中子衍射
中子衍射(更确切地说还应该包括中子小角散射和非弹性散射，统称热中子散射)是利用核反应堆或加速器所产生的强中子流进行物质结构分析的方法。中子衍射适用于10Å以下的晶态物质， 中子小角散射则适用于10Å～1000Å范围内各种团粒和非均匀性大小物质的测定。
从原理上讲，它们都是利用中子具有波动性这个特点，通过中子“波”在不同样品上产生相干散射的各种“花纹”来推算出样品的分子结构，在这一点上它和X线衍射和X线小角散射完全一样。与X线技术不同的是：
❶中子在样品上的散射强度与样品中元素的原子序数Z无关而与元素的核性质有关，因而较适用于对X线而言较难分辨的轻元素(如碳、氢、氧等)化合物；
❷中子具有辨别同一元素的不同同位素（例如氢和它的同位素氘）的能力，因而常可以结合“标记”化合物示踪的方法对大分子的某一特殊部分进行研究而不必进行分离或化学置换；
❸由于本方法所用的是能量很低(<0.5eV)的热中子流，因而它对被研究样品造成的辐射损伤比X线小得多。因此，一般认为它在化学、生物、医学研究方面将是一个很有前景的新方法。
目前存在的缺点是：它需要特殊的强中子源（通常是核反应堆或特殊的加速器），不如X线机等设备方便；相对于X线等而言，中子源的强度仍然嫌低，因而常需较大的样品和较长的分析时间，这是对生物样品不利的方面。因此目前常把中子衍射和X线衍射相结合，即先使用X线得到尽可能多的信息，再用中子补充X线的不足（例如结构中轻元素的位置等）。典型的例子如维生素B12的结构，就是综合两种方法定出的。此外，比较引人注意的如用中子衍射对肌红蛋白结构及核酸进行的研究等。
中子小角散射由于适用于较大的分子团构型的测定，近年来也很受欢迎。例如正在进行的对生物膜、病毒构型的研究和最近在美国和欧洲同时进行的对核糖体内部诸蛋白集团的空间布局的测定，后者就是利用了氢-氘置换技术，被研究的核糖体悬浮在水溶液中，以尽量接近其生存环境，这是其他传统方法不易做到的。
原则上讲，中子非弹性散射可以研究分子的动态，这对生物医学也是一个很有意义的领域，但目前由于受中子源强的限制，还仅能作一些简单的（例如单体聚合链的振动等）工作。随着今后中子源强和实验技术的进展，中子散射技术无疑将在生物、医学方面发挥更大的作用。
中子衍射
中子衍射是中子射线穿过物质时产生的一种散射，散射中子的互相干涉称为中子衍射。中子衍射法是探测生物分子空间结构和亚细胞结构的一种有效手段。
基本原理 中子是组成原子核的基本粒子，它同时具有波动性和微粒性。如果用m和v分别表示中子的质量和速度，则中子的波长为
λ=h/mv
式中h是量子力学中常用的Planck常数。由于中子的速度与温度有关，所以可以按温度条件将中子分为冷中子、热中子和过热中子。热中子的波长和衍射实验中常用的X射线的波长接近， 也是一个Å(10-8cm)左右。这样的波长与原子线度属于同一数量级，因而由原子有规则排列形成的晶体对X射线和中子射线都能起到一种衍射光栅作用。这类射线通过晶体时，由于散射波的干涉，在偏离入射线的特定方向上出现衍射波。
物体之所以能使射线产生衍射，首先是由于物质的原子能散射这种射线。就散射的机理而论，可以将散射分为两种： 一种是中子与物质的作用使被散射中子的能量发生了变化，它叫做非弹性散射； 另一种是被散射中子的能量不变，叫做弹性散射。中子衍射是相干的弹性散射导致的结果。
衍射法是研究物质结构的一种重要手段。衍射分析的理论表明，衍射花样取决于实验样品的结构。因此，从观测所得到的衍射数据，经过数据处理和分析，就可以推算出实验样品的结构。中子衍射与X射线衍射十分相似，在X射线结构分析方面建立起来的理论和分析方法基本上也适用于中子衍射分析。因此，只要能获得中子衍射波的振幅和位相信息，就可以应用傅里叶变换的数学方法，算得表征样品中分子，甚至原子的空间排布方式的散射密度图(见“X射线衍射”条)。
中子衍射法有很多优点。中子被原子核散射，而X射线则被原子核周围的电子散射。所以，原子对X射线的散射因子（表示原子对射线的散射能力）与该原子的核外电子数（即原子序数）成正比，而原子对中子的散射因子则不具有这种关系。例如氢、氘、氧、氮和铁原子对于X射线的散射因子的比值为1:1:8:7:28, 但它们对于中子射线的相应比值则为-38:6.5:5.8:9.4:9.6。因此，应用中子衍射法能够测定氢和氘一类的轻原子，也能辨认原子序数接近的原子或同位素原子，这是X射线衍射法难以做到的。此外，中子不带电荷，物质对中子的吸收小，因而中子的穿透能力比X射线和电子束都强；热中子的能量低，其射线是非电离辐射，对研究的样品不会造成显著的辐射损伤；中子还具有磁矩，它与磁性物质的作用能产生磁散射，因而中子是研究物质磁结构的最佳探针。
衍射实验装置一般都由光源、单色器、样品、探测器和控制系统等部分组成。中子衍射分析使用的中子射线通常由反应堆产生。常见的中子源比X射线源弱得多，虽然用改进仪器设备的办法能够部分地克服这个弱点，但研究设备庞大而昂贵。所以中子衍射法通常作为X射线法的辅助手段，研究不宜用X射线分析的样品，获得用X射线不能得到的结构信息。
用中子衍射法研究的一种样品是单晶体。单晶体的衍射波取决于晶胞中所有原子的位置和散射能力，因此中子单晶结构分析能够给出原子水平的结构信息。
生物学应用 中子衍射法的主要用途之一是测定复杂生物分子中的氢原子和与这些分子相连结的水分子。这对于弄清复杂生物分子的结构和功能是非常必要的。
用中子衍射法研究的第一个复杂生物分子是维生素B12的衍生物。用X射线衍射法测得该分子的骨架后，又用中子衍射法测定出了分子中氢原子的位置。在中子散射密度图中，氢原子清楚地表现为负密度峰，而且可以区分出酰胺基和羧基。肌红蛋白是用中子衍射法测定的第一个蛋白质分子。肌红蛋白的分子量是17800道尔顿，它的空间结构是最先用X射线衍射法测定出来的，其中所有非氢原子的位置几乎都被确定下来。但是，该分子中的大多数氢原子只是在应用中子衍射法后才被测到。肌红蛋白的中子散射密度图还清楚地显示了氢原子的可交换性、一部分水分子和一些成键的细节。
用中子衍射法研究的另外两种生物样品是生物膜、肌肉、胶原一类的定向材料和含有病毒、核蛋白体一类生物微粒的溶液。这两种样品的有序性较晶体差得多，它们对射线的衍射（或散射）不能给出象晶体衍射那样多的实验数据，因而从这些样品的中子衍射分析不能得到对单晶分析那样高分辨率的结构信息。但是，对这些样品的低角度散射研究能提供有关生物结构的形状和不同组分配置的信息。低角度研究需要测量偏离入射线较小 (一般<5°) 方向上的衍射线，这样的低角度散射仅取决于整个分子或微粒的大小和形状。对于这类研究，中子射线优于X射线，因为生物结构的中子散射密度较相应的X射线散射的密度变化大，而且还由于中子衍射能够利用氢和氘对中子散射的显著差异。中子结构分析特别适用于含有不同组分的生物结构，能够给出核酸在病毒、核小体等复杂生物结构中的部位。这也是其他方法难以做到的。
氢-氘置换是中子衍射在生物学中应用的重要实验技术。这样的技术分为两种。一种是所谓的反差变化法，通过改变水溶液中H2O:D2O的比例进而改变溶液散射密度的办法来变动相对反差。当变化的溶剂散射密度接近于生物结构中的一种组分（例如蛋白质或核酸）的散射密度时（相等时称为匹配点），另一种组分对衍射数据的贡献就被突出出来了。第二种常用的技术是选择性氘化，即将结构中的某些氢原子用氘置换或将某整个组分 （或亚单位）氘化。对于生物分子，氘是一种很好的标记物，这不仅由于它能引起衍射强度变化，而且因为它不会破坏分子的结构，被标记的分子仍能保留它们的生物活性。
对视网膜的研究表明，中子衍射是获得有关生物膜结构信息的有效手段，该实验成功地应用反差变化法将类脂和蛋白质对衍射花样的贡献分开，所得的信息同X射线法分析结果相结合，给出了一个良好的结构模型。
如核蛋白体大小的微粒不宜用X射线法或电镜研究。然而，从反应堆能够得到适用于研究这样大小结构且波长较长的中子射线。核蛋白体由大、小两个亚基构成。大肠杆菌核蛋白体的大亚基含有34个蛋白质和2个核糖核酸分子，而它的小亚基由21个蛋白质和1个核糖核酸分子组成。可以用反差变化法研究亚基中蛋白质和核酸的配置关系。也可以用选择性氘化的中子结构分析，来测定亚基中不同蛋白质分子间的距离。如果将选定的两个蛋白质用它们的氘化型置换(基于亚基组分分解和组合的可逆性，这是能够做到的)人们可以利用得到的不同衍射花样，来求得这二个蛋白间的距离，随着各种被测蛋白质间距的增加，就可以确定这些蛋白质的相对位置。