Aplicație din domeniul farmaceutic
Termogravimetria (TG) sau analiza termogravimetrică (TGA) este o metodă consacrată pentru analiza compozițională, de exemplu, pentru detectarea conținutului de apă din hidrați [1]. Măsurarea masei reziduale în timpul unui experiment TGA poate servi la calcularea, de exemplu, a conținutului de umplutură al compușilor sau compozitelor polimerice [2, 3]. O aplicație mai dificilă este determinarea cantităților small de impurități neevaporante prezente în solvenți lichizi care se evaporă, cum ar fi acetona, etanolul sau apa. Această tehnică - în care masa reziduală poate fi privită ca un reziduu de distilare - a fost aplicată de J. Wiss et al. folosind un NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (a se vedea figura 1) pentru a valida curățarea echipamentelor din fabricile de producție farmaceutică [4]. Autorii au demonstrat că impuritățile cu diferite concentrații în intervalul cuprins între aproximativ 5 și 50 ppm pot fi detectate în mod fiabil [4].
O concentrație de masă a impurităților de, de exemplu, 5 ppm necesită detectarea unei mase reziduale small de 25 μg după evaporarea solventului cu o masă de 5 g, ceea ce reprezintă capacitatea maximă de încărcare și, în același timp, domeniul maxim de cântărire dinamică al STA 449 F1 Jupiter® . Măsurătorile unor astfel de probe large sunt posibile deoarece acest instrument poate fi echipat cu un purtător de probe TGA și un creuzet de pahar cu un volum de 5 cm3 , după cum se arată în figura 2. Cu toate acestea, o concentrație masică de numai 5 ppm este o cantitate foarte mare small. Aceasta poate fi ilustrată prin faptul că o păsărică cu o masă de 10 g stă pe spatele unui elefant tânăr cu o masă de 2000 kg.
Să cântărim mica pasăre
În general, software-ul de analiză Proteus® de la NETZSCH, care funcționează și în cadrul software-ului conform CFR21 partea 11 Proteus® Protect, oferă două posibilități de calcul al masei reziduale dintr-o curbă TG (a se vedea figura 3). Prima este funcționalitatea standard "Masa reziduală", care se calculează după cum urmează:
unde m0 este masa inițială a probei și Δm este întreaga pierdere de masă măsurată în timpul experimentului TGA. Funcția Masa reziduală funcționează bine pentru valori tipice în intervalul procentual. Cu toate acestea, pentru mase reziduale mult mai mici, m0 și Δm sunt aproape identice și, în plus, ambele valori trebuie să fie relativ large (în intervalul de câteva grame, a se vedea mai sus). În special pentru probele lichide și foarte volatile, determinarea ambelor valori, m0 și Δm, prin termogravimetrie nu este suficient de precisă pentru un calcul fiabil al (m0 - Δm) în intervalul de câteva micrograme. Revenind la ilustrația de mai sus, nu are sens să măsurăm masa elefantului împreună cu păsărica și să scădem masa elefantului singur pentru a obține masa păsăricii. O abordare mai bună este să măsurăm separat masa păsăricii. Datorită celei de-a doua funcționalități "Residuum Value", putem detecta semnalul de masă absolută mr la sfârșitul experimentului TGA - care corespunde exact masei păsării mici:
Condiția prealabilă pentru evaluarea valorii reziduale extrem de precise este ca măsurarea să înceapă cu o așa-numită așteptare inițială, în care este introdusă proba, și să se încheie cu o așteptare finală, în care este determinată valoarea reziduală. Temperaturile (izoterme) și condițiile de curgere a gazului trebuie să fie aceleași în timpul ambelor faze de așteptare. Detalii suplimentare pot fi găsite în sistemul de ajutor al software-ului Proteus®. O altă condiție prealabilă pentru obținerea unor rezultate precise și reproductibile este, desigur, deriva redusă a termobalanței utilizate: NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® are o derivă a balanței pe termen lung mai mică de 1 μg pe oră.
Rezultate experimentale
Figura 4 prezintă rezultatele măsurătorilor exemplare obținute pentru solventul acetonă disponibil în comerț. Pentru aceste teste a fost utilizat analizorul termic NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® , echipat cu un suport pentru probe TGA și un creuzet pentru pahare din Al2O3; heliul la un debit de 70 ml/min a fost utilizat ca gaz de purjare. Programul de temperatură al cuptorului prezentat în figura 4 este exact același cu cel utilizat de J. Wiss și colab. [4]: După încălzirea la 50°C și în timpul segmentului izoterm la 50°C, solventul acetonă s-a evaporat complet, ceea ce se poate vedea din pierderea de masă de aproximativ 1900 mg observată pentru fiecare măsurare. După aceea, cuptorul a fost încălzit la 105°C și, în cele din urmă, răcit la temperatura inițială de 30°C. Din valorile reziduale de 95 μg și 92 μg măsurate automat la sfârșitul fazei izoterme la 30°C și din masele inițiale ale probei de 1848 mg și 1913 mg determinate automat la începutul măsurătorilor, concentrațiile masice de 51 ppm și 48 ppm ale impurităților care nu se evaporă au fost calculate de software-ul de analiză Proteus®.
Rezumat
Aceste rezultate demonstrează utilizarea NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® în combinație cu software-ul său inteligent Proteus® pentru determinarea precisă a impurităților din solvenți până la nivelul ppm. Această aplicație a fost investigată pe scară largă pentru validarea curățării echipamentelor din instalațiile de producție farmaceutică [4].