Setiap bentuk hablur dari suatu senyawa menghasilkan pola difraksi sinar-X yang khas. Pola difraksi ini dapat dihasilkan baik dari hablur tunggal maupun dari bentuk serbuk (berisi sejumlah hablur) suatu bahan. Jarak antara dan intensitas relatif puncak terdifraksi dapat digunakan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif bahan bentuk hablur. Teknik difraksi serbuk paling sering digunakan pada identifikasi secara rutin dan penetapan kemurnian relatif bahan bentuk hablur. Namun sejumlah kecil cemaran umumnya tidak terdeteksi dengan metode difraksi sinar-X dan untuk pengukuran kuantitatif diperlukan persiapan contoh dengan hati-hati untuk menghindari efek orientasi yang sering terjadi.
Metode serbuk mempunyai keuntungan dibandingkan dengan metode lain karena cara ini umumnya tidak merusak contoh (persiapan contoh umumnya terbatas pada penggerusan untuk menjamin orientasi acak pada contoh dan efek kerusakan senyawa obat oleh sinar-X umumnya tidak terjadi). Penggunaan data difraksi hablur tunggal adalah untuk penetapan bobot molekul dan analisis struktur hablur pada tingkat atom. Namun difraksi hablur tunggal dapat digunakan untuk menunjang pola spesifik serbuk sebagai wakil dari fase tunggal.
Zat padat Zat padat dapat diklasifikasikan sebagai hablur, bukan hablur atau campuran kedua bentuk tersebut. Pada bahan bentuk hablur, molekul atau atom tertata dalam susunan tiga dimensi yang disebut kisi dalam partikel padat. Tatanan komponen molekul ini tidak terdapat dalam bahan bukan hablur. Zat padat bukan hablur kadang-kadang disebut sebagai kaca atau zat padat amorf bila susunan yang terulang tidak terdapat dalam seluruh susunan tiga dimensi. Mungkin juga terdapat susunan hanya dalam satu atau dua dimensi, disebut fase mesomorfik (hablur cair). Walaupun bahan bentuk hablur umumnya dianggap mempunyai bentuk morfologi luar yang tertentu, tetapi hal ini bukan keharusan untuk analisis difraksi sinar-X.
Susunan molekul yang relatif acak pada zat bukan hablur menyebabkan penyebaran sinar-X yang kurang koheren, menghasilkan puncak difusi yang lebar dalam pola difraksinya. Pola difraksi sinar-X nya sangat berbeda dengan zat bentuk hablur yang memberikan pola difraksi yang tajam.
Banyak senyawa yang dapat membentuk hablur, dengan lebih dari satu jenis kisi hablur. Pada suhu dan tekanan tertentu, hanya satu bentuk hablur yang stabil secara termodinamik. Karena laju perubahan dari fase polimorf metastabil ke fase stabil mungkin sangat lambat, adalah hal biasa menemukan beberapa hablur polimorf dalam senyawa obat pada kondisi normal.
Di samping polimorfisma, banyak senyawa membentuk solvat hablur dengan molekul pelarut sebagai bagian integral dari struktur hablur. Seperti halnya tiap polimorfisma mempunyai pola sinar-X yang spesifik, demikian juga solvatnya. Kadang-kadang perbedaan pola difraksi antara polimorfisma yang berlainan relatif kecil sehingga harus dievaluasi dengan hati-hati sebelum membuat kesimpulan. Dalam beberapa hal, polimorfisma dan atau solvatnya menunjukkan perbedaan laju disolusi. Oleh karena itu pada skala waktu ketersediaan hayati senyawa obat, terdapat perbedaan dalam jumlah obat yang terlarut, sehingga menyebabkan kesetaraan biologis yang nyata pada berbagai bentuk sediaan obat.
Prinsip dasar Berkas sinar-X monokromatis yang terkolimasi terdifraksi dalam berbagai arah bila jatuh pada hablur yang berotasi atau serbuk hablur yang berorientasi acak. Hablur bertindak sebagai kisi-kisi difraksi tiga dimensi terhadap radiasi ini. Fenomena ini ditunjukkan oleh hukum Braggs yang menyatakan bahwa difraksi (interferensi konstruktif) hanya dapat terjadi bila gelombang yang terhambur dari bagian berbeda dari hablur, dengan arah yang spesifik, melalui jarak tempuh yang perbedaannya merupakan angka integral (n) dari panjang gelombang (?). Pada keadaan tersebut, gelombang berada dalam fase. Kondisi ini dinyatakan dengan persamaan Bragg:
dhkl adalah jarak interplanar; ? adalah sudut difraksi.
Sekumpulan bidang dalam ruang dapat diberi indeks dalam 3 bilangan bulat, umumnya disebut sebagai indeks Miller. Indeks ini merupakan bilangan kebalikan dan dibulatkan sampai bilangan terkecil dari perpotongan suatu bidang sepanjang sumbu sesuai dengan tiga tepi satuan sel yang tidak paralel (satuan dasar kristalografi). Dimensi satuan sel diperoleh dari jarak sepanjang ketiga sumbu a,b,c dan sudut antaranya ?, ? dan ?. Jarak interplanar untuk sekumpulan tertentu bidang paralel hkl dinyatakan dalam dhkl. Tiap kumpulan bidang demikian dapat menunjukkan tingkat difraksi yang lebih tinggi dan nilai d untuk kumpulan bidang terkait nh, nk, nl berkurang dengan faktor 1/n (n merupakan bilangan bulat 2, 3, 4 dan seterusnya). Setiap kumpulan bidang dalam kristal mempunyai hubungan dengan sudut difraksi Bragg yang terkait (untuk ? tertentu).
Amplitudo dari berkas sinar-X yang terdifraksi dari kumpulan bidang tergantung pada sinar atom hablur sebagai berikut: 1) posisi tiap atom dalam dalam satuan sel 2) faktor penyebaran atom 3) masing-masing gerakan panas. Faktor lain yang langsung dapat mempengaruhi intensitas sinar terdifraksi adalah: 1) intensitas dan panjang gelombang radiasi; 2) volume contoh bentuk hablur; 3) penyerapan sinar-X oleh contoh dan 4) susunan peralatan percobaan yang digunakan untuk merekam pada intensitas. Oleh karena itu, kondisi percobaan sangat penting dalam pengukuran intensitas difraksi.
Hanya beberapa bidang Bragg yang dapat menimbulkan difraksi bila sinar-X monokromatis melalui hablur tunggal. Teknik perekaman intensitas semua bidang hkl yang mungkin terdifraksi melibatkan pergerakan hablur tunggal dan media perekam. Perekaman data ini dilakukan dengan teknik fotografi (film) atau dengan detektor radiasi.
Berkas sinar yang melalui sejumlah besar hablur kecil berorientasi acak menimbulkan kerucut sinambung sinar terdifraksi dari tiap kumpulan bidang kisi. Tiap kerucut berhubungan dengan difraksi dari berbagai bidang yang mempunyai jarak interplanar. Intensitas dari refleksi Bragg ini dapat direkam dengan film atau detektor radiasi. Sudut Bragg dapat diukur dengan mudah dari film, tetapi dengan adanya detektor radiasi telah memungkinkan untuk membuat difraktometer yang dapat langsung mengukur sudut ini. Intensitas dan jarak d lebih mudah ditentukan dengan difraktometer serbuk yang menggunakan detektor radiasi daripada metode film. Mikrofotometer sering digunakan pada pengukuran intensitas yang teliti dari film.
Pola sebuk yang khas yang diperoleh dari
empat fase padat Ampisilin
Salah satu contoh dari pola serbuk yang diperoleh dari empat jenis fase padat ampisilin ditunjukkan pada gambar di atas. Pola difraksi ini diperoleh dari difraktometer serbuk yang dilengkapi dengan detektor Geiger Muller menggunakan radiasi Cu K? yang disaring dengan nikel.
Radiasi Sumber radiasi utama yang digunakan untuk difraksi sinar-X adalah tabung hampa udara dengan tembaga, molibden, besi dan krom sebagai anoda; sinar-X dari tembaga umumnya digunakan untuk senyawa organik. Pada setiap radiasi ini terdapat unsur yang dapat menahan radiasi K? dan meneruskan radiasi K? (digunakan nikel pada radiasi tembaga). Dalam hal ini radiasi praktis menjadi monokromatis. Pemilihan radiasi yang akan digunakan tergantung pada sifat serapan zat dan kemungkinan fluoresensi oleh atom yang terdapat dalam contoh.
[Perhatian Hati-hati bekerja dengan radiasi, bagi yang belum terbiasa menggunakan peralatan sinar-X, harus minta bantuan ahlinya. Penggunaan yang salah dapat membahayakan operator].
Sediaan uji Untuk memperbaiki orientasi acak hablur (dan pada teknik film untuk menghindarkan terjadinya pola berbintik), contoh digerus halus dalam mortir. Tekanan penggerusan dapat menimbulkan perubahan fase, oleh karena itu dianjurkan untuk memeriksa pola difraksi dari contoh yang tidak digerus.
Pada umumnya, bentuk partikel hablur cenderung membuat contoh menunjukkan derajat orientasi terpilih dalam alat pemegang contoh. Hal ini terutama terlihat pada hablur bentuk jarum atau bentuk lempeng yang pada pengurangan ukuran partikel menghasilkan jarum atau lempeng yang lebih halus. Orientasi terpilih dalam contoh mempengaruhi intensitas relatif dari berbagai refleksi.
Beberapa teknik penanganan khusus dapat digunakan untuk mengurangi orientasi pilihan, tetapi teknik memperkecil ukuran partikel adalah cara yang terbaik.
Bila diperlukan pengukuran sudut Bragg yang sangat teliti, dapat ditambahkan sejumlah kecil baku internal pada contoh. Ini memungkinkan dilakukannya kalibrasi pada film atau alat perekam. Jika dilakukan perbandingan dengan nilai pada literatur untuk d, difraktometer harus dikalibrasi. Baku yang tersedia mencakup nilai d hingga 0,998 nm. Tetradekanol dapat digunakan (d = 3,963 nm) untuk jarak yang lebih besar.
Serapan radiasi oleh contoh ditentukan oleh jumlah dan jenis atom yang dilalui sinar-X. Matriks organik umumnya menyerap lebih sedikit radiasi terdifraksi dibandingkan dengan matriks anorganik. Oleh karena itu, dalam penetapan kuantitatif sangat penting dibuat kurva baku antara jumlah zat dan intensitas pada jarak d tertentu untuk zat yang ditetapkan dalam matriks yang sama dengan matriks tempat senyawa yang akan dianalisis.
Dalam analisis kuantitatif, umumnya ditambah baku pembanding dalam jumlah yang diketahui pada sejumlah bobot contoh yang akan dianalisis. Ini memungkinkan menetapkan jumlah zat relatif terhadap baku pembanding yang ditambahkan. Baku pembanding yang digunakan harus mempunyai densitas yang lebih kurang sama dan karakteristik penyerapan yang sama dengan contoh. Lebih penting lagi pola difraksinya tidak tumpang tindih sedikitpun dengan bahan yang dianalisis. Dengan kondisi ini didapatkan hubungan linier antara intensitas garis dan kadar. Dalam hal tertentu, jumlah bahan bentuk hablur sekecil 10% masih dapat ditentukan dalam matriks padat.
Identifikasi bahan bentuk hablur dapat dilakukan dengan membandingkan pola difraksi sinar-X yang diperoleh dari zat yang diketahui dengan pola difraksi zat yang belum diketahui. Perbandingan intensitas (perbandingan intensitas puncak dari jarak d tertentu dengan intensitas puncak terkuat dalam pola difraksi), dan jarak d yang digunakan dalam perbandingan. Bila Baku Pembanding (BPFI) tersedia, dapat dibuat pola pembanding primer dengan menggunakan alat dan kondisi yang sama seperti pada zat uji. Pada kebanyakan hablur organik adalah tepat merekam pola difraksi yang mencakup nilai 2 ? dari rentang sedekat mungkin 0º hingga 40º. Kesesuaian antara contoh dan baku pembanding harus dalam batas presisi kalibrasi difraktometer untuk sudut difraksi (harga 2 ? harus dapat diulang sampai ±0,10º hingga 0,20º), sedangkan intensitas relatif antara contoh dan baku pembanding dapat berbeda hingga 20%. Untuk jenis contoh lain (seperti garam anorganik) mungkin perlu memperluas daerah 2 ? yang dicacah hingga jauh melampaui 40º.