Vinkkejä ja niksejä
Miten välttää virheelliset tulokset, jotka johtuvat näytteen vääränlaisesta valmistuksesta.
Termogravimetrinen vaaka mittaa näytteen massanmuutokset lämpötila-aika-ohjelman aikana (DIN 51005). Näin voidaan määrittää massanmuutoksen aiheuttavien kemiallisten ja fysikaalisten prosessien lämpötilat.
Prosessit sisältävät muun muassa höyrystymisen, sublimoitumisen, liuottamisen sekä lämpö- ja hapetushajoamisen.
On hyvin tiedossa, että termogravimetriseen käyrään vaikuttavat seuraavat tekijät:
- Lämmitysnopeus
- Näytteen geometria
- Näytteen massa
Jos esimerkiksi lämmitysnopeutta ja näytteen massaa kasvatetaan, myös havaitut TGA-ilmiöt siirtyvät korkeampiin lämpötiloihin. Kuumennusnopeudella ja näytemassalla voidaan kuitenkin myös leikitellä, jotta mittauskäyrästä saataisiin mahdollisimman paljon tietoa: päällekkäisten vaikutusten parempi erottelu vaihtelemalla kuumennusnopeutta ja/tai näytemassaa, small-mittakaavan vaikutusten suurentaminen lisäämällä niitä jne.
Näytteen virheellinen valmistelu voi aiheuttaa muutakin kuin vain TGA:lla seurattujen massahäviöiden siirtymisen: se voi johtaa merkittävästi erilaisiin tuloksiin. Termogravimetrialla voidaan mitata kiinteitä näytteitä jauheena tai tabletin palana; myös nesteitä voidaan mitata. On kuitenkin huomattava, että toistettavat TGA-käyrät saadaan vain käyttämällä johdonmukaisesti samaa näytteen valmistusta (näytemuotoa) ja mittausolosuhteita. Erityisesti näytteen pinta vaikuttaa tiettyihin prosesseihin, mikä näkyy esimerkiksi liuottimien haihtumisessa tai hapettuvassa hajoamisessa (palamisessa). Tämän seurauksena näihin vaikutuksiin liittyy erilaisia lämpötiloja riippuen siitä, onko tutkittu näyte jauhe vai koostuuko se yhdestä kappaleesta. Seuraavassa käytetään termogravimetrisiä mittauksia reaktion kineettisen analyysin suorittamiseen. Tämä esimerkki osoittaa, kuinka tärkeää näytteen valmistelu voi olla oikeiden päätelmien tekemisessä.
Ibuprofeenitabletin TGA-FT-IR-mittaukset
Mittaukset suoritettiin 1A Pharma®:n markkinoimalle ibuprofeenitabletille, Ibu 400 akut. Tämä tabletti sisältää ibuprofeenia vaikuttavana aineena (Active Pharmaceutical Ingredient, API); se on yksi yleisimmin käytetyistä steroideihin kuulumattomista tulehduskipulääkkeistä (NSAID). Lisäksi se sisältää myös apuaineita, jotka toimivat täyteaineina, voiteluaineina, hajoamisaineina jne.
Mittaukset suoritettiin eri lämmitysnopeuksilla välillä 5-20 K/min TG 209 F1 Nevio lämpövaakamittarilla dynaamisessa typpi-ilmakehässä. Käytettiin alumiinioksidia olevia upokkaita. Näytteiden massat vaihtelivat 9,93 mg:sta 10,09 mg:aan. Kuumennuksen aikana kehittyneet kaasut johdettiin suoraan Bruker Opticsin FT-IR-spektrometrin kaasukennoon.
Kuvassa 1 esitetään kaupallisen ibuprofeenitabletin TGA-mittaus lämmitysnopeudella 10 K/min sekä DTG-käyrä (TGA-käyrän ensimmäinen derivaatta). Lisäksi näytetään laskettu DTA-signaali (c-DTA®®, uunin ja näytteen lämpötilan erotus) 70 °C:n ja 100 °C:n välillä (sininen käyrä).
Kaavion luettavuuden parantamiseksi c-DTA®® -signaali näytettiin vain ibuprofeenin Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamislämpötila-alueella. Huippu, joka havaittiin 75 °C:ssa (ekstrapoloitu alkamislämpötila), ei liity massahäviöön; se ei johdu hajoamisesta tai haihtumisesta, jotka aiheuttaisivat massan muutoksia TGA-käyrään, vaan ibuprofeenin sulamisesta. Ensimmäinen massahäviö ekstrapoloidun alkamislämpötilan ollessa 204 °C on 85 %. Se viittaa tabletissa olevan komponentin hajoamiseen tai haihtumiseen, todennäköisesti vaikuttavan aineen, ibuprofeenin, haihtumiseen [1]. Varmennusta varten puhdas ibuprofeeni mitattiin myös TGA-FT-IR-menetelmällä (kuva 2). Kaasujen spektrit, jotka vapautuvat 232 °C:n lämpötilassa, ovat hyvin samankaltaisia molemmilla materiaaleilla.
Tämä osoittaa, että Ibu 400 akutissa 235 °C:ssa havaittu massahäviö (DTG-piikki, kuva 1) johtuu itse asiassa vaikuttavan aineen (ibuprofeeni) haihtumisesta eikä apuaineen hajoamisesta. Kuvassa 1 Ibu 400 akutissa on kaksi muuta massahäviöaskelta 250 °C:n ja 400 °C:n välillä, jotka ovat osittain päällekkäisiä. Ne johtuvat todennäköisesti tabletissa olevien apuaineiden, kuten mikrokiteisen selluloosan tai magnesiumstearaatin, termisestä hajoamisesta [2].
Kuvassa 3 esitetään TGA-mittaukset eri lämmitysnopeuksilla. Vaikutukset siirtyvät korkeampiin lämpötiloihin lämmitysnopeuden kasvaessa. Tämä TGA-käyrän riippuvuus lämmitysnopeudesta mahdollistaa reaktiokinetiikan määrittämisen.
Reaktiokinetiikan määrittäminen käyttäen apuna Kinetics Neo
Saadut TGA-käyrät ovat perustana mitatulla lämpötila-alueella tapahtuvien reaktioiden kineettiselle arvioinnille. Tähän käytettiin NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmistoa. Sen avulla voidaan mallintaa yksivaiheisten ja monivaiheisten reaktioiden kinetiikkaa.
Ohjelmistolla voidaan luokitella kukin yksittäinen vaihe eri reaktiotyyppeihin, joilla on omat kineettiset parametrit, kuten aktivoitumisenergia, reaktiojärjestys ja esieksponentiaalikerroin. Tulosten perusteella Kinetics Neo pystyy simuloimaan reaktion (reaktiot) käyttäjän määrittämillä lämpötilaohjelmilla.
Toteuttamista varten termogravimetriset käyrät tuodaan ensin Kinetics Neo -ohjelmistoon. Sitten valitaan reaktiomalli kullekin vaiheelle (esimerkiksi n:nnen kertaluvun reaktio). Ohjelmisto laskee termogravimetriset käyrät valitun reaktiomallin perusteella. Mallin soveltuvuutta arvioidaan mitattujen ja laskettujen käyrien välisen korrelaatiokertoimen avulla.
Ensimmäistä massahäviötä varten ohjelmisto laskee käyrän, jossa käytetään yksivaiheista reaktiomallia A → B. Näytteen käyttäytymistä lämpötila-alueella 250°C-450°C kuvataan kolmella itsenäisellä vaiheella (C→D, E→F ja G→H), koska tämä sopii parhaiten mitattuihin tietoihin tällä lämpötila-alueella.
Kuvassa 4 esitetään mitattujen ja laskettujen käyrien vertailu tällaisella mallilla. Kun korrelaatiokerroin on yli 0,999, kineettinen malli kuvaa reaktioprosessia erittäin hyvin.
Kullekin reaktiovaiheelle Kinetics Neo laskee kineettiset parametrit: aktivoitumisenergia, reaktiojärjestys, vaiheen osuus kokonaisprosessissa jne. Taulukossa 1 esitetään ne kaikille neljälle vaiheelle.
Välilehti. 1. Kineettiset parametrit neljässä vaiheessa
| Reaktio | A → B | C → D | E → F | G → H |
| Reaktiotyyppi | n:nnen kertaluvun | n:nnen kertaluvun | 1. järjestys | n:s järjestys |
| Aktivoitumisenergia [kJ/mol] | 77.823 | 181.866 | 148.941 | 460.643 |
| Log(PreExp) [Log(1/s)] | 6.814 | 14.911 | 10.511 | 38.543 |
| Reaktiojärjestys | 0.286 | 1.332 | 1 | 13.410 |
| Osuus | 0.912 | 0.022 | 0.034 | 0.033 |
Mikä on havaitun eron syy?
Termogravimetriset mittaukset, joita käytettiin laskelmissa osoitteessa Kinetics Neo, tehtiin Ibu 400 akut -tabletin palasta. Tästä poiketen validointimittaus suoritettiin tabletin murskaamisesta syntyneestä jauheesta.
Kuten edellä mainittiin, ensimmäinen massahäviö johtuu ibuprofeenin haihtumisesta, joka on riippuvainen näytteen pinnasta [1]. Voidaan odottaa, että murskattuun materiaaliin liittyvä suurempi näytteen pinta vaikuttaa voimakkaasti TGA-käyrään.
Toisessa kokeessa edellinen mittaus (kuumentaminen 200 °C:seen ja IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.isoterminen) tehtiin uudelleen, mutta tällä kertaa käyttäen tabletin palaa. Uusi termogravimetrinen käyrä vastaa nyt erittäin hyvin Kinetics Neo laskettua käyrää ! (Katso kuva 6.)
Päätelmä
TGA-mittaukset tehtiin ibuprofeenitabletille (kauppanimi: Ibu 400): yksi kiinteälle kappaleelle ja yksi jauheelle. FT-IR-mittauksilla voitiin osoittaa, että ensimmäinen massahäviö johtuu vaikuttavan aineen haihtumisesta. Lisäksi tämä prosessi on hyvin riippuvainen näytteen pinnasta, joten tabletin palasta tehtyjen mittausten tulokset eroavat jauheesta tehdyistä mittauksista. Tällä on myös suuri vaikutus kineettiseen analyysiin. Tällainen kineettinen analyysi on erityisen hyödyllinen, kun tutkitaan lääkkeen lämpöstabiilisuutta.
Viitteet
[1] A thermal analysis study of ibuprofen, S. Lerd-kanchanaporn ja D. Dollimore, Journal of Thermal Analysis, Vol. 49 (1997), Issue 2, s. 879-886
[2] NETZSCH Application Note 120: Diklofenaakkinatriumin yhteensopivuustutkimukset - nopeasti ja helposti lämpöanalyysin avulla; kuvat 5 ja 9