X射线衍射分析用的蛋白质和核酸晶体的生长及初步研究PPT模板

n=3(M)
n=2(L)
Kα1 Kα2 Kβ1
n=1(K)
Cu 靶X-ray
波长
相应跃迁
λ = (Cu Kα1)=154.056pm 2P3/2
2S1/2 (8.05Kev)
λ = (Cu Kα2)=154.439pm 2P1/2
2S1/2 (8.03Kev)
λ = (Cu Kβ)=139.222pm
§2-1 引言 1、 X-射线的发现
1895年，德国物理学家伦琴 （Röntgen 1845-1923）在研究阴 极射线时，发现了一种新的射线 ——X-ray, 初时因为对它的本质 还不认识,故名X射线.
X射线及其衍射
X射线及其衍射
X射线及其衍射
2. X-ray 的应用 晶体的周期性结构使晶体能对
(c) 通过“对阴极”的金属靶对高速电子实行拦截。
X射线及其衍射
X光机的简单电路图
X射线及其衍射
封闭式X光管的结构图
X射线及其衍射
X-ray 管阴极放出的热电子在高压电场（不同金属 的阳极靶都有其临界电压，超过此电压可产生特征 X-ray，如Cu靶的临界电压为8.981kV，但随着管电 压的加高，特征X-ray 的强度大幅度增强，所以， Cu 的工作电压为 30~40kV）作用下撞到X-ray源的 阳极靶上，大部分动能转化为热（需冷却水），小 部分却会产生连续X-ray。
光程差：Δ=PA-OB= a(cosα-cosα0 )=hλ h=0, ±1, ±2, ….
X射线及其衍射
直线点阵的衍射方向 X射线及其衍射
直线点阵上衍射圆锥的形成
当α0 = 90° 时，Δ=acosα =hλ, h = ± n 的两套圆锥面对称，可得一组双曲线

Symmetry of Crystal
西汉.韩婴. 《韩诗外传》 “凡草木花多五出，雪花独六出”。 南北朝.庚信. “雪花开六出，冰珠映九光” 唐代武将高骈 《对雪诗》：“六出飞花入户时，坐看青竹变琼枝”。 宋代韩琦 《咏雪诗》：“六花耒应腊，望雪一开颜”。 1611德国Kepler.《六面形雪》记述雪晶是六角形，比我国晚一千多年
Solid substances with 3D periodicity
单晶特性
Self-definite (自范性) Homogeneity (均一性) Symmetry (对称性) Anisotropic (向异性) Minimum Inner Energy (低能性) Stability (稳定性)
X-ray射线衍射分析方法 简介
物质的组成鉴定
• 看世界
X-ray射线衍射分析原理
• 电子显微镜
X-ray射线衍射条件
• 固态物质的单晶是衍射必要条件
What is Crystal
地球上的晶态物质比比皆是，矿物中有98% 是晶体.动物的骨骼、毛发中也有结晶组织. 脱离了营养介质的病毒会形成结晶.漫天飞 舞的雪花也是晶体……
为什么雪花是六角形
汉. 刘熙. 宋. 朱熹. 《释名》 “凡花五出，雪花六出，阴之成数也。” 《语类》 “雪花所以必六出者，盖只是霰下被猛风拍开,故成六出 。如人掷一团烂泥于地，泥必缵开，成棱瓣也又六者阴数，太 阴元精石亦六棱，盖天地自然之数。”
1611年德国天文学家开普勒在一本结晶学论著《圣诞节礼物——六方形
实例：如何从石墨层抽取出平面点阵
石墨层
小黑点为平面点阵. 为比较二者关系, 暂以
石墨层作为背景，其实点阵不保留这种背景.

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由上述分析可知，可能产生反射的晶面，其倒易点必落在反射球上。 据此，厄瓦尔德做出了表达晶体各晶面衍射产生必要条件的几何图 解，如图所示。
厄瓦尔德图解
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厄瓦尔德图解步骤为：
1.作OO*=s0； 2.作反射球（以O为圆心、OO*为半径作球）；
实际晶体中，位于阵点上的结构基元若非由一个原子组成，则结构 基元内各原子散射波间相互干涉也可能产生F2=0的现象，此种在 点阵消光的基础上，因结构基元内原子位置不同而进一步产生的附 加消光现象，称为结构消光。
各种布拉菲点阵的F2值可参见有关参考书。
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影响衍射强度的其它因素
相等的原子面组成； ②X射线具有穿透性，可照射到晶体的各个原子面上； ③光源及记录装置至样品的距离比d数量级大得多，故入射线与反射
线均可视为平行光。 布拉格将X射线的“选择反射”解释为： 入射的平行光照射到晶体中各平行原子面上，各原子面各自产生的相
互平行的反射线间的干涉作用导致了“选择反射”的结果。
X射线衍射强度涉及因素较多，问题比较复杂。一般从基元散射， 即一个电子对X射线的（相干）散射强度开始，逐步进行处理。
一个电子的散射强度 原子散射强度 晶胞衍射强度 小晶体散射与衍射积分强度 多晶体衍射积分强度
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X射线衍射强度问题的处理过程
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3.以O*为倒易原点，作晶体的倒易点阵；
4.若倒易点阵与反射球（面）相交，即倒易点落在反射球（面）上 （例如图中之P点），则该倒易点相应之（HKL）面满足衍射矢量方 程；反射球心O与倒易点的连接矢量（如OP）即为该（HKL）面之反

X射线的产生及其与物质的相互作用
•
1、有时候，我们活得累，并非生活过于刻薄，而是我们太容易被外界的氛围所感染，被他人的情绪所左右。
•
2、身材不好就去锻炼，没钱就努力去赚。别把窘境迁怒于别人，唯一可以抱怨的，只是不够努力的自己。
•
3、大概是没有了当初那种毫无顾虑的勇气，才变成现在所谓成熟稳重的样子。
•
8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。
•
9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。
•
10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。
•
11、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。
l
dIx Ix
1 dx
l X射线通过单位厚度（体积）
物质的相对衰减量
m l /
m--质量吸收系数 可反应物质本质的吸收特性
II0emt I0emm
m—单位面积厚度为t的体积中的物质的质量（m= t）
m—X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对衰减量。
m 具有加和性
称为吸收限。 每种物质都有它本身确定的一系列的吸收限。
二、X射线的真吸收
吸收系数突变是由于光电效应消耗大量入射能量引起的
光电效应是指吸收体原子某壳层电子获得入射光量子能
量，从内层溢出而成为自由电子（称光电子），使原子
处于相应激发态

如k激发态
： hνk

wk=
hc λk
，k、k为K吸收限频率和波长
•
1、不是井里没有水，而是你挖的不够深。不是成功来得慢，而是你努力的不够多。

为表示晶面和晶向空间点阵中 的相对位置，人们设计了晶面指数 和晶向指数。较常用的是由英国晶 体学家米勒1839年设计的，故亦称 米勒指数
1、晶面指数 晶面指数确定的方法：
a、量出待定晶面在三个晶轴的截距，并用点阵周期a, b, c度 量它们。 1 2 3 b、取三个截距的倒数 1/1 1/2 1/3 c、把它约简化为最简的整数h, k, l, 并用小括号括起来，就 构成该晶面的晶面指数（h k l）。（632）
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• 14种布拉菲晶胞
法国晶体学 家布拉菲的 研究表明：
按上述三条 原则选取的 晶胞只可能 有14种
称为布拉菲 点阵
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晶系(1)——立方点阵
立方晶系——a=b=c, α=β=γ=90° 有简单、体心和面心三种晶胞
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晶系(2)——四方晶系
四方或正方晶系 a=b≠c, α=β=γ=90° 有简单、体心两种晶胞
重要性越大。
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• 若已知某个晶体的晶体常数a、b、c和α、β、γ，根据解析几何 原理，很容易推导出计算晶面间距的公式。
• 立方晶系
•
• 正方晶系
• 斜方晶系
• 其它晶系晶面间距计算公第式23可页/从共3结4页晶学的参考文献中查得。
• 2．下面是某立方晶系物质的几个晶面，试将它们的面间距从大到小按次序重新排列：（123），（100）， （200），（311），（121），（111），（210），（220），（130），（030），（221）， （110）。
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与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
年份 学科
得奖者
内容
1901 物理 伦琴Wilhelm Conral Rontgen

测量动作：θ－2θ联动
❖位于试样不同部位MNO，处平行于 试样表面的(hkl)晶面可以把各自的反射 线会聚到F点
❖沿测角仪圆移动的计数器只能逐个地 对衍射线进行测量。
❖衍射仪应使试样与计数器转动的角速 度保持1:2的速度比
测角仪要求与 Ｘ射线管的线 焦斑联接使用 ，线焦斑的长 边与测角仪中 心轴平行。
a=ag+0.033x 式中ag0.3573nm。求出a即可求得奥氏体含碳量重量百分数
3.3 外延层和表面膜厚度的测定
在衍射仪法中试样的偏心是要尽力避免的．但是，我们也可 利用它来测量外延层或表面膜的厚度．外延层或表面膜的存在位材底位置偏离了测 角台中心轴一个距离，其值等于外延层厚度．
当我们精确地测出了有外延层与无外延层的衬底某—高角衍射线峰位差
－－各种扫描模式与 应用
一、德拜法及德拜相机
X射线衍射线的空间分布及德拜法成像原理
纯铝多晶体德拜像
确定θ角后由 2dSin
推算产生衍射线的反射面的晶面间距和衍射面
相机是由一个带有盖子的 不透光的金属筒形外壳、试 样架、光阑和承光管等部分 组成。
照相底片紧紧地附在相机 盒内壁。
德拜相机直径为57.3mm或 114.6mm。
根据布拉格方程，测量衍射角度，根据X射 线波长，计算出相应的晶面间的距离，再与该 晶体在正常状态下的晶格常数进行比较，通过 计算，得出晶体在该方向上所受应力。
固溶体分为
填隙式：是指溶质的原子只充填于溶剂晶格原 子间的空隙中间而形成的固溶体，种类不多
置换式：多数是过渡元素原子空隙间包含C、B 、N和H原子等生成的间隙物相。
2 (o)
(1)、外推法 图解外推，解析外推 a~f()(cos2, ctg2, cos ctg) Sin2 a=a0 + a= a0 + b f()

• 任务原理： • 由X-射线管产生的各种波长的X-射线，
经过滤波器〔如镍片等〕得到一定波 长的单色X-射线； • 单色X-射线经过晶体，产生衍射线， 用照相机记录下来，得到衍射图； • 然后，经过对衍射斑点的位置与强度 的测定与计算，并参照化学分析的结 果，就可确定晶体构造。
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根本原理
• 根据晶体中原子反复出现的周期性构造。当X-射线穿过晶体的原 子平面层时，只需原子层的间隔d与入射角的X-射线波长λ、入射 角θ之间的关系能满足布拉格(Bragg)方程式：
• 2d sinθ=nλ( n =±1,±2,±3,…) • 那么反射波可以相互叠加而产生衍射，构成复杂的衍射图谱。
不同物质的晶体构成各自独特的X-射线衍射图。根据记录下来的 衍射图谱，经过复杂的数学处置，可推知晶体中原子的分布和分 子的空间构造。
• X-射线衍射法是测定蛋白质晶体构造的极其重要方法。
• 经过X-射线衍射法〔X-ray diffraction method〕可间接 地研讨蛋白质晶体的空间构造。对晶体构造的研讨将协 助人们从原子的程度上了解物质。
• 虽然，生物大分子X射线晶体学是提示分子构造与功能 的科学。但目前还没有一种工具可以用它直接察看到蛋 白质内部的原子和基团的陈列。
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测定步骤
1. 培育大的、质量好的晶体 2. 进展初步的x射线衍射分析； 3. 重原子衍生物的制备； 4. 衍射数据的丈量和处置； 5. 相位的计算； 6. 电子密度图的计算和解释； 7. 分子模型的修正。
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获得好的晶体是 构造分析中最关键的一步
• 欲获得晶体，蛋白质分子的纯度和均一性(如， 手性的一致性等)是能否获得完好结晶的关键 之一。

穿过一层物质，降低一部分动能，穿透深浅 不同，降低动能不等，所以有各种波长的X射
线。
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二．特征X射线
由阳极金属材料决定，波长确定 产生机理：高速电子将原子内层电子激发， 再由外层电子跃迁至内层，势能下降而产生 的X射线，波长由原子的能级决定。 如CuK1＝1.5405Å
MoK1＝0.7093Å 在X射线衍射分析工作中，利用的是特
征X射线，而连续X射线只能增加衍射谱图的 背底。
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特征X射线的激发原理
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晶体结构
晶体的定义
由原子或分子在三维空间周期排列而成 的固体物质
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一．晶体结构的特征 晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周
1·三斜晶系（triclinic）a≠b≠c,≠≠≠90 2·单斜晶系(monoclinic)a≠b≠c,==90≠ 3·六方晶系(hexagonal)a=b≠c,==90=120 4·三方晶系(rhombohedral or trigonal)a=b=c,==≠90 5·正交晶系(orthorhombic)a≠b≠c,===90 6·四方晶系(tetragonal)a=b≠c,===90 7·立方晶系(cubic)a=b=c,===90
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二．标准卡片 标准卡片由国际粉末衍射标准协会搜
编，称JCPDS卡，至2005年已搜集到无机 物、有机物近10万张卡片，而且还在不断 增补。
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d 1a 1b 1c 1d 7

ppt课件
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☆ 闪烁计数器（SC） 利用X射线的荧光效应。 计数器加800—1400V电压，X射线光子打在闪烁晶体NaI（Tl）
时，产生紫蓝色可见光，激发光敏阴极K，产生光电子，经光电倍增 管放大，形成脉冲电流。其值与X射线光子的能量成正比。
记数效率约为 90%-100%，分辨 时间约为10-1μs ， 在105S-1 记数范围 内不需作记数损失 修正。
CP和反射面法线CNC共面， O′P为此面与胶片的交线，与竖直方 向O′N′的夹角为μ。法线CNC将∠O′CP平分成σ角。σ和μ为 法线相对与胶片的极角和辐角。
μ可由胶片中量出，σ可由 OP＝OCtan2 求出。
O′P：衍射斑P至中心的距离， 可从胶片上量出。
O′C：试样至胶片的距离。
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简单立方
1 2 3 4 5 6
体心立方面心立方2源自3446
220
8
300 221
9
310
10
311
11
222
12
320
13
321
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8
8
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12
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金刚石结构
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六方系：
常用图解法 d HKL
a
4 H2 HK K2 a/c2 L2
取
3
对
lgd HKL
lga
1 2
记录的是衍射图
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Ni-P合金（非晶态结构）的X射线衍射图
ppt课件
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ppt课件
▲ 测角仪
一种衍射测 量装置，是衍 射仪的核心部 件。

结构分析时所采用的就是K系X射线。
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eU=1/2mV2
λmin=hc/eU
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三、X射线与物质的相互作用
➢1.透射。强度减弱，波长不变，方向基本不变； ➢2.吸收。①能量以其他能量形式释放，如光电效应、 俄歇(Auger)效应、荧光效应等。②吸收。类似LB定 律。 ➢3.散射。原子使X射线偏离原来方向。 ①波长不变相干散射-Thomson散射；②有能量交换，波长变长， 非相干散射-Compton散射。
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本章主要内容
➢ 1. X 射线介绍 ➢ 2. X 射线与物质的作用 ➢ 3. X 射线衍射仪器 ➢ 4. X 射线衍射分析方法 ➢ 5. X 射线衍射应用
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一、X-射线的性质
➢ ①肉眼不能观察到，但可使照相底片感光、荧光
板发光和使气体电离； ➢ ②能透过可见光不能透过的物体； ➢ ③这种射线沿直线传播，在电场与磁场中不偏转， 在通过物体时不发生反射、折射现象，通过普通光栅 亦不引起衍射； ➢ ④这种射线对生物有很厉害的生理作用。
穿透能力强，一般条件下不能被反射，几乎完全不发
生折射——X射线的粒子性比可见光显著的多
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二、X-射线的产生
1.产生X-射线的方法：是使快速移动的电子(或 离子)骤然停止其运动，则电子的动能可部分转 变成X光能，即辐射出X-射线。
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*X射线发生器的主要部件
➢ (1)阴极：钨灯，电流3-4A，加速电压5-8KV ➢ (2)阳极靶材：Cu/Mo/Ni等熔点高、导热性好的金属 ➢ (3)Be窗：d=0.2mm，可透过X射线。
X 射
铅 屏
底
线
晶体