单晶X-射线衍射 Single Crystal X-ray Diffraction (SC-XRD) 肖 康 SC-XRD X-ray的衍射 (Diffraction) 晶体 (Single crystal) S? X-射线 (X-ray) X-ray X-射线(X-ray)，也叫伦琴射线年由德国物 理学家伦琴(W. C. R? ntgen)发现。 19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一 (X-射 线年、放射线年)。 劳埃 (Max van Laue, 德国) 布拉格 父子 (W. H. Bragg, W. L. Bragg, 法国) 首张X-Ray相片 X-射线晶体结构剖析得到开展：无机、有机、生物大分子… X-ray e X-ray K L M N 关闭式X-光管 X-射线源 常用Mo靶和Cu靶 Mo靶 特征X-射线 白色X-射线 ? 惯例结构测定，含有重元素、尤其是含有重金属的晶 体结构测定一般运用 Mo光源 ? 蛋白质晶体结构剖析/有机物/不含重原子的有机物肯定 构型测定/小和弱的衍射体，运用Cu光源 X-射线源 ? Cu 光源的散射强度= 6-10 倍Mo光源 ? 所以 60秒Mo光源的数据搜集 ≈ 10秒Cu光源数据搜集 ? Cu光源对测验小或散射弱的晶体有很大的协助 ?可是... ? Cu光源的吸收效应 大于Mo光源 ? 重金属 (Pt, Pb, Hg, Bi 等)将导致强的吸 收效应。所以，常 常运用Mo光源来测 试这类样品。 运用方向 无机晶体/有机金属合作物 大/超分子 肯定构型（有机晶体） 高压运用 小/衍射弱的晶体 蛋白质、生物大分子 ? ? ? Mo ? Cu ? ? 电子密度 强吸收晶体 准晶 粉末 ? ? ? ? ? 晶体 原子、分子或离子在空间按必定规则周期重复地 摆放的固体 (周期性、长程有序) Bragg公式 θ 掠射角 θ 晶面距离 d d θ θ θ θ 光程差 X-Ray波长 λ 衍射条件：δ = nλ (n=1, 2, 3…) δ = 2dsinθ 2dsinθ = nλ (n=1, 2, 3…) Bragg公式 七大晶系与十四种Bravais晶格 立方 四方 正交 三方 六方 单斜 三斜 SC-XRD diagram Single crystal 1 X-rays Collect data Diffraction pattern SC X-ray Diffractometer 2 Solve the structure 研讨目标：全部能够结晶的物质 + chemistry judgement 单晶衍射仪的组成 X射线源-发生X射线 测角仪-晶体定位渠道 检测器(CCD, CMOS) -特别规划的数码 相机 - 拍照X射线相片 CCD相机图解 Converts To Green light Berillium window Scintillator Fibre-optic taper CCD Peltier cooling Converts to Electronics Electronic signal 衍射试验 在晶体不同的取向上搜集一系列的衍射相片 经过数据复原取得衍射点的方位(hkl)和强度 (intensity ：I) 。例如： H K L ; I -1 2 4 ; 3678 -2 0 2 ; 2354 1 2 -4 ; 3496 衍射 X-rays 晶体巨细0.5 mm 数据处理与结构精修 已收到的衍射点： H K L ; I -1 2 4 ; 3678 -2 0 2 ; 2354 1 2 -4 ; 3496 结构解析 Cycle 2 : R1 = 11.28% Cycle 3 : R1 = 8.49% Cycle 4 : R1 = 7.21% Cycle 5 : R1 = 5.73% (final refined structure) SC-XRD能得到什么？ 小分子 三维结构 活性位点的形 状和化学结构 准确的键长 120° 键角数据 蛋白质的三维结构/ 折叠 蛋白质晶体结构 分支学科——化学晶体学 化学晶体学 Chemical Crystallography ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 承认分子立体结构 承认新的无机和金属有机化合物结构的首要技能 广泛运用于有机物的结构尤其是立体结构的承认 有机物/天然产品/药物分子的肯定构型承认 承认分子结构参数 键长 +/- 0.001 ? 键角 better than 0.1 度 歪曲角 0.1 度 研讨化学键性质 了解固体化合物性质 树立构效联系 变温/变压试验了解相变/热膨胀和其他物理性质的分子根底 分支学科——生物大分子晶体学 生物大分子晶体学 Macromolecular Crystallography ? 结构生物学 ? 根据结构的药物分子规划 ? 蛋白质分子的三维结构，折叠模 式 ? 为药物分子规划供给蛋白质分子 的结构模型 活性中心结构 (构效联系) 蛋白质3D结构/ 三维折叠结构 Protein 怎么搜集(好的)衍射数据 从选择“好”的单晶样品开端…… 单晶培育 当溶液浓度添加到达 过饱和情况时，溶质 将以固体的方法从溶 液中分出 固体分出触及两个进程： ① 构成晶核； ② 晶核进一步长大； 二者速率适宜方可 浓度 C 固体溶液 发生很多微晶； 微晶易聚会； 粉末状； 沉积进程 晶体内部易发生缺点； 简略包裹母液； 单晶培育条件 需求探索； 仔细调控条件； 具有很强经验性 单晶培育 ? 溶液法 从溶液中结晶化合物，是单晶培育最常用办法 常用两种方法： 1. 高温装备饱和溶液，缓慢冷却结晶； 2. 装备饱和溶液，缓慢蒸腾/蒸腾溶剂结晶； ? ? ? ? ? 冷却或蒸腾/蒸腾进程要缓慢，以得到无缺晶体； 器皿尽量洁净，削减初期晶核数量； 高温结晶较好，可削减与溶剂共晶； 溶剂不该蒸腾/蒸腾干，以便滤除未结晶分子及杂质； 如若结晶困难，可考虑加少数晶种诱导，或许轻擦容器 内壁，以使粗糙，便于成核； ? 防止简略构成无序的溶剂，如氯仿、四氯化碳等 单晶培育 ? 混合溶液法 理论上归于溶液法，可是选用多种溶剂，常用两种溶剂； 重结晶纯化操作中常运用 1. 溶剂选择：一种易溶溶剂，一种难溶溶剂，二者互溶或 具有必定溶解度； 2. 操作：化合物高温溶于易溶溶剂中，缓慢滴加难溶溶剂 至刚发生沉积，加数滴易溶溶剂至弄清通明；静置缓慢 冷却。假如易溶溶剂易蒸腾，可静置使易溶溶剂缓慢挥 发发生晶体。 单晶培育 ? 界面分散法 晶体化合物由两种反响物反响生成…… 一种反响物溶 于溶剂 A 中 反响物界面处接 触，缓慢分散反 应生成晶体 溶剂 A 与溶剂 B 应当不太互溶； A 参加 B 中时应 当缓慢而当心， 防止溶液扰动产 生沉积 另一种反响物溶 于溶剂 B 中 单晶培育 ? 蒸汽分散法 混合溶剂法的一个变种，溶剂选择方法同混合溶剂法； 比混合溶剂法更适宜晶体生长过快的情况 关闭容器 B，溶剂 B 蒸腾至溶液 A 中， 溶解度缓慢下降出产晶体 待结晶物溶于易 溶溶剂 A 中 溶液 A 敞口与溶 剂B中 难溶溶剂 B，具 有必定蒸腾性； 蒸腾性 B A； 可经过操控温度 操控 B 的蒸腾速 率 单晶培育 ? 凝胶分散法 界面分散法的改动方法，可多种方法进行； 适宜反响物 L 和 M 快速反响生成难溶物的情况 反响物 L 的溶 液当心倒在凝 胶上面； 界面处缓慢扩 散反响生成晶 体 反响物 L 与反响物 M 的阻隔溶 液分散至凝胶中反响生成晶体 反响物 M 与凝 胶混合，胶化 凝胶，不含反响物 单晶培育 ? 水热法、溶剂热法 适宜溶剂中难溶的物质的晶体生长；如分子筛、MOFs 高温高压、乃至超临界条件下溶解、结晶 反响物及溶剂放于高压反响釜 内，密封高压反响釜； 反响釜放于烘箱等加热，内部 升温升压，反响物及产品溶解， 结晶、晶化； 缓慢降温 静态法； 动态法； 高压反响釜 注：高压风险！需注意安全！ 单晶培育 ? 提高法 分化温度以下具有较大蒸汽压得固体均可；如 碘 晶体质量较好，但适用范围小，不常用； 选择晶体 块状？片状？针状？… 都能够！ 晶体形状不重要(理论上) 单晶 Singularity 必定要是“单”晶！ 不能是多晶，防止孪晶。 选择晶体 ——巨细 ? 受吸收和光斑巨细的约束，以及晶体 内部完整性，不是越大越好 ? 晶体不大于准直器直径，一般0.2-0.8 mm，取决于晶体的组分和光源强度 ? 含有金属的化合物或运用铜光源时， 晶体能够小些；有机化合物晶体或使 用钼光源时，能够大些 ——外形 ? 单一颗粒，外表平坦光亮，无缺点 ? 凸多面体 ? 一般主张从同一批晶体中选出三颗晶 体，经过衍射仪初试试验选出衍射状 况最好的样品 选择晶体的一些主张 ? 提早准备好您的样品和所需东西等。 ? 运用洁净的上样东西，防止污染。 ? 尽可能将样品分为多份，以便利屡次测验。 ? 选择好适用的油—快速均匀地与晶体混合(低温试验)。 ? 尽量运用冷光源照明，以延伸晶体选择时刻。 ? 请先了解您所用的显微镜的扩大倍率和衍射仪的光斑巨细，并照此选择晶 体样品。 ——请记住，常常小晶体的质量会更好。 ? 选择面/角明晰的晶体；防止选择有裂缝和外表有缺点的晶体；从簇状或 薄片状晶体中别离出单颗晶体(当心处理避免损坏晶体)。 ? 将选择好的晶体搬运到适宜的上样东西上—尽量少裹油、尽量削减样品转 移到衍射仪上的时刻、尽量削减在搬运进程中对晶体的损坏。 ? 对心—承认晶体处于低温气流中，并经过一幅衍射相片来快速评价晶体质 量。 装置晶体 ?一般用AB胶粘在玻璃毛细管顶端 ?对很小晶体，可装入毛管内 ?易风化、水解、氧化的晶体，可 封在胶内 ?低温可下降风化、水解速率 ? 蛋白质等可用专用尼龙套 Goniometer head 载晶座 及调理东西 测验——样品对心 APEX2 全软件操控. So easy… 流程化操作 Step by step 样品对心 简略扫描，大略、快速评晶体质量 测验——定晶胞 定晶胞，承认晶胞参数 指标化； 承认晶系； 测验——检查倒易空间 倒易空间检查衍射点排布情况 单晶衍射点应当是规整的点阵排布 测验——搜集数据 衍射数据搜集 测验一系列衍射点，用于后续结构解析 测验——积分及后处理 衍射点数据积分 核算各衍射点强度的数据，用于结构解析； 吸收校对、承认空间群后可进行结构解析与精密 测验剖析 更多仪器和测验操作将在上机演示中解说