標題熱分析法測定固體藥物的多晶型

一、實驗目的
1. 熟悉熱分析的基本原理與實驗方法及其在藥學研究中的主要應用

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構
周藝光13851485841 專業提供差熱分析儀器（DTA、DSC） zyg_awp@56.com
二、基本原理
熱分析是在程序控溫條件下，測量物質物理化學性質隨溫度變化的函數關系的一種技術。程序控溫可采用線性、對數或倒數程序。熱分析法依照所測樣品物理性質的不同有以下幾種：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應用廣泛
（一）差熱分析
差熱分析（differential thermal analysis, DTA）法是在程序控溫下，測量物質與參比物之間溫度差隨溫度或時間變化的一種技術。根據國際熱分析協會（international confederation for thermal analysis, ICTA） 規定，DTA曲線放熱峰向上，吸熱峰向下，靈敏度單位為微伏（μV）。如圖1-1為苦味酸（三硝基苯酚）的DTA曲線。



圖1-1 苦味酸在動態空氣中的DTA曲線



可見，體系在程序控溫下，不斷加熱或冷卻降溫，物質將按照它固有的運動規律而發生量變或質變，從而產生吸熱或放熱，根據吸熱或放熱便可判定物質內在性質的變化。如：晶型轉變、熔化、升華、揮發、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



1 測定時將試樣與參比物（常用α-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℃•min-1）。如果試樣在升溫過程中沒有熱反應（吸熱或放熱），則其與參比物之間的溫差ΔT＝0；如果試樣產生相變或氣化則吸熱，產生氧化分解則放熱，從而產生溫差ΔT，將ΔT所對應的電勢差（電位）放大并記錄，便得到差熱曲線。各種物質因物理特性不同，因此表現出其特有的差熱曲線。



大展機電技術研究所 專業生產差熱分析儀DTA（DZ3320A） 差示掃描量熱儀DSC（DZ3335
聯系方式：周藝光 13851485841 zyg_awp@56.com

（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，測量物質與參比物之間能量差隨溫度變化的一種技術。其測定原理如圖1-3
圖1-3 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，設置了一組補償加熱絲，在加熱過程中，當試樣由于熱反應而出現溫差ΔT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到平衡，溫差ΔT→0。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系式為：

（1－1）

（1－2）

式中:C為熱容量；Ws為吸（放）熱量（即樣品產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。

將式（1－1）代入式（1－2）可得到下式：

（1－3）

移項整理 （1－4）

若K>>1,則



式中K值越大越好，從而使Wc≈Ws即電功率補償量約等于試樣吸（放）熱的熱量。

根據ICTA規定：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1-4 撲熱息痛的DSC曲線



DSC比DTA易于定量，可測定樣品在發生轉變時熱量的變化，其熱函變化值ΔH與吸熱或放熱峰的面積A成比例，即：

ΔH＝KA （1－5）

式中A為吸熱或放熱峰的峰面積；K為校正系數，與樣品的導熱系數和測定池的種類、氣氛有關。K值可由已知焓的標準物測得的熱譜圖的峰面積求出。物質如表1－1。



表1-1 校正測定溫度與系數K的標準物質

標準物質 熔點/℃ 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

銦 156.4 28.6

錫 231.9 60.3

鉛 327.4 23.0

鋅 419.5 102.1

鋁 660.3 397



（三） 熱重分析

熱重分析（thermogravimetric analysis,TG）是在程序控溫下，測量物質的質量隨溫度和時間變化的一種技術，只適用于加熱過程中有脫溶劑化（脫水）、升華、蒸發與分解等量變化的物質。TG曲線以質量減少百分率和質量減少速率為縱軸，溫度或時間為橫軸，其儀器設備和TG曲線如圖1-5，1-6。







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量分數的測定，如圖1-7。



圖1-7 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℃. min-1

測試結果：失水13.6％



例2： CuSO4. 5H2O脫水的TG曲線,圖1-8。



圖1-8 硫酸銅脫水分解圖



CuSO4. 5H2O在約85－105℃脫去二份結晶水成CuSO4. 3H2O；在約105－115℃又脫去二份結晶水成CuSO4. H2O；在225－250℃脫去一份結晶水成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150－200℃脫一份結晶水成CaC2O4；在380－490℃時放出CO形成CaCO3 ；在670－750℃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）曲線表示的試樣的某種反應（如熱分解反應），提高升溫速率通常使反應的溫度Ti，峰溫Tp和終止溫度Te增高。因為快速升溫，使得反應尚未來得及進行，便進入更高的溫度，造成反應滯后。如FeCO3在氮氣中升溫失去CO2的反應，當升溫速率從1℃. min-1提高到20℃. min-1時，則Ti從400℃升高到480℃,Te從500℃升高到610℃。

（2） 快速升溫是將反應推向高溫區，使其以更快的速度進行，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，慢速升溫有利于階段反應的相互分離，使DTA曲線呈分離的多重峰，TG曲線由本來快速升溫時的轉折，轉而呈現平臺。

（4） DTA曲線的峰面積隨升溫速率的降低而略有減小的趨勢，但一般來說相差不大，如高嶺土在大約600℃的脫水吸熱反應，當升溫速率范圍為5～20℃. min-1時，峰面積最大相差在 3％以內。

（5） 升溫速率影響試樣內各部位的溫度分布，如厚度為1mm的低密度聚乙烯的DSC測定表明，升溫速率為2℃. min-1時，試樣內外溫差不大；而為80℃. min-1時，溫差可達10℃以上。

對于結晶高聚物，慢速升溫熔融過程中可能伴有重結晶，而快速升溫易產生過熱，這是兩個相互矛盾的過程。故實驗時應選擇適當的升溫速率，如無特殊要求和說明，通常選取10℃. min-1或5℃. min-1。

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的物理化學歸屬。如在空氣中測定的熱分析曲線呈現放熱峰，而在惰性氣氛中測定依不同的反應可分為幾種情形：如放熱峰大小不變，則為結晶或固化反應；如為吸熱效應，則是分解燃燒反應；如無峰或呈現非常小的放熱峰，則為金屬氧化之類的反應。借此可觀測有機聚合物等物質熱裂解與熱氧化裂解之間的差異。

對于形成氣體產物的反應，如不將氣體產物及時排出，或通過其它方式提高氣氛中氣體產物的分壓，則會使反應向高溫方向移動。如水氣使含水硫酸鈣CaSO4. 2H2O失水反應受到抑制，與在空氣中測定的結果相比，反應溫度移向了高溫區，呈雙重峰及分步脫水過程。

氣氛中氣體的導熱性良好，有利于向體系提供更充分的能量，提高分解反應速率。例如氬、氮和氦這3種惰性氣體導熱系數與溫度的關系是依次遞增的，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，少量試樣有利于氣體產物的擴散和試樣內溫度的均衡，減少溫度梯度，降低試樣溫度與環境線性升溫的偏差。

一般來說，表面反應或多或少要受到試樣粒度的影響，這要比化學分解反應的影響更加明顯；而相轉變受粒度的影響較小。為便于相互比較，應盡量采用粒度相近的試樣，如通過一定篩孔的細粉。試樣質量不僅對熱分析曲線的峰溫和峰面積有影響，還對其形態特征有影響。有些物質由于質量的減少而使形態特征發生根本的變化，這就為用熱分析的方法來鑒定物質形態特征帶來困難。

另外，堆砌松散的試樣顆粒之間的空隙可使試樣導熱性變差，而顆粒越小，堆得越緊密，導熱越好。不管試樣的粒度如何，堆砌密度不是很容易重復的，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、石英等低熱傳導材料制成的；也有由金屬，鋁、銀或鉑等高熱傳導材料制成的。形狀有微量平底、常量塊體、杯形、壓蓋等。測定時根據DTA、DSC、TG的測量目的與試樣性質進行選擇。一般常用鋁杯與陶瓷杯，測定時要選用相同的坩堝。



（五） 熱分析技術對藥物熔融與結晶溫度的測定

1. 熔融和結晶溫度的測定

由試樣DTA或DSC曲線的熔融吸熱峰和結晶放熱峰可確定各自的轉變溫度。為消除升、降溫過程的影響，并考慮到升、降溫過程中過熱、過冷和再結晶等作用，實驗可按如下過程進行。

（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，使樣品狀態穩定。

（2） 稱約10mg試樣（稱準到0.1mg）。注意試樣中含有大量填充劑時，被測物質量應含有5～10mg。另外，所取試樣應具有代表性。

（3） 將經狀態調節后的試樣放入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℃•min-1或10℃•min-1的降溫速率冷卻到比出現轉變峰至少低約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定之后，以10℃•min-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，在進行狀態調節后應立即使裝置穩定下來，以10℃•min-1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℃•min-1的降溫速率冷卻到比結晶峰終止時溫度低約50℃的溫度，記錄DTA或DSC曲線。另外，當結晶緩慢持續進行，結晶峰低溫側的基線難于決定時，可結束實驗。

儀器靈敏度調節到可記錄整個DTA或DSC曲線，峰高要居記錄紙滿刻度25%以上。氮氣流量在10～50mL•min-1范圍內適當設定，并保持不變。

（6） 熔融溫度和結晶溫度的讀取方法見圖1-10，1-11。





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1-11 結晶溫度求法

（a）呈單一峰；（b）存在兩個以上重疊峰



2. 峰溫度的校正

國際熱分析協會（ICTA）和美國標準局于1971年共同批準十種物質作為DTA的溫度校準物。



表 1-2 校準物的DTA溫度參數

物質 平衡溫度*/℃ 初熔溫度/℃ 峰溫度/℃

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

*平衡溫度即校準物的熔點。



（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）是取低溫側基線向高溫側延長的直線和通過熔融峰低溫側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（Tem）是取高溫側基線向低溫側延長的直線和通過熔融峰高溫側曲線斜率最大點所引切線的交點溫度。對于呈現兩個以上獨立的熔融峰時，求出各自的Tpm、Tim和Tem。另外，熔融緩慢發生，熔融峰低溫側的基線難于決定時，也可不求出Tim。

（2） 結晶溫度的求法

結晶峰溫（Tpc）取結晶峰頂溫度；外推結晶起始溫度（Tic）取高溫側基線向低溫側延長的直線和通過結晶線高溫側曲線斜率最大點所引的切線的交點溫度；外推結晶終止溫度（Tec）取低溫側基線向高溫側延長的直線和通過結晶峰低溫側曲線斜率最大點所引的切線的交點溫度。呈現兩個以上的獨立結晶峰時，則求出各自峰的Tpc、Tic和Tec。另外，存在兩個以上重疊峰時，則求出Tic，若干個Tpc、Tec。再有，當結晶緩慢持續發生，結晶峰低溫側的基線難于決定時，也可不求出Tec。

吲哚拉新（indolacin）是非甾體類消炎鎮痛藥物，熔點為170-172℃。其結構式如下：







經研究發現該藥物存在多晶型，其DTA與DSC圖譜中，不同晶型的初熔溫度與峰溫度不同，據此可應用熱分析法確定其晶型。



三、儀器與藥品

差熱分析儀（DZ3320A型差熱分析儀器 采購聯系：周藝光 13851485841） 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晶得到α晶型，也是市售產品的晶型；以苯為溶劑重結晶得到β型；以乙醚為溶劑重結晶得到γ型，以氯仿為溶劑重結晶得到δ型。

（二） 儀器裝置

DZ3320A差動熱分析儀



對DSC儀器幾個問題的說明：

1．基線漂移

在進行DSC分析時，如果升溫時樣品沒有熱效應產生，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產生，僅當溫度發生變化時，仍有不對稱電勢產生，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儀器在設計中應盡量注意基準物、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）。



（三） 測定操作

1．準備工作

⑴ 打開儀器加熱爐蓋。。

⑵ 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，蓋上爐蓋。

⑶若需要的話，可將一定氣流的氮氣通入通氣管。

⑷ 按下run鍵，開始運行。。

4．差動測量

⑴ 準備工作同前，開啟電源，使整機預熱約20分鐘。

⑵ 將樣品稱重后放入坩堝（樣品重約10mg），在另一只坩堝中放入重量相等的參考物，如α-Al2O3。然后將樣品坩堝放在樣品支架的右側托盤上，參考物坩堝放在左側的托盤上。

⑶ 將“差動”、“差熱”開關置于“差動”位置。微伏放大器量程開關置于±100μV處（注意：不論熱量補償的量程選擇在哪一檔，作差動測量時，微伏放大器的量程都應放在±100μV檔）。

⑷ 將熱量補償放大單元的量程開關放在適當的位置。本實驗可放在±5mcal/s （相當于21J/s）。一般如果無法估計確切的量程，則可放在量程較大的位置，先預試一次。

⑸ 將溫度程序控制單元的“程序方式”放在“升溫”，“速度℃/min”放在10。接通電爐電源，并按下溫度程序控制單元的“工作”旋鈕，讓爐溫按預定要求變化。

⑹ 開啟記錄儀，選擇走紙速度為5mm/min （或300mm/h）。

⑺ 吸熱反應時，藍筆曲線偏離基線，向左邊傾斜，放熱反應時，則向右邊傾斜。曲線偏離基線的距離，即為吸（放）熱速度，而波峰或波谷的面積，即為樣品吸（放）的熱量。



五、吲哚拉新DSC圖譜分析

1．從吲哚拉新DSC曲線求出各晶型的初熔溫度、峰溫度與終熔溫度（注意以標準物的溫度校準）。

2．比較各晶型初熔溫度的差別，并對測定結果加以說明。



參考文獻

2 金光洙.沈陽藥科大學學報, 1992, 9（3）:157

3 趙會英.沈陽藥科大學學報, 2000, 17（2）:101

4 徐莉英.中國藥化雜志, 1995, 5（4）:266

5 大展機電技術研究所

專業生產差熱分析儀DTA（DZ3320A）

差示掃描量熱儀DSC（DZ3335）