晶体结构的三维分析需要对晶体进行完整三维观察,像粉末一样小的晶体,边缘小于一微米,只能用电子辐射来分析。利用电子晶体学,从技术上讲是不可能全面观察单晶的。由维也纳大学化学系蒂姆·格鲁恩领导的研究小组对这种微小晶体进行了改造,这样就可以看到全景了,研究成果现发表在《自然通讯》上。通常,晶体学家使用x射线检查样品,然而尺寸对x射线结构分析非常重要:边缘小于50至100微米的晶体太小,无法产生可测量的信号。
电子晶体学是一个相当新的发展,无机化学系成员、x射线结构分析中心主任蒂姆•格鲁恩表示:现在可以证明,可以分析边缘小于1微米的晶体——这包括许多迄今逃脱三维结构测定的晶体。
电子与比x射线强得多的物质相互作用,亚微米大小的晶体在电子辐照下产生特有衍射图像。这些为结构分析提供了数据,然而样品盒阻止了360度的旋转:目前只有一个旋转轴可用,而稳定精密部件所需的金属棒不能被电子穿透。
在任何方向上,只有大约75度旋转是可能的,这给了最多300度的有价值数据,这导致了一个错误的结构分析。和苏黎世联邦理工学院和PSI的同事想出了一个巧妙的方法来解决这个问题。这项研究提出了两种解决这个问题的方法:准备了样品夹以便从各个角度观察晶体,一个样品盒包含数十个晶体,足以完成数据并提供一个不失真的三维视图。一种简单、容易获得的方法是用细刷扰乱载体材料,即超薄碳层。
因此,碳层的各个部分会卷曲起来,就像你触摸触碰我不碰的水果一样。晶体粘附在卷发上,形成随机的方向,可以从非常不同的角度轻松地选择几种不同的晶体。第二种溶液用尼龙纤维覆盖碳载体,地表就像一片被原木杂乱覆盖的森林。这再次导致许多随机取向的晶体时,沉积在样品中。然而,尼龙纤维是通过静电纺丝沉积,这需要额外的设备,而且比用刷子抚摸要复杂一些。这两种测量方法都为晶体提供了完整的三维结构分析数据集。
这种类型的组合数据集在蛋白质晶体学中很常见,但在化学晶体学中就不那么常见了。研究利用了这样一个事实,即数据合并对化合物的作用与对蛋白质的作用类似。在这两种情况下,只需要5颗晶体就可以完成数据。研究没有避免这个问题,而是演示了如何向电子束揭示晶体的隐藏面,这两种解决方案都出奇地简单,不需要太多努力就能实现。
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