Химики из Японии применили лазер на свободных электронах для проведения рентгеноструктурного анализа молекулы родамина-6G. Благодаря этому анализ удалось провести на небольших кристаллах, а точность определения структуры оказалась не меньше, чем при применении электронной дифракции.

Исследование опубликовано в Nature Chemistry.

Один из самых надежных и одновременно доступных методов подтверждения структуры молекулы – это рентгеноструктурный анализ. Но чтобы им воспользоваться, химику нужен достаточно большой –несколько десятых миллиметра для каждого ребра – монокристалл вещества, которое он хочет анализировать. А если размеры кристалла меньше, выяснить его структуру с помощью рентгеновской дифракции не получится.

Но в 2011 году ученые из Германии и США предложили метод анализа кристаллов нанометрового размера. Их идея была в том, что для генерации рентгеновского излучения можно использовать лазер на свободных электронах, способный генерировать очень мощное излучение, нужное для получения четко дифракционной картины от маленьких кристаллов.

Проблема этого подхода была в том, что излучение такой мощности разрушает молекулы. Но химики научились регистрировать дифракционную картину до разрушения структуры, а затем повторять эту процедуру много раз на большом количестве маленьких монокристаллов – так им удалось найти способ получения четкого паттерна дифракции.

В 2011 году лазерный рентгеноструктурный анализ (ЛРСА) ученые применили для исследования монокристаллов белков, которые дают большое количество дифракционных пятен. А применить его для вещества, состоящего из малых молекул, получилось недавно у химиков под руководством Кодзи Енэкуры (Koji Yonekura) из Университета Тохоку. Они решили применить ЛРСА и электронную дифракцию (ее тоже можно проводить на маленьких кристаллах) для определения структуры соли красителя родамина-6G, а затем сравнить точность двух методов.

Для этого авторы статьи закристаллизовали соль родамина (диаметр кристаллов лежал в диапазоне от одного до пяти микрометров), а затем анализировали его тремя методами: ЛРСА, электронной дифракцией при комнатной температуре и криоэлектронной дифракцией при температуре жидкого азота. При комнатной температуре дифракция электронов дала меньшие значения отклонений модельных длин связей от экспериментальных – поэтому в итоге для сравнения использовали ее.

a) Структура, полученная с помощью ЛРСА. b) Структура, полученная с помощью электронной дифракции при комнатной температуре / Kiyofumi Takaba et al. / Nature Chemistry, 2023

В результате оказалось, что оба метода дают практически одинаковые структуры, но ЛРСА позволяет найти структуру с меньшими стандартными отклонениями рассчитанных длин связей – иногда даже в несколько раз. Поэтому химики сделали вывод, что лазерный рентгеноструктурный анализ можно использовать для определения структуры небольших молекул так же успешно, как и электронную дифракцию.

Несмотря на появление новых кристаллографических методов, кристаллография как научная область последнее время сталкивается с большими проблемами – в частности, с фальсификацией данных. Об этом можно подробнее прочитать в нашем материале «Деплатформинг структур.