Электронная кристаллография - это метод определения расположения атомов в твердых телах с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ).
Сравнение с рентгеновской кристаллографией
Он может дополнять рентгеновскую кристаллографию для исследования очень мелких кристаллов (<0,1 микрометра), как неорганических, так и органических, а также белков , таких как мембранные белки , которые не могут легко сформировать большие трехмерные кристаллы, необходимые для этого процесса. Белковые структуры обычно определяются либо из двумерных кристаллов (листов или спиралей ), либо из многогранников, таких как вирусные капсиды , либо из отдельных дисперсных белков. В этих ситуациях можно использовать электроны, тогда как рентгеновские лучи - нет, потому что электроны сильнее взаимодействуют с атомами, чем рентгеновские лучи. Таким образом, рентгеновские лучи будут проходить через тонкий двумерный кристалл без значительной дифракции, тогда как электроны могут использоваться для формирования изображения. И наоборот, сильное взаимодействие между электронами и протонами делает толстые (например, трехмерные> 1 микрометра) кристаллы непроницаемыми для электронов, которые проникают только на короткие расстояния.
Одна из основных трудностей рентгеновской кристаллографии - определение фаз на дифрактограмме . Из-за сложности рентгеновских 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 фазе кристаллографического структурного фактора 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. [1] Аарон Клаг был первым, кто осознал, что фазовая информация может быть считана непосредственно из преобразования Фурье электронного микроскопа изображения, которое было отсканировано в компьютер, еще в 1968 году. Трансфер-РНК, Клуг получил Нобелевскую премию по химии в 1982 году.
Радиационный ущерб
Общей проблемой рентгеновской кристаллографии и электронной кристаллографии является радиационное повреждение , при котором особенно органические молекулы и белки повреждаются при их отображении, что ограничивает достижимое разрешение. 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 и визуализация происходит при температурах жидкого азота или даже жидкого гелия . Из-за этой проблемы рентгеновская кристаллография оказалась намного более успешной в определении структуры белков, которые особенно уязвимы для радиационного повреждения. Радиационные повреждения были недавно исследованы с помощью MicroED [2] [3] тонких 3D кристаллов в замороженном гидратированном состоянии.
Структуры белков, определенные с помощью электронной кристаллографии
Первой электронной кристаллографической структурой белка, достигшей атомного разрешения, был бактериородопсин , определенный Ричардом Хендерсоном и его коллегами из Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета в 1990 году. [4] Однако уже в 1975 году Анвин и Хендерсон определили первую структуру мембранного белка промежуточное разрешение (7 Ангстрем), впервые демонстрирующее внутреннюю структуру мембранного белка с его альфа-спиралями, расположенными перпендикулярно плоскости мембраны. С тех пор несколько других структур с высокой разрешающей способностью были определены с помощью электронной кристаллографии, в том числе светособирающего комплекса , [5] с никотинового рецептора ацетилхолина , [6] и бактериального жгутика . [7] Белковая структура с самым высоким разрешением, решенная с помощью электронной кристаллографии 2D кристаллов, - это структура аквапорина -0 с водным каналом . [8] В 2013 году электронная кристаллография была распространена на трехмерные кристаллы с помощью нового метода, называемого дифракцией электронов на микрокристаллах , или MicroED. [2]
Применение к неорганическим материалам
Электронные кристаллографические исследования неорганических кристаллов с использованием изображений электронной микроскопии высокого разрешения (ВРЭМ) были впервые выполнены Аароном Клугом в 1978 году [9] и Свеном Ховмёллером с сотрудниками в 1984 году. [10] Изображения ВРЭМ использовались, потому что они позволяют выбирать (по компьютерное программное обеспечение) только очень тонкие области вблизи края кристалла для анализа структуры (см. также обработку кристаллографических изображений ). Это имеет решающее значение, поскольку в более толстых частях кристалла функция выходной волны (которая несет информацию об интенсивности и положении столбцов спроецированных атомов) больше не связана линейно с спроецированной кристаллической структурой. Более того, не только изображения ВРЭМ меняют свой внешний вид с увеличением толщины кристалла, они также очень чувствительны к выбранной настройке расфокусировки Δf линзы объектива (см., Например, изображения ВРЭМ GaN ). 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. [11]
В области электронной микроскопии неорганических соединений возникли серьезные разногласия; в то время как некоторые утверждали, что «фазовая информация присутствует в ЭМ изображениях», другие придерживаются противоположной точки зрения, что «фазовая информация теряется в ЭМ изображениях». Причина этих противоположных взглядов в том, что слово «фаза» использовалось в двух сообществах физиков и кристаллографов в разных значениях. Физиков больше волнует « фаза электронной волны » - фаза волны, движущейся через образец во время воздействия электронов. Эта волна имеет длину около 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 фактора кристаллографической структуры », 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 свою 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 разрешения электронного микроскопа, то есть обычно от 10 или 20 Ангстремов до 1 или 2 Ангстремов. Их фазы связаны с фиксированной точкой в кристалле, определенной относительно элементов симметрии этого кристалла. Кристаллографические фазы - это свойство 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 (кристаллографический структурный фактор) связаны с фазами электронной волны, можно найти в [12].
Как и в случае с белками, атомные структуры неорганических кристаллов можно определить 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.
Помимо изображений, полученных с помощью электронной микроскопии, для определения кристаллической структуры также можно использовать картины дифракции электронов (ЭД). [13] [14] Необходимо проявлять особую осторожность при записи таких диаграмм ЭД из самых тонких областей, чтобы сохранить большую часть структурных 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 , методы максимального правдоподобия или (в последнее время) методом переворота заряда. С другой стороны, ED-модели неорганических кристаллов часто имеют высокое разрешение (= межплоскостные расстояния с высокими индексами Миллера ) намного ниже 1 Ангстрема. Это сопоставимо с точечным разрешением лучших электронных микроскопов. При благоприятных условиях можно использовать образцы ED из одной ориентации для определения полной кристаллической структуры. [15] В качестве альтернативы можно использовать гибридный подход, который использует изображения HRTEM для решения и интенсивности из ED для уточнения кристаллической структуры. [16] [17]
Недавний прогресс в структурном анализе с помощью ED был достигнут благодаря внедрению прецессионной техники Винсента-Мидгли для записи электронограмм. [18] Полученные таким образом интенсивности обычно намного ближе к кинематическим, так что даже структуры, которые находятся вне диапазона, могут быть определены при обработке обычных (выбранная область) данных дифракции электронов. [19] [20]
Качество кристаллических структур, определенных с помощью электронной кристаллографии, можно проверить с помощью расчетов из первых принципов в рамках теории функционала плотности (DFT). Этот подход был впервые применен для проверки нескольких богатых металлами структур, которые были доступны только с помощью HRTEM и ED соответственно. [21] [22]
Недавно с помощью электронной кристаллографии в сочетании с дифракцией рентгеновских лучей на порошке были определены две очень сложные структуры цеолита . [23] [24] Они более сложные, чем самые сложные структуры цеолитов, определенные с помощью рентгеновской кристаллографии.
Рекомендации
- ^ R Hovden; И Цзян; HL Xin; Л.Ф. Куркутис (2015). "Периодическое уменьшение артефактов в преобразованиях Фурье изображений полного поля с атомным разрешением". Микроскопия и микроанализ . 21 (2): 436–441. Bibcode : 2015MiMic..21..436H . DOI : 10.1017 / S1431927614014639 . PMID 25597865 .
- ^ а б Nannenga, Brent L; Ши, Дан; Лесли, Эндрю GW; Гонен, Тамир (2014-08-03). «Определение структуры с высоким разрешением путем сбора данных непрерывного вращения в MicroED» . Методы природы . 11 (9): 927–930. DOI : 10,1038 / Nmeth.3043 . ISSN 1548-7091 . PMC 4149488 . PMID 25086503 .
- ^ Хаттне, Йохан; Ши, Дан; Глинн, Калина; Зи, Чи-Те; Галлахер-Джонс, Маркус; Martynowycz, Michael W .; Родригес, Хосе А .; Гонен, Тамир (2018). «Анализ глобального и локального радиационного повреждения в крио-ЭМ» . Структура . 26 (5): 759–766.e4. DOI : 10.1016 / j.str.2018.03.021 . ISSN 0969-2126 . PMC 6333475 . PMID 29706530 .
- ^ Хендерсон, Р .; Болдуин, JM; Ceska, TA; Землин, Ф; Beckmann, E .; Даунинг, К. Х. (июнь 1990 г.). «Модель структуры бактериородопсина на основе электронной криомикроскопии высокого разрешения». J Mol Biol . 213 (4): 899–929. DOI : 10.1016 / S0022-2836 (05) 80271-2 . PMID 2359127 .
- ^ Кюльбрандт, Вернер; Ван, Да Ненг; Фудзиёси, Ёсинори (февраль 1994 г.). «Атомная модель светособирающего комплекса растений методом электронной кристаллографии». Природа . 367 (6464): 614–21. Bibcode : 1994Natur.367..614K . DOI : 10.1038 / 367614a0 . PMID 8107845 .
- ^ Миядзава, Ацуо; Фудзиёси, Ёсинори; Анвин, Найджел (июнь 2003 г.). «Структура и запирающий механизм поры рецептора ацетилхолина». Природа . 423 (6943): 949–55. Bibcode : 2003Natur.423..949M . DOI : 10,1038 / природа01748 . PMID 12827192 .
- ^ Ёнекура, Кодзи; Маки-Ёнекура, Саори; Намба, Кейчи (август 2003 г.). «Полная атомная модель бактериального филамента жгутика с помощью электронной криомикроскопии». Природа . 424 (6949): 643–50. Bibcode : 2003Natur.424..643Y . DOI : 10,1038 / природа01830 . PMID 12904785 .
- ^ Гонен, Тамир; Чэн, Ифань; Слиз, Петр; Хироаки, Йоко; Фудзиёси, Ёсинори; Харрисон, Стивен С.; Вальц, Томас (2005). «Липидно-белковые взаимодействия в двухслойных двумерных кристаллах AQP0» . Природа . 438 (7068): 633–638. Bibcode : 2005Natur.438..633G . DOI : 10,1038 / природа04321 . ISSN 0028-0836 . PMC 1350984 . PMID 16319884 .
- ^ Klug, A (1978/79) Анализ изображений и реконструкция в электронной микроскопии биологических макромолекул Chemica Scripta vol 14, p. 245-256.
- ^ Ховмёллер, Свен; Сьегрен, Агнета; Фарранс, Джордж; Сундберг, Маргарета; Мариндер, Бенгт-Олов (1984). «Точное положение атомов с помощью электронной микроскопии». Природа . 311 (5983): 238. Bibcode : 1984Natur.311..238H . DOI : 10.1038 / 311238a0 .
- ^ О'Киф, Массачусетс; Buseck, PR; Иидзима, С. (1978). «Расчетные изображения кристаллической структуры для электронной микроскопии высокого разрешения». Природа . 274 (5669): 322. Bibcode : 1978Natur.274..322O . DOI : 10.1038 / 274322a0 .
- ^ Цзоу, X (1999). «О фазовой проблеме в электронной микроскопии: взаимосвязь структурных факторов, выходных волн и изображений ВРЭМ». Микроскопические исследования и техника . 46 (3): 202–19. DOI : 10.1002 / (SICI) 1097-0029 (19990801) 46: 3 <202 :: AID-JEMT4> 3.0.CO; 2-8 . PMID 10420175 .
- ↑ BK Vainshtein (1964), Структурный анализ методом электронной дифракции , Pergamon Press Oxford
- ^ DL Dorset (1995), Структурная электронная кристаллография , Plenum Publishing Corporation ISBN 0-306-45049-6
- ^ Weirich, TE; Zou, X; Ramlau, R; Саймон, А; Cascarano, GL; Giacovazzo, C; Ховмёллер, S (2000). «Структуры кристаллов нанометрового размера, определенные на основе данных дифракции электронов на выбранной площади». Acta Crystallographica . 56 (Pt 1): 29–35. DOI : 10.1107 / S0108767399009605 . PMID 10874414 .
- ^ Зандберген, HW (1997). «Определение структуры частиц Mg5Si6 в Al методом динамической дифракции электронов». Наука . 277 (5330): 1221–1225. DOI : 10.1126 / science.277.5330.1221 .
- ^ Weirich, Thomas E .; Рамлау, Райнер; Саймон, Арндт; Ховмёллер, Свен; Цзоу, Сяодун (1996). «Кристаллическая структура, определенная с помощью электронной микроскопии с точностью до 0,02 Å». Природа . 382 (6587): 144. Bibcode : 1996Natur.382..144W . DOI : 10.1038 / 382144a0 .
- ^ Прецессионная дифракция электронов
- ^ Гемми, М; Zou, X; Hovmöller, S; Мильори, А; Vennström, M; Андерссон, Y (2003). «Структура Ti2P решена с помощью данных трехмерной дифракции электронов, собранных с помощью метода прецессии и электронной микроскопии высокого разрешения». Acta Crystallographica . 59 (Pt 2): 117–26. DOI : 10.1107 / S0108767302022559 . PMID 12604849 .
- ^ Weirich, T; Портильо, Дж; Кокс, G; Hibst, H; Николопулос, S (2006). «Ab initio определение каркасной структуры оксида тяжелого металла CsxNb2.54W2.46O14 по данным дифракции электронов с прецессией 100 кВ». Ультрамикроскопия . 106 (3): 164–75. DOI : 10.1016 / j.ultramic.2005.07.002 . PMID 16137828 .
- ^ Альбе, К; Weirich, TE (2003). «Структура и стабильность альфа- и бета-Ti2Se. Электронная дифракция в сравнении с расчетами теории функционала плотности». Acta Crystallographica . 59 (Pt 1): 18–21. DOI : 10.1107 / S0108767302018275 . PMID 12496457 .
- ^ Weirich, TE (2004). «Расчеты из первых принципов как инструмент для проверки структуры в электронной кристаллографии». Acta Crystallographica . 60 (Pt 1): 75–81. Bibcode : 2004AcCrA..60 ... 75 Вт . DOI : 10.1107 / S0108767303025042 . PMID 14691330 .
- ^ Грамм, Фабиан; Баерлохер, Кристиан; McCusker, Lynne B .; Уоррендер, Стюарт Дж .; Райт, Пол А .; Хан, Бада; Хонг, Сук Бонг; Лю, Чжэн; и другие. (2006). «Сложная структура цеолита решена путем сочетания порошковой дифракции и электронной микроскопии». Природа . 444 (7115): 79–81. Bibcode : 2006Natur.444 ... 79G . DOI : 10,1038 / природа05200 . PMID 17080087 .
- ^ Baerlocher, C .; Gramm, F .; Massuger, L .; Маккаскер, LB; Он, З .; Hovmoller, S .; Цзоу, X. (2007). «Структура поликристаллического цеолитного катализатора IM-5, решенная с помощью улучшенного переключения заряда». Наука . 315 (5815): 1113–6. Bibcode : 2007Sci ... 315.1113B . DOI : 10.1126 / science.1137920 . PMID 17322057 .
дальнейшее чтение
- Zou, XD, Hovmöller, S. и Oleynikov, P. "Электронная кристаллография - электронная микроскопия и дифракция электронов". IUCr Texts on Crystallography 16, Oxford University Press 2011. http://ukcatalogue.oup.com/product/9780199580200.doISBN 978-0-19-958020-0
- Даунинг, KH; Meisheng, H .; Wenk, H.-R .; О'Киф, Массачусетс (1990). «Разрешение атомов кислорода в ставролите с помощью трехмерной просвечивающей электронной микроскопии». Природа . 348 (6301): 525–528. Bibcode : 1990Natur.348..525D . DOI : 10.1038 / 348525a0 .
- Zou, XD; Ховмёллер, С. (2008). «Электронная кристаллография: отображение и дифракция монокристаллов на порошках» . Acta Crystallographica . 64 : 149–160. Bibcode : 2008AcCrA..64..149Z . DOI : 10.1107 / S0108767307060084 . PMID 18156680 .
- Т. Е. Вейрих, XD Zou и JL Lábár (2006). Электронная кристаллография: новые подходы к определению структуры наноразмерных материалов . Springer Нидерланды, ISBN 978-1-4020-3919-5
Внешние ссылки
- Интервью с Аароном Клагом, лауреатом Нобелевской премии за работу по кристаллографической электронной микроскопии Freeview видео от Vega Science Trust.
- Raunser, S; Вальц, Т. (2009). «Электронная кристаллография как метод изучения структуры мембранных белков в липидной среде». Ежегодный обзор биофизики . 38 (1): 89–105. DOI : 10.1146 / annurev.biophys.050708.133649 . PMID 19416061 .