Bruker D8 Venture型X—射線單晶衍射儀使用及維護

盛道鵬　陳蘭花

摘要：隨著X-射線單晶結構分析的理論和實驗技術手段的發展，X-射線單晶衍射儀廣泛應用于化學、材料學、物理學、地質、環境、納米材料、生物以及藥學等領域。由于儀器本身價值及維修費用比較昂貴，因此細致維護、科學使用，對于確保儀器性能和使用質量、降低維護成本等非常重要。

關鍵詞：X-射線單晶衍射儀；使用；維護

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）35-0062-02

一、引言

衍射現象是指當光波遇到和其波長相差不多的障礙物后會偏離幾何光學中直線傳播定律的現象。在晶體中，原子、分子及離子在空間周期性地排列，且排列間距與X-射線的波長處于同一量級，這個周期排列的原子結構可以成為X-射線衍射的“衍射光柵”，X-射線通過三維方向的“衍射光柵”，會在特定位置形成一個個亮斑，即衍射花樣。X-射線單晶結構分析為我們積累了大量鍵長、鍵角、構型、構象等十分有用的結構化學數據，隨著X-射線單晶結構分析的理論和實驗技術手段的發展，它在化學、物理學、納米材料、生物以及藥學等領域中已得到越來越廣泛的應用。

二、單晶衍射儀系統組成

D8 Venture型X-射線單晶衍射儀是德國Bruker公司研發的一款較新的X射線單晶衍射儀，整個系統主要由旋轉靶頭、高壓發生器、測角儀、探測器、控制/數據處理系統、水冷機及穩壓電源幾大部分組成，其中旋轉靶頭、高壓發生器、測角儀、探測器和計算機工作站是衍射儀系統的主要核心部件，水冷機、穩壓電源、空調、抽濕機等是不可缺少的輔助設備。另外，為了測試低溫環境下的晶體數據，為該儀器配備了一套由英國Oxford Cryosystems公司研發的 Ni-Helix 氦氣超低溫系統，該系統由壓縮機、氮氣發生器、控制器、低溫噴頭及水冷機組成。

三、單晶衍射儀的使用

1.準備與開機。首先啟動循環冷卻系統，確保循環水制冷、循環功能正常工作，水壓介于3.5—4Mpa之間。待儀器穩定后，開動X-RAY ON開關，儀器左上角工作欄中出現燈絲標記，再次按下后，X-RAY指示燈亮，X-RAY正常啟動。等待大約2小時的燈絲老化程序后，儀器電壓和電流分別穩定在50kV和50mA條件下。此時，開啟儀器工作電腦，依次開啟Measurement Server和BIS Server軟件，按照軟件提示，完成儀器狀態的初始化工作。

2.開啟低溫設備。打開低溫設備循環冷卻系統，確保循環水制冷、循環功能正常工作，水壓介于3.5—4Mpa之間。開啟液氮噴射腔真空泵，輕觸氮氣發生器前面板，打開氮氣發生器電源，啟動設備，注意開啟過程中不要切斷電源，否則極易損壞儀器內部的SD內存卡。打開溫控設備開關電源，按下PROGRAM按鈕，旋轉右側旋鈕，設置合適的降溫速率和目標溫度，按下Start按鈕，此時低溫壓縮機開始啟動工作。待溫度降至預設溫度后，開始下一步實驗。

3.上樣和對心。打開桌面的APEX 3軟件，新建一個樣品數據存儲路徑或者直接打開既有的樣品數據存儲路徑。此時應保證X-ray工作電壓為50kV，工作電流50mA，CMOS溫度為-15℃。將APEX 3軟件調至Set Up-Center Crystal對心視頻窗口，挑選大小合適的晶體，粘在載晶工具上，打開儀器艙門，將載晶工具固定于載晶臺上。關閉儀器艙門，點擊窗口右側Right按鈕，使探測器靠近載晶臺，再次打開儀器艙門，用載晶座調節工具，調整晶體的垂直和水平位置，使晶體位于LCD監視器中心位置，關閉儀器艙門。晶體在安置之前，最好觀察晶體是否穩定，簡單的方法是挑出一個晶體，在空氣中暴露若干小時，再觀察它是否被風化或分解。如果遇到不太穩定的晶體，盡量不暴露在空氣中，應快速挑選與安置，最好將晶體密封在玻璃管中，在低溫條件下（110 K左右）測試。

4.晶胞確定。打開Evaluate-Datemine Unit Cell窗口，點擊右側Collect按鈕，打開掃參設置選項，選擇合適的曝光時間，點擊右下角的Collect按鈕，開始掃參收集衍射花樣。等待3輪共36幀衍射花樣收集結束后，根據衍射點曝光強度選擇合適的信噪比，點擊Harvest按鈕，采集衍射點數據，為了定出更準確的晶胞參數，確保收集到的衍射點數目大于100，最好在500—1000左右，太少的衍射點定出的晶胞參數可信度較低。點擊Index，得到初始的晶胞參數。選擇Bravais晶格類型，從下到上，對稱性的依次升高。合理的晶格類型顯示為綠色，Bravais晶格類型僅根據晶胞參數選擇，而真實的Bravais晶系取決于晶體結構的對稱性，所以在某些情況下，這一步并不完全正確。Refine操作后，確定晶胞參數。

5.數據收集。點擊Collect–Collection Strategy，點擊Determine Strategy，設置合適的晶體距離點擊OK，然后點擊Select scan parameters設置合適的幀角度和曝光時間。點擊Collect–Experiment，在Setup Experiment窗口下，點擊Append Strategy根據預實驗確定數據收集的策略。默認程序根據所測晶體的對稱性（Laue群）計算數據收集策略，也可以根據對稱性直接收集半球（三斜晶系）、1/4球（單斜）或1/8，然后分別點擊Validate和Execute開始收集數據。

6.數據還原。在APEX 3程序中打開Integrate Images界面，點擊Find Runs導入數據，分辨率設為0.77■，點擊Start Integration開始數據還原，點擊Scale，做吸收校正。至此，在work文件夾中便會產生解析所需要的所有文件。

四、X-射線單晶衍射儀各部件的維護

1.轉靶的維護。與固定靶X光管不同，該設備采用微焦斑轉靶模式，電子流在強電場力的作用下，高速撞擊鉬靶，產生超強的X-射線。與此對應的，所產生的熱量也是極其大量的。靶頭通過高速旋轉使得電子流所撞擊的位置被分散開來，熱量也被分散，最后通過旋轉靶頭內部的循環冷卻水將熱量轉移出去。在高速旋轉下，用于密封靶頭內部循環水的水封會隨著運行時間的增加逐漸老化，最終失去密封作用，從而在軸承處出現漏水現象。根據經驗，一個水封的使用壽命在2000個小時左右，為了保證儀器的正常運行，在使用時長達1500小時后，進行水封更換為宜。

高速旋轉的靶頭中另一個易損部件是碳刷。碳刷是整個X-光管的固定部分（固定軸）和轉動部分（轉靶）之間傳遞能量的裝置，它是由純碳加凝固劑制成的，外型是方塊，卡在金屬支架上，里面有彈簧把它緊壓在轉軸上，靶頭轉動的時候，將電能通過換相器輸送給線圈，由于其主要成分是碳，因此稱為碳刷，它是易磨損的，應定期維護更換，并清理積碳。當碳刷出現以下幾種情況時應進行更換：磨損嚴重（不足原長的1/3）；損壞嚴重；碳刷與滑環接觸面不足70%。

2.水冷系統的維護。循環水系統主要檢查水冷機水箱及管路是否漏水，過濾器濾芯狀況，室外風機是否有異常聲響，等等。因風機長期在室外運行，散熱片之間容易積累灰塵形成結垢，會造成水冷機室外機過熱保護，因此應根據情況及時清洗。需要注意的是，X射線光管內的冷卻水管道較細，光管使用時間較久后管道內可能結垢，使循環冷卻水流量減小，所以循環冷卻水要求為蒸餾水。X射線單晶衍射儀較易出現故障的地方是水冷機循環系統，一般表現為漏水、水溫過高、水流速太小和水冷機輸出壓力小等。漏水一般為接頭松動、橡膠皮管以及靶頭水封老化等所致，這些故障均較易排除。水溫過高一般為室外壓縮機故障，維修方法與空調室外機相同。

3.低溫系統的維護。該低溫系統需要更換的耗材部件為氧傳感器和過濾器，平均壽命為2年。另外，測試艙內部的液氮噴出艙在關閉低溫后由于空氣中水蒸氣的凝結可能會出現堵塞的現象，該堵塞只要等待一段時間內部溫度升至0℃以上，便會自行融化疏通，無需特殊處理。

五、結語

我院使用的D8 Venture型X-射線單晶衍射儀從使用至今穩定性和重現性較好，主要是我們對X-射線單晶衍射儀實行專人管理、專人維護、開放共享，制定了符合儀器性能的操作規程。X-射線單晶衍射儀在使用過程中出現故障在所難免，一旦發生故障，快速判斷故障部位及正確處理故障點是保證儀器故障范圍不擴大的關鍵。

參考文獻：

[1]陳小明，蔡繼文.單晶結構分析原理與實踐[M].北京：科學出版社，2003.

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