热分析法测定固体药物的多晶型.docx
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热分析法测定固体药物的多晶型
实验一热分析法测定固体药物的多晶型
一、实验目的
1.熟悉热分析的基本原理与实验方法及其在药学研究中的主要应用
2.掌握热谱图的分析与多晶型确定的方法
3.了解热分析仪的主要结构
二、基本原理
热分析是在程序控温条件下,测量物质物理化学性质随温度变化的函数关系的一种技术。
程序控温可采用线性、对数或倒数程序。
热分析法依照所测样品物理性质的不同有以下几种:
差热分析法,差示扫描量热法,热重分析法,热膨胀分析及热-力分析法等,在药物研究中前三种技术应用广泛。
(一)差热分析
差热分析(differentialthermalanalysis,DTA)法是在程序控温下,测量物质与参比物之间温度差随温度或时间变化的一种技术。
根据国际热分析协会(internationalconfederationforthermalanalysis,ICTA)规定,DTA曲线放热峰向上,吸热峰向下,灵敏度单位为微伏(μV)。
如图1-1为苦味酸(三硝基苯酚)的DTA曲线。
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图1-1苦味酸在动态空气中的DTA曲线
可见,体系在程序控温下,不断加热或冷却降温,物质将按照它固有的运动规律而发生量变或质变,从而产生吸热或放热,根据吸热或放热便可判定物质内在性质的变化。
如:
晶型转变、熔化、升华、挥发、还原、分解、脱水或降解等。
差热分析测量原理如图1-2所示。
图1-2差热分析仪工作原理示意图
测定时将试样与参比物(常用α-Al2O3)分别放在两只坩埚中,置于样品杆的托盘上(底部装有一对热电偶,并接成差接形式),然后使加热炉按一定速度升温(如10℃·min-1)。
如果试样在升温过程中没有热反应(吸热或放热),则其与参比物之间的温差ΔT=0;如果试样产生相变或气化则吸热,产生氧化分解则放热,从而产生温差ΔT,将ΔT所对应的电势差(电位)放大并记录,便得到差热曲线。
各种物质因物理特性不同,因此表现出其特有的差热曲线。
(二)差示扫描量热法(差动热分析法)
差示扫描量热法(differentialscanningcalorimeter,DSC)是在程序控温下,测量物质与参比物之间能量差随温度变化的一种技术。
其测定原理如图1-3。
图1-3差动热分析仪工作原理示意图
DSC原理与DTA相似,所不同的是在试样和参比物的容器下面,设置了一组补偿加热丝,在加热过程中,当试样由于热反应而出现温差ΔT时,通过微伏放大器和热量补偿器,使流入补偿加热丝的电流发生变化。
试样吸热时,温度Ts下降,热量补偿放大器使电流Is增大。
反之试样放热时,则参比物一边的温度Tr下降,热量补偿放大器使电流Ir增大,直至试样与参比物的温度达到平衡,温差ΔT→0。
由此可知,试样的热量变化(吸热或放热)由输入电功率来补偿,因此只要测得功率的大小,就可测得试样吸热或放热的多少。
吸(放)热量与功率补偿之间的关系式为:
(1-1)
(1-2)
式中:
C为热容量;Ws为吸(放)热量(即样品产生的热量变化的电功率);Wc为电功率补偿量;K为放大器放大倍数。
将式(1-1)代入式(1-2)可得到下式:
(1-3)
移项整理
(1-4)
若K>>1,则
式中K值越大越好,从而使Wc≈Ws即电功率补偿量约等于试样吸(放)热的热量。
根据ICTA规定:
DSC曲线的纵轴为热流速率dQ/dt,横轴为温度或时间。
表示当保持试样和参比物的温度相等时输给两者的功率之差,曲线的吸热峰朝上,放热峰朝下,灵敏度单位为mJ·s-1。
如扑热息痛的DSC曲线,测得熔点为170.5℃,存在一个吸热峰,如图1-4。
图1-4扑热息痛的DSC曲线
DSC比DTA易于定量,可测定样品在发生转变时热量的变化,其热函变化值ΔH与吸热或放热峰的面积A成比例,即:
ΔH=KA(1-5)
式中A为吸热或放热峰的峰面积;K为校正系数,与样品的导热系数和测定池的种类、气氛有关。
K值可由已知焓的标准物测得的热谱图的峰面积求出。
物质如表1-1。
表1-1校正测定温度与系数K的标准物质
标准物质
熔点/℃
熔化焓/J·g-1
偶氮苯
34.6
90.4
硬脂酸
69.0
198.9
菲
99.3
104.7
铟
156.4
28.6
锡
231.9
60.3
铅
327.4
23.0
锌
419.5
102.1
铝
660.3
397
(三)热重分析
热重分析(thermogravimetricanalysis,TG)是在程序控温下,测量物质的质量随温度和时间变化的一种技术,只适用于加热过程中有脱溶剂化(脱水)、升华、蒸发与分解等量变化的物质。
TG曲线以质量减少百分率和质量减少速率为纵轴,温度或时间为横轴,其仪器设备和TG曲线如图1-5,1-6。
图1-5热重分析仪示意图
图1-6热重(TG)曲线
例1:
氨苄青霉素三水合物的水合质量分数的测定,如图1-7。
图1-7氨苄青霉素三水合物的TG曲线
试样名称:
氨苄青霉素三水合物;试样量2.46mg;升温速率2.0℃.min-1
测试结果:
失水13.6%
例2:
CuSO4.5H2O脱水的TG曲线,图1-8。
CuSO4
CuSO4.H2O
CuSO4.3H2O
CuSO4.5H2O
图1-8硫酸铜脱水分解图
CuSO4.5H2O在约85-105℃脱去二份结晶水成CuSO4.3H2O;在约105-115℃又脱去二份结晶水成CuSO4.H2O;在225-250℃脱去一份结晶水成CuSO4,三次脱水为2:
2:
1
例3:
CaC2O4·H2O脱水分解的TG曲线,图1-9。
CaC2O4·H2O约在150-200℃脱一份结晶水成CaC2O4;在380-490℃时放出CO形成CaCO3;在670-750℃时放出CO2形成CaO,三次失重比为9:
14:
22
(四)影响热分析测量的实验因素
1.升温速率
升温速率对热分析实验结果有影响很大,总体来说,可概括为以下几点:
(1)对于以TG、DTA(或DSC)曲线表示的试样的某种反应(如热分解反应),提高升温速率通常使反应的温度Ti,峰温Tp和终止温度Te增高。
因为快速升温,使得反应尚未来得及进行,便进入更高的温度,造成反应滞后。
如FeCO3在氮气中升温失去CO2的反应,当升温速率从1℃.min-1提高到20℃.min-1时,则Ti从400℃升高到480℃,Te从500℃升高到610℃。
(2)快速升温是将反应推向高温区,使其以更快的速度进行,即不仅使DTA曲线的峰温Tp升高,而且峰幅变窄,呈针尖状。
(3)对多阶反应,慢速升温有利于阶段反应的相互分离,使DTA曲线呈分离的多重峰,TG曲线由本来快速升温时的转折,转而呈现平台。
(4)DTA曲线的峰面积随升温速率的降低而略有减小的趋势,但一般来说相差不大,如高岭土在大约600℃的脱水吸热反应,当升温速率范围为5~20℃.min-1时,峰面积最大相差在
3%以内。
(5)升温速率影响试样内各部位的温度分布,如厚度为1mm的低密度聚乙烯的DSC测定表明,升温速率为2℃.min-1时,试样内外温差不大;而为80℃.min-1时,温差可达10℃以上。
对于结晶高聚物,慢速升温熔融过程中可能伴有重结晶,而快速升温易产生过热,这是两个相互矛盾的过程。
故实验时应选择适当的升温速率,如无特殊要求和说明,通常选取10℃.min-1或5℃.min-1。
2.气氛
热分析实验常需变换气氛,借以辨析热分析曲线热效应的物理化学归属。
如在空气中测定的热分析曲线呈现放热峰,而在惰性气氛中测定依不同的反应可分为几种情形:
如放热峰大小不变,则为结晶或固化反应;如为吸热效应,则是分解燃烧反应;如无峰或呈现非常小的放热峰,则为金属氧化之类的反应。
借此可观测有机聚合物等物质热裂解与热氧化裂解之间的差异。
对于形成气体产物的反应,如不将气体产物及时排出,或通过其它方式提高气氛中气体产物的分压,则会使反应向高温方向移动。
如水气使含水硫酸钙CaSO4.2H2O失水反应受到抑制,与在空气中测定的结果相比,反应温度移向了高温区,呈双重峰及分步脱水过程。
气氛中气体的导热性良好,有利于向体系提供更充分的能量,提高分解反应速率。
例如氩、氮和氦这3种惰性气体导热系数与温度的关系是依次递增的,因此碳酸钙CaCO3的热分解速率在氦气中最快,其次是氮气,再次为氩气。
3.试样用量与粒度
由于试样的吸、放热效应,少量试样有利于气体产物的扩散和试样内温度的均衡,减少温度梯度,降低试样温度与环境线性升温的偏差。
一般来说,表面反应或多或少要受到试样粒度的影响,这要比化学分解反应的影响更加明显;而相转变受粒度的影响较小。
为便于相互比较,应尽量采用粒度相近的试样,如通过一定筛孔的细粉。
试样质量不仅对热分析曲线的峰温和峰面积有影响,还对其形态特征有影响。
有些物质由于质量的减少而使形态特征发生根本的变化,这就为用热分析的方法来鉴定物质形态特征带来困难。
另外,堆砌松散的试样颗粒之间的空隙可使试样导热性变差,而颗粒越小,堆得越紧密,导热越好。
不管试样的粒度如何,堆砌密度不是很容易重复的,这也会影响TG曲线的形貌特征。
4.坩埚材料与形状
坩埚的材料有由非金属-氧化铝、石英等低热传导材料制成的;也有由金属,铝、银或铂等高热传导材料制成的。
形状有微量平底、常量块体、杯形、压盖等。
测定时根据DTA、DSC、TG的测量目的与试样性质进行选择。
一般常用铝杯与陶瓷杯,测定时要选用相同的坩埚。
(五)热分析技术对药物熔融与结晶温度的测定
1.熔融和结晶温度的测定
由试样DTA或DSC曲线的熔融吸热峰和结晶放热峰可确定各自的转变温度。
为消除升、降温过程的影响,并考虑到升、降温过程中过热、过冷和再结晶等作用,实验可按如下过程进行。
(1)测定前将试样于温度为23±2℃、相对湿度为50±5%条件下放置24小时以上,使样品状态稳定。
(2)称约10mg试样(称准到0.1mg)。
注意试样中含有大量填充剂时,被测物质量应含有5~10mg。
另外,所取试样应具有代表性。
(3)将经状态调节后的试样放入DSC或DTA装置的容器中,升温到比熔融峰终止时高约30℃的温度下熔融,保持该温度10分钟后,以5℃·min-1或10℃·min-1的降温速率冷却到比出现转变峰至少低约50℃的温度。
(4)熔融温度测定
首先要在比熔融温度低约100℃的温度下使装置保持稳定之后,以10℃·min-1的升温速率加热到比熔融终止时的温度高约30℃,记录DTA或DSC曲线。
按(五)中(3)测定熔融温度时,在进行状态调节后应立即使装置稳定下来,以10℃·min-1的升温速率加热到熔融峰以上约30℃的温度,记录DTA或DSC曲线。
(5)结晶温度测定
按上述操作加热到比熔融峰终止时高约30℃的温度,在该温度下保持10分钟后,以5℃·min-1或10℃·min-1的降温速率冷却到比结晶峰终止时温度低约50℃的温度,记录DTA或DSC曲线。
另外,当结晶缓慢持续进行,结晶峰低温侧的基线难于决定时,可结束实验。
仪器灵敏度调节到可记录整个DTA或DSC曲线,峰高要居记录纸满刻度25%以上。
氮气流量在10~50mL·min-1范围内适当设定,并保持不变。
(6)熔融温度和结晶温度的读取方法见图1-10,1-11。
图1-10熔融温度求法
(a)呈单一峰;(b)存在两个以上重叠峰
图1-11结晶温度求法
(a)呈单一峰;(b)存在两个以上重叠峰
2.峰温度的校正
国际热分析协会(ICTA)和美国标准局于1971年共同批准十种物质作为DTA的温度校准物。
表1-2校准物的DTA温度参数
物质
平衡温度*/℃
初熔温度/℃
峰温度/℃
KNO3
127.7
128±5
135±6
In
157
154±6
159±6
Sn
231.9
230±5
237±6
KClO3
299.5
299±6
309±8
Ag2SO4
430
424±7
433±7
SiO2
573
571±5
574±5
K2SO4
583
582±7
588±6
K2CrO4
665
665±7
673±6
BaCO3
810
808±8
819±8
SrCO3
925
928±7
938±9
*平衡温度即校准物的熔点。
(1)熔融温度的求法
熔融峰温(Tpm)取熔融峰顶温度;外推熔融起始温度(Tim)是取低温侧基线向高温侧延长的直线和通过熔融峰低温侧曲线斜率最大点所引切线的交点的温度;外推熔融终止温度(Tem)是取高温侧基线向低温侧延长的直线和通过熔融峰高温侧曲线斜率最大点所引切线的交点温度。
对于呈现两个以上独立的熔融峰时,求出各自的Tpm、Tim和Tem。
另外,熔融缓慢发生,熔融峰低温侧的基线难于决定时,也可不求出Tim。
(2)结晶温度的求法
结晶峰温(Tpc)取结晶峰顶温度;外推结晶起始温度(Tic)取高温侧基线向低温侧延长的直线和通过结晶线高温侧曲线斜率最大点所引的切线的交点温度;外推结晶终止温度(Tec)取低温侧基线向高温侧延长的直线和通过结晶峰低温侧曲线斜率最大点所引的切线的交点温度。
呈现两个以上的独立结晶峰时,则求出各自峰的Tpc、Tic和Tec。
另外,存在两个以上重叠峰时,则求出Tic,若干个Tpc、Tec。
再有,当结晶缓慢持续发生,结晶峰低温侧的基线难于决定时,也可不求出Tec。
吲哚拉新(indolacin)是非甾体类消炎镇痛药物,熔点为170-172℃。
其结构式如下:
经研究发现该药物存在多晶型,其DTA与DSC图谱中,不同晶型的初熔温度与峰温度不同,据此可应用热分析法确定其晶型。
三、仪器与药品
差热分析仪(CDR型)铝用坩埚镊子样品匙分析天平
吲哚拉新Al2O3金属铟(mp156.4℃,△H=28.6J.g-1)
四、操作步骤
(一)吲哚拉新的多晶型制备
吲哚拉新以丙酮为溶剂重结晶得到α晶型,也是市售产品的晶型;以苯为溶剂重结晶得到β型;以乙醚为溶剂重结晶得到γ型,以氯仿为溶剂重结晶得到δ型。
(二)仪器装置
CDR-1型差动热分析仪由电炉、可控硅加热单元、温度程序控制单元、差热放大器、差动热补偿器、电子电位差计组成,各面板装置见图1-12。
(2)温度程序控制单元面板
(1)可控硅加热单元面板
(3)差热放大器单元面板
(4)差动热量补偿单元面板装置
图1-12CDR-1型差动热分析仪控制面板
对DSC仪器几个问题的说明:
1.基线漂移
在进行DSC分析时,如果升温时样品没有热效应产生,温差△T=0,温差热电势始终为零,热功率差△W=0,此时DSC曲线是一条水平直线,称为基线。
但由于基准物和样品这两边热电偶的热电势及其容量,坩埚形状位置等不可能完全对称,因此即使样品没有热效应产生,仅当温度发生变化时,仍有不对称电势产生,此电势随温度的升高而变化造成基线的偏离(对水平方向而言)或弯曲,称此现象为基线漂移。
如果不加以克服,将会降低仪器的灵敏度,特别是小的差热峰有可能被掩蔽掉。
一般来说温度愈高或使用时间愈长,基线的漂移就愈明显。
DSC仪器在设计中应尽量注意基准物、样品两方面的对称性和一致性(包括热电偶、坩埚形状及位置等),故在整个电路中应加以“斜率调整”来克服。
2.零点漂移
样品不发生热效应时,输入到微伏放大器的信号电压为零,则输出电压亦应为零。
然而由于电路元件的特性不可能完全一致,所以即便微伏放大器的输入信号电压为零时,仍还有相当数量的输出电压,称为初始偏差,亦称为零点漂移。
此偏差可以用调零电路加以消除。
在进行DSC分析时,每隔一段时间后要进行零点调整。
调整的原理是将微伏放大器输入端短路,Uλ=0,采用零点调整电路,拨动“调零”旋钮直至微伏放大器没有输出为止。
3.比例、积分及微分(PID)调节
PID调节器是在调节器输出电压与输入电压间有P、I、D的关系,能产生P(比例)、I(积分)、D(微分)同时起作用的调节。
这里的输入电压指偏差电压,它和温度偏差(炉温与设定值之差)成正比。
在DSC分析仪中,PID调节,控制好一定的升温(降温)速度是非常重要的,如果不能做到这点,DSC分析重现性不好,亦就不能进行定量测定。
(三)测定操作
1.准备工作
⑴转动手柄电炉的炉体升到顶部,然后将炉体向前方转出。
⑵在两只铝坩埚中,暂不放样品和参考物,分别放在样品杆上部的两只托盘上,将炉底转回原处,轻轻的向下摇到底部。
⑶接通冷却水,开启水源,并使水流畅通。
若需要的话,可将一定气流的氮气通入通气管。
⑷将记录仪上的温度下限黑针往左边推到底部,温度上限黑针往右边推到底部,使红笔的位置处于上下限温度之间,开启笔1的开关。
⑸将升温的方式选择开关指在升温的位置。
开启总电源,温度程序控制单元及差热放大器单元的电源开关,暂不开启差动热量补偿单元的开关。
⑹接通电源后,如果发现温度程序控制单元上的偏差指示仪表的指针已经指在满标处,则利用“手动”旋钮(注意:
此时必须先推进速度选择开关,将其指在二档速度的中间位置,否则“手动”旋钮无法转动),使偏差指示在零位附近。
“手动”旋钮的转动方向如下:
当出现正偏差时,转动“手动”旋钮使机械计数器的读数增大;当出现负偏差时,则使其减小,这样才能使偏差消除。
⑺预热约20分钟,如果电源开关推不上,则需要检查红笔所指温度是否已经超过温度上限指针。
如果已经超过,则要将红笔退回到上限温度之下。
2.零位调整
将差热放大器单元的选择开关置于“短路”位置,“差动”、“差热”选择开关置于“差热”位置,转动“调零”旋钮。
使差热指示电表指在“0”位。
差动热量补偿单元在正常情况下不需要调整。
仪表如不经常使用,则每次使用前应将零位调好。
如仪表连续使用,一般来说不必每次调零。
3.斜率调整
⑴将“差热”、“差动”开关指向“差热”。
⑵差热放大器量程选择开关置于±100μV位置。
程序方式选择“升温”。
升温速度采用10℃/min或20℃/min。
开启记录仪的笔2开关。
转动差热放大器单元上的移位开关,使蓝笔处于记录纸的中线附近。
⑶开启记录仪的走纸电动机,走纸速度选择600mm/h或300mm/h。
这时蓝笔所画出的应该是一条直线,即为“基线”。
⑷按下温度程序控制单元上的“工作”按钮,如果发现偏差指示已偏离零位甚远,则应旋动“手动”按钮使偏差接近零值。
切记旋动“手动”旋钮前应将速度选择开关放在10℃/min或20℃/min的位置,并使开关向外弹出。
⑸按下电炉电源开关,电炉即将逐渐按预定的速度升温。
⑹由于坩埚中未放样品和参考物,故在升温过程中,如果基线偏离原来的位置,则主要是由于热电偶的不对称电势引起。
基线的漂移还与样品杆的位置、坩埚的位置、坩埚的几何尺寸与重量等因素有关。
基线的漂移可以通过“斜率调整”旋钮来进行部分校正。
让电炉继续升温,若基线继续向一方偏移,则转动“斜率调整”旋钮使其返回原来位置。
当顺时针转动旋钮时,基线向右边倾斜,当逆时针转动时,基线向左边倾斜。
待炉温升到约750℃时,将基线校正到原来的位置(即记录纸近中心线处),斜率调整的步骤即可认为完成,此后除非更换样品杆,“斜率调整”旋钮就不必再去转动。
4.差动测量
⑴准备工作同前,开启电源,使整机预热约20分钟。
⑵将样品称重后放入坩埚(样品重约10mg),在另一只坩埚中放入重量相等的参考物,如α-Al2O3。
然后将样品坩埚放在样品支架的右侧托盘上,参考物坩埚放在左侧的托盘上。
⑶将“差动”、“差热”开关置于“差动”位置。
微伏放大器量程开关置于±100μV处(注意:
不论热量补偿的量程选择在哪一档,作差动测量时,微伏放大器的量程都应放在±100μV档)。
⑷将热量补偿放大单元的量程开关放在适当的位置。
本实验可放在±5mcal/s(相当于21J/s)。
一般如果无法估计确切的量程,则可放在量程较大的位置,先预试一次。
⑸将温度程序控制单元的“程序方式”放在“升温”,“速度℃/min”放在10。
接通电炉电源,并按下温度程序控制单元的“工作”旋钮,让炉温按预定要求变化。
⑹开启记录仪,选择走纸速度为5mm/min(或300mm/h)。
⑺吸热反应时,蓝笔曲线偏离基线,向左边倾斜,放热反应时,则向右边倾斜。
曲线偏离基线的距离,即为吸(放)热速度,而波峰或波谷的面积,即为样品吸(放)的热量。
五、吲哚拉新DSC图谱分析
1.从吲哚拉新DSC曲线求出各晶型的初熔温度、峰温度与终熔温度(注意以标准物的温度校准)。
2.比较各晶型初熔温度的差别,并对测定结果加以说明。
参考文献
1金光洙.沈阳药科大学学报,1992,9(3):
157
2赵会英.沈阳药科大学学报,2000,17
(2):
101
3徐莉英.中国药化杂志,1995,5(4):
266
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