布鲁克单晶数据还原操作步骤

兰溪侬

布鲁克单晶数据还原操作步骤

使用布鲁克单晶仪经单晶X射线衍射（SC-XRD, single-crystal X-ray diffraction）实验得到衍射照片（sfrm文件，请参阅《Bruker（布鲁克）单晶仪测试得到什么文件》），需要使用APEX软件（APEX II、APEX3或APEX4）进行数据处理（data process）产生用于晶体结构解析（crystal structure solution）的hkl、p4p和ins等文件。本文以实例数据为例介绍一下常规数据处理（所谓的数据还原）过程。

数据所在文献：Sci. China Chem. 2023, 66, 117‒126. (DOI: 10.1007/s11426-022-1396-x)
数据代表结构在论文中的名称：S1

一、衍射照片位置确定
1.1数据拷贝
SC-XRD实验所得原始衍射照片位于单晶衍射仪控制电脑（通常仅用于测试，而不用作数据处理）的存储硬盘上，为防病毒，该电脑通常不连互联网，并且不允许通过移动U盘/硬盘甚至是光盘直接从该电脑中进行数据拷贝，而是通过局域网将数据拷贝至另一台用于数据处理的电脑上，并在这个电脑中进行数据处理，或者从这个电脑上用光盘或U盘（格式化且无病毒）将处理后用于结构解析的数据文件拷贝回个人电脑，如有需要，也可以将原始衍射照片拷贝留作备份（强烈建议拷贝原始衍射照片！！！）。当然，由于原始衍射照片数量较多（如本例共有1569张衍射照片，图1.1.1），因此占有内存较大（如本例1.55 GB，图1.1.2）。如果由于科研需要，单晶数据量大，则可能需要准备一个大内存移动硬盘（或由课题组准备以存储实验室单晶数据）用于存放单晶数据。

▲图1.1.1 本案例数据的1569张衍射照片

▲图1.1.1 本案例数据所占内存
1.2数据位置
布鲁克单晶仪测试所得原始衍射照片所在位置通常是某盘中的frames>>guest中具体数据文件夹，例如本案例数据位于“E:\frames\guest\20191118c”，如图1.2.1所示。

▲图1.2.1 数据文件夹20191118c所在位置
二、打开软件
双击桌面上的APEX软件快捷图标，本文以APEX4为例，如图2.1所示。
▲图2.1 桌面上的APEX4快捷图标
打开的APEX4软件初始界面如图2.2所示。

▲图2.2 APEX4软件初始界面
三、新建样品
3.1新建样品
新建样品有两种方式，其一为直接点击样品工具栏（Sample Toolbar）中的New Sample按钮（图3.1.1红框按钮），其二是点击Sample下拉菜单中的New按钮（图3.1.2红框按钮）。

▲图3.1.1 样品工具栏中的New Sample按钮

▲图3.1.2 Sample下拉菜单中的New按钮
3.2选择数据路径
通过步骤3.1中的按钮会弹出图3.2.1所示的New Sample对话框。

▲图3.2.1 New Sample对话框中文件夹按钮（红色方框）
点击New Sample对话框中文件夹按钮（图3.2.1中红色方框），在弹出的Select Directory对话框中找到数据文件夹所在位置后，单击点中数据文件夹（切勿打开该文件夹——此处要选择的是文件夹，而不是衍射照片文件），然后点击Choose按钮，如图3.2.2所示。

▲图3.2.2 在Select Directory对话框中找到数据文件夹并选择
完成数据文件夹的选择后，New Sample对话框中“Folder:”一栏中的内容由原来的“E: \frames\guest\”（图3.2.1）变为“E: \frames\guest\20191118c”（图3.2.3）。

▲图3.2.3 已选数据文件夹的New Sample对话框
当然了，也可以直接将数据所在文件夹的路径直接复制粘贴到New Sample对话框中的“Folder:”一栏。需要注意的是，如果要直接在“Folder:”一栏手动输入文件夹的名称的话，要确保输入的路径正确，因为手动输入的路径不正确的话，软件会在输入的路径中新建所输名称文件夹，这个新建的文件夹里面没有任何衍射照片，因而无法进行数据处理，则需要重新定位文件夹。

3.3命名新建样品
通常来说，样品名称一般采用数据文件夹的名称，当然，也可以使用不同的名称。新建样品的名称在“Name:”一栏输入即可（图3.3.1）。“Name:”一栏中可手动输入样品名称，也可以将样品名称粘贴进来（复制“Folder:”一栏中的文件名作为样品名称，如本例的20191118c）。通过点击该对话框右上角的"?"按钮后再点击“Name:”一栏可知命名规则：相对于已存储在数据库中的其它样品，样品名称必须是唯一的。样品名称中允许的字符有A-Z、A-Z、0-9和下划线（"_"）。

▲图3.3.1 New Sample对话框


名称确定后，点击New Sample对话框中的OK按钮，APEX4界面变成如图3.3.2所示，软件顶部可以看到“Sample: 20191118c”字样，并且软件界面左侧显示出各项数据处理项目，而且Set Up项目已自动展开。

▲图3.3.2 确定样品名称后的APEX4软件界面
四、数据处理
4.1描述样品
点击Set Up中的第一个图标Describe Sample，该图标变大并且右侧列出可填项目，如图4.1.1所示。

▲图4.1.1 Describe Sample展开项
在Describe Sample中，第一项Name为样品名称（本例为20191118c），不可更改，其它的选项均可填写，Compound一栏填写化合物名称，Formula一栏填写分子式（可以只填元素而不填原子数量，也可以都填写），Crystal Color一栏填写晶体颜色（在下拉菜单中选择），Crystal Dimensions一栏填写晶体物理尺寸，Crystal Shape一栏填写晶体物理外形（在下拉菜单中选择）。本例填好后如图4.2.2所示。

▲图4.1.2 Describe Sample填写示例
4.2确定晶胞
4.2.1进入确定晶胞子程序

▲图4.2.1.1 Determine Unit Cell展开项
确定晶胞包括四个步骤（Harvest Spots、Index、Bravais和Refine），如图4.2.1.2所示。

▲图4.2.1.2 确定晶胞的四个步骤
将这四个步骤依次完成即可确定晶胞，这个过程有两种方式：（1）Automatic Mode（自动模式）
和（2）Manual Mode（手动模式）。

4.2.2自动模式确定晶胞
在Automatic Mode中，把Start at设置为Harvest Spots，而Stop after设置为Refine，然后点击Run按钮，如图4.2.2.1所示。

▲图4.2.2.1 自动模式设置起止步骤
运行结果如图4.2.2.2所示。

▲图4.2.2.2 自动模式确定晶胞运行结果
图4.2.2.2中的Close按钮，界面回到前一页，如图4.2.2.3所示。（注：由于自动模式中选择的起止步骤中间包括了Domains，因此在自动模式中也执行了Domains步骤。APEX3中此处没有Domains选项，因此在APEX3中执行的是前述四个步骤。）

▲图4.2.2.3 自动模式确定的晶胞结果
对于良好的单晶数据，确定晶胞这一步骤可以采用自动模式而无需进行任何参数的更改。当然，所有数据其实都值得尝试一下自动模式。

4.2.3手动模式确定晶胞
手动模式下必须逐项进行，在前一项未完成前，后面的选项均为不可点击的灰色状态（见图4.2.1.2），而完成的选项则除了变成可点击状态之外，其选项前的灰色圆点会变成绿色（见图4.2.2.3）。

4.2.3.1收集衍射点
手动模式下，点击Harvest Spots（收集衍射点）按钮，APEX4界面变为如图4.2.3.1.1所示。

▲图4.2.3.1.1 Harvest Spots步骤界面
可通过衍射照片查看工具查看衍射照片，如翻页、查看分辨率、查看单个衍射点情况等等。在参数设置区域可以根据需要设置各种参数，例如选取收集衍射点的第一张衍射照片（First Image）、数据轮数（Number of Runs）、每轮数据中选取的照片数量（Images per Run）以及最小信噪比（Min. I/sigma(I)）等。在Excluded Shells中可以设置将某些分辨率壳层的数据排除在外。

通常情况下，使用默认设置即可，点击参数设置区域底部的Harvest按钮开始收集衍射点。界面出现一个弹窗进度条，其中显示了收集衍射点的进度，包括数量和百分比进度以及一个Stop按钮，如图4.2.3.1.2所示。Harvesting Spots (154)括号中的154表示当前已收集到154个衍射点，62%表示Harvest Spots过程的进度，如果觉得154个衍射点已经足够，可以点击Stop按钮终止Harvest Spots进程。（注：APEX3中Harvest Spots进度对话框，但对话框中没有衍射点数量和Stop按钮。）

▲图4.2.3.1.2 Harvest Spots进度对话框
Harvest Spots步骤完成后，Harvest Spots按钮前的灰色圆点变为绿色，Index选项则由不可点击的灰色变为可点击的黑色状态，如图4.2.3.1.3所示，Reflections一栏中显示的Group 0: 252 reflections表示本次衍射点收集共收集到了252个衍射点。

▲图4.2.3.1.3 Harvest Spots步骤完成后的界面
4.2.3.2指标化
完成衍射点收集后，点击Index按钮进入指标化设置界面，如图4.2.3.2.1所示。Reflections中可以选择使用哪些分组的衍射点进行指标化，对于一般的单晶数据，此处无需修改。最小信噪比（Min. I/sigma(I)）通常也不需要修改。分辨率（Resolution）按默认设置即可。再往下是对衍射点的限定，默认情况下勾选第一个选项。Reflection must be isolated表示用于指标化的衍射点必须是孤立的（即重叠的衍射点不用于指标化）；Reflection must span images表示只有处于两个相邻衍射照片的衍射点将被用于指标化；Reflection must be whole表示仅在衍射点收集范围的第一张或最后一张照片上部分采集的衍射点不会用于指标化。这三个选项中，第一项是默认勾选的，后两项可根据需要进行勾选，通常勾选第二项会扣除较多衍射点，一般可勾选第一项和第三项，如果三项都勾选后还有相当多的衍射点（至少100以上），则可考虑将三个选项均勾选。Methods中有三个计算晶胞的方法：Difference Vectors（差分向量）、Fast Fourier Transform（快速傅里叶变换）和Least Squares（最小二乘），默认情况下勾选前两个方法。当前两个方法无法计算出晶胞时，可尝试最小二乘法。

▲图4.2.3.2.1
作为对比，将这三个方法都勾选后，点击图4.2.3.2.1中底部的Index按钮，计算结果如图4.2.3.2.2所示。蓝色背景的结果为程序所选结果（本例中为Difference Vectors方法的结果）。程序一般选择Score值高的结果。

▲图4.2.3.2.2 指标化结果
确认晶胞后，点击图4.2.3.2.2底部的Accept按钮，页面跳转至晶胞精修界面，如图4.2.3.2.3所示，点击Refine按钮进行精修（点一次Refine按钮精修一次），一直精修到两个RMS值不变或几乎不变为止。RMS XY [mm]表示XY平面上可观测光斑和预测光斑位置之间偏差的均方根，RMS angle [°]表示光斑穿过爱瓦尔德衍射球时沿轨迹的偏差的均方根。

▲图4.2.3.2.3 晶胞精修界面
晶胞精修完成后，点击图4.2.3.2.3底部的Accept按钮，页面跳转如图4.2.3.2.4所示

▲图4.2.3.2.4 指标化完成后的界面
4.2.3.3确定布喇菲晶格
完成指标化后，Index选项和Domains选项（仅APEX4）前灰色圆点均变为绿色，并且Bravais选项由不可点击的灰色状态变为可点击的黑色状态，点击Bravais按钮，页面跳转如图4.2.3.3.1所示。本例中程序默认选择Monoclinic P，其FOM（figure of merit，诊断指标）为0.96。一般来说选择FOM值高的晶格，如本例中除了Monoclinic P和Triclinic P以外的其它所有选项的FOM值均小于或等于0.03。

▲图4.2.3.3.1 布喇菲晶格确定界面
4.2.3.4精修
完成布喇菲晶格的确定后，点击图4.2.3.3.1底部的Accept按钮，页面跳转如图4.2.3.4.1所示，Bravais选项前灰色圆点变成绿色，并且Refine选项由不可点击的灰色状态变为可点击的黑色状态。

▲图4.2.3.4.1 布喇菲晶格确定后的界面
点击Refine按钮，页面跳转如图4.2.3.4.2所示，点击Refine按钮进行精修，直至两个RMS值不变或几乎不变为止。

▲图4.2.3.4.2 晶胞精修界面
精修完成后，点击图4.2.3.4.2底部的Accept按钮，页面跳转如图4.2.3.4.3所示

▲图4.2.3.4.3 全部晶胞确定步骤完成后的界面
4.3还原数据
点击Reduce Data（还原数据）中第一个图标Integrate Images（积分图像），如图4.3.1所示。在Resolution Limit [Å]一栏可以设置分辨率上限（数值越小，分辨率越高）。

▲图4.3.1 Integrate Images界面
Refinement Options中可以进行各种设置（图4.3.2），不过一般这里采用默认设置即可。

▲图4.3.2 Refinement Options对话框
Integration Options中可以进行各种设置（图4.3.3），Background Subtraction（背景扣除）可以尝试更改方法。这里基本上也都按默认设置即可。

▲图4.3.3 Integration Options对话框
点击Find Runs按钮，在弹出的Select Runs对话框中选择要进行积分的数据轮数，如图4.3.4，需要排除的数据，将其前面的勾去掉即可，选好后，点击Choose按钮。

▲图4.3.4 选择要积分的照片
要积分的照片列表被导入，确定后点击界面右下角的Start Integration按钮开始积分，如图4.3.5所示。

▲图4.3.5 开始积分

▲图4.3.6 积分过程
积分完成后，界面中左下角有“End global unit cell refinement 08/09/2023 14:47:40”，右上角有Integration Finished以及右下角的Stop Integration灰色状态等提示，如图4.3.7所示，否则就是还在积分中。

▲图4.3.6 积分完成
积分完成后，在数据所在文件夹20191118c中由APEX4新建的work文件夹（见图4.3.5中Output Filename路径）产生一些文件，如_ls、p4p、raw等。每轮数据未经吸收校正的衍射文件（raw）用编号区分，如第一轮衍射照片经积分后得到的未经吸收校正的衍射文件为mo_20191118c_01.raw，第二轮为mo_20191118c_02.raw，以此类推。其中mo_20191118c_0m.raw为合并的raw文件（m表示merged）。如图4.3.7所示。

▲图4.3.7 积分完成后产生的文件
4.4吸收校正
积分完成后，点击Reduce Data中第三个图标Scale，界面如图4.4.1所示，程序默认选择mo_20191118c_0m.raw作为吸收校正的起始文件。如果在进入此界面时，Input File(s)处没有任何文件，则请点击Input Folder最右侧的文件夹按钮，从work文件夹中选择相应文件。

▲图4.4.1 Scale初始界面
正常情况下，也可以选择每轮数据的raw文件，点击Input Folder最右侧的文件夹按钮，在弹出的Open File对话框中，找到数据所在work文件夹，选择其中一轮数据的raw文件（如mo_20191118c_01.raw），然后点击Open按钮，如图4.4.2所示。

▲图4.4.2 选择raw文件
此时每轮数据的raw文件作为吸收校正的起始文件。如图4.4.3所示。

▲图4.4.3 每轮数据的raw文件作为吸收校正的起始文件
选择好raw文件后，点击图4.4.1中右下角的Start按钮，界面跳转如图4.4.4所示。

▲图4.4.4 Scale步骤中Refine界面
图4.4.4中右下角Refine按钮，弹出精修进度条，如图4.4.5所示。

▲图4.4.5 精修进度条
精修完成后结果如图4.4.6所示。

▲图4.4.6 精修完成结果Parameter Refinement界面
图4.4.6中上面的曲线为Mean Weight（平均权重），平均权重应当增加并收敛，它给出数据质量（data quality）或正确劳厄群（Laue group）的反馈信息，其值小于0.7是可疑的，应当仔细检查数据。下面的曲线为R值（R(incid)和R(diffr)），R值应当迅速降低并收敛至相似的值。图4.4.6中右上角的各项参数可以进行调整，调整参数后再次点击Refine按钮，使平均权重增大，R值降低。

点击Next按钮进入下一步，如图4.4.7所示。红框是主要的统计数据（左侧是柱形图），可以看到每轮数据的各项参数，例如Rint值（R(int)）：每轮数据的衍射强度与基于劳厄群/点群的对称独立衍射点的平均强度相比的一致性因子。Number of Reflections：柱高表示每轮数据的总衍射点数量。深色部分表示衍射强度低于2 I/sigma(I)的衍射点数量。K：标准不确定度的比例因子。如有需要，可以调整图4.4.7右上方的各项参数并点击底部的Error Model进行更正。

▲图4.4.7 Error Model界面
最后，点击界面右下角的Finish按钮，完成吸收校正，界面跳转至诊断（Diagnostics）界面，如图4.4.8所示。

▲图4.4.8 Diagnostics界面
检查诊断图，在诊断界面底部有关于数据的各种诊断图，例如Scale Variations（比例变化）图，如图4.4.9所示。比例变化图展示了单张衍射照片的Scale和R(int)的总体变化。Scale图应当是平坦的（对于强吸收、不规则外形晶体，它应当为正弦曲线），R(int)图应当没有大的变化（超过2%）。

▲图4.4.9 Scale Variations图
吸收校正完成后，产生记录吸收校正信息的abs（mo_20191118c.abs）文件和吸收校正后的衍射数据文件hkl（mo_20191118c_0m.hkl），如图4.4.10所示。

▲图4.4.10 吸收校正后产生的abs和hkl文件
mo_20191118c_0m.hkl是吸收校正后产生的原始衍射数据文件，该文件末尾记录了吸收校正信息和晶胞参数信息，如图4.4.11所示。

▲图4.4.11 mo_20191118c_0m.hkl文件末尾的吸收校正和晶胞参数信息
可直接用该文件作为结构解析与精修的衍射文件（做好备份以便重头再来），也可以用xprep重新生成一个衍射文件。

根据个人习惯进行数据整理，例如编者习惯仅保留如图4.4.12所示的文件。

▲图4.4.12 删减后的文件
需要提醒的是，cht文件（chart file）的名称与步骤3.3命名新建样品“Name:”一栏输入的内容完全一致，而其它文件则具有标识辐射光源的前缀mo和/或其它后缀。

五、确定空间群
点击Examine Data下第二个图标Analyze Data，在弹出的Select Files For XPrep对话框中选择P4P文件（mo_20191118c_0m.p4p）和HKL文件（mo_20191118c_0m.hkl），如图5.1所示。

▲图5.1 为xprep选择输入文件点击OK按钮后，弹出xprep程序界面，如图5.2所示。

▲图5.2 xprep初始界面
本案例数据的空间群确定比较容易，按默认选项一路回车，空间群确定为P21/c，如图5.3所示。

▲图5.3 空间群的确定在步骤4.1描述样品中已输入Formula，因此到了输入元素这一步时，已有元素（由于前面输入的分子式包含原子数量，因此这里也有原子数量），如图5.4所示。如需进行修改，则输入F并回车，然后输入新的元素（及其数量）即可。

▲图5.4元素的输入因为在写论文的时候，将该化合物命名为S1，所以在到了Output file name这一步时输入S1，如图5.5所示。

▲图5.5 命名文件名（数据名）最终生成了三个新的文件（S1.hkl、S1.ins和S1.pcf），如图5.6所示。

▲图5.6 xprep生成的三个新的文件
最后，使用S1.hkl和S1.ins文件进行结构解析和精修即可。本次数据处理后，结构解析与精修的结果如图5.7所示。

▲图5.7 结构解析与精修结果
在步骤4.1描述样品中填写的晶体颜色描述的clear和light俩个形容词没有读取进来，只有colorless被读取进来了，晶体尺寸和形状描述也都有读取进来，如图5.7所示。实际上在数据处理过程中如果想偷懒的话，可以省略步骤4.1描述样品，而在最终结构精修的时候再填写。




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