2月21日，清華大學生命學院王新泉課題組和醫學院張林琦課題合作在BioRxiv上發表重要研究成果，研究利用X射線衍射技術，解析了新型冠狀病毒（2019-nCoV）表面刺突糖蛋白受體結合區（receptor-binding domain, RBD）與人受體ACE2蛋白復合物的晶體結構，準確定位出新冠病毒RBD和受體ACE2的相互作用位點，闡明了新冠病毒刺突糖蛋白介導細胞侵染的結構基礎及分子機制，為治療性抗體藥物開發以及疫苗的設計奠定了堅實的基礎。

眾所周知，X射線晶體學、電子顯微三維重構、核磁共振波譜學是目前結構生物學的三大研究手段。

一直以來，研究生物大分子精細三維結構的主要方法是 X射線衍射技術，目前蛋白質資料庫中已測定的近14萬個結構中約90%是通過此方法獲得的。

X射線衍射技術(diffraction of x-rays,簡稱XRD)在結構生物研究中地位如此重要，到底「憑」什麼呢？！

下面小編向大家分享下X射線衍射技術的原理及應用。

XRD的發現

1912年，德國物理學家勞厄首先發現了晶體對X射線的衍射現象 ，x射線的波長和晶體內部原子面之間的間距相近，晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即一束X射線照射到物體上時，受到物體中原子的散射，每個原子都產生散射波，這些波互相干涉，結果就產生衍射。

勞厄發現 X 射線衍射具有兩個重大意義，一是它證明了 X 射線是一種波，對 X 射線的認識邁出了關鍵的一步；二是它第一次對晶體的空間點陣假說作出了實驗驗證。一旦獲得了波長一定的光束，研究人員就能利用X射線來研究晶體光柵的空間排列， X 射線晶體學成為在原子水平研究三維物質結構的重要條件。

勞厄的發現也促成了布拉格公式的發現，而布拉格公式是分析X射線衍射的基本公式。從而發展出X射線衍射的運動學理論，以波動理論進行嚴格討論的稱動力學理論，這兩種理論是研究X射線衍射(包括電子或中子衍射)的重要依據。

什麼是XRD？

X射線衍射分析法是研究物質的物相和晶體結構的主要方法。當某物質(晶體或非晶體)進行衍射分析時,該物質被X射線照射產生不同程度的衍射現象,物質組成、晶型、分子內成鍵方式、分子的構型、構象等決定該物質產生特有的衍射圖譜。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優點。因此,X射線衍射分析法作為材料結構和成分分析的一種現代科學方法,已逐步在各學科研究和生產中廣泛應用。

XRD的基本原理

當一束單色X射線入射到晶體時，由於晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，這些規則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關。這就是X射線衍射的基本原理。

根據其原理，某晶體的衍射花樣的特徵最主要的是兩個：

• 衍射線在空間的分布規律；
• 衍射線束的強度。

其中，衍射線的分布規律由晶胞大小，形狀和位向決定，衍射線強度則取決於原子的品種和它們在晶胞的位置。因此，不同晶體具備不同的衍射圖譜。

布拉格方程—XRD理論的基石

1913年英國物理學家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在勞厄發現的基礎，不僅成功地測定了NaCl、KCl等的晶體結構,並提出了作為晶體衍射基礎的著名公式──布拉格方程：

2dsinθ=nλ

式中d為晶面間距；n為反射級數；θ為掠射角；λ為X射線的波長。

布拉格方程所反映的是衍射線方向與晶體結構之間的關係。對於某一特定晶體而言，只有滿足布拉格方程的入射線角度才能夠產生干涉增強，才會表現出衍射條紋。這是XRD譜圖的根本意義。

Scherrer公式—測晶粒度的理論基礎

X射線的衍射譜帶的寬化程度和晶粒的尺寸有關，晶粒越小，其衍射線將變得彌散而寬化。Scherrer公式描述晶粒尺寸與衍射峰半峰寬之間的關係。

K為cherrer常數，B為衍射峰半寬高，K=0.89，若B為衍射峰積分寬度，k=1

θ為衍射角、λ為x射線波長，d為垂直於晶面方向的平均厚度

利用該方程計算平均粒度需要注意：

（1）為半峰寬度，即衍射強度為極大值一半處的寬度，單位為弧度

（2）測定範圍3-200nm

XRD和XRF的區別

XRF檢測的是元素組成及含量，而XRD則反映的是化合物的結構情況，因而兩者的應用場合也有著本質的區別。具體如下：

1，用途不同。

XRD是x射線衍射光譜，（X－ray diffraction analysis)是用於測定晶體的結構的，而XRF是x射線螢光發射譜，（X－ray fluorescence analysis)主要用於元素的定性、定量分析的，一般測定原子序數小於Na的元素，定量測定的濃度範圍是常量、微量、痕量。

2，原理上的差別。

XRD是以X射線的相干散射為基礎，以布拉格公式2d sinθ=nλ、晶體理論、倒易點陣厄瓦爾德圖解為主要原理的；

XRF則是以莫斯萊定律(1/λ)1/2=k(Z-S)，k,S是與線性有關的常數。因此，得出不同元素具有不同的X射線（即特徵線）為基礎對元素定性、定量分析的。

XRD的應用

X 射線衍射技術已經成為最基本、最重要的一種結構測試手段，XRD在材料、化學、生物、地質、醫藥方面具有廣泛運用。它主要應用為物相分析、織構分析、應力測試等。

物相分析

物相分析是X射線衍射在金屬中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把對材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標準物相的衍射數據相比較，確定材料中存在的物相；後者則根據衍射花樣的強度，確定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的關係和檢查材料的成分配比及隨後的處理規程是否合理等方面都得到廣泛應用。

結晶度的測定

結晶度定義為結晶部分重量與總的試樣重量之比的百分數。非晶態合金應用非常廣泛，如軟磁材料等，而結晶度直接影響材料的性能，因此結晶度的測定就顯得尤為重要。測定結晶度的方法很多，但不論哪種方法都是根據結晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積決定。

精密測定點陣參數

精密測定點陣參數 常用於相圖的固態溶解度曲線的測定。溶解度的變化往往引起點陣常數的變化；當達到溶解限後，溶質的繼續增加引起新相的析出，不再引起點陣常數的變化。這個轉折點即為溶解限。另外點陣常數的精密測定可得到單位晶胞原子數，從而確定固溶體類型；還可以計算出密度、膨脹係數等有用的物理常數。

納米材料粒徑的表征

納米材料的顆粒度與其性能密切相關。納米材料由於顆粒細小,極易形成團粒,採用通常的粒度分析儀往往會給出錯誤的數據。採用X射線衍射線線寬法(謝樂法)可以測定納米粒子的平均粒徑。

晶體取向及織構的測定

晶體取向的測定又稱為單晶定向,就是找出晶體樣品中晶體學取向與樣品外坐標系的位向關係。雖然可以用光學方法等物理方法確定單晶取向,但X衍射法不僅可以精確地單晶定向,同時還能得到晶體內部微觀結構的信息。一般用勞埃法單晶定向,其根據是底片上勞埃斑點轉換的極射赤面投影與樣品外坐標軸的極射赤面投影之間的位置關係。透射勞埃法只適用於厚度小且吸收係數小的樣品,背射勞埃法就無需特別製備樣品,樣品厚度大小等也不受限制,因而多用此方法。

本文簡單介紹了X射線衍射技術（XRD）的基本原理、結構和應用。X射線衍射技術已經成為人們研究尤其是晶體最方便、最重要的手段。未來，隨著技術手段的不斷創新和設備的不斷完善升級,X射線技術在材料分析領域必將擁有更廣闊的應用前景。