Czym jest krystalografia rentgenowska?

By Reginald DaveyReviewed by Michael Greenwood, M.Sc.

krystalografia rentgenowska jest narzędziem służącym do dostarczania informacji strukturalnych o cząsteczkach. Technika została opracowana w 1912 roku przez Williama Henry 'ego Bragga i Williama Lawrence’ a Bragga (zespół ojca i syna, który zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1915 roku za swoją pracę w tej dziedzinie), którzy zbudowali na wcześniejszych pracach Maxa von Laue.

Von Laue odkrył, że poprzez świecenie promieni X przez kryształ siarczanu miedzi na płytkę fotograficzną powstały plamy dyfrakcyjne związane z krystaliczną strukturą próbki.

przejdź do:

• wprowadzenie do krystalografii rentgenowskiej
• Metodologia
• zastosowania krystalografii rentgenowskiej
• podsumowanie

Grzegorz A. Pozhvanov |

wprowadzenie do krystalografii rentgenowskiej

krystalografia rentgenowska wykorzystuje promieniowanie elektromagnetyczne (w szczególności promienie X) do określenia struktury molekularnej i atomowej kryształu. Struktura kryształu powoduje dyfrakcję promieni rentgenowskich w określonych kierunkach. Poprzez analizę intensywności i kątów tych wiązek można określić położenie i rozmieszczenie elektronów w strukturze krystalicznej.

następnie można uzyskać trójwymiarowy obraz gęstości elektronów. Następnie można określić takie informacje, jak średnia pozycja atomów w strukturze, wiązanie kowalencyjne między nimi i ich zaburzenie krystalograficzne, które reprezentuje trójwymiarową strukturę cząsteczki.

powodem, dla którego promienie rentgenowskie są używane w tym procesie, jest to, że chmury elektronów są w tej samej skali co długość fali promieniowania rentgenowskiego. Oznacza to, że promieniowanie jest odchylane i rozpraszane przez elektrony atomów w krysztale. Odchylone wiązki promieniowania rentgenowskiego wytwarzają rozkład rozpraszania, który jest proporcjonalny do kąta rozpraszania. Do opisania tego używa się prawa Bragga.

ponieważ wiele różnych rodzajów struktury może tworzyć kryształy, krystalografia rentgenowska może mieć wiele zastosowań badawczych. Substancje, które mogą być analizowane tą metodą obejmują sole, minerały, metale, Półprzewodniki, a także związki biologiczne, w tym białka, kwasy nukleinowe i witaminy.

najtrudniejszą częścią procesu jest wyhodowanie doskonałego kryształu, ponieważ jest to potrzebne do dostarczenia dokładnych informacji o próbce. Niektóre makrocząsteczki, zwłaszcza te o wysokiej masie atomowej, takie jak białka błonowe, mogą być trudne do krystalizacji.

wiele różnych dziedzin nauki, w tym Biologia, Chemia i Geologia, znalazło zastosowanie dla tej potężnej, ale prostej techniki.

Metodologia

maszyna do krystalografii rentgenowskiej działa z wykorzystaniem dyfraktometru czterokołowego. Działa to poprzez obracanie Kryształu i deflektora między źródłem promieniowania rentgenowskiego a ekranem. Ekran odbiera promienie rentgenowskie, które przeszły przez kryształ.

eksperymenty z krystalografią rentgenowską są podzielone na cztery etapy:

• krystalizacja białek
• wytwarzanie wzoru dyfrakcyjnego
• Analiza wzoru dyfrakcyjnego w celu uzyskania mapy gęstości elektronów
• określenie struktury białka.

jak już wspomniano, najtrudniejszą częścią procesu jest uzyskanie doskonałej struktury krystalicznej do analizy. Ponieważ położenie elektronów musi być dokładnie odwzorowane, ważne jest, aby struktura była bezbłędna.

wzór dyfrakcyjny powstaje na ekranie przez promienie rentgenowskie, które zostały wchłonięte przez atomy w krysztale, które pozostawiają ciemne plamy dyfrakcyjne. Ich gęstość zmienia się wraz z ilością interferencji między rozproszonymi elektronami w każdym punkcie. Plamy te dokładnie reprezentują gęstość elektronów, którą można odwzorować.

po sporządzeniu mapy gęstości elektronów analiza danych krystalograficznych jest stosunkowo prosta. Wymaga to jednak skomplikowanej matematyki, aby zrozumieć informacje. We wczesnych dniach krystalografii rentgenowskiej obliczenia te były wykonywane ręcznie, ale teraz komputery są używane do ich wykonywania.

stosowane obliczenia nazywa się transformacją Fouriera. Obliczenia te przekształcają dane w trójwymiarową reprezentację struktury atomowej lub molekularnej cząsteczki próbki lub materiału.

zastosowania krystalografii rentgenowskiej

krystalografia rentgenowska jest używana do analizy wielu różnych cząsteczek i była używana w wielu znanych projektach w dziedzinie chemii organicznej i nieorganicznej. Wczesne struktury, które zostały rozwiązane za pomocą tej techniki były proste kryształy, w tym kwarc i sól.

jednym z najbardziej znanych z nich było określenie podwójnej spiralnej struktury DNA przez Franklina, Watsona i Cricka w 1953 roku. Inne ważne cząsteczki, których struktury zostały zidentyfikowane, to witamina B12, insulina i penicylina.

oprócz analizy cząsteczek organicznych (białek, witamin, kwasów nukleinowych) i cząsteczek i struktur nieorganicznych, krystalografia rentgenowska została wykorzystana do opracowania nowych materiałów zarówno w materiałach, jak i naukach przyrodniczych.

podsumowanie

krystalografia rentgenowska jest nadal jedną z najlepszych metod analizy strukturalnej wielu substancji. Pozostaje to potężna, prosta i niezawodna technika, która jest używana przez laboratoria na całym świecie.

istnieje wiele badań, że krystalografia rentgenowska może dostarczyć unikalnych spostrzeżeń na to, że inne metody nie mogą, ale ma pewne wady w porównaniu z tymi innymi technikami, dlatego zawsze powinna być stosowana jako część zestawu metod analitycznych.

Czytaj dalej

• Cała zawartość krystalografii
• krystalizacja białek
• krystalografia rentgenowska
• oznaczanie struktury białek
• Mikroseeding wyjaśniony

Written by

Reginald Davey

Reg Davey jest niezależnym copywriterem i redaktorem z siedzibą w Nottingham w Wielkiej Brytanii. Pisanie dla News Medical reprezentuje połączenie różnych zainteresowań i dziedzin, w których był zainteresowany i zaangażowany przez lata, w tym Mikrobiologii, nauk biomedycznych i Nauk o Środowisku.

cytowania