제약 분야에서의 활용
열 중량 분석(TG) 또는 열 중량 분석(TGA)은 수화물의 수분 함량을 감지하는 등 조성 분석을 위해 확립된 방법입니다[1]. TGA 실험 중 잔류 질량 측정은 예를 들어 고분자 화합물 또는 복합재의 필러 함량을 계산하는 데 사용될 수 있습니다[2, 3]. 더 어려운 응용 분야는 아세톤, 에탄올 또는 물과 같은 액체, 증발 용매에 존재하는 비증발 불순물의 small 양을 측정하는 것입니다. 잔류 질량을 증류 잔류물로 볼 수 있는 이 기법은 제약 생산 공장의 장비 세척을 검증하기 위해 NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (그림 1 참조)를 사용하여 J. Wiss 등이 적용했습니다[4]. 저자들은 약 5~50ppm 범위의 다양한 농도의 불순물을 안정적으로 검출할 수 있음을 입증했습니다[4].
예를 들어 불순물 질량 농도가 5ppm인 경우 질량이 5g인 용매가 증발한 후 25μg의 잔류 질량을 small 으로 검출해야 하는데, 이는 최대 부하 용량인 동시에 STA 449 F1 Jupiter® 의 최대 동적 계량 범위입니다. 이러한 large 시료의 측정은 그림 2와 같이 이 기기에 TGA 시료 캐리어와 부피가 5cm3인 비커 도가니를 장착할 수 있기 때문에 가능합니다. 그럼에도 불구하고 질량 농도가 5ppm에 불과한 것은 매우 small 양입니다. 질량 10g의 작은 새가 질량 2000kg의 어린 코끼리 등에 앉아있는 것으로 설명할 수 있습니다.
작은 새의 무게를 재보자
일반적으로 CFR21 Part 11 준수 소프트웨어 Proteus® Protect의 프레임워크에서도 작동하는 NETZSCH 의 Proteus® 분석 소프트웨어는 TG 곡선으로부터 잔류 질량을 계산할 수 있는 두 가지 가능성을 제공합니다(그림 3 참조). 첫 번째는 다음과 같이 계산되는 표준 기능인 "잔류 질량"입니다:
여기서 m0은 초기 샘플 질량이고 Δm은 TGA 실험 중에 측정된 전체 질량 손실입니다. 잔여 질량 함수는 퍼센트 범위의 일반적인 값에 대해 잘 작동합니다. 그러나 훨씬 작은 잔류 질량의 경우 m0과 Δm은 거의 동일하며, 두 값 모두 상대적으로 large (수 그램 범위, 위 참조)여야 합니다. 특히 액체 및 휘발성이 강한 시료의 경우, 열무게 측정법을 통해 m0과 Δm을 모두 측정하는 것은 수 마이크로그램 범위에서 (m0 - Δm)을 안정적으로 계산할 만큼 정확하지 않습니다. 위의 그림으로 돌아가서, 코끼리의 질량을 작은 새와 함께 측정하고 작은 새의 질량을 구하기 위해 코끼리의 질량만 빼는 것은 말이 되지 않습니다. 더 나은 접근 방식은 작은 새의 질량을 따로 측정하는 것입니다. 두 번째 기능인 "잔류 값" 덕분에 TGA 실험이 끝날 때 작은 새의 질량과 정확히 일치하는 절대 질량 신호 mr을 감지할 수 있습니다:
매우 정확한 레지엄 값을 평가하기 위한 전제 조건은 측정이 샘플을 삽입하는 소위 초기 대기에서 시작하여 레지엄 값이 결정되는 최종 대기에서 끝나야 한다는 것입니다. (등온) 온도와 가스 흐름 조건은 두 스탠바이 단계 모두 동일해야 합니다. 자세한 내용은 Proteus® 소프트웨어의 도움말 시스템에서 확인할 수 있습니다. 정확하고 재현 가능한 결과를 위한 또 다른 전제 조건은 물론 사용된 온도 균형의 드리프트가 낮아야 한다는 것입니다: NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® 의 장시간 저울 드리프트는 시간당 1μg 미만입니다.
실험 결과
그림 4는 시중에서 판매되는 아세톤 용매에 대해 얻은 예시적인 측정 결과를 보여줍니다. 이 테스트에는 TGA 샘플 캐리어와 Al2O3 비커 도가니가 장착된 NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® 열 분석기가 적용되었으며, 퍼지 가스로는 유속 70ml/min의 헬륨이 사용되었습니다. 그림 4에 표시된 퍼니스 온도 프로그램은 J. Wiss 등[4]이 사용한 것과 정확히 동일합니다: 50°C로 가열하고 50°C의 등온 구간에서 아세톤 용매는 완전히 증발했으며, 이는 각 측정에서 관찰된 약 1900mg의 질량 손실에서 확인할 수 있습니다. 그 후, 용광로를 105°C까지 가열한 후 최종적으로 초기 온도인 30°C로 다시 냉각했습니다. 30°C에서 등온상이 끝날 때 자동으로 측정된 95μg 및 92μg의 잔류량 값과 측정 시작 시 자동으로 측정된 1848mg 및 1913mg의 초기 샘플 질량으로부터 비증발 불순물의 질량 농도 51ppm 및 48ppm을 Proteus® 분석 소프트웨어로 계산했습니다.
요약
이 결과는 용매의 불순물을 ppm 수준까지 정확하게 측정하기 위해 지능형 Proteus® 소프트웨어와 함께 NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® 를 사용했음을 보여줍니다. 이 애플리케이션은 제약 생산 공장의 장비 세척을 검증하기 위해 광범위하게 조사되었습니다[4].