x射线衍射分析

近代分析方法X射线衍射分析研究生实验教学讲义2005.03.22,X射线的发现与发展,（1）1895年德国物理学家伦琴W.C.Rontgen)首次发现X射线并摄下第一张手形照片（夫人手掌）。1901年获得了历史上第一个诺贝尔物理奖。意义：1.最早用于医疗探伤、定位；2.为医学和物质结构研究立下了不可磨灭的功绩。,（2）1912年德国物理学家劳埃（M.Von.Laue)发现晶体的衍射现象。1914年获得了第二个诺贝尔物理奖重要意义：1.说明X射线的本质2.证明了点阵理论3.导致X射线晶体学和光谱学的诞生,（3）1915年英国物理学家布拉格父子（W.H.&W.L.Bragg）建立了X射线衍射理论（著名的布拉格方程）开创了晶体结构的X射线衍射测定法获得了第三个诺贝尔物理奖。意义：1.使人类得以定量地观测原子在晶体中的位置2.为后人在不同领域的研究打下了理论基础,（4）1951年美国化学家鲍林（L.Pauling)测定多种氨基酸、肽的晶体结构推断出多肽链的a-螺旋体结构1954年获得诺贝尔化学奖。1963年诺贝尔和平奖。是我国两位结构化学奠基人的导师一生中在化学领域的三个主要贡献,（5）1962年英国化学家肯德鲁（J.C.Kendrew）佩鲁茨（M.F.Perutz）测定了鲸肌红蛋白马血红蛋白的结构获得诺贝尔化学奖。1.搞清楚蛋白质肽链结构历经半个世纪2.经25年破解血红蛋白晶体结构，定Fe在分子结构中的位置，搞清楚O2和CO2在人体中的输运过程。,（6）1962年英国科学家科瑞克（F.H.C.Crick）美国科学家沃森（J.D.Watson)测定脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构获得诺贝尔生理学和医学奖。,（7）1964年英国女科学家霍奇金（D.C.Hodgkin)分析测定了配尼西林（青霉素）维生素B12以及胰岛素生物大分子的结构获得了诺贝尔化学奖。*青霉素的发现解救了当时成千上万人的生命,（8）1976年美国化学家利普斯库姆（W.N.Lipscomb）测定了长期悬而未决的硼烷碳硼烷结构获得了诺贝尔化学奖。,（9）1985年美国化学家豪普特曼（H.Hauptman)卡尔勒（J.Karle)从事直接法研究获得成功，解决了X射线晶体结构分析中的位相问题获得诺贝尔化学奖。,（10）1988年美国化学家戴森豪佛（J.Deisenhaufer)德国科学家胡伯（R.Huber)麦彻（H.Michel)测定了光合作用中心的三维结构获得诺贝尔化学奖。,二、X射线的产生与性质,在真空中当高速运动的电子撞击靶时产生X射线。,X射线产生的条件：,1.电子源加热灯丝产生电子（灯丝分点焦点和线交点）2.靶电子撞击产生X射线（有Cu靶，Fe靶，Mo靶等）3.高压加速电子撞击靶（转靶衍射仪的高压可达60kV）4.真空使电子无阻地撞击靶保证高温下灯丝、靶不被氧化5.冷却水带走电子动能转化的热量(99%),X射线的性质,X射线也是一种电磁波同样具有波粒两重性。波动性表现在:它以一定的波长和频率在空间传播，如晶体的衍射、干涉和偏振现象。粒子性表现在:以光子的形式在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。如光的发射、吸收和散射现象。,三、特征X射线,当管电压V达到某个靶材料激发电压V激时产生的X射线称之为特征X射线。,特征X射线产生,图2.多电子原子的能级及其激发和标识射线发射的示意图,特征X射线的特点1,特征X射线的波长对于构成靶物质的元素有特定值；阳极靶不同，其特征X射线的波长也不同；原子序数与波长成反比，即原子序数越大波长越短。如：Fe26K=1.94Cu29K=1.54Mo42K=0.71,特征X射线的特点2,激发电压V激产生特征X射线所需的最低管电压,我们称为激发电压；对不同阳极靶,激发电压也不同,它由阳极靶的原子序数决定。一般地说，激发电压大小与原子序数成正比。如：Fe26V激=7.1kVCu29V激=8.9kVMo42V激=20kV,特征X射线的特点3,当管电压超过激发电压而进一步升高时，K系特征X射线的波长不变,而强度按n次方的规律增大：I特征=ci(V-V激）nn=1.52,特征X射线和连续X射线强度的比率，在X射线管的工作电压V工为激发电压V激的3-5倍时最大。即：当V工/V激=3-5时，I特/I连最大。,特征X射线的特点4,四、布拉格方程,布拉格方程是结构分析的最基本和最重要的公式。2dhklsinhkl=n（1）而dhkldhkl/n（2）将（2）式代入（1）式，则得到：2dhklsinhkl（3）在用X射线衍射法测定晶体结构时，（3）式是通用的布拉格方程表达式。式中:d为晶面间距，为布拉格角，为入射X射线波长，n为衍射级数，hkl为晶面指标，hkl为衍射指标，h=nh，k=nk，l=nl。,由布拉格方程可知：（1）sin=/2d1，只有2d方能得到（hkl）晶面的衍射；所以欲产生衍射至少要满足衍射条件2d，入射X射线波长与晶面距数值在数量级上是相同的。（2）布拉格方程给出了晶体衍射的必要条件，它是结构分析的基本关系式。已知波长，由实验测得布拉格角，可求出晶面距，从而计算结构参数。反之，已知晶面距，由实验测量出角度，则可求出入射X射线的波长，因此它又是X射线荧光分析的基本关系式。（3）与可见光反射相比，X射线的衍射也满足反射定律，但X射线只能在特定的入射角才能发生反射，即具有选择性反射。满足布拉格定律的反射也不一定有衍射强度，还必须满足结构因子Fhkl20，否则会出现点阵消光或结构消光。,五、X射线衍射仪,X射线衍射的主要部件及作用：,1.X射线发生器,用于产生X射线。它由X射线管和高压发生器两部分组成。X射线管包括灯丝和靶（又分封闭靶和转靶），灯丝产生电子；高压发生器产生高达几万伏的电压以加速电子撞击靶。封闭靶是把灯丝和靶封闭在真空玻璃管球内；对于转靶还要附加高真空系统（由机械泵和分子泵两级抽空）以保证灯丝和靶面在高温下不被氧化。一般地，封闭靶功率比较低，最高为3kW；转靶的功率较高，通常高于12kW,其优点是可提高对含量少，灵敏度低的样品的检出限。,2.测角仪,用于测定样品产生衍射的布拉格角。测角仪包括样品台（固定样品板），狭缝系统（防止垂直发散的两个索拉狭缝S1，S2，防止水平发散的发射狭缝DS，接收狭缝RS和防散射狭缝SS），单色化装置（石墨弯晶单色器或采用滤波片），探测器又叫光电倍增管（通常有正比计数器PC，闪烁计数器SC)。测角仪的轴动比即样品轴和测角计轴2的同轴转动比为1：2（见图四）。,图中，DS:DivergenceSlit发散狭缝RS:ReceivingSlit接收狭缝SS:ScatteringSlit防散射狭缝S1,S2:SollerSlit索拉狭缝,测角仪基本结构,3.控制/处理系统,主要硬件有:1.电子计算机（或工作站）（带系统软件和应用软件）2.输出系统（X-Y记录仪，打印机，绘图仪）主要作用是：1.用于仪器调整2.数据采集与处理3.结果分析与输出,六、试样的测定,图5试样测定的流程,1.试样的制备过程1,（1）试样的预处理X射线衍射分析试样必须满足两个条件：1.晶粒要细小2.试样无择优取向（取向排列混乱）。通常将试样研细后使用。可用玛瑙研钵研细。定性分析时粒度应小于44m（350目）定量分析时应将试样研细至10m左右。较方便地确定10m粒度的方法是:用拇指和中指捏住少量粉末并碾动，两手指间没有颗粒感觉的粒度大致为10m。,试样的制备过程2,（2）试样的填充必须保证接收X射线入射的试样面是一平面，且使这个试样面与测角仪轴一致；试样架的正面与背面是有区别的，正面的加工精度高(注意不要弯曲试样架)；试样面应是试样架的正面，在进行点阵参数的精确测定时尤其要注意。,试样的制备过程3,现有的试样架主要有两种：一种是穿孔（2018mm2）的铝样品架（3550mm2，t1.5mm，）。装填粉末时，将样品架的正面紧贴在玻璃平板上，粉末从背面填充至孔中，用小玻璃板均匀装入，上面再铺上薄纸用姆指压紧，然后轻轻拿起试样待测。,试样的制备过程4,另一种是玻璃样品架。它与铝样品架尺寸相同（不通孔），在玻璃板上蚀刻出试样填充区（2018mm2）。主要用于粉末试样较少时使用（约少于500mm3），用铝样品架难以充填的粉末试样可用此试样架。,试样的制备过程5,装样时将粉末一点一点放进试样填充区，重复这种操作，使粉末试样在架里均匀分布并压实。要求试样面与玻璃表面齐平。如果试样的量少到不能充填满试样充填区（大致小于70mm3、100200mg以下）时，在玻璃样架凹槽里先滴一薄层用醋酸戊酯稀释的火棉胶溶液，然后将粉末试样撒在上面，待干燥后测试。为了避免2在25附近处出现玻璃的漫散射衍射峰，可将发散狭缝改细，使入射X射线不致过多地为玻璃所散射。,试样的制备过程6,（3）块状试样的分析分析块状试样时，可将试样切割成2018mm2大小，用橡皮泥固定在铝样架上或块状试样架上进行测定；如果块状样品有一定大的平面2040mm2，厚度小于5mm，也可将试样直接插入样品台上测量。注意必须使测定面与试样表面在同一平面上，试样表面的平整度要求达到0.02mm左右。,2.实验参数的选择1,X射线管经常使用的负荷（管压和管流的乘积）选为最大允许负荷的80%左右。特征X射线强度与管流成正比；当管压低时，近似地与管压的平方呈正比。I特征i(V-V0)n式中：I为特性X射线强度，V为X射线管电压V0为激发电压，i为X射线管电流。,实验参数的选择2,管压的选择：管电压的最佳值一般为激发电压的3-5倍。如铜靶的激发电压为8.9kV,所以最佳选择电压为3045kV。（当管压超过激发电压56倍以上时，强度的增加率将下降）所以，在相同负荷下产生X射线时，要优先考虑管压，在更高的管压下，其负荷可通过管流来调节。,实验参数的选择3,管流的选择：管电流的选择一般为最大额定电流的80%。如转靶X射线衍射仪额定最大电流为200mA，因此实验时选择的电流最好不要超过160mA，以保证灯丝的使用寿命。,单色波长的获得：一般有K滤波片法和单色器法两种。K滤波片的选择原则是：Z滤波片材料的原子序数=Z靶材料的原子序数-1(或2)如：铜靶（原子序数29）则选镍（原子序数28）作为滤波片；其他靶的滤波片如下：Cu29Ni28Fe26Mn25Mo42Zr40Cr24V23Ag47Rh45Co27Fe26滤波片不仅可以大量吸收K射线，同时能够降低背底。,实验参数的选择4,使用K滤波片后还会出现微弱的K峰，它的强度大约为同一级衍射线Ka峰的1/100。有时因衍射峰重叠，难于进行微量相分析或定量相分析工作，晶系结构的确定更加难于进行，这时可选用单色器获得更加纯净的Ka单色线解决上述问题，但衍射强度要受到损失。,实验参数的选择5,实验参数的选择6,单色器是利用单晶的某一个晶面，例如石墨的（002）晶面，将试样衍射的X射线单色化装置。利用单色器不仅能消除背底，而且完全消除滤波片所不能完全消除的K线。由于消除了荧光X射线，背底显著降低。即使对于黑色金属试样采用铜靶辐射，使用单色器也能得到信噪比P/B（peak/background）高的数据。,七、粉晶X射线衍射法的应用,X射线衍射得到的最基本的数据就是衍射角度值和强度值。从衍射峰的三要素可以得到并计算物质的不同结构要素。1.峰位定性相分析，确定晶系，指标化，计算晶胞参数等2.峰强计算物相含量，计算结晶度3.峰形估计结晶度高低，计算晶粒尺寸,1.晶体样品的物相分析,我们说X射线衍射最主要的用途是定性物相分析。它不仅得到了化学工作者的重视，而且也吸引了其它领域工作者的注意。现在X射线衍射法已成为科学技术上应用相当广泛的方法之一，遍及物理、化学、矿物、岩石、金相、冶金、陶瓷、水泥等各个科学技术领域，成为生产和科学研究中重要的有些领域甚至是不可缺少的分析工具。,X射线定性物相分析的特点,1.X射线多晶分析能确切地指出物相；2.无损检测，测定后可回收另作它用；3.所需试样少。一般12g，甚至几百mg；4.同分异构体及多价态元素的含量分析。,X射线定性物相分析的局限性,X射线相分析不是万能的，它也有局限性：待测样品必须是固体；待测样品必须是晶态；待测物相必须达到3%以上。,定性物相分析原理,定性物相分析原理：根据实验得到的d-I/I0一套数据，与已知的标准卡片数据对比，来确定相应的未知物相。,国际通用的标准卡片,JCPDS卡片TheJointCommitteeonPowderDiffractionStandards；PDF卡片PowderDiffractionFileASTM卡片TheAmericanSocietyforTesting&Materials,标准卡片索引的使用,数字索引Hanawalt法，是一种按d值强弱顺序编排的数字索引，对完全未知待测样品进行相分析时使用。字母索引戴维K法，已知样品中某些元素做相分析时用，先推测出可能的化合物，然后根据英文名称查对确定。,图5X射线衍射法对矿物中药磁石的物相分析图谱,2.晶胞参数与结构的测定1,由布拉格方程2dsin=推得sin2=(/2)2/d2（1）对于立方晶系，晶面间距与晶胞参数有如下关系d=a/(h2+k2+l2)1/2（2）将(2)式代入(1)式得：sin2=(h2+k2+l2)(/2a)2（3）由此可见sin2值与衍射指标的平方和成正比。而衍射指标随结构不同而异,晶胞参数与结构的测定2,对于简单立方P：1：2：3：4：5：6：8：9.缺7对于体心立方I：2：4：6：8：10：12：14：16：18.1：2：3：4：5：6：7：8：9.不缺7对于面心立方F：3：4：8：11：12：16：19：20.求晶胞参数a=(h2+k2+l2)1/2/2sin（4）求晶胞中原子或分子数Z=V*D*N0/M（5）式中：V为单胞体积，D为所测试样的密度，M为分子（或原子）量，N0阿佛伽德罗数。,应用实例,实验测得金属铜的衍射线如下No.sinsin2h2+k2+l2hkl-1220.3746070.4337070.61150.37448220445.20.70960.503511311547.80.74080.548812222658.70.85450.730116400768.50.93040.865719331872.80.95530.912620420_,由此可得出金属铜点阵类型为面心立方结构,代入公式可计算出晶胞边长a=3.5875晶胞体积V=46.17173=46.1717*10-24cm3将密度D=8.95g/cm3原子量M=63.546Na=6.02*1023代入公式（6）可计算出单胞原子数为Z=4,3.平均晶粒尺寸测定,D=k/cos(谢乐方程）（6）其中：D为晶粒的尺寸（单位为，系垂直于hkl晶面方向的晶粒大小）；为衍射峰的布拉格角；为X射线波长（单位为）；为衍射峰的宽度（弧度单位）；k为常数（与的定义有关，用积分宽计算晶粒大小时，k=1；用半高宽计算时，则取k=0.9。,应用实例：电解二氧化锰晶粒大小测定,实验测得电解-MnO2（131）峰位2=36.8积分宽=0.358（经校正后），=1.5406，代如公式有D-MnO2（131）=260,结晶度计算,XC=I/（Ia+IC）100%,Ia,应用实例：Nateglinide新晶型的发现,B晶型X射线衍射图,H晶型X射线衍射图,S晶型X射线衍射图,B-,H-,S-型X射线衍射多重比较图,75100125150175,B型热分析图,75100125150175,H型热分析图,75100125150175200,S型热分析图,Temperature(C),Heatflow(mw),三种晶型热分析比较图,B-,H-,S-型红外光谱比较,B-,H-,S-晶型元素分析,不同晶型HPLC比较图,S型那格列奈电镜图,H型那格列奈电镜图,B型那格列奈电镜图,B晶型稳定性研究,H晶型稳定性研究,H晶型热稳定性研究,S晶型稳定性研究,S晶型热稳定性研究,药效学实验（动物模拟降糖试验比较）,按2gkg-1的量腹腔注射葡萄糖致使小鼠形成高血糖血症。按100mgkg-1的量灌喂S晶型那格列奈按100mgkg-1的量灌喂H晶型那格列奈测给药20、40、60分钟后小鼠的葡萄糖含量。,试验动物数、剂量,组别动物数（只）剂量(mgkg-1)正常对照组10模型组102000阳性对照H组10100给药S组10100,给药后不同时间血糖测定值,组别20分时血糖量40分时血糖量60分时血糖量（mmolL-1）（mmolL-1）（mmolL-1）正常对照组6.0592.5626.1552.7386.1832.532模型组14.8863.62015.6273.39615.7193.231对照H组11.8482.77811.6382.331*11.7642.611给药S组12.