Univerza v Ljubljani Fakulteta za farmacijo Karakterizacija kristaliničnih materialov z rentgensko praškovno difrakcijo (Seminar pri predmetu Farmacevtsko-tehnološka analitika) Študentka: Simona Menič Program: Industrijska farmacija Mentor: Izr. prof. dr. Odon Planinšek Ljubljana, maj 2013
Kazalo 1. Uvod... 1 2. Rentgenska praškovna difrakcija (XRD)... 1 3. Določitev strukture na monokristalu... 4 4. Zaključek... 6 5. Literatura... 7
1. Uvod Rentgenska praškovna difrakcija (angl. X-Ray Diffraction; XRD) je ena izmed pomembnejših metod za kvantitativno in kvalitativno fazno karakterizacijo kristaliničnih materialov. Primerna je tudi za analiziranje polikristaliničnih materialov. Temelji na periodični urejenosti kristalov ter sipanju in interferenci rentgenskih žarkov na teh periodičnih strukturah. 2. Rentgenska praškovna difrakcija (XRD) Kristal je trdna snov, ki ima urejeno notranjo strukturo. Kristalna mreža predstavlja množico vseh točk v kristalu, ki imajo enako okolico. Osnovno celico pa opisujemo kot zbirka atomov urejenih na način, ki se periodično ponavlja v treh smereh v kristalni mreži. Definiramo lahko tudi kristalne ravnine, na katerih lahko ležijo točke kristalne mreže. Te ravnine nastopajo v družinah. Razdalja med dvema sosednjima ravninama je vedno enaka in značilna za posamezno družino (d hkl ). Indeksi h, k, l povedo, na koliko delov dana družina kristalnih ravnin razdeli robove osnovne celice (a,b,c). Pri rentgenski difrakciji uporabljamo rentgenske žarke, ki so elektromagnetno valovanje z valovno dolžino običajno med 0,5 in 2,5 Å. Fotoni teh žarkov padejo na kristal, na različne načine interagirajo z elektroni in se med drugim tudi sipajo na njih. Zaradi periodičnosti kristala med sipanjem pride do interferenc. V določenih smereh pride do ojačitve, v drugih smereh pa do oslabitve elastičnih sipanih žarkov. Pri dani valovni dolžini λ dobimo iz ene družine kristalnih ravnin natanko en uklon pri kotu 2Θ, ta kot pa je enolično določen z valovno dolžino in d hkl. Kristal mora biti orientiran tako, da primarni žarek pada na družino kristalnih ravnin pod kotom Θ (le-ta je določen z d hkl te družine ravnin). To je Braggov pogoj (grafična predstavitev je na Sliki 1) 1,2 : n λ = 2 d hkl sinθ kjer je: n celo število λ valovna dolžina vpadnega rentgenskega žarka d hkl razdalja med dvema sosednjima ravninama θ polovica uklonskega kota oziroma polovica kota med primarnim in sekundarnim žarkom 1
Slika 1:Grafična predstavitev Braggove enačbe. Na Sliki 2 je primer difraktometra. Na levi strani je vir svetlobe (rentgenska cev), ki pada na vzorec. Svetloba se odbija v detektor. Ta ima vlogo merjenja intenzitet, včasih pa tudi smeri žarka. Difraktometri se po delovanju razlikujejo predvsem v geometriji snemanja. Trenutno se najbolj uporabljata Bragg-Brentanova geometrija, pri kateri razlikujemo 2 načina: 3 Θ-θ: vzorec je fiksen, rentgenska cev in detektor pa se pomikata v nasprotni smeri, tako da se drug drugemu približujeta Θ-2θ:kjer je fiksna rentgenska cev, pomikata pa se detektor in vzorec, ki se nagiba s polovično kotno hitrostjo detektorja. Ta difraktometer omogoča tudi merjenje vpliva temperature na kristalno strukturo Slika 2:Difraktometer X'Pert PRO 2
Iz intenzitete in položaja uklonskih maksimumov lahko preiskujemo vrsto materiala, kristaliničnost in fazno čistost ter spremembe v elementni sestavi izomorfnih spojin. Iz oblike uklonskih maksimumov pa lahko določimo velikost delcev in deformacije v kristalih. Kristaliničnost, amorfnost, polimorfizem materiala se odražajo v višini in širini difrakcijskih maksimumov. Višje in ožje difrakcijske maksimume običajno dajejo bolj kristalinični materiali. Polimorfizem lahko povzroči širitev določenih maksimumov (motnje v periodičnosti samo v določeni smeri). Kvalitativno lahko določimo prisotnost faz, kvantitativno pa količinsko razmerje med njimi. Določimo lahko tudi strukturo, ocenimo pa lahko tudi velikost delcev (Sherrer-jeva metoda). Določitev prisotnih faz temelji na primerjanju z bazo praškovnih difraktogramov PDF (angl. Powder Diffraction File). V PDF bazi so zbrani praškovni difrakcijski podatki za večino znanih spojin (vsaka spojina ima svoj»prstni odtis«) Za neznano spojino moramo določiti in optimizirati strukturo. V primeru, da imamo dovolj velike kristale (>50 μm), uporabimo difrakcijo na monokristalu, sicer strukturo rešujemo s praškovno difrakcijo in računalniškim postopkom (Rietveldova analiza). Ta metoda je zahtevnejša, saj so v praškastem vzorcu kristali naključno orientirani in izgubimo precej informacij. Z difrakcijo na monokristalu so kristali fiksirani oziroma jih kontrolirano rotiramo. Delež posameznih faz lahko določimo s primerjalno analizo s standardnimi zmesni, kar je zamudno, saj moramo izmeriti več difraktogramov različnih mešanic. Lahko pa določamo tudi z Rietveldovo analizo. Za to analizo potrebujemo strukturne podatke (velikost in vsebino osnovne celice) za vse prisotne faze v preiskovanem vzorcu, kar pa ni vedno mogoče. Velikost delcev lahko ocenimo s pomočjo Sherrer-jeve formule: kjer je: D premer delcev λ karakteristična valovna dolžina 3
β - širina uklona na polovici višine θ B - difrakcijski kot B - Scherrer-jeva konstanta (0.891) Izbrani ukonski maksimum se ne sme prekrivati z drugimi ukonskimi maksimumi ter biti mora reprezentativen (večina uklonskih maksimumov v difrakrogramu mora imeti podobno obliko in širino). 4 Izračun se največkrat izvede s primerjalno analizo s standardnim vzorcem. Analiza z Rietveldovo metodo temelji na prilagajanju parametrov modela (osnovne celice in deleži prisotnih faz, širine vrhov, ozadje...), da dobimo čim boljše ujemanje med izračunanim in izmerjenim difraktogramom. 5 3. Določitev strukture na monokristalu Opis določitve strukture na monokristalu je na kratko opisan po korakih. Trajanje vsake stopnje je odvisno od kvalitete analiziranega vzorca, podatkov, ki jih imamo na razpolago, kompleksnosti in velikosti strukture, spretnosti, izkušenj in znanja kristalografa. Izbira ustreznega kristala in njegova priprava za analizo najbolj pomembno je, da je vzorec monokristal z velikostjo nad 50 μm, če želimo izvajati meritve z rentgensko cevjo kot izvorom rentgenskih žarkov. Pridobivanje podatkov o geometriji in simetriji osnovne celice (a, b, c, α, β, γ, kristalni sistem,prostorska skupina in simetrija v molekulah). Meritev intenzitet avtomatsko v računalniško kontroliranem procesu. Redukcija podatkov proces pretvorbe intenzitet v opažene strukturne amplitude. Reševanje strukture Pattersonova metoda (informacije o razporeditvi medatomskih vektorjev iz katerih določimo položaje atomov) in direktne metode (matematični odnos med Brggovimi ukloni). Dopolnjevanje strukture položaj vseh atomov (enačba za Fourierjevo transformacijo). Optimizacija strukturnega modela - izboljševanje strukturnih parametrov z metodo najmanjših kvadratov. Interpretacija rezultatov opis s podajanjem geometrije in simetrije osnovne celice in s položajem vseh atomov, dolžine vezi, tvorba vodikovih vezi ali van der Waalsovih 4
interakcij v CIF (ang. Crystallographic Information File) datoteki. Podatke o vseh objavljenih strukturah lahko iščemo v eni izmed štirih glavnih podatkovnih bazah (CSD, ICSD, MCSD, PDB). 2 V literaturi je bilo moč zaslediti uporabo XRD metode za kvantitativno relativno razmerje zdravilne učinkovine cefepim monohidrat v cefepim dihidratu.(cefepim je antibiotik, ki spada v skupino cefalosporinov). Cilj je bil vzpostaviti mejo detekcije za dihidrat in zagotoviti, da ni prišlo do kristalnih pretvorb oblike med pripravo ali analizo vzorca. Slika 3: Primerjava XRD diraktogramov cefepim dihidrat in cefepim monohidrat Praškasta vzorca se bistveno razlikujeta na majhnem območju 12-15 2θ (Slika 3). Razlika v uklonskih vrhovih na tem območju je pomembna za kvantifikacijo. 6 5
4. Zaključek Rentgenska praškovna difrakcija nam da hiter odgovor o tem ali je material amorfen ali kristaliničen. Pri kristaliničnem materialu lahko ugotovimo koliko in katere faze so prisotne ter kakšno je razmerje med njimi. Difrakcijske metode nam pomagajo dokazati pripravo novih faz. Določevanje strukture na monokristalih je večstopenjski, kompleksen proces, vendar iz njega dobimo najbolj celotno informacijo o strukturi kristala. Končen rezultat je torej natančno in točno določena kristalna struktura. 6
5. Literatura 1. Meden A. Rentgenski praškovni difraktogram prstni odtis trdne snovi. Kemija v šoli, 15 (2003) 2-10. 2. Birsa Čelič T. Določevanje kristalne strukture na monokristalih. Seminar, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Univerza v Ljubljani, Ljubljana 2010. 3. Bitenc M. Uporaba rentgenske praškovne difrakcije za karakterizacijo nanodelcev. Seminar pri predmetu Aplikativna kristalografija. Ljubljana, 2006 4. Pridobljeno april 2013 s svetovnega spleta:http://www.ki.si/fileadmin/user_upload/datoteke-l09/nzl/kristalografija-nzl- POGL4.pdf 5. Pridobljeno april 2013 s svetovnega spleta: http://sl.wikipedia.org/wiki/ritveldova_analiza. 6. Stephenson G. A, Forbes R. A., Reutzel-Edens S. M.Characterization of the solid state: quantitative issues. Advanced Drug Delivery Reviews, 48 (2001) 67-90. 7