X射线粉末衍射法：物质相组成的指纹分析和药物晶型控制

（一）粉末衍射分析

使用单色X射线与晶体粉末或多晶样品进行衍射的分析称为X射线粉末衍射法或X射线多晶衍射法。粉末衍射法的样品可以是粉末或各种形式的多晶聚集体，可使用的样品面很宽。

1.照相法　照相法又称德拜—谢勒（Debye-Scherrer）法。先把样品研碎或锉碎到200目左右，装入内径在0.3mm左右的薄壁玻璃毛细管中进行分析。

相机为金属圆筒，内径57.3mm，感光胶片紧贴内壁放置。圆筒中心轴有样品夹头，可绕中心轴旋转，样品固定在样品夹上，用单色X射线照射样品，在一定的电压和电流操作下曝光数小时，将底片进行显影和定影后得到粉末衍射图。图7-13是粉末照相法示意图及得到的粉末衍射图。衍射图中某一对衍射线的间距为2L，与θ的关系为：

因为2R=75.3mm，故θ=L，L的单位为mm，θ的单位为度。由实验测得L值，即可计算θ值，带入布拉格方程，即可计算出晶面间距d。

图7-13　粉末照相法示意图及粉末衍射图

图7-14　粉末衍射仪示意图

德拜—谢勒法的优点是所需样品少，有时只需0.1mg，收集的数据完全，仪器设备和操作都比较简便。

2.衍射仪法　现代的粉末衍射仪可以记录粉末衍射线的衍射角和衍射强度，并配有计算机系统作为仪器的操作控制和数据处理。粉末衍射仪通常由四部分组成：X射线发生器、测量角度的角度仪、测量X射线强度的探测装置、控制仪器和数据处理的计算机系统。图7-14为X射线粉末衍射仪的示意图。

单色X射线照射粉末样品（粒度200目，在样品板上压成平板），在与入射X射线成2θ角处用计数管接收衍射光束，样品与计数管用同一电动机带动，按θ与2θ的比例由低角度向高角度同步转动，信号经放大后，记录成横坐标为2θ、纵坐标为强度I的衍射图形。图7-15为NaCl的粉末衍射图。根据图中峰的位置，读出它的衍射角，进一步计算出晶面间距的数值、各个衍射强度与衍射峰所占面积的比例，可由峰面积求其强度。

图7-15　NaCl的粉末衍射图

3.应用　X射线衍射分析方法在材料分析与研究工作中具有广泛用途。一张粉末衍射图谱可提供表征被测物质或微晶的信息：晶格平面间距dh*k*l*，强度Ihkl和线宽（用峰值一半处的全宽度值β1/2表示）。

（1）物相定性分析。

①组成物质的各种相都具有各自特定的晶体结构（点阵类型、晶胞形状与大小及各自的结构基元等），因而具有各自的X射线衍射花样特征，衍射线分布位置与强度有着特殊的规律性。对于多相物质，其衍射花样由其各组成相的衍射花样简单叠加而成。由此可知，物质的X射线衍射花样特征就是分析物质相组成的“指纹”。

图7-16为药物氨苄西林四种不同相态的粉末衍射图，可以看出不同相态的X射线粉末衍射图有明显的不同。不同相态的药物，有的药效相近，有的完全不同，如红霉素，A型无效，B型有效；而消炎药，有用的是γ型，α型有毒，不能用。不同药性药物的某些物理性能如溶解度、溶解速率、分散度的差异也会影响相态。因此，利用X射线衍射做物相分析是研究、控制药物晶型及药效的重要手段。有些药物在出厂时必须配有X射线粉末衍射图或分析结果，作为物相的鉴定证据。

图7-16　氨苄西林四种不同相态的粉末衍射图

②物相定性分析的步骤。制备待分析物质样品，用衍射仪获得样品衍射花样；计算出有关参数、确定各衍射线条d值及相对强度I/I1值（以2θ＜90°时最强的一条衍射线强度为100，记为I1）、化学组成、样品来源；与标准粉末衍射数据进行比较、鉴定，检索PDF卡片；核对PDF卡片与物相判定：将衍射花样全部d-I/I1值与检索到的PDF卡片核对，若一一吻合，则卡片所示即为待分析物相。

物相分析时应注意：检索和核对PDF卡片时以d值为主要依据，以I/I1值为参考依据；低角度数据比高角度数据重要；强线比弱线重要。

③多相物质分析。多相物质分析的方法是按上述基本步骤逐个确定其组成相。多相物质的衍射花样是其各组成相衍射花样的简单叠加，这就使多相物质分析变得困难，即检索用的三强线（2θ＜90°的线中最强的三条）不一定属于同一相，还可能发生一个相的某线条与另一相的某线条重叠的现象。因此，多相物质定性分析时，需要将衍射线条轮番搭配、反复尝试。

（2）物相定量分析。XRD物相定量分析是基于待测相的衍射强度与其含量成正比。但是影响强度的因素很多，至今凡是卓有成效的物相定量方法都是建立在强度比的基础上。XRD定量方法有内标法、K值法、增量法和无标定量法，其中常用的是内标法。衍射强度的测量用积分强度或峰高法，有利于消除基体效应及其他因素的影响。

（3）晶粒大小分析。多晶体材料的晶体尺寸是影响其物理化学性能的重要因素，测定纳米材料的晶粒大小要用XRD。X射线衍射法测量小晶粒尺寸是基于衍射线剖面宽度随晶粒尺寸减小而增宽，可由式（7-19）的Scherrer方程得出：

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式中：D——小晶体的平均尺寸；

K——常数（约等于1）；

B1/2——衍射线剖面的半高宽。

影响衍射峰宽度的因素很多，如光源、平板试样、轴向发散、吸收、接收狭缝和非准直性、入射X射线的非单色性（Kα1、Kα2、Kβ）等。应注意，当小晶体的尺寸和形状基本一致时，式（7-19）计算结果比较可靠。但一般粉末样品的晶体大小都有一定的分布，Scherrer方程需要修正，否则只能得到近似结果。

（4）结晶度分析。物质的结晶度会影响材料的物理性质，测定结晶度的方法有密度法、IR法、NMR法和差热分析法。XRD法优于上述各法，它是依据晶相和非晶相散射守恒原理，采用非晶散射分离法（HWM）、计算机分峰法（CPRM）或近似全导易空间积分强度法（RM）来测定结晶度。

除以上测定外，XRD还可进行宏观和微观应力分析、薄膜厚度测定、物相纵向深度分析、择优取向（织构）分析等。

（二）单晶衍射分析

单晶结构分析可提供一个化合物在固态中所有原子的精确空间位置，比较清楚、全面地了解其空间结构，能在分子、原子水平上提供完整而准确的物质结构信息。该法能测定出组成晶体的原子或离子的空间排列情况，从而了解晶体和分子中原子的化学结合方式、分子的立体构型、构象、电荷分布、原子在平衡位置附近的热振动情况以及精确的键长、键角和扭角等结构数据。因此，单晶X射线衍射分析成为结构测定中最权威的方法，是当前认识固体物质微观结构最强有力的手段。

1.单晶结构分析过程　目前，利用已有的仪器设备和计算机，一个常规小分子化合物的X射线晶体结构分析过程可在几十分钟到几个小时内完成。图7-17概括了晶体结构分析的过程，左边的方框列出了主要步骤，右边则列出了每个步骤可以获得的主要结果与数据。

图7-17　晶体结构分析的步骤

（1）晶体培养与挑选。衍射实验需要培养单晶，必须采取合适的方法，以获取质量好、尺寸合适的晶体。晶体的生长和质量主要依赖于晶核形成和生长的速度。理想的尺寸取决于晶体的衍射能力和吸收效应程度、所用X射线的强度和探测器的灵敏度。晶体的衍射能力和吸收效应程度取决于晶体中所含元素的种类和数量。X射线的强度和探测器的灵敏度取决于衍射仪的配置。合适的晶体尺寸为：纯有机物0.2～0.5mm，金属配合物或金属有机物0.15～0.4mm，纯无机物0.08～0.3mm，蛋白质1.0～1.5mm。尽量选取三个方向尺寸相近（否则对衍射的吸收有差别）的单晶，过大的单晶可用解剖刀切割。品质好的晶体，应该透明、没有裂痕、表面干净、有光泽、外形规整。

（2）晶体的衍射实验。将平行的单色X射线投射到一颗小单晶上，由于X射线和单晶发生相互作用，会在空间偏离入射的某些方向上产生衍射线。晶体内部结构不同，衍射的方向和强度也不同。其基本程序如下。

①旋转照相，查看晶体的质量。

②测量晶胞参数。

③收集晶体的衍射强度数据如衍射指标、衍射角度、衍射点及背景强度等写入一个文件。一般来说，每天可测定1000～2500个衍射点，不同单胞大小的晶体，测定时间通常持续1～5天。

④对收集的数据文件进行处理和校正以产生相应的Fo（结构振幅）值，进行结构解析与结构精修，并形成一个带有衍射指标hkl、衍射强度值及其标准不确定度的σ（）数据文件。

（3）晶体结构解析与精修。晶体衍射实验得到的数据有晶胞参数、衍射指标、结构振幅|Fo|、可能的空间群、原子的种类和数目等。未知的数据是晶胞中原子的精确位置及衍射点的相角和原子坐标。晶体结构解析过程中，经常采用Patterson和直接法解决相角问题，以获得大致准确的相角数据；再结合实验得到的|Fo|，经多次傅里叶合成，计算出一套新的晶体空间电子密度分布图，得到完整、真实的结构。这时的结构参数中仍有一些错误与偏差。为了获得精确的结构数据，必须对相关参数值进行优化，使结构模型与实验数据之间的偏差尽量小，这一过程称为结构精修。经过合理精修后的模型才能得出正确的晶体结构结果。结构精修最常见的方法是最小二乘法。

（4）晶体结构的表达。晶体结构解析得到的最终信息包括晶胞参数与化学式、晶体密度、键长与键角、最佳平面、扭转角与二面角、氢键、π—π堆积作用与范德华作用等分子间弱的相互作用等数据；配位聚合物和无机化合物的配位多面体连接方式以及电子密度等。

单晶结构分子通过立体几何关系（晶体中原子的坐标），将化学、物理学和材料学连接起来，研究原子间的相互作用——成键作用、分子结构和超分子弱作用，这是化学工作者最感兴趣的问题。

除了晶体结构数据外，单晶结构分析还可提供分子结构图、晶胞图、堆积图及表明特性作用或结构的空间填充图、多面体图和立体图等。

2.X射线单晶衍射仪　早期测量衍射强度使用各种照相法，该法比较繁琐，数据精确度较低，但具有准确确定劳埃群和晶胞的特点。这些古老的方法目前已经很少用。

20世纪70年代出现了配备点探测器的自动化衍射仪，能快速准确地测量衍射强度。目前主要使用的衍射仪有传统四圆衍射仪和面探衍射仪两大类。这两类衍射仪的结构基本一致，主要包括光源系统、测角器系统、探测器系统和计算机系统四大部分。图7-18是X射线单晶衍射仪的基本结构示意图。

图7-18　X射线单晶衍射仪的基本结构示意图

光源系统主要包括高压发生器和X光管，前者提供高压电流，如果使用封闭式X光管，一般电压为40～50kV，电流为20～40mA。X光管在工作过程中需要外接水循环冷却系统以冷却降低阳极靶的温度。测角器系统与载晶台和探测器直接相连，用于控制晶体和探测器的空间取向。如果使用点测角器系统，则测角器系统为传统四圆设置；如果使用面探测器系统，则测角器系统可以为三圆设置，其中χ圆被固定。控制仪器的计算机，可以为普通计算机，也可以为工作站。计算机的功能包括控制测角器系统和探测器的机械运动，以及快门的开关，收集和记录测角器系统的各种角度数据、探测器的强度数据等，也包括数据处理等工作。一般衍射仪均可装上低温系统，用于冷却晶体的温度。如果使用液氮作为冷却剂，晶体的温度可以降低至约100K。如果使用液氮，温度还可以更低。快门的作用是控制X射线的射出，而单色器的作用是只让特征X射线通过，如让MoKα通过。准直器则控制照射到晶体上X射线光斑的大小。

物质的性质诸如光学性质、磁学性质、吸附性质、电学性质、生物分子活性及其功能都由不同层次的结构决定，分子的晶体结构是揭示结构与性能关系的重要因素。因此，单晶结构分析所揭示的化合物结构与性能间的关系，对于无机化学、有机化学、生物化学、材料化学、药物化学，特别是对于配位化学等研究领域的设计及合成功能材料和药物具有重要的作用，已经成为化学、生物、医学、材料、地质等研究领域不可或缺的研究手段。