• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Rentgenografia strukturalna

    Przeczytaj także...
    Goniometr – miernik kątów; nazwa stosowana w szczególności w odniesieniu do urządzeń przeznaczonych do mierzenia kątów zawartych pomiędzy ścianami kryształów. Najprostsza odmiana przyrządu to goniometr ręczny, w którym kryształ umieszcza się między szyną stałą a ruchomą, wielkość zaś kąta odczytuje się bezpośrednio na podziałce.Prawo Bragga (także Prawo Wulfa-Braggów, wzór Bragga, warunek Bragga) – zależność wiążąca geometrię kryształu z długością fali padającego promieniowania i kątem, pod którym obserwowane jest interferencyjne maksimum.
    Gaz – stan skupienia materii, w którym ciało fizyczne łatwo zmienia kształt i zajmuje całą dostępną mu przestrzeń. Właściwości te wynikają z własności cząsteczek, które w fazie gazowej mają pełną swobodę ruchu. Wszystkie one cały czas przemieszczają się w przestrzeni zajmowanej przez gaz i nigdy nie zatrzymują się w jednym miejscu. Między cząsteczkami nie występują żadne oddziaływania dalekozasięgowe, a jeśli, to bardzo słabe. Jedyny sposób, w jaki cząsteczki na siebie oddziałują, to zderzenia. Oprócz tego, jeśli gaz jest zamknięty w naczyniu, to jego cząsteczki stale zderzają się ze ściankami tego naczynia, wywierając na nie określone i stałe ciśnienie.

    Rentgenografia strukturalnatechnika analityczna używana w krystalografii i chemii. W krystalografii jest stosowana w celu ustalenia wymiarów i geometrii komórki elementarnej tworzącej daną sieć krystaliczną. W chemii metoda ta umożliwia dokładne ustalenie struktury związków chemicznych tworzących analizowane kryształy.

    Elektryczny moment dipolowy jest to wektorowa wielkość fizyczna charakteryzująca dipol elektryczny. Dipol jest układem dwóch ładunków o tych samych wartościach bezwzględnych, ale przeciwnych znakach. Elektryczny moment dipolowy p dwóch punktowych ładunków o jednakowych wartościach q i przeciwnych znakach jest równy iloczynowi odległości między nimi i wartości ładunku dodatniego:Atom – podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym.

    Zasada działania[]

    Trójwymiarowa struktura mioglobiny, z zaznaczonymi kolorem helisami alfa

    W obu przypadkach metoda ta opiera się na rejestracji obrazów dyfrakcyjnych promieni rentgenowskich, powstających na skutek subtelnych interakcji tego promieniowania z chmurami elektronowymi atomów, tworzących analizowany kryształ. Na podstawie rejestracji obrazów dyfrakcyjnych promieniowania X, przechodzącego przez kryształ pod różnymi kątami, korzystając z prawa Bragga, wyznacza się trójwymiarową mapę gęstości elektronowej w komórce elementarnej kryształu. Dalsza, matematyczna analiza tej mapy umożliwia m.in.:

    Azot (N, łac. nitrogenium) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 7, niemetal z grupy 15 (azotowców) układu okresowego. Stabilnymi izotopami azotu są N i N. Azot w stanie wolnym występuje w postaci dwuatomowej cząsteczki N2. W cząsteczce tej dwa atomy tego pierwiastka są połączone ze sobą wiązaniem potrójnym. Azot jest podstawowym składnikiem powietrza (78,09% objętości), a jego zawartość w litosferze Ziemi wynosi 50 ppm. Wchodzi w skład wielu związków, takich jak: amoniak, kwas azotowy, azotyny oraz wielu ważnych związków organicznych (kwasy nukleinowe, białka, alkaloidy i wiele innych). Azot w fazie stałej występuje w sześciu odmianach alotropowych nazwanych od kolejnych liter greckich (α, β, γ, δ, ε, ζ). Najnowsze badania wykazują prawdopodobne istnienie kolejnych dwóch odmian (η, θ).Max Ferdinand Perutz (ur. 19 maja 1914 w Wiedniu, Austria, zm. 6 lutego 2002 w Cambridge, Anglia) − brytyjski biochemik i krystalograf pochodzenia austriackiego, laureat Nagrody Nobla z dziedziny chemii w roku 1962 za ustalenie struktury przestrzennej hemoglobiny.
  • wyznaczenie pozycji i odległości cząsteczek względem siebie w sieci krystalicznej,
  • wyznaczenie położenia poszczególnych atomów względem siebie,
  • ustalenie kątów i długości wiązań między atomami,
  • ustalenie rozkładu gęstości chmur elektronowych wokół poszczególnych atomów, co umożliwia obliczenie momentu dipolowego wiązań i całych cząsteczek oraz precyzyjne ustalenie natury poszczególnych wiązań,
  • ustalenie konfiguracji absolutnej cząsteczek.
  • Wykonywanie pomiaru[]

    Do wykonania analizy potrzebny jest monokryształ danego związku chemicznego o możliwie jak najbardziej regularnym kształcie i posiadający jak najmniej defektów. Kryształ ten umieszcza się w dyfraktometrze i niekiedy schładza przy pomocy par ciekłego azotu do temperatury rzędu 100 K (przy użyciu par helu nawet do kilku K), aby zmniejszyć niedokładności wynikające z termicznych drgań atomów. Kryształ naświetla się silną, monochromatyczną wiązką promieni X, zmieniając stopniowo kąt jej padania na kryształ (poprzez jego obrót) i rejestrując zmiany w obrazie dyfrakcyjnym po przejściu promieni przez kryształ. Obecnie do rejestracji obrazów dyfrakcyjnych używa się kamer CCD – są to matryce CCD chłodzone ogniwami Peltiera do temperatury ok. -60 °C w celu zmniejszenia szumów termicznych. Elementem kamery jest też odpowiedni scyntylator, który pochłania energię promieniowania X, a następnie emituje światło rejestrowane przez matrycę CCD. W przeszłości dane dyfrakcyjne były rejestrowane za pomocą detektora punktowego lub metodami fotograficznymi.

    Szum termiczny (ang. thermal noise) – zakłócenia wszelkich sygnałów elektrycznych wywoływane zjawiskami termicznymi w ciałach stałych (metalach, półprzewodnikach) i gazach. Za ich powstawanie odpowiada ruch elektronów swobodnych oraz ich oddziaływanie z drgającymi jonami w sieci krystalicznej materiału. Szumy termiczne występują w każdym oporniku niezależnie od technologii wykonania i składu chemicznego.Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub większej liczby elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub większej liczby elektronów z jednego atomu na drugi i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.

    Oprócz próbek monokrystalicznych w rentgenografii strukturalnej bada się także próbki polikrystaliczne (proszki). Do ich badania stosuje się tzw. metodę proszkową – badana próbka jest rozcierana na proszek, a następnie umieszczana w specjalnej kuwecie, mocowanej w uchwycie goniometru dyfraktometru.

    Chemia organiczna – dziedzina chemii zajmująca się badaniem budowy, właściwości oraz reakcji związków chemicznych zawierających węgiel, a także opracowywaniem różnorodnych metod syntezy tych połączeń. Ponadto związki organiczne zawierać mogą atomy innych pierwiastków, takich jak wodór, tlen, azot, fosfor, krzem oraz siarka.Reakcja fotochemiczna – reakcja chemiczna zachodząca pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Reakcję taką może wywoływać zarówno światło widzialne, podczerwień, ultrafiolet, a nawet promieniowanie rentgenowskie i radiowe fale ultrakrótkie.

    Zastosowania[]

    Metoda ta jest podstawowym narzędziem w chemii organicznej, metaloorganicznej i biochemii do ustalania rzeczywistych struktur złożonych związków chemicznych. Metoda ta umożliwiła m.in. wyznaczenie dokładnej struktury mioglobiny przez Maxa Perutza i Johna Cowdery Kendrewa w 1958, za co w roku 1962 otrzymali oni Nagrodę Nobla. Technika ta odegrała też decydującą rolę w ustaleniu struktury podwójnej helisy DNA przez Rosalindę Franklin, Jamesa Watsona i Francisa Cricka.

    Chiralność (gr. χειρ / cheir - ręka) – cecha cząsteczek chemicznych przejawiająca się w tym, że cząsteczka wyjściowa i jej odbicie lustrzane nie są identyczne i, podobnie jak wszystkie inne obiekty chiralne, nie można ich nałożyć na siebie na drodze translacji i obrotu w przestrzeni.Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla przeszkód, które mają dowolną wielkość, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

    Nie można jej stosować dla ustalania struktury cząsteczek w fazie gazowej i ciekłej, która często może być inna od tej, jaką przyjmują te same cząsteczki w fazie krystalicznej.

    Dane strukturalne pochodzące z rentgenografii są gromadzone w specjalnych bazach danych, do których dostęp można uzyskać albo poprzez wysłanie do nich określonej liczby własnych danych lub na zasadach komercyjnych. Do najbardziej znanych tego rodzaju baz zalicza się: Protein Databank (makrocząsteczki), Cambridge Structure Database (związki organiczne i metaloorganiczne) oraz ICSD (związki nieorganiczne).

    Hel (He, łac. helium) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 2, z grupy helowców (gazów szlachetnych) w układzie okresowym. Jest po wodorze drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, jednak na Ziemi występuje wyłącznie w śladowych ilościach (4×10% w górnych warstwach atmosfery).Kelwin – jednostka temperatury w układzie SI równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana K. Definicja ta odnosi się do wody o następującym składzie izotopowym: 0,00015576 mola H na jeden mol H, 0,0003799 mola O na jeden mol O i 0,0020052 mola O na jeden mol O.

    Wady i zalety[]

    Ważną i podstawową zaletą rentgenografii strukturalnej jest fakt, że w przeciwieństwie do wielu innych metod jakościowych i ilościowych stosowanych w chemii próbka zwykle nie ulega zniszczeniu w trakcie badania. Oznacza to, że można ją ponownie wykorzystać do innych badań. Ma to duże znaczenie w badaniu unikatowych materiałów np. archeologicznych, zabytkowych lub medycznych, ale także np. hodowanego długo i pieczołowicie kryształu.

    Helisa alfa – struktura drugorzędowa białka (tak jak i harmonijka beta), stabilizowana przez wiązania wodorowe. Kształtem przypomina cylinder, tworzony przez ciasno, prawoskrętnie skręconą sprężynę. Ściany cylindra tworzy łańcuch polipeptydowy, a łańcuchy boczne (podstawniki) wystają na zewnątrz. Co cztery aminokwasy w łańcuchu polipeptydowym tworzone jest wiązanie wodorowe pomiędzy grupą karboksylową jednego aminokwasu a grupą aminową drugiego. Skok helisy następuje co 0,54 nm.Defekty struktury krystalicznej – niedoskonałości kryształów polegające na punktowym lub warstwowym zerwaniu regularności ich sieci przestrzennej. Defekty występują praktycznie we wszystkich rzeczywistych kryształach. Wynikają one z natury procesu krystalizacji.

    Ogromną zaletą tej metody jest możliwość dokładnego ustalenia struktury chemicznej związków chemicznych z niemal absolutną pewnością, umożliwiającą zbudowanie ich rzeczywistego modelu przestrzennego. Żadna inna metoda analityczna nie daje takiej pewności i zawsze zostawia możliwość różnej interpretacji wyników. Jest to również jedyna metoda pozwalająca bezpośrednio określić absolutną konfigurację cząsteczek chiralnych.

    Choroba popromienna – ogólna nazwa chorobowych zmian ogólnoustrojowych powodowanych przez promieniowanie jonizujące oddziałujące na całe (lub prawie całe) ciało.Dyfraktometr – przyrząd pomiarowy służący do analizy struktury substancji krystalicznych na podstawie ich obrazów dyfrakcyjnych.

    Wadą rentgenografii jest konieczność uzyskania czystego monokryształu analizowanego związku chemicznego o wymiarach liniowych rzędu 0,1–1 mm. W przypadku niektórych związków chemicznych wyhodowanie takiego kryształu jest z wielu względów bardzo trudne, a czasem wręcz niemożliwe. Niektóre kryształy mogą być nietrwałe w temperaturze pokojowej, bądź ulegać rozkładowi pod wpływem promieniowania X, co również stwarza pewne ograniczenia.

    Promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie rtg, promieniowanie X, promienie X) – rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, które jest generowane podczas wyhamowywania elektronów. Długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy nadfioletem i promieniowaniem gamma.Krystalografia (od greckich słów κρύσταλλος krystallos – „lód”, które później zaczęło oznaczać także kryształ górski i inne kryształy, oraz γράφω grapho – „piszę”) – dział nauki zajmujący się opisem, klasyfikacją i badaniem kryształów, krystalitów oraz substancji o strukturze częściowo uporządkowanej. Jej zakres pokrywa się częściowo z mineralogią, fizyką ciała stałego, chemią i materiałoznawstwem.

    Inną wadą rentgenografii jest stosunkowo wysoki koszt i czasochłonność wykonywania takiej analizy. Nowoczesny monokrystaliczny dyfraktometr rentgenowski kosztuje w granicach 100–500 tys. €. Pomiar danych dla przeciętnego związku organicznego lub metaloorganicznego zabiera w zależności od urządzenia od kilku godzin do ok. dwóch tygodni. Analiza otrzymanych danych (rozwiązanie struktury związku), jeśli jego struktura jest w miarę prosta, jest dość szybka, natomiast w przypadku bardzo złożonych struktur, np. kryształów białek, czas ten może wynosić nawet kilka tygodni.

    Francis Harry Compton Crick (ur. 8 czerwca 1916 w Northampton, zm. 28 lipca 2004 w San Diego) – angielski biochemik, genetyk i biolog molekularny, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w roku 1962. Wraz z Jamesem D. Watsonem, Mauricem Wilkinsem i Rosalindą Franklin odkrył strukturę molekularną DNA. Pracownik naukowy Laboratorium Biologii Molekularnej na Uniwersytecie Cambridge, członek Towarzystwa Królewskiego w Londynie.Monokryształ – materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli, półprzewodnika). Monokryształ może zawierać w całej swej objętości niewielką ilość defektów tejże struktury, a jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlać struktury krystalicznej.

    W początkowym okresie rozwoju rentgenografii jej najistotniejszą wadą był sam fakt używania silnego promieniowania X, na które narażone były osoby obsługujące dyfraktometry, co mogło u nich wywoływać chorobę popromienną. Aparaty te wymagały stałej obecności operatora, co wielu z nich przypłaciło życiem (m.in. Rosalind Franklin). Współcześnie jednak aparaty te umieszcza się w obudowach tak skonstruowanych, aby nie przepuszczały promieniowania rentgenowskiego i są one obsługiwane zdalnie za pomocą komputera. Jednym z podstawowych zabezpieczeń nowoczesnego dyfraktometru rentgenowskiego jest zestaw czujników uniemożliwiających rozpoczęcie pomiaru w przypadku, gdy jego obudowa jest otwarta.

    Sir John Cowdery Kendrew (ur. 24 marca 1917, zm. 23 sierpnia 1997) – angielski biochemik, laureat Nagrody Nobla z dziedziny chemii w roku 1962 za badanie struktury białek globularnych (kłębuszkowych).Związki metaloorganiczne – organiczne związki chemiczne zawierające przynajmniej jedno wiązanie kowalencyjne pomiędzy atomem metalu i atomem węgla grupy organicznej. Do związków metaloorganicznych nie zalicza się związków zawierających wyłącznie ligandy nieorganiczne (np. CO i CN), ani związków, w których nie występuje wyraźne wiązanie metal-węgiel. Np. tetraetyloołów Pb(C2H5)4 i dimetylortęć Hg(CH3)2 są związkami metaloorganicznymi, natomiast nie są nimi np. etanolan sodu C2H5ONa (brak wiązania Na-C), hem (zawiera wiązanie Fe-N, a nie Fe-C) i pentakarbonylek żelaza Fe(CO)5 (brak grupy organicznej). Do pierwiastków tworzących związki metaloorganiczne zalicza się oprócz typowych metali, także półmetale i niemetale o niskiej elektroujemności (np. bor, krzem, arsen itp.).

    Bibliografia[]

  • P. Luger: Rentgenografia strukturalna monokryształów. PWN, 1989.




  • w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)

    Warto wiedzieć że... beta

    Ciecz – stan skupienia materii – pośredni między ciałem stałym a gazem, w którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, a łatwo zmienia kształt. Wskutek tego ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, ale w przeciwieństwie do gazu nie rozszerza się, aby wypełnić je całe. Powierzchnia styku cieczy z gazem lub próżnią nazywa się powierzchnią swobodną cieczy.
    Komórka elementarna - w krystalografii - najmniejsza, powtarzalna część struktury kryształu, zawierająca wszystkie rodzaje cząsteczek, jonów i atomów, które tworzą określoną sieć krystaliczną. Komórka elementarna powtarza się we wszystkich trzech kierunkach, tworząc zamknięta sieć przestrzenną, której główną cechą jest symetria. Komórka elementarna ma zawsze kształt równoległościanu.
    Ciało krystaliczne – ciało stałe, w którym cząsteczki (kryształy molekularne), atomy (kryształy kowalencyjne) lub jony (kryształy jonowe) są ułożone w uporządkowany schemat powtarzający się we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych. W objętości ciała cząsteczki zajmują ściśle określone miejsca, zwane węzłami sieci krystalicznej, i mogą jedynie drgać wokół tych położeń.
    Sieć krystaliczna - w mineralogi i krystalografi jest to szczególne ułożenie atomów lub cząsteczek w ciele stałym. Sieć krystaliczna charakteryzuje się uporządkowaniem dalekiego zasięgu oraz symetrią. Najmniejszą, powtarzalną składową sieci krystalicznej jest komórka elementarna. Długości krawędzi komórki i kąty między nimi zawarte są określane mianem stałych sieci krystalicznej. Własności symetrii sieci krystalicznej zawierają się w grupach przestrzennych. Typ sieci krystalicznej w głównej mierze determinuje występowanie różnych własności (np. łupliwość, przeźroczystość).
    Chemia (grec. χημεία – chemeia) – nauka badająca naturę i właściwości substancji, a zwłaszcza przemiany zachodzące pomiędzy nimi. Współcześnie wiadomo, że przemiany substancji wynikają z praw, według których atomy łączą się poprzez wiązania chemiczne w mniej lub bardziej trwałe związki chemiczne, a także praw według których wiązania pękają i tworzą się ponownie prowadząc do przemian jednych związków w drugie co jest nazywane reakcjami chemicznymi. Chemia zajmuje się także rozmaitymi właściwościami substancji wynikającymi bezpośrednio z ich budowy atomowej.
    Kwas deoksyrybonukleinowy (dawn. kwas dezoksyrybonukleinowy; akronim: DNA, z ang. deoxyribonucleic acid) – wielkocząsteczkowy organiczny związek chemiczny należący do kwasów nukleinowych. U eukariontów zlokalizowany jest przede wszystkim w jądrach komórek, u prokariontów bezpośrednio w cytoplazmie, natomiast u wirusów w kapsydach. Pełni rolę nośnika informacji genetycznej organizmów żywych.
    Techniki laboratoryjne to zespoły czynności, które rutynowo wykonuje się w laboratoriach i których opanowanie jest podstawowym warunkiem właściwej pracy eksperymentalnej.

    Reklama