Xraykristallografia

X-ray-Kristallographie ist eine Methode zur Bestimmung der Anordnung von Atomen in Kristallen durch Analyse der Streuung von Röntgenstrahlen an der Kristallstruktur. Sie ermöglicht es, die dreidimensionale Verteilung der Elektronen und damit der Atome in einem Stoff zu rekonstruieren.

Prinzipiell entstehen bei der Bestrahlung eines Kristalls mit Röntgenstrahlen Beugungsmuster aus reflektierten Strahlen. Nach dem Bragg-Gesetz gilt nλ = 2d sin θ; die gemessenen Intensitäten der Beugungsreflexe enthalten Informationen über die Abstände der Ebenen im Kristall und die Elektronendichte. Aus diesen Daten lässt sich eine Elektronendichtekarte ableiten und ein atomarer Modellaufbau erstellen, der durch Refinement schrittweise an die Messdaten angepasst wird.

Ablauf eines typischen Experiments: Zunächst müssen hochwertige Kristalle des zu untersuchenden Stoffes gezüchtet werden. Dann werden sie mit einer Röntgenquelle beleuchtet, und die Intensitäten der Beugungsreflexe werden mit Detektoren gemessen. Die Phaseninformation, die für eine direkte Realisierung der Elektronendichte fehlt, wird durch verschiedene Phasenmethoden gewonnen, etwa direkte Methoden (bei kleinen Molekülen) oder MIR/MAD bzw. Molekülersatz (MR) bei Makromolekülen. Aus der resultierenden Elektronendichte lässt sich ein Atommodell bauen und durch mehrfaches Refinement gegen die beobachteten Daten verfeinern.

Historisch bedeutend war die Entwicklung durch Max von Laue (1912) und die Braggs (1913), die die Grundlage für eine zentrale Technik der Chemie, Biologie und Materialwissenschaft legten. Anwendungen reichen von Kristallstrukturen kleiner Moleküle bis hin zu Proteinen, Nukleinsäuren und komplexen Materialstrukturen, einschließlich der Medikamentenentwicklung. Einschränkungen ergeben sich aus der Kristallbildung, Kristallruhe und Strahlenschäden, die die Auflösung beeinflussen.