Войти
Электронная кристаллография - это метод определения расположения атомов в твердых телах с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ).
Может дополнять рентгеновскую кристаллографию для исследования очень мелких кристаллов (<0.1 micrometers), both inorganic, organic, and белков, таких как мембранные белки, которые не могут легко образовывать большие трехмерные кристаллы, необходимые для этого процесса. Белковые структуры обычно определяют либо из двумерных кристаллов (листов, либо спиралей ), многогранники, такие как вирусные капсиды, или отдельные дисперсные белки. В этих ситуациях можно использовать электроны, тогда как рентгеновские лучи не могут, потому что электроны взаимодействуют больше сильнее с атомами, чем рентгеновские лучи. Таким образом, рентгеновские лучи будут проходить через тонкий 2-мерный кристалл без значительной дифракции, тогда как электроны могут быть использованы для формирования образ. И наоборот, сильное взаимодействие между электронами и протонами делает толстые (например, трехмерные>1 микрометра) кристаллы непроницаемыми для электронов, которые проникают только на короткие расстояния.
Одной из основных трудностей в рентгеновской кристаллографии является определение фаз на дифракционной картине. Из-за сложности рентгеновских линз линз трудно сформировать изображение дифрагированного кристалла, и, следовательно, информация о фазе теряется. К счастью, электронные микроскопы могут разрешить атомную структуру в реальном пространстве, а информация о кристаллографическом структурном факторе и фазе может быть экспериментально определена с помощью преобразования Фурье изображения. Преобразование Фурье изображения с атомным разрешением похоже, но отличается от дифракционной картины - с пятнами обратной решетки, отражающими симметрию и расстояние между кристаллами. Аарон Клуг был первым, кто осознал, что информация о фазе может быть быть считанным непосредственно из преобразования Фурье изображения, полученного с помощью электронной микроскопии, которое было отсканировано в компьютер еще в 1968 году. За это, а также за свои исследования вирусных структур и транспортной РНК, Клуг получил Нобелевскую премию по химии в 1982 году.
Общей проблемой рентгеновской кристаллографии и электронной кристаллографии является лучевое повреждение, при котором особенно органические молекулы и белки повреждаются по мере их отображения, ограничивая разрешение, которое может быть получено. Это особенно проблематично в условиях электронной кристаллографии, где радиационное повреждение сосредоточено на гораздо меньшем количестве атомов. Одним из методов, используемых для ограничения радиационного повреждения, является электронная криомикроскопия, при которой образцы подвергаются криофиксации, а визуализация осуществляется в жидком азоте или даже жидком гелии температуры. Из-за этой проблемы рентгеновская кристаллография оказалась гораздо более успешной в определении структуры белков, которые особенно уязвимы для радиационных повреждений. Радиационное повреждение недавно было исследовано с использованием MicroED тонких трехмерных кристаллов в замороженном гидратированном состоянии.
Первой электронной кристаллографической структурой белка, достигшей атомного разрешения, была бактериородопсин, определенная Ричардом Хендерсоном и сотрудниками в Медицинский исследовательский совет Лаборатория молекулярной биологии в 1990 году. Однако уже в 1975 году Анвин и Хендерсон определили первую структуру мембранного белка с промежуточным разрешением (7 Ангстремов), показав впервые время внутренняя структура мембранного белка с его альфа-спиралями, расположенными перпендикулярно плоскости мембраны. С тех пор с помощью электронной кристаллографии было определено несколько других структур с высоким разрешением, включая светособирающий комплекс, никотиновый ацетилхолиновый рецептор и бактериальный жгутик. Белковая структура с самым высоким разрешением, определенная с помощью электронной кристаллографии 2D-кристаллов, - это структура водного канала аквапорин -0. В 2013 году электронная кристаллография была распространена на трехмерные кристаллы с помощью нового метода, называемого микрокристаллической электронной дифракции, или MicroED.
Электронно-микроскопическое изображение неорганического оксида тантала с его преобразованием Фурье, вставка. Обратите внимание, как внешний вид меняется от верхней тонкой области к более толстой нижней области. Размер элементарной ячейки этого соединения составляет примерно 15 на 25 Ангстрем. Он обведен в центре рисунка внутри результата обработки изображения, где была учтена симметрия. Черные точки ясно показывают все атомы тантала. Дифракция распространяется на 6 порядков в направлении 15 Å и 10 порядков в перпендикулярном направлении. Таким образом, разрешение ЭМ изображения составляет 2,5 Å (15/6 или 25/10). Это вычисленное преобразование Фурье содержит как амплитуды (как видно), так и фазы (не отображаются). 
Электронограмма одного и того же кристалла неорганического оксида тантала, показанного выше. Обратите внимание, что дифракционных пятен здесь намного больше, чем на дифрактограмме, рассчитанной из приведенного выше ЭМ изображения. Дифракция распространяется до 12 порядков в направлении 15 Å и до 20 порядков в перпендикулярном направлении. Таким образом, разрешение изображения ED составляет 1,25 Å (15/12 или 25/20). Картины ED не содержат информации о фазе, но явные различия между интенсивностями дифракционных пятен могут быть использованы для определения кристаллической структуры. Электронные кристаллографические исследования неорганических кристаллов с использованием high Изображения с разрешением электронной микроскопии (HREM) были впервые выполнены Аароном Клугом в 1978 году и Свеном Ховмёллером с сотрудниками в 1984 году. Изображения HREM использовались, потому что они позволяют выбирать (с помощью компьютерного программного обеспечения) только очень тонкие области вблизи края кристалла для анализа структуры (см. также кристаллографическая обработка изображений ). Это имеет решающее значение, поскольку в более толстых частях кристалла функция выходной волны (которая несет информацию об интенсивности и положении столбцов проецируемых атомов) больше не связана линейно с проецируемой структурой кристалла.. Более того, не только изображения ВРЭМ меняют свой внешний вид с увеличением толщины кристалла, они также очень чувствительны к выбранной настройке дефокусировки Δf линзы объектива (см. Изображения ВРЭМ GaN например). Чтобы справиться с этой сложностью, Майкл О'Киф начал в начале 1970-х годов разработку программного обеспечения для моделирования изображений, которое позволило понять интерпретацию наблюдаемых изменений контраста в изображениях HREM.
В области электронной микроскопии возникли серьезные разногласия. неорганических соединений; в то время как некоторые утверждали, что «фазовая информация присутствует в ЭМ изображениях», другие придерживаются противоположного мнения, что «фазовая информация теряется в ЭМ изображениях». Причина этих противоположных взглядов в том, что слово «фаза» использовалось с разными значениями в двух сообществах физиков и кристаллографов. Физиков больше волнует «фаза волны электрона » - фаза волны, движущейся через образец во время воздействия электронов. Эта волна имеет длину волны 0,02-0,03 Ангстрема (в зависимости от ускоряющего напряжения электронного микроскопа). Его фаза связана с фазой недифрагированного прямого электронного пучка. Кристаллографы, с другой стороны, имеют в виду «фазу кристаллографического структурного фактора », когда они просто говорят «фаза». Эта фаза представляет собой фазу стоячих волн потенциала в кристалле (очень похожую на электронную плотность, измеренную в рентгеновской кристаллографии). Каждая из этих волн имеет определенную длину волны, называемую значением d для расстояния между так называемыми плоскостями Брэгга с низким / высоким потенциалом. Эти значения d варьируются от размеров элементарной ячейки до предела разрешающей способности электронного микроскопа, то есть обычно от 10 или 20 Ангстремов до 1 или 2 Ангстремов. Их фазы связаны с фиксированной точкой в кристалле, определяемой по отношению к элементам симметрии этого кристалла. Кристаллографические фазы являются свойством кристалла, поэтому они существуют также вне электронного микроскопа. Электронные волны исчезают, если микроскоп выключен. Чтобы определить кристаллическую структуру, необходимо знать факторы кристаллографической структуры, но не знать фазы электронных волн. Более подробное обсуждение того, как фазы (фактор кристаллографической структуры) связаны с фазами электронной волны, можно найти в.
Так же, как и в случае с белками, было возможно определить атомные структуры неорганических кристаллов с помощью электронной кристаллографии.. Для более простой конструкции достаточно использовать три перпендикулярных вида, но для более сложных конструкций могут потребоваться также проекции на десять или более разных диагоналей.
В дополнение к изображениям, полученным с помощью электронной микроскопии, также можно использовать картины дифракции электронов (ED) для определения кристаллической структуры. Следует проявлять особую осторожность при записи таких диаграмм ЭД из самых тонких областей, чтобы сохранить большую часть структурно связанных различий интенсивности между отражениями (условия квазикинематической дифракции). Как и в случае с рентгеновскими дифрактограммами, важные фазы фактора кристаллографической структуры теряются на электронограммах и должны быть обнаружены специальными кристаллографическими методами, такими как прямые методы, метод максимальной вероятности или (в последнее время) с помощью заряда -перекидной способ. С другой стороны, модели ЭД неорганических кристаллов часто имеют высокое разрешение (= межплоскостные расстояния с высокими индексами Миллера ), намного ниже 1 Ангстрем. Это сопоставимо с точечным разрешением лучших электронных микроскопов. При благоприятных условиях можно использовать образцы ED из одной ориентации для определения полной кристаллической структуры. В качестве альтернативы можно использовать гибридный подход, который использует изображения HRTEM для решения и интенсивности из ED для уточнения кристаллической структуры.
Недавний прогресс в структурном анализе с помощью ED был достигнут благодаря внедрению метода прецессии Винсента-Мидгли для записи электронограмм. Полученные таким образом интенсивности обычно намного ближе к кинематическим, так что могут быть определены даже структуры, которые находятся за пределами диапазона при обработке обычных (выбранная область) данных электронной дифракции.
Кристаллические структуры, определенные с помощью электронной кристаллографии, могут быть проверено на их качество с помощью расчетов из первых принципов в рамках теории функционала плотности (DFT). Этот подход был впервые применен для проверки нескольких структур с высоким содержанием металлов, которые были доступны только с помощью HRTEM и ED соответственно.
Недавно были определены две очень сложные структуры цеолита методом электронной кристаллографии в сочетании с порошковой рентгеновской дифракцией. Они более сложные, чем самые сложные структуры цеолитов, определенные с помощью рентгеновской кристаллографии.
