進(jìn)階之旅 | 如何提升粉末衍射檢測靈敏度

XRD用戶在實(shí)際工作中會遇到各種樣品的挑戰(zhàn)，比如藥物制劑中原料藥的目標(biāo)晶型含量僅為千分之幾；或是珍貴的文物上不可以大量取樣，只能獲取一點(diǎn)點(diǎn)粉末進(jìn)行分析。前者可以歸類為大量混合物中的低含量成分，后者則是總量極低的樣品，為了方便描述，本文中定義前者為微量晶型，后者為微量樣品。這些樣品對衍射儀的檢測靈敏度提出了較高的要求。我們將從樣品制備、方法優(yōu)化和設(shè)備升級等三個方面介紹應(yīng)對這類情況的方法。

微量晶型樣品

這類樣品在制樣時，應(yīng)該選用樣品槽較大較深的樣品架制樣，裝載更多樣品進(jìn)行測量，這樣可以獲得更多的低含量晶型顆粒參與衍射，相應(yīng)的發(fā)散狹縫也應(yīng)該選擇盡可能大的規(guī)格，使得光斑和照射體積盡可能大（但仍需確保無過照射，射線照射且僅照射在樣品上）。

微量樣品

對于樣品量極少的微量樣品，可以考慮使用無背景硅片制樣，樣品顆粒可以均勻地攤平在硅片的中心（如圖 1），狹縫和遮光板的選擇可以大一些，使得射線可以完整地照射到所有顆粒，沒有硅片時也可以考慮使用較淺的玻璃樣品架，但玻璃的非晶背景包可能較為明顯，如果關(guān)注微量樣品中的非晶成分，使用硅片是更好的選擇。

圖1 使用無背景硅片制樣的微量粉末樣品

微量晶型和微量樣品的測量程序里，最重要的參數(shù)是計數(shù)時間，它在落地式衍射儀的控制軟件Data Collector中是測量程序設(shè)定中的Time per step（見圖 2）。對弱衍射峰進(jìn)行測量時，加長計數(shù)時間可以顯著改善測量效果（如圖 3），對微量晶型進(jìn)行檢出，或?qū)ξ⒘繕悠愤M(jìn)行全譜測試時，根據(jù)樣品實(shí)際情況，優(yōu)化計數(shù)時間，通常可以顯著改善測試效果。

圖 2 測量程序中的參數(shù)

圖3 不同計數(shù)時間的測試結(jié)果

在落地式衍射儀Empyrean銳影的入射光路模塊中，Bragg-Brentano^HD（簡稱BBHD，如圖 4）模塊是目前較為常用的提高儀器靈敏度的升級選項。

傳統(tǒng)粉末衍射光路中的入射光路發(fā)散狹縫模塊只能提供不同尺寸的光束通道，連續(xù)白光、K-beta輻射都會照射在樣品發(fā)生衍射，連續(xù)白光會產(chǎn)生背景，一些強(qiáng)衍射晶面還可能產(chǎn)生較為明顯的低角度白光衍射包，K-beta衍射會帶來一系列低強(qiáng)度峰干擾分析，通常需要在光路中增加金屬濾光片來吸收K-beta輻射，但金屬濾片又會吸收一半以上的K-alpha強(qiáng)度，造成所需的入射光強(qiáng)度不夠，降低檢測的靈敏度。

BBHD模塊可以消除入射光路中的連續(xù)白光和K-beta輻射，只保留分析所需的K-alpha輻射，衍射圖中不再有白光背景，光路中也不需要使用金屬濾片，間接提高了光強(qiáng)。BBHD模塊的引入使得衍射圖譜可以有更低且平滑的背景，更高的衍射峰強(qiáng)，改善弱衍射信號信噪比，提高對微量相和微量晶型的檢測靈敏度。

圖4 馬爾文帕納科X射線衍射儀BBHD光學(xué)模塊

我們使用發(fā)散狹縫光路和BBHD光路分別測量了一個原料藥目標(biāo)晶型含量為0.25%的吲哚美辛制劑樣品和一個不含目標(biāo)晶型的背景樣品進(jìn)行對比。圖 5是發(fā)散狹縫光路的測量結(jié)果，可以看到在長時間測量后，雖然數(shù)據(jù)累計了相當(dāng)高的強(qiáng)度（背景數(shù)據(jù)已經(jīng)高于21萬計數(shù)），但目標(biāo)晶型的特征衍射峰仍然無法從背景中識別出來。圖 6是BBHD光路的測量結(jié)果，在同樣的時間條件下，衍射圖的背景更低且更平滑，目標(biāo)晶型的特征峰能夠明顯識別出來。

圖 5 發(fā)散狹縫光路測量吲哚美辛樣品的衍射圖

圖 6 BBHD光路測量吲哚美辛樣品的衍射圖

綜上所述，根據(jù)微量樣品的實(shí)際情況優(yōu)化制樣和測量參數(shù)后，使用BBHD作為入射光路模塊，可以有效提高粉末衍射的測量靈敏度。

不過在新能源、催化等特殊行業(yè)的XRD用戶可能會發(fā)現(xiàn)，部分特定樣品依然面臨挑戰(zhàn)，我們將在在本系列后續(xù)推文中和大家分享應(yīng)對這些特殊類型樣品的一些方法和技巧。