Tillämpning från läkemedelsområdet
Termogravimetri (TG) eller termogravimetrisk analys (TGA) är en etablerad metod för kompositionsanalys, t.ex. för att detektera vatteninnehållet i hydrater [1]. Mätningen av restmassan under ett TGA-experiment kan användas för att beräkna t.ex. fyllmedelsinnehållet i polymerföreningar eller kompositer [2, 3]. En svårare tillämpning är att bestämma small mängder av föroreningar som inte avdunstar och som finns i flytande, avdunstande lösningsmedel som aceton, etanol eller vatten. Denna teknik - där restmassan kan ses som destillationsrester - tillämpades av J. Wiss et al. med hjälp av en NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® (se figur 1) för att validera rengöringen av utrustningen i läkemedelsproduktionsanläggningar [4]. Författarna visade att föroreningar med olika koncentrationer i intervallet mellan cirka 5 och 50 ppm kunde detekteras på ett tillförlitligt sätt [4].
En masskoncentration av föroreningar på t.ex. 5 ppm kräver detektering av en restmassa så small som 25 μg efter avdunstning av lösningsmedlet med en massa på 5 g, vilket är den maximala lastkapaciteten och samtidigt det maximala dynamiska vägningsområdet för STA 449 F1 Jupiter® . Mätningar av sådana large prover är möjliga eftersom detta instrument kan utrustas med en TGA-provbärare och en bägardegel med en volym på 5 cm3 (se figur 2). Trots detta är en masskoncentration på endast 5 ppm en mycket small mängd. Det kan illustreras med en liten fågel med en massa på 10 g som sitter på ryggen på en ung elefant med en massa på 2000 kg.
Låt oss väga den lilla fågeln
I allmänhet erbjuder analysprogrammet Proteus® från NETZSCH, som också fungerar inom ramen för den CFR21 Part 11-anpassade programvaran Proteus® Protect, två möjligheter för beräkning av restmassan från en TG-kurva (se figur 3). Den första är standardfunktionen "Residual Mass", som beräknas enligt följande:
där m0 är provets ursprungliga massa och Δm är hela den massförlust som uppmätts under TGA-experimentet. Funktionen för restmassa fungerar bra för typiska värden i procentområdet. För mycket mindre restmassor är dock m0 och Δm nästan identiska, och dessutom måste båda värdena vara relativt large (i storleksordningen några gram, se ovan). Speciellt för flytande och starkt flyktiga prover är bestämningen av både m0 och Δm via termogravimetri helt enkelt inte tillräckligt noggrann för en tillförlitlig beräkning av (m0 - Δm) i intervallet några mikrogram. För att återgå till vår illustration ovan är det meningslöst att mäta elefantens massa tillsammans med den lilla fågeln och subtrahera elefantens massa för att få fram den lilla fågelns massa. Ett bättre tillvägagångssätt är att mäta den lilla fågelns massa separat. Tack vare den andra funktionen "Residuum Value" kan vi detektera den absoluta massasignalen mr i slutet av TGA-experimentet - som exakt motsvarar den lilla fågelns massa:
Förutsättningen för utvärderingen av det mycket exakta residuumvärdet är att mätningen inleds med en så kallad Initial Standby, där provet sätts in, och avslutas med en Final Standby, där residuumvärdet bestäms. De (isotermiska) temperaturerna och gasflödesförhållandena måste vara desamma under båda Standby-faserna. Mer information finns i hjälpsystemet för programvaran Proteus®. En annan förutsättning för korrekta och reproducerbara resultat är naturligtvis att den termobalans som används har låg drift: Termobalansen NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® har en långtidsdrift på mindre än 1 μg per timme.
Experimentella resultat
Figur 4 visar exempel på mätresultat som erhållits för det kommersiellt tillgängliga lösningsmedlet aceton. För dessa tester användes NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® termisk analysator utrustad med en TGA-provbärare och en Al2O3-bägare med degel; helium med en flödeshastighet på 70 ml/min användes som spolningsgas. Ugnens temperaturprogram som visas i figur 4 är exakt detsamma som det som användes av J. Wiss et al [4]: Vid upphettning till 50°C och under det isotermiska segmentet vid 50°C avdunstade acetonlösningsmedlet fullständigt, vilket framgår av den massförlust på ca 1900 mg som observerades för varje mätning. Därefter upphettades ugnen till 105°C och kyldes slutligen tillbaka till den initiala temperaturen på 30°C. Från residuumvärdena på 95 μg och 92 μg som uppmättes automatiskt i slutet av den isotermiska fasen vid 30°C, och de initiala provmassorna på 1848 mg och 1913 mg som bestämdes automatiskt vid mätningarnas början, beräknades masskoncentrationer på 51 ppm och 48 ppm av icke-förångande föroreningar med analysprogrammet Proteus®.
Sammanfattning
Dessa resultat visar att NETZSCH STA 449 F1 Jupiter® i kombination med den intelligenta programvaran Proteus® kan användas för noggrann bestämning av föroreningar i lösningsmedel ner till ppm-nivån. Denna applikation undersöktes ingående för en validering av rengöringen av utrustningen i läkemedelsproduktionsanläggningar [4].