奇怪的Q峰

讀書時，老師和師兄們總教導我們要把蛋白提純了再去長晶體。純度越高越好（>95%），這樣晶體才能長得漂亮。于是各種層析柱子的提純成了日常較多的工作。而且不光是表觀上SDS-PAGE的純度，我們還要求蛋白盡可能狀態的均一。甚至在我們的意識里，蛋白是有生命的，越早越快地提純出來，蛋白才是“活"的。于是各種加班加點的穿著棉襖在冷庫里做實驗，廢寢忘食都不為過。然而到了工作的時候，接觸到了化學晶體，卻讓我對結晶對純度的要求一度十分的困惑，各種純度都有進行長晶體的實驗。對純度的要求好像沒有那么嚴格，甚至有時候會故意做一些摻雜，來誘導長晶體。總之，眾說紛紜，結晶重新回到了玄學（或者漫不經心）。

我相信很多同學的晶體總是長不好，跟純度或多或少是有些關系的。不過，目前討論的內容是關于奇怪的Q峰。概念中，同樣的分子按照周期性的排列，從而長成了晶體。這是晶體的理論。然而現實中，少許不同的分子也同樣可以生長在一起（這里不是指共晶），形成晶體。這在無機晶體和礦物晶體中，十分的常見，同樣的位置有不同元素的原子占據著，名為置換無序。這些“無序"通常是天然存在，或者人為引入的。然而對于有機分子，也存在同樣的問題，只是很多時候我們沒有意識到，所以懵圈在那里了，不知道發生了什么。甚至即便得到了十分合理的解釋，到了很多同學那里也會死不認賬，認定一定是解析錯了… 實際上在很多同學生長的晶體里，這一點都不是什么罕見的事情。
舉例說明

我們先看一下常見的例子。這個結構解析的十分順利，基本上APEX3的AutoStructure就可以自動地把“原定"的結構解析完畢。然而在苯環附近，有一個很奇怪的Q峰，雖然不大，但是卻不能被忽略。我們不能簡單認為Q峰小于1了就可以忽略不記了（說實在的，這個“定律"不知從何而來，或者前提條件在傳播的過程中被無視了…）。仔細看下這個1.02 的Q峰恰好位于 C2原子正對的地方，距離是可以成鍵的范圍。可以確定的是，這里不會是游離的無序水，也不會是其它可以無序的基團。那會是怎么回事呢？

▲圖 1 abnormal Q peak

在查看了衍射圖和倒易空間之后，基本可以排除晶體存在非缺面孿晶或者衍射點的其它問題，因為衍射點十分的整齊。同時對于三斜的這個晶體，它也不存在贗缺面孿晶導致的問題。重復測試多顆晶體，這里都存在相同的問題。所以大概率下數據的|Fo|是沒有問題的。那么問題就落在了結構模型|Fc|上。仔細研究這個Q峰，我們會得到兩個信息，首先它在接近苯環C2正對的位置上，幾何構象上看起來特別像是苯環延伸出的原子。另外它與C2原子的距離在1.7 ?左右。如果忽略既有給定的結構式和Q峰的大小，這里特別像是一個Cl的取代基。假定這里是Cl原子，放開占有率精修，我們會得到該位置Cl的占有率只有4%。

▲圖2 possible disorder

所以我們的推斷是，這里實際上是另一種Cl取代基的分子在這里的混合無序。而較有可能的原因是用于結晶的原料不夠純，可能是反應的中間產物或者是副產物。雖然比例不高，但已然摻入到了結晶之中。在結構解析之余，我們還成功地鑒定了一種“雜質"。當然，我相信大家并不喜歡這種發現，也許很多人會去做squeeze，但這里并不是squeeze的應用范圍。晶體學大多無意去鑒定雜質。不過究竟發生了什么，依舊需要實驗人員自己去排查自己的反應和其它測試表征的數據，比如通過HPLC和質譜分析中觀察到相應的峰，亦或是核磁中觀察到相應的信號。簡單的取代基上的差異，看起來還算是比較清晰。對于一些結構類似的分子混在一起的結晶，可能會讓結構精修看起來非常的費解，比如在同樣的位置有兩種基團。然而在數據沒有問題的情況下，電子云總歸會有一個合理的解釋。這時候一些看起來不起眼的線索，可能就會是破譯問題的關鍵。尤其是自己做化學合成的線索。所以每個人其實都應該自己參與到結構解析的過程中，而不是當甩手掌柜。如同hkl文件一樣，晶體本身是結果，過程只有每個人實驗人員自己知道。失去了一些關鍵信息，結構解析可能會走向歧途。比如下面這個結構，開始的時候我們會覺得異常的奇怪。初始的結構和預期結構一致，但是結構中的某個苯環的三個原子溫度因子特別的大。其中C3原子的上下各有一個非常大的Q峰。看起來像是C3原子的無序。但是這里如果是苯環，C3原子無論如何也無法運動到這么兩個位置。那么這里會是什么？

▲圖 3 abnormal Q peak 

那么我們來做些假設，C3 C4 C5 過大的溫度因子，實際上并不是無序，而是占有率的問題。也就是這三個原子在這里只有部分占據，表示著，在一些晶胞中的分子中，這三個原子是不存在的，可能只有50%左右。而Q1和Q2 距離C2的距離大約在1.7?左右。看起來像是C-Cl原子的鍵長。但是Q1和Q2的間距只有2.56A，看起來特別像是1，3碳原子之間的間距。所以假設這是另外一種分子，可以有不同的可能性，比如兩邊都是Cl，兩邊都是C，或者是一邊是Cl的上下無序。缺少了合成和其它輔助的信息，所有的猜測只能基于結構和電子云的邏輯去嘗試。嘗試下來較合理的結果，是下圖中兩種分子的混合，而且比例接近50%。所以可想而知原料中摻雜了多少“雜質"，或者說這是混合物已經不能稱之為雜質了。

▲圖 4  混合的分子結構

我不知道在原料提純后，這樣剛性的分子位置再出現類似的情況下，還會剩下多大的可能性。但如果不是有意如此，盡量純的原料應該會幫助我們避免一些無意去做的“新發現"。而這些看似詭異的Q峰，已經不是單純的結構解析的問題。