Рентгенов дифракционен анализ - Светът е прекрасен
Въпреки че рентгеновият дифракционен анализ може да се използва за характеризиране на разположението на атомите в замърсен или неподреден кристал, като цяло методът изисква много високо ниво на ред в кристала, за да се определи точно структурата. Понякога се образуват ясни подредени кристалиспонтанно в естествени или изкуствени материали, като метали, минерали и други макроскопични вещества. Редовността на такива кристали понякога може да бъде подобрена чрез отгряване и други методи. В много случаи обаче получаването на висококачествен дифракционен кристал е основната бариера за определяне на неговата структура на атомно ниво. Обикновено рентгеновият дифракционен анализ се разделя на анализ на малки молекули и макромолекули, предимно чрез различните методи, използвани за получаване на висококачествени кристали. Малките молекули като цяло имат малко степени на конформационна свобода и могат да бъдат кристализирани с помощта на широк набор от техники, като вакуумно отлагане и прекристализация. За разлика от тях, макромолекулите като цяло имат много степени на свобода и тяхната кристализация трябва да се извършва при условия на точно запазване на структурата. Например, протеинови и РНК молекули не могат да бъдат кристализирани, ако тяхната третична структура е разгъната; следователно методите за кристализация са ограничени от условията за запазване на естественото състояние на такива макромолекули. Кристалите на протеини и други макромолекули почти винаги се отглеждат в разтвор. Най-често срещаният подход е постепенно да се намали разтворимостта на неговите компоненти, но ако това се направи бързо, молекулите ще се утаят от разтвора, образувайки аморфна утайка на дъното на съда. Растежът на кристалите в разтвор се характеризира с два етапа: нуклеация, т.е. образуването на микроскопично кристално ядро (което има само около 100 молекули) и нарастването на това ядро до размера, необходим за анализ. Условията на разтвора, които са най-добри за първия етап (нуклеация), не винаги са най-добрите за втория етап (растеж на кристали). По този начин целта на кристалографите е да създадат условия, които са най-добри за растежа на един голям кристал, тъй катоголемият размер подобрява качеството на метода. Обикновено условията са избрани да бъдат благоприятни за нуклеация, но благоприятни за растеж на кристали, така че първият кристал да абсорбира по-голямата част от материала в разтвора, като не оставя възможност за образуване на множество микрокристали. В някои случаи кристалографът успява да избере условията за образуване само на много малки кристали. В този случай един от тези кристали беше прехвърлен в друг съд, където можеше да продължи да расте. В някои случаи големите кристали могат да бъдат счупени, за да се получат малки фрагменти, отгледани отново, за да се получат висококачествени кристали. Изключително трудно е да се предвидят оптималните условия за растеж на идеално подредени кристали. На практика благоприятните условия често се установяват чрез скрининг—приготвяне на големи количества тестово вещество и тестване на голямо разнообразие от условия на кристализация, често стотици или дори хиляди. Различни физични механизми за намаляване на разтворимостта се използват за кристализиране на различни молекули, като промяна на pH, добавяне на соли от серията Hofmeister или намаляване на диелектричната константа на разтвора или големи полимери, като полиетилен гликол, които извеждат молекулата от фазата на разтвора чрез ентропийния ефект. Често се тестват различни температури, за да се регулира скоростта на кристализация или да се създаде свръхнаситен разтвор. Тези методи изискват големи количества високо пречистени аналити, които, например, в случай на протеини, често са трудни за получаване. За да се спести веществото, са разработени роботи, които могат да разпределят количества от веществото от порядъка на 100 нанолитра, което позволява да се намали консумацията на веществото. Има няколко фактора, които предотвратяват кристализацията.Например, кристалите обикновено се поддържат при постоянна температура и са защитени от вибрации, които биха попречили на производството на качествен кристал. Примесите в разтвора често са враждебни към кристализацията. Конформационната гъвкавост в една молекула също има тенденция да намалява шанса за образуване на подреден кристал. Интересното е, че веществата, способни да се самосглобяват в правилни структури, често са склонни да се сглобяват в кристали. Кристалите могат да бъдат повредени от комуникацията на няколко кристализационни центъра, въпреки че съвременните изчислителни методи са в състояние да получат структурата на някои от тези кристали. Често, ако кристализацията е неуспешна за дадено вещество, кристалографът опитва леко модифицирана молекула, дори малки неща в молекулните свойства могат да направят значителна разлика в нейните кристализационни свойства. Събиране на данни Монтаж на проба Източници на радиация
За облъчване на кристала е необходим монохроматичен рентгенов източник. Ярки и полезни източници на рентгенови лъчи са синхротроните, високата яркост на тяхната светлина позволява получаване на най-добра разделителна способност. Те също така са удобни за регулиране на дължината на вълната на излъчване, което е полезно, например, за фазов анализ, използвайки метода на многовълнова аномална дисперсия (MAD), описан по-долу. Синхротроните обикновено са много ценни и съществуват само в правителствени изследователски центрове, където се използват всяка минута от деня и нощта. По-малки и по-слаби рентгенови източници се използват в лабораториите, обикновено за проверка на качеството на кристалите преди синхротронно изследване и за получаване на груб анализ на веществото. В такива системи електроните излитат от катода и се ускоряват от електрически потенциал от порядъка на 50 kV, след което се бомбардиратметална пластина, което води до получаване на спирачно и рекомбинантно лъчение под формата на няколко силни спектрални линии, съответстващи на възбуждането на електрони във вътрешните орбитали на металния атом. Обичайният материал, използван за тази плоча, е медта, която се охлажда лесно поради високата си топлопроводимост, създавайки ярки линии K ? и К?. Линия K? понякога се вижда с тънък слой (0,01 mm) никелово фолио. Тези източници дават около 2 kW радиация в най-разпространената версия и до около 14 kW в скъпите версии. Полученото рентгеново лъчение обикновено се филтрира, за да се получи една дължина на вълната (монохроматично лъчение) на вълната и се кондензира, преди да се подаде към кристала. Филтрирането не само опростява анализа на данните, но и елиминира радиацията, разгражда кристала, без да добавя полезна информация. Колимацията се извършва или с помощта на колиматор (обикновено дълга метална тръба), или със специфично разположение на леко извити огледала. Огледалните системи са предпочитани за малки кристали (до 0,3 mm) или кристали с голям размер на кристалната клетка (повече от 150 A). Запис на отражения Анализ на данни Кристални симетрии Фазов анализ Изграждане на модел Други методи за рентгенов дифракционен анализ Метод на Laue При метода на Laue тесен (немонохроматичен) лъч от рентгенови лъчи (или неутрони) се насочва към фиксиран монокристален образец. Този лъч включва рентгенови лъчи с набор от дължини на вълните в широк диапазон от стойности. В кристала възниква "селекция" и само излъчване с дискретен набор от дължини на вълната ? се дифрагира, така че за тези дължини на вълните междуравнинните разстояния d и ъглите на падане ? отговарят на закона на Брег. Методът на Laue е изключително удобен за бързоопределяне на симетрията на кристала и неговата ориентация. Използва се и за определяне на размера на изкривяванията и дефектите, които възникват в кристала по време на механична и термична обработка. Схема на камерата на Лауе. Източникът на рентгенови лъчи излъчва радиация с непрекъснат спектър с дължини на вълните, например от 0,2 A до 2 A. Диафрагмената система позволява да се получи добре колимиран лъч. Размерите на един монокристален образец не трябва да надвишават 1 mm. Плосък рентгенов филм се позиционира така, че върху него да падат или предавани, или отразени дифрактирани лъчи. Дифракционната картина се състои от поредица от петна (рефлекси), на фиг. 2 показва такава дифракционна картина за силиций. Всяка равнина на кристала, която отразява, избира от падащ лъч радиация с тази дължина на вълната, която удовлетворява закона на Брег 2dsin? = p?. Получената дифракционна картина характеризира симетрията на кристала: ако кристал с четирикратна ос на симетрия е ориентиран така, че тази ос да е успоредна на падащия лъч, тогава Лауеграмата също ще има четирикратна ос на симетрия Лауеграмите се използват широко за ориентиране на кристали при експериментално изследване на различни твърди тела. Методът Laue почти никога не се използва за определяне на кристалната структура. Факт е, че една и съща атомна равнина може да даде няколко отражения от различен порядък, тъй като за получаване на Lauegrams се използва широк диапазон от дължини на вълните; следователно, отделни петна върху Lauegrams може да са резултат от наслагване на отражения от различен порядък. Това затруднява определянето на интензитета на дадено отражение, което от своя страна затруднява определянето на основата. Методи за изследване на поликристали
Методи за изследване на аморфни вещества Изследване на въглищна материя Рентгендифрактометрията се извършва под голяма, под средна и под малка (