X射线衍射分析原理及其应用

1、X射线衍射分析摘要：x射线衍射分析是一种重要的晶体结构和物相分析技术，广泛应用于冶金、 石油、化工、科研、航空航天、教学、材料生产等领域。本文简要介绍X射线衍射 原理，X射线衍射仪器的结构、原理，及其在地质学、医学等自然科学领域中的应 用。前言：1895年伦琴发现X射线，又称伦琴射线。德国科学家劳厄于1912年发现 了X射线衍射现象，并推导出劳厄晶体衍射公式。随后，英国布拉格父子又将此衍 射关系用简单的布拉格方程表示出来。到上世纪四、五十年代，X射线衍射的原理、 方法及在其他各方面的应用逐渐建立。在各种测量方法中，X射线衍射方法具有不 损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的

2、大量信息等优点。 X射线衍射技术可以探究晶体存在的普遍性和特殊性能，使得其在冶金、石油、岩 石矿物、科研、航空航天、材料生产等领域的被广泛应用。关键词：方法，衍射，原理，应用X射线衍射仪的原理1.X射线衍射原理当X射线沿某方向入射某一晶体的时候，晶体中每个原子的核外电子产生的相 干波彼此发生干涉。当每两个相邻波源在某一方向的光程差等于波长入的整数倍时， 它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强，这种波的加强叫做衍射，相 应的方向叫做衍射方向，在衍射方向前进的波叫做衍射波。光程差为0的衍射叫零 级衍射，光程差为入的衍射叫一级衍射，光程差为n入的衍射叫n级衍射。n不同， 衍射方向的也不同。由

3、于常用的X射线波长约在2.5A0.5A之间，与晶体中的原子间距(1A)数量 级相同，因此可以用晶体作为X射线的衍射光栅，这就使得用X射线衍射进行晶体 结构分析成为可能。在晶体的点阵结构中，具有周期性排列的原子或电子散射的次生X射线间相互 干涉的结果，决定了X射线在晶体中衍射的方向，所以通过对衍射方向的测定，可 以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信息。晶体结构=点阵+结构基元，点阵又包括直线点阵，平面点阵和空间点阵。在X 射线作用下晶体的散射线来自若干层原子面，除同一层原子面的散射线互相干涉外， 各原子面的散射线之间还要互相干涉。光栅衍射当光程差(BD+BF)=2dsin8等于波长的整数倍n

4、九时，相邻原子面散射波干涉加 强，即干涉加强条件为：2dsin0=n 九一、X射线衍射法1多晶粉末法a物相分析X射线物相分析是以晶体结构为基础，通过比较晶体衍射花样来进行分析的。对于晶体物质中来说，各种物质都有自己特定的结构参数（点阵类型、晶胞大 小、晶胞中原子或分子的数目、位置等），结构参数不同则X射线衍射花样也就各 不相同，所以通过比较X射线衍射花样可区分出不同的物质。2单晶衍射法若将一束单色X射线射到一粒静止的单晶体上，入射线与晶粒内的各晶面族都 有一定的交角，只有很少数的晶面能符合布拉格公式而发生衍射。目前常用的收集 单晶体衍射数据的方法，一为回摆法，二为四圆衍射仪法。X射线衍射法的应

5、用由于，X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到 有关晶体完整性的大量信息等优点，所以X射线衍射技术在冶金、石油、岩石矿物、 科研、航空航天、材料生产等领域被广泛应用。本文主要介绍其在药物鉴定和岩石 矿物学中的重要作用。1.X射线衍射分析方法在中药鉴定中的应用X射线衍射分析方法具有简便易行、直观、图谱信息量大、指纹性强、稳定可 靠、所需样品量少、结果可靠的特点，用于中药鉴定是一种比较理想而有效的方法, 它不仅可用于植物类、动物类、矿物类中药的鉴定，还可用于菌类中药和中药复方 的鉴定，为中药的鉴定提供了准确、简便、可靠的鉴定方法，并为临床安全用药提 供了保证23。吕扬，郑启

6、泰，吴楠24等探究了 x射线衍射Fourier图谱分析方法在茜草类、 贝母类、山药类植物类中药中的应用，揭示了中药材道地性的客观规律，并建立了 相应评价指标系统。张丽25等将马鹿茸的对照X射线衍射图谱与花鹿茸对照X射线衍射图谱进行 拓扑分析比较，得出两种来源的鹿茸具有共同的组分性质，二者可作为同一种中药材 使用的结论。王媚a 1等对磁石XRD的图谱特征峰数据进行分析，发现不同产地不 同批次的磁石矿物组成及其含量有一定的差异，同时得出磁石药材中主要物相为 Fe2O3，SiO2翁立明01等通过对全国10个不同省份的全蝎样品进行分析研究，获取 相应的X射线衍射图谱，得出X射线衍射指纹图谱可以用于动物

7、中药材全蝎样品的 分析鉴定和质量控制。总之，应用X射线衍射Fourier指纹图谱可以实现某些植物或动物中药材的鉴 定，而且在分析鉴别同种中药材的不同来源方面有着广阔的发展前景。综上所述, X射线衍射分析技术已广泛应用于我国药学研究的各个领域，并发挥着不可替代的 作用相信通过药学与晶体学科研究人员的共同努力，利用X射线衍射技术，不断建 立新的分析方法，并扩展其应用范围，将使X射线衍射技术在我国和世界的不同交 义学科领域中发挥更为重要的作用，为我国的创新中、西药学的研究与开发提供有 效的质量控制方法。2. X射线衍射分析法在岩石矿物学中的应用地壳由矿物、岩石组成，对其成分、结构和性质等的分析是矿物

8、学、岩石学的 重要研究内容。X射线衍射技术特别是粉晶X射线衍射技术自发明以来就被应用于 矿物、岩石研究，广泛应用于矿物的定性、定量分析。在石油地质和钻采工程等领 域，对粘土矿物的研究成果应用较广。尽管方法还存在不足，但基本能满足目前的 地质应用要求。因为在地质研究中主要关心粘土矿物的种类和相对含量的高低，对 粘土矿物的准确含量并不特别要求28。总之，X射线衍射方法进行物相定量分析方法很多，但是有些方法需要有纯的 物质作为标样，而有时候纯的物质难以得到，从而使得定量分析难以进行，从这个 意义上说，无标样定量相分析法具有较大的使用价值和推广价值2叽X射线是研究粘土矿物尤其是研究泥岩和碳酸岩盐中粘土

9、矿物的重要手段。冯 泽30则列举了实例，说明了 X衍射技术在石油勘探开发中的重要应用。范光、葛祥 坤31，利用微区X射线仪对新疆某地区铍矿床的矿石进行铍选矿试验，探究了铍的 存在形式，确定该区域的主要矿物为羟硅铍石。廖立兵32等，介绍了粉晶X射线衍射在岩石矿物学研究中的应用。庞小丽33 等综述了粉晶X射线衍射法在造岩矿物、拈土矿物、岩组学、类质同象和结晶度的 测定等领域发挥的重要作用。综述他们的观点，粉晶X射线衍射不仅在矿物的定性/ 定量分析、晶胞参数测定、类质同像研究、多型研究、有序无序结构研究、岩组学 研究等传统领域继续发挥着重要作用，在矿物结晶过程和相转变研究、矿物表面物 相研究、矿物缺

10、陷研究和矿物晶体结构测定等新领域也展现出广阔的应用前景。由于原子吸收系统分析特点是灵敏度高（10-6级）、准确度和精确度高、分析速 度块、分析范围广，可测定70多种元素，该方法在地球化学找矿分析中常用在Cu， Pb,Zn,Ni,等元素的测定34。李国武35等通过实验探究西藏罗布莎铬铁矿中硅铁合金矿物发现样品的x射些FeSi2单颗粒样线衍射中以FeSi为主的单颗粒中含有FeSi2的衍射峰，而在另 品中含有自然硅的衍射峰。说明可能存在FeSi-FeSi2些FeSi2单颗粒样此外，X射线衍射分析粘土矿物在油气田开发中的应用36也十分广泛。许多油 气田存在于沉积岩中，沉积岩中的粘土矿物与非粘土矿物的种

11、类、性质与油气田的 勘探、开采有大的关系。X射线衍射仪主要用来分析这些矿物，总结出矿物的种类 和性质，为勘探和开发提供依据。六、总结我认为X射线衍射分析方法是一种有用的工具，在许多科研项目中有重要且有效 的作用。它具有许多优点，比如不损伤样品、快捷、能得到有关晶体完整性的大量 信息等，该方法虽然不是在任何领域都比别的分析方法优，但在鉴定物质及测定物 质结中应用十分广泛。作为物质结构分析不可替代的分析手段，X射线衍射仪在航 空、钢铁、化工、建材、石油、煤炭、地矿几乎所有产业以及超导、生命科学等新 兴研究领域均有着广泛的应用，常被称作分析仪器中的多面手。参考文献武汉大学.分析化学下册(第五版)程国

12、昌黄宗卿现场X射线衍射电化学研究的新进展.重庆大学报。1992,15(1)：5-7郭常霖.精确测定低对称晶系多晶材料点阵常数的射线衍射方法.无机材料学报.林西生.应凤祥.郑乃萱.X射线衍射分析技术及其地质应用石油工业出版社.周健,王河锦.X射线衍射峰五基本要素的物理学意义与应用.矿物学报.第22卷 第二期。2002年6月。常颖郑启泰吕扬粉末X射线衍射技术在药物研究中的应用.X射线衍射应用专 题.36卷(2007年)6期汪永斌.朱国才等.生物质还原磁化褐铁矿的实验研究.过程工程学报2009.6沈春玉等.X射线衍射法测定分子筛晶胞参数与结晶度.理化检验.物化分册.第 38卷第7期.陶琨.X射线衍射

13、仪及其应用介绍.南京大学地质学系矿物岩石教研室粉晶射线物相分析北京：地质出版社.Chung F H Quantitative interpretation of X-ray diffraction patterns1975(1)Popovices Grzeta-Plenkovicb The doping method in quantitative X-raydiffraction phase analysisaddendum 1983(5)储刚含非晶样品的射线衍射增量定量相分析方法物理学报 1998,47(7):11431145Chu G.Sui Q External standard me

14、thod of quantitative X-ray diffraction phase analysis ofsamples containing a morphous material 1994(3)吴万国，阮玉忠射线衍射无标定量分析法的研讨福州大学学报， 1997,25(3):3740沈春玉，储刚.X射线衍射定量相分析新方法.分析测试学报,2003洪汉烈，陈建军，杨淑珍.水泥熟料定量分析的全谱拟合法.分析测试学报，2001卢冬梅，万乾丙，晋勇粉末X射线衍射仪器的应用。四川大学学报(自然科学 版)，2003，40 (6:) 1114朱俊武，王信等。无机化学学报，2004，20(7):863

15、田志宏，张秀华，田志广.X射线衍射技术在材料分析中的应用.工程与试验.Vol.49 No 3卢光莹，华子千.生物大分子晶体学基础北京:北京大学出版社，1995刘粤惠，刘平安.X射线衍射分析原理与应用M .北京：化学工业出版社， 2003.黄燕，委国等.X射线衍射法在中药鉴定中的应用.山东中医杂志2004年4月 第23卷第4期吕扬，郑启泰，吴楠，等中药材x射线衍射图谱研究(17.药学学报，1997.0);193.张丽,王树春，吴云山，吕扬,朱志峰.X射线衍射Fourier指纹图谱.王媚，刘训红等.磁石的X射线Fourier指纹图谱.翁立明，吴云山，吕扬等。动物中药材全蝎的粉末X射线衍射Fourier指纹图谱 鉴定中国医学科学院报.张荣科、范 光粘土矿物X射线衍射相定量分析方法与实验铀矿地质第19 卷第3期2003年5月杨新萍.X射线衍射技术的发展和应用山西师范大学学报（自然科学版）第21 卷第1期.2007年3月冯泽.X射线衍射物相分析在石油勘探开发中的应用小型油气藏第9卷第3 期.2004年9月范光