WO2020105716A1 - 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 - Google Patents

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

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WO2020105716A1
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佐藤　孝
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株式会社リガク
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    • G01N23/207—Diffractometry using detectors, e.g. using a probe in a central position and one or more displaceable detectors in circumferential positions

Definitions

  • the present invention relates to a next-generation single-crystal X-ray structure analysis apparatus and method that enable analysis of the structure of a material by means of a microscopic aggregate structure such as the arrangement of atoms or molecules, and in particular, it is an object of analysis.
  • the present invention relates to a single crystal X-ray structure analysis apparatus and method including an instrument for performing processing including preparation of a single crystal sample, and a sample holder therefor.
  • this single crystal X-ray structure analysis had a major limitation that a single crystal had to be prepared by crystallizing a sample.
  • a material called “crystal sponge” for example, pores having an infinite number of pores having a diameter of 0.5 nm to 1 nm.
  • the present invention has been achieved in view of the above-mentioned problems in the conventional technique, and the object thereof is extremely minute and fragile even without specialized knowledge of X-ray structural analysis.
  • the single crystal X-ray structure analysis using a simple crystal sponge can be performed quickly, reliably and easily without the conventional fine and precise work that requires rapidity. In other words, the yield is good. It is an object of the present invention to provide a single crystal X-ray structural analysis device and method that are efficient, highly versatile, and user-friendly, and further provide a sample holder that is an instrument therefor. ..
  • a single crystal X-ray structure analyzing apparatus of the present invention is a single crystal X-ray structure analyzing apparatus for performing structural analysis of a substance, and an X-ray source for generating X-rays, A sample holder that holds a sample, a goniometer that attaches and rotates the sample holder, and an X that irradiates the sample held by the sample holder that is attached to the goniometer with X-rays from the X-ray source.
  • the sample holder includes a porous complex crystal capable of storing the sample in a plurality of micropores formed therein, and the porous complex crystal is the sample.
  • the holder is attached to the goniometer, and is fixed at a position where the X-ray is emitted from the X-ray irradiator of the sample holder.
  • the sample holder is detachably attached to the tip of the goniometer.
  • the sample holder of the present invention is a sample holder used in a single crystal X-ray structure analyzing apparatus, and includes a base part attached to a goniometer of the single crystal X-ray structure analyzing device, and the base part. And a holding portion for holding a porous complex crystal capable of storing a sample in a plurality of fine pores formed therein, and the porous complex crystal, the base portion in the goniometer. It is characterized in that, in the attached state, the sample holder is fixed to a position where X-rays from the X-ray irradiation unit are irradiated.
  • the sample holder of the present invention is characterized in that the base part is formed with a sample introduction structure for introducing the sample to be absorbed in the porous complex crystal.
  • the porous complex crystal is fixed to the tip of the holding portion.
  • the holding portion is formed with a sample introduction structure for introducing the sample to be absorbed in the porous complex crystal.
  • the porous complex crystal is fixed inside the sample introduction structure formed in the holding portion.
  • the single crystal X-ray structure analysis method of the present invention is a single crystal X-ray structure analysis method for performing structural analysis of a substance using a sample holder, and is used as a goniometer of a single crystal X-ray structure analysis device.
  • the method further comprises the step of introducing a sample to be measured into the sample holder and occluding the sample in the porous complex crystal. It has a feature.
  • the sample introduced using the sample introduction structure formed in the sample holder is occluded in the porous complex crystal. It is characterized by
  • the X-ray detection and measurement step irradiates the sample with the X-ray while rotating the sample holder attached to the goniometer. It has a feature.
  • a minute and fragile crystal sponge that does not involve the conventional minute and fine work that requires swiftness is also used.
  • a series of operations including occlusion of a sample in the device and subsequent mounting in a device can be performed quickly, reliably and easily. In other words, it has good yield and efficiency, and is also highly versatile.
  • a user-friendly single crystal X-ray structure analysis apparatus is provided.
  • a sample holder which is the method and an instrument therefor is provided. From this, single crystal X-ray structural analysis using a crystal sponge can be easily used and widely spread.
  • a or B means “at least one of A and B”, and includes “A and B” unless there is a special circumstance that A and B cannot exist.
  • FIG. 1 attached herewith shows an overall appearance configuration of a single crystal X-ray structure analysis apparatus including a single crystal X-ray diffraction apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the single crystal X-ray structure analysis apparatus 1 has a base 4 that stores a cooling device and an X-ray generation power supply unit, and an X-ray protection cover 6 that is placed on the base 4.
  • the anti-X-ray cover 6 has a casing 7 surrounding the single crystal X-ray diffraction device 9, a door 8 provided on the front surface of the casing 7, and the like.
  • the door 8 provided on the front surface of the casing 7 can be opened, and various operations can be performed on the internal single crystal X-ray diffraction device 9 in this opened state.
  • the present embodiment shown in the figure is a single crystal X-ray structure analyzing apparatus 1 including a single crystal X-ray diffracting apparatus 9 for performing structural analysis of a substance by using a crystal sponge which will be described later.
  • the single crystal X-ray diffractometer 9 has an X-ray tube 11 and a goniometer 12 as shown in FIG.
  • the X-ray tube 11 has a filament, a target (also referred to as “anticathode”) that is arranged to face the filament, and a casing that hermetically stores them, and the filament is It is energized by the X-ray generation power supply unit stored in the base 4 of FIG. 1 to generate heat and emit thermoelectrons. Further, a high voltage is applied between the filament and the target by the X-ray generation power supply unit, and the thermoelectrons emitted from the filament are accelerated by the high voltage and collide with the target.
  • the X-ray tube 11 is configured to include an optical element such as a microfocus tube and a multilayer film condensing mirror, and can emit a beam of higher brightness. It is also possible to select from radiation sources such as Cu, Mo and Ag.
  • the filament, the target arranged facing the filament, and the casing that hermetically stores them function as an X-ray source, and an optical element such as a microfocus tube and a multilayer film condensing mirror.
  • the configuration for X-ray irradiation including the above functions as an X-ray irradiation unit.
  • the goniometer 12 supports the sample S to be analyzed and is arranged around the ⁇ rotary table 16 and the ⁇ rotary table 16 which is rotatable around the sample axis ⁇ passing through the X-ray incident point of the sample S. And a 2 ⁇ rotary table 17 rotatable about the sample axis ⁇ .
  • the sample S is occluded in the inside of a crystal sponge previously attached to a part of the sample holder 250 which will be described in detail later.
  • a drive device (not shown) for driving the ⁇ rotary table 16 and the 2 ⁇ rotary table 17 described above is stored inside the base 18 of the goniometer 12, and is driven by these drive devices to drive ⁇
  • the rotary table 16 rotates intermittently or continuously at a predetermined angular velocity, so-called ⁇ rotation.
  • the 2 ⁇ rotation base 17 rotates intermittently or continuously, so-called 2 ⁇ rotation.
  • the above drive device can be configured by any structure, for example, a power transmission structure including a worm and a worm wheel.
  • An X-ray detector 22 is mounted on a part of the outer circumference of the goniometer 12, and the X-ray detector 22 is, for example, a CCD type or CMOS type two-dimensional pixel detector or a hybrid type pixel detector. Composed.
  • the X-ray detection and measurement unit refers to a configuration that detects and measures X-rays diffracted or scattered by the sample, and includes the X-ray detector 22 and a control unit that controls the X-ray detector 22.
  • the sample S rotates ⁇ around the sample axis ⁇ by the ⁇ rotation of the ⁇ rotary table 16 of the goniometer 12.
  • X-rays generated from the X-ray focal point in the X-ray tube 11 and directed toward the sample S are incident on the sample S at a predetermined angle and are diffracted / diverged. That is, the incident angle of the X-ray incident on the sample S changes according to the ⁇ rotation of the sample S.
  • the sample S When the Bragg diffraction condition is satisfied between the incident angle of the X-ray incident on the sample S and the crystal lattice plane, the sample S generates diffracted X-rays. This diffracted X-ray is received by the X-ray detector 22 and its X-ray intensity is measured. As described above, the angle of the X-ray detector 22 with respect to the incident X-ray, that is, the intensity of the diffracted X-ray corresponding to the diffraction angle is measured, and the crystal structure or the like of the sample S is analyzed from the measurement result.
  • FIG. 3 (A) shows an example of details of an electrical internal configuration of the control unit 110 in the single crystal X-ray structure analysis apparatus.
  • the present invention is not limited to the embodiments described below.
  • This single crystal X-ray structure analyzing apparatus 1 includes the above-mentioned internal structure, and further, a measuring apparatus 102 for measuring an appropriate substance as a sample, an input apparatus 103 composed of a keyboard, a mouse, etc., and a display.
  • An image display device 104 as a means, a printer 106 as a means for printing and outputting an analysis result, a CPU (Central Processing Unit) 107, a RAM (Random Access Memory) 108, and a ROM (Read Only Memory) 109 and a hard disk 111 as an external storage medium.
  • CPU Central Processing Unit
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • the image display device 104 is composed of an image display device such as a CRT display or a liquid crystal display, and displays an image on the screen according to an image signal generated by the image control circuit 113.
  • the image control circuit 113 generates an image signal based on the image data input thereto.
  • the image data input to the image control circuit 113 is formed by the operation of various calculation means implemented by a computer including a CPU 107, a RAM 108, a ROM 109 and a hard disk 111.
  • the printer 106 may be an ink plotter, a dot printer, an inkjet printer, an electrostatic transfer printer, or any other type of printing device.
  • the hard disk 111 may be composed of a magneto-optical disk, a semiconductor memory, or a storage medium having any structure.
  • analysis application software 116 that controls the overall operation of the single crystal X-ray structure analysis apparatus 1
  • measurement application software 117 that controls the operation of measurement processing using the measurement apparatus 102
  • image display The display application software 118 that controls the operation of the display process using the device 104 is stored.
  • These application software realizes a predetermined function after being read from the hard disk 111 and transferred to the RAM 108 as needed.
  • the single crystal X-ray structure analyzing apparatus 1 further includes, for example, a database placed in a cloud area for storing various measurement results including the measurement data obtained by the measuring apparatus 102.
  • a database placed in a cloud area for storing various measurement results including the measurement data obtained by the measuring apparatus 102.
  • an XRDS information database 120 that stores the XRDS image data obtained by the measuring device 102
  • a microscope image database 130 that stores an actually measured image obtained by a microscope, and further, for example, , An XRF, a Raman ray, and the like, and a measurement result obtained by analysis other than X-rays
  • another analysis database 140 that stores physical property information.
  • these databases do not necessarily have to be installed inside the single crystal X-ray structure analysis apparatus 1, and may be provided outside and connected to each other via a network 150 or the like so that they can communicate with each other. ..
  • a method of storing each measurement data in an individual file can be considered, but in the present embodiment, as shown in FIG.
  • a plurality of measurement data are continuously stored in one data file.
  • the storage area described as “condition” in FIG. 3B is an area for storing various pieces of information including device information when the measurement data is obtained and measurement conditions.
  • Such measurement conditions include (1) measurement target substance name, (2) measurement device type, (3) measurement temperature range, (4) measurement start time, (5) measurement end time, and (6) measurement angle. Range, (7) moving speed of the scanning movement system, (8) scanning conditions, (9) type of X-rays incident on the sample, (10) whether or not an attachment such as a sample high temperature device is used, and various other conditions Can be considered.
  • An XRDS (X-ray Diffraction and Scattering) pattern or image (see FIG. 4) is used to detect an X-ray received on a plane that is a two-dimensional space of the X-ray detector 22 that constitutes the measurement apparatus 102. It is obtained by receiving / accumulating light for each pixel arranged in a plane which constitutes the container and measuring the intensity thereof. For example, by detecting the intensity of the received X-ray by integration for each pixel of the X-ray detector 22, a pattern or image in a two-dimensional space of r and ⁇ can be obtained.
  • the XRDS pattern or image in the observation space obtained by diffraction or scattering of X-rays by the target material with respect to the irradiated X-rays reflects the information of the electron density distribution in the real space of the target material.
  • the XRDS pattern is a two-dimensional space of r and ⁇ , and does not directly express the symmetry in the real space of the target material, which is a three-dimensional space. Therefore, it is generally difficult to specify the (spatial) arrangement of the atoms and molecules that make up the material using only the existing XRDS image, and requires specialized knowledge of X-ray structural analysis. Therefore, in the present embodiment, the measurement application software described above is adopted for automation.
  • the single crystal X-ray structure analyzing apparatus 1 controls the operation of the measurement process using the measuring apparatus 102 by the X-ray detecting and measuring unit, and detects the X-rays diffracted or scattered by the sample. Receive and manage various measurement results including the measurement data obtained in. Further, the structural analysis unit performs structural analysis of the sample based on various measurement results including measurement data obtained by detecting X-rays diffracted or scattered by the sample.
  • X-ray diffraction data measurement / processing software called “CrysAlis Pro ”, which is a platform for single crystal structure analysis, is installed, Performs preliminary measurement, setting of measurement conditions, main measurement, data processing, etc. Further, by mounting an automatic structural analysis plug-in called “AutoChem”, structural analysis and structural refinement are executed in parallel with X-ray diffraction data acquisition. Then, the structure analysis program called “Olex 2 ” also shown in FIG. 6 performs space group determination, phase determination, molecular model construction and modification, structure refinement, final report, and CIF file creation.
  • a “crystal sponge” which is an extremely minute and fragile porous complex crystal with a number of pores with a diameter of 0.5 nm to 1 nm opened innumerably and having a size of about several tens ⁇ m to several hundreds ⁇ m, Due to the development of the so-called material, single crystal X-ray structural analysis is widely applied to liquid compounds that do not crystallize, or very small samples such as several ng to several ⁇ g that cannot be secured in sufficient amounts for crystallization. It is possible to do.
  • a skeleton of an extremely minute and fragile crystal sponge with an outer diameter of about 100 ⁇ m provided by impregnating a very small amount of sample in a storage solvent (carrier) such as cyclohexane in a container.
  • a storage solvent such as cyclohexane
  • the storage solvent includes a liquid, a gas (gas), and a supercritical fluid in the middle thereof.
  • the present invention has been achieved based on the findings of the inventor as described above, and a single crystal X-ray structural analysis using a crystal sponge that is extremely minute and fragile is performed by the following sample holder for crystal sponge ( (Also referred to as a sample holder) makes it possible to perform the process quickly, reliably and easily. In other words, the yield is high, the efficiency is high, the versatility is excellent, and the user friendliness is high.
  • the present invention realizes a single crystal X-ray structure analyzing apparatus.
  • next-generation single-crystal X-ray structure analysis apparatus an extremely minute and fragile crystal sponge that occludes an extremely small amount of sample S is prepared, and further, the sample S (crystal sponge ) Has to be taken out from the occlusion container and attached to the predetermined position of the tip of the goniometer 12 accurately and promptly in a short time so that the crystal sponge is not destroyed by drying, but there is a major limitation.
  • the sample S (crystal sponge ) Has to be taken out from the occlusion container and attached to the predetermined position of the tip of the goniometer 12 accurately and promptly in a short time so that the crystal sponge is not destroyed by drying, but there is a major limitation.
  • it is necessary to perform such work quickly and easily without requiring a high degree of specialized knowledge and work precision. is there.
  • the present invention solves such a problem, that is, anyone can use a micro sponge, which is fragile and difficult to handle, and is quick, reliable, easy, yield efficient, and user-friendly.
  • the present invention provides an apparatus and method for performing a single crystal X-ray structural analysis that is capable of performing the above and is also highly versatile, and a sample holder that is an instrument therefor, which will be described in detail below.
  • FIG. 7 (A) shows the tip of the goniometer 12 in an enlarged manner.
  • a crystal sponge 200 for occluding the sample to be analyzed proposed by the present invention is attached to the tip in advance.
  • FIG. 7B shows an enlarged view of a so-called sample holder 250 mounted (mounted) on the goniometer head 121 at the tip of the goniometer 12.
  • the sample holder 250 is attachable / detachable to / from the goniometer head 121 at the tip of the goniometer 12 by, for example, a mounting / positioning mechanism using magnetic force, and anyone can easily and accurately mount the sample holder 250 at an accurate position. It is possible.
  • FIG. 8 shows a cross section of the sample holder 250 described above.
  • the sample holder 250 includes a pin (cylindrical) sample on the base portion 251 of a disc-shaped or conical holder made of metal or the like that is attached to the goniometer head 121 (see FIG. 7A) at the tip of the goniometer 12.
  • a holding portion (hereinafter, also simply referred to as a holding portion) 252 (corresponding to a so-called gonio head pin) is planted in the center of one surface (lower surface in the figure) of the pin-shaped holding portion.
  • the crystal sponge 200 for storing the above-described sample to be analyzed is previously fixed integrally with the sample holder 250. Further, a positioning mechanism such as a magnet (not shown) is provided on the other surface (upper surface in the drawing) of the disk-shaped base portion 251. The sample holder 250 is detachably attached to the tip of the goniometer 12 by this positioning mechanism.
  • FIG. 8 shows a so-called applicator 300, which is a handling (manipulation) instrument for use with the sample holder 250 to occlude the sample in the crystal sponge 200 previously attached to the sample holder 250.
  • the applicator 300 is formed of, for example, a transparent or opaque member such as glass, resin, or metal, and a storage space 301 for storing the sample holder 250 is formed therein. Further, an opening portion 302 for inserting and removing the sample holder 250 is formed on the upper portion thereof.
  • a seal portion is provided in a part of the opening 302 of the applicator 300 so that the sample holder 250 is housed in the housing space 301 inside thereof so as to be kept airtight from the outside.
  • a pair of penetrating pores 253, 253 for introducing the sample to be analyzed into the crystal sponge 200 located inside the applicator 300 (storage space 301). are formed in the base portion 251 of the sample holder 250.
  • the pores 253 and 253 are a preferable example of the sample introduction structure, and other structures can be adopted.
  • these pores 253, 253 are also provided with a seal portion, which allows a sample introduction tube (hereinafter, simply referred to as a sample introduction tube for introducing the sample into the crystal sponge 200, as shown in the figure.
  • a sample introduction tube hereinafter, simply referred to as a sample introduction tube for introducing the sample into the crystal sponge 200, as shown in the figure.
  • the storage space 301 inside the applicator 300 is kept airtight even when the introduction pipes 254 and 254 are inserted into the pores 253 and 253.
  • a part of the sample holder 250 is configured.
  • the crystal sponge 200 attached to the tip of the pin-shaped holding portion 252 (corresponding to a goniometer head pin) can be safely and easily handled without being damaged or departing from the sample holder 250. That is, the crystal sponge 200 that has occluded a very small amount of sample is taken out from the occluding container as a single unit as in the conventional case and is not damaged, and is safe, simple and easy, and in a short time not to be destroyed by drying. , Can be quickly prepared on the gonio head 121.
  • the sample holder 250 whose occlusion of the sample has been completed is removed from the applicator 300 and attached to the goniometer head 121 (see FIG. 7A) at the tip of the goniometer 12.
  • the sample S occluded in the crystal sponge 200 can be easily, accurately and quickly arranged at a predetermined position in the single crystal X-ray diffractometer 9 without requiring highly specialized knowledge or precise work. Will be done.
  • the sample holder 250 is integrated (unitized) with the applicator 300 which is a handling (operating) instrument, and further, as shown in FIG. It could be housed in a case and provided as a so-called set.
  • sample holder 250 and the applicator 300 may be provided as a unit (unit) or as a set, as described above.
  • FIG. 10 conceptually shows a single crystal X-ray structure analysis method using a sample holder 250, which is an embodiment of the present invention.
  • a very small amount of sample is introduced into the sample holder 250 provided integrally (unit) with the applicator 300, and necessary occlusion is performed.
  • a pair of sample introductions are made to the pair of penetrating pores 253 and 253 (see FIG. 8) formed in the sample holder 250.
  • the tubes 254 and 254 the sample can be occluded in the crystal sponge 200 attached to the tip of the sample holder 250.
  • LC liquid chromatography
  • GC gas chromatography
  • SCF supercritical fluid chromatography
  • the sample is sent from the supply-side pipe to the supply-side sample introduction pipe 254, and is supplied from the tip portion of the supply-side sample introduction pipe 254 to the sample holder 250 inside the applicator 300.
  • a sample alone or a solution in which a sample and a storage solvent (carrier) are mixed is supplied through the sample introduction tube 254 on the supply side.
  • the introduced minute amount of the sample S comes into contact with the crystal sponge 200 attached to the tip of the pin-shaped holding portion 252 of the sample holder 250 in the storage space 301 of the applicator 300 to occlude the sample. Is done.
  • the electrophoresis device here includes various electrophoresis devices such as capillary electrophoresis and isoelectric focusing.
  • an excess sample or a solution in which a sample and a storage solvent (carrier) are mixed is discharged from the sample introduction pipe 254 on the discharge side after a predetermined time has elapsed while the sample is injected. To be done.
  • unnecessary storage solvent (carrier) or solution flows in the sample introduction pipe 254 on the discharge side and is discharged. Therefore, the sample may not flow into the sample introduction pipe 254 on the discharge side.
  • gas or supercritical fluid is used as the carrier, the carrier containing the sample is discharged.
  • the sample holder 250 that has completed this occlusion process is removed from the applicator 300, and is placed at a predetermined position in the single crystal X-ray diffractometer 9, that is, at the gonio head 121 at the tip of the goniometer 12, for example, as described above. It can be attached accurately using a positioning mechanism such as magnetic force. According to this, the crystal sponge 200 attached to a part (tip) of the pin-shaped holding portion 252 of the sample holder 250 has the tip of the goniometer 12, that is, the X-ray tube, after the occlusion of the sample is completed.
  • the X-ray beam from 11 is arranged at a position where it is focused and irradiated.
  • the sample S stored in the crystal sponge 200 is accurately placed at a predetermined position in the single crystal X-ray diffractometer 9, and then the X-ray detector 22 detects the diffracted X-rays from the sample S. The strength is measured and the crystal structure and the like are analyzed.
  • the sample holder 250 of the present invention by using the sample holder 250 of the present invention, anyone can easily and safely put a very small amount of sample on the crystal sponge 200 having an extremely small size that is integrally attached to the sample holder 250 in advance. It becomes possible to store the sample S in the goniometer 12 in a highly accurate and accurate position in a short time, quickly and safely while the crystal sponge is not destroyed by drying while being occluded. After that, while irradiating the sample S with X-rays of a required wavelength by the above-mentioned single-crystal X-ray diffractometer 9, X-ray diffraction and scattering measurement by the target material are performed to configure the above-mentioned single-crystal X-ray structure analysis device.
  • the structural analysis is performed by the measurement application software to construct the molecular model and the final report. That is, according to this example, the molecular structure / aggregate structure (real space) of a new structure discovered or designed in a field of various material research as well as drug discovery and life science can be quickly, safely, And it becomes possible to confirm easily.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional structure of a sample holder 250a according to another embodiment instead of the above structure.
  • a sample holder 250a according to another embodiment, one penetrating pore 253 is provided in the base portion 251 and the other pore 253a is a pin-shaped holding that is erected from the central portion of the base portion 251. It is provided so as to penetrate the center of the portion 252a.
  • a crystal sponge 200 for occluding the sample to be analyzed is integrally attached at a tip or in the middle of the other pore 253a at a predetermined position set in advance.
  • the sample to be analyzed is introduced from the through hole 253a formed in the center of the pin-shaped holding portion 252a which is erected from the central portion of the base portion 251. Except for the above structure, the crystal sponge 200 is occluded while being held inside the applicator 300, and the sample holder 250a, which has completed the occlusion, is removed from the applicator 300 and attached to the tip of the goniometer 12. Therefore, it is clear that the fine and precise work which has been conventionally required can be performed quickly, easily and surely.
  • the crystal sponge 200 is introduced through the pores 253a penetrating the pin-shaped holding portion 252a having the crystal sponge 200 attached to the inside or the tip end thereof, so that the trace amount of the sample can be further improved. It is possible to surely contact and occlude the crystal sponge 200 having an extremely small size. Furthermore, the crystal sponge 200 attached to the pin-shaped holding portion 252a is disposed inside the pores 253a which the pin-shaped holding portion 252a penetrates, and therefore is damaged from the outside or is lost to the outside. Can be handled more safely, easily, and quickly without the need for handling.
  • an extremely minute and fragile crystal sponge can be obtained without requiring any expertise in X-ray structural analysis.
  • the single crystal X-ray structure analysis used can be carried out quickly, reliably and easily without the need for precise and minute work conventionally required.
  • the single crystal X-ray structure using a crystal sponge A versatile and user-friendly single crystal X-ray structure analysis apparatus capable of performing an analysis efficiently with a high yield is realized, and further, a method and a sample holder therefor are provided.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments and includes various modifications.
  • the above-described embodiment is a detailed description of the entire system in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to one having all the configurations described.
  • part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. It would be possible to add, delete, or replace some of the example configurations with other configurations.
  • the present invention can be widely used in a method for searching a material structure, an X-ray structure analysis apparatus used for the method, and the like.

Abstract

結晶スポンジを利用した単結晶Ｘ線構造解析を確実かつ容易に行うことを可能にする単結晶Ｘ線構造解析装置、更に、そのための方法や試料ホルダを提供する。Ｘ線を発生するＸ線源と、試料を保持する試料ホルダ２５０と、試料ホルダ２５０を取り付けて回動するゴニオメータと、ゴニオメータに取り付けられた試料ホルダ２５０に保持された試料に対してＸ線源からのＸ線を照射するＸ線照射部と、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、Ｘ線検出測定部に検出された回折又は散乱Ｘ線に基づいて試料の構造解析を行なう構造解析部と、を備え、試料ホルダ２５０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含み、細孔性錯体結晶は、試料ホルダ２５０がゴニオメータに取り付けられた状態で、試料ホルダ２５０のＸ線照射部からのＸ線が照射される位置に固定されている。

Description

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
　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試料ホルダ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、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、前記細孔性錯体結晶は、前記試料ホルダが前記ゴニオメータに取り付けられた状態で、前記試料ホルダの前記Ｘ線照射部からのＸ線が照射される位置に固定されていることを特徴としている。
　（２）また、本発明の単結晶Ｘ線構造解析装置において、前記試料ホルダは、前記ゴニオメータの先端部に着脱自在に取り付けられることを特徴としている。
　（３）また、本発明の試料ホルダは、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られる基台部と、前記基台部に形成され、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と、を備え、前記細孔性錯体結晶は、前記基台部が前記ゴニオメータに取り付けられた状態で、前記試料ホルダの前記Ｘ線照射部からのＸ線が照射される位置に固定されることを特徴としている。
　（４）また、本発明の試料ホルダにおいて、前記基台部は、前記細孔性錯体結晶に吸蔵させるための前記試料を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。
　（５）また、本発明の試料ホルダにおいて、前記細孔性錯体結晶は、前記保持部の先端部に固定されていることを特徴としている。
　（６）また、本発明の試料ホルダにおいて、前記保持部は、前記細孔性錯体結晶に吸蔵させるための前記試料を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。
　（７）また、本発明の試料ホルダにおいて、前記細孔性錯体結晶は、前記保持部に形成された試料導入構造の内部に固定されていることを特徴としている。
　（８）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、単結晶Ｘ線構造解析装置のゴニオメータに取り付けられる基台部と、前記基台部に形成された保持部と、前記保持部に取り付けられ、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と、を備え、前記細孔性錯体結晶に試料が吸蔵された試料ホルダを前記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線に基づいて前記測定すべき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。
　（９）また、本発明の単結晶Ｘ線構造解析方法において、前記試料ホルダに測定すべき試料を導入して、前記細孔性錯体結晶に前記試料の吸蔵を行う工程を更に含む、ことを特徴としている。
　（１０）また、本発明の単結晶Ｘ線構造解析方法において、前記吸蔵工程は、前記試料ホルダに形成された試料導入構造を利用して導入された試料を前記細孔性錯体結晶に吸蔵させることを特徴としている。
　（１１）また、本発明の単結晶Ｘ線構造解析方法において、前記Ｘ線検出測定工程は、前記ゴニオメータに取り付けた前記試料ホルダを回動しながら、前記Ｘ線を前記試料に照射することを特徴としている。
　上述した本発明によれば、新たに提案される試料ホルダ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試料ホルダが提供される。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試料ホルダの一例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。 本発明の他の実施例になる試料ホルダの構造を示す断面図である。
　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「CrysAlisPro」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）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、以下に述べる結晶スポンジ用試料ホルダ（単に、試料ホルダともいう）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試料ホルダ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＞
　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。
　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、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。
　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９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１０は、本発明の一実施例である、試料ホルダ２５０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）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１１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、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。
　図１２は、上記の構造に代え、他の実施例になる試料ホルダ２５０ａの断面構造を示している。この他の実施例になる試料ホルダ２５０ａでは、一方の貫通した細孔２５３が基台部２５１に設けられると共に、他方の細孔２５３ａが基台部２５１の中央部から植立したピン状の保持部２５２ａの中央に貫通して設けられている。更に、この他方の細孔２５３ａの先端又は途中には、解析すべき試料を吸蔵するための結晶スポンジ２００が、予め設定された所定の位置に一体に取り付けられている。なお、この他の構造の試料ホルダ２５０ａでは、解析すべき試料を、基台部２５１の中央部から植立したピン状の保持部２５２ａの中央に形成した貫通した細孔２５３ａから導入することを除き、上記した構造と同様、アプリケータ３００の内部に保持された状態で結晶スポンジ２００への吸蔵を行い、吸蔵を完了した試料ホルダ２５０ａをアプリケータ３００から取り外してゴニオメータ１２の先端部へ取り付けることにより、従来必要とされた微細で緻密な作業を、迅速に、容易かつ確実に可能なものとしていることは明らかであろう。
　また、かかる構造によれば、試料を結晶スポンジ２００が内部又は先端部に取り付けられたピン状の保持部２５２ａの貫通した細孔２５３ａを介して導入することで、当該極微量の試料を、より確実に、極微小な寸法の結晶スポンジ２００に接触させて吸蔵させることが可能となる。更には、ピン状の保持部２５２ａに取り付けた結晶スポンジ２００は、ピン状の保持部２５２ａの貫通した細孔２５３ａの内部に配置されていることから、外部から破損され、或いは、外部へ逸失されることなく、より安全かつ容易に、かつ迅速に取り扱うことが可能となる。
　以上に詳述したように、本発明によれば、新たに提案された試料ホルダ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、そのための方法や試料ホルダが提供される。
　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２０１８－２１７８１４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２０１８－２１７８１４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、２５０ａ…試料ホルダ、２００…結晶スポンジ、２５１…基台部、２５２、２５２ａ…ピン状の保持部、２５３、２５３ａ…細孔、２５４…試料導入管、３００…アプリケータ、３０１…収納空間、３０２…開口部。

Claims (11)

  1. 　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、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、
    　前記細孔性錯体結晶は、前記試料ホルダが前記ゴニオメータに取り付けられた状態で、前記試料ホルダの前記Ｘ線照射部からのＸ線が照射される位置に固定されていることを特徴とする単結晶Ｘ線構造解析装置。
  2. 　請求項１に記載した単結晶Ｘ線構造解析装置において、
    　前記試料ホルダは、前記ゴニオメータの先端部に着脱自在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。
  3. 　単結晶Ｘ線構造解析装置において使用する試料ホルダであって、
    　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られる基台部と、
    　前記基台部に形成され、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と、を備え、
    　前記細孔性錯体結晶は、前記基台部が前記ゴニオメータに取り付けられた状態で、前記試料ホルダの前記Ｘ線照射部からのＸ線が照射される位置に固定されることを特徴とする試料ホルダ。
  4. 　請求項３に記載した試料ホルダにおいて、
    　前記基台部は、前記細孔性錯体結晶に吸蔵させるための前記試料を導入す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。
  5. 　請求項４に記載した試料ホルダにおいて、
    　前記細孔性錯体結晶は、前記保持部の先端部に固定されていることを特徴とする試料ホルダ。
  6. 　請求項３に記載した試料ホルダにおいて、
    　前記保持部は、前記細孔性錯体結晶に吸蔵させるための前記試料を導入す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。
  7. 　請求項６に記載した試料ホルダにおいて、
    　前記細孔性錯体結晶は、前記保持部に形成された試料導入構造の内部に固定されていることを特徴とする試料ホルダ。
  8. 　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、
    　単結晶Ｘ線構造解析装置のゴニオメータに取り付けられる基台部と、前記基台部に形成された保持部と、前記保持部に取り付けられ、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と、を備え、前記細孔性錯体結晶に試料が吸蔵された試料ホルダを前記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線に基づいて前記測定すべき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する単結晶Ｘ線構造解析方法。
  9. 　請求項８に記載した単結晶Ｘ線構造解析方法において、
    　前記試料ホルダに測定すべき試料を導入して、前記細孔性錯体結晶に前記試料の吸蔵を行う工程を更に含む、ことを特徴とする単結晶Ｘ線構造解析方法。
  10. 　請求項９に記載した単結晶Ｘ線構造解析方法において、
    　前記吸蔵工程は、前記試料ホルダに形成された試料導入構造を利用して導入された試料を前記細孔性錯体結晶に吸蔵させることを特徴とする単結晶Ｘ線構造解析方法。
  11. 　請求項８から１０のいずれか一項に記載した単結晶Ｘ線構造解析方法において、
    　前記Ｘ線検出測定工程は、前記ゴニオメータに取り付けた前記試料ホルダを回動しながら、前記Ｘ線を前記試料に照射することを特徴とする単結晶Ｘ線構造解析方法。
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