前言

寫這個的起因，是因為做DEMO時犯的一個錯誤。

其實很多測試看起來確實很簡單，很多高大上的儀器，真正的操作其實也并沒有什么繁瑣的。甚至從培訓(xùn)的時候就能看的出來。大部分同學(xué)聽完怎么操作就懶得再聽下去了，于是20人結(jié)果經(jīng)常堅持下來的人只有2人。我想大部分使用的人實際上連布拉格方程是什么都沒有理解。不然也不會有那么多人始終分不清單晶衍射儀和粉末衍射儀的區(qū)別。

單晶X射線衍射SC-XRD是為了利用X射線衍射測定晶體的三維結(jié)構(gòu)（實空間）而設(shè)計。通過測試單顆晶體，獲取三維空間的倒易點陣信息。當(dāng)有足夠多的數(shù)據(jù)時，就可以用來解析晶體的平均結(jié)構(gòu)。顯而易見的是，它的局限性在于，它分析的實驗操作者挑出的晶體個體，并沒有獲得大量樣品的統(tǒng)計信息。（注意這里的重點是實驗操作者，也就是我們這些晶體民工，這就是為什么，不同的人會給你截然不同的實驗數(shù)據(jù)）。也就是說，這是單一個體和整體的問題。而粉末衍射儀PXRD則關(guān)注于大量樣品的統(tǒng)計信息，涵蓋的樣品量更大，更容易從更廣的視角發(fā)現(xiàn)更多的問題，但是它的缺點是丟失了單個樣品更多的細節(jié)。更何況將三維的數(shù)據(jù)變成了一維，極大的增加了結(jié)構(gòu)解析的難度。

▲圖1 挑哪一個？

所以單從樣本量的問題來看，單晶X射線實驗（包括電鏡更是如此），可能會犯以偏概全的毛病。實驗中也經(jīng)常會犯此類的錯誤。因為我們總是想去挑選我們認(rèn)為的好晶體: 大，規(guī)則，漂亮。但是這些用師兄教的審美觀挑出的晶體，真的會表示樣品整體么？ 
實驗

前幾日做DEMO，拿到的樣品是一個核磁管里看起來碩大但是混在一起的孿晶。其它信息都未知，只曉得是個有機分子，核磁沒有解析出確切的結(jié)構(gòu)。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(jīng)可以預(yù)測出結(jié)果了，還要做大一堆表征，美名其曰多方面驗證，而且特別熱衷于用看起來炫技的技術(shù)，其實并沒有得到什么新的發(fā)現(xiàn)。

一頓砍瓜切菜，剔除掉周圍的孿晶，終于獲得了單顆晶體。方方正正符合極了我們對好晶體的審美。晶體的衍射也符合我們對好晶體的預(yù)期，衍射好的一塌糊涂，結(jié)構(gòu)也是分分鐘得以解析出來。然而老師在看到這個結(jié)構(gòu)的時候，一臉的茫然，這個結(jié)構(gòu)跟預(yù)期差別太大，沒有預(yù)期的基團，跟核磁譜也對應(yīng)不上。 

▲圖2 “好"的晶體幾乎的衍射圖

看到這樣的結(jié)果，馬上反應(yīng)這是雜質(zhì)結(jié)晶了么？可是老師說樣品是純的。這不符合邏輯呀。

那么問題出在哪里呢?假設(shè)這里有另一種晶體存在，我們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(shù)顆，基本都是一樣晶胞參數(shù)的晶體。看起來這是個不符合預(yù)期的實驗。然而會不會是我們的樣本量還沒有覆蓋到呢，概率上不可以排除。但是這么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，牽涉到這個問題，有效直接的方法是做一個粉末衍射。這個在D8 VENTURE上也是分分鐘的事情。樣品那干脆就不切了，取一大塊的樣品，稍微磨碎，按照單晶衍射儀做粉末的方法快速獲得一個“大量"樣品的粉末數(shù)據(jù)。然后將單晶的數(shù)據(jù)跟粉末的圖進行比對，就可以知道這個樣品是不是純相了。

果不其然，如預(yù)想中的那樣，我們會明顯地看到PXRD的峰確實多了很多。而且有一個很高的主峰，跟已得到晶體結(jié)構(gòu)不符。單晶做的旋轉(zhuǎn)透射，所以擇優(yōu)取向的問題就可以刨除在外了。

▲圖3 粉末的數(shù)據(jù)

所以這些多出的峰肯定表示還有其它物質(zhì)的存在。

返回來繼續(xù)在顯微鏡下仔細觀察樣品。顯微鏡放大到極限倍數(shù)，仔細去看這些晶體的表面。這時我們可以看到樣品的表面，實際上有大量類似于沉淀樣的團簇（無法拍照，腦補即可）。不過因為太小，太碎，太難看，所以基本上被打入了冷宮。然而這些沉淀樣的物質(zhì)是不是就是XRD中多出來的峰呢？這時候關(guān)于耐心的考驗來了，眼睛快花了，努力挑選出其中一顆大約10um左右的片狀晶體。我們會發(fā)現(xiàn)這個衍射著實十分差勁，拉長的衍射點，彌散的衍射信號，即便那么小了還是孿晶一個。雖然有挑戰(zhàn)，但我確信這就是我要找的東西。即便所有的指標(biāo)都不符合常規(guī)的單晶測試發(fā)表的標(biāo)準(zhǔn)，但那又如何。

▲圖4 另一種“差"晶體的衍射

我根本不關(guān)心它的數(shù)據(jù)質(zhì)量，我關(guān)心的是物相，以及它的結(jié)構(gòu)，會不會找出這個樣品到底發(fā)生了什么的答案。

雖然難測，但是這個晶體的結(jié)構(gòu)還是可以解析出來。即便它是個奇怪的孿晶，奇怪的贗晶胞，但是這些都不是重點，這些只是在通往答案的路上的一點小問題。但結(jié)構(gòu)解析出來，我們會發(fā)現(xiàn)這仍然不是老師預(yù)測想要的東西。但這個片段存在了核磁推測有的基團。

這是怎么回事呢？老師把兩個結(jié)構(gòu)對接了一下，去和核磁譜去匹配。發(fā)現(xiàn)這兩個分子某種方式的合體會是和核磁譜匹配的分子。

所以現(xiàn)在答案就出來：在結(jié)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。

那晶體會不會還存在沒有降解的第三種樣品呢？

▲圖5 兩種物相的比對

比對出來 發(fā)現(xiàn)應(yīng)該沒有明顯的樣品，即便有也會是痕量的樣品，也就失去了再去挑樣品的意義。單晶不是用來發(fā)現(xiàn)那萬分之一的顯眼包的。
結(jié)果

預(yù)期半小時，結(jié)果卻耗費了一下午的實驗，結(jié)果還不是預(yù)期。但這就是科學(xué)實驗本身的魅力。我們得到的結(jié)論是：下次如果想成功，需要先解決的樣品水解的問題。
后記

看起來像是個例一樣的事情，實際上在后續(xù)的半個月逐漸發(fā)揮了玄學(xué)上的扎堆理論。陸陸續(xù)續(xù)我們碰到了同一個條件下長出的藥物的多晶型的問題，以及同一個瓶子里我們解析了三種不同的晶體結(jié)構(gòu)，以及扎堆的內(nèi)共生晶體。但這些的源頭都是一樣，誰說條件一下，長出的晶體就是一樣的？從溶液到晶體實際上不知道發(fā)生了多少次轉(zhuǎn)變，我們沒有辦法去直接操縱微觀世界。

個體和整體是晶體學(xué)里常要研究的概念。所以PXRD和SC-XRD可以共同去發(fā)現(xiàn)問題。

同樣關(guān)于儀器也是一樣，很多人理解的單晶衍射儀只能做單晶，其實這也犯了儀器和實驗技術(shù)等同的錯誤概念。D8 VENTURE單晶衍射儀其實是一個平臺，它是完成單晶衍射實驗的一個載體。借助的科學(xué)理論是布拉格衍射。但單晶衍射儀包含了X射線光源，檢測器，測角儀，這些儀器的組件實際上是幫助完成單晶衍射實驗的工具，實現(xiàn)科學(xué)數(shù)學(xué)理論的過程。但這些組件決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(xué)學(xué)理論，才能不被儀器或者軟件本身操控在一個狹隘的區(qū)域里。

結(jié)構(gòu)精修也是一樣。

轉(zhuǎn)載于《布魯克X射線部門》公眾號