Tips och tricks
Hur man undviker felaktiga resultat på grund av felaktig provberedning
En termogravimetrisk balans mäter massförändringarna i ett prov under ett temperatur-/tidsprogram (DIN 51005). På så sätt kan man bestämma temperaturen för kemiska och fysikaliska processer som ger upphov till en massförändring.
Processerna omfattar bl.a. FörångningFörångning av ett grundämne eller en förening är en fasövergång från vätskefas till ånga. Det finns två typer av förångning: avdunstning och kokning.förångning, sublimering, desolvatation samt termisk och oxidativ nedbrytning.
Det är välkänt att den termogravimetriska kurvan påverkas av följande faktorer:
- Uppvärmningshastighet
- Provets geometri
- Provets massa
Om t.ex. uppvärmningshastigheten och provmassan ökas, förskjuts också de detekterade TGA-effekterna till högre temperaturer. Det är dock också möjligt att spela med faktorerna uppvärmningshastighet och provmassa för att få ut så mycket information som möjligt från mätkurvan: bättre separation av överlappande effekter genom variation av uppvärmningshastigheten och/eller provmassan, förstoring av small-skaliga effekter genom att öka dem, etc.
Felaktig provberedning kan vara orsaken till mer än bara en förskjutning av de massförluster som övervakas av TGA: Det kan leda till väsentligt annorlunda resultat. Med termogravimetri kan fasta prover mätas som ett pulver eller en bit av en tablett; vätskor kan också mätas. Man bör dock vara medveten om att reproducerbara TGA-kurvor endast kan erhållas genom att konsekvent använda samma provberedning (provform) och mätförhållanden. I synnerhet påverkar provytan vissa processer, vilket kan ses i avdunstningen av lösningsmedel eller i oxidativ nedbrytning (förbränning). Följaktligen är dessa effekter förknippade med olika temperaturer beroende på om det undersökta provet är ett pulver eller består av ett enda stycke. I det följande används termogravimetriska mätningar för att utföra en kinetisk analys av reaktionen. Detta exempel visar hur avgörande provberedningen kan vara för att dra korrekta slutsatser.
TGA-FT-IR-mätningar på ibuprofentabletter
Mätningarna utfördes på en ibuprofen-tablett, Ibu 400 akut, som marknadsförs av 1A Pharma®. Denna tablett innehåller ibuprofen som en API (Active Pharmaceutical Ingredient); detta är ett av de mest använda icke-steroida antiinflammatoriska läkemedlen (NSAID). Dessutom innehåller den hjälpämnen som fungerar som fyllmedel, smörjmedel, sönderdelningsmedel etc.
Mätningarna utfördes vid olika uppvärmningshastigheter mellan 5 och 20 K/min med TG 209 F1 Nevio termobalans i en dynamisk kväveatmosfär. Aluminiumoxiddeglar användes. Provmassorna varierade från 9,93 mg till 10,09 mg. De gaser som utvecklades under uppvärmningen överfördes direkt till gascellen i FT-IR-spektrometern från Bruker Optics.
Figur 1 visar TGA-mätningen på den kommersiella ibuprofentabletten vid en uppvärmningshastighet på 10 K/min tillsammans med DTG-kurvan (första derivatan av TGA-kurvan). Dessutom visas den beräknade DTA-signalen (c-DTA®, skillnaden mellan ugnens och provets temperatur) mellan 70°C och 100°C (blå kurva).
För att göra diagrammet mer lättläst visades c-DTA®-signalen endast i det temperaturområde där ibuprofen smälter. Den topp som upptäcktes vid 75°C (extrapolerad starttemperatur) är inte förknippad med en massförlust; den beror inte på nedbrytning eller avdunstning, vilket skulle ge massförändringar i TGA-kurvan, utan på smältningen av ibuprofen. Den första massförlusten med en extrapolerad starttemperatur på 204°C uppgår till 85 %. Det indikerar nedbrytning eller avdunstning av en komponent som finns i tabletten, troligen avdunstning av den aktiva ingrediensen ibuprofen [1]. För verifiering mättes även ren ibuprofen med hjälp av TGA-FT-IR (figur 2). Spektra för de gaser som frigörs vid 232°C är mycket lika för de två materialen.
Detta bevisar att den massförlust som detekteras vid 235°C (DTG-toppen, figur 1) i Ibu 400 akut faktiskt beror på avdunstning av den aktiva ingrediensen (ibuprofen) och inte på nedbrytning av ett hjälpämne. I figur 1 uppvisar Ibu 400 akut ytterligare två massförluststeg mellan 250°C och 400°C som delvis är överlappande. De beror troligen på termisk nedbrytning av hjälpämnen som finns i tabletten som mikrokristallin cellulosa eller magnesiumstearat [2].
Figur 3 visar TGA-mätningarna vid olika uppvärmningshastigheter. Effekterna förskjuts till högre temperaturer när uppvärmningshastigheten ökar. Detta beroende av TGA-kurvan på uppvärmningshastigheten gör det möjligt att bestämma reaktionskinetiken.
Bestämning av reaktionskinetiken med hjälp av Kinetics Neo
De erhållna TGA-kurvorna ligger till grund för den kinetiska utvärderingen av de reaktioner som sker i det uppmätta temperaturområdet. För detta användes programvaran NETZSCH Kinetics Neo . Den gör det möjligt att modellera kinetiken för enstegs- till flerstegsreaktioner.
Programvaran kan tilldela varje enskilt steg till olika reaktionstyper med egna kinetiska parametrar, t.ex. aktiveringsenergi, reaktionsordning och pre-exponentiell faktor. Baserat på resultaten kan Kinetics Neo simulera reaktionen/reaktionerna för användarspecifika temperaturprogram.
För att genomföra detta importeras de termogravimetriska kurvorna först till programvaran Kinetics Neo. Därefter väljs en reaktionsmodell för varje steg (t.ex. n:te ordningens reaktion). Baserat på den valda reaktionsmodellen beräknar programvaran termogravimetriska kurvor. Modellens relevans bedöms med hjälp av korrelationskoefficienten mellan de uppmätta och beräknade kurvorna.
För den första massförlusten beräknar programmet en kurva med en enstegsreaktionsmodell, A → B. Provets beteende i temperaturområdet från 250°C till 450°C beskrivs med tre oberoende steg (C→D, E→F och G→H) eftersom detta är den bästa anpassningen till de uppmätta data i detta temperaturområde.
Figur 4 visar en jämförelse mellan de uppmätta och beräknade kurvorna för en sådan modell. Med en korrelationskoefficient på mer än 0,999 beskriver den kinetiska modellen reaktionsprocessen mycket väl.
För varje reaktionssteg beräknar Kinetics Neo de kinetiska parametrarna: aktiveringsenergi, reaktionsordning, stegets bidrag till den globala processen osv. I tabell 1 presenteras dessa för alla fyra stegen.
Tab. 1. Kinetiska parametrar för de fyra stegen
| Reaktionen | A → B | C → D | E → F | G → H |
| Typ av reaktion | nionde ordningen | nionde ordningen | 1: a ordningen | nionde ordningen |
| Aktiveringsenergi [kJ/mol] | 77.823 | 181.866 | 148.941 | 460.643 |
| Log(PreExp) [Log(1/s)] | 6.814 | 14.911 | 10.511 | 38.543 |
| Reaktionsordning | 0.286 | 1.332 | 1 | 13.410 |
| Bidrag | 0.912 | 0.022 | 0.034 | 0.033 |
Vad är orsaken till den observerade skillnaden?
De termogravimetriska mätningar som användes för beräkningen i Kinetics Neo utfördes på en bit av en Ibu 400 akut-tablett. I motsats till detta utfördes valideringsmätningen på ett pulver som framställts genom att krossa tabletten.
Som tidigare nämnts beror det första massförluststeget på avdunstningen av ibuprofen, som är beroende av provytan [1]. Man kan förvänta sig att den större provytan i samband med det krossade materialet har ett stort inflytande på TGA-kurvan.
I ett andra experiment utfördes den tidigare mätningen (upphettning till 200°C och isoterm) igen, men denna gång med en bit av tabletten. Den nya termogravimetriska kurvan stämmer nu mycket väl överens med den som beräknats av Kinetics Neo! (Se figur 6.)
Slutsats
TGA-mätningar utfördes på en ibuprofentablett (handelsnamn: Ibu 400): en på en fast bit och en på ett pulver. FT-IR-mätningar kunde visa att det första massförluststeget beror på avdunstningen av den aktiva ingrediensen. Denna process är dessutom starkt beroende av provytan, så resultaten av mätningar som utförs på en bit av tabletten skiljer sig från dem som utförs på pulvret. Detta har också en stor inverkan på den kinetiska analysen. En sådan kinetisk analys är särskilt användbar när man undersöker den termiska stabiliteten hos ett läkemedel.
Referenser
[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: Kompatibilitetsstudier på diklofenaknatrium - snabbt och enkelt med termisk analys; figur 5 och 9