晶體日記（二十三）-單晶測試容易犯的錯誤-以偏概全- X射線衍射XRD

前言

寫(xie) 這個(ge) 的起因，是因為(wei) 做DEMO時犯的一個(ge) 錯誤。

其實很多測試看起來確實很簡單，很多高大上的儀(yi) 器，真正的操作其實也並沒有什麽(me) 繁瑣的。甚至從(cong) 培訓的時候就能看的出來。大部分同學聽完怎麽(me) 操作就懶得再聽下去了，於(yu) 是20人結果經常堅持下來的人隻有2人。我想大部分使用的人實際上連布拉格方程是什麽(me) 都沒有理解。不然也不會(hui) 有那麽(me) 多人始終分不清單晶衍射儀(yi) 和粉末衍射儀(yi) 的區別。

單晶X射線衍射SC-XRD是為(wei) 了利用X射線衍射測定晶體(ti) 的三維結構（實空間）而設計。通過測試單顆晶體(ti) ，獲取三維空間的倒易點陣信息。當有足夠多的數據時，就可以用來解析晶體(ti) 的平均結構。顯而易見的是，它的局限性在於(yu) ，它分析的實驗操作者挑出的晶體(ti) 個(ge) 體(ti) ，並沒有獲得大量樣品的統計信息。（注意這裏的重點是實驗操作者，也就是我們(men) 這些晶體(ti) 民工，這就是為(wei) 什麽(me) ，不同的人會(hui) 給你截然不同的實驗數據）。也就是說，這是單一個(ge) 體(ti) 和整體(ti) 的問題。而粉末衍射儀(yi) PXRD則關(guan) 注於(yu) 大量樣品的統計信息，涵蓋的樣品量更大，更容易從(cong) 更廣的視角發現更多的問題，但是它的缺點是丟(diu) 失了單個(ge) 樣品更多的細節。更何況將三維的數據變成了一維，極大的增加了結構解析的難度。

▲圖1 挑哪一個(ge) ？

所以單從(cong) 樣本量的問題來看，單晶X射線實驗（包括電鏡更是如此），可能會(hui) 犯以偏概全的毛病。實驗中也經常會(hui) 犯此類的錯誤。因為(wei) 我們(men) 總是想去挑選我們(men) 認為(wei) 的好晶體(ti) : 大，規則，漂亮。但是這些用師兄教的審美觀挑出的晶體(ti) ，真的會(hui) 表示樣品整體(ti) 麽(me) ？ 
實驗

前幾日做DEMO，拿到的樣品是一個(ge) 核磁管裏看起來碩大但是混在一起的孿晶。其它信息都未知，隻曉得是個(ge) 有機分子，核磁沒有解析出確切的結構。這是做單晶的日常，充滿了對未知的探索，而不是像很多科研一樣，都已經可以預測出結果了，還要做大一堆表征，美名其曰多方麵驗證，而且特別熱衷於(yu) 用看起來炫技的技術，其實並沒有得到什麽(me) 新的發現。

一頓砍瓜切菜，剔除掉周圍的孿晶，終於(yu) 獲得了單顆晶體(ti) 。方方正正符合極了我們(men) 對好晶體(ti) 的審美。晶體(ti) 的衍射也符合我們(men) 對好晶體(ti) 的預期，衍射好的一塌糊塗，結構也是分分鍾得以解析出來。然而老師在看到這個(ge) 結構的時候，一臉的茫然，這個(ge) 結構跟預期差別太大，沒有預期的基團，跟核磁譜也對應不上。 

▲圖2 “好"的晶體(ti) 幾乎的衍射圖

看到這樣的結果，馬上反應這是雜質結晶了麽(me) ？可是老師說樣品是純的。這不符合邏輯呀。

那麽(me) 問題出在哪裏呢?假設這裏有另一種晶體(ti) 存在，我們(men) 可以多挑幾顆看起來不同的，說不定能挑到另一種。然而挑了數顆，基本都是一樣晶胞參數的晶體(ti) 。看起來這是個(ge) 不符合預期的實驗。然而會(hui) 不會(hui) 是我們(men) 的樣本量還沒有覆蓋到呢，概率上不可以排除。但是這麽(me) 挑下去是在做無頭蒼蠅樣的實驗，可能是白費功夫。

但實際上如前言所提到的，牽涉到這個(ge) 問題，有效直接的方法是做一個(ge) 粉末衍射。這個(ge) 在D8 VENTURE上也是分分鍾的事情。樣品那幹脆就不切了，取一大塊的樣品，稍微磨碎，按照單晶衍射儀(yi) 做粉末的方法快速獲得一個(ge) “大量"樣品的粉末數據。然後將單晶的數據跟粉末的圖進行比對，就可以知道這個(ge) 樣品是不是純相了。

果不其然，如預想中的那樣，我們(men) 會(hui) 明顯地看到PXRD的峰確實多了很多。而且有一個(ge) 很高的主峰，跟已得到晶體(ti) 結構不符。單晶做的旋轉透射，所以擇優(you) 取向的問題就可以刨除在外了。

▲圖3 粉末的數據

所以這些多出的峰肯定表示還有其它物質的存在。

返回來繼續在顯微鏡下仔細觀察樣品。顯微鏡放大到極限倍數，仔細去看這些晶體(ti) 的表麵。這時我們(men) 可以看到樣品的表麵，實際上有大量類似於(yu) 沉澱樣的團簇（無法拍照，腦補即可）。不過因為(wei) 太小，太碎，太難看，所以基本上被打入了冷宮。然而這些沉澱樣的物質是不是就是XRD中多出來的峰呢？這時候關(guan) 於(yu) 耐心的考驗來了，眼睛快花了，努力挑選出其中一顆大約10um左右的片狀晶體(ti) 。我們(men) 會(hui) 發現這個(ge) 衍射著實十分差勁，拉長的衍射點，彌散的衍射信號，即便那麽(me) 小了還是孿晶一個(ge) 。雖然有挑戰，但我確信這就是我要找的東(dong) 西。即便所有的指標都不符合常規的單晶測試發表的標準，但那又如何。

▲圖4 另一種“差"晶體(ti) 的衍射

我根本不關(guan) 心它的數據質量，我關(guan) 心的是物相，以及它的結構，會(hui) 不會(hui) 找出這個(ge) 樣品到底發生了什麽(me) 的答案。

雖然難測，但是這個(ge) 晶體(ti) 的結構還是可以解析出來。即便它是個(ge) 奇怪的孿晶，奇怪的贗晶胞，但是這些都不是重點，這些隻是在通往答案的路上的一點小問題。但結構解析出來，我們(men) 會(hui) 發現這仍然不是老師預測想要的東(dong) 西。但這個(ge) 片段存在了核磁推測有的基團。

這是怎麽(me) 回事呢？老師把兩(liang) 個(ge) 結構對接了一下，去和核磁譜去匹配。發現這兩(liang) 個(ge) 分子某種方式的合體(ti) 會(hui) 是和核磁譜匹配的分子。

所以現在答案就出來：在結晶的過程中，分子水解成了酸和醇。各自在同樣的條件下生長出了晶體(ti) 。

那晶體(ti) 會(hui) 不會(hui) 還存在沒有降解的第三種樣品呢？

▲圖5 兩(liang) 種物相的比對

比對出來 發現應該沒有明顯的樣品，即便有也會(hui) 是痕量的樣品，也就失去了再去挑樣品的意義(yi) 。單晶不是用來發現那萬(wan) 分之一的顯眼包的。
結果

預期半小時，結果卻耗費了一下午的實驗，結果還不是預期。但這就是科學實驗本身的魅力。我們(men) 得到的結論是：下次如果想成功，需要先解決(jue) 的樣品水解的問題。
後記

看起來像是個(ge) 例一樣的事情，實際上在後續的半個(ge) 月逐漸發揮了玄學上的紮堆理論。陸陸續續我們(men) 碰到了同一個(ge) 條件下長出的藥物的多晶型的問題，以及同一個(ge) 瓶子裏我們(men) 解析了三種不同的晶體(ti) 結構，以及紮堆的內(nei) 共生晶體(ti) 。但這些的源頭都是一樣，誰說條件一下，長出的晶體(ti) 就是一樣的？從(cong) 溶液到晶體(ti) 實際上不知道發生了多少次轉變，我們(men) 沒有辦法去直接操縱微觀世界。

個(ge) 體(ti) 和整體(ti) 是晶體(ti) 學裏常要研究的概念。所以PXRD和SC-XRD可以共同去發現問題。

同樣關(guan) 於(yu) 儀(yi) 器也是一樣，很多人理解的單晶衍射儀(yi) 隻能做單晶，其實這也犯了儀(yi) 器和實驗技術等同的錯誤概念。D8 VENTURE單晶衍射儀(yi) 其實是一個(ge) 平台，它是完成單晶衍射實驗的一個(ge) 載體(ti) 。借助的科學理論是布拉格衍射。但單晶衍射儀(yi) 包含了X射線光源，檢測器，測角儀(yi) ，這些儀(yi) 器的組件實際上是幫助完成單晶衍射實驗的工具，實現科學數學理論的過程。但這些組件決(jue) 定了它可以做很多事情。

所以想把無聊的事情玩出花樣，得靜下來去學學理論，才能不被儀(yi) 器或者軟件本身操控在一個(ge) 狹隘的區域裏。

結構精修也是一樣。

轉載於(yu) 《布魯克X射線部門》公眾(zhong) 號