Introduktion
Renheden af farmaceutiske produkter og fødevarer går hånd i hånd med deres kvalitet. De leverede stoffer må ikke indeholde forurenende stoffer, der kan være skadelige for en organisme. Især i formuleringer må forurenende stoffer ikke interferere med den aktive ingrediens og dermed hindre, at den fungerer korrekt. Af disse grunde er purity determination afgørende for lægemiddel-, kosmetik- og fødevarestoffer.
I dette eksempel blev renheden af Nipagin bestemt. Dette hvide pulver er kendt under det kemiske navn methylparaben (figur 1) og bruges som konserveringsmiddel i kosmetik, medicin og i fødevarer under navnet E218 [1, 2].
ASTM E928-08 beskriver proceduren for purity determination ved hjælp af DSC-målinger. Den tager højde for, at "smeltetemperaturområdet for en forbindelse udvides, når urenhedsniveauet stiger" [3]. Denne metode gælder for blandinger med urenheder, der opløses i smelten og er uopløselige i krystallen, altså for det, der kaldes eutektiske urenheder.
Testbetingelser
Betydningen af termisk modstand - tidsbesparende softwareløsning fra NETZSCH
Temperaturændringer under en DSC-måling måles normalt på referencesiden. Den "sande" prøvetemperatur afhænger af den termiske modstand mellem reference- og prøvediglen samt af entalpien i de processer, der finder sted i prøven. Fordi viden om den korrekte prøvetemperatur spiller en vigtig rolle i bestemmelsen af renhed, skal den termiske modstand beregnes før testene. I NETZSCH Proteus® software til DSC foregår kalibreringen af den termiske modstand samtidig med temperatur- og entalpikalibreringen, så de resulterende kurver automatisk viser den sande temperatur inde i prøven.
Målinger
Før målingerne med DSC 204 F1 Phoenix® blev Concavus® -panderne af aluminium vasket i acetone og opvarmet til 425 °C i et minut. Efter at have placeret prøven (prøvemasse 2,12 mg) i diglen, blev den hermetisk forseglet og placeret i DSC-cellen.
Temperaturområdet skal vælges omhyggeligt for at starte opvarmningen i god tid før Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning, fordi smeltepunktet kan blive sænket af urenheder. Desuden skal der tages højde for forsmeltning, som er minimal i meget rene materialer, men som kan øges med stigende forurening.
I det første segment blev prøven opvarmet fra stuetemperatur til 100 °C med en opvarmningshastighed på 20 K/min. I det følgende segment blev opvarmningshastigheden reduceret til 0,7 K/min, og temperaturen blev øget til 130 °C. Under hele forsøget blev DSC-cellen renset med tørt nitrogen.
Testresultater
Figur 2 viser DSC-kurven for det andet opvarmningssegment. Den endotermiske top skyldes Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning af nipagin. Den påviste begyndelsestemperatur på 125,4 °C er i god overensstemmelse med litteraturværdien for smeltetemperaturen (125,2 °C [1]).
Van't Hoff-plot, smeltepunkter og renhed
Til beregning af renhed anvendes Van't Hoff-ligningen som beskrevet i metode A i ASTM E928-08:
TS: prøvetemperatur [K]
T0: Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltetemperatur for ren nipagin [K]
R: gaskonstant (= 8,314 J/mol-1-K-1)
X: molfraktion af urenhed
H: smeltevarme [J-mol-1], beregnet ud fra toparealet
F: smeltet fraktion
Van't Hoff-plottet er en grafisk visning af dataene fra purity determination. Det sammenligner de faktiske måledata for 1/F (den reciprokke værdi af smeltetoppens fraktion) med den temperatur, hvor den pågældende mængde Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning observeres. Disse data er normalt ikke-lineære; ikke-lineariteten øges med faldende renhed. Afvigelsen fra linearitet skyldes forsmeltning, som ikke kan påvises ved hjælp af DSC. Man skal være opmærksom på, at krumningen påvirkes af temperaturprogrammet for DSC-målingen (start for tæt på smeltetoppen) og grænserne for beregning af toparealet (f.eks. venstre grænse for tæt på smeltetoppen).
Til linearisering af kurven beregner softwaren en revideret værdi for F ved at tilføje en korrektionsfaktor c til det samlede område og til hvert delområde. Med denne procedure opnås endelig linearitet af kurvenTs=f(1/F).
Desuden skal molekylvægten indtastes i softwaren for at beregne mol%-værdien.
Figur 3 viser de observerede og de korrigerede data (lineær kurve).
Renheden beregnes ud fra hældningen af de korrigerede lineære data. Det teoretiske Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltepunkt for 100 % rent materiale kan også udledes af plottet som det punkt, hvor den smeltede fraktion (1/F) er 0 (T melting pure i boksen i figur 3). Det er 126,063 °C sammenlignet med smeltetemperaturen på 125,995 °C. NETZSCH Purity-softwaren beregner indholdet af urenheder i den målte Nipagin-prøve til at være 0,14 mol-%.
Resultaterne er kun pålidelige, når de justerede data viser linearitet, renhedsniveauet er højere end 98,5 %, og korrektionsfaktoren c er lavere end 20 % [3].
Efter målingen blev prøven vejet igen for at sikre, at der ikke opstod massetab under målingen. En ændring i udgangsmassen ville indikere FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning af flygtige stoffer, hvilket ville resultere i en endotermisk effekt. Dermed ville den endoterme top ikke kun være forårsaget af Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning, men også af frigivelse af flygtige stoffer. Det ville forvrænge evalueringen af toppen.
Konklusion
DSC-metoden er en nem måde at bestemme renheden af rene krystallinske materialer på. Renheden beregnes ved hjælp af smeltehastigheden for det undersøgte materiale. Ud fra DSC's smeltetop bestemmes sænkningen af smeltepunktet, som er direkte relateret til tilstedeværelsen af urenheder.
En forudsætning for purity determination ved hjælp af DSC er, at urenhederne opløses i smelten og er uopløselige i krystallen. For korrekt purity determination skal sublimering af prøven også forhindres.