Rentgenová krystalografie

V případě, že vzorek není k dispozici ve formě monokrystalu, tak lze provádět analýzu prášku. Vzorek se umele na jemno a místo směru se analyzuje pouze závislost intenzity difraktovaného záření na úhlu mezi primárním a difraktovaným paprskem. Z práškového záznamu nelze většinou přímo určit strukturu, ale lze ověřit, jestli záznam odpovídá modelu nebo jiné dříve určené struktuře.

Ačkoli lze k charakterizaci poruchy v nečistém nebo nepravidelném krystalu použít krystalografii, vyžaduje krystalografie k vyřešení struktury komplikovaného uspořádání atomů čistý krystal vysoké pravidelnosti. Čisté pravidelné krystaly lze někdy získat z přírodních nebo syntetických materiálů, jako jsou vzorky kovů, minerálů nebo jiných makroskopických materiálů. Pravidelnost těchto krystalů lze někdy zlepšit pomocí makromolekulárního žíhání krystalů [3] a dalších metod. V mnoha případech je však získání krystalu v difrakční kvalitě hlavní překážkou při řešení jeho struktury atomového rozlišení. Malomolekulární a makromolekulární krystalografie se liší v rozsahu možných technik používaných k výrobě krystalů v difrakční kvalitě. Malé molekuly mají obecně několik stupňů konformační volnosti a mohou být krystalizovány širokou škálou metod, jako je chemická depozice par a rekrystalizace. Naproti tomu makromolekuly mají obecně mnoho stupňů volnosti a jejich krystalizace musí být prováděna tak, aby byla zachována stabilní struktura. Například proteiny a větší molekuly RNA nelze krystalizovat, pokud byla rozvinuta jejich terciární struktura; proto je rozsah podmínek krystalizace omezen na podmínky v roztoku, ve kterých takové molekuly zůstávají složené.

Krystaly bílkovin jsou téměř vždy pěstovány v roztoku. Nejběžnějším přístupem je velmi postupné snižování rozpustnosti jeho složek; pokud je to provedeno příliš rychle, molekuly se vysrážejí z roztoku a vytvoří na dně nádoby zbytečný prach nebo amorfní gel. Růst krystalů v roztoku je charakterizován dvěma kroky: nukleací mikroskopického krystalitu (který může mít pouze 100 molekul), po kterém následuje růst tohoto krystalu, ideálně na krystal v difrakční kvalitě. Podmínky řešení, které upřednostňují první krok (nukleace), nejsou vždy stejné podmínky, které upřednostňují druhý krok (následný růst). Cílem krystalografa je identifikovat podmínky řešení, které podporují vývoj jediného velkého krystalu, jelikož větší krystaly nabízejí lepší rozlišení molekuly. V důsledku toho by podmínky řešení měly znevýhodňovat první krok (nukleace), ale upřednostňovat druhý (růst), takže se na kapičku vytvoří pouze jeden velký krystal. Pokud je nukleace příliš upřednostňována, vytvoří se v kapičce spíše sprcha malých krystalitů než jeden velký krystal; pokud je zvýhodněný příliš málo, žádný krystal se vůbec nevytvoří. Další způsoby zahrnují krystalizaci proteinů pod olejem, kde jsou vodné proteinové roztoky vydávány pod kapalným olejem a voda se odpařuje přes vrstvu oleje. Různé oleje mají různé propustnosti pro odpařování, což vede ke změnám v koncentračních rychlostech z různých směsí percipient/protein.

Nejstarší a nejpřesnější metodou rentgenové krystalografie je monokrystalická rentgenová difrakce, při které paprsek rentgenu naráží na jediný krystal a vytváří rozptýlené paprsky. Když dopadnou na kousek vrstvy nebo jiného detektoru, vytvoří tyto paprsky difrakční obrazec skvrn; síly a úhly těchto paprsků se zaznamenávají při postupném otáčení krystalu. Každá skvrna se nazývá odraz, jelikož odpovídá odrazu rentgenových paprsků od jedné sady rovnoměrně rozmístěných rovin uvnitř krystalu. Pro monokrystaly dostatečné čistoty a pravidelnosti. Data rentgenové difrakce mohou určit průměrné délky a úhly chemických vazeb v rozmezí několika tisícin angstromu a v rozmezí několika desetin stupně. Atomy v krystalu nejsou statické, ale oscilují kolem svých středních poloh, obvykle o méně než několik desetin angstromu. Rentgenová krystalografie umožňuje měření velikosti těchto oscilací.

Od 20. let 20. století je rentgenová difrakce hlavní metodou pro stanovení uspořádání atomů v minerálech a kovech. Aplikace rentgenové krystalografie na mineralogii začala strukturou granátu, kterou v roce 1924 určil Menzer. Systematická rentgenová krystalografická studie silikátů byla provedena ve 20. letech 20. století. Systematická rentgenová krystalografická studie silikátů byla taktéž provedena ve 20. letech 20. století. Tato studie ukázala, že při změně poměru Si / O vykazují křemičitanové krystaly významné změny v jejich atomovém uspořádání. Machatschki rozšířil tyto poznatky o minerály, ve kterých hliník nahrazuje atomy křemíku.

První struktura organické sloučeniny, hexamethylentetramin (Urotropin), byla vyřešena v roce 1923[9]. Poté následovalo několik studií mastných kyselin s dlouhým řetězcem, které jsou důležitou složkou biologických membrán. [10][11][12][13][14]

Ve 30. letech se začaly řešit struktury mnohem větších molekul s dvojrozměrnou složitostí. Významným pokrokem byla struktura ftalocyaninu, velké planární molekuly, která úzce souvisí s molekulami porfyrinu, důležitými v biologii, jako jsou hem, corrin a chlorofyl.

Rentgenová krystalografie biologických molekul odstartovala s Dorothy Crowfoot Hodgkinovou, která vyřešila struktury cholesterolu (1937), penicilinu (1946) a vitaminu B12 (1956), za což jí byla v roce 1964 udělena Nobelova cena za chemii. V roce 1969 se jí podařilo vyřešit strukturu inzulínu, na kterém pracovala více než třicet let.[15]

Krystalové struktury bílkovin (které jsou nepravidelné a stokrát větší než cholesterol) začaly být řešeny koncem padesátých let, počínaje strukturou myoglobinu velrybích spermií od sira Johna Cowderyho Kendrewa, za který v roce 1989 sdílel Nobelovu cenu Chemie s Maxem Perutzem v roce 1962[16]. Od tohoto úspěchu bylo určeno přes 130 000 rentgenových krystalových struktur proteinů, nukleových kyselin a dalších biologických molekul.

Jak je ukázáno v následující rovnici, rozptyl rentgenového záření je určen hustotou elektronů v krystalu. Jelikož energie rentgenového záření je mnohem větší než energie valenčního elektronu, může být rozptyl modelován jako Thomsonův rozptyl (interakce elektromagnetického paprsku s volným elektronem). Tento model se obecně používá k popisu polarizace rozptýleného záření.

${\displaystyle I_{o}=I_{e}\left({\frac {q^{4}}{m^{2}c^{4}}}\right){\frac {1+\cos ^{2}2\theta }{2}}=I_{e}7.94.10^{-26}{\frac {1+\cos ^{2}2\theta }{2}}=I_{e}f}$

Proto atomová jádra, která jsou mnohem těžší než elektron, přispívají zanedbatelně k rozptýleným rentgenovým paprskům.