前言

寫這個(gè)的起因，是因?yàn)樽鯠EMO時(shí)犯的一個(gè)錯(cuò)誤。

其實(shí)很多測(cè)試看起來(lái)確實(shí)很簡(jiǎn)單，很多高大上的儀器，真正的操作其實(shí)也并沒(méi)有什么繁瑣的。甚至從培訓(xùn)的時(shí)候就能看的出來(lái)。大部分同學(xué)聽(tīng)完怎么操作就懶得再聽(tīng)下去了，于是20人結(jié)果經(jīng)常堅(jiān)持下來(lái)的人只有2人。我想大部分使用的人實(shí)際上連布拉格方程是什么都沒(méi)有理解。不然也不會(huì)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(cè)定晶體的三維結(jié)構(gòu)（實(shí)空間）而設(shè)計(jì)。通過(guò)測(cè)試單顆晶體，獲取三維空間的倒易點(diǎn)陣信息。當(dāng)有足夠多的數(shù)據(jù)時(shí)，就可以用來(lái)解析晶體的平均結(jié)構(gòu)。顯而易見(jiàn)的是，它的局限性在于，它分析的實(shí)驗(yàn)操作者挑出的晶體個(gè)體，并沒(méi)有獲得大量樣品的統(tǒng)計(jì)信息。（注意這里的重點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)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(huì)給你截然不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）。也就是說(shuō)，這是單一個(gè)體和整體的問(wèn)題。而粉末衍射儀PXRD則關(guān)注于大量樣品的統(tǒng)計(jì)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(wèn)題，但是它的缺點(diǎn)是丟失了單個(gè)樣品更多的細(xì)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(gè)？

所以單從樣本量的問(wèn)題來(lái)看，單晶X射線實(shí)驗(yàn)（包括電鏡更是如此），可能會(huì)犯以偏概全的毛病。實(shí)驗(yàn)中也經(jīng)常會(huì)犯此類的錯(cuò)誤。因?yàn)槲覀兛偸窍肴ヌ暨x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(huì)表示樣品整體么？ 
實(shí)驗(yàn)

前幾日做DEMO，拿到的樣品是一個(gè)核磁管里看起來(lái)碩大但是混在一起的孿晶。其它信息都未知，只曉得是個(gè)有機(jī)分子，核磁沒(méi)有解析出確切的結(jié)構(gòu)。這是做單晶的日常，充滿了對(duì)未知的探索，而不是像很多科研一樣，都已經(jīng)可以預(yù)測(cè)出結(jié)果了，還要做大一堆表征，美名其曰多方面驗(yàn)證，而且特別熱衷于用看起來(lái)炫技的技術(shù)，其實(shí)并沒(méi)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(duì)好晶體的審美。晶體的衍射也符合我們對(duì)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(lái)。然而老師在看到這個(gè)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，一臉的茫然，這個(gè)結(jié)構(gòu)跟預(yù)期差別太大，沒(méi)有預(yù)期的基團(tuán)，跟核磁譜也對(duì)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(shuō)樣品是純的。這不符合邏輯呀。

那么問(wèn)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(lái)不同的，說(shuō)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(lái)這是個(gè)不符合預(yù)期的實(shí)驗(yàn)。然而會(huì)不會(huì)是我們的樣本量還沒(méi)有覆蓋到呢，概率上不可以排除。但是這么挑下去是在做無(wú)頭蒼蠅樣的實(shí)驗(yàn)，可能是白費(fèi)功夫。

但實(shí)際上如前言所提到的，牽涉到這個(gè)問(wèn)題，有效直接的方法是做一個(gè)粉末衍射。這個(gè)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(gè)“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(jìn)行比對(duì)，就可以知道這個(gè)樣品是不是純相了。

果不其然，如預(yù)想中的那樣，我們會(huì)明顯地看到PXRD的峰確實(shí)多了很多。而且有一個(gè)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(wèn)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(lái)繼續(xù)在顯微鏡下仔細(xì)觀察樣品。顯微鏡放大到極限倍數(shù)，仔細(xì)去看這些晶體的表面。這時(shí)我們可以看到樣品的表面，實(shí)際上有大量類似于沉淀樣的團(tuán)簇（無(wú)法拍照，腦補(bǔ)即可）。不過(guò)因?yàn)樘?，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(lái)的峰呢？這時(shí)候關(guān)于耐心的考驗(yàn)來(lái)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(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)衍射著實(shí)十分差勁，拉長(zhǎng)的衍射點(diǎn)，彌散的衍射信號(hào)，即便那么小了還是孿晶一個(gè)。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(cè)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(huì)不會(huì)找出這個(gè)樣品到底發(fā)生了什么的答案。

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

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

所以現(xiàn)在答案就出來(lái)：在結(jié)晶的過(guò)程中，分子水解成了酸和醇。各自在同樣的條件下生長(zhǎng)出了晶體。

那晶體會(huì)不會(huì)還存在沒(méi)有降解的第三種樣品呢？

▲圖5 兩種物相的比對(duì)

比對(duì)出來(lái) 發(fā)現(xiàn)應(yīng)該沒(méi)有明顯的樣品，即便有也會(huì)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(lái)發(fā)現(xiàn)那萬(wàn)分之一的顯眼包的。
結(jié)果

預(yù)期半小時(shí)，結(jié)果卻耗費(fèi)了一下午的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果還不是預(yù)期。但這就是科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(wèn)題。
后記

看起來(lái)像是個(gè)例一樣的事情，實(shí)際上在后續(xù)的半個(gè)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(gè)條件下長(zhǎng)出的藥物的多晶型的問(wèn)題，以及同一個(gè)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(shuí)說(shuō)條件一下，長(zhǎng)出的晶體就是一樣的？從溶液到晶體實(shí)際上不知道發(fā)生了多少次轉(zhuǎn)變，我們沒(méi)有辦法去直接操縱微觀世界。

個(gè)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(wèn)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(shí)這也犯了儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等同的錯(cuò)誤概念。D8 VENTURE單晶衍射儀其實(shí)是一個(gè)平臺(tái)，它是完成單晶衍射實(shí)驗(yàn)的一個(gè)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(cè)器，測(cè)角儀，這些儀器的組件實(shí)際上是幫助完成單晶衍射實(shí)驗(yàn)的工具，實(shí)現(xiàn)科學(xué)數(shù)學(xué)理論的過(guò)程。但這些組件決定了它可以做很多事情。

所以想把無(wú)聊的事情玩出花樣，得靜下來(lái)去學(xué)學(xué)理論，才能不被儀器或者軟件本身操控在一個(gè)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(hào)