【摘要】 X射线衍射单晶结构分析作为一种可以精确测定分子三维空间结构的物理方法,是现代化学研究中重要的技术手段之一,被日益广泛地应用于化学材料科学和生命科学等领域的研究,并对以上学科的发展起着重要的推动作用。

一X衍射基本原理

 

 

当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉。

 

在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，每种晶体所产生的衍射花样都反映出该晶体内部的原子分配规律。这就是X射线衍射的基本原理。

 

二晶体的基本概念

  • 晶体：物质内部质点(原子、分子、离子)呈规律排列的固体，为“空间格子”状。

     

  • 晶胞：晶体的最小重复单位。可以用3个晶轴的长度a、b、c及其夹角α、β、γ6个晶胞参数来描述。

     

  • 晶面：结晶格子内所有的格子点全部集中在相互平行的等间距的平面群上，这些平面叫做晶面，晶面的间距为d。用晶面指数（Miller指数）来标记。（通过晶体中原子中心的平面叫作晶面）。

 

 

 1  七个晶系及其晶胞参数：

 

 

 2  晶面和晶面指数：

 

 

三结构分析的过程

 

 

X射线晶体结构分析的过程,从单晶培养开始,到晶体的挑选与安置,继而使用射仪测量衍射数据,再利用各种结构分析与数据拟合方法,进行晶体结构解析与结构精修,最后得到各种晶体结构的几何数据与结构图形等结果。

 

利用目前的仪器设备和计算机,一个常规小分子化合物的射线晶体结构分析全过程可以在几十分钟到几个小时内完成。下图概括了晶体结构分析的过程,左边的方框列出各个主要步骤,右边则列出每个步骤可以获得的主要结果或数据。

 

图2 晶体结构分析步骤

 

 

四常见问题解答

 

 1  单晶XRD能得到什么？

 

小分子三维结构，精确的键长键角数据，活性位点的形状和化学结构，蛋白质的三维结构/折叠，蛋白质晶体结构等。

 

 2  怎么分辨晶体能否送样测试？

 

晶体是要规则，无明显裂纹的晶体（且晶体不小于20微米）。若满足的话，可以送样过来尝试一下。

 

 3  怎么选择合适的靶材？

 

一般含有金属原子的，优先选择钼靶测试。纯有机的，可能要选择铜靶。

 

 4  什么时候选择常温或者低温？

 

这个要拿到晶体测试后，才能确定。一般有机和MOF类可能需要选择低温。

 

 5  如果只解析晶体结构，需要提供的数据类型有哪些？

 

要提供.raw,.hkl,.p4p,._ls类型的文件，有时候也需要原始衍射图，结构式。

 

 6  挑选晶体的建议：

 

1) 提前准备好您的样品和所需工具等。

 

2) 使用洁净的上样工具，避免污染。

 

3) 尽可能将样品分为多份，以方便多次尝试。

 

4) 选择好适用的油—快速均匀地与晶体混合(低温实验)。

 

5) 尽量使用冷光源照明，以延长晶体挑选时间。

 

6) 请先了解您所用的显微镜的放大倍率和衍射仪的光斑大小，并照此挑选晶体样品。  ——请记住，常常小晶体的质量会更好。

 

7) 挑选面/角清晰的晶体；避免挑选有裂缝和表面有缺陷的晶体；从簇状或薄片状晶体中分离出单颗晶体(小心处理以免损坏晶体)。

 

8) 将挑选好的晶体转移到合适的上样工具上—尽量少裹油、尽量减少样品转移到衍射仪上的时间、尽量减少在转移过程中对晶体的损坏。

 

9) 确认晶体处于低温气流中，并通过一幅衍射照片来快速评估晶体质量。

 

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