X-straalkristallografie

X-straaldiffraksie is 'n meetegniek wat gebruik maak van die strooiing van fotone van 'n golflengte van 0.01-0.3 nm deur elastiese botsings met elektrone in 'n vastestof.

Molekulêre strukture

Die golflengte λ van X-strale is ongeveer 0,1 nm en derhalwe bied hulle 'n uitstekende sondeerder vir (molekulêre of ander) strukture van alle kristallyne stowwe. Hierdie golflengte het dieselfde grootteorde as die kristalle se eenheidselle. Dis die geval vir metallieke, anorganiese, organiese, polimere en ook vir talle biochemiese materiale.

Strooiing en oplossende vermoë

Die strooiinghoek word in die algemeen gedefinieer as 2θ (en nie as θ, soos in by verstrooiing van sigbare lig nie).

Die maatstaf van die tegniek kan geskryf word as:

d_obs = λ/(2sinθ)

1/d_obs = (2sinθ)/λ

Die maatstaf d is die omgekeerde van die oplossende vermoë: 1/d en die oplossende vermoë neem dus toe namate die hoek vergroot word. Omdat die golflengte ongeveer dieselfde grote het as die atoomafstande kan hierdie tegniek die elektrondigtheid ρ =ψ*ψ na atomiese groottes afskaal. (Die funksie ψ is die komplekse elektrongolffunksie).

By verstrooiing van nie-kristallyne stowwe soos glase, vloeistowwe of gasse is daar verstrooide fotone by alle hoeke. Die intensiteit word in die algemeen weergegee as 'n funksie van die strooiingvektor q:

q= 2π/d = 4п.sinθ/λ

Hierdie notasie stel mens in staat om data van verskillende golflengtes maklik te vergelyk. Die vektor q kan ook gesien word as 'n maatstaf vir momentumoordrag by die elastiese botsing van die foton met 'n elektron. Die energieoordrag daarby is gelyk aan nul, d.w.s. volkome elasties.

Diffraksie

Die invallende straal (van links bo) veroorsaak dat elke verstrooier 'n klein porsie van sy intensiteit heruitstraal as 'n sferiese golf. As die verstrooiers simmetries gerangskik is met skeidings d, sal hierdie sferiese golwe slegs in fase wees (konstruktief interfereer) in rigtings waarin hulle padlengteverskil van 2d sin θ gelyk is aan 'n heelgetal-veelvoud van die golflengte λ. In daardie geval word 'n deel van die invallende straal teen 'n hoek van 2θ gedeflekteer, wat 'n refleksie-kol in die diffraksiepatroon meebring.

By 'n kristallyne stof is daar net strooiing moontlik as die maatstaf d_obs gelyk is aan een van die raamwerkafstande d_hkl van die kristallyne struktuur. By ander hoeke tree totale destruktiewe interferensie op. Hoeke waarby d_obs=d_hkl en die interferensie konstruktief is word die Bragg-hoeke genoem. Die interferensie is die rede waarom dit nou diffraksie en nie strooiing genoem word nie, maar die eksperiment bly dieselfde.

X-straaldiffraksie word toegepas op enkelkristalle maar ook op poeiers. Enkelkristaldiffraksie is 'n tegniek waaruit driemensionale data verkry word. By poeierdiffraksie is dit eendimensionale data, wat veral gebruik word om vastestowwe te identifiseer en minder om hulle struktuur te bepaal.

Biologiese toepassing

X-straaldiffraksie is die hoofmetode waarvolgens die gedetailleerde driedimensionale strukture van molekules – in besonder die molekules van lewende stelsels – ontdek is. Die hoeveelheid inligting wat uit die ondersoek van enige stof afgelei kan word, hang uiteindelik af van hoe fyn die sondeerder is wat aangewend word. So word 'n ondersoek van biologiese weefsels met behulp van die optiese mikroskoop byvoorbeeld beperk deur die golflengte van sigbare lig, wat in die omgewing van 500 nm is. Besonderhede van molekulêre rangskikking in die weefsel is derhalwe nie ontleedbaar nie, aangesien hulle net 1 tot 10 nm van mekaar is.

Hierdie tegniek is byvoorbeeld gebruik om die gedetailleerde driedimensionale struktuur van 'n groot hoeveelheid proteïene te bepaal en om te demonstreer dat DNS normaalweg 'n dubbelstring-heliese molekule is. In laasgenoemde geval was die X-straaldiffraksiedata egter nie voldoende nie en was chemiese inligting nodig om af te lei dat die molekule helies was, met komplementêre basispare. Die toepassing van X-straaldiffraksietegnieke op makromolekules was meer as net 'n uitbreiding van die idees vir kleiner molekules. Nie net is dit moeiliker om groter molekules te kristalliseer nie, maar nuwe skemas om die fases van die diffraksiegolwe eksperimenteel te bepaal, moes ook ontwikkel word ten einde sulke strukture te ontleed.

Die koms van toegewyde sinchrotron-ligbronne met hoë-intensiteitsbundellyne vir biologiese navorsing het nie net die spoed van data-insameling van proteïenkristalle geweldig versnel nie, maar het ook onderskeiding verbeter deurdat stralingskade aan die kristalle beperk is.

Die gebruik van invoegingstoestelle het intensiteitstoenames tot gevolg gehad wat geskik was om 'n Laue-diffraksiepatroon in tydgrepe van millisekonde-ordes te bepaal, wat dit moontlik maak om dinamiese veranderings in die makromolekulêre struktuur in spiersaamtrekbaarheid te ondersoek, sowel as in die wisselwerkings tussen ensieme en substrate of tussen beherende proteïene en DNS.

'n Aanvullende tegniek tot X-straaldiffraksie is neutrondiffraksie. Hierdie tegniek is besonder bruikbaar omdat waterstof 'n groot negatiewe verstrooiingskrag het en dus sterk verstrooi. Wat meer is, deur deuterium deur waterstof te vervang, word die grootte en teken van die verstrooiingskrag verander, wat dit moontlik maak om 'n struktuur te ondersoek waarin die verstrooiing verander is sonder 'n verandering in struktuur. Die merk van die molekulêre en sellulêre selorgane met deuterium maak dit moontlik om hul posisie en struktuur geredelik na te spoor.

Eksterne skakels

Wikimedia Commons het meer media in die kategorie X-straalkristallografie.