Въведение
Чистотата на фармацевтичните и хранителните продукти върви ръка за ръка с тяхното качество. Доставяните вещества не трябва да съдържат замърсители, които биха могли да бъдат вредни за организма. Особено при формулите замърсителите не трябва да пречат на активната съставка и по този начин да възпрепятстват правилното ѝ функциониране. По тези причини purity determination е от съществено значение за лекарствените, козметичните и хранителните вещества.
В настоящия пример е определена чистотата на Nipagin. Този бял прах е известен с химичното наименование метилпарабен (фигура 1) и се използва като консервант в козметиката, лекарствата и в храните под наименованието Е218 [1, 2].
В стандарта ASTM E928-08 е описана процедурата за purity determination чрез DSC измервания. Тя отчита факта, че "температурният диапазон на топене на дадено съединение се разширява с нарастване на нивото на примесите" [3]. Този метод е приложим за смеси с примеси, които се разтварят в стопилката и са неразтворими в кристала, т.е. за така наречените евтектични примеси.
Условия за изпитване
Значението на топлинното съпротивление - спестяващо време софтуерно решение от NETZSCH
Температурните промени по време на DSC измерване обикновено се измерват от страната на еталона. "Истинската" температура на пробата зависи от термичното съпротивление между еталонния тигел и тигела на пробата, както и от енталпията на процесите, протичащи в пробата. Тъй като познаването на правилната температура на пробата играе важна роля при определянето на чистотата, термичното съпротивление трябва да се изчисли преди тестовете. В софтуера NETZSCH Proteus® за DSC калибрирането на термичното съпротивление се извършва едновременно с калибрирането на температурата и енталпията, така че получените криви автоматично показват истинската температура в пробата.
Измервания
Преди измерванията с DSC 204 F1 Phoenix® , алуминиевите тигани Concavus® се измиват с ацетон и се нагряват до 425 °C за една минута. След поставяне на пробата (маса на пробата 2,12 mg) в тигела, той се херметизира и се поставя в DSC клетката.
Температурният интервал трябва да се избере внимателно, за да започне нагряването доста преди разтопяването, тъй като температурата на топене може да бъде понижена от влиянието на примеси. Освен това трябва да се вземе предвид предварителното топене, което е минимално при много чисти материали, но може да се увеличи с увеличаване на замърсяването.
В първия сегмент пробата се нагрява от стайна температура до 100 °C при скорост на нагряване 20 K/min. В следващия сегмент скоростта на нагряване е намалена на 0,7 K/min, а температурата е повишена до 130 °C. По време на целия експеримент DSC клетката се продухва със сух азот.
Резултати от тестовете
На фигура 2 е показана DSC кривата на втория сегмент на нагряване. Ендотермичният пик е резултат от топенето на Nipagin. Откритата начална температура при 125,4°C е в добро съответствие с литературната стойност за температурата на топене (125,2°C [1]).
Графика на Ван'т Хоф, точки на топене и чистота
За изчисляване на чистотата е използвано уравнението на Ван'т Хоф, както е описано в метод А на ASTM E928-08:
TS: температура на пробата [K]
T0: температура на топене на чист нипагин [K]
R: газова константа (= 8,314 J/mol-1-K-1)
X: молна фракция на примеса
H: топлина на топене [J-mol-1], изчислена от площта на пика
F: разтопена фракция
Графиката на Van't Hoff представлява графично представяне на данните от purity determination. Тя сравнява действителните данни от измерването на 1/F (реципрочната стойност на частта от пика на топене) с температурата, при която се наблюдава това количество топене. Тези данни обикновено са нелинейни; нелинейността се увеличава с намаляване на чистотата. Отклонението от линейността се дължи на предварително топене, което не може да се открие с помощта на DSC. Трябва да се отбележи, че кривината се влияе от температурната програма на DSC измерването (започване твърде близо до пика на топене) и границите за изчисляване на площта на пика (например лява граница твърде близо до пика на топене).
За линеаризиране на кривата софтуерът изчислява ревизирана стойност за F, като добавя корекционен коефициент c към общата площ и към всяка фракционна площ. Тази процедура накрая постига линейност на криватаTs=f(1/F).
Освен това в софтуера трябва да се въведе молекулното тегло, за да се изчисли стойността на молевия процент.
На фигура 3 са показани наблюдаваните и коригираните данни (линейна крива).
Чистотата се изчислява от наклона на коригираните линейни данни. Теоретичната точка на топене на 100% чист материал може да се получи и от графиката като точката, в която разтопената част (1/F) е 0 (T melting pure в полето на фигура 3). Тя възлиза на 126,063 °C в сравнение с температурата на топене от 125,995 °C. Софтуерът NETZSCH Purity изчислява съдържанието на примеси в измерената проба от Nipagin на 0,14 mol-%.
Резултатите са надеждни само когато коригираните данни показват линейност, нивото на чистота е по-високо от 98,5% и корекционният фактор c е по-нисък от 20% [3].
След измерването пробата беше претеглена отново, за да се гарантира, че по време на измерването не е настъпила загуба на маса. Промяната в първоначалната маса би означавала изпаряване на летливи вещества, което би довело до ендотермичен ефект. По този начин ендотермичният пик би бил причинен не само от топенето, но и от освобождаването на летливи вещества. Това би изкривило оценката на пика.
Заключение
Методът DSC осигурява лесен начин за определяне на чистотата на чисти кристални материали. Чистотата се изчислява, като се използва скоростта на топене на изследвания материал. От пика на топене на DSC се определя депресията на температурата на топене, която е пряко свързана с наличието на примеси.
Предпоставка за purity determination с помощта на DSC е примесите да се разтварят в стопилката и да са неразтворими в кристала. За да се постигне правилно purity determination, трябва да се предотврати и сублимацията на пробата.