ניסוי עקיפה בקרני X
ניסוי עקיפה בקרני (קריסטלוגרפיה) X מעבדה מתקדמת בכימיה פיזיקלית מדריכה :ליפסטמן סופיה 03-6406433 [email protected] בניין אורנשטיין 420 ניסוי עקיפה בקרני X מטרת הניסוי: מטרת המעבדה היא לקבל ידע בסיסי בתחום הקריסטלוגרפיה המבנית הן מגביש אחיד והן מחומר גבישי בצורת אבקה. נכיר את תופעת העקיפה ( )diffractionמשריגים שונים ואת שימושה בקביעת תבנית המחזוריות בהם .נלמד על קריסטלוגרפיה כימית מודרנית ,כימיה סופרמולקולרית ,שיטות גיבוש ,מערכים אורגנו-מתכתיים ( ,)MOFsופיתרון מבנה גבישי. נתחיל מהכנה וגיבוש של מספר מערכים אורגנו-מתכתיים בשיטה סולבו-תרמית ( .)solvothermal crystallizationהליגנדה איתה נעבוד הינה חומצה טרימסית ( )trimesic acidעם מתכות מעבר שונות. נעבור לניסוי של עקיפת קרני לייזר משריג דו-מימדי ,על-מנת להמחיש את תופעת עקיפת גלים אלקטרומגנטיים ואת יחסי הגומלין בין מרווחי השריג לבין אלו המתקבלים בתמונת העקיפה. נלמד על דיפרקציה מאבקות ומגבישים יחידים של NaCl, KClו KBr -ונחשב על-פי התוצאות את מימד תא היחידה האופייני לכל אחד מהחומרים הנבדקים . לבסוף נבצע איסוף נתונים קריסטלוגרפיים של אחד הגבישים שיתקבלו מגיבוש ונלמד על פיתרון ושיפור מבנה עד לרמה שמאפשרת פרסום .נכיר גם את מאגר הנתונים הקריסטלוגרפיThe Cambridge Structural Database (CSD) : דרך המאגר הלימודי הנגיש שלהם : http://webcsd.ccdc.cam.ac.uk/teaching_database_demo.php חומר רקע לניסוי נמצא במקורות הבאים : א .דפים המצורפים לתדריך (אחרי הנספחים). ב .אתר אינטרנט ,המאפשר המחשה אינטראקטיבית טובה : http://www.matter.org.uk/diffraction ג .ביבליוגרפיה המצורפת לתדריך ( .בעיקר ספר – 6פרקים )7 ,6 ,3 ,1,2 ד .אתרי אינטרנט בנושא הגיבושhttp://www.xray.ncsu.edu/GrowXtal.html : https://www2.chemistry.msu.edu/facilities/crystallography/xtalgrow.pdf ה .מצגת שתקבלו ממדריכה (נא להגיע עם דיסק און-קי) הכנה למעבדה לשבוע :1 יש להגדיר בכתב את המושגים הבאים ,להבין ולדעת להסביר (החלק הזה יהיה מצורף כחלק תאורטי לדו"ח): .1מה זה מערכים אורגנו מתכתיים ( ?) Metal Organic Frameworks or MOFs למה הם משמשים? כיצד מיצרים אותם? למה צריך שיטות קריסטלוגרפיות בשביל לאפיין אותם? .2שיטות גיבוש .3מהי דיפרקציה? תופעת עקיפה בשריג. .4משוואת Bragg .5שריג הופכי .6אינדקסי מילר .7תא יחידה .בפרט תא יחידה קובי ממורכז פאה )(Cubic F .8כדור ההחזרות של .Ewald .9שיטות לקביעת מבנה גבישי (אבקה ,רוטציה ,איסוף נתונים מלא) .10דיפרקטומטר (לגביש אחיד)= המערכת הניסיונית (מה החלקים ,מה הם עושים ,מה הדרישות )... .11כיצד נוצרים קרני ?Xכיצד מקבלים קרינה מונוכרומטית? .12למצוא מספרות מה אנחנו מצפים לקבל בניסויי אבקה גבישית ורוטציה של גביש אחיד של NaCl, KClו .KBr -מה מימדי תא של גבישים אלו .ספרותי מול חישובי. נא לחשב בבית. .13בזמן הניסוי נחשב מה גודל האופטימלי של כ"א מהגבישים בשביל ניסוי הרוטציה (דרך החישוב ישנה בנספחים – להבין את החישוב ,ניתן להגיע עם החישוב מוכן) לשבוע :2 .1 .2 .3 .4 חובה :לחשב עפ"י תמונות שהתקבלו מצילומים של גבישים אחידים בשיטת רוטציה ,את הזויות אותם אנחנו מצפים לקבל ביום השני בניסוי אבקה עם קרינת נחושת. להתכונן לניסוי של דיפרקציית אבקה. לקרוא על איסוף נתונים ושיפור מבנה של גביש אחיד. כבר ניתן לחשב תוצאות לחלק של דיפרקציית לייזר. לשבוע :3 .1חובה :לקרוא ולהבין לעומק פרק על גורמי המבנה .למה קיבלנו את התחלקות העוצמות שקיבלנו. .2ללמוד על קביעת מימדי התא .3ללמוד על פתרון מבנה מהלך הניסוי: .1יצירת מערכים אורגנו מתכתיים ()MOFs יש להגיע למעבדה עם חלוק ,נעליים סגורות ומשקפי מגן (בכל שלושת המפגשים) .יש לבצע חזרה על כללי עבודה במעבדה כימית .להדפיס וללמוד את ה MSDSשל החומרים איתם נעבוד בניסוי. במפגש הראשון נכין 3מערכות גיבוש שונות לסינתזה הידרו-תרמית .לאחר 3ימים נכבה את מערכת החימום ותהליך הגיבוש ימשיך עד השבוע השני של הניסוי. א .הכן 3בקבוקונים (ויילים) נקיים ,עם אטמים מתאימים( .האטמים נועדו להגן על הפקק שאינו עמיד לחומרים כימיים). ב .סמן את הבקבוקונים ,בשני מקומות ע"י מרקר כך שתוכל לזהות את הויילים בסוף הניסוי. ג .במאזניים אנליטיים שקול ע"י ספטולה נקייה לתוך הבקבוקונים כ 30מ"ג של חומצה טרימסית. ד .חשב כמה מולים של חומצה יש בכ"א מהבקבוקונים וחשב כמה מתכת צריך להוסיף לכ"א מהויילים כדי לקבל יחסים מוליים של 1:1עד 1:3בין החומצה למתכת. הערה :אנחנו עובדים בכמויות מאוד מאוד קטנות .אין צורך לדאוג לכמויות מדוייקות אלא לרישום מדוייק של כמה הוכנס .המתכות איתן נעבוד הן: NiCl2*6H2O, CoCl2*6H2O , Zn(NO3)2 , ZnCl2*6H2Oביום המעבדה תקבלו הדרכה עם אילו מהמתכות תעבדו. ה .במנדף ע"י פיפטת פסטר נוסיף לויילים את הממסים ,DMFמים ,וחומצה אצטית. לפי פירוט שתקבלו במעבדה. ו .סגרו את הויילים היטב. ז .ערבבו ע"י שימוש בסוניקטור (גלי קול) .ורישמו במחברת תצפיות. ח .הכניסו ל"אמבט יבש" .קבעו את הטמפרטורה הרצויה על 85-120Cוהפעילו את החימום .סגרו את דלתות המינדף. ט .כעבור 3ימים תכבו את החימום והשאירו את הויילים במנוחה להתקררות איטית להמשך גיבוש. י .ביום השני של הניסוי ,נבדוק האם התקבלו גבישים .לשם כך צריך להכין סלייד (זכוכית שעליה שמים את הדוגמאות לצפייה תחת מיקרוסקופ) .על הסלייד שמים עם ספטולה נקייה מעט שמן .השמן מאפשר מצד אחד לבצע נקיון הגבישים ,מצד שני מונע איבוד מולקולות ממס נדיפות מתוך השריג הגבישי וע"י כך עוזר למנוע התפרקות גבישים רגישים עקב יציאת מולקולות "אורחות" או התפרקות של גבישים שרגישים כימית לאוויר .במנדף נוציא מעט מהגבישים ע"י ספטולה לתוך השמן .נעבור לבחון את הגבישים בשמן מתחת למיקרוסקופ. יא .במיקרוסקופ אור ,נבחן את הגבישים ,נתרשם מגודלם ,צורתם ,צבעם ...נראה האם אנחנו רואים גבישים שיכולים להיות מתאימים לאנליזה קריסטלוגרפית ונבודד אותם. יב .השלב יתבצע ע"י המדריכה מאחר ודורש מיומנות רבה וניסיון .ע"י גרירה של הגביש שנבחר על גבי הסלייד עם ראש גוניומטר עליו מודבק מחט זכוכית דק מאוד וחלול ,ידבק בסופו של דבר הגביש לקצה המחט. יג .נעבור לדיפרקטומטר. הערה :כל השלבים של עבודה עם קרינה יתבצעו ע"י המדריכה מאחר ודורשים הסמכה. ראה פרטים על הדיפרקטומטר איתו נעבוד בנספחים .יש לדעת מה הם החלקים השונים של הדיפרקטומטר. נחבר את ראש הגוניומטר ע"י הלבשה והברגה. יד .במעבדה תקבלו הסבר מפורט לגבי התוכנות השונות איתם נעבוד. בתוכנה APEX2Serverנכנס לאיזור ה Setupל .Center Crystalיעלה חלון המצלמה ,בו נוכל לראות את הגביש (בהגדלה) .המטרה שלנו למרכז את הגביש במרכז הקרן הפוגעת ככה שכאשר אנחנו מסובבים את הגביש מסביב לצירים השונים ,הוא תמיד יישאר במרכז האלומה. טו .נבצע הקרנה של הגביש במשך 10.0שניות על מנת לבחון את איכות ועוצמת הדיפרקציה של הגביש( .במעבדה תקבלו הסבר מפורט לגבי אופציות נוספות שיש לנו בתוכנה) .אם הדיפרקציה תספק אותנו נעבור לשלב הבא ,אם לא נחזור לבחירת גביש חדש. טז .נעבור לאיסוף נתונים קריסטלוגרפיים .לשם כך צריך לפתוח פרוייקט בתוכנה sample > new > name > OK :APEX2 יז .נעבור על הממשק למשתמש ונלמד עליו. יח .שלב ראשון באיסוף נתונים הוא קביעת מימדי התא שכולל בעצמו 5שלבים. למטרה זו עושים איסוף נתונים מהיר יחסית שממנו לומדים על איכות הקרינה, קובעים את מימדי התא ,את שריג הבראווה ) (Bravais latticeואת הזמן המשוער שצריך לבצע איסוף נתונים בשביל להגיע לרזולוציה (זויות איסוף מקסימליות שקובעות את איכות המבנה) הרצויה. יט .לאחר שיש בידינו את כל הנתונים ,נוכל לבחון במאגר המידע המבני של קיימברידג' (( – )CSDראה דפים מצורפים בסוף התדריך) ,האם המבנה כבר פורסם .אנחנו במעבדה נבצע איסוף נתונים בכל מקרה לשם לימוד ,אבל במחקר אם המבנה כבר פורסם – הוא כבר לא חדשני ולא מעניין אותנו בשלב זה .במקרה ומחליטים לעבור לאיסוף נתונים צריך לחשב את אסטרטגיית האיסוף: . Data collection strategy כ .לאחר שנבנה אסטרטגיה מתאימה ,נוכל להפעיל את האיסוף .האיסוף האופייני לגבישים עם מולקולות אורגנו-מתכתיות קטנות עם אטומים כבדים נמשך כמה שעות ,ולמולקולות אורגניות קלות וגדולות עד יממה ואפילו יותר בתנאי שהגביש לא רגיש לקרינה ולא מתפרק בזמן איסוף הנתונים. הערה :בד"כ מבצעים את איסוף הנתונים עם קירור של הגביש ע"י חנקן נוזלי, בצורה מבוקרת ל -163Cכדי להקטין תנודות תרמיות של אטומים ולקבל תוצאות ברזולוציה גבוהה יותר וגם כדי לשמור על הגביש .השמן בו אנחנו משתמשים הוא אמורפי .בניסוי שלנו לא נקרר את המערכת. לאחר שהפעלנו את האיסוף ,המחשב יחשב את הזמן המשוער לסיום איסוף הנתונים ובינתיים נעבוד על חלקים אחרים בניסוי. כא .לאחר שאיסוף הנתונים יסתיים ,נעבור לעיבוד נתונים (במפגש השלישי של הניסוי) .לפני שהנתונים יוכלו לשמש לפתרון ושיפור מבנה גבישי ,יש צורך להמיר את המידע מהתמונות לעוצמות של החזרות .השלב הראשון בעיבוד נתונים הוא האינטגרציה. כב .בשלב השני מבצעים כיול – שמים את כל הסטים השונים שנאספו על אותה סקלה. כג .ברגע שיש לנו קובץ שיצרנו אחרי הכיול אפשר לעבור לבחון את הנתונים ולקבוע את החבורה המרחבית .בסיום שלב זה יש לנו שני קבצים עם סיומות – INSקובץ הוראות להפעלת תוכנית לפתרון ושיפור מבנה SHELXוקובץ HKLשבו רשימת ההחזרות ועוצמתן שנאספו בניסוי. כד .נעבור לפתרון ושיפור המבנה .גם ב APEX2וגם בתוכנה נוספת .ShelXle כה .לסיום נלמד כיצד מייצרים ,עורכים ובודקים קובץ CIFשאותו מצרפים למאמר שנשלח לפרסום בעיתונות מדעית. ראו 2מאמרים בפרק נספחים שמתארים דוגמאות של מערכים אורגנו מתכתיים עם חומצה טרימסית. עיבוד תוצאות: א .תארו והסבירו את החלק הניסיוני של הגיבוש .מה הייתם יכולים לשפר בניסוי? ב .סכמו מה התוצאות של ניסוי הגיבוש .תארו את החומרים שהתקבלו. ג .איזה גביש נבחר לניסוי הדיפרקציה? למה? ד .תארו את התהליך של איסוף הנתונים .מה השלבים החל מבחירת הגביש .מה משמעות כל שלב? מה הבעיות בכ"א מהשלבים? ה .תארו את המבנה שהתקבל( .העזרו במאמרים המצורפים לתדריך או במאמר מתאים אותו נמצא לאחר בדיקה במאגר נתונים קריסטלוגרפי) .צרפו לדו"ח את המאמר שמתאר את הגביש שהצלחתם לגדל. ו .כיצד התבצע שיפור המבנה? מה הם השלבים? מה משמעות של כל אחד מהם? ה .מה זה קובץ ? .cifהאם ביצעתם שיפורים בו? צרפו את הקובץ לדו"ח .ראה ב: http://en.wikipedia.org/wiki/Crystallographic_Information_File ו .סכמו בקצרה את החלק הזה של הניסוי .הציעו רעיונות לשיפור. .2ניסוי בקרינת לייזר נעביר קרינת לייזר דרך שני שריגים שונים ונשווה את 'צפיפות' הנקודות בתמונות העקיפה המתקבלות . נמדוד במיקרוסקופ את המרחק בין חוטי השריג ,בהתבסס על-כך שכל שנתה במיקרוסקופ (השנתות מותקנות רק בעינית הימנית של המיקרוסקופ!) מייצגת 0.01מ"מ .נשווה מרחק זה למרחק שיחושב מתמונת העקיפה .כיצד תבצעו את החישוב? מה הערכים שיש למדוד בניסוי? נלמד על היחס ההפכי בין ה ֵממַדים בתמונות העקיפה לבין מחזוריות השריגים .נכיר המושג "שריג הפכי". עיבוד תוצאות: חשב את רוחב הסדק עבור כל אחד מהשריגים ,מתוך התמונה המתקבלת על הקיר .השווה את הגדלים המחושבים לממצאים הנמדדים במיקרוסקופ .הסבר ממה נובעים ההבדלים. הסבר את מקור השגיאה בין הערכים המחושבים והמדודים .צרף את התוצאות הניסיוניות והחישובים. .3ניסוי בקרינת - Xבשיטת הגביש הסובב – רוטציה . בניסוי זה נפיק תמונות עקיפה של קרני Xמגבישים יחידים של KCl , NaClו.KBr - .1הדבקת הגביש : בטרם נדביק הגביש ,נחשב את גודלו האופטימלי הדרוש לניסוי .ראה הסבר על כך בדפים המצורפים לתדריך ,מתוך ,]3[ Buergerעמ' .178-181רק לאחר החישוב ,ניגש למלאכת ההדבקה . א .באמצעות ספטולה נוציא מעט מגבישי החומר ונפזרם על זכוכית-נושא של המיקרוסקופ .מתוך התבוננות במיקרוסקופ נבחר גביש בעל צורה קרובה לקובייה וגודל אופטימלי . ב .נשים על ראש הגוניומטר מקל זכוכית באורך הנדרש (תלוי בסוג של ראש הגוניומטר) . ג .נשתמש בדבק Epoxyלשם הדבקת הגביש הנבחר לראש מקל הזכוכית .נערבב לשם כך כמות קטנה ושווה משתי שפופרות הדבק . ד .נדביק הגביש ,ונמתין כ 20-דקות עד להתייצבות ההדבקה . .2נמרכז את הגביש על הגוניומטר. .3נקרין את הגביש בקרינת Moתוך כדי סיבובו סביב ציר ה piב 360מעלות. .4נשמור את התמונה כקובץ .pngהבעיה הינה בכך שהתמונה איננה נשמרת כגודל תמונה אמיתי בדטקטור (גלאי) .אם נסתכל על האיפיונים של הדטקטור נראה שהוא מצלם על שטח של 512 * 512פיקסלים ואילו השמירה לתמונה ע"י לחיצה על כפתור ימין בעכבר מתבצעת לגודל תמונה גדול יותר שמותאם למסך. לכן על מנת לקבל את זויות הפיזור ( ,)2thetaנבצע שלבי כיול הבאים: א -עימדו עם העכבר על ההחזרות וראו בחלון למטה את ערכי 2thetaשמתקבלים. מאחר שהערך תלוי במיקום הסמן על התמונה (צריך להשתדל לעמוד על מרכז ההחזרה) ,ניקח ערכים מכמה החזרות שמוחזרות מאותו מישור ונעשה ממוצע. ב -המדריכה תעביר את הקבצים למחשב רגיל שלא מחובר למכשור: נפתח את התמונות ב Microsoft office picture managerונדפיס. ג -מתוך ידיעת זווית 2thetaשל מספר החזרות ,ומדידת הרדיוס מהתמונה נוכל לחשב את מרחק דטקטור "אפקטיבי" .בו נשתמש לחישובים בבית. ד -בבית תעבדו את התוצאות בהתאם למתואר בחלק "עיבוד תוצאות" .למעבדה הבאה יש להגיע עם זויות הפיזור אותם נצפה לקבל בניסוי האבקה .יש לזכור שנעבוד עם שפופרת עם אורך גל שונה ולהתאים את החישובים. עיבוד תוצאות: בתום הניסויים ,נקבל 3תמונות עקיפה :מגביש ,NaClמגביש KClוכן מגביש .KBr בבחינת כל אחת מהתמונות ,נמדוד ונחשב את הגדלים הבאים : א .חישוב מרחק אפקטיבי בין הדטקטור לגביש ()D עבור החזרות עם זויות החזרה ,2θאותם מדדתם באופן ישיר ממסך המחשב ,מדוד את רדיוסי המעגלים של תמונת העקיפה ( – )sלהגדלת הדיוק ניתן למדוד את הקוטר ולחלק ב .2חשב את המרחק האפקטיבי בין הדטקטור לגביש ,Dלפי נוסחא ,1המתאימה לצילום על-גבי לוח שטוח .ראה הרחבה בנושא בחומר העיון המצורף לתדריך (ע' , 103 -101 מתוך [. ) Buerger [3 (1) tan 2θ = s / D כאשר: – 2זווית הפיזור ,המוגדרת כזווית בין הקרן הפוגעת בגביש לקרן המפוזרת ממנו בכיוון נתון. - sרדיוס מעגל העקיפה ,עליו פזורים כתמי העקיפה. - Dמרחק לוח הצילום מהגביש. זיכרו :יש לשים לב לכל מעגלי תמונת הדיפרקציה באופן עקבי ,כולל אלו שעוצמתם חלשה מאוד . ב .חישוב זויות הפיזור ()2 מדוד את רדיוסי כל המעגלים של תמונת העקיפה ( , )sוחשב את זוית θלפי נוסחא .1 ערוך את התוצאות בטבלה. ג .חישוב המרחק הבין-מישורי ()d חשב את המרחק הבין מישורי ( )dהגבישי ,האופייני לכל מעגל עקיפה ,לפי משוואת , Braggנוסחא . 2 (2) 2dnh nk nl sinθ = λ כאשר: - dמרחק בין-מישורי בגביש ,ממנו התקבלה עקיפה בונה בזוית הפיזור הנתונה .θ - θזוית הפיזור - λאורך הגל של קרני ה . X-זכור שהקרינה היוצאת מהשפופרת הינה מונוכרומטית! - nמספר שלם . n = 1,2,3 , – h,k,lאינדקסי מילר של המישור ,המבטאים את כיוון המישור ביחס למערכת הצירים של תא היחידה . להזכירכם :אנו משתמשים בניסוי בשפופרת מסוימת -שפופרת נחושת ( )Cuאו שפופרת מוליבדן ( . )Moעליכם להחליט ,לפי הרשום על השפופרת ,מהו אורך הגל ,λ ,של הקרינה . ד .חשב את מימד תא היחידה המקורב , a ,האופייני לגביש הנבדק ,לפי הרדיוסים היוניים של אטומי .Na ,Cl ,K ,Brזכור כי שלושת החומרים יוצרים מבנה דומה של שריג קובי ממורכז פאה ( .)fccבדוק בספרות מהו ,והעזר במודל המצוי במעבדתנו . ה .ערוך טבלה שכוללת את העמודות הבאות :זוית בין כיוון הקרינה הפוגעת והקרינה המפוזרת ( , )2זוית הפיזור ( , )θהמרחק הבין-מישורי ( ,)dהגודל ,a/dוצירוף אינדקסי מילר המתאימים ל d-הספציפי (האינדקסים . )h,k,l מלא בטבלה ערכים שחושבו עד כה .אינדקסי מילר יחושבו בהמשך . ו .חשב ומצא את צירוף אינדקסי מילר עבור כל dלפי נוסחא ,3המתאימה למערכות קוביות (איזומטריות) .פירוט נוסף על המשוואות המתאימות למערכות הקריסטלוגרפיות השונות תמצא בחומר העיון שבתדריך ע' , 103מתוך ]. Buerger [3 ()3 a = d * h2 k 2 l2 ז .מלא בטבלה שהכנת את אינדקסי מילר עבור כל מרחק בין-מישורי .d ,על-פי ערכי הטבלה ,חשב את מימד תא היחידה הממוצע , a ,על פי ממצאי הניסוי .השווה את מימדי תא היחידה שמצאת עבור NaCl , KClו KBr-לאלו המופיעים בספרות והסבר את מקור ההבדלים . ח .בצע את הסעיפים הקודמים של עיבוד התוצאות עבור גבישי NaCl , KClו- . KBrהשווה בין התוצאות תוך בחינת הגיאומטריה של תבניות העקיפה והתחלקות העוצמות בהן. ט .צרף חישוב לגודל גביש אופטימלי עם הסברים לכל שלב חישוב. .4ניסוי בדיפרקטומטר אבקה בשיטת \ 2 חשוב :בבית אחרי השבוע הראשון של הניסוי ,חישבו מתוך צילומי הדיפרקציה שהתקבלו בניסויי רוטציה של גביש יחיד וינתנו לכם במעבדה ,את הזוויות ) , (2thetaבהן אנו צופים לקבל קווי עקיפה ,עבור כל אחת מהאבקות הנבדקות . *** זכרו :תמונות התקבלו מקרינת שפופרת ,Moבעוד שבמערכת האבקה -הקרינה מופקת משפופרת *** .Cu בניסוי זה נקרין אבקה של ,NaClשל KClושל KBrבקרינת ,Xונקבל את פסי הדיפרקציה האופייניים ("טביעות אצבע") לכל אחד מהחומרים ,על גבי גרף המציג עוצמה כנגד . 2 מערכת הניסוי מורכבת מתיבת ה , Miniflex-שהיא מערכת קומפקטית לניסויי עקיפה בקרני Xומַחשב ,באמצעותו אנו קובעים את תנאי המדידה ,ועליו מוצגים הגרפים עם פסי הדיפרקציה האופייניים .בתיבה מצוי תא ההקרנה המכיל :שפופרת נחושת לקרני ,X תושבת לצלוחית עם האבקה ,פילטר (מונוכרומטור) וגלאי קרינה .מתח וזרם השפופרת קבועים ולא ניתנים לשינוי .מתח השפופרת , 30 KV -הזרם.15 mA - הכנת האבקות :נכתוש כל אחת מהתרכובות לאבקה ,ונטען אותה על צלוחית האלומיניום של הדיפרקטומטר .במעבר מאבקה לאבקה ,נדאג לנקות היטב את המכתש והעלי וכן את הספטולה. העריכו איזו השפעה יש למידת הכתישה של האבקה. הוראות הפעלת תיבת ה:Miniflex- א .הדלק את מערכת הקירור. ב .הנח את צלוחית האלומיניום עם האבקה הנבדקת ,אחרי שנכתשה ,בתוך תא ההקרנה . ג .הדלק את מערכת הדיפרקציה בגב התיבה ,ע"י לחיצה על כפתור ,ONואז על כפתור POWERשמעליו .בעקבות זאת -ידלקו בקדמת התיבה הנורות הבאות : .power ,ready scanעם סגירת דלת תא ההקרנה תדלק גם נורת ה. shutter - ד .הפעל את קרינת ה X-ע"י לחיצה קצרה והמתנה שתידלק נורת ה ,x-ray on -ובראש התיבה תידלק נורה אדומה גדולה . הפעלת התוכנה: א .פתח החלון ששמו .Rigaku ב .פתח את חלון ,standard measurementבו יקבע אופן ייצור הנתונים ותנאי המדידה. .1קבע את שם התיקייה בה תרשם המדידה .השם שינתן . c:/rw/students : קבע את שם הקובץ עם סיומת ,rawוכן את שם הדוגמא .לכל דוגמא תן שם שונה. .2קבע את תנאי המדידה בתוך חלון ' 'measurement conditionsשיפתח .בחלון זה נקבע את תחום זוויות הסריקה ( )20-120ואת קצב הסריקה .לאחר השינויים שתעשה ,יש לשמור אותם ע"י ,save conditionורק לאחר מכן לחץ על כפתור closeמימין. .3התחל את המדידה ע"י לחיצה על ' 'measurement startואז יפתח חלון עם גרף עליו יתקבלו קווי הדיפרקציה. ג .עם תום הניסוי ,כשהגרף הגיע לזווית הסיום שניתנה ,נסגור את חלון הגרף ,ונפתח את חלון עיבוד התוצאות.peak search - .1נפתח ( )openאת הקובץ עליו נרשמו הנתונים ,מתוך התיקייה בה הוא נשמר . יתקבל גרף עם קווי הדיפרקציה של האבקה הנבדקת (,)Intensity vs. 2theta עליו ניתן להפעיל מספר אופציות כגון :החלקת הגרף ( ,)smoothingהקטנת הרקע ( ,)background subtractionלהתעלם מקרינת K2וכו'. .2הפעל את אפשרויות עיבוד הנתונים המצוינות בסעיף ,1ושלח להדפסה לקובץ ,PDFע"י .PRINTנא להביא דיסק-און-קי לשמירת הנתונים. עיבוד תוצאות: א .עם תום מדידת האבקה ,השווה את ערכי ,2הצפויים עפ"י החישוב מניסוי של רוטציה, לאלו המתקבלים בניסוי האבקה .עפ"י החישוב ,ניתן להחליט איזה פיקים על הגרף צפויים, ואיזה מהם נחשבים כרקע בלבד .הערך והסבר באיזה משתי השיטות הנבחנות – רוטציה של גביש אחיד וגרף קווי עקיפה מאבקה – הדיוק בחישוב זוויות 2גדול יותר. ב .ביודענו את סוג השריג של האבקות הנבדקות ,אנו יכולים להעריך את אינדקסי מילר של המישורים מהם תתקבל קרינה ) .(Bragg reflectionsמתוך ידיעת אינדקסי המישורים ,אנו נוכל לחשב את הזוויות 2בהן יתקבלו קווי עקיפה אופייניים ,לפי הצעדים הבאים: .1ערוך טבלה הכוללת את העמודות הבאות ,בהתאם לתדריך לחלק הגביש הסובב בפרק 3דלעיל ,החל מסעיף ג' (בצע את הסעיפים ג' – ח') :אינדקסי מילר ),(h,k,l המרחק הבין-מישורי ) ,(dזווית , thetaוזווית .2 2thetaמלא בטבלה את אינדקסי מילר. .2חשב את dnh nk nlעבור כל מישור( ,לפי הנוסחא בסעיף ה' בפרק עיבוד התוצאות בע' ,)8והוסף ערכיו לטבלה a .חישבתם בסעיף ג' של ניסוי רוטציה. .3עבור כל מישור החזרה ,חשבו את sinואת זווית מתוך משוואת ,Braggוהוסיפו לטבלה. ג .בצעו את שלבי עיבוד התוצאות עבור כל האבקות הנבחנות בניסוי. ד .הסבר את השפעות הפרמטרים של ה ,Background Subs. ,Smoothing-וכן - K2 Elimi.על הגרפים של Intensityכנגד .2theta ה .הסבר מה השפעת מידת הכתישה על העוצמה ועל פרמטרים שונים של הגרף. ו .בחן את התוצאה המתקבלת בצילום האבקה .הסבר את ההבדל בין תמונת האבקה לתמונת גביש יחיד. ז .פתח את הביטוי לגורם המבנה עבור כל אחד מהגבישים שנבחנו .הסבר והשווה ,לאור פיתוח זה ולאורם של ערכי האינדקסים h,k,lשנמצאו (בסעיף ה ,).את תמונות הצילום שהתקבלו( .העזרו ברקע התאורטי המצורף )Cullity B. D. p116-135: דו"ח מעבדה -עקיפה בקרני X על הדו"ח לכלול את הפרקים הבאים : .1רקע תאורטי שיסביר את כל העקרונות ,המושגים והמכשור להם נחשפתם בניסוי. הסבר על עקיפה בשריג; הסבר השיטות לקביעת מבנה גבישי :שיטת , Laue שיטת האבקה ועקרון שיטת הרוטציה של גביש .למד והסבר את המונחים הבאים : כדור ,Ewaldשריג הופכי ( , )reciprocal latticeמשוואת , Braggאינדקסי מילר של מישור ,תא יחידה ,תא יחידה קובי ממורכז-פיאה (. )fcc .2לכל חלק של הניסוי בנפרד ,להכין סיכום שכולל א .תאור הניסוי ב .תוצאות הניסוי ,כולל לצרף גרפים שהתקבלו בניסוי... ג .תכנון עיבוד תוצאות ,כיצד מתוצאות שאספנו בניסוי ,נקבל את התוצאות אליהם רוצים להגיע ,חישוב אחד מדגמי ומפורט תוצאות מעובדות על סמך החלק הקודם ,מסודרות בטבלאות בצורה מסודרת עם עמודות ברורות והשתייכות ברורה לחלק מתאים בתכנון עיבוד תוצאות ,כולל הדגשת התוצאות הסופיות .צרפו לדו"ח את הגרפים של קווי העקיפה . ד .אם יש צורך לבצע חישובים תאורטיים ,לבצע. ה .דיון בתוצאות של החלק הנתון ,השוואה לתאוריה ,דיון באפשרויות לשיפור... .3סיכום כללי של הניסוי. נתונים : כל שנתה במיקרוסקופ (למדידת השריג בניסוי הלייזר) מייצגת 0.01מ"מ . אורכי גל : λLaser He-Ne = 6328 Å λMo Kα = 0.7107 Å λCu K α = 1.5418 Å BIBLIOGRAPHY 1. L.V. Azaroff, “Elements of X-Ray Crystallography”, McGraw-Hill Book Company , New-York, 1968. 2. G.H. Stout and L.H. Jensen, “X- ray Structure Determination, a practical guide," The Macmillan Company, London , 1968. 3. M.J. Buerger , “X-Ray Crystallography”, 7th printing , John Wiley & Sons, New-York , 1966. 4. B. Rossi, “ Optics “, 3rd printing, Addison-Wesley Publishing Company, 1965 5. B.D. Cullity, “Elements of X-ray Diffraction”, Addison-Wesley Publishing Company 1956 6. J.P. Glusker, “Crystal Structure Analysis for Chemists and Biologists”, VCH Publishers, 1994 . דיפרקטומטר- 1 נספח Nonius איסוף נתונים מגבישים יחידים מתבצע בעזרת דיפרקטומטר מדגם :(λ =0.7107Å) Mo-Kα המצויד במונוכרומטור גרפיט עם קרינתKappaCCD The KappaCCD consists of a X-ray source, three axes goniometer (Omega, Kappa, Phi) to position the crystal and a Theta axis and DX to position the detector. The two-dimensional detector measures the X-rays, which are reflected from the crystal. The X-rays are generated by a fixed tube as part of the goniometer and a HV generator. The X-ray optics consists of a main shutter, a fast shutter, a monochromator to suppress the ß- and brehms radiation and a collimator to get a small bundle. Safety switches close the main shutter or switch off the high voltage in unsafe conditions. A microscope displays the crystal on the PC monitor. In the two-dimensional detector a phosphor converts the X-ray to light and a cooled scientific grade CCD measures the light signal. The axes are decoded by precision optical encoders and are driven by DC motors, which permit accurate, fast and smooth positioning with low power. The system is controlled by a dedicated Server computer. The goniometer is surrounded by a radiation enclosure, which prevents access to the radiation and suppresses scattered X-ray. Goniometer: The crystal is in the optical center of three rotation axes: φ, ω and κ. Thanks to the rotations combination around these axes, it is possible to give all the possible orientations to the crystal. The respective position of these three axes is indicated on the following figure: Figure: Kappa CCD goniometer Goniometer Angle, DX Phi ±180° Kappa ±175° Omega ±210° Theta, with sealed tube -10°, +66° (in a 590 radiation enclosure) Chi 0° - 99.85° DX 25 - 170 mm Speed Phi 0.0012 - 3000 °/min Kappa, Omega, 2Theta 0.0009 - 2000 °/min DX 2000 mm/min Accuracy Phi ±0.015° Kappa, Omega, 2Theta ±0.010° Reproducibility ±0.005° Resolution 0.0003° DX ±0.5 mm Reproducibility ±0.1 mm X-ray safety The equipment generates open X-ray, which can cause human hazards when safety rules are not followed: The equipment must be operated under the responsibility of an X-ray safety officer, as stated by local regulations. ECON ראש גוניומטר- 2 נספח The Nonius Econ Goniometer Head Nonius' long experience in the design and manufacture of many goniometer heads with the exacting demands referred to has now enabled us to take advantage of new materials, new construction techniques and advanced design features to produce a radically new goniometer head. This head (ECON) has the required features but is so economical that it is reasonable to consider devoting one head to each sample. While ECON supplies the necessary accuracy and stability for high precision work at ambient temperature, the unit is markedly lower in cost than anything else available. ECON can, of course, be re-used many times without suffering any significant degradation in performance. However, for the first time, it is now possible to store your sample on the diffractometer goniometer head and to retrieve the sample, with its orientation intact, quickly to the diffractometer. Frequently, removal of the sample from the goniometer head is the most hazardous time for your precious crystal. Because the cost of an ECON head is such a low fraction of the total cost of even the simplest full data collection, it does make sense to keep many of your sample crystals on the goniometer heads with easy and quick access for follow up studies. Remember, ECON is simple, reliable and accurate! It can be used for many samples in the conventional way or it can be considered part of the reproducible experimental set-up and committed to a single sample until all possible work with that sample has been completed. If you would like an ECON head for evaluation, contact us. מאגר המידע המבני של קיימברידג' קריסטלוגרפיה אפשרה פענוח מבנה של המינרלים הטבעיים ,סייעה במטלורגיה בפענוח המבנה של מתכות ,ואפשרה פענוח של המבנה המרחבי של מולקולות רבות .מעל ל99%- ממבני המולקולות המתועדים במאגר המידע המבני של קיימברידג' ,מאגר מידע ממוחשב המכיל ,נכון ל ,2010-מעל ל 400,000-מולקולות קטנות ,פוענחו באמצעות עקיפה בקרני רנטגן .בנוסף ,השיטה הובילה להבנה טובה יותר של מהות הקשרים הכימיים ,ובאמצעותה נתגלו סוגי קשרים רבים נוספים .הקריסטלוגרפיה הייתה השיטה העיקרית לפענוח המבנה המרחבי של תרכובות אורגניות ,ובאמצעותה פוענחו המבנים של חומצות אמינו וחלבונים. ההצלחה הגדולה ביותר של הקריסטלוגרפיה הייתה ב 1953-שעה שפוענח המבנה המרחבי של ה DNA-באמצעותה .הקריסטלוגרפיה שימשה גם לפענוח מבנים ביולוגיים מורכבים כדוגמת נגיפים או הריבוזום. עדות לשימוש הנרחב בשיטה אפשר לראות במספר הגדול של זוכי פרס נובל בשל תרומתם לקריסטלוגרפיה או שתגליותיהם התבססו על הקריסטלוגרפיה ,נכון ל 2012-מונה אתר האיגוד הבינלאומי לקריסטלוגרפיה 28פרסים הקשורים לתחום. גבישים הם החומר האידאלי לניתוח מבנה של מוצקים ,בשל מבנם המסודר מאוד והמחזורי הגורם לכך שבתבניות העקיפה שלהם מופיעים סימנים בולטים .פוטון יחיד של קרינת רנטגן העוקף עננת אלקטרון אחת לא ייצר אות חזק מספיק על מנת שציוד יוכל לחוש בו. לעומת זאת ,קרני רנטגן מרובות העוקפות עננות אלקטרונים רבות ,בערך באותו מיקום וכיוון יחסיים דרך הגביש ,ייצרו התאבכות (בונה או הורסת) ולכן ייווצרו סימנים על תבנית העקיפה שניתן להבחין בהם ,ולנתח מהם את מבנה הגביש .ואז ניתן לשחזר את המבנה מתוך תבניות העקיפה. מאגר המידע המבני של קיימברידג' ( Cambridge Structural Databaseאו בראשי תיבות )CSDהוא מאגר מידע ממוחשב המכיל ,נכון ל ,2010-את תיאור המבנה הגבישי של מעל ל 400,000-מולקולות קטנות (לא חלבונים) .לאחר שהמבנה מפוענח נשמר המידע על המבנה בקובץ ( CIFראשי תיבות )Crystallographic Information File ומאוחסן ב .CSD-מדענים אחרים יכולים לחקור ולאחזר את המבנים ממאגר המידע.המידע כולל את הסימטריה של חבורת הסימטריות המרחבית של המופע הגבישי ,הפרמטרים של תא היחידה ,והקואורדינאטות היחסיות של כל האטומים בתא היחידה בתלת ממד.חוקרים יכולים להשתמש ב CSD-על מנת להשוות בין מידע קיים לבין מידע שהושג מגבישים שגידלו במעבדה .ניתן גם לחשב מה יכולה להיות התבנית התאורטית של עקיפה באבקה .אפשרות זו חשובה במיוחד מסיבות אנליטיות משום שהיא מאפשרת את זיהוי המופעים המצויים בתערובת האבקה הגבישית מבלי שנדרש לגדל גבישים. המידע ב CSD-נאסף ומתוחזק על ידי מרכז המידע הקריסטלוגרפי של קיימברידג' ( Cambridge Crystallographic Data Centreאו בראשי תיבות – )CCDCארגון קריסטלוגרפי שמקום מושבו בקיימברידג' ,אנגליה .זהו מוסד ללא כוונת רווח שתפקידו העיקרי הוא לאסוף ולתחזק את ה .CSD-הארגון גם מבצע אנליזה על מאגר המידע לתועלת הקהילה המדעית ,וכמו כן כותב ומפיץ תוכנה על מנת לאפשר לאחרים לבצע מחקרים דומים. גיבוש ()Crystallization ההכנה של גבישים יחידים למעשה מהווה השלב החשוב ביותר באנליזת המבנה הגבישי, מאחר וללא נתוני דיפרקציה באיכות גבוהה רוב האנליזות יובילו לקבלת תוצאות בעיתיות ו/או חלקיות. שיטות גיבוש ניסיוניות (:)Experimental Crystallization techniques ישנן הרבה שיטות גיבוש .טבע /סוג החומרים איתם עובדים ,מספר המרכיבים בתערובת הנידוף ,איכותם ,מסיסותם וערכים פיזיקאליים נוספים הינם חלק מהגורמים שיש צורך לקחת בחשבון בבחירת שיטת גיבוש .תהליך הגיבוש צריך לכלול פרוצדורות אשר לרוב אינן מבוססות על עקרון פיזיקאלי אחד ויחיד .מאחר ואנו עובדים עם תערובת של מספר מרכיבים ,כל אינטראקציות בין המולקולות דורשות קרבה בין האטומים .לכן המסיסות של כל המרכיבים בממס נתון הינה תכונה הכרחית בכל שיטות הגיבוש .פירוט שיטות גיבוש נפוצות השימושיות במעבדה שלנו ,מוצג כאן: 1.אידוי איטי ()Slow Evaporation זו השיטה הפשוטה ביותר .תערובת המרכיבים מומסת בממס נדיף (או תערובת ממסים) ליצירת תמיסה מרוכזת .התמיסה נשארת תחת לחץ אטמוספרי עד לאידוי רוב הממס. לפעמים מוסיפים מספר טיפות של ממס נוסף ,לא נדיף ,לעידוד אידוי של הממס הראשון. בעיתיות השיטה בכך שהממס הנוסף יכול להשפיע על תהליך הגיבוש ע"י לכידת מולקולות הממס אורחות בין יחידות מבנה או פגיעה בסדר ומניעת היווצרות גבישים יחידים. 2.גיבוש בין שכבות ()Crystallization in between layers שיטת גיבוש בין שכבות שימושית בדרך כלל כאשר תערובת המרכיבים נותנת משקע ,או כאשר מרכיבים שונים מתמוססים בממסים אשר אינם מתערבבים( .לדוגמא בממס הידרופובי ובממס הידרופילי) התמיסות מסודרות בעדינות אחת מעל השנייה ללא ערבוב, לפי הצפיפויות שלהן .התמיסה עם הצפיפות הגבוהה יותר ממוקמת בתחתית ,והתמיסה עם הצפיפות הנמוכה יותר ממוקמת מעליה .דיפוזיה איטית ביותר מתקיימת בין השכבות והגבישים גדלים על השטח המפריד בין שתי השכבות. .3גיבוש עם שליטה בטמפרטורה ()Temperature-controlled crystallization המרכיבים מומסים בממס בעל נקודת רתיחה גבוהה ע"י חימום לטמפרטורות גבוהות ואז מתבצע קירור איטי והדרגתי במשך בין שעתיים למספר ימים .בזמן תהליך הגיבוש ,ישנה חשיבות קריטית לכך שכל המרכיבים חייבים להיות עמידים לטמפרטורות הגבוהות המופעלות במערכת. 4.סינתזה הידרו-תרמית ()Hydrothermal Synthesis זו השיטה המועדפת בעבודה עם MOFמאחר והיא מאפשרת להמיר את רוב האניונים הקשורים למתכת בליגנדות אורגניות רצויות. תערובת של מרכיבים עם כמות קטנה של ממס ומים מוכנסת לראקטור קטן סגור הרמטית. ראקטור זה מחומם לטמפרטורות גבוהות :בסביבות , 150-80°Cכך מתפתח בראקטור לחץ של מספר אטמוספרות בתוך הראקטור ,למספר שעות עד מספר ימים ,אז הראקטור מקורר באופן הדרגתי עד לטמפרטורת החדר. שיטה דומה לשיטה הידרו-תרמית הינן שיטות סולבו-תרמת – במקרה זה במקום מים משתמשים בממס אורגני אחר .יש צורך לבחור בממס בעל עמידות כך שלא יתפרק בתנאי הריאקציה.
© Copyright 2024