تطبيق من المجال الصيدلاني
قياس الثيرموغرافيات الحرارية (TG) أو تحليل الثقل الحراري (TGA) هو طريقة راسخة للتحليل التركيبي، على سبيل المثال، للكشف عن المحتوى المائي للهيدرات [1]. يمكن استخدام قياس الكتلة المتبقية خلال تجربة TGA لحساب، على سبيل المثال، محتوى الحشو في مركبات البوليمر أو المركبات [2، 3]. ويتمثل التطبيق الأكثر صعوبة في تحديد كميات صغيرة من الشوائب غير المتبخرة الموجودة في المذيبات السائلة المتبخرة مثل الأسيتون أو الإيثانول أو الماء. تم تطبيق هذه التقنية - حيث يمكن النظر إلى الكتلة المتبقية على أنها بقايا التقطير - بواسطة J. Wiss وآخرون باستخدام جهاز NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (انظر الشكل 1) من أجل التحقق من صحة تنظيف معدات مصانع إنتاج الأدوية [4]. وأثبت المؤلفون أن الشوائب بتركيزات مختلفة في نطاق يتراوح بين حوالي 5 و50 جزء في المليون يمكن اكتشافها بشكل موثوق [4].
ويتطلب تركيز كتلة الشوائب، على سبيل المثال، 5 جزء في المليون الكشف عن كتلة متبقية صغيرة تصل إلى 25 ميكروغرام بعد تبخر المذيب بكتلة 5 غرام، وهو أقصى سعة تحميل وفي نفس الوقت أقصى نطاق وزن ديناميكي لجهاز STA 449 F1 Jupiter®. ويمكن إجراء قياسات لمثل هذه العينات الكبيرة حيث يمكن تجهيز هذه الأداة بحامل عينة TGA وبوتقة دورق بحجم 5 سم3 كما هو موضح في الشكل 2. ومع ذلك، فإن التركيز الكتلي البالغ 5 جزء في المليون فقط هو كمية صغيرة جدًا. ويمكن توضيح ذلك بطائر صغير كتلته 10 جم يجلس على ظهر فيل صغير كتلته 2000 كجم.
لنزن الطائر الصغير
بشكل عام، يوفر برنامج تحليل بروتيوس من NETZSCH، الذي يعمل أيضًا في إطار برنامج بروتيوس بروتيوس بروتكت المتوافق مع CFR21 الجزء 11، إمكانيتين لحساب الكتلة المتبقية من منحنى TG (انظر الشكل 3). الأولى هي الوظيفة القياسية "الكتلة المتبقية"، والتي يتم حسابها على النحو التالي:
حيث m0 هو كتلة العينة الأولية و Δm هو فقدان الكتلة الكاملة المقيسة أثناء تجربة TGA. تعمل دالة الكتلة المتبقية بشكل جيد للقيم النموذجية في نطاق النسبة المئوية. ومع ذلك، بالنسبة للكتل المتبقية الأصغر بكثير، فإن m0 و Δm متطابقان تقريبًا، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون كلتا القيمتين كبيرتين نسبيًا (في نطاق بضعة جرامات، انظر أعلاه). خاصةً بالنسبة للعينات السائلة والمتطايرة بشدة، فإن تحديد كل من m0 و Δm، عن طريق القياس الحراري ليس دقيقًا بما يكفي لحساب موثوق به لـ (m0 - Δm) في نطاق بضعة ميكروغرامات. وبالعودة إلى الرسم التوضيحي أعلاه، ليس من المنطقي قياس كتلة الفيل مع العصفور الصغير وطرح كتلة الفيل وحده للحصول على كتلة العصفور الصغير. الطريقة الأفضل هي قياس كتلة الطائر الصغير بشكل منفصل. وبفضل الوظيفة الثانية "القيمة المتبقية"، يمكننا الكشف عن إشارة الكتلة المطلقة mr في نهاية تجربة TGA - والتي تتوافق تمامًا مع كتلة الطائر الصغير:
والشرط الأساسي لتقييم القيمة المتبقية عالية الدقة هو أن يبدأ القياس بما يسمى بالاستعداد الأولي، حيث يتم إدخال العينة، وينتهي بالاستعداد النهائي، حيث يتم تحديد القيمة المتبقية. يجب أن تكون درجات الحرارة (متساوية الحرارة) وظروف تدفق الغاز هي نفسها خلال مرحلتي الاستعداد. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل في نظام المساعدة الخاص ببرنامج Proteus®. الشرط الأساسي الآخر للحصول على نتائج دقيقة وقابلة للتكرار هو، بالطبع، الانجراف المنخفض للميزان الحراري المستخدم: يتميز الميزان الحراري NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® بانحراف الميزان لفترة طويلة أقل من 1 ميكروغرام في الساعة.
النتائج التجريبية
يوضح الشكل 4 نتائج القياس النموذجية التي تم الحصول عليها لمذيب الأسيتون المتاح تجاريًا. وقد تم استخدام جهاز التحليل الحراري NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® المزود بحامل عينة TGA وبوتقة دورق Al2O3 في هذه الاختبارات؛ واستخدم الهيليوم بمعدل تدفق 70 مل/الدقيقة كغاز تطهير. برنامج درجة حرارة الفرن الموضح في الشكل 4 هو بالضبط نفس البرنامج الذي استخدمه J. Wiss وآخرون [4]: عند التسخين إلى 50 درجة مئوية وأثناء الجزء المتساوي الحرارة عند 50 درجة مئوية، تبخر مذيب الأسيتون تمامًا، وهو ما يمكن ملاحظته من فقدان الكتلة البالغ حوالي 1900 مجم الذي لوحظ لكل قياس. بعد ذلك، تم تسخين الفرن إلى 105 درجة مئوية وأخيرًا تم تبريده مرة أخرى إلى درجة الحرارة الأولية البالغة 30 درجة مئوية. من القيم المتبقية البالغة 95 ميكروجرامًا و92 ميكروجرامًا التي تم قياسها تلقائيًا في نهاية المرحلة المتساوية الحرارة عند درجة حرارة 30 درجة مئوية، وكتلة العينة الأولية البالغة 1848 مجم و1913 مجم التي تم تحديدها تلقائيًا في بداية القياسات، تم حساب تركيزات الكتلة البالغة 51 جزءًا في المليون و48 جزءًا في المليون من الشوائب غير المتبخرة بواسطة برنامج التحليل Proteus®.
الملخص
توضح هذه النتائج استخدام جهاز NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® بالاقتران مع برنامج Proteus® الذكي الخاص به لتحديد الشوائب في المذيبات بدقة تصل إلى مستوى جزء في المليون. تم فحص هذا التطبيق على نطاق واسع للتحقق من صحة تنظيف معدات مصانع إنتاج الأدوية [4].