Tipy a triky
Jak se vyhnout nesprávným výsledkům v důsledku nesprávné přípravy vzorků
Termogravimetrická váha měří hmotnostní změny vzorku během teplotně-časového programu (DIN 51005). Díky tomu je možné určit teploty chemických a fyzikálních procesů, které vyvolávají změnu hmotnosti.
Mezi tyto procesy patří mimo jiné odpařování, sublimace, desolvatace a tepelný a oxidační Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad.
Je známo, že termogravimetrická křivka je ovlivněna následujícími faktory:
- Rychlost zahřívání
- Geometrie vzorku
- Hmotnost vzorku
Pokud se například zvýší rychlost ohřevu a hmotnost vzorku, posunou se zjištěné efekty TGA také k vyšším teplotám. S faktory rychlost ohřevu a hmotnost vzorku je však možné si také hrát, aby se z křivky měření získalo co nejvíce informací: lepší oddělení překrývajících se efektů změnou rychlosti ohřevu a/nebo hmotnosti vzorku, zvětšení small-skalárních efektů jejich zvýšením atd.
Nesprávná příprava vzorku může být příčinou nejen posunu hmotnostních úbytků sledovaných TGA: může vést k výrazně odlišným výsledkům. Pomocí termogravimetrie lze měřit pevné vzorky v podobě prášku nebo kousku tablety; lze měřit i kapaliny. Je však třeba si uvědomit, že reprodukovatelných křivek TGA lze dosáhnout pouze důsledným používáním stejné přípravy vzorku (formy vzorku) a stejných podmínek měření. Zejména povrch vzorku ovlivňuje některé procesy, což se projevuje při odpařování rozpouštědel nebo při oxidačním rozkladu (hoření). V důsledku toho jsou tyto vlivy spojeny s různými teplotami v závislosti na tom, zda je zkoumaný vzorek práškový nebo složený z jednoho kusu. V následujícím textu jsou termogravimetrická měření použita k provedení kinetické analýzy reakce. Tento příklad ukazuje, jak zásadní může být příprava vzorku pro vyvození správných závěrů.
TGA-FT-IR měření na tabletě ibuprofenu
Měření byla provedena na tabletě ibuprofenu Ibu 400 akut, kterou uvádí na trh společnost 1A Pharma®. Tato tableta obsahuje ibuprofen jako API (Active Pharmaceutical Ingredient); jedná se o jedno z nejčastěji používaných nesteroidních protizánětlivých léčiv (NSAID). Dále obsahuje také pomocné látky, které působí jako plnidla, lubrikanty, dezintegranty atd.
Měření byla prováděna při různých rychlostech zahřívání mezi 5 a 20 K/min pomocí termováhy TG 209 F1 Nevio v dynamické atmosféře dusíku. Byly použity kelímky z oxidu hlinitého. Hmotnosti vzorků se pohybovaly od 9,93 mg do 10,09 mg. Plyny vznikající při zahřívání byly přímo převáděny do plynové komory FT-IR spektrometru společnosti Bruker Optics.
Na obrázku 1 je zobrazeno měření TGA na komerční tabletě ibuprofenu při rychlosti zahřívání 10 K/min spolu s křivkou DTG (první derivace křivky TGA). Kromě toho je zobrazen vypočtený signál DTA (c-DTA®®, rozdíl mezi teplotou pece a vzorku) mezi 70 °C a 100 °C (modrá křivka).
Pro lepší čitelnost grafu byl signál c-DTA®® zobrazen pouze v teplotním rozsahu tání ibuprofenu. Pík zjištěný při 75 °C (extrapolovaná teplota nástupu) není spojen s úbytkem hmotnosti; není výsledkem rozkladu nebo odpařování, které by vyvolaly změny hmotnosti v křivce TGA, ale tání ibuprofenu. První úbytek hmotnosti při extrapolované teplotě nástupu 204 °C činí 85 %. To naznačuje Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad nebo odpařování složky přítomné v tabletě, pravděpodobně odpařování účinné látky, ibuprofenu [1]. Pro účely ověření byl čistý ibuprofen změřen také pomocí TGA-FT-IR (obr. 2). Spektra plynů uvolňovaných při 232 °C jsou u obou materiálů velmi podobná.
To dokazuje, že hmotnostní úbytek zjištěný při 235 °C (DTG pík, obrázek 1) u Ibu 400 akut skutečně vzniká OdpařováníVypařování prvku nebo sloučeniny je fázový přechod z kapalné fáze do páry. Existují dva typy vypařování: vypařování a var.odpařováním účinné látky (ibuprofenu) a není způsoben rozkladem pomocné látky. Na obrázku 1 vykazuje Ibu 400 akut dva další stupně úbytku hmotnosti mezi 250 °C a 400 °C, které se částečně překrývají. Jsou pravděpodobně způsobeny tepelným rozkladem pomocných látek přítomných v tabletě jako mikrokrystalická celulosa nebo stearan hořečnatý [2].
Obrázek 3 ukazuje měření TGA při různých rychlostech zahřívání. S rostoucí rychlostí ohřevu se účinky posouvají k vyšším teplotám. Tato závislost křivky TGA na rychlosti ohřevu umožňuje určit kinetiku reakce.
Stanovení kinetiky reakce pomocí metody Kinetics Neo
Získané křivky TGA jsou základem pro kinetické vyhodnocení reakcí probíhajících v měřeném teplotním rozsahu. K tomu byl použit software NETZSCH Kinetics Neo . Ten umožňuje modelovat kinetiku jedno- až vícekrokových reakcí.
Tento software dokáže přiřadit každý jednotlivý krok k různým typům reakcí s vlastními kinetickými parametry, jako je aktivační energie, pořadí reakce a preexponenciální faktor. Na základě výsledků je Kinetics Neo schopen simulovat reakci (reakce) pro teplotní programy zadané uživatelem.
Pro realizaci se termogravimetrické křivky nejprve importují do softwaru Kinetics Neo. Poté se pro každý krok vybere reakční model (například: reakce n-tého řádu). Na základě zvoleného reakčního modelu software vypočítá termogravimetrické křivky. Vhodnost modelu se posuzuje pomocí korelačního koeficientu mezi naměřenými a vypočtenými křivkami.
Pro první hmotnostní úbytek software vypočítá křivku s jednokrokovým reakčním modelem A → B. Chování vzorku v teplotním rozsahu od 250 °C do 450 °C je popsáno třemi nezávislými kroky (C→D, E→F a G→H), protože to nejlépe odpovídá naměřeným datům v tomto teplotním rozsahu.
Obrázek 4 zobrazuje srovnání naměřených a vypočtených křivek pro takový model. S korelačním koeficientem vyšším než 0,999 popisuje kinetický model reakční proces velmi dobře.
Pro každý reakční krok Kinetics Neo vypočítá kinetické parametry: aktivační energii, reakční řád, příspěvek kroku k celkovému procesu atd. Tabulka 1 je uvádí pro všechny čtyři kroky.
Tab. 1. Kinetické parametry pro čtyři kroky
| Reakce | A → B | C → D | E → F | G → H |
| Typ reakce | n-tého řádu | n-tý řád | 1. řád | n-tý řád |
| Aktivační energie [kJ/mol] | 77.823 | 181.866 | 148.941 | 460.643 |
| Log(PreExp) [Log(1/s)] | 6.814 | 14.911 | 10.511 | 38.543 |
| Pořadí reakce | 0.286 | 1.332 | 1 | 13.410 |
| Příspěvek | 0.912 | 0.022 | 0.034 | 0.033 |
Jaký je důvod pozorovaného rozdílu?
Termogravimetrická měření použitá pro výpočet na Kinetics Neo byla provedena na kousku tablety Ibu 400 akut. Na rozdíl od toho bylo validační měření provedeno na prášku vzniklém rozdrcením tablety.
Jak již bylo uvedeno, první krok ztráty hmotnosti je způsoben OdpařováníVypařování prvku nebo sloučeniny je fázový přechod z kapalné fáze do páry. Existují dva typy vypařování: vypařování a var.odpařováním ibuprofenu, které je závislé na povrchu vzorku [1]. Lze očekávat, že větší povrch vzorku spojený s rozdrceným materiálem bude mít velký vliv na křivku TGA.
Při druhém experimentu bylo předchozí měření (zahřátí na 200 °C a izoterma) provedeno znovu, tentokrát však s použitím kousku tablety. Nová termogravimetrická křivka nyní velmi dobře odpovídá křivce vypočtené pomocí Kinetics Neo! (Viz obrázek 6.)
Závěr
Měření TGA byla provedena na tabletě ibuprofenu (obchodní název: Ibu 400): jedno na pevném kusu a jedno na prášku. Měření FT-IR prokázala, že první krok úbytku hmotnosti je důsledkem odpařování účinné látky. Tento proces je navíc velmi závislý na povrchu vzorku, takže výsledky měření provedených na kousku tablety se liší od výsledků měření provedených na prášku. To má rovněž velký vliv na kinetickou analýzu. Taková kinetická analýza je zvláště užitečná při zkoumání tepelné stability léčivého přípravku.
Odkazy
[1] A thermal analysis study of ibuprofen, S. Lerd-kanchanaporn and D. Dollimore, Journal of Thermal Analysis, Vol. 49 (1997), Issue 2, pp 879-886
[2] NETZSCH Application Note 120: Studie kompatibility diklofenaku sodného - rychle a snadno pomocí termické analýzy; obrázky 5 a 9