手機版
關于我們
加入收藏
北京精微高博儀器有限公司
19 年
白金會員
白金會員
已認證
撥打電話
獲取底價
提交后，商家將派代表為您專人服務
北京精微高博儀器有限公司
白金會員已認證
摘要：X射線衍射技術是利用X射線與晶體物質相互作用產生衍射效應，從而解析物質微觀結構的核心分析手段。自1912年由勞厄等人發現以來，該技術已成為材料科學、化學、物理學、生物學及地質學等領域不可或缺的基石。本文旨在系統闡述X射線衍射的基本原理、主要技術方法（如單晶與多晶衍射）、其在結構解析與物相分析中的應用，并探討其在高通量、原位及微區分析等前沿方向的最新進展。
技術發展歷程
XRD技術的發展與基礎物理研究的突破密切相關，其關鍵里程碑事件構建了現代衍射分析的理論與技術框架。
倫琴在發現X射線的時候給他的妻子拍了1張帶有戒指的右手照片（圖片來源于網絡）
1. 奠基階段（19世紀末-20世紀初）
1895年倫琴發現X射線，為衍射技術的誕生奠定了基礎。1908-1909年，Walter和Pohl觀察到X射線透過尖形光欄后出現的干涉條紋，為衍射現象的確認提供了早期線索。1912年，勞厄通過實驗證實X射線與晶體相遇時的衍射現象，不僅證明了X射線的電磁波性質，更開創了X射線衍射學這一新興學科，成為該領域的首個里程碑。
2. 理論與技術成型階段（20世紀初-中期）
1913 年，W.L. 布拉格（William Lawrence Bragg）與父親 W.H. 布拉格（William Henry Bragg）共同提出布拉格定律（nλ=2d sinθ），奠定晶體衍射的運動學理論基礎[1]。1913 年莫塞萊（Henry Moseley）建立莫萊特定律（Moseley's Law），而倒易點陣（Reciprocal Lattice）概念由厄瓦爾德（Paul Peter Ewald）于 1912 年提出，二者分屬不同科學家的獨立貢獻，不可合并表述。
20世紀20年代康普頓發現X射線非相干散射現象，X 射線干涉現象首次由博爾施（H. Boersch）于 1941 年觀察到；1959 年 Kato（加藤）與 Lang 的工作是對該現象的系統性驗證與應用拓展，并非 “發現”。1965 年由邦斯（U. Bonse）與哈特（M. Hart）共同發明 X 射線干涉儀，奠定了高精度 XRD 測量的基礎。推動了技術從理論走向實用化。
3. 現代發展階段（20世紀后期至今）
同步輻射光源與自由電子激光的興起，為XRD技術帶來革命性突破，催生了超快X射線衍射、軟X射線顯微術等新型技術手段。近年來，技術發展呈現出靜態分析向動態追蹤、單一技術向多技術聯用的趨勢，如與物理吸附儀、冷凍電子顯微鏡（Cryo-EM）、計算模擬的結合，顯著拓展了技術的應用邊界。
核心原理與技術體系
1. 基本原理
XRD原理圖
XRD技術的核心是X射線與晶體原子的相互作用。高能電子束轟擊金屬靶材產生特征X射線，照射樣品后，晶體內部原子的內層電子受激振動產生散射波。由于晶體結構的周期性，散射波在特定方向發生相長干涉，形成可檢測的衍射信號，其衍射線的空間方位與強度直接反映晶體的微觀結構特征。
布拉格方程式是XRD技術的基礎理論依據：nλ=2d sinθ（其中d為晶面間距，θ為衍射角，n為整數，λ為X射線波長）。該方程明確了衍射產生的必要條件——只有當各參數滿足方程關系時，才會出現強衍射信號，但滿足方程并非衍射產生的充分條件，衍射強度還受原子分布、晶體對稱性等因素影響。
2. 技術分類
XRD技術主要分為單晶X射線衍射和多晶X射線衍射兩大分支。
單晶X射線衍射
單晶X射線衍射儀
單晶XRD的對象是一顆尺寸在微米至毫米級別的完美單晶體。通過測量晶體在三維空間中的衍射點陣（倒易空間），可以獲得完整且精確的晶體結構信息，包括原子坐標、鍵長、鍵角、熱振動參數乃至電子密度分布。
? 工作流程：主要包括單晶挑選、數據收集（使用四圓衍射儀或現代的面探測器）、數據還原與吸收校正、結構解析（直接法或帕特森法）以及結構精修（最小二乘法）。
? 應用與重要性：SXRD是確定全新化合物（如配位聚合物、有機分子、天然產物）絕對構型的“金標準”。在藥物研發中，它用于確定活性藥物成分及其多晶型的精確三維結構，這對于理解藥物-靶點相互作用至關重要[2]。
多晶X射線衍射
多晶X射線衍射儀
多晶 X 射線衍射（PXRD，又稱粉末 X 射線衍射）以大量隨機取向的微小晶粒（粉末）為分析對象，而德國 STOE 公司作為透射式粉末 XRD 技術的開創者，其研發的透射幾何設計（如 STADI P 系列儀器的核心技術）為該類樣品的精準分析提供了遠超傳統反射式（Bragg-Brentano）幾何的解決方案。由于晶粒取向的隨機性，三維衍射信息通常被壓縮為一維 “衍射強度 - 2θ 角度” 圖譜；與傳統反射模式不同，STOE 透射模式通過 X 射線沿樣品軸向均勻穿透（如將粉末裝入石英毛細管封裝），避免了反射模式下樣品表面平整度、顆粒團聚或壓片制樣導致的誤差，使一維圖譜中各衍射峰的強度分布更貼合晶粒真實取向統計，從根源減少信號失真，尤其適合細顆粒（<5μm）或易團聚樣品的分析。
? 物相定性及定量分析：每種結晶物質都有其獨特的“指紋”衍射圖譜。通過與標準數據庫（如ICDD的PDF數據庫）進行比對，可以實現未知樣品的物相鑒定。此外，基于各物相衍射峰的強度與其在混合物中的含量成正比，可以發展出多種定量分析方法。
? 晶體結構精修：Rietveld方法
這是PXRD領域的一項革命性技術。由Hugo Rietveld于1967年提出，該方法通過將基于結構模型的整個計算圖譜與實驗測量圖譜進行最小二乘擬合，從而對晶體結構參數（包括晶胞參數、原子位置、峰形參數等）進行精修[3]。Rietveld精修使得利用粉末數據解析和精修復雜結構成為可能，極大地擴展了PXRD的應用范圍，尤其在無法獲得高質量單晶的材料（如陶瓷、催化劑、地質礦物）研究中不可或缺。
前沿進展與新興技術
隨著X射線源和探測技術的飛速發展，XRD技術正不斷突破傳統極限。
1. 同步輻射X射線衍射
同步輻射光源提供的高亮度、高準直性、波長可調的X射線，帶來了革命性的提升。其優勢包括：
超高分辨率與信噪比：可用于研究弱衍射樣品和復雜結構。
高通量實驗：極快的采集速度使得組合材料芯片的高通量篩選成為可能。
小角X射線散射：用于研究納米尺度的結構有序性。
2. 原位X射線衍射
傳統XRD提供的是靜態“快照”，而原位XRD則能在樣品經受外部刺激（如變溫、變壓、氣氛變化、電化學充放電）的過程中，實時監測其結構演變[4]。例如，在鋰離子電池研究中，原位XRD可以實時揭示電極材料在充放電過程中的相變過程，為優化電池性能提供直接證據。
3. 微區X射線衍射
結合高亮度光源和精密聚焦optics，μ-XRD可以將X射線束斑聚焦至微米甚至納米量級，從而實現對樣品特定微區（如單個晶粒、界面、缺陷）的結構分析，在異質材料、失效分析和微電子器件表征中極具價值。
應用領域概覽
XRD在材料領域的應用
XRD技術的應用已滲透到眾多科學與工程領域：
材料科學：新材料的發現與表征、相圖測定、殘余應力分析、織構分析。
制藥工業：藥物多晶型篩查與鑒定、制劑中活性成分的定量分析、穩定性研究。
地質學：礦物鑒定與定量、巖石成因與演化歷史研究。
考古與文化遺產：古代陶瓷、顏料、金屬制物的物相分析，用于斷代和真偽鑒別。
生命科學：盡管大分子晶體學更多使用同步輻射，但實驗室XRD源仍用于小分子抑制劑、輔因子等與蛋白質功能相關的化合物結構解析。
結論與展望
X射線衍射技術歷經百年，其深度和廣度仍在不斷拓展。從靜態的結構解析到動態的過程追蹤，從宏觀樣品統計到微區單晶分析，XRD技術持續為科學發現和工業創新提供著最核心的結構信息。
關于德國百年XRD制造企業STOE
如果將X射線衍射技術的百年發展比作一座宏偉的大廈，那么那些頂尖的設備制造商便是這座大廈最堅實的基石與支柱。在這些基石之中，始建于1887年的STOE公司，無疑是一座鐫刻著傳奇的豐碑。它不僅是行業發展歷程的親歷者，更是以一系列開創性成果，主動塑造了技術演進的方向。從晶體光學檢測設備起步，自20世紀60年代起便深耕單晶和粉晶XRD賽道，不僅發明了粉末X射線衍射透射幾何技術，同時研發出首款搭載開放式歐拉支架、配備像素探測器的單晶X射線衍射系統，是首個將透射幾何商業化應用于粉末XRD的廠商（20世紀60年代）；依托德國制造的高精度工藝，STOE公司單晶衍射儀的彌散斑半徑可精準控制在5微米以下，更是國際衍射數據中心（ICDD）的全球授權經銷商，百年積淀的技術實力、品牌口碑與全球高端客戶資源，使其成為行業公認的標桿企業。而精微高博對STOE的收購（精微收購德國百年X射線衍射儀（XRD）制造企業STOE-全面拓展單晶和粉晶XRD產品線），標志著中國資本與技術正以前所未有的方式融入全球高端科學儀器產業鏈。這一結合能夠催生更多創新的、面向未來的XRD解決方案，為新材料研究與生產客戶提供“吸附-熱分析-衍射”多元化解決方案，并為中國乃至全球材料科學的進步貢獻新的力量。
參考文獻
[1] Bragg, W. L., & Bragg, W. H. (1913). The Reflection of X-rays by Crystals. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 88(605), 428-438.
[2] Glusker, J. P., Lewis, M., & Rossi, M. (1994). Crystal Structure Analysis for Chemists and Biologists. VCH Publishers.
[3] Rietveld, H. M. (1967). A profile refinement method for nuclear and magnetic structures. Journal of Applied Crystallography, 2(2), 65-71.
[4] Chupas, P. J., Qiu, X., Hanson, J. C., Lee, P. L., Grey, C. P., & Billinge, S. J. L. (2003). Rapid-acquisition pair distribution function (RA-PDF) analysis. Journal of Applied Crystallography, 36(6), 1342-1347.
[5] Ovchinnikov, O. S., et al. (2019). AI-enabled high-throughput X-ray diffraction analysis. MRS Bulletin, 44(9), 699-705.
最新動態
更多
虛擬號將在 秒后失效
使用微信掃碼撥號
上一篇