清华大学-蛋白质晶体学课件-8

同步辐射X-衍射技术当速度接近光速的带电粒子在磁场中作圆周运动时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。1947年人类在电子同步加速器上首次观测到这种电磁波，并称其为同步辐射，后来又称为同步辐射光源（Synchrotron)。同步辐射最初是作为电子同步加速器的有害物而加以研究的，后来成为一种从红外到硬X-射线范围内有着广泛应用的高性能光源。常用的X射线发生方法同步辐射粒子轨迹(particletrajectory)储存环(storagering)通常有三种类型的磁铁装置：1.bendingmagnet（弯铁）2.Wiggler（扭摆器）3.Undulator（波荡器）来自插入件(theinserteddevices,e.g.wigglerorundulator)的辐射其强度比来自弯铁的辐射更高。同步辐射同步辐射应用于蛋白质晶体学研究时的主要优点1。强度（Intensity）对于X射线衍射来说，同步辐射的最主要优点就是高强度。若使用的是弯铁（abendingmagnet），其强度至少比普通X射线管发生的X射线的强度高两个数量级；若使用的是多极wiggler（multipolewiggler）或undulator，其强度将再提高几个数量级。这种高强度对于非常小的蛋白质晶体非常有利。同步辐射应用于蛋白质晶体学研究时的主要优点2。光束的低发散性（Thelowdivergenceofthebeam），将产生更锐利的衍射斑点，对于具有极端大的单位晶胞的大分子晶体特别有利。同步辐射同步辐射同步辐射应用于蛋白质晶体学研究时的主要优点3。波长的可调谐性（Tunability）可以使用单色器挑选出由于所需要波长的X射线。通常用于多波长反常色散法（Multiplewavelengthanomalousdispersion,MAD）和Laue衍射法（使用“白色”X射线）。某些X射线探测器对短波长的X射线更敏感。此外，使用短波长的X射线可以减少样品的吸收效应和辐射衰减效应。例如，使用波长1Å左右的X射线比1.5Å的波长更有优越性。同步辐射同步辐射应用于蛋白质晶体学研究时的主要优点4。时间分辨（time-resolved）蛋白质晶体学利用Laue法在极短的时间间隔内收集多套相对完整的衍射数据。入射X射线的单色、准直和聚焦MonochromatizationCollimationFocusing上海光源SSRF，能量3.5GeV直线加速器（LINAC）增强器（Booster）储层环（Storagering）线站（Beamline）BL17UX射线的探测记录装置种类计数器（Singlephotoncounter）胶片（Photographicfilm）多丝面探测器（Multiple-wireareadetector）象板探测器（ImagePlate）CCD（ChargedCoupledDevice）X射线的探测－－象板探测器（ImagePlate）象板CrystallinephosphorescentmaterialwithcolorcentersX射线曝光。X射线的光子将材料中的电子激发到高能级。部分能量很快以可见光波段的普通荧光形式发射。但是，还有可观数量的能量会被保留在材料中达数天的时间。实际应用时，使用一种红色激光扫描象板，会发出兰光。红光被过滤掉，兰光被送入光放大器进行信号记录。在一定的预备处理下，所发射的光正比于象板特定位置所接受的X射线光子的数目。用白色光擦除掉象板中残余的画面，使得材料中全部电子回到基态，准备再次使用。激光扫描象板，释放所储存的能量。光放大器记录所发射的光。Thisisthenextgeneration.Itisnoisefree,andcanproduceimagesat10persecond.ThePilatus6MCMOShybrid-pixeltechnologySingle-photon-countingmodeCryocrystallography衍射数据收集与处理圆圆圆2圆晶体至探测器的距离X射线晶体运动的四圆坐标系统晶体运动的四圆坐标系统周转晶体法－小角度回摆晶体记录胶片单色X-rays周转晶体法示意图晶体围绕某个轴旋转Non-IdealConditions:BeamDivergence&CrystalMosaicityAfully-recordedspotisentirelyrecordedononeimagePartialsarerecordedontwoormoreimages“Fine-sliced”datahasspotssampledin3-dimensionsDataCollection•Thethreebasicquestionsincollectingdiffractiondata:–Whethertocollect?–How&whattocollect?–Analyzethedata?•Isthecrystaltwinned?•Howfardoesthecrystaldiffract?•Arethereicerings?•Dopeakshaveadecentspotshapes?•CanIassignaunitcellforthesample?HowdoCrystallographersRankCrystals?Becauseallcurrentdetectorstakeasignificanttimetoreadout,wehavetoclosetheshutter&stoptherotation(simultaneously!),sooursamplingofthe3-dimensionalreciprocalspaceisinconsecutiveslices,typicallyofbetweenabout0.1°and1°Howtocollect?-OscillationRangeHowtocollect?-OscillationRange•ThickvsThin•Thick–RotationMosaicity•Thin–RotationMosaicityImages-ThickvsThin•Fewertotalimages•HigherX-raybackground•Spatialoverlaps•Moresaturation•Highthroughput•Mostfullreflns•2Dintegration•Moretotalimages•LessX-raybackground•Reducedoverlaps•Lesssaturation•Morereadouts•Allpartials•3DintegrationThickThinLuneOverlapUnitCellΔφ=180d/πa-ηa=b=56.022.76–ηc=287.430.54-ηResolution:2.7Howtocollect?–TotalRotationRange