Conseils et astuces
Comment éviter les résultats erronés dus à une mauvaise préparation de l'échantillon
Une balance thermogravimétrique mesure les variations de masse d'un échantillon au cours d'un programme température/temps (DIN 51005). Il est ainsi possible de déterminer les températures des processus chimiques et physiques qui induisent un changement de masse.
Les processus comprennent la VaporisationLa vaporisation d'un élément ou d'un composé est une transition de la phase liquide à la phase vapeur. Il existe deux types de vaporisation : l'évaporation et l'ébullition.vaporisation, la sublimation, la désolvatation et la décomposition thermique et oxydative, entre autres.
Il est bien connu que la courbe thermogravimétrique est influencée par les facteurs suivants :
- Vitesse de chauffage
- Géométrie de l'échantillon
- Masse de l'échantillon
Si, par exemple, la vitesse de chauffage et la masse de l'échantillon sont augmentées, les effets de l'ATG détectés sont également déplacés vers des températures plus élevées. Cependant, il est également possible de jouer sur les facteurs vitesse de chauffe et masse de l'échantillon, afin d'obtenir le plus d'informations possible à partir de la courbe de mesure : meilleure séparation des effets superposés par la variation de la vitesse de chauffe et/ou de la masse de l'échantillon, amplification des effets à l'échelle small en les augmentant, etc.
Une mauvaise préparation de l'échantillon peut être la cause de plus qu'un simple décalage des pertes de masse contrôlées par l'ATG : elle peut conduire à des résultats significativement différents. Avec la thermogravimétrie, les échantillons solides peuvent être mesurés comme une poudre ou un morceau de comprimé ; les liquides peuvent également être mesurés. Il faut toutefois savoir que des courbes TGA reproductibles ne peuvent être obtenues qu'en utilisant systématiquement la même préparation de l'échantillon (forme de l'échantillon) et les mêmes conditions de mesure. En particulier, la surface de l'échantillon influence certains processus, comme l'évaporation des solvants ou la décomposition oxydative (combustion). Par conséquent, ces effets sont associés à des températures différentes selon que l'échantillon étudié est une poudre ou qu'il est composé d'une seule pièce. Dans ce qui suit, les mesures thermogravimétriques sont utilisées pour effectuer une analyse cinétique de la réaction. Cet exemple montre à quel point la préparation de l'échantillon peut être cruciale pour tirer les bonnes conclusions.
Mesures TGA-FT-IR sur le comprimé d'ibuprofène
Les mesures ont été effectuées sur un comprimé d'ibuprofène, Ibu 400 akut, commercialisé par 1A Pharma®. Ce comprimé contient de l'ibuprofène en tant qu'IPA (ingrédient pharmaceutique actif) ; il s'agit de l'un des anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS) les plus fréquemment utilisés. Il contient également des excipients qui agissent comme agents de remplissage, lubrifiants, désintégrants, etc.
Les mesures ont été effectuées à différentes vitesses de chauffage entre 5 et 20 K/min avec la thermobalance TG 209 F1 Nevio dans une atmosphère d'azote dynamique. Des creusets en oxyde d'aluminium ont été utilisés. Les masses des échantillons étaient comprises entre 9,93 mg et 10,09 mg. Les gaz dégagés pendant le chauffage ont été directement transférés dans la cellule à gaz du spectromètre FT-IR de Bruker Optics.
La figure 1 présente la mesure TGA sur le comprimé d'ibuprofène commercial à une vitesse de chauffage de 10 K/min ainsi que la courbe DTG (dérivée première de la courbe TGA). En outre, le signal DTA calculé (c-DTA®, la différence entre la température du four et celle de l'échantillon) est affiché entre 70°C et 100°C (courbe bleue).
Pour une meilleure lisibilité du tracé, le signal c-DTA® n'a été affiché que dans la plage de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion de l'ibuprofène. Le pic détecté à 75°C (température d'apparition extrapolée) n'est pas associé à une perte de masse ; il ne résulte pas de la décomposition ou de l'évaporation, qui induiraient des changements de masse dans la courbe TGA, mais de la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion de l'ibuprofène. La première perte de masse avec une température d'apparition extrapolée de 204°C s'élève à 85%. Elle indique la décomposition ou l'évaporation d'un composant présent dans le comprimé, très probablement l'évaporation de l'ingrédient actif, l'ibuprofène [1]. À des fins de vérification, l'ibuprofène pur a également été mesuré par TGA-FT-IR (figure 2). Les spectres des gaz libérés à 232°C sont très similaires pour les deux matériaux.
Ceci prouve que la perte de masse détectée à 235°C (pic DTG, figure 1) dans l'Ibu 400 akut résulte en fait de l'évaporation du principe actif (ibuprofène) et n'est pas due à la décomposition d'un excipient. Dans la figure 1, l'Ibu 400 akut présente deux autres étapes de perte de masse entre 250°C et 400°C qui se chevauchent partiellement. Elles sont probablement dues à la décomposition thermique des excipients présents dans le comprimé comme la cellulose microcristalline ou le stéarate de magnésium [2].
La figure 3 montre les mesures TGA à différentes vitesses de chauffage. Les effets sont déplacés vers des températures plus élevées au fur et à mesure que les vitesses de chauffage augmentent. Cette dépendance de la courbe TGA par rapport à la vitesse de chauffage permet de déterminer la cinétique de la réaction.
Détermination de la cinétique de la réaction au moyen du Neo cinétique
Les courbes TGA obtenues constituent la base de l'évaluation cinétique des réactions se produisant dans la plage de température mesurée. Pour ce faire, le logiciel NETZSCH Kinetics Neo a été utilisé. Il permet de modéliser la cinétique des réactions à une ou plusieurs étapes.
Ce logiciel peut assigner chaque étape individuelle à différents types de réaction avec leurs propres paramètres cinétiques, tels que l'énergie d'activation, l'ordre de réaction et le facteur pré-exponentiel. Sur la base des résultats, Kinetics Neo est capable de simuler la ou les réactions pour des programmes de température spécifiés par l'utilisateur.
Pour la mise en œuvre, les courbes thermogravimétriques sont d'abord importées dans le logiciel Kinetics Neo. Ensuite, un modèle de réaction est sélectionné pour chaque étape (par exemple : réaction d'ordre n ). Sur base du modèle de réaction choisi, le logiciel calcule les courbes thermogravimétriques. La pertinence du modèle est évaluée via le coefficient de corrélation entre les courbes mesurées et calculées.
Pour la première perte de masse, le logiciel calcule une courbe avec un modèle de réaction à une étape, A → B. Le comportement de l'échantillon dans la plage de température de 250°C à 450°C est décrit avec trois étapes indépendantes (C→D, E→F et G→H) parce que c'est le meilleur ajustement pour les données mesurées dans cette plage de température.
La figure 4 présente une comparaison des courbes mesurées et calculées pour un tel modèle. Avec un coefficient de corrélation supérieur à 0,999, le modèle cinétique décrit très bien le processus de réaction.
Pour chaque étape de la réaction, Kinetics Neo calcule les paramètres cinétiques : énergie d'activation, ordre de réaction, contribution de l'étape au processus global, etc. Le tableau 1 les présente pour les quatre étapes.
Tab. 1. Paramètres cinétiques pour les quatre étapes
| Réaction | A → B | C → D | E → F | G → H |
| Type de réaction | ordre n | ordre n | 1er ordre | ordre n |
| Énergie d'activation [kJ/mol] | 77.823 | 181.866 | 148.941 | 460.643 |
| Log(PreExp) [Log(1/s)] | 6.814 | 14.911 | 10.511 | 38.543 |
| Ordre de réaction | 0.286 | 1.332 | 1 | 13.410 |
| Contribution | 0.912 | 0.022 | 0.034 | 0.033 |
Quelle est la raison de la différence observée ?
Les mesures thermogravimétriques utilisées pour les calculs de Kinetics Neo ont été effectuées sur un morceau de comprimé Ibu 400 akut. En revanche, la mesure de validation a été effectuée sur une poudre produite par écrasement du comprimé.
Comme mentionné précédemment, la première étape de la perte de masse est due à l'évaporation de l'ibuprofène, qui dépend de la surface de l'échantillon [1]. On peut s'attendre à ce que la plus grande surface de l'échantillon associée au matériau broyé ait une forte influence sur la courbe TGA.
Dans une deuxième expérience, la mesure précédente (chauffage à 200°C et isotherme) a été effectuée à nouveau, mais cette fois-ci en utilisant un morceau du comprimé. La nouvelle courbe thermogravimétrique correspond maintenant très bien à celle calculée par Kinetics Neo ! (Voir figure 6.)
Conclusion
Des mesures TGA ont été effectuées sur un comprimé d'ibuprofène (nom commercial : Ibu 400) : une sur un morceau solide et une sur une poudre. Les mesures FT-IR ont permis de démontrer que la première étape de perte de masse résulte de l'évaporation de l'ingrédient actif. En outre, ce processus dépend fortement de la surface de l'échantillon, de sorte que les résultats des mesures effectuées sur un morceau de comprimé diffèrent de ceux effectués sur la poudre. Ceci a également un impact important sur l'analyse cinétique. Une telle analyse cinétique est particulièrement utile pour étudier la stabilité thermique d'un produit pharmaceutique.
Références
[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 : Études de compatibilité sur le diclofénac sodique - rapides et faciles grâce à l'analyse thermique ; figures 5 et 9