Application dans le domaine pharmaceutique
La thermogravimétrie (TG) ou l'analyse thermogravimétrique (TGA) est une méthode reconnue pour l'analyse de la composition, par exemple pour détecter la teneur en eau des hydrates [1]. La mesure de la masse résiduelle au cours d'une expérience TGA peut servir à calculer, par exemple, la teneur en charge des composés polymères ou des composites [2, 3]. Une application plus difficile est la détermination de small quantités d'impuretés non évaporables présentes dans des solvants liquides évaporables tels que l'acétone, l'éthanol ou l'eau. Cette technique - où la masse résiduelle peut être considérée comme un résidu de distillation - a été appliquée par J. Wiss et al. à l'aide d'un NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (voir figure 1) afin de valider le nettoyage de l'équipement des usines de production pharmaceutique [4]. Les auteurs ont démontré qu'il était possible de détecter de manière fiable des impuretés dont les concentrations varient entre environ 5 et 50 ppm [4].
Une concentration massique d'impuretés de 5 ppm, par exemple, exigeait la détection d'une masse résiduelle aussi small que 25 μg après l'évaporation du solvant avec une masse de 5 g, ce qui correspond à la capacité de charge maximale et en même temps à l'étendue de pesée dynamique maximale du STA 449 F1 Jupiter® . Les mesures de tels échantillons large sont possibles puisque cet instrument peut être équipé d'un porte-échantillon TGA et d'un creuset de bécher d'un volume de 5 cm3 comme le montre la figure 2. Néanmoins, une concentration massique de seulement 5 ppm est une quantité très importante small. Elle peut être illustrée par un petit oiseau d'une masse de 10 g assis sur le dos d'un jeune éléphant d'une masse de 2000 kg.
Pesons le petit oiseau
En général, le logiciel d'analyse Proteus® de NETZSCH, qui fonctionne également dans le cadre du logiciel conforme à la CFR21 Part 11 Proteus® Protect, offre deux possibilités pour le calcul de la masse résiduelle à partir d'une courbe TG (voir figure 3). La première est la fonctionnalité standard "Masse résiduelle", qui est calculée comme suit :
où m0 est la masse initiale de l'échantillon et Δm est la perte de masse totale mesurée pendant l'expérience TGA. La fonction Masse résiduelle fonctionne bien pour des valeurs typiques de l'ordre du pourcentage. Pour des masses résiduelles beaucoup plus faibles, cependant, m0 et Δm sont presque identiques et, en outre, les deux valeurs doivent être relativement large (de l'ordre de quelques grammes, voir ci-dessus). En particulier pour les échantillons liquides et fortement volatils, la détermination de m0 et de Δm par thermogravimétrie n'est tout simplement pas assez précise pour permettre un calcul fiable de (m0 - Δm) dans la plage de quelques microgrammes. Pour en revenir à l'illustration ci-dessus, il est absurde de mesurer la masse de l'éléphant avec celle du petit oiseau et de soustraire la masse de l'éléphant seul pour obtenir la masse du petit oiseau. Une meilleure approche consiste à mesurer la masse du petit oiseau séparément. Grâce à la deuxième fonctionnalité "Residuum Value", nous sommes en mesure de détecter le signal de masse absolue mr à la fin de l'expérience TGA - qui correspond exactement à la masse du petit oiseau :
La condition préalable à l'évaluation de la valeur de vide extrêmement précise est que la mesure commence par une phase dite d'attente initiale, au cours de laquelle l'échantillon est inséré, et se termine par une phase d'attente finale, au cours de laquelle la valeur de vide est déterminée. Les températures (isothermes) et les conditions d'écoulement du gaz doivent être les mêmes pendant les deux phases d'attente. De plus amples informations sont disponibles dans le système d'aide du logiciel Proteus®. Une autre condition préalable à l'obtention de résultats précis et reproductibles est, bien entendu, la faible dérive de la thermobalance utilisée : La balance NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® a une dérive à long terme inférieure à 1 μg par heure.
Résultats expérimentaux
La figure 4 illustre des résultats de mesure exemplaires obtenus pour le solvant acétone disponible dans le commerce. L'analyseur thermique Jupiter® NETZSCH STA 449 F1 équipé d'un porte-échantillon TGA et d'un creuset Al2O3 a été utilisé pour ces tests ; de l'hélium à un débit de 70 ml/min a été utilisé comme gaz de purge. Le programme de température du four illustré à la figure 4 est exactement le même que celui utilisé par J. Wiss et al [4] : Lors du chauffage à 50°C et pendant le segment IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme à 50°C, le solvant acétone s'est complètement évaporé, comme le montre la perte de masse d'environ 1900 mg observée pour chaque mesure. Ensuite, le four a été chauffé à 105°C et finalement refroidi à la température initiale de 30°C. À partir des valeurs de résidus de 95 μg et 92 μg mesurées automatiquement à la fin de la phase IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme à 30°C, et des masses initiales des échantillons de 1848 mg et 1913 mg déterminées automatiquement au début des mesures, des concentrations massiques de 51 ppm et 48 ppm d'impuretés non évaporables ont été calculées par le logiciel d'analyse Proteus®.
Résumé
NETZSCH Ces résultats démontrent l'utilisation du STA 449 F1 Jupiter® en combinaison avec son logiciel intelligent Proteus® pour la détermination précise des impuretés dans les solvants jusqu'au niveau ppm. Cette application a fait l'objet d'une étude approfondie pour la validation du nettoyage de l'équipement des usines de production pharmaceutique [4].