Tippek és trükkök
Hogyan kerülhetők el a nem megfelelő mintaelőkészítés miatti hibás eredmények
A termogravimetriás mérleg a minta tömegváltozását méri egy hőmérséklet/idő program során (DIN 51005). Ennek eredményeként meghatározhatók a tömegváltozást előidéző kémiai és fizikai folyamatok hőmérsékletei.
A folyamatok közé tartozik többek között a gőzölés, szublimáció, deszolváció, valamint a termikus és oxidatív Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás.
Közismert, hogy a termogravimetriás görbét a következő tényezők befolyásolják:
- Fűtési sebesség
- A minta geometriája
- A minta tömege
Ha például a fűtési sebességet és a mintatömeget növeljük, a detektált TGA-hatások is magasabb hőmérsékletre tolódnak. Lehetőség van azonban a fűtési sebesség és a mintatömeg tényezőivel való játékra is, hogy a mérési görbéből minél több információt nyerjünk: az átfedő hatások jobb elkülönítése a fűtési sebesség és/vagy a mintatömeg változtatásával, a small-skála hatásainak felnagyítása ezek növelésével stb.
A nem megfelelő mintaelőkészítés nem csak a TGA által megfigyelt tömegveszteségek eltolódását okozhatja: jelentősen eltérő eredményekhez vezethet. A termogravimetriával szilárd minták mérhetők por vagy tabletta darabjaként; folyadékok is mérhetők. Tudni kell azonban, hogy reprodukálható TGA-görbék csak akkor kaphatók, ha következetesen ugyanazt a mintaelőkészítést (mintaformát) és mérési körülményeket alkalmazzuk. Különösen a minta felülete befolyásol bizonyos folyamatokat, ami az oldószerek PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgásánál vagy az oxidatív bomlásnál (égés) figyelhető meg. Ennek következtében ezek a hatások különböző hőmérsékletekkel járnak, attól függően, hogy a vizsgált minta por vagy egy darabból álló minta. A következőkben termogravimetriás méréseket használunk a reakció kinetikai elemzésének elvégzésére. Ez a példa bemutatja, hogy a minta előkészítése mennyire fontos lehet a helyes következtetések levonásához.
TGA-FT-IR mérések az ibuprofen tablettán
A méréseket az 1A Pharma® által forgalmazott Ibu 400 akut nevű ibuprofen tablettán végeztük. Ez a tabletta ibuprofent tartalmaz hatóanyagként (hatóanyag); ez az egyik leggyakrabban használt nem-szteroid gyulladáscsökkentő gyógyszer (NSAID). Továbbá tartalmaz olyan segédanyagokat is, amelyek töltőanyagként, kenőanyagként, dezintegrálószerként stb. működnek.
A méréseket különböző, 5 és 20 K/perc közötti fűtési sebességgel végeztük a TG 209 F1 Nevio hőmérleggel dinamikus nitrogén atmoszférában. Alumínium-oxid tégelyeket használtak. A minták tömege 9,93 mg és 10,09 mg között volt. A hevítés során keletkező gázokat közvetlenül a Bruker Optics FT-IR spektrométer gázcellájába vezettük.
Az 1. ábra a kereskedelmi forgalomban kapható ibuprofén tablettán 10 K/perc fűtési sebességgel végzett TGA-mérést mutatja a DTG-görbével (a TGA-görbe első deriváltja) együtt. Ezenkívül a számított DTA-jel (c-DTA®®, a kemence és a minta hőmérséklete közötti különbség) 70°C és 100°C között látható (kék görbe).
A grafikon jobb olvashatósága érdekében a c-DTA®® jelet csak az ibuprofén Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadásának hőmérsékleti tartományában jelenítettük meg. A 75°C-on (extrapolált kezdeti hőmérséklet) észlelt csúcs nem tömegveszteséggel jár; nem bomlásból vagy párolgásból származik, ami tömegváltozást idézne elő a TGA-görbén, hanem az ibuprofén Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadásából. Az első tömegveszteség a 204 °C-os extrapolált kezdőhőmérséklet mellett 85%. Ez a tablettában jelen lévő komponens Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlását vagy PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgását jelzi, valószínűleg a hatóanyag, az ibuprofén PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgását [1]. Az ellenőrzés érdekében a tiszta ibuprofent is megmértük TGA-FT-IR segítségével (2. ábra). A 232°C-on felszabaduló gázok spektrumai nagyon hasonlóak a két anyag esetében.
Ez bizonyítja, hogy az Ibu 400 akutban 235°C-on észlelt tömegveszteség (DTG-csúcs, 1. ábra) valójában a hatóanyag (ibuprofén) PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgásából származik, és nem a segédanyag Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásából. Az 1. ábrán az Ibu 400 akut két további tömegvesztési lépést mutat 250°C és 400°C között, amelyek részben átfedik egymást. Ezek valószínűleg a tablettában lévő segédanyagok, mint a mikrokristályos cellulóz vagy a magnézium-sztearát termikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásának köszönhetőek [2].
A 3. ábra a TGA-méréseket mutatja különböző fűtési sebességek mellett. A hatások a fűtési sebesség növekedésével magasabb hőmérsékletre tolódnak. A TGA-görbének ez a fűtési sebességtől való függése lehetővé teszi a reakciókinetika meghatározását.
A reakció kinetikájának meghatározása a Kinetics Neo segítségével
A kapott TGA-görbék képezik a mért hőmérséklettartományban lejátszódó reakciók kinetikai értékelésének alapját. Ehhez a NETZSCH Kinetics Neo szoftvert használták. Ez lehetővé teszi az egy- és többlépéses reakciók kinetikájának modellezését.
Ez a szoftver minden egyes lépést különböző reakciótípusokhoz tud rendelni, saját kinetikai paraméterekkel, például aktiválási energiával, reakciórenddel és preexponenciális faktorral. Az eredmények alapján a Kinetics Neo képes szimulálni a reakció(ka)t a felhasználó által megadott hőmérsékleti programokhoz.
A megvalósításhoz a termogravimetriás görbéket először importálni kell a Kinetics Neo szoftverbe. Ezután minden egyes lépéshez kiválasztunk egy reakciómodellt (például: n-edik rendű reakció). A kiválasztott reakciómodell alapján a szoftver kiszámítja a termogravimetriás görbéket. A modell helytállóságát a mért és a számított görbék közötti korrelációs együttható alapján értékelik.
Az első tömegveszteséghez a szoftver egy egylépéses reakciómodellel számol egy görbét, A → B. A minta viselkedését a 250°C és 450°C közötti hőmérséklet-tartományban három független lépéssel írja le (C→D, E→F és G→H), mivel ez a legjobb illeszkedés a mért adatokhoz ebben a hőmérséklet-tartományban.
A 4. ábra mutatja a mért és a számított görbék összehasonlítását egy ilyen modell esetében. A 0,999-nél nagyobb korrelációs együtthatóval a kinetikai modell nagyon jól leírja a reakciófolyamatot.
A Kinetics Neo minden egyes reakciólépéshez kiszámítja a kinetikai paramétereket: aktiválási energia, reakciórend, a lépés hozzájárulása a globális folyamathoz stb. Az 1. táblázat mind a négy lépésre vonatkozóan bemutatja ezeket.
Tab. 1. A négy lépés kinetikai paraméterei
| Reakció | A → B | C → D | E → F | G → H |
| Reakció típusa | n-edik rend | n-edik rend | 1. rend | n-edik rend |
| Aktiválási energia [kJ/mol] | 77.823 | 181.866 | 148.941 | 460.643 |
| Log(PreExp) [Log(1/s)] | 6.814 | 14.911 | 10.511 | 38.543 |
| Reakció sorrendje | 0.286 | 1.332 | 1 | 13.410 |
| Hozzájárulás | 0.912 | 0.022 | 0.034 | 0.033 |
Mi az oka a megfigyelt különbségnek?
A Kinetics Neo számításokhoz használt termogravimetriás méréseket egy darab Ibu 400 akut tablettán végeztük. Ezzel szemben a validációs mérést a tabletta összezúzásával előállított poron végeztük.
Mint már említettük, az első tömegveszteségi lépés az ibuprofén elpárolgása miatt következik be, ami a minta felületétől függ [1]. Várható, hogy a zúzott anyaggal járó nagyobb mintafelület nagymértékben befolyásolja a TGA-görbét.
Egy második kísérletben az előző mérést (200°C-ra történő melegítés és izotermia) ismét elvégeztük, de ezúttal a tabletta egy darabját használva. Az új termogravimetriai görbe most már nagyon jól megfelel a Kinetics Neo által számított görbének! (Lásd a 6. ábrát.)
Következtetés
TGA-méréseket végeztünk egy ibuprofen tablettán (kereskedelmi neve: Ibu 400): egyet szilárd darabon, egyet pedig poron. Az FT-IR mérésekkel sikerült kimutatni, hogy az első tömegveszteségi lépés a hatóanyag PárologtatásEgy elem vagy vegyület elpárolgása fázisátalakulás a folyékony fázisból gőzzé. A párolgásnak két típusa létezik: a párolgás és a forrás.elpárolgásából ered. Ráadásul ez a folyamat nagymértékben függ a minta felületétől, ezért a tabletta egy darabján végzett mérések eredményei eltérnek a poron végzettektől. Ez szintén nagy hatással van a kinetikai elemzésre. Az ilyen kinetikai elemzés különösen hasznos a gyógyszer HőstabilitásEgy anyag hőstabil, ha a hőmérséklet hatására nem bomlik el. Egy anyag hőstabilitásának meghatározására a TGA (termogravimetriás analizátor) egyik módja. hőstabilitásának vizsgálatakor.
Hivatkozások
[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: Diklofenák-nátrium kompatibilitási vizsgálatok - gyorsan és egyszerűen a termikus analízissel; 5. és 9. ábra