Электронная кристаллография - Electron crystallography

Электронная кристаллография это метод определения расположения атомов в твердых телах с помощью просвечивающий электронный микроскоп (ТЕА).

Сравнение с рентгеновской кристаллографией

Он может дополнять Рентгеновская кристаллография для исследования очень мелких кристаллов (<0,1 мкм), как неорганических, органических, так и белки, Такие как мембранные белки, которые не могут легко образовать большие трехмерные кристаллы требуется для этого процесса. Белковые структуры обычно определяют либо из двумерных кристаллов (листов, либо спирали ), многогранники Такие как вирусные капсиды, или отдельные диспергированные белки. В этих ситуациях можно использовать электроны, тогда как Рентгеновские лучи не может, потому что электроны сильнее взаимодействуют с атомами, чем рентгеновские лучи. Таким образом, рентгеновские лучи будут проходить через тонкий двухмерный кристалл без значительной дифракции, тогда как электроны могут быть использованы 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 фазы в дифракционная картина. Из-за сложности рентгеновского линзы, трудно сформировать изображение кристалла, подвергающегося дифракции, и, следовательно, информация о фазе теряется. К счастью, электронные микроскопы могут разрешить атомную структуру в реальном пространстве и кристаллографическую структурный фактор фазовая информация 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 Клуг был первым, кто осознал, что фазовая информация может быть считана непосредственно из преобразования Фурье изображения электронной микроскопии, которое было сканировано в компьютер, еще в 1968 году. Для этого и его исследований вирусных структур и транспортной РНК, Klug получил Нобелевскую премию по химии в 1982 г.

Радиационный ущерб

Общая проблема рентгеновской кристаллографии и электронной кристаллографии: радиационное повреждение, из-за чего 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. Один из методов, используемых для ограничения радиационного повреждения: электронная криомикроскопия, в котором образцы проходят криофиксация и визуализация происходит в жидкий азот или даже жидкий гелий температуры. Из-за этой проблемы рентгеновская кристаллография оказалась гораздо более успешной в определении структуры белков, которые особенно уязвимы для радиационных повреждений. Радиационные повреждения недавно исследовались с использованием MicroED[2][3] тонких 3D кристаллов в замороженном гидратированном состоянии.

Структуры белков, определенные с помощью электронной кристаллографии

Первая электронно-кристаллографическая структура белка, достигшая атомного разрешения, была бактериородопсин, определяется по Ричард Хендерсон и коллеги в Совет медицинских исследований Лаборатория молекулярной биологии в 1990 г.[4] Однако уже в 1975 году Анвин и Хендерсон определили первую структуру мембранного белка с промежуточным разрешением (7 Ангстрем), впервые показав внутреннюю структуру 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 светоуборочный комплекс,[5] в никотиновый рецептор ацетилхолина,[6] и бактериальный жгутик.[7] Белковая структура с самым высоким разрешением, решенная с помощью электронной кристаллографии 2D кристаллов, - это структура водного канала. аквапорин -0.[8] В 2013 году электронная кристаллография была распространена на 3D-кристаллы с помощью нового метода, названного дифракция электронов на микрокристаллах, или MicroED.[2]

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 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 можно использовать при определении кристаллической структуры.

Применение к неорганическим материалам

Электронные кристаллографические исследования неорганических кристаллов с помощью электронная микроскопия высокого разрешения (HREM) изображения были впервые выполнены Аарон Клуг в 1978 г.[9] и Свеном Ховмёллером с сотрудниками в 1984 году.[10] Изображения ВРЭМ использовались, потому что они позволяют выбрать (с помощью компьютерного программного обеспечения) только очень тонкие области, близкие к краю кристалла, для анализа структуры (см. Также кристаллографическая обработка изображений ). Это очень важно, поскольку в более толстых частях кристалла выходная волновая функция (который несет информацию об интенсивности и положении столбцов спроецированных атомов) больше не имеет линейной связи с спроецированной кристаллической структурой. Более того, изображения ВРЭМ не только меняют свой внешний вид с увеличением толщины кристалла, они также очень чувствительны к выбранной настройке расфокусировка Δf линзы объектива (см. изображения HREM GaN Например). Чтобы справиться с этой сложностью, Майкл О'Киф начал в начале 1970-х годов разработку программного обеспечения для моделирования изображений, которое позволяло понимать 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 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 беспокоит «электрон фаза волны «- фаза волны, движущейся через образец во время экспонирования электронами. Эта волна имеет длину около 0,02-0,03 Ангстрема (в зависимости от ускоряющего напряжения электронного микроскопа). Ее фаза связана с фазой недифрагированного прямой электронный пучок. Кристаллографы, с другой стороны, имеют в виду "кристаллографический структурный фактор фаза ", когда они просто говорят" фаза ". Эта фаза представляет собой фазу стоячих волн потенциала в кристалле (очень похожую на плотность электронов, измеренную в рентгеновской кристаллографии). Каждая из этих волн имеет свою определенную длину волны, называемую d- значение расстояния между так называемыми плоскостями Брэгга с низким / высоким потенциалом. Эти значения d находятся в диапазоне 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, 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 (фактор кристаллографической структуры) фазы li nk 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] 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, максимальная вероятность или (совсем недавно) методом переворота заряда. С другой стороны, рисунки ЭД неорганических кристаллов часто имеют высокое разрешение (= межплоскостные расстояния с высокими Индексы 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 ED был достигнут благодаря введению метода Винсента-Мидгли. техника прецессии для записи электронограмм.[18] Полученные таким образом интенсивности обычно намного ближе к кинематическим, так что могут быть определены даже структуры, которые находятся вне диапазона при обработке обычных (выбранная область) данных дифракции электронов.[19][20]

Кристаллические структуры, определенные с помощью электронной кристаллографии, могут быть проверены на их качество с помощью расчетов из первых принципов в пределах теория функционала плотности (ДПФ). Этот подход был впервые применен для проверки нескольких структур с высоким содержанием металлов, которые были доступны только с помощью HRTEM и ED соответственно.[21][22]

Недавно два очень сложных цеолит структуры были определены с помощью электронной кристаллографии в сочетании с дифракцией рентгеновских лучей на порошке.[23][24] Они более сложные, чем самые сложные структуры цеолитов, определенные с помощью рентгеновской кристаллографии.

Рекомендации

  1. ^ Р. Ховден; 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. Дои:10.1017 / S1431927614014639. PMID  25597865.
  2. ^ а б Nannenga, Brent L; Ши, Дан; Лесли, Эндрю Г. В.; Гонен, Тамир (2014-08-03). «Определение структуры с высоким разрешением путем сбора данных непрерывного вращения в MicroED». Методы природы. 11 (9): 927–930. Дои:10.1038 / nmeth.3043. ISSN  1548-7091. ЧВК  4149488. PMID  25086503.
  3. ^ Хаттне, Йохан; Ши, Дан; Глинн, Калина; Зи, Чи-Те; Галлахер-Джонс, Маркус; Martynowycz, Michael W .; Родригес, Хосе А .; Гонен, Тамир (2018). «Анализ глобального и местного радиационного повреждения в крио-ЭМ». Структура. 26 (5): 759–766.e4. Дои:10.1016 / j.str.2018.03.021. ISSN  0969-2126. ЧВК  6333475. PMID  29706530.
  4. ^ Хендерсон, Р .; Болдуин, J.M .; Ceska, T.A .; Землин, Ф; Beckmann, E .; Даунинг, К. (Июнь 1990 г.). «Модель структуры бактериородопсина на основе электронной криомикроскопии высокого разрешения». Дж Мол Биол. 213 (4): 899–929. Дои:10.1016 / S0022-2836 (05) 80271-2. PMID  2359127.
  5. ^ Кюльбрандт, Вернер; Ван, Да Ненг; Фудзиёси, Ёсинори (февраль 1994 г.). «Атомная модель светоуборочного комплекса растений методом электронной кристаллографии». Природа. 367 (6464): 614–21. Bibcode:1994Натура.367..614K. Дои:10.1038 / 367614a0. PMID  8107845.
  6. ^ Миядзава, Ацуо; Фудзиёси, Ёсинори; Анвин, Найджел (июнь 2003 г.). «Структура и запирающий механизм поры рецептора ацетилхолина». Природа. 423 (6943): 949–55. Bibcode:2003Натура.423..949М. Дои:10.1038 / природа01748. PMID  12827192.
  7. ^ 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:2003Натура.424..643л. Дои:10.1038 / природа01830. PMID  12904785.
  8. ^ 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:2005Натура.438..633Г. Дои:10.1038 / природа04321. ISSN  0028-0836. ЧВК  1350984. PMID  16319884.
  9. ^ Клуг, А (1978/79) Анализ и реконструкция изображений в электронной микроскопии биологических макромолекул Chemica Scripta vol 14, p. 245-256.
  10. ^ Ховмёллер, Свен; Сьегрен, Агнета; Фарранс, Джордж; Сундберг, Маргарета; Мариндер, Бенгт-Олов (1984). «Точное положение атомов по электронной микроскопии». Природа. 311 (5983): 238. Bibcode:1984Натура.311..238H. Дои:10.1038 / 311238a0.
  11. ^ О'Киф, М. А .; Buseck, P.R .; Иидзима, С. (1978). «Расчетные изображения кристаллической структуры для электронной микроскопии высокого разрешения». Природа. 274 (5669): 322. Bibcode:1978Натура.274..322O. Дои:10.1038 / 274322a0.
  12. ^ 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. Дои:10.1002 / (SICI) 1097-0029 (19990801) 46: 3 <202 :: AID-JEMT4> 3.0.CO; 2-8. PMID  10420175.
  13. ^ Б. К. Вайнштейн (1964), Структурный анализ методом электронной дифракции., Pergamon Press Oxford
  14. ^ Д. Л. Дорсет (1995), Структурная электронная кристаллография, Издательство Пленум ISBN  0-306-45049-6
  15. ^ Weirich, TE; Zou, X; Ramlau, R; Саймон, А; Cascarano, GL; Giacovazzo, C; Ховмёллер, С (2000). «Структуры кристаллов нанометрового размера, определенные на основе данных дифракции электронов на выбранной площади». Acta Crystallographica A. 56 (Pt 1): 29–35. Дои:10.1107 / S0108767399009605. PMID  10874414.
  16. ^ Зандберген, Х. В. (1997). "Определение структуры частиц Mg5Si6 в Al методом динамической дифракции электронов". Наука. 277 (5330): 1221–1225. Дои:10.1126 / science.277.5330.1221.
  17. ^ Weirich, Thomas E .; Рамлау, Райнер; Саймон, Арндт; Ховмёллер, Свен; Цзоу, Сяодун (1996). «Кристаллическая структура, определенная с точностью до 0,02 Å с помощью электронной микроскопии». Природа. 382 (6587): 144. Bibcode:1996 Натур.382..144 Вт. Дои:10.1038 / 382144a0.
  18. ^ Прецессионная дифракция электронов
  19. ^ Гемми, М; Zou, X; Hovmöller, S; Мильори, А; Веннстрём, М; 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 (Чт 2): 117–26. Дои:10.1107 / S0108767302022559. PMID  12604849.
  20. ^ Вейрих, Т; Портильо, Дж; Кокс, G; Hibst, H; Николопулос, S (2006). «Ab initio определение каркасной структуры оксида тяжелого металла CsxNb2.54W2.46O14 по данным дифракции электронов при прецессии 100 кВ». Ультрамикроскопия. 106 (3): 164–75. Дои:10.1016 / j.ultramic.2005.07.002. PMID  16137828.
  21. ^ Альбе, К; Weirich, TE (2003). "Структура и стабильность альфа- и бета-Ti2Se. Электронная дифракция в сравнении с расчетами теории функционала плотности". Acta Crystallographica A. 59 (Пт 1): 18–21. Дои:10.1107 / S0108767302018275. PMID  12496457.
  22. ^ Weirich, TE (2004). «Расчеты из первых принципов как инструмент проверки структуры в электронной кристаллографии». Acta Crystallographica A. 60 (Pt 1): 75–81. Bibcode:2004AcCrA..60 ... 75 Вт. Дои:10.1107 / S0108767303025042. PMID  14691330.
  23. ^ 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:2006Натура 444 ... 79Г. Дои:10.1038 / природа05200. PMID  17080087.
  24. ^ Baerlocher, C .; Gramm, F .; Massuger, L .; McCusker, L.B .; 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:2007Научный ... 315.1113Б. Дои:10.1126 / science.1137920. PMID  17322057.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка