用于对结晶样品执行X射线分析的样品保持器以及样品保持器处理系统的制作方法

用于对结晶样品执行x射线分析的样品保持器以及样品保持器处理系统
技术领域
1.本发明涉及一种用于对结晶样品(crystalline sample，晶态样品)执行x射线分析的样品保持器，其中该样品保持器包括安装支撑件，该安装支撑件具有能够被附接到测角仪头的第一端部，并且其中结晶样品能够在距第一端部的一距离处被附着到安装支撑件。


背景技术：

2.x射线结晶学是众所周知的用于确定晶体的原子和分子结构的技术，其中结晶原子会使一束入射x射线衍射到许多特定方向。通过测量这些衍射光束的角度和强度，可以获得晶体内电子密度的三维图像。基于这种电子密度，可以确定结晶结构的其他特征，例如，晶体中原子的平均位置以及它们的化学键、它们的无序性和各种其他信息。
3.在单晶x射线衍射测量(sc-xrd)中，晶体被安装在测角仪上。测角仪用于将晶体定位在多个所选的取向(orientation，定向)上。对于每个不同的取向，用精细聚焦的单色x射线束对晶体执行照射，以产生被称为反光(reflections，反射)的规则间隔点的衍射图案。结合样品的已知的化学数据，使用傅里叶变换的数学方法，将在不同取向上获取的二维图像转换为晶体内电子密度的三维模型。
4.例如红外光谱、核磁共振或质谱分析的其他技术可以提供间接信息，其理解通常需要具有高水平的专业知识和经验的训练有素的人员。大多数情况下，一个物种的结构不能通过应用一种技术来确定，而是需要结合不同的分析实验，这使得该过程既耗时又昂贵。
5.但是，sc-xrd需要至少具有一定尺寸、质量和形状的单晶来提供足够高的衍射强度。在许多情况下，这种晶体必须使用如缓慢冷却或气相扩散等技术来生长。晶体必须被安装在测角仪上并在测角仪上对齐，以便在高度聚焦的x射线束中以不同的取向旋转。测量通常持续数小时到若干天，其取决于晶体的大小和质量。由于强烈的x射线照射，测量大多在低温下进行，例如通过使用液氮冷却系统来防止在测量期间对晶体的损坏。
6.因此，目前用于单晶x射线结构确定的程序需要一系列准备步骤以在测量之前和测量期间处理结晶样品，这些步骤大多必须被手动实施。在现有技术中，合适的晶体是在显微镜或双目镜下从众多晶体中手动选择出的。通常通过使用少量的油将选定的晶体固定到合适的样品保持器的尖端。油既可用作长测量时间期间的保护剂，又可在低温进行x射线测量期间将晶体固定在特定位置的胶。替代的准备过程的特征是，将晶体胶合在无定形材料的纤维的顶部上或在通常由如玻璃或聚酰亚胺等无定形材料制成的小直径管内。这种管通常在结晶样品插入之后被封闭以便密封样品。
7.随后，例如通过将样品保持器手动地固定在黄铜销针(brass pin)或磁性测角仪头上，将样品保持器放置在x射线测角仪上。
8.还已知的是，使用结晶海绵来促进小分子的结构解析。结晶海绵由多孔复合物构成，其特征在于处于若干埃范围内的典型尺寸的宽孔(pores，空穴)，例如宽孔具有1nm至
0.1nm的直径。分析物可以渗入与结晶海绵结构对齐并均匀取向的孔中。然后可以将这种被渗入的结晶海绵视为小分子的单晶，并且在许多情况下可以通过x射线衍射进行结构分析。例如在wo2014/038220或wo2016/143872中更详细地描述了这种结晶海绵。与常规单晶类似，需要特别小心地处理结晶海绵以避免破损。
9.目前的使用sc-xrd的结构解析方法需要对晶体进行耗时、精心和细致的处理，主要是为了避免破损、损失或污染。而且，晶体的处理需要在显微镜下执行，并且需要训练有素的人员以及特殊的设备，如样品保持器和用于显微操作的工具。由于多种原因，许多必需的步骤目前不能自动化。晶体通常是透明且无色的，因此具有低对比度的特征，这使得相机辅助处理变得困难，因为尤其对于小晶体而言不可能进行晶体周长的软件检测。而且，晶体必须从像结晶瓶这样的容器中取出，这增加了额外程度的不均匀光学背景，进一步妨碍了相机辅助处理。
10.而且，当前的安装方法可能由于各种原因而失败。在某些情况下，用于将结晶样品安装到样品保持器上的试剂(如胶或油之类)具有不兼容性。在测量期间、或在将样品保持器进行运输或将其安装到测角仪期间，结晶样品的非期望的移动可能会使测量的衍射图案的分析复杂化。而且，来自样品保持器的高散射背景与小尺寸结晶样品的结合也会使测量结果变差。在结晶海绵技术的特定情况下，额外的要求还包括分析物浸入，其中必须手动地从将被安装在衍射仪上的瓶中手动地取出手动选择的结晶样品。由于结构解析需要若干个步骤(溶剂的浸入、干燥和蒸发、若干次样品转移或装载到x射线样品保持器上)，因此尤其对于结晶海绵技术的应用而言，自动化是一个巨大的优势。
11.因此，本发明的一个目的被认为是提供一种用于对结晶样品进行x射线分析的样品保持器，以有助于在准备x射线测量期间以及在执行x射线测量期间处理结晶样品。样品保持器优选地提供结晶样品的牢固安装和定位，而不会显著增加样品保持器与x射线测量的干扰。


技术实现要素：

12.根据本发明，样品保持器包括位于安装支撑件的第一端部处的保持器基座，该保持器基座具有用于将保持器基座安装到测角仪头的装置，其中该保持器基座被配置为适配到孔板(well plate)的孔(well，井孔)中。用于将保持器基座安装到测角仪头的上述装置可以具有保持器基座的形状以便适于且允许将保持器基座固定到测角仪头上。例如，保持器基座可以具有凹口或凹部，其允许将保持器基座正向锁定(positive locking)到测角仪头上。保持器基座还可以适于插入到被布置在测角仪头上的夹紧系统中。保持器基座还被构造为允许将样品保持器插入到孔板的孔中。保持器基座和安装支撑件的尺寸和形状以通过将安装支撑件放置在孔内使得样品保持器能够被插入孔中的方式与孔的尺寸相适应，由此通过保持器基座封闭孔的开口。保持器基座可用作盖，该盖提供孔的封闭并保护安装支撑件和附着到安装支撑件且放置在孔内的结晶样品。从孔板的外侧能触及保持器基座的背侧，并且其可用于例如自动化处理系统，该自动化处理系统将样品保持器从孔板的孔抽取出，随后将样品保持器转移并附接到测角仪头。
13.在本发明的优选实施例中，保持器基座包括铁磁材料，用以将保持器基座安装到在测角仪头处或测角仪头内的磁性基座元件。铁磁材料可以是由铁磁材料制成的部分或部
件，其被布置在保持器基座的内部或者被附接到保持器基座的外部。具有铁磁材料的保持器基座可以扣合到常用在测角仪头上的磁体，从而提供限定的位置并确保将样品保持器紧固到测角仪头上。
14.在本发明的另一方面中，安装支撑件包括管，结晶样品可以被插入该管中。该管可以由玻璃或由不会引起明显散射的合适聚合物制成，从而减少与x射线辐射的干涉以及减少对x射线衍射测量的测量结果的可能干扰。而且，管的壁厚可以很小，例如0.02mm或更小。然而，管环绕着被插入到管中的结晶样品，且在处理样品或用样品执行测量时提供对结晶样品的可靠定位和机械保护。
15.有利的方式是，上述管是由对通常用于样品准备和用于将结晶样品附着至安装支撑件的流体耐溶解的材料制成。这防止了在测量之前或测量期间结晶样品的非期望的污染或劣化。
16.在本发明的另一方面中，样品保持器包括基座盘，该基座盘在样品保持器插入上述孔中之后提供用于孔板的孔的盖。基座盘的直径可以与孔的开口的直径相匹配，这允许将基座盘插入到孔的开口中，导致孔的安全封闭，由此保护放置在孔内的、其上附有结晶样品的安装支撑件。这种基座盘可以是保持器基座上的被构造为插入孔板的孔中的部分。也可以组合保持器基座和基座盘，该基座盘比孔板的孔的开口大，且在将安装支撑件放置在孔中时，该基座盘安置在孔板的表面的顶部上。优选地，这种基座盘具有比孔的开口的直径略大的直径。孔的开口的环绕边界(surrounding border)提供位于孔板的表面上的基座盘的圆形座。
17.根据本发明的有利实施例，保持器基座包括保持器环，该保持器环被布置在安装支撑件的第一端部处，并且以周向方式环绕安装支撑件。保持器环的形状能够与孔板中的孔开口相邻的孔腔的形状相匹配，从而允许保持器环被插入该孔中且提供保持器环的靠近孔开口的固定位置。然后，从保持器环突出的安装支撑件被引导到孔的底部，并牢固地放置在孔内。保持器环还提供允许在测量之前或测量期间使用合适的自动处理系统容易地处理样品保持器的机械或磁性特征。
18.在本发明的另一方面中，基座盘可以能移除方式附接到保持器环。虽然保持器环能够被插入到孔板的孔中，但基座盘可以被构造为保持在孔板的表面的顶部上，并在孔开口处提供孔的紧密封闭。而且，从孔的外部能接近的基座盘的底侧能够提供允许通过自动化处理系统容易地操作样品保持器的互锁装置、夹紧装置或捕捉装置(catching means)。
19.根据本发明的一实施例，结晶海绵被附着到安装支撑件。预组装的样品保持器包括附着到安装支撑件的结晶海绵，且有助于单个结晶样品的制备。只需要将分析物加入结晶海绵，其可以容易地通过将带有结晶海绵的安装支撑件浸入包含待分析的结晶分子的溶液中来完成。
20.根据本发明的另一实施例，结晶海绵被布置在管内。该管环绕并保护被布置在管内的结晶海绵。结晶溶液可以被引入到管中，由此渗入结晶海绵，并将结晶分子引入多孔海绵材料。通过随后封闭该管，结晶样品被保存并允许后续测量之间的重复使用和长期储存，而结晶样品不会出现任何改变或劣化。
21.在本发明的另一方面中，样品保持器包括防护容器，其包裹安装支撑件以及能在距第一端部的一距离处被附着到安装支撑件的结晶样品。该防护容器可以能移除地与保持
器基座连接或紧固在保持器基座上。优选地，防护容器包括螺纹部分而且能够被旋拧到样品保持器的基座盘上或保持器环上。该防护容器包围(encompasses，包含、围绕)安装支撑件，并且提供例如其内附着有结晶样品的玻璃管的机械保护。该防护容器可以由合适的合成材料制成。该防护容器可以在执行x射线测量之前被移除，但是也可以被附接到保持器基座且在孔板的孔的内部或外部在样品保持器的储存和运输期间保护结晶样品。
22.本发明还涉及一种对结晶样品执行x射线分析的样品保持器处理系统，其具有一带有测角仪头的测角仪、至少一个样品保持器、以及一孔板，其中样品保持器是根据前述权利要求中任一项所述地进行构造，并且适配到孔板的孔中。在通过x射线结晶学进行结构解析的实验中可以使用多个样品保持器和一孔板，这将使得处理结晶样品更为方便。各结晶样品自身(即单晶或结晶海绵)在被储存到孔板的相应孔中时可以更好地被保护而免受环境影响。对于科学家来说，因为对样品具有更好的保护，所以处理也得到了改进，处理时不必再那么小心。此外，特别是与当前的样品保持器的手动处理相比，样品保持器可以被容易地附接到测角仪头。
23.除此之外，更高程度的自动化成为可能。因为样品保持器的预定的和自动的拾取和返回是可能的，所以结晶样品可以通过自动处理系统进行自动处理。
24.结合定制孔板或能使用市售孔板的保持器环，可以进一步提高自动化程度。通常包括24孔或96孔的孔板格式，或者具有384孔或1536孔的较大格式，是标准的，并且与全系列的机器兼容。因此，它们通常用于在诸如样品加工、移液和测量的领域中的自动化。使用本发明，如上限定的样品保持器现在可以通过所述机器自动地加工。例如通过在孔板内的各孔的底部处增加开口或孔洞，使得孔板的定制将孔板构造为在对应的孔中接收多个样品保持器。
25.在本发明的另一方面中，样品保持器包括基座盘，其直径与孔板的孔的直径相匹配。基座盘可以包括紧固装置，用于使基座盘与自动样品保持器操作系统接合。
26.根据本发明的另一实施例，插环被布置在孔板的孔的底部，其支承插入孔板的孔中的样品保持器的基座盘。通过将插环插入孔中，插环的靠近孔开口的上端用作放置在孔内的样品保持器的基座盘或保持器环的止动部。该插环环绕并包围安装支撑件以及附着到其上的结晶样品或结晶海绵，从而提供对样品的附加的保护。插环的尺寸、特别是插环的高度被构造为，以孔内的样品保持器和插环的组合增加到孔的全高(full height)的方式，来补充保持器环或基座盘的高度。
27.而且，根据本发明的另一方面，保持器基座包括保持器环，其中保持器环的外径和侧表面适于与孔板的孔在顶部紧邻孔开口处的直径和内表面相匹配。在圆锥(conical，锥形)孔腔的情况下，保持器环具有匹配的圆锥形(cone-shaped，锥形)外表面，以将保持器环紧密配合地接收在孔的上部中，优选地与孔板的表面齐平。
28.根据本发明的有利实施例，保持器环包括紧固装置，用于使保持器环与自动化样品保持器操作系统接合。
29.在本发明的又一方面中，样品保持器包括防护容器，其中该防护容器的外径、侧表面和高度适于与孔板的孔的直径、内表面和高度相匹配。
附图说明
30.当参阅以下的详细描述和附图时，将更充分地理解本发明，并且进一步的特征将变得明显。附图仅是代表性的，并不旨在限制权利要求的范围。事实上，本领域的普通技术人员在阅读以下说明并查看当前附图时可以理解，在不偏离本发明的创新性概念的情况下，可以对其进行各种修改和变化。附图中描绘的类似部件由相同的附图标记表示。
31.图1示出了具有以规则图案布置的96孔的标准孔板的立体图，其中在一些孔中，根据本发明的样品保持器被插入到相应的孔中；
32.图2示出了具有保持器环的样品保持器的分解示意图，该保持器环被配置成放置在孔板的定制孔内；
33.图3示出了图2的样品保持器和孔的示意图，其中具有保持器环的样品保持器被放置在孔内；
34.图4示出了具有保持器环的样品保持器的另一实施例的分解示意图，该保持器环被配置成放置在孔板的标准孔内；
35.图5示出了图4的样品保持器和孔的示意图，其中具有保持器环的样品保持器被放置在孔内；
36.图6示出了具有基座盘和针状安装支撑件的样品保持器的另一实施例的分解示意图，该针状安装支撑件被配置成放置在孔板的标准孔内；
37.图7示出了图6的样品保持器和孔的示意图，其中具有基座盘的样品保持器被放置在孔内；
38.图8示出了样品保持器的另一实施例的分解示意图，该样品保持器具有基座盘、针状安装支撑件、以及环绕的管，该管被配置成放置在孔板的标准孔内的；
39.图9示出了图8的样品保持器和孔的示意图，其中具有针状安装支撑件和环绕的管的样品保持器被放置在孔内。
具体实施方式
40.图1中显示出具有96个孔2的孔板1。孔2在孔板1上以规则的矩阵状图案排列。孔2的排列符合能够与诸多不同的机器和处理系统一起使用的此类孔板1的标准。
41.在一些孔2中，即位于图1中所示的孔板1的位置a1至a5处的五个孔2中，根据本发明的样品保持器3被放置在孔2内。现将进一步描述并在图2至图9中显示样品保持器的不同实施例。各样品保持器3的底侧4与孔板1的上表面5齐平。在图1中，仅能看见各样品保持器3的底侧4。
42.通常，孔板1应优选符合美国国家标准协会(ansi)给出的尺寸，以便与移液机器人或其他自动化设备兼容。当前的标准尺寸的规定包括ansi/slas 1-2004(footprint dimensions)(占位尺寸、封装尺寸)、ansi/slas 3-2004(bottom outside flange dimensions)(底部外缘尺寸)、ansi/slas 4-2004(well positions)(孔位)以及可能的ansi/slas 2-2004(height dimensions)(高度尺寸)、可能的ansi/slas 6-2012(well bottom elevation)(孔底高度)。孔板1的标准尺寸为127.76mm的长度和85.48mm的宽度。孔板1应进一步被调整为适用的孔板1的未来标准。
43.图2和图3中显示出根据本发明的样品保持器3的第一实施例。在这些附图以及更
多类似的附图中显示了从孔板1的左边缘穿过孔板1的横截面。但是，仅示意出第一孔2，而第二孔2的一半仅用虚线进行模拟。样品保持器3包括玻璃管6，其中玻璃管6可以类似于今天常用在x射线结构解析中的毛细管，例如，由hilgenberg(巴斯德)(马尔斯菲尔德，德国)生产的模型，其具有0.01mm的壁厚，一侧为漏斗状开口，另一侧为封闭端(商品编号4007630)。玻璃管6在底部具有薄的壁厚，以便能够在x射线衍射仪中直接测量玻璃管内的样品。此外，玻璃管6的长度被设定为适配孔板1的高度，例如为14mm、22mm或44mm，并且同时被设定为适配于测角仪设置(goniometer set up)，即在图中未显示的测角仪头的顶部上。与目前市售的测角仪头兼容的尺寸范围允许玻璃管6的总长度约为22mm至32mm。通过使用带有其他测角仪头和/或测角仪设置的样品保持器3，玻璃管6的尺寸可以被扩展为，例如从10mm到50mm、100mm、或者甚至250mm。
44.样品保持器3的玻璃管6被保持器环7围绕。保持器环7还包括使其适合于直接附接到如上所述的x射线衍射仪中的测角仪的特征部。这些特征部可以包括金属环8，该金属环可以由测角仪头以磁性方式保持，在测角仪头的顶部上或内部具有磁体。保持器环7的尺寸优选地与当前使用到测角仪头的基本磁性附件兼容，例如市售的rigaku(日本理学)的磁性基座支撑件"magnetic base support z with strong magnet"(带有强力磁体的磁性基座支撑件z)(商品编号1013161)，其可以与rigaku的测角仪头(商品编号1013156)一起使用。用到测角仪头的附件的其他特征可以包括与测角仪头互锁或夹紧在测角仪头上的压力不敏感的材料相结合的特定直径、螺纹。
45.保持器环7的尺寸也可以不同，这将只需要对测角仪头进行一些变化以便能够将其进行附接。这些变化可以包括适用于当前设计的小适配器。
46.优选地，保持器环7的形状是圆的(round)，例如圆形(circular)形状。但是，保持器环7也可以具有任何其他形状，例如具有方形的占位(footprint，覆盖区)。保持器环7的形状优选地适配于孔板1的孔2中，并且不会沉入孔2中太深而是被保持于顶部，即，在孔板1的表面5处紧邻孔2的开口。如在图2和图3中能够看到的，孔板1的孔2通过在每个孔2的底部10中加设开口9来进行定制以便接纳样品保持器3，从而能够通过开口9将玻璃管6伸入孔板1的本体内。
47.保持器环7可以永久地附接到玻璃管6，以确保最佳的稳定性。保持器环7也可以能移除地附接到玻璃管6，以便通过更换玻璃管6进行回收利用。但是，保持器环7在测量期间不需从玻璃管6拆离被视为是基本要求。
48.优选地，保持器环7具有圆形横截面和圆锥形外形。保持器环7由可以胶合到玻璃管6的聚合物制成。优选地，金属环8被附接到保持器环7的聚合物基座，该聚合物基座被用作用于附接到测角仪头的特征部。但是，将用于附接到测角仪头的特征部直接附接到玻璃管6也是可能的。在一个实施例中，金属环8可以被直接附接到玻璃管6。
49.结晶样品11被放置在玻璃管6内。结晶样品11可以是单晶以用于x射线衍射测量。结晶样品11也可以由浸入有包含晶体分子的结晶溶液的结晶海绵组成。
50.在图4和图5中，显示出样品保持器3的另一实施例与标准孔板1的组合。插环12被插入孔2中并且被放置在孔2的底部10上。插环12的上侧13提供了支承样品保持器3的保持器环7的止动部。插环12的长度被配置为完全包围玻璃管6，该玻璃管用作玻璃管6内的结晶样品11的安装支撑件。
51.基座盘14被附接到保持器环7并且提供对玻璃管6的封闭，从而保护玻璃管6的内容物，即玻璃管6内的结晶样品11。带有基座盘14的样品保持器3的尺寸和形状被配置为完全地放置在孔2内，基座盘14的背侧与孔板1的表面5齐平。但是，同样可行并且可以是有利的是，将基盘14置于孔2外，这可以允许利用自动样品保持器操作和处理系统容易地处理样品保持器3。
52.优选地，基座盘14将玻璃管6紧密地封闭并且确保诸如有机溶剂的任何材料保留在玻璃管6内。用于将玻璃管6附接到测角仪头的特征部(诸如磁性材料)，即金属环8可以安置在所述基座盘14的顶部上。基座盘14还可以包括螺纹或旋入机构，以便确保紧密的封闭。基座盘14还可以包括隔膜(septum)或类似设备，其通过暂时被刺穿而能够通过基座盘14转移(transfer，搬运)材料。
53.样品保持器3可以配备有唯一识别的特征，诸如条形码、二维条形码、qr码、rfid芯片或其他此类特征，其可以被机器捕获和读取。
54.在图6和图7中，样品保持器3包括针状杆15，以替代前述实施例的玻璃管6，该针状杆用作结晶样品11的安装支撑件，结晶样品被附着到针状杆15的自由端部16。针状杆15被安装到基座盘14上。环绕和包围杆15的防护容器17被可拆卸地附接到基座盘14。防护容器17的尺寸和形状被配置为完全地放置在孔板1的孔2内。
55.在图8和图9中显示出本发明的另一实施例。样品保持器3包括针状杆15和环绕并包围针状杆15的玻璃管6两者，结晶样品11被附着到针状杆15的自由端部16。针状杆15和玻璃管6被附接到基座盘14，该基座盘还包括嵌入该基座盘14中的金属环8。
56.示例
57.在下文中，将参照该示例对本发明进行更详细和具体的描述，然而，该示例并非旨在限制本发明。
58.为了证明构思之目的，制作了带有玻璃管6的样品保持器3的原型。其包括由硼硅玻璃制成的玻璃管6，其直径为0.3mm且壁厚为0.01mm。这种玻璃管6是可市售的，例如为若干厘米长度的毛细管。玻璃管6在自玻璃管6的开口端部测量的大约22mm的距离处以火焰熔化封闭。
59.玻璃管6被胶合到保持器环7中，该保持器环由长度约为9mm、外径为4mm且内径为3mm的短塑料管组成。玻璃管6的先前封闭的端部被隐藏在保持器环7内，而玻璃管6的开口端部朝向外。小金属环8被胶合在保持器环7的顶部上，即位于保持器环7的玻璃管的开口端部18未朝向外的那侧上。金属环8是垫片(shim)，其通常用作用于内径为3.2mm且外径为7mm的螺钉的隔板(distance plate)。
60.对于应用过程中的测试，按照出版物(m.hoshino，a.khutia，h.-z.xing，y.inokuma，m.fujita，iucrj，2016，3，139
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151)中所述准备的结晶海绵在显微镜下被装载到玻璃管6中。然后，将带有被装载的玻璃管6的样品保持器3以磁性方式附接到磁性测角仪头。在200k的温度下成功记录结晶海绵内的结晶样品11的衍射图案，并且可以使用标准协议(standard protocols，标准方案)成功地解析(solve)结构。
61.根据下面的要求制作了具有定制设计的孔板1。其包括由ansi定义的孔板的基本尺寸。高度为34mm。孔2自身是圆的，直径为约9mm。孔2以圆柱形形状沉入孔板1大约9mm。在孔2的底部10中间具有直径约2mm的切口(cutout)。
62.当如上所述的具有玻璃管6的样品保持器3被放置在定制孔板1的原型中时，玻璃管6的尖端可以在孔2的中心处适配通过切口孔(cutout hole)。样品保持器3用保持器环7安置在定制孔板1的孔2的底部10上。
63.已经证明，可以使用磁体将样品保持器3从孔板1取出或将样品保持器3插入孔2中，以便在测量之前、之间和之后储存和运输样品保持器3。