Phương pháp nhiễu xạ tia X (PXRD)

Phổ nhiễu xạ tia X (Powder X-Ray Diffraction – XRD) là một kỹ thuật phổ biến để phân tích cấu trúc tinh thể của các vật liệu hữu cơ, vô cơ và polymer. Bài viết này sẽ giới thiệu nguyên lý, cấu tạo và ứng dụng của PXRD trong nghiên cứu hệ phân tán rắn.

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là gì?

Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction-XRD) dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu vì bước sóng tia X (từ 0,2 đến 10 nm) khá tương đồng với khoảng cách giữa các nguyên tử của chất rắn kết tinh. Kỹ thuật này đo khoảng cách trung bình giữa các lớp hoặc hàng nguyên tử. XRD cho phép xác định hướng của một đơn tinh thể hoặc hạt và đo kích thước và hình dạng của các vùng tinh thể nhỏ.
Trong XRD, một chùm tia X đi qua khe phân kỳ và chiếu vào bề mặt mẫu, các chùm tia X đến mẫu này bị phân tán ngược trở lại bởi mạng tinh thể tuần hoàn, gây ra sự giao thoa, nhiễu xạ tia X. Nếu chùm tia X chiếu tới bề mặt mẫu thỏa mãn định luật BRAGG (2dSinƟ = nλ) thì thu được phổ nhiễu xạ tia X (peak hay đỉnh của sự giao thoa tăng cường).

Trong đó:

d: là khoảng cách giữa 2 lớp nguyên tử kế tiếp

Ɵ: Góc tới của chùm tia X so với lớp nguyên tử

n: thứ tự của nhiễu xạ

λ: Bước sóng tia X

A diagram of a graph Description automatically generated

Với việc bước sóng λ là hằng số đã biết, bằng cách thay đổi góc tia X chiếu tới lớp nguyên tử cho đến khi thu được phổ nhiễu xạ, ta sẽ tính được hệ số d; các hàng số mạng tinh thể h, k, l, đối chiếu với Trung tâm dữ liệu phổ nhiễu xạ quốc tế (ICDD – International Centre for Diffraction Data) ta sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thể; cấu trúc pha; định danh và định lượng thành phần pha; tính toán kích thước và độ kết tinh của tinh thể, …

Phổ nhiễu xạ tia X trên bột (Powder X-Ray Diffraction – PXRD) là một kỹ thuật thuận tiện để phân tích cấu trúc tinh thể của các vật liệu hữu cơ, vô cơ và polymer. Mỗi tinh thể có một sắp xếp nguyên tử và đơn vị lặp lại riêng biệt. Khi chiếu tia X vào, các nguyên tử này bị chiếu xạ và tạo ra một loạt các đỉnh riêng biệt, giúp nhận diện rõ ràng các thành phần tinh thể. Ngay cả khi hai vật liệu có thành phần hóa học giống hệt nhau, PXRD vẫn có thể phân biệt chúng dựa trên cấu trúc phân tử khác nhau.

Cấu tạo cơ bản của thiết bị PXRD

Máy đo nhiễu xạ tia X (PXRD – Powder X-ray Diffraction) gồm các bộ phận chính sau:

Nguồn phát tia X: Sử dụng các anode kim loại (ví dụ: đồng hoặc molypden) để tạo ra chùm tia X đơn sắc, có năng lượng cao, đảm bảo chất lượng nhiễu xạ tốt.
Nguồn phát tia X (X-ray source/X-ray tube/X-ray generator): với nhiều công suất khác nhau từ 300W cho đến 4kW; Điện áp từ 30kV đến 80kV; Dòng điện 10mA đến 80mA phù hợp cho nhiều ứng dụng, với nhiều loại mẫu khác nhau
Khe phân kỳ Soller: Hướng tia X từ Nguồn phát đến bề mặt mẫu cần phân tích
Bộ giữ mẫu (Sample holder): có thể giữ 1 mẫu hoặc mâm xoay giữ nhiều mẫu; có nhiều loại tùy theo hình dạng, kích thước của mẫu
Giác kế Goniometer:

+ Có loại Theta – Theta: Mẫu cố định; Nguồn phát tia X và Bộ thu tín hiệu di chuyển để đảm bảo góc tới và góc phản xạ luôn bằng nhau (và bằng Ɵ).

+ Hoặc loại Theta – 2 Theta: Nguồn phát tia X cố định, Bộ giữ mẫu và Bộ thu tín hiệu di chuyển để đảm bảo góc phản xạ (2Ɵ) bằng 2 lần góc tới (Ɵ).

+ Goniometer có phạm vi góc quét lớn nhất từ -110⁰ đến +168⁰; bước góc nhỏ nhất là 0,0001⁰

Diagram of a diagram showing how to use a manual or motorized slitting device Description automatically generated

A diagram of a scientific experiment Description automatically generated

Khe Soller thu nhận tia X phản xạ: Hướng tia X phản xạ từ bề mặt mẫu vào bộ thu tín hiệu
Bộ thu tín hiệu (Detector): để thu phổ nhiễu xạ tia X và có thể lắp thêm detector SDD để phân tích định lượng thành phần các nguyên tố hóa học có trong mẫu.
Bộ máy tính kèm phần mềm để điều khiển, phân tích và xử lý dữ liệu nhiễu xạ
Bộ Chiller để làm mát tuần hoàn Nguồn phát tia X.

Khi tia X chiếu vào vật liệu, các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể gây ra hiện tượng nhiễu xạ, tạo thành các đỉnh đặc trưng trên phổ, từ đó nhận diện và phân tích thành phần tinh thể.

Ngay cả khi hai vật liệu có thành phần hóa học giống hệt nhau, PXRD vẫn có thể phân biệt chúng dựa trên cấu trúc phân tử khác nhau. Vì PXRD có thể nhanh chóng thực hiện các phép đo trên bột dược phẩm, nên nó được sử dụng rộng rãi như một kỹ thuật phân tích ưu tiên trong cả công nghiệp và học thuật.

Thông tin trên đồ thị XRD

Khi thực hiện phép đo bằng máy nhiễu xạ tia X, tín hiệu ghi được thường được trình bày dưới dạng một đồ thị, trong đó:
- Trục hoành (x-axis): Biểu thị góc nhiễu xạ (góc 2θ), là góc giữa tia tới và tia nhiễu xạ. Giá trị phản ánh khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể theo phương trình Bragg
- Trục tung (y-axis): Biểu thị cường độ nhiễu xạ, thể hiện số lượng tia X bị nhiễu xạ tại một góc 2θ nhất định. Cường độ này phụ thuộc vào mật độ electron trong cấu trúc tinh thể, giúp xác định các mặt phẳng cấu trúc ưu tiên.
- Các đỉnh: Mỗi đỉnh là một điểm nhiễu xạ, tương ứng với một mặt phẳng mạng tinh thể cụ thể. Vị trí của đỉnh (giá trị 2θ) và cường độ của đỉnh cung cấp thông tin về khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng và độ định hướng của các tinh thể.

A graph of a graph Description automatically generated

Cách đọc và phân tích đồ thị XRD:
- Xác định các đỉnh nhiễu xạ: Các đỉnh nhọn và rõ nét thường chỉ ra một mẫu tinh thể có độ tinh khiết cao. Các đỉnh rộng hoặc chồng lấp có thể chỉ ra sự có mặt của nhiều pha tinh thể, kích thước hạt nhỏ, hoặc các biến dạng mạng tinh thể.
- So sánh với cơ sở dữ liệu: Sử dụng phần mềm phân tích XRD để so sánh các đỉnh thu được với cơ sở dữ liệu các mẫu chuẩn (PDF – Powder Diffraction File). Điều này giúp xác định các pha tinh thể có mặt trong mẫu.
- Xác định khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng: Sử dụng định luật Bragg để tính toán khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng từ vị trí của các đỉnh.
- Xác định kích thước hạt: Độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ có liên quan đến kích thước hạt của tinh thể. Các hạt càng nhỏ, các đỉnh càng rộng.
- Xác định độ tinh khiết: Sự có mặt của các đỉnh không mong muốn có thể chỉ ra sự tồn tại của các tạp chất trong mẫu.

Ứng dụng của PXRD trong nghiên cứu dược phẩm

Trong dược phẩm, phương pháp PXRD có thể được dùng để:

- Xác định hình dạng tinh thể của dược chất: Mỗi hình dạng tinh thể có các tính chất vật lý, hóa học và sinh học khác nhau.
- Đánh giá độ ổn định của dược chất: Theo dõi sự thay đổi cấu trúc tinh thể trong quá trình bảo quản.
- Nghiên cứu quá trình chuyển pha: Nghiên cứu sự chuyển đổi giữa các hình dạng tinh thể khác nhau.
- Kiểm soát chất lượng: Đảm bảo độ tinh khiết và ổn định của dược phẩm.

Một vài ứng dụng của PXRD trong nghiên cứu hệ phân tán rắn như:

- Rumondor và cộng sự đã sử dụng PXRD (Nhiễu xạ tia X bột) để đo lường mức độ kết tinh của các ASD khác nhau khi chịu tác động của các điều kiện lưu trữ khác nhau nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của loại polymer, độ ẩm, và tính tương hợp. Kết quả cho thấy, sự phân tán vào nhau ở cấp độ phân tử giữa nifedipine và felodipine với poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) đã được xác nhận trong các ASD của nifedipine và felodipine.
- PVP và HPMCAS (hypromellose acetate succinate) được phát hiện có khả năng ức chế hiệu quả sự kết tinh của các ASD chứa felodipine. Ngoài ra, sự tách pha vô định hình-vô định hình đã được quan sát khi các ASD tiếp xúc với độ ẩm cao, làm gia tăng khả năng kết tinh của ASD trong các nghiên cứu ổn định. Khi bổ sung 5% Eudragit® NE, các ASD chứa felodipine có tốc độ hòa tan nhanh hơn và mức độ kết tinh thấp hơn so với các ASD không chứa Eudragit® NE.
- Takeuchi và cộng sự đã nghiên cứu tính khả thi của việc sử dụng phổ kế miền thời gian terahertz để đo mức độ kết tinh của các ASD chứa nifedipine và so sánh kết quả với PXRD (Nhiễu xạ tia X bột). Kết quả cho thấy cả hai kỹ thuật đều có thể đo mức độ kết tinh, và kết quả thu được từ hai phương pháp là tương đương nhau.
- Zhu và cộng sự đã sử dụng kỹ thuật tán xạ tia X góc nhỏ để nghiên cứu động học kết tinh của các ASD trong các điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khác nhau. Kết quả chỉ ra rằng naproxen kết tinh nhanh hơn ở 25 °C so với 40 °C, và khi bổ sung polyethylene glycol, tốc độ kết tinh của ASD giảm đi ở 40 °C.