JP7462872B2

JP7462872B2 - 単結晶ｘ線構造解析装置と方法、及び、そのための試料ホルダユニット

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Publication number: JP7462872B2
Application number: JP2020557641A
Authority: JP
Inventors: 孝佐藤
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Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2024-04-08
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Description

本発明は、材料の構造をその原子や分子の配列などのミクロな集合構造によって解析することを可能にする次世代の単結晶Ｘ線構造解析装置とその方法に関し、特に、解析する対象となる単結晶試料の作成を含んだ処理を行う器具を含めた単結晶Ｘ線構造解析装置と方法、及び、そのための試料ホルダユニットに関する。

新たなデバイスや材料の研究開発では、日常的に材料の合成、材料の評価、それに基づいた次の研究方針の決定が行なわれている。短期間に材料開発を行うためのＸ線回折を用いた物質の構造解析では、目的の材料の機能・物性を実現する物質構造を効率良く探索するために、構造解析を効率的に行うことを可能とする物質の構造解析を中心とした物質構造の探索方法とそれに用いるＸ線構造解析は必要不可欠である。

しかし、当該手法で得られた結果に基づいて構造解析を行うことは、Ｘ線の専門家でなければ難しかった。そのため、Ｘ線の専門家でなくても構造解析を行うことができるＸ線構造解析システムが求められていた。その中でも、特に、以下の特許文献１にも知られるように、単結晶Ｘ線構造解析は、正確で精度の高い分子の立体構造を得ることができる手法として注目されている。

他方、この単結晶Ｘ線構造解析には、試料を結晶化して単結晶を用意しなければならないという大きな制約があった。しかしながら、以下の非特許文献１や２、更には、特許文献２にも知られるように、「結晶スポンジ」と呼ばれる材料（例えば、直径0.5nｍから１nｍの細孔が無数に開いた細孔性錯体結晶）の開発によって、結晶化しない液体状化合物や結晶化を行うに足る量を確保できない試料なども含め、単結晶Ｘ線構造解析を広く適用することが可能となっている。

特開２００７－３３９４号公報再公表特許ＷＯ２０１６／０１７７７０号公報

Makoto Fujita; X-ray analysis on the nanogram to microgram scale using porous complexes; Nature 495, 461-466; 28 March 2013 Hoshino et al. (2016), The updated crystalline sponge method IUCrJ, 3, 139-151

しかしながら、上述した結晶スポンジを利用した従来技術になる単結晶Ｘ線構造解析では、各種の装置によって分離された数nｇ～数μｇ程度の極微量の試料を寸法100μｍ程度の極微小で脆弱（fragile）な結晶スポンジの骨格内に吸蔵する工程と共に、更に、この試料を吸蔵した極微小な結晶スポンジを取り出し、器具に取り付け、単結晶Ｘ線構造解析装置内のＸ線照射位置に搭載するという微細で緻密な作業を伴う工程を、迅速かつ正確に行うことを必要とする。なお、これらの短時間で行う微細かつ緻密な作業は、結晶スポンジに吸蔵した後の試料の測定結果に多大な影響を及ぼすこととなり、非常に重要な作業となる。

このことから、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、その目的は、特に、Ｘ線構造解析の専門知識がなくても、極微小で脆弱（fragile）な結晶スポンジによる単結晶Ｘ線構造解析を、迅速さも求められる従来の微細で緻密な作業を伴うことなく、迅速に、かつ、確実かつ容易に行うことを可能とする、換言すれば、歩留まり良くかつ効率的で、汎用性に優れ、かつ、ユーザフレンドリな単結晶Ｘ線構造解析装置とその方法を提供し、更には、そのための器具であるアプリケータおよび新規な試料ホルダから構成される試料ホルダユニットを提供することを目的とするものである。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の単結晶Ｘ線構造解析装置は、物質の構造解析を行う単結晶Ｘ線構造解析装置であって、Ｘ線を発生するＸ線源と、試料を保持する試料ホルダと、前記試料ホルダを取り付けて回動するゴニオメータと、前記ゴニオメータに取り付けられた前記試料ホルダに保持された前記試料に対して前記Ｘ線源からのＸ線を照射するＸ線照射部と、前記試料により回折又は散乱されたＸ線を検出して測定するＸ線検出測定部と、前記Ｘ線検出測定部に検出された回折又は散乱Ｘ線に基づいて前記試料の構造解析を行なう構造解析部と、を備え、前記試料ホルダは、着脱可能なアプリケータに装着されて提供され、前記試料ホルダは、内部に形成された複数の微細孔に前記試料を吸蔵可能な細孔性錯体結晶を含み、前記アプリケータは、前記試料を前記試料ホルダの前記細孔性錯体結晶に吸蔵させるための空間を備え、前記試料ホルダは、前記アプリケータから取り外された状態で、前記ゴニオメータの前記Ｘ線照射手段からのＸ線が照射される位置に取り付けられることを特徴としている。

（２）また、本発明の試料ホルダユニットは、単結晶Ｘ線構造解析装置において使用する試料ホルダユニットであって、前記単結晶Ｘ線構造解析装置のゴニオメータに取り付ける試料ホルダと、前記試料ホルダを収納するアプリケータと、を備え、前記試料ホルダは、内部に形成された複数の微細孔に試料を吸蔵可能な細孔性錯体結晶を保持する保持部を備え、前記アプリケータは、前記試料を前記試料ホルダの前記細孔性錯体結晶に吸蔵させるための空間を備えていることを特徴としている。

（３）また、本発明の試料ホルダユニットにおいて、前記アプリケータは、前記試料を吸蔵させるための空間内に導入する試料導入構造が形成されていることを特徴としている。

（４）また、本発明の試料ホルダユニットにおいて、前記アプリケータに形成された試料導入構造は、貫通孔であることを特徴としている。

（５）また、本発明の単結晶Ｘ線構造解析方法は、試料ホルダを利用して物質の構造解析を行う単結晶Ｘ線構造解析方法であって、内部に形成された複数の微細孔に前記試料を吸蔵可能な細孔性錯体結晶を含んでいると共に、試料を吸蔵させるための空間を備えたアプリケータに収納されて提供された前記試料ホルダの前記細孔性錯体結晶に対して、前記試料ホルダを前記アプリケータに収納した状態で、前記試料を導入することにより前記試料の吸蔵を行う工程と、前記試料ホルダを前記アプリケータから取り外す工程と、前記試料ホルダを前記単結晶Ｘ線構造解析装置のゴニオメータに取り付ける工程と、前記単結晶Ｘ線構造解析装置のＸ線源からのＸ線を、前記ゴニオメータに取り付けた前記試料に照射し、前記試料により回折又は散乱されるＸ線を検出して測定するＸ線検出測定工程と、前記Ｘ線検出測定工程により検出された回折又は散乱Ｘ線に基づいて、前記試料の構造解析を行なう工程と、を含んでいることを特徴としている。

上述した本発明によれば、新たに提案されるアプリケータおよび試料ホルダから構成される試料ホルダユニットを利用することにより、迅速性も必要とされる従来の緻密でかつ微細な作業を伴わず、極微小で脆弱（fragile）な結晶スポンジへの試料の吸蔵とその後の装置への搭載等を含む一連の作業を、迅速に、かつ、確実かつ容易に行うことが出来る、換言すれば、歩留まり良くかつ効率的で、汎用性にも優れ、かつ、ユーザフレンドリな単結晶Ｘ線構造解析装置が提供される。更には、その方法やそのための器具であるアプリケータおよび試料ホルダから構成される試料ホルダユニットが提供される。このことから、結晶スポンジによる単結晶Ｘ線構造解析を容易に利用可能にして、広く普及させることが可能となる。

本発明の一実施の形態になる単結晶Ｘ線回折装置を備えた単結晶Ｘ線構造解析装置の全体構成を示す図である。上記単結晶Ｘ線回折装置の構成を示す図である。上記単結晶Ｘ線構造解析装置内部の電気的構成を示すブロック図である。上記単結晶Ｘ線構造解析装置により得られるＸＲＤＳパターン又はイメージを示す写真を含む図である。上記単結晶Ｘ線構造解析装置においてＸ線回折データ測定・処理ソフトウェアを実行した画面の一例を示す写真を含む図である。上記単結晶Ｘ線構造解析装置の構造解析プログラムを用いて作成した分子モデルを表示した画面を含む図である。上記単結晶Ｘ線回折装置のゴニオメータを中心にした構造の一例を示す写真を含む図である。上記ゴニオメータに取り付けるアプリケータおよび試料ホルダから構成される試料ホルダユニットの一例を示す断面図である。本発明の他の実施例になるアプリケータおよび試料ホルダから構成される試料ホルダユニットを示す断面図である。上記試料ホルダをセットとして提供する場合の状態の一例を示す図である。試料ホルダを用いた単結晶Ｘ線構造解析方法の一例を示すフロー図である。上記単結晶Ｘ線構造解析方法において用いられる前処理装置の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態になる、結晶スポンジを利用した単結晶Ｘ線構造解析装置について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、本出願において「ＡまたはＢ」の表現は、「ＡおよびＢの少なくとも一方」を意味し、ＡおよびＢがありえないという特段の事情がない限り「ＡおよびＢ」を含む。

添付の図１には、本発明の一実施の形態になる、単結晶Ｘ線回折装置を含む単結晶Ｘ線構造解析装置の全体外観構成が示されており、図からも明らかなように、単結晶Ｘ線構造解析装置１は、冷却装置やＸ線発生電源部を格納した基台４と、その基台４の上に載置された防Ｘ線カバー６とを有する。

防Ｘ線カバー６は、単結晶Ｘ線回折装置９を包囲するケーシング７及びそのケーシング７の前面に設けられた扉８等を有する。ケーシング７の前面に設けられた扉８は開くことができ、この開いた状態で内部の単結晶Ｘ線回折装置９に対して種々の操作を行うことができる。なお、図に示す本実施形態は、後にも述べる結晶スポンジを利用して物質の構造解析を行う単結晶Ｘ線回折装置９を含んだ単結晶Ｘ線構造解析装置１である。

単結晶Ｘ線回折装置９は、図２にも示すように、Ｘ線管１１及びゴニオメータ１２を有する。Ｘ線管１１は、ここでは図示しないが、フィラメントと、フィラメントに対向して配置されたターゲット（「対陰極」とも言う）と、それらを気密に格納するケーシングとを有し、このフィラメントは、図１の基台４に格納されたＸ線発生電源部によって通電されて発熱して熱電子を放出する。また、フィラメントとターゲットとの間にはＸ線発生電源部によって高電圧が印加され、フィラメントから放出された熱電子が高電圧によって加速されてターゲットに衝突する。この衝突領域がＸ線焦点を形成し、このＸ線焦点からＸ線が発生して発散する。より詳細には、このＸ線管１１は、ここでは図示しないが、マイクロフォーカス管と多層膜集光ミラー等の光学素子を含んで構成されており、より高い輝度のビームを照射することが可能であり、また、Cu、MoやAgなどの線源から選択可能となっている。上記に例示するように、フィラメントと、フィラメントに対向して配置されたターゲットと、それらを気密に格納するケーシングが、Ｘ線源として機能し、マイクロフォーカス管と多層膜集光ミラー等の光学素子を含むＸ線照射のための構成がＸ線照射部として機能する。

また、ゴニオメータ１２は、解析すべき試料Ｓを支持すると共に、試料ＳのＸ線入射点を通る試料軸線ωを中心として回転可能とするθ回転台１６と、θ回転台１６のまわりに配置されて試料軸線ωを中心として回転可能な２θ回転台１７とを有する。なお、試料Ｓは、本実施形態の場合、後にも詳述する試料ホルダ２５０の一部に予め取り付けられた結晶スポンジの内部に吸蔵されている。ゴニオメータ１２の基台１８の内部には、上述したθ回転台１６及び２θ回転台１７を駆動するための駆動装置（図示せず）が格納されており、これらの駆動装置によって駆動されて、θ回転台１６は所定の角速度で間欠的又は連続的に回転し、いわゆるθ回転する。また、これらの駆動装置によって駆動されて２θ回転台１７は間欠的又は連続的に回転し、いわゆる２θ回転する。上記の駆動装置は任意の構造によって構成できるが、例えば、ウォームとウォームホイールとを含んで構成される動力伝達構造によって構成できる。

ゴニオメータ１２の外周の一部にはＸ線検出器２２が載置されており、このＸ線検出器２２は、例えば、CCD型やCMOS型の２次元ピクセル検出器、ハイブリッド型ピクセル検出器などによって構成される。なお、Ｘ線検出測定部は、試料により回折又は散乱されたＸ線を検出して測定する構成を指し、Ｘ線検出器２２およびこれを制御する制御部を含む。

単結晶Ｘ線回折装置９は、以上のように構成されているので、試料Ｓは、ゴニオメータ１２のθ回転台１６のθ回転によって試料軸線ωを中心としてθ回転する。この試料Ｓがθ回転する間、Ｘ線管１１内のＸ線焦点から発生して試料Ｓへ向けられるＸ線は所定の角度で試料Ｓに入射して回折・発散する。即ち、試料Ｓへ入射するＸ線の入射角度は試料Ｓのθ回転に応じて変化する。

試料Ｓに入射するＸ線の入射角度と結晶格子面との間でブラッグの回折条件が満足されると、その試料Ｓから回折Ｘ線が発生する。この回折Ｘ線はＸ線検出器２２に受光されてそのＸ線強度が測定される。以上により、入射Ｘ線に対するＸ線検出器２２の角度、すなわち回折角度に対応する回折Ｘ線の強度が測定され、この測定結果から試料Ｓに関する結晶構造等が解析される。

続いて、図３（Ａ）は、上記単結晶Ｘ線構造解析装置における制御部１１０を構成する電気的な内部構成の詳細の一例を示す。なお、本発明が以下に述べる実施形態に限定されるものでないことは、もちろんである。

この単結晶Ｘ線構造解析装置１は、上述した内部構成を含んでおり、更に、適宜の物質を試料として測定を行う測定装置１０２と、キーボード、マウス等によって構成される入力装置１０３と、表示手段としての画像表示装置１０４と、解析結果を印刷して出力するための手段としてのプリンタ１０６と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０７と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０８と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０９と、外部記憶媒体としてのハードディスク１１１などを有する。これらの要素はバス１１２によって電気的に相互につながれている。

画像表示装置１０４は、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ等といった画像表示機器によって構成されており、画像制御回路１１３によって生成される画像信号に従って画面上に画像を表示する。画像制御回路１１３はこれに入力される画像データに基づいて画像信号を生成する。画像制御回路１１３に入力される画像データは、ＣＰＵ１０７、ＲＡＭ１０８、ＲＯＭ１０９及びハードディスク１１１を含んで構成されるコンピュータによって実現される各種の演算手段の働きによって形成される。プリンタ１０６は、インクプロッタ、ドットプリンタ、インクジェットプリンタ、静電転写プリンタ、その他任意の構造の印刷用機器を用いることができる。なお、ハードディスク１１１は、光磁気ディスク、半導体メモリ、その他、任意の構造の記憶媒体によって構成することもできる。

ハードディスク１１１の内部には、単結晶Ｘ線構造解析装置１の全般的な動作を司る分析用アプリケーションソフト１１６と、測定装置１０２を用いた測定処理の動作を司る測定用アプリケーションソフト１１７と、画像表示装置１０４を用いた表示処理の動作を司る表示用アプリケーションソフト１１８とが格納されている。これらのアプリケーションソフトは、必要に応じてハードディスク１１１から読み出されてＲＡＭ１０８へ転送された後に所定の機能を実現する。

この単結晶Ｘ線構造解析装置１は、更に、上記測定装置１０２によって得られた測定データを含めた各種の測定結果を記憶するための、例えば、クラウド領域に置かれたデータベースも含んでいる。図の例では、後にも説明するが、上記の測定装置１０２によって得られたＸＲＤＳイメージデータを格納するＸＲＤＳ情報データベース１２０、顕微鏡により得られた実測イメージを格納する顕微鏡イメージデータベース１３０、更には、例えば、ＸＲＦやラマン光線等、Ｘ線以外の分析により得られた測定結果や、物性情報を格納するその他分析データベース１４０が示されている。なお、これらのデータベースは、必ずしも、単結晶Ｘ線構造解析装置１の内部に搭載される必要はなく、例えば、外部に設けられてネットワーク１５０等を介して相互に通信可能に接続されてもよい。

データファイル内に複数の測定データを記憶するためのファイル管理方法としては、個々の測定データを個別のファイル内に格納する方法も考えられるが、本実施形態では、図３（Ｂ）に示すように、複数の測定データを１つのデータファイル内に連続して格納することとしている。なお、図３（Ｂ）において「条件」と記載された記憶領域は、測定データが得られたときの装置情報および測定条件を含む各種の情報を記憶するための領域である。

このような測定条件としては、（１）測定対象物質名、（２）測定装置の種類、（３）測定温度範囲、（４）測定開始時刻、（５）測定終了時刻、（６）測定角度範囲、（７）走査移動系の移動速度、（８）走査条件、（９）試料に入射するＸ線の種類、（１０）試料高温装置等といったアタッチメントを使ったか否か、その他、各種の条件が考えられる。

ＸＲＤＳ（X-ray Diffraction and Scattering）パターン又はイメージ（図４を参照）は、上記測定装置１０２を構成するＸ線検出器２２の２次元空間である平面上で受け取られたＸ線を、当該検出器を構成する平面状に配列された画素毎に受光／蓄積して、その強度を測定することにより得られるものである。例えば、Ｘ線検出器２２の各画素毎に、積分によって受光したＸ線の強度を検出することによれば、ｒとθの２次元空間上のパターン又はイメージが得られる。

＜測定用アプリケーションソフト＞
照射されるＸ線に対する対象材料によるＸ線の回折や散乱によって得られる観測空間上のＸＲＤＳパターン又はイメージは、対象材料の実空間における電子密度分布の情報を反映している。しかしながら、ＸＲＤＳパターンは、ｒとθの２次元空間であり、３次元空間である対象材料の実空間における対称性を直接的に表現するものではない。そのため、一般的に、現存のＸＲＤＳイメージだけでは、材料を構成する原子や分子の（空間）配列を特定することは困難であり、Ｘ線構造解析の専門知識を必要とする。そのため、本実施例では、上述した測定用アプリケーションソフトを採用して自動化を図っている。このようにして、単結晶Ｘ線構造解析装置１は、Ｘ線検出測定部により、測定装置１０２を用いた測定処理の動作を制御するとともに、試料により回折又は散乱されたＸ線を検出することで得られた測定データを含めた各種の測定結果を受け取り、管理する。また、構造解析部により、試料により回折又は散乱されたＸ線を検出することで得られた測定データを含めた各種の測定結果に基づいて試料の構造解析を行なう。

その一例として、図５（Ａ）及び（Ｂ）にその実行画面を示すように、単結晶構造解析のためのプラットフォームである「CrysAlis^Pro」と呼ばれるＸ線回折データ測定・処理ソフトウェアを搭載し、予備測定、測定条件の設定、本測定、データ処理などを実行する。更には、「AutoChem」と呼ばれる自動構造解析プラグインを搭載することにより、Ｘ線回折データ収集と並行して、構造解析および構造の精密化を実行する。そして、図６にも示す「Olex²」と呼ばれる構造解析プログラムにより、空間群決定から位相決定、分子モデルの構築と修正、構造の精密化、最終レポート、CIFファイルの作成を行う。

以上、単結晶Ｘ線構造解析装置１の全体構造やその機能について述べたが、以下には、特に、本発明に係る結晶スポンジと、それに関連する装置や器具について、添付の図面を参照しながら詳細に述べる。

＜結晶スポンジ＞
上述したように、内部に直径0.5nmから１nmの細孔が無数に開いた、寸法が数10μｍ～数100μｍ程度の極微小で脆弱（fragile）な細孔性錯体結晶である「結晶スポンジ」と呼ばれる材料の開発によって、単結晶Ｘ線構造解析は、結晶化しない液体状化合物や、或いは、結晶化を行うに足る量が確保できない数nｇ～数μｇの極微量の試料なども含め、広く適用することが可能となっている。

しかしながら、現状においては、上述した結晶スポンジの骨格内への試料の結晶化である吸蔵（post-crystallization）を行うためには、各種の前処理（分離）装置によって分離された数nｇ～数μｇ程度の極微量の試料を、既に述べたように、容器内において、シクロヘキサン等の保存溶媒(キャリア)に含浸して提供される外径100μｍ程度の極微小で脆弱（fragile）な結晶スポンジの骨格内に吸蔵させる工程が必要となる。保存溶媒(キャリア)には、液体と、気体（ガス）と、その中間にあたる超臨界流体が含まれる。更には、その後、この試料を吸蔵した極微小で脆弱（fragile）な取り扱い難い結晶スポンジを、迅速に（結晶スポンジが乾燥により破壊されない程度の短い時間で）、容器から取り出し、単結晶Ｘ線回折装置内のＸ線照射位置に、より具体的には、ゴニオメータ１２の試料軸（所謂、ゴニオヘッドピン）の先端部に、センタリングを行いながら正確に搭載する工程を必要とする。これらの工程は、Ｘ線構造解析の専門知識の有無に関わらず、作業者に非常な緻密性を要求する微細で、かつ、迅速性をも要求する作業であり、結晶スポンジに吸蔵した後の試料の測定結果に多大な影響を及ぼすこととなる。即ち、これらの作業が極微小な結晶スポンジを利用した単結晶Ｘ線構造解析を歩留まりの悪いものとしており、このことが、結晶スポンジを利用した単結晶Ｘ線構造解析が広く利用されることから阻害される一因ともなっている。

本発明は、上述したような発明者の知見に基づいて達成されたものであり、極微小で脆弱（fragile）な結晶スポンジによる単結晶Ｘ線構造解析を、以下に述べる、その取扱い（操作）器具であるアプリケータおよび結晶スポンジ用試料ホルダ（単に試料ホルダともいう）から構成される試料ホルダユニットを用いることにより、迅速に、確実かつ容易に行うことを可能とするものであり、換言すれば、歩留まり良くかつ効率的で、汎用性に優れ、かつ、ユーザフレンドリな単結晶Ｘ線構造解析装置を実現するものである。即ち、本発明に係る次世代の単結晶Ｘ線構造解析装置では、極微量な試料Ｓを吸蔵した極微小で脆弱（fragile）な結晶スポンジを用意すると共に、更には、当該試料Ｓ（結晶スポンジ）を吸蔵容器から取り出して、結晶スポンジが乾燥により破壊されない程度の短時間で、迅速に、ゴニオメータ１２の先端部の所定位置に、正確かつ迅速に取り付けなければならないという、大きな制約があるが、特に、汎用性にも優れたユーザフレンドリな装置を実現するためには、かかる作業を、高度な専門知識や作業の緻密性を要求せずに、迅速かつ容易に実行可能なものとする必要がある。

本発明は、かかる課題を解消し、即ち、極微小で脆弱（fragile）な取り扱い難い結晶スポンジを使用しながらも、誰でも、迅速かつ確実かつ容易に、歩留まり良く効率的で、ユーザフレンドリに行うことが可能で、かつ、汎用性にも優れた単結晶Ｘ線構造解析を行うための装置や方法、更には、そのための器具であるアプリケータおよび試料ホルダから構成される試料ホルダユニットを提供するものであり、以下に詳述する。

図７（Ａ）は、ゴニオメータ１２の先端部を拡大して示しており、この図では、本発明により提案される解析すべき試料を吸蔵する結晶スポンジ２００をその先端部に予め取り付けた器具である、図７（Ｂ）に拡大図を示した、所謂、試料ホルダ２５０が、ゴニオメータ１２の先端部のゴニオヘッド１２１に取り付けられる（マウントされる）様子を示している。なお、この試料ホルダ２５０は、例えば、磁力などを利用した取付け／位置決め機構によって、ゴニオメータ１２の先端部のゴニオヘッド１２１に対して着脱可能で、かつ、誰でも正確な位置に容易かつ高精度に取り付けることが可能となっている。

＜結晶スポンジ用試料ホルダとアプリケータ＞
図８は、上述した試料ホルダ２５０の断面を示している。試料ホルダ２５０は、ゴニオメータ１２の先端部のゴニオヘッド１２１（図７（Ａ）参照）に取り付けられる金属等からなる円盤状又は円錐状のホルダの基台部２５１には、ピン（円柱）状の試料保持部（以下、単に保持部ともいう）２５２（所謂、ゴニオヘッドピンに対応する）が、その一方の面（図では下面）の中央部に植立されており、かつ、このピン状の保持部２５２の先端の所定の位置には、上述した解析すべき試料を吸蔵するための結晶スポンジ２００が、予め試料ホルダ２５０と一体に取り付けて固定されている。また、円盤状の基台部２５１の他の面（図では上面）には、図示しないマグネット等の位置決め機構等が設けられている。この位置決め機構により試料ホルダ２５０は、ゴニオメータ１２の先端部に着脱自在に取り付けられる。

また、図８には、試料ホルダ２５０と共に使用されて、当該試料ホルダに予め取り付けられた結晶スポンジ２００に試料を吸蔵させるための取扱い（操作）器具である、所謂、アプリケータ３００が示されている。このアプリケータ３００は、例えば、ガラスや樹脂や金属等の透明又は不透明な部材で形成されており、その内部には、上記の試料ホルダ２５０を収納するための収納空間３０１が形成されており、更に、その上部には、試料ホルダ２５０を嵌入し、かつ、取り出すための開口部３０２が形成されている。なお、本発明では、試料ホルダユニットは、アプリケータ３００および試料ホルダ２５０から構成されている。

更に、アプリケータ３００の開口部３０２の一部には、その内部の収納空間３０１に試料ホルダ２５０を収納した状態で外部から気密に保たれるよう、例えば、シール部（図中に〇で示す）が設けられている。他方、試料ホルダ２５０の基台部２５１には、アプリケータ３００の内部（収納空間３０１）に位置する結晶スポンジ２００に対して解析すべき試料を導入するための一対の貫通した細孔２５３、２５３が形成されている。細孔２５３、２５３は、試料導入構造の好ましい一例であり、その他の構造も採られうる。なお、図示しないが、これらの細孔２５３、２５３にもシール部が設けられており、これにより、図にも示すように、試料を結晶スポンジ２００に導入するための試料導入管（以下、単に導入管ともいう）２５４、２５４が当該細孔２５３、２５３に挿入された状態でも、アプリケータ３００内部の収納空間３０１は気密状態に保たれる。

このような構成の試料ホルダ２５０によれば、又は、更にその取り扱い（操作）器具であるアプリケータ３００と一体化（ユニット化）して提供することによって、当該試料ホルダ２５０の一部を構成するピン状の保持部２５２（ゴニオヘッドピンに対応）の先端部に取り付けた結晶スポンジ２００を、アプリケータ３００の内部において、破損し、或いは、試料ホルダ２５０から逸脱することなく、安全かつ容易に取り扱うことができる。即ち、極微量な試料を吸蔵した当該結晶スポンジ２００を、従来のように吸蔵容器から単体で取り出されて損傷することなく、安全で簡単かつ容易に、かつ、乾燥により破壊されない程度の短時間で、迅速に、ゴニオヘッド１２１上に準備することができる。本実施例では、この試料の吸蔵が完了した試料ホルダ２５０を、アプリケータ３００から取り外し、ゴニオメータ１２の先端部のゴニオヘッド１２１（図７（Ａ）を参照）に取り付ける。これにより、結晶スポンジ２００に吸蔵した当該試料Ｓは、高度な専門知識や緻密な作業を必要とすることなく、単結晶Ｘ線回折装置９内の所定の位置に容易に、正確かつ迅速に配置されることとなる。

なお、上記の例においては、アプリケータ３００の内部（収納空間３０１）に位置する結晶スポンジ２００に解析すべき試料を導入するための一対の貫通する細孔２５３、２５３は、試料ホルダ２５０の基台部２５１の一部に形成されるものと説明したが、本発明はこれに限定されることなく、これらの細孔は、例えば、添付の図９に符号３０３、３０３で示すように、アプリケータ３００の一部に形成されてもよい。

また、解析すべき試料を結晶スポンジ２００に導入する際、以下にも一例を示す吸蔵装置（ソーキングマシン）を利用することにより、より具体的には、当該装置からの一対の試料導入管２５４、２５４を貫通した細孔２５３、２５３（又は、３０３、３０３）に挿入し、上述した極微小な結晶スポンジ２００に対して極微量な試料を導入して、必要な結晶スポンジ２００への吸蔵を行うことも可能である。また、試料ホルダ２５０は、その取扱い（操作）器具であるアプリケータ３００と共に一体化（ユニット化）し、更には、図１０にも示すように、解析作業に必要な数だけ揃えて箱状のケースに収納し、所謂、セットとして提供することも可能であろう。

＜結晶スポンジ用試料ホルダとアプリケータを用いた単結晶Ｘ線構造解析方法＞
続いて、結晶スポンジ２００が予め取り付けられた試料ホルダ２５０をその取扱い器具であるアプリケータ３００と一体で用いることによって実行される単結晶Ｘ線構造解析方法について、以下に説明する。なお、試料ホルダ２５０とアプリケータ３００とは、上述したように、一体（ユニット）として、或いは、セットとして提供されてもよい。

図１１は、本発明の一実施例である、試料ホルダ２５０とアプリケータ３００を用いた単結晶Ｘ線構造解析方法を概念化して示している。かかる方法では、上述したように、アプリケータ３００と共に一体（ユニット）で提供される試料ホルダ２５０に対し、極微量な試料を導入して、必要な吸蔵を行う。その際、上記の例では、試料ホルダ２５０をアプリケータ３００内に収納した状態で、試料ホルダ２５０に形成した一対の貫通した細孔２５３、２５３（図８を参照）、又は、アプリケータ３００に形成した一対の細孔３０３、３０３（図９を参照）に対して一対の試料導入管２５４、２５４を挿入することによって、試料を試料ホルダ２５０の先端に取り付けた結晶スポンジ２００に吸蔵させることができる。

より具体的には、図１２にも示すように、例えば、前処理装置４００を構成するＬＣ（液体クロマトグラフィ）４０１、ＧＣ（気体クロマトグラフィ）４０２、更には、ＳＣＦ（超臨界流体クロマトグラフィ）４０３やＣＥ（電気泳動）４０４等によって抽出された極微量な試料Ｓは、各種の切替弁や調圧装置を備えて必要な条件（流量や圧力）で流体を供給する吸蔵装置（ソーキングマシン）５００を介して、試料ホルダ２５０の細孔２５３、２５３、又は、アプリケータ３００の細孔３０３、３０３に挿入される一対の試料導入管２５４、２５４（図８を参照）に供給され、当該試料はアプリケータ３００内部の収納空間３０１に選択的に導入される。すなわち試料は、供給側配管から供給側の試料導入管２５４に送られ、供給側の試料導入管２５４の先端部分からアプリケータ３００の内部の試料ホルダ２５０に供給される。試料のみ、または試料と保存溶媒(キャリア)とが混合された溶液が、供給側の試料導入管２５４内を流れ供給される。このことにより、導入された当該極微量の試料Ｓは、アプリケータ３００の収納空間３０１内において、試料ホルダ２５０のピン状の保持部２５２の先端に取り付けた結晶スポンジ２００に接触して試料の吸蔵が行われる。なお、ここでの電気泳動装置は、キャピラリー電気泳動や等電点電気泳動等、種々の電気泳動装置を含む。吸蔵装置５００を用いる場合、試料が注入された状態で所定の時間が経過した後、排出側の試料導入管２５４から過剰な試料、または試料と保存溶媒(キャリア)とが混合された溶液が排出される。吸蔵装置５００を用いない場合、不要な保存溶媒(キャリア)または溶液が排出側の試料導入管２５４内を流れ排出される。したがって、排出側の試料導入管２５４には、試料が流れない場合がありうる。なお、気体や超臨界流体をキャリアとした場合には、試料を含んだキャリアが排出される。

そして、この吸蔵工程が完了した試料ホルダ２５０は、アプリケータ３００から取り外されて、単結晶Ｘ線回折装置９内の所定の位置、即ち、ゴニオメータ１２の先端部のゴニオヘッド１２１に、例えば、上述した磁力等の位置決め機構を利用して、正確に取り付けられる。このことによれば、試料ホルダ２５０のピン状の保持部２５２の一部（先端）に取り付けられた結晶スポンジ２００は、試料の吸蔵が完了した後、ゴニオメータ１２の先端部、即ち、Ｘ線管１１からのＸ線ビームが集光されて照射される位置に配置されることとなる。換言すれば、結晶スポンジ２００に吸蔵された試料Ｓは、単結晶Ｘ線回折装置９内の所定の位置に正確に配置され、その後、Ｘ線検出器２２により当該試料Ｓからの回折Ｘ線の強度が測定されてその結晶構造等が解析されることとなる。

このように、本発明のアプリケータ３００と共にユニット（一体）で提供される試料ホルダ２５０を利用することによれば、誰でも容易かつ安全に、極微量の試料を、試料ホルダ２５０に予め一体に取り付けられた極微小な寸法の結晶スポンジ２００に吸蔵させると共に、その後、アプリケータ３００を取り外すことにより、当該試料Ｓをゴニオメータ１２に高精度で正確な位置に結晶スポンジが乾燥により破壊されない短時間で迅速に、かつ、安全に搭載することが可能となる。なお、その後、上述した単結晶Ｘ線回折装置９によって試料Ｓに所要の波長のＸ線を照射しながら対象材料によるＸ線の回折や散乱測定し、上述した単結晶Ｘ線構造解析装置を構成する測定用アプリケーションソフトにより構造解析を行って分子モデルの構築や最終レポートの作成等を行うことは現状と同様である。即ち、本実施例によれば、創薬や生命科学のみならず各種の材料研究の現場などにおいて、発見又は設計した新たな構造物の分子構造・集合構造（実空間）を、迅速、安全、かつ簡単に確認することが可能となる。

以上に詳述したように、本発明によれば、新たに提案されたアプリケータおよび試料ホルダから構成される試料ホルダユニットを利用することにより、Ｘ線構造解析の専門知識がなくても、極微小で脆弱（fragile）な結晶スポンジを利用した単結晶Ｘ線構造解析を、従来必要とされた緻密で微細な作業を伴わずに、迅速、確実かつ容易に行うことが出来る、換言すれば、結晶スポンジを利用した単結晶Ｘ線構造解析を、歩留まり良くかつ効率的に行うことが可能な、汎用性に優れ、かつ、ユーザフレンドリな単結晶Ｘ線構造解析装置が実現され、更には、そのための方法やアプリケータおよび試料ホルダから構成される試料ホルダユニットが提供される。

なお、以上には本発明の種々の実施例を説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、またある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能であり、また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能であろう。

本発明は、物質構造の探索方法やそれに用いるＸ線構造解析装置等において広く利用可能である。

なお、本国際出願は、２０１８年１１月２１日に出願した日本国特許出願第２０１８－２１７８１５号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１８－２１７８１５号の全内容を本国際出願に援用する。

１…単結晶Ｘ線構造解析装置（全体）、９…単結晶Ｘ線回折装置、１１…Ｘ線管、１２…ゴニオメータ、２２…Ｘ線検出器、１０２…測定装置、１０３…入力装置、１０４…画像表示装置、１０７…ＣＰＵ、１０８…ＲＡＭ、１０９…ＲＯＭ、１１１…ハードディスク、１１６…分析用アプリケーションソフト、１１７…測定用アプリケーションソフト、１２１…ゴニオヘッド、２５０…試料ホルダ、２００…結晶スポンジ、２５１…基台部、２５２…ピン状の保持部、２５３…細孔、２５４…試料導入管、３００…アプリケータ、３０１…収納空間、３０２…開口部、３０３…細孔。

Claims

物質の構造解析を行う単結晶Ｘ線構造解析装置であって、
Ｘ線を発生するＸ線源と、
試料を保持する試料ホルダと、
前記試料ホルダを取り付けて回動するゴニオメータと、
前記ゴニオメータに取り付けられた前記試料ホルダに保持された前記試料に対して前記Ｘ線源からのＸ線を照射するＸ線照射部と、
前記試料により回折又は散乱されたＸ線を検出して測定するＸ線検出測定部と、
前記Ｘ線検出測定部に検出された回折又は散乱Ｘ線に基づいて前記試料の構造解析を行なう構造解析部と、を備え、
前記試料ホルダは、着脱可能なアプリケータに装着されて提供され、
前記試料ホルダは、内部に形成された複数の微細孔に前記試料を吸蔵可能な細孔性錯体結晶を含み、
前記アプリケータは、前記試料を前記試料ホルダの前記細孔性錯体結晶に吸蔵させるための空間を備え、
前記試料ホルダには、前記空間内に前記試料を吸蔵させるための試料導入構造が形成され、
前記試料ホルダは、前記アプリケータから取り外された状態で、前記ゴニオメータの前記Ｘ線照射部からのＸ線が照射される位置に取り付けられることを特徴とする単結晶Ｘ線構造解析装置。
単結晶Ｘ線構造解析装置において使用する試料ホルダユニットであって、
前記単結晶Ｘ線構造解析装置のゴニオメータに取り付ける試料ホルダと、
前記試料ホルダを収納するアプリケータと、を備え、
前記試料ホルダは、内部に形成された複数の微細孔に試料を吸蔵可能な細孔性錯体結晶を保持する保持部を備え、
前記アプリケータは、前記試料を前記試料ホルダの前記細孔性錯体結晶に吸蔵させるための空間を備え、
前記試料ホルダまたは前記アプリケータのいずれか一方には、前記空間内に前記試料を吸蔵させるための２つの細孔である試料導入構造が形成されていることを特徴とする試料ホルダユニット。
試料ホルダを利用して物質の構造解析を行う単結晶Ｘ線構造解析方法であって、
内部に形成された複数の微細孔に試料を吸蔵可能な細孔性錯体結晶を含んでいると共に、試料を吸蔵させるための空間を備えたアプリケータに収納されて提供された前記試料ホルダの前記細孔性錯体結晶に対して、前記試料ホルダを前記アプリケータに収納した状態で、前記試料を導入することにより前記試料の吸蔵を行う工程と、
前記試料ホルダを前記アプリケータから取り外す工程と、
前記試料ホルダを単結晶Ｘ線構造解析装置のゴニオメータに取り付ける工程と、
前記単結晶Ｘ線構造解析装置のＸ線源からのＸ線を、前記ゴニオメータに取り付けた前記試料に照射し、前記試料により回折又は散乱されるＸ線を検出して測定するＸ線検出測定工程と、
前記Ｘ線検出測定工程により検出された回折又は散乱Ｘ線に基づいて、前記試料の構造解析を行なう工程と、を含み、
前記試料の吸蔵を行う工程において、前記試料は、前記空間内に前記試料ホルダに形成された試料導入構造から導入することを特徴とする単結晶Ｘ線構造解析方法。