2.罚款方面φ-切片
2.1. 强度估计的准确性
衍射实验的目的是准确测定布拉格反射的强度。A峰值强度P(P)由反射强度组成我及其背景B类.观测强度我布拉格反射是减去相应峰值像素的估计背景后峰值区域像素计数的总和,
X射线的衍射表现为泊松过程。数量问衍射实验中计算的光子的泊松分布具有方差问和标准偏差σ,
强度与其标准偏差的比值是衡量测量质量的标准,
从这个方程可以看出,对于较大的背景,观测强度的精度较低,而较小的强度的测量精度较低。相反,当反射与较少的背景一起测量时,其强度的确定更为准确,并且这种影响对于较小的强度更为明显。
2.2. 精细化的定性描述
在使用旋转方法获取衍射数据时,每张图像旋转范围的角宽度是一个重要变量。基于反射范围(反射的角度扩展)与每张图像的旋转范围之间的关系Δφ,可以区分两种基本策略(图1). 在宽切片策略中,Δφ大于反射范围,并且大多数反射被完全记录在单个图像上。较宽的旋转范围导致需要从探测器读取、存储和处理的完整数据集的图像数量较少。过去经常选择这种策略,是因为考虑到使用慢速探测器以及在可用存储和计算资源有限的情况下尽量减少采集时间的实际因素。每张图像的最大旋转范围受到交叉月牙引起的重叠反射的限制,可以通过以下公式进行估算(Dauter,1999),
每张图像的最大旋转范围取决于高分辨率限制d日,反射范围ξ、和一,投射到入射X射线束上的基本单位-细胞尺寸的长度。光束方向和长晶胞轴之间的小角度禁止大的旋转范围。对于较小的非正交单位单元,交叉月的重叠问题不太严重,其中一个月的反射行通常位于相邻月的行之间,没有重叠。然而,如果不仔细选择旋转范围,重叠很容易导致宽切片数据集无法使用或严重降低其最大分辨率。
| 图1 广泛而精细的数据收集。背景和反射强度φ,假设反射强度为高斯分布σφ=0.05°,如图所示。反射范围ξ、FWHM和σφ显示了反射的。(一)宽切片数据采集,旋转宽度为1°。全反射(绿色轮廓)的强度记录在单个图像上,无需沿轮廓采样φ。大量背景与反射强度沿φ并包含在集成中。部分反射(橙色轮廓)记录在两张连续图像上,背景是全反射的两倍。(b条)中间细裂纹Δφ= 2σφ=0.1°:改进了背景分离,并沿φ. (c(c))精细切片Δφ= 0.5σφ= 0.025°. 反射剖面沿φ.包括φ积分中包含背景但没有反射轮廓和强度部分的区域进一步减少。 |
在精细战略中,Δφ只是反射范围的一小部分,反射强度分布在几个连续的图像上。与宽切片方法相比,该策略具有许多优势。显然,精细拼接减少了交叉新月的重叠反射问题。更重要的是,在宽切片策略中,反射与背景在宽角度范围内一起记录,而与背景沿φ通过精细切片图像最小化(另请参见图1). 因此,如上所述,在没有系统误差的情况下,可以更准确地确定反射强度。
2.5. 精细切片和检测器特性
尽管精细化有很多优点,但当每个图像的采集都与任何错误或噪声源相关时,这种策略也会对数据质量产生负面影响。探测器读出噪声是使用精细策略时降低数据质量的一个明显错误源:数据集中的图像越多,探测器读出噪声的贡献越大。晶体测角仪和X射线快门可能会产生其他基于图像的误差。晶体旋转必须与X射线快门的打开和关闭完全同步。然而,机械快门和转轴可能无法完美再现,并可能会引入所谓的“快门抖动”,即每个图像的曝光时间和角度范围的变化。快门抖动会导致衍射数据质量严重恶化(Diederichs,2010). 使用CCD探测器获取的数据受到探测器噪声和潜在快门抖动的影响,这限制了精细滤波的适用性(Pflugrath,1999)). CCD探测器在强反射中也容易出现饱和像素。较小的旋转角度可以缓解过载问题,因为反射强度在多个图像上分开。
混合像素探测器的使用消除了探测器噪声和快门抖动,它们是基于图像的噪声的主要来源。单光子计数探测器可以在没有任何相关噪声的情况下读出。快门抖动问题被消除,因为快速读出时间允许在晶体连续旋转和曝光期间收集数据。不是为每个图像打开和关闭快门,而是按照与图像曝光时间(Hülsen等。, 2006). 然而,在探测器的读出过程中,几毫秒内没有采集到任何数据,并且探测器不会统计衍射条件下反射的光子。探测器读出通过读出时间和曝光时间之间的相对差异来衡量强度,而强度的分布和反射剖面的形状不受影响(Hülsen等。, 2006). 因此,尽管有探测器读数和相关的停滞时间,仍然可以正确地确定强度估计值。
混合像素探测器具有广泛的动态范围在实际采集大分子衍射数据时,通常不会遇到饱和像素。然而,测量像素中几十万计数的最强反射的精确度可能会受到所有计数探测器固有的计数率限制的影响(格鲁纳等。, 2006). 法恩φ-切片可以提高测量强反射的准确性,因为精细的采样可以使旋转角度上的计数率更加恒定,并改进了计数率校正(卡夫等。, 2009).
原则上,有了快速无噪像素探测器,就可以充分利用精细拼接的优势。然而,在实践中,精细衍射方法的适用范围可能会受到其他因素的限制,例如衍射仪硬件的精度或集成软件对每像素只有少量计数的超精细切片反射强度的处理。
3.材料和方法
3.4. 衍射图像的求和
使用软件对衍射图像进行求和TVX电视台,它是供应商提供的PILATUS探测器的探测器控制软件的一部分。命令“move a=b+c”用于添加图像的像素值b条和c(c)并写入结果图像一到磁盘。
4.结果和讨论
4.1. 精细镶嵌和Δφ
对我们的实验数据的分析表明XDS公司取决于Δφ(图3). 对于从同一晶体收集的一系列数据集XDS公司在文件中对的。有限合伙人每幅图像在较小的旋转范围内减小。镶嵌性在Δφ<σφ对于大多数系列数据集。一些序列显示,最精细切片数据集的精细镶嵌度略有增加。
| 图3 莫斯科和Δφ。马赛克由XDS公司取决于Δφ。每行代表从同一晶体中收集的一系列数据集Δφ。在左侧面板中,马赛克由XDS公司并在文件中报告对的。有限合伙人在垂直轴上绘制Δφ在水平轴上。在右侧面板中,将每个数据集的镶嵌性标准化为相应序列的最小镶嵌性,并根据Δφ除以最小镶嵌度。 |
镶嵌度计算单位为XDS公司布拉格最大值的角位置及其最大值周围的反射强度分布(Kabsch,2010一). 在更精细的地方Δφ光斑质心的确定更准确,反射强度的采样也更好,这将有助于更好地估计镶嵌性。因此,使用更精细的旋转宽度获得的较低镶嵌值更有可能更好地反映给定实验装置中晶体的衍射特性。
对于本次和所有以下数据分析,我们认为最小镶嵌值由XDS公司对于来自与晶体镶嵌性相同的晶体的一系列数据集。这似乎是一个比从最精细的切片数据集中提取的镶嵌值更好的选择,因为在所有情况下,这些数据集可能不会以最佳精度进行处理:如§4.4.2最精细切片数据集的处理结果在某种程度上取决于所使用的处理参数。
由XDS公司因为本研究中使用的晶体在0.03°范围内<σφ< 0.16°. 如果只有每个系列中最广泛的数据集可用于估计镶嵌性,则这些数据似乎在0.06°范围内<σφ< 0.23°,即被高估了1.3到2.0倍。
要将σφ使用获得的值XDS公司在更广泛的范围内,马赛克也用MOSFLM公司对于最宽切片数据集中晶体的代表子集(表3). 马赛克蔓延由MOSFLM公司覆盖范围为0.14–0.68°,比σφ计算依据XDS公司对于相同的数据集。
水晶 | 12a1年 | 12c内 | ly08c型 | th01c型 | 第02页 | tl02c公司 | XDS公司 σφ(°) | 0.07 | 0.07 | 0.23 | 0.08 | 0.18 | 0.10 | MOSFLM公司马赛克蔓延(°) | 0.18 | 0.14 | 0.68 | 0.20 | 0.48 | 0.31 | 比率,MOSFLM公司/XDS公司 | 2.6 | 2 | 3 | 2.5 | 2.7 | 3.1 | | |
4.3. 异常信号和Δφ
使用三个标准来估计从嗜热菌素晶体收集的衍射数据中的异常信号吸收边锌。异常信噪比〈ΔF类±〉/σ(F类)以估计的标准偏差为单位描述平均异常差异,而异常相关性是异常强度差异的两个随机子集之间的平均相关因子(Dauter,2006). 这两个标准都是根据以下公式计算得出的XSCALE公司用于数据的整体分辨率范围。此外,我们使用加权映射系数计算了异常差分傅里叶图中锌峰的高度精炼嗜热蛋白模型。
在数据集的全分辨率范围内对我们的实验数据进行的分析表明,从更精细的旋转宽度收集的数据中可以获得更好的异常信号(图6). 数据集之间的相对差异大约在10%到30%之间,这取决于所评估的数据集系列和标准。对于某些序列和标准,可以在Δφ< 0.5σφ.
| 图6 异常统计和Δφ锌矿采集的五组数据集的异常信噪比(顶部面板)、异常相关性(中间面板)和异常差异傅里叶峰高(底部面板)吸收边缘。在右侧面板中,每个数据集的统计值将根据同一系列中的最佳值进行归一化。异常信号的所有三个标准都随着旋转宽度的增加而减小。 |
4.4. 积分参数的影响
4.4.1. 反射剖面采样
使用不同数量的网格点对旋转宽度为0.02至0.64°的系列th02c的数据集进行整合,以表示XDS公司。当少于9个网格点时,所有数据集的缩放统计都会严重恶化,这是XDS公司,(图7). 当使用更多的点时,最宽切片数据集的统计数据没有改善,但当使用多达21个网格点时,精细切片数据集统计数据略有改善,这是XDS公司.
| 图7 反射采样以进行积分。旋转宽度为0.02至0.64°的系列th02c的数据集与不同数量的网格点集成,用于表示XDS公司.我/σ(我)和R(右)合并使用指定的Δφ根据中使用的网格点数量绘制XDS公司。当网格点超过九个时,最宽切片数据集的缩放统计不会改善,这是的默认值XDS公司使用。当使用多达21个网格点时,精细切片数据集的统计信息会得到改善,这是XDS公司. |
三维反射剖面如所示XDS公司在坐标系中特定于每个反射的网格上。在表示和拟合轮廓的过程中,将覆盖特定旋转范围的图像上观察到的强度映射到表示反射特定网格中相应旋转范围的网格点上(Kabsch,2010一). 网格点数量少导致反射剖面的粗略表示生物信息学以及对反射强度的不准确估计。九个网格点的默认值足以用于宽切片衍射数据,以适当表示衍射图像的观察强度分布,并且网格点数量的增加不会导致更好的缩放统计。对于较小的振荡宽度,反射剖面在衍射数据中沿φ在这种情况下,九个网格点的默认值似乎不足以有效地表示剖面的密集实验采样生物信息学当网格点数增加时,可以观察到更好的缩放统计。
4.5. 精细切片数据的求和
如上所述,从积分软件中获得的强度估计值的不准确是使用高度精细的数据观察到较差缩放统计的原因之一。然而,实际衍射数据的质量和准确性也可能是观察到较差统计数据的原因。对于完美的精细切片数据,可以预期,在特定的旋转范围内添加图像将获得与在此旋转范围内作为单个宽切片图像收集数据相同的结果。非完美数据,即与在一幅宽图像中采集相同的旋转范围相比,那些受到与获取大量精细切片图像相关的任何错误影响的图像,加起来会产生较差的结果。
我们使用求和程序来评估高精细切片衍射数据与宽切片数据的质量。将最精细切片数据集中的两个连续图像的像素值相加,得到与输入图像旋转宽度的两倍相对应的图像。然后对用这种方法得到的数据集进行求和,以获得第一步中实验图像旋转宽度的四倍的数据集。重复此操作,以获得所有总计数据集,以及实验获得的数据集每张图像的旋转宽度。我们将此过程应用于五个具有代表性的数据集系列。
图9显示了总计数据集和实验采集数据集的最高分辨率外壳的缩放统计由最精细切片图像求和得到的数据通常比相同旋转宽度的实验数据的缩放统计数据差。对于12a1和th02c系列,所有求和数据集的统计结果都不如最精细的切片数据,而对于实验数据,使用Δφ约0.5σφ,提供了最佳缩放统计信息。这表明Δφ≃ 0.5σφ具有最佳质量,在获取更精细的切片图像时会降低质量。最好的切片数据的质量较差可能是由较长的相对值引起的死区时间每个图像。
| 图9 精细切片数据的总和。将五个不同系列的最精细切片数据集的衍射图像相加,生成与实验收集的较大图像相对应的图像Δφ显示了实验图像数据(虚线)和汇总图像数据(实线)的最高外壳统计值。 |
12c和tl02c系列显示了0.5–1范围内数据的最佳缩放统计Δφ/σφ对于总结图像和实验图像。这里应该注意的是,对于这两个系列的最精细切片图像求和(12c的两倍、四倍和八倍求和,tl02c的二倍和四倍求和),与不求和处理最精细切片的图像相比,可以获得更好的缩放统计。由于汇总图像基于相同的实验数据,因此汇总图像的更好的缩放统计只能归功于处理软件,该软件似乎可以从汇总图像中获得更准确的强度估计值。对此现象的一种可能解释是,将最精细的切片图像相加会导致较差的衍射数据,但使用积分软件可以从旋转宽度较大的相加图像中更准确地估计反射强度。总之,从这些结果得出的结论是Δφ< 0.5σφ这既源于在短曝光时间下获得的高度精细切片数据的较差质量,也源于积分软件的强度估计。
5.结论
Pflugrath(1999)已经证明了精细化的理论和实践优势)他比较了使用CCD探测器从单晶采集的宽切片和细切片数据集。基于实验结果和综合理论考虑,提出了一种精细策略。低浓度晶体应使用Δφ0.5°。当观测到的反射范围(本文中使用的镶嵌度定义)大于1°a时Δφ建议使用一半的反射范围。这些建议是针对CCD探测器量身定制的,并将读出噪声和快门抖动考虑在内,这会妨碍更好的切片数据质量。
在这项研究中,我们证明,利用无噪声像素探测器,可以在连续旋转的情况下记录衍射数据,从而充分利用精细衍射。集成衍射数据的质量随着精细切片数据的减少而可靠地提高Δφ≃ 0.5σφ在这个相对旋转宽度下,可以获得最佳的缩放统计信息,并确保精细切片数据的稳健和准确集成。当旋转宽度小于0.5时σφ可能会得到较差的统计数据。我们的结果表明,最佳值为0.5σφ这可以归因于积分软件的精确强度估计,以及在非常小的旋转宽度和短的曝光时间下收集的高度精细切片数据的质量较差。曝光时间和相对湿度的影响停滞时间在未来的系统研究中,需要进一步阐明数据质量。集成软件和算法的影响也应进一步研究。然而,XDS公司是目前唯一使用三维轮廓拟合的集成软件,支持并行处理PILATUS图像,并免费提供给学术用户。法恩φ-切片还应该提高强反射强度估计的准确性,因为在旋转范围内计数率更恒定,并且改进了计数率校正(卡夫等。, 2009). 在我们的数据中,我们没有观察到旋转宽度与低分辨率壳体中强反射强度估计的准确性之间的决定性相关性。获得最佳低分辨率数据的策略,如剂量率与冗余的平衡,将是未来单独研究的主题。已经对此进行了一些初步实验,初步结果表明,降低通量在一系列数据集中,通常会为低分辨率壳带来更好的缩放统计。
我们的测试用例覆盖了镶嵌的晶体σφ0.03至0.16°之间,数据的高分辨率极限在1.20至1.95°之间。本研究中使用的晶体覆盖了五倍以上的镶嵌物。在这个范围内,我们观察到关于Δφ/σφ还应注意,这里所述的镶嵌看起来很低,因为如果根据宽切片数据计算,估计镶嵌会高出1.3到2.0倍,并且因为σ报告值。计算马赛克展开时MOSFLM公司从宽切片图像来看,所用晶体的镶嵌度高达0.68°。
当晶体的衍射极限位于背景散射的溶剂环区域时,精细切片特别有利。更好的分离φ从比例上看,该区域的强背景比分辨率更高的背景区域的影响更强。与本研究中衍射良好的测试晶体相比,衍射较差且背景散射更高的晶体,由于改进了背景分离,预计其具有更强的细晶优势。这通常适用于小晶体,它们被冻结在较大的周围溶剂滴中,溶剂含量高,或表现出漫散射或高威尔逊B类因素。膜蛋白晶体或大分子复合物经常会遇到这些问题(米勒等。, 2007; 木匠等。, 2008). 然而,由于复杂的镶嵌结构,一些衍射不良的晶体可能会出现不规则的光斑轮廓。在这种情况下,对本研究中使用的晶体进行的观察可能无效。
理想情况下,我们的研究将在未来得到衍射质量较差晶体的类似研究的补充。然而,对衍射较差的晶体进行系统研究在本质上是非常困难的。或者,为本研究收集的大量系统收集数据可用于验证使用程序生成的模拟衍射数据获得的结果,例如MLFSOM公司或SIM_MX(SIM_MX)(霍尔顿,2008; Diederichs,2009年). 在系统实验研究中不容易获得的衍射特性和数据收集参数可以基于模拟软件的验证进行研究。
总之,我们建议任何使用无噪声混合像素检测器的用户以每幅图像一半的旋转宽度收集数据,使用σφ使用的镶嵌定义XDS公司。由于不同晶体之间的差异或宽切片数据对镶嵌性的过高估计,获得准确的镶嵌性估计可能不太容易。然而,准确的镶嵌估计并不太重要。如果估计值偏离2倍,仍将获得接近最佳值的数据。相反,收集宽切片数据将降低总体、高分辨率和异常统计数据。当应用特定截止标准(如2〈)时,这将降低数据集的最大分辨率我/σ(我)在最高分辨率的外壳中,或者使实验阶段的尝试不太可能成功。此外,精细划分将重叠风险降至最低,这可能会进一步降低收集数据的有用分辨率。
衍射数据的不同应用,例如分子替换,异常相位,高分辨率精炼或配体搜索通常需要不同的数据收集策略(Dauter,2010). 然而,精细切片通常可以提高所获取数据的质量,并且应该应用于所有这些场景。
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