進階之旅 | 如何提升粉末衍射檢測靈敏度

XRD用戶在實際工作中會遇到各種樣品的挑戰，比如藥物制劑中原料藥的目標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，只能獲取一點點粉末進行分析。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、方法優化和設備升級等三個方面介紹應對這類情況的方法。

微量晶型樣品

這類樣品在制樣時，應該選用樣品槽較大較深的樣品架制樣，裝載更多樣品進行測量，這樣可以獲得更多的低含量晶型顆粒參與衍射，相應的發散狹縫也應該選擇盡可能大的規格，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，最重要的參數是計數時間，它在落地式衍射儀的控制軟件Data Collector中是測量程序設定中的Time per step（見圖 2）。對弱衍射峰進行測量時，加長計數時間可以顯著改善測量效果（如圖 3），對微量晶型進行檢出，或對微量樣品進行全譜測試時，根據樣品實際情況，優化計數時間，通常可以顯著改善測試效果。

圖 2 測量程序中的參數

圖3 不同計數時間的測試結果

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。

傳統粉末衍射光路中的入射光路發散狹縫模塊只能提供不同尺寸的光束通道，連續白光、K-beta輻射都會照射在樣品發生衍射，連續白光會產生背景，一些強衍射晶面還可能產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強度，造成所需的入射光強度不夠，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。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，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光學模塊

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

圖 5 發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，根據微量樣品的實際情況優化制樣和測量參數后，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、催化等特殊行業的XRD用戶可能會發現，部分特定樣品依然面臨挑戰，我們將在在本系列后續推文中和大家分享應對這些特殊類型樣品的一些方法和技巧。