Röntgenkristallograafia (XRD): röntgendifraktsioon ja molekulide 3D-struktuur
Röntgenkristallograafia (XRD): avasta molekulide 3D-struktuurid röntgendifraktsiooni abil — täpne, kahjustusvaba meetod orgaaniliste ja anorgaaniliste ainete uurimiseks.
Röntgenkristallograafia on üks täpsemaid ja laialdaselt kasutatavaid meetodeid, et määrata molekuli täpne kolmemõõtmeline struktuur. Aatomi elektronpilv hajutab või „painutab” röntgenkiirgust väikese nurga võrra, ja selle hajumise tulemuseks on difraktsioonimuster. Sellest mustrist — koos matemaatiliste teisendustega — saadakse elektrontiheduskaart, millelt saab tuletada aatomite positsioonid. Meetod toimib nii orgaaniliste kui ka anorgaaniliste molekulide puhul ning enamikul juhtudel proov ei hävine protsessi käigus.
Tehnika leiutasid ühiselt Sir William Bragg (1862–1942) ja tema poeg Sir Lawrence Bragg (1890–1971). Nad said 1915. aastal Nobeli füüsikapreemia oma töö eest röntgenkiirguse difraktsiooni alal; Lawrence Bragg on siiani noorim Nobeli preemia laureaat. Ta oli Cambridge'i ülikooli Cavendishi laboratooriumi direktor, kui 1953. aasta veebruaris avastasid James D. Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins ja Rosalind Franklin DNA struktuuri — avastus, millele röntgenkristallograafia andis olulise panuse.
Röntgenkristallograafia vanim ja kõige lihtsamini mõistetav vorm on röntgendifraktsioon (XRD): röntgenkiirgus suunatakse üksikkristallile ja kristallist hajunud kiirguse muster registreeritakse detektoril. Neid mustreid analüüsides on võimalik määrata kristallis paiknevad aatomid, üksikkristalli mõõtmed (üksikühik ehk unit cell) ja symmeetia. Erinevalt mõnest teistest meetoditest ei anna XRD otseselt pilti, vaid andmed tuleb muuta elektrontiheduskaardiks kasutades Fourier-transformatsiooni ja seejärel sobitada aatomimudel selle kaardiga.
Kuidas see töötab lühidalt
- Röntgenkiirgus ja difraktsioon: aatomite elektronid peegeldavad röntgenkiirgust, mille tagajärjel tekib difraktsioon ning erinevate nurkade alt registreeritud signaalide tugevus sõltub aatomite paiknemisest.
- Bragg’i seadus: difraktsioonitingimusi kirjeldab tuntud Bragg’i valem 2d·sinθ = nλ, kus d on tasandite vaheline kaugus kristallis, θ on sisenurga pool ja λ on röntgenikiirguse lainepikkus.
- Elektrontihedus ja modelleerimine: mõõdetud intensiivsustest saab arvutada elektronitiheduse ja sealt edasi paigutada aatomimudeli, mis seejärel refineeritakse sobivuse parandamiseks.
Katse käik praktiliselt
- Kristallimine: vajalik on hästi korralik üksikkristall (teatud suurus ja kvaliteet). Kristallide kasvatamine on sageli keerulisim osa, eriti biomolekulide puhul (valgud, nukleiinhapped).
- Andmete kogumine: kristall paigutatakse diffraktomeetri (röntgenallikas + goniomeeter + detektor) ette; tänapäeval kasutatakse tavaliselt ka külmkaptaegset (cryocrystallography) meetodit, et vähendada kiirguskahju.
- Andmetöötlus: kaadrite integreerimine, tasandite intensiivsuste väljatõmbamine ja andmete skalaarimine annab sisendi struktuuri lahendamiseks.
- Struktuuri lahendamine: faaside probleem (intensiivsus ei sisalda faasiinfot) paikneb sageli lahendamisel — kasutatakse molekulaarset asendust (molecular replacement), isomorfset asendamist või anomaalset hajumist.
- Refineerimine ja valideerimine: aatomimudelit sobitatakse elektrontihedusega, optimeeritakse parameetreid ja kontrollitakse kvaliteeti mõõdikutega nagu R-factor, free-R ja geomeetria sobivus.
Erinevad XRD-variandid
- Üksikkristalli XRD: annab kõige detailsema 3D-struktuuri ja võimaldab määrata individuaalsete aatomite koordinaate.
- Pulbriline XRD (powder XRD): kasutatakse amorfsemate või peenestatud proovide faasikoostise ja kristallstruktuuri uurimiseks, kuid see ei annaks tavaliselt sama üksikasjalikku 3D-aatomistruktuuri nagu üksikkristalli XRD.
Rakendused
Röntgenkristallograafiat kasutatakse laialdaselt:
- kemias ja anorgaanikas aatomite ja sidemustrite määramiseks;
- biokeemias ja farmakoloogias valkude, ensüümide ja ravimimolekulide struktuuride lahendamiseks (struktuuripõhine ravimdisain);
- materjaliteaduses uute tahkismaterjalide ja pooljuhtide uurimisel;
- mineraloogias ja arheoloogias esemete koostise ning kristallstruktuuri tuvastamisel.
Piirangud ja täiendavad meetodid
Tämmelised piirangud on seotud vajadusega saada hea kvaliteediga kristalle; mõningaid molekule (näiteks mõned membraanvalgud) on raske kristalliseerida. Kiirguskahju võib kahjustada tundlikke proove, mistõttu kasutatakse sageli madalatemperatuurset andmekogumist. Lisaks on XRD-l faaside probleem, mis nõuab täiendavaid meetodeid lahendamiseks. Nendes olukordades või juhul, kui kristalle ei teki, kasutatakse täiendaid meetodeid nagu kriomikroskoopia (cryo-EM) või lahuslahenduse NMR.
Kokkuvõttes on röntgenkristallograafia (sh röntgendifraktsioon) võimas ja laialt kasutatav meetod molekulaarsete struktuuride määramiseks, mis on andnud olulise panuse nii fundamentaaluuringutesse kui ka rakendustesse nagu ravimite väljatöötamine ja materjalide disain.
Kristalliseerunud ensüümi röntgendifraktsioonimuster. Laikude (peegelduste) mustrit ja iga laigu suhtelist tugevust (intensiivsust) kasutatakse ensüümi struktuuri väljaselgitamiseks.
Kristalliseerunud ensüümi röntgendifraktsioonimuster. Laikude (peegelduste) mustrit ja iga laigu suhtelist tugevust (intensiivsust) kasutatakse ensüümi struktuuri väljaselgitamiseks.
Kristallide röntgenanalüüs
Kristallid on korrapärased aatomite massiivid, mis tähendab, et aatomid korduvad ikka ja jälle kõigis kolmes mõõtmes. Röntgenkiirgus on elektromagnetilise kiirguse laine. Kui röntgenkiirgus kohtub aatomitega, põhjustavad aatomite elektronid röntgenkiirguse hajumist kõikides suundades. Kuna röntgenkiirgus kiirgab kõikides suundades, tekitab elektroni tabanud röntgenkiirgus elektronist lähtuvaid sekundaarseid sfäärilisi laineid. Elektroni nimetatakse hajutajaks. Regulaarne hajutajate massiivi (siinkohal aatomite korduv muster kristallis) tekitab korrapärase sfääriliste lainete massiivi. Kuigi need lained tühistavad üksteist enamikus suundades, liidetakse need mõnes konkreetses suunas, mis on määratud Braggi seadusega:
2 d sin θ = n λ {\displaystyle 2d\sin \theta =n\lambda } 
Siin on d difraktsioonitasandite vaheline kaugus, θ \displaystyle \theta }
on langemisnurk, n on suvaline täisarv ja λ on kiirte lainepikkus. Need konkreetsed suunad ilmnevad difraktsioonimustril punktidena, mida nimetatakse peegeldusteks. Seega tuleneb röntgendiffraktsioon sellest, et elektromagnetlaine (röntgenkiirgus) tabab korrapäraseid hajutite massiivi (aatomite korduv paigutus kristallis).
Sissetulev kiir (ülalt vasakult) paneb iga hajutaja (nt elektron) osa oma energiast sfäärilise lainena tagasi kiirgama. Kui aatomid on paigutatud sümmeetriliselt ja nende vahega d, liituvad need sfäärilised lained ainult seal, kus nende teepikkuse vahe 2d sin θ on võrdne lainepikkuse λ mitmekordse väärtusega.
Kristallide röntgenanalüüs
Kristallid on korrapärased aatomite massiivid, mis tähendab, et aatomid korduvad ikka ja jälle kõigis kolmes mõõtmes. Röntgenkiirgus on elektromagnetilise kiirguse laine. Kui röntgenkiirgus kohtub aatomitega, põhjustavad aatomite elektronid röntgenkiirguse hajumist kõikides suundades. Kuna röntgenkiirgus kiirgab kõikides suundades, tekitab elektroni tabanud röntgenkiirgus elektronist lähtuvaid sekundaarseid sfäärilisi laineid. Elektroni nimetatakse hajutajaks. Regulaarne hajutajate massiivi (siinkohal aatomite korduv muster kristallis) tekitab korrapärase sfääriliste lainete massiivi. Kuigi need lained tühistavad üksteist enamikus suundades, liidetakse need mõnes konkreetses suunas, mis on määratud Braggi seadusega:
2 d sin θ = n λ {\displaystyle 2d\sin \theta =n\lambda }
Siin on d difraktsioonitasandite vaheline kaugus, θ \displaystyle \theta } on langemisnurk, n on suvaline täisarv ja λ on kiirte lainepikkus. Need konkreetsed suunad ilmnevad difraktsioonimustril punktidena, mida nimetatakse peegeldusteks. Seega tuleneb röntgendiffraktsioon sellest, et elektromagnetlaine (röntgenkiirgus) tabab korrapäraseid hajutite massiivi (aatomite korduv paigutus kristallis).
Sissetulev kiir (ülalt vasakult) paneb iga hajutaja (nt elektron) osa oma energiast sfäärilise lainena tagasi kiirgama. Kui aatomid on paigutatud sümmeetriliselt ja nende vahega d, liituvad need sfäärilised lained ainult seal, kus nende teepikkuse vahe 2d sin θ on võrdne lainepikkuse λ mitmekordse väärtusega.
Seotud leheküljed
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Mis on röntgenkristallograafia?
V: Röntgenkristallograafia on tehnika, mida kasutatakse molekuli kolmemõõtmelise struktuuri nägemiseks, mis loob aatomi elektronipilve röntgenkiirte painutamisega pildi ekraanil.
K: Kas röntgenkristallograafiat saab kasutada nii orgaaniliste kui ka anorgaaniliste molekulide puhul?
V: Jah, röntgenkristallograafiat saab kasutada nii orgaaniliste kui ka anorgaaniliste molekulide uurimiseks.
K: Kes on röntgenkristallograafia leiutajad?
V: Sir William Bragg ja tema poeg Sir Lawrence Bragg leiutasid ühiselt röntgenkristallograafia ja said 1915. aastal oma avastuse eest Nobeli füüsikapreemia.
K: Milline on vanim röntgenkristallograafia meetod?
V: Röntgenkristallograafia vanim meetod on röntgendifraktsioon (XRD), mille puhul röntgenkiirte abil saadakse üksikkristallile muster, mille abil saab kindlaks teha aatomite paigutuse kristalli sees.
K: Kas proov hävitati röntgenkristallograafia käigus?
V: Ei, proovi röntgenkristallograafia käigus ei hävitata.
K: Kes oli Cavendishi laboratooriumi direktor, kui avastati DNA struktuur?
V: Sir Lawrence Bragg oli Cambridge'i ülikooli Cavendishi laboratooriumi direktor, kui James D. Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins ja Rosalind Franklin 1953. aasta veebruaris avastasid DNA struktuuri.
K: Kes on noorim Nobeli füüsikapreemia laureaat?
V: Sir Lawrence Bragg on noorim Nobeli füüsikapreemia laureaat, kes sai selle 1915. aastal koos oma isa Sir William Braggiga röntgenkristallograafia ühise avastuse eest.
Otsige