電子結晶学

電子結晶学は、透過型電子顕微鏡（TEM）を使用して固体中の原子の位置を詳細に決定することに焦点を当てた電子回折法のサブセットです。これには、高解像度透過型電子顕微鏡画像、収束ビーム電子回折を含む電子回折パターン、またはこれらの組み合わせの使用が含まれます。いくつかのバルク構造および表面構造の決定に成功しています。^{[ 1 ] [ 2 ]}関連する2つの方法は、多くの表面の構造を解明した低エネルギー電子回折と、成長中に表面を監視するために使用される反射高エネルギー電子回折です。

この技術は、1927～28年の電子回折の発見直後に遡り、初期の多くの研究で用いられました。しかし、長年にわたり定量的な電子結晶学は用いられず、回折情報は定性的に画像結果と組み合わされていました。特に1950年代以降の数々の進歩により、より定量的な研究の基礎が築かれ、順方向計算の正確な手法から原子構造マップの逆解析手法まで、幅広い技術が開発されました。電子顕微鏡の画像化能力の向上に伴い、現在では結晶学的データは、画像と電子回折情報を組み合わせるか、あるいは場合によっては様々な手法を用いて三次元電子回折データを収集することによって取得されるのが一般的です。

一般的なアプローチは、1924 年にルイ・ド・ブロイが博士論文「量子理論の研究」^{[ 3 ]}の中で電子を物質波として概念化したことに遡ります。電子ビームの波動性は、2 つのグループの研究で実験的に確認されました。1 つはDavisson–Germer 実験[ ^{4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 、}もう 1 つはGeorge Paget Thomsonと Alexander Reidによるものです^{[ 8 ]} 。トムソンの大学院生であった Alexander Reid が最初の実験を行いましたが^{[ 9 ]}、その後すぐにオートバイ事故で亡くなりました^{[ 10 ]} 。これらの実験に続いて、 Hans Betheが Schrödinger 方程式^{[ 12 ]}に基づく電子の最初の非相対論的回折モデルを発表しました^{[ 11 ]。}これは、現在電子回折がどのように記述されているかに非常に近いものです。重要なことに、クリントン・デイヴィソンとレスター・ガーマーは、位置が系統的に異なっていたため、ブラッグの法則アプローチでは結果を解釈できないことに気付きました^{[ 6 ] [ 7 ]} 。多重散乱と平均ポテンシャルによる屈折の両方を含むハンス・ベーテのアプローチ^{[ 11 ]}は、より正確な結果をもたらしました。非常に早く、複数の進歩がありました。たとえば、弾性散乱と非弾性散乱の組み合わせによる結晶学的インデックス付けに使用できる線の菊池清志の観測^{[ 13 ]} 、ヘルマン・マークとレイモンド・ワイルによって開発されたガス電子回折^{[ 14 ] [ 15 ]} 、ルイス・マックスウェルによる液体中の回折^{[ 16 ]} 、マックス・ノールとエルンスト・ルスカによって開発された最初の電子顕微鏡^{[ 17 ] [ 18 ]}などです。

1933 年に WE Laschkarew と ID Usykin がNH ₄ Cl 結晶 中の水素原子の位置を決定した^{[ 19 ]} 、 1953 年にJohn M. Cowleyがホウ酸を決定した^{[ 20 ]} 、 1954 年にWilliam Houlder Zachariasenがオルトホウ酸を決定した^{[ 21 ]}など、初期の成功にもかかわらず、電子回折は長年にわたり、電子顕微鏡内のサンプルをチェックするために使用される定性的な手法でした。John M Cowley は1968 年の論文で次のように説明しています。^{[ 22 ]}

こうして、電子回折パターンの強度を解釈して構造情報を得ることは不可能であるという信念が確立され、それは場合によってはほとんど信仰箇条に匹敵するほどになり、今日に至るまで根強く残っている。

これは徐々に変化してきた。重要な一歩は、1936年にヴァルター・コッセルとゴットフリート・メレンシュテットによって収束電子回折（CBED）が開発されたことである^{[ 23 ]。}この手法はピーター・グッドマンとギュンター・レンプフールによって拡張され^{[ 24 ]} 、その後は主にジョン・スティーズ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}と田中道義^{[ 28 ] [ 29 ]}のグループによって、CBEDパターンを使用して点群と空間群を決定する方法を示した。これは、局所的な微細構造と原子構造の両方が重要な場合、他の透過型電子顕微鏡法と組み合わされた。

2つ目の重要な研究は、ボリス・ヴァインシュタインの研究グループによるもので、粉末回折パターンを用いて粘土や雲母などの様々な材料の構造を解明することに成功した。この成功は、試料が比較的薄かったことに起因する。^{[ 30 ]} （歳差電子回折^{[ 31 ]}の登場以来、様々な電子ビーム方向と厚さにわたって平均化することで動的回折効果が大幅に低減されることが明らかになったため^{[ 32 ] [ 33 ]}、これも重要だったと思われる。）

強度データのより完全な結晶学的解析はゆっくりと発展した。重要なステップの 1 つは、1976 年にDouglas L. DorsetとHerbert A. Hauptmanが、従来のX 線結晶学の直接法が使用できることを実証したことである。^{[ 34 ]}もう 1 つは、1986 年に高柳邦夫が超高真空電子回折を使用してシリコン (111) 7x7 再構成表面の先駆的な解においてパターソン関数が強力であることを実証したことである。^{[ 35 ] [ 36 ]}より完全な解析としては、1997 年に Dorset とLaurence D. Marksが、古典的な反転法が表面に使用できることを実証したこと、および 1998 年にJon Gjønnesが、3 次元電子回折と歳差電子回折および直接法を組み合わせて金属間化合物を解析し、動的精密化も使用した研究がある。 ^{[ 37 ]}

電子を用いて回折データを反転させる手法が確立されると同時に、電子顕微鏡の解像度が十分に向上し、画像と回折情報を組み合わせることが可能になった。当初は解像度が低く、1956年にジェームズ・メンターが1.2nmの解像度で物質の格子構造を示す最初の電子顕微鏡画像を発表した。^{[ 38 ]} 1968年、アーロン・クルーグとデビッド・デロジエは電子顕微鏡を用いて一般的なウイルスであるバクテリオファージT4の尾部の構造を可視化し、高分子構造決定に電子を用いる上で重要な一歩を踏み出した。^{[ 39 ]}原子スケールの画像と動的シミュレーションの最初の定量的マッチングは、1972年にJGオールプレス、EAヒューワット、AFムーディー、JVサンダースによって発表された。^{[ 40 ]} 1980年代初頭には、電子顕微鏡の解像度が材料の原子構造を解読するのに十分になり、例えばヴァーノン・コスレットが率いる600kVの装置^{[ 41 ]}によって、高分解能透過型電子顕微鏡と回折の組み合わせが科学の多くの分野で標準となった。^{[ 42 ]}これらの手法を用いて発表された研究のほとんどは、電子結晶学という用語を追加せずに電子顕微鏡法として記述されている。

これは、無機物、有機物、および膜タンパク質などのタンパク質といった、X線結晶構造解析に必要な大きな3次元結晶を容易に形成できない非常に小さな結晶（0.1マイクロメートル未満）の研究において、X線結晶構造解析を補完することができます。タンパク質の構造は通常、2次元結晶（シートまたはらせん）、ウイルスキャプシドなどの多面体、または分散した個々のタンパク質から決定されます。電子はこれらの状況で使用できますが、X線は使用できません。これは、電子がX線よりも原子と強く相互作用するためです。したがって、X線は薄い2次元結晶をほとんど回折せずに通過しますが、電子は画像を形成するために使用できます。逆に、電子と陽子の強い相互作用により、厚い（例えば3次元 > 1マイクロメートル）結晶は電子に対して不透過性となり、電子は短い距離しか透過しません。

X線結晶学における主な難題の1つは、回折パターンの位相を決定することです。X線レンズの複雑さのため、回折される結晶の像を形成することが難しく、その結果、位相情報が失われます。幸いなことに、電子顕微鏡は実空間で原子構造を分解することができ、結晶構造因子位相情報は、画像のフーリエ変換から実験的に決定できます。原子分解能画像のフーリエ変換は、結晶の対称性と間隔を反映する逆格子スポットを持つ回折パターンと似ていますが、異なります。^{[ 43 ]}アーロン・クルーグは、1968年にはすでに、コンピュータにスキャンされた電子顕微鏡画像のフーリエ変換から位相情報を直接読み取ることができることに最初に気づきました。このことと、ウイルス構造とトランスファーRNAの研究により、クルーグは1982年にノーベル化学賞を受賞しました。

X線結晶学と電子結晶学に共通する問題は放射線損傷であり、特に有機分子やタンパク質は画像化される際に損傷を受け、得られる解像度が制限される。これは、放射線損傷がはるかに少ない原子に集中する電子結晶学の環境では特に厄介である。放射線損傷を制限するために使用される技術の1つは電子クライオ顕微鏡法であり、サンプルはクライオ固定され、液体窒素または液体ヘリウムの温度で画像化が行われる。この問題のため、X線結晶学は、放射線損傷に特に脆弱なタンパク質の構造を決定するのにずっと成功している。放射線損傷は最近、凍結水和状態の薄い3D結晶のMicroED ^{[ 44 ] [ 45 ]を使用して調査された。}

原子分解能を達成した最初の電子結晶学的タンパク質構造は、1990 年に医学研究評議会分子生物学研究所のリチャード・ヘンダーソンとその同僚によって決定されたバクテリオロドプシンであった。 ^{[ 46 ]}しかし、すでに 1975 年にアンウィンとヘンダーソンは、中分解能 (7 Ångström) で最初の膜タンパク質構造を決定しており、膜タンパク質の内部構造を初めて示し、その α ヘリックスが膜の平面に垂直に立っていることを示した。それ以来、光捕集複合体、^{[ 47 ]}ニコチン性アセチルコリン受容体、^{[ 48 ]}および細菌鞭毛^{[ 49 ]}など、他のいくつかの高分解能構造が電子結晶学によって決定されている。2D結晶の電子結晶学によって解明された最高分解能のタンパク質構造は、水チャネルアクアポリン-0 である。^{[ 50 ]} 2012年、Jan Pieter Abrahamsと共同研究者らは、回転電子回折（RED）により、電子結晶学を3Dタンパク質ナノ結晶に拡張した^{[ 51 ] 。 [ 52 ]}

高解像度電子顕微鏡(HREM) 画像を用いた無機結晶の電子結晶学的研究は、 1978 年にAaron Klugによって初めて行われ^{[ 53 ]}、1984 年に Sven Hovmöller と共同研究者によっても行われました^{[ 54 ]。HREM}画像が使用されたのは、構造解析のために結晶の端に近い非常に薄い領域のみを (コンピュータ ソフトウェアで) 選択できるためです (結晶学的画像処理も参照)。これは、結晶の厚い部分では、出射波関数(投影された原子列の強度と位置に関する情報を含む) が投影された結晶構造と線形関係にならなくなるため、非常に重要です。さらに、HREM 画像は結晶の厚さが増加するにつれて外観が変化するだけでなく、対物レンズのデフォーカス Δfの選択設定にも非常に敏感です (たとえばGaNの HREM 画像を参照)。この複雑さに対処するために、 Cowley -Moodieマルチスライスアルゴリズム^{[ 55 ] [ 56 ]}と非線形イメージング理論^{[ 57 ]}に基づく手法が開発され、画像をシミュレートするようになりました。これはFFT法が開発されて初めて可能になりました^{[ 58 ] [ 59 ] 。}

電子顕微鏡画像に加えて、電子回折（ED）パターンも結晶構造の決定に利用できます。^{[ 60 ] [ 61 ]}反射間の構造に関連する強度差の大部分を維持するため（準運動学的回折条件）、最も薄い領域からこのようなEDパターンを記録するには細心の注意を払う必要があります。X線回折パターンと同様に、重要な結晶構造因子位相は電子回折パターンでは失われるため、直接法、最尤法、または（最近では）電荷反転法などの特別な結晶学的方法によって明らかにする必要があります。一方、無機結晶のEDパターンは、1オングストロームをはるかに下回る高い分解能（＝ミラー指数が高い面間隔）を持つことがよくあります。これは、最高の電子顕微鏡の点分解能に匹敵します。好ましい条件下では、単一の方位からのEDパターンを使用して完全な結晶構造を決定することができます。^{[ 62 ]}あるいは、結晶構造の解析にHRTEM画像を使用し、結晶構造の精密化にEDからの強度を使用するハイブリッドアプローチを使用することもできます。^{[ 63 ] [ 64 ]}

電子回折による構造解析の最近の進歩は、電子回折パターンを記録するためのヴィンセント・ミッジリー^{[ 65 ]}プレセッション技術の導入によって達成された^{[ 66 ]} 。それによって得られる強度は通常、運動学的強度に非常に近い^{[ 67 ] [ 68 ]}ため、従来の（選択領域）電子回折データを処理する際に範囲外となる構造さえも決定することができる^{[ 69 ] [ 70 ] 。}

電子結晶学によって決定された結晶構造は、密度汎関数理論（DFT）内の第一原理計算を使用して品質を検証できます。このアプローチは、表面構造の解明^{[ 71 ]}や、それぞれHRTEMとEDでしかアクセスできなかったいくつかの金属リッチ構造の検証に使用されています。 ^{[ 72 ] [ 73 ]}

最近、電子結晶学とX線粉末回折を組み合わせた方法で、 2つの非常に複雑なゼオライト構造が決定されました。 ^{[ 74 ] [ 75 ]}これらは、X線結晶学によって決定された最も複雑なゼオライト構造よりも複雑です。

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• 結晶構造解析電子顕微鏡の研究でノーベル賞を受賞したアーロン・クルーグ氏へのインタビュー。Vega Science Trust提供の無料動画。
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