Συμβουλές & κόλπα
Πώς να αποφύγετε λανθασμένα αποτελέσματα λόγω ακατάλληλης προετοιμασίας του δείγματος
Ένας θερμοβαρυμετρικός ζυγός μετρά τις μεταβολές μάζας ενός δείγματος κατά τη διάρκεια ενός προγράμματος θερμοκρασίας/χρόνου (DIN 51005). Ως αποτέλεσμα, είναι δυνατός ο προσδιορισμός των θερμοκρασιών των χημικών και φυσικών διεργασιών που προκαλούν αλλαγή μάζας.
Οι διεργασίες αυτές περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, την εξάτμιση, την εξάχνωση, τη θερμική και την οξειδωτική αποσύνθεση.
Είναι γνωστό ότι η θερμοβαρυτομετρική καμπύλη επηρεάζεται από τους ακόλουθους παράγοντες:
- Ρυθμός θέρμανσης
- Γεωμετρία του δείγματος
- Μάζα δείγματος
Εάν, για παράδειγμα, αυξηθεί ο ρυθμός θέρμανσης και η μάζα του δείγματος, τα ανιχνευόμενα αποτελέσματα TGA μετατοπίζονται επίσης σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Ωστόσο, είναι επίσης δυνατό να παίξουμε με τους παράγοντες ρυθμός θέρμανσης και μάζα δείγματος, προκειμένου να λάβουμε όσο το δυνατόν περισσότερες πληροφορίες από την καμπύλη μέτρησης: καλύτερος διαχωρισμός των επικαλυπτόμενων φαινομένων με τη μεταβολή του ρυθμού θέρμανσης ή/και της μάζας δείγματος, μεγέθυνση των φαινομένων small-κλίμακας με την αύξησή τους, κ.λπ.
Η ακατάλληλη προετοιμασία του δείγματος μπορεί να είναι η αιτία για κάτι περισσότερο από μια απλή μετατόπιση των απωλειών μάζας που παρακολουθεί η TGA: μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά διαφορετικά αποτελέσματα. Με τη θερμοβαρυμετρία, μπορούν να μετρηθούν στερεά δείγματα σε μορφή σκόνης ή κομματιού δισκίου- μπορούν επίσης να μετρηθούν και υγρά. Ωστόσο, θα πρέπει να γνωρίζει κανείς ότι αναπαραγώγιμες καμπύλες TGA μπορούν να ληφθούν μόνο με τη συνεπή χρήση της ίδιας προετοιμασίας δείγματος (μορφή δείγματος) και των ίδιων συνθηκών μέτρησης. Ειδικότερα, η επιφάνεια του δείγματος επηρεάζει ορισμένες διεργασίες, κάτι που μπορεί να παρατηρηθεί στην εξάτμιση των διαλυτών ή στην οξειδωτική αποσύνθεση (καύση). Κατά συνέπεια, οι επιδράσεις αυτές συνδέονται με διαφορετικές θερμοκρασίες ανάλογα με τον καιρό που το υπό εξέταση δείγμα είναι σκόνη ή αποτελείται από ένα ενιαίο κομμάτι. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούνται θερμοβαρυμετρικές μετρήσεις για τη διενέργεια κινητικής ανάλυσης της αντίδρασης. Το παράδειγμα αυτό δείχνει πόσο κρίσιμη μπορεί να είναι η προετοιμασία του δείγματος για την εξαγωγή σωστών συμπερασμάτων.
Μετρήσεις TGA-FT-IR σε δισκία ιβουπροφαίνης
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε ένα δισκίο ιβουπροφαίνης, Ibu 400 akut, που κυκλοφορεί στην αγορά από την 1A Pharma®. Αυτό το δισκίο περιέχει ιβουπροφαίνη ως API (ενεργό φαρμακευτικό συστατικό)- πρόκειται για ένα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα μη στεροειδή αντιφλεγμονώδη φάρμακα (ΜΣΑΦ). Επιπλέον, περιλαμβάνει επίσης έκδοχα που δρουν ως πληρωτικά, λιπαντικά, αποσυνθετικά κ.λπ.
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης μεταξύ 5 και 20 K/min με το θερμοζυγό TG 209 F1 Nevio σε δυναμική ατμόσφαιρα αζώτου. Χρησιμοποιήθηκαν χωνευτήρια οξειδίου του αργιλίου. Οι μάζες των δειγμάτων κυμαίνονταν από 9,93 mg έως 10,09 mg. Τα αέρια που αναπτύχθηκαν κατά τη θέρμανση μεταφέρθηκαν απευθείας στην κυψελίδα αερίου του φασματογράφου FT-IR της Bruker Optics.
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η μέτρηση TGA στο εμπορικό δισκίο ιβουπροφαίνης με ρυθμό θέρμανσης 10 K/min μαζί με την καμπύλη DTG (πρώτη παράγωγος της καμπύλης TGA). Επιπλέον, εμφανίζεται το υπολογισμένο σήμα DTA (c-DTA®®, η διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας του κλιβάνου και του δείγματος) μεταξύ 70°C και 100°C (μπλε καμπύλη).
Για καλύτερη αναγνωσιμότητα του διαγράμματος, το σήμα c-DTA®® εμφανίστηκε μόνο στην περιοχή θερμοκρασιών τήξης της ιβουπροφαίνης. Η κορυφή που ανιχνεύεται στους 75 °C (εξωλογιστική θερμοκρασία έναρξης) δεν συνδέεται με απώλεια μάζας- δεν προκύπτει από αποσύνθεση ή εξάτμιση, που θα προκαλούσαν μεταβολές μάζας στην καμπύλη TGA, αλλά από την τήξη της ιβουπροφαίνης. Η πρώτη απώλεια µάζας µε την προεκτιµώµενη θερµοκρασία έναρξης 204°C ανέρχεται σε 85%. Υποδηλώνει την αποσύνθεση ή την εξάτμιση ενός συστατικού που υπάρχει στο δισκίο, πιθανότατα την εξάτμιση του δραστικού συστατικού, της ιβουπροφαίνης [1]. Για λόγους επαλήθευσης, μετρήθηκε επίσης η καθαρή ιβουπροφαίνη με τη βοήθεια της TGA-FT-IR (σχήμα 2). Τα φάσματα των αερίων που απελευθερώνονται στους 232°C είναι πολύ παρόμοια για τα δύο υλικά.
Αυτό αποδεικνύει ότι η απώλεια μάζας που ανιχνεύεται στους 235°C (κορυφή DTG, σχήμα 1) στο Ibu 400 akut προκύπτει πράγματι από την εξάτμιση του δραστικού συστατικού (ιβουπροφαίνη) και δεν οφείλεται στην αποσύνθεση ενός έκδοχου. Στο σχήμα 1, το Ibu 400 akut παρουσιάζει δύο περαιτέρω στάδια απώλειας μάζας μεταξύ 250°C και 400°C, τα οποία επικαλύπτονται εν μέρει. Οφείλονται πιθανώς στη θερμική αποσύνθεση των έκδοχων που υπάρχουν στο δισκίο, όπως η μικροκρυσταλλική κυτταρίνη ή το στεατικό μαγνήσιο [2].
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται οι μετρήσεις TGA σε διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης. Τα αποτελέσματα μετατοπίζονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες καθώς αυξάνονται οι ρυθμοί θέρμανσης. Αυτή η εξάρτηση της καμπύλης TGA από τον ρυθμό θέρμανσης επιτρέπει τον προσδιορισμό της κινητικής της αντίδρασης.
Προσδιορισμός της κινητικής της αντίδρασης μέσω της κινητικής Neo
Οι καμπύλες TGA που λαμβάνονται αποτελούν τη βάση για την κινητική αξιολόγηση των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στο μετρούμενο εύρος θερμοκρασιών. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό NETZSCH Kinetics Neo. Επιτρέπει τη μοντελοποίηση της κινητικής αντιδράσεων ενός έως πολλών βημάτων.
Το λογισμικό αυτό μπορεί να αντιστοιχίσει κάθε επιμέρους βήμα σε διαφορετικούς τύπους αντιδράσεων με δικές τους κινητικές παραμέτρους, όπως η ενέργεια ενεργοποίησης, η σειρά αντίδρασης και ο προεκθετικός παράγοντας. Με βάση τα αποτελέσματα, το Kinetics Neo είναι σε θέση να προσομοιώσει την αντίδραση (ή τις αντιδράσεις) για προγράμματα θερμοκρασίας που καθορίζονται από τον χρήστη.
Για την εφαρμογή, οι θερμοβαρυμετρικές καμπύλες εισάγονται πρώτα στο λογισμικό Kinetics Neo. Στη συνέχεια, ένα μοντέλο αντίδρασης είναι selectγια κάθε βήμα (για παράδειγμα: αντίδραση nth order reaction). Με βάση το επιλεγμένο μοντέλο αντίδρασης, το λογισμικό υπολογίζει θερμοβαρυμετρικές καμπύλες. Η καταλληλότητα του μοντέλου αξιολογείται μέσω του συντελεστή συσχέτισης μεταξύ των μετρούμενων και των υπολογιζόμενων καμπυλών.
Για την πρώτη απώλεια μάζας, το λογισμικό υπολογίζει μια καμπύλη με ένα μοντέλο αντίδρασης ενός βήματος, A → B. Η συμπεριφορά του δείγματος στην περιοχή θερμοκρασιών από 250°C έως 450°C περιγράφεται με τρία ανεξάρτητα βήματα (C→D, E→F και G→H), επειδή αυτό είναι η καλύτερη προσαρμογή στα μετρούμενα δεδομένα σε αυτή την περιοχή θερμοκρασιών.
Στο Σχήμα 4 παρουσιάζεται μια σύγκριση των μετρούμενων και των υπολογισμένων καμπυλών για ένα τέτοιο μοντέλο. Με συντελεστή συσχέτισης μεγαλύτερο από 0,999, το κινητικό μοντέλο περιγράφει πολύ καλά τη διαδικασία της αντίδρασης.
Για κάθε βήμα της αντίδρασης, το Kinetics Neo υπολογίζει τις κινητικές παραμέτρους: ενέργεια ενεργοποίησης, τάξη αντίδρασης, συμβολή του βήματος στη συνολική διαδικασία κ.λπ. Ο πίνακας 1 τις παρουσιάζει και για τα τέσσερα στάδια.
Καρτέλα. 1. Κινητικές παράμετροι για τα τέσσερα στάδια
| Αντίδραση | A → B | C → D | E → F | G → H |
| Τύπος αντίδρασης | nη τάξη | nη τάξη | 1η τάξη | nη τάξη |
| Ενέργεια ενεργοποίησης [kJ/mol] | 77.823 | 181.866 | 148.941 | 460.643 |
| Log(PreExp) [Log(1/s)] | 6.814 | 14.911 | 10.511 | 38.543 |
| Τάξη αντίδρασης | 0.286 | 1.332 | 1 | 13.410 |
| Συνεισφορά | 0.912 | 0.022 | 0.034 | 0.033 |
Ποια είναι η αιτία της παρατηρούμενης διαφοράς
Οι θερμοβαρυτομετρικές μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό στο Kinetics Neo πραγματοποιήθηκαν σε ένα κομμάτι ενός δισκίου Ibu 400 akut. Σε αντίθεση με αυτό, η μέτρηση επικύρωσης πραγματοποιήθηκε σε σκόνη που παρήχθη από τη σύνθλιψη του δισκίου.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το πρώτο βήμα απώλειας μάζας οφείλεται στην εξάτμιση της ιβουπροφαίνης, η οποία εξαρτάται από την επιφάνεια του δείγματος [1]. Μπορεί κανείς να αναμένει ότι η επιφάνεια του δείγματος larger που σχετίζεται με το θρυμματισμένο υλικό θα έχει μεγάλη επίδραση στην καμπύλη TGA.
Σε ένα δεύτερο πείραμα, η προηγούμενη μέτρηση (θέρμανση στους 200 °C και ισοθερμοκρασία) πραγματοποιήθηκε ξανά, αλλά αυτή τη φορά με τη χρήση ενός κομματιού του δισκίου. Η νέα θερμοβαρυτομετρική καμπύλη αντιστοιχεί τώρα πολύ καλά σε αυτήν που υπολογίστηκε από το Kinetics Neo! (Βλέπε σχήμα 6.)
Συμπέρασμα
Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις TGA σε ένα δισκίο ιβουπροφαίνης (εμπορική ονομασία: Ibu 400): μία σε στερεό κομμάτι και μία σε σκόνη. Οι μετρήσεις FT-IR μπόρεσαν να αποδείξουν ότι το πρώτο βήμα απώλειας μάζας προκύπτει από την εξάτμιση του δραστικού συστατικού. Επιπλέον, η διαδικασία αυτή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την επιφάνεια του δείγματος, οπότε τα αποτελέσματα των μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν σε ένα κομμάτι του δισκίου διαφέρουν από εκείνα που πραγματοποιήθηκαν στη σκόνη. Αυτό έχει επίσης μεγάλο αντίκτυπο στην κινητική ανάλυση. Μια τέτοια κινητική ανάλυση είναι ιδιαίτερα χρήσιμη κατά τη διερεύνηση της θερμικής σταθερότητας ενός φαρμακευτικού προϊόντος.
Αναφορές
[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: Μελέτες συμβατότητας σε νάτριο δικλοφενάκης - γρήγορα και εύκολα με θερμική ανάλυση- Σχήματα 5 και 9