Schmelzpunktbestimmung
Die Schmelzpunktbestimmung ist ein weit verbreitetes und sehr altes Analyseverfahren. Die Bestimmung des Schmelzpunktes oder des Schmelzbereichs gibt die Temperatur bei konstantem Druck an, bei der die Substanz aus dem festen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Mit der Änderung des Aggregatzustandes ändern sich auch viele weitere Eigenschaften wie Dichte, Viskosität oder optische Eigenschaften der Substanzen. Der Schmelzpunkt einer Substanz ist eine stoffspezifische Eigenschaft.
Für die Bestimmung der Schmelztemperatur haben sich verschiedene Techniken etabliert.
- Die Heizbad-Methode funktioniert mit temperierbaren Glasgefäßen mit Temperatursensor und Rührvorrichtung. Hier ist die Streuung der Messergebnisse hoch. Unvermeidlich ist auch der T–Unterschied von Bad- und Probentemperatur von >1°C. Das führt zu Abweichungen.
- Moderne Geräte arbeiten mit der offenen Kapillarmethode und der Temperierung in einem Metallheizblock mit hochgenauer Temperaturmessung über einen Thermosensor. Unser M5000-Messgerät macht sich zusätzlich die Veränderung der optischen Eigenschaften, nämlich die Lichtdurchlässigkeit zu Nutze. Das vollautomatische Messgeräte liefert reproduzierbare Ergebnisse mit einer Auflösung von 0,1°C in einem Messbereich von 25–400°C.
Schmelzpunkt vs. Schmelzbereich
Im Idealfall haben reine Substanzen einen festen Schmelzpunkt. In der Praxis jedoch besitzen selbst Reinstsubstanzen einen Schmelzbereich. Hinzukommen Verunreinigung, Art der Probe, verschiedener Herstellungs- und Bestimmungsmethoden sowie messgerätespezifische Einflüsse. All dies hat Einfluss auf den erhobenen Messwert. Bei Gemischen aus mehreren Stoffen wird in der Regel eine Schmelzpunkterniedrigung beobachtet.
Halb-und vollautomatische Messung
Mit unseren M3000 und M5000-Geräten können pulvrige Substanzen halb- oder vollautomatisch sowie mit präzise regulierter – dennoch variabler – Heizrate untersucht werden. Mit dem M3000-Gerät erfolgt die Messung mittels Beobachtungsoptik als visuelle Messung. Beim M5000-Gerät erfolgt eine Transmissionsmessung und der Schmelzvorgang wird vollautomatische detektiert.
Messung Konventionsmethode
Unterschiedliche Messmethoden und Auswerteformen liefern unterschiedliche Schmelztemperaturen. Für die Vergleichbarkeit von Messwerten ist es wichtig die Messmethode zu benennen. Die Bestimmung des Schmelzpunktes, besser benannt als die Bestimmung der Schmelztemperatur ist eine Konventionsmethode. Sie unterliegt daher Absprachen und normativen Regeln.
Bestimmung der Schmelztemperatur
Messmethode: Die Probe wird in feine Kapillare gebracht. Die Starttemperatur sollte ca. 5°C unterhalb der zu erwartenden Schmelztemperatur betragen, denn die thermische Vorbelastung hat Einfluss auf das Resultat (Konventionsmethode). Standardmäßig erfolgt die Analyse mit einer Standardaufheizrate von 1°C /Minute.
Wird eine kristalline Probe erwärmt, führt die zugeführte Energie zu Veränderung der kristallinen Gitterstrukturen. Die Bindungen der Partikel im Gitter lösen sich, die vormals feste Substanz schmilzt.
Pulverförmige kristalline Stoffe sind im kristallinen Zustand opak und im flüssigen Zustand transparent. Dieser deutliche Unterschied in den optischen Eigenschaften kann zur Bestimmung des Schmelzpunktes herangezogen werden.
Die Phasen eines Schmelzprozesses
In Abhängigkeit von der einwirkenden Temperatur gibt es in der Regel drei Phasen eines Schmelzprozesse:
- Zerfall – Beginn der Verflüssigung
- Miniskuspunkt – Die flüssige Phase überwiegt
- Klarpunkt – die Kristalle sind vollkommen geschmolzen, die Substanz liegt vollkommen als Flüssigphase vor
Wann ist die Schmelztemperatur erreicht?
Die USP (US Pharmacopeia) definiert die Schmelztemperatur als den Endpunkt der Schmelze, wenn alle Kristalle geschmolzen sind. Dies ist jedoch nur gültig , wenn die Temperaturmessung in der Probe stattfinden kann. Mit den üblichen modernen Methoden kann die Schmelztemperatur bis auf einige zehntel Grad genau, indirekt über den Heizblock, bestimmt werden.
Bei unseren Geräten kann das Ergebnis mit einer Genauigkeit von 0,3 – 0,5 °C (je nach Messbereich) abgelesen werden. Da aber ein Temperaturgradient* zwischen Heizblock und Probe herrscht, wird konventionsgemäß der Miniskuspunkt als Schmelztemperatur herangezogen.
⇒ Ein *Temperaturgradient bezeichnet den Unterschied von Heizblock und Probentemperatur. Beginnt die Probe zu schmelzen, bleibt die Probentemperatur (nicht messbar) trotz weiterer Energiezufuhr durch den Heizblock konstant.
Die Grafik zeigt: Die Heizblocktemperatur steigt im Prozess mit 1°C/min weiter. Dieser Versatz muss bei der Bestimmung des Klarsichtschmelzpunktes berücksichtigt/korrigiert werden. Das M5000-Modell erledigen dies automatisch. Beim M3000-Gerät mit Beobachtungsoptik wird in der Regel der Miniskuspunkt als Endpunkt definiert.
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Funktion Schmelzpunktmessgeräte
Mit unseren M3000 und M5000-Geräten können pulvrige Substanzen halb- oder vollautomatisch sowie mit präzise regulierter – dennoch variabler – Heizrate schnell und zuverlässig untersucht werden. Sie messen mit einer Auflösung von 0,1°C in einem Messbereich von 25–400 °C.
Das M5000-Modell (Transmissionsmessung) verfügt über einen heizbaren Metallblock.
- Seine Temperatur wird über einen Thermosensor überwacht.
- In diesem heizbaren Metallblock befindet sich eine vertikale Kapillaraufnahme.
- Abgeschlossen wird diese Einheit durch eine Lichtquelle, die das untere Ende der Kapillare bestrahlt.
Setzt der Schmelzvorgang ein, wird die Kapillare zunehmend lichtdurchlässiger. Das transmittierte Licht wird von einem Sensor in ein Signal umgewandelt und vom Gerät ausgewertet.
Die Messergebnisse werden auf dem LCD Display angezeigt. Durch die vollautomatische Detektion des Schmelzvorganges ist eine sehr gute Reproduzierbarkeit (bedienerunabhängig) der Messergebnisse gewährleistet.
Mit dem M3000-Modell (Visuelle Messung) erfolgt die Messung mittels Beobachtungsoptik.
- Auch dieses Gerät verfügt über einen heizbaren Metallblock mit Kapillaraufnahme, dessen Temperatur mittels Thermosensor überwacht wird.
- Die 3 Kapillare werden gleichzeitig mit einer Lichtquelle (LED) bestrahlt. Eine Beobachtungsoptik mit Okular (Lupe 10x) ermöglicht die optimale Kontrolle des Schmelzvorganges durch den Bediener.
- Wird der Schmelzvorgang erreicht, wird die Drucktaste betätigt und damit die Messung abgeschlossen.
Auf diese Weise können neben dem Klarpunkt des Schmelzens auch der Zerfallspunkt sowie Farb- und Strukturänderungen einer Probe erfasst werden.
Probenvorbereitung für die Messung
Verdichtung
- Die richtige Verdichtung und Korngröße der Probe ist essentiell wichtig für eine genaue und reproduzierbare Messung.
- Die Proben müssen homogen und pulverförmig sein. Eine locker geschichtete Probe kann zu niedrigeren Schmelztemperaturen führen. In einigen Fällen wird die Kapillare nicht automatisch erkannt.
Lagerung der Probe
Die Probe sollte dunkel und trocken gelagert werden.
- Eine feuchte Probe hat einen niedrigeren Schmelzpunkt.
- Für unterschiedliche Substanzen gibt es unter Umständen unterschiedliche Anweisungen zur Trocknung.
- Wir empfehlen die Trocknung mit Exsikkator mit Vakuum über Kieselgel oder/und Lagerung im Trockenschrank, meist ist eine Lagerung von 24 Stunden ausreichend.
Thermische Vorbelastung
- Wird bei einer unbekannten Probe der Startpunkt weit unterhalb der wahren Schmelztemperatur gewählt, kann die thermische Vorbelastung ebenfalls zu einer größeren Messunsicherheit führen.
- In solchen Fällen, mit thermischer Vorbelastung, sind Wiederholungsmessungen nötig, in denen man sich an den wahren Schmelzpunkt durch Eingrenzung des Startpunktes heranarbeitet.
- Gleiches gilt für Abweichungen von der Standard-Heizrate.
Alter der Probe
- Eine Probe kann altern, sich zersetzen, unter Lufteinfluss oxidieren oder Feuchte (H2O) einlagern. All dies kann den Schmelzpunkt und die Schmelztemperatur verändern.
- Zertifikate weisen einen Nutzungszeitraum nach Anbruch aus.
Tipps zur Messung
Nutzen Sie bei Kapillaren möglichst Originalware. Unsere KSPS1010-Kappilare haben einen Außen-Durchmesser von 1,4 mm mit Wandstärke von 0,1 bis 0,2 mm und entsprechen damit vollständig den üblichen Normvorgaben.
Nicht geeignete Kapillaren können unter Umständen schneller abbrechen. Sind die Durchmesser zu klein gewählt, werden zudem niedrige Schmelztemperaturen suggeriert.
- Befüllen Sie die Kapillaren bis ca. 4 mm. Durch Klopfen kann eine Verdichtung erreicht werden.
- Je nach Probenart ist auch die Verdichtung mittels Stopfdraht zu empfehlen.
- Vor dem Einführen in die Kapillaraufnahme sollte jede Kapillare von außen anhaftenden Substanzen gereinigt werden. Diese können im Ofen verbrennen und die Optik beeinträchtigen oder die Kapillaraufnahme verschmutzen.
- Beginnen Sie die Messung möglichst 4-5°C unterhalb des zu erwartenden Messwertes. Die Optionen der Schnellaufheizung des Gerätes optimiert dem Anwender die Wartezeit bis zum Startwert.
- Arbeiten Sie während der Messung mit einer konstanten Heizrate von 1°C/min (Standardheizrate).
⇒ Falls Sie Vorgänge beschleunigen möchten (dies geht häufig auf Kosten der Präzision und Genauigkeit), können auch davon abweichende weitere Heizraten gewählt werden.
Normen und Richtlinien
Die Apothekenbetriebsordnung (ApBetrO) in § 6 schreibt zwingend vor, dass in der Apotheke bei jedem Bezug von Ausgangsstoffen die Identität nachzuweisen ist. Die Bestimmung der Schmelztemperatur ist hier von großer Bedeutung.
Das M5000-Modell nutzt die offene Kapillarmethode, welche unter anderem den Vorgaben des Deutschen Arzneibuchs, Europäischen Arzneibuchs (Pharmacopoea Europaea, Ph. Eur.) und Amerikanischen Arzneibuchs (United States Pharmacopeia, USP) vollständig entspricht. Sie wird in etwa einem Viertel aller Monographien des Europäischen Arzneibuches (Ph. Eur. 4.00 und Nachträge), des Deutschen Arzneibuches (DAB 2002) und des Deutschen Arzneimittel-Codex (DAC) als Teil der Prüfung auf Identität oder als Eigenschaft aufgeführt.
Für die Erfüllung von Anforderungen an die Überprüfbarkeit und Rückverfolgbarkeit der Ergebnisse haben wir vorgefertigte Standards und Referenzmaterialien. Der Einsatz dieser Standards liefert zuverlässige Analyseergebnisse und reduziert den Aufwand Ihrer Validierung im Labor.
Justierung und Kalibrierung
Geräte zur Bestimmung der Schmelztemperatur müssen regelmäßig mit Schmelzpunkt-Referenzsubstanzen wie denen der WHO oder anderen geeignete Substanzen kalibriert werden.
Unsere Geräte sind werksseitig mit Referenzsubstanzen der WHO justiert und kalibriert. Unsere Standards (Vanillin, Phenacetin, Sulfanilamid, Koffein) empfehlen wir auch zur Routineprüfung durch den Anwender.
Eine Kalibrierung sollte in regelmäßigen Abständen erfolgen. Je nach Anforderung kann dies 1x monatlich bis 1x jährlich betragen.
Sollten Abweichung auch bei Wiederholungsmessungen auftreten, ist eine Justierung notwendig. Diese kann durch den Anwender – menügeführt erfolgen. Je nach Art der Abweichung stehen drei verschieden Justiervarianten zur Verfügung.
Wir bieten Justierungen und anschließende Kalibrierungen auch als Dienstleistung in unserem Werk oder am Kundenstandort an.
Typische Anwendungsbereiche
Der Schmelzpunkt ist die am häufigsten bestimmte thermische Kennzahl zur Charakterisierung kristalliner Feststoffe. Die Schmelzpunk-Bestimmung wird in verschiedenen Branchen in der Forschung sowie der Qualitätskontrolle verwendet.
Der Schmelzpunkt wird häufig zur Charakterisierung organischer und anorganischer kristalliner Verbindung sowie zur Bestimmung ihrer Reinheit gemessen. Häufig ist der Schmelzpunkt auch Ausgangs- und Bezugsgröße für weitere Analysen.
Schmelzpunktmessgeräte werden in Laboren der Chemie-, Öl-, Fett- und Lebensmittelindustrie, in Krankenhäusern, Apotheken und Untersuchungsämtern sowie in Forschung und Lehre eingesetzt.
Informieren Sie sich gerne: Unsere Tabelle im Download enthält die Schmelztemperaturen, der in Monographien der Ph. Eur., des DAB und DAC beschriebenen Stoffe. Diese Übersicht dient als Überblick. Welche Geräte passend sind können wir gerne in einer persönlichen Beratung besprechen.
How to Use
Halb- und vollautomatische Schmelzpunktbestimmung
Mit dem M3000 können pulvrige Substanzen, die einen Schmelzpunkt von bis zu 360 °C aufweisen, einfach mit einer halbautomatische Messung, mit einer Beobachtungsoptik untersucht werden.
Mit einem M5000 erfolgt die Messung vollautomatisch, ohne Anwendereinfluss, höchst reproduzierbar.
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