同步輻射中的振動散射能譜學：原理及其在生物化學研究中的應用

目錄
第1章 同步輻射：知微知彰的現(xiàn)代光源 1
1.1 同步輻射：第四代人造光源 1
1.2 同步輻射的主要特性 3
1.3 同步輻射的工作原理 6
1.3.1 同步輻射的基本原理 6
1.3.2 同步輻射裝置的性能參數(shù) 8
1.3.3 同步輻射裝置的工程參數(shù) 13
1.4 同步輻射光源的基本構造 15
1.4.1 同步輻射環(huán) 15
1.4.2 插入件 17
1.4.3 光束線 19
1.5 同步輻射光源的歷史和現(xiàn)狀 22
1.5.1 第一代同步輻射光源 22
1.5.2 第二代同步輻射光源 23
1.5.3 第三代同步輻射光源 23
1.6 同步輻射的應用簡介 25
1.6.1 形貌學應用 25
1.6.2 晶體學應用 26
1.6.3 能譜學應用 28
1.6.4 工藝學應用 28
參考資料 29
第2章 X-射線能譜學：原理與測量 30
2.1 能譜學基礎：極簡量子力學一覽 30
2.1.1 量子力學的發(fā)展簡史 30
2.1.2 薛定諤方程和一維勢阱 31
2.1.3 氫原子和類氫離子 33
2.1.4 量子數(shù)和電子云 33
2.1.5 量子系統(tǒng)的微擾 34
2.2 X-射線能譜學的簡介 35
2.2.1 X-射線與原子的相互作用 35
2.2.2 躍遷的量子力學解釋 36
2.2.3 硬 X-射線吸收能譜學 37
2.2.4 軟 X-射線吸收能譜學 39
2.2.5 X-射線熒光能譜學 40
2.2.6 其他類型的 X-射線能譜學 42
2.3 X-射線的基本探測方法 42
2.3.1 透射測量 42
2.3.2 間接測量 43
2.4 探測微弱信號：大海撈針的藝術 44
2.4.1 選擇性：大海撈針的關鍵 45
2.4.2 統(tǒng)計性：信號量的重要性 46
2.4.3 信噪比：鑒定信號的真?zhèn)?47
2.5 X-射線的熒光探測方法 48
2.5.1 從能量上進行分辨的測量 49
2.5.2 X-熒光探測器簡介 50
2.5.3 從時間上進行分辨的測量 52
2.6 X-射線探測的核電子學 52
2.6.1 能譜信號的分辨與分離 53
2.6.2 整形放大 54
2.6.3 濾波 55
2.6.4 能量甄別 55
2.6.5 時間甄別 57
2.6.6 模數(shù)轉換和數(shù)字信號處理器 58
參考資料 59
第3章 X-射線振動散射能譜學 63
3.1 X-射線散射能譜學的基本概念 63
3.1.1 理解 X-射線的散射過程 63
3.1.2 非共振的非彈性散射 64
3.1.3 共振型的非彈性散射 64
3.1.4 測量 X-射線散射：分光能譜儀 66
3.2 測量振動：從中子散射說起 68
3.2.1 中子的非彈性散射譜學 68
3.2.2 中子散射的局限性 69
3.3 X-射線振動散射能譜學的起源 70
3.3.1 振動的能量和 X-射線的能量 70
3.3.2 X-射線振動散射能譜學的建立 71
3.3.3 X-射線振動散射能譜學的名稱 73
3.3.4 X-射線振動散射能譜學的優(yōu)勢 73
3.4 X-射線振動散射能譜學的原理 75
3.4.1 X-射線非彈性散射的散射截面 75
3.4.2 一維原子鏈的晶格振動問題 77
3.4.3 聲學波和光學波 79
3.4.4 傳播中的橫波和縱波 81
3.5 X-射線振動散射能譜學實驗 82
3.5.1 IXS 實驗對于光源的要求 82
3.5.2 IXS 實驗對于探測系統(tǒng)的要求 86
3.5.3 樣品的測量環(huán)境 89
3.6 X-射線振動散射譜圖的分析 91
3.6.1 從原始數(shù)據(jù)求取純的 IXS 散射譜 91
3.6.2 從晶格振動原理解讀 IXS 散射譜 93
參考資料 95
第4章 核共振振動散射能譜學 98
4.1 核散射：從穆斯堡爾譜學說起 99
4.1.1 X-射線的核散射和電子散射 99
4.1.2 穆斯堡爾譜學原理 101
4.1.3 穆斯堡爾譜學實驗 104
4.2 核共振振動散射能譜學的建立 105
4.2.1 核共振振動能譜學的起源 105
4.2.2 核共振振動能譜學的名稱 106
4.2.3 核共振振動能譜學的現(xiàn)狀 106
4.3 核共振振動散射能譜學的原理 107
4.3.1 核共振散射的散射強度 107
4.3.2 振動的核散射和選律 107
4.3.3 核共振振動散射能譜學的優(yōu)越性 108
4.4 核共振振動散射能譜學的實驗 110
4.4.1 核振散射實驗對單色器的要求 110
4.4.2 同步輻射脈沖的時間結構 113
4.4.3 核振散射實驗對探測系統(tǒng)的要求 115
4.4.4 測量核振散射的核電子學 118
4.4.5 樣品的測量環(huán)境 121
4.4.6 核振譜學的測量流程 124
4.5 幾條核共振振動散射譜學的束線 125
4.5.1 美國APS的03ID束線 127
4.5.2 日本SPring-8的BL09XU束線 129
4.5.3 日本SPring-8的BL19LXU束線 130
4.5.4 其他的核振散射束線 131
4.6 核共振振動散射能譜的分析 133
4.6.1 求取能態(tài)密度函數(shù) PVDOS 133
4.6.2 用簡正模態(tài)分析進行擬合計算 134
4.6.3 用密度泛函理論進行擬合計算 135
參考資料 139
第5章 研究的樣品：生物化學基礎知識 143
5.1 生物分子的組分和結構 144
5.1.1 氨基酸 144
5.1.2 肽 146
5.1.3 蛋白質 147
5.1.4 核酸 148
5.2 酶和酶的催化動力學原理 149
5.2.1 酶：具有催化功能的蛋白質 149
5.2.2 酶的催化動力學 150
5.2.3 酶的催化機理 151
5.2.4 酶的應用和提純 152
5.3 含金屬的酶和生物金屬中心 154
5.4 配位化合物和配位化學 158
5.4.1 對生物金屬中心的化學模擬 158
5.4.2 配位化合物的概述 158
5.4.3 配位化合物的構型 161
5.4.4 配位化合物的理論 162
5.5 金屬酶的現(xiàn)代譜學研究 163
5.5.1 實驗室譜學的運用和研究 163
5.5.2 同步輻射譜學的運用和研究 165
參考資料 167
第6章 研究的問題：分子的振動和結構 169
6.1 雙原子分子：*簡單的振子 171
6.1.1 諧振子模型 171
6.1.2 選律 172
6.1.3 非諧振修正 173
6.2 多原子分子：由簡到繁 175
6.2.1 簡正振動 175
6.2.2 選律 177
6.2.3 雜化軌道和特征譜線 178
6.3 金屬–配體的振動譜學 181
6.3.1 金屬–配體的振動能量范圍 181
6.3.2 金屬–配體的全部振動模態(tài) 183
6.4 振動譜學的實驗測量方法 186
6.4.1 紅外吸收光譜學的測量 186
6.4.2 測量遠紅外譜學的困難 188
6.4.3 拉曼散射譜學的介紹 189
6.4.4 拉曼散射譜學的測量 192
6.4.5 激光光致熒光光譜學 193
6.4.6 選用核振散射能譜學 194
參考資料 196
第7章 核振散射：對簡單鐵蛋白的研究 197
7.1 分析*簡單的鐵配合物 197
7.2 對玉紅氧還蛋白的研究 199
7.2.1 什么是玉紅氧還蛋白？ 199
7.2.2 核振散射能譜圖的概述 201
7.2.3 對比拉曼散射光譜 203
7.2.4 擬合氧化態(tài)的核振譜圖 205
7.2.5 擬合還原態(tài)的核振譜圖 207
7.2.6 對力常數(shù)的一些討論 208
7.3 晶體與溶液的核振散射譜圖 210
7.4 對鐵硫蛋白的核振散射研究 211
7.4.1 什么是鐵硫蛋白？ 211
7.4.2 對 Fe2S2 簇的研究 213
7.4.3 對 Fe4S4 簇的研究 214
7.4.4 對 Fe3S4 簇的研究 215
7.5 對肌紅蛋白的核振散射研究 216
7.6 對單鐵氫酶的核振散射研究 219
7.6.1 什么是單鐵氫酶？ 219
7.6.2 單鐵氫酶譜圖的初探 221
7.6.3 模型配合物的研究 222
7.6.4 單鐵氫酶譜圖的理論擬合 224
7.6.5 不同酸堿度對核振譜圖的影響 227
參考資料 227
第8章 核振散射：對固氮酶的探索 230
8.1 有關固氮酶的基本概念 230
8.2 固氮酶的結構和催化機理 232
8.2.1 鐵鉬輔基的結構解析 232
8.2.2 鐵鉬輔基的絡合方式 234
8.2.3 鐵鉬輔基中的高檸檬酸 235
8.2.4 固氮酶的催化過程 235
8.3 核振散射對固氮酶的初探 239
8.3.1 對固氮酶鐵蛋白的研究 239
8.3.2 對 P 簇的研究 241
8.3.3 對 M 簇的研究 241
8.3.4 對 M 簇中心元素的推測 244
8.4 核振散射對固氮酶 +CO 的研究 246
8.4.1 Fe—CO 振動區(qū)的譜學特征 246
8.4.2 鐵鉬輔基呼吸模態(tài)的變化 248
8.4.3 理論擬合和多譜學的綜合運用 249
8.5 核振散射對固氮酶前驅體的研究 252
8.5.1 固氮酶前驅體簡介 252
8.5.2 前驅體 VK 簇的結構問題 254
8.5.3 核振散射對前驅體的研究 255
8.6 固氮酶活性中心的化學模擬 257
8.6.1 對鐵鉬輔基的結構模擬 257
8.6.2 高檸檬酸的金屬配合物 258
8.6.3 含氮、氫的金屬配合物 262
8.6.4 同步輻射對模型分子的研究 264
參考資料 266
第9章 核振散射：對氫酶的探索 270
9.1 有關氫酶的基礎知識 270
9.1.1 什么是氫酶？ 270
9.1.2 氫酶的分類 271
9.1.3 研究氫酶的意義 271
9.2 氫酶活性中心和催化機理 273
9.2.1 鎳鐵氫酶的中心結構 273
9.2.2 鎳鐵氫酶的催化機理 275
9.2.3 鐵鐵氫酶的中心結構 278
9.2.4 鐵鐵氫酶的催化機理 280