Aplikace z farmaceutické oblasti
Termogravimetrie (TG) nebo termogravimetrická analýza (TGA) je zavedená metoda pro analýzu složení, např. pro zjišťování obsahu vody v hydrátech [1]. Měření zbytkové hmotnosti při experimentu TGA může sloužit například k výpočtu obsahu plniva v polymerních sloučeninách nebo kompozitech [2, 3]. Obtížnější aplikací je stanovení small množství neodpařujících se nečistot, které jsou přítomny v kapalných, odpařujících se rozpouštědlech, jako je aceton, etanol nebo voda. Tuto techniku - kdy na zbytkovou hmotnost lze pohlížet jako na destilační zbytek - použil J. Wiss a kol. s využitím přístroje NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (viz obr. 1) k ověření čištění zařízení farmaceutických výrobních závodů [4]. Autoři prokázali, že lze spolehlivě detekovat nečistoty o různých koncentracích v rozmezí přibližně 5 až 50 ppm [4].
Hmotnostní koncentrace nečistoty například 5 ppm vyžadovala detekci zbytkové hmotnosti až small jako 25 μg po odpaření rozpouštědla o hmotnosti 5 g, což je maximální nosnost a zároveň maximální dynamický rozsah vážení přístroje STA 449 F1 Jupiter® . Měření takových large vzorků je možné, protože tento přístroj lze vybavit nosičem vzorků TGA a kelímkem s kádinkou o objemu 5 cm3 , jak je znázorněno na obrázku 2. Nicméně hmotnostní koncentrace pouhých 5 ppm je velmi small. Lze to ilustrovat na příkladu malého ptáčka o hmotnosti 10 g, který sedí na hřbetě mladého slona o hmotnosti 2000 kg.
Zvažme ptáčka
Obecně lze říci, že software pro analýzu Proteus® od společnosti NETZSCH, který funguje také v rámci softwaru Proteus® Protect, který je v souladu s CFR21 část 11, nabízí dvě možnosti výpočtu zbytkové hmotnosti z TG křivky (viz obrázek 3). První je standardní funkce "zbytková hmotnost", která se vypočítá následujícím způsobem:
kde m0 je počáteční hmotnost vzorku a Δm je celkový úbytek hmotnosti naměřený během experimentu TGA. Funkce zbytkové hmotnosti funguje dobře pro typické hodnoty v rozsahu procent. Pro mnohem menší zbytkové hmotnosti jsou však m0 a Δm téměř totožné a navíc obě hodnoty musí být relativně large (v rozsahu několika gramů, viz výše). Zejména u kapalných a silně těkavých vzorků není stanovení obou, m0 i Δm, pomocí termogravimetrie prostě dostatečně přesné pro spolehlivý výpočet (m0 - Δm) v rozsahu několika mikrogramů. Vrátíme-li se k naší ilustraci výše, nemá smysl měřit hmotnost slona společně s ptáčkem a odečítat hmotnost samotného slona, abychom získali hmotnost ptáčka. Lepší je změřit hmotnost ptáčka samostatně. Díky druhé funkci "Residuum Value" jsme schopni zjistit absolutní hmotnostní signál mr na konci experimentu TGA - který přesně odpovídá hmotnosti malého ptáčka:
Předpokladem pro vyhodnocení vysoce přesné hodnoty rezidua je, že měření začíná tzv. počátečním pohotovostním režimem, do kterého se vloží vzorek, a končí závěrečným pohotovostním režimem, při kterém se stanoví hodnota rezidua. Teploty (izotermické) a podmínky proudění plynu musí být v obou pohotovostních fázích stejné. Další podrobnosti lze nalézt v nápovědě softwaru Proteus®. Dalším předpokladem pro přesné a reprodukovatelné výsledky je samozřejmě nízký drift použité termováhy: NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® má dlouhodobý drift vah menší než 1 μg za hodinu.
Výsledky experimentů
Na obrázku 4 jsou znázorněny příkladné výsledky měření získané pro komerčně dostupné rozpouštědlo aceton. Pro tyto testy byl použit termický analyzátor NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® vybavený nosičem vzorků TGA a kelímkem z Al2O3; jako proplachovací plyn bylo použito helium o průtoku 70 ml/min. Teplotní program pece zobrazený na obr. 4 je přesně stejný jako program použitý J. Wissem a kol [4]: Po zahřátí na 50 °C a během IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického úseku při 50 °C se acetonové rozpouštědlo zcela odpařilo, což je patrné z hmotnostního úbytku přibližně 1900 mg zjištěného při každém měření. Poté byla pec zahřáta na 105 °C a nakonec ochlazena zpět na počáteční teplotu 30 °C. Z hodnot reziduí 95 μg a 92 μg, které byly automaticky změřeny na konci izotermické fáze při 30 °C, a z počátečních hmotností vzorků 1848 mg a 1913 mg stanovených automaticky na začátku měření byly pomocí softwaru pro analýzu Proteus® vypočteny hmotnostní koncentrace 51 ppm a 48 ppm neodpařujících se nečistot.
Souhrn
Tyto výsledky ukazují použití přístroje NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® v kombinaci s jeho inteligentním softwarem Proteus® pro přesné stanovení nečistot v rozpouštědlech až na úroveň ppm. Tato aplikace byla rozsáhle zkoumána pro validaci čištění zařízení farmaceutických výrobních závodů [4].