XFELs使没有晶体的小分子晶体学成为可能

一种新的x射线晶体学技术可以更好地阐明许多不能形成整齐单晶的材料的结构。由大型多机构研究合作开发的方法可以帮助研究化合物的结构，如太阳能吸收器和金属有机框架。

这项新技术被称为小分子连续飞秒x射线晶体学(smSFX)，与其他x射线源相比，它带来了更强大、更集中、速度更快的x射线束。从x射线脉冲到衍射图像的整个过程只需要千万亿分之一秒。

在晶体学可以根据衍射x射线的方式来绘制分子中电子的密度之前，通常需要一个长约0.1毫米的大晶体。但是smSFX通过添加定制的图像处理算法和x射线自由电子激光(XFEL)增强了传统的晶体学，这使得科学家可以使用比典型单晶实验中使用的晶体大约小10到100倍的晶体，解释说丹尼尔·佩利劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的计算晶体学家，他是这篇论文的共同第一作者。他说:“这意味着许多以前太小的样品现在都可以用于结晶学。”

实验在斯坦福线性加速器中心进行线性相干光源加州的XFEL，以及日本的Spring-8埃紧凑自由电子激光XFEL。

序列飞秒晶体学迄今为止只用于蛋白质，而没有用于小分子。在研究小组将SFX应用于小分子之前，必须解决几个并发症。其中最重要的是，一个大分子晶体会产生包含数百个斑点的大衍射图案，这使得它很容易解释，而一个小分子晶体只会给出几个衍射斑点，产生稀疏的图案，这使得很难推断晶体的方向。

这就是这篇论文的合著者之一，计算晶体学家的工作亚伦布儒斯特来自LBNL的，派上了用场。早在2015年，他就发表了一篇论文，展示了一种从稀疏衍射模式中恢复晶体方向的算法。这项新研究是该算法首次用于未知样本。

新结构确定

“为了应用亚伦的算法……我们首先必须找到晶体的单位细胞，这是另一个以前从未解决过的问题，因为这种具有挑战性的情况下，衍射图像是稀疏的和随机定向的，”Paley回忆道。该团队开发了一种方法，将串行数据集转换为高质量的粉末衍射图案，从而可以确定单位细胞。

“很明显，你应该能够将SFX用于小分子，但有几个非常困难的实际障碍，在这篇论文中，我们展示了解决这些问题的方法，”Paley说。

除了证明smSFX的原理之外，研究人员还能够使用该技术确定形成微晶体粉末的三种化合物的结构，其中包括两种以前没有被确定的化合物——硫烯(AgSPh)和乙烯(AgTePh)。

smSFX的应用非常广泛。“基本上，对于任何需要对只形成微晶体的化合物进行晶体学研究的化学家或材料科学家来说，smSFX都应该是一种选择，”Paley说。他指出，有许多化合物符合这种描述，大多数合成化学家在某个时候都遇到过这个问题。“当化学家可以轻易地获得微晶体的晶体结构时，合成化学就会更容易。”

XFEL优势的“有力演示”

康涅狄格大学的研究生Elyse Schriber是这项研究的另一位合著者，也隶属于LBNL，她说这项新工作可以帮助连接材料结构和功能之间的点。她补充说:“在进一步改进简化smSFX过程后，我们可以想象将这项技术提供给其他研究人员的程序。”“这些类型的项目对于增加光源设施的使用是不可或缺的，特别是对于小型大学和学院。”

亚当Kirrander来自英国爱丁堡大学，他没有参与这项研究，但已经参与了用x射线观察光驱动反应的初始步骤他对这项研究印象深刻。“这项工作有力地证明了化学研究如何从全球正在建造和开发的新型XFEL设备中受益——这样的实验在同步加速器上是不可能实现的，”Kirrander说manbetx手机客户端3.0．

他指出，分子结构测定是现代化学的基石，其重要性被剑桥结构数据库等数据库中分子结构数量的指数级增长所强调。但Kirrander也指出，这种成功掩盖了培养晶体学所需的足够质量的分子晶体所涉及的困难和挑战。

他接着说:“这篇论文报告了一系列演示粉末衍射的优雅实验:作者利用x射线自由电子激光器的极端亮度，从数千个微晶体中记录单个衍射模式，一次一个。”“通过使用聪明的算法对衍射图像进行分类和索引，他们能够获得远远超过传统粉末衍射所能获得的高质量数据集。”

Kirrander说，展望未来，看到这样的实验将揭示越来越多不寻常的几何形状和罕见的分子构象将是令人兴奋的。