Εισαγωγή
Η καθαρότητα των φαρμακευτικών προϊόντων και των τροφίμων συμβαδίζει με την ποιότητά τους. Οι παραδιδόμενες ουσίες δεν πρέπει να περιέχουν προσμίξεις που θα μπορούσαν να είναι επιβλαβείς για έναν οργανισμό. Ιδιαίτερα στα σκευάσματα, οι προσμίξεις δεν πρέπει να παρεμβαίνουν στο δραστικό συστατικό και έτσι να εμποδίζουν την ορθή λειτουργία του. Για τους λόγους αυτούς, το purity determination είναι απαραίτητο για τα φάρμακα, τα καλλυντικά και τα τρόφιμα.
Στο παρόν παράδειγμα, προσδιορίστηκε η καθαρότητα της Nipagin. Αυτή η λευκή σκόνη είναι γνωστή με τη χημική ονομασία methyl paraben (εικόνα 1) και χρησιμοποιείται ως συντηρητικό σε καλλυντικά, φάρμακα και σε τρόφιμα με την ονομασία E218 [1, 2].
Το ASTM E928-08 περιγράφει τη διαδικασία για το purity determination μέσω μετρήσεων DSC. Λαμβάνει υπόψη ότι "το εύρος θερμοκρασιών τήξης μιας ένωσης διευρύνεται όσο αυξάνεται το επίπεδο προσμείξεων" [3]. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται για μείγματα με προσμίξεις που διαλύονται στο τήγμα και είναι αδιάλυτες στον κρύσταλλο, άρα για τις λεγόμενες ευτηκτικές προσμίξεις.
Συνθήκες δοκιμής
Η σημασία της θερμικής αντίστασης - Λύση λογισμικού για εξοικονόμηση χρόνου από το NETZSCH
Οι μεταβολές της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια μιας μέτρησης DSC μετρώνται συνήθως στην πλευρά αναφοράς. Η "πραγματική" θερμοκρασία του δείγματος εξαρτάται από τη θερμική αντίσταση μεταξύ των χωνευτηρίων αναφοράς και του δείγματος, καθώς και από την ενθαλπία των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στο δείγμα. Επειδή η γνώση της σωστής θερμοκρασίας του δείγματος παίζει σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό της καθαρότητας, η θερμική αντίσταση πρέπει να υπολογίζεται πριν από τις δοκιμές.libralibraΣτο λογισμικό NETZSCH Proteus® για DSC, ο υπολογισμός της θερμικής αντίστασης γίνεται ταυτόχρονα με τον υπολογισμό της θερμοκρασίας και της ενθαλπίας, έτσι ώστε οι καμπύλες που προκύπτουν να δείχνουν αυτόματα την πραγματική θερμοκρασία στο εσωτερικό του δείγματος.
Μετρήσεις
Πριν από τις μετρήσεις με το DSC 204 F1 Phoenix® , τα Concavus® δοχεία από αλουμίνιο πλύθηκαν με ακετόνη και θερμάνθηκαν στους 425°C για ένα λεπτό. Μετά την τοποθέτηση του δείγματος (μάζα δείγματος 2,12 mg) στο χωνευτήρι, αυτό σφραγίστηκε ερμητικά και τοποθετήθηκε στην κυψέλη DSC.
Το εύρος της θερμοκρασίας πρέπει να επιλέγεται προσεκτικά, ώστε η θέρμανση να αρχίζει αρκετά πριν από την τήξη, διότι το σημείο τήξης μπορεί να υποχωρήσει από την επίδραση των προσμίξεων. Επιπλέον, πρέπει να ληφθεί υπόψη η προ- τήξη, η οποία είναι ελάχιστη σε πολύ καθαρά υλικά, αλλά μπορεί να αυξηθεί με την αύξηση της ρύπανσης.
Στο πρώτο τμήμα, το δείγμα θερμάνθηκε από τη θερμοκρασία δωματίου στους 100°C με ρυθμό θέρμανσης 20 K/min. Στο επόμενο τμήμα, ο ρυθμός θέρμανσης μειώθηκε σε 0,7 K/min και η θερμοκρασία αυξήθηκε στους 130°C. Καθ' όλη τη διάρκεια του πειράματος, η κυψέλη DSC καθαριζόταν με ξηρό άζωτο.
Αποτελέσματα δοκιμών
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται η καμπύλη DSC του 2ου τμήματος θέρμανσης. Η ενδοθερμική κορυφή προκύπτει από την τήξη της Nipagin. Η θερμοκρασία έναρξης που ανιχνεύθηκε στους 125,4°C βρίσκεται σε καλή συμφωνία με τη βιβλιογραφική τιμή για τη θερμοκρασία τήξης (125,2°C [1]).
Διάγραμμα Van't Hoff, σημεία τήξης και καθαρότητα
Για τον υπολογισμό της καθαρότητας χρησιμοποιείται η εξίσωση Van't Hoff, όπως περιγράφεται στη μέθοδο Α του ASTM E928-08:
TS: θερμοκρασία δείγματος [K]
T0: θερμοκρασία τήξης της καθαρής Nipagin [K]
R: σταθερά αερίου (= 8,314 J/mol-1-K-1)
X: mol κλάσμα πρόσμιξης
H: θερμότητα τήξης [J-mol-1], υπολογιζόμενη από το εμβαδόν της κορυφής
F: κλάσμα τήξης
Το διάγραμμα Van't Hoff είναι μια γραφική απεικόνιση των δεδομένων από το purity determination. Συγκρίνει τα πραγματικά δεδομένα μέτρησης για το 1/F (το αντίστροφο του κλάσματος της κορυφής τήξης) με τη θερμοκρασία στην οποία παρατηρείται αυτή η ποσότητα τήξης. Τα δεδομένα αυτά είναι συνήθως μη γραμμικά- η μη γραμμικότητα αυξάνεται με τη μείωση της καθαρότητας. Η απόκλιση από τη γραμμικότητα προκαλείται από την προ- τήξη, η οποία δεν μπορεί να ανιχνευθεί μέσω της DSC. Πρέπει να σημειωθεί ότι η καμπυλότητα επηρεάζεται από το πρόγραμμα θερμοκρασίας της μέτρησης DSC (έναρξη πολύ κοντά στην κορυφή τήξης) και τα όρια για τον υπολογισμό του εμβαδού της κορυφής (π.χ. αριστερό όριο πολύ κοντά στην κορυφή τήξης).
Για τη γραμμικοποίηση της καμπύλης, το λογισμικό υπολογίζει μια αναθεωρημένη τιμή για το F προσθέτοντας έναν συντελεστή διόρθωσης c στη συνολική περιοχή και σε κάθε κλασματική περιοχή. Με τη διαδικασία αυτή επιτυγχάνεται τελικά η γραμμικότητα της καμπύληςTs=f(1/F).
Επιπλέον, το μοριακό βάρος πρέπει να εισαχθεί στο λογισμικό για τον υπολογισμό της τιμής mole%.
Στο σχήμα 3 παρουσιάζονται τα παρατηρούμενα και τα διορθωμένα δεδομένα (γραμμική καμπύλη).
Η καθαρότητα υπολογίζεται από την κλίση των διορθωμένων γραμμικών δεδομένων. Το θεωρητικό σημείο τήξης 100% καθαρού υλικού μπορεί επίσης να ληφθεί από το διάγραμμα ως το σημείο όπου το κλάσμα τήξης (1/F) είναι 0 (T melting pure στο πλαίσιο του σχήματος 3). Ανέρχεται σε 126,063°C σε σύγκριση με τη θερμοκρασία τήξης των 125,995°C. Το λογισμικό NETZSCH Purity υπολογίζει την περιεκτικότητα του δείγματος Nipagin που μετρήθηκε σε προσμίξεις σε 0,14 mole-%.
Τα αποτελέσματα είναι αξιόπιστα μόνο όταν τα προσαρμοσμένα δεδομένα παρουσιάζουν γραμμικότητα, το επίπεδο καθαρότητας είναι υψηλότερο από 98,5% και ο διορθωτικός συντελεστής c είναι μικρότερος από 20% [3].
Μετά τη μέτρηση, το δείγμα ζυγίστηκε εκ νέου για να διασφαλιστεί ότι δεν υπήρξε απώλεια μάζας κατά τη μέτρηση. Μια μεταβολή της αρχικής μάζας θα υποδήλωνε εξάτμιση πτητικών ουσιών, η οποία θα οδηγούσε σε ενδοθερμικό φαινόμενο. Έτσι, η ενδόθερμη κορυφή δεν θα οφειλόταν μόνο στην τήξη, αλλά και στην απελευθέρωση πτητικών ουσιών. Αυτό θα παραμόρφωνε την αξιολόγηση της κορυφής.
Συμπέρασμα
Η μέθοδος DSC παρέχει έναν εύκολο τρόπο για τον προσδιορισμό της καθαρότητας των καθαρών κρυσταλλικών υλικών. Η καθαρότητα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ρυθμό τήξης του υπό εξέταση υλικού. Από την κορυφή τήξης της DSC προσδιορίζεται η κατάθλιψη του σημείου τήξης, η οποία σχετίζεται άμεσα με την παρουσία προσμίξεων.
Απαραίτητη προϋπόθεση για την purity determination μέσω DSC είναι οι προσμίξεις να διαλύονται στο τήγμα και να είναι αδιάλυτες στον κρύσταλλο. Για τη σωστή purity determination, θα πρέπει επίσης να αποτραπεί η εξάχνωση του δείγματος.