X 射线晶体衍射的应用

2022-03-04
自从 20 世纪初,科学家 M.von 劳厄发现 X 射线通过晶体发生衍射现象后,X 射线这种高能量的射线就成为探究物质微观世界的强有力的工具。当时,X 射线衍射仪较为昂贵,实验数据的处理也很繁琐。因此,这一阶段的 X 射线晶体学是少数物理学家和晶体学家的学术领域。随后计算机技术的飞速发展带动了各个行业的同步发展,同时也带动了 X 射线晶体学的发展和普及。计算机技术使得衍射数据收集自动化,结构解析与分析程序化,单晶结构数据和粉末衍射数据也得到了极大的丰富。当代社会的衍射仪由四个基本部分组成: X 射线发生部分、测角仪、探测器和计算机部分(如图 1 所示),研究手段包括 X 射线单晶衍射技术 ( X-ray single crystal diffraction , SXRD ) 和 X 射线粉末 / 多晶衍射技术 ( X-ray powder diffraction , PXRD ) 两类。如今,这两种仪器在高等院校非常普及,已经深入到化学、材料、生命等众多科学领域中。
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图 1 X 射线衍射仪的组成

在 SXRD 和 PXRD 这两种仪器中,XRSD(X 射线单晶衍射仪,如图 2 所示)能在分子、原子水平上提供完整而准确的物质结构信息,而成为结构测定中最权威性的方法。该法能够测定出组成晶体的原子或离子的空间排列情况,从而了解晶体和分子中原子的化学结合方式、分子的立体构型、构象、电荷分布、原子在平衡位置附近的热振动情况以及精确的键长、键角和扭角等结构数据。分析过程主要包括样品制备、衍射强度数据收集、确定对称性(晶系、点群、空间群等)、结构测定、结构参数修正等过程。该技术在药物、材料、生命科学等多种领域的研究有着广阔的应用。
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图 2 X 射线衍射仪

在药物研究中,有一种药物为手性药物,药物的手性不同会直接影响药物的功能疗效甚至于毒副作用。单晶 X 射线衍射法是确认构型的直接法,利用 Flack 参数确定分子的绝对构型,在利用程序计算 Flack 参数 x 及其不确定度 u 来判断晶体的绝对构型,当 u > 0.3 时,表示晶体没有足够的反常散射能力, 此时绝对构型不能被确定;当 u < 0.1 , Flack 参数 x 趋向于 0 ,则为正确的绝对构型,x 为 1 则为反型。此法简单直接可靠,且可以一次性确认化合物中的所有手性中心的绝对构型,当药物中存在多个手性中心时,间接法需要进行大量的工作。
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图 3 手性分子示意图

天然产物是寻找药物先导化合物的重要途径,自然界中许多结构新颖的化合物不断被发现。国际化学界对具有新颖骨架类型的化合物结构需要用全合成或者单晶 X 射线衍射来确定其结构。而很多化合物由于其骨架的复杂性,导致用全合成方法证明其结构十分困难,同时从天然产物中提取得到的有效化学成分很微量,而 X 射线单晶衍射技术分析仅需一颗适合衍射实验的晶体(样品量小于 1mg),就可以获得目标化合物分子准确的立体结构。
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图 4 天然产物盐酸万古霉素

共晶是固体药物分子中常见的现象,可能是药物分子与溶剂分子或水分子形成的共晶或是异构体间形成的共晶,还可能是不同结构分子间形成的共晶。准确地了解共晶样品中各成分的组成以及它们的比例是非常重要的,X 射线单晶衍射技术可以给出准确的分析结果。
在新型功能分子和功能材料研究中,X 射线晶体学具有更广泛的应用,从波谱等分析方法仅能从侧面验证化合物中的元素含量等信息,无法得到直观的结构信息。通过研究材料的晶体结构,可以更彻底的了解化合物的物理性质和化学性质,甚至可以应用于新的化合物的设计与开发。例如,有机配体与金属离子或多金属簇合物一同构筑的三维金属-有机框架配位聚合物 (metal-organic frameworks,MOFs) 的研究。利用单晶 X 射线衍射的数据可以得到如晶体单胞的尺寸、体积、电子密度分布、原子在单胞中的相对位置、原子的振动情况和原子位置的占有率等。这些因子对功能材料的物理化学性质都具有直接或间接地影响,因此也对其理论研究和性能改善有着重要的意义。MOFs 的结构通过精确的分子设计常具有确定尺寸和形状的孔道或空腔,使得 MOFs 材料在吸附、存储、催化、药物传输等多个领域有着非常广阔的应用前景。
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图 5 Co-MOFs 示意图及其 XRD 图

在生命科学研究中,常规蛋白质的生化分析只是以一个抽象的 “ 条带 ” 或 “ 点 ” 存在,大概解答了某个蛋白参与了什么过程,但无法具体了解该蛋白是如何起的作用。蛋白质的结构和其功能有着密不可分的联系。X 射线晶体学应用于探测生物大分子结构,在结构生物学上是一种解析蛋白质立体结构的重要技术,能从更精细的层面回答诸如蛋白质自身功能、蛋白质间相互作用等诸多问题,弥补研究中存在的盲点。 单晶技术被誉为分子结构(尤其是手性分子)鉴定的金标准,是目前分子结构可视化的唯一直接的测试方法。晶立得采用高通量的单晶培养技术结合单晶 X 射线衍射方法开发出高通量的单晶培养、测试、解析一体化技术,强力支持每年研发出现上百万个分子药物片段、中间体、药物分子(及其包含的微量杂质)快速准确鉴定的需求。
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