一、實驗?zāi)康?br />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(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)
周藝光13851485841 專業(yè)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(zhì)物理化學性質(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的一種技術(shù)。根據(jù)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（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(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



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(yīng)（吸熱或放熱），則其與參比物之間的溫差ΔT＝0；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ΔT，將ΔT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。



大展機電技術(shù)研究所 專業(yè)生產(chǎn)差熱分析儀DTA（DZ3320A） 差示掃描量熱儀DSC（DZ3335
聯(lián)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(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(shè)置了一組補償加熱絲，在加熱過程中，當試樣由于熱反應(yīng)而出現(xiàn)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(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(guān)系式為：

（1－1）

（1－2）

式中:C為熱容量；Ws為吸（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（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(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(fā)生轉(zhuǎn)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(shù)，與樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和測定池的種類、氣氛有關(guān)。K值可由已知焓的標準物測得的熱譜圖的峰面積求出。物質(zhì)如表1－1。



表1-1 校正測定溫度與系數(shù)K的標準物質(zhì)

標準物質(zhì) 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(zhì)的質(zhì)量隨溫度和時間變化的一種技術(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1-5，1-6。







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(zhì)量分數(shù)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(jié)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(jié)晶水成CuSO4. 3H2O；在約105－115℃又脫去二份結(jié)晶水成CuSO4. H2O；在225－250℃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150－200℃脫一份結(jié)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(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)尚未來得及進行，便進入更高的溫度，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(yīng)推向高溫區(qū)，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(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)，當升溫速率范圍為5～20℃. min-1時，峰面積相差在 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℃. min-1時，試樣內(nèi)外溫差不大；而為80℃. min-1時，溫差可達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?shù)纳郎厮俾�，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(yīng)的物理化學歸屬。如在空氣中測定的熱分析曲線呈現(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)系是依次遞增的，因此碳酸鈣CaCO3的熱分解速率在氦氣中*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)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(tài)穩(wěn)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(zhì)量應(yīng)含有5～10mg。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℃•min-1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-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(tài)調(diào)節(jié)后應(yīng)立即使裝置穩(wěn)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(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℃•min-1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，當結(jié)晶緩慢持續(xù)進行，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。氮氣流量在10～50mL•min-1范圍內(nèi)適當設(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1-10，1-11。





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(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

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



表 1-2 校準物的DTA溫度參數(shù)

物質(zhì) 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(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(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，則求出Tic，若干個Tpc、Tec。再有，當結(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170-172℃。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（DZ3320A型差熱分析儀器 采購聯(lián)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(jié)晶得到α晶型，也是市售產(chǎn)品的晶型；以苯為溶劑重結(jié)晶得到β型；以乙醚為溶劑重結(jié)晶得到γ型，以氯仿為溶劑重結(jié)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(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)生，僅當溫度發(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(yù)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(cè)托盤上，參考物坩堝放在左側(cè)的托盤上。

⑶ 將“差動”、“差熱”開關(guān)置于“差動”位置。微伏放大器量程開關(guān)置于±100μV處（注意：不論熱量補償?shù)牧砍踢x擇在哪一檔，作差動測量時，微伏放大器的量程都應(yīng)放在±100μV檔）。

⑷ 將熱量補償放大單元的量程開關(guān)放在適當?shù)奈恢谩１緦嶒灴煞旁?plusmn;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(yù)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(yù)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(yīng)時，藍筆曲線偏離基線，向左邊傾斜，放熱反應(yīng)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(jié)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(shù)研究所

專業(yè)生產(chǎn)差熱分析儀DTA（DZ3320A）

差示掃描量熱儀DSC（DZ3335）

 

原創(chuàng)作者：南京大展機電技術(shù)研究所