实验室光学仪器--单晶的X射线衍射分析方法及原理介绍
结构测定是由实测X射线衍射强度获得结构振幅,求得晶胞中的电子密度分布进而确定原子在晶胞中的空间位置。其中,怎么由实测X射线衍射强度获得结构振幅尤为重要。换而言之,单晶分析就是测定一个晶体的结构,测定步骤如下:
a.单晶体的制备或挑选,要成功地完成一个晶体结构的分析,首先要制备一个品质优良、尺度合适的单晶样品。
b.单晶衍射数据的收集和处理 计算结构振幅。
c.使用合适方法确定衍射角。
d.通过反复Fourier合成求得晶体初结构,再合成精修初结构。
e.根据所得结果,描述晶体结构,完成分析报告。
单晶体衍射数据的收集,有两类方法:照相法和衍射仪法。其中照相法有劳厄法和转晶法两种。
1)劳厄法 (Laue method)
1912年德国物理学家劳厄(1879-1960)首先获得晶体对X射线衍射的照相图,简称“劳厄图”。此法是采用连续X射线,照射固定的单晶体。所得的劳厄图为一群斑点,称为劳厄斑。根据这些斑点的分布图样和黑度,可获得晶体对称性和其他内部结构的知识。劳厄法是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(Debye—Scherrer)法的理论基础。劳厄法可测量晶体的位向,评定晶体的完整性。
2)转晶法
转晶法是以单色X射线,照射转动的单晶体,得到的晶体对X射线衍射的照片中衍射线分布在一系列平行的直线上。在实验时,晶体围绕所选定的晶轴或晶向转动。转晶法主要用于测量未知晶体结构。
3)衍射仪法
衍射仪有多种,最常用的均为四圆衍射仪。四圆衍射仪与粉末衍射仪的不同之处在于载晶台和载晶台的转动控制,至于光源和探测器都是一样的。
衍射仪的测角头与计数器的方位由(χ,ω,2θ,φ)四个欧拉角确定,故称为四圆衍射仪。χ角可以在0-360度范围内调节测角头的旋转轴方向,而φ角是测角头上的旋转角,可进一步在0-360度范围内调节晶体及其衍射点的方位。2θ角可调节计数器测量的衍射光束与入射X射线之间的夹角,即布拉格角。ω角可调节测角头绕垂直于水平面的旋转轴的旋转。同时,在测量衍射强度时对ω角进行扫描,一般范围很小,在0.5-5度左右。四圆衍射仪有一个固定的光学中心,四个欧拉角旋转轴都相交于光学中心。所以,当晶体被精确调节在光学中心时,测量衍射强度的实验过程中的任何欧拉角旋转都不会移动晶体的空间位置。这样就保证入射X射线总是穿过晶体。
由于其他测量X射线衍射强度的探测仪的出现,如成像板、CCD等面探测仪,四圆衍射仪现已不被广泛使用 ,但大多数现代衍射仪都应用四圆衍射仪的设计原理。
