檢視 X射線晶體學的原始碼

{| class="wikitable" style="float:right; margin: -10px 0px 10px 20px; text-align:left"
|<center>'''结构x射线晶体学分子化学复合冠醚'''<br><img src="https://pic.pngsucai.com/00/30/15/27b07e17eaf05277.jpg" width="250"></center><small>[https://www.pngsucai.com/png/3015485.html 圖片來自PNG素材網]</small> 
|}

'''X射線晶體學'''是一門利用[[X射線]]來研究[[晶體]]中[[原子]]排列的學科。更準確地說，利用[[電子]]對X射線的[[散射]]作用，X射線晶體學可以獲得晶體中[[電子]]密度的分佈情況，再從中分析獲得关于原子位置和化学键的資訊，即[[晶體結構]]。
由于包括[[盐类]]、[[金属]]、[[矿物]]、[[半导体]], 冰，催化剂，吸附剂在内的许多物质都可以形成晶体，X射线晶体学已经是许多学科的基本技术。在前十年这项技术主要被用于测量原子大小、化学键的类型和键长，以及其他的许多物质，尤其是矿物和合金。X射线晶体学也揭示了许多生物分子的结构和功能，例如[[维生素]]、药物、[[蛋白质]]以及[[脱氧核糖核酸]]（[[DNA]]）。X射线晶体学如今仍然是从原子尺度研究物质结构的主要方法。

== 研究方式 ==
=== 概述（以高分子材料的X射線晶體學为主） ===
由於所有的原子都含有電子，並且[[X射線]]的[[波長]]範圍為0.001－10[[納米]]，其波長與成鍵原子之間的距離（約數十納米）相當，因此X射線可用于研究各類分子的結構。但是，到目前為止還不能用X射線對單個的分子成像，因為沒有X射線[[透鏡]]可以聚焦X射線，而且X射線對單個分子的[[繞射]]能力非常弱，無法被探測。而晶體（一般為[[單晶]]）中含有數量巨大的方位相同的分子，X射線對這些分子的繞射疊加在一起就能夠產生足以被探測的信號。從這個意義上說，晶體就是一個X射線的信號放大器。X射線晶體學將X射線與[[晶體學]]<ref>[https://pansci.asia/archives/tag/%E6%99%B6%E9%AB%94%E5%AD%B8 晶體學]，泛科學</ref> 聯繫在一起，從而可以對各類[[晶體結構]]進行研究，特別是[[蛋白質]]晶體結構。

=== 获得晶体 ===
通过X射线衍射分析结构必须首先获得样品的单晶。晶体生长的方法有很多，如气相扩散法、液相扩散法、温度渐变法、真空升华法、对流法等等，而目前应用最广泛的一种晶体生长方法是气相扩散法。气相扩散法又可以分为悬滴法、坐滴法、三明治法、油滴法和微量透析法。其中，悬滴法的使用频率最高。（以上方法都属于化学方法，通常，研究凝聚态物理的用得最多的是区熔法，以多晶材料为基础通过局部施加高温使其部分熔化后再结晶，从而逐渐得到大块的晶体，高分子材料通常不能承受过高温度，所以无法使用这种方法）
结晶时，生成晶体的溶液须先进入成核状态形成晶核，然后进入稳定态使晶体成长，才能获得足够大小的单晶。而合适的晶体生长条件往往极难预测，所以在获得初步的晶体生长条件后，需要对晶体生长条件进行优化，包括调整沉淀剂浓度（如聚乙二醇、盐类等）、[[pH]]值、样品浓度、[[温度]]、[[离子强度]]等。

=== 衍射数据收集 ===
在获得单晶之后，就需要进行衍射实验，即用X射线打到晶体上，产生衍射，并记录衍射数据。
由于结晶条件的苛刻和晶体本身的脆弱，操纵晶体时要小心防止将其破坏。有多种方法可用于固定晶体并控制其在衍射实验中的旋转。过去的一种方法是将晶体与母液一同吸入一根毛细玻璃管。如今常用的方法是将晶体置于玻璃或尼龙纤维上，并用液氮冷却X射线带来的能量。

X射线的来源主要有两种，一种是在常用X射线仪上使用的，通过高能电子流轰击[[铜]]靶（或[[鉬]]靶），产生多个特征波长的X射线，其中使用的CuKα的波长为1.5418[[埃格斯特朗 (单位)|Å]]；另一种就是利用[[同步辐射]]所产生的X射线，其波长可以变化。同步辐射X射线可以分为角散同步辐射（ADXD）和能散同步辐射（EDXRD）两种，角散同步辐射的实验原理与通常的X射线衍射仪是一样的，不过波长更低（如0.6199[[埃格斯特朗 (单位)|Å]]），能量更高；而能散使用白光入射，即入射光具有连续波长，收集的衍射信号是在固定角度进行的，它的分辩率较角散同步辐射低，技术要求也较低。现在中国的[[北京同步辐射装置]]（BSRF）已经升级成了角散的。
衍射数据（包括衍射点的位置和强度）的记录多采用像板或CCD探测器。

=== 數據分析 ===
對記錄到的繞射數據進行分析，可以獲得晶體所屬的[[晶系]]和對應的[[布拉菲晶格]]以及每個繞射點在[[倒晶格]]上的[[密勒指數]]和對應的強度。

=== 晶体结构解析 ===
由于晶体衍射图样实际上是晶体中所有原子的电子对X射线衍射的叠加，而现实中并不存在可以聚焦X射线的透镜，通过对衍射结果（用[[结构因子]]来表示）进行反傅立叶变换，才可以获得晶体中电子密度的分布。而[[结构因子]]是与[[波动方程]]相关的，计算结构因子需要获得波动方程中的三个参数，即[[振幅]]、[[频率]]和[[相位]]。振幅可以通过每个衍射点的强度直接计算获得，频率也是已知的，但相位无法从衍射数据中直接获得，因此就产生了晶体结构解析中的“相位问题（phase problem）”。

有几种解决相位问题的方法，其中分子置换法、同晶置换法和反常散射法常用于解析[[生物大分子]]结构。：
直接法：直接计算相位，常用于较小的分子（含有少于1000个氢原子以外的原子）。

== 历史由來 ==
=== 早期结晶和X-射线 ===
虽然人们自很久以来就很喜欢漂亮的晶体，但科学化的研究是等到17世纪才开始的。[[约翰内斯·开普勒]]于1611年发现雪花的对称六角结构是由水分子规则性的排列组成。

[[尼古拉斯·斯坦诺]]于1669年研究晶体的对称性，他指出在同一个晶体上面与面的角度总是一样的。于1784年发现，晶体的结构都能被描述成把相同大小形状的物体重复有规则的排列。William Hallowes Miller与1839年给晶体的每一面各标上整数，[[密勒指数]]到现在还被用于确定晶体方向。

[[勒内·茹斯特·阿羽依]]的研究告诉我们晶体的正确概念，晶体是由晶体结构在三个方向上重复排列。

[[威廉·伦琴]]于1895年发现[[X射线]]。物理学家当时不清楚那是什么，怀疑他是[[电磁波]]（它的确是）。经许多实验的许多现象说明X射线是电磁波，但X射线同时有粒子的特性（它的确应该有，因为[[电磁波]]的载体是[[光子]]——一种粒子）。[[威廉·亨利·布拉格]]因为这点于1907年认为[[X射线]]不是[[电磁波]]。[[马克斯·冯·劳厄]]于1912年证实[[X射线]]确实是[[电磁波]]。
== 參考文獻 == 
{{reflist}}
[[Category:340 化學總論]]