生物物理技術(shù)

1、X X射線(xiàn)衍射技術(shù)射線(xiàn)衍射技術(shù) X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)是起源于對(duì)陰極射線(xiàn)的研究。 倫琴也對(duì)陰極射線(xiàn)感興趣，一個(gè)偶然事件吸引了他的注意 發(fā)現(xiàn)了一種穿透能力很強(qiáng)的射線(xiàn)X射線(xiàn)（倫琴射線(xiàn)）W.K.Rontgen(1845-1923)德國(guó)維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)，是一個(gè)治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，造詣很深的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，由于發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)，第一個(gè)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1901年)X射線(xiàn)發(fā)現(xiàn)射線(xiàn)發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)性質(zhì) 是一種穿透能力很強(qiáng)的射線(xiàn) 1912年勞厄等人（晶體衍射）確定是電磁波 波長(zhǎng)范圍 0.001-50nm 量子理論 -由光子組成的粒子流 E=hv=hc/ X射線(xiàn)技術(shù)經(jīng)百年的發(fā)展，不僅對(duì)其本質(zhì)和性質(zhì)有了深入的了解，而且在科研，生產(chǎn)方面有著廣泛的應(yīng)

2、用。例如：在物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物、醫(yī)學(xué)、天文、材料、工程等。與X射線(xiàn)及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單 年 份學(xué) 科得獎(jiǎng)?wù)邇?nèi) 容1901物理倫琴Wilhelm Conral RontgenX射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)1914物理勞埃Max von Laue晶體的X射線(xiàn)衍射亨利.布拉格Henry Bragg勞倫斯.布拉格Lawrence Bragg.1917物理巴克拉Charles Glover Barkla元素的特征X射線(xiàn)1924物理卡爾.西格班Karl Manne Georg SiegbahnX射線(xiàn)光譜學(xué)戴維森Clinton Joseph Davisson湯姆孫George Paget Thomson

3、1954化學(xué)鮑林Linus Carl Panling化學(xué)鍵的本質(zhì)肯德魯John Charles Kendrew帕魯茲M(mǎn)ax Ferdinand Perutz1962生理醫(yī)學(xué)Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins脫氧核糖核酸DNA測(cè)定1964化學(xué)Dorothy Crowfoot Hodgkin青霉素、B12生物晶體測(cè)定霍普特曼Herbert Hauptman卡爾Jerome Karle魯斯卡E.Ruska電子顯微鏡賓尼希G.Binnig掃描隧道顯微鏡羅雷爾H.Rohrer布羅克豪斯 B.N.Brockhouse中子譜學(xué)沙爾 C.G

4、.Shull中子衍射直接法解析結(jié)構(gòu)1915物理晶體結(jié)構(gòu)的X射線(xiàn)分析1937物理電子衍射1986物理1994物理1962化學(xué)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)測(cè)定1985化學(xué)X射線(xiàn)源X射線(xiàn)管同步輻射 電子同步加速器產(chǎn)生的，高速電子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)發(fā)出的電磁輻射特點(diǎn)： 1、方向性強(qiáng) 2、廣闊平滑連續(xù)譜 3、高強(qiáng)度高亮度 4、偏振 5、高穩(wěn)定 6、脈沖寬度小 高速電子打在靶上，產(chǎn)生X射線(xiàn)和熱量X射線(xiàn)譜標(biāo)識(shí)光譜連續(xù)光譜來(lái)源于電子轟擊陽(yáng)極時(shí)的軔致輻射， X射線(xiàn)管的管壓低時(shí)發(fā)出連續(xù)光譜 原子內(nèi)層次電子躍遷發(fā)出的輻射，與靶材有關(guān)，X射線(xiàn)管的管壓超過(guò)靶的某一激發(fā)電位時(shí)才有標(biāo)識(shí)光譜6X射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用 X射線(xiàn)與

5、物質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各種射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各種不同的復(fù)雜過(guò)程，從能量轉(zhuǎn)換來(lái)看，一束不同的復(fù)雜過(guò)程，從能量轉(zhuǎn)換來(lái)看，一束X射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)時(shí)，它的能量可分為三部射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)時(shí)，它的能量可分為三部分：分：l散射：相干散射，非相干散射；散射：相干散射，非相干散射；l吸收：熒光吸收：熒光X射線(xiàn)，光電子和俄歇電子；射線(xiàn)，光電子和俄歇電子；l透過(guò)。透過(guò)。 X射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用入射入射X射線(xiàn)射線(xiàn)強(qiáng)度強(qiáng)度I0散射散射X射線(xiàn)射線(xiàn)相干相干非相干非相干電子電子反沖電子反沖電子俄歇電子俄歇電子光電子光電子熒光熒光X射線(xiàn)射線(xiàn)光電效應(yīng)光電效應(yīng)俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)X熱能熱能透射透射X射線(xiàn)射線(xiàn)I=I

6、0e- X7X射線(xiàn)的散射射線(xiàn)的散射相干散射相干散射n 定義：入射的X射線(xiàn)光子與原子中受束縛較緊的電子相碰撞而彈射，光子的方向改變了，但能量幾乎沒(méi)有損失，于是產(chǎn)生了波長(zhǎng)不變的相干散射。機(jī)理：機(jī)理：原子中的電子在入射原子中的電子在入射X射線(xiàn)電場(chǎng)力的作用下產(chǎn)生與入射射線(xiàn)電場(chǎng)力的作用下產(chǎn)生與入射波頻率相同的波頻率相同的受迫振動(dòng)受迫振動(dòng)，于是這樣的受迫振動(dòng)的電子便成為一，于是這樣的受迫振動(dòng)的電子便成為一個(gè)新的電磁波源，向四周輻射與入射個(gè)新的電磁波源，向四周輻射與入射X射線(xiàn)的射線(xiàn)的頻率（波長(zhǎng)）相頻率（波長(zhǎng)）相同同的電磁波，并且彼此之間有確定的相位關(guān)系。由于散射線(xiàn)與的電磁波，并且彼此之間有確定的相位關(guān)系。由

7、于散射線(xiàn)與入射線(xiàn)的波長(zhǎng)和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波入射線(xiàn)的波長(zhǎng)和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱(chēng)為相干散射，符合相干條件，故稱(chēng)為相干散射，也稱(chēng)也稱(chēng)經(jīng)典散射或湯姆遜散射經(jīng)典散射或湯姆遜散射。相干散射是相干散射是X射線(xiàn)在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。射線(xiàn)在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。原子核的散原子核的散射作用是微不足道的，因?yàn)樯⑸洳◤?qiáng)度與帶電粒子的質(zhì)量平方射作用是微不足道的，因?yàn)樯⑸洳◤?qiáng)度與帶電粒子的質(zhì)量平方成反比。成反比。8X射線(xiàn)的散射射線(xiàn)的散射非相干散射非相干散射n 當(dāng)X射線(xiàn)與束縛較小的外層電子或自由電子作用時(shí)，X射線(xiàn)光子將一部分能量傳給電子，使之脫離原有的原

8、子而成為反沖電子。同時(shí)光子本身也改變了傳播方向，發(fā)生散射，且能量減小，即散射X射線(xiàn)的波長(zhǎng)變長(zhǎng)了。9X射線(xiàn)的吸收射線(xiàn)的吸收光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng)當(dāng)用當(dāng)用X射線(xiàn)轟射線(xiàn)轟擊物質(zhì)時(shí)擊物質(zhì)時(shí) ，若，若X射線(xiàn)的能量射線(xiàn)的能量大于物質(zhì)原子對(duì)其內(nèi)層電子大于物質(zhì)原子對(duì)其內(nèi)層電子的束縛力時(shí)，入射的束縛力時(shí)，入射X射線(xiàn)光射線(xiàn)光子的能量就會(huì)被吸收，從而子的能量就會(huì)被吸收，從而導(dǎo)致其內(nèi)層電子（如導(dǎo)致其內(nèi)層電子（如K層電層電子）被擊出，產(chǎn)生光電效應(yīng)。子）被擊出，產(chǎn)生光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)光電效應(yīng)10X射線(xiàn)的吸收射線(xiàn)的吸收熒光（二次特征）熒光（二次特征）X射線(xiàn)射線(xiàn)熒光輻射熒光輻射失去內(nèi)層電子失去內(nèi)層電子的原子處于激

9、發(fā)態(tài)，將發(fā)生的原子處于激發(fā)態(tài)，將發(fā)生外層電子向內(nèi)層躍遷同時(shí)釋外層電子向內(nèi)層躍遷同時(shí)釋放波長(zhǎng)一定的特征放波長(zhǎng)一定的特征X射線(xiàn)。射線(xiàn)。稱(chēng)為二次熒光輻射或熒光輻稱(chēng)為二次熒光輻射或熒光輻射。射。熒光輻射熒光輻射11X射線(xiàn)的吸收射線(xiàn)的吸收俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng) 定義：當(dāng)高能級(jí)的電子向低能級(jí)躍遷時(shí)，能量不是產(chǎn)生二次X射線(xiàn)，而是被周?chē)硞€(gè)殼層上的電子所吸收，并促使該電子受激發(fā)逸出原子成為二次電子。這種效應(yīng)是俄歇1925年發(fā)現(xiàn)的，稱(chēng)俄歇效應(yīng)，產(chǎn)生的二次電子稱(chēng)俄歇電子。光電子、熒光光電子、熒光X射線(xiàn)和俄射線(xiàn)和俄歇電子三種過(guò)程示意圖歇電子三種過(guò)程示意圖X射線(xiàn)衍射原理射線(xiàn)衍射原理x-ray的衍射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 x-ray射入樣

10、品，其背后放置照相底片。 非晶體：沿x-ray傳播方向形成一個(gè)斑點(diǎn)。 晶體：除透射束形成的中心斑點(diǎn)外，周?chē)€有有規(guī)律分布的其它斑點(diǎn)。說(shuō)明有偏離原入射方向的x-ray存在。x射線(xiàn)的衍射 x-ray遇到晶體后所產(chǎn)生的上述現(xiàn)象稱(chēng)為x-ray的衍射，偏離原入射方向的射線(xiàn)稱(chēng)衍射線(xiàn)，底片上出現(xiàn)的圖形稱(chēng)衍射圖，圖上的斑點(diǎn)稱(chēng)衍射斑點(diǎn)。 利用x-ray研究晶體結(jié)構(gòu)中各類(lèi)問(wèn)題，主要是通過(guò)x-ray在晶體中產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象進(jìn)行的。勞勞 厄厄 斑斑 點(diǎn)點(diǎn)產(chǎn)生原因 x-ray的衍射現(xiàn)象是x-ray散射的一種特殊表現(xiàn)。 晶體由有序排列的質(zhì)點(diǎn)組成，當(dāng)x-ray與質(zhì)點(diǎn)相遇時(shí)，首先被晶體各個(gè)原子中的電子散射，每個(gè)電子都是一個(gè)新的

11、輻射波源，其波長(zhǎng)與原射線(xiàn)相同。 原子在晶體中是周期排列，散射波之間存在著固定的位相關(guān)系，它們之間會(huì)在空間產(chǎn)生干涉。大量原子散射波互相干涉結(jié)果 衍射：原子在晶體中的周期性排列使得x-ray散射在一些特定的方向加強(qiáng)，而在其它方向減弱的現(xiàn)象。定量分析定量分析布拉格定律布拉格定律 假設(shè)： 晶體是理想的簡(jiǎn)單點(diǎn)陣。 原子是幾何點(diǎn)，電子集中在點(diǎn)上散射。 入射的x-ray嚴(yán)格平行。 原子不做熱振動(dòng)。 x-ray作用于單原子面上作用于單原子面上 任意兩相鄰原子的散射波在原子面反射方向上的光程差為： R = 0 一個(gè)原子面對(duì)x-ray的衍射可以在形式上看成原子面對(duì)入射線(xiàn)的“反射”。x-ray作用于多原子面上作用于

12、多原子面上 經(jīng)兩相鄰原子面反射的反射波光程差： R = 2d sin布拉格方程布拉格方程 晶體是由（hkl）晶面堆垛而成的，即一系列平行等距原子面層層疊合而成。 干涉加強(qiáng)的條件是：晶體中任意兩相鄰原子面上的原子散射波在原子面反射方向的光程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍。 即：= n n=1，2，3， 晶體的三維光柵晶體的三維光柵Three-dimensional “diffraction grating”d布拉格方程布拉格方程 干涉加強(qiáng)條件（布拉格方程）為：式中：n 整數(shù)，“反射”級(jí)數(shù)（衍射級(jí)數(shù)）一組（hkl）隨n值的不同，可產(chǎn)生n個(gè)不同方向的反射線(xiàn)。 布拉格角（入射線(xiàn)與晶面）半衍射角 ndsin2布拉格方

13、程的討論布拉格方程的討論1 反映了衍射方向與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，說(shuō)明了衍射所必備的條件。（表達(dá)了：反射線(xiàn)空間方位、反射晶面間距、入射線(xiàn)方位、入射波長(zhǎng)之間的相互關(guān)系） x-ray在晶體中產(chǎn)生衍射，其、d、必須滿(mǎn)足布拉格方程。 布拉格方程與光學(xué)反射定律合在一起稱(chēng)為布拉格定律，或x-ray“反射”定律。布拉格方程的討論布拉格方程的討論2 x-ray在晶面“反射”與可見(jiàn)光鏡面反射比較： 相同點(diǎn)： 兩角相等 三線(xiàn)共面 不同點(diǎn)： 可見(jiàn)光反射僅限于物體表面； x-ray不僅在表面而且能進(jìn)入晶體內(nèi)部。 可見(jiàn)光以任意角度入射都可進(jìn)行反射； x-ray只有特殊角度才能進(jìn)行反射，稱(chēng)為x-ray的“選擇反射”。布拉格方程

14、的討論布拉格方程的討論3 產(chǎn)生衍射的極限條件： 波長(zhǎng)：sin= 1 2d 晶面數(shù)：d 衍射級(jí)數(shù)：dn22dn2X射線(xiàn)衍射儀的基本結(jié)構(gòu)x射線(xiàn)衍射圖射線(xiàn)衍射圖2On the interfaceIn the paste小小 結(jié)結(jié) 利用x-ray研究晶體結(jié)構(gòu)問(wèn)題，主要是通過(guò)x-ray在晶體中產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。 x-ray在晶體中的衍射，實(shí)質(zhì)是大量原子散射波干涉的結(jié)果，每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映出晶體內(nèi)部的原子分布規(guī)律。 x-ray衍射理論要解決的中心問(wèn)題：在衍射現(xiàn)象和晶體結(jié)構(gòu)之間建立起定性和定量的關(guān)系。 衍射線(xiàn)在空間的分布 晶胞的大小、形狀和位向 衍射線(xiàn)束的強(qiáng)度 原子的種類(lèi)及在晶胞中的位置 布拉格定

15、律反映前者，衍射強(qiáng)度理論解決后者。晶體結(jié)構(gòu)衍射現(xiàn)象X X射線(xiàn)衍射技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中應(yīng)用射線(xiàn)衍射技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中應(yīng)用 1、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)DNA晶體X射線(xiàn)衍射花樣3434埃埃2020埃埃亮度一致亮度不一小溝大溝James WatsonFrancis CrickMaurice WilkinsRosalind Franklin 1957年,John Kendrew肌紅蛋白 2、X射線(xiàn)晶體學(xué)全解析的第一個(gè)蛋白質(zhì) 結(jié)構(gòu)肌紅蛋白一條多肽鏈+一個(gè)輔基多肽鏈：由153個(gè)氨基酸殘基組成分子量：16700肌紅蛋白晶體化及衍射實(shí)驗(yàn)(NH4)2SO4數(shù)日后肌紅蛋白緩沖液 3M (NH4)2SO4 pH7肌紅蛋白溶液肌紅蛋白晶體肌紅蛋白晶體X射線(xiàn)衍射花樣肌紅蛋白電子密度圖(部分)低解析度肌紅蛋白模型高解析度下的肌紅蛋白模型蛋白質(zhì)分子空間結(jié)