Současné trendy v RTG difrakční analýze

Současné trendy v RTG difrakční analýze
RNDr. Jaroslav Maixner, CSc.
Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Praha, říjen 2005
Princip RTG difrakce
Krystalová struktura
a
Krystalová struktura
viděná elektronovým
mikroskopem
b
RTG-krystalová
struktura vizualizovaná
molekulární grafikou
RTG-krystalová
struktura s vyznačenou
mřížkou a elementární
buňkou
RTG difrakcí určujeme parametry krystalové struktury a
mikrostruktury materiálu: geometrii, symetrii, rozložení
hmoty v prostoru, složení, velikost a orientaci krystalitů
atd.
Princip RTG difrakce
Krystalová struktura - geometrie
Elementární buňka a její rozměry (mřížkové parametry)
d010
d010
(010)
(101)
(111)
(111)
(222)
Roviny (hkl) a mezirovinná vzdálenost dhkl
Princip RTG difrakce
Krystalová struktura - symetrie
Plošná (prostorová) grupa: p 2
Princip RTG difrakce
Krystalová struktura – rozložení hmoty v prostoru
Stanovení pozic atomů [x,y,z]
v elementární buňce
Princip RTG difrakce
Mikrostruktura
Philips
Parametry mikrostruktury: Složení, velikost a orientace krystalitů, krystalinita,
napětí, textura, tloušťka vrstvy …
Princip RTG difrakce
difrakční obraz
Braggova rovnice
λ=2dhkl sin θhkl
difraktovaný paprsek
(reflexe)
roviny (hkl)
primární svazek λ
2θhkl
rotace vzorku
Látky krystalické poskytují ostrý a charakteristický difrakční obraz
Látky amorfní poskytují difúzní a málo charakteristický rozptylový obraz
RTG difrakční metodiky jsou nedestruktivní a jsou založeny na analýze
difrakčního obrazu: polohách, θhkl (dhkl); intenzitách, Ihkl; šířkách a profilech
difrakcí
RTG (monokrystalová)
strukturní analýza
RTG fázová
(prášková) analýza
RTG (monokrystalová) strukturní analýza
hk0
080
570
600
Vstupní materiál (výběr):
Přístrojová technika:
Výsledek experimentu:
• monokrystal ~ 10-1 mm
(výjimečně i menší)
• bez zjevných defektů
• průhledný
• pokud monokrystal nestabilní
- kapilára
• monokrystalový RTG
• RTG difrakční obraz
difraktometr
• měření i za nízkých teplot
(150 K)
• doba měření řádově jednotky hod.
(několik tisíc až desítek tisíc
reflexí ze tří dimenzí)
(polohy a intenzity
indexovaných difrakcí) vstupní data pro výpočetní
zpracování, soubor Ihkl,
hkl, dhkl
RTG (monokrystalová) strukturní analýza
Výpočetní část:
( vstupní soubor Ihkl,
hkl, dhkl)
Identifikační část:
• určení mřížkových
• přiřazení atomů maximům
parametrů
na mapě el.hustoty
• prostorová grupa symetrie
• výpočet mapy elektronové
hustoty
• upřesnění polohových a teplotních
parametrů atomů
• faktor věrohodnosti (R-faktor):
porovnání experimentálního
a zpětně vypočteného modelu
struktury (≈ 5%)
• software (SHELXS, CRYSTALS…)
Výsledky a vizualizace:
• krystalová struktura
• molekulová struktura
• meziatomové vzdálenosti,
úhly, parametry rovin …
• absolutní a relativní
chiralita
• parametry teplotních
vibrací atomů
____________________
Strukturní databáze (CSD,PDB…)
RTG (monokrystalová) strukturní analýza
aplikace
RTG strukturní analýza malých molekul
(∼ do 1000 atomů v molekule)
RTG strukturní analýza proteinů
Základní výzkum:
• v chemii
• v mineralogii
• ve fyzice
Farmaceutický výzkum
Základní výzkum:
• v biologii
Farmaceutický výzkum
Příklad strukturního výzkumu ve farmacii
Droga (aktivní substance):
cyklosporin A - imunosupresivum
molekula používaná pro potlačení
imunitní reakce organismu
po tkáňových transplantacích (srdce,
játra, ledviny, plíce atd.)
molekulová struktura
chemická struktura, generický název
komerční léková forma, Ivax CZ (dříve
Galena, dnes Teva … )
Příklad komplexu droga/receptor
Receptor:
Cyklofilin A
Princip zámku a klíče
Receptor
cyklofilin A
Droga
cyklosporin A
Cyklosporin A
Mechanismus účinku: konformační změna vyvolá biochemickou reakci:
komplex cyklosporin A / cyklofilin A blokuje produkci interleukinu-2,který je
růstovým faktorem T-lymfocytů. T-lymfocyty (bílé krvinky) jsou odpovědné za
imunitu organismu.
Příklad strukturního výzkumu
ve farmacii - polymorfie
sulfapyridin
Polymorfie – (z řeckého polys=mnohý,
morfé=tvar) určitá molekula, v závislosti na
krystalizačních podmínkách, může
krystalovat ve více krystalových strukturách
neboli polymorfech
Polymorf I
Polymorf II
Liší se rozpustností
a tudíž
biodostupností !
Krystalový tvar polymorfu I
Krystalový tvar polymorfu II
RTG (monokrystalová) strukturní analýza
omezení
• příprava dostatečně velkých monokrystalů
• intenzita primárního RTG svazku (synchrotronové
záření)
• zprůměrování struktury přes dobu sběru difrakčních
dat
Schéma synchrotronu
8-kruhový
difraktometr
Výrobci RTG monokrystalové difrakční techniky
http://www.oxford-diffraction.com/
http://www.bruker.com/
http://www.rigaku.com/
http://www.stoe.com/
http://www.geinspectiontechnologies.com/
V ČR v provozu 5 monokrystalových difraktometrů:
Xcalibur PX (Oxford Diffraction) – FÚ AV ČR Praha, UP v Olomouci, VŠCHT Praha
Nonius KappaCCD (dnes Bruker AXS) – PřF UK Praha
Proteinový difraktometr (Bruker-Nonius, Marresearch, Oxford Cryosystems) –
ÚMG AV ČR
RTG fázová (prášková) analýza –
experiment
Vstupní materiál :
Přístrojová technika:
• prášek o zrnitosti 10-3 -10-5 mm
• práškový RTG
• plíšek, plocha, vrstva , plíšek,
kapilára…
difraktometr
• doba měření řádově
min. až desítky min.
(několik 10 - 100 reflexí
z jedné dimenze)
RTG fázová (prášková) analýza –
geometrie experimentu
optika & monochromátor
detektor
“Bragg-Brentano”
reflexní geometrie
RTG lampa
2 θhkl
detektor
plošný vzorek
zrcadlo &
monochromátor
“Debye-Scherrer”
transmisní
geometrie
RTG lampa
2 θhkl
rotující kapilára se
vzorkem
RTG fázová (prášková) analýza –
výsledek experimentu
Dvojí možná škála na ose x:
2θ: závisí na hodnotě λ
d:nezávisí na hodnotě λ
λ=2dhkl sin θhkl
RTG práškový difraktogram (difrakční obraz),
na kterém lze odečíst:
polohy , intenzity, profily a šířky difrakčních linií
(hkl)
a
Zkreslení intenzit – přednostní orientace (textura) !
Analogie přednostního uspořádání šupinovitých
krystalitů ve vzorku podle preferenčního tvaru
K potlačení se používá kapilární technika !
b
Dva difraktogramy sulfathiazolu III (Bernstein, 2002):
S potlačením přednostní orientace (a),
bez potlačení přednostní orientace (b).
RTG fázová (prášková) analýza
- použití (materiálový výzkum, farmacie, restaurování památek…)
Kvalitativní a kvantitativní fázová analýza:
• každá fáze má svůj charakteristický
Mřížkové parametry (polohy linií - indexace,
teplotní, tlakové, koncetrační závislosti)
Velikost částic (šířka linií)
difraktogram (2θ, resp. d a I)
Textura (intenzity linií)
• ve směsi difraktuje každá fáze nezávisle
• intg.intenzita linií je funkcí koncentrace fáze
Tenzometrie (změna poloh linií)
Tloušťka povlaků (intenzity linií)
ve směsi
Teplotní kmity atomů (intenzity linií)
• databáze PDF (≈ 270 tis. standardů)
Reálná struktura (profily)
RTG-amorfní fáze
(≈ 1 nm)
Ritveldova analýza (polohy, intenzity, profily)
Stupeň krystalinity (intenzity,profily, pozadí)
Mikrodifrakce (polohy, intenzity, profily)
Philips
Strukturní analýza z práškových dat (polohy,
intenzity, profily)
Difraktogram směsi
RTG fázová analýza historických barevných
vrstev*
Armida hledí na zničení
svého paláce
Ch.A. Coypel (1694 - 1752)
Vzorek 2: modrá textilie oděvu Armidy
*Převzato se svolením z firemních prezentací fy
Fázová analýza historických barevných vrstev
Compound Name
Chemical Formula
Cerussite
Pb C O3
Hydrocerussite
Pb3 ( C O3 )2 ( O H )2
Lazurite
Na8.16 ( Al6 Si6 O24 ) ( S O4 )1.14 S.86
Cristobalite
Si O2
Quartz, syn
Si O2
Counts
6000
4000
2000
0
30
40
Position [°2Theta]
50
60
60
Nové trendy - spojení RTG strukturní a
fázové analýzy
krystalová struktura
Vypočtený práškový difraktogram
práškový difraktogram
Řešení struktury z práškových dat
Řešení krystalové struktury z RTG práškových dat
monokrystal
≈ 103 - 104 dat
ze 3 dimenzí,
R ≈ 5%
prášek
≈ 10 - 102 dat
z jedné dimenze,
R ≈ 15%
Základní předpoklady řešení struktury z prášku:
• známe chemické složení
• často známe strukturu jiného polymorfu
• v CSD je možné najít strukturu podobné látky
• strukturu molekuly můžeme modelovat (Hyperchem)
• molekula nesmí být příliš flexibilní (5 torzních úhlů) a
příliš velká (do 100 nevodíkových atomů), s elementární
buňkou do objemu 2500 Å3
Postup řešení:
• korekce dat a určení pozic reflexí (difrakce z Kα1)
• indexace reflexí (výběr elementární buňky)
• určení prostorové grupy
• upřesnění tvarových parametrů difraktogramu (Le
Bailovo upřesnění)
• zadání molekuly (stejné, příbuzné, namodelované)
• řešení krystalové struktury (programy FOX, DASCH
SirPow: upřesnění 6 pozičních parametrů molekuly a
jejích torzních úhlů v buňce)
• Rietveldovo upřesnění
Řešení struktury z práškových dat:
práškový difraktometr linie BM01B – synchrotron v Grenoble
European Synchrotron Radiation Facility
Rozdíly v kvalitě RTG difraktogramů:
RTG lampa versus synchrotronové záření
RTG lampa
Synchrotron
ß- Manitol – srovnání s výsledkem z monokrystalu
z monokrystalu
z prášku
(Dr.M.Hušák)
Čistá fáze nebo fázová směs ?
Indexace difraktogramu - přiřazení
indexů (hkl) všem reflexím, záruka
přítomnosti jedné fáze!
V praxi často obtížně řešitelné i s
použitím výkonného software!
V patentech jsou uváděny většinou
neoindexované difraktogramy.
β-D-manitol
Určitou zárukou jedné fáze v
substanci je reprodukovatelnost
difraktogramů výrobních šarží !
Tak je to většinou uváděno v
dokumentaci.
Prazosin hydrochlorid
Difrakce na látkách krystalických, semikrystalických a amorfních
a
simvastatin
atorvastatin V
b
c
atorvastatin
amorf
sertralin. HCl
amorf
Výrobci RTG práškové difrakční techniky
http://www.panalytical.com/
http://www.bruker.com/
http://www.bourevestnik.spb.ru/
http://www.xhuber.com
http://www.rigaku.com/
http://www.stresstech.fi/
http://www.inel.fr/laboratoire/
http://www.kratos.com/
http://www.gbcsci.com/
http://www.roentec.com/
V ČR v provozu
http://www.stoe.com/
http://www.geinspectiontechnologies.com/
≈
60 práškových difraktometrů
Mobilní prášková RTG difrakční laboratoř
XSTRESS 3000 X-RAY STRESS ANALYZER
Měření zbytkového
napětí v ocelích RTG
difrakcí