X光散射技术

X光散射技术或X射线衍射技术（英语：X-ray scattering techniques）是一系列常用的非破坏性分析技术，可用于揭示物质的晶体结构、化学组成以及物理性质。这些技术都是以观测X射线穿过样品后的散射强度为基础，并根据散射角度、极化度和入射X光波长对实验结果进行分析。X光散射技术可在许多不同的条件下进行分析，例如不同的温度或压力。

这幅图所显示的是晶体的X光衍射花样，所用晶体为一蛋白质晶体。图中的每一个黑点反映为一个衍射点，这些衍射点是由被晶体散射的X光相互干涉而形成。

发明

该方法是由马克斯·冯·劳厄于1912年发明的，他因而获得诺贝尔物理学奖。

原理

X光的本质是一种电磁波，而电磁波能够发生衍射，即绕开障碍物传播。该方法利用的就是这个原理。之所以采用X光，是因为X光的波长与大多数分子或者晶胞大小相差不多，能够在分子或晶体的微观结构中发生衍射，同时也会被分子或者晶胞吸收一部分，而且穿透力适中，从而可以类似于穿透式电子显微镜那样，通过接收经过分子之后的X光，而得到清晰的图谱。

X光衍射技术

X光衍射（X-ray diffraction）技术可以用于研究分子的构象或形态。X光衍射技术是基于X光在穿过长程有序物质所发生的弹性散射。“衍射动力学理论”对晶体的散射现象给出了更为复杂的描述[1]。以下列出的是X光衍射的相关技术：

  • 单晶X射线衍射：用于解析晶态物质中分子的整体结构，研究范围可以从小的无机小分子到复杂的大分子，如蛋白质；可用单色性X光（德拜法）或连续波长X光（即“劳厄法”）进行研究。
  • 粉末衍射：也是一种获得晶体（微晶）结构的方法，所用样品为多晶态或粉末固态晶体。粉末衍射通常用于鉴定未知物质，主要通过将衍射数据与衍射数据国际中心（International Centre for Diffraction Data，ICDD）中的衍射数据库进行比较。这一技术或可用于鉴定非均一态的固体混合物，确定其中含量相对丰富的晶态物质；而且，当与网格修正技术（如Rietveld修正）连用时，还可以提供未知物质的结构信息。粉末衍射也是确定晶态物质晶系的常用方法，并可用于测定晶体颗粒的大小。
  • 薄膜衍射。
  • X射线极图分析：用于分析和测定晶态薄膜样品中晶态方位。
  • X射线回摆曲线分析法：用于定量测量晶态物质的粒度大小和镶嵌度散布。

散射技术

弹性散射

即使是非晶态物质（非长程有序），也可能可以用依赖于单色性X光的弹性散射的方法来研究：

  • 小角X射线散射：在散射角2θ接近0°时，对样品的X射线散射强度进行测量，以获取纳米到微米量级上的分子结构信息。[2]
  • X射线反射率：用于分析和测定单层或多层薄膜的厚度、粗糙度和密度。[3]
  • 广角X射线散射：测量散射角2θ大于5°。

非弹性散射

当非弹性散射的X射线的能量和角度被监测时，相关的散射技术就可以用于探测物质的能带结构：

  • 康普顿散射。
  • 共振非弹性X射线散射。
  • X射线拉曼散射。

实际应用

本方法对于化学和生物学的发展有着极大的贡献。至2013年为止，通过此方法进行科研而获得诺贝尔奖的科学家，就至少有6人。他们是

  1. 1914年，马克斯·冯·劳厄（德国），获得诺贝尔物理学奖。
  2. 1915年，布拉格父子（英国），获得诺贝尔物理学奖。
  3. 1936年，德拜（英国/荷兰），获得诺贝尔化学奖。
  4. 1962年，奥森等3人，获得诺贝尔生理学或医学奖。
  5. 1964年，霍奇金（英国/埃及），诺贝尔化学奖。
  6. 1985年，豪普特曼等3人，诺贝尔化学奖。

参考文献

  1. ^ （英文）Azároff, L. V.; R. Kaplow, N. Kato, R. J. Weiss, A. J. C. Wilson, R. A. Young. X-ray diffraction. McGraw-Hill. 1974. 
  2. ^ （英文）Glatter, O.; O. Kratky. Small Angle X-ray Scattering. Academic Press. 1982 [2008-01-24]. （原始内容存档于2012-02-11）. 
  3. ^ （英文） Holy, V. et al. Phys. Rev. B. 47, 15896 (1993).

参见

  • X射线晶体学

外部链接