Zastosowanie w branży farmaceutycznej
Termograwimetria (TG) lub analiza termograwimetryczna (TGA) jest uznaną metodą analizy składu, np. do wykrywania zawartości wody w hydratach [1]. Pomiar masy resztkowej podczas eksperymentu TGA może służyć do obliczania, na przykład, zawartości wypełniacza w związkach polimerowych lub kompozytach [2, 3]. Trudniejszym zastosowaniem jest określanie small ilości nie parujących zanieczyszczeń obecnych w ciekłych, parujących rozpuszczalnikach, takich jak aceton, etanol lub woda. Technika ta - w której masę resztkową można postrzegać jako pozostałość po destylacji - została zastosowana przez J. Wiss i in. przy użyciu NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (patrz rysunek 1) w celu walidacji czyszczenia sprzętu w zakładach produkcji farmaceutycznej [4]. Autorzy wykazali, że zanieczyszczenia o różnych stężeniach w zakresie od około 5 do 50 ppm mogą być niezawodnie wykrywane [4].
Stężenie masowe zanieczyszczenia wynoszące na przykład 5 ppm wymagało wykrycia masy resztkowej wynoszącej small aż 25 μg po odparowaniu rozpuszczalnika o masie 5 g, co stanowi maksymalną nośność i jednocześnie maksymalny dynamiczny zakres ważenia urządzenia STA 449 F1 Jupiter® . Pomiary takich próbek large są możliwe, ponieważ urządzenie może być wyposażone w nośnik próbek TGA i tygiel zlewkowy o objętości 5 cm3, jak pokazano na rysunku 2. Niemniej jednak stężenie masowe wynoszące zaledwie 5 ppm to bardzo small duża ilość. Można to zilustrować na przykładzie małego ptaszka o masie 10 g siedzącego na grzbiecie młodego słonia o masie 2000 kg.
Zważmy małego ptaszka
Ogólnie rzecz biorąc, oprogramowanie do analizy Proteus® firmy NETZSCH, które działa również w ramach oprogramowania zgodnego z CFR21 Part 11 Proteus® Protect, oferuje dwie możliwości obliczania masy resztkowej z krzywej TG (patrz rysunek 3). Pierwszą z nich jest standardowa funkcja "Masa resztkowa", która jest obliczana w następujący sposób:
gdzie m0 to początkowa masa próbki, a Δm to całkowita utrata masy zmierzona podczas eksperymentu TGA. Funkcja masy resztkowej działa dobrze dla typowych wartości w zakresie procentowym. Jednak w przypadku znacznie smallwiększych mas resztkowych, m0 i Δm są prawie identyczne, a ponadto obie wartości muszą być stosunkowo large (w zakresie kilku gramów, patrz wyżej). Zwłaszcza w przypadku próbek ciekłych i silnie lotnych, określenie zarówno m0, jak i Δm za pomocą termograwimetrii nie jest wystarczająco dokładne, aby wiarygodnie obliczyć (m0 - Δm) w zakresie kilku mikrogramów. Wracając do naszej powyższej ilustracji, nie ma sensu mierzyć masy słonia razem z małym ptaszkiem i odejmować masę samego słonia, aby uzyskać masę małego ptaszka. Lepszym podejściem jest zmierzenie masy małego ptaszka osobno. Dzięki drugiej funkcji "Residuum Value" jesteśmy w stanie wykryć sygnał masy bezwzględnej mr na końcu eksperymentu TGA - który odpowiada dokładnie masie małego ptaszka:
Warunkiem wstępnym do oceny bardzo dokładnej wartości próżni resztkowej jest to, że pomiar rozpoczyna się od tak zwanego początkowego trybu gotowości, w którym umieszczana jest próbka, a kończy się końcowym trybem gotowości, w którym określana jest wartość próżni resztkowej. Temperatury (izotermiczne) i warunki przepływu gazu muszą być takie same podczas obu faz czuwania. Dalsze szczegóły można znaleźć w systemie pomocy oprogramowania Proteus®. Kolejnym warunkiem dokładnych i powtarzalnych wyników jest oczywiście niski dryft używanej termowagi: Waga NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® charakteryzuje się długotrwałym dryftem mniejszym niż 1 μg na godzinę.
Wyniki eksperymentalne
Rysunek 4 przedstawia przykładowe wyniki pomiarów uzyskane dla dostępnego w handlu rozpuszczalnika acetonu. Do badań zastosowano analizator termiczny NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® wyposażony w nośnik próbek TGA i tygiel zlewkowy Al2O3; jako gaz przedmuchujący zastosowano hel o natężeniu przepływu 70 ml/min. Program temperaturowy pieca pokazany na rysunku 4 jest dokładnie taki sam jak ten zastosowany przez J. Wiss et al. [4]: Po podgrzaniu do temperatury 50°C i podczas segmentu izotermicznego w temperaturze 50°C, rozpuszczalnik acetonowy całkowicie odparował, co można zaobserwować na podstawie ubytku masy około 1900 mg zaobserwowanego dla każdego pomiaru. Następnie piec został podgrzany do 105°C i ostatecznie schłodzony z powrotem do temperatury początkowej 30°C. Na podstawie wartości Residuum 95 μg i 92 μg zmierzonych automatycznie pod koniec fazy izotermicznej w temperaturze 30°C oraz początkowych mas próbek 1848 mg i 1913 mg określonych automatycznie na początku pomiarów, stężenia masowe 51 ppm i 48 ppm nieodparowujących zanieczyszczeń zostały obliczone przez oprogramowanie analityczne Proteus®.
Podsumowanie
Wyniki te wskazują na możliwość wykorzystania urządzenia NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® w połączeniu z inteligentnym oprogramowaniem Proteus® do dokładnego oznaczania zanieczyszczeń w rozpuszczalnikach do poziomu ppm. Aplikacja ta była szeroko badana w celu walidacji czyszczenia sprzętu w zakładach produkcji farmaceutycznej [4].