Trucos y consejos
Cómo evitar resultados incorrectos debido a una preparación inadecuada de las muestras
Una balanza termogravimétrica mide los cambios de masa en una muestra durante un programa de temperatura/tiempo (DIN 51005). Como resultado, es posible determinar las temperaturas de los procesos químicos y físicos que inducen un cambio de masa.
Los procesos incluyen VaporizaciónLa vaporización de un elemento o compuesto es una transición de fase de la fase líquida a vapor. Existen dos tipos de vaporización: evaporación y ebullición.vaporización, sublimación, desolvatación y Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica y oxidativa, entre otros.
Es bien sabido que la curva termogravimétrica se ve influida por los siguientes factores
- Velocidad de calentamiento
- Geometría de la muestra
- Masa de la muestra
Si, por ejemplo, se aumentan la velocidad de calentamiento y la masa de la muestra, los efectos TGA detectados también se desplazan a temperaturas más altas. Sin embargo, también es posible jugar con los factores velocidad de calentamiento y masa de la muestra para obtener la máxima información posible de la curva de medición: mejor separación de los efectos superpuestos mediante la variación de la velocidad de calentamiento y/o la masa de la muestra, ampliación de los efectos de escala small aumentándolos, etc.
Una preparación inadecuada de la muestra puede ser la causa de algo más que un simple desplazamiento de las pérdidas de masa controladas por la TGA: puede conducir a resultados significativamente diferentes. Con la termogravimetría pueden medirse muestras sólidas en forma de polvo o trozos de pastillas; también pueden medirse líquidos. Sin embargo, hay que tener en cuenta que sólo se pueden obtener curvas TGA reproducibles utilizando sistemáticamente la misma preparación de la muestra (forma de la muestra) y las mismas condiciones de medición. En particular, la superficie de la muestra influye en determinados procesos, lo que puede observarse en la evaporación de disolventes o en la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición oxidativa (combustión). Como consecuencia, estos efectos se asocian a diferentes temperaturas dependiendo de si la muestra investigada es un polvo o está compuesta de una sola pieza. A continuación, se utilizan mediciones termogravimétricas para llevar a cabo el análisis cinético de la reacción. Este ejemplo demuestra lo crucial que puede ser la preparación de la muestra para extraer las deducciones correctas.
Mediciones TGA-FT-IR en comprimidos de ibuprofeno
Las mediciones se realizaron con un comprimido de ibuprofeno, Ibu 400 akut, comercializado por 1A Pharma®. Este comprimido contiene ibuprofeno como API (principio activo farmacéutico); se trata de uno de los antiinflamatorios no esteroideos (AINE) más utilizados. Además, también incluye excipientes que actúan como rellenos, lubricantes, desintegrantes, etc.
Las mediciones se realizaron a diferentes velocidades de calentamiento entre 5 y 20 K/min con la termobalanza TG 209 F1 Nevio en atmósfera dinámica de nitrógeno. Se utilizaron crisoles de óxido de aluminio. Las masas de las muestras oscilaron entre 9,93 mg y 10,09 mg. Los gases desprendidos durante el calentamiento se transfirieron directamente a la célula de gas del espectrómetro FT-IR de Bruker Optics.
La figura 1 muestra la medición TGA en la pastilla comercial de ibuprofeno a una velocidad de calentamiento de 10 K/min junto con la curva DTG (primera derivada de la curva TGA). Además, se muestra la señal DTA calculada (c-DTA®, la diferencia entre la temperatura del horno y la de la muestra) entre 70°C y 100°C (curva azul).
Para una mejor legibilidad del gráfico, la señal c-DTA® sólo se visualizó en el intervalo de Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión del ibuprofeno. El pico detectado a 75°C (temperatura de inicio extrapolada) no está asociado a una pérdida de masa; no resulta de la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición o evaporación, que inducirían cambios de masa en la curva TGA, sino de la fusión del ibuprofeno. La primera pérdida de masa con una temperatura de inicio extrapolada de 204°C asciende al 85%. Indica la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición o la evaporación de un componente presente en el comprimido, muy probablemente, la evaporación del principio activo, el ibuprofeno [1]. A efectos de verificación, también se midió el ibuprofeno puro mediante TGA-FT-IR (figura 2). Los espectros de los gases liberados a 232°C son muy similares para los dos materiales.
Esto demuestra que la pérdida de masa detectada a 235°C (pico DTG, figura 1) en Ibu 400 akut se debe realmente a la evaporación del principio activo (ibuprofeno) y no a la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición de un excipiente. En la figura 1, Ibu 400 akut presenta otros dos escalones de pérdida de masa entre 250°C y 400°C que están parcialmente superpuestos. Probablemente se deban a la descomposición térmica de excipientes presentes en el comprimido como la celulosa microcristalina o el estearato de magnesio [2].
La figura 3 muestra las mediciones TGA a diferentes velocidades de calentamiento. Los efectos se desplazan hacia temperaturas más altas a medida que aumenta la velocidad de calentamiento. Esta dependencia de la curva TGA de la velocidad de calentamiento permite determinar la cinética de reacción.
Determinación de la Cinética de Reacción mediante la Cinética Neo
Las curvas TGA obtenidas constituyen la base para la evaluación cinética de las reacciones que tienen lugar en el intervalo de temperatura medido. Para ello, se utilizó el software NETZSCH Kinetics Neo. Permite modelizar la cinética de reacciones de uno a varios pasos.
Este software puede asignar cada paso individual a distintos tipos de reacción con parámetros cinéticos propios, como la energía de activación, el orden de reacción y el factor preexponencial. Basándose en los resultados, Kinetics Neo es capaz de simular la(s) reacción(es) para programas de temperatura especificados por el usuario.
Para implementarlo, primero se importan las curvas termogravimétricas al software Kinetics Neo. A continuación, se selecciona un modelo de reacción para cada paso (por ejemplo: reacción de enésimo orden). En función del modelo de reacción elegido, el software calcula las curvas termogravimétricas. La pertinencia del modelo se evalúa mediante el coeficiente de correlación entre las curvas medidas y las calculadas.
Para la primera pérdida de masa, el software calcula una curva con un modelo de reacción de un solo paso, A → B. El comportamiento de la muestra en el intervalo de temperaturas de 250°C a 450°C se describe con tres pasos independientes (C→D, E→F y G→H) porque es el que mejor se ajusta a los datos medidos en este intervalo de temperaturas.
La figura 4 muestra una comparación de las curvas medidas y calculadas para dicho modelo. Con un coeficiente de correlación superior a 0,999, el modelo cinético describe muy bien el proceso de reacción.
Para cada paso de la reacción, Kinetics Neo calcula los parámetros cinéticos: energía de activación, orden de reacción, contribución del paso al proceso global, etc. La Tabla 1 los presenta para los cuatro pasos.
Tab. 1. Parámetros cinéticos de las cuatro etapas
| Reacción | A → B | C → D | E → F | G → H |
| Tipo de reacción | enésimo orden | enésimo orden | 1er orden | enésimo orden |
| Energía de activación [kJ/mol] | 77.823 | 181.866 | 148.941 | 460.643 |
| Log(PreExp) [Log(1/s)] | 6.814 | 14.911 | 10.511 | 38.543 |
| Orden de reacción | 0.286 | 1.332 | 1 | 13.410 |
| Contribución | 0.912 | 0.022 | 0.034 | 0.033 |
¿Cuál es la razón de la diferencia observada?
Las mediciones termogravimétricas utilizadas para el cálculo en Kinetics Neo se realizaron en un trozo de un comprimido Ibu 400 akut. En cambio, la medición de validación se realizó sobre un polvo producido al triturar el comprimido.
Como ya se ha mencionado, el primer paso de pérdida de masa se debe a la evaporación del ibuprofeno, que depende de la superficie de la muestra [1]. Cabe esperar que la mayor superficie de la muestra asociada al material triturado tenga una gran influencia en la curva TGA.
En un segundo experimento, se volvió a realizar la medición anterior (calentamiento a 200°C e isoterma), pero esta vez utilizando un trozo de la pastilla. ¡La nueva curva termogravimétrica corresponde ahora muy bien a la calculada por Kinetics Neo! (Véase la figura 6.)
Conclusión
Se realizaron mediciones TGA en un comprimido de ibuprofeno (nombre comercial: Ibu 400): una en una pieza sólida y otra en un polvo. Las mediciones FT-IR permitieron demostrar que la primera etapa de pérdida de masa se debe a la evaporación del principio activo. Además, este proceso depende en gran medida de la superficie de la muestra, por lo que los resultados de las mediciones realizadas en un trozo del comprimido difieren de las realizadas en el polvo. Esto también tiene un gran impacto en el análisis cinético. Un análisis cinético de este tipo es especialmente útil cuando se investiga la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica de un producto farmacéutico.
Referencias
[1] A thermal analysis study of ibuprofen, S. Lerd-kanchanaporn y D. Dollimore, Journal of Thermal Analysis, Vol. 49 (1997), Issue 2, pp 879-886
[2] NETZSCH Nota de aplicación 120: Estudios de compatibilidad del diclofenaco sódico - Rápido y fácil con el análisis térmico; Figuras 5 y 9