4. Termická analýza. Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

Transkript

1 4. Termická analýza Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/

2 Emisní termoanalýza 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 2

3 TGA-FTIR od roku 1969 nosný plyn: N 2 detekce anorganických i organických plynů studium polymerů, léčiv i přírodních látek (ropa, uhlí, dřevo 3

4 TGA-MS od roku 1964 (QMS) nejčastěji používaná metoda -150 až 1550 C He jako nosný plyn (N 2 by vadil nemožnost detekce m/z = 28) rozlišení vah: 0,1 mg maximální navážka: 25 g měření před i po stabilizaci rozsah m/z: spojení zajištěno křemennou kapilárou tři nezávislé zdroje ohřevu TGA, kapilára, MS 4

5 Emisní termoanalýza 5

6 Emisní termoanalýza 6

7 Emisní termoanalýza TGA voda m/z = 18 ethanol m/z = 31 MS aceton m/z = 58 7

8 TGA-MS (CaC 2 O 4. H 2 O) 8

9 TGA-MS (rozpouštědla) 9

10 TGA-FTIR (PVC) 10

11 TGA-FTIR (ftalát) 11

12 Termická analýza 12

13 Amorfní látky 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 konfiguračně zmraženy ve skelném stavu nad Tg je materiál pružný Tg je teplotní rozsah, nikoli konkrétní hodnota teploty 13

14 Amorfní látky Sloučenina Tg (K) Tt (K) Tg/Tt Acetaminofen Antipyrin Aspirin Atropin Cholekalciferol Cholová kyselina Dehydrocholová kyselina Deoxycholová kyselina Ergokalciferol Progesteron Salicin 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) 14

15 Vysokorychlostní DSC amorfní laktóza 15

16 Vysokorychlostní DSC laktóza C/min % amorfní laktózy 16

17 Stanovení amorfní laktózy LOD = 0,57 % LOQ = 1,89 % 17

18 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 18

19 DSC stanovení čistoty 19

20 DSC stanovení čistoty 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 20

21 DSC stanovení čistoty 21

22 Kompatibilita pomocné látky Pomocné látky pojiva rozvolňovadla plniva maziva Screening dlouhodobá měření (týdny) dostatečně ověřené metody: - TLC - HPLC - spektroskopie - DSC 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, 22

23 Dielektrická spektroskopie Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/

24 Dielektrická spektroskopie 24

25 Dielektrická spektroskopie 25

26 Dielektrická spektroskopie Širokopásmová dielektrická spektroskopie Časově rozlišená dielektrická spektroskopie Porézní materiály a koloidy Makromolekuly Klastry Amorfní látky pod Tg Jednotlivé kapky a póry Voda f (Hz) Led 26

27 Dielektrická spektroskopie Širokopásmová dielektrická spektroskopie Časově rozlišená dielektrická spektroskopie DNA, RNA Led Buňky Proteiny H H 3 N + C COO - R Ala Aminokyseliny Asp Arg Asn Cys Glu Gln His Ile Leu Lys Met Phe Ser Thr Trp Tyr Val Voda f (Hz) Tkáně Lipidy N + P - Oblast hlavy -Disperze - Disperze - Disperze - Disperze 27

28 Provedení Dielektrická spektroskopie 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 28

29 Dielektrická spektroskopie 29

30 Dielektrická spektroskopie 30

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 31

32 Dielektrická spektroskopie 32

33 Dielektrická spektroskopie 33

34 Dielektrická spektroskopie Matematické vyjádření *( ) = ( ) - i ( ) komplexní ( *), reálná ( ) a imaginární ( ) permitivita C( ) = A 0 ( )/d kapacitance (C), plocha elektrody (A), vzdálenost elektrod (d), permitivita okolí ( 0 ) G( )/ = Aε 0 ε ( )/d energetická ztráta systému (G( )/ ) ω v rozsahu například 10-2 až 10 6 Hz 34

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/ 35

36 Spektrum s polarizací Maxwell Wagnerova dielektrická odezva Polarizace na rozhraní dvou látek Většinou vodné systémy 36

37 Proces přenosu náboje Dielektrická odezva částečně stejnosměrného proudu Přesun náboje mezi oddělenými místy Většinou pevné látky 37

38 Využití analýza vody Dielektrická spektroskopie 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 38

39 Polyethylentereftalát 39

40 Propylenglykol propylene glycol K 220 K K frequency [Hz] K frequency [Hz] 40

41 Spektroskopie tepelně stimulovaného proudu 41

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 42

43 Spektroskopie tepelně stimulovaného proudu 43

44 Spektroskopie tepelně stimulovaného proudu Technika dekonvoluce spektra vzorek je ochlazen pouze o 1 až 10 K pod polarizační teplotu Tp = teplota polarizace 44

45 Spektroskopie tepelně stimulovaného proudu I relaxační čas I (proud) Analýza relaxačních map kompenzační bod charakteristický pro daný materiál 45

46 Spektroskopie tepelně stimulovaného proudu Kofein: teplota přechodu II I = 413 K Kofein I 46

47 Spektroskopie tepelně stimulovaného proudu Kofein II 47

48 Spektroskopie tepelně stimulovaného proudu Kofein I po přípravě Kofein I po 9 dnech 48

49 Spektroskopie tepelně stimulovaného proudu Spontánní depolarizační proud (bez aplikace elektrického pole) Kofein I Kofein II 49

50 Spektroskopie tepelně stimulovaného proudu Spontánní depolarizační proud (bez aplikace elektrického pole) 21 % Kofein I po přípravě 100 % Kofein I po 9 dnech 83 % 50

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 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 51

52 Literatura