Część pierwsza artykułu ukazała się w LAB 4/2021

W polimerach, substancjach farmaceutycznych i artykułach spożywczych obecność wody często jest niepożądana. Dlatego oznaczanie zawartości wody w rozmaitych materiałach jest bardzo ważne. Oprócz pojęcia „zawartość wody” często można spotkać się także z pojęciami „zawartość wilgoci” i „strata po suszeniu” (LOD, ang. loss on drying). W części pierwszej tej serii zdefiniowaliśmy znaczenie tych terminów i opisaliśmy niektóre metody oznaczania tych wskaźników ilościowych. W części drugiej chcemy omówić szczególne możliwości w przypadku użycia TGA. Ponadto omówimy związek między LOD, masą próbki a dokładnością LOD w pomiarach termograwimetrycznych.

 

Wprowadzenie

W części pierwszej tej serii [1] opisaliśmy dwie techniki grawimetryczne (przy użyciu TGA i wagosuszarki halogenowej) oraz miareczkowanie metodą Karla-Fischera do oznaczania zawartości wody w materiałach. Zauważyliśmy, że w przeciwieństwie do miareczkowania Karla-Fischera metody grawimetryczne nie są selektywne, ponieważ straty masy zmierzone podczas suszenia mogą być również efektem utraty innych substancji lotnych lub produktów rozkładu, a nie tylko utraty wody. Metody grawimetryczne są selektywne w odniesieniu do wody tylko wtedy, gdy produkty gazowe uwalniane podczas procesu suszenia są stale identyfikowane. Jest to możliwe, jeśli analizator TGA jest połączony z odpowiednim systemem analizy wydzielanych gazów. Jeśli procesy rozkładu rozpoczynają się podczas suszenia, rozkład i suszenie można zróżnicować, wykonując proces suszenia pod obniżonym ciśnieniem. Można to zrobić, operując analizatorem TGA przy niskim ciśnieniu.

 

TGA przy niskim ciśnieniu

 

 

Rys. 1. Działanie analizatora TGA przy niskim ciśnieniu.

Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie, jak można operować urządzeniem TGA przy niskim ciśnieniu. Niskie ciśnienie powstaje w wyniku podłączenia wylotu pieca do odpowiedniej pompy próżniowej za pośrednictwem wymrażacza. Wymrażacz jest niezbędny tylko wtedy, gdy gazy powstałe w wyniku rozkładu mogłyby uszkodzić pompę. Ciśnienie w analizatorze TGA jest monitorowane za pomocą manometru podłączonego do wlotu gazu przedmuchowego. Gazu ochronnego wagi (zwykle azot) powinno się używać nawet wtedy, gdy urządzenie TGA pracuje pod niskim ciśnieniem. Do tego celu, jak zwykle, służy wlot gazu ochronnego. Przepływ gazu należy ustawić za pomocą odpowiedniego rotametru — nie można używać skrzynek gazowych METTLER TOLEDO. Jeżeli potrzebny jest również gaz reaktywny, można użyć wlotu gazu reaktywnego — tutaj także można ustawić przepływ gazu za pomocą rotametru. Ciśnienie w analizatorze TGA nie powinno być niższe niż 10 mbar. Eksperymenty opisane w tym artykule przeprowadzono z zastosowaniem imipenemu. Wzór strukturalny tej substancji farmaceutycznej widoczny jest na rysunku 2. Imipenem (C12H17N3O4S, masa molowa: 299,35 g/mol) jest antybiotykiem używanym do leczenia zakażeń bakteryjnych. Należy do grupy antybiotyków β-laktamowych, a jego działanie polega na hamowaniu syntez  ścian komórkowych różnych bakterii. Imipenem jest dostępny jako monohydrat (CAS 74431 23-5; stechiometryczna zawartość wody w tym monohydracie wynosi 5,7%).

 

Rys. 2. Wzór strukturalny imipenemu (C12H17N3O4S). Możliwe produkty rozkładu to COx, NHx i H₂O. Masa molowa: 299,35. Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/Imipenem

 

Rys. 3. Krzywe TGA imipenemu przy ciśnieniu otoczenia i 26 mbar oraz ich pierwsze pochodne. Czerwone krzywe uzyskano w wyniku pomiaru w azocie przy ciśnieniu otoczenia, natomiast niebieskie krzywe przy ciśnieniu 26 mbar. Szczegóły w tekście.

Na rysunku 3 przedstawiono krzywe TGA i DTG uzyskane w wyniku pomiaru imipenemu w azocie przy podgrzewaniu z szybkością 20 K/min przy ciśnieniu otoczenia oraz przy ciśnieniu 26 mbar. Czerwona krzywa na górnym wykresie na rysunku 3 jest krzywą TGA zmierzoną przy ciśnieniu otoczenia. Jej kształt jest typowy dla krzywej początkowej substancji zawierającej wilgoć (utrata masy jest coraz szybsza wraz ze wzrostem temperatury). Przy około 178°C imipenem szybko się rozkłada. Odpowiadająca jej krzywa DTG na wykresie dolnym pokazuje  że uwalnianie wilgoci (m. in. Wod  krystalizacyjnej) i rozkład zachodzą na siebie. Oznacza to, że zawartości wilgoci nie można oznaczyć na podstawie krzywej TGA. Jeżeli jednak próbka imipenemu jest mierzona przy niskim ciśnieniu, w tym przypadku 26 mbar (niebieskie krzywe), to utrata masy powiązana z wilgocią jest oddzielona od utraty masy spowodowanej rozkładem. Zawartość wilgoci można zatem łatwo wyliczyć na podstawie krzywej TGA (6,5%, z czego 5,7% to woda krystalizacyjna). Ponadto powtarzalność pomiaru zawartości wilgoci przy niskim ciśnieniu była doskonała (patrz rysunek 4). Pomiary czterech próbek imipenemu dały średnią zawartość wilgoci wynoszącą 6,39% z odchyleniem standardowym 0,09%.

 

Rys. 4. Powtarzalność pomiaru LOD czterech próbek imipenemu zmierzona przy ciśnieniu 26 mbar.

 

TGA w połączeniu z analizą gazu

Metody czysto grawimetryczne pozwalają oznaczyć wyłącznie zawartość wilgoci. Chcąc oznaczyć zawartość wody w materiale metodą grawimetryczną, musimy zidentyfikować gazy uwalniane podczas procesu suszenia. Zmierzona zawartość wilgoci odpowiada zawartości wody tylko wtedy, gdy wyniki wskazują, że mamy do czynienia wyłącznie z wodą. Gazy uwalniane podczas suszenia można łatwo zidentyfikować, podłączając analizator TGA do systemu analizy gazu. Obecnie METTLER TOLEDO oferuje zestawienie TGA ze spektrometrem masowym (MS), spektrometrem FTIR, systemem chromatografii gazowej (GC)/spektrometru masowego (MS) oraz mikro-GC/MS. W ramach poniższego przykładu opisujemy oznaczanie zawartości wody w imipenemie przy użyciu zestawienia TGA-MS. Zastosowano spektrometr masowy Pfeiffer GSD320 Thermostar. Próbkę imipenemu podgrzewano z szybkością 20 K/min w atmosferze azotu pod ciśnieniem otoczenia.

Wyniki pomiaru przedstawiono na rysunku 5. W górnej części rysunku przedstawiono krzywą TGA (czarna), jej krzywą pochodną (czerwona) oraz jednocześnie zmierzoną krzywą DSC (niebieska). Krzywa DSC wskazuje na uwalnianie wilgoci (szeroki pik endotermiczny) oraz proces rozkładu egzotermicznego. Na podstawie struktury chemicznej imipenemu (patrz rysunek 2) można oczekiwać takich produktów rozkładu, jak NHx, COx oraz woda. Dlatego zdecydowaliśmy się na operowanie systemem MS w trybie tak zwanego skanowania MID. System MS mierzy wtedy tylko jony o stosunkach masy do ładunku (m/z) zdefiniowanych przez użytkownika. W tym przypadku wybraliśmy stosunki m/z równe 16, 17  18 i 44. Odpowiednie krzywe pomiarowe są przedstawione w dolnej części rysunku 5. Krzywe jonów MS (m/z 17 i 18) wskazują, że woda jest uwalniana od samego początku. Jeśli dokładniej zbadamy krzywe dla m/z 17 i 18, zauważymy, że biegną praktycznie jednakowo aż do około 178°C. Powyżej tej temperatury obie krzywe wyraźnie się różnią. To samo widać również na czarnej krzywej w środku rysunku (bez jednostek). Krzywa ta odpowiada stosunkowi krzywych m/z 17 i m/z 18. Gdyby zmierzony wzrost wartości krzywych m/z 17 i m/z 18 był jedynie skutkiem obecności wody, to stosunek ten byłby stały i niezależny od temperatury. Wyraźnie widać, że począwszy od 178°C, już jest inaczej. Oznacza to, że powyżej tej temperatury uwalniane są produkty, które przyczyniają się do powstania prądu jonowego dla m/z 17, ale nie prądu jonowego dla m/z 18. Ponieważ spodziewamy się produktów rozkładu o wzorze NHx, zakładamy, że NH₃ (m/z 17) wyjaśnia, dlaczego krzywe m/z 17 i m/z 18 się różnią. Hipotezę tę potwierdza fakt, że powyżej 178°C kształt krzywej m/z 16 (NH2) odpowiada kształtowi krzywej m/z 17. Widzimy również, że CO2 (m/z 44) uwalnia się od około 150°C. Najwidoczniej rozkład imipenemu zaczyna się wyraźnie poniżej temperatury 178°C, w której zachodzi gwałtowna utrata masy. Co możemy powiedzieć o zawartości wody w próbce imipenemu? Do 178°C kształt krzywych m/z 17 i m/z 18 jest taki sam. Powierzchnia pod krzywą m/z 18 jest zatem proporcjonalna do ilości uwalnianej wody. Aby to oszacować, przeprowadzono pomiar wzorcujący przy użyciu monohydratu szczawianu wapnia (procedura została opisana w literaturze [2]). Zapewniło to czułość MS dla wody (m/z 18) wynoszącą 510 nsA na miligram wody. Pozwala to określić ilość uwalnianej wody w przedziale temperatur do 178°C. Wynik wyniósł 4,75%, czyli wyraźnie mniej niż wysokość skoku na odcinku od 50 do 178°C na krzywej TGA (5,85%). Różnica wynika z faktu, że przy zastosowanej szybkości ogrzewania (20 K/min) imipenem zaczyna się rozkładać już w temperaturze 150°C. W rzeczywistości istnieją dwa powody, dla których wartość 4,75% nie odpowiada rzeczywistej zawartości wody w próbce. Po pierwsze, woda jest możliwym produktem rozkładu imipenemu, a po drugie, uwalnianie początkowo obecnej wody (wody krystalizacyjnej) nie zostało zakończone w temperaturze 178°C. W tym przykładzie metoda próżniowa daje prawdopodobnie najbardziej wiarygodne wartości zawartości wody w próbce. Eksperyment TGA/MS potwierdza, że rzeczywiście jest to wyłącznie woda.

 

Jak dokładnie można oznaczyć wartość LOD za pomocą analizatora TGA?

W szczególności produkty farmaceutyczne mają wartości LOD, które są zwykle bardzo niskie (<1%). Pojawia się pytanie, jak dokładnie tak niską zawartość można określić metodą TGA oraz jak duża musi być masa próbki, aby można było zmierzyć oczekiwaną wartość LOD z konkretną dokładnością. Z technicznego punktu widzenia wartości LOD ocenia się jako poziome skoki na krzywych TGA. Jeśli prosta ocena poziomych skoków jest ewidentnie niemożliwa, to różne proce-sy nakładają się na siebie, a ocena LOD jest co najmniej wątpliwa (np. imipenem przy ciśnieniu otoczenia, patrz rysunek 3). Załóżmy, że LOD można wyraźnie oddzielić od procesów rozkładu na krzywej TGA (np. imipenem przy ciśnieniu 26 mbar, patrz rysunek 3). Wówczas o dokładności, z jaką można ocenić wysokość stopnia, decyduje głównie rozdzielczość i poziom szumów wagi. Jeśli ponadto przyjmiemy łączne odchylenie standardowe wynoszące 2 μg, a także założymy, że rzeczywista wartość LOD powinna mieścić się w wymaganej dokładności z prawdopodobieństwem 0,95, otrzymamy minimalne masy próbek podane w tabeli 1. Przykład: jeśli LOD o wartości 1% ma być oznaczona tak, aby rzeczywista wartość LOD mieściła się w zakresie od 0,99% do 1,01% (wymagana dokładność wynosi 1%) z prawdopodobieństwem 0,95, to należy użyć próbki o masie co najmniej 40mg. Więcej informacji można znaleźć w literaturze [3]. Masy próbek podane w tabeli uwzględniają jedynie niepewności związane z procesem ważenia. Jeśli zawartość wilgoci w próbce jest niska, to procesy sorpcji lub desorpcji, które występują podczas przygotowywania próbki i wkładania jej do analizatora TGA, również mają wpływ na wielkość niepewności co do zmierzonej zawartości wilgoci. Wpływ ten zależy od badanej próbki i trudno go oszacować. Możliwości ilościowego oszacowania i redukcji tego wpływu zestawiono w ramce poniżej.

 

Rys. 5. Pomiary TGA-MS imipenemu z zastosowaniem otwartych tygli aluminiowych o pojemności 40 μl. Szybkość ogrzewania wynosiła 20 K/min. Szczegóły w tekście.

 

Podsumowanie

Oznaczanie LOD można przeprowadzać metodą TGA przy ciśnieniu otoczenia oraz przy niskim ciśnieniu (minimum 10 mbar). Wszelkie produkty uwalniane podczas suszenia można łatwo zidentyfikować, sprzęgając analizator TGA z odpowiednim systemem analizy gazu. Do materiałów o niskiej zawartości wilgoci należy używać próbek o dostatecznie dużej masie. Jeśli materiały wykazują procesy sorpcji lub desorpcji w temperaturze pokojowej, w eksperymencie należy wprowadzić masę pustego tygla. Jest to jedyny sposób na ustalenie wielkości zmian masy, które występują podczas oczekiwania próbek na talerzu obrotowym podajnika lub podczas umieszczania próbki w piecu TGA.

 

Literatura

[1] M. Schubnell, C. De Caro, Zawartość wilgoci, zawartość wody, strata po suszeniu. Część 1: dokładne znaczenie i sposoby oznaczania tych wielkości, UserCom 51, 1–8.

[2] Ni Jing, Oznaczanie zawartości wody w cieczy zjonizowanej, UserCom 40, 24–26.

[3] K. Fritsche, M. Schubnell, Wiarygodne oznaczanie masy próbki – koncepcja naważki minimalnej, UserCom 41, 14–17.

 

Więcej informacji: www.mt.com/ta-moisture

 

*Dr Markus Schubnell, Dr Angela Hammer

 

 

 

Tabela 1. W tabeli podano masę próbki w miligramach niezbędną do oznaczenia stopniowej

utraty masy LOD o określonej wysokości skoku z daną dokładnością.

Wymagana dokładność w %	Oczekiwany efekt w %
	0,1	0,2	0,5	1	2	5	10
0,1	4000	2000	800	400	200	80	40
0,2	2000	1000	400	200	100	40	20
0,5	800	400	160	80	40	16	8
1	400	200	80	40	20	8	4
2	200	100	40	20	10	4	2
5	80	40	16	8	4	1,6	0,8
10	40	20	8	4	2	0,8	0,4

 

 

Wskazówki i porady dotyczące oznaczania LOD metodą TGA   • Próbki mogą chłonąć lub uwalniać wilgoć w czasie oczekiwania na talerzu obrotowym podajnika. W trakcie eksperymentu ważne jest zatem wprowadzenie masy tygla oraz masy próbki. Zmiany masy, które występują podczas oczekiwania na talerzu obrotowym lub podczas umieszczania próbki w piecu TGA, można wtedy określić ilościowo. • Jeśli analizator TGA jest wyposażony w automatyczny podajnik próbek, tygle aluminiowe można hermetycznie zamknąć specjalną pokrywką. Wówczas tygiel jest otwierany przy pomocy igły w podajniku próbek (zestaw do przekłówania pokrywek) bezpośrednio przed pomiarem. W ten sposób można zapobiec procesom sorpcji lub desorpcji podczas oczekiwania próbek na talerzu obrotowym. • W przypadku stosowania tygli ceramicznych można je przykryć aluminiową pokrywką. Po umieszczeniu tygla w piecu automatyczny podajnik próbek zdejmuje pokrywkę. W ten sposób można praktycznie wyeliminować procesy sorpcji lub desorpcji podczas oczekiwania próbek na ruch talerza obrotowego.