Kỹ thuật phân tích nhiệt vi sai - DSC (P2)

Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) là một kỹ thuật đo nhiệt lượng tỏa ra hoặc hấp thụ bởi một mẫu khi nhiệt độ của mẫu thay đổi theo thời gian. Nguyên lý hoạt động của DSC dựa trên việc so sánh nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của mẫu so với một mẫu tham chiếu (thường là một đĩa rỗng hoặc chứa một chất trơ).

1. Cấu tạo cơ bản của một thiết bị DSC bao gồm:

- Lò nung: Nơi đặt mẫu và mẫu tham chiếu.
- Cảm biến nhiệt: Đo nhiệt độ của mẫu và mẫu tham chiếu.
- Hệ thống làm lạnh: Điều khiển nhiệt độ của lò nung.
- Nguồn cung cấp khí: Cung cấp khí trơ (như nitơ hoặc argon) để bảo vệ mẫu khỏi bị oxy hóa.
- Máy tính: Thu thập và xử lý dữ liệu.

2. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật DSC gồm các giai đoạn:

1. Chuẩn bị mẫu: Mẫu cần phân tích được đặt vào một đĩa kim loại nhỏ và đặt vào lò nung. Một đĩa kim loại giống hệt nhau nhưng không chứa mẫu được đặt vào vị trí tham chiếu.
2. Quá trình gia nhiệt: Lò nung được gia nhiệt theo một chương trình nhiệt độ đã định trước (ví dụ: tăng nhiệt độ tuyến tính theo thời gian).
3. So sánh nhiệt lượng: Trong quá trình gia nhiệt, nếu mẫu trải qua một quá trình nhiệt (như nóng chảy, kết tinh, phân hủy), nó sẽ hấp thụ hoặc tỏa ra nhiệt lượng. Sự khác biệt về nhiệt lượng giữa mẫu và mẫu tham chiếu được đo bởi các cảm biến nhiệt.
4. Ghi nhận tín hiệu: Tín hiệu nhiệt lượng thu được được ghi lại theo thời gian hoặc theo nhiệt độ, tạo ra một đường cong DSC.

Đường cong DSC:

Đường cong DSC biểu diễn sự thay đổi nhiệt lượng theo nhiệt độ. Trên đường cong này, các đỉnh biểu thị các sự kiện nhiệt xảy ra trong mẫu.

- Đỉnh hướng lên: Tương ứng với quá trình hấp thụ nhiệt (ví dụ: nóng chảy).
- Đỉnh hướng xuống: Tương ứng với quá trình tỏa nhiệt (ví dụ: kết tinh).

A diagram of a temperature Description automatically generated

Hình 1. Ví dụ về đường cong DSC: exothermic peak (đỉnh ngoài nhiệt), endothermic peak (đỉnh nội nhiệt)

Các thông tin có thể thu được từ đường cong DSC:

- Nhiệt độ chuyển pha: Nhiệt độ mà tại đó xảy ra các quá trình như nóng chảy, kết tinh, phân hủy.
- Nhiệt dung riêng: Lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ của một đơn vị khối lượng của một chất lên 1 độ C.
- Nhiệt enthalpy của quá trình chuyển pha: Lượng nhiệt hấp thụ hoặc tỏa ra trong quá trình chuyển pha.
- Độ tinh khiết của mẫu: Độ rộng và đối xứng của đỉnh nóng chảy có thể cung cấp thông tin về độ tinh khiết của mẫu.
- Ổn định nhiệt của mẫu: Nhiệt độ phân hủy của mẫu có thể được xác định bằng DSC.

3. Ứng dụng DSC trong nghiên cứu dược phẩm

- Đánh giá độ tinh khiết: Đỉnh nóng chảy sắc nét và đối xứng chỉ ra độ tinh khiết cao.
- Phát hiện đa hình: Các dạng đa hình có nhiệt độ nóng chảy khác nhau.
- Đánh giá ổn định: Quan sát sự thay đổi của đường cong DSC sau khi lưu trữ mẫu ở các điều kiện khác nhau.
- Nghiên cứu tương tác thuốc-tá dược: Quan sát sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy và hình dạng đỉnh khi trộn hoạt chất với tá dược.
- Xác định nhiệt độ chuyển dịch kính (Tg): Quan sát sự chuyển đổi từ trạng thái vô định hình sang trạng thái tinh thể.

4. Ứng dụng DSC trong nghiên cứu hệ phân tán rắn

Kỹ thuật DSC có thể phân tích trạng thái rắn của dược chất ban đầu và hệ phân tán rắn sau khi bào chế. Ví dụ như khi khảo sát đặc điểm pha của các hệ phân tán rắn được tạo thành từ PEG 6000 và itraconazole bằng kỹ thuật DSC. Các hệ phân tán rắn được chuẩn bị bằng phương pháp bay hơi dung môi. Phân tích DSC của PEG 6000 tinh khiết cho thấy ba đỉnh nội nhiệt (endothermic peak), tương ứng với sự chuyển pha nóng chảy của ba dạng tinh thể khác nhau.

- Kết quả cho thấy itraconazole làm giảm sự hình thành các dạng tinh thể polymer có nhiệt độ nóng chảy 56 và 59°C, nhưng lại thúc đẩy sự hình thành dạng tinh thể có nhiệt độ nóng chảy 63°C. Tất cả các hệ phân tán được nghiên cứu đều cho thấy sự hiện diện của itraconazole tinh thể, cho thấy rằng thuốc không được phân tán hoàn toàn trong khung polymer. Tuy nhiên, sự hiện diện của một đỉnh nội nhiệt ở khoảng 85-90°C trong các đường cong DSC của tất cả các hệ phân tán cho thấy sự tồn tại của ít nhất một pha thứ hai của itraconazole tinh thể: itraconazole dạng thủy tinh.
- Tác dụng bảo vệ của polymer rõ ràng ở nồng độ thuốc thấp, vì không phát hiện được hiện tượng kết tinh lại ngoại nhiệt. Tuy nhiên, ở nồng độ thuốc bằng hoặc lớn hơn 80%, có thể phát hiện được một đỉnh ngoại nhiệt kết tinh lại ở khoảng 117°C. Ít nhất ba pha khác nhau có thể được phân biệt ở nhiệt độ phòng: pha polymer, itraconazole tinh thể và itraconazole dạng thủy tinh. Kết quả của nghiên cứu này chứng minh sự tồn tại đồng thời của nhiều pha thuốc trong một hệ phân tán rắn.