結晶構造解析とは
結晶構造解析とは、X線などの電磁波の回折を利用して結晶内の電子密度の3次元構造を明らかにし、結晶の原子配列や分子構造などを決定する分析手法です。
主要な手法であるX線結晶構造解析は、無機、有機や分子の大きさを問わず様々な物質で利用可能なため、無機塩、金属、鉱物、半導体などの材料や、核酸やタンパク質などの複雑で巨大な生体分子などの分子構造を明らかにするために用いられています。また、様々なバルク材料、薄膜・表面処理、微粒子などの結晶構造を評価することにより、結晶配向状態の分析や各種定性分析に用いることもできます。
エレクトロニクス材料から、医薬・バイオ分野まで、多くの分野で活用されている分析手法です。
結晶構造解析の使用用途
結晶構造解析は、原子のサイズ、化学結合の長さと種類など、結晶の様々な構造的特性を決定することができます。主要な方法であるX線結晶構造解析は、特にビタミン、薬、タンパク質、DNAなどの核酸を含む、多くの生体関連分子の構造と機能を明らかにすることに用いられています。
こうした分析は、病気に対する医薬品を設計する上で有用な分析手法です。また、X線結晶構造は材料の電子的または弾性的特性や、分子間の化学的相互作用やプロセスを解明したりすることにも利用されます。
結晶構造解析の原理
1. 結晶構造解析の流れ
図1. 結晶構造解析の概要
結晶構造解析の全体の流れは、下記の通りです。
- 試料の結晶化条件の探索、測定に適する大きさの結晶の作製
- 結晶を照射装置に固定する
- 結晶にX線などの光線を照射して、回折パターンを二次元画像として得る
- フーリエ変換を用いて二次元画像の回折パターンを電子密度の3次元モデルに変換する
- 電子密度パターンから、結晶の構造を決定する
しばしば最初のステップである試料の適切な結晶の作製が最も困難であり、時間がかかることが多いです。結晶は十分な大きさ (一般的には全方向に渡って0.1 mm以上) と純度をもち、亀裂や双晶形成などの大きな欠陥のない構造をしている必要があります。
2. X線回折の原理
図2. ブラッグの条件
規則的構造を取っている結晶にX線などの電磁波を照射すると、入射するビームが多くの特定の方向に回折します。こうした回折を測定することにより、結晶内の電子密度の3次元画像を作成することが可能です。
例えば、X線照射時において結晶中の原子が作る面 (原子網面) がX線を反射すると、平行な別の2つの面に反射されたX線が干渉によって強め合い、回折が起こります。このとき回折が起こる条件は、面の間隔をd、X線の入射角をθ、任意の整数n、X線の波長λとして、2dsinθ = nλです (ブラッグの条件) 。
結晶構造解析に用いられる装置は、発生部と試料と検出部は常にブラッグの条件を満たすように動きます。
3. 電子密度の算出
図3. 電子密度分布に関わる数式
実際の結晶中では原子内の電子がX線などの電磁波を回折します。このとき、位置ベクトルrの位置において、微小体積dV内で散乱されるX線の振幅はその位置での電子密度ρ(r)に比例します。
原子がX線を回折する場合の散乱波の振幅fはこれを積分したものであり、この値を原子散乱因子と呼びます (数式1) 。結晶においても同様の式が成立し結晶中の電子密度はその各原子の電子密度の和で近似できると仮定することが可能です。
そのため、結晶の散乱因子である結晶構造因子Fは、位置ベクトルriの位置にある原子の原子散乱因子fiを使って書き換えられます (数式2) 。X線の散乱強度は結晶構造因子の絶対値の2乗に比例するため、X線の散乱強度から結晶構造因子を求めることが可能です (数式3)。
結晶構造解析では、算出された結晶構造因子から結晶を構成する原子を同定します。
結晶構造解析の種類
結晶構造解析は、X線を用いた結晶構造解析であるX線結晶構造解析が一般的ですが、分析手法としては、電子回折法や中性子回折法など、その他の電磁波を用いたものもあります。
また、X線結晶構造解析の種類では、試料の単結晶を作成してX線回折を測定する単結晶X線回折と、多数の単結晶の集合と考えられる試料のX線回折を測定する粉末X線回折とがあります。通常、前者は未知試料の分子構造を決定するのに用いられ、後者は未知試料を同定するのに用いられる分析方法です。
受託分析サービスでは、結晶構造分析一般を受託しているもの、タンパク質結晶構造分析に特化しているもの、分析のみならず単結晶試料の作製から分析・構造決定まで受託しているものなど、さまざまなサービスが存在しています。