Sfaturi și trucuri
Cum să evitați rezultatele incorecte datorate pregătirii necorespunzătoare a probelor
O balanță termogravimetrică măsoară schimbările de masă dintr-o probă în timpul unui program temperatură/timp (DIN 51005). Ca urmare, este posibil să se determine temperaturile proceselor chimice și fizice care induc o modificare a masei.
Procesele includ vaporizarea, sublimarea, desolvarea și descompunerea termică și oxidativă, printre altele.
Este bine cunoscut faptul că curba termogravimetrică este influențată de următorii factori:
- Viteza de încălzire
- Geometria probei
- Masa probei
Dacă, de exemplu, viteza de încălzire și masa probei sunt crescute, efectele TGA detectate sunt, de asemenea, deplasate la temperaturi mai ridicate. Cu toate acestea, este, de asemenea, posibil să se joace cu factorii rata de încălzire și masa probei, pentru a obține cât mai multe informații din curba de măsurare: o mai bună separare a efectelor suprapuse prin variația ratei de încălzire și/sau a masei probei, amplificarea efectelor la scara small prin creșterea acestora etc.
Pregătirea necorespunzătoare a probei poate fi cauza a mai mult decât o simplă schimbare a pierderilor de masă monitorizate de TGA: poate duce la rezultate semnificativ diferite. Cu ajutorul termogravimetriei, se pot măsura probe solide ca o pulbere sau o bucată de tabletă; se pot măsura și lichide. Cu toate acestea, trebuie să se știe că se pot obține curbe TGA reproductibile numai prin utilizarea consecventă a aceleiași pregătiri a probei (forma probei) și condiții de măsurare. În special, suprafața probei influențează anumite procese, care pot fi observate în evaporarea solvenților sau în descompunerea oxidativă (combustie). În consecință, aceste efecte sunt asociate cu temperaturi diferite în funcție de faptul dacă eșantionul investigat este o pulbere sau este compus dintr-o singură bucată. În cele ce urmează, măsurătorile termogravimetrice sunt utilizate pentru a efectua analiza cinetică a reacției. Acest exemplu demonstrează cât de crucială poate fi pregătirea probei pentru a trage concluzii corecte.
Măsurători TGA-FT-IR pe tableta de ibuprofen
Măsurătorile au fost efectuate pe o tabletă de ibuprofen, Ibu 400 akut, comercializată de 1A Pharma®. Această tabletă conține ibuprofen ca API (ingredient farmaceutic activ); acesta este unul dintre cele mai frecvent utilizate medicamente antiinflamatoare nesteroidiene (AINS). În plus, aceasta include și excipienți care acționează ca umpluturi, lubrifianți, dezintegranți etc.
Măsurătorile au fost efectuate la diferite viteze de încălzire între 5 și 20 K/min cu termobalanța TG 209 F1 Nevio într-o atmosferă dinamică de azot. Au fost utilizate creuzete din oxid de aluminiu. Masele probelor au variat de la 9,93 mg la 10,09 mg. Gazele dezvoltate în timpul încălzirii au fost transferate direct în celula de gaz a spectrometrului FT-IR de la Bruker Optics.
Figura 1 prezintă măsurarea TGA pe tableta comercială de ibuprofen la o rată de încălzire de 10 K/min, împreună cu curba DTG (prima derivată a curbei TGA). În plus, semnalul DTA calculat (c-DTA®®, diferența dintre temperatura cuptorului și temperatura probei) este afișat între 70°C și 100°C (curba albastră).
Pentru o mai bună lizibilitate a graficului, semnalul c-DTA®® a fost afișat numai în intervalul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). temperatură de topire a ibuprofenului. Picul detectat la 75°C (temperatura de debut extrapolată) nu este asociat cu o pierdere de masă; acesta nu rezultă din Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere sau evaporare, care ar induce modificări de masă în curba TGA, ci din topirea ibuprofenului. Prima pierdere de masă cu o temperatură de debut extrapolată de 204 °C se ridică la 85 %. Aceasta indică descompunerea sau evaporarea unui component prezent în tabletă, cel mai probabil, evaporarea ingredientului activ, ibuprofenul [1]. În scopul verificării, ibuprofenul pur a fost măsurat, de asemenea, prin intermediul TGA-FT-IR (figura 2). Spectrele gazelor eliberate la 232 °C sunt foarte asemănătoare pentru cele două materiale.
Acest lucru dovedește că pierderea de masă detectată la 235 °C (vârf DTG, figura 1) în Ibu 400 akut rezultă de fapt din evaporarea ingredientului activ (ibuprofen) și nu se datorează descompunerii unui excipient. În figura 1, Ibu 400 akut prezintă două etape suplimentare de pierdere de masă între 250 °C și 400 °C, care se suprapun parțial. Acestea se datorează probabil descompunerii termice a excipienților prezenți în tabletă, cum ar fi celuloza microcristalină sau stearatul de magneziu [2].
Figura 3 prezintă măsurătorile TGA la diferite viteze de încălzire. Efectele sunt deplasate către temperaturi mai ridicate pe măsură ce viteza de încălzire crește. Această dependență a curbei TGA de viteza de încălzire permite determinarea cineticii reacției.
Determinarea cineticii reacției cu ajutorul Kinetics Neo
Curbele TGA obținute constituie baza pentru evaluarea cinetică a reacțiilor care au loc în intervalul de temperatură măsurat. Pentru aceasta, a fost utilizat programul NETZSCH Kinetics Neo. Acesta permite modelarea cineticii reacțiilor în una sau mai multe etape.
Acest software poate atribui fiecare etapă individuală diferitelor tipuri de reacții cu parametri cinetici proprii, precum energia de activare, ordinea reacției și factorul preexponențial. Pe baza rezultatelor, Kinetics Neo este capabil să simuleze reacția (reacțiile) pentru programele de temperatură specificate de utilizator.
Pentru implementare, curbele termogravimetrice sunt mai întâi importate în programul Kinetics Neo. Apoi, se selectează un model de reacție pentru fiecare etapă (de exemplu: reacție de ordinul al n-lea ). Pe baza modelului de reacție ales, programul calculează curbele termogravimetrice. Pertinența modelului este evaluată prin coeficientul de corelație dintre curbele măsurate și cele calculate.
Pentru prima pierdere de masă, programul calculează o curbă cu un model de reacție într-un singur pas, A → B. Comportamentul probei în intervalul de temperatură de la 250°C la 450°C este descris cu trei pași independenți (C→D, E→F și G→H), deoarece aceasta este cea mai bună potrivire pentru datele măsurate în acest interval de temperatură.
Figura 4 prezintă o comparație a curbelor măsurate și calculate pentru un astfel de model. Cu un coeficient de corelație mai mare de 0,999, modelul cinetic descrie foarte bine procesul de reacție.
Pentru fiecare etapă de reacție, Kinetics Neo calculează parametrii cinetici: energia de activare, ordinea reacției, contribuția etapei la procesul global etc. Tabelul 1 îi prezintă pentru toate cele patru etape.
Tab. 1. Parametrii cinetici pentru cele patru etape
| Reacția | A → B | C → D | E → F | G → H |
| Tipul reacției | ordinul al n-lea | ordinul al n-lea | ordinul1 | ordinul al n-lea |
| Energie de activare [kJ/mol] | 77.823 | 181.866 | 148.941 | 460.643 |
| Log(PreExp) [Log(1/s)] | 6.814 | 14.911 | 10.511 | 38.543 |
| Ordinea reacției | 0.286 | 1.332 | 1 | 13.410 |
| Contribuție | 0.912 | 0.022 | 0.034 | 0.033 |
Care este motivul diferenței observate?
Măsurătorile termogravimetrice utilizate pentru calcul în Kinetics Neo au fost efectuate pe o bucată de comprimat Ibu 400 akut. Spre deosebire de aceasta, măsurarea de validare a fost efectuată pe o pulbere produsă prin zdrobirea comprimatului.
După cum s-a menționat anterior, prima etapă de pierdere a masei se datorează evaporării ibuprofenului, care depinde de suprafața probei [1]. Ne putem aștepta ca suprafața mai mare a probei asociată cu materialul zdrobit să aibă o influență puternică asupra curbei TGA.
În cadrul unui al doilea experiment, măsurarea anterioară (încălzire la 200 °C și izotermă) a fost efectuată din nou, dar de această dată folosind o bucată de tabletă. Noua curbă termogravimetrică corespunde acum foarte bine cu cea calculată de Kinetics Neo! (A se vedea figura 6.)
Concluzie
S-au efectuat măsurători TGA pe o tabletă de ibuprofen (denumire comercială: Ibu 400): una pe o bucată solidă și una pe o pulbere. Măsurătorile FT-IR au putut demonstra că prima etapă de pierdere a masei rezultă din evaporarea ingredientului activ. În plus, acest proces depinde foarte mult de suprafața probei, astfel încât rezultatele măsurătorilor efectuate pe o bucată de comprimat diferă de cele efectuate pe pulbere. Acest lucru are, de asemenea, un impact major asupra analizei cinetice. O astfel de analiză cinetică este deosebit de utilă atunci când se investighează stabilitatea termică a unui produs farmaceutic.
Referințe
[1] A thermal analysis study of ibuprofen, S. Lerd-kanchanaporn și D. Dollimore, Journal of Thermal Analysis, Vol. 49 (1997), Issue 2, pp 879-886
[2] NETZSCH Nota de aplicare 120: Studii de compatibilitate privind Diclofenac Sodium - rapid și ușor cu ajutorul analizei termice; figurile 5 și 9