X射線衍射儀原理——X射線衍射法 發(fā)布日期：2014-02-02 00:00:00 文章來(lái)源：萊雷科技
X射線衍射法是一種利用單色X射線光束照射到一顆晶體（單晶X射線衍射法，SXRD）或眾多隨機(jī)取向的微小晶體（粉末X射線衍射法，PXRD）來(lái)測(cè)量樣品分子三維立體結(jié)構(gòu)或特征X射線衍射圖譜的檢測(cè)分析方法。①
固體化學(xué)物質(zhì)狀態(tài)可分為晶態(tài)（或稱(chēng)晶體）和非晶態(tài)（或稱(chēng)無(wú)定型態(tài)、玻璃體等）物質(zhì)兩大類(lèi)。
晶態(tài)物質(zhì)（晶體）中的分子、原子或離子在三維空間呈周期性有序排列，晶體的最小重復(fù)單位是晶胞。晶胞是由一個(gè)平行六面體組成，含有三個(gè)軸（a、b、c，單位：?）和三個(gè)角（α、β、γ，單位：°），被稱(chēng)為晶胞參數(shù)。晶胞沿（x、y、z）三維的無(wú)限有序堆積排列形成了晶體。
非晶態(tài)物質(zhì)（無(wú)定型態(tài)、玻璃體等）中的分子、原子或離子在三維空間不具有周期性排列規(guī)律，其固體物質(zhì)是由分子、原子或離子在三維空間雜亂無(wú)章的堆積而成。
X射線衍射的基本原理：當(dāng)一束X射線通過(guò)濾波鏡以單色光（特定波長(zhǎng)）照射到單晶體樣品或粉末微晶樣品時(shí)即發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射條件遵循布拉格方程式：
式中 dhk
為面間距（hkl為晶面指數(shù)）；
n為衍射級(jí)數(shù)；
λ為X射線的波長(zhǎng)；
θ為掠射角。
金屬銅（Cu）與鉬（Mo）為有機(jī)化合物樣品常用的X射線陽(yáng)極靶元素，Cu靶波長(zhǎng)λ為1.54178?，Mo靶波長(zhǎng)λ為0.71073?。X射線由Kα和Kβ組成，一般采用Kα線作為單晶X射線衍射的結(jié)構(gòu)分析或粉末X射線衍射的成分與晶型分析的特征X射線。②[2]
當(dāng)X射線照射到晶態(tài)物質(zhì)上時(shí)，可以產(chǎn)生衍射效應(yīng)；而當(dāng)X射線照射到非晶態(tài)物質(zhì)上時(shí)則無(wú)衍射效應(yīng)。單晶X射線衍射結(jié)構(gòu)（晶型）定量分析和粉末X射線成分（晶型）定性與定量分析均是依據(jù)X射線衍射基本原理。
X射線衍射儀器是由X射線光源（直流高壓電源、真空管、陽(yáng)極靶）、準(zhǔn)直系統(tǒng)（準(zhǔn)直管、樣品架）、儀器控制系統(tǒng)（指令控制、數(shù)據(jù)控制）、冷卻系統(tǒng)組成。
一、單晶X射線衍射法 ③
單晶X射線衍射分析法使用一顆單晶體即可獲得樣品的化合物分子構(gòu)型和構(gòu)象等立體結(jié)構(gòu)信息，主要包括：空間群、晶胞參數(shù)、分子式、結(jié)構(gòu)式、原子坐標(biāo)、成鍵原子的鍵長(zhǎng)與鍵角、分子內(nèi)與分子間的氫鍵、鹽鍵、配位鍵等。
單晶X射線衍射分析技術(shù)是定量檢測(cè)樣品成分與分子立體結(jié)構(gòu)的絕對(duì)分析方法，它可獨(dú)立完成對(duì)樣品的手性或立體異構(gòu)體分析、共晶物質(zhì)分析（含結(jié)晶水或結(jié)晶溶劑等）、純晶型物質(zhì)分析（分子排列規(guī)律變化）等。由于單晶射線衍射分析實(shí)驗(yàn)使用一顆晶體，所以采用該分析法可獲得晶型純品物質(zhì)信息。
單晶X射線衍射分析通過(guò)兩次傅里葉變換完成結(jié)構(gòu)分析目的。該方法適用于對(duì)晶態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或晶型分析。單晶X射線衍射實(shí)驗(yàn)中，Cu靶適用對(duì)化合物分子的絕對(duì)構(gòu)型測(cè)定， Mo靶適用對(duì)化合物分子的相對(duì)構(gòu)型測(cè)定（含有鹵素或金屬原子的樣品除外）。
試樣的制備及有關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)：
試樣制備：?jiǎn)尉射線衍射分析要求使用一顆適合實(shí)驗(yàn)的單晶體，一般需要采用重結(jié)晶技術(shù)通過(guò)單晶體培養(yǎng)獲得。晶體尺寸在0.1~1.0mm之間。單晶體應(yīng)呈透明狀、無(wú)氣泡、無(wú)裂紋、無(wú)雜質(zhì)等，晶體外形可為塊狀、片狀、柱狀，近似球狀或塊狀晶體因在各方向?qū)射線的吸收相近，所以屬最佳實(shí)驗(yàn)用晶體外形。
晶體樣品對(duì)X射線的衍射能力受到來(lái)自?xún)?nèi)部和外部的影響。晶體樣品自身內(nèi)部影響因素主要為組成晶體的化學(xué)元素種類(lèi)、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、分子對(duì)稱(chēng)排列規(guī)律、作用力分布、單晶體質(zhì)量等；儀器外部影響因素包括X射線發(fā)生器功率、陽(yáng)極靶種類(lèi)等。
當(dāng)使用Cu靶實(shí)驗(yàn)時(shí)，衍射數(shù)據(jù)收集的2θ角要大于114°；當(dāng)使用Mo靶實(shí)驗(yàn)時(shí)，衍射數(shù)據(jù)的收集的2θ角要大于54°。
晶胞參數(shù)三個(gè)軸（a、b、c，單位：?）的誤差在小數(shù)點(diǎn)后第三位，三個(gè)角（α、β、γ，單位：°）的誤差在小數(shù)點(diǎn)后第二位；原子相對(duì)坐標(biāo)的誤差在小數(shù)點(diǎn)后第四位，鍵長(zhǎng)的誤差在小數(shù)點(diǎn)后第三位，鍵角的誤差在小數(shù)點(diǎn)后第一位。
本法適用于樣品的定量分子立體結(jié)構(gòu)分析、手性分析、晶型分析、結(jié)晶水含量分析、結(jié)晶溶劑種類(lèi)與含量分析等。
儀器校準(zhǔn)：儀器應(yīng)定期使用儀器生產(chǎn)廠家自帶的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行儀器校正。
二、粉末X射線衍射法
粉末X射線衍射法可用于樣品的定性或定量的物相分析。每種化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)其化學(xué)成分與固體物質(zhì)狀態(tài)（晶型）確定時(shí)，應(yīng)該具有獨(dú)立的特征X射線衍射圖譜和數(shù)據(jù)，衍射圖譜信息包括衍射峰數(shù)量、衍射峰位置（2θ值或d值）、衍射峰強(qiáng)度（相對(duì)強(qiáng)度，絕對(duì)強(qiáng)度）、衍射峰幾何拓?fù)洌ú煌苌浞彘g的比例）等。④
粉末X射線衍射法適用于對(duì)晶態(tài)物質(zhì)或非晶態(tài)物質(zhì)的定性鑒別與定量分析。常用于固體物質(zhì)的結(jié)晶度定性檢查、多晶型物質(zhì)種類(lèi)、晶型純度等分析。粉末X射線衍射實(shí)驗(yàn)中，通常使用Cu靶為陽(yáng)極靶材料。
晶態(tài)物質(zhì)的粉末X射線衍射峰是由數(shù)十乃至上百個(gè)銳峰（窄峰）組成；而非晶態(tài)物質(zhì)的粉末X射線衍射峰的數(shù)量較少且呈彌散狀（為寬峰或饅頭峰），在定量檢測(cè)時(shí)，二者在相同位置的衍射峰的絕對(duì)強(qiáng)度值存在較大差異。
當(dāng)化學(xué)物質(zhì)有兩種或兩種以上的不同固體物質(zhì)狀態(tài)時(shí)，即存在有多晶型（或稱(chēng)為同質(zhì)異晶）現(xiàn)象。多晶型現(xiàn)象可以由樣品的分子構(gòu)型、分子構(gòu)象、分子排列規(guī)律、分子作用力等變化引起，也可由結(jié)晶水或結(jié)晶溶劑的加入（數(shù)量與種類(lèi)）形成。每種晶型物質(zhì)應(yīng)具有確定的特征粉末X射線衍射圖譜。
當(dāng)被測(cè)定樣品化學(xué)結(jié)構(gòu)相同，但衍射峰的數(shù)量和位置、絕對(duì)強(qiáng)度值或衍射峰形幾何拓?fù)溟g存在差別時(shí)，即表明該化合物可能存在多晶型現(xiàn)象。
試樣的制備及有關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)：
試樣的制備：粉末晶體顆粒過(guò)大或晶體呈現(xiàn)片或針狀樣品容易引起擇優(yōu)取向現(xiàn)象，為排除擇優(yōu)取向?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，對(duì)有機(jī)樣品需要增加研磨并過(guò)篩（通常為100目）的樣品前處理步驟。
實(shí)驗(yàn)進(jìn)樣量：當(dāng)采用粉末X射線衍射技術(shù)進(jìn)行定量分析時(shí)，需要對(duì)研磨后過(guò)篩樣品進(jìn)行精密定量稱(chēng)取，試樣鋪板高度應(yīng)與板面平行。
衍射數(shù)據(jù)收集范圍：當(dāng)使用銅Cu靶實(shí)驗(yàn)時(shí)，衍射數(shù)據(jù)收集的范圍（2θ）一般至少應(yīng)在④ 增加了粉末X射線衍射法獲得的衍射圖譜的信息，并對(duì)該法的適用范圍進(jìn)行了描述。3~60°之間，有時(shí)可收集至1~80° ⑤。
定量分析方法：可采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法，含外標(biāo)法、內(nèi)標(biāo)法與標(biāo)準(zhǔn)加入法⑥。
定量分析時(shí)，應(yīng)選擇一個(gè)具有特征性的衍射峰進(jìn)行。內(nèi)標(biāo)法應(yīng)建立內(nèi)標(biāo)物質(zhì)與衍射強(qiáng)度之間的線性關(guān)系。內(nèi)標(biāo)物質(zhì)選取原則是應(yīng)與樣品的特征衍射峰不發(fā)生重疊，同時(shí)二者對(duì)X射線的衍射能力應(yīng)接近。制作標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，應(yīng)取固定質(zhì)量但含量比例不等的內(nèi)標(biāo)物質(zhì)與樣品均勻混合，定量分析時(shí)，應(yīng)保證被測(cè)樣品含量在標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍內(nèi)；外標(biāo)法應(yīng)建立標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不同質(zhì)量與衍射強(qiáng)度之間的線性關(guān)系。制作標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，應(yīng)取不同質(zhì)量的樣品。定量分析時(shí)，應(yīng)保證被測(cè)樣品含量在標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍內(nèi)；標(biāo)準(zhǔn)加入法應(yīng)保證加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和被測(cè)物質(zhì)衍射峰強(qiáng)度接近，二者具有良好的分離度且不重疊。
定量分析時(shí)，應(yīng)平行實(shí)驗(yàn)3次，取算術(shù)平均值。當(dāng)樣品存在多晶型物質(zhì)狀態(tài)，且壓力能引起晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，定量分析方法應(yīng)慎用。當(dāng)多晶型衍射圖譜的衍射峰數(shù)量和位置基本相同，但衍射峰的幾何拓?fù)鋱D形存在較大差異時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加特征衍射峰的數(shù)量（從一般使用1個(gè)特征峰，增加到使用3~5個(gè)特征峰），以證明晶型含量與特征衍射峰間存在線性關(guān)系。
采用相同制備方法的等質(zhì)量試樣定量分析，在同一實(shí)驗(yàn)條件下，樣品與標(biāo)準(zhǔn)品的2θ值數(shù)據(jù)誤差范圍為±0.2°，衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度誤差范圍為 ±5%，否則應(yīng)考慮重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或可能存在多晶型問(wèn)題。⑦
本法適用于樣品的結(jié)晶性檢查、樣品與標(biāo)準(zhǔn)品的異同性檢查、樣品生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性檢查、樣品化學(xué)純度檢查與定量分析（當(dāng)雜質(zhì)成分含量大于1% 時(shí)在衍射圖譜中可以識(shí)別），樣品的晶型鑒別與晶型純度定量分析等。
儀器校準(zhǔn)：儀器應(yīng)定期使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)Al2 O3或單晶硅粉進(jìn)行儀器校正。⑧
起草單位：醫(yī)科院藥物研究所
審校：醫(yī)科院藥物研究所 呂揚(yáng)
①X射線衍射法分為單晶X射線衍射法與粉末X射線衍射法，兩種分析方法具有不同的應(yīng)用范圍，故在新版藥典中將X射線粉末衍射法修訂為X射線衍射法，并收錄了單晶X射線衍射分析方法與粉末X射線衍射分析方法。新修訂的X射線衍射法對(duì)原理及晶體學(xué)表述進(jìn)行了規(guī)范，使之更符合藥物晶體學(xué)術(shù)語(yǔ)及表達(dá)習(xí)慣，使其更具科學(xué)性和準(zhǔn)確性。
② 有機(jī)化學(xué)藥物分析常用金屬靶元素與波長(zhǎng)。
③ 增加了單晶X射線衍射分析法相關(guān)內(nèi)容。
⑤當(dāng)使用Cu靶實(shí)驗(yàn)時(shí)，衍射數(shù)據(jù)收集的范圍（2θ）應(yīng)在3~80°，因?yàn)橐恍┯袡C(jī)藥物分子通常在60°以后仍然存在大量的衍射峰。
⑥ 外標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線法亦是常用的定量分析方法，應(yīng)予以介紹。
⑦ 定量分析時(shí)，需要準(zhǔn)確測(cè)定衍射強(qiáng)度，故在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采取平行試驗(yàn)以消除偶然誤差，并嚴(yán)格規(guī)定數(shù)據(jù)的誤差范圍（衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度誤差范圍為從±20%修訂為±5%），以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。
⑧ 增加儀器校準(zhǔn)部分，以保證獲得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
