同步輻射中的振動散射能譜學(xué)：原理及其在生物化學(xué)研究中的應(yīng)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(gòu)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(yīng)用簡介 25
1.6.1 形貌學(xué)應(yīng)用 25
1.6.2 晶體學(xué)應(yīng)用 26
1.6.3 能譜學(xué)應(yīng)用 28
1.6.4 工藝學(xué)應(yīng)用 28
參考資料 29
第2章 X-射線能譜學(xué)：原理與測量 30
2.1 能譜學(xué)基礎(chǔ)：極簡量子力學(xué)一覽 30
2.1.1 量子力學(xué)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(xué)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(xué)解釋 36
2.2.3 硬 X-射線吸收能譜學(xué) 37
2.2.4 軟 X-射線吸收能譜學(xué) 39
2.2.5 X-射線熒光能譜學(xué) 40
2.2.6 其他類型的 X-射線能譜學(xué) 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(shù) 44
2.4.1 選擇性：大海撈針的關(guān)鍵 45
2.4.2 統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(jìn)行分辨的測量 52
2.6 X-射線探測的核電子學(xué) 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(zhuǎn)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(xué) 63
3.1 X-射線散射能譜學(xué)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(xué) 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(xué)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(xué)的建立 71
3.3.3 X-射線振動散射能譜學(xué)的名稱 73
3.3.4 X-射線振動散射能譜學(xué)的優(yōu)勢 73
3.4 X-射線振動散射能譜學(xué)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(xué)波和光學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn) 82
3.5.1 IXS 實(shí)驗(yàn)對于光源的要求 82
3.5.2 IXS 實(shí)驗(yàn)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(xué) 98
4.1 核散射：從穆斯堡爾譜學(xué)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(xué)原理 101
4.1.3 穆斯堡爾譜學(xué)實(shí)驗(yàn) 104
4.2 核共振振動散射能譜學(xué)的建立 105
4.2.1 核共振振動能譜學(xué)的起源 105
4.2.2 核共振振動能譜學(xué)的名稱 106
4.2.3 核共振振動能譜學(xué)的現(xiàn)狀 106
4.3 核共振振動散射能譜學(xué)的原理 107
4.3.1 核共振散射的散射強(qiáng)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(xué)的優(yōu)越性 108
4.4 核共振振動散射能譜學(xué)的實(shí)驗(yàn) 110
4.4.1 核振散射實(shí)驗(yàn)對單色器的要求 110
4.4.2 同步輻射脈沖的時間結(jié)構(gòu) 113
4.4.3 核振散射實(shí)驗(yàn)對探測系統(tǒng)的要求 115
4.4.4 測量核振散射的核電子學(xué) 118
4.4.5 樣品的測量環(huán)境 121
4.4.6 核振譜學(xué)的測量流程 124
4.5 幾條核共振振動散射譜學(xué)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(jìn)行擬合計(jì)算 134
4.6.3 用密度泛函理論進(jìn)行擬合計(jì)算 135
參考資料 139
第5章 研究的樣品：生物化學(xué)基礎(chǔ)知識 143
5.1 生物分子的組分和結(jié)構(gòu) 144
5.1.1 氨基酸 144
5.1.2 肽 146
5.1.3 蛋白質(zhì) 147
5.1.4 核酸 148
5.2 酶和酶的催化動力學(xué)原理 149
5.2.1 酶：具有催化功能的蛋白質(zhì) 149
5.2.2 酶的催化動力學(xué) 150
5.2.3 酶的催化機(jī)理 151
5.2.4 酶的應(yīng)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(xué) 158
5.4.1 對生物金屬中心的化學(xué)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(gòu)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(xué)研究 163
5.5.1 實(shí)驗(yàn)室譜學(xué)的運(yùn)用和研究 163
5.5.2 同步輻射譜學(xué)的運(yùn)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(jié)構(gòu) 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(xué) 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(xué)的實(shí)驗(yàn)測量方法 186
6.4.1 紅外吸收光譜學(xué)的測量 186
6.4.2 測量遠(yuǎn)紅外譜學(xué)的困難 188
6.4.3 拉曼散射譜學(xué)的介紹 189
6.4.4 拉曼散射譜學(xué)的測量 192
6.4.5 激光光致熒光光譜學(xué) 193
6.4.6 選用核振散射能譜學(xué) 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(guān)固氮酶的基本概念 230
8.2 固氮酶的結(jié)構(gòu)和催化機(jī)理 232
8.2.1 鐵鉬輔基的結(jié)構(gòu)解析 232
8.2.2 鐵鉬輔基的絡(luò)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(xué)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(xué)的綜合運(yùn)用 249
8.5 核振散射對固氮酶前驅(qū)體的研究 252
8.5.1 固氮酶前驅(qū)體簡介 252
8.5.2 前驅(qū)體 VK 簇的結(jié)構(gòu)問題 254
8.5.3 核振散射對前驅(qū)體的研究 255
8.6 固氮酶活性中心的化學(xué)模擬 257
8.6.1 對鐵鉬輔基的結(jié)構(gòu)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(guān)氫酶的基礎(chǔ)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(jī)理 273
9.2.1 鎳鐵氫酶的中心結(jié)構(gòu) 273
9.2.2 鎳鐵氫酶的催化機(jī)理 275
9.2.3 鐵鐵氫酶的中心結(jié)構(gòu) 278
9.2.4 鐵鐵氫酶的催化機(jī)理 280