X射線晶體學/基礎

X射線

波長

我們為什麼要用X射線來觀察分子？X射線是電磁輻射，就像可見光一樣，但波長要短得多。X射線的波長約為1Å（1埃 = 1x10^-10米），而可見光範圍為350-700奈米。這種較短的波長很有用，因為它允許觀察原子細節，這是因為你無法看到小於你所用波長一半的細節。但是，使用短波長有一個缺點，能量與波長成反比，這意味著X射線光子對生物樣本的損害更大。

能量

推導：keV 到 Å:

普朗克公式； $E=hv$ 波的速率，對於電磁輻射，這是光速，c。 $c=v\lambda$ $E={\frac {hc}{\lambda }}$ 這是給定波長下每個光子的能量。 $V={\frac {E}{e}}={\frac {hc}{e\lambda }}$ 能量可以透過除以電荷來轉換成電勢差，在本例中是電子的電荷。

X射線是電磁波譜的一部分，具有波的磁性和電性成分。由於它們具有波粒二象性，因此在某些情況下可以認為它們是粒子，而在其他情況下則可以認為它們是波狀的。電磁輻射的波長和能量之間存在反比關係。

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

其中E = 能量，h = 普朗克常數，c = 光速，λ = 波長。

將波長轉換為能量通常很方便，在X射線晶體學領域，最有用的單位是keV或千電子伏特。一個快速簡單的轉換是；

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

X射線視窗

X射線位於電磁波譜中被稱為X射線視窗的部分。這意味著它們不會被空氣或水吸收。這也意味著它們具有很強的穿透力。在X射線束附近要小心，不要將你的手直接放在射束路徑中。鉛可以用來阻擋X射線。'軟' X射線波長約為2Å，它們容易被空氣和水吸收，因此穿透力不強。波長小於0.2Å的X射線被稱為$\gamma$-射線，具有很強的穿透力，但與物質的相互作用不大。這使得0.5-1.6Å的可用波長範圍適合X射線晶體學，因為它們能夠穿透樣本併產生足夠的相互作用以便發生散射。

相互作用

在照射到晶體上的X射線中，只有約2%會發生相互作用，其餘的會被束流阻擋器收集。在這2%與晶體發生相互作用的X射線中；8%透過（彈性）相干湯姆森散射發生相互作用，產生觀察到的衍射圖樣，另有8%透過（非彈性）非相干康普頓散射發生相互作用，這會導致衍射圖樣上的背景噪聲，然而，令人擔憂的是84%透過光電效應發生相互作用，導致透過產生自由基（Murray J 和 Rudiño-Piñera E，2005）而造成輻射損傷。

為什麼要使用晶體

我們使用晶體是因為X射線束的能量很高。X射線束具有很高的破壞性，特別是對生物樣本。透過使用晶體，這種破壞被分散到各個分子中，但是最終生成的影像是在單位晶胞中所有蛋白質的電子密度在時間和空間上的平均影像。

透鏡

波粒二象性:

波與粒子之間的關係由德布羅意關係給出； $\lambda ={\frac {h}{p}}$ 其中p是粒子的動量，h是普朗克常數。

那麼，為什麼我們不能直接使用X射線顯微鏡呢？

X射線顯微鏡的主要問題在於無法制造出能夠聚焦X射線的透鏡。所有材料對X射線的折射率都接近於1。可以使用區域板，它利用衍射而不是折射來聚焦光線至50Å的波長，但這不適用於高解析度工作。

為了克服這個問題，我們使用計算機來完成透鏡的工作。在光學顯微鏡中，入射光被物體衍射到透鏡上，然後透鏡將衍射圖案匯聚到聚焦點上，從而生成影像。在X射線晶體學中，我們只能得到衍射影像，該影像可以透過影像板或CCD記錄，這是晶體內部平面的布拉格峰的影像，這些平面發生相干干涉。

唯一的問題是相位資訊丟失了。衍射影像記錄裝置只能測量布拉格峰的振幅，而不能測量相位資訊。相位資訊可以被認為是入射波的到達時間或穿過晶胞的深度。

同步輻射

同步輻射是地球上最明亮的光之一。它是X射線晶體學家可以使用的最強大的工具之一。它由大型名為同步加速器中的機器產生的X射線束組成。這些機器將帶電粒子，通常是電子，加速到接近光速，然後將它們繞著一個巨大的空心金屬環旋轉。同步加速器最初是為高能物理學家研究亞原子粒子與宇宙現象而設計的。每個同步加速器的最大元件是其電子儲存環。這個環實際上不是一個完美的圓形，而是一個多邊形。在多邊形的每個角上，精確對齊的磁鐵彎曲電子流，迫使其保持在環內。每次電子路徑彎曲時，它們都會以電磁輻射的形式發出能量爆發。由於同步加速器中的粒子以接近光速的速度運動，因此它們會發出強烈的輻射，包括大量的高能X射線。

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"生命結構". 美國衛生與公眾服務部. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (幫助); Unknown parameter |Year= ignored (|year= suggested) (幫助)