晶体结构解析为何重要？单晶衍射（SCXRD）VS微晶衍射（MicroED）有什么区别？...

元素魔方科研服务

于 2025-01-03 16:17:40 发布

阅读量643

点赞数

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg5Njc1MzgwMg==&mid=2247521720&idx=1&sn=7e59273d5c93a4403731f255b7271757&chksm=c1a30aa5a74bd0b5913a95094ec94ba80ed4371f30a43f1792f0362f0132291240fbb3d84c59&scene=126&sessionid=0

版权

撰文排版：刘佳

审核指导：肖俊灵

本文较长，建议先收藏后随时查看！以后我们将更新更多此类硬核科普，欢迎关注！

晶体结构解析为何重要？

晶体结构解析是通过衍射技术还原晶体内部原子或分子的三维排列方式的一种科学方法。射线（如 X 射线或电子束）照射晶体时，被原子散射的衍射信号可以揭示晶体中分子的精确位置和相互作用。

在药物研发领域，晶体结构解析帮助研究人员了解分子的作用机制和分子间的相互作用。例如，通过解析药物的晶体结构，可以优化药效、改善稳定性并推动新药的设计。而在材料科学中，了解催化剂、半导体材料的晶体结构则是改进性能和开发新材料的关键。此外，晶体学还在化学、物理和地质学等学科中提供了重要的基础数据。

传统的晶体解析方法，如单晶 X 射线衍射（SCXRD）可以精确解析晶体的三维结构，但需要高质量的大尺寸单晶，这使得制备耗时、耗材，并对难以培养单晶的样品无能为力，近年来兴起的微晶衍射（MicroED）技术，为那些无法培养大尺寸单晶的化合物提供了新的解决方案。那么：

单晶衍射与微晶衍射各自能为晶体结构解析提供什么信息？
它们的优势和局限又分别是什么？
接下来，我们将逐步探讨这两种技术的原理、适用范围及其实际应用。

添加下方微信好友，立即测试

传统晶体结构解析方法：单晶XRD

有哪些局限性？

单晶 X 射线衍射（Single Crystal X-ray Diffraction, SCXRD）是晶体结构解析的“金标准”技术。它通过将 X 射线照射到单晶样品上，记录其衍射信号并解析晶体内部分子的三维排列和绝对构型。这一方法可以精确地揭示晶体中分子的位置、取向以及它们之间的相互作用。

单晶 XRD 以其无与伦比的高分辨率成为解析晶体结构的首选技术。它能够精准地解析出原子级的三维晶体结构，包括键长、键角和分子间作用力等微观信息。因此，单晶 XRD 是当前研究材料、分子和生物大分子晶体结构的核心技术。

尽管单晶 XRD 技术极为成熟，但其对样品的要求较高，存在以下局限性：

对单晶的依赖性：需要培养尺寸较大且质量较高的单晶，而这一过程可能耗时数周甚至数月。对于某些材料（如纳米颗粒、有机小分子或某些无机化合物），培养单晶难度极大甚至无法实现。
样品量需求较高：传统单晶 XRD 通常需要较多的样品，尤其在药物研发等领域，部分样品的制备成本较高，难以提供足够的量。
耗时长：从单晶培养到数据收集和解析，需要较长的周期，无法满足高效研究的需求。

另一种新选择：微晶电子衍射

它的优势是什么？

微晶电子衍射（Micro-crystal Electron Diffraction, MicroED）是一种新兴的晶体结构解析技术，与传统X射线衍射不同，MicroED以电子束为光源，能够有效解析微米级甚至纳米级晶体的结构，适用于那些难以培养大尺寸单晶的化合物，如天然产物、复杂分子和新型材料。

MicroED能够提供与单晶XRD相似的结构信息，包括：

分子结构：原子三维位置、键长、键角及分子构型。
晶体堆积方式：分子在晶体中的堆积和空间排列。
晶型信息：解析不同晶型的内部结构，尤其是在多晶或混合晶型体系中。

此外，MicroED特别适用于难以长出大尺寸单晶的化合物，如亚微米晶体或纳米颗粒。

什么时候适合使用微晶衍射？

微晶衍射（MicroED）特别适用于以下几种情况：

难以培养大尺寸单晶的样品：对于一些复杂的化合物（如天然产物、有机分子、无机化合物、纳米颗粒等），由于样品本身的特殊性质或结晶困难，传统的单晶XRD无法提供理想的结构数据。MicroED能够利用微米级或更小尺寸的晶体进行结构解析，打破了单晶尺寸的限制。
少量样品需求：对于样品量有限或昂贵的研究，MicroED能够在样品量极小的情况下进行有效分析。通常仅需要微米级晶体或者1毫克级的样品，便可以得到高质量的结构信息。
多晶或混晶样品：在处理多晶、混合晶型体系时，MicroED也能提供精准的晶体结构解析，适用于复杂的样品类型。
氢原子和氢键的解析：MicroED技术基于电子分布，可以直接确定质子位置、氢键网络等信息，能够提供比传统X射线衍射更丰富的结构细节。

我们的微晶衍射服务

我们可以为您提供全面的微晶衍射测试服务，帮助您解决晶体结构解析中的各种挑战。无论您是面临难以培养大单晶、样品量有限，还是需要快速筛选不同晶型，我们都能为您提供高效且精准的解决方案。

添加下方微信好友，立即测试

MicroED测试根据目标和深度的不同，可以划分为常规MicroED测试和绝对构型测试形式，其主要差异体现在以下几个方面：

MicroED优势

极低的样品需求：仅需微米级晶体或1 mg量级的样品，即可满足解析需求，尤其适合稀有或难以培养大单晶的化合物。
灵活的样品适应性：适用于多晶、混晶体系，以及难结晶的化合物；在某些情况下甚至可以直接解析氢原子的位置。
高效的数据采集：通过旋转微晶的方式实现快速采集，一般仅需数小时即可完成测试。
无需大单晶培养：避免了传统SCXRD中费时费力的单晶培养环节，显著提高研究效率。
直接确定质子和氢键：基于电子分布，能够确认质子转移位置、氢键网络及晶体堆积模式，极大地丰富结构信息。

单晶衍射vs微晶衍射

对比与适用场景

从应用场景来看，SCXRD和MicroED各自服务于不同的技术需求，又在一定程度上实现了相互补充。

在药物研发中，SCXRD能够精确解析药物分子的晶体结构和手性中心；而MicroED则可以快速筛选药物晶型，研究药物与蛋白质相互作用，助力研发进程。
在生物学领域，SCXRD通过高质量单晶解析蛋白质和核酸的三维结构，而MicroED则解决了微晶或难结晶样品的解析难题，为生物大分子研究提供了更灵活的工具。
在材料科学中，SCXRD以其高精度适合解析高质量晶体的微观堆积结构，而MicroED则可以解析纳米材料、非晶态材料和框架化合物的复杂结构，为新材料设计与性能优化提供更多可能性。

SCXRD尤其适用于高质量单晶样品的高分辨率解析，而MicroED凭借其对样品需求的极大灵活性、快速响应能力和适应复杂体系的特性，突破了传统对单晶尺寸和质量的限制，为微晶、多晶及混晶体系的研究提供了创新的解决方案。将SCXRD与MicroED结合，能够覆盖从高质量单晶到微晶、多晶甚至复杂混晶体系的广泛需求。