इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी

इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी में संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करके ठोस पदार्थों में परमाणुओं की व्यवस्था को निर्धारित करने की एक विधि है। इसमें उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छविया,तथा अभिसरण-बीम इलेक्ट्रॉन विवर्तन या इनके संयोजन सहित इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न का उपयोग सम्मिलित हो सकता है। यह कुछ थोक संरचनाओं, और सतह संरचनाओं को भी निर्धारित करने में सफल रहा है। दो विधियाँ निम्न-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन से संबंधित हैं, जिसने कई सतहों की संरचना को हल निकाला गया है, और उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन को प्रतिबिंबित करता है, जिसका उपयोग प्रायः विकास के दौरान सतहों की निरीक्षण के लिए किया जाता है।

एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी के सापेक्ष तुलना
यह बहुत छोटे क्रिस्टल <0.1 माइक्रोमीटर के अध्ययन के लिए एक्स - रे क्रिस्टलोग्राफी का पूरक हो सकता है,तथा अकार्बनिक, कार्बनिक और प्रोटीन जैसे झिल्ली प्रोटीन, जो उस प्रक्रिया के लिए आवश्यक 3- विशाल आयामी क्रिस्टल को आसानी से नहीं बना सकते हैं। प्रोटीन संरचनाएं सामान्यतः 2-आयामी क्रिस्टल शीट्स या कुंडलित वक्रता ,या तो बहुतल  जैसे वायरल कैप्सिड, या बिखरे हुए व्यक्तिगत प्रोटीन से निर्धारित होती हैं। इन स्थितियों में इलेक्ट्रॉनों का उपयोग किया जा सकता है, जबकि एक्स-रे नहीं कर सकते, क्योंकि एक्स-रे के सापेक्ष में इलेक्ट्रॉन परमाणुओं के साथ अधिक प्रभावशाली रूप से बातचीत करते हैं। इस प्रकार, एक्स-रे एक पतले 2-आयामी क्रिस्टल के माध्यम से महत्वपूर्ण रूप से विचलित हुए बिना यात्रा करते हैं, जबकि इलेक्ट्रॉनों का उपयोग एक छवि बनाने के लिए किया जाता है। इसके विपरीत, इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन के मध्य मजबूत अंतःक्रिया मोटी (जैसे 3-आयामी> 1 माइक्रोमीटर) क्रिस्टल को इलेक्ट्रॉनों के लिए अभेद्य बनाती है, जो केवल छोटी दूरी तक ही प्रवेश कर सकती है।

एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी में मुख्य कठिनाइयों में से एक विवर्तन पैटर्न में चरण का निर्धारण करना है। एक्स-रे लेंस की जटिलता के कारण, क्रिस्टल के विवर्तित होने की एक छवि बनाना मुश्किल है, और इसलिए चरण की जानकारी नष्ट हो जाती है। सौभाग्य से, इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी वास्तविक अंतरिक्ष में परमाणु संरचना को हल कर सकते हैं और क्रिस्टलोग्राफिक संरचना कारक चरण की जानकारी प्रयोगात्मक रूप से एक छवि के फूरियर रूपांतरण से निर्धारित की जा सकती है। एक परमाणु संकल्प छवि का फूरियर रूपांतरण एक विवर्तन पैटर्न के समान है, परंतु एक क्रिस्टल की समरूपता और रिक्ति को दर्शाते हुए पारस्परिक जालीदार धब्बे के साथ भिन्न भी है। आरोन क्लग पहले व्यक्ति थे जिन्होंने महसूस किया कि चरण की जानकारी सीधे एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवि के फूरियर रूपांतरण से पढ़ी जा सकती है जिसे 1968 में पहले से ही एक संगणक में स्कैन किया गया था। इसके लिए, और वायरस संरचनाओं और स्थानांतरण-आरएनए पर उनके रसायन विज्ञान अध्ययन के लिए क्लुग को 1982 में नोबेल पुरस्कार मिला था।

विकिरण क्षति
एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी और इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी के लिए एक सामान्य समस्या विकिरण क्षति है, जिसके द्वारा विशेष रूप से कार्बनिक अणु और प्रोटीन क्षतिग्रस्त हो जाते हैं क्योंकि उन्हें इमेज किया जा रहा है, जो कि प्राप्त किए जा सकने वाले विश्लेषण को सीमित करता है। यह इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी की सेटिंग में विशेष रूप से असुविधा होती है, जहां विकिरण क्षति अत्यधिक न्यूनतम परमाणुओं पर केंद्रित होती है। विकिरण क्षति को सीमित करने के लिए उपयोग की जाने वाली एक तकनीक क्रायोजेनिक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी है, जिसमें प्रारूप क्रायोफिकेशन से गुजरते हैं और इमेजिंग तरल नाइट्रोजन या तरल हीलियम तापमान पर होती है। इस समस्या के कारण, एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी उन प्रोटीनों की संरचना का निर्धारण करने में अधिक सफलता प्राप्त करती है जो विशेष रूप से विकिरण क्षति के प्रति संवेदनशील हैं। हाल ही में जमे हुए हाइड्रेटेड अवस्था में पतले 3डी क्रिस्टल के माइक्रोक्रिस्टल इलेक्ट्रॉन विवर्तन का उपयोग करके विकिरण क्षति की जांच की गई थी।

इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी द्वारा निर्धारित प्रोटीन संरचनाएं
1990 में आणविक जीव विज्ञान की चिकित्सा अनुसंधान परिषद प्रयोगशाला में रिचर्ड हेंडरसन और सहकर्मियों द्वारा निर्धारित परमाणु संकल्प को प्राप्त करने वाली पहली इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफिक प्रोटीन संरचना बैक्टीरियोहोडोप्सिन थी। यद्यपि, 1975 से पहले ही अनविन और हेंडरसन ने मध्यवर्ती रिज़ॉल्यूशन (7ऐंग्स्ट्रॉम) पर पहली झिल्ली प्रोटीन संरचना निर्धारित की थी, पहली बार एक झिल्ली प्रोटीन की आंतरिक संरचना को दिखाते हुए, इसके अल्फा-हेलीकॉप्स झिल्ली के तल के लंबवत खड़े थे। तब से, कई अन्य उच्च-रिज़ॉल्यूशन संरचनाएं इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी द्वारा निर्धारित की गई हैं, जिनमें प्रकाश-संचयन जटिल ,निकोटिनिक एसिटाइलकोलाइन रिसेप्टर, और बैक्टीरियल  कशाभिका सम्मिलित है, । 2डी क्रिस्टल के इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी द्वारा हल की गई उच्चतम विभेदन प्रोटीन संरचना जल चैनल एक्वापोरिन-0 की है। 2013 में इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी को माइक्रोक्रिस्टल इलेक्ट्रॉन विवर्तन या माइक्रोईडी नामक एक नवीन विधि द्वारा 3डी क्रिस्टल तक बढ़ाया गया था।



अकार्बनिक सामग्री के अनुप्रयोग
उच्च-रिज़ॉल्यूशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एचआरईएम) छवियों का उपयोग करके अकार्बनिक क्रिस्टल पर इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफिक अध्ययन पहली बार 1978 में आरोन क्लग द्वारा और 1984 में स्वेन होवमोलर और सहकर्मियों द्वारा किया गया था। एचआरईएम छवियों का उपयोग किया गया था क्योंकि वे संरचना विश्लेषण के लिए क्रिस्टल के किनारे के करीब केवल बहुत पतले क्षेत्रों का चयन करने की अनुमति देते हैं (क्रिस्टलोग्राफिक छवि प्रसंस्करण भी देखें)। यह महत्वपूर्ण निर्णय है क्योंकि क्रिस्टल के मोटे हिस्सों में एग्जिट-वेव फ़ंक्शन (जो प्रक्षेपित परमाणु स्तंभों की तीव्रता और स्थिति के बारे में जानकारी देता है) अब प्रक्षेपित क्रिस्टल संरचना से रैखिक रूप से संबंधित नहीं है। इसके अलावा, एचआरईएम छवियां न केवल क्रिस्टल की मोटाई में वृद्धि के साथ अपनी उपस्थिति परिवर्तित करती हैं,तथा वे उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी की चुनी हुई सेटिंग के प्रति भी बहुत संवेदनशील हैं। जॉन एम. काउली-मूडी मल्टीस्लाइस एल्गोरिथम पर आधारित इस जटिलता के विधि से निपटने के लिए और गैर रेखीय इमेजिंग सिद्धांत छवियों का अनुकरण करने के लिए विकसित किया गया है; यह तभी संभव हुआ एक बार एफएफटी पद्धति विकसित हो गई थी।

अकार्बनिक यौगिकों की इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के क्षेत्र में गंभीर असहमति थी; जबकि कुछ ने दावा किया है कि ईएम छवियों में चरण की जानकारी उपस्थित है, अन्य का विपरीत दृष्टिकोण है कि ईएम छवियों में चरण की जानकारी लुप्त हो गई है। इन विपरीत विचारों का कारण यह है कि चरण शब्द का प्रयोग भौतिकविदों और क्रिस्टलोग्राफरों के दो समुदायों में भिन्न-भिन्न अर्थों में किया गया है। भौतिक विज्ञानी इलेक्ट्रॉन चरण के बारे में अधिक चिंतित हैं - इलेक्ट्रॉनों द्वारा एक्सपोजर के दौरान प्रारूप के माध्यम से चलने वाली लहर का चरण हैं। इस तरंग की तरंग दैर्ध्य लगभग 0.02-0.03 एंग्स्ट्रॉम इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के त्वरित वोल्टेज परआधारित है। इसका चरण अविवर्तित प्रत्यक्ष इलेक्ट्रॉन बीम के चरण के सापेक्ष है। दूसरी ओर, क्रिस्टलोग्राफर्स का अर्थ क्रिस्टलोग्राफिक संरचना कारक चरण होता है, इसलिए उसे केवल चरण कहते हैं। यह चरण क्रिस्टल में क्षमता की स्थायी तरंगों का चरण है और एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी में मापा गया इलेक्ट्रॉन घनत्व के समान हैं। इन तरंगों में से प्रत्येक की अपनी विशिष्ट तरंग दैर्ध्य होती है, जिसे न्यूनतम/उच्च क्षमता वाले तथाकथित ब्रैग विमानों के मध्य की दूरी के लिए डी-मान कहा जाता है। ये डी-वैल्यू यूनिट सेल आयामों से लेकर इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप की रिज़ॉल्यूशन सीमा, सामान्यतः 10 या 20 एंग्स्ट्रॉम्स से लेकर 1 या 2 एंग्स्ट्रॉम्स तक होती है। उनके चरण क्रिस्टल में एक निश्चित बिंदु से संबंधित होते हैं, जो उस क्रिस्टल के समरूप तत्वों के संबंध में परिभाषित होते हैं। क्रिस्टलोग्राफिक चरण क्रिस्टल की प्रकृति हैं, इसलिए वे इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के बाहर भी उपस्थित होते हैं। यदि माइक्रोस्कोप को बंद कर दिया जाए तो इलेक्ट्रॉन तरंगें लुप्त हो जाती हैं। एक क्रिस्टल संरचना का निर्धारण करने के लिए, क्रिस्टलोग्राफिक संरचना कारकों को जानना आवश्यक है, परंतु इलेक्ट्रॉन तरंग चरणों को जानने के लिए नहीं आवश्यक हैं। एक अधिक विस्तृत चर्चा कैसे चरण इलेक्ट्रॉन तरंग के चरणों से जोड़ती है, तथा पाया जा सकता है।

प्रोटीन की तरह, इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी द्वारा अकार्बनिक क्रिस्टल की परमाणु संरचनाओं को निर्धारित करना संभव हो गया है। सरल संरचना के लिए यह तीन लंबवत दृश्यों का उपयोग करने के लिए पर्याप्त है, परंतु अधिक जटिल संरचनाओं के लिए, दस या अधिक विभिन्न विकर्णों के अनुमानों की भी आवश्यकता हो सकती है।

इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवियों के अतिरिक्त, क्रिस्टल संरचना निर्धारण के लिए इलेक्ट्रॉन विवर्तन (ईडी) पैटर्न का उपयोग करना भी संभव है। प्रतिबिंबों (अर्ध-कीनेमेटिकल विवर्तन स्थितियों) के मध्य संरचना संबंधी तीव्रता के अंतर को बनाए रखने के लिए सबसे पतले क्षेत्रों से इस तरह के ईडी पैटर्न को रिकॉर्ड करने के लिए अत्यंत सावधानी बरती जानी चाहिए। एक्स-रे विवर्तन पैटर्न के साथ ही, महत्वपूर्ण क्रिस्टलोग्राफिक संरचना कारक चरण इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न में लुप्त हो जाते हैं और चार्ज-फ्लिपिंग विधि द्वारा प्रत्यक्ष विधियों, अधिकतम संभावना या जैसे विशेष क्रिस्टलोग्राफिक विधियों द्वारा उजागर किए जाने चाहिए।दूसरी ओर, अकार्बनिक क्रिस्टल के ईडी पैटर्न में प्रायः एक उच्च रिज़ॉल्यूशन (= उच्च मिलर सूचकांकों के साथ इंटरप्लानर स्पेसिंग) 1 एंग्स्ट्रॉम से बहुत निम्नतम होता है। यह सबसे अच्छा इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के बिंदु संकल्प के समान है। अनुकूल परिस्थितियों में पूर्ण क्रिस्टल संरचना को निर्धारित करने के लिए एकल अभिविन्यास से ईडी पैटर्न का उपयोग करना संभव है। वैकल्पिक रूप से एक हाइब्रिड दृष्टिकोण का उपयोग किया जा सकता है जो क्रिस्टल संरचना को परिष्कृत करने के लिए ईडी से हल करने और तीव्रता के लिए एचआरटीईएम छवियों का उपयोग करता है।

ईडी द्वारा संरचना विश्लेषण के लिए हालिया प्रगति विन्सेंट-मिडगली इलेक्ट्रॉन विवर्तन पैटर्न रिकॉर्ड करने के लिए प्रीसेशन तकनीक प्रारंभ करके के लिए की गई थी।। इस प्रकार प्राप्त तीव्रता सामान्यतः कीनेमेटिकल तीव्रता के बहुत करीब होती है, ताकि उन संरचनाओं को भी निर्धारित किया जा सके जो परंपरागत चयनित क्षेत्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन डेटा को संसाधित करते समय सीमा से बाहर हैं।

घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) के अंदर पहले से सिद्धांतों की गणना का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी के माध्यम से निर्धारित क्रिस्टल संरचनाओं को उनकी गुणवत्ता के लिए जांचा जा सकता है। सतह संरचनाओं को हल करने में सहायता के लिए इस दृष्टिकोण का उपयोग किया गया है और कई धातु-समृद्ध संरचनाओं के सत्यापन के लिए जो क्रमशः एचआरटीईएम और ईडी द्वारा ही सुलभ थे।

हाल ही में, एक्स-रे पाउडर विवर्तन के साथ संयुक्त इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी द्वारा दो बहुत जटिल ज़ीइलाइट संरचनाओं का निर्धारण किया गया है। ये एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी द्वारा निर्धारित सबसे जटिल जिओलाइट संरचनाओं से अधिक जटिल हैं।

अग्रिम पठन

 * Zou, XD, Hovmöller, S. and Oleynikov, P. "Electron Crystallography - Electron microscopy and Electron Diffraction". IUCr Texts on Crystallography 16, Oxford university press 2011. http://ukcatalogue.oup.com/product/9780199580200.do ISBN 978-0-19-958020-0''
 * T.E. Weirich, X.D. Zou & J.L. Lábár (2006). Electron Crystallography: Novel Approaches for Structure Determination of Nanosized Materials. Springer Netherlands, ISBN 978-1-4020-3919-5
 * T.E. Weirich, X.D. Zou & J.L. Lábár (2006). Electron Crystallography: Novel Approaches for Structure Determination of Nanosized Materials. Springer Netherlands, ISBN 978-1-4020-3919-5
 * T.E. Weirich, X.D. Zou & J.L. Lábár (2006). Electron Crystallography: Novel Approaches for Structure Determination of Nanosized Materials. Springer Netherlands, ISBN 978-1-4020-3919-5

बाहरी संबंध

 * Interview with Aaron Klug Nobel Laureate for work on crystallograph electron microscopy Freeview video by the Vega Science Trust.