现代实验室中的高分辨率X射线粉末衍射(XRPD)被用作一种高效工具,用于测定历史文物上已知已久的腐蚀产物的晶体结构。
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现代实验室中的高分辨率X射线粉末衍射(XRPD)被用作一种高效工具,用于测定历史文物上已知已久的腐蚀产物的晶体结构。
利用实验室高分辨率X射线粉末衍射(XRPD)对历史艺术品上腐蚀产物进行晶体结构测定与精修过程的详细描述 通过 两个案例研究。
首个被研究的材料是甲酸铜钠羟基氧化物水合物,Cu4Na4O(HCOO)8(OH)2∙4H2O(样品1),该物质会在中国台湾地区博物馆收藏的苏打玻璃/铜合金复合历史文物(例如,珐琅制品)上形成,这些文物暴露于木质储物柜、粘合剂等材料释放出的甲醛和甲酸环境中。etc. 这一降解现象最近被定义为"玻璃诱导金属腐蚀"。
在第二个案例研究中,选择了醋氯硝钙石(thecotrichite),其化学式为 Ca3(CH3COO)3Cl(NO3)2∙6H2O(样品 2)。这是一种易潮解的盐类,可在存放于木制柜子或展柜中的瓷砖和石灰岩质文物表面形成针状微晶。在此情况下,木材释放的醋酸与文物本身或周围环境中的可溶性氯化物和硝酸盐发生反应,从而导致该盐类的生成。
了解几何结构有助于保护科学更好地理解生成与降解反应,并在常见混合物情况下实现全面的定量分析。
保护科学在文物的保护过程中应用科学(通常是化学)方法。这包括对文物制作工艺的研究(“技术艺术史”:当时是如何制作的?)以及对文物降解途径的研究,后者是制定适当保护处理方案的前提。这些研究常常涉及金属有机盐类,如碳酸盐、甲酸盐和乙酸盐。其中一些盐类是通过使用特定化合物(例如,醋)人为制造的,另一些则来源于与大气发生的劣化反应(如来自室内空气污染的二氧化碳或羰基化合物)1。事实上,许多这类腐蚀产物的晶体结构至今仍未知。这是一个不利的情况,因为了解其几何结构有助于保护科学更好地理解文物的制作与降解反应,并在混合物的情况下实现完整的定量分析。
在目标物质能够形成尺寸和质量均足够大的单晶条件下,单晶衍射是测定晶体结构的首选方法。若这些条件无法满足,则粉末衍射是最接近的替代方案。与单晶衍射相比,粉末衍射最大的缺点在于失去了倒易空间中 d-矢量 d*(散射矢量)的方向信息。换句话说,单个衍射斑点的强度被展宽至一个球体的表面。这可视为将三维衍射(即倒易)空间投影到一维的粉末图谱 2θ 轴上。因此,不同方向但长度相等或相近的散射矢量会发生系统性或偶然性的重叠,使得这些衍射峰难以甚至无法分辨2(图 1)。尽管粉末衍射在首个单晶实验仅四年之后便已被提出3,4,但这一局限性也是其在半个多世纪以来主要被用于物相鉴定与定量分析的主要原因。然而,粉末图谱所包含的信息量极为丰富,这一点可从 图 2 中直观看出。然而,真正的挑战在于如何以常规方式尽可能多地提取这些信息。
毫无疑问,实现这一目标的关键一步是 Hugo Rietveld 于1969年提出的构想5,他发明了一种基于粉末衍射数据进行晶体结构精修的局域优化技术。该方法并非单独精修各个衍射强度,而是将整个粉末衍射图谱与一个复杂度逐步增加的模型进行比对,从而内在地考虑了衍射峰的重叠问题。自此以后,使用粉末衍射技术的科研人员不再局限于采用为单晶分析所开发的数据处理方法。在Rietveld方法问世数年后,人们逐渐认识到粉末衍射法在从头(ab-initio)结构解析中的强大能力。如今,几乎所有自然科学与工程领域的分支都利用粉末衍射技术来测定日益复杂的晶体结构,尽管该方法仍不能被视为常规手段。在过去十年中,新一代实验室用粉末衍射仪被设计出来,具备高分辨率、高能量和高强度的特点。更高的分辨率可直接改善峰的分离度,而更高的能量则有助于克服样品吸收效应。基于基本物理参数对衍射峰形进行更精确的描述(图3),可获得更准确的布拉格衍射强度,从而实现更精细的结构分析。借助现代仪器和软件,甚至诸如晶畴尺寸和微观应变等微结构参数,如今也能从粉末衍射数据中常规地提取出来。
所有从粉末衍射数据确定晶体结构的算法均使用单峰强度、整个粉末图谱,或二者结合。传统的单晶倒易空间技术常因可观测数据与结构参数之间的比例不理想而失败。随着“"电荷翻转"”技术6(图4)的引入,以及实空间中全局优化方法的发展——其中以模拟退火技术7(图5)最为突出——这一状况发生了显著改变。特别是,在结构解析过程中引入化学知识,例如采用刚性体或已知分子化合物的键长与键角连接性,可显著减少所需参数的数量。换句话说,无需为每个原子单独确定三个位置参数,而只需确定原子基团的外部(以及少数内部)自由度。正是这种结构复杂性的降低,使得粉末法成为单晶分析的一种真正可行的替代方法。
作者的两项开创性病例研究8,9证明,利用粉末衍射数据解析复杂腐蚀产物的复杂晶体结构是可行的。晶体学研究相较于其他方法的优越性体现在多个方面,其中之一便是在这两项研究中,先前报道的化学式在获得解析后的晶体结构后均需予以修正。
博物馆中所研究的两种材料的出现与其储存在木制柜中或暴露于其他羰基污染物来源有关。第一种被研究的材料是甲酸铜钠羟基氧化物水合物,Cu4Na4O(HCOO)8(OH)2∙4H2O(样品1),形成于苏打玻璃/铜合金复合历史文物上(例如, 博物馆藏品中的珐琅质因接触来自木质储藏柜、黏合剂的甲醛和甲酸而受到侵蚀, 等等这一降解现象最近被表征为 "玻璃诱导金属腐蚀"10。对于第二个案例研究,the cotrichite,Ca3(CH3COO3Cl(NO3)2∙6H2O(样品2)被选中。毛钙沸石是一种常见的霜状盐,通常在储存在橡木柜和展柜中的瓷砖和石灰石类博物馆藏品表面形成针状微晶。在此情况下,木材作为乙酸的来源,与文物中的可溶性氯化物和硝酸盐发生反应。
下文将详细介绍利用粉末衍射数据对保护科学领域中的腐蚀产物进行结构测定的各个步骤。
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1. 样品制备
2. 数据采集
3. 晶体结构测定与精修
注意:对于样品1和样品2的晶体结构测定与精修,需使用一个复杂的计算机程序11。该程序可通过图形用户界面或基于文本的输入文件运行,后者采用一种复杂的脚本语言。使用样品1进行结构分析各阶段的典型输入文件列于表S1、S2、S4-S8中。样品2的通用流程与此相同。
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采用高分辨率X射线粉末衍射(XRPD)技术确定了两种长期已知但此前晶体结构未知的历史文物腐蚀产物的结构。样品取自两件博物馆藏品,经仔细研磨后密封于透射式和毛细管样品架中(图6,图7)。使用先进的实验室高分辨率粉末衍射仪,在透射模式和德拜-谢乐(Debye-Scherrer)几何条件下,采用单色X射线进行标准测量(图8)。
采用近年来开发的高效算法,按以下顺序建立了从粉末衍射数据确定结构的标准化流程:确定衍射峰位置(图10)、指标化与空间群确定(图11)、全谱拟合(图12)、结构解析(图13-15)以及Rietveld精修(图16)。两种化合物的晶体结构解析通过迭代结合倒易空间方法(电荷翻转法,图13
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X射线粉末衍射(XRPD)是一种适用于文物保护研究的技术,因为它具有非破坏性、快速且易于使用的特点。由于粉末衍射图谱可作为相应晶体结构的“指纹”特征,XRPD数据可用于常规的定性分析。相较于其他分析技术,XRPD最大的优势在于能够通过Rietveld精修方法对混合物中的晶态组分进行同步的定性和定量分析5。此外,该方法还可检测非晶态物质的存在并估算其含量。然而,该过程要求已知混合物中所有存在的晶体结构信息。
为了在保护科学中常规应用X射线粉末衍射(XRPD)进行结构测定,实验室粉末衍射仪必须满足若干关键的边界条件:1)为避免粉末样品中出现择优取向,应采用透射式几何配置,更优的是使用德拜-谢乐(Debye-Scherrer)几何配置。2)实验室粉末衍射仪应配备一次束单色器,以确保严格的单色化,同时还应配备位置灵敏条形探测器,以实现高强度(即良好的计数统计)和高分辨率。此类特定仪器可获得尖锐的衍射峰轮廓,能够用少量基本参数充分描述,从而极大有利于重叠衍射峰的分离。
粉末图谱的指标化通常被视为结构解析过程中的瓶颈...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨此感谢Christine Stefani女士完成XRPD测量。感谢斯图加特国立美术与设计学院的Marian Schüch和Rebekka Kuiter提供瓷砖图片(图7)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Stadi-P | Stoe & Cie GmbH | 粉末衍射仪 | |
| Mythen 1-K (450 μm) | Dectris Ltd. | 位置敏感探测器 | |
| Mark tube borosilicate glass No. 50, 0.5 mm diameter | Hilgenberg GmbH | 4007605 | 低吸收毛细管 |
| Topas 5.0 | Bruker AXS Advanced X-ray Solutions GmbH | 粉末衍射数据分析软件 |
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