Dyfrakcja monokryształów pod wysokim ciśnieniem w PX^2
16 stycznia 2017
W tym raporcie opisujemy szczegółowe procedury przeprowadzania eksperymentów dyfrakcji rentgenowskiej monokryształów z komórką kowadełka diamentowego na linii badawczej GSECARS 13-BM-C w Zaawansowanym Źródle Fotonów. Do analizy danych wykorzystywane są programy ATREX i RSV.
Ogólnym celem tej techniki dyfrakcji monokryształów pod wysokim ciśnieniem jest określenie struktury krystalicznej minerałów w środowisku głębokiego wnętrza Ziemi. Pomiar ten może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu geofizyki i geochemii, takie jak określenie ukończenia zasobów mineralnych i węglowych na Ziemi, a wszystko to wyjaśnia ocenę tych ciągłości wewnątrz Ziemi. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest to w większości bezpośrednia i prosta miara do określania struktury minerałów przy wysokich ciśnieniach i temperaturach.
Procedurę tę należy rozpocząć od przygotowania próbki zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Umieść około jednego miligrama proszku heksaborku lantanu w środku obrotu dyfraktometru, aby zebrać wzory dyfrakcji proszku w kilku pozycjach detektora marCCD. Zbierz wzory dyfrakcji proszku, klikając przycisk Start na interfejsie marCCD EPICS.
Użyj tego wzoru dyfrakcyjnego, aby skalibrować odległość próbki detektora i nachylenie detektora marCCD. Po zakończeniu kalibracji detektora należy usunąć wzorzec heksaborku lantanu z dyfraktometru. Umieść diamentową komórkę kowadełkową lub przetwornik cyfrowo-analogowy w uchwycie na próbki.
Następnie umieść uchwyt na próbkę na stoliku na próbkę dyfraktometru. Aby uzyskać wszystkie elementy sterujące ruchem za pomocą interfejsu użytkownika EPICS lub EUI, najpierw obróć oś phi tak, aby komora próbki była prostopadła do widoku i zbliż kamerę, ustawiając kąt phi na 120. Następnie znajdź komorę na próbkę z kamerą viewprzy minimalnym powiększeniu.
Wyśrodkuj obraz próbki, zmieniając próbki X, Y i Z w EUI. Ustaw ostrość obrazu próbki, regulując mikroskop Z w EUI. Następnie powiększ do maksymalnego powiększenia.
Wyrównaj obraz z komory na próbkę do środka viewkamera, zmieniając próbkę X, Y i Z w EUI. Dostosuj położenie próbki wzdłuż dostępu do kamery, aż będzie ostra, używając wstępnie ustalonej ostrości kamery, aby oszacować położenie środka obrotu w tym kierunku. Następnie obróć kąt phi do 90 w EUI, tak aby komora próbki była prostopadła do padającej wiązki promieniowania rentgenowskiego.
Aby skorygować przemieszczenie próbki od środka przyrządu wzdłuż osi przetwornika cyfrowo-analogowego, należy użyć oprogramowania Scan W. Zeskanuj pozycję przetwornika cyfrowo-analogowego zarówno w kierunku poziomym, jak i pionowym, prostopadłym do padającego promieniowania rentgenowskiego. Korzystaj z zmotoryzowanych translacji wbudowanych w goniometr podczas zbierania przesyłanych danych o natężeniu wiązki za pomocą detektora fotodiodowego umieszczonego za próbką.
Wykrywacz fotodiod jest zamontowany na siłowniku neumatycznym i może być zdalnie wsuwany i wysuwany z wiązki ze stacji sterującej. Znajdź środkową pozycję w pobranym skanie intensywności odpowiadającą maksymalnej transmisji za pomocą funkcji środkowej Skanuj W. Jest to środek komory próbki. W EUI obrócić próbkę za pomocą goniometru dostępu do phi o kilka stopni i powtórzyć skanowanie transmisji pionowej.
Powtórz skanowanie dwukrotnie zarówno z dodatnim, jak i ujemnym przesunięciem phi. Po wyrównaniu próbki zbierz dane dyfrakcji monokryształu za pomocą oprogramowania CCD DC. Najpierw zbierz skan phi za pomocą fotodiody, klikając przycisk skanowania w oprogramowaniu Scan W.
Skan ten określa maksymalny kąt otwarcia i funkcjonalny kształt efektu absorpcji kowadeł diamentowych i płyt nośnych. Następnie przeprowadzana jest szeroka ekspozycja phi, aby pokryć maksymalny kąt otwarcia, na jaki pozwala przetwornik cyfrowo-analogowy, po której następuje seria ekspozycji phi z krokiem jednego stopnia. Aby wykonać ten krok, ustaw całkowity zakres na maksymalny kąt otwarcia i ustaw liczbę kroków na tę samą liczbę w oprogramowaniu CCD DC.
Zbieraj szerokie skany phi w różnych pozycjach detektora, określając pozycję ramienia detektora w kierunkach delta i neu w oprogramowaniu CCD DC. Pozwala to na dostęp do większej liczby pików dyfrakcyjnych. Po przetworzeniu danych zgodnie z opisem w protokole tekstowym należy wyszukać próbki i dopasować piki dyfrakcji.
Aby to zrobić, otwórz szerokokątną ekspozycję phi w oprogramowaniu. Przejdź do panelu wyszukiwania i wyszukaj piki dyfrakcyjne w ekspozycji szerokokątnej. Ręcznie usuń nadmiernie nasycone piki dyfrakcyjne z diamentu i piki dyfrakcyjne w pobliżu pierścieni uszczelek uranu.
Dopasuj piki dyfrakcyjne do ich dokładnych pozycji i intensywności. Wyszukaj piki dyfrakcyjne próbki dla wszystkich pozycji detektora, klikając przycisk wyszukiwania pików w oprogramowaniu i zapisz odpowiednie tabele pików, klikając przycisk zapisywania pików. Następnie zrekonstruuj rozkład piku dyfrakcyjnego w przestrzeni odwrotnej, otwierając tabelę pików dla jednej pozycji detektora.
Otwórz także jeden obraz w kroku skanowania phi, który jest powiązany z tą samą pozycją detektora. Jeśli plik kalibracji detektora nie został jeszcze przypisany do tej serii plików, wybierz odpowiedni plik kalibracji. Przejdź do panelu skanowania i naciśnij przycisk profilu obliczeniowego ze skanowania.
Ten krok pozwoli znaleźć kąt phi dla każdego piku dyfrakcyjnego, przy którym natężenie piku jest najsilniejsze. Zapisz wynikowy plik pks tabeli szczytów. Następnie powtórz ten krok dla wszystkich obrazów o szerokim obrocie w różnych pozycjach detektora.
Następnie należy zindeksować piki dyfrakcyjne za pomocą oprogramowania RSV. Najpierw otwórz pierwszy plik tabeli szczytowej. Następnie użyj funkcji dołączania, aby scalić wszystkie dodatkowe tabele szczytów.
Użyj wtyczki RSV, aby znaleźć wstępną matrycę UB tego kryształu i zindeksować piki dyfrakcyjne. Oprogramowanie automatycznie wyszuka najbardziej prawdopodobną macierz UB. Otwórz wstępną macierz UB w RSV, importując plik P4P.
Następnie uściślij macierz UB z odstępami d każdego piku dyfrakcyjnego za pomocą przycisku uszlachetniania z odstępami d. Jeśli symetria kryształu jest znana, należy wybrać odpowiednie ograniczenia układu kryształowego. Gdy uszlachetnienie jest zbieżne, określana jest zoptymalizowana matryca UB i parametry sieci kryształu.
Zapisz zoptymalizowaną macierz UB jako plik UB. W początkowym procesie wyszukiwania pików program mógł pominąć niektóre piki o niskiej intensywności, które są cenne w określaniu struktury. Aby wyszukać te brakujące szczyty, wróć do oprogramowania i otwórz szerokokątny obraz z ekspozycją phi.
W panelu przewidywania otwórz matrycę UB kryształu i zasymuluj wzór dyfrakcyjny. W panelu piku poszukaj obserwowanych pików dyfrakcyjnych i usuń niezaobserwowane piki. Dopasuj pozycje szczytów i intensywność szczytów, klikając przycisk dopasowania szczytu.
Zapisz tabelę szczytów przed wyeksportowaniem scalonej tabeli szczytów zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Komora próbki jest wyrównana do środka obrotu, który odbywa się poprzez skanowanie komory próbki za pomocą promieni rentgenowskich. Komora na próbkę skanuje w kierunku normalnym promieniowania rentgenowskiego i rotacji phi przez plus delta phi i minus delta phi.
Poniżej przedstawiono profile transmisji promieniowania rentgenowskiego skanów komory próbki pod różnymi kątami phi. Przesunięcia profili transmisji promieniowania rentgenowskiego są wykorzystywane do obliczania korekcji położenia wzdłuż kierunku padającego promieniowania rentgenowskiego. Detektor marCCD jest następnie kalibrowany za pomocą oprogramowania do analizy danych.
Pokazano tutaj wzór dyfrakcyjny proszku heksaborku lantanu, który służy do przeprowadzenia kalibracji. Wyszukiwanie pików dyfrakcyjnych przeprowadzono za pomocą oprogramowania do analizy danych. W sumie na tym zdjęciu o szerokiej ekspozycji stwierdzono 63 piki dyfrakcyjne.
Indeksowanie pików dyfrakcyjnych odbywa się automatycznie przez oprogramowanie. Pokazano tutaj obliczenia matrycy UB próbki kryształu za pomocą oprogramowania RSV. Znaleziono 112 pików dyfrakcyjnych z tym samym obrazem dyfrakcyjnym przy użyciu funkcji przewidywania pików.
Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu jednej do dwóch godzin, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o wyrównaniu właściwości prostej z promieniowaniem rentgenowskim, aby uzyskać prawidłowy pik dyfrakcyjny w tym przypadku. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przeprowadzać eksperymenty z dyfrakcją monokryształów pod wysokim ciśnieniem.
Inne środki, takie jak dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego w proszku pod wysokim ciśnieniem, mogą być wykonywane w badaniach nad poznaniem struktur krystalicznych przy krótszym czasie eksperymentu. Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się efektami mineralnymi do badania struktur minerałów w głębszych warunkach ziemskich.
Przegląd
Niniejszy raport szczegółowo opisuje procedury przeprowadzania eksperymentów dyfrakcji rentgenowskiej na pojedynczych kryształach przy użyciu komory z kowadłami diamentowymi. Technika ta ma na celu określenie struktury krystalicznej minerałów pod wysokim ciśnieniem, co pozwala na lepsze zrozumienie procesów geofizycznych i geochemicznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Geofizyka
- Geochemia
- Mineralogia
Wstęp
- Dyfrakcja rentgenowska monokryształów jest niezbędna do zrozumienia struktur mineralnych.
- Warunki wysokiego ciśnienia i temperatury symulują głębokie wnętrze Ziemi.
- Technika ta pomaga w udzieleniu odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące składu Ziemi.
- Metody bezpośredniego pomiaru zwiększają dokładność wyznaczania struktury.
Cel badania
- Ustanowienie wiarygodnej metody analizy struktur mineralnych pod wysokim ciśnieniem.
- Poprawa zrozumienia zachowania minerałów we wnętrzu Ziemi.
- Stworzenie podstaw dla przyszłych badań geofizycznych i geochemicznych.
Zastosowane metody
- Przygotowanie próbki z proszkiem heksaborueku lantanu do kalibracji.
- Wykorzystanie komory z kowadłami diamentowymi do eksperymentów pod wysokim ciśnieniem.
- Zbieranie danych przy użyciu oprogramowania marCCD i CCD DC.
- Analiza danych za pomocą programów ATREX i RSV w celu identyfikacji pików.
Główne wyniki
- Pomyślna kalibracja detektora i ustawienie próbki.
- Zebranie danych z dyfrakcji monokryształów pod różnymi kątami.
- Identyfikacja i dopasowanie pików dyfrakcyjnych w celu określenia struktury kryształu.
- Udoskonalesienie macierzy UB oraz parametrów sieci dla analizowanych kryształów.
Wnioski
- Metoda ta zapewnia niezawodne podejście do badania struktur minerałów w ekstremalnych warunkach.
- Wyniki przyczyniają się do głębszego zrozumienia mineralogii Ziemi.
- Przyszłe zastosowania mogą usprawnić modelowanie geofizyczne i ocenę zasobów.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dyfrakcja rentgenowska monokryształów pod wysokim ciśnieniem z wykorzystaniem komór z kowadłami diamentowymi umożliwia precyzyjną analizę strukturalną materiałów w ekstremalnych warunkach, wspierając wczesną fazę odkryć oraz ograniczanie ryzyka mechanistycznego w badaniach i rozwoju (R&D) w farmacji i inżynierii materiałowej. Bezpośredni pomiar oraz ilościowe wyniki tej metody zapewniają pewność prognostyczną w walidacji celów i stanowią podstawę do podejmowania decyzji portfelowych z uwzględnieniem ryzyka. Integracja zaawansowanej kalibracji i zautomatyzowanej analizy danych usprawnia przepływ pracy, dostosowując go do środowisk badawczych w skali przedsiębiorstw.
Strategiczne zastosowania w badaniach biofarmaceutycznych&D
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia bezpośrednie badanie struktury molekularnej i krystalicznej w warunkach fizjologicznie istotnych stresorów.
- Wspiera mechanistyczną minimalizację ryzyka poprzez wyjaśnianie zależności między strukturą a funkcją z rozdzielczością atomową.
- Dostarcza ilościowych parametrów sieci krystalicznej dla walidacji celu opartej na hipotezach.
- Ułatwia selekcję portfolio poprzez wyróżnienie strukturalnie stabilnych kandydatów.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Dostarcza zwalidowane dane strukturalne dla późniejszego rozwoju testów i procesów przesiewowych.
- Zapewnia powtarzalność i standaryzację dzięki zautomatyzowanym protokołom kalibracji i wyrównania.
- Generuje ilościowe wyniki dyfrakcji odpowiednie do porównawczej oceny związków.
- Umożliwia ponowne wykorzystanie platformy w odniesieniu do różnorodnych układów materiałowych i molekularnych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Łączy analizy strukturalne z odkrywaniem biomarkerów translacyjnych w przypadkach, gdy właściwości materiałowe mają znaczenie dla przebiegu choroby.
- Zapewnia ciągłość od etapu odkrywania do walidacji przedklinicznej poprzez dostarczanie solidnych punktów odniesienia w zakresie struktury.
- Zmniejsza ryzyko translacyjne poprzez potwierdzenie integralności materiału w warunkach stresu.
- Zwiększa wartość prognostyczną przy wyborze modelu przedklinicznego w przypadku wsparcia danymi strukturalnymi.
Integracja potoków i przepływów pracy
Ten przepływ pracy w dyfrakcji wysokociśnieniowej łączy wczesne etapy odkrywania, screeningu i badań przedklinicznych, dostarczając zestandaryzowane, ilościowe dane strukturalne do testowania hipotez i ograniczania ryzyka mechanistycznego.
- Biologia odkrywcza: Wspomaga weryfikację hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez bezpośrednie pomiary strukturalne.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe wyniki w celu oceny gotowości testów oraz porównywania związków.
- Analityka: Umożliwia rzetelną analizę statystyczną parametrów sieci i intensywności pików w celu oceny porównawczej różnych warunków.
- Badania translacyjne: Ułatwia ciągłość fazy przedklinicznej poprzez potwierdzenie stabilności materiału w odpowiednich warunkach.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia wielokrotnego użytku, zestandaryzowany przepływ pracy dla analizy strukturalnej w programach B&R.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w walidacji celu.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację, powtarzalność i skalowalność procesów analizy strukturalnej.
- Wartość strategiczna: Poprawia jakość decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) oraz efektywność kapitałową poprzez redukcję ryzyka strukturalnego na późnych etapach.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój kandydatów zwalidowanych strukturalnie.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie krystalografii, aparatury wysokociśnieniowej oraz oprogramowania do analizy danych.
- Wymaga dostępu do zaawansowanej infrastruktury dyfrakcji rentgenowskiej oraz zautomatyzowanych narzędzi kalibracyjnych.
- Konieczna jest standaryzacja protokołów wyrównywania i przetwarzania danych pomiędzy zespołami.
- Może wymagać adaptacji do różnych układów materiałowych lub zakresów ciśnień.
- Uzależnione od precyzyjnego wyrównania próbki i kalibracji w celu uzyskania wiarygodnych wyników.
