بلورنگاری
کریستالوگرافی علم تجربی تعیین آرایش اتم ها در جامدات کریستالی است. کریستالوگرافی یک موضوع اساسی در زمینه علم مواد و فیزیک حالت جامد (فیزیک ماده چگال) است. کلمه "کریستالوگرافی" از کلمات یونانی (krystallos) "یخ شفاف، کریستال سنگ" گرفته شده است که معنای آن به همه جامدات با درجه ای از شفافیت گسترش می یابد. در ژوئیه 2012، سازمان ملل متحد اهمیت علم کریستالوگرافی را با اعلام اینکه سال 2014 سال بین المللی کریستالوگرافی خواهد بود به رسمیت شناخت.
قبل از توسعه کریستالوگرافی پراش اشعه ایکس ، مطالعه کریستال ها بر اساس اندازه گیری فیزیکی هندسه آنها با استفاده از یک گونیا بود. این شامل اندازه گیری زوایای وجوه بلور نسبت به یکدیگر و محورهای مرجع نظری (محورهای کریستالوگرافی) و ایجاد تقارن کریستال مورد نظر بود. موقعیت هر وجه کریستالی در فضای سه بعدی بر روی یک شبکه استریوگرافی مانند شبکه Wulff یا شبکه Lambert ترسیم می شود. قطب به هر وجه روی شبکه رسم می شود. هر نقطه با شاخص میلر خود برچسب گذاری شده است. طرح نهایی اجازه می دهد تا تقارن کریستال ایجاد شود.
روشهای کریستالوگرافی در حال حاضر به تجزیه و تحلیل الگوهای پراش نمونهای که توسط یک پرتو از نوعی هدف قرار گرفته است، بستگی دارد. اشعه ایکس بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. پرتوهای دیگر مورد استفاده شامل الکترون یا نوترون است. کریستالوگراف ها اغلب به صراحت نوع پرتو مورد استفاده را بیان می کنند، مانند اصطلاحات کریستالوگرافی اشعه ایکس، پراش نوترونی و پراش الکترونی. این سه نوع تشعشع به روش های مختلفی با نمونه برهمکنش می کنند.
پرتوهای ایکس با توزیع فضایی الکترون ها در نمونه برهم کنش دارند. الکترونها ذرات باردار هستند و بنابراین با توزیع بار کل هستههای اتمی و الکترونهای نمونه تعامل دارند.نوترون ها توسط هسته های اتمی از طریق نیروهای هسته ای قوی پراکنده می شوند، اما علاوه بر این، گشتاور مغناطیسی نوترون ها غیر صفر است. بنابراین آنها نیز توسط میدان های مغناطیسی پراکنده می شوند. هنگامی که نوترون ها از مواد حاوی هیدروژن پراکنده می شوند، الگوهای پراش با سطوح نویز بالا تولید می کنند. با این حال، گاهی اوقات می توان این ماده را برای جایگزینی دوتریوم به جای هیدروژن درمان کرد.
اصل کلی
با تکنیکهای تصویربرداری مرسوم مانند میکروسکوپ نوری، گرفتن تصویر از یک جسم کوچک نیازمند جمعآوری نور با عدسی بزرگنمایی است. وضوح هر سیستم نوری توسط حد پراش نور، که به طول موج آن بستگی دارد، محدود می شود. بنابراین، وضوح کلی نقشههای چگالی الکترون کریستالوگرافی بهشدت وابسته به وضوح دادههای پراش است که میتوان آنها را بهصورت: کم، متوسط، زیاد و اتمی طبقهبندی کرد. به عنوان مثال، نور مرئی دارای طول موجی در حدود 4000 تا 7000 اونگستروم است که سه مرتبه بزرگتر از طول پیوندهای اتمی معمولی و خود اتم ها (حدود 1 تا 2 Å) است. بنابراین، یک میکروسکوپ نوری معمولی نمی تواند آرایش فضایی اتم ها را در یک کریستال تشخیص دهد. برای انجام این کار، ما به تابش با طول موج های بسیار کوتاه تر، مانند پرتوهای اشعه ایکس یا نوترونی نیاز داریم.
متأسفانه، فوکوس کردن اشعه ایکس با لنزهای نوری معمولی می تواند یک چالش باشد. دانشمندان در تمرکز پرتوهای ایکس با صفحات میکروسکوپی منطقه فرنل ساخته شده از طلا، و با بازتاب زاویه بحرانی در داخل مویرگ های مخروطی طولانی، موفقیت هایی داشته اند. پرتوهای پراش اشعه ایکس یا نوترون را نمی توان برای تولید تصاویر متمرکز کرد، بنابراین ساختار نمونه باید از الگوی پراش بازسازی شود.
الگوهای پراش از تداخل سازنده تابش فرودی (اشعه ایکس، الکترون، نوترون)، که توسط ویژگی های دوره ای و تکرار شونده نمونه پراکنده شده است، ناشی می شود. کریستال ها به دلیل ساختار اتمی بسیار منظم و تکراری خود (شبکه Bravais)، پرتوهای ایکس را به شیوه ای منسجم پراش می کنند که به آن بازتاب براگ نیز گفته می شود.
روش ها
برخی از موادی که به صورت کریستالوگرافی آنالیز شده اند، مانند پروتئین ها، به طور طبیعی به عنوان کریستال وجود ندارند. به طور معمول، چنین مولکول هایی در محلول قرار می گیرند و اجازه می دهند تا به آرامی از طریق انتشار بخار متبلور شوند. قطره ای از محلول حاوی مولکول، بافر و رسوب دهنده ها در ظرفی با مخزن حاوی محلول رطوبت گیر بسته می شود. آب در قطره به مخزن پخش می شود و به آرامی غلظت را افزایش می دهد و اجازه می دهد تا یک کریستال تشکیل شود. اگر غلظت سریعتر افزایش یابد، مولکول به سادگی از محلول رسوب میکند و منجر به ایجاد گرانولهای نامنظم میشود تا یک کریستال منظم و قابل استفاده.
هنگامی که یک کریستال به دست آمد، می توان داده ها را با استفاده از یک پرتو تابش جمع آوری کرد. اگرچه بسیاری از دانشگاههایی که درگیر تحقیقات کریستالوگرافی هستند، تجهیزات تولید اشعه ایکس مخصوص به خود را دارند، سینکروترونها اغلب بهعنوان منابع پرتو ایکس استفاده میشوند، زیرا الگوهای خالصتر و کاملتری که چنین منابعی میتوانند تولید کنند. منابع سنکروترون همچنین دارای شدت بسیار بالاتری از پرتوهای اشعه ایکس هستند، بنابراین جمعآوری دادهها کسری از زمانی را که معمولاً در منابع ضعیفتر لازم است، طول میکشد.
از تکنیکهای کریستالوگرافی نوترونی تکمیلی برای شناسایی موقعیت اتمهای هیدروژن استفاده میشود، زیرا پرتوهای ایکس تنها با عناصر سبک مانند هیدروژن برهمکنش بسیار ضعیفی دارند. تولید یک تصویر از الگوی پراش به ریاضیات پیچیده و اغلب یک فرآیند تکراری مدلسازی و اصلاح نیاز دارد. در این فرآیند، الگوهای پراش پیش بینی شده ریاضی یک ساختار فرضی یا "مدل" با الگوی واقعی تولید شده توسط نمونه کریستالی مقایسه می شود. در حالت ایدهآل، محققان چندین حدس اولیه را انجام میدهند که از طریق پالایش، همه بر روی یک پاسخ همگرا میشوند. مدلها تا زمانی که الگوهای پیشبینیشده آنها تا حدی که بدون تجدیدنظر اساسی در مدل به دست میآید، مطابقت داشته باشند، اصلاح میشوند. این یک فرآیند پر زحمت است که امروزه توسط رایانه ها بسیار آسان تر شده است.
روش های ریاضی برای تجزیه و تحلیل داده های پراش فقط برای الگوها اعمال می شود، که به نوبه خود تنها زمانی نتیجه می شود که امواج از آرایه های منظم پراکنده شوند. از این رو کریستالوگرافی در بیشتر موارد فقط در مورد کریستال ها یا مولکول هایی که می توانند برای اندازه گیری متمایل شوند تا کریستال شوند کاربرد دارد. با وجود این، مقدار معینی از اطلاعات مولکولی را می توان از الگوهای تولید شده توسط الیاف و پودرها استنباط کرد، که اگرچه به اندازه یک کریستال جامد کامل نیستند، اما ممکن است درجه ای از نظم را نشان دهند. این سطح از نظم می تواند برای استنباط ساختار مولکول های ساده یا تعیین ویژگی های درشت مولکول های پیچیده تر کافی باشد. برای مثال، ساختار دو مارپیچی DNA از الگوی پراش اشعه ایکس که توسط یک نمونه فیبری تولید شده بود، استنتاج شد.
علم مواد
کریستالوگرافی توسط دانشمندان مواد برای توصیف مواد مختلف استفاده می شود. در تک بلورها، اثرات آرایش کریستالی اتم ها اغلب به راحتی قابل مشاهده است زیرا اشکال طبیعی کریستال ها ساختار اتمی را منعکس می کند. علاوه بر این، خواص فیزیکی اغلب توسط نقص کریستالی کنترل می شود. درک ساختارهای کریستالی یک پیش نیاز مهم برای درک عیوب کریستالوگرافی است. بیشتر مواد به صورت یک کریستال منفرد به وجود نمی آیند، بلکه ماهیتاً چند کریستالی هستند (آنها به صورت مجموعه ای از کریستال های کوچک با جهت گیری های مختلف وجود دارند). به این ترتیب، تکنیک های پراش پودر، که الگوهای پراش نمونه های پلی کریستالی با تعداد زیادی کریستال را می گیرد،
نقش مهمی در تعیین ساختار ایفا می کند. سایر خواص فیزیکی نیز با کریستالوگرافی مرتبط هستند. برای مثال، کانیهای موجود در خاک رس ساختارهای کوچک، مسطح و صفحهای را تشکیل میدهند. خاک رس را می توان به راحتی تغییر شکل داد زیرا ذرات صفحه مانند می توانند در امتداد یکدیگر در صفحه صفحات بلغزند، اما در جهت عمود بر صفحات به شدت متصل می مانند. چنین مکانیسم هایی را می توان با اندازه گیری بافت کریستالوگرافی مطالعه کرد.
در مثالی دیگر، آهن از یک ساختار مکعبی (bcc) به نام فریت به یک ساختار مکعبی (fcc) رو به مرکز به نام آستنیت تبدیل میشود. ساختار fcc برخلاف ساختار bcc یک ساختار بسته بندی شده است. بنابراین حجم آهن با وقوع این تغییر شکل کاهش می یابد.
کریستالوگرافی در شناسایی فاز مفید است. هنگام ساخت یا استفاده از یک ماده، به طور کلی مطلوب است که بدانیم چه ترکیبات و چه فازهایی در ماده وجود دارد، زیرا ترکیب، ساختار و نسبت آنها بر خواص مواد تأثیر می گذارد. هر فاز دارای آرایش مشخصه ای از اتم ها است. پراش اشعه ایکس یا نوترون را می توان برای شناسایی ساختارهای موجود در ماده و بنابراین ترکیبات موجود استفاده کرد. کریستالوگرافی شامل شمارش الگوهای تقارنی است که می توانند توسط اتم ها در یک بلور تشکیل شوند و به همین دلیل به نظریه گروه مربوط می شود.
زیست شناسی
کریستالوگرافی اشعه ایکس روش اولیه برای تعیین ترکیبات مولکولی ماکرومولکول های بیولوژیکی، به ویژه پروتئین و اسیدهای نوکلئیک مانند DNA و RNA است. در واقع، ساختار دو مارپیچ DNA از داده های کریستالوگرافی استنباط شد. اولین ساختار بلوری یک ماکرومولکول در سال 1958 حل شد، یک مدل سه بعدی از مولکول میوگلوبین که با تجزیه و تحلیل اشعه ایکس به دست آمد. بانک اطلاعات پروتئین (PDB) یک مخزن آزادانه برای ساختارهای پروتئین ها و سایر ماکرومولکول های بیولوژیکی است. برنامه های کامپیوتری مانند RasMol، Pymol یا VMD می توانند برای تجسم ساختارهای مولکولی بیولوژیکی استفاده شوند. کریستالوگرافی نوترونی اغلب برای کمک به اصلاح ساختارهای به دست آمده با روش های اشعه ایکس یا برای حل یک پیوند خاص استفاده می شود. این روش ها اغلب به عنوان مکمل در نظر گرفته می شوند، زیرا پرتوهای ایکس به موقعیت های الکترون حساس هستند و به شدت از اتم های سنگین پراکنده می شوند، در حالی که نوترون ها به موقعیت های هسته حساس هستند و حتی روی بسیاری از ایزوتوپ های نور از جمله هیدروژن و دوتریوم به شدت پراکنده می شوند. کریستالوگرافی الکترونی برای تعیین برخی ساختارهای پروتئینی، به ویژه پروتئین های غشایی و کپسیدهای ویروسی استفاده شده است.
مشارکت زنان در کریستالوگرافی اشعه ایکس
تعدادی از زنان پیشگام در کریستالوگرافی اشعه ایکس در زمانی بودند که از اکثر شاخه های دیگر علوم فیزیکی کنار گذاشته شدند.
کاتلین لونزدیل دانشجوی پژوهشی ویلیام هنری براگ بود که به همراه پسرش لارنس علم کریستالوگرافی اشعه ایکس را در آغاز قرن بیستم پایه گذاری کردند. او هم برای کارهای تجربی و هم برای کارهای نظری اش شناخته شده است. براگ 11 دانشجوی پژوهشگر زن از مجموع 18 دانشجو داشت. کاتلین در سال 1923 به تیم تحقیقاتی کریستالوگرافی خود در موسسه سلطنتی لندن پیوست و پس از ازدواج و بچه دار شدن، به عنوان محقق با براگ کار کرد. او ساختار حلقه بنزن را تایید کرد، مطالعاتی را در مورد الماس انجام داد، یکی از دو زنی بود که در سال 1945 به عضویت انجمن سلطنتی انتخاب شد و در سال 1949 به عنوان اولین خانم استاد شیمی و رئیس بخش کریستالوگرافی در دانشگاه کالج لندن. کاتلین همیشه از مشارکت بیشتر زنان در علم حمایت می کرد و در سال 1970 می گفت: «هر کشوری که بخواهد از همه دانشمندان و فناوران بالقوه خود به طور کامل استفاده کند، می تواند این کار را انجام دهد، اما نباید انتظار داشته باشد که زنان را به همان سادگی که می خواهد به دست آورد. مردان... پس آرمانشهری است که پیشنهاد کنیم هر کشوری که واقعاً میخواهد زنان متاهل به حرفه علمی بازگردند، در حالی که فرزندانش دیگر نیازی به حضور فیزیکی او ندارند، باید ترتیبات ویژهای برای تشویق او به این کار انجام دهد؟» در این دوره، کاتلین همکاری خود را با ویلیام تی استبری روی مجموعه ای از 230 میز گروه فضایی آغاز کرد که در سال 1924 منتشر شد و به ابزاری ضروری برای کریستالوگراف ها تبدیل شد.
در سال 1932 دوروتی هاجکین به آزمایشگاه فیزیکدان جان دزموند برنال که شاگرد سابق براگ بود در کمبریج انگلستان پیوست. او و برنال اولین عکس های اشعه ایکس از پروتئین های کریستالی را گرفتند. هوچکین همچنین در تأسیس اتحادیه بین المللی کریستالوگرافی نقش داشت. او در سال 1964 جایزه نوبل شیمی را به خاطر کارش با استفاده از تکنیک های اشعه ایکس برای مطالعه ساختار پنی سیلین، انسولین و ویتامین B12 دریافت کرد. کار او بر روی پنی سیلین در سال 1942 در طول جنگ و روی ویتامین B12 در سال 1948 آغاز شد. در حالی که گروه او به آرامی رشد کرد، تمرکز غالب آنها بر روی تجزیه و تحلیل اشعه ایکس محصولات طبیعی بود. او تنها زن بریتانیایی است که تا به حال برنده جایزه نوبل در یک موضوع علمی شده است.
روزالیند فرانکلین عکس پرتو ایکسی از یک فیبر DNA گرفت که کلید کشف مارپیچ دوگانه توسط جیمز واتسون و فرانسیس کریک بود، که برای آن هر دو جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را در سال 1962 دریافت کردند. واتسون در شرح زندگینامه خود از کشف ساختار DNA، مارپیچ دوگانه، که او از عکس اشعه ایکس روزالیند بدون اجازه او استفاده کرده بود. فرانکلین در 30 سالگی بر اثر سرطان درگذشت، قبل از اینکه واتسون جایزه نوبل را دریافت کند. فرانکلین همچنین مطالعات ساختاری مهمی در مورد کربن موجود در زغال سنگ و گرافیت و ویروسهای گیاهی و حیوانی انجام داد.
ایزابلا کارل از آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی ایالات متحده یک رویکرد تجربی برای نظریه ریاضی کریستالوگرافی توسعه داد. کار او سرعت و دقت تجزیه و تحلیل شیمیایی و زیست پزشکی را بهبود بخشید. با این حال، تنها همسرش جروم، جایزه نوبل شیمی 1985 را با هربرت هاپتمن، "به خاطر دستاوردهای برجسته در توسعه روش های مستقیم برای تعیین ساختارهای بلوری" به اشتراک گذاشت. دیگر نهادهای اهداکننده جوایز به ایزابلا جوایزی را به خود اختصاص داده اند.
زنان کتاب های درسی و مقالات تحقیقاتی زیادی در زمینه کریستالوگرافی اشعه ایکس نوشته اند. لونزدیل سالها جداول بینالمللی کریستالوگرافی را ویرایش کرد که اطلاعاتی در مورد شبکههای بلوری، تقارن و گروههای فضایی و همچنین دادههای ریاضی، فیزیکی و شیمیایی در مورد ساختارها ارائه میدهد. اولگا کنارد از دانشگاه کمبریج، مرکز داده کریستالوگرافیک کمبریج را که منبع شناخته شده بین المللی داده های ساختاری مولکول های کوچک است، از سال 1965 تا 1997 تاسیس و اداره کرد. ، اولین بار در سال 1971 و در سال 2010 در ویرایش سوم آن منتشر شد. النور دادسون، زیست شناس متولد استرالیا، که به عنوان تکنسین دوروتی هاجکین شروع به کار کرد، محرک اصلی CCP4 بود، پروژه محاسباتی مشترک که در حال حاضر بیش از 250 ابزار نرم افزاری را با کریستالوگراف های پروتئین در سراسر جهان به اشتراک می گذارد.
شاخههای اصلی
جستارهای وابسته
منابع
- ↑ «iycr2014 - UN resolution». www.iycr2014.org. دریافتشده در ۲۰۲۲-۱۲-۰۷.
- ↑ "The Evolution of the Goniometer". Nature (به انگلیسی). 95 (2386): 564–565. 1915-07-01. doi:10.1038/095564a0. ISSN 1476-4687.
- ↑ Wlodawer, Alexander; Minor, Wladek; Dauter, Zbigniew; Jaskolski, Mariusz (2008-1). "Protein crystallography for non-crystallographers, or how to get the best (but not more) from published macromolecular structures". The FEBS journal. 275 (1): 1–21. doi:10.1111/j.1742-4658.2007.06178.x. ISSN 1742-464X. PMC 4465431. PMID 18034855.
- ↑ Snigirev, A.; Bjeoumikhov, A.; Erko, A.; Snigireva, I.; Grigoriev, M.; Yunkin, V.; Erko, M.; Bjeoumikhova, S. (2007-07-01). "Two-step hard X-ray focusing combining Fresnel zone plate and single-bounce ellipsoidal capillary". Journal of Synchrotron Radiation (به انگلیسی). 14 (4): 326–330. doi:10.1107/S0909049507025174. ISSN 0909-0495.
- ↑ «Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th Edition | Wiley». Wiley.com (به انگلیسی). دریافتشده در ۲۰۲۲-۱۲-۰۷.
- ↑ Kendrew, J. C.; Bodo, G.; Dintzis, H. M.; Parrish, R. G.; Wyckoff, H. (1958-03-01). "A Three-Dimensional Model of the Myoglobin Molecule Obtained by X-Ray Analysis". Nature. 181: 662–666. doi:10.1038/181662a0. ISSN 0028-0836.
- ↑ Kahr, Bart (2015-08-25). "Broader Impacts of Women in Crystallography". Crystal Growth & Design. 15 (10): 4715–4730. doi:10.1021/acs.cgd.5b00457. ISSN 1528-7483.
- ↑ Ferry, Georgina (2014-01). "History: Women in crystallography". Nature (به انگلیسی). 505 (7485): 609–611. doi:10.1038/505609a. ISSN 1476-4687.
- ↑ Sanz-Aparicio, Julia (2015-04-30). "El legado de las mujeres a la cristalografía". Arbor (به اسپانیایی). 191 (772): a216–a216. doi:10.3989/arbor.2015.772n2002. ISSN 1988-303X.
- ↑ "OCLC". Wikipedia (به انگلیسی). 2022-11-30.
- ↑ "Crystal structure analysis : a primer | WorldCat.org". www.worldcat.org (به انگلیسی). Retrieved 2022-12-07.
- Borchardt-Ott, W. ، Crystallography, translation to English by Gould, R.O. , Springer Verlag، ۱۹۹۳.
منابعی برای مطالعهٔ بیشتر
- اعتمادی، بیژن، بلورشناسی، تهران: مرکز نشر دانشگاهی - ۱۳۸۱خ.