Термический анализ

ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ

Термический анализ представляет собой группу методов, в которых изменение физического свойства вещества измеряют как функцию температуры. Наиболее часто используют методы, которые основаны на определении изменения массы или энергии испытуемого образца.

Эти методы имеют различные области применения:

– определение фазовых изменений;

– определение изменений в химическом составе;

– определение чистоты.

ТЕРМОГРАВИМЕТРИЯ

Термогравиметрия (ТГ) или термогравиметрический анализ (ТГА) представляет собой метод, при котором масса испытуемого образца определяется как функция температуры в соответствии с контролируемой температурной программой.

Прибор. Основными компонентами термовесов являются: устройство для нагрева или охлаждения испытуемого образца в соответствии с заданной температурной программой, держатель образца в контролируемой среде, электронные весы и устройство для регистрации электрического сигнала.

Калибровка температуры. Датчик температуры, расположенный близко к образцу или находящийся в контакте с ним, калибруют по температуре Кюри ферромагнитного вещества такого как никель. В том случае, если прибор позволяет одновременно проводить ТГ/ТГА и дифференциальный термический анализ (ДТА) или дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК), могут быть использованы такие же сертифицированные стандартные материалы, что и для ДТА и ДСК, например, индий, олово и(или) цинк.

Калибровка электронных весов. Соответствующее количество подходящего сертифицированного стандартного материала (например, фармакопейного стандартного образца кальция оксалата моногидрата) помещают в держатель образца и записывают массу. Устанавливают скорость нагревания в соответствии с инструкциями производителя (например, 5 °C/мин) и начинают повышение температуры. Записывают термогравиметрическую кривую в виде графика с температурой или временем на оси абсцисс, увеличивающейся слева направо, и массой на оси ординат, уменьшающейся вниз. Останавливают повышение температуры приблизительно при 250 °C. Измеряют разницу на графике между начальным и конечным плато масса-температура или масса-время, которая соответствует потере массы. Заявленная потеря в массе указана в информации на сертифицированный стандартный материал.

Метод. Для испытуемого образца проводят такое же испытание в условиях, указанных в фармакопейной статье. Рассчитывают потерю в массе испытуемого образца по разнице, измеренной на полученном графике. Выражают потерю в массе в ∆м/м (%).

При частом использовании прибора, необходимо регулярно проводить калибровку температуры. В иных случаях калибровку выполняют перед каждым измерением.

Поскольку условия проведения испытания являются критическими, для каждого измерения учитывают следующие показатели: давление или скорость потока, состав газа, масса образца, скорость нагревания, диапазон температур и предварительная подготовка образца, включая любой изотермический период.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ

Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) представляет собой метод, который используют, чтобы обнаружить энергетические явления, возникающие при нагревании (или охлаждении) веществ (или смеси веществ), и определить изменения энтальпии и удельной теплоты, а также температуры, при которых они происходят.

Данный метод используют для определения разницы в тепловом потоке (в сравнении с температурой), выделяемом или поглощаемом испытуемым образцом по сравнению со стандартным образцом, как функции температуры. Существуют два типа приборов ДСК: те, которые используют компенсацию мощности для поддержания нулевой разницы температур между испытуемым образцом и стандартным образцом, и те, которые используют постоянную скорость нагревания и определяют температурный дифференциал как разницу в тепловом потоке между испытуемым образцом и стандартным образцом.

Прибор. Прибор для ДСК с компенсацией мощности состоит из печи, которая оборудована держателем образцов с ячейкой сравнения и ячейкой для испытания. Прибор для ДСК с тепловым потоком состоит из печи которая оборудована одной ячейкой с держателем образцов для тигля сравнения и тигля для испытания.

К прибору подключают: устройство для программирования температуры, датчик(и) температуры и устройство для регистрации результатов. Измерения проводят в контролируемой среде.

Калибровка прибора. Прибор калибруют по изменению температуры и энтальпии, используя подходящие сертифицированные стандартные материалы или стандартные образцы.

Калибровка температуры. Калибровку выполняют, используя сертифицированные стандартные материалы с характерными термическими свойствами, такими как температура плавления чистых металлов или органических веществ, или точка фазового перехода кристаллических неорганических солей или оксидов. Для калибровки обычно используют температуры плавления индия, олова и(или) цинка.

Калибровка количества теплоты. Для точной оценки количества изменения теплоты (изменения энтальпии) испытуемого образца, обусловленного определённым физическим изменением, сопровождающим изменение температуры, необходимо калибровать прибор, используя подходящие сертифицированные стандартные материалы. Калибровка количества теплоты, как и калибровка температуры может быть выполнена при помощи подходящих сертифицированных стандартных материалов, проявляющих известное определённое изменение энтальпии, обусловленное определёнными физическими изменениями, такими как плавление чистых металлов и(или) органических веществ, или фазовый переход кристаллических неорганических солей. Для калибровки обычно используют теплоту плавления индия, олова и(или) цинка.

Проведение испытания. В подходящем тигле взвешивают соответствующее количество испытуемого образца и помещают его в держатель образца. Пустой тигель помещают в держатель стандартного образца. Устанавливают начальную и конечную температуры, а также скорость нагревания в соответствии с условиями, указанными в фармакопейной статье.

Начинают испытание и регистрируют кривую ДСК с температурой или временем на оси абсцисс (значения увеличиваются слева направо) и изменением энергии на оси ординат (указывают, является ли изменение эндотермическим или экзотермическим).

Температура, при которой происходит тепловое явление (температура начала теплового явления), соответствует точке пересечения (А) продолжения базовой линии с касательной в точке наибольшего наклона (точка перегиба) кривой (Рисунок 1). Конец теплового явления обозначают пиком кривой.

Рисунок 1 – Термограмма

Энтальпия теплового явления пропорциональна площади под кривой, ограниченной базовой линией; коэффициент пропорциональности определяется при измерении теплоты плавления известного вещества (например, индия) в тех же условиях испытания.

Каждая термограмма может сопровождаться следующими данными: условия проведения испытания, информация о последней калибровке, масса испытуемого образца и его идентификация (включая историю изменений температуры), упаковка, среда (идентичность, скорость потока, давление), направление и скорость изменения температуры, чувствительность прибора и регистрирующего устройства.

Область применения

Фазовые переходы. Определение температуры, изменения теплоёмкости и энтальпии фазовых переходов, происходящих с веществом, в зависимости от температуры. Возможные, наблюдаемые переходы, указаны в таблице 1.

Таблица 1

Изменения химического состава. Измерение теплоты и температур реакции при заданных условиях испытания, чтобы, например, определить кинетику разложения или десольватации.

Применение фазовых диаграмм. Построение фазовых диаграмм для твёрдых смесей. Построение фазовой диаграммы может быть важным этапом в предварительной разработке и в оптимизации процесса сублимационной сушки.

Определение степени чистоты. Измерения доли вещества, расплавленного при заданной температуре, и теплоты плавления методом ДСК позволяют определить содержание примесей в веществе по одной тепловой диаграмме, при этом требуется использовать всего несколько миллиграммов испытуемого образца и нет необходимости в повторных точных измерениях истинной температуры.

В теории, плавление полностью кристаллического чистого вещества при постоянном давлении характеризуется теплотой плавления   бесконечно узком диапазоне, который соответствует температуре
плавления . Расширение этого диапазона является чувствительным индикатором наличия примесей. Поэтому испытуемые образцы одного и того же вещества, содержание примесей в которых различается на несколько десятых процента, дают различные друг от друга термические диаграммы (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Термическая диаграмма в зависимости от степени чистоты

Определение молярной чистоты методом ДСК основано на использовании математической аппроксимации интегральной формы уравнения Вант-Гоффа, применимой к концентрациям (не к активностям) в бинарной системе . Для малых количеств примесей  и для температур, близких к температуре плавления , уравнение можно записать следующим образом, где  и  являются переменными:

Таким образом, определение чистоты методом ДСК ограничивается обнаружением примесей, образующих эвтектическую смесь с основным соединением и присутствующих в испытуемом образце в мольной доле, которая обычно составляет менее 2 %.

Данный метод не применяют для:

– аморфных веществ;

– сольватов или полиморфных соединений, нестабильных в температурном диапазоне испытания;

– примесей, которые образуют твёрдые растворы с основным веществом;

– примесей, нерастворимых в жидкой фазе или в расплаве основного вещества.

При нагревании испытуемого образца примесь полностью плавится при эвтектической температуре. Выше этой температуры твёрдая фаза содержит только чистое вещество. При постепенном повышении температуры от эвтектической до температуры плавления чистого вещества, мольная доля примеси в жидкой фазе уменьшается, так как увеличивается количество расплавленного чистого вещества.

Для всех температур выше эвтектической точки:

Когда образец расплавлен полностью, то  и .

Если объединить уравнение (1) и (2), то получим следующее выражение:

Значение теплоты плавления чистого вещества получают интегрированием пика плавления.

Температура плавления  чистого вещества экстраполируется из графика отношения температуры  (выраженной в кельвинах) от . Наклон кривой α (при необходимости, полученной после линеаризации), который соответствует  позволяет определить .

Доля , умноженная на 100, представляет собой мольную долю в процентах для общего количества эвтектических примесей.