Úvod
Laktóza je disacharidový cukr složený z galaktózy a glukózy, který se nachází v mléce savců. Laktóza tvoří asi 2 až 8 % mléka (podle hmotnosti), i když její množství se u různých druhů a jedinců liší. Název pochází z latinského slova lac (gen. lactis), které znamená mléko, a koncovky -osa, která se používá pro pojmenování cukrů [2].
Laktózu lze získat v amorfní nebo krystalické formě. V mléce se vyskytuje jak α-, tak ß- krystalická forma. Liší se od sebe orientací hydroxylové skupiny uhlíkového kruhu. α-laktosa krystalizuje jako monohydrát, zatímco ß-laktosa neobsahuje krystalickou vodu, proto se často označuje jako bezvodá laktosa. Amorfní laktosa vzniká rychlým vysušením vysoce koncentrovaného roztoku laktosy [3]. Všechny tyto formy laktózy se používají jako pomocné látky ve farmaceutických výrobcích. Každá z nich má však fyzikální vlastnosti, které se od ostatních dvou značně liší; každá z nich se tedy používá k jiným účelům [3].
Podmínky měření
Měření byla prováděna na přístroji TG 209 F1 Libra® v atmosféře dusíku. Vzorek laktózy (počáteční hmotnost: 6,43 mg) byl umístěn do kelímku z oxidu hlinitého a zahříván z pokojové teploty na 600 °C rychlostí 10 K/min. Plyny vznikající při zahřívání byly přímo převedeny do plynové komory FT-IR spektrometru společnosti Bruker Optics.
Výsledky měření
Na obrázku 2 je znázorněna křivka úbytku hmoty a její první derivace (DTG). Gram-Schmidtova křivka udává množství uvolněných látek detekovaných FT-IR během zahřívání.
V prvním kroku ztráty hmotnosti s píkem DTG při 143 °C ztratí vzorek 5 % své původní hmotnosti. Laktóza má molekulovou hmotnost 342,3 g/mol [2]. V monohydrátu laktosy je každá molekula laktosy spojena s jednou molekulou vody, čímž vzniká molekulová hmotnost 360,3 g/mol. To odpovídá úbytku hmotnosti 5 %, jakmile se voda z krystalu zcela uvolní.
Obrázek 3 ukazuje trojrozměrné spektrum produktů uvolněných během zahřívání. Spektrum produktů uvolněných při teplotě 147 °C (obrázek 4, horní spektrum) dokazuje, že při této teplotě se odpařuje pouze voda: Jedná se o krystalickou vodu obsaženou ve vzorku. To spolu s výše popsaným úbytkem hmotnosti 5 % potvrzuje, že studovaný vzorek laktosy je monohydrát.
Rozklad monohydrátu laktózy začíná při 224 °C (teplota počátku křivky TGA). Proces probíhá ve dvou krocích, jak je patrné ze dvou píků na křivce DTG. První krok ztráty hmotnosti 8 % je spojen s novým uvolněním vody (obr. 4, spektrum uprostřed) v důsledku rozkladu.
Druhý krok rozkladu nastává při teplotě 301 °C (vrchol křivky DTG) s hmotnostním úbytkem 71 %. Na obrázku 5 je znázorněno spektrum látek detekované detektorem FT-IR při 309 °C (nahoře). Srovnání s knihovními spektry ukazuje, že laktosa se rozkládá; strukturní kruh laktosy se rozpadá a uvolňuje se oxid uhličitý a probaly ethanediol.
Pro lepší detekci ostatních uvolňovaných látek bylo od FT-IR spektra vody odečteno knihovní FT-IR spektrum naměřené při 309 °C (obr. 6). To umožnilo identifikovat oxid uhelnatý i vazby C=O ve vylučovaných plynech.
Závěr
Jediné měření pomocí TGA-FT-IR stačilo k získání řady informací o vzorku laktózy. Zaprvé bylo možné potvrdit, že se jedná o monohydrát. Za druhé bylo možné určit teplotu rozkladu. Nakonec bylo možné Identify látky uvolněné během rozkladu jako vodu, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, ethan-diol a produkt obsahující vazbu C=O.
TGA-FT-IR lze považovat za komplexní metodu měření, protože kombinuje dvě různé výkonné techniky, které poskytují širokou škálu výsledků. Navzdory své složitosti však spojení termováhy s FT-IR spektrometrem umožňuje velmi snadnou přípravu vzorku a měření, přičemž kombinuje uživatelskou přívětivost s vysokým výkonem.