盛道鹏 陈兰花

摘要：随着X-射线单晶结构分析的理论和实验技术手段的发展，X-射线单晶衍射仪广泛应用于化学、材料学、物理学、地质、环境、纳米材料、生物以及药学等领域。由于仪器本身价值及维修费用比较昂贵，科学使用、细致维护，对于确保仪器整体性能和运行质量以及降低维护成本等非常重要。本文根据作者近年来在D8 Venture型X-射线单晶衍射仪的管理使用和维护工作中的实际经验，对其在使用与维护方面需要注意的关键问题进行探讨。

关键词：X-射线单晶衍射仪；使用；维护

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）38-0084-03

一、引言

衍射现象是指当光波遇到和其波长相差不多的障碍物后会偏离几何光学中直线传播定律的现象。在晶体中原子、分子及离子在空间周期性地排列，且排列间距与X-射线的波长处于同一量级，这个周期排列的原子结构可以成为X-射线衍射的“衍射光栅”，X-射线通过三维方向的“衍射光栅”，会在特定位置形成一个个亮斑，即衍射花样。自1912年劳埃（Laue）发现晶体的这一X-射线衍射效应后，为研究物质的内部构造提供了非常有利的条件。利用单晶对X-射线的衍射效应，反演测定物质内部构造，很快发展为一种分析手段即X-射线单晶结构分析技术。X-射线单晶结构分析为我们积累了大量键长、键角、构型、构象等十分有用的结构化学数据，随着X-射线单晶结构分析的理论和实验技术手段的发展，它在化学、材料学、物理学、地质、环境、纳米材料、生物以及药学等领域中已得到越来越广泛的应用。

笔者长期从事X-射线单晶衍射仪管理及X-射线单晶分析工作，本文将以所管理的Bruker D8 Venture型X-射线单晶衍射仪为例，与广大同行详细探讨X-射线单晶衍射的各个组成部件及使用时应注意的问题。

二、单晶衍射仪系统组成

D8 Venture型X-射线单晶衍射仪是德国Bruker公司研发的一款较新X射线单晶衍射仪，整个系统主要由旋转靶头、高压发生器、测角仪、探测器、控制/数据处理系统、水冷机及稳压电源几大部分组成。其中旋转靶头、高压发生器、测角仪、探测器和计算机工作站是衍射仪系统的主要核心部件，水冷机、稳压电源、空调、抽湿机等是不可缺少的辅助设备。另外，为测试低温环境下的晶体数据，为该仪器配备了一套由英国Oxford Cryosystems公司研发的Ni-Helix氦气超低温系统，该系统由压缩机、氮气发生器、控制器、低温喷头及水冷机组成。

三、单晶衍射仪的使用

1.准备与开机。在开启单晶衍射仪之前，首先启动仪器循环冷却系统，确保循环水制冷、循环功能正常工作，水压介于3.5—4Mpa之间。打开仪器侧面的总电源旋钮开关，然后开启仪器的开机开关，仪器开始进行自检，各部件依次运行。待仪器自检结束后，开动X-RAY ON开关，仪器左上角工作栏中出现灯丝标记，再次按下后，X-RAY指示灯亮，X-RAY正常启动。等待大约2小时的灯丝老化程序后，仪器电压和电流分别稳定在50kV和50mA条件下。此时，开启仪器工作电脑，依次开启Measurement Server和BIS Server软件，按照软件提示，完成仪器状态的初始化工作。

2.开启低温设备。打开低温设备循环冷却系统，确保循环水制冷、循环功能正常工作，水压介于3.5—4Mpa之间。开启液氮喷射腔真空泵。轻触氮气发生器前面板，打开氮气发生器电源，启动设备，注意此过程可能持续3—5分钟，开启过程中不要切断电源，尤其是在往内存卡中写入数据的过程中若切断电源极易损坏仪器内部SD内存卡。氮气发生器运行稳定后，打开温控设备开关电源，按下PROGRAM按钮，旋转右侧旋钮，设置合适的降温速率和目标温度，按下Start按钮，此时低温压缩机开始启动工作。待温度降至预设温度后，开始下一步实验。

3.上样和对心。打开桌面的APEX3软件，新建一个样品数据存储路径或者直接打开既有的样品数据存储路径。此时应保证X-ray工作电压为50kV，工作電流50mA，CMOS温度为-15℃。将APEX3软件调至Set Up-Center Crystal对心视频窗口，点击软件右侧Mount按钮，使探测器远离载晶台。挑选大小合适的晶体，粘在载晶工具上，打开仪器舱门，将载晶工具固定于载晶台上。关闭仪器舱门，点击窗口右侧Right按钮，使探测器靠近载晶台。再次打开仪器舱门，用载晶座调节工具，调整晶体的垂直和水平位置，使晶体位于LCD监视器中心位置，关闭仪器舱门。

晶体在安置之前，最好观察晶体是否稳定，简单的方法是挑出一个晶体，在空气中暴露若干小时，再观察它是否风化或分解。如果遇到不太稳定的晶体，尽量不暴露在空气中，应快速挑选与安置，最好将晶体密封在玻璃管中在低温条件下（110K左右）测试。品质好的晶体，应该是透明，没有裂痕，表面干净、有光泽。如果晶体由两个或多个微晶组成，就不能用收集衍射数据。在一些情况下，可以用解剖刀（或刮胡子刀片、注射器针头等）小心切除附在较大晶体上的小晶体，往往也可以解决问题。有时候，还需要将晶体切出合适的形状和大小。一般情况下，为避免晶体从不同角度收集数据的过程中因为形状导致的对X射线吸收的差异，尽量选择在三个方向尺寸相近的晶体，故在形状的选择上优先顺序为：球形→立方体→棱柱→片状→针状。原则上，在测试时整颗晶体都必须“沐浴”在X光束里，因为晶体大于X光束同样会造成吸收等方面的明显误差。同时晶体越小，晶体中的缺陷就少，质量就高。根据经验，本仪器所测试的晶体合适尺寸范围是：纯有机物为0.1—0.2mm，金属配合物和金属有机化合物为0.05—0.1 mm，而对于含有镧系、锕系等重金属元素的晶体最小尺寸可以低至0.01mm。

4.晶胞确定。打开Evaluate-Datemine Unit Cell窗口，点击右侧Collect按钮，打开扫参设置选项，选择合适的曝光时间，点击右下角Collect按钮，开始扫参收集衍射花样。等待3轮共36帧衍射花样收集结束后，根据衍射点曝光强度选择合适的信噪比（通常情况下无需更改默认参数，如果收集到的衍射点较弱，需要降低信噪比），点击Harvest按钮，采集衍射点数据，为了定出更准确的晶胞参数，确保收集到的衍射点数目在500—1000个，最少要在100个以上，衍射点太少晶胞参数的可信度就会降低。点击Index，得到初始的晶胞参数。选择Bravais晶格类型，软件上从上到下对称性依次降低，吻合的晶格类型以绿色显示。这一步显示的Bravais晶格类型是由扫参的数据确定的，而真实的Bravais晶格类型由晶体结构的对称性确定的。因而在一些情况下，此处并不完全正确。Refine操作后，确定晶胞参数。

5.计算收集策略。点击Collect-Calculate Strategy，设置Resolution为0.77，点击Determine Strategy，程序会以单胞确定过程中所收集的衍射点情况给出探测器的距离，也可以视晶轴的大小自行设定。点击OK，程序会依据给定的参数，自动计算出最有效的晶体数据收集策略，完整度、分辨率及时间之间的关系以图表形式显示出来。然后点击Select scan parameters设置合适的帧角度和曝光时间。设置结束后点击OK，完成策略计算。

晶轴越长，在衍射花样中所显示的衍射点就越密集。因此，测试的晶体晶轴越长，需要将探测器的距离设置越远，从而保证衍射点分离开，但探测器的距离越长，在衍射花样中采集到的衍射点范围越小，为保证数据的完整度，计算策略中采集的轮数就会增加。在帧角度和曝光时间设置的过程中，程序会根据衍射点的情况给出避免衍射点重叠的帧角度最大值，一般在0.3°—2.0°之间，通常情况设置为0.5°。曝光时间是根据在确定单胞时衍射点的情况来计算的，此处给出的是粗略值，需要根据自己的判断设置。

6.数据收集。点击Run Experiment，在Setup Up Experiment窗口下，点击Append Strategy导入根据预实验确定的数据收集策略，点击Execute，开始数据收集。在数据收集环节，一般是采用预实验确定的收集策略收集数据，也可以根据对称性直接导入事先编辑好的半球（三斜晶系）、1/4球（单斜）或1/8（正交）策略进行数据的采集。在这一界面下，可根据需要灵活调整曝光时间，加入Crystal Video、generator等选项，从而进行测试过程中晶体录像、控制测试电压电流等。此外，在Exposure中通常选择Shutterless模式。

7.数据还原。在APEX 3程序中打开Reduce Data-Integrate Images界面，点击Find Runs导入数据，分辨率设为0.77■，点击Start Integration开始数据还原。点击Scale，在右侧Base栏中检查所默认的文件是否正确，若不是默认的*0m.raw文件，可通过右侧按钮重新选择。点击Next，选择合适的Absorption Type等参数，点击Refine，确认R-Values收敛，Mean Weight值升高至收敛。点击Next，查看Rint值，点击Finish，完成吸收校正。至此，在work文件夹中便会产生解析所需要的所有文件。

在数据还原时，界面跳转到积分反馈图表界面，注意左上角的CC值，如果过低，比如在0.2左右，则表明晶胞矩阵有严重问题，应当终止积分，查看问题。在吸收校正结束后，查看每一轮数据的Rint值，如果某一轮数据的Rint值特别大，则去除这一轮数据，点击Repeat Parameter Refinement重新进行。

四、X-射线单晶衍射仪各部件的维护

1.转靶的维护。与固定靶X光管不同，该设备采用微焦斑转靶模式，电子流在强电场力的作用下，高速撞击钼靶，产生超强的X-射线。与此对应的，所产生的热量也是极其大的。靶头通过高速旋转使得电子流所撞击的位置被分散开来，热量也被分散。最后通过旋转靶头内部的循环冷却水将热量转移出去。在高速旋转下，用于密封靶头内部循环水的水封会随着运行时间的增加逐渐老化，最终失去密封作用，从而在轴承处出现漏水现象。根据经验，一个水封使用寿命在2000个小时左右，为保证仪器正常运行，在使用时长达1500小时后，进行水封更换为宜。

高速旋转的靶头中另一个易损部件是碳刷。碳刷是整个X-光管的固定部分（固定轴）和转动部分（转靶）之间传递能量的装置，它是由纯碳加凝固剂制成，外型是方块，卡在金属支架上，里面有弹簧把它紧压在转轴上，靶头转动的时候，将电能通过换相器输送给线圈，由于其主要成分是碳，称为碳刷，它是易磨损的。应定期维护更换，并清理积碳。当碳刷出现以下几种情况时应进行更换：（1）损坏严重；（2）碳刷与滑环接触面不足70%；（3）磨损严重（不足原长的1/3）。

2.水冷系统的维护。X-射线单晶衍射仪较易出现故障的地方是循环水冷系统，循环水系统维护主要检查管路及水冷机水箱是否漏水，过滤器滤芯使用状况以及室外风机运行状况等。室外风机运行时间久了，散热片之间极易积累灰塵，造成水冷系统室外机过热保护停止运行，应及时清洗污垢。X-射线光管内冷却水管道较细，运行时间一长管道内容易结垢，导致循环冷却水流量变小，因此要求使用蒸馏水作为循环冷却水。

3.低温系统的维护。该低温系统需要更换的耗材部件为氧传感器和空气过滤器，平均寿命为2年。另外，测试舱内部的液氮喷出舱在关闭低温后由于空气中水蒸气的凝结，可能会出现堵塞现象，该堵塞只要等待一段时间内部温度升至0℃以上，便会自行融化疏通，无需特殊处理。

4.计算机系统的维护。计算机系统是进行数据采集、储存、转换、处理及对X-射线单晶衍射仪实现远程控制的操作平台。该X-射线单晶衍射仪系统的计算机工作站使用Win7操作系统，计算机工作站一般不需要关机，工作站工作时需要保证良好的工作环境，尤其要注意系统的散热，否则容易造成硬盘损坏。为有效防止病毒的感染，造成实验数据的丢失，特安装另一台数据电脑，测试数据自动发送到数据电脑上，可在数据电脑上进行数据的积分还原以及后续的解析等工作。单晶衍射仪收集的原始数据为图片格式，且一个样本的数据采集的图片多达上百帧，总大小在几个G的存储量。为方便课题组内不同人员的数据传输，通过组建课题组内网，将数据电脑存储盘以只读的方式接入课题组内网，使得课题组每位成员都能够利用自己的电脑远程访问数据电脑的存储盘，进行数据的拷贝和保存。这样既方便了测试，又能及时获得测试结果；同时可防止使用U盘频繁拷贝数据而造成病毒感染电脑，并有利于仪器室合理安排开放时间。

五、结语

X-射线单晶衍射仪是集光学、电学、机械传动、水冷却循环及计算机控制系统为一体的大型精密贵重仪器设备。我院目前使用的D8 Venture型X-射线单晶衍射仪从购置至今运行稳定，拥有良好的重现性。这主要源于我们对该仪器设备制定了一套符合仪器性能并行之有效的操作规程，该设备由专人管理、专人维护、开放共享。在日常使用过程中定期对管理员进行业务培训和知识更新，及时总结使用过程中的经验，充分掌握设备的结构性能，同时不断提高操作人员的操作水平。X-射线单晶衍射仪在使用过程中难免出现故障，在发生故障后，快速判断故障原因、及时确定故障部位以及正确排除故障是保证仪器良好运行的关键。规范的管理使用，积极的日常维护和保养是延长仪器使用寿命的保证，安全有效的长期运行是大型精密贵重仪器性价比的充分体现。

参考文献：

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[3]梁向晖，钟伟强，毛秋平.X-射线衍射仪的维护与使用[J].分析仪器，2015，（5）：89-91.