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(fā)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(huán)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，科學使用、細致維護，對于確保儀器整體性能和運行質量以及降低維護成本等非常重要。本文根據(jù)作者近年來在D8 Venture型X-射線單晶衍射儀的管理使用和維護工作中的實際經驗，對其在使用與維護方面需要注意的關鍵問題進行探討。

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）38-0084-03

一、引言

衍射現(xiàn)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(xiàn)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。自1912年勞埃（Laue）發(fā)現(xiàn)晶體的這一X-射線衍射效應后，為研究物質的內部構造提供了非常有利的條件。利用單晶對X-射線的衍射效應，反演測定物質內部構造，很快發(fā)展為一種分析手段即X-射線單晶結構分析技術。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(shù)據(jù)，隨著X-射線單晶結構分析的理論和實驗技術手段的發(fā)展，它在化學、材料學、物理學、地質、環(huán)境、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。

筆者長期從事X-射線單晶衍射儀管理及X-射線單晶分析工作，本文將以所管理的Bruker D8 Venture型X-射線單晶衍射儀為例，與廣大同行詳細探討X-射線單晶衍射的各個組成部件及使用時應注意的問題。

二、單晶衍射儀系統(tǒng)組成

D8 Venture型X-射線單晶衍射儀是德國Bruker公司研發(fā)的一款較新X射線單晶衍射儀，整個系統(tǒng)主要由旋轉靶頭、高壓發(fā)生器、測角儀、探測器、控制/數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、水冷機及穩(wěn)壓電源幾大部分組成。其中旋轉靶頭、高壓發(fā)生器、測角儀、探測器和計算機工作站是衍射儀系統(tǒng)的主要核心部件，水冷機、穩(wěn)壓電源、空調、抽濕機等是不可缺少的輔助設備。另外，為測試低溫環(huán)境下的晶體數(shù)據(jù)，為該儀器配備了一套由英國Oxford Cryosystems公司研發(fā)的Ni-Helix氦氣超低溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)由壓縮機、氮氣發(fā)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。在開啟單晶衍射儀之前，首先啟動儀器循環(huán)冷卻系統(tǒng)，確保循環(huán)水制冷、循環(huán)功能正常工作，水壓介于3.5—4Mpa之間。打開儀器側面的總電源旋鈕開關，然后開啟儀器的開機開關，儀器開始進行自檢，各部件依次運行。待儀器自檢結束后，開動X-RAY ON開關，儀器左上角工作欄中出現(xiàn)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(wěn)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(tài)的初始化工作。

2.開啟低溫設備。打開低溫設備循環(huán)冷卻系統(tǒng)，確保循環(huán)水制冷、循環(huán)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(fā)生器前面板，打開氮氣發(fā)生器電源，啟動設備，注意此過程可能持續(xù)3—5分鐘，開啟過程中不要切斷電源，尤其是在往內存卡中寫入數(shù)據(jù)的過程中若切斷電源極易損壞儀器內部SD內存卡。氮氣發(fā)生器運行穩(wěn)定后，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APEX3軟件，新建一個樣品數(shù)據(jù)存儲路徑或者直接打開既有的樣品數(shù)據(jù)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APEX3軟件調至Set Up-Center Crystal對心視頻窗口，點擊軟件右側Mount按鈕，使探測器遠離載晶臺。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(jié)工具，調整晶體的垂直和水平位置，使晶體位于LCD監(jiān)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(wěn)定，簡單的方法是挑出一個晶體，在空氣中暴露若干小時，再觀察它是否風化或分解。如果遇到不太穩(wěn)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（110K左右）測試。品質好的晶體，應該是透明，沒有裂痕，表面干凈、有光澤。如果晶體由兩個或多個微晶組成，就不能用收集衍射數(shù)據(jù)。在一些情況下，可以用解剖刀（或刮胡子刀片、注射器針頭等）小心切除附在較大晶體上的小晶體，往往也可以解決問題。有時候，還需要將晶體切出合適的形狀和大小。一般情況下，為避免晶體從不同角度收集數(shù)據(jù)的過程中因為形狀導致的對X射線吸收的差異，盡量選擇在三個方向尺寸相近的晶體，故在形狀的選擇上優(yōu)先順序為：球形→立方體→棱柱→片狀→針狀。原則上，在測試時整顆晶體都必須“沐浴”在X光束里，因為晶體大于X光束同樣會造成吸收等方面的明顯誤差。同時晶體越小，晶體中的缺陷就少，質量就高。根據(jù)經驗，本儀器所測試的晶體合適尺寸范圍是：純有機物為0.1—0.2mm，金屬配合物和金屬有機化合物為0.05—0.1 mm，而對于含有鑭系、錒系等重金屬元素的晶體最小尺寸可以低至0.01mm。

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(jù)衍射點曝光強度選擇合適的信噪比（通常情況下無需更改默認參數(shù)，如果收集到的衍射點較弱，需要降低信噪比），點擊Harvest按鈕，采集衍射點數(shù)據(jù)，為了定出更準確的晶胞參數(shù)，確保收集到的衍射點數(shù)目在500—1000個，最少要在100個以上，衍射點太少晶胞參數(shù)的可信度就會降低。點擊Index，得到初始的晶胞參數(shù)。選擇Bravais晶格類型，軟件上從上到下對稱性依次降低，吻合的晶格類型以綠色顯示。這一步顯示的Bravais晶格類型是由掃參的數(shù)據(jù)確定的，而真實的Bravais晶格類型由晶體結構的對稱性確定的。因而在一些情況下，此處并不完全正確。Refine操作后，確定晶胞參數(shù)。

5.計算收集策略。點擊Collect-Calculate Strategy，設置Resolution為0.77，點擊Determine Strategy，程序會以單胞確定過程中所收集的衍射點情況給出探測器的距離，也可以視晶軸的大小自行設定。點擊OK，程序會依據(jù)給定的參數(shù)，自動計算出最有效的晶體數(shù)據(jù)收集策略，完整度、分辨率及時間之間的關系以圖表形式顯示出來。然后點擊Select scan parameters設置合適的幀角度和曝光時間。設置結束后點擊OK，完成策略計算。

晶軸越長，在衍射花樣中所顯示的衍射點就越密集。因此，測試的晶體晶軸越長，需要將探測器的距離設置越遠，從而保證衍射點分離開，但探測器的距離越長，在衍射花樣中采集到的衍射點范圍越小，為保證數(shù)據(jù)的完整度，計算策略中采集的輪數(shù)就會增加。在幀角度和曝光時間設置的過程中，程序會根據(jù)衍射點的情況給出避免衍射點重疊的幀角度最大值，一般在0.3°—2.0°之間，通常情況設置為0.5°。曝光時間是根據(jù)在確定單胞時衍射點的情況來計算的，此處給出的是粗略值，需要根據(jù)自己的判斷設置。

6.數(shù)據(jù)收集。點擊Run Experiment，在Setup Up Experiment窗口下，點擊Append Strategy導入根據(jù)預實驗確定的數(shù)據(jù)收集策略，點擊Execute，開始數(shù)據(jù)收集。在數(shù)據(jù)收集環(huán)節(jié)，一般是采用預實驗確定的收集策略收集數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)對稱性直接導入事先編輯好的半球（三斜晶系）、1/4球（單斜）或1/8（正交）策略進行數(shù)據(jù)的采集。在這一界面下，可根據(jù)需要靈活調整曝光時間，加入Crystal Video、generator等選項，從而進行測試過程中晶體錄像、控制測試電壓電流等。此外，在Exposure中通常選擇Shutterless模式。

7.數(shù)據(jù)還原。在APEX 3程序中打開Reduce Data-Integrate Images界面，點擊Find Runs導入數(shù)據(jù)，分辨率設為0.77■，點擊Start Integration開始數(shù)據(jù)還原。點擊Scale，在右側Base欄中檢查所默認的文件是否正確，若不是默認的*0m.raw文件，可通過右側按鈕重新選擇。點擊Next，選擇合適的Absorption Type等參數(shù)，點擊Refine，確認R-Values收斂，Mean Weight值升高至收斂。點擊Next，查看Rint值，點擊Finish，完成吸收校正。至此，在work文件夾中便會產生解析所需要的所有文件。

在數(shù)據(jù)還原時，界面跳轉到積分反饋圖表界面，注意左上角的CC值，如果過低，比如在0.2左右，則表明晶胞矩陣有嚴重問題，應當終止積分，查看問題。在吸收校正結束后，查看每一輪數(shù)據(jù)的Rint值，如果某一輪數(shù)據(jù)的Rint值特別大，則去除這一輪數(shù)據(jù)，點擊Repeat Parameter Refinement重新進行。

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(huán)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(huán)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(xiàn)漏水現(xiàn)象。根據(jù)經驗，一個水封使用壽命在2000個小時左右，為保證儀器正常運行，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，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，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(xiàn)以下幾種情況時應進行更換：（1）損壞嚴重；（2）碳刷與滑環(huán)接觸面不足70%；（3）磨損嚴重（不足原長的1/3）。

2.水冷系統(tǒng)的維護。X-射線單晶衍射儀較易出現(xiàn)故障的地方是循環(huán)水冷系統(tǒng)，循環(huán)水系統(tǒng)維護主要檢查管路及水冷機水箱是否漏水，過濾器濾芯使用狀況以及室外風機運行狀況等。室外風機運行時間久了，散熱片之間極易積累灰塵，造成水冷系統(tǒng)室外機過熱保護停止運行，應及時清洗污垢。X-射線光管內冷卻水管道較細，運行時間一長管道內容易結垢，導致循環(huán)冷卻水流量變小，因此要求使用蒸餾水作為循環(huán)冷卻水。

3.低溫系統(tǒng)的維護。該低溫系統(tǒng)需要更換的耗材部件為氧傳感器和空氣過濾器，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(xiàn)堵塞現(xiàn)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。

4.計算機系統(tǒng)的維護。計算機系統(tǒng)是進行數(shù)據(jù)采集、儲存、轉換、處理及對X-射線單晶衍射儀實現(xiàn)遠程控制的操作平臺。該X-射線單晶衍射儀系統(tǒng)的計算機工作站使用Win7操作系統(tǒng)，計算機工作站一般不需要關機，工作站工作時需要保證良好的工作環(huán)境，尤其要注意系統(tǒng)的散熱，否則容易造成硬盤損壞。為有效防止病毒的感染，造成實驗數(shù)據(jù)的丟失，特安裝另一臺數(shù)據(jù)電腦，測試數(shù)據(jù)自動發(fā)送到數(shù)據(jù)電腦上，可在數(shù)據(jù)電腦上進行數(shù)據(jù)的積分還原以及后續(xù)的解析等工作。單晶衍射儀收集的原始數(shù)據(jù)為圖片格式，且一個樣本的數(shù)據(jù)采集的圖片多達上百幀，總大小在幾個G的存儲量。為方便課題組內不同人員的數(shù)據(jù)傳輸，通過組建課題組內網(wǎng)，將數(shù)據(jù)電腦存儲盤以只讀的方式接入課題組內網(wǎng)，使得課題組每位成員都能夠利用自己的電腦遠程訪問數(shù)據(jù)電腦的存儲盤，進行數(shù)據(jù)的拷貝和保存。這樣既方便了測試，又能及時獲得測試結果；同時可防止使用U盤頻繁拷貝數(shù)據(jù)而造成病毒感染電腦，并有利于儀器室合理安排開放時間。

五、結語

X-射線單晶衍射儀是集光學、電學、機械傳動、水冷卻循環(huán)及計算機控制系統(tǒng)為一體的大型精密貴重儀器設備。我院目前使用的D8 Venture型X-射線單晶衍射儀從購置至今運行穩(wěn)定，擁有良好的重現(xiàn)性。這主要源于我們對該儀器設備制定了一套符合儀器性能并行之有效的操作規(guī)程，該設備由專人管理、專人維護、開放共享。在日常使用過程中定期對管理員進行業(yè)務培訓和知識更新，及時總結使用過程中的經驗，充分掌握設備的結構性能，同時不斷提高操作人員的操作水平。X-射線單晶衍射儀在使用過程中難免出現(xiàn)故障，在發(fā)生故障后，快速判斷故障原因、及時確定故障部位以及正確排除故障是保證儀器良好運行的關鍵。規(guī)范的管理使用，積極的日常維護和保養(yǎng)是延長儀器使用壽命的保證，安全有效的長期運行是大型精密貴重儀器性價比的充分體現(xiàn)。

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