Комплементарность
Очень высокая интенсивность и узкая дивергенция рентгеновских лучей, доступная в настоящее время от синхротронных источников, делает выбор в их пользу как источников излучения в структурной биологии. В этом отношении источники нейтронного излучения значительно слабее, но особые свойства нейтрона, особенно в отношении рассеивающих способностей водорода и дейтерия, позволили проанализировать определённые проблемы, которые было трудно или невозможно решить при помощи рентгеновских лучей. Молекулы водорода и воды играют важную роль в биологических структурах, их можно "увидеть" при нейтронной кристаллографии, даже если они не имеют строго упорядоченную структуру. Нейтронные методы, основанные на маркировке водорода-дейтерия и контрастной изменчивости, предоставили важную информацию об организации комплексов белок-белок и белок-нуклеиновая кислота и мембран. Нейтроны также обладают уникальными радиоактивными свойствами для исследования молекулярной динамики. Из-за энергии, связанной с длиной волны около 1 Å порядка тепловой энергии, они позволяют одновременно измерять амплитуды и частоты колебаний в образце.
Источники излучения и измерительные приборы
Рентгеновские лучи
Фотоны рентгеновских лучей вырабатываются лучом электронов от разогретого катода, бомбардирующим цель из металла, либо в виде излучения синхротрона от зарядов (электронов и позитронов), разгоняемых по кругу магнитными устройствами. Источники рентгеновского излучения прошли эволюцию от запаянной трубки до вращающегося анода и до нескольких поколений синхротронов, что обеспечило повышение яркости луча более чем на десять порядков. Это позволило ставить опыты на всё меньших образцах. Микрокристаллы белка (~10−5 мм3) обычно исследуются на синхротронах третьего поколения.
Плотность потока и яркость.
Плотность потока определяется как число фотонов или нейтронов, проходящих единицу площади за секунду (например, обычные единицы измерения плотности потока нейтронов – нейтронов на см2 за 1 сек). Нейтронные лучи имеют достаточно большую дивергенцию, а угловое разрешение в опыте дифракции может быть достигнуто только с использованием прорезей или аналогичных устройств, уменьшающих интенсивность.
В случае с излучением синхротрона также полезно определить единицу измерения интенсивности, которая также учитывала бы малую дивергенцию луча (что позволяет достичь очень хорошего углового разрешения при сохранении полной интенсивности в луче). Яркость определяется как число фотонов, проходящих через единицу площади за секунду через единичный телесный угол дивергенции луча (например, обычно единицей яркости для луча синхротрона является число фотонов в секунду на мм2 на мрад2).
Из-за свойственной сложности получения "больших" кристаллов биологических макромолекул, возможность работать с такими короткоживущими образцами является важным преимуществом метода, делая его применимым в широком диапазоне структурных вопросов.
Рис. Е.14 Принципиальная схема синхротронного источника. Большое число отклоняющих магнитов располагаются по окружности синхротронного кольца. Они удерживают пучок электронов на круговой орбите.. Ондуляторы располагаются между магнитами. Они содержат большое число магнитных полюсов, позволяющих сформировать хорошо сфокусированный узкий пучок (расходимость около 0.001 градуса). Кроме того они позволяют существенно увеличить яркость пучка и его когерентность.
В случае рентгеновских генераторов с металлическими анодами, испущенное излучение соответствует переходам электронов с определённой энергией. Основная длина волны от меди составляет 1,54 Å, в то время как для мишени из молибдена – 0,71 Å. Синхротронные источники имеют особые преимущества, так как они способны обеспечить широкий диапазон, из которого может быть выбрана волна определённой длины при помощи монохроматора.
Нейтроны
Источники нейтронного излучения имеют значительно меньшую интенсивность по сравнению с источниками рентгеновского излучения. Их относительная слабость в определённой степени компенсируется очень низким поглощением (отсутствие радиационного повреждения в отличие от рентгеновских лучей), связанным с возможностью использовать большие сечения лучей и большие длины волн, которые противопоказаны для рентгеновских лучей из-за высокого поглощения. Эти возможности, совмещённые с определённой техникой контрастной изменчивости, делают источники нейтронного излучения очень конкурентоспособными при кристаллографии с низким разрешением и опытах с малым углом рассеивания.
Непрерывный поток нейтронов вырабатывается в реакторах при цепной реакции деления U235. В источниках расщепления ядра вырабатываются импульсные лучи нейтронов при ударе луча разогнанных протонов по мишени из металла. Высокоэнергетические протоны прорываются через ядра металла мишени, разрушая их со значительной долей быстрых нейтронов. Нейтроны ведут себя как газ и замедляются тепловым уравновешиванием посредством соударений в материале, называемом замедлителем (обычно лёгкая или тяжёлая вода). Нейтроны с энергией, близкой к энергии при температуре окружающей среды (300 °K) называются тепловыми нейтронами (энергия 24.5 миллиэлектрон-вольт (meV), длина волны 1.8 Å) (Таблица Е1.1). "Горячие" и "холодные" источники также могут быть включены в источник нейтронного излучения, чтобы производить нейтроны с разной длиной волны. Нейтронный спектр от холодных источников достигает максимума при длине волны в несколько ангстремов. Длинноволновые нейтроны несильно поглощаются веществом (в отличие от длинноволновых рентгеновских лучей) и особенно полезны для исследований с малым углом рассеивания. Тепловые нейтроны достигают максимума при длине волны доли ангстрема и особенно очень полезны для высокоточной химической кристаллографии. Холодные источники также могут быть основаны на источниках расщепления ядра, но в горячих источниках нет необходимости, так как поток расщепления уже содержит значительную часть нейтронов высокой энергии.
Крупномасштабные сооружения
Стационарные Мигающие
(с тратой энергии) (с тратой энергии )