Rigaku Journal, 37(1), 2021，Pages38-42；技术文章
作者：无名，
介绍
认识到MicroED的潜力，理学和JEOL宣布在2020 年合作开发一种新产品，其设计方式将使任何晶体学家都能轻松使用。最终的产品是XtaLAB Synergy-ED，图1，一种全新的、完全集成的电子衍射仪， 它创建了从数据收集到三维分子结构确定的无缝工作流程。XtaLAB Synergy-ED结合了两家公司的核心技术：理学公司的高速，高灵敏度探测器（HyPix- ED），仪器控制和单晶分析软件平台（CrysAlisPro ED），以及JEOL公司在电子束产生和稳定控制方面的专业知识。有很多材料只能形成纳米级的晶体。在MicroED技术发展之前，合成化学家被迫依靠其他技术，如NMR，来推断三维结构。不幸的是，对于复杂的分子，如天然产物，NMR结果很难解释。因此，MicroED已成为结构科学进步的一项革命性技术。
图1所示 XtaLAB Synergy-ED样品通道门打开，显示插入镜筒中的样品台。
MicroED/ 3DED 2013年，关于利用电子衍射从纳米晶体溶菌酶中获得3D结构的开创性工作（1）导致了世界各地将MicroED应用于其他纳米晶体材料的研究激增（图2）。MicroED或3DED使用电子代替X射线进行衍射实验。电子衍射为研究人员提供了在小于X射线衍射极限的样品上进行单晶衍射的能力，在1 μm左右。然而，电子与物质的相互作用非常强烈，这对可以研究的样品的大小施加了上限。MicroED也提出了不同于X射线晶体学的实验挑战，这就是为什么这两种技术相互补充，为结构科学家提供了增强的能力。MicroED面临的挑战是：
• 吸收：通常只需要一个非常小的晶体就能完全阻 挡光束。对于有X射线衍射实验经验的人来说，样品的选择往往是反直觉的，因为通常越小越好。 • 动态衍射：电子束在其通过晶体的路径上被多次 衍射。晶体越厚，动力效应就越会给你的结构解析和精修带来问题。 • 样品衰减：将晶体暴露在高功率、高电荷的光束 下，往往会导致晶体快速衰减。这可以通过利用低温数据收集以及适当选择光束强度和扫描速度来缓解。 • 环境：衍射实验必须在真空中进行。电子束路径 上的气体会吸收并衍射电子束。不需要太多的空气就能阻止电子束或破坏你的测量。
图2所示。电子衍射的典型样品尺寸范围从几十纳米到几百纳米。为了获得最佳结果，小样本是理想的，但与X射线实验一样，样品组成也起着作用。
硬件 我们的解决方案是一个电子衍射仪，带有JEOL电 子源和200千伏的光学系统，使用旋转方法进行测量， 为熟悉X射线衍射实验的人提供了一种熟悉的数据收集和数据处理方法（图3 ）。表1 提供了XtaLABSynergy-ED的一些更相关的规范。 基于数十年在密切相关的电子显微镜领域实现高精度所需的经验，Synergy-ED使用相同的垂直排列的真空镜筒，确保样品在整个扫描过程中保持在光束中， 具有类似于X射线衍射仪的紧凑占地面积的额外好处。 样品台提供x， y， z和倾斜的运动，以便使用旋转方法精确定位样品和数据收集。对于需要稳定的敏感样品，采用低温测量不仅可以改善真空还可以限制辐照损伤，冷冻转移样品杆是可选的。 其中使用的探测器是HyPix-ED，是理学单晶X射线 衍射设备中使用的探测器的同源，但对电子衍射进行了优化。HyPix-ED具有相同的事件驱动计数功能， 可以实现超低噪声，零暗噪声和零读出噪声，从而实现高帧率和高数据质量。
图3所示 Synergy-ED的硬件组成。
表1 XtaLAB Synergy-ED规格。
软件 在XtaLAB Synergy-ED上选择样品和测量电子衍射数据的软件都集成到CrysAlisProED中，为用户提供了从选择晶体到解析和精修结构的轻松工作流程。对于那些熟悉我们的X射线仪器的人来说 ， CrysAlisPro ED以相同的方式操作，只是进行了一些修改，以应对寻找样品和对心。 通过简单的点击界面浏览样品载网来查找样本（图4）。对于更远距离的导航，我们新颖的迷你地图可以为你提供一个低放大倍数的样品载网地图， 并记住你看过的区域。一旦你找到了一个你感兴趣的样本，只需通过点击它或使用图形用户接口进行手动控制， 就可以将其移动到光束内并将其居中。
图4所示 CrysAlisPro Synergy-ED界面。(a)基于图形用户接口的载网导航器，(b)远程导航的迷你地图功能；以及(c)点按界面。注意，在所示的缩放级别下，准星直径为4 μm。
CrysAlisPro ED软件支持按网格对实验进行分组，因此您能够有序管理实验数据，同时数据采集的设置流程也十分简便。 衍射实验就像X射线实验一样进行。这意味着，在数据采集期间，并发自动数据处理发生，自动应用校正，AutoChem可用于您的microED数据。AutoChem是小分子化学家的终极生产力工具，在数据收集过程中提供快速，全自动的结构解析和精修。AutoChem与CrysAlisPro ED无缝集成（图5）。 与X射线衍射相比，MicroED的一个不同之处在于， 由于安装方法，单个样品数据收集区域受到限制，并且通常需要合并来自多个颗粒的数据以使完整度达到可接受的水平。 CrysAlisPro ED使用图形用户接口合并数据集很容易，可以选择多个数据集进行合并。然后对合并后的数据进行精修，应用所有的修正和缩放，得到最终的hkl衍射数据文件。 任何具有测量单晶X射线衍射数据和求解晶体结构经验的研究人员都应该能够在第一天坐下来使用XtaLAB Synergy-ED进行MicroED实验。 图5所示。(b) AutoChem在microED数据收集过程中的进展；CrysAlisPro中的数据合并工具。
结果 我们现在已经使用XtaLAB Synergy-ED收集了许多样品的数据。一般来说，通常可以在差图中看到氢的位置。下面是其中一些结果的精选。 本节精修的结构是使用适合于电子衍射的SFAC指令进行细化的。在某些情况下，单个晶粒能够为结构解析提供足够的完整度，而在其他情况下， 则使用多个晶粒。使用XtaLABSynergy-ED收集所有结构，使用CrysAlisProED进行处理，使用AutoChem或手动使用Olex2进行求解和精修（图6）。
图6所示。用XtaLABSynergy-ED收集的数据首次尝试解决结构的一些例子，包括药物化合物、无机材料和从三斜对称到四方对称的配合物。(a)扑热息痛（对乙酰氨基酚），(b)胞苷，(c)葡萄糖，(d)四氯铂酸钾，(e)吉非替尼和(f)铁（II）酞菁双（吡啶）配合物。
结论 理学着手开发并部署了一款电子衍射仪，旨在让任何具备 X 射线衍射仪使用经验的晶体学家只需经过最少的培训即可解析晶体结构。通过集成JEOL电子枪，电子光学和样品台与与Rigaku的HyPix-ED, 探测器，CrysAlisPro,Autochem and OlexSys’ Olex2软件，理学已经完成了这一目标。XtaLABSynergy-ED 能够对尺寸过小而无法进行X 射线衍射的样品测定出精确的电子衍射（ED）结构。
参考文献
( 1 ) eLife 2013;2:e01345AC DOI: 10.7554/eLife.01345
本文译自Rigaku Journal, 37(2), 2021 水平有限，有不当之处请各位坛友指正~
本想发在资源子版块文献分类，后来想想ED比较新的技术，还是发在讨论区供大家学习讨论比较好~
译文文章由物质结构社区团队粉末结构版块轻舞飞扬翻译整理，如需转载请联系译者申请，侵权必究~
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发表于 2025-5-16 00:40:01
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