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课堂笔记 | 关于X射线粉末衍射(XRPD)的那些事儿
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课堂笔记 | 关于X射线粉末衍射(XRPD)的那些事儿
2017-09-06 19:15
来源:
沈阳药科大学亦弘商学院
原标题:课堂笔记 | 关于X射线粉末衍射(XRPD)的那些事儿
2017年8月17-20日,药品国际注册专业能力培养项目(第二期)“模块四:仿制药的国际注册(2)——研发与生产”在北京顺利开课。该模块由4位行业专家带领大家围绕欧美法规和指南中对于药品研发生产的要求进行深入的学习与讨论。通过四天的系统学习,同学们学习了药品研发、生产、生物等效性的技术要求,从国际注册申报资料完整性的角度掌握了相应的研发技术要求,提升了药品研发过程中对于问题的分析力和决策力。
作者简介
雷伯开
上海博志研新药物技术有限公司研发中心副总经理
药品国际注册专业能力培养项目第二期企业学员
8月中旬的北京,凉风与艳阳的天气,正适宜读书学习。亦弘商学院药品国际注册专业能力培养项目(第二期)“仿制药的国际注册(2):研发与生产”模块,崔勇博士在制剂处方前研究“原料药物理状态分析方法及质量标准”部分所讲授的X射线粉末衍射(XRPD)内容,对XRPD原理及其谱图解析进行了深入浅出的讲解,使自己终于能够清晰认识XRPD,有种豁然开朗的体验,特做简要总结,以飨各位同学。
展开全文
一、XRPD概述
XRPD,即通常所说的X射线粉末衍射,在制药行业用于药物多晶型结构分析,可以区别药物不同晶型与无定型状态。典型XRPD图谱如下:
图1-典型XRPD图谱
说明:横坐标代表2θ角,纵坐标代表峰高或强度
晶型A的XRPD图谱峰形尖锐,表明A结晶度较高,检测分辨率高;而晶型B的峰形较钝,峰形宽,表明结晶存在缺陷,或是受样品的数量较少、粒径或晶癖等影响了峰形;无定型样品在XRPD图谱中不存在明显的尖峰,峰高低。解读图中3种典型XRPD图,可以对药物晶型进行定性分析。
二、衍射原理
光在传播过程中,遇到障碍物或小孔时,光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象,叫光的衍射(diffraction of light)。光是一种电磁波;而X射线也是一种电磁波,其波长很小(约在0.001~100 nm)。当一束单色X射线入射到晶体时,由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成,这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级,故由不同原子散射的X射线相互干涉,在某些特殊方向上产生强X射线衍射,衍射线在空间分布的方位和强度,与晶体结构密切相关,每种晶体所产生的衍射都反映出该晶体内部的原子分布规律。
X射线衍射的满足条件:布拉格方程 2dsinθ=nλ,其中,d为晶面间距,θ为入射线,反射线与反射晶面之间的夹角,λ为波长,n为反射级数,布拉格方程是X射线在晶体产生衍射时的必要条件,对于X射线衍射,当光程差等于波长的整数倍时,晶面的散射线将相长加强。如Cu射线照射氯化钠晶体时,仅在θ为15°和30°时能记录到衍射光。故用已知波长的X射线去照射未知结构的晶体,通过衍射角的测量,可以求得晶体中各晶面的间距d,从而揭示晶体的结构。另外,布拉格方程也意味着,采用不同波长的X射线时,所得的XRPD图谱将不同。
图2:X射线衍射满足条件
当特定波长入射光以特定角度照射(θ)到晶体时,不同晶面均发生光衍射,而只有光衍射过程中间距为d整数倍时衍射光发生相长(即图中用黑色粗线标记的光路距离的整数倍),而非整数倍时出现相消作用,如下图:
图3:光衍射过程中的相长和相消
同时,考虑到晶体结构中存在周期性的原子排列,可将晶体视为平行且晶面间距相等的原子面组成。故而在众多的晶体粉末中,一系列衍射光的相长与相消,使得散射光形成连续光滑的衍射环。
图4:X射线粉末衍射
投射到胶片后形成的光谱如下图:
图5:X射线粉末衍射光谱
衍射仪的检测器收集了部分的衍射环即形成我们常见的XRPD图谱,如下:
图6:衍射环及XRPD图谱
其中圆环上的每个光点即对应每一个XRPD图谱中的峰,其光点强弱决定了峰高。但唯有连续且光滑的衍射环才能保证收集到的信号是完整的、峰强度是正确的。
三、应用与注意点
影响衍射环质量的主要因素是样品的取样性偏差,即晶体的晶癖特征(如针状或片状)导致某些方向被过度衍射,而其他方向衍射不足;用通俗语言描述即,片状晶体在测量盘中呈现“躺着/睡着的姿势”,衍射角集中于水平角度,而在纵向上有所欠缺。此类晶体通常可体现出过筛前后或粉碎前后XRPD图谱不同,而其实际晶型并未发生变化,如下图,过筛后相对峰强度发生了变化,峰形也发生改变。
图7:过筛前后的XRPD图谱
因此,针对不同合成工艺所得原料,应先通过显微镜观察其晶癖,再测定粉碎或过筛前后XRPD,避免发生过筛导致晶型变化的错误判断。此外,在晶型特征峰分析时,更关注低角度的峰,因其代表了间距较大的晶面,其衍射峰受干扰的概率较低。
总而言之,判断不同多晶型的XRPD图谱,其是否为同一晶型,XRPD中峰的θ角是主要依据,因其角度大小反应的是单元晶格大小;而峰相对强度取决于晶体中的原子种类及其分布位置。如所测图谱质量不高,则相对峰强度差异通常不应成为晶型不同的判断依据。
上海博志研新药物技术有限公司
雷伯开同学所在的上海博志研新药物技术有限公司是专门从事药物研发技术服务的高科技企业。2012年于上海张江高科技园区注册成立,现拥有约200名员工,已有10余项药物获批,累积开发90多个药物技术,其中20多项已申请专利技术。目前已成为国内同行业中处于领先地位的药物研发外包服务商之一,提供从药物发现、研究、注册、临床、一致性评价、CMO/API供应等新药开发全流程服务及一体化解决方案。通过标准化服务、体系化管理缩短研发周期、提高研发效率,保障了注册申报通过率。
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场作用而振动,从而使每个电子都变为发射球面电磁波的次生波源。所发射球面波的频率与入射的 X 射线相一致。基于晶体结构的周期性,晶体中各个原子(原子上的电子)的散射波可相互干涉而叠加,称之为相干散射或衍射。X射线在晶体中的衍射现象,实质上是大量原子散射波相互干涉的结果。每种晶体所产生的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律。根据上述原理,某晶体的衍射花样的特征最主要的是两个:1) 衍射线在空间的分布规律;2) 衍射线束的强度。其中,衍射线的分布规律由晶胞大小,形状和位向决定,衍射线强度则取决于原子的品种和它们在晶胞的位置。因此,不同晶体具备不同的衍射图谱。2.布拉格方程布拉格方程所反映的是衍射线方向与晶体结构之间的关系。对于某一特定晶体而言,只有满足布拉格方程的入射线角度才能够产生干涉增强,才会表现出衍射条纹。这是XRD谱图的根本意义。备注:对于不同晶系,晶面间距d与晶胞参数(a, b, c, α, β, γ)之间存在确定的对应关系,通过XRD谱图知道θ和hkl之后,可以通过布拉格方程等推算出晶胞参数(本期暂时不讲,后面会详细说明)。3. Scherrer公式基本原理:当X 射线入射到小晶体时,其衍射线条将变得弥散而宽化,晶体的晶粒越小, X射线衍射谱带的宽化程度就越大。Sherrer公式描述的就是晶粒尺寸与衍射峰半峰宽之间的关系。4. XRD物相分析基本原理:每一种晶体物质和它的衍射花样都是一一对应的,不可能有两种晶体给出完全相同的衍射花样。随着XRD标准数据库的日益完善,XRD物相分析变得越来越简单,目前最常见的操作方式是将样品的XRD谱图与标准谱图进行对比来确定样品的物相组成。XRD标准数据库包括JCPDS(即PDF卡片),ICSD,CCDC等,分析XRD谱图的软件包括Jade,Xpert Highscore等,这里推荐使用Jade。在Jade软件中,专门有一个功能叫Identify。里面的Search/Match功能可以将样品的衍射图样与标准谱图进行对比,给出与所测样品相吻合的标准谱图信息。下图所示,是TiO2样品XRD谱图在Jade软件中的Search/Match操作。如上图所示,在Jade的Search/Match功能中会给出标准谱图的衍射条纹,物相名称,化学式,匹配程度(FOM),PDF卡片编号,点群,晶胞参数,ICSD编号等。其中,FOM为匹配率的倒数,值越小,匹配越好。双击选中的标准物质卡片,会弹出来标准物质详细的references和衍射数据值,如下图所示,该数据可以导出使用。图中所示比较重要的数据包括晶面间距d, 晶面指数hkl以及标准谱图衍射峰位置和相对强度等。5. 如何在Jade中采用Sherrer公式计算晶粒尺寸?Jade软件中直接集成了采用半峰宽来计算样品的晶粒尺寸这一功能,比较方便。要想使用该功能,首先必须在Edit-->Preferences-->Report里面勾上,Estimate Crystallite Size from FWHM Values.如下图所示:勾上之后就可以很方便的进行粒径分析了,如下图所示,采用EditToolbar中的积分按钮,在主峰下拉取基线,会自动弹出窗口,里面包含晶粒尺寸信息。注意,这里算出来的是平均尺寸,且使用范围为3-200 nm.———————————————————————————————————————————先写这么多,有时间继续补充编辑于 2017-07-20 09:11赞同 146349 条评论分享收藏喜欢收起知乎用户建议楼主能明确一下问题的细节?这个“怎么看”太大了XRD是指x-ray diffraction,采用X光在晶体中的衍射信号来进行晶体结构的分析做XRD的目的 就是获得未知晶体的结构XRD图谱一般由二维图谱组成横坐标为角度 纵坐标为强度正常情况下 在特定的角度会有特定的衍射峰位出现,对应于特定的晶面需要留意的信息如下:衍射峰角度、强度、半高宽常用的晶体都有特征的标准XRD图谱 在测试获得XRD信息之后可在XRD标准图库(JCPDs)中检索以得到对应的标准图谱一般来说 检索从“三强峰”也就是信号最强的三个峰位开始检索 也可以通过MDI Jade等专业软件来进行计算机辅助检索下图为一个常见的XRD图谱显示以下两个物质为标准的锐钛矿相TiO2 对应JCPDs编号为21-1272其中最强衍射峰出现在25°左右 对应于(101)晶面 此外 还有(103) (112) (200)等晶面也可产生衍射峰* J. AM. CHEM. SOC. 9 VOL. 132, NO. 19, 2010发布于 2013-05-16 12:31赞同 21220 条评论分享收藏喜欢
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【晶云·分享】XRPD-晶型研究中的“特种兵”
X-射线粉末衍射(XRPD, X-ray Powder Diffraction)技术由于其快速、直观、准确、物料消耗少、适用范围广,已经成为药物晶型研究的重要手段之一,可以进行药物定性、定量、结晶度等研究,贯穿于原料药研究、制剂研究等药物质量控制的各个阶段,已成为晶型研究的首要检测方法及金标准 。内容导览 1. XRPD仪器介绍 2. XRPD的应用 2.1 应用1-区分无定形与晶型 2.2 应用2-区分不同晶型 2.3 应用3-晶型定量研究 3. 表征常见疑问 4. 晶云XRPD表征1.XRPD仪器介绍基本原理X-射线是一种高能电磁波,能够穿透物质并与其中的原子或者分子产生相互作用。当X-射线照射原子排列规律不同的固体时,会产生不同的衍射图谱,这个衍射图谱所表现的样式和强度,即是决定晶体结构参数的主要参照物。XRPD技术基于此原理,通过将X射线发射到样品上,测量被样品衍射出的X射线的强度,进而推算出样品晶体结构信息。总的来说,X-射线衍射仪是以物质晶体中的原子或分子间的周期性排列为基础,采用X射线衍射原理测定样品中各种晶格结构的相对位置和强度,从而推算出样品晶体结构的科学仪器。如同“透视眼”,用于辅助分析物质结构(含手性、晶型、结晶水或结晶溶剂)或成分(主成分及杂质成分、晶型种类及含量)等。仪器组成如下图所示,XRPD仪器主要由X射线源、样品台和检测器等组件构成。X射线源是XRPD仪器中最核心的部件之一,它能够发射出高频率的X射线,使其穿透样品并与样品中的原子或分子相互作用。目前常用的X射线源主要有铜管、钼管和铬管。其中铜管(Cu Kα)因其较小的波长及适中的强度,是X射线源中最常使用的类型。当X射线从铜管中通过时,会产生一个单色的、间隙为1.54Å的辐射谱线,这条谱线是理想的X射线之一。样品台通常由铝合金或石墨材料制成。在进行XRPD实验时,样品台需要保持平稳,以确保X射线能够正常射入样品并收集到反射光。同时,它还需要具有良好的热稳定性,以避免在较高温度下发生变形。检测器是XRPD仪器中另一个重要的组成部分,负责检测样品衍射出的X射线,并将其转化为电子信号进行记录。常用的检测器包括散射光子计数器和平板探测器。散射光子计数器适用于低分辨率实验和快速分析,它通常由一组闪烁晶体和光电倍增管组成,可以将X射线转化为光子,然后通过光学元件进行放大和记录。相比之下,平板探测器由感光晶体、读取电路和数据接口等多个部分组成,可以提供更高的分辨率和更低的噪声,这种探测器对信号的响应时间快,对暗信号的检测能力更强,可以应对更复杂的实验要求。2.XRPD的应用2.1 应用1 - 区分无定形和晶型晶态物质在微观结构上原子排列长程有序,当待测物质与入射束呈不同角度时,那些满足布拉格方程的晶面会产生干涉增强,其体现在XRPD谱图上是数十乃至上百个锐峰(窄峰);而非晶态物质在微观结构上长程无序或短程有序,其粉末X射线衍射峰的数量较少且呈弥散状(为宽峰或馒头峰)( 中国药典2020版 0451)。例如,研究发现缬沙坦存在多晶型现象,其上市药品缬沙坦以无定形存在于制剂中。从XRPD谱图中,可以直观区分缬沙坦无定形和晶体,无定形谱图呈现弥散状宽衍射峰,晶体谱图中可观察到多个尖锐衍射峰。关于缬沙坦无定形的定义,在专利EP1511739B1中,区分了essentially amorphous和purely amorphous。如图,purely amorphous 在XRPD谱图中呈弥散状,而essentially amorphous 在谱图中呈现少量衍射峰。对于essentially amorphous 谱图的少量衍射峰也是不可忽视的,可能存在无定形结晶趋势。从微观角度,无定形向结晶态转变的过程是分子由无序向有序排列,在这一量变引起质变的过程中,少量衍射峰或弱衍射峰是这一过程的中间态。无定形的高度无序性赋予了它更高的自由能,随之带来高溶解度的优势,对于 BCS (Biopharmaceutics Classification System) II类或IV类药物,以无定形形式开发具有潜在的优势。但是需要重点关注的是,无定形更高的自由能,不可避免地带来物理和化学稳定性的风险。研究人员发现,Valdecoxib喷干得到的Amorphous Solid Dispersion(ASD)样品,在放置过程中进行监测,XRPD谱图中观察到无定形逐步结晶,物理稳定性存在挑战。因此对于无定形的开发,需要监控无定形原料药及其制剂在生产、存储、运输等各个环节是否存在转晶/降解的风险。2.2 应用2-区分不同晶型不同晶型的XRPD衍射谱图在衍射峰数目、衍射峰位置、相对强度次序以至衍射峰的形状上显现出差异。因此,XRPD图谱可以作为晶体的指纹图谱,用于鉴定区分不同晶型。对于同一晶型最重要的参数是衍射峰位置。值得注意的是,2θ位置与X射线波长相关(根据布拉格方程),在进行晶型一致性鉴定时需关注波长(X射线光源)是否一致。另一评估参数衍射峰相对强度,受XRPD测试模式、制样过程、样品晶习、样品粒径、样品结晶度、溶剂残留和择优取向等相关的因素影响较大,故在前期研究阶段,定性分析晶型的依据仍然是衍射峰位置。2.3 应用3-晶型定量研究XRPD用于晶型定量分析是基于衍射峰的相对强度与样品中相应组分晶型含量的数学关系。X-射线衍射法定量分析可分为全谱图法和特征峰法,其中特征峰法是最常用的晶型定量分析方法,通过建立特征峰强度与被测药物中杂质晶型浓度的对应关系,得到衍射强度与浓度的线性回归曲线。 您的浏览器不支持 video 标签。 晶型定量分析可用于晶型质量控制,建立多晶型质量标准。哪些情况下需要对进行晶型定量研究?1)对于新药研发,为提高溶解度或生物利用度,选择开发亚稳晶型或无定形,需要关注原料药以及制剂中可能的转晶(定量或限度研究,确定是否发生转晶或转晶的程度);2)对于仿制药而言,原研药若进行晶型含量研究,需参考原研药的晶型研究,建议其标准不应低于原研;3)为避开原研晶型专利,若开发与原研晶型不一致的晶型,需关注制剂中是否存在原研晶型,建议开展限度研究,产品中应不能检出原研专利晶型。以近期关注度较高的四水合碳酸镧为例,专利CN 101484798A中采用X-射线衍射法检定碱式碳酸镧,对原料药以及制剂中可能存在碱式碳酸镧晶型I和晶型II进行定量分析。对于该品种的研发过程中,需要开发灵敏度足够的适用于晶型定量分析的XRPD方法,建立晶型质量控制标准。3.表征常见疑问1. 择优取向如何处理?择优取向导致部分晶面能更多地被检测到,表现为部分衍射峰相对强度增加,相应地,会有部分峰强度减弱甚至检测不到,体现在XRPD谱图是衍射峰个数、衍射峰强弱顺序出现变化。择优取向效应的控制可通过样品制备和选择衍射方法改善。1)样品尺寸和形貌:尺寸较大或者呈现特定晶习的样品(如针状、薄片状)会显现明显的择优取向。为减弱择优取向,可尝试对研磨、过筛等方法处理,但需要注意:①外力作用下可能出现转晶或结晶度下降;②筛分后的粒径过小的样品,可能会出现峰展宽的现象。2)衍射方法:XRPD反射模式和透射模式结合以研究样品择优取向影响。研究发现,旋转毛细管透射模式测试可以有效减弱择优取向,其缺陷是装填样品难度高,尺寸较大的样品无法实现测试。综合分析,择优取向是样品本身的性质,定性分析时不可忽略。进行XRPD表征的样品,建议选择代表性批次(USP建议样品粒径0.5~50 µm,中国药典建议样品需要增加研磨并过筛(通常过100目筛)处理),以满足测试要求。2. 样品不稳定,如何测试?样品对湿度、光照、温度等环境条件敏感,快速测试可减弱环境影响;监测测试间温湿度,可追溯由于温湿度导致的测试异常。对温湿度敏感可能出现吸水/脱水导致转晶的样品,常用Kapton 薄膜覆盖处理样品,以减少环境带来的干扰;也可利用变温XRPD (VT-XRPD)、变湿XRPD (VH-XRPD)研究,捕捉可能形成的多晶型。3. 测试模式如何选择?测试模式不同会导致检测到的样品量、晶面个数等存在差异,在谱图的表现为衍射峰强度有差异,甚至有一些样品由于择优取向的因素,峰的个数会有差异,但对于同一晶型不会影响衍射峰出峰位置。测试模式应根据样品特性以及研究目的选择,常用的XRPD模式有反射、透射、变温和变湿。4.晶云XRPD表征服务优势【XRPD仪器】晶型定性分析作为晶型研究的第一步,为后续的研究工作定下良好基础,也是了解化合物固态性质的开端。晶云配有十多台XRPD仪器,可以满足多种晶型分析的需求。【服务项目】原文请点击查阅
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药物多晶型定量分析|X射线衍射Rietveld全谱拟合法 - 知乎切换模式写文章登录/注册药物多晶型定量分析|X射线衍射Rietveld全谱拟合法结构解析专家前言药物的晶型决定了其稳定度、溶解度、生物利用度等理化性质,是直接影响药物临床疗效、安全性的重要因素。药物在生产、储存过程中若条件控制不当,容易出现转晶、降解产物,因此原料药、制剂的多晶型定量分析就显得至关重要。另外,在知识产权部分,目前对化合物专利的申请已经拓展到其所有形态,作为支撑专利保护的多晶型分析及定量方法也日益受到关注。目前成熟的药物晶型定量方法主要有光谱法(红外、拉曼光谱等)、热分析法、衍射法等方法,定量的主要原理都是根据不同晶型独特的热力学、物理学和化学特性来区分并定量,其中X射线粉末衍射法(PXRD)是最经典、非破坏性、较准确的晶型定量方法,且现已广泛应用于晶型的定量分析和结晶度的测定,接下来本文将着重介绍X射线粉末衍射法。X射线粉末衍射法X 射线粉末衍射可用于定量混合物中结晶相的强大技术,其可以提供每个物相 0.1 - 1 wt.% 的检出限,广泛应用于制药工业、冶金工业、高分子工业、环境学研究、材料学研究等工业、学术应用的定量分析。《中华人民共和国药典》2015年版四部通则“药品晶型研究及晶型质量控制指导原则”中纳入PXRD定量分析法;国际晶体学会也在其出版的国际晶体学表中专文介绍了PXRD在药物领域里,从晶型筛选、晶型定量、生产质量控制、产品随时间(保质期)的稳定性等评估环节中起到至关重要的作用[1]。晶体是由分子按照固定周期堆叠起来的固体,具有固定的结构类型、晶胞大小、原子位置以及原子数目,因此可以衍射X射线产生特定的衍射花样,其衍射点的距离反应了晶胞大小;衍射点强度反应了原子种类及位置。如图一所示,PXRD实际上就是无数个小单晶衍射叠加的结果,几百万个小晶体随机取向,在单晶X射线衍射中的独立衍射点叠加成了衍射环,每个衍射环的大小(2θ衍射角)通过d值计算。通过扫描2θ,三维空间的倒易点阵被投影在了一维空间,因此d值相等或相近的衍射峰就会发生重叠。因此在混合物粉末中,其衍射相当于每一种物相小单晶衍射的混合叠加。而PXRD法定量的理论基础就是应用此原理,混合物中各物相参与衍射的重量与其产生的衍射强度成正比,因此可以通过衍射峰强度的大小求出参与衍射的重量比例。图一、单晶X射线与粉末X射线衍射的差异[2] 图二、地氯雷他定晶型I、II混合样品的粉末衍射图谱[3]图三、经过热处理后,卡马西平I型会部分转晶为III型。上图黑线为I型在全谱中的贡献;下图为全谱拟合结果;圆球则是实验数据。2由图三可以清楚看到Rietveld全谱拟合法在重叠峰严重的体系的优势,卡马西平两种晶型在13度以后高度重叠,只有在10度左右由无重叠的峰。15-17度的小图也展示了全谱拟合法分离重叠峰的能力,通过Rietveld全谱拟合法可以独立地计算每个晶型对衍射的贡献,从而获得更精准的拟合及定量结果。Rietveld全谱拟合法案例二背景:水合碳酸镧用于治疗终末期肾病患者的高磷酸盐血症。在制造过程中或储存过程中可能产生脱羧基的碱式碳酸镧杂质。杂质含量往往很低,如果用XRPD单峰法来分析,不能满足检测限的要求。采用Rietveld 全谱拟合法则完全能满足检出限能要求。图四是青云瑞晶公司利用Rietveld 全谱拟合法对水合碳酸镧进行了定量分析,结果显示无需标准品及预制标准曲线即可能快速,准确分析出碱式碳酸镧杂质的含量。图四、左图箭头所指为脱羧基的碱式碳酸镧杂质在全谱中的贡献;右图为15度-27度的XRPD之间的Rieveld全谱拟合结果。结论PXRD是多晶型定量的主要⼿段,但单峰法受到样品制备过程、晶体粒度、晶习所造成的择优取向会严重影响定量分析的准确度。Rietveld全谱拟合法虽然需要预先知道晶体结构,但起能够引入数学校正择优取向等误差来源,使其定量准确度、可靠性远超过传统的单峰法。青云瑞晶擅长MicroED微晶电子衍射技术,能够快速、准确地解析纳米晶体的结构,无需长时间的单晶培养过程就能获取结构信息,为专利保护提供技术支援。更可以进一步地为原料药、制剂提供准确、快速的Rietveld全谱拟合法杂质定量。 [3] 邹文博、尹利辉、胡昌勤. 应用粉末 X 射线衍射法测定地氯雷他定中晶型Ⅰ和晶型Ⅱ的比例. 中国药事 2018, 32 (5):637-641 [2] Harris, Kenneth DM. "Powder diffraction crystallography of molecular solids." Advanced X-Ray Crystallography (2011): 133-177. [1] International Tables for Crystallography (2019). Vol. H. ch. 7.5, pp. 767-781 发布于 2021-04-13 13:41化学材料科学赞同 1添加评论分享喜欢收藏申请
XRD基本理论及工作原理 - 知乎
XRD基本理论及工作原理 - 知乎切换模式写文章登录/注册XRD基本理论及工作原理明椋less is moreX射线衍射自从1912年劳埃等人根据理论预见,并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象,证明了X射线具有电磁波的性质,成为X射线衍射学的第一个里程碑。1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见:晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束X射线通过晶体时将发生衍射,衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强,在其他方向上减弱。从而开启了X射线衍射学的林荫大道。X射线本质上是一种与可见光相同的电磁波,波长为0.01-100Å,介于紫外线和γ射线之间,又称为琴伦射线。具有很强的穿透性,可使被照射物质产生电离,同时具有荧光作用,热作用以及干涉,反射和折射等作用。科学家们利用X射线的这些原理,研制出了各种各样的检测设备,应用于医疗和工业领域的各个行业,在材料科学和失效分析领域的应用尤其广泛。X射线的产生通常X射线的产生原理有以下两种:1) 在真空中,高速运动的电子碰撞阳极靶时,也就是说电子在打进金属的过程中急剧减速,按照电磁学,有加速的带电粒子会辐射电磁波,如果电子能量上万电子伏,就可以产生x射线。2) 原子的内层电子跃迁,电子从高能级往低能级跃迁时候会辐射光子,如果能级的能量差比较大,就可以发出x射线波段的光子。什么是XRD?XRD 即X-ray diffraction 的缩写,X射线衍射,通过对材料进行X射线衍射,分析其衍射图谱,获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。XRD的基本原理X射线与物质作用时,就其能量转换而言,一般分为三部分,其中一部分被散射,一部分被吸收,一部分通过物质继续沿原来方向传播。散射的X射线与入射X射线波长相同时对晶体将产生衍射现象,即晶面间距产生的光程差等于波长的整数倍时。将每种晶体物质特有的衍射花样与标准衍射花样对比,利用三强峰原则,即可鉴定出样品中存在的物相。X-射线的产生是由在X-射线管(真空度10-4Pa)中有30-60KV的加速电子流,冲击金属(如纯Cu或Mo)靶面产生。常用的射线是MoKα射线,包括Kα1和Kα2两种射线(强度2:1),波长为71.073pm。衍射,假如对于一维晶体而言。一维晶体引起的散射光程差示意图其中:光程差:Δ = acosθa0 +acosθa一束相邻光程差Δ为λ/2的散射光叠加示意图一束相邻光程差Δ为λ/8的散射光叠加示意图即:acosθa0 + acosθa = hλ 这就是一维结构的衍射原理。据此可推导出适用于真实的晶体三维Laue方程: acosθa0 + acosθa = hλ bcosθb0 + bcosθb =kλ ccosθc0 + ccosθc = lλ Laue方程是产生衍射的严格条件,满足就会产生衍射,形成衍射点(reflectin ), Laue方程中,λ 的系数hkl 称做衍射指标,它们必须为整数,与晶面指标(hkl)的区别是,可以不互质。衍射点是分立、不连续的,只在某些方向出现。整个平面点阵族对X-射线的散射射到两个相邻平面(如图1 和2)的X-射线的光程差: Δ = MB + NB 而 MB = NB = dsinθ 根据衍射条件得–Bragg方程: hklsinθ = nλ 对于每一套指标为hkl、间隔为d的晶格平面,其衍射角和衍射级数n直接对应, 不同n值对应的衍射点可以看成晶面距离不同的晶面的衍射,例如,hkl晶面在n=2时的衍射和2h2k2l晶面在n=1时的衍射点等同。这样Bragg方程可以简化重排成下式,这样每个衍射点可以唯一地用一个hkl来标记:当dmin = λ/2sinθmax时,得到最大的分辨率。MoKα射线,最大分辨率是36pm,当max等于20、22、25、30度时的分辨率分别为:104、95、84、71pm。布拉格方程所反映的是衍射线方向与晶体结构之间的关系。对于某一特定晶体而言,只有满足布拉格方程的入射线角度才能够产生干涉增强,才会表现出衍射条纹。这是XRD谱图的根本意义。发生衍射必须满足布拉格公式:2dsinθ=nλ (d:晶面间距;θ:布拉格角度;λ:X射线的波长;n:反射级数)。X射线照射到样品时,晶体中各原子的散射X射线发生干涉,会在特定的方向产生强的X射线衍射线。当X射线从不同的角度照射样品时,会在不同的晶面发生衍射,探测器将接受从该晶面反射出来的衍射光子数,从而得到角度和强度关系的谱图。横坐标:2-theta 指2θ衍射角,即入射X射线的延长线与反射X射线的夹角。纵坐标:Intensity(强度),代表的是收集到的光子数。备注:对于不同晶系,晶面间距d与晶胞参数(a, b, c, α, β, γ)之间存在确定的对应关系,通过XRD谱图知道θ和hkl之后,可以通过布拉格方程等推算出晶胞参数Scherrer公式基本原理:当X 射线入射到小晶体时,其衍射线条将变得弥散而宽化,晶体的晶粒越小, X射线衍射谱带的宽化程度就越大。Sherrer公式描述的就是晶粒尺寸与衍射峰半峰宽之间的关系。多晶X射线衍射仪的基本构造是什么?多晶X射线衍射仪,也称粉末衍射仪,通常用于测量粉末、多晶体金属或者高聚物块体材料等。主要由四个部分构成:1) X 射线发生器(产生X射线的装置);2) 测角仪(测量角度2θ的装置); 3) X射线探测器(测量X射线强度的计数装置); 4) X射线系统控制装置(数据采集系统和各种电气系统、保护系统等).备注:测角仪(包括狭缝系统)、探测器等都是X射线衍射仪中非常关键的组成部分,不过原理较为枯燥,而实际处理数据时基本不会用到。这里暂时省略,如果大家确实对XRD原理有兴趣可以留言,我们可以在下一期补上。X射线发生器是什么?X射线发生器由X射线管、高压发生器、管压和管流稳定电路以及保护电路等组成。这里着重介绍X射线管。X射线管的实质是个真空二极管,其阴极是钨丝,阳极为金属片。在阴极两端加上电流之后,钨丝发热,产生热辐射电子。这些电子在高压电场作用下被加速,轰击阳极(又称靶),产生X射线(此过程产生大量热量,为了保护靶材,必须确保循环水系统工作正常)。常见的阳极靶材有:Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W,最常用的是Cu靶。常用靶材的标识X射线的波长和工作电压如下表所示:X射线衍射中,Kα,Kβ具体代表什么?X射线管发生出来的不是纯净的单色光,包含多种波长的射线,最主要的是K系射线。K系射线是指阴极电子碰撞阳极,使阳极电子产生K 激发,击走K 层电子后,L层或M 层电子填充K 层电子而产生的X 射线。K 系射线又可以细分为 Kα(L 层电子填充)和 Kβ(M 层电子填充)两种波长略有差异的两种射线。而 X 射线衍射仪要求使用单色 X 射线。因此,需要在 XRD 测试时把后者除掉,传统的方法是在光路上加入一个滤波片(如 Ni)。现在一般使用铜靶,在光路上增加一个石墨晶体单色器来去除 Kβ射线。单色器可以去除衍射背底,也可以去除 Kβ射线的干扰。Cu的特征谱线波长为:Kα1(1.54056 Å),Kα2 (1.54439 Å),Kβ1 (1.39222 Å)。对于铜靶,Kα波长取Kα1与Kα2的加权平均值,其值为1.54184 Å(布拉格方程和谢乐公式中的λ)。(综合整理自研之成理、材料人等)编辑于 2020-08-13 12:00X射线衍射X射线分析X射线赞同 36010 条评论分享喜欢收藏申请
X 射线衍射 (XRD) - 概述 | Malvern Panalytical
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X-ray analysis
X-ray Diffraction (XRD)
X 射线衍射 (XRD)
一种用于研究所有类型材料的无损技术
介绍
什么是 X 射线衍射?
XRD 仪器的工作原理是什么?
XRD 的应用
X 射线散射
分析软件
XRD 的优点
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在材料研究中,科学家会遇到许多与材料化学成分和晶体结构有关的分析问题。X 射线衍射 (XRD) 是唯一一种可准确、无损地获得化学成分、晶体结构、晶粒尺寸、晶格应变、优选取向、层厚度等信息的实验室技术。因此,材料研究人员使用 XRD 来分析从粉末到固体,再到薄膜和纳米材料的各种材料。
探索
微区 X 射线衍射
掠入射 X 射线衍射 (GIXRD)
高分辨率 X 射线衍射
什么是 X 射线衍射?
X 射线衍射 (XRD) 是一种通用的无损分析技术,用于分析粉末、固体和液体样品的相组成、晶体结构、取向等物理属性。
许多材料由微小的晶粒组成。这些晶体的化学成分和结构类型被称为“相”。材料可以是单相混合物,也可以是多相混合物,并且可能包含结晶组分和非结晶组分。在 X 射线衍射仪中,不同的晶相会呈现出不同的衍射谱图。因此,可以通过比较从未知样品中获得的 X 射线衍射谱图和参考数据库中的谱图来进行物相鉴定。这个过程就像在犯罪现场调查中匹配指纹一样。最全面的化合物数据库由 ICDD(国际衍射数据中心)维护。此外,您还可以根据已测量的纯相衍射谱图、科学文献中发表的谱图或您自己的测量结果来建立参考数据库。 多相混合物中不同相谱图的相对强度用于确定样品的全部组分。
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XRD 仪器的工作原理是什么?
X 射线衍射仪 (XRD)
X 射线衍射仪 (XRD)
获取高质量的衍射数据
X 射线仪器包含三个主要组件:X 射线源、样品架和 XRD 探测器。
光源产生的 X 射线照射样品。然后,X 射线被样品相衍射并进入探测器。通过移动射线管或者样品和探测器来改变衍射角(2θ,入射光束和衍射光束之间的角度),测量强度,并记录衍射数据。根据衍射仪的几何形状和样品的类型,入射光束和样品之间的角度可以是固定的,也可以是可变的,并且通常与衍射光束角配对。
XRD 的应用
在工业和科学实验室中,许多研究人员都依靠 X 射线衍射 (XRD) 作为开发新材料或提高生产效率的工具。X 射线衍射的创新与半导体技术、药物研究等领域中的新材料研究密切相关。工业研究的目标是不断提高生产过程的速度和效率。采矿和建筑材料生产场所的全自动 X 射线衍射分析为生产控制提供了更具成本效益的解决方案。
X 射线衍射的主要应用如下:
对纯物质和混合物的定性和定量物相分析。 最常见的物相分析方法通常称为“X 射线粉末衍射”(XRPD)。
在温度、湿度、施加压力等其他特殊条件下的相变分析(非常规环境研究)。
物理属性的分析,例如晶粒尺寸(直径)、晶体取向和残余应力,这些统称为多晶材料的“微观结构”。
通过使用一种称为“掠入射 XRD”(GIXRD) 的方法,其中许多技术还可以用于多晶层状材料,例如涂层和薄膜。 在研究多晶材料中的局部微小区域时,采用一种称为“微衍射”的方法。
用于非多晶材料(例如单晶半导体晶片或外延层)的其他 X 射线衍射技术包括异质外延层的高分辨率分析 (HR-XRD),这种方法利用了布拉格定律和动态衍射理论。
Industrial X-ray diffraction analysis of building materials
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X 射线散射
X 射线散射
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X 射线散射
其他使用各种 X 射线散射方法研究材料非结晶组分的方法包括掠入射小角 X 射线散射 (GISAXS)、小角 X 射线散射 (SAXS)、总散射(也称为“对分布函数”(PDF) 分析)和 X 射线反射法 (XRR)。 每种方法都有自身的、基于基本散射理论的数据分析算法。
分析软件
在测量 X 射线散射或衍射谱图后,需要对其进行分析。X 射线衍射和 X 射线散射数据的分析可能非常复杂。为了让用户更容易地进行分析,市面上有许多支持各种不同类型测量的 XRD 软件包。
X 射线衍射软件
马尔文帕纳科 XRD 软件套件
我们的 XRD 软件包旨在从您的材料中提取出所有信息。 我们提供针对研究目的或...
X 射线衍射软件
XRD 的优点
XRD 相当快速(通常少于 20 分钟),并且通常是明确识别未知材料的最准确、最可靠技术。样品制备最少,这也是该技术倍受欢迎的原因,并且既适用于工业过程应用,也适用于材料研究。有了正确的分析软件,数据分析会非常简单,对于工业过程,它甚至可以实现自动化,因此在 QC 应用中,操作员不必是 XRD 专家。
Empyrean 锐影系列
可满足您分析需求的多用途解决方案
Aeris
今后会推出紧凑型
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颗粒形状
粒子大小
晶体结构测定
物相鉴定
物相定量
污染物检测与分析
外延附生分析
界面粗糙度
3D 结构/成像
技术类型
X 射线衍射 (XRD)
测角仪配置
Vertical goniometer, Θ-Θ
检测器
X 射线管阳极材料
Cu /Co (option)
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