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单晶X-射线衍射SingleCrystalX-rayDiffraction(SC-XRD)肖康18761684402iamkxiao@njupt.edu.cnSC-XRDX-射线(X-ray)晶体(Singlecrystal)X-ray的衍射(Diffraction)SX-rayX-射线(X-ray)，也叫伦琴射线，1895年由德国物理学家伦琴(W.C.Röntgen)发现。19世纪末20世纪初物理学的三大发现之一(X-射线-1895年、放射线-1896年、电子-1897年)。劳埃(MaxvanLaue,德国)布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg,法国)X-射线晶体结构分析得到发展：无机、有机、生物大分子…首张X-Ray照片X-rayeX-ray封闭式X-光管KLMNX-射线源常用Mo靶和Cu靶常规结构测定，含有重元素、尤其是含有重金属的晶体结构测定通常使用Mo光源蛋白质晶体结构分析/有机物/不含重原子的有机物绝对构型测定/小和弱的衍射体，使用Cu光源Mo靶特征X-射线白色X-射线X-射线源Cu光源的散射强度=6-10倍Mo光源所以60秒Mo光源的数据收集≈10秒Cu光源数据收集Cu光源对测试小或散射弱的晶体有很大的帮助应用方向MoCu无机晶体/有机金属配合物大/超分子绝对构型（有机晶体）高压应用小/衍射弱的晶体蛋白质、生物大分子电子密度强吸收晶体准晶粉末但是...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，常常使用Mo光源来测试这类样品。晶体原子、分子或离子在空间按一定规律周期重复地排列的固体(周期性、长程有序)Bragg公式θθθθd光程差δ=2dsinθ衍射条件：δ=nλ(n=1,2,3…)2dsinθ=nλ(n=1,2,3…)Bragg公式掠射角θ晶面间距dX-Ray波长λθ七大晶系与十四种Bravais晶格立方四方正交六方三方单斜三斜SC-XRDdiagramSolvethestructureSCX-rayDiffractometerchemistryjudgement+12X-raysSinglecrystalDiffractionpatternCollectdata研究对象：一切可以结晶的物质单晶衍射仪的组成测角仪-晶体定位平台检测器(CCD,CMOS)-特殊设计的数码相机-拍摄X射线照片X射线源-产生X射线CCD相机图解BerilliumwindowScintillatorFibre-optictaperCCDPeltiercoolingElectronicsConvertsToGreenlightConvertstoElectronicsignal衍射实验通过数据还原获得衍射点的位置(hkl)和强度(intensity：I)。例如：HKL;I-124;3678-202;235412-4;3496X-rays衍射晶体大小0.5mm在晶体不同的取向上收集一系列的衍射照片数据处理与结构精修结构解析Cycle2:R1=11.28%Cycle3:R1=8.49%Cycle4:R1=7.21%Cycle5:R1=5.73%(finalrefinedstructure)已收到的衍射点：HKL;I-124;3678-202;235412-4;3496SC-XRD能得到什么？小分子蛋白质晶体结构活性位点的形状和化学结构蛋白质的三维结构/折叠120°精确的键长键角数据三维结构分支学科——化学晶体学化学晶体学ChemicalCrystallography确定分子立体结构•确定新的无机和金属有机化合物结构的主要技术•广泛应用于有机物的结构尤其是立体结构的确定•有机物/天然产物/药物分子的绝对构型确定确定分子结构参数•键长+/-0.001Å•键角betterthan0.1度•扭曲角0.1度研究化学键性质理解固体化合物性质•建立构效关系•变温/变压实验理解相变/热膨胀和其他物理性质的分子基础分支学科——生物大分子晶体学生物大分子晶体学MacromolecularCrystallography结构生物学基于结构的药物分子设计•蛋白质分子的三维结构，折叠模式•为药物分子设计提供蛋白质分子的结构模型Protein活性中心结构(构效关系)蛋白质3D结构/三维折叠结构如何收集(好的)衍射数据从挑选“好”的单晶样品开始……单晶培养浓度C当溶液浓度增加达到过饱和状态时，溶质将以固体的形式从溶液中析出固体溶液固体析出涉及两个过程：①形成晶核；②晶核进一步长大；产生大量微晶；微晶易团聚；粉末状；沉淀过程晶体内部易产生缺陷；容易包裹母液；单晶培养条件需要摸索；细心调控条件；具有很强经验性二者速率合适方可单晶培养溶液法从溶液中结晶化合物，是单晶培养最常用方法常用两种形式：1.高温配置饱和溶液，缓慢冷却结晶；2.配置饱和溶液，缓慢蒸发/挥发溶剂结晶；冷却或蒸发/挥发过程要缓慢，以得到完好晶体；器皿尽量干净，减少初期晶核数量；高温结晶较好，可减少与溶剂共晶；溶剂不应蒸发/挥发干，以便滤除未结晶分子及杂质；如若结晶困难，可考虑加少量晶种诱导，或者轻擦容器内壁，以使粗糙，便于成核；避免容易形成无序的溶剂，如氯仿、四氯化碳等单晶培养混合溶液法理论上属于溶液法，但是采用多种溶剂，常用两种溶剂；重结晶纯化操作中常使用1.溶剂选择：一种易溶溶剂，一种难溶溶剂，二者互溶或具有一定溶解度；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产生沉淀，加数滴易溶溶剂至澄清透明；静置缓慢冷却。如果易溶溶剂易挥发，可静置使易溶溶剂缓慢挥发产生晶体。单晶培养界面扩散法晶体化合物由两种反应物反应生成……一种反应物溶于溶剂A中另一种反应物溶于溶剂B中反应物界面处接触，缓慢扩散反应生成晶体溶剂A与溶剂B应当不太互溶；A加入B中时应当缓慢而小心，避免溶液扰动产生沉淀单晶培养蒸汽扩散法混合溶剂法的一个变种，溶剂选择方式同混合溶剂法；比混合溶剂法更适合晶体生长过快的情况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，具有一定挥发性；挥发性BA；可通过控制温度控制B的挥发速率封闭容器B，溶剂B挥发至溶液A中，溶解度缓慢降低生产晶体单晶培养凝胶扩散法界面扩散法的改变形式，可多种方式进行；适合反应物L和M快速反应生成难溶物的情况反应物M与凝胶混合，胶化反应物L的溶液小心倒在凝胶上面；界面处缓慢扩散反应生成晶体凝胶，不含反应物反应物L与反应物M的隔离溶液扩散至凝胶中反应生成晶体单晶培养水热法、溶剂热法高压反应釜适合溶剂中难溶的物质的晶体生长；如分子筛、MOFs高温高压、甚至超临界条件下溶解、结晶反应物及溶剂放于高压反应釜内，密封高压反应釜；反应釜放于烘箱等加热，内部升温升压，反应物及产物溶解，结晶、晶化；缓慢降温注：高压危险！需注意安全！静态法；动态法；单晶培养升华法分解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；挑选晶体块状？片状？针状？…都可以！晶体形状不重要(理论上)单晶Singularity一定要是“单”晶！不能是多晶，避免孪晶。挑选晶体——大小受吸收和光斑大小的限制，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0.2-0.8mm，取决于晶体的组分和光源强度含有金属的化合物或使用铜光源时，晶体可以小些；有机化合物晶体或使用钼光源时，可以大些——外形单一颗粒，表面平整光洁，无缺陷凸多面体通常建议从同一批晶体中选出三颗晶体，通过衍射仪初试实验选出衍射状况最好的样品挑选晶体的一些建议提前准备好您的样品和所需工具等。使用洁净的上样工具，避免污染。尽可能将样品分为多份，以方便多次尝试。选择好适用的油—快速均匀地与晶体混合(低温实验)。尽量使用冷光源照明，以延长晶体挑选时间。请先了解您所用的显微镜的放大倍率和衍射仪的光斑大小，并照此挑选晶体样品。——请记住，常常小晶体的质量会更好。挑选面/角清晰的晶体；避免挑选有裂缝和表面有缺陷的晶体；从簇状或薄片状晶体中分离出单颗晶体(小心处理以免损坏晶体)。将挑选好的晶体转移到合适的上样工具上—尽量少裹油、尽量减少样品转移到衍射仪上的时间、尽量减少在转移过程中对晶体的损坏。对心—确认晶体处于低温气流中，并通过一幅衍射照片来快速评估晶体质量。安装晶体一般用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，可封在胶内低温可降低风化、水解速率蛋白质等可用专用尼龙套Goniometerhead载晶座及调节工具测试——样品对心APEX2全软件控制.Soeasy…流程化操作Stepbystep样品对心简单扫描，粗略、快速评晶体质量测试——定晶胞定晶胞，确定晶胞参数指标化；确定晶系；测试——查看倒易空间倒易空间查看衍射点排布状况单晶衍射点应当是规整的点阵排布测试——收集数据衍射数据收集测试一系列衍射点，用于后续结构解析测试——积分及后处理衍射点数据积分计算各衍射点强度的数据，用于结构解析；吸收校正、确定空间群后可进行结构解析与精细测试分析更多仪器和测试操作将在上机演示中讲解