进阶之旅 | 如何提升粉末衍射检测灵敏度

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XRD用户在实际工作中会遇到各种极端样品的挑战，比如药物制剂中原料药的目标晶型含量仅为千分之几；或是珍贵的文物上不可以大量取样，只能获取一点点粉末进行分析。前者可以归类为大量混合物中的低含量成分，后者则是总量极低的样品，为了方便描述，本文中定义前者为微量晶型，后者为微量样品。这些样品对衍射仪的检测灵敏度提出了较高的要求。我们将从样品制备、方法优化和设备升级等三个方面介绍应对这类情况的方法。

微量晶型样品

这类样品在制样时，应该选用样品槽较大较深的样品架制样，装载更多样品进行测量，这样可以获得更多的低含量晶型颗粒参与衍射，相应的发散狭缝也应该选择尽可能大的规格，使得光斑和照射体积尽可能大（但仍需确保无过照射，射线照射且仅照射在样品上）。

微量样品

对于样品量极少的微量样品，可以考虑使用无背景硅片制样，样品颗粒可以均匀地摊平在硅片的中心（如图 1），狭缝和遮光板的选择可以大一些，使得射线可以完整地照射到所有颗粒，没有硅片时也可以考虑使用较浅的玻璃样品架，但玻璃的非晶背景包可能较为明显，如果关注微量样品中的非晶成分，使用硅片是更好的选择。

图1 使用无背景硅片制样的微量粉末样品

微量晶型和微量样品的测量程序里，最重要的参数是计数时间，它在落地式衍射仪的控制软件Data Collector中是测量程序设定中的Time per step（见图 2）。对弱衍射峰进行测量时，加长计数时间可以显著改善测量效果（如图 3），对微量晶型进行检出，或对微量样品进行全谱测试时，根据样品实际情况，优化计数时间，通常可以显著改善测试效果。

图 2 测量程序中的参数

图3 不同计数时间的测试结果

在落地式衍射仪Empyrean锐影的入射光路模块中，Bragg-Brentano^HD（简称BBHD，如图 4）模块是目前较为常用的提高仪器灵敏度的升级选项。

传统粉末衍射光路中的入射光路发散狭缝模块只能提供不同尺寸的光束通道，连续白光、K-beta辐射都会照射在样品发生衍射，连续白光会产生背景，一些强衍射晶面还可能产生较为明显的低角度白光衍射包，K-beta衍射会带来一系列低强度峰干扰分析，通常需要在光路中增加金属滤光片来吸收K-beta辐射，但金属滤片又会吸收一半以上的K-alpha强度，造成所需的入射光强度不够，降低检测的灵敏度。

BBHD模块可以消除入射光路中的连续白光和K-beta辐射，只保留分析所需的K-alpha辐射，衍射图中不再有白光背景，光路中也不需要使用金属滤片，间接提高了光强。BBHD模块的引入使得衍射图谱可以有更低且平滑的背景，更高的衍射峰强，改善弱衍射信号信噪比，提高对微量相和微量晶型的检测灵敏度。

图4 X射线衍射仪BBHD光学模块

我们使用发散狭缝光路和BBHD光路分别测量了一个原料药目标晶型含量为0.25%的吲哚美辛制剂样品和一个不含目标晶型的背景样品进行对比。图 5是发散狭缝光路的测量结果，可以看到在长时间测量后，虽然数据累计了相当高的强度（背景数据已经高于21万计数），但目标晶型的特征衍射峰仍然无法从背景中识别出来。图 6是BBHD光路的测量结果，在同样的时间条件下，衍射图的背景更低且更平滑，目标晶型的特征峰能够明显识别出来。

图 5 发散狭缝光路测量吲哚美辛样品的衍射图

图 6 BBHD光路测量吲哚美辛样品的衍射图

综上所述，根据微量样品的实际情况优化制样和测量参数后，使用BBHD作为入射光路模块，可以有效提高粉末衍射的测量灵敏度。

不过在新能源、催化等特殊行业的XRD用户可能会发现，部分特定样品依然面临挑战，我们将在在本系列后续推文中和大家分享应对这些特殊类型样品的一些方法和技巧。