Johdanto
Laktoosi on galaktoosista ja glukoosista koostuva disakkaridisokeri, jota esiintyy nisäkkäiden maidossa. Laktoosia on maidossa noin 2-8 prosenttia (painosta), mutta sen määrä vaihtelee lajeittain ja yksilöittäin. Nimi tulee sanasta lac (gen. lactis), joka on latinankielinen sana maidosta ja johon on lisätty sokerien nimeämiseen käytetty -ose-pääte [2].
Laktoosia voidaan saada amorfisessa tai kiteisessä muodossa. Maidossa esiintyy sekä α- että ß-kiteistä muotoa. Ne eroavat toisistaan hiilirenkaan hydroksyyliryhmän suuntautumisen suhteen. α-laktoosi kiteytyy monohydraattina, kun taas ß-laktoosi ei sisällä kiteistä vettä, joten sitä kutsutaan usein vedettömäksi laktoosiksi. Amorfista laktoosia saadaan, kun erittäin väkevä laktoosiliuos kuivataan nopeasti [3]. Kaikkia näitä laktoosin muotoja käytetään lääkevalmisteiden apuaineina. Kummankin fysikaaliset ominaisuudet eroavat kuitenkin huomattavasti kahdesta muusta, joten niitä käytetään eri tarkoituksiin [3].
Mittausolosuhteet
Mittaukset suoritettiin TG 209 -laitteella F1 Libra® typpi-ilmakehässä. Laktoosinäyte (alkumassa 6,43 mg) asetettiin alumiinioksidia sisältävään upokkaaseen ja kuumennettiin huoneenlämmöstä 600 °C:seen nopeudella 10 K/min. Kuumennuksen aikana kehittyneet kaasut johdettiin suoraan Bruker Opticsin FT-IR-spektrometrin kaasukennoon.
Mittaustulokset
Kuvassa 2 esitetään massahäviökäyrä sekä sen ensimmäinen derivaatta (DTG). Gram-Schmidt-käyrä osoittaa FT-IR-kuumennuksen aikana havaittujen kehittyneiden aineiden määrän.
Ensimmäisessä massahäviövaiheessa, jonka DTG-piikki on 143 °C:ssa, näyte menettää 5 % alkuperäisestä massastaan. Laktoosin molekyylimassa on 342,3 g/mol [2]. Laktoosimonohydraatissa kukin laktoosimolekyyli liittyy yhteen vesimolekyyliin, jolloin molekyylimassaksi saadaan 360,3 g/mol. Tämä vastaa 5 prosentin massahäviötä heti, kun kiteen vesi on vapautunut kokonaan.
Kuvassa 3 esitetään kuumentamisen aikana vapautuvien tuotteiden kolmiulotteinen spektri. 147 °C:ssa vapautuvien tuotteiden spektri (kuva 4, ylin spektri) osoittaa, että tässä lämpötilassa haihtuu vain vettä: Se on näytteen sisältämää kiteistä vettä. Tämä yhdessä edellä käsitellyn 5 prosentin massahäviön kanssa vahvistaa, että tutkittava laktoosinäyte on monohydraatti.
Laktoosimonohydraatin HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen alkaa 224 °C:ssa (TGA-käyrän alkamislämpötila). Prosessi etenee kahdessa vaiheessa, kuten DTG-käyrän kahdesta piikistä voidaan nähdä. Ensimmäinen 8 prosentin massahäviö liittyy hajoamisen seurauksena vapautuvaan uuteen veteen (kuva 4, spektri keskellä).
Toinen hajoamisvaihe tapahtuu 301 °C:ssa (DTG-käyrän huippu), jolloin massahäviö on 71 %. Kuvassa 5 esitetään FT-IR-ilmaisimella havaittujen aineiden spektri 309 °C:ssa (ylhäällä). Vertailu kirjaston spektreihin osoittaa, että laktoosi hajoaa; laktoosin rakennerengas rikkoutuu ja hiilidioksidia ja todennäköisesti etaanidiolia vapautuu.
Muiden vapautuvien aineiden havaitsemiseksi paremmin veden FT-IR-kirjastospektri vähennettiin 309 °C:ssa mitatusta FT-IR-spektristä (kuva 6). Näin hiilimonoksidi ja C=O-sidokset voitiin tunnistaa kehittyneistä kaasuista.
Päätelmä
Yksi TGA-FT-IR-mittaus riitti saamaan monenlaista tietoa laktoosinäytteestä. Ensinnäkin voitiin varmistaa, että kyseessä on monohydraatti. Toiseksi voitiin määrittää hajoamislämpötila. Lopuksi voitiin todeta Identify, että hajoamisen aikana vapautuneet aineet olivat vettä, hiilidioksidia, hiilimonoksidia, etaanidiolia ja C=O-sidoksen sisältävää tuotetta.
TGA-FT-IR-menetelmää voidaan pitää monitahoisena mittausmenetelmänä, koska siinä yhdistetään kaksi erilaista tehokasta tekniikkaa ja saadaan monenlaisia tuloksia. Monimutkaisuudestaan huolimatta lämpövaaka ja FT-IR-spektrometri voidaan kuitenkin kytkeä yhteen, jolloin näytteen valmistelu ja mittaus ovat erittäin helppoja ja käyttäjäystävällisyys ja korkea suorituskyky yhdistyvät.