Cristallographie électronique

La cristallographie électronique est une méthode pour déterminer l’arrangement des atomes dans les solides à l’aide d’un Microscope électronique à transmission (MET).

Comparaison avec la cristallographie aux rayons X

Il peut compléter la cristallographie aux rayons X pour les études de très petits cristaux (<0,1 micromètre), à ​​la fois inorganiques, organiques et protéines , telles que les protéines membranaires , qui ne peuvent pas facilement former les grands cristaux tridimensionnels nécessaires à ce processus. Les structures protéiques sont généralement déterminées à partir de cristaux bidimensionnels (feuilles ou hélices ), de polyèdres tels que des capsides virales ou de protéines individuelles dispersées. Les électrons peuvent être utilisés dans ces situations, alors que les rayons Xne peut pas, car les électrons interagissent plus fortement avec les atomes que les rayons X. Ainsi, les rayons X traverseront un mince cristal bidimensionnel sans se diffracter de manière significative, alors que les électrons peuvent être utilisés pour former une image. Inversement, la forte interaction entre les électrons et les protons rend les cristaux épais (par exemple tridimensionnels > 1 micromètre) imperméables aux électrons, qui ne pénètrent que sur de courtes distances.

L’une des principales difficultés de la cristallographie aux rayons X est la détermination des phases dans le Diagramme de diffraction . En raison de la complexité des lentilles à rayons X , il est difficile de former une image du cristal diffracté et, par conséquent, les informations de phase sont perdues. Heureusement, les microscopes électroniques peuvent résoudre la structure atomique dans l’espace réel et les informations de phase du facteur de structure cristallographique peuvent être déterminées expérimentalement à partir de la transformée de Fourier d’une image. La transformée de Fourier d’une image à résolution atomique est similaire, mais différente, à un motif de diffraction – avec des taches de réseau réciproques reflétant la symétrie et l’espacement d’un cristal. ^[1] Aaron Kluga été le premier à réaliser que les informations de phase pouvaient être lues directement à partir de la transformée de Fourier d’une image de microscopie électronique qui avait été scannée dans un ordinateur, déjà en 1968. Pour cela, et ses études sur les structures virales et l’ARN de transfert, Klug a reçu le prix Nobel de chimie en 1982.

Dommages causés par les radiations

Un problème commun à la cristallographie aux rayons X et à la cristallographie électronique est les dommages causés par les radiations , par lesquels les molécules et protéines organiques en particulier sont endommagées lors de leur imagerie, ce qui limite la résolution pouvant être obtenue. Ceci est particulièrement gênant dans le cadre de la cristallographie électronique, où les dommages causés par le rayonnement se concentrent sur beaucoup moins d’atomes. Une technique utilisée pour limiter les dommages causés par les radiations est la cryomicroscopie électronique , dans laquelle les échantillons subissent une cryofixation et l’imagerie a lieu à l’azote liquide ou même à l’hélium liquide.températures. En raison de ce problème, la cristallographie aux rayons X a été beaucoup plus efficace pour déterminer la structure des protéines qui sont particulièrement vulnérables aux dommages causés par les radiations. Les dommages causés par les radiations ont récemment été étudiés à l’aide de MicroED ^{[2] [3]} de cristaux 3D minces dans un état hydraté congelé.

Structures protéiques déterminées par cristallographie électronique

La première structure de protéine cristallographique électronique à atteindre une résolution atomique était la bactériorhodopsine , déterminée par Richard Henderson et ses collègues du Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology en 1990. ^[4] Cependant, déjà en 1975, Unwin et Henderson avaient déterminé la première structure de protéine membranaire à résolution intermédiaire (7 Ångström), montrant pour la première fois la structure interne d’une protéine membranaire, avec ses hélices alpha perpendiculaires au plan de la membrane. Depuis lors, plusieurs autres structures à haute résolution ont été déterminées par cristallographie électronique, y compris le complexe de collecte de lumière , ^[5] lerécepteur nicotinique de l’acétylcholine , ^[6] et le flagelle bactérien . ^[7] La ​​structure protéique de résolution la plus élevée résolue par cristallographie électronique de cristaux 2D est celle du canal d’eau aquaporine -0. ^[8] En 2013, la cristallographie électronique a été étendue aux cristaux 3D par une nouvelle méthode appelée diffraction électronique microcristalline , ou MicroED. ^[2]

Image en microscopie électronique d’un oxyde de tantale inorganique, avec sa transformée de Fourier, en médaillon. Remarquez comment l’apparence change de la région supérieure mince à la région inférieure plus épaisse. La cellule unitaire de ce composé est d’environ 15 par 25 Ångström. Elle est tracée au centre de la figure, à l’intérieur du résultat du traitement d’image, où la symétrie a été prise en compte. Les points noirs montrent clairement tous les atomes de tantale. La diffraction s’étend à 6 ordres le long de la direction 15 Å et 10 ordres dans la direction perpendiculaire. Ainsi la résolution de l’image EM est de 2,5 Å (15/6 ou 25/10). Cette transformée de Fourier calculée contient à la fois des amplitudes (comme on le voit) et des phases (non affichées). Diagramme de diffraction électronique du même cristal d’oxyde de tantale inorganique illustré ci-dessus. Notez qu’il y a beaucoup plus de taches de diffraction ici que dans le diffractogramme calculé à partir de l’image EM ci-dessus. La diffraction s’étend à 12 ordres le long de la direction 15 Å et 20 ordres dans la direction perpendiculaire. Ainsi la résolution du motif ED est de 1,25 Å (15/12 ou 25/20). Les modèles ED ne contiennent pas d’informations de phase, mais les différences claires entre les intensités des taches de diffraction peuvent être utilisées dans la détermination de la structure cristalline.

Application aux matériaux inorganiques

Des études cristallographiques électroniques sur des cristaux inorganiques à l’ aide d’images de microscopie électronique à haute résolution (HREM) ont été réalisées pour la première fois par Aaron Klug en 1978 ^[9] et par Sven Hovmöller et ses collègues en 1984. ^[10] Les images HREM ont été utilisées car elles permettent de sélectionner (par logiciel informatique) uniquement les régions très fines proches du bord du cristal pour l’analyse de la structure (voir aussi traitement d’image cristallographique ). Ceci est d’une importance cruciale car dans les parties les plus épaisses du cristal, la fonction d’onde de sortie(qui porte les informations sur l’intensité et la position des colonnes d’atomes projetées) n’est plus linéairement liée à la structure cristalline projetée. De plus, non seulement les images HREM changent d’apparence avec l’augmentation de l’épaisseur du cristal, mais elles sont également très sensibles au réglage choisi de la défocalisation Δf de l’objectif (voir les images HREM de GaN par exemple). Pour faire face à cette complexité, Michael O’Keefe a commencé au début des années 1970 à développer un logiciel de simulation d’image qui permettait de comprendre et d’interpréter les changements de contraste observés dans les images HREM. ^[11]

Il y avait un sérieux désaccord dans le domaine de la microscopie électronique des composés inorganiques; alors que certains ont affirmé que “l’information de phase est présente dans les images EM”, d’autres ont l’opinion opposée que “l’information de phase est perdue dans les images EM”. La raison de ces points de vue opposés est que le mot “phase” a été utilisé avec des significations différentes dans les deux communautés de physiciens et de cristallographes. Les physiciens sont plus préoccupés par la ” phase d’onde électronique” – la phase d’une onde se déplaçant à travers l’échantillon lors de l’exposition par les électrons. Cette onde a une longueur d’onde d’environ 0,02-0,03 Ångström (selon la tension d’accélération du microscope électronique). Sa phase est liée à la phase de l’onde non diffractée faisceau d’électrons direct. Les cristallographes, quant à eux, entendent par ” facteur de structure cristallographiqueil est nécessaire de connaître les facteurs de structure cristallographique, mais pas de connaître les phases des ondes électroniques. Une discussion plus détaillée sur la façon dont les phases (facteur de structure cristallographique) se lient aux phases de l’onde électronique peut être trouvée dans.^[12]

Tout comme pour les protéines, il a été possible de déterminer les structures atomiques de cristaux inorganiques par cristallographie électronique. Pour une structure plus simple, il suffit d’utiliser trois vues perpendiculaires, mais pour des structures plus complexes, des projections sur dix diagonales différentes ou plus peuvent être nécessaires.

En plus des images de microscopie électronique, il est également possible d’utiliser des modèles de diffraction électronique (ED) pour la détermination de la structure cristalline. ^{[13] [14]} Le plus grand soin doit être pris pour enregistrer ces modèles ED à partir des zones les plus minces afin de conserver la plupart des différences d’intensité liées à la structure entre les réflexions (conditions de diffraction quasi-cinématiques). Tout comme avec les diagrammes de diffraction des rayons X, les phases importantes du facteur de structure cristallographique sont perdues dans les diagrammes de diffraction électronique et doivent être découvertes par des méthodes cristallographiques spéciales telles que les méthodes directes , le maximum de vraisemblance ou (plus récemment) par la méthode de retournement de charge. D’autre part, les motifs ED des cristaux inorganiques ont souvent une résolution élevée (= espacements interplanaires avec desindices de Miller ) bien en dessous de 1 Ångström. Ceci est comparable à la résolution ponctuelle des meilleurs microscopes électroniques. Dans des conditions favorables, il est possible d’utiliser des modèles ED à partir d’une seule orientation pour déterminer la structure cristalline complète. ^[15] Alternativement, une approche hybride peut être utilisée qui utilise des images HRTEM pour la résolution et des intensités de ED pour affiner la structure cristalline. ^{[16] [17]}

Des progrès récents pour l’analyse de la structure par ED ont été réalisés en introduisant la technique de précession de Vincent-Midgley pour l’enregistrement des diagrammes de diffraction des électrons. ^[18] Les intensités ainsi obtenues sont généralement beaucoup plus proches des intensités cinématiques, de sorte que même des structures peuvent être déterminées qui sont hors de portée lors du traitement de données de diffraction d’électrons conventionnelles (zone sélectionnée). ^{[19] [20]}

Les structures cristallines déterminées par cristallographie électronique peuvent être vérifiées pour leur qualité en utilisant des calculs de premiers principes dans la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Cette approche a été pour la première fois appliquée pour la validation de plusieurs structures riches en métaux qui n’étaient accessibles que par HRTEM et ED, respectivement. ^{[21] [22]}

Récemment, deux structures zéolitiques très compliquées ont été déterminées par cristallographie électronique combinée à la diffraction des rayons X sur poudre. ^{[23] [24]} Celles-ci sont plus complexes que les structures de zéolite les plus complexes déterminées par cristallographie aux rayons X.

Références

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Lectures complémentaires

• Zou, XD, Hovmöller, S. et Oleynikov, P. “Cristallographie électronique – Microscopie électronique et diffraction électronique”. IUCr Texts on Crystallography 16, Oxford University Press 2011. http://ukcatalogue.oup.com/product/9780199580200.do ISBN 978-0-19-958020-0
• Downing, KH ; Meisheng, H.; Wenk, H.-R. ; O’Keefe, MA (1990). “Résolution des atomes d’oxygène dans la staurolite par microscopie électronique à transmission tridimensionnelle”. Nature . 348 (6301): 525–528. Bibcode : 1990Natur.348..525D . doi : 10.1038/348525a0 .
• Zou, XD ; En ligneHovmoller, S. (2008). “Cristallographie électronique : imagerie et diffraction monocristalline à partir de poudres” . Acta Crystallographica A. 64 : 149–160. Bibcode : 2008AcCrA..64..149Z . doi : 10.1107/S0108767307060084 . PMID 18156680 .
• TE Weirich, XD Zou & JL Labár (2006). Cristallographie électronique : nouvelles approches pour la détermination de la structure des matériaux nanométriques . Springer Pays-Bas, ISBN 978-1-4020-3919-5

Liens externes

• Entretien avec Aaron Klug, lauréat du prix Nobel pour ses travaux sur la microscopie électronique cristallographique Vidéo Freeview par le Vega Science Trust.
• Raunser, S; Walz, T (2009). “La cristallographie électronique comme technique pour étudier la structure des protéines membranaires dans un environnement lipidique”. Revue annuelle de biophysique . 38 (1): 89–105. doi : 10.1146/annurev.biophys.050708.133649 . PMID 19416061 .