一文带您了解--X射线单晶衍射基本原理、测试流程、选型、常见问题及应用案例

概述

单晶X射线衍射(SC-XRD)：用于单晶内部结构的测定，提供包括晶胞参数、晶系、空间群、晶胞中原子的三维分布、键长、键角、构型、构象乃至成键电子密度及分子在晶格中的堆积方式等结果，从而测定出一个化合物(晶态)分子的准确立体结构。主要应用范围是无机物、有机物、不对称化学反应、金属有机配合物研究、新药合成、天然提取物分子结构、矿物结构及各种新功能材料的结构等方面，具体包括化学小分子晶体结构的测定、复杂超分子结构以及MOF晶体的结构的测定、天然矿物的晶体结构结构测定和蛋白质晶体结构的测定等。

单晶仪器

图1 单晶X射线衍射仪

1、生产厂家型号：Bruker D8 Venture、理学synergy等

2、光源：采用Mo和Cu两种光源

3、低温液氮系统：温度范围80 - 500 K，控温精度± 0.1 K。

基本原理

单晶X射线衍射仪：主要由旋转靶头、高压发生器、测角仪、探测器、控制/数据处理系统、水冷机及稳压电源几大部分组成。

工作原理：X射线入射到晶体后，由于晶体内部规则排列的晶胞原子间距与X射线波长数量级相当，原子间散射的X射线就会发生干涉并在某些特殊方向上产生强衍射，利用单晶对X-射线的衍射效应，可以反演测定物质内部构造，从而获得键长、键角、构型、构象等十分有用的结构化学数据。

X-射线源选择

1、Cu光源的散射强度=6-10倍Mo光源，所以60秒Mo光源的数据收集~10秒Cu光源数据收集，Cu光源的吸收效应大于Mo光源

2、Cu光源对测试小或散射弱的晶体有很大的帮助

3、测试条件选择：一般含有重金属原子的晶体结构优先选择钼靶测试。蛋白质晶体结构分析/纯有机/小和弱的衍射体，使用铜靶。

图2 X射线源选择

测试流程

1、晶体安放：晶体安放时，确保尽可能少的胶水或者溶剂残留。

2、对心：挑选单晶，确保晶体位于测角仪中心

3、检查晶体衍射质量，根据晶体的衍射情况，判断晶体是否有必要继续收集

4、获得晶胞参数和取向矩阵，

5、数据收集：快速有效地收集高质量的数据

6、数据的还原和校正：还原出精确的.hkl文件，SCALE最终生成*.hkl文件和*.abs文件

7、解析和精修结构

图3 单晶X射线的测试流程

样品要求

1、样品必须是晶体，不是晶体样品无法测试单晶衍射。可测无机晶体，有机晶体以及MOF。

2、单晶尺寸要大于100 μm，晶体规则且无明显裂缝，有母液的可以随母液一起寄出，单晶比较脆弱，最好用一些软东西包裹一下，再寄送。

3、如果多颗晶体或多瓶晶体，是同一个样品，只需要收一个数据，请写相同的编号，并做好备注。

4、若要解析结构，应提供分子式以及结构式。

结果展示

1、晶胞参数图：晶体质量不好，达不到收数据的标准，就只提供晶胞参数图。

2、收集的单晶数据：因为原始数据很大，一般只提供下面这些数据格式。

（1）钼靶数据：

（2）铜靶数据：

3、解析后提供的数据

常见问题

1、什么样的样品能测单晶衍射？

首先，样品必须是晶体，不是晶体状的就没必要测了；其次，晶体是要有规则，无明显裂纹的，且尺寸不小于100微米。

2、怎么选择合适的靶材？

(1)一般含有金属原子的，优先选择钼靶测试。 

(2)纯有机的，可能要选择铜靶。 

(3)若单晶是含手性结构的，需要定绝对构型的话，只能选铜靶。 

(4)某些晶体质量不是很好，钼靶衍射较弱，需要使用铜靶才能收集到可用的数据。

3、测试温度，常温和低温哪个更好？

一般来说，单晶测试在仪器、晶体及其他测试条件相同的情况下，温度越低，原子的热运动越小，晶体衍射强度越强，最后结构解析的结果越好，因此对于常规样品，尤其是不太稳定的样品，一般建议尽量在低温下进行测试。一般低温比常温收的数据更好，如果晶体能耐低温，不是必须要常温条件的话，建议选择低温测试。

4、对于空气敏感的样品要如何进行单晶XRD测试？

测试时先把仪器、显微镜、载玻片、单晶保护油、挑晶体用的针及切割晶体的刀等工具准备好，再取样品，争取在最短的时间内将样品放到仪器的低温下。如果是需要寄样测试的样品，建议将晶体保存在母液中或是用大量晶体保护油进行包裹并做好密封，或者直接对样品进行封管处理后再测试，这些措施也同样适用于质量较差的晶体。

5、解析晶体结构，需要提供的数据类型有哪些？

一般只需要提供.raw, .hkl, .p4p，._ls类型的文件，如果这些类型的文件解析有问题，可能需要提供原始数据重新还原才行。另外还需要提供样品信息(如合成原料、溶剂、预期结构)，这样才能更准确的解析结构。

6、为什么有些晶体外观看着很好，上机测试却达不到收数据的标准？

有些晶体外观看着很好，但实际测试衍射点却很弱，达不到收数据的标准，属于正常现场，有可能是晶体内部质量很差。另外，晶体可能只是合成原料中的无机盐，体积很小，并不是目标结构。

7、为什么有些晶体数据质量很好，却解析不了？

有些晶体结构复杂，晶体质量很好，收集的数据的质量也很好，但是很难解析或者解析不了，属于正常现象。测试工程师在收集数据之前也没法判断是否可以解析，只能判断该晶体质量情况，所以，收了数据达到标准，就得按正常测试收费。

应用案例

1、SC-XRD对高熵钙钛矿单晶的相鉴别

图4 （a）五元素Cs2{ZrSnTeHfPt}1Cl6和（d）六元素Cs2{ZrSnTeHfRePt}1Cl6单晶均表明四种高熵成分采用单相FCC晶体结构。对五元素Cs2的FCC（111）反射进行精细扫描{SnTeReIrPt}1Cl6和六元素Cs2{SnTeReOsIrPt}1Cl6单晶（b）和五元素Cs2{ZrSnTeHfPt}1Cl6和六元素Cs2{ZrSnTeHfRePt}1Cl6单晶（e）显示出没有峰分裂并且良好地拟合单个洛伦兹曲线（黑色虚线）。对五元素Cs2的FCC（220）反射进行精细扫描{SnTeReIrPt}1Cl6和六元素Cs2{SnTeReOsIrPt}1Cl6单晶（c）和五元素Cs2{ZrSnTeHfPt}1Cl6和六元素Cs2{ZrSnTeHfRePt}1Cl6单晶（f）显示出没有峰分裂并且良好地拟合单个洛伦兹曲线（黑色虚线）

美国加州大学杨培东等人开发了室温解决方案（20 °C）和低温溶液（80 °C）合成一类新型金属卤化物钙钛矿高熵半导体（HES）单晶的方法。五元素SnTeReIrPt和六元素SnTeReOsIrPt HES单晶的粉末X射线衍射（PXRD）图（图4a），以及五元素ZrSnTeHfPt和6元素ZrSnTeHfRePt HES单晶（图4d），显示了所有四种成分的单相FCC晶体结构。在两个突出的FCC反射（111）和（220）上的精细扫描突出显示没有峰分裂，并且与单相晶体系统的衍射峰所预期的单个洛伦兹函数很好地拟合（图SnTeReIrPt和SnTeReOsIrPt晶体的4b，c，以及图ZrSnTeHfPt和ZrSnTeHfRePt结晶的4e，f）。此外，四种HES成分的晶格参数与组成单元素单晶的晶格参数一致（图4a，d）。在五元SnTeReIrPt、六元SnTeReOsIrPt和五元ZrSnTeHfPt单晶上进行的单晶X射线衍射（SCXRD）实验证实了立方Fm3’mFm3’m空间群，晶格参数分别为10.3035、10.3110、10.3868和10.3742 Å。不同的八面体类型在SCXRD确定的晶胞中占据晶体等效位置，使得所得的晶体结构是随机合金化的M位的FCC晶格。所有二元、三元和四元单晶的PXRD和SCXRD研究也显示了相纯FCC晶体结构，其晶格参数与组成的一元单晶一致。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06396-8 （Nature） 

2、SC-XRD检测MOF结构

美国加州大学Matthew N. Dods     & Jeffrey R. Long 发现当暴露于NH3时，Cu(cyhdc)的颜色从绿色变为蓝色，表明Cu(II)中心的配位环境发生了变化。掺入1bar NH3的Cu(cyhdc)的粉末X射线衍射分析显示，这种蓝色固体是微晶的，并形成与MOF不同的相。该相单晶的X射线衍射分析(图5)表明它是无孔的一维配位聚合物Cu(NH3)4(cyhdc) (图6a，b)。Cu(NH3)4(cyhdc)的结构由四个赤道NH3配体配位的对称等价Cu(II)中心组成(Cu–N键长为2.014(2) Å和2.057(2) Å)和两个由单个氧原子结合的轴向桥接反式-1,4-环己烷二羧酸连接体(dCu–O = 2.468(2) Å)。每个NH3与二级球氧原子进行氢键相互作用(范围从大约2.0 Å至2.2 Å)，并且每个羧酸盐氧与附近的NH3配体相互作用，产生中等短氢键的稳定网络。

图5 在298K(深紫色)下暴露于1atm NH3之后的Cu(cyhdc)的粉末x射线衍射图案与根据Cu(NH3)4(cyhdc)的单晶x射线衍射结构预测的粉末x衍射图案的比较

图6 在298K(深紫色)下暴露于1atm NH3之后的Cu(cyhdc)的粉末x射线衍射图案与根据Cu(NH3)4(cyhdc)的单晶x射线衍射结构预测的粉末x衍射图案的比较。a、通过单晶X射线衍射分析获得的Cu(NH3)4(cyhdc)的结构说明，显示了相邻聚合物链之间的氢键相互作用。b、Cu(NH3)4(cyhdc)中的局部Cu环境。c、Cu(NH3)4(cyhdc)中Cu位点配位环境的代表性视图(扩展结构视图见补充图6)。选择Cu–连接体，氢键距离以Å为单位。氢键用虚线表示。没有关于氢键距离的误差报告，因为H原子是使用骑行模精制的。橙色、红色、蓝色、灰色和白色球体分别代表Cu、O、N、C和H原子；为了清楚起见，省略了cyhdc2−连接体的H原子

单晶X射线衍射实验方法：对涂有对映酮-N油并安装在MiTeGen环上的单晶进行X射线衍射分析。将晶体冷冻在100(2) K通过Oxford Cryosystems Cryostream 700。数据是在加州大学伯克利分校CHEXRAY晶体学设施的Rigaku XtaLAB P200上收集的，该晶体学设施配备了MicroMax 007HF旋转阳极和Pilatus 200K混合像素阵列检测器，使用Cu Kα辐射(波长1.5418 Å)。使用CrystalAlisPro软件41进行数据收集、处理和还原。使用CrystalsPro中的SCALE3 ABSPACK缩放算法应用多扫描吸收校正。在数据收集过程中未观察到晶体衰变。用SHELXT42通过本征定相法求解Cu(NH3)4(cyhdc)、Cu(NH)2(cyhdd)和Cu(NH3)2(H2O)(cyhde)的结构，用SHELXS43使用直接方法求解Cu(H2O)2(tfbdc)的结构。Cu(H2O)2(tfbdc)的结构作为双组分孪晶[−1000−100.1288 0.53421; BASF =0.487(2)]。所有结构均使用在OLEX246界面中操作的SHELXL45进行精制。对所有非氢原子的热参数进行了各向异性细化。对于Cu(NH3)4(cyhdc)和Cu(NH3)2(cyhdd)，在几何计算的位置包括氢原子，并使用骑行模型进行细化。对于Cu(H2O)2(tfbdc)和Cu(NH3)2(H2O)(cyhdc)，在电子差图谱中发现了氢原子。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41586-022-05409-2 （Nature ）

3、SC-XRD检测氧化物结构

广东工业大学何军教授团队利用单晶X射线衍射分析显示Ti-C4A、Ti4-C4A和Ti16-C4A分别为单核、四核和十六核的钛氧化合物。Ti-C4A在正交空间群P212121中结晶，在不对称单元中是由一个钛原子、一个C4A配体、一个异丙醇基和一个抗衡三乙胺阳离子组成(图7b)。其中，金属Ti1原子展现出扭曲的四方锥配位几何构型，且末端配有一个异丙醇基团。Ti4-C4A是由一个四核的钛氧核、两个C4A配体、四个异丙醇基团和两个DMF分子组成。其中，四核钛氧簇核呈现缺角的扭曲双立方烷结构，并且每个钛原子末端都配有一个容易离去的溶剂分子(图7c)。为了探索合成核数更高的簇合物，作者在合成过程中引入了具有多齿配位能力的磷酸根，并获得了目前报道的杯芳烃修饰的核数最高的钛氧簇Ti16-C4A。该化合物可以看成是由4个四核的钛氧单元组成；其中每个四核的钛氧单元包含一个平面的四核钛氧簇核和一个C4A配体。4个四核的钛氧单元通过4个磷酸根桥联起来，形成一个缺两条边的四面体。值得注意的是，在Ti16-C4A结构中有12个钛原子是包含有1或2个末端配位的溶剂分子(水或异丙醇)，这表明其含有多个潜在的金属活性位点(图7d)。

图7 （a）杯[4]芳烃（C4A）、（b）单核Ti-C4A、（c）四核Ti4-C4A和（d）16核Ti16-C4A的分子结构。色标：天蓝色=Ti原子，亮绿色=P原子，红色=O原子，深灰色=C原子，灰白色=H原子，粉红色=OiPr配体，黄色=DMF分子，紫色=H2O分子

单晶X射线衍射实验方法：室温下，在Bruker APEXII CCD衍射仪（石墨单色Mo-Ka辐射，λ=0.71073Å）上收集Ti-C4A和Ti4-C4A的单晶X射线衍射数据。由于Ti16-C4A晶体衍射较弱，在上海同步辐射装置的SSRFBL17B衍射仪（100K）上采集了其单晶衍射数据。吸收校正是通过在SADABS中实现的多扫描方法来执行的。针对SHELXL程序包和Olex-2软件中的F2，通过全矩阵方法求解和细化了晶体结构。对所有非氢原子进行各向异性细化，并从理论上添加氢。最后用PLATON测定了化合物Ti-C4A、Ti4-C4A和Ti16-C4A的晶体空间基团。Ti4-C4A和Ti16-C4A中的溶剂分子是无序的，并且通过在PLATON中实施的挤压程序对它们进行处理。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c04480 （JACS）