Sovellus lääkealalta
Termogravimetria (TG) tai termogravimetrinen analyysi (TGA) on vakiintunut menetelmä koostumusanalyyseihin, esimerkiksi hydraattien vesipitoisuuden havaitsemiseen [1]. Jäännösmassan mittaaminen TGA-kokeen aikana voidaan käyttää esimerkiksi polymeeriseosten tai komposiittien täyteainepitoisuuden laskemiseen [2, 3]. Vaikeampi sovellus on nestemäisissä, haihtuvissa liuottimissa, kuten asetonissa, etanolissa tai vedessä, olevien small haihtumattomien epäpuhtauksien määrien määrittäminen. Tätä tekniikkaa - jossa jäännösmassaa voidaan pitää tislausjäännöksenä - J. Wiss et al. käyttivät NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (ks. kuva 1) -laitteiston avulla validoidakseen lääketehtaiden laitteiden puhdistuksen [4]. Kirjoittajat osoittivat, että epäpuhtaudet, joiden pitoisuudet vaihtelevat noin 5 ja 50 ppm:n välillä, voitiin havaita luotettavasti [4].
Esimerkiksi 5 ppm:n epäpuhtauden massapitoisuus edellytti, että liuottimen haihtumisen jälkeen havaittiin jäännösmassaa small jopa 25 μg, kun massa oli 5 g, mikä on STA 449 F1 Jupiter® maksimikuormituskapasiteetti ja samalla suurin dynaaminen punnitusalue. Tällaisten large näytteiden mittaaminen on mahdollista, koska laite voidaan varustaa TGA-näytteenottimella ja dekantterilasissa olevalla upokkaalla, jonka tilavuus on 5 cm3 , kuten kuvassa 2 on esitetty. Kuitenkin vain 5 ppm:n massakonsentraatio on hyvin small määrä. Sitä voidaan havainnollistaa pienellä linnulla, jonka massa on 10 g ja joka istuu nuoren norsun, jonka massa on 2000 kg, selässä.
Punnitaan pikku lintu
Yleisesti ottaen Proteus® -analyysiohjelmisto NETZSCH, joka toimii myös CFR21 Part 11 -vaatimusten mukaisessa ohjelmistossa Proteus® Protect, tarjoaa kaksi mahdollisuutta jäännösmassan laskemiseen TG-käyrän perusteella (ks. kuva 3). Ensimmäinen on vakiotoiminto "Residual Mass", joka lasketaan seuraavasti:
jossa m0 on näytteen alkuperäinen massa ja Δm on koko TGA-kokeen aikana mitattu massahäviö. Jäännösmassafunktio toimii hyvin tyypillisille arvoille, jotka ovat prosentin luokkaa. Paljon pienemmillä jäännösmassoilla m0 ja Δm ovat kuitenkin lähes identtisiä, ja lisäksi molempien arvojen on oltava suhteellisen large (muutaman gramman luokkaa, ks. edellä). Erityisesti nestemäisille ja voimakkaasti haihtuville näytteille sekä m0:n että Δm:n määrittäminen termogravimetrialla ei ole riittävän tarkkaa, jotta (m0 - Δm) voitaisiin laskea luotettavasti muutaman mikrogramman alueella. Palatakseni yllä olevaan kuvaan, ei ole järkevää mitata norsun massaa yhdessä pikkulinnun kanssa ja vähentää siitä norsun massa yksinään pikkulinnun massan saamiseksi. Parempi tapa on mitata pikkulinnun massa erikseen. Toisen toiminnon "Residuum Value" ansiosta pystymme havaitsemaan absoluuttisen massasignaalin mr TGA-kokeen lopussa - joka vastaa täsmälleen pikkulinnun massaa:
Erittäin tarkan jäännösarvon arvioinnin edellytyksenä on, että mittaus alkaa niin sanotulla alkuvalmiustilalla, johon näyte asetetaan, ja päättyy loppuvalmiustilaan, jossa jäännösarvo määritetään. (Isotermisten) lämpötilojen ja kaasuvirtausolosuhteiden on oltava samat molempien Standby-vaiheiden aikana. Lisätietoja on Proteus® -ohjelmiston ohjejärjestelmässä. Tarkkojen ja toistettavissa olevien tulosten edellytyksenä on tietenkin myös, että käytetyn lämpövaakavaa'an ajelehtiminen on vähäistä: NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® vaa'an pitkäaikaisvaihtelu on alle 1 μg tunnissa.
Kokeelliset tulokset
Kuvassa 4 esitetään esimerkinomaisia mittaustuloksia, jotka on saatu kaupallisesti saatavilla olevalla asetoniliuottimella. Näissä testeissä käytettiin NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® lämpöanalysaattoria, joka oli varustettu TGA-näytteenottimella ja Al2O3-lasipannun upokkaalla; puhdistuskaasuna käytettiin heliumia, jonka virtausnopeus oli 70 ml/min. Kuvassa 4 esitetty uunin lämpötilaohjelma on täsmälleen sama kuin J. Wiss et al. [4] käyttämä ohjelma: Kuumennettaessa 50 °C:seen ja 50 °C:ssa tapahtuneen isotermisen jakson aikana asetoniliuotin haihtui kokonaan, mikä näkyy kussakin mittauksessa havaitusta noin 1900 mg:n massahäviöstä. Tämän jälkeen uuni kuumennettiin 105 °C:seen ja jäähdytettiin lopuksi takaisin 30 °C:n alkulämpötilaan. Isotermisen vaiheen lopussa 30 °C:ssa automaattisesti mitatuista 95 μg:n ja 92 μg:n jäännösarvoista ja mittausten alussa automaattisesti määritetyistä näytteen alkumassoista 1848 mg ja 1913 mg laskettiin Proteus® -analyysiohjelmistolla höyrystymättömien epäpuhtauksien 51 ppm:n ja 48 ppm:n massapitoisuudet.
Yhteenveto
Nämä tulokset osoittavat, että NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® yhdessä älykkään Proteus® -ohjelmiston kanssa mahdollistaa liuottimien epäpuhtauksien tarkan määrityksen ppm-tasolle asti. Tätä sovellusta tutkittiin laajasti lääketehtaiden laitteiden puhdistuksen validoinnissa [4].