Faseproblem - Phase problem

I fysikken er faseproblemet problemet med tab af information om den fase, der kan opstå, når der foretages en fysisk måling. Navnet kommer fra feltet røntgenkrystallografi , hvor faseproblemet skal løses til bestemmelse af en struktur ud fra diffraktionsdata . Faseproblemet imødekommes også inden for billeddannelse og signalbehandling . Forskellige tilgange til fasegenvinding er blevet udviklet gennem årene.

Oversigt

Lysdetektorer, såsom fotografiske plader eller CCD'er , måler kun intensiteten af ​​det lys, der rammer dem. Denne måling er ufuldstændig (selv når man forsømmer andre frihedsgrader, såsom polarisering og indfaldsvinkel ), fordi en lysbølge ikke kun har en amplitude (relateret til intensiteten), men også en fase (relateret til retningen) og polarisering, som går systematisk tabt i en måling. I diffraktions- eller mikroskopi -eksperimenter indeholder fasens del af bølgen ofte værdifuld information om den undersøgte prøve. Faseproblemet udgør en grundlæggende begrænsning, der i sidste ende er relateret til målingens art i kvantemekanik .

I røntgenkrystallografi giver diffraktionsdataene, når de er korrekt samlet, amplituden af ​​3D Fourier-transformen af molekylets elektrontæthed i enhedscellen . Hvis faserne er kendte, kan elektrontætheden simpelthen opnås ved Fouriersyntese . Denne Fourier-transformationsrelation gælder også for todimensionale langt-felt diffraktionsmønstre (også kaldet Fraunhofer diffraktion ), hvilket giver anledning til en lignende type fase problem.

Hentning af faser

Hovedartikel: fasehentning

Der er flere måder at hente de tabte faser på. Faseproblemet skal løses i røntgenkrystallografi , neutronkrystallografi og elektronkrystallografi .

Ikke alle metoderne til fasegenvinding arbejder med hver bølgelængde (røntgen, neutron og elektron), der bruges i krystallografi.

Direkte ( ab initio) metoder

Hvis krystallen diffrakterer til høj opløsning (<1,2 Å), kan de indledende faser estimeres ved hjælp af direkte metoder. Direkte metoder kan bruges i røntgenkrystallografi , neutronkrystallografi og elektronkrystallografi .

Et antal indledende faser testes og vælges ved denne metode. Den anden er Patterson -metoden, som direkte bestemmer positionerne af tunge atomer. Den Patterson Funktionen giver en stor værdi i en position svarende til interatomare vektorer. Denne metode kan kun anvendes, når krystallen indeholder tunge atomer, eller når en betydelig brøkdel af strukturen allerede er kendt.

For molekyler, hvis krystaller giver refleksioner i sub-Ångström-området, er det muligt at bestemme faser ved brute kraftmetoder ved at teste en række faseværdier, indtil sfæriske strukturer observeres i det resulterende elektrontæthedskort. Dette virker, fordi atomer har en karakteristisk struktur, når de ses i sub-Ångström-området. Teknikken er begrænset af processorkraft og datakvalitet. Af praktiske formål er det begrænset til "små molekyler" og peptider, fordi de konsekvent giver diffraktion af høj kvalitet med meget få refleksioner.

Molekylær udskiftning (MR)

Faser kan også udledes ved at bruge en proces kaldet molekylær udskiftning , hvor et lignende molekyls allerede kendte faser podes på intensiteten af ​​det foreliggende molekyle, som er observationsbestemt. Disse faser kan opnås eksperimentelt fra et homologt molekyle, eller hvis faserne er kendt for det samme molekyle, men i en anden krystal, ved at simulere molekylets pakning i krystallen og opnå teoretiske faser. Generelt er disse teknikker mindre ønskelige, da de alvorligt kan forspænde opløsningen af ​​strukturen. De er imidlertid nyttige til ligandbindingsundersøgelser eller mellem molekyler med små forskelle og relativt stive strukturer (f.eks. Derivatisering af et lille molekyle).

Isomorf udskiftning

Flere isomorfe udskiftninger (MIR)

Multipel isomorf udskiftning (MIR) , hvor tunge atomer indsættes i strukturen (normalt ved at syntetisere proteiner med analoger eller ved iblødsætning)

Uvanlig spredning

Enkeltbølgelængde Anomalous Dispersion (SAD).

Anomalisk dispersion med flere bølgelængder (MAD)

En kraftfuld løsning er metoden Multi-bølgelængde Anomalous Dispersion (MAD). Ved denne teknik atomernes indre elektroner absorbere røntgenbilleder af bestemte bølgelængder, og reemit røntgenstrålerne efter en forsinkelse, hvilket inducerer en faseforskydning i alle de overvejelser, der er kendt som den anomale spredning effekt . Analyse af dette faseskift (som kan være anderledes for individuelle refleksioner) resulterer i en løsning for faserne. Da røntgenfluorescens-teknikker (som denne) kræver excitation ved meget specifikke bølgelængder, er det nødvendigt at bruge synkrotronstråling, når man bruger MAD-metoden.

Fase forbedring

Forfining af indledende faser

I mange tilfælde bestemmes et indledende sæt faser, og elektrontæthedskortet for diffraktionsmønsteret beregnes. Derefter bruges kortet til at bestemme dele af strukturen, hvilke dele bruges til at simulere et nyt sæt faser. Dette nye sæt faser er kendt som en forfining . Disse faser genanvendes på de originale amplituder, og der udledes et forbedret elektrontæthedskort, hvorfra strukturen korrigeres. Denne proces gentages, indtil et fejlbegreb (normalt Rfree) har stabiliseret sig til en tilfredsstillende værdi. På grund af fænomenet fasebias er det muligt for en forkert indledende opgave at forplante sig gennem successive forbedringer, så tilfredsstillende betingelser for en strukturopgave er stadig et spørgsmål om debat. Faktisk er der blevet rapporteret nogle spektakulære forkerte tildelinger, herunder et protein, hvor hele sekvensen blev gevindskåret baglæns.

Tæthedsændring (faseforbedring)

Udfladning af opløsningsmiddel

Histogram matchning

Ikke-krystallografisk symmetri i gennemsnit

Delvis struktur

Faseforlængelse

Se også

eksterne links

Referencer

  1. ^ a b c d e Taylor, Garry (2003-11-01). "Faseproblemet" . Acta Crystallographica afsnit D . 59 (11): 1881–1890. doi : 10.1107/S0907444903017815 . PMID  14573942 .
  2. ^ a b Shechtman, Yoav; Eldar, Yonina C .; Cohen, Oren; Chapman, Henry N .; Miao, Jianwei; Segev, Mordechai (2014-02-28). "Fasehentning med applikation til optisk billeddannelse". arXiv : 1402.7350 [ cs.IT ].
  3. ^ Hauptman, Herbert A .; Langs, David A. (2003-05-01). "Faseproblemet i neutronkrystallografi". Acta Crystallographica Afsnit A . 59 (3): 250–254. doi : 10.1107/S010876730300521X . PMID  12714776 .
  4. ^ a b Dorset, DL (1997-03-04). "Direkte fasebestemmelse i proteinelektronkrystallografi: Pseudo-atom-tilnærmelsen" . Procedurer fra National Academy of Sciences . 94 (5): 1791–1794. Bibcode : 1997PNAS ... 94.1791D . doi : 10.1073/pnas.94.5.1791 . PMC  19995 . PMID  9050857 .
  5. ^ a b Dorset, DL (1996-05-01). "Direkte indfasning i proteinelektronkrystallografi - faseudvidelse og udsigterne for Ab Initio -bestemmelser" . Acta Crystallographica Afsnit A . 52 (3): 480–489. doi : 10.1107/S0108767396001420 . PMID  8694993 .
  6. ^ Henderson, R .; Baldwin, JM; Downing, KH; Lepault, J .; Zemlin, F. (1986-01-01). "Struktur af lilla membran fra halobacterium halobium: registrering, måling og evaluering af elektronmikrografer ved 3,5 Å opløsning". Ultramikroskopi . 19 (2): 147–178. doi : 10.1016/0304-3991 (86) 90203-2 .
  7. ^ Hauptman, H. (1976-09-01). "Probabilistisk teori om strukturinvarianterne: forlængelse af den ulige atomkasse med anvendelse på neutrondiffraktion" . Acta Crystallographica Afsnit A . 32 (5): 877–882. Bibcode : 1976AcCrA..32..877H . doi : 10.1107/S0567739476001757 .
  8. ^ Kleywegt, Gerard J. (2000). "Validering af proteinkrystalstrukturer" . Acta Crystallographica afsnit D . 56 (3): 249–265. doi : 10.1107/S0907444999016364 . PMID  10713511 .