmantojot mikroskopu. Šim nolūkam īpaši noder polarizējošais mikroskops, kas ar polarizētas gaismas palīdzību ļauj konstatēt kristāla defektu esamību. Par optimāliem tiek uzskatīti atsevišķi kristāli ar sānu izmēru 0,2–0,6 mm. Kristāliem jābūt bez defektiem un, ja iespējams, ar labu griezumu. Defektu klātbūtne izraisa kļūdas difrakcijas modeļa eksperimentālajā mērījumā un līdz ar to kristāla struktūras atšifrēšanas neprecizitāti (un bieži vien arī neiespējamību). Palielinoties pētāmā objekta sarežģītībai, palielinās prasības kristālu kvalitātei. Kā izskatās proteīna kristāli, parādīts attēlā. 4.

Rīsi. 4. att. Olbaltumvielu kristāli: a – zaļi fluorescējošā proteīna zGFP506 kristāli; b – zGFP506 proteīna mutanta kristāli ar N66D aminoskābju aizvietošanu

Diemžēl ne vienmēr ir iespējams iegūt pētāmā proteīna kristālu, tāpēc šis posms ir galvenais proteīnu rentgenstaru difrakcijas analīzes ierobežojums.

Rentgena eksperiments, rezultātu apstrāde

Pašlaik tiek mēģināts izmantot sinhrotronu paātrinātāju kā rentgenstaru avotu. Šī ir diezgan dārga ēka. Tiek izmantoti arī laboratorijas rentgena aparāti, taču sinhrotronam ir ievērojamas priekšrocības.

Pirmkārt, tas ir stara spēks. Šeit ir divi plusi. Pirmais ir skaidrs – tiek samazināts eksperimenta laiks. Otrais ir tas, ka bioloģiskajiem kristāliem ir tendence sadalīties rentgena staru ietekmē. Iznīcināšanas process aizņem noteiktu laiku, un, ja stars ir spēcīgs, tad pirms kristāla iznīcināšanas varat reģistrēt vēlamo modeli.

Otrkārt, tā ir iespēja iegūt vēlamo viļņa garumu. Rentgena lampas rada spēcīgu tikai fiksēta viļņa garuma (parasti ap 1,57) staru kūli, savukārt, veicot eksperimentu, bieži vien ir jāspēj izvēlēties viļņa garumu. Tas ļauj izveidot sinhrotronu.

Rentgena eksperimenta rezultātu apstrāde ir balstīta uz spēcīgu matemātisko aparātu, kuru mēs šeit neapskatīsim. Ja monohromatiskais rentgenstaru stars krīt uz kristāla, kas ir orientēts noteiktā veidā, izkliede notiek diskrētos virzienos, ko nosaka kristāla režģis. Difrakcijas raksts, kas parādās uz detektora plēves (3. att.), ir plankumu vai atspulgu kopums. Mērot atstarojumu intensitāti, var iegūt tā saukto moduļu vērtības. strukturālie faktori (sarežģītie skaitļi), kas raksturo elektronu blīvuma sadalījumu kristālā (r). Bet, lai nepārprotami noteiktu (r), ir jāzina arī atbilstošās šo faktoru fāžu vērtības, par kurām informācija nav ietverta difrakcijas shēmā. Ja kādam kristālam nosaka fāzes, tad šī kristāla atomu pozīciju aprēķināšana nesagādā būtiskas grūtības.

Tādējādi rentgenstaru difrakcijas analīzes metodes galvenā problēma, ko sauc fāzes problēma, slēpjas neiespējamībā iegūt visus aprēķinam nepieciešamos datus tieši no eksperimenta.

Pašlaik fāzes problēmai nav vispārēja risinājuma. Katrs gadījums prasa īpašu pieeju. Šeit ir svarīgi saprast, ka jauna informācija nerodas no nekurienes. Lai iegūtu fāzes vērtības, mums vai nu jāizdara daži jauni pieņēmumi par objekta struktūru un iezīmēm, vai arī jāveic jauni eksperimenti. Tālāk ir norādītas galvenās pieejas proteīnu kristalogrāfijā izmantotās "fāzes problēmas" risināšanai.

Izomorfā aizstāšana

Kristāla molekulās var mēģināt ievadīt noteiktu marķējumu – vienu vai vairākus smagos atomus (piemēram, smago metālu jonus), ko var vai nu pievienot dabiskajai struktūrai, vai arī aizstāt kādu no tās atomiem (5. att.).

Ar smago atomu izomorfu ievietošanu tiek saprasts, ka tie ir pievienoti katram molekulas eksemplāram vienā un tajā pašā vietā un proteīna molekulas struktūra nemainās. Pēc tam, veicot papildu rentgena eksperimentu ar šādu modificētu savienojumu un nosakot atstarojumu intensitātes izmaiņas salīdzinājumā ar dabisko proteīnu, var iegūt papildu informāciju par fāžu vērtībām. Šīs metodes sarežģītība slēpjas faktā, ka ne vienmēr ir iespējams iegūt labu izomorfo atvasinājumu, kā arī nepieciešamību veikt papildu rentgena eksperimentu.

Izomorfās aizvietošanas metode ir galvenā fāzes problēmas risināšanas metode bioloģisko makromolekulu struktūras noteikšanā. Šī metode pati par sevi radās diezgan sen, taču tieši strādājot ar olbaltumvielām tā ieguva ārkārtīgi svarīgu lomu. Tam ir divi iemesli:

1) ilgu laiku tā bija vienīgā metode proteīnu fāzes problēmas risināšanai;

2) tieši olbaltumvielām ir “diezgan viegli” iegūt izomorfus atvasinājumus. Pēdējais ir saistīts ar faktu, ka olbaltumvielu kristāli ir diezgan irdeni - tajos no 30 līdz 70% tilpuma aizņem šķīdinātājs, t.i. kristāliem ir "tukšumi", kur var ievietot papildu atomi.

Izmantojot anomālo izkliedes efektu

Šīs metodes pamatā ir uz kristāla krītošā rentgena starojuma viļņa garuma mainīšana tuvu vērtībām, pie kurām tiek novērots rezonanses efekts (un atbilstošā anomālā izkliede) vairākiem "īpašiem" atomiem, kas atrodas kristāla struktūrā. makromolekula. Ja olbaltumvielās nav neparasti izkliedējošu atomu, dažreiz varat mēģināt tos piestiprināt ķīmiski. Difrakcijas shēmas tiek iegūtas vairākiem krītošā stara viļņu garumiem, un, pamatojoties uz atbilstošo atstarojumu intensitātes atšķirību analīzi, tiek aprēķinātas fāzes vērtības.

Anomālās izkliedes metodes, kā arī izomorfās aizvietošanas panākumi lielā mērā ir atkarīgi no iespējas eksperimentāli iegūt atvasinājumus ar nepieciešamajām īpašībām.

Abas iepriekš minētās metodes atbilst mēģinājumam atrisināt fāzes problēmu ar papildu informāciju, kas iegūta papildu eksperimentos. Situācijā, kad mēs zinām cieši radniecīga (homologa) proteīna struktūru, tiek izmantota šāda metode.

Molekulārās pārvietošanas metode

Bioloģijā ir izplatīta situācija, kad ir objektu rindas, kas ir līdzīgas viena otrai, t.i. kam ir strukturāla homoloģija. Šāda homoloģija var būt, piemēram, viena un tā paša veida olbaltumvielas, kas izolētas no dažādiem organismiem. Šajā gadījumā var cerēt, ka strukturālo faktoru fāzes, kas aprēķinātas, izmantojot zināmo homologa proteīna atomu modeli, būs diezgan labs sākotnējais tuvinājums nezināmo fāžu vērtībām, kas atbilst pētāmajam objektam. Apvienojot tos tālāk ar struktūras faktoru moduļiem, kas izmērīti eksperimentā pētāmajam objektam, mēs varam iegūt labu tuvinājumu vēlamajam elektronu blīvuma sadalījumam.

Tomēr, lai cerētu uz panākumiem šajā ceļā, ir nepieciešams, vismaz iesākumā, zināmu homologu objektu “novietot” tajā pašā vietā un tādā pašā orientācijā kā pētāmais proteīns. Šāda “datorhibrīda” izveides procedūru, kurā viena proteīna kristāla vienības šūnā ievieto cita molekula, sauc par molekulārās aizvietošanas metodi. Par to, cik tuvs ir iegūtais izvietojums realitātei, var spriest, salīdzinot modeļa aprēķinātos strukturālo faktoru moduļus ar eksperimentā iegūtajām vērtībām. Protams, šāda aizstāšana ir tikai spekulatīva procedūra, un ķīmiskā aizstāšana nenotiek.

"Tiešās" metodes

Atšķirībā no iepriekšējām pieejām šīs metodes nepaļaujas uz papildu eksperimentu vai informāciju par homologa objekta uzbūvi, bet gan uz gandrīz filozofisku priekšstatu par pētāmā objekta atomitāti. Kristalogrāfijā “tiešās” metodes tiek saprastas kā stratēģijas tādu struktūru noteikšanai, kuras kā sākuminformāciju izmanto tikai rentgena eksperimentā iegūto atstarošanas intensitātes kopumu. Lai noteiktu strukturālo faktoru fāzes, viņi izmanto varbūtības pieeju. "Tiešās" metodes ir objektīvākas tādā nozīmē, ka tās ir atkarīgas tikai no matemātisko sakarību pielietojuma.

Pamatojoties uz "tiešajām" metodēm, tiek noteiktas vairuma mazmolekulāro savienojumu struktūras. Šīs metodes neprasa nekādus papildu eksperimentus vai smalku bioķīmisko darbu, lai iegūtu izomorfus atvasinājumus, vai zināmu homologu struktūru klātbūtni, bet diemžēl tās vēl nav piemērojamas proteīnu struktūrām, jo ​​ir būtiski ierobežojumi attiecībā uz struktūras atomu skaitu. pētījums.

Ja ir zināms gan struktūras faktoru modulis, gan fāze, tad sadalījumu (r) varam atgūt, aprēķinot apgriezto Furjē transformāciju. No mūsdienu viedokļa tas nav skaitļošanas ziņā grūts uzdevums, un šis solis izceļas ar to, ka tas apkopo svarīgu darba posmu. Beidzot iegūstam iespēju "paskatīties" uz mūs interesējošo objektu. Un pēc tā, cik “skaidrs” izveidojās attēls, var spriest par visu iepriekšējo darba posmu panākumiem. Un neveiksmes gadījumā atkārtojiet visu vēlreiz.

Nākamais solis ir izveidot aptuvenu atomu modeli, pamatojoties uz aprēķinātajām elektronu blīvuma sadalījuma kartēm. Šis darbs prasa maksimāli izmantot cilvēka intelektu, un to veic kvalificēti speciālisti.

Izmantojot īpašas datorprogrammas, pētnieks manuāli ievada proteīna struktūras atomus iepriekšējā posmā iegūtajā elektronu blīvuma kartē (6. att.).