4. Termická analýza - vscht.czfchi-oppa.vscht.cz/uploads/AK07-Spec...

transcript

4. Termická analýza

Příprava předmětu byla podpořena

projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

EGA • kvalitativní informace

• těkavé látky

• simultánní reakce

• stabilita

• rozkladné děje

• stanovení zbytkových

rozpouštědel

• bezpečnost produktu

• chemické vlastnosti

• krystalová struktura

• vypařování, sublimace

Nejčastější metody • TGA-MS

• TGA-FTIR

• TGA-GC-FTIR

• TGA-GC-MS

Spojení technik

• TGA-DTA

• TGA-DSC

• DSC-FTIR

• DSC-Ramanova spektroskopie

Emisní termoanalýza

TGA-FTIR

• od roku 1969

• nosný plyn: N2

• detekce anorganických

i organických plynů

• studium polymerů, léčiv

i přírodních látek (ropa,

uhlí, dřevo

• od roku 1964 (QMS)

• nejčastěji používaná metoda

• -150 až 1550 °C

• He jako nosný plyn (N2 by vadil

nemožnost detekce m/z = 28)

• rozlišení vah: 0,1 mg

• maximální navážka: 25 g

TGA-MS

• měření před i po stabilizaci

• rozsah m/z: 0-300

• spojení zajištěno křemennou

kapilárou

• tři nezávislé zdroje ohřevu

TGA, kapilára, MS

Emisní termoanalýza

m/z = 18

ethanol

m/z = 31

aceton

m/z = 58

TGA-MS (CaC2O4 . H2O)

TGA-MS (rozpouštědla)

TGA-FTIR (PVC)

TGA-FTIR (ftalát)

Termická analýza

Amorfní forma • pod Tg označovaná jako skelný

• chybí makroskopické a

mikroskopické vlastnosti známé

z krystalů: tvar částic, dvojlom

• XRPD poskytuje široký pás bez

znatelné difrakce

• v ssNMR jsou pásy široké nebo

nezřetelné

• pouze lokální uspořádání

< 1 nm

• termodynamicky méně stabilní

než příslušné krystalické formy

Příprava

• vymražováním

• sušením rozprašováním

• rychlým ochlazením z taveniny

(nevhodné pro léčiva)

• teplota skelného přechodu

• charakteristická pro každý systém

• pod Tg jsou molekuly konfigu-

račně zmraženy ve skelném stavu

• nad Tg je materiál pružný

• Tg je teplotní rozsah, nikoli

konkrétní hodnota teploty

Amorfní látky

Tg/Tt • mezi 0,60 – 0,85

• z Tt lze určit Tg

• zjištění maximální

teploty skladování

k zajištění stability

amorfní látky

• Tg lze snížit přidáním

změkčovadel

(i absorpcí vody)

Amorfní látky Sloučenina Tg

Acetaminofen 302 441 0.69

Antipyrin 256 380 0.67

Aspirin 243 408 0.59

Atropin 281 379 0.74

Cholekalciferol 296 352 0.84

Cholová kyselina 393 473 0.83

Dehydrocholová kyselina 348 502 0.69

Deoxycholová kyselina 377 447 0.84

Ergokalciferol 290 376 0.77

Progesteron 279 399 0.70

Salicin 333 466 0.71

Vysokorychlostní DSC

amorfní laktóza

Vysokorychlostní DSC

laktóza - 500 °C/min % amorfní laktózy

Stanovení amorfní laktózy

LOD = 0,57 %

LOQ = 1,89 %

DSC – stanovení čistoty

Typy nečistot • organické nečistoty

(související s procesem

a léčivem)

• anorganické nečistoty

• zbytková rozpouštědla

Organické nečistoty • výchozí materiál

• vedlejší produkty

• meziprodukty

• degradační produkty

• reakční činidla, ligandy

a katalyzátory

Anorganické nečistoty • reakční činidla, ligandy a katalyzátory

• těžké kovy nebo zbytky kovů

• anorganické sole

• další látky (filtry a aktivní uhlí, …)

Profilování nečistot • podle pokynů mezinárodních orgánů

• identifikace nečistot s obsahem pod

0,1 % není většinou nutná

Praxe • nad vzorkem by neměl být v pánvičce volný prostor

• vzorek musí být v pánvičce dobře stlačen

• nutné zjistit konstantu tepelného odporu

• reference na 100 %

čistou látku (indium)

• navážka cca 1 mg

• rychlost skenování

1 °C/min

• He jako čistící plyn

• pánvička by měla

být uzavřena

• vhodný výběr

integračních mezí

Kompatibilita pomocné látky

DSC • léčivo + pomocná látka 1:1

• profil tání srovnán s profily tání

jednotlivých složek

• není možné odlišit fyzikální

a chemické interakce

• „falešné“ výsledky

• nutnost použít další analytické

metody: HPLC, MS, …

Pomocné látky • pojiva

• rozvolňovadla

• plniva

• maziva

Screening • dlouhodobá měření (týdny)

• dostatečně ověřené metody:

- HPLC

- spektroskopie

Dielektrická spektroskopie

Příprava předmětu byla podpořena

projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

Širokopásmová dielektrická spektroskopie

Porézní materiály a koloidy

Klastry Jednotlivé kapky a póry

Amorfní látky pod Tg

Makromolekuly

10-2 10-4 100 102 104 106 108 1010 1012

Časově rozlišená dielektrická spektroskopie

f (Hz) 10-6

Širokopásmová dielektrická spektroskopie

Buňky

Časově rozlišená dielektrická spektroskopie

f (Hz) H

H3N+ — C — COO-

Ala Asp Arg Asn

Cys Glu Gln His

Ile Leu Lys Met

Phe Ser Thr Trp

Tyr Val

N+ Oblast

Lipidy

Proteiny Voda

- Disperze

DNA, RNA

-Disperze - Disperze - Disperze

Tkáně

Aminokyseliny

103 102 0 105 106 107 108 109 1010 104 101 1011 1012 1013 1014

Provedení • dvě elektrody připojené ke vzorku (permanentní x indukovaný dipól)

• nevodivý materiál (dielektrikum)

• většinou stejné destičkové elektrody v rovnoběžném uspořádání

• aplikace elektrického pole se sinusoidním průběhem s frekvencí od

mHz po GHz

• vznik indukovaných dipólů a/nebo orientace permanentních dipólů

• snímání vzniklého elektrického (polarizačního) proudu

• výsledkem měření je dielektrické spektrum

Teorie spektra

• polarizace

- rychlá (pružná, elastická): prakticky okamžitě a beze ztrát, není

závislá na teplotě ani frekvenci; př.: elektronová a iontová polarizace

- pomalá (relaxační): 10-8 až 10-6 s je třeba k ustálení odezvy, je

teplotně a frekvenčně závislá, ohřev dielektrika

• ideální vzorek by měl fázový posun 90°

• reálný vzorek je fázově posunut a fázový posun se skládá z

- reálné komponenty (90°), reálná kapacitance (C´), energie systému

- imaginární komp., imaginární kapacitance (C´´), konduktance/ω

G/ω (ω = 2πf, f je frekvence v Hz), energetické ztráty systému

Matematické vyjádření • *() = ´() - i´´()

komplexní (*), reálná (´) a imaginární (´´) permitivita

• C() = A0´()/d

kapacitance (C), plocha elektrody (A), vzdálenost elektrod (d),

permitivita okolí (0)

• G()/ = Aε0ε´´()/d

energetická ztráta systému (G()/)

• ω v rozsahu například 10-2 až 106 Hz

Ideální spektrum Debayova rovnice pro dipól v neviskózním médiu

*() = () + (0)/(1+i)

statická susceptibilita (0),

relaxační čas () z maximální

polarizace do výchozího stavu

Spektrum s polarizací Maxwell–Wagnerova dielektrická odezva

Polarizace na rozhraní dvou látek

Většinou vodné systémy

Proces přenosu náboje Dielektrická odezva částečně stejnosměrného proudu

Přesun náboje mezi oddělenými místy

Většinou pevné látky

Využití • analýza vody

• stanovení molekulové mobility

• určení distribuce látek ve vzorku

• jedna z metod charakterizace léčiv

• lze měřit spektra v závislosti na teplotě

• stanovení nečistot v léčivu

• stanovení volné a vázané vody

• lze sledovat přenosy náboje v inkluzních komplexech látek opačného

náboje

• sledování procesu stárnutí (hydratace/dehydratace)

• stanovení poměru amorfní a krystalické fáze

Polyethylentereftalát

Propylenglykol

235 K220 K

propylene glycol

frequency [Hz]

Spektroskopie tepelně

stimulovaného proudu

stimulovaného proudu Tepelně stimulovaná depolarizační spektroskopie • na vzorek je aplikováno silné statické elektrické pole

• dipóly se polarizují, což způsobí ohřev vzorku

• vzorek je následně zchlazen o 100 K

• teplota pak lineárně roste

• zmražené dipóly začínají relaxovat (depolarizovat) do své původní

orientace

• pohyb dipólů vyvolává depolarizační proud

• počet píků (závislost proudu na teplotě) odpovídá počtu dipolárních

pohybů

Aplikace • porovnání látek z různých várek

• stanovení amorfního podílu (od 2 %), charakterizace polymorfů

• stanovení i velmi nezřetelných Tg v DSC

• studium krystalizačních kinetik z amorfního materiálu

Technika dekonvoluce spektra

• vzorek je ochlazen

pouze o 1 až 10 K

pod polarizační

teplotu

Tp = teplota polarizace

relaxační

I (proud)

Analýza relaxačních map

kompenzační bod

• charakteristický

pro daný materiál

Kofein I

Kofein: teplota přechodu II I = 413 K

Kofein II

Kofein I

po přípravě

Kofein I

po 9 dnech

Kofein I Kofein II

Spontánní depolarizační proud (bez aplikace elektrického pole)

Kofein I

po přípravě

Kofein I

po 9 dnech

Spontánní depolarizační proud (bez aplikace elektrického pole)

Experiment • špatná opakovatelnost

• problém s kontaktem elektrod a vzorku (obzvlášť amorfní materiál)

• nad Tg velmi významný pohyb vzorku nereprodukovatelnost

měření

• velmi důležité je nastavení vhodné rychlosti ochlazování a velikosti

elektrického pole

Výhody a nevýhody + extrémně citlivá, limit detekce až 10-16 A

+ vysoké rozlišení, nízká hladina šumu

+ snadná interpretace dat

− pouze pro nevodivé materiály

− pouze pro materiály bez velkého obsahu vody

− materiál musí být při všech teplotách v kontaktu s celou elektrodou

Literatura

https://www.youtube.com/watch?v=KxdPNUj3rYo

https://www.youtube.com/watch?v=q8GvHdK4JIo

http://www.vscht.cz/clab/LTA/index.html

4. Termická analýza - vscht.czfchi-oppa.vscht.cz/uploads/AK07-Spec...

Documents