Současn asné trendy v RTG difrakční analýze RNDr. Jaroslav Maixner, CSc. Vysoká škola chemicko-technologick 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 ujeme parametry krystalové struktury a mikrostruktury materiálu lu: : geometrii, symetrii, rozložen ení hmoty v prostoru, složen ení,, velikost a orientaci krystalitů atd.
Princip RTG difrakce Krystalová struktura - geometrie Elementárn rní buňka a její rozměry ry (mřížkov kové parametry) d010 d010 (010) (101) (111) - (111) (222) Roviny (hkl( hkl) ) a mezirovinná vzdálenost dhklhkl
Princip RTG difrakce Krystalová struktura - symetrie Plošná (prostorová) ) grupa: p 2
Princip RTG difrakce Krystalová struktura rozložen ení hmoty v prostoru Stanovení pozic atomů [x,y,z] v elementárn rní buňce
Princip RTG difrakce Mikrostruktura Philips Parametry mikrostruktury: Složení, velikost a orientace krystalitů, krystalinita, napětí, textura, tloušťka vrstvy
Princip RTG difrakce Braggova rovnice difrakční obraz 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 difúzn zní a málo charakteristický rozptylový obraz RTG difrakční metodiky jsou nedestruktivní a jsou založeny na analýze difrakčního obrazu: polohách, θhklhkl (dhkl); intenzitách ch, Ihkl; šířkách a profilech difrakcí RTG (monokrystalová) strukturní analýza RTG fázovf zová (práš ášková) ) analýza
RTG (monokrystalov( monokrystalová) ) strukturní analýza hk0 080 570 600 Vstupní materiál l (výběr): monokrystal ~ 10-1 mm (výjimečně i menší ší) bez zjevných defektů průhledný pokud monokrystal nestabilní - kapilára Přístrojová technika: monokrystalový RTG difraktometr měření i za nízkých n teplot (150 K) doba měřm ěření řádově jednotky hod. (několik tisíc c aža desítek tisíc reflexí ze třít dimenzí) Výsledek experimentu: RTG difrakční obraz (polohy a intenzity indexovaných difrakcí) - vstupní data pro výpočetn etní zpracování, soubor Ihkl, dhkl
RTG (monokrystalov( monokrystalová) ) strukturní analýza Výpočetn etní část: ( vstupní soubor Ihkl, dhkl) Identifikační část: určen ení mřížkových přiřazení atomů maximům parametrů na mapě el.hustoty prostorová grupa symetrie výpočet mapy elektronové hustoty upřesn esnění polohových a teplotních parametrů atomů faktor věrohodnosti v (R-faktor): porovnání experimentáln lního a zpětn tně vypočten teného 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 (monokrystalov( 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.) chemická struktura, generický název molekulová struktura komerční léková forma, Ivax CZ (dříve Galena, dnes Teva )
Příklad komplexu droga/receptor Receptor: Cyklofilin A Receptor cyklofilin A Princip zámku a klíče 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-lymfocytT lymfocytů.. T-lymfocyty T (bílé krvinky) jsou odpovědn dné za imunitu organismu.
Příklad strukturního výzkumu ve farmacii - polymorfie sulfapyridin Polymorfie (z řeckého polys=mnohý =mnohý, morfé=tvar =tvar) ) určit itá molekula, v závislosti z na krystalizačních podmínk nkách, může krystalovat ve více v krystalových strukturách neboli polymorfech Polymorf I Polymorf II Liší se rozpustností a tudíž biodostupností! Krystalový ý tvar polymorfp olymorfu I Krystalový ý tvar polymorfp olymorfu II
RTG (monokrystalov( monokrystalová) ) strukturní analýza omezení příprava prava dostatečně velkých monokrystalů intenzita primárn rního RTG svazku (synchrotronov( synchrotronové záření) zprůměrov rování struktury přes p dobu sběru difrakčních dat Schéma synchrotronu 8-kruhový difraktometr
Výrobci RTG monokrystalové difrakční techniky http://www.bruker bruker.com/ http://www.oxford oxford-diffraction.com/ http://www.rigaku rigaku.com/ http://www.stoe stoe.com/ http://www.geinspectiontechnologies geinspectiontechnologies.com/ V ČR R v provozu 5 monokrystalových difraktometrů: Xcalibur PX (Oxford Diffraction) FÚ AV ČR R Praha, UP v Olomouci, VŠCHT V Praha Nonius KappaCCD (dnes Bruker AXS) PřF UK Praha Proteinový difraktometr (Bruker-Nonius, Marresearch,, Oxford Cryosystems) ÚMG AV ČR
RTG fázovf zová (práš ášková) ) analýza experiment Vstupní materiál : práš ášek o zrnitosti 10-3 -10-5 mm plíš íšek, plocha, vrstva, plíšp íšek, kapilára ra Přístrojová technika: práš áškový RTG difraktometr doba měřm ěření řádově min. aža desítky min. (několik 10-100 reflexí z jedné dimenze)
RTG fázovf zová (práš ášková) ) analýza geometrie experimentu optika & monochromátor RTG lampa 2 θhkl detektor Bragg-Brentano reflexní geometrie plošný vzorek detektor Debye-Scherrer transmisní geometrie zrcadlo & monochromátor 2 θhkl rotující kapilára se vzorkem RTG lampa
RTG fázovf zová (práš ášková) ) analýza výsledek experimentu Dvojí možná škála na ose x: 2θ: závisí na hodnotě λ d:nezávisí na hodnotě λ λ=2dhkl sin θhkl RTG práš áškový difraktogram (difrakční obraz), na kterém m lze odečíst: polohy, intenzity, profily a šířky difrakčních linií (hkl) a Zkreslení intenzit přednostní orientace (textura)! Analogie přednostnp ednostního uspořádání šupinovitých krystalitů ve vzorku podle preferenčního tvaru K potlačen ení se používá kapilárn rní technika! b Dva difraktogramy sulfathiazolu III (Bernstein( Bernstein,, 2002): S potlačen ením m přednostnp ednostní orientace (a), bez potlačen ení přednostní orientace (b).
RTG fázovf zová (práš ášková) ) analýza - použit ití (materiálový výzkum, farmacie, restaurování památek tek ) Kvalitativní a kvantitativní fázová analýza: každá fáze mám svůj j charakteristický difraktogram (2θ,, resp. d a I) ve směsi si difraktuje každá fáze nezávisle intg.intenzita linií je funkcí koncentrace fázef ve směsi si databáze PDF ( 270 tis. standardů) RTG-amorfn amorfní fáze ( 1 nm) Philips Mřížkové parametry (polohy linií - indexace, teplotní,, tlakové, koncetrační závislosti) Velikost částic (šířka linií) Textura (intenzity linií) Tenzometrie (změna poloh linií) Tloušťka povlaků (intenzity linií) Teplotní kmity atomů (intenzity linií) Reáln lná struktura (profily) Ritveldova analýza (polohy, intenzity, profily) Stupeň krystalinity (intenzity,profily, pozadí) Mikrodifrakce (polohy, intenzity, profily) Strukturní analýza z práš áškových dat (polohy, intenzity, profily) Difraktogram směsi si
RTG fázovf zová analýza historických barevných vrstev* Armida hledí na zničení svého paláce Ch.A. Coypel (1694-1752) Vzorek 2: modrá textilie oděvu Armidy *Převzato se svolením m 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 50 60 Position [ 2Theta]
Nové trendy - spojení RTG strukturní a fázové analýzy krystalová struktura práš áškový difraktogram Vypočtený práš áškový difraktogram Řešení struktury z práš áškových dat
Řešení krystalové struktury z RTG práš áškových dat monokrystal 10 3-10 4 dat ze 3 dimenzí, R 5% práš ášek 10-10 2 dat z jedné dimenze, R 15% Základní předpoklady řešení struktury z práš ášku: známe chemické složen ení často známe strukturu jiného polymorfu v CSD je možné najít t strukturu podobné látky strukturu molekuly můžm ůžeme modelovat (Hyperchem( Hyperchem) molekula nesmí být přílip liš flexibilní (5 torzních úhlů) ) a příliš velká (do 100 nevodíkových atomů), s elementárn rní buňkou do objemu 2500 Å 3 Postup řešení: korekce dat a určen ení pozic reflexí (difrakce z Kα1) K indexace reflexí (výběr r elementárn rní buňky) určen ení prostorové grupy upřesn esnění tvarových parametrů difraktogramu (Le Bailovo upřesn esnění) zadání molekuly (stejné,, příbuznp buzné,, namodelované) řešení krystalové struktury (programy FOX, DASCH SirPow: : upřesn esnění 6 pozičních parametrů molekuly a jejích torzních úhlů v buňce) Rietveldovo upřesn esnění
Řešení struktury z práš áškových dat: práš áškový 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 práš ášku (Dr.M.Hu Hušák)
Čistá fáze nebo fázovf zová směs s? Indexace difraktogramu - přiřazení indexů (hkl)) všem v reflexím, záruka z přítomnosti jedné fáze! V praxi často obtížně řešitelné i s použit itím m výkonného software! β-d-manitol V patentech jsou uváděny většinou v neoindexované difraktogramy. Určitou itou zárukou z jedné fáze v substanci je reprodukovatelnost difraktogramů výrobních šarží! Tak je to většinou v uváděno v dokumentaci. Prazosin hydrochlorid
Difrakce na látkl tkách krystalických, semikrystalických a amorfních a b c simvastatin atorvastatin amorf atorvastatin V sertralin. HCl amorf
Výrobci RTG práš áškové difrakční techniky http://www.panalytical panalytical.com/ http://www.stoe stoe.com/ http://www.bruker bruker.com/ http://www.bourevestnik bourevestnik.spb.ru/ http://www.xhuber.com http://www.stresstech stresstech.fi/ http://www.rigaku rigaku.com/ http://www.inel inel.fr/laboratoire/ http://www.gbcsci gbcsci.com/ http://www.kratos kratos.com/ http://www.roentec roentec.com/ http://www.geinspectiontechnologies geinspectiontechnologies.com/ V ČR R v provozu 60 práš áškových difraktometrů
Mobilní práš ášková RTG difrakční laboratoř XSTRESS 3000 X-RAY STRESS ANALYZER Měření zbytkového napětí v ocelích ch RTG difrakcí