應用解讀 | TGA測試藥物水分含量

藥品中含有較大量的水分時，不僅使藥品含量降低，影響使用劑量的準確性，還會引起水解或發生霉敗變質，而使藥物失效。因此需要進行水分測定。藥品中的水分，可分為必要的水分（如結晶水或組成水）和不必要的水分（即吸附水）。本文著重介紹了如何利用熱重法準確測試藥物中的水分含量。

01介紹

常見的水分的測定方法有干燥失重法（LOD）、卡爾費休滴定法、熱重分析法和鹵素水分測定法等（見圖1）。嚴格來講熱重分析法和鹵素水分測定法都屬于干燥失重，但是相對于傳統的烘箱干燥失重法，熱重分析法和鹵素水分測定法具有自動化程度較高和測試時間短等優勢。與卡爾費休滴定法相比，熱重法和鹵素水分測定法不具有選擇性，因為干燥過程中測量到的質量損失也可能是由其它揮發性物質或分解產物的損失造成的，而不僅僅是水分的損失。只有在干燥過程中釋放的其它氣體產物與水分失重溫度區間相隔比較大時，熱重法才對水分具有選擇性。如果在干燥過程中樣品發生分解，則可以通過降低壓強，來分離分解和干燥失重的臺階。同時熱重法還可以和定性技術比如MS等聯用對干燥過程中產生的氣體進行定性甚至定量。

02實驗

樣品：亞胺培南是一種用于治療細菌感染的抗生素劑。它屬于β-內酰胺類抗生素，通過抑制各種細菌的細胞壁合成而起到抗菌作用。亞胺培南一水合物中水分為5.7%)。

2.1 低壓下的TGA測試：

TGA和真空泵相連能夠實現低壓TGA測試（見圖3）[1]，通過冷肼將爐體出氣口和真空泵相連，冷肼是冷凝逸出氣體從而避免分解氣體損壞泵體。通常在吹掃氣體入口連接壓力表來監測TGA爐體中的內部壓力。為了獲得更為準確的稱量數據，在低壓下進行TGA測試時，也應使用天平保護氣體（通常是氮氣）。

TGA測試材料的水分時，有些藥物在加熱過程中，水分失重的同時樣品也會發生一定程度的分解失重。如果還要準確地測試水分，需要在低壓下將樣品的水分揮發失重和分解失重分離開。圖4是在低壓下和常壓下分別測試亞胺培南（C12H17N3O4S）的TGA曲線，紅色曲線是常壓通氮氣測試結果，藍色曲線是在26mbar壓力下測試。常壓下測試時，亞胺培南在大約178 ℃左右快速分解，對應的DTG曲線上只有一個峰，意味著水分含量6.5%，其中5.7%為結晶水。水分揮發和分解發生重疊，所以無法使用TGA曲線準確確定水分。在26mbar的低壓下測量亞胺培南，水分失重與分解造成的失重可以分離開來，因此可以很容易地根據TGA曲線計算。

低壓下水分含量的測定具有良好的重復性(見圖5)。亞胺培南樣品四次測量得出的平均水分含量為6.39%，標準偏差為0.09%。

2.2 TGA-MS 聯用對干燥失重過程中逸出氣體定性和定量

熱重法只能定量，而無法定性。熱重法測定一種材料的水分時，必須對干燥過程中揮發的氣體定性，才能確定干燥失重量是否是純的水分？如果干燥失重LOD揮發的氣體只有水分，測量的LOD含量只對應于含水量。梅特勒托利多提供TGA與MS質譜儀、FTIR紅外光譜儀、氣相色譜(GC)/質譜儀(MS)系統和Micro GC/MS的組合，可實現對逸出氣體的定性甚至定量。

圖6為常壓下N2氣氛下20 K/min速率加熱采用TGA-MS聯用測試亞胺培南樣品的干燥失重曲線和質譜曲線。上半部分顯示了TGA曲線(黑色)、一階導數曲線DTG(紅色)和同時測量的DSC曲線(藍色)。DSC曲線表明了水分(寬吸熱峰)揮發和放熱分解過程。根據亞胺培南的結構可以預測干燥失重過程中會得到NHx、COx和水等分解產物。對m/z 16、17、18和44的離子碎片進行MS多離子檢測。從MS離子曲線來看，從一開始就揮發了水分（(m/z 17和18）。在178?C以下，m/z 17和18曲線幾乎沒有明顯的差異。溫度升至178?C以上時，m/z 17（NH3）的離子電流明顯增加（從黑色曲線兩者的比例看更加明顯），m/z 16 (NH2)曲線的形狀與m/z 17曲線的形狀近似匹配，這都說明178℃以上產生了NHx分解產物。CO2 (m/z 44)是在大約150?C以上釋放的。顯然，亞胺培南的分解開始溫度明顯低于178?C。

對于亞胺培南樣品的水分含量，使用一水草酸鈣進行MS的校準后可以得到更準確的定量數據，從亞胺培南的MS測試結果看，在178℃之前失去的水分含量為4.75%（m/z18曲線下的面積與揮發的水量成正比）。該值明顯低于TGA曲線上50到178?C的階梯高度(5.85%)。這是因為在20 K/min加熱速率下，亞胺培南已經在150?C開始分解。事實上，4.75%的值與樣品的實際水分不符可能有兩個原因。首先，水是亞胺培南的一種可能分解產物，其次，最初存在水(結晶水)的揮發在178?C時不*。而低壓下TGA測試樣品水分含量的的結果是可信的，這點可以通過TAG/MS的實驗結果來驗證。

03結論

在常壓和低壓下，TGA都可以進行LOD測定，而且低壓下能有效的分離有些藥物的水分揮發和樣品分解失重的臺階，準確地測試出材料中水分含量。TGA和MS聯用可以對干燥失重過程中產生的揮發性物質進行定性甚至定量分析，清晰地定性干燥過程中逸出氣體是否為單獨的水分。

04TGA測定LOD的小技巧：

●  在自動進樣器轉盤上等待進樣時，樣品可能會吸收或揮發水分。因此，在實驗中，輸入的坩堝質量以及樣品的質量很重要。以此可以量化樣品在稱量后和放入TGA爐體期間是否發生了質量變化。

●  對于配備了自動進樣器的TGA，使用鋁坩堝時，則可以用特殊的蓋子將鋁制坩堝密封。測試前再利用自動進樣器的“黃蜂針"刺破坩堝，可以防止樣品在等待時間內質量發生變化；使用陶瓷坩堝，則可以用鋁蓋蓋住。將坩堝放入爐體后，自動進樣器取下蓋子，由此防止樣品在等待時間內吸附或解吸附過程的發生。

●  LOD測試水分含量時對樣品要有充分的了解，避免測試的水分偏離實際值，可采用TGA-MS聯用對干燥失重過程中的逸出氣體定性或者采用低壓下TGA測試獲得準確的水分結果。同時還要考慮樣品量和測試準確度要求對測試結果的影響[2]。

參考文獻：

[1] M. Schubnell, C. De Caro, Moisture content, water content,loss on drying, Part 2: Specialpossibilities using the TGA User Com 52, 1.

[2] Ni Jing, Determination of the water content of an ionic liquid, UserCom40, 24–26.