安捷倫Gemini X射線單晶衍射儀的使用及日常維護(hù)

楊 華 宋學(xué)英

(首都醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)測(cè)試中心，北京 100069)

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儀器使用與維修

安捷倫Gemini X射線單晶衍射儀的使用及日常維護(hù)

楊 華 宋學(xué)英

(首都醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)測(cè)試中心，北京 100069)

X射線單晶衍射儀提供了一種無(wú)損傷的物理分析測(cè)試技術(shù)，它能測(cè)試有機(jī)物及無(wú)機(jī)物的晶體內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)，包括晶體空間群，晶胞大小，原子間的鍵長(zhǎng)，鍵角，分子在晶體中的堆積方式及氫鍵關(guān)系等。X射線單晶衍射儀法廣泛應(yīng)用于物理學(xué)，化學(xué)，材料科學(xué)，分子生物學(xué)和藥學(xué)等學(xué)科。成為人們獲得固體微觀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力手段。本文將就X射線單晶衍射儀在小分子中的應(yīng)用技巧及主要硬件的日常維護(hù)加以探討[1]。

X射線單晶衍射儀 應(yīng)用技巧 日常維護(hù)

X射線單晶衍射儀可以測(cè)定晶體的微觀結(jié)構(gòu)。單晶結(jié)構(gòu)分析是目前諸多固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析方法中可以提供信息量最多最常用的研究方法，因此單晶結(jié)構(gòu)分析已經(jīng)成為十分常見(jiàn)且使用方便的研究方法，逐步成為相關(guān)研究領(lǐng)域日常科研工作的不可或缺的一部分。X射線衍射包括單晶衍射和粉末衍射分析兩大類分支，本文主要介紹安捷倫Gemini X射線單晶衍射儀在小分子結(jié)構(gòu)測(cè)試中的使用技巧及硬件維護(hù)。

1 X射線單晶衍射儀的使用

1.1 Gemini單晶衍射儀的系統(tǒng)組成

安捷倫Gemini單晶衍射儀是一款經(jīng)典的小分子單晶衍射儀，可以分析單晶的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單粉末實(shí)驗(yàn)。整個(gè)系統(tǒng)包括：X射線發(fā)生器，四圓測(cè)角儀，高壓發(fā)生器，CCD面探測(cè)器，穩(wěn)壓電源，樣品低溫裝置，循環(huán)水冷機(jī)，數(shù)據(jù)控制及處理系統(tǒng)。其中核心部件是X射線發(fā)生器，高壓發(fā)生器，CCD面探測(cè)器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，水冷機(jī)，穩(wěn)壓電源，低溫裝置是輔助設(shè)備，主要部件如圖1所示。

1.2 常規(guī)數(shù)據(jù)采集和處理流程

1.2.1 晶體的選擇

晶體選擇的原則是挑選外形整齊，表面光澤透明，顏色均勻一致，沒(méi)有裂縫和缺陷，而且必須是單顆晶體，周?chē)荒苡形⑿【w粘附，晶體的形狀也盡量選擇近似球形或立方體形，必要的時(shí)候需要在顯微鏡下切割處理、清洗，以減少吸收矯正誤差。晶體的大小需要根據(jù)X射線準(zhǔn)直器的直徑來(lái)選擇，一般晶體的大小要小于準(zhǔn)直器的直徑，使整個(gè)晶體都沐浴在X射線束里。晶體在粘晶之前要用硅油清洗雜質(zhì)(見(jiàn)圖2)。

1.2.2 晶體的安裝

選擇好的晶體用粘合劑粘在毛細(xì)管拉成的玻璃纖維上。毛細(xì)管選擇直徑0.3mm的點(diǎn)樣毛細(xì)管，在酒精燈上拉成實(shí)心的玻璃纖維，原則上應(yīng)選擇直徑比晶體小的玻璃纖維。對(duì)于一些敏感性樣品則需要在樣品外面包裹環(huán)氧樹(shù)脂或?qū)悠房ㄔ趦?nèi)徑合適的毛細(xì)管中，然后對(duì)毛細(xì)管兩端封口[2-5]， 如圖3所示。

1.2.3 上樣對(duì)心

調(diào)節(jié)晶體的水平和垂直位置，在0°、90°、180°、270°使晶體位于液晶顯示器的十字中心，嚴(yán)禁載晶座及調(diào)節(jié)工具的任何部位觸碰CCD檢測(cè)器，如圖4所示。

1.2.4 快速掃描

快速掃描可以幫助實(shí)驗(yàn)者更快篩選晶體，確定晶體的衍射能力。掃描結(jié)束后會(huì)給出晶胞參數(shù)，完整度，衍射點(diǎn)照片并推薦預(yù)實(shí)驗(yàn)曝光時(shí)間。

1.2.5 預(yù)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)快速掃描結(jié)果進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，如果晶體質(zhì)量比較好，完全可以使用，儀器給定的實(shí)驗(yàn)策略進(jìn)行采集，反之也可以手動(dòng)設(shè)置預(yù)實(shí)驗(yàn)策略參數(shù)。預(yù)實(shí)驗(yàn)可以確定初始晶胞參數(shù)，顯示指標(biāo)化率。原則上指標(biāo)化率>70%的晶體才可以收集數(shù)據(jù)，建議同一樣品嘗試3個(gè)晶體，選擇指標(biāo)化率高的晶體采集數(shù)據(jù)。在掃描寬度為1度(默認(rèn)設(shè)置)的情況下，Mosaicity e1、e2和e3在0.8～2之間為理想的晶體。測(cè)定菲類單晶體預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖5)。

1.2.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)后處理

預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)策略窗口，設(shè)定一系列數(shù)據(jù)采集參數(shù)，包括目標(biāo)分辨率，目標(biāo)完整度，晶體對(duì)稱性，檢測(cè)器距離，掃描帶寬，曝光時(shí)間等。如果使用Cu光源則可以選擇不同角度曝光時(shí)間來(lái)滿足弱衍射晶體的數(shù)據(jù)采集，對(duì)于一些大晶胞可減小掃描寬度或增加檢測(cè)器到樣品的距離以減少衍射點(diǎn)重疊，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間允許的情況下盡量降低衍射點(diǎn)重疊率。

在數(shù)據(jù)采集之前會(huì)紀(jì)錄晶體的完整視頻，在此期間不要關(guān)閉屏蔽艙內(nèi)的照明燈光。數(shù)據(jù)采集結(jié)束0.5小時(shí)后高壓發(fā)生器的電流電壓會(huì)自動(dòng)降到待機(jī)狀態(tài)(20kV,5mA)

2 Gemini單晶衍射儀硬件的日常維護(hù)

2.1 環(huán)境要求

冷卻水溫在10～20℃，冷卻水流量2L/min，相對(duì)濕度<80%，無(wú)凝結(jié)，室溫控制在18～23℃。

2.2 硬件的清洗及維護(hù)

除塵：包括衍射儀后面板散熱風(fēng)扇，測(cè)角儀臺(tái)面。可以用吸塵器或壓縮空氣除塵，測(cè)角儀臺(tái)面可用潮濕軟布擦拭，但不可擦拭CCD檢測(cè)器的鈹窗口(見(jiàn)圖5)

清洗過(guò)濾器使時(shí)可以用牙刷刷洗濾芯，但不要丟失O型密封圈。(見(jiàn)圖6)

外置水冷機(jī)冷卻循環(huán)水的更換: 本實(shí)驗(yàn)室采用國(guó)產(chǎn)水冷機(jī)，需要60升的純凈水，為了防止霉菌生長(zhǎng)可以添加少量乙二醇，濃度大約在10%。

屏蔽倉(cāng)連鎖檢查:為了防止射線泄露及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，保護(hù)實(shí)驗(yàn)人員的安全，必須定期進(jìn)行屏蔽倉(cāng)的連鎖檢查，在待機(jī)狀態(tài)下檢查Shutter Open顯示燈是否靈敏。

輻射泄露測(cè)試:Mo靶測(cè)試時(shí)，50kV,40mA ,倉(cāng)門(mén)關(guān)閉，快門(mén)打開(kāi)時(shí)，屏蔽倉(cāng)外<1uSv/hr。

快門(mén)關(guān)閉時(shí)，屏蔽倉(cāng)內(nèi)<1uSv/hr。

光管老化:在更換光管或光管長(zhǎng)時(shí)間不用的情況下進(jìn)行，光管老化步驟見(jiàn)表1。進(jìn)行到第5步之后可以以1 kV的步長(zhǎng)逐步升高電壓，從而使老化過(guò)程更加平穩(wěn)可靠。

表1 Gemini光管老化步驟

衍射儀的校準(zhǔn):衍射儀在使用過(guò)程中，由于環(huán)境狀態(tài)的改變以及長(zhǎng)時(shí)間使用造成的誤差，會(huì)影響儀器的靈敏度及精確度，所以我們要定期用儀器攜帶的標(biāo)晶校正調(diào)試，校正結(jié)果應(yīng)符合R1<5% 。總之， 維護(hù)好大型儀器是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，通過(guò)幾年的使用經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)格操作流程，加強(qiáng)日常儀器維護(hù)和調(diào)試，可以有效提高大型儀器的使用效率，降低大型儀器的維修成本。

[1] 李海燕，張勇，吳冰.Mercury型X單晶射線衍射儀的使用及維護(hù)[J] 蘇州大學(xué)學(xué)報(bào) 2011，27(4)：78-80.

[2] 陳小明，蔡繼文.單晶結(jié)構(gòu)分析原理與實(shí)踐 [M].北京：科學(xué)出版社，2007：47-65.

[3] 張廣寧.X射線單晶衍射儀測(cè)試樣品的準(zhǔn)備方法研究[J].吉林教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，30(3)：153-154.

[4] 梁向暉，鐘偉強(qiáng)，毛秋平.X射線衍射儀的維護(hù)與使用[J].分析儀器，2015，(5)：89-91.

[5] 如何獲得理想的衍射數(shù)據(jù)[EB/OL] [2013-6-29]. http://wenku.baidu.com/link?url=r9OBq4_wdjB2TK-PxxoIwUtzZQu60jQGzaKXsyn4_94sTEv2sPfS_YVkw D4t7Jo3Lxb2kw8dRSJ2yVPMEUgjRfUhlEC0y0jHRtGrQN1b6TK.

Use and daily maintenance of X-ray single crystal diffractometer.

Yang Hua, Song Xueying

(CapitalMdeicalUniversity,Beijing100069,China)

This paper discussed the use skills of X-ray single crystal diffractometer in small molecule and the daily maintenance of main hardware.

X-ray single crystal diffractometer ;use skills;daily maintenance

楊華 ，女，1968年出生，實(shí)驗(yàn)師，從事藥物分析工作，E-mail: yanghua@ccmu.edu.cn。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.06.022

2016-06-13