4. Termická analýza
1
Příprava předmětu byla podpořena
projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253
2
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
3
TGA-FTIR
• od roku 1969
• nosný plyn: N2
• detekce anorganických
i organických plynů
• studium polymerů, léčiv
i přírodních látek (ropa,
uhlí, dřevo
4
• 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
5
Emisní termoanalýza
6
Emisní termoanalýza
7
Emisní termoanalýza
voda
m/z = 18
ethanol
m/z = 31
aceton
m/z = 58
TGA
MS
TGA-MS (CaC2O4 . H2O)
8
TGA-MS (rozpouštědla)
9
TGA-FTIR (PVC)
10
TGA-FTIR (ftalát)
11
13
Amorfní forma • pod Tg označovaná jako skelný
stav
• 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)
Tg
• 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
14
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
(K)
Tt
(K)
Tg/Tt
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
15
Vysokorychlostní DSC
amorfní laktóza
16
Vysokorychlostní DSC
laktóza - 500 °C/min % amorfní laktózy
17
Stanovení amorfní laktózy
LOD = 0,57 %
LOQ = 1,89 %
DSC – stanovení čistoty
18
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
DSC – stanovení čistoty
19
20
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
DSC – stanovení čistoty
21
DSC – stanovení čistoty
22
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:
- TLC
- HPLC
- spektroskopie
- DSC
23
Dielektrická spektroskopie
Příprava předmětu byla podpořena
projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253
24
Dielektrická spektroskopie
25
Dielektrická spektroskopie
26
Dielektrická spektroskopie
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
Voda
Led
27
Dielektrická spektroskopie
Širokopásmová dielektrická spektroskopie
Buňky
Časově rozlišená dielektrická spektroskopie
f (Hz) H
H3N+ — C — COO-
R
Ala Asp Arg Asn
Cys Glu Gln His
Ile Leu Lys Met
Phe Ser Thr Trp
Tyr Val
10-1
P
-
N+ Oblast
hlavy
Lipidy
Proteiny Voda
- Disperze
DNA, RNA
-Disperze - Disperze - Disperze
Tkáně
Led
Aminokyseliny
103 102 0 105 106 107 108 109 1010 104 101 1011 1012 1013 1014
28
Dielektrická spektroskopie
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
29
Dielektrická spektroskopie
30
Dielektrická spektroskopie
31
Dielektrická spektroskopie
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
32
Dielektrická spektroskopie
33
Dielektrická spektroskopie
34
Dielektrická spektroskopie
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
35
Ideální spektrum Debayova rovnice pro dipól v neviskózním médiu
*() = () + (0)/(1+i)
statická susceptibilita (0),
relaxační čas () z maximální
polarizace do výchozího stavu
= 1/
36
Spektrum s polarizací Maxwell–Wagnerova dielektrická odezva
Polarizace na rozhraní dvou látek
Většinou vodné systémy
37
Proces přenosu náboje Dielektrická odezva částečně stejnosměrného proudu
Přesun náboje mezi oddělenými místy
Většinou pevné látky
38
Dielektrická spektroskopie
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
39
Polyethylentereftalát
40
Propylenglykol
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
106
100
101
102
103
104
105
235 K220 K
205 K
190 K
propylene glycol
´´
frequency [Hz]
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
106
100
101
102
103
104
´´
frequency [Hz]
41
Spektroskopie tepelně
stimulovaného proudu
42
Spektroskopie tepelně
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
43
Spektroskopie tepelně
stimulovaného proudu
44
Spektroskopie tepelně
stimulovaného proudu
Technika dekonvoluce spektra
• vzorek je ochlazen
pouze o 1 až 10 K
pod polarizační
teplotu
Tp = teplota polarizace
45
Spektroskopie tepelně
stimulovaného proudu
I
relaxační
čas
I (proud)
Analýza relaxačních map
kompenzační bod
• charakteristický
pro daný materiál
46
Spektroskopie tepelně
stimulovaného proudu
Kofein I
Kofein: teplota přechodu II I = 413 K
47
Spektroskopie tepelně
stimulovaného proudu
Kofein II
48
Spektroskopie tepelně
stimulovaného proudu
Kofein I
po přípravě
Kofein I
po 9 dnech
49
Spektroskopie tepelně
stimulovaného proudu
Kofein I Kofein II
Spontánní depolarizační proud (bez aplikace elektrického pole)
50
Spektroskopie tepelně
stimulovaného proudu
Kofein I
po přípravě
Kofein I
po 9 dnech
Spontánní depolarizační proud (bez aplikace elektrického pole)
83 %
21 %
100 %
51
Spektroskopie tepelně
stimulovaného proudu
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
52
https://www.youtube.com/watch?v=KxdPNUj3rYo
https://www.youtube.com/watch?v=q8GvHdK4JIo
http://www.vscht.cz/clab/LTA/index.html