Các kỹ thuật phân tích hệ phân tán rắn (P2): Kính hiển vi điện tử quét (SEM) & Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Kính hiển vi điện tử (Electron Microscopy) là một kỹ thuật hình ảnh tiên tiến với khả năng phóng đại cao, sử dụng chùm tia electron làm nguồn chiếu sáng thay vì ánh sáng khả kiến như kính hiển vi quang học. Trong kính hiển vi điện tử, chùm electron tập trung tương tác với bề mặt mẫu, dẫn đến nhiều dạng tương tác giữa chùm tia và mẫu vật. Mỗi dạng tương tác tạo ra một tín hiệu riêng biệt, được sử dụng để tạo hình ảnh có độ phân giải cao.

Không giống như kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử có thể cung cấp hình ảnh với độ phóng đại cao hơn rất nhiều, giúp làm rõ chi tiết bề mặt và cấu trúc bên trong của mẫu vật. Hiện nay, kính hiển vi điện tử được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ kiểm soát chất lượng đến nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của các vật liệu tiên tiến.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là hai loại phổ biến nhất của kính hiển vi điện tử. Mặc dù cả hai kỹ thuật đều dựa trên nguyên lý cơ bản giống nhau, nhưng chúng có nhiều điểm khác biệt rõ rệt về cấu tạo thiết bị và tín hiệu được phân tích.

• • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Tạo hình ảnh bề mặt bằng cách phân tích các tín hiệu electron thứ cấp (SE) và electron tán xạ ngược (BSE), cung cấp thông tin chi tiết về hình thái và địa hình bề mặt mẫu.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Phát hiện các electron truyền qua mẫu để tạo ra hình ảnh chiếu xuyên, giúp quan sát cấu trúc bên trong với độ phân giải không gian cao hơn.

Bài viết này sẽ đi sâu vào hai kỹ thuật kính hiển vi điện tử phổ biến này và đưa ra sự so sánh ngắn gọn về các điểm khác biệt quan trọng trong cách hoạt động và ứng dụng thực tiễn của chúng.

Đặc điểm chung của kính hiển vi điện tử

Để so sánh hiệu quả giữa SEM và TEM, trước tiên cần hiểu những thành phần và chức năng chung mà tất cả các loại kính hiển vi điện tử đều có. Thành phần cốt lõi trong mọi kính hiển vi điện tử chứa các bộ phận quan trọng sau:

1. 1. Nguồn phát electron: Tạo ra chùm tia electron, nguồn sáng chính để chiếu sáng mẫu vật.
   2. Thấu kính hội tụ (Condenser Lenses): Các thấu kính này tập trung và hướng chùm electron tới mẫu, đảm bảo chiếu sáng chính xác.
   3. Vật kính (Objective Lens):
      • Trong TEM: thấu kính này tạo ảnh bằng cách sử dụng các electron truyền qua mẫu vật.
      • Trong SEM: thấu kính này tạo ra đầu dò được hội tụ cuối cùng để quét bề mặt mẫu, tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao.
   4. Buồng mẫu (Sample Chamber): Là nơi đặt mẫu vật. Kích thước của buồng này quyết định kích thước tối đa của mẫu có thể được phân tích.
   5. Bộ thu tín hiệu (Detectors): Thu thập các tín hiệu để tạo ra hình ảnh của mẫu vật.

Kính Hiển Vi Điện Tử Quét (SEM)

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một công cụ quan trọng trong khoa học dược phẩm, đặc biệt trong việc phát triển công thức và kiểm soát chất lượng sản phẩm. Một trong những ứng dụng chính của SEM là phân tích kích thước hạt, hình thái và tính chất bề mặt của các thành phần trong công thức dược phẩm. Kỹ thuật này cung cấp hình ảnh chi tiết với độ phân giải cao, giúp đánh giá sự phân bố kích thước hạt và các đặc tính bề mặt như độ nhám hoặc cấu trúc lớp phủ.

Ngoài việc cung cấp thông tin định tính, SEM còn hỗ trợ phân tích định lượng thông qua các phép đo kích thước chính xác. Điều này đặc biệt hữu ích trong các nghiên cứu ảnh hưởng của các quy trình công nghệ (ví dụ: ép đùn nóng chảy, sấy phun) đến đặc tính của sản phẩm cuối. Chẳng hạn, SEM có thể được sử dụng để so sánh hình thái hạt trước và sau khi sấy phun, hoặc để kiểm tra sự thay đổi bề mặt trong quá trình ép đùn nóng chảy, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và cải thiện chất lượng công thức.

Nguyên lý hoạt động

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) sử dụng một chùm tia electron hội tụ để quét bề mặt của mẫu vật. Các tín hiệu được tạo ra tại từng điểm trên mẫu sẽ được thu thập, từ đó xây dựng nên hình ảnh phóng đại theo từng pixel. Các cuộn dây quét, nằm dưới thấu kính hội tụ, đảm bảo chùm tia được điều hướng chính xác trên bề mặt mẫu trong mặt phẳng X-Y.

Tùy theo độ phóng đại có thể đạt đến 2 triệu lần, chùm tia sẽ quét qua một trường quan sát từ vài micromet đến vài milimet. Các mẫu vật lớn có thể được phân tích trực tiếp mà không cần chuẩn bị thêm nếu chúng vừa với kích thước buồng mẫu.

Tín hiệu chính trong SEM

Các tín hiệu chính dùng để tạo hình trong SEM bao gồm: Electron tán xạ ngược (BSEs) và Electron thứ cấp (SEs). Cả hai loại tín hiệu này được sinh ra khi chùm electron tương tác với lớp bên dưới bề mặt mẫu vật. SEs xuất phát từ một vùng nông hơn so với BSEs, cho phép SEM tạo ra hình ảnh chi tiết về bề mặt của mẫu vật. Những hình ảnh này giúp quan sát:

• • Hình thái bề mặt
  • Thành phần bề mặt
  • Địa hình bề mặt (topography)

Nếu mẫu vật không phẳng hoàn toàn, hình ảnh SEM có thể có hiệu ứng 3D, cung cấp góc nhìn sâu và sống động hơn.

Điện áp gia tốc (Accelerating Voltage)

Điện áp gia tốc thông thường trong SEM dao động từ 1 keV đến 30 keV:

• • Điện áp thấp (1-5 keV): Tạo ra chùm tia “mềm”, thích hợp khi phân tích các mẫu nhạy cảm với tia electron hoặc cách điện.
  • Điện áp cao (20-30 keV): Tăng khả năng phân giải không gian (spatial resolution).

Ví dụ, một SEM phát xạ trường (Field Emission SEM) sử dụng bộ thu SE có thể phân giải các chi tiết nhỏ hơn 2 nm, giúp quan sát rõ các đặc điểm cực nhỏ của mẫu vật.

Ứng dụng trong hệ phân tán rắn

Phân tích hình thái và kích thước hạt: SEM được sử dụng để quan sát hình dạng, kích thước và sự phân bố kích thước của các hạt trong hệ phân tán rắn.

Đánh giá sự đồng nhất của hệ phân tán: SEM kết hợp với EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer – phổ tán sắc năng lượng tia X) có thể được sử dụng để phân tích sự phân bố của các thành phần trong hệ phân tán rắn, từ đó đánh giá mức độ đồng nhất của hệ.

Nghiên cứu sự kết tinh: SEM có thể được sử dụng để quan sát sự hình thành và phát triển của các tinh thể trong hệ phân tán rắn, giúp đánh giá độ ổn định của hệ.

Kính Hiển Vi Điện Tử Truyền Qua (TEM)

TEM cung cấp hình ảnh có độ phân giải không gian cao và là kỹ thuật phân tích hữu ích để nghiên cứu hệ phân tán rắn. Nhiễu xạ electron và hình ảnh mạng tinh thể nguyên tử có thể phát hiện thể tích kết tinh và cũng có thể được sử dụng để xác định các dạng đa hình khác nhau.

Nguyên lý hoạt động:

TEM tạo ra hình ảnh phóng đại của mẫu bằng cách chiếu một chùm tia electron rộng qua mẫu và thu nhận các electron truyền qua trong một khung hình duy nhất. Khác với SEM, TEM không cần sử dụng cuộn dây quét để di chuyển chùm tia qua mẫu. Thay vào đó, một chùm tia rộng (thường gọi là “chiếu song song”) được tạo ra bởi hệ thống chiếu sáng.

Vật kính trong TEM đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao từ các electron truyền qua bề mặt thoát ra của mẫu.

TEM là một kỹ thuật có khả năng phá hủy, đặc biệt là đối với các hợp chất hữu cơ và lượng electron được hấp thụ bởi mẫu (liều lượng electron) phải được kiểm soát để đảm bảo mẫu không bị biến đổi trong quá trình phân tích. Việc chiếu xạ mẫu bằng chùm electron năng lượng cao (đến 300 keV) tạo ra các electron thứ cấp, do đó tạo ra các gốc tự do và ion. Những loại có hoạt tính cao này gây ra sự phá vỡ liên kết được gọi là quá trình phóng xạ.

Độ phóng đại của TEM

Độ phóng đại của hình ảnh TEM có thể vượt trên 50 triệu lần, cho phép trực tiếp quan sát cấu trúc tinh thể ở cấp độ nguyên tử. Tuy nhiên, mẫu cần phải cực kỳ mỏng (thường dưới 100 nm) để chùm electron có thể truyền qua.

Các loại electron truyền qua được phân tích trong TEM

Các electron truyền qua có thể được phân loại thành: Chùm tia trực tiếp (Direct Beam) và Chùm tia nhiễu xạ (Diffracted Beams).

Các thấu kính trung gian và khẩu độ (Apertures) nằm dưới mẫu có thể được điều chỉnh để tạo hình ảnh từ các chùm tia nhiễu xạ cụ thể. Từ đó giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc tinh thể và các khiếm khuyết của mẫu.

Điện áp gia tốc trong TEM

Điện áp gia tốc trong TEM thường dao động từ 30 kV đến 300 kV, cao hơn đáng kể so với SEM. Điện áp cao này cho phép tạo ra hình ảnh có độ phân giải cực kỳ cao.

Một kính hiển vi TEM được hiệu chỉnh quang sai có thể đạt độ phân giải không gian dưới 1 Å (Angstrom), cho phép quan sát các chi tiết nhỏ nhất trong vật liệu, chẳng hạn như cấu trúc nguyên tử của các hạt nano.

Ứng dụng trong hệ phân tán rắn

Phát hiện kết tinh ở mức độ thấp: TEM có độ nhạy cao hơn so với các kỹ thuật như pXRD, FTIR, và DSC trong việc phát hiện sự kết tinh trong hệ phân tán rắn.

Xác định dạng đa hình: TEM có thể được sử dụng để xác định các dạng đa hình khác nhau của dược chất trong hệ phân tán rắn bằng cách phân tích nhiễu xạ electron.

Nghiên cứu cơ chế kết tinh lại: TEM có thể cung cấp thông tin về vị trí, kích thước và hình dạng của các tinh thể hình thành trong quá trình kết tinh lại, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế kết tinh lại [16, 17].

So sánh SEM và TEM

Kết luận

SEM và TEM là hai kỹ thuật bổ sung lẫn nhau trong nghiên cứu dược phẩm. SEM lý tưởng cho phân tích bề mặt và hình thái, trong khi TEM phù hợp để nghiên cứu cấu trúc và thành phần ở cấp độ nguyên tử. Lựa chọn giữa hai phương pháp phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu cụ thể và loại mẫu vật cần phân tích.

Tài liệu tham khảo

[1] Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác định đặc tính vật liệu

[2] Đặc điểm của các chất phân tán rắn vô định hình và xác định mức độ tinh thể thấp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua

[3] Sự khác biệt giữa SEM và TEM

Xem thêm bài việt về Các kỹ thuật hệ phân tán rắn P1 trên web site của SEN Pharma