1、X 射线粉末衍射法1 简述固体物质分为结晶质和非晶质两大类。有些化合物存在多种晶格结构，如 、 、 等晶型，可分别处于稳态或不同的亚稳态。严格来说，在一定的温度和压力下，只有一种晶型在热力学上是最稳定的。但通常从亚稳态转变为稳态的过程非常缓慢。晶体中，分子或原子（质点）在三维空间作周期性的有序排列，形成晶格结构；非晶质俗称玻璃体或无定形，它们不具有晶格结构。许多结晶质药物由于制备条件的不同而存在多晶现象。当晶体被 X 射线照射时，部分透过物质的射线将引起散射，晶体中各原子的散射 !射线相互叠加；当 X 射线为单色光时，各原子的散射 X 射线发生干涉，并在特定的方向上产生强的 X 射线衍射线，这
2、就是晶体的 !射线衍射。以粉末状物质为对象的 X 射线衍射技术称为 X 射线粉末衍射法。它是根据对样品粉末衍射研究所得出一系列晶面间距 d 及对应的相对衍射强度数据与标准数据（或由标准物质得到的数据）比较进行物相鉴别的方法。对同质多晶体物质的衍射图，有时彼此间的差别可能并不显著，此时建议根据其红外光谱和热分析数据进行综合评估。由于组成晶体的质点在空间作周期性的有序排列，所以晶体恰似一块三维衍射光栅。当一束准直的单色 X 射线照射旋转单晶或粉末晶体时，便发生衍射现象。发生衍射的条件是必须符合布拉格方程：dhkl=n2sin式中 dhkl 为（hkl）面族的晶面间距 为掠射角hkl 称为晶面指数，
3、由英国结晶学家 Miller 所创，故又名密勒指数。晶面指数由下列方法求得，取晶面在三个座标轴上截距的倒数，再经化简可得到三个最小整数，分别以h、k、l 表示。而 hkl 即表示该面族，称晶面的密勒符号。由于无定形物质中质点的空间排列是无序的，即不具有“三维衍射光栅”状的晶格结构，所以经无定形样品反射的 X 射线相干性差，导致衍射图呈弥散状，与结晶质样品特征性的衍射图存在明显区别。X 射线粉末衍射法可以进行定性相分析、定量相分析、点阵参数的测定、晶面指数的确定等。近年来也有利用 X 射线粉末衍射法进行晶体结构测定的报道。但目前其主要用途是利用其定性相分析技术可以对无定形样品和结晶质样品以及结晶
4、质的不同晶型进行鉴别。X 射线粉末衍射定性相分析的特点为： 不是通常意义上的化学分析，而是物相分析；可以区别化合物的同质异晶体；当试样由多成分构成时，能区别其以混合物状态还是以固溶体形式存在；试样可以是粉末状、块状、板状、线状；所用试样量少，并可回收试样；溶剂化物也有其特征的衍射图；微量的混合物难以检出；衍射的 X 射线强度很弱时难以作物相分析。用于 X 射线衍射的辐射源通常采用以铜、钼、铁、铬等金属元素为阳极靶材料的真空管，一般均采用靶元素的 X 辐射。X 射线管的阳极靶材料的选择原则为： 试样应不吸收靶源的 K辐射，且不激发荧光；根据需要测定的晶面间距，选择特征的 X 射线波长。由于除黑色
5、金属外，一般无机物、有机物均可使用 Cu 靶源进行分析，仪器通常配置 Cu 靶源。为保证人射 X 射线的单色性，必须采用适当的滤光片，用以去除 K辐射和靶元素的其他发射谱线。常用 K辐射滤波片、双滤波片、单色器或波高分析器，这样可以同时降低背景。2 样品的制备2.1 样品的预处理 X 射线衍射的粉末试样必须满足两个条件：晶粒要细小；试样无择优取向（即取向排列混乱） 。通常用玛瑙研钵将样品研细。定性分析时粒度应小于44m（约 350 目） ，定量分析时粒度应为 10m 左右。研磨样品的压力有时可造成晶型的转变或晶格的破坏，从而导致衍射图变化。为验证制样时是否造成样品晶型的转变，可与未经研磨的样品
6、的衍射图相比较。由于粒度较粗的样品的实验重现性较差，实验中可以通过调整标准样品或供试品的研磨时间，以达到最佳状态。对于具有择优取向的样品，可将样品充分研细，涂布在玻璃板试样架上，或加入约“./非结晶物质（如硅胶粉末等）进行混合，以冲淡粉晶的择优取向。2.2 装片 将粉末试样滴加少许无水乙醇或阿拉伯胶（或其它适宜的树脂） ，调匀，置于玻璃试样架的槽上，用一平整的玻璃片压制成平整致密的平面。必须保证接收 X 射线的试样面为平面。当试样中固溶有其它物质或加热膨胀时，衍射线将向低角位移（高角位置衍射线偏移较大） 。当试样量不足以填满试样填充区（约 100200mg）时，可在玻璃试样架凹槽内先涂一薄层用
7、醋酸戊酯稀释的火棉胶溶液，然后将粉末试样均匀撒在上面，待干燥后测试。以适当的方式将试样架固定于照相圆筒或衍射仪的轴线上，然后用一束平行的单色&射线，以垂直于此轴线的方向投射到样品架上。当样品为单晶对，只有有限数目的晶面处于符合布拉格方程的位置；但当样品为大量随机取向的粉末状晶粒时，每族晶面均可产生一个以入射 X 射线为轴的圆锥，整个衍射花样呈若干个同轴的圆锥面。3 测定条件的设定3.1 负荷 功率负荷应不超过最大值的 80%。3.2 管压 当管压在激发电压的 5 倍以内时，可优先提高管压，以提高 X 射线强（X射线强度与管压平方成正比，与管电流成正比） ；当管压为激发电压的 5 倍以上时，随着
8、管压的升高，X 射线强度变小，信噪比降低。管压的选择与靶元素有关：靶元素的原子序数越大，激发电压越高。常用的几种靶元素：Cr 为 6.0kV， Fe 为 7.1kV，Co. 为 7.7kV，Cu为 8.9kV，Mo 为 20.0kV。3.3 取出角 较小的取出角，分辨率高，但 X 射线强度低。兼顾分辨率与 X 射线强度，取出角约为 6较好。3.4 发射狭缝 较宽的发射狭缝，虽然可使 X 射线的强度增加，但低角处 X 射线可能超出试样的范围；试样架产生衍射峰或漫散射，使对衍射有贡献的 X 射线的立体角变小，并使其相对强度改变，对定量相分析不利。定性相分析时，发射狭缝通常取 1。当低角衍射特别重要
9、时，发射狭缝可取 1/2或 1/6。3.5 接收狭缝 接收狭缝细时，分辨率高，但 X 射线强度低；接收狭缝宽时，信噪比低，但可靠性也低。定性相分析时，接收狭缝通常用 0.3mm；对致密的物相如有机物进行衍射分析时，接收狭缝可采用 0.15mm。3.6 扫描速度 对主要成分进行定性相分析时，通常采用 2/min 或 4/min 的速度进行扫描；进行定量相分析时，通常采用 1/2或 1/4的速度进行扫描。3.7 确定测量范围 使用 Cu 靶时，无机物定性相分析的范围为 902(2)；高分子材料和有机物定性相分析的范围为 602(2)；量相分析只需在欲测衍射峰附近进行扫描。粉末衍射图可用感光胶片或盖
10、格辐射计（Geiger-Muller）检测。当使用胶片时，衍射图由一系列的弧线组成，衍射角可由胶片上弧线量取并经计算测定，衍射强度则由测微光度计读取。使用辐射计时，衍射角、衍射强度及面间距可由衍射仪方便地直接读取。此时，衍射图颇似常见的光谱图，所不同的是横座标为衍射角而不是波长。有诸多因素可影响衍射强度。由任何一簇晶面产生的衍射强度决定于其中结构因子和实验条件。前者包括：晶胞中原子的位置；原子的散射因子；样品对 X 射线的吸收和极化因子。后者包括：入射 X 射线的波长及其强度， 样品的结晶度、密度和体积，实验温度，记录衍射强度数据的实验装置。衍射角是晶体的重要衍射数据。为了能准确地测定衍射角，
11、首先应按操作说明书对仪器进行仔细的校正。在测定样品前，可在样品中加入少量标准物质，依法制样并记录其衍射图，由衍射图测定标准物质衍射谱线的衍射角及面间距，并与标准数据比较，以此对样品的衍射数据和衍射仪进行校正。定量测定通常采用内标法。取已知量的内标物质加入准确称重的供试品中，依法测定衍射图，选择合适的分析线对；由供试品和内标物分析线对相对强度比与供试品量作工作曲线，并确定线性范围。内标物质的衍射图应与样品的衍射图不发生重叠，没有择优取向，重现性好，且与供试品间的相对密度及对 X 射线的吸收特征也应尽量一致。由于基质对 X射线具有吸收，因此在制作工作曲线及样品测定时，基质的用量应大致相同。通常，样
12、品用量与基质用量之比应不超过 10%。结晶物质的鉴别可通过比较样品与标准衍射数据或已知物质（包括晶型）的衍射图完成。各衍射线的相对强度（衍射图上各衍射谱线与最强谱线的强度比值）和面间距是进行鉴别的依据。标准衍射数据可参考The International Centre for Diffraction Date ，（Newtown Square Corporate Campus,Boulevard,Newtown Squre,PA19073） 。该数据库集收载了 6 万多种物质的衍射数据。定性相分析中对常用已知物质的标准衍射图谱的检索还可使用 JCPDS 卡（ Joint Committee o
13、n Power Diffraction Standards） ，一般用 Hanawalt 法进行分析。如使用对照品进行比较，最好采用相同的仪器，并在相同的实验条件下分别测定供试品和对照品的衍射图。供试品与对照品衍射角偏差应在衍射仪允许误差的范围内（通常 2角的重复性误差应不超过0.20） 。衍射线相对强度的测量误差通常较大，有时可高达20%。4 注意事项4.1 X 射线是有害人体健康的电离辐射，使用衍射仪时操作人员必须采取适当的防护措施，例如身穿铅围裙或其他适宜的防护服，戴防护眼睛，测剂量用底片包带身上指定位置。工作时，眼睛切莫迎着 X 射线方向正面直视 X 射线出射窗口！安放试样调焦时，可采用小块 K 射线荧光板置试样后方，操作人员必须站在侧面观察。两人以上共同工作时，应共同确认和防止 X 射线辐射。人员应尽可能少在 X 光机室内逗留。4.2 X 射线衍射仪应放在无尘、干净的房间，并最好能温控。4.3 如果是首次使用或长时间没有使用 X 射线衍射仪，应选用长期未使用老化条件进行老化；如果每天使用 X 射线衍射仪，也应缓慢增加管压和管流进行老化。应在 X 射线管允许的负荷和电流范围内进行工作。4.4 不得随意改变保护电路的设定值。4.5 高压电源应接地并部分被屏障遮挡。起草人：凌大奎（北京市药品检验所）复核人：尹利辉 胡昌勤（中国药品生物制品检定所）
