測試背景
很多種類的材料(小分子藥物、高分子等)具有相對復雜的分子結構，使得其在結晶過程中容易形成多種晶型。不同的晶型具有不同的性質，因此各晶型的含量及純度分析具有重要的應用價值。在藥物研究中，通常會考慮嘗試獲得單一晶型的產(chǎn)品，或是準確獲得各晶型的相對含量，并將其應用于實際的醫(yī)療過程中。差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry，DSC)常用于產(chǎn)品的晶型分析，通常來說，通過不同的熔融行為(峰型曲線及熔點)，可以對不同的晶型進行定性，并參考獲得的熔融峰面積(熔融焓值)，對各晶型在樣品中的含量進行計算。
圖1展示了一條典型的藥物分子測試曲線。卡馬西平是目前主流的抗癲癇藥物之一，晶型III是其主要存在晶型之一，通常在175~180℃區(qū)間內(nèi)熔融。
使用DSC對卡馬西平(晶型III)的樣品進行測試。
使用常規(guī)分析速率(10℃/min)進行升溫，可以看到樣品在175℃左右開始熔融。由于卡馬西平存在多晶型行為，在晶型III熔融后很快發(fā)生重結晶，轉化為了熱穩(wěn)定性更高的晶型。
繼續(xù)升溫，在DSC曲線上看到了更高溫晶型的熔融。當測試結果為圖1所示曲線時，分析人員很難從曲線上直接判定高溫區(qū)間熔融峰的來源。
也就是說，高溫區(qū)的熔融峰可能來自于原始形態(tài)樣品中的高溫晶型部分，也可能來自于在加熱過程中低溫晶型的重結晶，亦或是兩者兼有。因此，在相對較慢的升溫速率下(10℃/min)，卡馬西平樣品必然會發(fā)生重結晶，導致根據(jù)該速率下的DSC測試結果分析這類潛在多晶型樣品的晶型信息時，得到的信息準確程度難以保證。
圖1 卡馬西平(抗癲癇藥物)晶型III的DSC曲線，升溫速率10℃/min。在升溫過程中，晶型III首先熔融(對應于175℃起始的熔融峰)，并在短時間內(nèi)重結晶為熱穩(wěn)定性更高的晶型(曲線上的放熱峰)。繼續(xù)升溫，高溫熔融晶型(晶型I)在193℃起始熔融。從峰型判斷，在196℃附近(峰值溫度)還存在其他晶型。
高速升溫DSC測試
圖2 DSC 8500(選配96位自動進樣器)
圖3 功率補償型小爐體示意圖
珀金埃爾默DSC 8500，作為功率補償型測試原理的雙爐體DSC儀器，具有極小尺寸的爐體(圖3)。通過對小爐體溫度的更精準控制，可以實現(xiàn)高達750℃/min的線性升溫，顯著提高了熱效應的檢測靈敏度(圖4)，適合于微小熱效應檢測。
圖4 金屬銦的DSC測試熔融曲線，分別使用20℃/min(藍)、50℃/min(紅)及100℃/min(綠)速率升溫。升溫速率更高時，熔融峰峰高增加，峰檢測的靈敏度增加。
基于珀金埃爾默小爐體DSC儀器對樣品的快速升溫測試，對于常規(guī)科研/工業(yè)生產(chǎn)中的毫克級樣品，DSC 8500可以實現(xiàn)目前世界上所有其他DSC設備預設高速加熱程序也無法實現(xiàn)的測試效果，包括：
1 樣品不需要通過預熔的方式重新成型，而是直接測試，從而保留了原始樣品中的晶型信息；
2 通過爐體對樣品的立體加熱(而非樣品坩堝底部加熱片對樣品的面加熱)，使得具有一定體積的樣品受熱更均勻，從而減小熱阻對測試曲線的影響；
3 通過對小爐體的三維溫度測量，能夠測得常規(guī)面測溫或者多對熱電偶測溫模式難以測得的、樣品在各個空間方向上與環(huán)境的熱量交換，從而顯著提高了量熱測試的準確程度。
基于DSC 8500高速升溫的卡馬西平晶型測試
晶型的結晶/重結晶是動力學控制的過程，樣品可結晶的時間對結晶效果有明顯影響。基于此，如果通過快速升溫減少由低溫晶型熔融起始至高溫晶型熔融的時間間隔，就可以抑制低溫晶型熔融后的重結晶，從而獲得更準確的樣品原始狀態(tài)的晶型信息。
使用DSC 8500在不同升溫速率下對卡馬西平樣品進行測試，升溫速率由10℃/min逐漸提高至250℃/min(圖5)，可以看到高溫晶型的熔融峰面積(190~200℃間)與在低溫區(qū)間就熔融的晶型III(170~190℃)熔融面積比例隨升溫速率增加而降低，這意味著低溫晶型在加熱過程中熔融后，其重結晶行為被顯著抑制，在曲線上對應于重結晶放熱峰比例的顯著減小。
在250℃/min的升溫曲線中，甚至沒有看到明顯的重結晶放熱峰。但是需要注意的是，由于熔融峰面積很大，曲線上重結晶峰(放熱)是可能被溫度區(qū)間非常接近的熔融峰(吸熱)所抵消的，因此僅根據(jù)DSC曲線上重結晶放熱過程的消失，是不足以判斷樣品沒有發(fā)生重結晶的。
圖5 卡馬西平樣品(晶型III)在不同加熱速率下的DSC曲線。樣品在190~200℃之間的高溫晶型熔融峰比例(與晶型III的低溫熔融峰面積比值)隨升溫速率提高而顯著減小，但即使使用250℃/min的加熱速率，仍能觀察到該熔融峰，無法準確進行晶型純度判斷。
繼續(xù)提高升溫速率，觀察高溫區(qū)的DSC曲線(圖6)。
在300℃/min的升溫速率下，如預期，看不到重結晶的放熱，但仍存在高溫晶型的熔融。
隨著升溫速率提高到400℃/min，高溫晶型熔融峰繼續(xù)顯著減小，但曲線上仍能觀察到熱流線的波動，對高溫熔融峰消失的判定仍不足夠明確。
在500℃/min的升溫速率曲線中，該溫度區(qū)間曲線足夠平滑，可以判定該熔融過程完全消失。
這個結果表明，該卡馬西平原始樣品中并不真實存在高溫晶型，在慢速升溫速率(如10℃/min)對應DSC曲線上觀察到的高溫區(qū)間熔融峰完全來自于低溫晶型熔融后的重結晶。對于該樣品，只有使用500℃/min及以上的臨界升溫速率，才能真正意義上完全抑制重結晶，以得到真實可靠的晶型分析結果。
圖6 使用更高升溫速率測試下，高溫晶型熔融區(qū)間的DSC曲線。升溫速率達到500℃/min時，在該溫度區(qū)間內(nèi)DSC曲線上沒有明顯的熔融行為對應，說明在該升溫速率下，低溫晶型III的重結晶被完全抑制，原始樣品中不存在高溫晶型，因此可以認定在DSC層面上，該樣品是對應晶型III的純品。
小結
基于DSC 8500小爐體設計的快速、均勻加熱及3D量熱功能，通過不同升溫速率下的DSC曲線研究了某卡馬西平樣品的晶型特征，并最終在500℃/min的升溫速率下完全消除了重結晶對曲線的干擾，從而最終確認該原始樣品中并不真實包含高溫區(qū)間熔融的晶型，其低溫晶型(晶型III)的純度是可以保證的。
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