5. Isotermická kalorimetrická analýza. Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

Transkript

1 5. Isotermická kalorimetrická analýza Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/

2 Isotermická mikrokalorimetrie (IM) - představuje vysoce citlivou, neinvazivní techniku pro měření změn tepla v souvislosti s probíhajícími procesy za následujících podmínek: a) teplo musí být generované v detekčních mezích přístroje b) zkoumané reaktanty, materiály, nebo organizmy musí být možno umístit do měřící komory kalorimetru 2

3 Isotermická mikrokalorimetrie (IM) Schéma komory isotermického mikrokalorimetru 3

4 Isotermická mikrokalorimetrie (IM) - studium pevných farmaceutických materiálů je pouze malou oblastí studia IM - tato metoda může být použita při studiích transformace pevných látek např. solvatace/desolvatace krystalických materiálů, polymorfní transformace, krystalizace amorfní látky - dále může být použita pro studium stability a kompatibility kapalných a pevných fází 4

5 Termodynamika - exotermní (- H) a endotermní (+ H) procesy - entropie systému: S tot = S sys + S okolí - vztah entropie a entalpie vyjadřuje Gibbsova energie: G = H T S sys Pokud G<0, reakce probíhá samovolně G = 0 reakce v rovnovážném stavu 5

6 Kinetické faktory - souvislost aktivační energie procesu s teplotou lze vyjádřit pomoci Arrheniovy rovnice: k = A e E a RT - E a můžeme snadno určit provedením reakce při různých teplotách z grafu závislosti lnk vs 1/T, kdy směrnice lze vyjádřit vztahem (-E a / R) 6

7 Kinetické faktory - minimální hodnota energie potřebné na průběh reakce se nazývá aktivační energie (E a ) 7

8 Kalorimetrie: princip měření - pro proces konverze A na B můžeme celkové teplo vyměněné do okolí vyjádřit jako Q Q (J) H (J/mol) = n A (mol) n (t) = q (t) H dn dt = dq H. dt - z těchto vztahů lze pomocí isotermické mikrokalorimetrie určit termodynamické a kinetické parametry procesu - jedním z důležitých termodynamických procesů je tepelná kapacita C p 8

9 Kalorimetrie: princip měření - za konstantního tlaku je definován jako C P = d( H) dt - isotermická mikrokalorimetrie je velmi citlivá metoda, která umožňuje měřit tepelný tok v řádech mikrowatt (10-6 W) - Příklad: 1 W aplikovaný po dobu 1 s (1 J) je dostatečný k ohřevu 0,24*10-6 g vody o 1 C 9

10 Tepelně vodivostní IM - používány jsou vodní a olejové lázně - měří se tepelný tok z nebo do lázně, který je třeba k ustanovení rovnováhy - teplotní gradient v termočláncích vytváří napětí Seebeckovým efektem dq dt = ε U + τ du dt je kalibrační konstanta U je napětí generované teplotním rozdílem na termočláncích je časová konstanta pro daný přístroj 10

11 Tepelně vodivostní IM 11

12 IM s kompenzací výkonu - teplo uvolněné nebo absorbované sledovaným procesem je kompenzováno zahřátím nebo ochlazením lázně - měří se výkon, který je k tomu potřeba - ohřev se provádí proudem protékajícím termočlánky na základě Peltierova efektu - teplota lázně s přesností na 0,1 mk 12

13 Instrumentace a uspořádání experimentu - vsádkový experiment - dvojice ampulí: vzorek a reference Schéma vsádkového experimentu 13

14 Instrumentace a uspořádání experimentu - kalorimetrická jednotka obsahuje dvě identické komory, jedna pro vzorek a jedna referenční - existuje celá řada příslušenství: a) plynově perfuzní zařízení 14

15 Instrumentace a uspořádání experimentu b) statické ampule - ocel, sklo - vsádkový experiment - ampule co nejblíže k sobě - ampule se vzorkem - referenční ampule (naplněné co nejpodobnějším materiálem jako ampule se vzorkem) - reakce ve zředěných roztocích: čisté rozpouštědlo - reakce v pufrech: vše mimo reaktivní látku - reakce v pevné fázi: mastek - interakce mezi aktivní a přídatnou látkou: přídatná látka 15

16 Instrumentace a uspořádání experimentu c) titrační jednotky d) průtočné cely - kinetické pozorování - je třeba použít předem termostatovaný materiál - po aktivaci (smíchání, rozbití ampule) začíná měření - měření trvá několik dní i týdnů 16

17 Kalibrace - normalizace měření na standardní výstup - v diferenční skenovací kalorimetrii (DSC) tání standardů kovů (cín nebo indium), při měření entalpie spalovací kalorimetrií (spálení tablety z kyseliny benzoové) Spalovací kalorimetr 17

18 Kalibrace - kalibrace se v IM provádí použitím elektrického tepelného zdroje o známém výkonu. Signál je nastaven podle následujícího obr.: dq dt = ε U Elektrická kalibrace 18

19 Kalibrace Imidazolem katalyzovaná hydrolýza triacetinu 19

20 Kalibrace Důvody využití standardního materiálu (reakce): - vhodný pro zaškolení nových osob - ověření správného chodu přístroje - standardní referenční experiment v rámci různých laboratoří sloužící ke srovnání měřených výsledků - využití pro validaci Chyba v entalpii: horní limit kalibrace je špatně nastaven Špatné proložení křivky: zařízení není správně vynulováno 20

21 Aplikace IM pro charakterizaci farmaceutických pevných fází - některé lékové formy jsou podávány jako částice o definované velikosti (např. pro inhalaci) - ke zmenšení velikosti lékových forem se používá mletí - mletí je vysokoenergetický proces, který může vést až k rozrušení krystalových mřížek krystalu a vzniku obsahu amorfní fáze na povrchu krystalu - amorfní fáze má jiné chemické a fyzikální vlastnosti, je termodynamicky nestabilnější - některé tyto fáze mají vysokou energetickou bariéru a jsou stabilní, jiné snadno rekrystalizují - při rekrystalizaci může dojít ke spojení sousedních krystalů, což vede ke zvětšení částic 21

22 Aplikace IM - při sorpci par dochází k poklesu teploty skelného přechodu (T g ), kterou lze určit ze vztahu: T g = w 1 T g1 +K w 2 T g2 w 1 + K w 2 T g1 a T g2 jsou teploty skelného přechodu jednotlivých složek směsi w 1 a w 2 jsou hmotnostní zlomky složek ve směsi K je konstanta odvozená z materiálových vlastností obou komponent - princip využití IM spočívá v působení par na vzorek, čímž se sníží T g a nastane krystalizace amorfní složky - někdy ale nemusí nastat během doby měření - i ve skelném stavu může někdy dojít ke krystalizaci 22

23 Aplikace IM - ve farmaceutické praxi je běžným rozpouštědlem voda, která má T g v rozmezí (-138 až -133 C) - díky tomu i malý obsah vody může značně redukovat teplotu skelného přechodu např.: suchá amorfní laktóza má T g = 110 C pokud obsahuje pár procent vlhkosti může T g klesnout, až na pokojovou teplotu - měření amorfního obsahu může být provedeno dvěma způsoby: a) statickým systémem b) plynově perfuzním zařízením 23

24 Aplikace IM a) statickým systémem použití kalorimetrické ampule obsahující nasycený solný roztok, který je v ampuli společně se vzorkem Schématické uspořádání uzavřeného systému pro generování vlhkosti - nevýhodou tohoto systému je možnost použití pouze jednoho rozpouštědla a nutnost několikanásobného opakovaní experimentu ke zjištění závislosti chování vzorku na relativní vlhkosti - experiment také nelze měřit od začátku 24

25 Aplikace IM Relativní vzdušná vlhkost generovaná různými nasycenými roztoky solí při 25 C 25

26 Aplikace IM b) plynově perfuzním zařízení - vlhkost je generována míšením suchého a vlhkého plynu - výhodou tohoto uspořádání je libovolná volba použité vlhkosti, možnost provádět měření za konstantní nebo proměnné vlhkosti - lze studovat systémy s 0 % RH v teplené a pak libovolně zvýšit hodnotu % RH výhodou tohoto postupu je, že lze sledovat procesy od t = 0 Schématické uspořádání perfuzního zařízení 26

27 Příprava amorfních forem - ke kvantifikaci amorfní podílu je třeba mít k dispozici 100% amorfní látku - nejpoužívanějšími metodami pro přípravu amorfních forem jsou: a) ochlazení taveniny b) sušení vymražováním c) sušení rozstřikováním (sprej) d) kryogenické mletí e) přidání srážedla f) superkritická fluidní precipitace 27

28 Příprava amorfních forem a) ochlazení taveniny - rychlá metoda - materiál je roztaven a rychle zchlazen neprobíhá jeho krystalizace - tento postup není použitelný pro termosenzitivní vzorky, které při tání degradují - takto připravené amorfní materiály mají oproti jiným technikám relativně malý povrch, což vede k menší sorpci vlhkosti 28

29 Příprava amorfních forem b) sušení vymražováním - proces je dlouhý (2-3 dny) - materiál je rozpuštěn v rozpouštědle (obvykle voda nebo organická rozpouštědla, např. terc-butanol) - poté je roztok zmražen a rozpouštědlo je sublimováno za nízkého tlaku, zatímco je materiál kontrolovaně zahříván - vzniklý amorfní materiál má výrazně nižší hustotu než materiál připravený ochlazením taveniny - ne všechny látky jsou rozpustné v rozpouštědlech vhodných pro tento typ přípravy 29

30 Příprava amorfních forem c) sušení rozstřikováním (sprej) - rychlá metoda - materiál je rozpuštěn ve vhodném rozpouštědle - poté je dávkován do trysky, čímž se vytváří kapky uvnitř sušící komory - malé kapky umožní rychlé odpaření rozpouštědla, materiál nestihne krystalizovat - vzniká velmi jemný amorfní sférický materiál - ne všechny látky jsou rozpustné v rozpouštědlech vhodných pro tento typ přípravy 30

31 Příprava amorfních forem d) kryogenické mletí - chlazení zajišťuje pevný CO 2 nebo kapalný dusík - ochlazený materiál je mechanicky mlet - vhodných mlýnů pro tyto účely existuje celá řada - použitelnost této metody je velmi závislá na zpracovávaném materiálu - vhodné pro tepelně nestálé látky 31

32 Příprava amorfních forem e) přidání srážedla - k rozpuštěnému materiálu je přidáno rozpouštědlo, ve kterém je materiál nerozpustný nebo jen velmi omezeně rozpustný - to má za následek snížení rozpustnosti a precipitaci materiálu - jedná se o běžnou metodu krystalizace, pokud je ovšem srážedlo přidáno dostatečně rychle a v nadbytku, může vznikat amorfní materiál Y X 32

33 Příprava amorfních forem f) superkritická fluidní precipitace - precipitace materiálu použitím superkritického CO 2 - kontrolováním procesu přípravy lze připravit materiály s definovanými vlastnostmi jako velikost částic a morfologie Obecně platí, že všechny připravené amorfní materiály musí být skladovány v prostředí bránícím jejich krystalizaci (inertní atmosféra, nízká teplota) 33

34 Superkritická fluidní precipitace 34

35 Přímé měření rekrystalizace - měřena je exotermní odpověď II materiálu po přímé expozici amorfního materiálu vysoké vlhkosti - oblast I sorpce vody snížení T g - oblast II teplo uvolněné krystalizací a odpařením rozpouštědla - entalpie je vypočtena z plochy pod křivkou - po skončení experimentu se vzniklý krystalický materiál charakterizuje (PXRD, DSC, TGA) Kalorimetrický záznam krystalizace amorfního materiálu 35

36 Přímé měření rekrystalizace Kalorimetrická záznam při 30% RH pro různé obsahy amorfního podílu revatropátu HBr 36

37 Přímé měření rekrystalizace limit detekce: 1 % amorfního materiálu Kalibrační křivka amorfního obsahu revatropátu HBr 37

38 Přímé měření rekrystalizace Záznam rekrystalizace revatropátu HBr při 30% RH mikronizovaného při 0,41 MPa 38

39 Přímé měření rekrystalizace - pro správný výpočet amorfního obsahu je třeba zachovat stejné všechny podmínky měření - 100% čistý amorfní materiál má jiné vlastnosti než poruchy v krystalické mřížce - tento postup má omezené využití 39

40 Nepřímé měření rekrystalizace - v této metodě se neměří energie uvolněná při rekrystalizaci, ale energie spotřebovaná/uvolněná při (de)sorpci par z/na materiál před a po krystalizaci - tento postup vyžaduje použití vhodného zařízení pro průtok plynu (např. plynově perfuzní zařízení) pro kontrolu a řízení vlhkosti - na začátku je vzorek držen při 0 % RH a poté je vlhkost zvýšena tak, aby nedošlo ke krystalizaci (vlhkost potřebná ke krystalizaci se zjistí v předchozím experimentu). - entalpie sorpce na krystalický a amorfní povrch a na stěny nádoby se vypočítá z plochy pod křivkou 40

41 Nepřímé měření rekrystalizace - vlhkost je pak zvýšena a materiál krystalizuje - proplachováním suchým plynem je odstraněna všechna vlhkost - materiál je vystaven stejnému tlaku na začátku experimentu - entalpie je rovna energii potřebnou pro sorpci na krystalický materiál a na stěny nádoby - rozdíl entalpií je přímo úměrný obsahu amorfní složky - metoda je vhodná pro zjišťování velmi malých množství amorfní složky (i pod 1 %) - výhodou je také korekce na sorpce par na stěny nádoby na rozdíl od přímého měření krystalizace 41

42 Nepřímé měření rekrystalizace Záznam výkonu v závislosti na čase pro interakci acetonu s léčivem (obsahujícího 4,4 % amorfní složky) 42

43 Nepřímé měření rekrystalizace Graf závislosti uvolněného tepla v závislosti na obsahu amorfního podílu 43

44 Analýza konverzí pevného stavu - různé krystalické struktury se shodným chemickým složením (polymorfy) mohou mít různé fyzikální vlastnosti (bod tání, drsnost, rozpustnost, hustota, ) - mohou obsahovat různé množství rozpouštědla ve formě hydrátu nebo solvátů - některé fyzikální vlastnosti mohou být určeny běžnými technikami (XRD, DSC, IR) - ke studiu mřížkových energií lze použít rozpouštěcí kalorimetrii, která může být doplněna měřením IM, kterou lze použít ke studiu vnitřní konverze polymorfů za specifických podmínek (vlhkost, teplota, ) 44

45 Analýza konverzí pevného stavu Vliv relativní vlhkosti na rychlost přeměny pevné formy léčiva při 60 C 45

46 Analýza konverzí pevného stavu - naměřená závislost výkonu na čase se skládá z energií a) sorpce vody/rozpouštědla pevnou látkou b) konverze jedné formy na druhou = rozdíl v mřížkových entalpiích těchto forem c) desorpce vody/rozpouštědla - tímto způsobem je možné určit rozdíl v mřížkové entalpii obou forem, protože se sorpční a desorpční energie vyruší - stejně jako u ostatních kalorimetrických měření nastává problém, probíhá-li více než jeden proces - pro kompletní obraz je nutno doplnit měření dalšími technikami (XRD, DSC, rozpouštěcí kalorimetrie, dynamická sorpce par) 46

47 Literatura