一种新的x射线晶体学技术可以更好地阐明许多材料的结构,这些材料不能形成整齐的单晶体。这种由大型、多机构研究合作开发的方法可以帮助研究化合物的结构,如太阳能吸收剂和金属有机框架。

这项新技术,被称为小分子系列飞秒x射线晶体学(smSFX),带来了比其他x射线源更强大、聚焦和更快的x射线束。从x射线脉冲到衍射图像,整个过程只需要几千万亿分之一秒。

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来源:©Nate Hohman/康涅狄格大学

日本弹簧-8埃小型自由电子激光器的样品注入

在晶体学可以根据分子在x射线下的衍射情况来绘制分子中电子的密度之前,通常需要一块大约0.1毫米长的大晶体。但是smSFX通过添加定制的图像处理算法和x射线自由电子激光器(XFEL)增强了传统的晶体学,科学家们可以使用比典型的单晶实验小10到100倍的晶体,解释说丹尼尔·佩利他是劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的计算晶体学家,也是这篇论文的第一作者之一。他说:“这意味着许多以前太小的样品现在可以用于晶体学研究。”

实验是在斯坦福线性加速器中心进行的直线相干光源在加州的XFEL,以及在日本的Spring-8埃紧密型自由电子激光XFEL。

系列飞秒晶体学迄今只应用于蛋白质,而未应用于小分子。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,当一个大分子的晶体会产生一个包含数百个斑点的大衍射图案,这很容易解释,而一个小分子的晶体只会产生几个衍射点,并产生一个稀疏的图案,这使得很难推断晶体的方向。

这就是论文的合著者之一,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,他发表了一篇论文,展示了一种从稀疏衍射模式中恢复晶体取向的算法。这项新研究是该算法首次在未知样本上使用。

新结构决定

“为了应用艾伦的算法……我们首先必须找到晶体的单元,这是另一个以前从未解决过的问题,因为衍射图像是稀疏和随机定向的,”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,从而可以确定单元。

“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,我们演示了解决这些问题的方法,”Paley说。

除了证明smSFX的原理外,研究人员还能够使用该技术来确定形成微晶粉末的三种化合物的结构,包括两种之前未被识别的化合物-硫代烯(AgSPh)和乙烯(AgTePh)。

smSFX的应用非常广泛。“基本上,smSFX应该是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的一种选择,”Paley说。他指出,有许多化合物符合这一描述,大多数合成化学家在某些时候都经历过这个问题。“当化学家可以很容易地得到微晶体的晶体结构时,就会更容易进行合成化学。”

XFEL优点的“强大演示”

康涅狄格大学的研究生艾丽丝·施里伯(Elyse Schriber)是这项研究的另一位合著者,也是LBNL的成员。她说,这项新研究可以帮助把材料的结构和功能联系起来。她补充说:“在进一步改进smSFX流程后,我们可以设想将这项技术提供给其他研究人员。”“这些类型的项目对于增加使用光源设施是必不可少的,特别是对于较小的大学和学院。”

亚当Kirrander他没有参与这项研究,但参与了这项研究用x射线观察光驱动反应的初始阶段他对这项研究印象深刻。“这项工作是一个强有力的证明,化学研究如何受益于新的XFEL设施,正在建设和发展的世界各地-这样的实验不可能在同步加速器,”柯兰德说manbetx手机客户端3.0

他指出,分子结构的确定是现代化学的基石,它的重要性被诸如剑桥结构数据库等数据库中分子结构数量的指数增长所强调。但是Kirrander也指出,这种成功掩盖了在晶体学中生长足够质量的分子晶体所涉及的困难和挑战。

“这篇论文报告了展示一系列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来记录数千个微晶体的单个衍射模式,一次一个,”他继续说。“通过使用聪明的算法对衍射图像进行排序和索引,他们能够获得高质量的数据集,远远超过传统粉末衍射的数据集。”

展望未来,柯兰德说,看到这样的实验如何揭示越来越多的不寻常的几何形状和罕见的分子构象将是令人兴奋的。