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（differential thermal analysis, 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(international confederation for thermal analysis, 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。
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。
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（二）差示扫描量热法（差动热分析法）
差示扫描量热法（differential scanning calorimeter, 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。
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：
(1－1)
(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：
(1－3)
移项整理 (1－4)
若K>>1,则
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）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 34.6 90.4
硬脂酸 69.0 198.9
菲 99.3 104.7
铟 156.4 28.6
锡 231.9 60.3
铅 327.4 23.0
锌 419.5 102.1
铝 660.3 397
（三） 热重分析
热重分析（thermogravimetric analysis,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。
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。
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。
CaC2O4•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
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。
(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
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/℃
KNO3 127.7 128±5 135±6
In 157 154±6 159±6
Sn 231.9 230±5 237±6
KClO3 299.5 299±6 309±8
Ag2SO4 430 424±7 433±7
SiO2 573 571±5 574±5
K2SO4 583 582±7 588±6
K2CrO4 665 665±7 673±6
BaCO3 810 808±8 819±8
SrCO3 925 928±7 938±9
*平衡温度即校准物的熔点。
(1) 熔融温度的求法
熔融峰温(Tpm)取熔融峰顶温度；外推熔融起始温度(Tim)是取低温侧基线向高温侧延长的直线和通过熔融峰低温侧曲线斜率最大点所引切线的交点的温度；外推熔融终止温度(Tem)是取高温侧基线向低温侧延长的直线和通过熔融峰高温侧曲线斜率最大点所引切线的交点温度。对于呈现两个以上独立的熔融峰时，求出各自的Tpm、Tim和Tem。另外，熔融缓慢发生，熔融峰低温侧的基线难于决定时，也可不求出Tim。
(2) 结晶温度的求法
结晶峰温(Tpc)取结晶峰顶温度；外推结晶起始温度(Tic)取高温侧基线向低温侧延长的直线和通过结晶线高温侧曲线斜率最大点所引的切线的交点温度；外推结晶终止温度(Tec)取低温侧基线向高温侧延长的直线和通过结晶峰低温侧曲线斜率最大点所引的切线的交点温度。呈现两个以上的独立结晶峰时，则求出各自峰的Tpc、Tic和Tec。另外，存在两个以上重叠峰时，则求出Tic，若干个Tpc、Tec。再有，当结晶缓慢持续发生，结晶峰低温侧的基线难于决定时，也可不求出Tec。
吲哚拉新（indolacin）是非甾体类消炎镇痛药物，熔点为170-172℃。其结构式如下：
经研究发现该药物存在多晶型，其DTA与DSC图谱中，不同晶型的初熔温度与峰温度不同，据此可应用热分析法确定其晶型。
三、仪器与药品
差热分析仪（DZ3320A型差热分析仪器 采购联系：周艺光 13851485841） 铝用坩埚 镊子 样品匙 分析天平
吲哚拉新 Al2O3 金属铟（mp156.4℃,△H=28.6J.g-1）
四、操作步骤
(一) 吲哚拉新的多晶型制备
吲哚拉新以丙酮为溶剂重结晶得到α晶型，也是市售产品的晶型；以苯为溶剂重结晶得到β型；以乙醚为溶剂重结晶得到γ型，以氯仿为溶剂重结晶得到δ型。
(二) 仪器装置
DZ3320A差动热分析仪
对DSC仪器几个问题的说明：
1．基线漂移
在进行DSC分析时，如果升温时样品没有热效应产生，温差△T=0，温差热电势始终为零，热功率差△W=0, 此时DSC曲线是一条水平直线，称为基线。但由于基准物和样品这两边热电偶的热电势及其容量，坩埚形状位置等不可能完全对称，因此即使样品没有热效应产生，仅当温度发生变化时，仍有不对称电势产生，此电势随温度的升高而变化造成基线的偏离（对水平方向而言）或弯曲，称此现象为基线漂移。如果不加以克服，将会降低仪器的灵敏度，特别是小的差热峰有可能被掩蔽掉。一般来说温度愈高或使用时间愈长，基线的漂移就愈明显。DSC仪器在设计中应尽量注意基准物、样品两方面的对称性和一致性（包括热电偶、坩埚形状及位置等）。
(三) 测定操作
1．准备工作
⑴ 打开仪器加热炉盖。。
⑵ 在两只铝坩埚中，暂不放样品和参考物，分别放在样品杆上部的两只托盘上，盖上炉盖。
⑶若需要的话，可将一定气流的氮气通入通气管。
⑷ 按下run键，开始运行。。
4．差动测量
⑴ 准备工作同前，开启电源，使整机预热约20分钟。
⑵ 将样品称重后放入坩埚（样品重约10mg），在另一只坩埚中放入重量相等的参考物，如α-Al2O3。然后将样品坩埚放在样品支架的右侧托盘上，参考物坩埚放在左侧的托盘上。
⑶ 将“差动”、“差热”开关置于“差动”位置。微伏放大器量程开关置于±100μV处（注意：不论热量补偿的量程选择在哪一档，作差动测量时，微伏放大器的量程都应放在±100μV档）。
⑷ 将热量补偿放大单元的量程开关放在适当的位置。本实验可放在±5mcal/s (相当于21J/s)。一般如果无法估计确切的量程，则可放在量程较大的位置，先预试一次。
⑸ 将温度程序控制单元的“程序方式”放在“升温”，“速度℃/min”放在10。接通电炉电源，并按下温度程序控制单元的“工作”旋钮，让炉温按预定要求变化。
⑹ 开启记录仪，选择走纸速度为5mm/min (或300mm/h)。
⑺ 吸热反应时，蓝笔曲线偏离基线，向左边倾斜，放热反应时，则向右边倾斜。曲线偏离基线的距离，即为吸（放）热速度，而波峰或波谷的面积，即为样品吸（放）的热量。
五、吲哚拉新DSC图谱分析
1．从吲哚拉新DSC曲线求出各晶型的初熔温度、峰温度与终熔温度（注意以标准物的温度校准）。
2．比较各晶型初熔温度的差别，并对测定结果加以说明。
热分析法测定固体药物的多晶型
2013-03-23 17:38 浏览:21
