《X射線(xiàn)及其衍射》課件

X射線(xiàn)及其衍射X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)11895年德國(guó)物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴2陰極射線(xiàn)管實(shí)驗(yàn)意外發(fā)現(xiàn)了一種穿透力極強(qiáng)的射線(xiàn)3命名為“X射線(xiàn)”因?yàn)槠浔举|(zhì)未知X射線(xiàn)的性質(zhì)穿透性X射線(xiàn)具有很強(qiáng)的穿透能力，可以穿透大多數(shù)物質(zhì)，如人體組織、金屬等。電磁波性質(zhì)X射線(xiàn)是一種電磁波，具有波粒二象性，可以用波長(zhǎng)或頻率來(lái)描述。熒光效應(yīng)X射線(xiàn)照射到某些物質(zhì)時(shí)會(huì)激發(fā)物質(zhì)發(fā)出熒光，這是X射線(xiàn)探測(cè)的重要原理之一。X射線(xiàn)的產(chǎn)生電子束高壓加速電子束，使其獲得足夠動(dòng)能。靶材電子束轟擊金屬靶材，使靶材原子內(nèi)層電子躍遷。X射線(xiàn)光子電子躍遷釋放能量，產(chǎn)生X射線(xiàn)光子。X射線(xiàn)的種類(lèi)特征X射線(xiàn)由原子內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生，波長(zhǎng)固定，對(duì)應(yīng)于元素的特征。連續(xù)X射線(xiàn)由電子減速產(chǎn)生的連續(xù)譜線(xiàn)，波長(zhǎng)范圍連續(xù)變化。同步輻射X射線(xiàn)由高能電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的光，具有高亮度、高方向性、高偏振度等特點(diǎn)。X射線(xiàn)的波長(zhǎng)測(cè)量0.1納米X射線(xiàn)波長(zhǎng)范圍在0.1納米到10納米之間。10電子伏特X射線(xiàn)的能量范圍在100電子伏特到100,000電子伏特之間。1衍射X射線(xiàn)衍射現(xiàn)象的發(fā)生與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的周期性排列密切相關(guān)。晶體結(jié)構(gòu)的分析1X射線(xiàn)衍射X射線(xiàn)與晶體相互作用2衍射圖譜分析衍射信號(hào)3結(jié)構(gòu)解析確定晶體結(jié)構(gòu)X射線(xiàn)衍射是分析晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)X射線(xiàn)與晶體的相互作用，我們可以獲得衍射圖譜，進(jìn)而分析衍射信號(hào)，最終確定晶體結(jié)構(gòu)。布拉格衍射定律1晶體結(jié)構(gòu)分析的核心布拉格衍射定律揭示了X射線(xiàn)在晶體中的衍射現(xiàn)象，是分析晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工具。2衍射角與晶面間距定律描述了X射線(xiàn)衍射角與晶體中不同晶面的間距之間的關(guān)系。3應(yīng)用于結(jié)構(gòu)解析通過(guò)分析衍射圖樣，科學(xué)家可以確定晶體的結(jié)構(gòu)，包括原子排列、鍵長(zhǎng)和鍵角等信息。布拉格衍射條件路徑差相鄰晶面反射的X射線(xiàn)，其路徑差必須為波長(zhǎng)的整數(shù)倍。相位差路徑差為波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)，反射的X射線(xiàn)相互干涉，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。單色X射線(xiàn)衍射1波長(zhǎng)選擇單色X射線(xiàn)衍射使用單一波長(zhǎng)的X射線(xiàn)，以獲得更清晰的衍射圖像。2衍射圖譜單色X射線(xiàn)衍射產(chǎn)生的衍射圖譜更為簡(jiǎn)潔，便于分析和解釋。3結(jié)構(gòu)解析單色X射線(xiàn)衍射能夠提供更準(zhǔn)確的晶體結(jié)構(gòu)信息，有助于解決更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題。聚焦的X射線(xiàn)衍射聚焦X射線(xiàn)利用透鏡或其他裝置將X射線(xiàn)束聚焦到樣品上，提高衍射信號(hào)強(qiáng)度。增強(qiáng)分辨率聚焦X射線(xiàn)可獲得更高的空間分辨率，更精細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。微觀(guān)結(jié)構(gòu)適用于研究微觀(guān)結(jié)構(gòu)，如納米材料、蛋白質(zhì)等。粉末法X射線(xiàn)衍射1多晶體2粉末3衍射4圖譜粉末法X射線(xiàn)衍射是利用X射線(xiàn)照射多晶體粉末樣品，分析衍射圖譜以確定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，是一種廣泛應(yīng)用的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析方法。單晶衍射1樣品準(zhǔn)備首先需要獲得高質(zhì)量的單晶，并將其固定在衍射儀上。2數(shù)據(jù)收集使用X射線(xiàn)照射單晶，收集衍射圖案。3數(shù)據(jù)處理對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以確定晶體的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)因子的計(jì)算原子散射因子每個(gè)原子的散射能力都不同，取決于其電子云密度。結(jié)構(gòu)因子公式結(jié)構(gòu)因子是描述晶體中所有原子對(duì)某個(gè)衍射方向的散射波振幅的總和。相位信息結(jié)構(gòu)因子包含關(guān)于原子位置的相位信息，但實(shí)驗(yàn)無(wú)法直接測(cè)定。噟對(duì)稱(chēng)與空間群噟對(duì)稱(chēng)晶體結(jié)構(gòu)的噟對(duì)稱(chēng)是指晶體在三維空間中重復(fù)出現(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性。這些對(duì)稱(chēng)性包括旋轉(zhuǎn)、鏡面反射和反演。空間群空間群是將噟對(duì)稱(chēng)與平移對(duì)稱(chēng)結(jié)合在一起的。一共存在230個(gè)不同的空間群，它們描述了所有可能的晶體結(jié)構(gòu)。非中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的確定1重原子方法利用重原子衍射信號(hào)來(lái)確定相位信息。2直接法通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析衍射數(shù)據(jù)來(lái)直接確定相位信息。3異常散射利用特定元素對(duì)X射線(xiàn)的異常散射特性來(lái)確定相位信息。電子云密度圖的解釋電子云密度圖顯示了原子在晶體結(jié)構(gòu)中的位置和電子分布情況。圖中每個(gè)峰代表一個(gè)原子核，峰的高度反映了電子密度。通過(guò)分析電子云密度圖，可以了解原子之間的鍵長(zhǎng)、鍵角和電子云形狀，從而揭示分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。X射線(xiàn)衍射的相位問(wèn)題相位信息丟失X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)只能測(cè)量衍射信號(hào)的強(qiáng)度，無(wú)法直接獲得相位信息。相位問(wèn)題相位信息是重建電子云密度圖的關(guān)鍵，但由于丟失，導(dǎo)致無(wú)法直接得到結(jié)構(gòu)。解決方法多種方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)解決相位問(wèn)題，如同構(gòu)置換法、多波干涉法等。同構(gòu)置換法1同構(gòu)置換替換原子2衍射數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)3計(jì)算相位確定結(jié)構(gòu)重原子同構(gòu)置換法1引入重原子將重原子引入蛋白質(zhì)晶體中，改變電子密度分布。2衍射數(shù)據(jù)收集分別收集重原子衍射數(shù)據(jù)和天然蛋白質(zhì)衍射數(shù)據(jù)。3相位信息計(jì)算利用重原子數(shù)據(jù)和天然蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)計(jì)算相位信息。4電子密度圖構(gòu)建利用計(jì)算出的相位信息構(gòu)建蛋白質(zhì)電子密度圖。5結(jié)構(gòu)解析根據(jù)電子密度圖解析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。多波干涉與派特森函數(shù)多波干涉X射線(xiàn)衍射是多波干涉的結(jié)果，衍射波相互干涉形成衍射圖樣。派特森函數(shù)派特森函數(shù)是一種數(shù)學(xué)工具，用于分析X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)，揭示晶體結(jié)構(gòu)中原子之間的距離信息。構(gòu)建電子云密度圖電子云密度圖是利用X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)得到的電子密度分布圖，可以直觀(guān)地反映晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列方式和電子分布情況。通過(guò)構(gòu)建電子云密度圖，我們可以確定晶體結(jié)構(gòu)中的原子種類(lèi)、鍵長(zhǎng)、鍵角等重要信息，進(jìn)而了解物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。結(jié)構(gòu)精修與可靠性因子精修過(guò)程通過(guò)調(diào)整原子坐標(biāo)和熱參數(shù)，使計(jì)算得到的衍射數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更好地匹配。可靠性因子用來(lái)衡量結(jié)構(gòu)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度，值越小，模型越可靠。精修結(jié)果精修后的結(jié)構(gòu)模型可以用于進(jìn)一步分析分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、電子密度等。X射線(xiàn)結(jié)構(gòu)分析的優(yōu)勢(shì)確定原子在物質(zhì)中的精確位置和排列方式，提供分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的信息揭示物質(zhì)內(nèi)部的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，包括原子間距、鍵角和分子構(gòu)型等信息廣泛應(yīng)用于各種物質(zhì)，包括固體、液體、氣體和生物分子X(jué)射線(xiàn)結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)用領(lǐng)域材料科學(xué)材料的結(jié)構(gòu)和性能密切相關(guān)。X射線(xiàn)衍射可以揭示材料的晶體結(jié)構(gòu)，從而預(yù)測(cè)其力學(xué)性能、電學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)。化學(xué)X射線(xiàn)衍射用于確定分子的結(jié)構(gòu)，包括有機(jī)分子、無(wú)機(jī)化合物和金屬配合物。這種信息對(duì)于理解化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和設(shè)計(jì)新材料至關(guān)重要。生物學(xué)X射線(xiàn)衍射可以用來(lái)解析蛋白質(zhì)、核酸和其他生物大分子的三維結(jié)構(gòu)，這對(duì)于理解生物過(guò)程和開(kāi)發(fā)新藥物至關(guān)重要。醫(yī)藥X射線(xiàn)衍射可以用來(lái)研究藥物的晶體結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化其藥效和生物利用度。它還可以用來(lái)識(shí)別藥物中的雜質(zhì)和假冒產(chǎn)品。新一代X射線(xiàn)衍射技術(shù)同步輻射X射線(xiàn)衍射利用同步輻射光源產(chǎn)生高亮度、高能量的X射線(xiàn)，提高分辨率和靈敏度，更精確地解析結(jié)構(gòu)信息。自由電子激光X射線(xiàn)衍射利用自由電子激光產(chǎn)生極短脈沖、高強(qiáng)度的X射線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超快過(guò)程的結(jié)構(gòu)分析，例如蛋白質(zhì)折疊過(guò)程。結(jié)構(gòu)分析軟件介紹SHELXSHELX是一款廣泛應(yīng)用于小分子和生物大分子結(jié)構(gòu)分析的軟件包。PHASERPHASER主要用于分子置換和相位解析，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析中發(fā)揮著重要作用。CCP4CCP4是一組用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的程序，提供了從數(shù)據(jù)處理到結(jié)構(gòu)精修的一系列工具。MOF-VIEWMOF-VIEW專(zhuān)注于金屬有機(jī)框架（MOF）結(jié)構(gòu)的分析和可視化。結(jié)構(gòu)分析實(shí)例賞析X射線(xiàn)衍射在材料科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，幫助人們揭示物質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析衍射數(shù)據(jù)，我們可以獲得材料的晶體結(jié)構(gòu)、分子構(gòu)象、電子密度分布等信息，為理解材料的性質(zhì)和功能提供重要的理論基礎(chǔ)。例如，通過(guò)X射線(xiàn)衍射可以確定藥物分子的結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計(jì)更有效的藥物。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)1樣品制備樣品需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的處理，以確保其純凈和均勻，避免雜質(zhì)或缺陷對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。2實(shí)驗(yàn)條件溫度、濕度等環(huán)境因素會(huì)影響X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。3數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集需要進(jìn)行多次重復(fù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。4數(shù)據(jù)分析使用專(zhuān)業(yè)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合相關(guān)理論進(jìn)行解釋?zhuān)贸鼋Y(jié)論。結(jié)