Εφαρμογή από τον φαρμακευτικό τομέα
Η θερμοβαρυμετρία (TG) ή θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) είναι μια καθιερωμένη μέθοδος για την ανάλυση της σύνθεσης, π.χ. για την ανίχνευση της περιεκτικότητας σε νερό των υδριτών [1]. Η μέτρηση της υπολειμματικής μάζας κατά τη διάρκεια ενός πειράματος TGA μπορεί να χρησιμεύσει για τον υπολογισμό, για παράδειγμα, της περιεκτικότητας σε πληρωτικό υλικό πολυμερών ενώσεων ή σύνθετων υλικών [2, 3]. Μια πιο δύσκολη εφαρμογή είναι ο προσδιορισμός των ποσοτήτων small μη εξατμιζόμενων προσμίξεων που υπάρχουν σε υγρούς διαλύτες που εξατμίζονται, όπως η ακετόνη, η αιθανόλη ή το νερό. Η τεχνική αυτή - όπου η υπολειπόμενη μάζα μπορεί να θεωρηθεί ως υπόλειμμα απόσταξης - εφαρμόστηκε από τους J. Wiss κ.ά. με τη χρήση ενός NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (βλέπε σχήμα 1) προκειμένου να επικυρωθεί ο καθαρισμός του εξοπλισμού φαρμακευτικών μονάδων παραγωγής [4]. Οι συγγραφείς απέδειξαν ότι προσμίξεις με διάφορες συγκεντρώσεις στο εύρος μεταξύ περίπου 5 και 50 ppm μπορούσαν να ανιχνευθούν αξιόπιστα [4].
Μια συγκέντρωση μάζας πρόσμιξης, για παράδειγμα, 5 ppm απαιτούσε την ανίχνευση μιας υπολειμματικής μάζας τόσο small όσο 25 μg μετά την εξάτμιση του διαλύτη με μάζα 5 g, η οποία είναι η μέγιστη χωρητικότητα φορτίου και ταυτόχρονα το μέγιστο δυναμικό εύρος ζύγισης του STA 449 F1 Jupiter® . Οι μετρήσεις τέτοιων δειγμάτων large είναι δυνατές, δεδομένου ότι το εν λόγω όργανο μπορεί να εξοπλιστεί με έναν φορέα δείγματος TGA και ένα χωνευτήρι με όγκο 5 cm3 , όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Ωστόσο, μια συγκέντρωση μάζας μόνο 5 ppm είναι μια πολύ μεγάλη ποσότητα small. Μπορεί να απεικονιστεί με ένα μικρό πουλί με μάζα 10 g που κάθεται στην πλάτη ενός νεαρού ελέφαντα με μάζα 2000 kg.
Ας ζυγίσουμε το μικρό πουλί
Σε γενικές γραμμές, το λογισμικό ανάλυσης Proteus® από το NETZSCH, το οποίο λειτουργεί επίσης στο πλαίσιο του λογισμικού που συμμορφώνεται με το CFR21 Part 11 Proteus® Protect, προσφέρει δύο δυνατότητες για τον υπολογισμό της υπολειμματικής μάζας από μια καμπύλη TG (βλέπε σχήμα 3). Η πρώτη είναι η τυπική λειτουργία "Residual Mass", η οποία υπολογίζεται ως εξής:
όπου m0 είναι η αρχική μάζα του δείγματος και Δm είναι η συνολική απώλεια μάζας που μετρήθηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος TGA. Η συνάρτηση υπολειμματικής μάζας λειτουργεί καλά για τυπικές τιμές στην περιοχή του τοις εκατό. Για πολύ smaller υπολειμματικές μάζες, ωστόσο, οι m0 και Δm είναι σχεδόν ταυτόσημες και, επιπλέον, και οι δύο τιμές πρέπει να είναι σχετικά large (στην περιοχή μερικών γραμμαρίων, βλέπε παραπάνω). Ειδικά για υγρά και έντονα πτητικά δείγματα, ο προσδιορισμός και των δύο, m0 και Δm, μέσω θερμοβαρυμετρίας δεν είναι αρκετά ακριβής για έναν αξιόπιστο υπολογισμό του (m0 - Δm) στην περιοχή μερικών μικρογραμμαρίων. Επιστρέφοντας στην παραπάνω απεικόνισή μας, δεν έχει νόημα να μετρήσουμε τη μάζα του ελέφαντα μαζί με το μικρό πουλί και να αφαιρέσουμε τη μάζα του ελέφαντα μόνο του για να λάβουμε τη μάζα του μικρού πουλιού. Μια καλύτερη προσέγγιση είναι να μετρήσουμε τη μάζα του μικρού πουλιού ξεχωριστά. Χάρη στη δεύτερη λειτουργικότητα "Residuum Value", είμαστε σε θέση να ανιχνεύσουμε το απόλυτο σήμα μάζας mr στο τέλος του πειράματος TGA - το οποίο αντιστοιχεί ακριβώς στη μάζα του μικρού πουλιού:
Απαραίτητη προϋπόθεση για την αξιολόγηση της υψηλής ακρίβειας τιμής υπολείμματος είναι ότι η μέτρηση ξεκινά με τη λεγόμενη αρχική αναμονή, όπου εισάγεται το δείγμα, και τελειώνει με την τελική αναμονή, όπου προσδιορίζεται η τιμή υπολείμματος. Οι (ισοθερμοκρασιακές) θερμοκρασίες και οι συνθήκες ροής αερίου πρέπει να είναι οι ίδιες και στις δύο φάσεις αναμονής. Περισσότερες λεπτομέρειες μπορείτε να βρείτε στο σύστημα βοήθειας του λογισμικού Proteus®. Μια άλλη προϋπόθεση για ακριβή και αναπαραγώγιμα αποτελέσματα είναι, φυσικά, η χαμηλή ολίσθηση του χρησιμοποιούμενου θερμοζυγίου: Το NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® έχει μακροχρόνια απόκλιση της ζυγαριάς μικρότερη από 1 μg ανά ώρα.
Πειραματικά αποτελέσματα
Το Σχήμα 4 απεικονίζει υποδειγματικά αποτελέσματα μετρήσεων που λαμβάνονται για τον εμπορικά διαθέσιμο διαλύτη ακετόνη. Για τις δοκιμές αυτές χρησιμοποιήθηκε ο θερμικός αναλυτής NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® εξοπλισμένος με δειγματοφορέα TGA και χωνευτήρι κυψελών Al2O3. Ως αέριο καθαρισμού χρησιμοποιήθηκε ήλιο με ρυθμό ροής 70 ml/min. Το πρόγραμμα θερμοκρασίας του κλιβάνου που παρουσιάζεται στο σχήμα 4 είναι ακριβώς το ίδιο με αυτό που χρησιμοποιήθηκε από τους J. Wiss et al. [4]: Κατά τη θέρμανση στους 50 °C και κατά τη διάρκεια του ισοθερμικού τμήματος στους 50 °C, ο διαλύτης ακετόνης εξατμίστηκε πλήρως, γεγονός που φαίνεται από την απώλεια μάζας περίπου 1900 mg που παρατηρήθηκε για κάθε μέτρηση. Στη συνέχεια, ο κλίβανος θερμάνθηκε στους 105°C και τελικά ψύχθηκε ξανά στην αρχική θερμοκρασία των 30°C. Από τις τιμές υπολειμμάτων 95 μg και 92 μg που μετρήθηκαν αυτόματα στο τέλος της ισόθερμης φάσης στους 30°C και τις αρχικές μάζες των δειγμάτων 1848 mg και 1913 mg που προσδιορίστηκαν αυτόματα κατά την έναρξη των μετρήσεων, υπολογίστηκαν από το λογισμικό ανάλυσης Proteus® συγκεντρώσεις μάζας 51 ppm και 48 ppm μη εξατμιζόμενων προσμίξεων.
Περίληψη
Τα αποτελέσματα αυτά καταδεικνύουν τη χρήση του NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® σε συνδυασμό με το έξυπνο λογισμικό Proteus® για τον ακριβή προσδιορισμό προσμίξεων σε διαλύτες σε επίπεδο ppm. Η εφαρμογή αυτή διερευνήθηκε εκτενώς για την επικύρωση του καθαρισμού του εξοπλισμού φαρμακευτικών μονάδων παραγωγής [4].