معلومة

3.3H: تحليل حيود الأشعة السينية - علم الأحياء

3.3H: تحليل حيود الأشعة السينية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

  • لخص الأساليب المستخدمة في تحليل حيود الأشعة السينية والمساهمات التي قدموها في العلوم

حيود الأشعة السينية (XRD) هو أداة لوصف ترتيب الذرات في البلورات والمسافات بين الوجوه البلورية. تكشف هذه التقنية عن معلومات مفصلة حول التركيب الكيميائي ، وعلم البلورات ، والبنية الدقيقة لجميع أنواع المواد الطبيعية والمصنعة ، وهو أمر أساسي في فهم خصائص المادة قيد الدراسة.

نظرًا لأن العديد من المواد يمكن أن تشكل بلورات - مثل الأملاح والمعادن والمعادن وأشباه الموصلات ، بالإضافة إلى العديد من الجزيئات غير العضوية والعضوية والبيولوجية - فقد كان علم البلورات بالأشعة السينية أساسيًا في تطوير العديد من المجالات العلمية. حددت الطريقة حجم الذرات ، وأطوال وأنواع الروابط الكيميائية ، والاختلافات في المقياس الذري بين المواد المختلفة ، وخاصة المعادن والسبائك. كشفت الطريقة أيضًا عن بنية ووظيفة العديد من الجزيئات البيولوجية ، بما في ذلك الفيتامينات والأدوية والبروتينات والأحماض النووية مثل الحمض النووي.

عادة ما يتم تحليل العينات في شكل بلوري. يحدث حيود الأشعة السينية بسبب التداخل البناء لموجات الأشعة السينية التي تنعكس عن المستويات البلورية الداخلية. يتم تثبيت طبقة رقيقة أو طبقة من المسحوق في مسار الأشعة السينية أحادية اللون. يقيس الكاشف الأشعة السينية من العينة على نطاق من الزوايا. يتكون المسحوق من بلورات صغيرة موجهة بشكل عشوائي. في زوايا معينة من المستشعر ، يكون لمجموعات البلورات الزاوية الصحيحة بحيث يتم إرضاء معادلة Bragg لأحد المستويات البلورية ، مما يؤدي إلى ارتفاع في الأشعة السينية.

يعرض الرسم البياني الناتج شدة الأشعة السينية على 2 ثيتا ، زاوية الكاشف. تتطلب البيانات التي تم إنشاؤها باستخدام هذه التقنية تحليلًا رياضيًا مكثفًا أصبح الآن أسهل من خلال خوارزميات الكمبيوتر المتاحة. يتكون التحليل من فهرسة ، ودمج ، ومراحل التغيرات في كثافة الإلكترون. يبدأ بتحديد الجزيئات باستخدام قاعدة بيانات المركز الدولي للحيود (ICDD). هذه منظمة مكرسة لجمع بيانات حيود المسحوق وتحريرها ونشرها وتوزيعها لتحديد المواد البلورية. يتضمن التحليل الإضافي صقل الهيكل والمرحلة الكمية باستخدام نظام تحليل الهيكل العام (GSAS) ، والذي يؤدي في النهاية إلى تحديد المرحلة غير المتبلورة أو البلورية للمادة ويساعد في بناء نموذجها الذري ثلاثي الأبعاد.

النقاط الرئيسية

  • يستخدم حيود الأشعة السينية حزمًا من الأشعة السينية تستهدف إصابة المادة المتبلورة وتوليد نمط حيود.
  • تخضع البيانات التي تم جمعها باستخدام هذه الطريقة لعملية تحليلية منهجية تستخدم النماذج الرياضية وخوارزميات الكمبيوتر للحصول على نموذج الذرة ثلاثي الأبعاد النهائي للمادة.
  • يحدد تحليل حيود الأشعة السينية التركيب والروابط الكيميائية بين ذرات العينات البلورية أو السائلة أو المسحوقة أو غير المتبلورة.

الشروط الاساسية

  • معادلة براغ: يعطي زوايا تشتت متماسك وغير متماسك من شبكة بلورية.
  • علم البلورات: العلم التجريبي لتحديد ترتيب الذرات في المواد الصلبة.

حيود الأشعة السينية: المعدات والطرق | معادن الطين | تربة

في هذه المقالة سنناقش حول: - 1. مبدأ حيود الأشعة السينية 2. معدات حيود الأشعة السينية 3. التحليل 4. الطرق 5. المزايا.

مبدأ حيود الأشعة السينية:

عندما يُسقط شعاع من الأشعة السينية أحادية اللون بطول موجي A على مادة بلورية بزاوية ، يتم تعزيز الانعراج فقط في اتجاهات محددة ، كما هو موضح في الشكل 3.19 المحدد بواسطة قانون Bragg & # 8217s [Eq. (3.1)].

ادوات حيود الأشعة السينية:

يظهر مطياف XRD في الشكل 3.20. تصطدم الأشعة السينية المتولدة من أنبوب الأشعة السينية بلورة العينة من خلال الموازاة بزاوية. يتم تسجيل الأشعة السينية المنعكسة بزاوية 2 بواسطة كاشف من حيث عدد التهم في الثانية ، وهو ما يتناسب مع شدة الأشعة السينية المنعرجة. يقوم المحرك بتدوير العينة لتغيير زاوية حدوث الأشعة السينية بشكل مستمر ، ويتم تسجيل العدد في الثانية لكل زوايا.

يتم رسم نموذج XRD بالزاوية 2 على المحور السيني ويتم حسابه في الثانية على المحور ص. يتم حساب التباعد بين الذرات (د) باستخدام قانون Bragg & # 8217s [Eq. (3.1)] باستبدال الزاوية 2 المقابلة للقمم المختلفة في نمط XRD. لذلك نحصل على -

حيث n هو ترتيب الانعكاس ، d هو التباعد بين المستويات M1ن1و م2ن2، وهي زاوية حدوث الأشعة السينية.

قيم d التي تم الحصول عليها هي خصائص معادن طينية مختلفة. يمكن أن تعطي كل قمة ثلاثة مسافات d على الأقل تقابل الترتيب الأول (n = 1) ، والثاني (n = 2) ، والثالث (n = 3) ترتيب الانعراج باستخدام المعادل. (3.1).

تحليل حيود الأشعة السينية :

فيما يلي الإجراء البسيط المستخدم في حيود الأشعة السينية:

2. تحديد المسافات d باستخدام قانون Bragg & # 8217s.

3. الحصول على كثافة متكاملة.

4. قارن البيانات مع المعايير المعروفة في ملف JCPDS ، والتي هي للتوجهات العشوائية. هناك أكثر من 50000 JCPDS (اللجنة المشتركة لمعايير انحراف المسحوق التي تم استبدالها بالمركز الدولي لبيانات الانعراج ، ICDF) من بطاقات المواد غير العضوية وتقف JCPDS التي لها أنماط حيود 50000 غير عضوي و 25000 مكون عضوي واحد ، مراحل بلورية.

5. يتم تحليل نمط XRD النموذجي من أجل (أ) موضع الذروة ، (ب) شدة الذروة ، و (ج) عرض الذروة. عرض الذروة هو عرض الذروة بنصف الحد الأقصى للكثافة. ترتبط المناطق الواقعة تحت الذروة بكمية كل مرحلة موجودة في العينة.

طرق حيود الأشعة السينية :

فيما يلي الطرق المختلفة المستخدمة بناءً على مبدأ حيود الأشعة السينية:

يعد دوران البلورة المثالية في حزمة الأشعة السينية إحدى الطرق لتحديد طيف الأشعة السينية باستخدام قانون Bragg & # 8217s. من خلال تدوير بلورة واحدة بكاشف ثابت أو باستخدام كاشف حساس للموضع مع بلورة ثابتة ، يمكننا إجراء تجارب التحليل الطيفي بالأشعة السينية المشابهة لكيفية استخدام محزوز الحيود في مطياف الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة فوق البنفسجية.

مع شعاع حادث متعدد الألوان ، ستلبي العديد من الطائرات حالة Bragg وسيكشف تتبع النمط ثنائي الأبعاد في فيلم فوتوغرافي عن مستويات المنطقة.

3. طريقة الكريستال الدوارة:

للحصول على شعاع أحادي اللون وبلورة واحدة ، قم بتدوير البلورة أثناء تجربة الانعراج لجلب طائرات Bragg إلى محاذاة.

شعاع أحادي اللون ، عينة من الكريستالات. عادة ما يتم ذلك بفيلم مسطح بترتيب الثقب.

5. طريقة مقياس الانحراف:

تشبه طريقة المسحوق ولكنها تستخدم ماسحًا ضوئيًا وشعاعًا خطيًا.

مزايا حيود الأشعة السينية:

حيود الأشعة السينية هو طريقة غير مدمرة وسريعة لتحديد المعادن. تحضير العينة بسيط. حساب التباعد d دقيق. يمكن أيضًا تطبيق الطريقة في الموقع للمواد أحادية البلورة ، ومتعددة البلورات ، والمواد غير المتبلورة. المعايير متاحة لآلاف أنظمة المواد.


أجهزة حيود مسحوق الأشعة السينية (XRD) - كيف تعمل؟

هندسة مقياس حيود الأشعة السينية هي أن العينة تدور في مسار شعاع الأشعة السينية الموازاة بزاوية & # 952 بينما يتم تثبيت كاشف الأشعة السينية على ذراع لتجميع الأشعة السينية المنعرجة وتدويرها بزاوية 2 & # 952. الأداة المستخدمة للحفاظ على الزاوية وتدوير العينة تسمى أ المنقل مقياس الزوايا. بالنسبة لأنماط المسحوق النموذجية ، يتم جمع البيانات في 2 & # 952 من

5 & ​​# 176 إلى 70 & # 176 ، الزوايا المحددة مسبقًا في مسح الأشعة السينية.


تحسين تحليل حيود السليلوز للأشعة السينية باستخدام نمذجة سلسلة فورييه

تتناول هذه الورقة مسألتين أساسيتين في طريقة فك الذروة لتحليل بيانات السليلوز XRD: لا يوجد نموذج قياسي للسليلوز غير المتبلور ووظائف الذروة الشائعة مثل وظائف Gauss و Lorentz و Voigt لا تتناسب مع المظهر الجانبي غير المتبلور جيدًا. يقوم أولاً بفحص تأثيرات طحن الكرة على ثلاثة أنواع من السليلوز وتظهر النتائج أن طحن الكرة يحول جميع العينات إلى مرحلة غير متبلورة للغاية تظهر ملامح حيود الأشعة السينية للمسحوق (XRD) متطابقة تقريبًا. من المفترض أن النظام قصير المدى داخل وحدة الجلوكوز وبين الوحدات المجاورة ينجو من طحن الكرة ويولد ملامح XRD المميزة غير المتبلورة. هذا يتفق جيدًا مع قياسات تباعد السليلوز I وتحليل قليل السكاريد XRD. يتم نمذجة ملف تعريف XRD غير المتبلور باستخدام معادلة سلسلة فورييه حيث يتم تحديد المعاملات باستخدام طريقة المربعات الصغرى غير الخطية. ثم تم اقتراح طريقة جديدة لفك الذروة لتحليل بيانات السليلوز XRD مع وظيفة نموذج فورييه غير المتبلور بالاقتران مع وظائف Voigt القياسية التي تمثل القمم البلورية. كما تم تقييم تأثير طريقة الطرح في الخلفية. ثم تم إجراء تحليل للعديد من عينات السليلوز ومقارنتها بطرق فك الذروة التقليدية مع وظائف تركيب الذروة الشائعة ونهج الطرح في الخلفية. تشير النتائج إلى أن طرق فك الذروة السابقة تبالغ في تقدير تبلور السليلوز.

مجردة الرسم

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


تدمج البيولوجيا الهيكلية تقنيات ومبادئ البيولوجيا الجزيئية والكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية كوسيلة لتوضيح البنية الجزيئية وديناميكيات الجزيئات ذات الصلة بيولوجيًا. أيد التقدم الأخير في الأجهزة تعزيزًا جديدًا في علم الأحياء البنيوي حيث يمكن الآن تحليل الجزيئات البيولوجية المعقدة بسهولة وكفاءة غير مسبوقين. يوفر الهيكل ثلاثي الأبعاد للبروتينات ومجمعات البروتين رؤى كبيرة لقوانين أنشطة الحياة وآلية الأمراض ، وبالتالي يسمح بالتصميم العقلاني للعوامل التشخيصية والعلاجية الجديدة. هناك ثلاث تقنيات بحث رئيسية للبيولوجيا الهيكلية: حيود الأشعة السينية البلورية الأحادية (SC-XRD) ، والرنين المغناطيسي النووي (NMR) والمجهر الإلكتروني (Cryo-EM). ومع ذلك ، لا توجد طريقة "لجميع الأغراض" حيث توفر جميعها مزايا فريدة بالإضافة إلى قيود.

رسم بياني 1. ثلاث تقنيات بحثية رئيسية للبيولوجيا الهيكلية. وفقًا لإحصاءات PDB (https://www.rcsb.org/) ، تم حل أكثر من 120.000 بنية بروتينية بواسطة SC-XRD ، وهو ما يمثل ما يقرب من 90 ٪ من الإجمالي. وهناك حوالي 12000 بنية بروتينية حصل عليها الرنين المغناطيسي النووي. على الرغم من أن العدد الإجمالي لهياكل البروتين التي تم حلها بواسطة Cryo-EM لا يمكن مقارنته مع أول تقنيتين ، إلا أن النمو الهائل للهياكل من هذه التقنية ملحوظ في السنوات الأخيرة.

يستخدم علم البلورات بالأشعة السينية الأشعة السينية لتحديد موقع وترتيب الذرات في البلورة. الطريقة الأكثر كلاسيكية لعلم البلورات بالأشعة السينية هي حيود الأشعة السينية البلورية الأحادية ، حيث تتسبب ذرات الكريستال في شعاع الأشعة السينية الساقط لإنتاج حزم مبعثرة. عندما تهبط الحزم المبعثرة على الكاشف ، تنتج هذه الحزم نمط حيود البقعة. عندما يتم تدوير البلورة تدريجيًا ، يمكن قياس زاوية وشدة هذه الحزم المنعرجة ، ومن ثم يتم إنشاء صورة ثلاثية الأبعاد لكثافة الإلكترون داخل البلورة. بناءً على كثافة الإلكترون هذه ، يمكن تحديد متوسط ​​موضع الذرات في البلورة والروابط الكيميائية والحواجز البلورية ومعلومات مختلفة. بالنسبة لبلورة واحدة ذات نقاء وتجانس وانتظام كافيين ، يمكن لبيانات حيود الأشعة السينية تحديد متوسط ​​زاوية الرابطة الكيميائية وطولها في غضون بضعة أعشار من الدرجة وضمن بضعة آلاف من الألف من أنجستروم ، على التوالي.

الصورة 2. الفيزياء والمبادئ الرياضية لعلم البلورات بالأشعة السينية لحل بنية

تم اقتراح وتطوير تقنية حيود الأشعة السينية البلورية المفردة في عام 1912 ، وأصبحت الأداة الأكثر أهمية وفائدة لتحديد بنية البروتين ، حيث تم تحديد بنية بروتين الميوجلوبين لأول مرة في عام 1958. في الوقت الحاضر ، يوجد أكثر من 140.000 بنية بروتينية. تم إيداعه في بنك بيانات البروتين (https://www.rcsb.org/) ، يتم حل ما يقرب من 90 ٪ منها باستخدام تقنية حيود الأشعة السينية البلورية الأحادية ، مما يشير إلى مزاياها في دراسة بنية بلورات الجزيئات البيولوجية.

يمكن تقسيم عملية تقنية حيود الأشعة السينية البلورية المفردة تقريبًا إلى أربع خطوات. تتمثل الخطوة الأولى في الحصول على بلورات مفردة عالية الجودة من البروتين المستهدف ، وهو ما يسمى تبلور البروتين. عندما يصل محلول البروتين المذاب إلى التشبع الفائق ، فإنه يعزز تراكم البروتين وتكوين النواة. في النهاية ، ترتب جزيئات البروتين الفردية نفسها في سلسلة متكررة من خلايا الوحدة من خلال اعتماد اتجاه موحد. يجب أن تكون البلورات المؤهلة ذات حجم كافٍ (عادة أكبر من 50 ميكرومتر في جميع الأبعاد) والجودة (بنية منتظمة ، بدون تشققات أو توائم). يعد الحصول على بلورات مفردة عالية الجودة هو الخطوة المحددة لحل الهيكل بهذه الطريقة.

بعد الحصول على بلورة واحدة ، يلزم إجراء تجربة حيود. يتم تجميد البلورة في حزمة أشعة سينية مكثفة ، مما ينتج عنه نمط حيود ، يتم تسجيله على أنه بيانات الانعراج (زاوية وكثافة الأشعة السينية المنكسرة). مع تدوير البلورة تدريجيًا ، تختفي الانعكاسات السابقة وتظهر انعكاسات جديدة. يتم تسجيل شدة الانعراج في كل بقعة من كل اتجاه من اتجاه البلورة.

بعد ذلك ، يتم دمج بيانات الحيود التي تم الحصول عليها من نمط الحيود مع طرق مختلفة للتحليل الهيكلي وتجهيز البيانات لتحليل توزيع كثافة الإلكترون في الفضاء ثلاثي الأبعاد داخل خلية الوحدة.

في الخطوة الأخيرة ، بناءً على خريطة كثافة الإلكترون ، يمكن إنتاج نموذج للترتيب الذري في البلورة وصقله.

تين. 3. عملية تقنية حيود الأشعة السينية البلورية الأحادية

قد ينتج عن هذه الطريقة دقة ذرية عالية ولا تقتصر على الوزن الجزيئي للعينة. إنه مناسب للبروتينات القابلة للذوبان في الماء والبروتينات الغشائية وكذلك المجمعات الجزيئية. عندما يتم التلاعب بها بشكل صحيح ، فإنها تصبح أداة قوية لتقديم بيانات هيكلية موثوقة للجزيئات البيولوجية الكبيرة وتحديد موقع وهيكل المركز النشط ، وتساعد على فهم كيفية التعرف على البروتينات وربطها بجزيئات الترابط على المستوى الذري.

ومع ذلك ، فإن طريقة حيود الأشعة السينية البلورية المفردة لها عيوب عديدة. أولاً ، يجب أن تكون العينة قابلة للتبلور ، ولكن قد يكون من الصعب تبلور الجزيئات البيولوجية ذات الوزن الجزيئي الكبير ، خاصة أن بروتينات الغشاء أكثر صعوبة في التبلور بسبب حجمها الكبير وضعف الذوبان. ثانيًا ، يجب الحصول على بلورة مفردة منظمة للسماح بالانحراف المناسب. أخيرًا ، لا يمثل الهيكل ثلاثي الأبعاد الذي تم الحصول عليه للعينة البيولوجية سوى شكل ثابت للجزيء الذي تم اختباره (أحد الاحتمالات العديدة) ، وليس شكلًا ديناميكيًا.

الطريقة الثانية هي الرنين المغناطيسي النووي (NMR). النوى عبارة عن جسيمات مشحونة وسريعة الدوران تشبه الإلكترونات الخارجية. تختلف النسب الجيرومغناطيسية لنوى ذرية مختلفة وبالتالي لها ترددات رنين مختلفة. حركة النواة ليست معزولة - إنها تتفاعل مع الذرات المحيطة داخل الجزيئات وفيما بينها. لذلك ، من خلال التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، يمكن الحصول على المعلومات الهيكلية لجزيء معين. إذا أخذنا البروتين كمثال ، فإن هيكله الثانوي ، مثل α-helix ، و-sheet ، و turn ، و circular ، و curl ، يعكس الترتيب المختلف لذرات السلسلة الرئيسية لجزيئات البروتين ثلاثية الأبعاد. إن التباعد بين النوى الذرية في المجالات الثانوية المختلفة ، والتفاعل بين النوى ، والخصائص الديناميكية لقطاعات البولي ببتيد كلها تعكس بشكل مباشر البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات. تساهم هذه الميزات النووية جميعها في السلوكيات الطيفية للعينة التي تم تحليلها ، وبالتالي توفير إشارات NMR المميزة. يؤدي تفسير هذه الإشارات بالطرق المدعومة بالكمبيوتر إلى فك تشفير البنية ثلاثية الأبعاد.

الشكل 4. تدور نووي

منذ الملاحظة الأولى لإشارات الرنين المغناطيسي النووي المكثف في عام 1946 ، شهدت تقنية الرنين المغناطيسي النووي تطورًا سريعًا لأكثر من 70 عامًا ، وتم توسيع نطاق تطبيقها من مجال الفيزياء مثل تحديد العزم المغناطيسي النووي إلى الكيمياء والطب وعلوم المواد ، علوم الحياة وغيرها الكثير. على وجه الخصوص ، في الثمانينيات ، تم تطبيق تقنية الرنين المغناطيسي النووي في التحليل الهيكلي للبروتين بشكل إبداعي ، وبالتالي تعزيز تطبيق الرنين المغناطيسي النووي في المجال البيولوجي. على الرغم من أن كمية بيانات البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات التي تم الحصول عليها بواسطة تقنية الرنين المغناطيسي النووي لا يمكن مقارنتها مع حيود الأشعة السينية البلورية الأحادية ، فقد لوحظت المزايا الفريدة لتقنية الرنين المغناطيسي النووي على نطاق واسع: الرنين المغناطيسي النووي قادر على توفير المعلومات على أساس حركي ، بحيث يمكن بالتالي حل الحركة الداخلية للبروتينات على نطاقات زمنية متعددة وآلية ربطها بالرابطات.

هناك أربع خطوات رئيسية في تجربة الرنين المغناطيسي النووي: تحضير العينة ، والحصول على البيانات ، والمعالجة الطيفية ، والتحليل الهيكلي. يتم إجراء تحليل الرنين المغناطيسي النووي على عينات مائية من البروتين بنقاوة عالية وثبات عالٍ وتركيز عالٍ. حجم عينة يتراوح من 300 إلى 600 ميكرولتر بنطاق تركيز 0.1-3 ملي مولار. يمكن أن يؤدي استخدام النظائر المستقرة 15N و 13 C و 2 H لوضع العلامات على البروتين إلى زيادة كثافة الإشارة ودقتها بشكل فعال. يمكن أن يؤدي التوسيم الانتقائي لبعض الأحماض الأمينية أو المجموعات الكيميائية للبروتينات إلى تقليل تداخل الإشارات بشكل كبير. تستخدم تجارب NMR متعددة الأبعاد للحصول على معلومات حول البروتين. ثم يتم إجراء المعالجة الطيفية لتحديد ذرات البروتين المقابلة لكل ذروة طيفية على أطياف مختلفة من الرنين المغناطيسي النووي. أخيرًا ، يتم استخدام سلسلة من المعلومات المنظمة مكانيًا مثل ثوابت اقتران NOE و J لحساب البنية المكانية باستخدام طرق الديناميات الهندسية أو الجزيئية.

الشكل 5. عملية الرنين النووي بتقنية الرنين المغناطيسي

الميزة الأكثر أهمية لطريقة الرنين المغناطيسي النووي هي أن التركيب ثلاثي الأبعاد للجزيئات الكبيرة في الحالة الطبيعية يمكن قياسه مباشرة في المحلول ، وقد يوفر الرنين المغناطيسي النووي معلومات فريدة عن الديناميكيات والتفاعلات بين الجزيئات. يمكن أن تكون دقة البنية ثلاثية الأبعاد الجزيئية منخفضة مثل النانومتر الفرعي.

ومع ذلك ، فإن طيف الرنين المغناطيسي النووي للجزيئات الحيوية ذات الوزن الجزيئي الكبير معقد للغاية ويصعب تفسيره ، وبالتالي يحد من تطبيق الرنين المغناطيسي النووي في تحليل الجزيئات الحيوية الكبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب هذه التقنية كميات كبيرة نسبيًا من العينات النقية (بترتيب عدة مجم) لتحقيق إشارة معقولة لمستوى الضوضاء.

الطريقة الثالثة هي تقنية المجهر الإلكتروني بالتبريد (Cryo-EM) ، والتي تتضمن ثلاث طرق مختلفة: تحليل الجسيمات المفردة ، والتصوير المقطعي بالإلكترون ، وتصوير البلورات الإلكتروني. الآلية الأساسية لـ Cryo-EM هي تشتت الإلكترون. يتم وصف المبدأ الأساسي على النحو التالي. يتم تحضير العينات من خلال الحفظ بالتبريد قبل التحليل. تُستخدم الإلكترونات المتماسكة كمصدر للضوء لقياس العينة. بعد أن يمر شعاع الإلكترون عبر العينة وطبقة الجليد القريبة ، يقوم نظام العدسة بتحويل الإشارة المتناثرة إلى صورة مكبرة مسجلة على الكاشف. ويتم إجراء معالجة الإشارات للحصول على البنية ثلاثية الأبعاد للعينة.

تم اكتشاف تقنية إعادة البناء ثلاثية الأبعاد بالمجهر الإلكتروني لأول مرة في عام 1968. أعيد بناء الهيكل ثلاثي الأبعاد لذيل الملتهمة T4 بواسطة صورة مجهرية إلكترونية. ثم تم اقتراح المفهوم العام وطرق إعادة البناء ثلاثي الأبعاد للمجهر الإلكتروني. لتقليل الضرر الإشعاعي ، تم إنشاء المجهر الإلكتروني المبرد في عام 1974. بعد أكثر من 30 عامًا من التطوير ، أصبح Cryo-EM أداة قوية لدراسة بنية الجزيئات البيولوجية الكبيرة. في السنوات الأخيرة ، حققت تقنية Cryo-EM تقدمًا ثوريًا ، لا سيما في تحليل الجسيمات الفردية. منذ عام 2013 ، مع التقدم الهائل في كاشف الإلكترون ومعالجة الصور ، تقدم تحليل الجسيمات المفردة Cryo-EM بسرعة كبيرة لدرجة أن دقة Cryo-EM أصبحت الآن قابلة للمقارنة مع حيود الأشعة السينية البلورية الأحادية. في الوقت الحاضر ، أصبحت Cryo-EM أداة قوية لتحديد البنية عالية الدقة للجزيئات البيولوجية الكبيرة.

قبل استخدام Cryo-EM لمراقبة العينة ، يمكن استخدام التلوين السلبي EM للفحص السريع للعينة المتجانسة. تبدأ تقنية تحليل الجسيمات المفردة Cryo-EM بتزجيج العينة. خلال هذه العملية ، يتم تبريد محلول البروتين على الفور ، بحيث لا تتبلور جزيئات الماء ، مكونة مادة صلبة غير متبلورة. يتم بعد ذلك فحص العينة المجمدة وجمع البيانات في النظام. يمكن التقاط سلسلة من الصور ثنائية الأبعاد خلال هذه الفترة. بعد ذلك ، بناءً على الكثير من الصور ثنائية الأبعاد التي تم الحصول عليها ، يتم إجراء محاذاة الجسيمات وتصنيفها. في النهاية ، تتم معالجة البيانات بواسطة برنامج إعادة الإعمار لإنشاء نموذج هيكلي ثلاثي الأبعاد.

الشكل 6. عملية تقنية تحليل الجسيمات المفردة Cryo-EM

بالمقارنة مع حيود الأشعة السينية البلورية الأحادية ، فإن المعالجة بالتجميد السريع للعينة تحافظ على حالتها الأقرب إلى الحالة الأصلية. علاوة على ذلك ، لا تتطلب هذه الطريقة سوى كمية صغيرة من العينة (حوالي 0.1 مجم) ، ويتم التغاضي عنها بدرجة أكبر في نقاء العينة ، ولا تحتاج إلى تبلور البروتين.

العيب الرئيسي في هذه التقنية هو أن الجسيمات يتم اكتشافها في اتجاهات غير معروفة. المستويات العالية من الضوضاء ، بسبب استخدام جرعات محدودة من الإلكترون لتقليل الضرر الإشعاعي ، خاصة عند الدقة العالية ، تميل إلى تعقيد تحديد هذه الاتجاهات ، وهذا أمر مهم بشكل خاص للجسيمات الأصغر. ومن ثم ، اقتصر تحديد بنية الجزيئات البيولوجية الكبيرة بواسطة Cryo-EM على المجمعات الكبيرة أو النماذج منخفضة الدقة على مدى السنوات القليلة الماضية.

الشكل 7. المجهر الإلكتروني بالتبريد

باختصار ، كل تقنية لها مزاياها الخاصة في تطبيقات معينة مثل أن طريقة واحدة يمكن استخدامها على نطاق واسع في بعض الحالات ولكن نادرًا في حالات أخرى. وبالتالي ، فإن فهم طبيعة التحليل هو المفتاح في اختيار الطريقة. لن يؤدي الاختيار غير المناسب للطريقة إلى نتائج مخترقة فحسب ، بل قد يتسبب أيضًا في تأخيرات كبيرة في المشروع ، ويؤدي إلى خسائر مالية. لمزيد من المعلومات ، يرجى الاطلاع على الجدول 1.


التبلور وتحليل حيود الأشعة السينية لـ SpaE ، وهو بروتين قاعدي من بروتين Lactobacillus rhamnosus GG المتكيف مع الأمعاء

SpaE هي الوحدة الفرعية لبيلين القاعدية المتوقعة في الحبيبات SpaFED المعتمدة على Sortase من Lactobacillus rhamnosus GG المتكيف مع القناة الهضمية. حتى الآن ، ظل التوصيف الهيكلي للبيلينات القاعدية التي ترسيخ جدار الخلية أمرًا صعبًا وقد اقتصر على أمثلة قليلة فقط من الأجناس والأنواع المسببة للأمراض. للحصول على فهم هيكلي إضافي للآليات الجزيئية التي تشارك في تثبيت وتجميع الشعيرات المعتمدة على الفرز في البكتيريا الأقل ضررًا ، تم إنتاج L. rhamnosus GG SpaE للتبلور عن طريق التعبير المؤتلف في الإشريكية القولونية. على الرغم من أن المحاولات العديدة لبلورة بروتين SpaE لم تنجح ، إلا أن البلورات المثلثية التي انحرفت إلى دقة 3.1 تم إنتاجها في النهاية باستخدام PEG 3350 كمرسب وتركيزات عالية من البروتين. أدى التحسين الإضافي بمزيج من الإضافات إلى توليد بلورات SpaE في شكل مقوم معيني انحرف إلى دقة أعلى تبلغ 1.5. لتسريع تحديد الهيكل عن طريق مراحل SAD ، تمت زراعة بلورات SpaE المستبدلة بالسيلينيوم (معيني) وتم جمع بيانات حيود الأشعة السينية بدقة 1.8.

الكلمات الدالة: Lactobacillus rhamnosus GG SpaE التصاق القاعدية مضيف بيلين - تفاعل جرثومي البروبيوتيك المعتمد على الفرز.

الأرقام

تمثيلات تخطيطية للجين ...

التمثيلات التخطيطية للتنظيم الجيني لـ L. rhamnosus GG سبا أوبرون ...

تنقية وتحليل SDS-PAGE لـ ...

تنقية وتحليل SDS-PAGE لـ SpaE. ( أ ) تنقية من خطوتين ...

الطيف المزدوج اللوني الدائري للأشعة فوق البنفسجية البعيدة لـ ...

الطيف المزدوج اللوني الدائري للأشعة فوق البنفسجية البعيدة لـ SpaE.

تبلور SpaE عن طريق انتشار البخار ...

تبلور سبا E بطريقة انتشار البخار. ( أ ) بلورات ثلاثية نمت في ...

أنماط حيود الأشعة السينية لـ SpaE ...

أنماط حيود الأشعة السينية لبلورات سبا إي. ( أ ) تم جمع نمط الحيود من ...


ملخص

Empyrean هي المنصة الوحيدة التي تقوم بكل شيء ، حيث تقدم أفضل جودة للبيانات في كل أنواع العينات. وهي تغطي أكبر مجموعة من تطبيقات حيود وانتثار وتصوير الأشعة السينية في جهاز واحد. علاوة على ذلك ، فإن Empyrean لا يلبي فقط التوقعات العالية للعلماء وخبراء XRD اليوم ، ولكنه سيستمر في القيام بذلك مع تطور الموضوعات البحثية. يعد Empyrean مثاليًا لأغراض التدريس ، وذلك بفضل الأبواب الكبيرة التي تفتح تمامًا ، مما يتيح الوصول إلى النظام للعديد من الأشخاص ولكنه في الوقت نفسه مثالي لإجراء القياسات في بيئات البحث والتطوير المتطلبة في العديد من الصناعات.


علم الأحياء الإنشائي باستخدام الإلكترونات والأشعة السينية

علم الأحياء الإنشائي باستخدام الإلكترونات والأشعة السينية يناقش الحيود والطرق القائمة على الصور المستخدمة لتحديد الجزيئات البيولوجية المعقدة. يركز الكتاب على نظرية تحويل فورييه ، وهي دالة رياضية يتم حسابها لتحويل الإشارات بين الوقت ومجال التردد. يتألف الكتاب من خمسة أجزاء ، ويدرس تطور الرنين المغناطيسي النووي (NMR) ، والذي يسمح بحساب صور بروتين معين. توفر الأجزاء من 1 إلى 4 المعلومات الأساسية وتطبيقات تحويلات فورييه ، بالإضافة إلى الطرق المختلفة المستخدمة في معالجة الصور باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية وتحليل الصور المجهرية الإلكترونية. يركز الجزء الخامس بالكامل على الجانب الرياضي لتحويلات فورييه. بالإضافة إلى ذلك ، يفحص الكتاب التحليلات الهيكلية التفصيلية لتماثل العينة (على سبيل المثال ، البلورات ، الحلزونات ، الفيروسات متعددة السطوح والجسيمات غير المتماثلة).

هذا الكتاب مخصص لعالم الأحياء أو الكيميائي الحيوي المهتم بالطرق والتقنيات المختلفة لحساب صور البروتينات باستخدام الرنين المغناطيسي النووي (NMR). كما أنها مناسبة للقراء الذين ليس لديهم خلفية في الكيمياء الفيزيائية أو الرياضيات.

علم الأحياء الإنشائي باستخدام الإلكترونات والأشعة السينية يناقش الحيود والطرق القائمة على الصور المستخدمة لتحديد الجزيئات البيولوجية المعقدة. يركز الكتاب على نظرية تحويل فورييه ، وهي دالة رياضية يتم حسابها لتحويل الإشارات بين الوقت ومجال التردد. يتألف الكتاب من خمسة أجزاء ، ويدرس تطور الرنين المغناطيسي النووي (NMR) ، والذي يسمح بحساب صور بروتين معين. توفر الأجزاء من 1 إلى 4 المعلومات الأساسية وتطبيقات تحويلات فورييه ، بالإضافة إلى الطرق المختلفة المستخدمة في معالجة الصور باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية وتحليل الصور المجهرية الإلكترونية. يركز الجزء الخامس بالكامل على الجانب الرياضي لتحويلات فورييه. بالإضافة إلى ذلك ، يفحص الكتاب التحليلات الهيكلية التفصيلية لتماثل العينة (على سبيل المثال ، البلورات ، الحلزونات ، الفيروسات متعددة السطوح والجسيمات غير المتماثلة).

هذا الكتاب مخصص لعالم الأحياء أو الكيميائي الحيوي المهتم بالطرق والتقنيات المختلفة لحساب صور البروتينات باستخدام الرنين المغناطيسي النووي (NMR). كما أنها مناسبة للقراء الذين ليس لديهم خلفية في الكيمياء الفيزيائية أو الرياضيات.


3.3H: تحليل حيود الأشعة السينية - علم الأحياء

تقدم هذه الوثيقة مقدمة لأساسيات حيود الأشعة السينية (XRD) ، والتي تستهدف في المقام الأول العلماء والمهندسين الذين ليسوا خبراء في هذا المجال ولكنهم مهتمون باستخدام XRD كأداة. بعد وصف ما يمكن تعلمه من XRD ، وكيف يتم إنشاء أدوات XRD النموذجية ، نتعمق في وصف تحليل البيانات من أجهزة الكشف بالأشعة السينية & quotarea & quot أو & quottwo-dimensional & quot.

قد يحدد الخبراء في هذا المجال استثناءات لبعض العبارات الواردة في هذه الوثيقة ، ولكن تم بذل جهد لتحقيق التوازن الصحيح بين البساطة والدقة.

للحصول على عرض أكثر تعمقًا لنفس الموضوعات ، أنتج Paul Heiney سلسلة من مقاطع الفيديو التعليمية حول تقنيات تشتت الأشعة السينية.

حيود الأشعة السينية (XRD) هو تقنية غير مدمرة لتحليل بنية المواد ، في المقام الأول على المستوى الذري أو الجزيئي. إنه يعمل بشكل أفضل مع المواد البلورية أو المتبلورة جزئيًا (أي التي لها ترتيب هيكلي دوري) ولكنها تستخدم أيضًا لدراسة المواد غير البلورية.

يعتمد XRD على حقيقة أن الأشعة السينية هي شكل من أشكال الضوء ، بأطوال موجية بترتيب نانومتر. عندما تنتشر الأشعة السينية من مادة ذات بنية بمقياس الطول هذا ، يمكن أن يحدث التداخل ، مما يؤدي إلى نمط من الشدة الأعلى والأقل. يشبه هذا نوعًا الأنماط الملونة التي تنتجها فقاعات الصابون ، حيث يتم عرض ألوان مختلفة في اتجاهات مختلفة.

يختلف XRD تمامًا عن التصوير الشعاعي بالأشعة السينية أو التصوير المقطعي. يعتمد التصوير المقطعي على حقيقة أن الأشعة السينية تمتصها بعض المواد بقوة أكبر من غيرها - على سبيل المثال ، تمتص العظام أو الأورام أكثر من العضلات أو الدهون. لذلك ، توفر الصورة المنقولة صورة مباشرة للهيكل داخل الجسم أو الشيء (عادةً بمقاييس طول من المليمتر أو أعلى) ، مما يجعلها أداة لا تقدر بثمن بالنسبة للأطباء. (يستخدم التصوير المقطعي بالأشعة السينية أيضًا على نطاق واسع في مجالات أخرى مثل علم المواد وعلم المعادن.) على النقيض من ذلك ، ينتج XRD نمط حيود لا يشبه المظهر السطحي للبنية الأساسية ، ويوفر معلومات حول البنية الداخلية على مقاييس الطول من 0.1 إلى 100 نانومتر.

في أبسط أشكالها ، يظهر أدناه قياس عام لتشتت الأشعة السينية.
يتم توجيه حزمة من الأشعة السينية نحو عينة ، ويتم قياس شدة التشتت كدالة للاتجاه الخارج. وفقًا للاتفاقية ، تسمى الزاوية بين اتجاهي الحزمة الواردة والصادرة 2 & ثيتا. لأبسط عينة ممكنة ، تتكون من أوراق شحنة مفصولة بمسافة د، التداخل البناء (كثافة مشتتة أكبر) عندما لوحظ قانون براج راضٍ: ن & لامدا = 2 د الخطيئة وثيتا هنا ن هو عدد صحيح (1 ، 2 ، 3 ،.) ، ولامدا هو الطول الموجي لشعاع الأشعة السينية ، وثيتا هو نصف زاوية التشتت 2 وثيتا الموضحة أعلاه.

المواد الحقيقية أكثر تعقيدًا بالطبع ، لكن النتيجة العامة تشير إلى وجود علاقة بين المسافات بين الجسيمات داخل العينة والزوايا التي تكون فيها كثافة التشتت هي الأعلى ، مع مسافات أكبر د المقابلة ل الأصغر زوايا التشتت 2 وثيتا.

تنتج القياسات أحادية البلورة عمومًا معلومات أكثر من تقنيات XRD الأخرى ، ولكنها أيضًا الأكثر صعوبة. إن زراعة بلورات مفردة عالية الجودة أمر صعب في أحسن الأحوال وغالبًا ما يكون مستحيلًا ، ويجب إجراء العديد من القياسات في اتجاهات عينات مختلفة للحصول على المعلومات اللازمة لتحديد علم البلورات الكامل.

يظهر نمط حيود مسحوق من الفضة بوهن (بلورة عضوية ذات طبقات) إلى اليمين. مع مؤامرة خط المقابلة.

  1. كبديل للحيود أحادي البلورة. It is much easier to produce a powder sample than a single crystal. Although valuable information is lost during the "powder averaging" process that turns sharp spots into rings, crystal structures can still be solved with this technique as long as they are relatively small and there is not excessive overlap between the peaks. The method of Rietveld refinement is often used to determine the crystal structure that is most likely to have given rise to the observed pattern. As with single crystal diffraction, the shapes and widths of individual peaks can sometimes be analyzed to determine details of crystallite sizes, as well as microscopic strains and defects.
  2. For phase identification, most often used in mineralogy. Often a mineral or clay sample will consist of a mixture of different crystal phases. The "fingerprint" of a powder diffraction pattern can then be compared to a data base of known patterns to determine which phase or phases are present.

A famous example of this technique was the 1953 determination of the structure of DNA. In that case, growing true single crystals proved to be challenging (and analyzing the data from single crystals was also an unsolved problem at the time), but the additional orientation of the diffraction pattern due to the fiber geometry was enough to deduce the helical form of the DNA molecule.

Fiber diffraction is often used when studying long-chain molecules such as DNA, or columnar structures such as discotic liquid crystals.

In a typical GID measurement, &alphaأنا is held fixed and the intensity is measured as a function of 2&theta. The resultant intensity profile can be analyzed to establish the two-dimensional crystal structure within the plane of the film.

Historically, this technique was primarily used to study relatively large "objects" dispersed in a medium, such proteins dissolved in an aqueous medium, colloidal particles, micelles, or voids in porous media.

  • Production of X-rays : There are a variety of methods for producing a beam of x-rays.
    • X-ray Tube. This is the simplest and oldest approach, and is still occasionally used. A beam of electrons strikes a metallic target and X-rays are emitted. The intensity of the X-ray beam is limited by the heat released into the target by the electron beam.
    • Rotating anode X-ray Generator. This variant of the traditional X-ray tube, which became widely available in the 1970's, addresses the heat loading problem by replacing the fixed target with a rotating cylinder, water-cooled on the inside. Considerably more X-ray intensity is thereby made possible, but there are both literal and figurative costs: the engineering requirements are considerably more stringent, and rotating-anode generators are subject to breakdowns and require frequent maintenance.
    • Microfocus Tube. The most recent solution to the heat loading problem takes a different tack: the electron beam is focused down to a tiny spot (typically 50 &mum or less in diameter), so that the total heat load on the anode is quite small. Microsource tubes started to become available around 2000, and are gradually replacing rotating anode generators.
    • Synchrotron. A synchrotron X-ray source uses a totally different mechanism from the tube sources described above: the radiation emitted from a relativistic beam of electrons (or positrons) accelerated by a magnetic field. The resulting beam is generally many orders of magnitude more intense than that produced by the tabletop sources described above. However, such a beam can be produced only at a large centralized facility, obliging most users to travel substantial distances and plan their usage well in advance. For this reason, tube/rotating anode/microfocus sources, which can be operated at the user's home institution, are best suited for relatively routine measurements, while synchrotron sources are required for experiments requiring extremely high intensity or other specialized conditions. Major synchrotron sources include the Advanced Photon Source and the National Synchrotron Light Source in the US, the European Synchrotron Radiation Facility in France, the Diamond Light Source in Britain, and the Photon Factory in Japan, among others.
    • Slits or pinholes. These form a part of almost every instrument, and act by geometrically restricting the beam. To be effective, they must be constructed from a heavy element such as tungsten. Care must be taken to minimize diffuse ("parasitic") scattering from the edges of the slits which can contribute to the background signal.
    • Crystal monochromator. The most common method for producing a "monochromatic" beam (containing only a narrow spread of wavelengths &lambda) is to insert a high quality single crystal of a material such as silicon or germanium into the beam and separate out only those components of the beam that satisfy Bragg's Law. Conversely, for a beam that is already largely monochromatic, this Bragg reflection from a crystal can be used as a means of collimation. The degree of collimation and spectral selection depend on the perfection of the crystal and also the characteristics of the incoming beam.
    • X-ray Mirror. X-ray mirrors rely on the same effect referred to in our discussion of X-ray reflectivity, namely that a beam which strikes a flat surface at a very low angle can be strongly reflected. X-ray mirrors are typically made of a metal such as gold and are gently curved so as to produce a beam that is focused along a vertical and/or horizontal axis. They also affect the spectral characteristics since shorter wavelengths are reflected much less effectively than long wavelengths.
    • Multilayer Optics. This approach, which is incorporated in many units currently on the market (especially those optimized for small-angle scattering) combines the benefits of a crystal monochromator and an X-ray mirror. A multilayer coating on a curved substrate results in a monochromatic, collimated beam, most often either parallel or slightly convergent focus. The optical unit must be closely coupled with the source, but when done properly this can result in a beam that is simultaneously more intense and better collimated than achievable with previous technologies.
    • فيلم: For most of the 20th century photographic plates or films, generally coupled with some kind of X-ray fluorescent screen, were the dominant method for measuring diffraction patterns. A collimated beam struck the sample, and then the plate was placed behind the sample. This method was easy to deploy, but it was difficult to convert the images to quantitative plots. Photographic plates are still often used in medical X-ray radiography.
    • Scintillation Detector. Starting around the 1970's, film was largely replaced by solid state detectors, especially scintillation detectors that produced an electronic readout of the scattered intensity that could be directly read by a computer. Because scintillation detectors generally measure the scattered intensity at only one angle at a time, some type of collimation is necessary between the sample and the detector, often similar to that found between the source and the detector. Systems employing "point detector" are thus intrinsically somewhat slow, because only one angle is measured at a time, but are usually an improvement over photographic film due to their high sensitivity and easy readout in digital form.
    • 2D Detector. Two-dimensional, or "area" detectors came into increasing use around 1990. A number of different technologies are available, but all of them function essentially as "electronic film": like photographic film, they record the intensity across an entire surface, but the resultant image is directly transmitted to the data-taking computer as an array of intensities. In most cases, the intensity report for each pixel is an integer quantity, and is equal or at least proportional to the number of X-ray photons that struck that pixel in a certain amount of time.
      Area detectors combine many of the advantages of scintillation detectors and film. They are highly sensitive, and can be read out rapidly, but measure the diffraction at many angles simultaneously. The volume of data produced is thus greatly increased a single data frame from an area detector generally occupies at least 1Mb of disk space, and often 10 Mb or more.

    The first step in a diffraction experiment using an area detector is to position the sample in the X-ray beam such that diffracted rays strike the detector and then to expose the sample for a fixed amount of time. The resulting area of intensities (usually photon counts) for each pixel on the detector is then read by the computer, and displayed as a false-color image.

    For quantitative analysis, the (x,y) pixel coordinates must be converted to more useful units. The sketch to the right shows a common way of labeling the angles. A portion of the incident beam generally passes through the sample undeflected--this is called the "primary beam". It is usually necessary to have some kind of beamstop to block this beam from directly striking the detector, but the position where it سيكون hit is well defined. Then, relative to the beam center position, other diffracted rays will be deflected by a scattering angle 2&theta at an azimuthal angle &chi as shown to the right.

    Instead of the scattering angle 2&theta, the amount by which the scattered beam has been deflected is often described by the momentum transfer س:
    س = (4 &pi / &lambda ) sin &theta

    • Single Crystal: For single crystal measurements, the pattern on the detector will consist of a large number of sharp spots. The analysis software must determine the position (2&theta, &chi) of each spot and the total (integrated) intensity within that spot. This measurement is then repeated for many different sample orientations. Detailed analysis (beyond the scope of this article) can then invert this information to determine the atomic positions within the sample.
    • Powder diffraction For powder diffraction the pattern on the detector will consist of a set of concentric sharp rings. In this case the intensity is independent of &chi. For further analysis, the 2D image is reduced to an x-y plot consisting of the intensity per pixel as a function of 2&theta, or س averaged over all values of &chi. Producing a plot of this sort (with the option for export to other applications) is one of the central capabilities of Datasqueeze. The next task is to produce a list of scattering angles and intensities for each peak (overlapping peaks can be a problem). A commonly used approach is to perform a least-squares fit to the pattern, modeling each peak as a Gaussian or similar function together with a smooth background.
    • Solution SAXS For small angle scattering from particles embedded in a liquid or solid matrix, the scattered intensity is again independent of &chi, and again the 2D image is reduced to an x-y plot consisting of the intensity per pixel as a function of 2&theta, or س averaged over all values of &chi. In this case a smooth pattern without sharp peaks is generally observed, but least-squares fits can be used to compare the observed pattern to the functional forms predicted for the size and shape of the individual particles. For example, the intensity predicted for scattering from uniform solid spheres of radius R is the square of the "Rayleigh Function":
      I = (const) | P(Q) | 2
      P(Q) = ( sin ( q R) - Q R cos(Q R) ) / (Q R ) 3
      Datasqueeze incorporates a wide selection of functions used for fitting SAXS data.

    The image to the top right shows the typical geometry for an area detector-based apparatus. We need to accurately map the (x,y) coordinates of a detector pixel to (2&theta,&chi).

    The first parameter that must be established is the exact position on the detector where the primary beam hits (or, would hit if it were not blocked by the beamstop). You might think that visual examination of that region of the measured image would be good enough--for example, one could choose a pixel in the middle of the shadow provided by the beamstop. However, it turns out that this is not good enough for accurate measurements one needs to know the beam center position to within a fraction of one pixel size.

    To interpret a radial distance from the beam center to a particular pixel, we also need a scale factor: the relationship between the width of one pixel and the scattering angle 2&theta. We can get a good approximate idea of this factor if we know the distance between the sample and the detector and the dimensions of each pixel (or, equivalently, the sample:detector position and the dimensions of the entire detector).

    Another issue to consider is the issue that the detector face may not be exactly perpendicular to the primary beam, but be rotated away by some small angle &beta as shown on the figure to the top right. This will have the effect of converting circular Bragg rings into ellipses on the detector.

    One of the best solutions to the accurate determination of these parameters, which is employed by the Datasqueeze calibration wizard, is to use the Bragg rings of a known calibration standard. By using the fact that these rings يجب be centered on the primary beam position, يجب be circular, and يجب appear at known values of 2&theta, it is possible to establish all of the calibration parameters to high accuracy.


    Hendrickson

    Our laboratory studies macromolecular structure with an aim toward in-depth understanding of biological activity. Diffraction analysis is our primary research tool, but we also employ theory and other physical and biochemical methods of analysis. The program emphasizes three broad themes: structural biology of specific systems, methodology development, and biophysical principles of conformation, dynamics and assembly.

    Most of the macromolecules that we have under study relate to one or more of a few main biological subjects: cell surface interactions and signal transduction, immune response interactions, cellular responses to stress, genetic replication and transcription, carbohydrate recognition, and oxygen transport. Others have been chosen as subject for methodology development or for the analysis of general structural principles. Specific crystalline molecules that we are presently studying include the CD4 T-cell co-receptors, T-cell receptors, MHC molecules, superantigens, stem cell factor, fibroblast growth factor, insulin receptor, lymphocyte kinase, HIV envelope glycoprotein, FHIT, myelin Po, N- cadherin, ribonuclease H, carbamyl phosphate synthetase, UmuD, DnaK, streptavidin, and hemocyanin.

    The emphasis in methodology development is on crystallographic phase determination, structure refinement, computational methods, and synchrotron radiation research. Our research in phase determination centers on anomalous scattering -- particularly, on methods for exploiting multiwavelength measurements of anomalous diffraction. Our effort to enhance procedures for stereochemically restrained refinement focuses on an improved treatment of the dynamic characteristics of molecules. A Crystallographic Workbench is being developed for integrated computing. And, with Howard Hughes support, we are developing synchrotron beamlines for macromolecular diffraction studies.

    Throughout our work we seek to gain insight into general principles as well as an understanding of specific processes. This is facilitated by methods that allow us to gain structural information in the greatest possible detail and accuracy. General properties that we are addressing include protein dynamics, conformational heterogeneity, metal binding in proteins, determinants of binding strength and specificity, assembly of protein interfaces, molecular symmetry, and bound water structure.