【X射线实验室：缪晓和博士 撰文】
【仪器设备：单晶X射线衍射仪 Bruker D8 Venture】
【地点：4号楼112室 X射线实验室】
目前X射线单晶仪分析技术已十分娴熟广泛应用于多个科研领域，借助硬件发展的日新月异，结合西湖大学的“高起点、小而精、研究型”的办学定位，理化公共实验平台X射线实验室配置了IμS DIAMOND Cu/Mo双微焦斑钻石靶及Photon III集成在Bruker D8 Venture X射线单晶仪上，此设备将于9月份到货并安装，具有亮度高、无需水冷、无日常维护、稳定性好、寿命长的优越性能全方位支持用户来预约使用，我们将以通过晶型分析、晶胞参数测定、晶体取向、结构分析；复杂晶体结构测定/解析；反常散射绝对构型测定；粉末衍射物相鉴定的技术服务来推动：
1. 科研支撑：定位于提供原子、分子水平的结构表征和定性定量分析，探索分子空间结构、分子间相互作用及动力学研究：
1） 功能分子的三维空间结构剖析及与分子内/间相互作用、方式的研究；
2） 天然产物/人工合成的天然产物及其衍生物的三维空间结构研究；
3） 人工合成药物的绝对构型及结构的研究；
4） 生物小分子的结构研究；
5） 功能材料化合物的电子结构研究；
6） 新型高效、高选择性催化剂的构效研究。
2. 产业支撑：旨在提供技术及硬件支持，为解决量产化生产过程的瓶颈问题提供技术向导：
1） 生物功能材料分析、天然产物及全合成药物结构分析；
2） 原料药晶型/盐型/共晶筛选及评估。
单晶X射线衍射表征是剖析新化合物的准确三维空间结构，包括提供键长、键角、构型、构象乃至成键电子密度及分子在晶格中的堆积方式等信息；同时也准确提供晶体的晶胞参数、空间群、分子间作用方式、氢键、π···π作用、C-H···π作用等信息。由此而得的单晶结构分析是有机合成、不对称化学反应、金属有机配合物研究、新药合成、天然提取物分子结构、矿物结构及各种新功能材料等结构与性能关系研究中不可或缺的最直接、有效的分析技术之一，被应用于多个学科领域中：
1） 晶体结构的成功测定，在晶体学学科的发展上起了决定的作用，使晶体的许多特性得到了解释。如晶体能自发长成多面体外形，如立方晶体的食盐等；又如晶体的各种物理性质（光性质、导热性等）的各向异性和对称性等。
2） 晶体结构的测定使物质性能的异同从结构上得到了合理的解释。如石墨因是层状结构，层间结合力差，故而较软；而金刚石为共价键构建而成的三维骨架结构，故而空间结合力强，形成致密的正四面体堆积，成为最硬的材料。
3） 人工合成天然产物。从天然产物中提取有效成分晶体结构的测定帮助人们更多地将从天然产物中提取的方法改为人工合成，使量化生产成为可能、提高了产量且降低了成本。这种基于结构设计出合成路线的方法在染料香料等工业领域都是广泛使用的。
4） 开发新药物。基于合理的药物设计，根据结构上匹配的合适药物，来避免病毒和人体细胞或蛋白靶向位点的结合，或阻断病毒的自身繁衍，从而隔绝感染或控制其繁衍。
目前，单晶衍射的数据质量主要体现在衍射强度与分辨率，从仪器硬件上切入，此二者与X射线光源强度及探测器灵敏度息息相关；而且X射线强度主要由X射线光源决定。因此，我们首先来了解下X射线产生的原理：
通常在真空10-4 Pa 的X射线光管内，由30-60 kV的加速高压电子流冲击金属（如Cu或Mo）靶面产生X射线（图1）【1】，但X射线管只有很小一部分功率转化为X射线辐射出来，其余的大部分功率转化为热能，其热能效率为【2】
η = 1.1 × 10-9 Z V
Z: 原子序数， V：X射线管的外加电压；
例如常见的实验室常用光源Cu靶（Cu Kα=1.54178 Å）与Mo靶（Mo Kα=0.71073 Å），其Cu靶在30kV的外加电压下，其X射线产生效率为0.1%（Mo靶约0.14%）。
图1. X射线的产生
从X射线管射出特征X射线的质量来考虑，Cu的导热性好，对于不同的取出角都可选择最佳的使用X射线管的高电压；但是对于Mo Kα辐射，当取出角为3°~6°时，其最佳使用X射线管压为80 kV，但商品化的X射线管的耐电压只有55-60 kV。一方面，所用的X射线辐射波长越长，被样品及空气的吸收及散射也越厉害，因此Cu靶的空气散射及样品（特别是含重金属Pt,Pb,Hg,Bi等的样品）吸收效应较Mo靶严重，通常使用Mo光源来测试这类样品；另一方面，Cu光源的散射强度为Mo光源的6-10倍【3】，所以60秒Mo光源的数据收集强度≈10秒Cu光源数据收集强度。
那么我们不禁思考该如何选择X射线光源？结合上述优劣势的阐述，含有重金属的晶体结构测定通常使用Mo光源；蛋白质晶体结构分析/有机物/不含或含少量重原子的MOF/有机物绝对构型测定/小和弱的衍射晶体体，使用Cu光源特征X-射线(表1）。
表1 Cu/Mo靶的应用领域
光源强弱由亮度这一重要指标来衡量，即单位面积上的功率。高亮度X射线可以缩短曝光时间（特别是对易变性样品尤为重要），还可以提高检测的灵敏度和谱图的清晰度以及分辨率。那提高亮度有哪些途径呢？我们先来了解光源性能受限的因素。
由于高速加压电子轰击靶截面时，电子束的绝大部分能量都转化为热能（只有约0.1%转化为X射线），使靶面焦斑处的温度急剧上升，此时如果未及时将热量带走，焦斑处靶材料将会熔化而损坏X射线管。而传统靶Cu/Mo封闭靶存在亮度低，需长时间曝光，不利于晶体测量的局限，因此除了做好冷却靶焦斑处及高压发生器外，提高X射线亮度可以从以下三方面来改善：
1）缩小微焦斑尺寸，采用更加小的微焦斑，同时改善热交换效率；
随着科技的进步及硬件的发展，微焦斑封闭靶也经历了多层次的新旧更迭，微焦斑光源由IμS、新型Incoatec微焦斑光源高亮型IμS、 IμS3.0（图2）发展到最新的 IμS Diamond光源（图3）。
第一代 IμS，在亮度上比传统封闭靶强度提高6-8倍，适用于中等或大尺寸的单晶体，使用寿命长，维护成本低。
新型Incoatec微焦斑光源高亮型IμS比经典IμS的亮度提高约30-60%（可分别将Cu应用中的强度提高近30%、Ag应用中的强度提高近50%、Mo应用中的强度提高近60%）。
新一代的IuS 3.0微焦斑光源,性能媲美微焦斑转靶，空气冷却（无需水冷）、稳定性好，零维护,寿命超长，且强度为传统IμS的两倍、传统封闭靶的15倍。
图2 封闭靶及IμS 微焦斑X射线光源： a）封闭靶；b）IμS；c）Incoatec IμS；d）IμS 3.0
IμS Diamond光源是世界上最亮的微焦X射线源（图3），强度超过微焦斑转靶的平均光强度的20%，仅次于液态金属靶；它利用金刚石的极高导热率产生强度优于常规旋转阳极的紧凑型源。与旋转阳极源不同，IμS DIAMOND可连续工作数年，无需日常维护，其良好的稳定受到广大用户青睐，其采集数据的效率为IuS 3.0的2倍（图4）。相同条件下，同个晶体在IuS 3.0、IuS Diamond及转靶微焦斑上收集得到最好的数据质量，甚至优于转靶。
图3 IμS DIAMOND X射线光源及与IμS3.0构造的对比
图4 相同的晶体用 IμS 3.0、 IμS DIAMOND与转靶光源采集数据的对比
图5 转靶及液态金属钯X射线光源：a）转靶；b) 液态金属靶
2）采用转靶Turbo X射线光源并提高转速（图5）；
转靶Cu/Mo靶强度高，使用寿命相对较长，但维护成本高昂，维护当机时间长，让很多实验室面临着“买得起，养不起”的苦恼。
3）液态Metal-Jet 光源
最新版本的Excillum METALJE是当今最亮的实验室X光源，是紧凑型微焦点IμS DIAMOND的强大替代品。液态金属钯本身为液态且可再生循环使用，不存在靶材熔化问题；液态金属靶可产生500 kW/mm2 以上的电子斑能量密度，而传统的转靶只能达到50 kW/mm2（图6），但目前其稳定性有待考察，且维护成本高、维护周期频繁且长。
图6 各种X射线光源的采集数据时间比较
我们将以优质的服务、技术来支撑广大科研工作者的研究工作。
参考资料：
【1】 Vitalij K. Pecharsky, Peter Y. Zavalij. Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials. USA: KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, 2003
【2】 梁敬魁. 粉末衍射法测定晶体结构. 北京：科学出版社，2003
【3】 周公度. 晶体结构测定. 北京：科学出版社，1981
