КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2011, том 56, № 5, с. 777-804
= ОБЗОРЫ =
УДК 539.2
РЕНТГЕНОВСКОЕ МАЛОУГЛОВОЕ РАССЕЯНИЕ, СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И СТРУКТУРА БИО- И НАНОСИСТЕМ © 2011 г. Д. И. Свергун *, Э. В. Штыкова, В. В. Волков, Л. А. Фейгин
* Европейская лаборатория молекулярной биологии, Гамбург, Германия E-mail: svergun@embl-hamburg.de Институт кристаллографии РАН, Москва, Россия E-mail: feigin@ns.crys.ras.ru Поступила в редакцию 07.04.2011 г.
Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей — универсальный дифракционный метод исследования надатомной структуры веществ, возможности которого неизмеримо выросли в последние годы благодаря появлению ярких источников синхротронного излучения. Широкое применение этих источников, в совокупности с новыми методиками анализа данных рассеяния и построения структурных моделей, сделали малоугловое рассеяние одним из самых эффективных аналитических методов анализа наноразмерных структур. После краткого изложения основных принципов малоуглового рассеяния изотропными дисперсными наносистемами в работе рассмотрены две области на-нодиагностики, где прогресс в малоугловом эксперименте и новейшие методики интерпретации данных рассеяния рельефно проявились в последние годы. Эти направления — анализ строения биологических макромолекул в растворе и структурные исследования синтезированных металлических наночастиц в полимерных и водных носителях — проиллюстрированы примерами практических биологических и нанотехнологических приложений.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.
1. Основы теории малоуглового рентгеновского рассеяния.
1.1. Теоретические основы метода.
1.2. Инварианты и моделирование монодисперсных систем.
1.3. Полидисперсные системы и смеси.
2. Современные методы структурной интерпретации данных малоуглового рассеяния.
2.1. Обратная задача рассеяния и сферические гармоники.
2.2. Прямое восстановление формы.
2.3. Метод молекулярной тектоники.
3. Рентгеновские источники и установки для малоуглового эксперимента.
3.1. Традиционные установки для малоуглового рассеяния.
3.2. Некоторые характеристики синхротрон-ного малоуглового эксперимента.
3.3. Синхротронные малоугловые дифракто-метры.
4. Структурные приложения современного малоуглового рассеяния.
4.1. Исследования биологических макромолекул и их комплексов в растворе.
4.1.1. Первые применения прямых методов анализа.
4.1.2. Определение формы как основной инструмент малоуглового рассеяния в биологии.
4.1.3. Молекулярная тектоника и совместное использование малоуглового рассеяния с другими методами.
4.2. Исследование полимерных нанокомпози-тов.
4.2.1. Процессы формирования и стабилизации металлических наночастиц в самоорганизующихся полимерных матрицах.
4.2.2. Металлизированные мицеллярные системы.
4.2.3. Монодисперсные ферромагнитные на-ночастицы в растворе, стабилизированные биодеградируемыми полимерами.
Заключение.
ВВЕДЕНИЕ
Рентгеновское излучение дает самые различные возможности анализа внутреннего строения разнообразных веществ и материалов. В частности, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия широко используется для изучения электронной структуры, флуоресценция — для качественного и количественного анализа состава веществ. Для исследования поверхностных слоев помимо рентгеновской рефлектометрии все более широко применяется метод стоячих рентгеновских волн, позволяющий с высокой точно-
стью локализовывать типы атомов и их координаты в направлении, перпендикулярном плоскости образца [1, 2]. В структурных исследованиях применяются методы рентгеновской дифракции и рассеяния, основанные на эффектах упругого взаимодействия рентгеновских лучей со связанными электронами в образце. Для структурного анализа используется достаточно жесткое излучение с длиной волны X порядка ~0.1 нм, что близко к межатомным расстояниям. Для многих кристаллических объектов методы рентгеновской кристаллографии позволяют определять их структуру в виде трехмерного распределения электронной плотности р(г). Рентгеновская кристаллография началась пионерскими работами М. Лауэ в 1912 г. на кристаллах сульфата меди [3] и прошла путь, позволяющий в настоящее время определять структуры таких сложнейших макро-молекулярных объектов, как рибосома при атомном разрешении [4].
Дифракция на кристаллических объектах дает трехмерную картину рентгеновской интенсивности /(s), состоящую из набора рефлексов вдоль определенных направлений вектора рассеяния s. Эти рефлексы можно измерять до высокого разрешения, что собственно и дает возможность восстановления трехмерной структуры при атомном разрешении после решения фазовой проблемы [5], рассмотрению которой посвящено большое число работ. Разупорядоченные системы рефлексов, как правило, не дают, и измеряемая картина рассеяния — это достаточно гладкая, часто изотропная функция /(s) (здесь s = 4я sin 9/X — модуль вектора рассеяния или перенос момента, а 29 — угол рассеяния). В 1938 г. французский ученый А. Гинье обнаружил, что центральная часть дифракционной картины содержит довольно сильное рассеяние при наличии в веществе высокодисперсных зерен (как сейчас бы сказали, нано-частиц) с размерами в десятки нанометров [6]. Эти работы положили начало методу малоуглового рентгеновского рассеяния (МУР), который позволяет исследовать вещества самой разнообразной структуры, содержащие неоднородности размерами в диапазоне 1—103 нм. Чем больше размер рассеивающего объекта, тем в меньшем угловом интервале сосредоточено рассеянное излучение (номинальное разрешение d, отвечающее переносу момента s, определяется соотношением d = 2n/s). Соответственно рассеяние на малые углы (меньше нескольких градусов) несет информацию о "крупномасштабных" (по отношению к длине волны излучения X) рассеивающих объектах, и МУР дает структурную информацию с разрешением до 1—2 нм. Измерение интенсивности рентгеновского МУР представляет собой сложную техническую задачу, поскольку приходится регистрировать достаточно слабое рассеяние вблизи мощного первичного пучка излучения.
Сам по себе факт, что МУР обнаружено почти на 30 лет позже начала рентгеновских работ по кристаллографии, связан именно с отсутствием ярких рентгеновских источников. А. Гинье смог открыть МУР в первую очередь потому, что сконструировал специальную камеру с низким собственным уровнем фона. Неудивительно, что рентгеновское МУР принадлежит к методам, которые смогли полностью раскрыть свои возможности с появлением источников синхротронного излучения (СИ), начиная с 1980-х гг.
СИ обладает целым рядом важнейших преимуществ по сравнению с излучением рентгеновских трубок, в первую очередь неизмеримо более высокой интенсивностью и яркостью пучка фотонов. Достоинства СИ и его применения в МУР более подробно рассмотрены в разд. 3.
Применение МУР в исследовании биополимеров начало активно развиваться в 60-70-е гг. Это было связано с развитием молекулярной биологии и, прежде всего, с получением высокоочи-щенных препаратов белков, рибосом, вирусов. Размеры этих объектов лежат в области от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров, и растворы таких биополимеров весьма близки к теоретической системе идентичных на-ночастиц. В это время в Институте кристаллографии удалось показать на модельных расчетах, что интенсивность малоуглового рассеяния сильно зависит не только от размера частицы и ее формы, но и от внутренней структуры наночастицы. По данным малоуглового рассеяния построены структурные модели ряда белков, рибосом и нескольких бактериальных вирусов — бактериофагов. Эти последние объекты размером в несколько десятков нанометров были исследованы особенно подробно. В результате удалось прецизионно определить форму белковой оболочки бактериофагов Сд и Т7, размер отростка и особенности укладки РНК внутри вируса. Для осуществления этих исследований были разработаны и построены первые автоматические рентгеновские малоугловые дифрактометры и предложены программы обработки данных малоуглового рассеяния и построения моделей строения различных наночастиц. Высокая информативность определения структуры бактериофага Т7 [7] спустя 25 лет была подтверждена при использовании новейшего низкотемпературного электронно-микроскопического метода получения трехмерных изображений [8] (разд. 4.1).
Одновременно продолжались экспериментальные исследования биополимеров и был построен первый малоугловой рентгеновский ди-фрактометр с одномерным позиционно-чувстви-тельным детектором [9]. Тогда же была опубликована пионерская работа по изучению бактериофага с использованием синхротронного излучения [10].
В 1986-1987 гг. в СССР и США вышла в свет монография Л.А. Фейгина и Д.И. Свергуна по рентгеновскому и нейтронному малоугловому рассеянию, которая до сего времени широко используется исследователями в данной области [11].
Важнейшим фактором развития МУР стали также новые методики анализа данных рассеяния и построения структурных моделей. Экспериментальные данные МУР позволяют напрямую определять общие характеристические параметры исследуемых систем, например средний размер частиц, их массу, анизометрию. Построение трехмерных моделей представляет собой сложнейшую задачу из-за ограниченного количества информации, содержащейся в данных рассеяния. В сравнении с рентгенограммами монокристаллов, где измеряются трехмерные наборы рефлексов, МУР дает картины рассеяния, усредненные по ориентациям, а для полидисперсных систем и по размерам рассеивающих объектов. Решение обратной задачи рассеяния, т.е. однозначное восстановление по экспериментальным данным трехмерной структуры объекта, в общем случае просто невозможно. Тем не менее в ряде работ 1970-80-х гг. (обзор которых дан в [11]) показано, что при определенных ограничениях трехмерные модели удается определять из данных рассеяния. Основной прогресс был достигнут в конце 1990-х гг., когда появились новые подходы к интерпретации данных МУР изотропными монодисперсными системами [11]. Эти подходы, реализованные в виде компьютерных программ, доступных всему научному сообществу, получили широкое применение для анализа данных МУР сначала от биологических систем, а затем и от таких неб
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.