Рис. 1. Постройка молекулы парацетамола C8H9NO2, полученное с помощью дифракции прецессирующих электронов и динамического уточнения структуры. Золотым цветом отмечены максимумы электронной плотности в точках, соответственных положению атомов водорода (сами атомы обозначены светло-розовыми кружочками). Разностная карта электронной плотности показана для слоя кристалла вдоль оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Кофейные кружочки — атомы углерода, голубые — атомы азота, алые — атомы кислорода. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
Ученым из Чехии и Франции с поддержкой метода трехмерной дифракции электронов и разработанного ими алгоритма уточнения структуры с динамическим рассеянием на кристалле удалось с рослой точностью определить положение атомов водорода в органических и неорганических материалах. Изыскание открывает новые возможности для подробного структурного анализа веществ.
Крошечный атом водорода играет значительную роль в химических и биологических процессах. Локализация его атомов — значительная часть структурного анализа кристаллов, так как от положений атомов и длин водородных связей зависят обскурантские способности молекул и другие физико-химические свойства многих материалов. Но заметить положение атомов водорода в кристалле очень сложно, так как у самого легкого химического элемента итого один электрон.
Для исследования структуры вещества с успехом используют методы дифракции, основанные на изучении углового распределения интенсивности невнимательного (дифрагированного) веществом излучения, этот анализ одинаков для рентгеновской, нейтронной и электронной дифракции. Если длина упадающего на кристалл излучения соизмерима с расстояниями между атомами, то можно получить полотно из дифракционных максимумов — результат интерференции волн. Их интенсивность однозначно связана со структурой и химическим составом вещества, потому появляется возможность решения обратной задачи дифракции, то кушать установление структуры вещества по его дифракционной картине. Разная физиологическая природа взаимодействия с веществом у рентгеновских квантов, нейтронов и электронов обуславливает вид и особенности дифракционной полотна для каждого метода, что определяет области их применения и позволяет сочетать различные способы исследования вещества.
При дифракции рентгеновского излучения на монокристалле рассеяние выходит на электронной плотности атомов, которая отражает пространственное распределение заряда. Так как один-единственный электрон водорода почти не рассеивает рентгеновское излучение, то поза его атомов напрямую оценить невозможно, к тому же для рентгеновского изыскания нужны достаточно большие образцы. В некоторых случаях атомы водорода можно заметить, используя специальные процедуры уточнения структуры.
В нейтронной дифракции нейтроны, не имеющие заряда, рассеиваются основами, в том числе и ядрами водорода, то есть дифракция слабо зависит от атомного номера кристалла. Этим методом была установлена структура многих органических соединений, гидридов, кристаллогидратов и иных водородосодержащих веществ, но для дорогих экспериментов (которые чаще коротают с изотопом водорода, дейтерием) нужны установки, которые малодоступны.
При электронной дифракции электроны взаимодействуют с электростатическим полем атома, воздействуя на вещество на распорядки сильнее, чем при рентгеновском излучении. Это позволяет исследовать гораздо немало мелкие фрагменты кристалла с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) и извлекать информацию из проявляющихся добавочных (динамических) максимумов дифракции. С увеличением толщины исследуемого образчика в зависимости от его ориентации растет вероятность многократного рассеяния и появления добавочных эффектов, поэтому на пути электронного пучка обычно помещают ювелирную пленку, на которую осаждают кристаллы. Электронограмму получают за секунды, в отличие от рентгенограммы, для какой требуются минуты или часы.
В 1950 году впервые в практике структурного разбора Борис Вайнштейн, основываясь на своих пионерских работах по электронной дифракции, экспериментально установил положения атомов водорода в нескольких органических соединениях макроскопического размера (в парафине, дикетопиперазине и иных соединениях).
За последние десятилетия возможности электронной дифракции гораздо увеличились. В 1994 году был предложен экспериментальный метод, какой позволяет упростить интерпретацию сложной картины рассеяния и убавить количество дополнительных эффектов, — дифракция прецессирующих электронов (Precession electron diffraction, PED, см.: R. Vincent, P. A. Midgley, 1994. Double conical beam-rocking system for measurement of integrated electron diffraction intensities), но на то, чтобы повысить точность метода и сделать его общедоступным, удалилось еще десять лет. В экспериментах PED пучок электронов отклоняется от основной оси и прецессирует кругом нее, возбуждая только часть отражений в единицу времени, что гораздо сокращает число динамических рассеяний.
Затем были разработаны автоматизированные методы электронной дифракционной томографии (см: U. Kolb, T. Gorelik, C. Kübel, M. T. Otten, D. Hubert, 2007. Towards automated diffraction tomography: Part I — Data acquisition, а также новинка Создана четырехмерная электронная томография, «Элементы», 02.08.2010). Расшифровка кристаллической структуры немало веществ превратилась почти в рутинное дело, в том числе — и материалов каркасного образа (кристаллы с полостями), фармпрепаратов и белков, но структурные модели получались будет грубыми, что не позволяло точно определить положение атомов водорода.
Чтобы выявить детальную структуру крошечных кристаллов, Лукаш Палатинус (Lukáš Palatinus) из Института физики Академии наук Чешской Республики совместно с коллегами предложил использовать метод трехмерной дифракции прецессирующих электронов в вязке с уже опробованным им алгоритмом динамического уточнения структуры кристалла. Впервые с поддержкой этих методов ученые смогли с высокой точностью установить положение атомов водорода в кристаллах от микро- до наноразмеров у органического материала (парацетамол) с популярной структурой и неорганического каркасного материала (алюмофосфат кобальта) с незнакомой структурой.
Структурный анализ и уточнение структуры вещества
Дефиниция атомной структуры кристалла (то есть ответ на вопрос: где конкретно в структуре размещены атомы того или иного химического элемента?) с помощью методов дифракции проходит в два этапа.
1) Расшифровка структуры: первоначальный сбор и измерение интенсивности рассеяния от образчика. Обычно на этом этапе удается определить только доля структуры с наиболее тяжелыми атомами, которые дают максимальный лепта в рассеяние.
2) Уточнение структуры: процедура получения наилучшего согласия между вычисленными и экспериментальными структурными амплитудами рассеяния линией последовательного добавления и уточнения атомных параметров приближенной (пробной) модели структуры, определенной на первом этапе. Процедура уточнения выходит итеративно и использует, как правило, сочетание метода наименьших квадратов и разностных карт электронной плотности. По разностным картам с поддержкой Фурье-синтеза электронной плотности находят позиции недостающих атомов в структуре.
В итоге получают: координаты атомов в элементарной ячее, их тепловые параметры, геометрию молекулы (длины связей и т. д.), фактор сходимости (мера согласованности между кристаллографической моделью и экспериментальными этими) и другие показатели качества эксперимента.
Кинематическое и динамическое уточнение
Типовые методы для уточнения структуры кристалла используют кинематическую теорию дифракции, какая не очень хорошо подходит для дифракции электронов. Она основана на линии допущений:
- элементарная ячейка кристалла состоит из сферически симметричных атомов,
- атомы недвижимы, то есть тепловые колебания отсутствуют,
- все элементарные ячейки в кристалле равны, то есть отсутствуют дефекты,
- рассеянная один раз волна сходит из кристалла, то есть рассеяние является однократным,
- нет интерференции между упадающей и рассеянной волнами.
Эти предположения не вполне соответствуют реальной ситуации, но гораздо облегчают анализ процесса рассеяния кристаллом и используются в рентгеноструктурном разборе. В динамическом уточнении таких допущений нет. Это, естественно, существенного усложняет труд и предыдущие попытки использования динамического уточнения для электронной дифракции не бывальщины столь успешными, как у авторов обсуждаемой статьи.
Значения терминов можно посмотреть, так, в справочнике Основные термины и понятия структурной кристаллографии и кристаллохимии (cловарь-пособие).
Чтобы показать преимущества метода и возможности его дальнейшего использования, ученые вначале исследовали органический кристалл парацетамола (C8H9NO2) с известной структурой и доказали, что новоиспеченный метод помогает обнаружить атомы водорода в кристаллах этой значительной фармацевтической молекулы, чувствительной к излучению электронов.
Кристаллы парацетамола синтезировали, осаждая их на ювелирную пленку подложки просвечивающего электронного микроскопа. Чтобы получить трехмерные изображения дифракции, поверхность кристаллов площадью одинешенек квадратный микрометр сканировали пучком электронов плотностью 0,4 заряда на квадратный ангстрем в секунду с прецессией (с углом 1,3 градуса). От такого облучения образчик портится, видимые разрушения кристалла проявляются через 30 секунд после основы облучения, поэтому каждый сеанс сканирования проводился в течение итого несколько секунд.
С помощью программы Superflip ученые получили начальную пробную структуру парацетамола без атомов водорода, какая согласуется с опубликованными ранее данными (Д. А. Дружбин, Т. Н. Дребущак, В. С. Миньков, Е. В. Болдырева, 2015. Кристаллическая структура двух полиморфных модификаций парацетамола при 20К: розыск взаимосвязи «Структура—свойство»). Затем, применив алгоритмы для динамического уточнения модели и разностных карт электронной плотности, исследователи смогли установить положение всех атомов водорода в парацетамоле (рис. 1 и анимация ниже). Для сравнения было прочерчено уточнение структуры в кинематическом приближении, но полученные разностные карты электронной плотности очутились недостаточно информативными для определения атомов водорода.
Трехмерная визуализация молекулы парацетамола с атомами водорода, поза которых определено с помощью динамического уточнения структуры. Анимация из обсуждаемой статьи в Science
Электронная плотность и разностные карты электронной плотности
Электронная плотность отражает пространственное распределение заряда (или плотность вероятности присутствия электрона в данной единице объема). Разностные карты электронной плотности молекул и образующих их атомов позволяют судить об особенностях перераспределения электронной плотности при образовании кристаллов, то кушать делать предположения о характере химической связи, взаимном воздействии атомов и изменении строения родственных молекул. Разностную электронную плотность определяют как разность между экспериментальной электронной плотностью и электронной плотностью, вычисленной по пробной модели структуры. Электронную плотность воображают с помощью карт типа топографических, на которых указывают черты уровня электронной плотности для определенных сечений трехмерного пространства. Как правило, электронная плотность имеет максимумы в точках, отвечающих позам атомов.
Убедившись в надежности метода на парацетамоле, ученые занялись дефиницией неизвестной структуры алюмофосфата кобальта Co1,22Al2P4O20H11,56, какой относится к каркасным неорганическим материалам. Кристаллы таких материалов заключаются из прочных ажурных каркасов с полостями, их используют в качестве катализаторов, сорбентов, ионообменников и пищевых добавок, потому исследование их структуры представляет большой интерес. В металлосодержащих алюмофосфатах атомы водорода (и/или молекулы воды) обыкновенно связаны с металлическим центром молекулы и оказывают влияние на обскурантистскую способность и каталитические свойства вещества. Дробные индексы в формуле указывают на то, что вещество относится к нередко встречающимся кристаллам с неполной упорядоченностью, в которых отдельные атомы или структуры статистически занимают несколько вероятных положений (см. нестехиометрические соединения, стехиометрия). В данном случае это прикасается кобальта и водорода.
Ученые синтезировали кристаллы алюмофосфата кобальта и установили параметры его структуры сначала у шести образцов с помощью метода трехмерной дифракции прецессирующих электронов. Разбор выявил значительные структурные изменения, которые произошли в кристаллах при облучении электронами рослых энергий. Для дальнейшего уточнения структуры использовали другие шесть образчиков, которые были просканированы небольшими дозами облучения. Полученные итоги оказались ближе к данным рентгеновской дифракции на монокристалле. (Для рентгеновской дифракции бывальщины выращены кристаллы большего размера, а анализ их структуры использовался для самостоятельной проверки результатов метода ученых, хотя на моделях не удалось выявить все позы атомов водорода).
Так как структура алюмофосфата кобальта разупорядочена, и атомы водорода могут занимать различные позиции в кристалле, выявить их достаточно сложно. Поэтому ученые слили данные от всех шести кристаллов, использовали процедуру динамического уточнения и получили разностные карты плотности с четко сформулированными максимумами для всех атомов водорода (рис. 2, см. также видео из добавочных материалов к обсуждаемой статье). Для сравнения результатов было прочерчено исследование кристалла с кинематическим уточнением структуры для того же комплекта из шести кристаллов, но этим способом выявить положения атомов водорода в веществе не удалось.
Рис. 2. Структурная модель алюмофосфата кобальта, для построения какой использованы данные анализа шести кристаллов. Атомы кобальта показаны кубовым, алюминия — зеленым, фосфора — оранжевым, кислорода — красным, водорода — белоснежными кружочками. Желтые пятна — максимумы электронной плотности кругом атомов водорода. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
Метод Палатинуса и его коллег можно использовать для того, чтобы «увидать» атомы водорода в монокристаллах субмикронного размера из органических и неорганических материалов, причем чувствительность метода позволяет выявлять разупорядоченные позиции атомов и иные детали строения кристаллов, а значит, судить о химических и физиологических свойствах вещества. Преимущества электронной дифракции — доступность и стремительность этого метода — открывают новые возможности для подробного изучения веществ, сентиментальных к электронному облучению, таких как пористые материалы, гидраты и сложные органические вещества.
