CZ310402B6 - Způsob zpřesnění modelu struktury krystalu a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Způsob zpřesnění modelu struktury krystalu a zařízení k provádění tohoto způsobu Download PDF

Info

Publication number
CZ310402B6
CZ310402B6 CZ2021-403A CZ2021403A CZ310402B6 CZ 310402 B6 CZ310402 B6 CZ 310402B6 CZ 2021403 A CZ2021403 A CZ 2021403A CZ 310402 B6 CZ310402 B6 CZ 310402B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
crystal
diffraction
model
data
intensities
Prior art date
Application number
CZ2021-403A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ2021403A3 (cs
Inventor
Lukáš PALATINUS
Lukáš Dr.rer.nat. Palatinus
Petr BRÁZDA
Brázda Petr Mgr., Ph.D
Paul Benjamin KLAR
Paul Benjamin Dr Klar
Original Assignee
Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i filed Critical Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i
Priority to CZ2021-403A priority Critical patent/CZ310402B6/cs
Priority to US17/565,624 priority patent/US12072305B2/en
Priority to CN202280059533.XA priority patent/CN119032402A/zh
Priority to PCT/CZ2022/050084 priority patent/WO2023030563A1/en
Priority to JP2024513360A priority patent/JP7716579B2/ja
Publication of CZ2021403A3 publication Critical patent/CZ2021403A3/cs
Publication of CZ310402B6 publication Critical patent/CZ310402B6/cs

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/20058—Measuring diffraction of electrons, e.g. low energy electron diffraction [LEED] method or reflection high energy electron diffraction [RHEED] method
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/2055—Analysing diffraction patterns
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/20—Identification of molecular entities, parts thereof or of chemical compositions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/05—Investigating materials by wave or particle radiation by diffraction, scatter or reflection
    • G01N2223/056—Investigating materials by wave or particle radiation by diffraction, scatter or reflection diffraction
    • G01N2223/0566—Investigating materials by wave or particle radiation by diffraction, scatter or reflection diffraction analysing diffraction pattern

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

Vynález se týká způsobu určení krystalické struktury krystalu, který je schopný elektronové difrakce. Způsob obsahuje kroky získání trojrozměrného elektronového difrakčního obrazce a zpracování dat z tohoto elektronového difrakčního obrazce. Podstata vynálezu spočívá v tom, že způsob určení spočívá ve vytvoření virtuálního difrakčního obrazce obsahující seznam integrovaných intenzit rozptýlených elektronů. V kroku zpracování dat se dále využívá dynamická teorie difrakce.

Description

Způsob zpřesnění modelu struktury krystalu a zařízení k provádění tohoto způsobu
Oblast techniky
Předkládané řešení se týká počítačem realizovaného vynálezu. Konkrétněji se vynález týká zpracování dat z rotační elektronové difrakce na krystalických látkách. Vynález se týká způsobu zpřesnění krystalické struktury z rotační elektronové difrakce za pomocí dynamického zpřesnění dat, přičemž uvedený způsob je schopný přesněji určit atomovou strukturu.
Dosavadní stav techniky
Strukturální analýza je proces získávání informací o prostorovém uspořádání atomů v krystalové struktuře. Analýza zahrnuje několik kroků: přípravu krystalu, sběr dat, nalezení počátečního strukturního modelu a optimalizaci strukturního modelu.
Strukturní model je optimalizován matematickým postupem nazývaným metoda nejmenších čtverců. V tomto postupu jsou experimentální difrakční data naměřená na krystalu a porovnána s teoretickými difrakčními daty vypočtenými na základě skutečného strukturního modelu. Rozdíl mezi experimentálními a teoretickými údaji je minimalizován úpravou strukturního modelu. Aby byl tento postup úspěšný, musí být výpočet teoretických dat ze strukturního modelu přesný.
Pokud jsou v kroku sběru dat použity elektrony, mluvíme o experimentu s elektronovou difrakcí. V takovém případě je výpočet teoretických difrakčních intenzit komplikovaný proces. Důvodem je přítomnost tzv. „dynamických difrakčních efektů“.
Metoda výpočtu přesných teoretických difrakčních dat, zpřesnění (EN: refinement), z elektronové difrakce byla navržena pro zvláštní případ tzv. procesních elektronových difrakčních dat. Pro obecná elektronová difrakční data nebyla doposud srovnatelná metoda k dispozici.
Cílem předkládaného vynálezu je vzhledem k výše uvedeným nevýhodám poskytnout způsob zpřesnění krystalické struktury, jehož kroky jsou prováděny počítačem tak, aby způsob byl vhodný pro získání dobré optimalizace struktury s obecnými daty elektronové difrakce, tedy nejen pro speciální případ precesní elektronové difrakce.
Dalším cílem předkládaného vynálezu je poskytnout počítačem realizovaný způsob využívající širokou škálu krystalografických výpočtů a také schopný stanovit distribuci elektrostatického potenciálu a krystalovou strukturu pro širokou škálu sloučenin a typů krystalů.
Podstata vynálezu
Předkládaný vynález se v prvním provedení týká způsobu zpřesnění modelu struktury krystalu, včetně, ale ne výlučně, organických krystalů. Zpřesnění modelu struktury krystalu může být provedeno jak na anorganických krystalech, jako jsou např. sloučeniny kovů, např. hydratovaný fosforečnan kobaltu a hliníku, nebo minerály, např. křemen, natrolit, tak i na organických krystalech jako například aminokyseliny, uhlovodíky a jejich deriváty i řada léčiv, např. octan abirateronu.
Způsob obsahuje kroky, které jsou prováděny počítačem:
získání elektronových difrakčních dat z krystalu, přičemž získání dat spočívá v zaznamenání difrakčních obrazců krystalu, zatímco je tento krystal otáčen, a to buď např. v krocích, nebo kontinuálně, přičemž difrakční obrazec obsahuje informaci o intenzitách rozptýlených
- 1 CZ 310402 B6 elektronů v jednotlivých směrech a o orientaci krystalu vůči dopadajícímu svazku v průběhu sběru dat; a zpracování dat vedoucí k určení mřížových parametrů krystalu, orientace krystalu v okamžiku záznamu difrakčního obrazce, určení indexů každé reflexe a intensity každé reflexe na každém difrakčním obrazci, čímž vzniknou zpracovaná data; a získání přibližného strukturního modelu krystalu obsahující kroky:
nalezení maxim ve všech difrakčních obrazcích a určení jejich souřadnic v reciprokém prostoru;
nalezení parametrů krystalové mříže a určení orientace krystalu v prostoru;
určení intenzit difrakce všech potenciálně excitovaných bodů reciproké mříže na všech difrakčních obrazcích; a zpřesnění přibližného strukturního modelu krystalu zahrnující kroky:
výpočtu modelových intenzit s využitím dynamické teorie difrakce; a minimalizace rozdílu mezi experimentálně určenými intenzitami reflexí a modelovými intenzitami vypočítanými pro tyto reflexe na základě zpřesňovaného strukturního modelu, přičemž podstata vynálezu spočívá v tom, že se krok získávání elektronových difrakčních dat z krystalu provádí metodou trojrozměrné rotační elektronové difrakce; a vytváří virtuální difrakční obrazce ze zpracovaných dat z rotační elektronové difrakce, přičemž každý virtuální difrakční obrazec obsahuje seznam integrovaných intenzit rozptýlených elektronů pro jednotlivé směry se sečtenými příspěvky od všech experimentálních obrazců tvořících jeden virtuální obrazec, přičemž virtuální difrakční obrazce se tvoří výpočtem z poskytnutých dat z rotační elektronové difrakce;
přičemž vytváření virtuálního difrakčního obrazce obsahuje:
zvolení po sobě následujících experimentálních obrazců, které se kombinují do jednoho virtuálního obrazce, přičemž celkový úhlový rozsah pokrytý virtuálním difrakčním obrazcem je od 1° do 3°;
nalezení všech bodů reciproké mříže, které se nacházejí uvnitř úhlového rozsahu pokrytého virtuálním difrakčním obrazcem jakéhokoliv experimentálního obrazce;
sečtení všech intenzit difrakce pro každý nalezený bod na všech experimentálních difrakčních obrazcích.
Způsob podle vynálezu umožňuje také určit, ve výhodném provedení, absolutní strukturu necentrosymmetrického krystalu, kterou lze získat dynamickým zpřesněním. V porovnání s kinematickou aproximací, způsob podle vynálezu neignoruje dynamické difrakční efekty v difrakčních datech a proto umožňuje získat přesnější informace o krystalické struktuře. Kombinace kroků způsobu podle předkládaného vynálezu je navržena tak, aby pomocí vytvoření tzv. virtuálního difrakčního obrazce došlo k situaci, kdy teoretická data odpovídající experimentálním datům ve virtuálním difrakčním obrazci mohou být snadněji vypočítána z
-2CZ 310402 B6 modelu struktury v porovnání se způsoby ze stavu techniky, ve kterých virtuální difrakční obrazec vytvořen není. Ve výsledku lze získat strukturní modely s přesností podobnou zavedenému postupu pomocí precesní elektronové difrakce a mnohem lepší než postupy, které se aktuálně používají pro elektronová difrakční data bez precese. Výhodou postupu využívajícího data bez precese proti precesním datům je jejich snadnější dostupnost nevyžadující speciální vybavení pro precesní metodu, rychlejší zpracování dat a nižší celkové osvětlení krystalu elektrony při sběru dat, což je výhodné hlavně při analýze organických materiálů citlivých na ozáření elektrony. Takto optimalizovaný model struktury poskytuje lepší vhled do krystalových struktur a poskytuje tak zásadní informace, jako je absolutní struktura krystalů s chirálními molekulami nebo pozice lehkých atomů, které je obtížné detekovat, ale zároveň jsou často rozhodující pro funkci a použití materiálu.
Ve výhodném provedení poskytuje tato metoda i určení absolutní struktury necentrosymetrických krystalů. Výhodné provedení dále obsahuje kroky:
i. vytváření modelu s opačnou absolutní strukturou, než je struktura aktuálního modelu, přičemž se souřadnice všech atomů ve struktuře krystalu nahradí souřadnicemi se stejnou absolutní hodnotou a opačným znaménkem;
ii. provedení dynamického zpřesnění na invertovaném modelu, přičemž se určí strukturní parametry a jejich rozptylové parametry, přičemž tyto parametry jsou měněny, přičemž se minimalizuje rozdíl mezi vypočtenými intenzitami a experimentálními intenzitami;
iii. porovnání indikátorů kvality zpřesnění, přičemž správná absolutní strukturuje ta, která vede k menší odchylce mezi experimentálními daty a daty vypočítanými na základě strukturního modelu.
Rotací v krocích nebo kontinuálně odborník rozumí takový průběh ozáření, kdy dochází k otáčení krystalu kolem rotační osy držáku vzorku v určitém předem zvoleném rozsahu, rozsahu, např. od -50°do 50°, a to buď v jednotlivých definovaných krocích, např. 1°, nebo spojitě (kontinuálně). K expozici difrakčního obrazce dochází v režimu „v krocích“ buď po každém otočení, v kontinuálním režimu během rotace krystalu, viz např. přehledová publikace Gemmi M, Mugnaioli E, Gorelik TE, Kolb U, Palatinus L, Boullay P, et al. 3D Electron Diffraction: The Nanocrystallography Revolution. ACS Cent Sci. 2019 Aug 28;5(8): 1315-29.
Difrakční obrazec je záznam směrů a intenzit elektronů rozptýlených krystalem, získaný zpravidla elektronickým zařízením - detektorem elektronů, umístěným tak, že krystal je umístěným mezi zdrojem elektronů a detektorem. Difrakční záznam má podobu obrazového, tedy dvojrozměrného záznamu a obsahuje informace o intenzitách reflexí. Typický příklad difrakčního záznamu lze vidět na obr. 1.
Reflexí odborník v oboru rozumí místo dopadu difraktovaného svazku na detektor, viz např. učebnice Václav Valvoda, Milena Polcarová, Pavel Lukáč, Základy strukturní analýzy, Karolinum, Praha, 1992, ISBN 80-200-0280-4.
Přibližným strukturním modelem se rozumí seznam atomů s jejich přibližnými pozicemi v základní buňce krystalu a s určením typu atomu. Tento model lze získat buď z literatury, pokud již byl publikován, nebo přímo z difrakčních dat zavedenými metodami strukturní analýzy, viz. např. učebnice Giacovazzo, C. (editor), Fundamentals of Crystallography, Third Edition, Oxford University Press, 2011, ISBN 9780199573653.
Potřebné informace získané z difrakčních dat jsou parametry základní buňky krystalu a seznam intenzit a jejich směrodatných odchylek všech reflexí změřených během experimentu. Reflexe jsou charakterizovány třemi (ve výjimečných případech více než třemi) celočíselnými indexy určujícími jejich polohu v reciproké mříži krystalu, viz např. učebnice Václav Valvoda, Milena
- 3 CZ 310402 B6
Polcarová, Pavel Lukáč, Základy strukturní analýzy, Karolinum, Praha, 1992, ISBN 80-2000280-4.
Indikátor kvality zpřesnění je číselná hodnota, pomocí které zle odhadnout, jak kvalitní a spolehlivý je zpřesněný strukturní model. Tento indikátor kvality mohou být výhodně R-faktor Ri, R2 a WR2 definované jako:
-9, resp. s jsou pozorované, resp. vypočítané intenzity konkrétního difraktovaného elektronového svazku 5 charakterizovanou difrakčním vektorem g. přičemž — a k';'jc směrodatná odchylka určení 9. Konkrétní volba použitého indikátoru kvality záleží na aplikaci a může být učiněna uživatelem vynálezu na základě jeho expertní znalosti.
Předkládaný vynález je zejména vhodný pro určení absolutní struktury krystalů obsahující lehké atomy, jako je např. vodík, lithium, beryllium nebo bór.
Další výhodou předkládaného vynálezu je možnost dosáhnout přesných pozic atomů ve struktuře, a to s průměrnou chybou pod 0,005 run.
Trojrozměrná elektronová difrakce představuje způsob sběru dat, konkrétně intenzit elektronů rozptýlených na studovaném krystalu, přičemž elektronový svazek a krystal vůči sobě rotují. Rotace může být zajištěna rotací elektronového svazku pomocí magnetických cívek v transmisním elektronovém mikroskopu nebo rotací krystalu pomocí goniometru, případně kombinací obou způsobů.
Ve výhodném provedení rotační metody sběru difrakčních dat se intenzity rozptylu elektronů zaznamenávají na sérii po sobě jdoucích obrazů, přičemž po každém zaznamenání difrakčního obrazu je krystal pootočen o určitý úhel kolem osy goniometru. Velikost pootočení je typicky mezi 0,1° a 1°. Celkový náklon krystalu se může pohybovat v rozsahu typicky ±60°, v některých případech i více.
Ve výhodném provedení představuje krok získání dat z rotační elektronové difrakce kombinaci rotace elektronového svazku a naklonění krystalu, přičemž pro každé naklonění krystalu je zaznamenáno několik difrakčních obrazců pro různé naklonění elektronového svazku. Výhodné provedení tak přináší výhodu ve větší přesnosti vzájemné orientace krystalu a svazku díky tomu, že náklon elektronového svazku lze v některých případech kontrolovat s větší přesností než náklon goniometru.
V jiném provedení dochází ke kombinaci kontinuálního náklonu krystalu s kontinuálním získáváním difrakčních dat. Goniometr s krystalem se během pořizování elektronových difrakčních snímků kontinuálně otáčí kolem osy náklonu. Každý snímek z rotační elektronové difrakce pokrývá úhlový rozsah, který je určen rychlostí otáčení goniometru a dobou expozice.
-4CZ 310402 B6
Na rozdíl od postupné rotace, kontinuální rotace zaznamenává integrované intenzity elektronové difrakce. Toto výhodné provedení využívající kontinuální náklon krystalu přináší výhodu v jednodušším experimentálním provedení, minimalizaci osvícení krystalu elektrony a získání integrovaných intenzit.
Všechny výše popsané způsoby sběru dat metodou rotační elektronové difrakce jsou detailně popsány v publikaci M. Gemmi a A. Lanza: 3D electron diffraction techniques, Acta Crystallographica B, sv. 75, str. 495-504, rok vydání 2019.
Zpracování dat představuje tyto kroky:
Nalezení maxim ve všech difrakčních obrazcích a určení jejich souřadnic v reciprokém prostoru;
Nalezení parametrů krystalové mříže a určení orientace krystalu v prostoru, tedy určení tzv. orientační matice;
Určení intenzit difrakce všech potenciálně excitovaných bodů reciproké mříže na všech difrakčních obrazcích;
Vytvoření tzv. virtuálního difrakčního obrazce, který vznikne tímto postupem:
o Zvolí se vhodný počet po sobě následujících experimentálních obrazců, které se budou kombinovat do jednoho virtuálního obrazce. Vhodný počet je takový, aby celkový úhlový rozsah pokrytý virtuálním difrakčním obrazcem byl přibližně 1° až 3°.
o Naleznou se všechny body reciproké mříže, které se nacházejí uvnitř úhlového rozsahu pokrytého virtuálním difrakčním obrazcem, některého experimentálního obrazce.
o Pro každý nalezený bod se sečtou všechny intenzity difrakce náležející k tomuto bodu na všech experimentálních difrakčních obrazcích.
o Takto získaný seznam intenzit patřících k bodům reciproké mříže tvoří sadu dat nazvanou virtuální difrakční obrazec.
o Orientace virtuálního difrakčního obrazce je určena jako průměr orientací všech experimentálních difrakčních obrazců, které ho tvoří.
o Uhlový rozdíl mezi následujícími virtuálními difrakčními obrazci je výhodně zvolen tak, aby se objemy reciprokého prostoru pokryté sousedícími virtuálními difrakčními obrazci částečně překrývaly.
Ve výhodném provedení je součástí zpracování dat také zpřesnění difrakční geometrie, tedy zpřesnění orientace krystalu vzhledem k dopadajícímu svazku elektronů.
Zpřesnění je obecný termín, kterým se označují všechny operace potřebné k vývoji zkušebního modelu do modelu, který nejlépe odpovídá pozorovaným údajům, konkrétně intenzitám elektronů rozptýlených na krystalu. V jistém provedení představuje zpřesnění sled matematických postupů vykonávaných počítačem. Zpřesnění odhadu krystalové struktury podle předkládaného vynálezu využívá dynamickou teorii difrakce, přičemž se uvažuje vícenásobný rozptyl elektronů s atomy v krystalu při jejich průchodu.
Krok určení kvality zpřesněného modelu krystalické struktury představuje určení odchylky, výhodně pomocí parametru R, mezi pozorovanými veličinami a simulovanými veličinami podle
- 5 CZ 310402 B6 modelu krystalické struktury. V případě, že odchylka je dostatečně malá, je považován model krystalické struktury za přesný.
V dalším provedení předkládaného vynálezu je popsáno zařízení zpřesnění modelu struktury krystalu podle předkládaného vynálezu.
Zařízení obsahuje:
elektronový zdroj schopný emitovat primární elektronový svazek;
držák krystalu uzpůsobený tak, aby mohl s krystalem vykonávat rotační pohyb;
detektor rozptýlených elektronů pocházejících z krystalu, přičemž detektor je dále napojen na výpočetní jednotku pro ukládání a zpracování dat, přičemž podstata vynálezu spočívá v tom, že jednotka je uzpůsobena pro zpracování dat vedoucí k určení mřížových parametrů krystalu, orientace krystalu v okamžiku záznamu difrakčního obrazce, určení indexů každé reflexe a intensity každé reflexe na každém difrakčním obrazci a vytvoření virtuálních difrakčních obrazců, přičemž virtuální difrakční obrazec obsahuje seznam integrovaných intenzit rozptýlených elektronů pro jednotlivé směry se sečtenými příspěvky od všech experimentálních obrazců tvořících jeden virtuální obrazec, přičemž virtuální difrakční obrazce se tvoří výpočtem z poskytnutých dat z rotační elektronové difrakce; a přičemž výpočetní jednotka obsahuje počítačový program pro provádění analýzy zpracovaných dat vedoucí k získání přibližného strukturního modelu obsahující:
nalezení maxim ve všech difrakčních obrazcích a určení jejich souřadnic v reciprokém prostoru;
nalezení parametrů krystalové mříže a určení orientace krystalu (5) v prostoru;
určení intenzit difrakce všech potenciálně excitovaných bodů reciproké mříže na všech difrakčních obrazcích; a a zpřesnění strukturního modelu za pomocí dynamické difrakční teorie, přičemž počítačový program dále obsahuje instrukce pro:
výpočet modelových intenzit s využitím dynamické teorie difrakce;
minimalizace rozdílu mezi experimentálně určenými intenzitami reflexí a modelovými intenzitami vypočítanými pro tyto reflexe na základě zpřesňovaného strukturního modelu; přičemž výpočetní jednotka (8) je uzpůsobena pro získávání elektronových difrakčních dat z krystalu (5) prováděné metodou trojrozměrné rotační elektronové difrakce; a vytváření virtuálního difrakčního obrazce z poskytnutých dat z rotační elektronové difrakce, přičemž každý virtuální difrakční obrazec obsahuje seznam integrovaných intenzity rozptýlených elektronů (6) pro jednotlivé směry se sečtenými příspěvky od všech experimentálních obrazců tvořících jeden virtuální obrazec, přičemž vytváření virtuálního difrakčního obrazce obsahuje:
-6CZ 310402 B6 • zvolení po sobě následujících experimentálních obrazců, které se kombinují do jednoho virtuálního obrazce, přičemž celkový úhlový rozsah pokrytý virtuálním difrakčním obrazcem je od 1° do 3°;
• nalezení všech bodů reciproké mříže, které se nacházejí uvnitř úhlového rozsahu pokrytého virtuálním difrakčním obrazcem jakéhokoliv experimentálního obrazce;
• sečtení všech intenzit difrakce pro každý nalezený bod na všech experimentálních difrakčních obrazcích.
Ve výhodném provedení předkládaného vynálezu obsahuje zařízení počítačový program umožňující určení absolutní struktury necentrosymetrických krystalů, přičemž počítačový program provádí kroky:
vytváření modelu s opačnou absolutní strukturou, než je struktura aktuálního modelu, tedy vytvoření invertovaného modelu;
provedení dynamického zpřesnění na invertovaném modelu;
porovnání indikátorů kvality zpřesnění, přičemž správná absolutní struktura je ta, která vede k menší odchylce mezi experimentálními daty a daty vypočítanými na základě strukturního modelu.
V dalším výhodném provedení se zařízení vyznačuje tím, že sběr dat na detektoru může probíhat současně s otáčením krystalu.
V dalším výhodném provedení se zařízení vyznačuje tím, že sběr dat na detektoru může být synchronizován s otáčením a zastavováním krystalu tak, aby k expozici dat docházelo pouze během otáčení krystalu.
Objasnění výkresů
Obr. 1 představuje příklad difrakčního obrazce. Ve výřezu je zobrazen zvětšený obraz jedné reflexe s uvedenými indexy, intenzitou a směrodatnou odchylkou intenzity.
Obr. 2 představuje schématický nákres vytvoření virtuálních difrakčních obrazců z experimentálních difrakčních obrazců. Obrázek 2 zejména představuje pohled podél rotační osy. Modré linie vymezují oblasti prostoru pokryté jedním experimentálním obrazcem (eo) exponovaným během rotace krystalu. Modré oblouky se šipkami znázorňují úhlový rozsah pokrytý experimentálním obrazcem. Schéma ukazuje tři takové experimentální obrazce. Několik (ve schématu 2) experimentální obrazce jsou vždy zkombinovány do jednoho virtuálního obrazce (vo, ve schématu znázorněny červenými oblouky se šipkami).
Obr. 3 představuje základní schéma zařízení, které je schopné upřesnit strukturu podle vynálezu. Na obr. 3 je znázorněn elektronový zdroj 1 emitující primární elektronový svazek 2, ze kterého systém kondenzorových čoček 3 vytváří fokusovaný elektronový svazek 4 dopadající na vzorek krystalu 5, ze kterého se dále šíří rozptýlené elektrony 6, které dopadají na detektor 7 připojený k výpočetní jednotce 8.
Obr. 4 představuje vývojový diagram způsobu zpřesnění a/nebo určení krystalové struktury podle předkládaného vynálezu.
-7CZ 310402 B6
Obr. 5 představuje krystal natrolitu použitý pro určení struktury podle popisu v části Experimentální výsledky. Osvětlená část je vyznačena kroužkem. Průměr kroužkuje 750 nm.
Obr. 6 představuje jeden z krystalů octanu abirateronu použitý pro určení struktury podle popisu v části Experimentální výsledky. Osvětlená část je vyznačena kroužkem. Průměr kroužku je 850 nm.
Obr. 7 představuje strukturní vzorec molekuly octanu abirateronu.
Příklady uskutečnění vynálezu
První příklad uskutečnění je vysvětlen s odkazem na obr. 3. Obr. 3 schematicky zobrazuje část transmisního elektronového mikroskopu, který je dále napojen na výpočetní jednotku 8 pro ukládání a zpracování dat, která využívá způsob určení nebo zpřesnění podle předkládaného vynálezu.
Obr. 3 zobrazuje transmisní elektronový mikroskop obsahující elektronový zdroj 1, který může být např. elektronová tryska. Elektronový zdroj 1 generuje primární elektronový svazek 2. Primární elektronový svazek 2 prochází kondenzorovou čočkou 3 kondenzorového systému fokusující primární elektronový svazek 2 do fokusovaného elektronového svazku 4, přičemž fokusovaný elektronový svazek 4 je namířen na krystal 5 schopný elektronové difrakce. Elektronový zdroj 1 primárního elektronového svazku 2, systém kondenzorových čoček 3 a případně i naklonění krystalu 5 mohou být řízeny pomocí řídicího systému. Rozptýlené elektrony 6 jsou detekovány detektorem 7, který je dále připojen k výpočetní jednotce 8 umožňující ukládání a zpracování dat. Výpočetní jednotka 8 pro ukládání a zpracování dat dále v sobě obsahuje databázi a počítačový program, který zpracovává data tak, že určí a/nebo zpřesní krystalovou strukturu měřeného krystalu 5 pomocí způsobu podle tohoto vynálezu.
Paralelně, nebo následně s krokem měření může výpočetní jednotka 8 vytvořit počáteční nepřesný model krystalové struktury analýzou získaných dat. V jiném provedení může počítačový program a databáze ve výpočetní jednotce 8 obsahovat informace o odhadu modelu struktury krystalu 5 pocházející z jiných zdrojů. Konkrétněji, databáze může dále obsahovat informace o krystalové struktuře krystalu 5 určené metodou rentgenové difrakce a/nebo teoreticky předpovězených modelů. Strukturní model struktury krystalu 5 získaný těmito způsoby nemusí být kompletní a přesný a technickým problém je tedy tento model zpřesnit. Zpřesněná krystalová struktura krystalu 5 může být využita pro charakterizaci a jednoznačnou identifikaci materiálu, např. ve farmaceutickém průmyslu, pro pochopení fyzikálních a chemických vlastností materiálu a tedy obecně kdekoli, kde se je znalost vlastností materiálu užitečná nebo potřebná. Použití rotační elektronové difrakce přináší proti precesní elektronové difrakci výhody především v jednodušším experimentálním uspořádání, levnějším experimentálním vybavení a jednodušším provedení samotného experimentu. Díky rychlosti sběru dat a efektivnímu využití elektronové dávky se rotační difrakce také lépe hodí pro zkoumání materiálů extrémně citlivých na elektronové záření. Pro zpřesnění krystalové struktury krystalu 5 se použije dynamická difrakční teorie. V jistém provedení lze pro zpřesnění odhadu struktury za pomocí dynamické difrakční teorie použít metodu Blochových vln pro výpočet difrakčních intenzit. Tato metoda je popsána např. v učebnici J. C. H. Spence a J. M. Zuo, Electron microdiffraction, Plenum press, 21992, str. 35 a dále.
Tímto způsobem se určí intenzita rozptýlených elektronů 6 podle daného modelu krystalové struktury krystalu 5. Pro výpočet difraktovaných intenzit s využitím dynamické teorie difrakce lze alternativně použít také metodu multislice, jejíž výsledky jsou s metodou Blochových vln ekvivalentní. Metoda multislice je detailněji popsána např. v učebnici D. B. Williams a C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy, 2. vydání, Springer, 2009, str. 533 a dále.
-8CZ 310402 B6
Vypočtené hodnoty intenzity se následně porovnají s naměřenými daty, konkrétně s intenzitami rozptýlených elektronů 6.
/C
Vypočtené Intenzity ·$ se při rotačním sběru dat v jistém provedení mohou získat integrací všech vypočtených intenzit při každé možné orientaci krystalu 5 během expozice jednoho virtuálního difrakčního obrazce. Integrace se může provádět numericky jako součet intenzit vypočtených při konečném počtu orientací krystalu 5.
Zpřesnění struktury pak spočívá zejména v určení strukturních parametrů, jako jsou pozice atomů, typy atomů a jejich rozptylové parametry. Tyto parametry jsou měněny tak, aby byl minimalizován rozdíl mezi vypočtenými intenzitami a experimentálními intenzitami. Výpočet může zahrnovat také parametry týkající se krystalu 5 a jeho orientace, tedy tloušťka krystalu 5 a vzájemná orientace fokusovaného elektronového svazku 4 a krystalu 5. Výpočet je také ovlivněn Γ parametry ovlivňujícími výpočet modelových Intenzit s .
Pro zpřesnění modelu krystalické struktury krystalu 5 může být použita metoda nejmenších čtverců. V jistém provedení lze použít standardní Gauss - Newtonův algoritmus. Tento přístup je dostačující pro malé zbytkové problémy, kde je počáteční bod blízko řešení, tj. model je téměř přesný.
Krok určení kvality zpřesněného modelu spočívá v ověření korespondence zpřesněného modelu krystalové struktury s pozorovanými veličinami pomocí indikátorů kvality zpřesnění. V jistém provedení lze validaci modelu krystalické struktury hodnotit pomocí jednoho a/nebo celé množiny indikátorů kvality zpřesnění Ri, R2, WR2. Pro tyto indikátory platí:
wR2
kde
Ic J , resp. 3 jsou pozorované, resp. vypočítané intenzity konkrétních rozptýlených elektronů 6 charakterizované difrakčním vektorem g. přičemž U ~ σ ^8^ a σ^8^ je směrodatná odchylka určení 8.
V případě, že faktor wňť dosáhne minimální hodnoty, je krystalová struktura je považována za zpřesněnou. Faktor R je také citlivý na určení správné absolutní struktury krystalu. Porovnáním faktoru R pro dvě varianty absolutní struktury a volbou varianty s nižší hodnotou R lze tedy jednoznačně určit, která z obou variant je správná. Tím lze určit absolutní strukturu krystalu a v důsledku také absolutní konfiguraci molekul v krystalu obsažených.
Předkládaný příklad uskutečnění tak poskytuje způsob, jak určit, nebo zpřesnit krystalovou strukturu krystalu 5 s přesností typicky lepší než 0.05 Á.
-9CZ 310402 B6
Experimentální výsledky
Vynález byl otestován na řadě materiálů, z nichž zde uvádíme dva - anorganický krystal silikátu sodného (minerál natrolit) a organický krystal octanu abirateronu.
Natrolit
Natrolit je minerál s chemickým složením Na2(A12SÍ30io)(H20)2. Jeho struktura má prostorovou grupu l-'ddl. což znamená, že u tohoto materiálu má smysl určovat absolutní strukturu.
Vzorek přírodního natrolitu z lokality Mariánská skála, Ústí na Labem, byl v achátové misce nadrcen nájemný prášek. Prášek byl nanesen na měděnou mřížku potaženou uhlíkovou blánou. Tato mřížka byla vložena do držáku vzorků pro transmisní elektronový mikroskop a umístěna do mikroskopu FEI Tecnai G2 20 s urychlovacím napětím 200 kV, se zdrojem elektronů LaBe a vybaveným CCD detektorem 7 SIS Veleta.
Sběr elektronových difrakčních dat z krystalu 5 metodou trojrozměrné elektronové difrakce probíhal tímto způsobem:
Prohlédnutím několika krystalů a vizuálním zkontrolováním jejich difrakčního obrazu byl vybrán vhodný kandidát na měření. Goniometr s krystalem 5 byl natočen do pozice -50°. Krystal 5 byl potom otočen o 0,6 stupňů rychlostí 0,3° za sekundu a jeho difrakční obrazec byl během celé doby otáčení zaznamenáván na detektor 7. Vzniklý experimentální difrakční obrazec byl uložen na pevný disk počítače. Tato procedura vzniku difrakčního obrazce byla opakována pro další otočení o 0,6°. Celkové otočení krystalu 5 bylo 99,6°, takže bylo celkem získáno 166 experimentálních difrakčních obrazců.
Získaná data byla dále zpracována počítačovým programem PETS2 (http://pets.fzu.cz). Zpracování dat obsahovalo tyto kroky (podrobněji viz např. publikace Palatinus, L., Brazda, P., Jelinek, M., Hrda, J., Steciuk, G. & Klementova, M. (2019) Specifics of the data processing of precession electron diffraction tomography data and their implementation in the program PETS2.0. Acta Cryst. B75, 512-522.):
- Nalezení maxim ve všech difrakčních obrazcích a určení jejich souřadnic v reciprokém prostoru (viz. obr 1);
Určení orientační matice, tedy nalezení parametrů krystalové mříže a určení orientace krystalu 5 v prostoru. Určené parametry mříže byly a=18.273 Á, b=18.646 Á, c=6.617Á, α=90°, β=90°, γ=90°;
Určení intenzit difrakce všech potenciálně excitovaných bodů reciproké mříže na všech experimentálních difrakčních obrazcích (viz. obr 1);
- Vytvoření virtuálních difrakčních obrazců, přičemž:
• Jeden virtuální obrazec pokrýval úhlový rozsah 1.2° a vznikl tedy kombinací dvou experimentálních difrakčních obrazců (viz obr 2.);
• Byly nalezeny všechny body reciproké mříže, které se nacházely uvnitř úhlového rozsahu pokrytého virtuálním difrakčním obrazcem.
• Pro každý nalezený bod reciproké mříže byly sečteny všechny intenzity difrakce náležející k tomuto bodu na všech experimentálních difrakčních obrazcích.
- 10 CZ 310402 B6 • Takto získaný seznam intenzit patřících k bodům reciproké mříže tvoří sadu dat nazvanou virtuální difrakční obrazec.
• Orientace virtuálního difrakčního obrazce byla určena jako průměr orientací obou experimentálních difrakčních obrazců, které ho tvoří.
• Každý následující virtuální difrakční obrazec byl proti předchozímu posunut o jeden experimentální difrakční obrazec. Uhlový překryv dvou po sobě následujících difrakčních obrazců byl tedy 0,6°.
• Výsledkem celé procedury byl seznam 48847 reflexí na 165 virtuálních difrakčních obrazcích.
Výstup z programu PETS ve formě seznamu reflexí s jejich indexy, intenzitami a směrodatnými odchylkami byl dále zpracován programem Jana2006 (http://jana.fzu.cz) za účelem nalezení a zpřesnění modelu krystalové struktury. Tento proces obsahoval tyto kroky:
Nalezení přibližného strukturního modelu obsahujícího seznam atomů ve struktuře s jejich přibližnými pozicemi.
Zpřesnění strukturního modelu metodou nejmenších čtverců, přičemž pro výpočet teoretických difraktovaných intenzit potřebných pro zpřesnění byla využita dynamická teorie difrakce. Výsledkem zpřesnění byly faktory shody Ri=0.0947, wR2=0.0968.
Určení správné absolutní struktury, které obsahovalo tyto kroky:
o Vytvoření invertovaného strukturního modelu, tedy modelu, ve kterém byly souřadnice všech atomů ve struktuře nahrazeny souřadnicemi se stejnou absolutní hodnotou a opačným znaménkem;
o Zpřesnění strukturního modelu stejným způsobem, jako bylo provedeno zpřesnění předchozího modelu.
o Výsledkem zpřesnění invertovaného modelu byly faktory shody Ri=0.1559, wR2=0.1663. Protože tyto hodnoty jsou o více než 0.01 vyšší než hodnoty pro neinvertovaný model, je tímto postupem jednoznačně určeno, že správné absolutní struktuře odpovídá původní, neinvertovaný model.
Výsledný zpřesněný strukturní model byl porovnán se známou referenční strukturou natrolitu určenou metodou rentgenové monokrystalové difrakce. Průměrný rozdíl v meziatomových vzdálenostech byl 0.0125 Á.
Octan abirateronu
Octan abirateronu je organická látka s farmaceutickými účinky. Jeho chemický vzorec je C26H33NO2. Molekula octanu abirateronu je zobrazena na obr. 7. Molekula je chirální a krystalizuje v prostorové grupě P212121, což znamená, že u tohoto materiálu má smysl určovat absolutní strukturu.
Bílý prášek octanu abirateronu byl rozpuštěn v destilované vodě. Po si jedné minutě byla kapka roztoku kápnuta na měděnou mřížku potaženou uhlíkovou blánou. Tato mřížka byla vložena do držáku vzorků pro transmisní elektronový mikroskop s možností chlazení a umístěna do mikroskopu FEI Tecnai G2 20 s urychlovacím napětím 200 kV, se zdrojem elektronů LaBe a vybaveným CCD detektorem 7 SIS Veleta. Vzorek byl ochlazen na teplotu 100 K.
- 11 CZ 310402 B6
Sběr dat probíhal tímto způsobem:
Prohlédnutím krystalů a vizuálním zkontrolováním jejich difrakčního obrazu byly vybrány vhodné krystaly 5 pro na měření. Celkem bylo pro měření a další zpracování vybráno pět krystalů 5. U prvního krystalu 5 byl goniometr s krystalem 5 byl natočen do pozice -28.3°. Krystal 5 byl potom otočen o 0.4° rychlostí 0.465° za sekundu a jeho difrakční obrazec byl během celé doby otáčení zaznamenáván na detektor 7. Vzniklý experimentální difrakční obrazec byl uložen na pevný disk počítače. Tato procedura vzniku difrakčního obrazce byla opakována pro další otočení o 0.4°. Celkové otočení krystalu 5 bylo 80°, takže bylo celkem získáno 200 experimentálních difrakčních obrazců.
Stejná procedura byla opakována pro další čtyři krystaly 5. Rychlost rotace i úhlový rozsah rotace pro jeden experimentální difrakční obrazec zůstaly stejné. Celkový rozsah otočení byl pro krystaly 2, 3, 4 a 5 postupně 87,2°; 78,4°; 50,4° a 54,0°.
Získaná data z každého krystalu 5 zvlášť byla dále zpracována počítačovým programem PETS2 (http://pets.fzu.cz). Zpracování dat obsahovalo tyto kroky (podrobněji viz např. publikace Palatinus, L., Brazda, P., Jelinek, M., Hrda, J., Steciuk, G. & Klementova, M. (2019) Specifics of the data processing of precession electron diffraction tomography data and their implementation in the program PETS2.0. Acta Cryst. B75, 512-522.):
- Nalezení maxim ve všech difrakčních obrazcích a určení jejich souřadnic v reciprokém prostoru (viz obr. 1);
Určení orientační matice, tedy nalezení parametrů krystalové mříže a určení orientace krystalu 5 v prostoru. Určené parametry mříže byly a=7.470 Á, b=9.689 Á, c=30.20Á, α=89.96°, β=89.98°, γ=89.99°;
Určení intenzit difrakce všech potenciálně excitovaných bodů reciproké mříže na všech experimentálních difrakčních obrazcích (viz. obr 1);
- Vytvoření virtuálních difrakčních obrazců, přičemž:
• Jeden virtuální obrazec pokrýval úhlový rozsah 2° a vznikl tedy kombinací pěti experimentálních difrakčních obrazců (viz schéma obr.2);
• Byly nalezeny všechny body reciproké mříže, které se nacházely uvnitř úhlového rozsahu pokrytého virtuálním difrakčním obrazcem.
• Pro každý nalezený bod reciproké mříže byly sečteny všechny intensity difrakce náležející k tomuto bodu na všech experimentálních difrakčních obrazcích.
• Takto získaný seznam intenzit patřících k bodům reciproké mříže tvoří sadu dat nazvanou virtuální difrakční obrazec.
• Orientace virtuálního difrakčního obrazce byla určena jako průměr orientací všech pěti experimentálních difrakčních obrazců, které ho tvoří.
• Každý následující virtuální difrakční obrazec byl proti předchozímu posunut o dva experimentální difrakční obrazce v případě krystalů 1, 2 a 3, a o tři experimentální difrakční obrazce v případě krystalů 4 a 5. Uhlový překryv dvou po sobě následujících difrakčních obrazců byl tedy 1.2°, respektive 0.8°.
• Výsledkem celé procedury byl seznam 10957 reflexí na 285 virtuálních difrakčních obrazcích.
- 12 CZ 310402 B6
Výstup z programu PETS ve formě seznamu reflexí s jejich indexy, intenzitami a směrodatnými odchylkami dále zpracována programem Jana2006 (http://iana.fzu.cz) za účelem nalezení a zpřesnění modelu krystalové struktury. Všechna data byla načtena dohromady a strukturní model byl zpřesněn proti datům ze všech pěti krystalů. Tento proces obsahoval tyto kroky:
Nalezení přibližného strukturního modelu obsahujícího seznam atomů ve struktuře s jejich přibližnými p-ozicemi.
Zpřesnění strukturního modelu metodou nejmenších čtverců, přičemž pro výpočet teoretických difraktovaných intenzit potřebných pro zpřesnění byla využita dynamická teorie difrakce. Výsledkem zpřesnění byly faktory shody Ri=0.1242, wR2=0.1354.
Určení správné absolutní struktury, které obsahovalo tyto kroky:
o Vytvoření invertovaného strukturního modelu, tedy modelu, ve kterém byly souřadnice všech atomů ve struktuře nahrazeny souřadnicemi se stejnou absolutní hodnotou a opačným znaménkem.
o Zpřesnění strukturního modelu stejným způsobem, jako bylo provedeno zpřesnění předchozího modelu.
o Výsledkem zpřesnění invertovaného modelu byly faktory shody Ri=0.1560, wR2=0.1721. Protože tyto hodnoty jsou o více než 0.01 vyšší než hodnoty pro neinvertovaný model, je tímto postupem jednoznačně určeno, že správné absolutní struktuře odpovídá původní, neinvertovaný model.
Výsledný zpřesněný strukturní model byl porovnán se známou referenční strukturou octanu abirateronu určenou metodou rentgenové monokry stalo vé difrakce. Průměrný rozdíl v meziatomových vzdálenostech byl 0.0493 Á.
Průmyslová využitelnost
Předkládaný vynález nachází uplatnění v oblasti výpočetní krystalografie. Korektněji, předkládaný vynález lze uplatnit jak v případě určení krystalové struktury anorganických krystalů, tak i struktury organických krystalů, přičemž znalost struktury krystalů se dále může využít v řadě oblastí, např. v metalurgii nebo ve farmaceutickém průmyslu.

Claims (8)

1. Způsob zpřesnění modelu struktury krystalu (5), schopného elektronové difrakce, obsahující kroky, které jsou prováděny počítačem:
i. získání elektronových difrakčních dat z krystalu (5), přičemž získání dat spočívá v zaznamenání difrakčních obrazců krystalu (5), zatímco je tento krystal (5) otáčen, přičemž difrakční obrazec obsahuje informaci o intenzitách rozptýlených elektronů (6) v jednotlivých směrech a o orientaci krystalu (5) vůči dopadajícímu svazku v průběhu sběru dat; a ii. zpracování elektronových difrakčních dat vedoucí k určení mřížových parametrů krystalu (5), orientace krystalu (5) v okamžiku záznamu difrakčního obrazce, určení indexů každé reflexe a intenzity každé reflexe na každém difrakčním obrazci, čímž vzniknou zpracovaná data; a iii. získání přibližného strukturního modelu krystalu (5) obsahující kroky:
- nalezení maxim ve všech difrakčních obrazcích a určení jejich souřadnic v reciprokém prostoru;
- nalezení parametrů krystalové mříže a určení orientace krystalu (5) v prostoru;
- určení intenzit difrakce všech potenciálně excitovaných bodů reciproké mříže na všech difrakčních obrazcích; a iv. zpřesnění přibližného strukturního modelu krystalu (5) zahrnující kroky:
a) výpočtu modelových intenzit s využitím dynamické teorie difrakce; a
b) minimalizace rozdílu mezi experimentálně určenými intenzitami reflexí a modelovými intenzitami vypočítanými pro tyto reflexe na základě zpřesňovaného strukturního modelu vyznačující se tím, že získávání elektronových difrakčních dat z krystalu (5) v kroku i. se provádí metodou trojrozměrné rotační elektronové difrakce; a
v. vytváří se virtuální difrakční obrazce ze zpracovaných dat z rotační elektronové difrakce, přičemž každý virtuální difrakční obrazec obsahuje seznam integrovaných intenzity rozptýlených elektronů (6) pro jednotlivé směry se sečtenými příspěvky od všech experimentálních obrazců tvořících jeden virtuální obrazec, přičemž vytváření virtuálního difrakčního obrazce obsahuje:
- zvolení po sobě následujících experimentálních obrazců, které se kombinují do jednoho virtuálního obrazce, přičemž celkový úhlový rozsah pokrytý virtuálním difrakčním obrazcem je od l°do3°;
- nalezení všech bodů reciproké mříže, které se nacházejí uvnitř úhlového rozsahu pokrytého virtuálním difrakčním obrazcem jakéhokoliv experimentálního obrazce;
- sečtení všech intenzit difrakce pro každý nalezený bod na všech experimentálních difrakčních obrazcích.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje kroky pro zpřesnění absolutní struktury necentrosymetrických krystalů (5):
i. vytváření modelu s opačnou absolutní strukturou, než je struktura aktuálního modelu, přičemž se souřadnice všech atomů ve struktuře krystalu (5) nahradí souřadnicemi se stejnou absolutní hodnotou a opačným znaménkem;
ii. provedení dynamického zpřesnění na invertovaném modelu, přičemž se určí strukturní parametry a jejich rozptylové parametry, přičemž tyto parametry jsou měněny, přičemž se minimalizuje rozdíl mezi vypočtenými intenzitami a experimentálními intenzitami;
iii. porovnání indikátorů kvality zpřesnění, přičemž správná absolutní strukturuje ta, která vede k menší odchylce mezi experimentálními daty a daty vypočítanými na základě strukturního modelu.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že krok získávání elektronových difrakčních dat z kroku i. trojrozměrnou elektronovou difrakcí je měření metodou kontinuální rotace krystalu (5) při záznamu difrakčních dat.
- 14CZ 310402 B6
4. Způsob podle kteréhokoliv z výše uvedených nároků, vyznačující se tím, že zpřesnění přibližného strukturního modelu krystalu (5) v kroku iv. obsahuje výpočet metodou nejmenších čtverců.
5. Zařízení pro provádění způsobu zpřesnění modelu struktury krystalu (5) podle nároků 1 až
4, vyznačující se tím, že obsahuje:
i. elektronový zdroj (1) schopný emitovat primární elektronový svazek (2);
ii. držák krystalu (5) pro rotační pohyb krystalu (5);
iii. detektor (7) rozptýlených elektronů (6) pocházejících z krystalu (5), přičemž detektor (7) je dále napojen na výpočetní jednotku (8) pro ukládání a zpracování dat vedoucí k určení mřížových parametrů krystalu (5), orientace krystalu (5) v okamžiku záznamu difrakčního obrazce, určení indexů každé reflexe a intensity každé reflexe na každém difrakčním obrazci a vytvoření virtuálních difrakčních obrazců, přičemž virtuální difrakční obrazce se tvoří výpočtem z poskytnutých dat z rotační elektronové difrakce; přičemž výpočetní jednotka (8) obsahuje počítačový program pro provádění analýzy zpracovaných dat vedoucí k získání přibližného strukturního modelu obsahující:
- nalezení maxim ve všech difrakčních obrazcích a určení jejich souřadnic v reciprokém prostoru;
- nalezení parametrů krystalové mříže a určení orientace krystalu (5) v prostoru;
- určení intenzit difrakce všech potenciálně excitovaných bodů reciproké mříže na všech difrakčních obrazcích; a
- zpřesnění strukturního modelu za pomocí dynamické difrakční teorie, přičemž počítačový program dále obsahuje:
a) seznam integrovaných intenzit rozptýlených elektronů (6) pro jednotlivé směry se sečtenými příspěvky od všech experimentálních obrazců tvořících jeden virtuální obrazec,
b) instrukce pro výpočet modelových intenzit s využitím dynamické teorie difrakce s pro minimalizaci rozdílu mezi experimentálně určenými intenzitami reflexí a modelovými intenzitami vypočítanými pro tyto reflexe na základě zpřesňovaného strukturního modelu; přičemž výpočetní jednotka (8) je uzpůsobena pro
- získávání elektronových difrakčních dat z krystalu (5) prováděnou metodou trojrozměrné rotační elektronové difrakce;
- vytváření virtuálního difrakčního obrazce z poskytnutých dat z rotační elektronové difrakce.
6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že detektorem (7) je detektor (7) rozptýlených elektronů (6) pocházejících z krystalu (5), přičemž krystal (5) je necentrosymetrický krystal (5); a přičemž výpočetní jednotka (8) dále obsahuje počítačový program pro:
i. vytváření modelu s opačnou absolutní strukturou, než je struktura aktuálního modelu, tedy vytvoření invertovaného modelu;
ii. provedení dynamického zpřesnění na invertovaném modelu; a iii. porovnání indikátorů kvality zpřesnění.
7. Zařízení podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že detektor (7) je uzpůsoben pro sbírání dat současně s otáčením krystalu (5).
8. Zařízení podle nároku 5 až 7, vyznačující se tím, že detektor (7) je synchronizován s rotačním pohybem krystalu (5) pro expozici dat pouze během otáčení krystalu (5).
CZ2021-403A 2021-09-01 2021-09-01 Způsob zpřesnění modelu struktury krystalu a zařízení k provádění tohoto způsobu CZ310402B6 (cs)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-403A CZ310402B6 (cs) 2021-09-01 2021-09-01 Způsob zpřesnění modelu struktury krystalu a zařízení k provádění tohoto způsobu
US17/565,624 US12072305B2 (en) 2021-09-01 2021-12-30 Methods for determining crystal structure and apparatus for carrying out the methods
CN202280059533.XA CN119032402A (zh) 2021-09-01 2022-09-01 用于确定晶体结构的方法和实施该方法的装置
PCT/CZ2022/050084 WO2023030563A1 (en) 2021-09-01 2022-09-01 Methods for determining crystal structure and apparatus for carrying out the methods
JP2024513360A JP7716579B2 (ja) 2021-09-01 2022-09-01 結晶構造を決定する方法及びそれを実施するための装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-403A CZ310402B6 (cs) 2021-09-01 2021-09-01 Způsob zpřesnění modelu struktury krystalu a zařízení k provádění tohoto způsobu

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2021403A3 CZ2021403A3 (cs) 2023-03-08
CZ310402B6 true CZ310402B6 (cs) 2025-05-14

Family

ID=85286935

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2021-403A CZ310402B6 (cs) 2021-09-01 2021-09-01 Způsob zpřesnění modelu struktury krystalu a zařízení k provádění tohoto způsobu

Country Status (4)

Country Link
US (1) US12072305B2 (cs)
JP (1) JP7716579B2 (cs)
CN (1) CN119032402A (cs)
CZ (1) CZ310402B6 (cs)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5936255A (en) * 1996-07-09 1999-08-10 Sharp Kabushiki Kaisha X-ray, neutron or electron diffraction method using an imaging plate and apparatus therefor
WO2021093908A1 (en) * 2019-11-16 2021-05-20 Fyzikalni Ustav Av Cr, V.V.I. A computer-implemented method and system for measurement of absolute structure of a crystal

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5954161B2 (ja) * 2012-12-19 2016-07-20 富士通株式会社 解析方法、解析装置、及びプログラム
EP3379557A1 (en) * 2017-03-20 2018-09-26 TESCAN Brno, s.r.o. Scanning transmission electron microscope and method for high throughput acquisition of electron scattering angle distribution images
EP3379236B1 (en) * 2017-03-20 2019-09-11 TESCAN Brno, s.r.o. Scanning transmission electron microscope
US12306119B2 (en) * 2022-09-07 2025-05-20 Fei Company Methods and systems for determining the absolute structure of crystal

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5936255A (en) * 1996-07-09 1999-08-10 Sharp Kabushiki Kaisha X-ray, neutron or electron diffraction method using an imaging plate and apparatus therefor
WO2021093908A1 (en) * 2019-11-16 2021-05-20 Fyzikalni Ustav Av Cr, V.V.I. A computer-implemented method and system for measurement of absolute structure of a crystal

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Anonym: "Example: Abiraterone acetate" 23.3.2021 *
Da. Zhang et al: "Collecting 3D electron diffraction data by the rotation method" Z. Kristallogr. 225, 94-102 (2010), ISSN: 2196-7105 *
L. Palatinus et al.: "Structure refinement using precession electron diffraction tomography and dynamical diffraction: theory and implementation" Acta Cryst. A71, 1-10 (2015), ISSN: 2053-2733 *
L. Palatinus et al: "Structure refinement using precession electron diffraction tomography and dynamical diffraction: tests on experimental data" Acta Cryst. B71, 1-12 (2015), ISSN:2052-5206 *
M. Gemmi et al.: "3D Electron Diffraction: The Nanocrystallography Revolution" ACS Cent. Sci., 5, 1315-1329 (2019) ISSN:2374-7951 *
P. Brázda et al: "Electron diffraction determines molecular absolute configuration in a pharmaceutical nanocrystal" Science 364, 667-669 (2019), ISSN: 0036-8075 *
P. Brázda et al: "Supplemenntary Materials for Electron diffraction determines molecular absolute configuration in a pharmaceutical nanocrystal" Science *
T. Yang: "3D Electron Microscopy Methods and Applications" Doctoral Thesis, Stocklholm University 2019, ISBN: 978-91-7797-615-8 *
U. Kolb et al: "Automated electron diffraction tomography – development and applications" Acta Cryst. B 75, 463-47 (2019), ISSN: 2052-5206 *
Y. Krysiak et al.: "The Elusive Structure of Magadiite, Solved by 3D Electron Diffraction and Model Building" Chem. Mater., 33 (9), 3207-3219 (2021), ISSN: 1520-5002 *

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2021403A3 (cs) 2023-03-08
JP2024540800A (ja) 2024-11-06
US20230065841A1 (en) 2023-03-02
JP7716579B2 (ja) 2025-07-31
US12072305B2 (en) 2024-08-27
CN119032402A (zh) 2024-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Klar et al. Accurate structure models and absolute configuration determination using dynamical effects in continuous-rotation 3D electron diffraction data
Howells et al. An assessment of the resolution limitation due to radiation-damage in x-ray diffraction microscopy
Gustafson et al. Quantifying microscale drivers for fatigue failure via coupled synchrotron X-ray characterization and simulations
Poulsen Multi scale hard x-ray microscopy
Papageorgiou et al. Protein structure analysis and validation with X-ray crystallography
Macchi et al. Modelling the experimental electron density: only the synergy of various approaches can tackle the new challenges
Asadchikov et al. X-ray topo-tomography studies of linear dislocations in silicon single crystals
Simoncic et al. Electron crystallography and dedicated electron-diffraction instrumentation
Hofmann et al. Micro-beam Laue alignment of multi-reflection Bragg coherent diffraction imaging measurements
Nield et al. The interpretation of single-crystal diffuse scattering using reverse Monte Carlo modelling
Maddali et al. High-energy coherent x-ray diffraction microscopy of polycrystal grains: Steps toward a multiscale approach
Shi et al. UnitCell Tools, a package to determine unit-cell parameters from a single electron diffraction pattern
WO2023030563A1 (en) Methods for determining crystal structure and apparatus for carrying out the methods
Papageorgiou et al. Protein structure validation and analysis with X-ray crystallography
De Andrade et al. Submicrometer hyperspectral X-ray imaging of heterogeneous rocks and geomaterials: Applications at the Fe K-edge
CZ310402B6 (cs) Způsob zpřesnění modelu struktury krystalu a zařízení k provádění tohoto způsobu
Nachiappan et al. 3D Structural Determination of Macromolecules Using X-ray Crystallography Methods
Marcos Methods and Applications of X-ray Diffraction in Crystallography and Mineralogy
Vlahakis et al. 3D nanocrystallography and the imperfect molecular lattice
EP4396828A1 (en) Methods for determining crystal structure and apparatus for carrying out the methods
Marchesini et al. Holographic analysis of diffraction structure factors
Klimova et al. Using diffraction losses of X-rays in a single crystal for determination of its lattice parameters as well as for monochromator calibration
Robertson X-ray analysis and application of Fourier series methods to molecular structures
Perkins High-flux X-ray and neutron solution scattering
Sumitani et al. Three-dimensional reconstruction of atoms in surface X-ray diffraction