热分析法测定固体药物的多晶型

1热分析法测定固体药物的多晶型一、实验目的1.熟悉热分析的基本原理与实验方法及其在药学研究中的主要应用2.掌握热谱图的分析与多晶型确定的方法3.了解热分析仪的主要结构二、基本原理热分析是在程序控温条件下，测量物质物理化学性质随温度变化的函数关系的一种技术。程序控温可采用线性、对数或倒数程序。热分析法依照所测样品物理性质的不同有以下几种：差热分析法，差示扫描量热法，热重分析法，热膨胀分析及热－力分析法等，在药物研究中前三种技术应用广泛。（一）差热分析差热分析（differentialthermalanalysis,DTA）法是在程序控温下，测量物质与参比物之间温度差随温度或时间变化的一种技术。根据国际热分析协会(internationalconfederationforthermalanalysis,ICTA)规定，DTA曲线放热峰向上，吸热峰向下，灵敏度单位为微伏（μV）。如图1-1为苦味酸（三硝基苯酚）的DTA曲线。图1-1苦味酸在动态空气中的DTA曲线可见，体系在程序控温下，不断加热或冷却降温，物质将按照它固有的运动规律而发生量变或质变，从而产生吸热或放热，根据吸热或放热便可判定物质内在性质的变化。如：晶型转变、熔化、升华、挥发、还原、分解、脱水或降解等。差热分析测量原理如图1-2所示。1392图1-2差热分析仪工作原理示意图1测定时将试样与参比物（常用α-Al2O3）分别放在两只坩埚中，置于样品杆的托盘上（底部装有一对热电偶，并接成差接形式），然后使加热炉按一定速度升温（如10℃·min-1）。如果试样在升温过程中没有热反应（吸热或放热），则其与参比物之间的温差ΔT＝0；如果试样产生相变或气化则吸热，产生氧化分解则放热，从而产生温差ΔT，将ΔT所对应的电势差（电位）放大并记录，便得到差热曲线。各种物质因物理特性不同，因此表现出其特有的差热曲线。大展机电技术研究所专业生产差热分析仪DTA（DZ3320A）差示扫描量热仪DSC（DZ3335）联系方式：周艺光[e-mail]（二）差示扫描量热法（差动热分析法）差示扫描量热法（differentialscanningcalorimeter,DSC）是在程序控温下，测量物质与参比物之间能量差随温度变化的一种技术。其测定原理如图1-3。3图1-3差动热分析仪工作原理示意图DSC原理与DTA相似，所不同的是在试样和参比物的容器下面，设置了一组补偿加热丝，在加热过程中，当试样由于热反应而出现温差ΔT时，通过微伏放大器和热量补偿器，使流入补偿加热丝的电流发生变化。试样吸热时，温度Ts下降，热量补偿放大器使电流Is增大。反之试样放热时，则参比物一边的温度Tr下降，热量补偿放大器使电流Ir增大，直至试样与参比物的温度达到平衡，温差ΔT→0。由此可知，试样的热量变化（吸热或放热）由输入电功率来补偿，因此只要测得功率的大小，就可测得试样吸热或放热的多少。吸（放）热量与功率补偿之间的关系式为：CSWWCT(1－1)TKWC(1－2)式中:C为热容量；Ws为吸（放）热量（即样品产生的热量变化的电功率）；Wc为电功率补偿量；K为放大器放大倍数。将式（1－1）代入式（1－2）可得到下式：CSCWWKCW(1－3)移项整理11CSWWCK(1－4)若K1,则01CSWWC式中K值越大越好，从而使Wc≈Ws即电功率补偿量约等于试样吸（放）4热的热量。根据ICTA规定：DSC曲线的纵轴为热流速率dQ/dt，横轴为温度或时间。表示当保持试样和参比物的温度相等时输给两者的功率之差，曲线的吸热峰朝上，放热峰朝下，灵敏度单位为mJ·s-1。如扑热息痛的DSC曲线，测得熔点为170.5℃，存在一个吸热峰，如图1-4。图1-4扑热息痛的DSC曲线DSC比DTA易于定量，可测定样品在发生转变时热量的变化，其热函变化值ΔH与吸热或放热峰的面积A成比例，即：ΔH＝KA(1－5)式中A为吸热或放热峰的峰面积；K为校正系数，与样品的导热系数和测定池的种类、气氛有关。K值可由已知焓的标准物测得的热谱图的峰面积求出。物质如表1－1。表1-1校正测定温度与系数K的标准物质标准物质熔点/℃熔化焓/J·g-1偶氮苯34.690.4硬脂酸69.0198.9菲99.3104.7铟156.428.6锡231.960.3铅327.423.0锌419.5102.1铝660.33975（三）热重分析热重分析（thermogravimetricanalysis,TG）是在程序控温下，测量物质的质量随温度和时间变化的一种技术，只适用于加热过程中有脱溶剂化（脱水）、升华、蒸发与分解等量变化的物质。TG曲线以质量减少百分率和质量减少速率为纵轴，温度或时间为横轴，其仪器设备和TG曲线如图1-5，1-6。图1-5热重分析仪示意图图1-6热重（TG）曲线例1：氨苄青霉素三水合物的水合质量分数的测定，如图1-7。6图1-7氨苄青霉素三水合物的TG曲线试样名称：氨苄青霉素三水合物；试样量2.46mg；升温速率2.0℃.min-1测试结果：失水13.6％例2：CuSO4.5H2O脱水的TG曲线,图1-8。0204060801001200100200300温度/℃质量/％图1-8硫酸铜脱水分解图CuSO4.5H2O在约85－105℃脱去二份结晶水成CuSO4.3H2O；在约105－115℃又脱去二份结晶水成CuSO4.H2O；在225－250℃脱去一份结晶水成CuSO4，三次脱水为2：2：1例3：CaC2O4·H2O脱水分解的TG曲线，图1-9。CuSO4.5H2OCuSO4.3H2OCuSO4.H2OCuSO47CaC2O4·H2O约在150－200℃脱一份结晶水成CaC2O4；在380－490℃时放出CO形成CaCO3；在670－750℃时放出CO2形成CaO，三次失重比为9：14：22(四)影响热分析测量的实验因素1.升温速率升温速率对热分析实验结果有影响很大,总体来说,可概括为以下几点:(1)对于以TG、DTA(或DSC)曲线表示的试样的某种反应（如热分解反应），提高升温速率通常使反应的温度Ti，峰温Tp和终止温度Te增高。因为快速升温，使得反应尚未来得及进行，便进入更高的温度，造成反应滞后。如FeCO3在氮气中升温失去CO2的反应，当升温速率从1℃.min-1提高到20℃.min-1时，则Ti从400℃升高到480℃,Te从500℃升高到610℃。(2)快速升温是将反应推向高温区，使其以更快的速度进行，即不仅使DTA曲线的峰温Tp升高，而且峰幅变窄，呈针尖状。(3)对多阶反应，慢速升温有利于阶段反应的相互分离，使DTA曲线呈分离的多重峰，TG曲线由本来快速升温时的转折，转而呈现平台。(4)DTA曲线的峰面积随升温速率的降低而略有减小的趋势，但一般来说相差不大，如高岭土在大约600℃的脱水吸热反应，当升温速率范围为5～20℃.min-1时，峰面积最大相差在3％以内。(5)升温速率影响试样内各部位的温度分布，如厚度为1mm的低密度聚乙烯的DSC测定表明，升温速率为2℃.min-1时，试样内外温差不大；而为80℃.min-1时，温差可达10℃以上。对于结晶高聚物，慢速升温熔融过程中可能伴有重结晶，而快速升温易产生过热，这是两个相互矛盾的过程。故实验时应选择适当的升温速率，如无特殊要求和说明，通常选取10℃.min-1或5℃.min-1。2．气氛8热分析实验常需变换气氛，借以辨析热分析曲线热效应的物理化学归属。如在空气中测定的热分析曲线呈现放热峰，而在惰性气氛中测定依不同的反应可分为几种情形：如放热峰大小不变，则为结晶或固化反应；如为吸热效应，则是分解燃烧反应；如无峰或呈现非常小的放热峰，则为金属氧化之类的反应。借此可观测有机聚合物等物质热裂解与热氧化裂解之间的差异。对于形成气体产物的反应，如不将气体产物及时排出，或通过其它方式提高气氛中气体产物的分压，则会使反应向高温方向移动。如水气使含水硫酸钙CaSO4.2H2O失水反应受到抑制，与在空气中测定的结果相比，反应温度移向了高温区，呈双重峰及分步脱水过程。气氛中气体的导热性良好，有利于向体系提供更充分的能量，提高分解反应速率。例如氩、氮和氦这3种惰性气体导热系数与温度的关系是依次递增的，因此碳酸钙CaCO3的热分解速率在氦气中最快，其次是氮气，再次为氩气。3．试样用量与粒度由于试样的吸、放热效应，少量试样有利于气体产物的扩散和试样内温度的均衡，减少温度梯度，降低试样温度与环境线性升温的偏差。一般来说，表面反应或多或少要受到试样粒度的影响，这要比化学分解反应的影响更加明显；而相转变受粒度的影响较小。为便于相互比较，应尽量采用粒度相近的试样，如通过一定筛孔的细粉。试样质量不仅对热分析曲线的峰温和峰面积有影响，还对其形态特征有影响。有些物质由于质量的减少而使形态特征发生根本的变化，这就为用热分析的方法来鉴定物质形态特征带来困难。另外，堆砌松散的试样颗粒之间的空隙可使试样导热性变差，而颗粒越小，堆得越紧密，导热越好。不管试样的粒度如何，堆砌密度不是很容易重复的，这也会影响TG曲线的形貌特征。4．坩埚材料与形状坩埚的材料有由非金属－氧化铝、石英等低热传导材料制成的；也有由金属，铝、银或铂等高热传导材料制成的。形状有微量平底、常量块体、杯形、压盖等。测定时根据DTA、DSC、TG的测量目的与试样性质进行选择。一般常用铝杯与陶瓷杯，测定时要选用相同的坩埚。(五)热分析技术对药物熔融与结晶温度的测定1.熔融和结晶温度的测定由试样DTA或DSC曲线的熔融吸热峰和结晶放热峰可确定各自的转变温度。为消除升、降温过程的影响，并考虑到升、降温过程中过热、过冷和再结晶等作用，实验可按如下过程进行。(1)测定前将试样于温度为23±2℃、相对湿度为50±5%条件下放置24小时以上，使样品状态稳定。(2)称约10mg试样(称准到0.1mg)。注意试样中含有大量填充剂时，被测物质量应含有5～10mg。另外，所取试样应具有代表性。9(3)将经状态调节后的试样放入DSC或DTA装置的容器中，升温到比熔融峰终止时高约30℃的温度下熔融，保持该温度10分钟后，以5℃·min-1或10℃·min-1的降温速率冷却到比出现转变峰至少低约50℃的温度。(4)熔融温度测定首先要在比熔融温度低约100℃的温度下使装置保持稳定之后，以10℃·min-1的升温速率加热到比熔融终止时的温度高约30℃，记录DTA或DSC曲线。按（五）中(3)测定熔融温度时，在进行状态调节后应立即使装置稳定下来，以10℃·min-1的升温速率加热到熔融峰以上约30℃的温度，记录DTA或DSC曲线。(5)结晶温度测定按上述操作加热到比熔融峰终止时高约30℃的温度，在该温度下保持10分钟后，以5℃·min-1或10℃·min-1的降温速率冷却到比结晶峰终止时温度低约50℃的温度，记录DTA或DSC曲线。另外，当结晶缓慢持续进行，结晶峰低温侧的基线难于决定时，可结束实验。仪器灵敏度调节到可记录整个DTA或DSC曲线，峰高要居记录纸满刻度25%以上。氮气流量在10～50mL·min-1范围内适当设定，并保持不变。(6)熔融温度和结晶温度的读取方法见图1-10，1-11。图1-10熔融温度求法(a)呈单一峰；(b)存在两个以上重叠峰10图1-11结晶温度求法(a)呈单一峰；(b)存在两个以上重叠峰2.峰温度的校正国际热分析协会（ICTA）和美国标准局于1971年共同批准十种物质作为DTA的温度校准物。表1-2校准物的DTA温度参数物质平衡温度*/℃初熔温度/℃峰温度/℃KNO3127.7128±5135±6In157154±6159±6Sn231.9230±5237±6KClO3299.5299±6309±8Ag2SO4430424±7433±7SiO2573571±5574±5K2SO4583582±7588±6K2CrO4665665±7673±6BaCO38108