Приложение от фармацевтичната област
Термогравиметрията (TG) или термогравиметричният анализ (TGA) е утвърден метод за анализ на състава, например за определяне на водното съдържание на хидрати [1]. Измерването на остатъчната маса по време на TGA експеримент може да послужи за изчисляване например на съдържанието на пълнител в полимерни съединения или композити [2, 3]. По-трудно приложение е определянето на small количествата неизпаряващи се примеси, които се намират в течни, изпаряващи се разтворители, като ацетон, етанол или вода. Тази техника - при която остатъчната маса може да се разглежда като дестилационен остатък - е приложена от J. Wiss и др. с помощта на NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (вж. фигура 1), за да се валидира почистването на оборудването на фармацевтични производствени предприятия [4]. Авторите демонстрират, че примеси с различни концентрации в диапазона между около 5 и 50 ppm могат да бъдат надеждно открити [4].
small Масова концентрация на примеса, например 5 ppm, изисква откриване на остатъчна маса от 25 μg след изпаряване на разтворителя с маса 5 g, което е максималната товароносимост и същевременно максималният динамичен обхват на претегляне на STA 449 F1 Jupiter® . Измерванията на такива проби large са възможни, тъй като този уред може да бъде оборудван с носител на пробата TGA и тигел с чаша с обем 5 cm3 , както е показано на фигура 2. Независимо от това, масова концентрация от само 5 ppm е много голямо количество small. Това може да се илюстрира с малка птичка с маса 10 g, която седи на гърба на млад слон с маса 2000 kg.
Да претеглим птичето
Като цяло софтуерът за анализ на Proteus® от NETZSCH, който работи и в рамките на софтуера за съответствие с CFR21 част 11 Proteus® Protect, предлага две възможности за изчисляване на остатъчната маса от TG кривата (вж. фигура 3). Първата е стандартната функционалност "Остатъчна маса", която се изчислява по следния начин:
където m0 е първоначалната маса на пробата, а Δm е цялата загуба на маса, измерена по време на TGA експеримента. Функцията за остатъчната маса работи добре за типични стойности в процентния диапазон. За много по-малки остатъчни маси обаче m0 и Δm са почти идентични и освен това двете стойности трябва да са относително large (в диапазона от няколко грама, вж. по-горе). Особено за течни и силно летливи проби определянето на двете стойности, m0 и Δm, чрез термогравиметрия просто не е достатъчно точно за надеждно изчисляване на (m0 - Δm) в диапазона от няколко микрограма. Връщайки се към илюстрацията по-горе, няма смисъл да измерваме масата на слона заедно с малката птица и да изваждаме масата само на слона, за да получим масата на малката птица. По-добрият подход е да се измери масата на малката птица поотделно. Благодарение на втората функционалност "Residuum Value" (Остатъчна стойност) можем да открием сигнала за абсолютната маса mr в края на експеримента TGA - който съответства точно на масата на малката птица:
Предпоставка за оценката на високоточната стойност на остатъка е измерването да започва с така наречения начален режим на готовност, при който се поставя пробата, и да завършва с краен режим на готовност, при който се определя стойността на остатъка. Температурите (изотермични) и условията на газовия поток трябва да бъдат едни и същи по време на двете фази на готовност. Допълнителна информация може да бъде намерена в системата за помощ на софтуера Proteus®. Друга предпоставка за точни и възпроизводими резултати е, разбира се, ниският дрейф на използвания термобаланс: NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® има дългосрочен дрейф на везната от по-малко от 1 μg на час.
Експериментални резултати
Фигура 4 представя примерни резултати от измервания, получени за наличния в търговската мрежа разтворител ацетон. За тези тестове е използван термичният анализатор NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® , оборудван с TGA носител на пробата и тигел с чаша Al2O3; като промивен газ е използван хелий със скорост на потока 70 ml/min. Температурната програма на пещта, показана на фигура 4, е абсолютно същата като тази, използвана от J. Wiss и др [4]: При нагряване до 50 °C и по време на изотермичния сегмент при 50 °C ацетоновият разтворител се изпарява напълно, което се вижда от загубата на маса от около 1900 mg, наблюдавана за всяко измерване. След това пещта се нагрява до 105°C и накрая се охлажда до първоначалната температура от 30°C. От остатъчните стойности от 95 μg и 92 μg, измерени автоматично в края на изотермичната фаза при 30 °C, и началните маси на пробите от 1848 mg и 1913 mg, определени автоматично в началото на измерванията, масовите концентрации от 51 ppm и 48 ppm на неизпаряващите се примеси бяха изчислени от софтуера за анализ Proteus®.
Резюме
Тези резултати демонстрират използването на NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® в комбинация с интелигентния му Proteus® софтуер за точно определяне на примеси в разтворители до ниво ppm. Това приложение беше подробно изследвано за валидиране на почистването на оборудването на фармацевтични производствени предприятия [4].