熱分析法測定固體藥物的多晶型.doc

1、實驗一 熱分析法測定固體藥物的多晶型一、實驗?zāi)康?. 熟悉熱分析的基本原理與實驗方法及其在藥學(xué)研究中的主要應(yīng)用2。 掌握熱譜圖的分析與多晶型確定的方法3.了解熱分析儀的主要結(jié)構(gòu)二、基本原理熱分析是在程序控溫條件下，測量物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系的一種技術(shù)。程序控溫可采用線性、對數(shù)或倒數(shù)程序。熱分析法依照所測樣品物理性質(zhì)的不同有以下幾種:差熱分析法，差示掃描量熱法,熱重分析法，熱膨脹分析及熱力分析法等，在藥物研究中前三種技術(shù)應(yīng)用廣泛。（一)差熱分析差熱分析（differential thermal analysis， DTA）法是在程序控溫下，測量物質(zhì)與參比物之間溫度差隨溫度或時間變化

2、的一種技術(shù).根據(jù)國際熱分析協(xié)會(international confederation for thermal analysis, ICTA） 規(guī)定，DTA曲線放熱峰向上，吸熱峰向下，靈敏度單位為微伏（V）.如圖1-1為苦味酸（三硝基苯酚）的DTA曲線。139圖11 苦味酸在動態(tài)空氣中的DTA曲線可見，體系在程序控溫下，不斷加熱或冷卻降溫，物質(zhì)將按照它固有的運動規(guī)律而發(fā)生量變或質(zhì)變,從而產(chǎn)生吸熱或放熱，根據(jù)吸熱或放熱便可判定物質(zhì)內(nèi)在性質(zhì)的變化。如：晶型轉(zhuǎn)變、熔化、升華、揮發(fā)、還原、分解、脫水或降解等。差熱分析測量原理如圖1-2所示。圖1-2 差熱分析儀工作原理示意圖測定時將試樣與參比物(常用-

3、Al2O3）分別放在兩只坩堝中，置于樣品桿的托盤上（底部裝有一對熱電偶，并接成差接形式），然后使加熱爐按一定速度升溫(如10·min1）。如果試樣在升溫過程中沒有熱反應(yīng)（吸熱或放熱)，則其與參比物之間的溫差T0；如果試樣產(chǎn)生相變或氣化則吸熱，產(chǎn)生氧化分解則放熱，從而產(chǎn)生溫差T，將T所對應(yīng)的電勢差（電位)放大并記錄，便得到差熱曲線。各種物質(zhì)因物理特性不同，因此表現(xiàn)出其特有的差熱曲線。（二）差示掃描量熱法（差動熱分析法）差示掃描量熱法（differential scanning calorimeter， DSC)是在程序控溫下，測量物質(zhì)與參比物之間能量差隨溫度變化的一種技術(shù)。其測定原理如

4、圖13。圖13 差動熱分析儀工作原理示意圖DSC原理與DTA相似，所不同的是在試樣和參比物的容器下面，設(shè)置了一組補償加熱絲,在加熱過程中，當(dāng)試樣由于熱反應(yīng)而出現(xiàn)溫差T時，通過微伏放大器和熱量補償器，使流入補償加熱絲的電流發(fā)生變化。試樣吸熱時，溫度Ts下降,熱量補償放大器使電流Is增大。反之試樣放熱時，則參比物一邊的溫度Tr下降，熱量補償放大器使電流Ir增大，直至試樣與參比物的溫度達(dá)到平衡，溫差T0。由此可知，試樣的熱量變化（吸熱或放熱）由輸入電功率來補償，因此只要測得功率的大小，就可測得試樣吸熱或放熱的多少。吸（放）熱量與功率補償之間的關(guān)系式為： (11) （12) 式中：C為熱容量；Ws為吸

5、(放)熱量（即樣品產(chǎn)生的熱量變化的電功率)；Wc為電功率補償量;K為放大器放大倍數(shù)。將式（11）代入式（12)可得到下式： （13) 移項整理 （14）若K>>1，則 式中K值越大越好,從而使WcWs即電功率補償量約等于試樣吸（放）熱的熱量. 根據(jù)ICTA規(guī)定：DSC曲線的縱軸為熱流速率dQ/dt，橫軸為溫度或時間。表示當(dāng)保持試樣和參比物的溫度相等時輸給兩者的功率之差，曲線的吸熱峰朝上,放熱峰朝下,靈敏度單位為mJ·s-1。如撲熱息痛的DSC曲線，測得熔點為170。5，存在一個吸熱峰，如圖1-4.圖14 撲熱息痛的DSC曲線 DSC比DTA易于定量，可測定樣品在發(fā)生轉(zhuǎn)變時

6、熱量的變化，其熱函變化值H與吸熱或放熱峰的面積A成比例，即：HKA (15）式中A為吸熱或放熱峰的峰面積;K為校正系數(shù)，與樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和測定池的種類、氣氛有關(guān)。K值可由已知焓的標(biāo)準(zhǔn)物測得的熱譜圖的峰面積求出。物質(zhì)如表11。表1-1 校正測定溫度與系數(shù)K的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)熔點/熔化焓/J·g-1偶氮苯34.690。4硬脂酸69.0198。9菲99。3104。7銦156.428.6錫231。960。3鉛327.423.0鋅419.5102.1鋁660。3397（三） 熱重分析 熱重分析（thermogravimetric analysis，TG）是在程序控溫下，測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度和時

7、間變化的一種技術(shù),只適用于加熱過程中有脫溶劑化（脫水）、升華、蒸發(fā)與分解等量變化的物質(zhì).TG曲線以質(zhì)量減少百分率和質(zhì)量減少速率為縱軸,溫度或時間為橫軸,其儀器設(shè)備和TG曲線如圖1-5，16。圖1-5 熱重分析儀示意圖 圖1-6 熱重（TG）曲線例1：氨芐青霉素三水合物的水合質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定,如圖1-7。圖17 氨芐青霉素三水合物的TG曲線試樣名稱：氨芐青霉素三水合物；試樣量 2.46mg；升溫速率 2。0。 min1測試結(jié)果：失水13。6例2: CuSO4。 5H2O脫水的TG曲線,圖1-8。CuSO4CuSO4。 H2OCuSO4。 3H2OCuSO4. 5H2O 圖1-8 硫酸銅脫水分解圖C

8、uSO4. 5H2O在約85105脫去二份結(jié)晶水成CuSO4. 3H2O；在約105115又脫去二份結(jié)晶水成CuSO4。 H2O；在225250脫去一份結(jié)晶水成CuSO4，三次脫水為2:2：1例3：CaC2O4·H2O脫水分解的TG曲線,圖1-9。CaC2O4·H2O約在150200脫一份結(jié)晶水成CaC2O4;在380490時放出CO形成CaCO3 ；在670750時放出CO2形成CaO，三次失重比為9：14：22（四) 影響熱分析測量的實驗因素1.升溫速率升溫速率對熱分析實驗結(jié)果有影響很大，總體來說，可概括為以下幾點：(1) 對于以TG、DTA(或DSC)曲線表示的試樣的

9、某種反應(yīng)（如熱分解反應(yīng)），提高升溫速率通常使反應(yīng)的溫度Ti，峰溫Tp和終止溫度Te增高。因為快速升溫，使得反應(yīng)尚未來得及進(jìn)行，便進(jìn)入更高的溫度，造成反應(yīng)滯后.如FeCO3在氮氣中升溫失去CO2的反應(yīng)，當(dāng)升溫速率從1. min1提高到20。 min-1時,則Ti從400升高到480,Te從500升高到610。(2) 快速升溫是將反應(yīng)推向高溫區(qū)，使其以更快的速度進(jìn)行，即不僅使DTA曲線的峰溫Tp升高，而且峰幅變窄，呈針尖狀.(3) 對多階反應(yīng)，慢速升溫有利于階段反應(yīng)的相互分離,使DTA曲線呈分離的多重峰，TG曲線由本來快速升溫時的轉(zhuǎn)折,轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)平臺。（4) DTA曲線的峰面積隨升溫速率的降低而略有

10、減小的趨勢，但一般來說相差不大,如高嶺土在大約600的脫水吸熱反應(yīng),當(dāng)升溫速率范圍為520。 min-1時,峰面積最大相差在3%以內(nèi)。（5) 升溫速率影響試樣內(nèi)各部位的溫度分布，如厚度為1mm的低密度聚乙烯的DSC測定表明，升溫速率為2. min1時，試樣內(nèi)外溫差不大；而為80。 min1時,溫差可達(dá)10以上。對于結(jié)晶高聚物，慢速升溫熔融過程中可能伴有重結(jié)晶，而快速升溫易產(chǎn)生過熱，這是兩個相互矛盾的過程。故實驗時應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)纳郎厮俾?，如無特殊要求和說明，通常選取10. min-1或5. min1。2氣氛熱分析實驗常需變換氣氛，借以辨析熱分析曲線熱效應(yīng)的物理化學(xué)歸屬。如在空氣中測定的熱分析曲線呈

11、現(xiàn)放熱峰，而在惰性氣氛中測定依不同的反應(yīng)可分為幾種情形：如放熱峰大小不變，則為結(jié)晶或固化反應(yīng);如為吸熱效應(yīng)，則是分解燃燒反應(yīng)；如無峰或呈現(xiàn)非常小的放熱峰，則為金屬氧化之類的反應(yīng)。借此可觀測有機聚合物等物質(zhì)熱裂解與熱氧化裂解之間的差異。對于形成氣體產(chǎn)物的反應(yīng)，如不將氣體產(chǎn)物及時排出,或通過其它方式提高氣氛中氣體產(chǎn)物的分壓,則會使反應(yīng)向高溫方向移動。如水氣使含水硫酸鈣CaSO4. 2H2O失水反應(yīng)受到抑制，與在空氣中測定的結(jié)果相比,反應(yīng)溫度移向了高溫區(qū)，呈雙重峰及分步脫水過程。氣氛中氣體的導(dǎo)熱性良好，有利于向體系提供更充分的能量,提高分解反應(yīng)速率。例如氬、氮和氦這3種惰性氣體導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系是

12、依次遞增的,因此碳酸鈣CaCO3的熱分解速率在氦氣中最快,其次是氮氣，再次為氬氣。3試樣用量與粒度由于試樣的吸、放熱效應(yīng)，少量試樣有利于氣體產(chǎn)物的擴散和試樣內(nèi)溫度的均衡,減少溫度梯度,降低試樣溫度與環(huán)境線性升溫的偏差。一般來說，表面反應(yīng)或多或少要受到試樣粒度的影響，這要比化學(xué)分解反應(yīng)的影響更加明顯;而相轉(zhuǎn)變受粒度的影響較小。為便于相互比較，應(yīng)盡量采用粒度相近的試樣，如通過一定篩孔的細(xì)粉.試樣質(zhì)量不僅對熱分析曲線的峰溫和峰面積有影響,還對其形態(tài)特征有影響。有些物質(zhì)由于質(zhì)量的減少而使形態(tài)特征發(fā)生根本的變化，這就為用熱分析的方法來鑒定物質(zhì)形態(tài)特征帶來困難。另外,堆砌松散的試樣顆粒之間的空隙可使試樣導(dǎo)

13、熱性變差，而顆粒越小，堆得越緊密，導(dǎo)熱越好。不管試樣的粒度如何,堆砌密度不是很容易重復(fù)的，這也會影響TG曲線的形貌特征。4坩堝材料與形狀坩堝的材料有由非金屬氧化鋁、石英等低熱傳導(dǎo)材料制成的；也有由金屬，鋁、銀或鉑等高熱傳導(dǎo)材料制成的。形狀有微量平底、常量塊體、杯形、壓蓋等。測定時根據(jù)DTA、DSC、TG的測量目的與試樣性質(zhì)進(jìn)行選擇。一般常用鋁杯與陶瓷杯，測定時要選用相同的坩堝。（五) 熱分析技術(shù)對藥物熔融與結(jié)晶溫度的測定1. 熔融和結(jié)晶溫度的測定 由試樣DTA或DSC曲線的熔融吸熱峰和結(jié)晶放熱峰可確定各自的轉(zhuǎn)變溫度。為消除升、降溫過程的影響，并考慮到升、降溫過程中過熱、過冷和再結(jié)晶等作用,實驗

14、可按如下過程進(jìn)行. (1） 測定前將試樣于溫度為23±2、相對濕度為50±5條件下放置24小時以上，使樣品狀態(tài)穩(wěn)定. （2) 稱約10mg試樣（稱準(zhǔn)到0.1mg）。注意試樣中含有大量填充劑時,被測物質(zhì)量應(yīng)含有510mg。另外，所取試樣應(yīng)具有代表性。 (3) 將經(jīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)后的試樣放入DSC或DTA裝置的容器中,升溫到比熔融峰終止時高約30的溫度下熔融，保持該溫度10分鐘后，以5·min1或10·min-1的降溫速率冷卻到比出現(xiàn)轉(zhuǎn)變峰至少低約50的溫度。 （4） 熔融溫度測定 首先要在比熔融溫度低約100的溫度下使裝置保持穩(wěn)定之后,以10·min-

15、1的升溫速率加熱到比熔融終止時的溫度高約30，記錄DTA或DSC曲線。按（五）中（3)測定熔融溫度時，在進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)后應(yīng)立即使裝置穩(wěn)定下來，以10·min1的升溫速率加熱到熔融峰以上約30的溫度,記錄DTA或DSC曲線.(5) 結(jié)晶溫度測定 按上述操作加熱到比熔融峰終止時高約30的溫度，在該溫度下保持10分鐘后，以5·min-1或10·min1的降溫速率冷卻到比結(jié)晶峰終止時溫度低約50的溫度，記錄DTA或DSC曲線.另外，當(dāng)結(jié)晶緩慢持續(xù)進(jìn)行,結(jié)晶峰低溫側(cè)的基線難于決定時，可結(jié)束實驗。 儀器靈敏度調(diào)節(jié)到可記錄整個DTA或DSC曲線，峰高要居記錄紙滿刻度25以上。氮氣

16、流量在1050mL·min1范圍內(nèi)適當(dāng)設(shè)定，并保持不變.（6） 熔融溫度和結(jié)晶溫度的讀取方法見圖1-10,111.圖1-10 熔融溫度求法(a) 呈單一峰；(b）存在兩個以上重疊峰圖111 結(jié)晶溫度求法（a)呈單一峰；(b）存在兩個以上重疊峰2. 峰溫度的校正國際熱分析協(xié)會（ICTA）和美國標(biāo)準(zhǔn)局于1971年共同批準(zhǔn)十種物質(zhì)作為DTA的溫度校準(zhǔn)物.表 1-2 校準(zhǔn)物的DTA溫度參數(shù)物質(zhì)平衡溫度/初熔溫度/峰溫度/KNO3127.7128±5135±6In157154±6159±6Sn231。9230±5237±6KClO32

17、99.5299±6309±8Ag2SO4430424±7433±7SiO2573571±5574±5K2SO4583582±7588±6K2CrO4665665±7673±6BaCO3810808±8819±8SrCO3925928±7938±9*平衡溫度即校準(zhǔn)物的熔點。(1) 熔融溫度的求法 熔融峰溫(Tpm）取熔融峰頂溫度；外推熔融起始溫度(Tim）是取低溫側(cè)基線向高溫側(cè)延長的直線和通過熔融峰低溫側(cè)曲線斜率最大點所引切線的交點的溫度；外推熔融終止溫度（

18、Tem)是取高溫側(cè)基線向低溫側(cè)延長的直線和通過熔融峰高溫側(cè)曲線斜率最大點所引切線的交點溫度。對于呈現(xiàn)兩個以上獨立的熔融峰時，求出各自的Tpm、Tim和Tem.另外，熔融緩慢發(fā)生，熔融峰低溫側(cè)的基線難于決定時，也可不求出Tim。（2) 結(jié)晶溫度的求法 結(jié)晶峰溫(Tpc）取結(jié)晶峰頂溫度；外推結(jié)晶起始溫度（Tic)取高溫側(cè)基線向低溫側(cè)延長的直線和通過結(jié)晶線高溫側(cè)曲線斜率最大點所引的切線的交點溫度；外推結(jié)晶終止溫度(Tec）取低溫側(cè)基線向高溫側(cè)延長的直線和通過結(jié)晶峰低溫側(cè)曲線斜率最大點所引的切線的交點溫度.呈現(xiàn)兩個以上的獨立結(jié)晶峰時,則求出各自峰的Tpc、Tic和Tec。另外，存在兩個以上重疊峰時，則

19、求出Tic，若干個Tpc、Tec.再有，當(dāng)結(jié)晶緩慢持續(xù)發(fā)生，結(jié)晶峰低溫側(cè)的基線難于決定時，也可不求出Tec。吲哚拉新（indolacin）是非甾體類消炎鎮(zhèn)痛藥物，熔點為170172。其結(jié)構(gòu)式如下: 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該藥物存在多晶型，其DTA與DSC圖譜中，不同晶型的初熔溫度與峰溫度不同，據(jù)此可應(yīng)用熱分析法確定其晶型.三、儀器與藥品差熱分析儀（CDR型） 鋁用坩堝 鑷子 樣品匙 分析天平吲哚拉新 Al2O3 金屬銦(mp156。4,H=28.6J.g-1)四、操作步驟（一) 吲哚拉新的多晶型制備吲哚拉新以丙酮為溶劑重結(jié)晶得到晶型，也是市售產(chǎn)品的晶型;以苯為溶劑重結(jié)晶得到型；以乙醚為溶劑重結(jié)晶得到型，以

20、氯仿為溶劑重結(jié)晶得到型。（二） 儀器裝置CDR-1型差動熱分析儀由電爐、可控硅加熱單元、溫度程序控制單元、差熱放大器、差動熱補償器、電子電位差計組成，各面板裝置見圖1-12。(2）溫度程序控制單元面板（1)可控硅加熱單元面板（3)差熱放大器單元面板 （4）差動熱量補償單元面板裝置圖112 CDR1型差動熱分析儀控制面板對DSC儀器幾個問題的說明:1基線漂移在進(jìn)行DSC分析時，如果升溫時樣品沒有熱效應(yīng)產(chǎn)生，溫差T=0，溫差熱電勢始終為零，熱功率差W=0， 此時DSC曲線是一條水平直線，稱為基線.但由于基準(zhǔn)物和樣品這兩邊熱電偶的熱電勢及其容量，坩堝形狀位置等不可能完全對稱，因此即使樣品沒有熱效應(yīng)產(chǎn)

21、生,僅當(dāng)溫度發(fā)生變化時,仍有不對稱電勢產(chǎn)生，此電勢隨溫度的升高而變化造成基線的偏離（對水平方向而言）或彎曲,稱此現(xiàn)象為基線漂移。如果不加以克服，將會降低儀器的靈敏度，特別是小的差熱峰有可能被掩蔽掉。一般來說溫度愈高或使用時間愈長，基線的漂移就愈明顯。DSC儀器在設(shè)計中應(yīng)盡量注意基準(zhǔn)物、樣品兩方面的對稱性和一致性（包括熱電偶、坩堝形狀及位置等），故在整個電路中應(yīng)加以“斜率調(diào)整”來克服.2零點漂移樣品不發(fā)生熱效應(yīng)時，輸入到微伏放大器的信號電壓為零,則輸出電壓亦應(yīng)為零。然而由于電路元件的特性不可能完全一致，所以即便微伏放大器的輸入信號電壓為零時,仍還有相當(dāng)數(shù)量的輸出電壓，稱為初始偏差，亦稱為零點漂移

22、。此偏差可以用調(diào)零電路加以消除。在進(jìn)行DSC分析時，每隔一段時間后要進(jìn)行零點調(diào)整。調(diào)整的原理是將微伏放大器輸入端短路，U=0,采用零點調(diào)整電路, 撥動“調(diào)零”旋鈕直至微伏放大器沒有輸出為止。3比例、積分及微分（PID）調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)器是在調(diào)節(jié)器輸出電壓與輸入電壓間有P、I、D的關(guān)系，能產(chǎn)生P（比例）、I（積分)、D（微分）同時起作用的調(diào)節(jié)。這里的輸入電壓指偏差電壓,它和溫度偏差(爐溫與設(shè)定值之差）成正比。在DSC分析儀中，PID調(diào)節(jié)，控制好一定的升溫（降溫）速度是非常重要的，如果不能做到這點，DSC分析重現(xiàn)性不好，亦就不能進(jìn)行定量測定。（三) 測定操作1準(zhǔn)備工作 轉(zhuǎn)動手柄電爐的爐體升到頂部，然

23、后將爐體向前方轉(zhuǎn)出. 在兩只鋁坩堝中，暫不放樣品和參考物，分別放在樣品桿上部的兩只托盤上，將爐底轉(zhuǎn)回原處,輕輕的向下?lián)u到底部. 接通冷卻水，開啟水源，并使水流暢通。若需要的話，可將一定氣流的氮氣通入通氣管。 將記錄儀上的溫度下限黑針往左邊推到底部,溫度上限黑針往右邊推到底部，使紅筆的位置處于上下限溫度之間，開啟筆1的開關(guān)。 將升溫的方式選擇開關(guān)指在升溫的位置。開啟總電源，溫度程序控制單元及差熱放大器單元的電源開關(guān)，暫不開啟差動熱量補償單元的開關(guān). 接通電源后，如果發(fā)現(xiàn)溫度程序控制單元上的偏差指示儀表的指針已經(jīng)指在滿標(biāo)處，則利用“手動”旋鈕(注意:此時必須先推進(jìn)速度選擇開關(guān)，將其指在二檔速度的中

24、間位置，否則“手動”旋鈕無法轉(zhuǎn)動)，使偏差指示在零位附近.“手動”旋鈕的轉(zhuǎn)動方向如下：當(dāng)出現(xiàn)正偏差時，轉(zhuǎn)動“手動”旋鈕使機械計數(shù)器的讀數(shù)增大;當(dāng)出現(xiàn)負(fù)偏差時，則使其減小，這樣才能使偏差消除. 預(yù)熱約20分鐘，如果電源開關(guān)推不上,則需要檢查紅筆所指溫度是否已經(jīng)超過溫度上限指針。如果已經(jīng)超過，則要將紅筆退回到上限溫度之下。2. 零位調(diào)整將差熱放大器單元的選擇開關(guān)置于“短路"位置,“差動”、“差熱”選擇開關(guān)置于“差熱"位置，轉(zhuǎn)動“調(diào)零”旋鈕。使差熱指示電表指在“0”位。差動熱量補償單元在正常情況下不需要調(diào)整。儀表如不經(jīng)常使用，則每次使用前應(yīng)將零位調(diào)好。如儀表連續(xù)使用,一般來說不必

25、每次調(diào)零.3斜率調(diào)整 將“差熱"、“差動”開關(guān)指向“差熱"。 差熱放大器量程選擇開關(guān)置于±100V位置。程序方式選擇“升溫"。升溫速度采用10/min或20/min。開啟記錄儀的筆2開關(guān)。轉(zhuǎn)動差熱放大器單元上的移位開關(guān)，使藍(lán)筆處于記錄紙的中線附近。 開啟記錄儀的走紙電動機，走紙速度選擇600 mm/h或300mm/h。這時藍(lán)筆所畫出的應(yīng)該是一條直線，即為“基線"。 按下溫度程序控制單元上的“工作”按鈕，如果發(fā)現(xiàn)偏差指示已偏離零位甚遠(yuǎn)，則應(yīng)旋動“手動”按鈕使偏差接近零值。切記旋動“手動”旋鈕前應(yīng)將速度選擇開關(guān)放在10/min或20/min的位置，并使開關(guān)向外彈出。 按下電爐電源開關(guān),電爐即將逐漸按預(yù)定的速度升溫。 由于坩堝中未放樣品和參考物，故在升溫過程中,如果基線偏離原來的位置，則主要是由于熱電偶的不對稱電勢引起?；€的漂移還與樣品桿的位置、坩堝的位置、坩堝的幾何