Применение в фармацевтической отрасли
Термогравиметрия (ТГ) или термогравиметрический анализ (ТГА) является общепринятым методом анализа состава, например, для определения содержания воды в гидратах [1]. Измерение остаточной массы в ходе эксперимента ТГА может служить для расчета, например, содержания наполнителя в полимерных соединениях или композитах [2, 3]. Более сложным применением является определение small количества неиспаряющихся примесей, присутствующих в жидких испаряющихся растворителях, таких как ацетон, этанол или вода. Этот метод - когда остаточную массу можно рассматривать как остаток дистилляции - был применен Дж. Висс и др. с использованием NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (см. рис. 1) для проверки очистки оборудования фармацевтических заводов [4]. Авторы продемонстрировали, что примеси с различными концентрациями в диапазоне от 5 до 50 ppm могут быть надежно обнаружены [4].
Массовая концентрация примесей, например, 5 ppm, требует обнаружения остаточной массы small 25 мкг после испарения растворителя массой 5 г, что является максимальной грузоподъемностью и одновременно максимальным динамическим диапазоном взвешивания STA 449 F1 Jupiter® . Измерения таких образцов large возможны, поскольку прибор может быть оснащен держателем образцов для ТГА и тиглем-стаканом объемом 5 см3, как показано на рис. 2. Тем не менее, массовая концентрация всего в 5 ppm - это очень small количество. Это можно проиллюстрировать на примере маленькой птички массой 10 г, сидящей на спине молодого слона массой 2000 кг.
Давайте взвесим птичку
В целом, программное обеспечение для анализа Proteus® NETZSCH , которое также работает в рамках программного обеспечения CFR21 Part 11 conform Proteus® Protect, предлагает две возможности для расчета остаточной массы по кривой ТГ (см. рисунок 3). Первая - это стандартная функциональность "Остаточная масса", которая рассчитывается следующим образом:
где m0 - начальная масса образца, а Δm - полная потеря массы, измеренная в ходе эксперимента ТГА. Функция "Остаточная масса" хорошо работает для типичных значений в диапазоне процентов. smallОднако для гораздо больших остаточных масс m0 и Δm практически идентичны, и, кроме того, оба значения должны быть относительно large (в диапазоне нескольких граммов, см. выше). Особенно для жидких и сильно летучих образцов определение обеих величин, m0 и Δm, с помощью термогравиметрии просто недостаточно точно для надежного расчета (m0 - Δm) в диапазоне нескольких микрограммов. Возвращаясь к нашей иллюстрации выше, не имеет смысла измерять массу слона вместе с маленькой птичкой и вычитать массу только слона, чтобы получить массу маленькой птички. Лучше измерить массу птички отдельно. Благодаря второй функции "Значение остатка" мы можем обнаружить сигнал абсолютной массы mr в конце эксперимента TGA, который точно соответствует массе маленькой птички:
Необходимым условием для оценки высокоточного значения остаточного вакуума является то, что измерение начинается с так называемого начального режима ожидания, в который вводится образец, и заканчивается конечным режимом ожидания, в котором определяется значение остаточного вакуума. Температуры (изотермические) и условия потока газа должны быть одинаковыми на обоих этапах ожидания. Более подробную информацию можно найти в справочной системе программного обеспечения Proteus®. Другим необходимым условием для получения точных и воспроизводимых результатов является, конечно же, низкий дрейф используемых термобаллонов: NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® имеет длительный дрейф баланса менее 1 мкг в час.
Экспериментальные результаты
На рисунке 4 показаны примерные результаты измерений, полученные для коммерчески доступного растворителя ацетона. Для этих испытаний использовался термоанализатор NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® , оснащенный держателем образцов TGA и стаканом-тиглем Al2O3; в качестве продувочного газа использовался гелий со скоростью потока 70 мл/мин. Температурная программа печи, представленная на рисунке 4, полностью совпадает с программой, использованной J. Wiss et al [4]: При нагревании до 50°C и во время изотермического участка при 50°C растворитель ацетона полностью испарялся, что видно из потери массы около 1900 мг, наблюдаемой для каждого измерения. После этого печь нагрели до 105°C и снова охладили до начальной температуры 30°C. Из значений остатка 95 мкг и 92 мкг, измеренных автоматически в конце изотермической фазы при 30°C, и начальных масс образца 1848 мг и 1913 мг, определенных автоматически в начале измерений, массовые концентрации 51 ppm и 48 ppm не испаряющихся примесей были рассчитаны с помощью программы анализа Proteus®.
Резюме
Эти результаты демонстрируют возможность использования прибора NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® в сочетании с его интеллектуальным программным обеспечением Proteus® для точного определения примесей в растворителях до уровня ppm. Это применение было широко исследовано для валидации очистки оборудования фармацевтических заводов [4].