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

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

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

Experimentální metody

Pevné lékové formy. Vlastnosti pevných látek. Charakterizace pevných látek ke zlepšení vlastností je vhodné využít materiálové inženýrství

8. Povrchová analýza Dynamická sorpce par. Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

C5060 Metody chemického výzkumu

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. XXII. Název: Diferenční skenovací kalorimetrie

5.0 ZJIŠŤOVÁNÍ FÁZOVÝCH PŘEMĚN

Speciální analytické metody pro léčiva

Krása fázových diagramů jak je sestrojit a číst Silvie Mašková

Nauka o materiálu. Přednáška č.10 Difuze v tuhých látkách, fáze a fázové přeměny

2.4 Stavové chování směsí plynů Ideální směs Ideální směs reálných plynů Stavové rovnice pro plynné směsi

1. Okalibrujte pomocí bodu tání ledu, bodu varu vody a bodu tuhnutí cínu:

T0 Teplo a jeho měření

Termochemie. Katedra materiálového inženýrství a chemie A Ing. Martin Keppert Ph.D.

Energie v chemických reakcích

1. Okalibrujte pomocí bodu tání ledu, bodu varu vody a bodu tuhnutí cínu:

Teorie transportu plynů a par polymerními membránami. Doc. Ing. Milan Šípek, CSc. Ústav fyzikální chemie VŠCHT Praha

Mol. fyz. a termodynamika

VLASTNOSTI VLÁKEN. 3. Tepelné vlastnosti vláken

Úloha 3-15 Protisměrné reakce, relaxační kinetika Úloha 3-18 Protisměrné reakce, relaxační kinetika... 6

Bezpečnost chemických výrob N111001

Sol gel metody, 3. část

Termodynamika (td.) se obecně zabývá vzájemnými vztahy a přeměnami různých druhů

Základy chemických technologií

- zabývá se pozorováním a zkoumáním vnitřní stavby neboli struktury (slohu) kovů a slitin

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM tepelně-fyzikální parametry

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

Pevná fáze ve farmacii

Termodynamika a živé systémy. Helena Uhrová

Zapojení odporových tenzometrů

Nultá věta termodynamická

Metody termické analýzy. 3. Termické metody všeobecně. Uspořádání experimentů.

Konstrukce a interpretace fázových diagramů

Gymnázium, Milevsko, Masarykova 183 Školní vzdělávací program (ŠVP) pro vyšší stupeň osmiletého studia a čtyřleté studium 4.

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123MAIN tepelně-fyzikální parametry

MĚŘENÍ RELATIVNÍ VLHKOSTI. - pro měření relativní vlhkosti se používají metody měření

Bezpečnost chemických výrob N Petr Zámostný místnost: A-72a tel.:

III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. Pracovní list č.3 k prezentaci Křivky chladnutí a ohřevu kovů

Fyzikální chemie. ochrana životního prostředí analytická chemie chemická technologie denní. Platnost: od do

Metody termické analýzy. 4. Diferenční termická analýza (DTA) a diferenční scanovací kalorimetrie (DSC)

Vývoj léčiv. FarmChem 05

bak-06=1/1

5.7 Vlhkost vzduchu Absolutní vlhkost Poměrná vlhkost Rosný bod Složení vzduchu Měření vlhkosti vzduchu

Skupenské stavy látek. Mezimolekulární síly

Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

Měření měrné tepelné kapacity látek kalorimetrem

Fyzika - Sexta, 2. ročník

Dynamické vs. Statické Izotermy Které jsou lepší? Brady Carter Vědecký pracovník Decagon Devices, Inc.

Do známky zkoušky rovnocenným podílem započítávají získané body ze zápočtového testu.

charakterizaci polymerů,, kopolymerů

d p o r o v t e p l o m ě r, t e r m o č l á n k

Autokláv reaktor pro promíchávané vícefázové reakce

Chemie povrchů verze 2013

kde k c(no 2) = 2, m 6 mol 2 s 1. Jaká je hodnota rychlostní konstanty v rychlostní rovnici ? V [k = 1, m 6 mol 2 s 1 ]

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

2. KINETICKÁ ANALÝZA HOMOGENNÍCH REAKCÍ

METODY FARMACEUTICKÉ TECHNOLOGIE ČL 2009, D PharmDr. Zdenka Šklubalová, Ph.D

FYZIKÁLNÍ CHEMIE I: 1. ČÁST KCH/P401

Směsi, roztoky. Disperzní soustavy, roztoky, koncentrace

Trocha termodynamiky ještě nikdy nikoho nezabila (s pravděpodobností

Fázové rovnováhy I. Phase change cooling vest $ with Free Shipping. PCM phase change materials

h nadmořská výška [m]

ÚPRAVA VODY V ENERGETICE. Ing. Jiří Tomčala

SKUPENSKÉ PŘEMĚNY POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Stanovení měrného tepla pevných látek

Studium komplexace -cyklodextrinu s diclofenacem s využitím NMR spektroskopie

du dq dw je totální diferenciál vnitřní energie a respektive práce. Pokud systém může konat pouze objemovou práci platí OCHV

Vícefázové reaktory. Probublávaný reaktor plyn kapalina katalyzátor. Zuzana Tomešová

Solární systémy. Termomechanický a termoelektrický princip

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM transport vodní páry

METODY ČIŠTĚNÍ ORGANICKÝCH LÁTEK

8. Chemické reakce Energetika - Termochemie

Analytické laboratoře výzkumu a vývoje aktivních farmaceutických substancí (API) generické farmaceutické firmy. Aleš Gavenda

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta biomedicínského inženýrství. Teplotní vlastnosti

1) Skupenství fáze, forma, stav. 2) 3 druhy skupenství (1 látky): pevné (led) kapalné (voda) plynné (vodní pára)

Rovnováha Tepelná - T všude stejná

Experimentální metody EVF I.: Vysokovakuová čerpací jednotka

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM transport vodní páry

3. Vlastnosti skla za normální teploty (mechanické, tepelné, optické, chemické, elektrické).

Úvod do koroze. (kapitola, která bude společná všem korozním laboratorním pracím a kterou studenti musí znát bez ohledu na to, jakou práci dělají)

Metody pro studium pevných látek

5.4 Adiabatický děj Polytropický děj Porovnání dějů Základy tepelných cyklů První zákon termodynamiky pro cykly 42 6.

STANOVENÍ PROPUSTNOSTI OBALOVÝCH MATERIÁLŮ PRO VODNÍ PÁRU

Látky, jejich vlastnosti, skupenství, rozpustnost

EU peníze středním školám digitální učební materiál

Rozpustnost s. Rozpouštění = opakem krystalizace Veličina udávající hmotnost rozpuštěné látky v daném objemu popř. v hmotnosti nasyceného roztoku.

Počet atomů a molekul v monomolekulární vrstvě

Měření měrného skupenského tepla tání ledu

Dynamická podstata chemické rovnováhy

Tepelná technika. Teorie tepelného zpracování Doc. Ing. Karel Daďourek, CSc Technická univerzita v Liberci 2007

Fyzikální chemie. Magda Škvorová KFCH CN463 tel února 2013

Fázové heterogenní rovnováhy Fáze = homogenní část soustavy, oddělná fyzickým rozhraním, na rozhraní se vlastnosti mění skokem

Termická analýza. Pavel Štarha. Zdeněk Marušák. Katedra anorganické chemie Přírodovědecká fakulta Univerzita Palackého v Olomouci

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

I Mechanika a molekulová fyzika

Transkript:

5. Isotermická kalorimetrická analýza Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253 1

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

Isotermická mikrokalorimetrie (IM) Schéma komory isotermického mikrokalorimetru 3

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

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

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

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

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

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

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

Tepelně vodivostní IM 11

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

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

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

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

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

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

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

Kalibrace Imidazolem katalyzovaná hydrolýza triacetinu 19

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Superkritická fluidní precipitace 34

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Literatura https://www.youtube.com/watch?v=eagbknidkno https://www.youtube.com/watch?v=kfjel64lzns&list=plefca2f842ac23fc3&index=5 47