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技術 X線回折ベースの結晶学解析を行う方法

出願人 ブルカー・エイエックスエス・インコーポレイテッド
発明者 マイケルルーフイエルクケルヒャーブルースノル
出願日 2015年3月26日 (6年1ヶ月経過) 出願番号 2016-565586
公開日 2017年2月2日 (4年3ヶ月経過) 公開番号 2017-504044
状態 特許登録済
技術分野 放射線を利用した材料分析
主要キーワード 事前スキャン ビーム減衰器 反転中心 データ収集手順 研究室システム 実験ラン 回折ベース 最終出力データ
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重要な関連分野

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図面 (4)

課題・解決手段

結晶試料の構造を決定するためのX線回折ベース解析の方法が提供される。この方法は、対応する強度の反射を含む回折画像の第1のセットを収集するために事前実験を行うステップを含む。また、この方法は、回折画像の第2のセットを収集するために主実験を行うステップを含み、前記第2のセットの前記回折画像は、前記第1の実験中に作り出された相対強度より高い相対強度を有する前記反射を含み、前記第2のセットの前記回折画像の少なくともいくつかは、検出器飽和由来する超過反射を含む。また、この方法は、画像の前記第2のセットからの前記超過反射の強度を、画像の前記第1のセットからの対応する反射について得られた強度で置き換えるステップを含む。

概要

背景

結晶X線回折(SC−XRD)は、結晶性化合物の3次元原子構造を決定するための方法である。化合物の単結晶標本が、異なる方向から単色X線放射照射され、その一部が、特定のパターンで回折され、X線検出器によって検出される。標本の構造情報が、これらの回折パターン幾何形状および相対強度から決定される。これらの強度は、X線検出器画像内の画素から積算される。

単結晶回折実験を実施するための典型的な研究室システム100は、図1に示されているように5つの構成要素からなる。これらの構成要素は、必要とされる放射エネルギー焦点サイズ、および強度を有する一次X線ビーム104を作り出すX線源102を含む。X線光学系106は、一次X線ビーム104を、必要とされる波長ビーム焦点サイズ、ビームプロファイル、および拡散を有する条件付けられた、または入射ビーム108へと条件付けるように提供される。ゴニオメータ110を使用し、入射X線ビーム108と結晶試料112とX線センサ114との間の幾何学的関係確立し操作する。入射X線ビーム108は、結晶試料112に当たり、センサ114内で記録される散乱X線116を作り出す。試料位置合わせおよびモニタアセンブリは、試料112を照明する試料イルミネータ118と、試料のビデオ画像を生成する試料モニタ120、典型的にはビデオカメラとを備え、ユーザが試料を機器中心内で位置決めし、試料の状態および位置をモニタするのを支援する。

ゴニオメータ110は、結晶試料112がいくつかの軸周りで回転されることを可能にする。精密な結晶学は、試料結晶112がゴニオメータ110の中心に位置合わせされ、データ収集中、ゴニオメータ回転軸周りで回転されたときその中心内で維持されることを必要とする。露出中、試料(注目の化合物の単結晶)は、精密な角度範囲を通じて精密な角速度で、X線ビーム108内で回転される。この回転の目的は、ブラッグ反射予測可能に強め合う干渉にすることである。各回転位置では、センサが回折X線信号の画像を取り込む。したがって、そのようなX線回折実験の結果は、それらの画素が個々の反射の場所および強度を示す2D画像のセットである。

結晶性化合物は、電子の連続的な分布を有する。入射X線は、化合物に当たったとき、電子によって特定の回折パターンで回折される。回折X線は、検出器114によって取り込まれた2D画像内で反射を生み出す。反射の回折パターンは、フーリエ変換によって化合物の電子の密度マップ関係付けられる。2D画像のセット内の反射の場所に基づいて、また反射を画定する画素の強度に基づいて、データのレシプロカルスフィアが生成され、離散的な反射は、レシプロカルスフィア内で互いに相対的に配置され、各反射の強度は、フーリエ変換の係数である。次いで、反射の相対強度が、結晶構造内の電子の配置についての情報をもたらす。逆フーリエ変換を3Dレシプロカルスフィアデータに適用することにより、電子密度マップが提供され、この電子密度マップは、結晶性化合物の構造を示す。

図2は、X線回折実験中に行われる典型的なステップを示す。実験は、主実験のための適切なデータ収集パラメータを決定するのに十分ないくつかの回折画像収集するために事前実験を行うことから始まる(ステップ200)。主実験で使用するために適正なデータ収集パラメータを決めることは、結晶試料の単位セル、そのモザイク性所与分解能を達成するための信号対雑音比l/sigma(l)、ここでsigmaは標準偏差である)、回折限界、および実験セットアップ配向行列によって左右されることになり、これらはすべて事前スキャン実験中に決定される。事前実験は、たとえば、主実験において検出器によって取り込まれる各画像に使用するための最適化された露出時間の決定を可能にする。従来の回折システムの遅い捕捉速度、および長いデッドタイムの場合、典型的には、事前実験中に部分的なデータしか収集されない。

主X線回折実験(ステップ202)を行うとき、X線検出器の露出時間は、より強い強度とより弱い強度の反射を共に検出することを可能にするように選択される。しかし、事前実験(ステップ200)中に得られた強度分布についての情報を使用して露出時間が最適化される場合でさえ、より強い反射は、主実験中、検出器の画素のいくつかを飽和させることになる。還元すれば、最適化されたパラメータを用いてさえ、反射信号のいくつかはX線検出器のダイナミックレンジを越えて延びることになり、これらの反射について不正確なデータが収集されることになる。これらの反射は、しばしば「超過」または「過負荷」反射と呼ばれる。これらの超過信号の正しい強度は、正しく記録することができず、追加の画像から再構築されることを必要とする。したがって、知られている方法は、主実験を行っている間、画像内に飽和画素があるか否か決定するために各画像が検証される(ステップ204)。

従来、飽和画素の強度データは、廃棄されたか、またはより高いスキャン速度、より短い露出時間を用いて、もしくは減衰されたX線ビームを用いて、第2の露出中に新しい画像フレームが取り込まれた(ステップ206)。どちらの対策も、信号の強度を、検出器のダイナミックレンジ内に入るように低減する。元の画像内で飽和画素の強度が、第2の露出の画素のスケーリングされた強度で置き換えられ、第1の露出および第2の露出に由来する2つの画像に基づいて合成画像構築される(ステップ208)。従来の方法は、飽和画素があるか否か決定するために主実験中に画像を読み取り解析しなければならないので時間がかかる。飽和画素がある場合、ゴニオメータを停止しなければならず、飽和画素のない第2の画像を取り込むために、ビームの強度を減衰することが必要である、および/または露出時間を短縮しなければならない。

回折実験の結果は、画素が反射の強度を含む多数の回折画像のセット(210)である。次いで、各反射の強度は、積算され、スケーリングされ、正規化される(ステップ212、214)。出力データは、逆格子空間内で各反射について場所および強度を提供する。次いで、出力データを使用し、逆フーリエ変換を適用することによって試料の電子密度マップを決定することができる。この電子密度マップにより、結晶性試料の構造を決定することができる。

概要

結晶試料の構造を決定するためのX線回折ベースの解析の方法が提供される。この方法は、対応する強度の反射を含む回折画像の第1のセットを収集するために事前実験を行うステップを含む。また、この方法は、回折画像の第2のセットを収集するために主実験を行うステップを含み、前記第2のセットの前記回折画像は、前記第1の実験中に作り出された相対強度より高い相対強度を有する前記反射を含み、前記第2のセットの前記回折画像の少なくともいくつかは、検出器飽和に由来する超過反射を含む。また、この方法は、画像の前記第2のセットからの前記超過反射の強度を、画像の前記第1のセットからの対応する反射について得られた強度で置き換えるステップを含む。

目的

本発明では、X線回折ベースの結晶学解析を行うための改善された方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

結晶試料の構造を決定するためのX線回折ベース解析の方法であって、a)前記試料X線ビーム照射され、回折画像の第1のセットがX線検出器によって収集される第1の実験を行うステップであって、前記回折画像は、対応する強度の反射を含む、該ステップと、b)前記試料がX線ビームで照射され、回折画像の第2のセットが収集される第2の実験を行うステップであって、前記第2のセットの前記回折画像は、前記第1の実験中に作り出された相対強度より高い相対強度を有する前記反射を含み、前記第2のセットの前記回折画像の少なくともいくつかは、検出器飽和由来する超過反射を含む、該ステップと、c)画像の前記第2のセットからの前記超過反射の強度を、画像の前記第1のセットからの対応する反射について得られた強度で置き換えるステップとを具えたことを特徴とする方法。

請求項2

前記第2の実験を行うときの前記結晶試料の回転速度は、前記第1の実験に使用される回転速度より低いことを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項3

前記第2の実験中に前記回折画像を取り込むときの前記X線検出器の露出時間は、前記第1の実験に使用される露出時間より長いことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。

請求項4

前記第1の実験は事前実験であり、前記第2の実験は主実験であり、前記事前実験は、前記主実験に先だって行われることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の方法。

請求項5

前記主実験を行うための実験パラメータを決定するために、前記事前実験からの画像の前記第1のセットを処理するステップをさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。

請求項6

ステップc)は、超過反射の強度データ廃棄するステップを含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の方法。

請求項7

ステップc)は、前記第1の実験および前記第2の実験からの前記反射のそれぞれについて強度を決定するステップを含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の方法。

請求項8

ステップc)は、前記第1の実験から決定された前記強度を前記第2の実験から決定された前記強度に対してスケーリングおよび正規化するステップを含むことを特徴とする請求項7に記載の方法。

請求項9

超過反射以外の反射について前記第1の実験から決定された前記強度の少なくともいくつかを使用するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の方法。

請求項10

超過反射以外の反射について前記第1の実験から決定された前記強度の少なくともいくつかを廃棄するステップを含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の方法。

請求項11

前記第1の実験からの前記強度のいくつかを廃棄するステップは、閾値に基づいて行われることを特徴とする請求項10に記載の方法。

請求項12

回折画像の前記第1のセットは、前記結晶試料の単回のスキャン中に収集され、一方、回折画像の前記第2のセットは、前記結晶試料のいくつかのスキャン中に収集されることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1つに記載の方法。

請求項13

ステップa)において、回折画像の前記第1のセットは、前記結晶試料を1秒当たり0.2度と3度の間の角速度で回転させている間に収集されることを特徴とする請求項1ないし12のいずれか1つに記載の方法。

請求項14

ステップb)において、回折画像の前記第2のセットは、前記結晶試料を1秒当たり1度以下の角速度で回転させている間に収集されることを特徴とする請求項1ないし13のいずれか一項に記載の方法。

請求項15

ステップa)において、回折画像の前記第1のセットおよび前記第2のセットを収集することは、前記結晶試料をゴニオメータファイ軸周りで回転させることによって行われることを特徴とする請求項1ないし14のいずれか1つに記載の方法。

請求項16

結晶試料の構造を決定するためのX線回折ベースの解析の方法であって、a)事前実験中、前記結晶試料を入射X線ビームで照射し、ダイナミックレンジを有するX線検出器で回折画像の第1のセットを収集するステップであって、回折画像の前記第1のセットは、前記結晶試料によって回折された反射の強度データを提供する、該ステップと、b)主実験を行うために前記事前実験からデータ収集パラメータを決定するステップと、c)前記主実験中、前記結晶試料を入射X線ビームで照射し、前記反射のより高い強度データを提供する回折画像の第2のセットを収集するステップと、d)回折画像の前記第1のセットおよび前記第2のセットからの反射の強度を決定するステップと、e)前記検出器のダイナミックレンジを越えて延びる、回折画像の前記第2のセットと共に取り込まれた超過反射を廃棄するステップと、f)回折画像の前記第1のセットからの前記強度を回折画像の前記第2のセットからの強度に対してスケーリングするステップであって、前記事前実験からの強度が、前記主実験からの前記廃棄された超過反射の強度に置き換わる、該ステップとを具えたことを特徴とする方法。

請求項17

ステップb)は、前記結晶試料の単位セルパラメータ、モザイク性およびブラクラスのうちの少なくとも1つを決定するステップを含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。

請求項18

ステップb)は、強度の分布シグマ比(l/sigma(l))の値まで決定するステップを含むことを特徴とする請求項17に記載の方法。

請求項19

ステップb)は、前記X線検出器のための時間露出、および/または前記結晶試料の角速度を決定するステップを含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。

請求項20

所与の閾値を下回る回折画像の前記第1のセットから導出された強度を廃棄するステップをさらに含むことを特徴とする請求項16ないし19のいずれか1つに記載の方法。

請求項21

ステップf)は、画像の両セット内で観察された反射の強度に基づいて決定される倍率を使用するステップを含むことを特徴とする請求項16ないし20のいずれか1つに記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、一般に、X線回折の分野に関し、より詳細には、結晶性化合物の構造を決定するために収集されたデータにおける超過反射の処理に関する。

背景技術

0002

結晶X線回折(SC−XRD)は、結晶性化合物の3次元原子構造を決定するための方法である。化合物の単結晶標本が、異なる方向から単色X線放射照射され、その一部が、特定のパターンで回折され、X線検出器によって検出される。標本の構造情報が、これらの回折パターン幾何形状および相対強度から決定される。これらの強度は、X線検出器画像内の画素から積算される。

0003

単結晶回折実験を実施するための典型的な研究室システム100は、図1に示されているように5つの構成要素からなる。これらの構成要素は、必要とされる放射エネルギー焦点サイズ、および強度を有する一次X線ビーム104を作り出すX線源102を含む。X線光学系106は、一次X線ビーム104を、必要とされる波長ビーム焦点サイズ、ビームプロファイル、および拡散を有する条件付けられた、または入射ビーム108へと条件付けるように提供される。ゴニオメータ110を使用し、入射X線ビーム108と結晶試料112とX線センサ114との間の幾何学的関係確立し操作する。入射X線ビーム108は、結晶試料112に当たり、センサ114内で記録される散乱X線116を作り出す。試料位置合わせおよびモニタアセンブリは、試料112を照明する試料イルミネータ118と、試料のビデオ画像を生成する試料モニタ120、典型的にはビデオカメラとを備え、ユーザが試料を機器中心内で位置決めし、試料の状態および位置をモニタするのを支援する。

0004

ゴニオメータ110は、結晶試料112がいくつかの軸周りで回転されることを可能にする。精密な結晶学は、試料結晶112がゴニオメータ110の中心に位置合わせされ、データ収集中、ゴニオメータ回転軸周りで回転されたときその中心内で維持されることを必要とする。露出中、試料(注目の化合物の単結晶)は、精密な角度範囲を通じて精密な角速度で、X線ビーム108内で回転される。この回転の目的は、ブラッグ反射予測可能に強め合う干渉にすることである。各回転位置では、センサが回折X線信号の画像を取り込む。したがって、そのようなX線回折実験の結果は、それらの画素が個々の反射の場所および強度を示す2D画像のセットである。

0005

結晶性化合物は、電子の連続的な分布を有する。入射X線は、化合物に当たったとき、電子によって特定の回折パターンで回折される。回折X線は、検出器114によって取り込まれた2D画像内で反射を生み出す。反射の回折パターンは、フーリエ変換によって化合物の電子の密度マップ関係付けられる。2D画像のセット内の反射の場所に基づいて、また反射を画定する画素の強度に基づいて、データのレシプロカルスフィアが生成され、離散的な反射は、レシプロカルスフィア内で互いに相対的に配置され、各反射の強度は、フーリエ変換の係数である。次いで、反射の相対強度が、結晶構造内の電子の配置についての情報をもたらす。逆フーリエ変換を3Dレシプロカルスフィアデータに適用することにより、電子密度マップが提供され、この電子密度マップは、結晶性化合物の構造を示す。

0006

図2は、X線回折実験中に行われる典型的なステップを示す。実験は、主実験のための適切なデータ収集パラメータを決定するのに十分ないくつかの回折画像を収集するために事前実験を行うことから始まる(ステップ200)。主実験で使用するために適正なデータ収集パラメータを決めることは、結晶試料の単位セル、そのモザイク性所与分解能を達成するための信号対雑音比l/sigma(l)、ここでsigmaは標準偏差である)、回折限界、および実験セットアップ配向行列によって左右されることになり、これらはすべて事前スキャン実験中に決定される。事前実験は、たとえば、主実験において検出器によって取り込まれる各画像に使用するための最適化された露出時間の決定を可能にする。従来の回折システムの遅い捕捉速度、および長いデッドタイムの場合、典型的には、事前実験中に部分的なデータしか収集されない。

0007

主X線回折実験(ステップ202)を行うとき、X線検出器の露出時間は、より強い強度とより弱い強度の反射を共に検出することを可能にするように選択される。しかし、事前実験(ステップ200)中に得られた強度分布についての情報を使用して露出時間が最適化される場合でさえ、より強い反射は、主実験中、検出器の画素のいくつかを飽和させることになる。還元すれば、最適化されたパラメータを用いてさえ、反射信号のいくつかはX線検出器のダイナミックレンジを越えて延びることになり、これらの反射について不正確なデータが収集されることになる。これらの反射は、しばしば「超過」または「過負荷」反射と呼ばれる。これらの超過信号の正しい強度は、正しく記録することができず、追加の画像から再構築されることを必要とする。したがって、知られている方法は、主実験を行っている間、画像内に飽和画素があるか否か決定するために各画像が検証される(ステップ204)。

0008

従来、飽和画素の強度データは、廃棄されたか、またはより高いスキャン速度、より短い露出時間を用いて、もしくは減衰されたX線ビームを用いて、第2の露出中に新しい画像フレームが取り込まれた(ステップ206)。どちらの対策も、信号の強度を、検出器のダイナミックレンジ内に入るように低減する。元の画像内で飽和画素の強度が、第2の露出の画素のスケーリングされた強度で置き換えられ、第1の露出および第2の露出に由来する2つの画像に基づいて合成画像構築される(ステップ208)。従来の方法は、飽和画素があるか否か決定するために主実験中に画像を読み取り解析しなければならないので時間がかかる。飽和画素がある場合、ゴニオメータを停止しなければならず、飽和画素のない第2の画像を取り込むために、ビームの強度を減衰することが必要である、および/または露出時間を短縮しなければならない。

0009

回折実験の結果は、画素が反射の強度を含む多数の回折画像のセット(210)である。次いで、各反射の強度は、積算され、スケーリングされ、正規化される(ステップ212、214)。出力データは、逆格子空間内で各反射について場所および強度を提供する。次いで、出力データを使用し、逆フーリエ変換を適用することによって試料の電子密度マップを決定することができる。この電子密度マップにより、結晶性試料の構造を決定することができる。

発明が解決しようとする課題

0010

本発明では、X線回折ベースの結晶学解析を行うための改善された方法を提供する。

課題を解決するための手段

0011

本発明によれば、結晶試料の構造を決定するためのX線回折ベースの解析の方法が提供される。例示的な実施形態では、この方法は、試料がX線ビームで照射され、回折画像の第1のセットがX線検出器によって収集される第1の実験を行うステップを含み、回折画像は、対応する強度の反射を含む。この方法は、試料がX線ビームで照射され、回折画像の第2のセットが収集される第2の実験を行うステップをも含む。第2のセットの回折画像は、第1の実験中に作り出された相対強度より高い相対強度を有する反射を含み、第2のセットの回折画像の少なくともいくつかは、検出器飽和に由来する超過反射を含む。また、この方法は、画像の第2のセットからの超過反射の強度を、画像の第1のセットからの対応する反射について得られた強度で置き換えるステップを含む。

0012

第1の実験は、3度/秒以下の角速度で、単回のスキャンで行われる。回折画像の第2のセットは、結晶試料のいくつかのスキャン中に収集され得る。一般に、第2の実験には、1度/秒以下の角速度が使用される。第1の実験は事前実験であり、第2の実験は主実験であり、事前実験は、主実験に先だって行われる。

0013

一実施形態では、この方法は、第2の実験を行うとき、第1の実験に使用された回転速度に対して結晶試料のより低い回転速度を使用する。あるいは、回折画像の第2のセットを取り込むとき、画像の第1のセットに使用された露出時間に対して、X線検出器の露出時間をより長くすることができる。また、第2の実験中に回折画像を取り込むとき、第1の実験に使用された利得に対して、X線検出器のより高い利得を使用することが可能である。別の選択肢は、第1の実験中に回折画像を取り込むとき、X線検出器の前にアクチュエータを置くことにある。

0014

また、この方法は、主実験を行うための実験パラメータを決定するために、事前実験からの画像の第1のセットを処理するステップを含む。置き換えるステップは、第1の実験および第2の実験からの反射のそれぞれについて強度を決定するステップと、超過反射の強度を廃棄するステップと、得られる強度をスケーリングおよび正規化するステップとを含む。

0015

得られる出力データの品質にどのように影響を及ぼすかに応じて、超過反射以外の反射について事前実験からの強度の少なくともいくつかを使用すること、または事前実験からのデータを廃棄することも可能である。第1の実験からの強度データのいくつかを廃棄することは、閾値に基づいてなされる。

0016

本発明による方法は、事前実験中、結晶試料を入射X線ビームで照射し、所与のダイナミックレンジを有するX線検出器で回折画像の第1のセットを収集するステップであって、回折画像の第1のセットは、結晶試料によって回折された反射の強度データを提供する、ステップをも含む。事前実験は、5分未満で行われることが好ましい。次いで、データ収集パラメータ(結晶試料の単位セルパラメータ、モザイク性およびブラクラス、l/sigma(l)、ならびに露出時間)が、主実験を行うために決定される。主実験は、結晶試料を入射X線ビームで照射し、反射のより高い強度データを提供する回折画像の第2のセットを収集するステップを含む。次いで、回折画像の第1のセットおよび第2のセットからの反射の強度が決定され、検出器のダイナミックレンジを越えて延びる超過反射が廃棄される。回折画像の第1のセットおよび第2のセットからの強度はスケーリングされ、画像の第1のセットから導出された強度が、画像の第2のセットの廃棄された超過反射の強度に置き換わる。

0017

一体強度のスケーリングは、画像の両セット内で観察された反射の一体強度に基づいて決定される倍率を使用してなされることが好ましい。所与の閾値を下回るデータの第1のセットから導出された強度は、廃棄することができる。

図面の簡単な説明

0018

従来技術による単結晶X線回折解析ステムの概略図である。
従来技術によるX線回折実験を実施するプロセスのステップを示す流れ図である。
本発明の例示的な実施形態のステップを示す流れ図である。

実施例

0019

本発明は、X線結晶学解析を行う改善された方法を提供する。提案されている方法は、事前実験を利用し、主実験において「超過」または「過負荷」反射として現れる反射の強度データを提供する。「超過」反射は、X線検出器の最大検出限界を超える強度を有する少なくともいくつかの画素を含む反射である。X線検出器のダイナミックレンジは、検出器が対処することができる最大信号と最小信号の比に対応し、上限はフルウェル閾値と呼ばれ、それを越えると、画素はより多くの電荷蓄積することができない。

0020

好ましい実施形態では、この方法は、第1の「データセット」とも呼ばれる回折画像の第1のセットを収集するステップを含む。回折画像のこの第1のセットは、事前実験中に収集されることが好ましく、主実験のためのデータ収集パラメータを決定するために使用される。第1の実験すなわち事前実験は、強度データの完全なレシプロカルスフィアを、より低い回折角度および短時間露出/画像でカバーするのに十分であることが好ましい高速スキャンを使用する。

0021

回折画像の第2のセット、または第2のデータセットが、第2の実験すなわち主実験中に収集される。主実験は、典型的には原子分解能まで行われる。「原子」分解能とは、原子レベルでの詳細、たとえば分子構造内の原子間の結合長および角度について述べるのに、分解能が十分であることを意味する。

0022

回折画像のこの第2のセット、または第2の「データセット」もまた、結晶の対称性による強度データの完全なセットを提供することが好ましい。回折画像の第2のセット内で取り込まれた反射は、第1の実験すなわち事前実験中に作り出されたものより高い相対強度を有する。

0023

次いで、両データセットからの情報が、個々の反射の強度を決定するために使用される。これは、回折の2つのセット内で観察された反射スポットに関連付けられた画素の強度を積算することによって行われる。同じ結晶試料が使用されるので、強度だけが異なる、同じ反射が、両データセット内に現れることになる。このステップを行っている間、またはその後、主実験における超過反射に由来する強度データが識別され、廃棄され、これらの超過反射については、事前実験から導出された強度データだけが、組み合わされたデータセット内に存在する。

0024

次いで、両データセットからの強度は、スケーリングおよび正規化される。したがって、事前実験の強度が、超過反射について主実験の強度と置き換えて使用される。超過反射に使用されなかった事前実験から導出された強度データは、それが最終出力データの品質を改善するか否かに応じて、廃棄される、または最終出力データの一部として持ち続けることができる。出力データの品質は、たとえば、反射について比l/sigma(l)が増大される場合、増大させることができる。積算およびスケーリングステップの完了後、および事前実験から導出された強度データの一部またはすべてを持ち続けるか廃棄するか判断した後、得られる出力データは、逆格子空間内の反射についての強度値である。

0025

結晶性化合物の構造は、結晶学実験中に収集される異なる回折強度によって説明される。電子密度のより正確なマップほど、試料の結晶格子を形成する様々な原子の位置のより高い精度に変換される。

0026

従来技術の方法とは対照的に、本発明は、実験中に取り込まれた画像内の飽和画素を置き換えるのではなく、超過反射に関連付けられた強度を置き換えることを提案する。前述のように、超過反射は、X線検出器の容量またはダイナミックレンジを超える強度を有する反射である。

0027

次に図3を参照すると、流れ図が本発明の例示的な実施形態のステップを示す。この方法は、回折画像の第1のセットに由来するデータの実質的に完全な3Dレシプロカルスフィアを提供するために第1のX線回折実験を行うことにあるステップ300から始まる。当業者なら、結晶性化合物の対称性を考えると、逆格子空間の少なくとも1つの半球についてデータを収集することにより、完全なレシプロカルスフィアについての情報を提供することができることを理解するであろう。実質的に完全とは、レシプロカルスフィアの少なくとも95%についての強度データが収集されたことを意味する。この第1のデータセットの分解能は、原子分解能である必要はない。

0028

第1の実験は、結晶性化合物の3D構造を決定するために行われる主たる原子分解能実験中に使用されることになるデータ収集パラメータを決定するために行われる事前実験を表す。「高速スキャン」実験とも呼ばれるこの事前実験は、回折画像の完全なセットを迅速に収集することを可能にし、使用されるシステムおよび結晶の対称性に応じて完全な実験に必要とされる適切な露出時間およびデータのタイプを決定するために十分な情報を提供する。

0029

事前実験中、結晶性試料が、条件付けられたX線ビームによって照射され、結晶性化合物によって散乱されたX線回折の強め合う干渉が、反射としてX線検出器によって取り込まれる。「高速スキャン」という表現は、結晶性化合物が移動される角速度を、また各フレームに使用される露出時間を指す。X線検出器は回折画像を取り込む間、結晶性化合物は、回転軸またはスキャン軸周りで移動される。たとえば、結晶試料は、ファイ軸周りで0.2秒から約3秒の間(または0.3と5秒/度の間)の角速度で回転させることができる。スキャン軸は、一般に、当技術分野でファイ軸として知られるゴニオメータのスピンドルまたは最上部の軸に対応する。結晶をオメガ軸周りで移動することも可能である。X線検出器のデッドタイムなし、シャッタなしの捕捉モードを利用して、事前実験は、データの完全な、または実質的に完全な球の収集を、かなり迅速に、好ましくは5分未満で可能にする。事前実験は、典型的には単回のスキャンで行われるが、単回のスキャンではデータの完全なレシプロカルスフィアを収集することができない場合、たとえば、ゴニオメータの構成によりそれができない場合、または事前実験がオメガスキャンを使用して行われる場合、完全な第1のデータセットを収集するために2回のスキャンを行うことも可能である。

0030

再び図3を参照すると、ステップ302で、事前実験は、主実験に使用されることになる最適なパラメータを決定することも可能にする。これらのパラメータは、たとえば、各フレームに使用されることになる露出時間、またはスキャン軸周りでの試料の角速度/回転速度を含むことができる。一部の化合物は、他の化合物より多くX線を回折するので、露出時間および/またはスキャン幅は、各実験について調整されることを必要とする。事前実験中に収集されたデータセットを使用し、当業者には明らかなように、事前実験からの反射の強度分布を解析することによって、所与の化合物について主実験露出時間を決定することができる。したがって、主実験パラメータを決定するために、反射強度の粗い積算が行われる。たとえば、事前実験を使用し、主実験を最適化するために、単位セルパラメータ、モザイク性、ブラベクラス、および/またはl/sigma(l)分布を決定することができる。主実験パラメータを決定すること、ならびに回折画像の完全なセットを収集することを可能にする単回の事前実験を行うことがより効率的であるが、2回の異なる事前実験、すなわちデータ収集パラメータを決定するための1回、および超過反射置換えのための1回を行うことも可能であることに留意されたい。

0031

パラメータが決定された後で、流れ図におけるステップ304に対応する主実験を行うことができる。事前実験の場合のように、ゴニオメータが結晶試料を入射X線ビームおよび検出器に対して回転させている間、結晶性化合物がX線で照射される。しかし、このときは、結晶が事前実験中よりゆっくり、概して1秒未満、または1フレーム当たり1秒超で回転される。したがって、主実験中に収集されるデータセットは、事前実験のものより高いl/sigma(l)を有する強度情報を提供する。換言すれば、主実験における反射は、事前実験のものに対して高い強度を有する。

0032

従来技術のX線回折実験とは対照的に、ステップ304は、中断なしに、すなわち飽和画素が存在するか否か検証するために取り込まれた画像を同時に解析する必要なしに行われる。前述のように、従来技術は、飽和画素が画像内に検出されたとき、(ビーム減衰器を使用して、または露出時間を短縮することによって)より低い強度を有する新しい画像を取り込むために、実験が停止されることを必要とした。

0033

原子分解能のX線回折実験を行うことは、完全なセットの強度データを収集するために、いくつかのランを行うことを必要とし得ることは理解されよう。結晶の対称性および所望の分解能に応じて、データの多数のランを収集する必要がある。各ランは、完全なレシプロカルスフィアの一部分を提供する。ゴニオメータの構成によりゴニオメータの構成要素のいくつかと干渉することなしに完全なスキャンを行うことはできないので、いくつかのランを実施することがしばしば必要である。また、特定の場合によっては、試料の対称性に応じて、結晶性化合物の部分的なスキャンによりデータの完全なセットを提供することができることを理解されたい。データのセットは、逆格子空間の非対称単位の完全な内容が測定されたとき「完全」である。逆格子空間の非対称単位は、空間群点対称反転中心を加えたもの、いわゆるラウエ対称によって定義される。データセットの完全性は、通常、観察されたデータのパーセンテージとしてレポートされ、95%完全であるデータセットが、一般に「データの完全なセット」と考えられる。

0034

データの完全なセットが主実験から得られたとき、画像の第2のセット内の検出器飽和に由来する超過反射の強度データは、画像の第1のセットからの対応する反射の強度データと置き換えられる(ステップ306)。換言すれば、(第2の実験すなわち主実験中に収集された)画像の第2のセットからの超過反射の強度が、(事前実験から得られた)画像の第1のセットからの対応する反射について得られた強度と置き換えられる。

0035

好ましくは、第1のステップは、流れ図のステップ308に従って、事前実験および主実験からの第1のデータセットおよび第2のデータセットをそれぞれ使用して、それぞれの反射の各反射の強度(「一体強度」とも呼ばれる)を決定することである。第1のデータセットおよび第2のデータセットからの強度を共に積算することがより効率的であるが、事前実験を完了した後、第1/事前実験データセットからの強度を積算することが可能である。第1/事前実験データセットからの、および第2/主実験データセットからの反射強度を積算することは、既存のソフトウェアツールで実施され、背景強度の減算、より弱い強度についての最小二乗プロファイルフィッティング、および他の知られている補正処理などのステップを含む。

0036

次のステップは、超過反射の強度データを廃棄することにある(ステップ310)。事前実験はより速い角速度で実施されるので、所与の反射についての強度は、主実験におけるより事前実験において小さいことになり、事前実験中データセット内の超過画素はありそうにない。対照的に、主実験はより遅い角速度(またはより長い露出時間/画像)で行われるので、飽和画素が現れ得る。この場合、飽和画素からのデータは、信頼できないため廃棄される。反射の画素が、この反射について取り込まれた画像すべてで飽和している場合には、その反射について信頼できるデータはなく、その反射は、データのセット内で欠けていることになる。試料の対称性に応じて、反射は、実験中に複数回生じ、観察することができる。換言すれば、反射は、回折画像のいくつかでは飽和して、しかし他の回折画像では不飽和として現れ得る。反射がいくつかの画素またはすべての画素が飽和した状態で現れる場合には、反射がこのように生じた一体強度は廃棄される。

0037

次にステップ312を参照すると、事前実験データおよび主実験データから積算された強度は、事前実験からの反射を主実験からの反射と置き換えて使用することができるように共にスケーリングされる。第1の実験から決定された強度は、第2の実験から得られた強度に対してスケーリングおよび正規化される。事前実験の反射を主実験の反射でスケーリングすることは、2つの実験における異なる実験条件を考慮するために必要である。事前実験の露出時間は、主実験に使用された露出時間よりはるかに短いので、事前実験からの所与の反射について得られた強度は、主実験における同じ反射についての強度よりはるかに小さいことになる。使用するために適正な倍率を決定するために、両実験データセット内に現れる反射についての強度データが使用される。事前実験および主実験の強度をスケーリングおよび正規化するために、既存のソフトウェアツールが使用される。

0038

理解することができるように、第1/事前実験の一体強度を第2/主実験の強度と共にスケーリングすることにより、主実験からの欠けている超過した反射が、事前実験からの対応する反射で置き換えられる。有利には、「高速スキャン」反射が連続的なデータセットから得られ、これは、回折画像の第2のセット内で超過反射として現れる反射の強度を決定するために容易かつ確実に換算され得る。さらに、高速スキャン置換え反射についての強度は、実際の実験ランにおいて飽和した反射に対応するので、信頼できるものでもある。換言すれば、主実験からの超過反射は、高い信頼性で強度が決定される高速スキャン反射で置き換えられる。

0039

この方法のステップ314では、事前実験からの強度データの一部またはすべてが廃棄される(すなわち、使用されない)。場合によっては、欠けているまたは超過反射と置き換えて使用された事前実験の反射だけ持ち続けると判断してもよい。なぜなら、残りの反射は、普通なら最終出力データのデータ品質を損なうはずであるからである。他の場合には、より大きな割合の事前実験データを、最終出力データ内で持ち続けることができる。すなわち、所与の閾値未満の強度データが廃棄されることになり、より強い強度が持ち続けられることになる。閾値は、たとえば、最小のl/sigma(l)値とすることができる。最終出力内で事前実験データのいくつかを持ち続けることにより、たとえば異なる原子間の距離など、結晶構造に関係する特性のいくつかの不確実性を低減することができる。最終出力データ内で事前実験の反射の一部またはすべてを持ち続けるか廃棄するかは、X線源のタイプ、検出器のタイプ、および調査される試料などの要因によって左右される。

0040

最後に、流れ図のブロック316によって示されているように、この方法の得られる出力データは、調査される結晶試料によって回折されるそれぞれの個々の反射について強度値を提供する。換言すれば、この方法は、結晶性試料の構造を決定するために、逆フーリエ変換を適用することができる反射強度の完全なセットを提供し、各反射は、フーリエ変換の係数に対応する。

0041

理解することができるように、本発明は、実験セットアップのダイナミックレンジを増大することを可能にするだけでなく、事前実験中に収集されたデータを超過反射のための置換えデータとして使用することによって実験時間全体をも短縮する。したがって、事前実験は、主たる最適化された、より高い分解能の実験に使用されることになるデータ収集パラメータを決定することを可能にするだけでなく、より高い分解能の実験の超過反射のための置換えデータをも提供する。

0042

本発明の別の利点は、反射が生じる前後に取り込まれる強度情報を使用することによって、完全な反射の回復を可能にすることである。実際、反射は多数の画像に及び、反射についての強度データを置き換えることによって、いくつかの画像からの情報が使用される。対照的に、超過反射を扱う従来の方法は、単一の画像の収集に依拠しており、そこからいくつかの不飽和画素が、別の実験からの飽和画素と置き換えて選ばれる。

0043

当業者なら、本明細書に記載の本発明の様々な実施形態のステップが、典型的には、データプロセッサによって、サンプリングおよびデータ収集手順の一部として実施されることになることを理解するであろう。したがって、システムは、所望の基準、およびそこに適正に位置する試料結晶と共にセットアップされた後で、典型的には、ユーザによる手動介入を必要とすることなしに、データ収集および積算およびスケーリングプロセスを実施することができる。

0044

本発明の好ましい実施形態について、本明細書に詳細に記載され、添付の図面に例示されているが、本発明は、これらのまさにその実施形態に限定されないこと、および本発明から逸脱することなしに様々な変更および修正が行われることが理解される。

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