X線結晶構造解析

動作中の粉体X線回折計

X線結晶構造解析（エックスせんけっしょうこうぞうかいせき、X-ray crystallography、XRC、X線結晶学とも）は、結晶の原子および分子構造を決定する実験科学であり、結晶構造により入射するX線のビームが多くの特定の方向に回折する。これらの回折したビームの角度と強度を測定することにより、結晶学者は結晶内の電子密度の3次元画像を作成することができる。この電子密度から、結晶内の原子の平均位置、化学結合、結晶学的無秩序、およびその他のさまざまな情報を決定することができる。

塩、金属、鉱物、半導体などの材料やさまざまな無機、有機、生体分子であっても結晶を形成することができるため、X線結晶構造解析は多くの科学分野の発展の基礎となっている。この方法は最初の数十年間で、原子のサイズ、化学結合の長さと種類、およびさまざまな材料、特に鉱物と合金の間の原子スケールの違いを決定した。また、この方法はビタミン、薬、タンパク質、DNAなどの核酸を含む多くの生体分子の構造と機能を明らかにした。X線結晶構造解析は新しい材料の原子構造を特徴づけるための、および他の実験により類似しているように見える識別可能な材料において、依然として主要な方法である。X線結晶構造は材料の異常な電子的または弾性的特性を説明したり、化学的相互作用やプロセスに光を当てたり、病気に対する医薬品を設計するための基礎を提供することもできる。

単結晶X線回折測定では、結晶がゴニオメーターに取り付けられる。ゴニオメーターは、結晶を選択した方向に配置するために使用される。結晶は、細かく集束された単色のX線ビームで照射され、反射と呼ばれる規則的な間隔のスポットの回折パターンが生成される。異なる方向で撮影された2次元画像は、サンプルに対して知られている化学データと組み合わせてフーリエ変換の数学的方法を使用して、結晶内の電子密度の3次元モデルに変換される。結晶が小さすぎる場合、または内部構成が十分に均一でない場合は、解像度が低いまたはエラーが生じる可能性がある。

X線結晶構造解析は、原子構造を決定するための他のいくつかの方法に関連している。同様の回折パターンは、電子または中性子を散乱させることにより生成でき、これらはフーリエ変換により同様に解釈される。十分なサイズの単結晶が得られない場合は、他のさまざまなX線の方法を適用することで詳細さの劣る情報を取得することができる。このような方法には、繊維回折、粉体回折、及び（サンプルが結晶化されていない場合）X線小角散乱(SAXS)が含まれる。 調べている材料がナノ結晶粉末の形でしか入手できない場合、または結晶化度が低い場合は、電子結晶構造解析を適用して原子構造を決定できる。

上記の全てのX線回折法では、散乱は弾性的である。散乱されたX線は、入ってくるX線と同じ波長を持つ。対照的に、非弾性X線散乱法は、原子の分布ではなくプラズモン、結晶場及び軌道励起、マグノン、フォノンなどのサンプルの励起を研究するのに有用である。