x射线单晶衍射仪介绍.ppt

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1、报告内容一、晶体的基本特征一、晶体的基本特征二、晶体的二、晶体的X射线衍射发展简介射线衍射发展简介三、检测的基本原理三、检测的基本原理 四、主要用途及应用领域四、主要用途及应用领域五、本实验室仪器型号及技术特点五、本实验室仪器型号及技术特点六、操作基本步骤六、操作基本步骤一、晶体的基本特征一、晶体的基本特征t固体的聚集状态：固体的聚集状态：晶态和非晶态晶态和非晶态t晶体晶体（crystal）是一种分子（或原子）有规律的重）是一种分子（或原子）有规律的重复排列的固体物质复排列的固体物质t单晶体：单晶体：基本由同一空间点阵所贯穿形成的晶块。基本由同一空间点阵所贯穿形成的晶块。t如：金刚石，石英，萤

2、石，锆晶体如：金刚石，石英，萤石，锆晶体t多晶体：多晶体：由许多很小的单晶体按不同取向聚集而成由许多很小的单晶体按不同取向聚集而成的晶块。的晶块。 如：金属，粉末试剂等如：金属，粉末试剂等一、晶体的基本特征一、晶体的基本特征t由于晶体中原子是周期排列的，其周期性可用点阵表示。而由于晶体中原子是周期排列的，其周期性可用点阵表示。而一个三维点阵可简单地用一个由八个相邻点构成的平行六面一个三维点阵可简单地用一个由八个相邻点构成的平行六面体（称晶胞）在三维方向重复得到。一个晶胞形状由它的三体（称晶胞）在三维方向重复得到。一个晶胞形状由它的三个边（个边（a,b,c）及它们间的夹角（）及它们间的夹角（，）

3、所规定，这六个）所规定，这六个参数称点阵参数或晶胞参数。参数称点阵参数或晶胞参数。t描述晶胞结构的六个参数：描述晶胞结构的六个参数： a，b，c，w七大晶系：立方，四方，斜方七大晶系：立方，四方，斜方(正交正交)，三方，六方，单斜，三斜。，三方，六方，单斜，三斜。晶体结构与点阵的关系晶体结构与点阵的关系晶体结构晶体结构 = 点阵点阵 + 结构基元结构基元w这样一个三维点阵也可以看成是许多相同的平面点阵这样一个三维点阵也可以看成是许多相同的平面点阵平行等距排列而成的，这样一族平面点阵称为一个平平行等距排列而成的，这样一族平面点阵称为一个平面点阵族，常用符号面点阵族，常用符号HKL（HKL为整数）

4、来表示。为整数）来表示。二、晶体的二、晶体的X射线衍射发展简介射线衍射发展简介t从晶体学的发展可分为古典和现代两个阶段。古典晶从晶体学的发展可分为古典和现代两个阶段。古典晶体学阶段，确定了体学阶段，确定了14种空间点阵型式，导出种空间点阵型式，导出32种宏观种宏观对称群，进而推导出对称群，进而推导出230个空间群。个空间群。1895年德国人年德国人Roentgen发现一种穿透力极强的射线，命名为发现一种穿透力极强的射线，命名为X射射线线.1912年，年，M. Laue实现了实现了X射线在晶体中的衍射，开射线在晶体中的衍射，开创了现代晶体学阶段。创了现代晶体学阶段。 t从从1912年至年至30年

5、代，年代，Laue、Bragg，Pauling 等对无机等对无机化学物的晶体结构做了大量的测定工作，获得了化学物的晶体结构做了大量的测定工作，获得了NaCl型、型、ZnS型、型、CsCl型、型、 萤石（萤石（CaF2）、黄铁矿、方）、黄铁矿、方解石、尖晶石等典型晶体的精确结构数据。在此基础解石、尖晶石等典型晶体的精确结构数据。在此基础上，离子晶体结构理论得到发展，上，离子晶体结构理论得到发展，Goldschmidt、Pauling各自总结了一套离子半径。各自总结了一套离子半径。二、晶体的二、晶体的X射线衍射发展简介射线衍射发展简介t40-50年代，开展了对有机化合物的晶体结构测定，特年代，开展

6、了对有机化合物的晶体结构测定，特别是别是60年代开始至现在方兴未艾的蛋白质生物大分子年代开始至现在方兴未艾的蛋白质生物大分子结构的测定，对生命科学、环境科学、医药化学的发结构的测定，对生命科学、环境科学、医药化学的发展，提供了有力的工具。展，提供了有力的工具。 t60年代随着计算机的发展，计算机控制的单晶衍射仪年代随着计算机的发展，计算机控制的单晶衍射仪问世，衍射数据收集的速度、精度大大提高。四圆衍问世，衍射数据收集的速度、精度大大提高。四圆衍射仪和直接法的使用，大大改变了射仪和直接法的使用，大大改变了X射线晶体学的面射线晶体学的面貌。貌。二、晶体的二、晶体的X射线衍射发展简介射线衍射发展简介

7、t80年代，国际上已建立了五大晶体学数据库年代，国际上已建立了五大晶体学数据库（1）剑桥结构数据库（）剑桥结构数据库（The Cambridge structural Database, CSD ）（英国）；（英国）；（2）蛋白质数据库（）蛋白质数据库（The Protein Data Bcmk PDB）（美国）；）（美国）；（3）无机晶体结构数据库（）无机晶体结构数据库（The Inorganic Crystal Structure Database ICSD）(德国德国)；（4）NRCC金属晶体学数据文件库（加拿大）；金属晶体学数据文件库（加拿大）；（5）粉末衍射文件数据库（）粉末衍射文件

8、数据库（JCPDS-ICDD）（美国）（美国） 。 t30年代测定一个普通的晶体结构要耗费数月的时间，年代测定一个普通的晶体结构要耗费数月的时间，研究晶体需有重原子，所得的精确度相对较低。如今研究晶体需有重原子，所得的精确度相对较低。如今只要得到大小适宜的单晶样品，不论分子是否复杂或只要得到大小适宜的单晶样品，不论分子是否复杂或有无重原子，一般都能在几天内测出单晶结构，而且有无重原子，一般都能在几天内测出单晶结构，而且精度较高。精度较高。三、检测的基本原理三、检测的基本原理 X射线的产生射线的产生 晶体的晶体的X射线衍射要素射线衍射要素衍射方向衍射方向衍射强度衍射强度1. X射线的产生射线的产

9、生 t用于晶体结构测定的用于晶体结构测定的X射线波长约射线波长约0.5-2.5，与晶体内原子，与晶体内原子间距大致相当。这种间距大致相当。这种X射线，通常在真空度约射线，通常在真空度约104Pa的的X射线管内，由高压加速的电子冲击阳极金属靶产生，常用射线管内，由高压加速的电子冲击阳极金属靶产生，常用的靶材有的靶材有Cu靶，靶，Mo靶和靶和Fe靶。靶。 tX射线与可见光一样，有直进性、折射率小、穿透力强。射线与可见光一样，有直进性、折射率小、穿透力强。当它射到晶体上，大部分透过，小部分被吸收散射，而光当它射到晶体上，大部分透过，小部分被吸收散射，而光学的反射、折射极小，可忽略不计。学的反射、折射

10、极小，可忽略不计。 2.晶体的晶体的X射线衍射要素射线衍射要素t晶体的点阵结构使晶体对晶体的点阵结构使晶体对X射线、中子流和电子流等产生射线、中子流和电子流等产生衍射。其中衍射。其中X射线法最重要，已测定了二十多万种晶体的射线法最重要，已测定了二十多万种晶体的结构，是物质空间结构数据的主要来源。结构，是物质空间结构数据的主要来源。t晶体的晶体的X射线衍射包括两个要素：射线衍射包括两个要素：衍射方向衍射方向和和衍射强度衍射强度衍射方向衍射方向t晶体衍射方向就是晶体衍射方向就是X射线射入周期性排列的晶体中的原子、射线射入周期性排列的晶体中的原子、分子，产生散射后次生分子，产生散射后次生X射线干涉、

11、叠加相互加强的方向。射线干涉、叠加相互加强的方向。 t晶体的晶体的衍射方向衍射方向和晶胞的大小和形状有关，讨论衍射方向和晶胞的大小和形状有关，讨论衍射方向的方程有的方程有Laue(劳埃劳埃)方程和方程和Bragg（布拉格）方程。前者（布拉格）方程。前者从一维点阵出发，后者从平面点阵出发，两个方程是等效从一维点阵出发，后者从平面点阵出发，两个方程是等效的。的。 u一个小晶体衍射一个小晶体衍射X射线，其衍射方向是与晶体的周期性（射线，其衍射方向是与晶体的周期性（d）有关的。一个衍射总可找到一个晶面族有关的。一个衍射总可找到一个晶面族HKL，使它与入射，使它与入射线在此面族上符合反射关系，就以此面族

12、的符号线在此面族上符合反射关系，就以此面族的符号HKL作为作为此衍射之指数。其间关系用布拉格方程来表示。此衍射之指数。其间关系用布拉格方程来表示。2 d (h k l)sinn = n式中式中,n为入射线或反射线与晶面族为入射线或反射线与晶面族之间的夹角，之间的夹角，为入射为入射X射线波长，射线波长，n为反射级数。为反射级数。布拉格方程布拉格方程衍射强度衍射强度t衍射线的强度是与被重复排列的原子团的结构，也即和原衍射线的强度是与被重复排列的原子团的结构，也即和原子在晶胞中的分布状况（坐标）有关。子在晶胞中的分布状况（坐标）有关。t引入结构因子引入结构因子F h k l ，F(hkl)表示晶体对

13、表示晶体对X-射线衍射的总效射线衍射的总效应应:NjjjjjhkllzkyhxifF1)(2exp衍射强度衍射强度t衍射衍射hkl的衍射强度的衍射强度I hkl正比于正比于 ，还与晶体对，还与晶体对X射线射线的吸收、入射光强、温度等多种物理因素有关，考虑这些的吸收、入射光强、温度等多种物理因素有关，考虑这些因素衍射强度可表示为因素衍射强度可表示为 t通过衍射强度数据分析，可测定晶体结构。通过衍射强度数据分析，可测定晶体结构。 2hklhklFI2hklhklFkI2hklF四、主要用途及应用领域四、主要用途及应用领域t单晶结构分析；单晶结构分析；全部三维信息，结构包括全部三维信息，结构包括原子

14、间的键长、键角、原子间的键长、键角、分子在晶体中的堆积方分子在晶体中的堆积方式，分子在晶体中的相式，分子在晶体中的相互作用以及氢键关系、互作用以及氢键关系、相互作用等各种有用相互作用等各种有用信息。信息。服务领域服务领域n物质的性质诸如光学性质、磁学性质、吸附性质、电学性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的，质、生物分子活性及其功能都由不同层次的结构决定的，分子的晶体结构是揭示结构与性能关系的重要因素分子的晶体结构是揭示结构与性能关系的重要因素。n因此，单晶结构分析所揭示的化合物的结构和性能间的关因此，单晶结构分析所揭示的化合物的结

15、构和性能间的关系，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，特别对于配位化学等研究领域理性设计及能动合物化学，特别对于配位化学等研究领域理性设计及能动合成功能材料和药物具有重要的作用，它是化学、生物、医成功能材料和药物具有重要的作用，它是化学、生物、医学、材料、地质等研究领域不可或缺的研究手段。学、材料、地质等研究领域不可或缺的研究手段。五、本实验室仪器型号及技术特点五、本实验室仪器型号及技术特点t中文名称：中文名称：X-射射线单晶衍射仪线单晶衍射仪t厂商：德国布鲁厂商：德国布鲁克公司克公司t型号：型号：SMART APEXX-ra

16、y single crystal diffractometer主要部件主要部件tSMART APEX II CCD探测器装在探测器装在D8 X射线测角仪高精度射线测角仪高精度导轨上（导轨上（3 kW）t三轴（三轴（，2，）测角仪）测角仪t测样平台固定在测样平台固定在 = 54.74处，处，转动转动360 ,/2最小步长最小步长0.0001，再现性，再现性0.0001t样品至探测器的距离可在样品至探测器的距离可在2.525 cm之间调整之间调整tVIDEO成像，视频显微镜放大倍数成像，视频显微镜放大倍数30110倍，分辨率倍，分辨率3 m，相机用彩色，相机用彩色1/2CCD，用于实时观察试样和捕

17、获图，用于实时观察试样和捕获图象。象。 技术特点技术特点1、CCD探头无束锥，探头无束锥，1:1耦合，光学纤维长度仅耦合，光学纤维长度仅1 mm，无，无图象畸变，灵敏度高。图象畸变，灵敏度高。 2、映象面积、映象面积62 mm62 mm，4 K CCD芯片，其面积大容量芯片，其面积大容量高，象素分辨率高：高，象素分辨率高：15 m15 m，量子效率，量子效率170电子电子/X光子（光子（Mo），暗流低（），暗流低（0.1el/pix.sec）。）。 3、芯片有四个寄存器输出通道口，有效读出速度。、芯片有四个寄存器输出通道口，有效读出速度。 4、APEX CCD井深井深3.2107个电子，个电子

18、，20位动态范围，有利位动态范围，有利收集强反射而不溢出。收集强反射而不溢出。 5、磷光膜可同时使用于、磷光膜可同时使用于Mo和和Cu靶光源，靶光源，Mo、Cu光源互换光源互换简便。简便。 六、操作基本步骤六、操作基本步骤ta）样品准备；）样品准备；tb）开机、设置仪器条件及测试参数；）开机、设置仪器条件及测试参数；tc）放置样品并测试；）放置样品并测试；td）分析所得图像。）分析所得图像。 晶体的基本要求晶体的基本要求t必须选择在同一晶核上长成的单晶体。能够满足单晶必须选择在同一晶核上长成的单晶体。能够满足单晶结构分析的晶体，须达到如下标准：结构分析的晶体，须达到如下标准：t1）单晶的外貌）

19、单晶的外貌t品质好的晶体，应该外形规整，有光泽的表面，颜色和品质好的晶体，应该外形规整，有光泽的表面，颜色和透明度一致，没有裂缝和瑕疵。透明度一致，没有裂缝和瑕疵。t应该是一个完整的个体，不应有小卫星晶体或微晶粉末应该是一个完整的个体，不应有小卫星晶体或微晶粉末附着。附着。t不是孪晶。不是孪晶。 晶体的基本要求晶体的基本要求t2）单晶的大小）单晶的大小t大小是一个重要因素。理想的尺寸取决于：晶体的衍射能力和吸收效应程大小是一个重要因素。理想的尺寸取决于：晶体的衍射能力和吸收效应程度（决定于晶体所含元素的种类和数量）；所用射线的强度和探测器的灵度（决定于晶体所含元素的种类和数量）；所用射线的强度

20、和探测器的灵敏度（仪器的配置）敏度（仪器的配置） t光源所带的准直器的内径决定了光源所带的准直器的内径决定了X射线强度以及区域的大小，晶体射线强度以及区域的大小，晶体的尺寸一般不能超过准直器的内径（常用的为的尺寸一般不能超过准直器的内径（常用的为0.50.6mm）。对）。对于于CCD，晶体合适的尺寸是：纯有机物，晶体合适的尺寸是：纯有机物0.30.7mm，金属配合物，金属配合物或金属有机物或金属有机物0.150.5mm，纯无机物，纯无机物0.10.3mmt要选三个方向尺寸相近的（否则对衍射的吸收有差别），过大的可以用解要选三个方向尺寸相近的（否则对衍射的吸收有差别），过大的可以用解剖刀切割，切

21、割时要用惰性油或凡士林剖刀切割，切割时要用惰性油或凡士林 t一般说，球形优于立方形，优于针状，优于扁平形。一般说，球形优于立方形，优于针状，优于扁平形。晶体的安置晶体的安置 t通常也叫粘晶体，安置前一般最好先要观察其通常也叫粘晶体，安置前一般最好先要观察其是否稳定。首先，将晶体用胶液粘在玻璃毛上：是否稳定。首先，将晶体用胶液粘在玻璃毛上： 晶体的安置方法晶体的安置方法 abcda a 将晶体粘在玻璃毛上的正确做法将晶体粘在玻璃毛上的正确做法b b 将晶体上包上一层胶等保护晶体将晶体上包上一层胶等保护晶体c c 将晶体装在密封的毛细玻璃管中将晶体装在密封的毛细玻璃管中d d 将晶体粘在玻璃毛上的

22、将晶体粘在玻璃毛上的不正确做法不正确做法 然后将粘好的晶体安置到测角头上，再装到测角然后将粘好的晶体安置到测角头上，再装到测角仪的相应位置上。仪的相应位置上。 最后要把晶体的重心和最后要把晶体的重心和衍射仪的中心调至重合。衍射仪的中心调至重合。t特征特征X射线作用于安装在测角仪上的单晶后产生衍射点，射线作用于安装在测角仪上的单晶后产生衍射点，通过检测器记录衍射点的强度数据。通过计算机控制完成通过检测器记录衍射点的强度数据。通过计算机控制完成衍射的自动寻峰、测定晶胞参数、收集衍射强度数据，统衍射的自动寻峰、测定晶胞参数、收集衍射强度数据，统计系统消光规律，确定空间群等。进而计算晶体结构。计系统消光规律，确定空间群等。进而计算晶体结构。晶体的测试晶体的测试 7结果的解释与表达结果的解释与表达晶体结构分析的过程晶体结构分析的过程2测定晶胞参数与基本对称性测定晶胞参数与基本对称性3测定衍射强度数据测定衍射强度数据4衍射数据的还原与校正衍射数据的还原与校正5结构解析结构解析6结构精修结构精修1晶体的选择与安置晶体的选择与安置