单晶XRD分析

分支学科——生物大分子晶体学
生物大分子晶体学 Macromolecular Crystallography
➢ 结构生物学 ➢ 基于结构的药物分子设计 • 蛋白质分子的三维结构，折叠模
式 • 为药物分子设计提供蛋白质分子
的结构模型
活性中心结构 (构效关系)
蛋白质3D结构/ 三维折叠结构
Protein
七大晶系与十四种Bravais晶格
立方 四方 正交 三方 六方
单斜 三斜
SC-XRD diagram
Single crystal X-rays
1
Collect data
Diffraction pattern X-ray Diffractometer
2
Solve the structure
研究对象：一切可以结晶的物质
(1) 结构因子
晶胞中含两个原子1和2；分数坐标: (x1y1z1), (x2y2z2)；原子
散射因子: f1, f2；晶胞常数:a, b, c。1和2在 hkl 衍射方向上的2个
衍射波的合成振幅绝对值:
[ f 1 c o s1 f 2 c o s2 ] 2 [ f 1 s i n 1 f 2 s i n 2 ] 2
如何收集(好的)衍射数据 从挑选“好”的单晶样品开始……
挑选晶体
块状？片状？针状？… 都可以！ 晶体形状不重要
单晶 Singularity 一定要是“单”晶！ 不能是多晶，避免孪晶。
挑选晶体
——大小
✓ 受吸收和光斑大小的限制，不一定是 越大越好
✓ 晶体不大于准直器直径，一般0.2-0.5 mm，取决于晶体的组分和光源强度
[ f 1 c o s 2 ( x 1 h y 1 k z 1 l ) f 2 c o s 2 ( x 2 h y 2 k z 2 l ) ] 2
[ f 1 s i n 2 ( x 1 h y 1 k z 1 l ) f 2 s i n 2 ( x 2 h y 2 k z 2 l ) ] 2
X-rays
衍射
晶体大小<0.5 mm
数据处理与结构精修
已收到的衍射点： HK L ; I -1 2 4 ; 3678 -2 0 2 ; 2354 1 2 -4 ; 3496
结构解析 Cycle 2 : R1 = 11.28% Cycle 3 : R1 = 8.49% Cycle 4 : R1 = 7.21% Cycle 5 : R1 = 5.73% (final refined structure)
重金属 (Pt, Pb, Hg, Bi 等)将导致强的吸 收效应。所以，常 常使用Mo光源来测 试这类样品。
应用方向 无机晶体/有机金属配合物 大/超分子 绝对构型（有机晶体） 高压应用 小/衍射弱的晶体 蛋白质 电子密度 强吸收晶体 准晶 粉末
Mo Cu ✓
✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓✓
晶体
X-射线衍射
Single Crystal X-ray Diffraction (SC-XRD)
肖康
晶体 (Single crystal)
SC-XRD
X-ray的衍射 (Diffraction)
S•
X-射线 (X-ray)
X-ray
X-射线(X-ray)，也叫伦琴射线，1895年由德国物 理学家伦琴(W. C. Röntgen)发现。 19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一 (X-射 线-1895年、放射线-1896年、电子-1897年)。
F2 hk l
——结构因子：衍射强度的大小
推广到q个原子:
q
q
F h k l2 [ f ic o s 2 ( x ih y ik z i l ) ] 2 [ f is i n 2 ( x ih y ik z i l ) ] 2
i 1
i 1
X-ray衍射如何确定晶体结构
X-ray衍射如何确定晶体结构
劳埃 (Max van Laue, 德国)
布拉格 父子 (W. H. Bragg, W. L. Bragg, 法国)
X-射线晶体结构分析得到发展：无机、有机、生物大分子…
X-ray
e
X-ray
K L M N
封闭式X-光管
常用Mo靶和Cu靶
X-射线源
Mo靶
特征X-射线 白色X-射线
➢ 常规结构测定，尤其是含有重金属的晶体结构测定通 常使用 Mo光源
+
chemistry judgement
单晶衍射仪的组成
X射线源-产生X射线
测角仪-晶体定位平台
CCD检测器 -特殊设计的数码 相机 - 拍摄X射线照片
CCD相机图解
Converts To
Green light
Berillium window
Scintillator
Fibre-optic taper
CCD
Peltier cooling
Converts to
ElectronEilcesctronic signal
衍射实验
在晶体不同的取向上收集一系列的衍射照片
通过数据还原获得衍射点的位置(hkl)和强度 (intensity ：I) 。例如：
HK L ; I
-1 2 4 ; 3678 -2 0 2 ; 2354 1 2 -4 ; 3496
➢ 蛋白质晶体结构分析/有机物/不含重原子的有机物绝对 构型测定/小和弱的衍射体，使用Cu光源
X-射线源
✓ Cu 光源的散射强度= 6-10 倍Mo光源 ✓ 所以 60秒Mo光源的数据收集 ≈ 10秒Cu光源数据收集 ✓ Cu光源对测试小或散射弱的晶体有很大的帮助
但是...
Cu光源的吸收效应 大于Mo光源
SC-XRD能得到什么？
小分子
三维结构
精确的键长 120° 键角数据
活性位点的形 状和化学结构
蛋白质的三维结构/ 折叠
蛋白质晶体结构
分支学科——化学晶体学
化学晶体学 Chemical Crystallography
➢ 确定分子立体结构 • 确定新的无机和金属有机化合物结构的主要技术 • 广泛应用于有机物的结构尤其是立体结构的确定 • 有机物/天然产物/药物分子的绝对构型确定 ➢ 确定分子结构参数 • 键长 +/- 0.001 Å • 键角 better than 0.1 度 • 扭曲角 0.1 度 ➢ 研究化学键性质 ➢ 理解固体化合物性质 • 建立构效关系 • 变温/变压实验理解相变/热膨胀和其他物理性质的分子基础
✓ 含有金属的化合物或使用铜光源时， 晶体可以小些；有机化合物晶体或使 用钼光源时，可以大些
——外形
✓ 单一颗粒，表面平整光洁 ✓ 凸多面体
➢ 通常建议从同一批晶体中选出三颗晶 体，通过衍射仪初试实验选出衍射能 力最好的样品
挑选晶体的一些建议
➢ 提前准备好您的样品和所需工具等。 ➢ 使用洁净的上样工具，避免污染。 ➢ 尽可能将样品分为多份，以方便多次尝试。 ➢ 选择好适用的油—快速均匀地与晶体混合(低温实验)。 ➢ 尽量使用冷光源照明，以延长晶体挑选时间。 ➢ 请先了解您所用的显微镜的放大倍率和衍射仪的光斑大小，并照此挑选晶
测试分析 更多仪器和测试操作将在上机演示中讲解
Thanks !
量。
安装晶体
➢一般用AB胶粘在玻璃毛细管顶端 ➢对很小晶体，可装入毛管内 ➢易风化、水解、氧化的晶体，可 封在胶内
➢ 蛋白质等可用专用尼龙套
Goniometer head 载晶座 及调节工具
测试—Байду номын сангаас收集数据
APEX2 全软件控制. So easy…
流程化操作 Step by step
测试——收集数据
原子、分子或离子在空间按一定规律周期重复地 排列的固体 (周期性、长程有序)
Bragg公式
θ
θ
掠射角 θ
d
θθ
θ
晶面间距 d
X-Ray波长 λ
光程差
δ = 2dsinθ
衍射条件：δ = nλ (n=1, 2, 3…)
2dsinθ = nλ (n=1, 2, 3…) Bragg公式
X-ray衍射如何确定晶体结构
体样品。 ——请记住，常常小晶体的质量会更好。 ➢ 挑选面/角清晰的晶体；避免挑选有裂缝和表面有缺陷的晶体；从簇状或
薄片状晶体中分离出单颗晶体(小心处理以免损坏晶体)。 ➢ 将挑选好的晶体转移到合适的上样工具上—尽量少裹油、尽量减少样品转
移到衍射仪上的时间、尽量减少在转移过程中对晶体的损坏。 ➢ 对心—确认晶体处于低温气流中，并通过一幅衍射照片来快速评估晶体质