利用反常散射信息求解纳米晶X射线自由电子激光相干衍射相位的方法学研究

X-ray free electron laser(X-FEL) is a most important scientific facility advancement, which is going to lead a revolution of matter analysising at atomic resolution. The most attractive point of them is hologram for a single molecule. The first coherent diffraction imaging using X-FEL has been implemented, which was done by nano-crystal coherent diffraction. Nano-crystal coherent diffraction imaging is an important method with potential to rapidly advance the challenging field of membrane protein structural biology. The experiment is just a feasibility test, in which phase ambiguous hadn't been broken. The purpose of this project is to create a method to get experimental phase by using anomalous scattering information. There are three elements in the project: first, "Get information from anomalous signal"; second, "Convert ambiguous of Bijvoet couple to quad-solution phase ambiguous"; third, "Use P+ formula to break quad-solution phase ambiguous". In the project, it is firstly proved that ambiguous of Bijvoet couple is able to be convert to quad-solution phase ambiguous. P+ formula is a research which has a lot of characteristics of our group. Here, a new P+ formula will be used to break quad-solution phase ambiguous. This project is a very important research, which will provide many benefit for nano-crystal coherent diffraction.

硬X射线自由电子激光是近年来最为重要的科技进展，必将引发物质结构分析技术和方法的重大变革。利用它进行原子分辨率相干成像是最为引人注目的领域之一。最近在XFEL上首次利用纳米尺度的晶体进行了原子分辨率相干衍射成像，这项实验在X射线衍射分析上具有里程碑的意义。利用纳米量级的晶体，而不是传统微米量级，可以破解现在困扰生物大分子晶体结构分析的结晶瓶颈。现在已有的相干衍射成像实验仅仅是验证性的，其并没有彻底解决衍射相位求解的问题。本项目着眼于利用反常散射信息来在纳米晶衍射中求解实验相位。本项目含有三方面的研究内容：一，反常散射信息提取、二，"Bijvoet对"的位置模糊转化为相位四解模糊、三，利用P+公式破解相位四解。本项目首次提出并证明了"Bijvoet对"的位置模糊可以转化为相位四解模糊，并利用具有本研究组特色的P+公式来破解相位四解模糊。本项目会为纳米晶衍射深入应用提供保障。

串行晶体学是随着硬X射线自由电子激光的出现而发展起来的一种新的单晶数据收集方法，是晶体学发展的一个新的重要方向。近几年来已经取得了一些非常重要的结果。由于该领域的发展非常迅速，我们及时的调整了我们的研究计划，将串行晶体学衍射数据处理，以及一些串行晶体学不同于普通晶体学的机理研究，并取得了一系列重要成果。.1,我们提出了一种处理串行晶体学数据的新方法。该方法基于我们提出的在倒易空间内晶体强度的分布的一种模型，以及串行晶体学一些特有的性质而提出来的一种外推方法。该方法可以更为充分的利用串行晶体学衍射数据，特别是那些衍射强度比较低的数据。我们利用模拟数据对该方法进行了验证，取得了非常好的效果。利用新方法所恢复出来的单晶衍射设计更为接近用于模拟的原始模型，这说明利用该方法得到的单晶衍射数据质量远远高于现在常用的Monte Carlo Integration方法。.2,我们提出了一种具有串行晶体学特点的单对同晶置换法来求获得串行晶体学实验相位。在衍射物晶体样品制备时，往往不能保证所有的样品中都吸收了衍生物重原子，其中很有可能混有一部分母体数据。我们改进了之前提出的串行晶体学混合样品物相鉴定的方法，使其能够探测生物大分子衍生物和母体之间微小的晶胞差别，进而从混合的串行晶体学数据中分离出母体数据和衍生物数据。从获得的母体和衍生物数据我们便可以用单对同晶置换法来解决实验相位，从而解析出晶体结构。我们使用模拟数据对我们的方法进行了验证，取得了非常好的效果。.3,我们还发展了一种对含有母体数据的反常散射衍生物数据进行纯化的方法，利用该方法可以去除衍生物中的母体数据，从而提高反常散射的数据质量；我们还发展了一种考虑镶嵌块效应的串行晶体学数据模拟新方法。利用该方法产生的串行晶体学数据与实验数据符合的更好。