X射线晶体学/基础

X射线

波长

我们为什么要用X射线来观察分子？X射线是电磁辐射，就像可见光一样，但波长要短得多。X射线的波长约为1Å（1埃 = 1x10^-10米），而可见光范围为350-700纳米。这种较短的波长很有用，因为它允许观察原子细节，这是因为你无法看到小于你所用波长一半的细节。但是，使用短波长有一个缺点，能量与波长成反比，这意味着X射线光子对生物样本的损害更大。

能量

推导：keV 到 Å:

普朗克公式； $E=hv$ 波的速率，对于电磁辐射，这是光速，c。 $c=v\lambda$ $E={\frac {hc}{\lambda }}$ 这是给定波长下每个光子的能量。 $V={\frac {E}{e}}={\frac {hc}{e\lambda }}$ 能量可以通过除以电荷来转换成电势差，在本例中是电子的电荷。

X射线是电磁波谱的一部分，具有波的磁性和电性成分。由于它们具有波粒二象性，因此在某些情况下可以认为它们是粒子，而在其他情况下则可以认为它们是波状的。电磁辐射的波长和能量之间存在反比关系。

$E={\frac {hc}{\lambda }}$

其中E = 能量，h = 普朗克常数，c = 光速，λ = 波长。

将波长转换为能量通常很方便，在X射线晶体学领域，最有用的单位是keV或千电子伏特。一个快速简单的转换是；

$E(keV)={\frac {12.4}{\lambda {}(\mathrm {\AA} {})}}$

X射线窗口

X射线位于电磁波谱中被称为X射线窗口的部分。这意味着它们不会被空气或水吸收。这也意味着它们具有很强的穿透力。在X射线束附近要小心，不要将你的手直接放在射束路径中。铅可以用来阻挡X射线。'软' X射线波长约为2Å，它们容易被空气和水吸收，因此穿透力不强。波长小于0.2Å的X射线被称为$\gamma$-射线，具有很强的穿透力，但与物质的相互作用不大。这使得0.5-1.6Å的可用波长范围适合X射线晶体学，因为它们能够穿透样本并产生足够的相互作用以便发生散射。

相互作用

在照射到晶体上的X射线中，只有约2%会发生相互作用，其余的会被束流阻挡器收集。在这2%与晶体发生相互作用的X射线中；8%通过（弹性）相干汤姆森散射发生相互作用，产生观察到的衍射图样，另有8%通过（非弹性）非相干康普顿散射发生相互作用，这会导致衍射图样上的背景噪声，然而，令人担忧的是84%通过光电效应发生相互作用，导致通过产生自由基（Murray J 和 Rudiño-Piñera E，2005）而造成辐射损伤。

为什么要使用晶体

我们使用晶体是因为X射线束的能量很高。X射线束具有很高的破坏性，特别是对生物样本。通过使用晶体，这种破坏被分散到各个分子中，但是最终生成的图像是在单位晶胞中所有蛋白质的电子密度在时间和空间上的平均图像。

透镜

波粒二象性:

波与粒子之间的关系由德布罗意关系给出； $\lambda ={\frac {h}{p}}$ 其中p是粒子的动量，h是普朗克常数。

那么，为什么我们不能直接使用X射线显微镜呢？

X射线显微镜的主要问题在于无法制造出能够聚焦X射线的透镜。所有材料对X射线的折射率都接近于1。可以使用区域板，它利用衍射而不是折射来聚焦光线至50Å的波长，但这不适用于高分辨率工作。

为了克服这个问题，我们使用计算机来完成透镜的工作。在光学显微镜中，入射光被物体衍射到透镜上，然后透镜将衍射图案汇聚到聚焦点上，从而生成图像。在X射线晶体学中，我们只能得到衍射图像，该图像可以通过图像板或CCD记录，这是晶体内部平面的布拉格峰的图像，这些平面发生相干干涉。

唯一的问题是相位信息丢失了。衍射图像记录设备只能测量布拉格峰的振幅，而不能测量相位信息。相位信息可以被认为是入射波的到达时间或穿过晶胞的深度。

同步辐射

同步辐射是地球上最明亮的光之一。它是X射线晶体学家可以使用的最强大的工具之一。它由大型名为同步加速器中的机器产生的X射线束组成。这些机器将带电粒子，通常是电子，加速到接近光速，然后将它们绕着一个巨大的空心金属环旋转。同步加速器最初是为高能物理学家研究亚原子粒子与宇宙现象而设计的。每个同步加速器的最大组件是其电子储存环。这个环实际上不是一个完美的圆形，而是一个多边形。在多边形的每个角上，精确对齐的磁铁弯曲电子流，迫使其保持在环内。每次电子路径弯曲时，它们都会以电磁辐射的形式发出能量爆发。由于同步加速器中的粒子以接近光速的速度运动，因此它们会发出强烈的辐射，包括大量的高能X射线。

[编辑]

"生命结构". 美国卫生与公众服务部. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (帮助); Unknown parameter |Year= ignored (|year= suggested) (帮助)