熱重法分析鹵化丁基橡膠塞的成分

周姝，袁怡，胡敏

(湖北省藥品監(jiān)督檢驗研究院，武漢 430075)

鹵化丁基膠塞作為藥品包裝中瓶裝密封材料的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于抗菌藥物粉針劑、大輸液、凍干制劑等藥物的密封包裝及導(dǎo)出[1]。膠塞生產(chǎn)中為保證其良好的性能，需要添加硫化劑、活性劑、填料、著色劑、穩(wěn)定劑等多種助劑。在與藥品直接接觸過程中，膠塞各組分可能發(fā)生遷移而影響藥品安全[2]，故分析了解膠塞的成分具有重要意義。膠塞組成復(fù)雜，現(xiàn)有分析方法多為針對膠塞某特定組分進行定性定量分析，操作繁瑣費時。如水分多采用烘干法和ISO8536-6：2009附錄E[3]卡式爐方法；炭黑的含量使用GB/T 3515-2005標準中的熱解法[4]；灰分含量測定采用YBB00262005-2015[5]的熾灼殘渣法。熱重分析法(thermo gravimetric analysis ，TGA)是對樣品在指定的升溫曲線下重量減少的分析。由于樣品在加熱過程中的質(zhì)量變化，與其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過研究相變、分解、化合、脫附等現(xiàn)象，可用于鑒別、組分分析、熱參數(shù)測定等。筆者采用熱分析方法，對膠塞多個組分同時進行含量分析，并與經(jīng)典的組分分析方法進行了比較。通過比較不同膠塞配方主要成分及比例的異同，對國內(nèi)膠塞生產(chǎn)企業(yè)的配方一致性和工藝穩(wěn)定性進行了考察[8]。

1 材料與方法

1.1主要儀器 XP205電子分析天平(Mettler公司，感量：0.1 mg)。LX0711箱式高溫電阻爐(天津市萊玻特瑞儀器設(shè)備有限公司)。831卡式爐庫倫水分測定儀(瑞士萬通公司)。TGAQ500熱重分析儀(美國TA公司)，TA Universal Analysis 應(yīng)用軟件。

1.2樣品 76批注射用無菌粉末用鹵化丁基橡膠塞樣品來自2016年國家評價性抽驗工作，共涉及國內(nèi)24家生產(chǎn)企業(yè)。

1.3膠塞中灰分測定法(國家藥包材標準YBB002005-2015)YBB00262005-2015 膠塞灰分測定法，取剪碎的試樣，精密稱定1 g，放入已恒重的坩堝，在電爐上緩緩灼燒至完全炭化，放入(800±25) ℃的高溫電阻爐中熾灼至完全灰化，稱重直至恒重。

1.4膠塞中殘留水分的卡式爐法(ISOSO8536-6：2009附錄E) 參照國標ISOSO8536-6：2009附錄E，取至少10只膠塞，從每只膠塞上面至少切下一塊，切法是沿頂面的垂直方向切去冠部部分，使切下的部分長度約9 mm。精密稱取400 mg的樣品放入樣品瓶中，將樣品放入140 ℃卡式爐恒溫，并開始測定，記錄水分隨時間遞增曲線直至曲線斜率為常數(shù)，取90，85，80，75，70 min時的數(shù)據(jù)，按外推讀出水份結(jié)果。

1.5膠塞中各組分含量的TGA法 取膠塞與藥物接觸的冠部剪成2 mm×2 mm的小塊，精密量取10.0 mg，置于鉑金掛盤中，氮氣流速為30 mL·min-1，從40 ℃以10 ℃·min-1升溫至105 ℃，保持15 min，以10 ℃·min-1升溫至600 ℃時，切換為氧氣，流速仍為30 mL·min-1，溫度保持5 min后，再以20 ℃·min-1升溫至850 ℃。GB/T14837.2-2014法在爐溫從600 ℃降至400 ℃，恒溫5 min，切換氧氣，在升溫至800 ℃，之間重量損失為炭黑[9]。由于膠塞中炭黑含量較低，約為0.1%，使用不降溫程序?qū)y定結(jié)果沒有明顯差異，考慮到檢測效率，故選擇沒有降溫過程進行試驗。

2 結(jié)果

2.1TGA圖譜分析 膠塞配方組成可分為有機物和無機物等兩類，其中有機物如生膠、硫化劑、促進劑、增塑劑等；無機物包括高嶺土、鈦白粉等填充劑，氧化鋅、氧化鎂、碳酸鈣等添加劑。在TGA分析的過程中，隨著溫度的升高膠塞中各成分開始依次減失。從40 ℃升溫至300 ℃，膠塞中殘留水分，以及易揮發(fā)性低聚物質(zhì)，如增塑劑、油類等低沸點的有機物，最先從膠塞中揮發(fā)，引起重量的損失。在300～600 ℃溫度區(qū)間，膠塞中的主要成分即硫化后生膠開始發(fā)生分解反應(yīng)，從膠塞中脫離；溫度升至600 ℃之后，將通入氣體切換為氧氣，使得原本在氮氣氣氛中沒有反應(yīng)的炭黑氧化分解并發(fā)生質(zhì)量減失。高溫650 ℃直至850 ℃之后，剩余殘渣達到恒重，灰分由膠塞填充劑組分中高嶺土、滑石粉等分解產(chǎn)生的二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣，以及氧化鋅、三氧化二鐵等金屬離子氧化物等組成。以樣品的起始質(zhì)量為100%，計算各溫度區(qū)間所減失重量的百分比，即為各組分在膠塞中所占比例。見圖1。

圖1 典型的鹵化丁基橡膠塞的TGA圖譜

Fig.1TGAmapofatypicalhalogenatedbutylrubberstopper

在此次國家評價性抽驗的76批樣品中，有3家廠家共6批樣品的TGA分析圖譜中約在600 ℃有一個明顯失重臺階，失重臺階約為6%。因膠塞中炭黑為著色劑，一般含量約為0.1%，此失重臺階絕非炭黑。同時采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES)法測定膠塞中各金屬元素含量時發(fā)現(xiàn)，上述批次樣品中鈣元素的含量異常偏高。綜合以上測定結(jié)果及膠塞配方中常用添加劑分析認為，其配方中應(yīng)加入了含量約為14%的碳酸鈣，所含碳酸鈣在600 ℃時受熱分解生成二氧化碳或一氧化碳引起失重(圖2)。TGA圖譜中600 ℃的明顯失重臺階可用于配方中是否添加碳酸鈣的鑒定。由于碳酸鈣高溫下可分解，配方中適當加入，在保證灰分項規(guī)定不得過50%的限度要求下，可降低生膠用量從而降低生產(chǎn)成本。但膠塞中無機填充劑的含量增加，穿刺落屑的風險隨之增加，帶來質(zhì)量隱患。且由于存儲過程中膠塞中各組分可能遷移至藥物，碳酸鈣為堿性化合物，如藥物本身對pH敏感，或易與鈣離子發(fā)生螯合反應(yīng)，則需慎用此類配方的膠塞。

圖2含有碳酸鈣膠塞與典型膠塞的對比TGA疊加圖譜

Fig.2TGAoverlappingmapofcalciumcarbonatestopperandtypicalstopper

2.2水分及揮發(fā)性物質(zhì)分析

2.2.1與卡式水分方法的比較 注射用無菌粉末鹵化丁基橡膠塞的國家藥包材標準中未收載水分項，但膠塞中水分可能會在存儲過程中遷移至藥品，從而影響藥品質(zhì)量。筆者分別采用ISO8536-6：2009附錄E 殘余水分測定方法和TGA法，分別檢測了膠塞中所含水分。將TGA在105 ℃時的重量損失百分比定義為水分含量，與ISO8536-6：2009附錄E的卡式爐法測定結(jié)果進行比較，兩種方法的平均值相差較大，TGA法測得的水分平均值為0.26%，經(jīng)典卡式爐法測得水分值0.41%。運用統(tǒng)計學(xué)做配對樣品的T檢驗，兩組數(shù)據(jù)的P=0.00<0.05，說明兩種檢測的方法差異有統(tǒng)計學(xué)意義。進一步采用線性回歸分析兩種方法的相關(guān)性結(jié)果。兩種方法的調(diào)整R為0.113<0.9，說明兩種方法對檢測膠塞的水分差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義。采用TGA法測定膠塞的水分含量，由于水分可能未完全揮出，且水分減失時可能還伴隨著其他低沸點物質(zhì)逸出，該方法的缺點是專屬性不高，結(jié)果與經(jīng)典卡式爐法有一定差別。但優(yōu)點是分析時間短，可用于膠塞含水量的快速篩查。

2.2.2水分結(jié)果分析 此次工作收集到的24家生產(chǎn)廠家共76批注射用無菌粉末用鹵化丁基橡膠塞的水分測定結(jié)果范圍為0.10%～0.57%。參照注射用冷凍干干燥用鹵化丁基橡膠塞中規(guī)定的水分不得超過0.5%，約7%的樣品已超出限度要求。有研究證明，膠塞的配方、清洗滅菌工藝、存儲條件、存儲時間等都可能影響到所含水分值，對于易吸潮的藥品需慎選含水量高的膠塞。

2.3灰分分析

2.3.1與YBB法的比較 膠塞的主要組成即為生膠和無機填充劑。生膠含量降低，無機填充物含量增加，可以降低生產(chǎn)成本，但膠塞硬度增加，穿刺落屑的風險增加，故國家藥包材標準中規(guī)定注射液用鹵化丁基橡膠塞的灰分不得超過45%，注射用無菌粉末用鹵化丁基橡膠塞的灰分不得超過50%，測定方法為熾灼殘渣法。將TGA法測得的灰分值與經(jīng)典方法比較，兩種方法測得的平均值均為45%；相關(guān)分析中，顯著性水平P=0.023<0.05，說明兩種檢測膠塞灰分的方法差異有統(tǒng)計學(xué)意義。為了評價TGA方法與熾灼殘渣法是否有一致性，進一步采用線性回歸分析兩種方法的相關(guān)性結(jié)果。兩種方法的調(diào)整R為0.966>0.9，說明兩種方法相關(guān)性強，回歸直線意義的F檢驗得到，F(xiàn)=2163.369，P=0.000<0.05；說明自變量對因變量的解釋力度很強，擬合的回歸直線是有意義的；用原方法(熾灼殘渣法)的測定結(jié)果作為X，新方法(TGA法)的測定結(jié)果作為Y，得到回歸系數(shù)B=0.005，截距(常數(shù))=0.984，得到回歸方程Y=0.984X-0.005，可見兩種方法可有很好的一致性，對膠塞灰分進行測定時可相互替代。由結(jié)果可見，TGA法取樣量更少，一次升溫程序86 min即可完成分析，操作簡單，結(jié)果準確，可代替YBB法檢測膠塞的灰分。

2.3.2灰分結(jié)果分析 對76批樣品的灰分做頻數(shù)分布圖(圖3)，從圖3中可以看出各廠家的灰分范圍在30.68%～48.70%，個別值比較分散。大多數(shù)廠家產(chǎn)品的灰分值范圍集中40.0% ～ 48.7%，而某個廠家產(chǎn)品的灰分含量較低，僅約30%，說明該廠家的配方中無機填料含量，相較于其他廠家有顯著差異。不同廠家、不同配方的膠塞中所含的灰分必然不同。通過考察同一廠家、不同配方產(chǎn)品的灰分結(jié)果，對其配方的一致性及生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性進行了考察。對某廠家3個配方號B2、G1、X3的產(chǎn)品為例，灰分結(jié)果做箱式圖(圖4)。從圖中可以看出，相較于B2和G1配方，X3配方產(chǎn)品的灰分含量明顯更偏高且較為集中；而B2配方產(chǎn)品的灰分范圍相對離散，說明B2配方的一致性較差。

圖3 灰分含量頻數(shù)分布圖

Fig.3Frequencydistributiondiagramofashcontent

圖4 同廠家不同配方的箱式圖

Fig.4Boxdiagramwithdifferentformulationsfromthesamefactory

2.4TGA圖譜分析

2.4.1總體情況分析 76批國抽樣品的總體分析，水分的含量范圍0.10%～0.57%；生膠含量范圍49.11%～67.37%，跨度范圍較大；炭黑含量范圍0.04%～1.95%，比較離散，主要集中在約0.5%；灰分含量范圍30.68%～48.70%，平均值為45%。

2.4.2TGA圖譜比較 膠塞的配方不同，所含的組分及含量就不同，從而導(dǎo)致圖譜有差別。對不同廠家產(chǎn)品，甚至同一廠家不同配方的產(chǎn)品的TGA譜圖疊加分析可見，不同配方產(chǎn)品的TGA圖譜拐點、失重臺階、達到平臺起點等均可反映出差別。對不同配方的TGA數(shù)據(jù)做疊加分析，從圖5中看出不同配方A和B，有顯著性差異，同配方間B配方的穩(wěn)定性較好，故TGA圖譜可作為指紋圖譜來對樣品的配方工藝進行考察。

圖5 不同配方樣品的TGA疊加圖

Fig.5TGAoverlappingmapofdifferentformulasamples

3 討論

由于膠塞的組成比較復(fù)雜，并且各方法只能對膠塞中的特定成分進行單獨分析。然而TGA法能快速、準確地對膠塞中的水分、易揮發(fā)性物質(zhì)、生膠、炭黑、灰分成分進行分析，同時能快速、直觀區(qū)別含有碳酸鈣的樣品。TGA所測得的灰分能替代繁瑣的YBB標準規(guī)定的熾灼殘渣法測膠塞中的灰分。運用TGA譜圖能區(qū)分出配方中含碳酸鈉的膠塞，考察不同廠家樣品中各組分含量的區(qū)別，同時評價同廠家同配方的樣品的配方穩(wěn)定性。