Applicazione dal campo farmaceutico
La termogravimetria (TG) o analisi termogravimetrica (TGA) è un metodo consolidato per l'analisi della composizione, ad esempio per rilevare il contenuto di acqua degli idrati [1]. La misura della massa residua durante un esperimento TGA può servire per calcolare, ad esempio, il contenuto di carica di composti polimerici o compositi [2, 3]. Un'applicazione più difficile è la determinazione di small quantità di impurità non evaporanti presenti in solventi liquidi ed evaporanti come acetone, etanolo o acqua. Questa tecnica - in cui la massa residua può essere considerata come un residuo di distillazione - è stata applicata da J. Wiss et al. utilizzando un NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (vedere figura 1) per convalidare la pulizia delle apparecchiature degli impianti di produzione farmaceutica [4]. Gli autori hanno dimostrato che è possibile rilevare in modo affidabile impurità con varie concentrazioni nell'intervallo tra circa 5 e 50 ppm [4].
Una concentrazione di massa di impurità pari, ad esempio, a 5 ppm richiedeva la rilevazione di una massa residua di small 25 μg dopo l'evaporazione del solvente con una massa di 5 g, che rappresenta la massima capacità di carico e allo stesso tempo il massimo intervallo di pesata dinamica dello STA 449 F1 Jupiter® . Le misure di tali campioni large sono possibili poiché questo strumento può essere dotato di un portacampioni TGA e di un crogiolo beaker con un volume di 5 cm3 , come illustrato nella figura 2. Tuttavia, una concentrazione di massa di soli 5 g può essere misurata con una concentrazione di 5 g. Tuttavia, una concentrazione di massa di soli 5 ppm è una quantità molto small. Si può pensare a un uccellino con una massa di 10 g seduto sulla schiena di un giovane elefante con una massa di 2000 kg.
Pesiamo l'uccellino
In generale, il software di analisi Proteus® di NETZSCH, che funziona anche nell'ambito del software conforme a CFR21 Part 11 Proteus® Protect, offre due possibilità per il calcolo della massa residua da una curva TG (vedi figura 3). La prima è la funzionalità standard "Massa residua", che viene calcolata come segue:
dove m0 è la massa iniziale del campione e Δm è l'intera perdita di massa misurata durante l'esperimento TGA. La funzione di massa residua funziona bene per valori tipici nell'intervallo percentuale. Per masse residue molto smaller, tuttavia, m0 e Δm sono quasi identici e, inoltre, entrambi i valori devono essere relativamente large (nell'intervallo di pochi grammi, vedi sopra). Soprattutto per i campioni liquidi e fortemente volatili, la determinazione di entrambi, m0 e Δm, tramite termogravimetria non è sufficientemente accurata per un calcolo affidabile di (m0 - Δm) nell'intervallo di pochi microgrammi. Tornando all'illustrazione precedente, non ha senso misurare la massa dell'elefante insieme all'uccellino e sottrarre la massa del solo elefante per ottenere la massa dell'uccellino. Un approccio migliore consiste nel misurare la massa dell'uccellino separatamente. Grazie alla seconda funzionalità "Valore residuo", siamo in grado di rilevare il segnale di massa assoluta mr alla fine dell'esperimento TGA, che corrisponde esattamente alla massa dell'uccellino:
Il presupposto per la valutazione del valore residuo altamente accurato è che la misurazione inizi con il cosiddetto Standby iniziale, in cui viene inserito il campione, e termini con lo Standby finale, in cui viene determinato il valore residuo. Le temperature (isoterme) e le condizioni del flusso di gas devono essere le stesse durante entrambe le fasi di Standby. Ulteriori dettagli sono disponibili nella guida del software Proteus®. Un altro prerequisito per ottenere risultati accurati e riproducibili è, naturalmente, la bassa deriva della termobilancia utilizzata: La NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® ha una deriva della bilancia a lungo termine inferiore a 1 μg all'ora.
Risultati sperimentali
La Figura 4 illustra i risultati di misura esemplari ottenuti con il solvente acetone disponibile in commercio. Per questi test è stato utilizzato l'analizzatore termico NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® dotato di un portacampioni TGA e di un crogiolo a bicchiere in Al2O3; come gas di spurgo è stato utilizzato elio a una velocità di flusso di 70 ml/min. Il programma di temperatura del forno mostrato in figura 4 è esattamente uguale a quello utilizzato da J. Wiss et al. [4]: Dopo il riscaldamento a 50°C e durante il segmento IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico a 50°C, il solvente acetone è evaporato completamente, come si può vedere dalla perdita di massa di circa 1900 mg osservata per ogni misurazione. In seguito, il forno è stato riscaldato a 105°C e infine raffreddato nuovamente alla temperatura iniziale di 30°C. Dai valori di residuo di 95 μg e 92 μg misurati automaticamente al termine della fase isoterma a 30°C e dalle masse iniziali del campione di 1848 mg e 1913 mg determinate automaticamente all'inizio delle misurazioni, sono state calcolate dal software di analisi Proteus® concentrazioni di massa di 51 ppm e 48 ppm di impurezze non evaporanti.
Sintesi
Questi risultati dimostrano l'uso dello strumento NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® in combinazione con il suo software intelligente Proteus® per la determinazione accurata delle impurità nei solventi fino al livello di ppm. Questa applicazione è stata ampiamente studiata per la convalida della pulizia delle apparecchiature degli impianti di produzione farmaceutica [4].