X 射线衍射分析晶体生长

需要单晶来确定其结构。晶体的质量在很大程度上影响结构测定的质量和准确性。

单晶是一种固体，其中分子排列在所有三个维度上重复。晶体固体中原子的空间排列可以使用 X 射线晶体学来确定。在这种技术中，纯结晶样品被 X 射线束包裹。晶体以与晶体结构和分子组成相关的独特模式衍射 X 射线。如果晶体形成得太快，分子可能会无序，杂质可能会掺入晶体中，或者可能会形成两个或多个熔融晶体而不是单个晶体。因此，需要强调缓慢生长的专用方法来生产足够质量的晶体，用于 X 射线晶体学。

本视频将说明 X 射线质量晶体所需的特性，演示生长它们的程序，并介绍该技术在化学中的一些应用。

电子在受到撞击时通过发射球形 X 射线波来散射 X 射线。如果原子有序排列，波之间的相长干涉会在 X 射线探测器上产生特征衍射图样。晶体在光束内旋转，以从多个角度收集衍射图案。有了足够的衍射图谱，就可以推导出分子结构。

X 射线质量的晶体通常形成对称的形状，并具有光滑的反光面。在偏光显微镜下观察时，它们将是透明的，但大多数在旋转 90 度时会变暗。这表明结构高度有序。为了生长这些晶体，通常使用液-液扩散。它采用两种混溶溶剂：一种低密度溶剂或沉淀剂，其中待重结晶的化合物不溶;以及化合物可溶的高密度溶剂。通常，沉淀剂与溶剂的体积比为 2：1。

将低密度沉淀剂分层到高密度溶剂中化合物的浓缩溶液上。随着时间的推移，随着沉淀剂与溶液混合，化合物的溶解度会降低。较小的溶剂界面会导致较慢的扩散速率，从而产生更大、更纯净的晶体。现在您已经了解了生长 X 射线质量晶体的原理，让我们来了解一下通过液-液扩散生长它们的程序。

首先，获取文本协议中的必要设备。获取化合物的溶剂和密度较低的沉淀剂。

要制备移液器过滤器，请将一小块 Kimwipe 放入玻璃移液器的顶部，然后使用杆或另一支移液器的杆轻轻将纸张向下压至移液器主体的底部，注意不要刺穿纸张。准备两个移液器过滤器。将一个放入 NMR 管中。如有必要，用实验室夹和环形支架固定组件。将约 10 mg 待重结晶的化合物溶解在 0.75 mL 溶剂中。

现在，小心地将样品溶液加入移液器过滤器中。将球固定在顶部并缓慢挤压，使溶液进入 NMR 管以去除固体杂质。连接时不要让灯泡重新膨胀，因为吸力会使滤纸脱落。

接下来，取下用过的移液器过滤器，将第二个过滤器放入 NMR 管中。将大约 1.5 mL 的沉淀剂移液到试管中。让溶剂在重力作用下通过过滤器。从现在开始，请注意在任何作过程中都不要干扰过滤器。一旦所有沉淀物都过滤到试管中，取下过滤器并盖上试管。将其放在橱柜或其他易于检查的位置，以免被搅动。

至少一天后，检查试管是否有晶体生长。如果不存在晶体或晶体非常小，请保持样品管不受干扰。如果可以看到晶体，请在不干扰溶剂层的情况下检查其大小和形状。

如果晶体很大、轮廓分明且没有聚集在一起，请在显微镜下检查晶体，以验证它们是否具有 X 射线质量。在衍射仪准备好开始扫描之前，不要从管中取出晶体。如果溶剂分子掺入晶体结构中，让晶体干燥会降解晶体。使用 X 射线晶体学，这些深红紫色晶体的分子结构被验证为四苯卟啉。

X 射线晶体学是化学和生物化学中必不可少的分析工具。

重结晶方法包括加热和冷却、液-液扩散、蒸汽扩散和慢速蒸发。在单一溶剂系统的缓慢蒸发中，将化合物溶解在少量溶剂中，并置于盖子上带有小孔的容器中。随着溶剂的蒸发，浓度增加，直到化合物开始结晶。

蛋白质的功能通常与其结构有关。然而，蛋白质可能非常难以结晶。必须开发专门的技术来培养 X 射线质量的蛋白质晶体。在这里，将一滴蛋白质溶液与一滴沉淀剂混合，并将该混合物密封在装有纯沉淀剂的腔室中。随着溶剂蒸气从液滴中扩散出来，蛋白质在液滴中的溶解度降低，蛋白质缓慢结晶。另一种技术是在矿物油下混合蛋白质溶液和沉淀剂。使用这些技术，可以结晶各种蛋白质进行分析。

在粉末衍射中，每个可能的空间方向在样品中同时表示。由于三维结构数据的损失，粉末衍射对结构的信息不如单晶 X 射线衍射。相反，粉末衍射在分析结晶固体混合物和评估非晶结构的结晶度方面表现出色。

您刚刚观看了 JoVE 对用于 X 射线晶体学的晶体生长的介绍。您现在应该熟悉 X 射线质量晶体的特性、生长它们的程序以及该技术在化学中的一些应用。

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