Sự nhiễu xạ electron và neutron
Các hạt khác, như điện tử và neutron, có thể được sử dụng để tạo ra một mô hình nhiễu xạ. Mặc dù sự tán xạ electron, neutron và tia X dựa trên các quá trình vật lý khác nhau, các mô hình nhiễu xạ kết quả được phân tích bằng các kỹ thuật hình ảnh nhiễu xạ tương tự.
Như được rút ra dưới đây, mật độ electron trong tinh thể và các mẫu nhiễu xạ có liên quan bằng một phương pháp toán học đơn giản, biến đổi Fourier, cho phép tính mật độ tương đối dễ dàng từ các mẫu. Tuy nhiên, điều này chỉ hoạt động nếu sự tán xạ là yếu, nghĩa là, nếu các chùm tán xạ ít hơn cường độ cao hơn chùm tia tới. Các dầm phân tán yếu đi qua phần còn lại của tinh thể mà không trải qua một sự kiện tán xạ thứ hai. Những sóng phân tán như vậy được gọi là “tán xạ thứ cấp” và cản trở việc phân tích. Bất kỳ tinh thể dày đủ sẽ tạo ra tán xạ thứ phát, nhưng vì tia X tương tác tương đối yếu với các điện tử, điều này nói chung không phải là một mối quan tâm đáng kể. Ngược lại, các chùm electron có thể tạo ra sự tán xạ thứ cấp mạnh thậm chí đối với các tinh thể tương đối mỏng (> 100 nm). Vì chiều dày này tương ứng với đường kính của nhiều virut, hướng đi hứa hẹn là sự nhiễu xạ electron của các phân tử vĩ mô bị phân lập, chẳng hạn như capsid virut và các máy phân tử, có thể được thực hiện bằng kính hiển vi điện tử cryo. Hơn nữa, sự tương tác mạnh mẽ của electron với vật chất (gấp 1000 lần so với tia X) cho phép xác định cấu trúc nguyên tử của các thể tích cực nhỏ. Các lĩnh vực ứng dụng cho tinh thể học điện tử bao gồm từ các phân tử sinh học như các protein màng trên các màng mỏng hữu cơ đến các cấu trúc phức tạp của các hợp chất liên kết kim loại (tinh thể nano) và zeolit.
Nhiễu xạ neutron là một phương pháp tuyệt vời để xác định cấu trúc, mặc dù rất khó để có được các tia đơn sắc của tia neutron với cường độ lớn. Theo truyền thống, các lò phản ứng hạt nhân đã được sử dụng, mặc dù các nguồn tạo ra nơtron bằng cách đâm xuống đang ngày càng có sẵn. Không nạp được, các nơtron phân tán dễ dàng hơn từ hạt nhân nguyên tử chứ không phải từ các electron. Do đó, tán xạ neutron rất hữu ích cho việc quan sát các vị trí của các nguyên tử nhẹ với ít điện tử, đặc biệt là hydro, mà về cơ bản là không nhìn thấy trong nhiễu xạ tia X. Sự tán xạ neutron cũng có một đặc tính đáng chú ý là dung môi có thể được làm vô hình bằng cách điều chỉnh tỷ lệ nước bình thường, H2O, và nước nặng, D2O.
Phương pháp
Tổng quan về nhiễu xạ tia X đơn tinh thể
Quy trình làm việc để giải quyết cấu trúc của một phân tử bằng phương pháp tinh thể học tia X.
Phương pháp tinh thể học cổ nhất và chính xác nhất và lâu đời nhất là phép nhiễu xạ tia X đơn tinh thể, trong đó chùm tia X tấn công một tinh thể, tạo ra các chùm phân tán. Khi họ đi trên một miếng phim hoặc máy dò khác, những chùm này tạo ra một mô hình nhiễu xạ các điểm; các điểm mạnh và góc của các chùm này được ghi lại khi tinh thể được xoay vòng dần. Mỗi điểm được gọi là sự phản xạ, vì nó tương ứng với sự phản xạ của tia X từ một bộ máy bay có khoảng cách đều trong tinh thể. Đối với các tinh thể đơn có đủ độ tinh khiết và đều đặn, dữ liệu nhiễu xạ tia X có thể xác định độ dài và góc độ liên kết hóa học trung bình trong vòng vài phần nghìn của angstrom và trong một vài phần mười của một độ tương ứng. Các nguyên tử trong tinh thể không tĩnh, nhưng dao động về vị trí trung bình của chúng, thường bằng ít hơn một phần mười của angstrom. Kết tinh tinh thể tia X cho phép đo kích thước của những dao động này.
Thủ tục
Kỹ thuật tinh thể tinh thể đơn tinh thể có ba bước cơ bản. Bước đầu tiên và thường khó khăn nhất là để có được một tinh thể thích hợp của vật liệu đang nghiên cứu. Các tinh thể nên đủ lớn (thường là lớn hơn 0,1 mm trong tất cả các kích thước), tinh khiết trong sáng tác và thường xuyên trong cấu trúc, không có khiếm khuyết nội bộ đáng kể như vết nứt hoặc kết nghĩa.
Trong bước thứ hai, tinh thể được đặt trong chùm tia X cực mạnh, thường có bước sóng đơn (tia X đơn sắc), tạo ra kiểu phản xạ thông thường. Khi pha lê dần dần được xoay, các phản xạ trước biến mất và những hình mới xuất hiện; cường độ của mỗi điểm được ghi lại ở mọi hướng của tinh thể. Nhiều bộ dữ liệu có thể phải được thu thập, với mỗi bộ bao gồm hơn một nửa vòng quay toàn bộ của tinh thể và thường chứa hàng chục nghìn phản xạ.
Trong bước thứ ba, những dữ liệu này được kết hợp tính toán với thông tin hóa học bổ sung cho sản xuất và hoàn thiện một mô hình của sự sắp xếp của các nguyên tử trong tinh thể. Mô hình tinh chế cuối cùng của sự sắp xếp nguyên tử – bây giờ được gọi là cấu trúc tinh thể – thường được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu công cộng.
Hạn chế
Xem thêm: Độ phân giải (mật độ electron)
Khi đơn vị lặp lại của tinh thể, tế bào đơn vị của nó, trở nên lớn hơn và phức tạp hơn, hình ảnh cấp nguyên tử được cung cấp bởi tinh thể học tia X trở nên kém ổn định hơn (“mờ” hơn) cho một số phản xạ quan sát nhất định. Hai trường hợp hạn chế của kết tinh tinh thể tia X-“phân tử nhỏ” (bao gồm các chất rắn vô cơ liên tục) và “tinh thể phân tử” phân tử thường được phân biệt. Hình học tinh thể phân tử nhỏ thường bao gồm các tinh thể có ít hơn 100 nguyên tử trong đơn vị bất đối xứng của chúng; các cấu trúc tinh thể như vậy thường được giải quyết tốt để các nguyên tử có thể được phân biệt như các “đốm” riêng biệt của mật độ electron. Ngược lại, kết tinh học phân tử đại phân tử thường liên quan đến hàng chục ngàn nguyên tử trong tế bào đơn vị. Những cấu trúc tinh thể như vậy thường ít được giải quyết (“bôi nhọ ra”); các nguyên tử và các liên kết hoá học xuất hiện dưới dạng các ống mật độ điện tử chứ không phải là các nguyên tử cô lập. Nói chung, các phân tử nhỏ cũng dễ dàng kết tinh hơn các đại phân tử; tuy nhiên, kết tinh tinh thể X quang đã chứng minh có thể thậm chí đối với virus với hàng trăm ngàn nguyên tử . Mặc dù chỉ có thể thực hiện tinh thể học bằng tia X nếu mẫu ở dạng tinh thể, nhưng nghiên cứu mới đã được thực hiện để lấy mẫu các mẫu không tinh thể