药品中含有较大量的水分时，不仅使药品含量降低，影响使用剂量的准确性，还会引起水解或发生霉败变质，而使药物失效。因此需要进行水分测定。药品中的水分，可分为必要的水分（如结晶水或组成水）和不必要的水分（即吸附水）。本文着重介绍了如何利用热重法准确测试药物中的水分含量。
01介绍
常见的水分的测定方法有干燥失重法（LOD）、卡尔费休滴定法、热重分析法和卤素水分测定法等（见图1）。严格来讲热重分析法和卤素水分测定法都属于干燥失重，但是相对于传统的烘箱干燥失重法，热重分析法和卤素水分测定法具有自动化程度较高和测试时间短等优势。与卡尔费休滴定法相比，热重法和卤素水分测定法不具有选择性，因为干燥过程中测量到的质量损失也可能是由其它挥发性物质或分解产物的损失造成的，而不仅仅是水分的损失。只有在干燥过程中释放的其它气体产物与水分失重温度区间相隔比较大时，热重法才对水分具有选择性。如果在干燥过程中样品发生分解，则可以通过降低压强，来分离分解和干燥失重的台阶。同时热重法还可以和定性技术比如MS等联用对干燥过程中产生的气体进行定性甚至定量。
02实验
样品：亚胺培南是一种用于治疗细菌感染的抗生素剂。它属于β-内酰胺类抗生素，通过抑制各种细菌的细胞壁合成而起到抗菌作用。亚胺培南一水合物中水分为5.7%)。
2.1 低压下的TGA测试：
TGA和真空泵相连能够实现低压TGA测试（见图3）[1]，通过冷肼将炉体出气口和真空泵相连，冷肼是冷凝逸出气体从而避免分解气体损坏泵体。通常在吹扫气体入口连接压力表来监测TGA炉体中的内部压力。为了获得更为准确的称量数据，在低压下进行TGA测试时，也应使用天平保护气体（通常是氮气）。
TGA测试材料的水分时，有些药物在加热过程中，水分失重的同时样品也会发生一定程度的分解失重。如果还要准确地测试水分，需要在低压下将样品的水分挥发失重和分解失重分离开。图4是在低压下和常压下分别测试亚胺培南（C12H17N3O4S）的TGA曲线，红色曲线是常压通氮气测试结果，蓝色曲线是在26mbar压力下测试。常压下测试时，亚胺培南在大约178 ℃左右快速分解，对应的DTG曲线上只有一个峰，意味着水分含量6.5%，其中5.7%为结晶水。水分挥发和分解发生重叠，所以无法使用TGA曲线准确确定水分。在26mbar的低压下测量亚胺培南，水分失重与分解造成的失重可以分离开来，因此可以很容易地根据TGA曲线计算。
低压下水分含量的测定具有良好的重复性(见图5)。亚胺培南样品四次测量得出的平均水分含量为6.39%，标准偏差为0.09%。
2.2 TGA-MS 联用对干燥失重过程中逸出气体定性和定量
热重法只能定量，而无法定性。热重法测定一种材料的水分时，必须对干燥过程中挥发的气体定性，才能确定干燥失重量是否是纯的水分？如果干燥失重LOD挥发的气体只有水分，测量的LOD含量只对应于含水量。梅特勒托利多提供TGA与MS质谱仪、FTIR红外光谱仪、气相色谱(GC)/质谱仪(MS)系统和Micro GC/MS的组合，可实现对逸出气体的定性甚至定量。
图6为常压下N2气氛下20 K/min速率加热采用TGA-MS联用测试亚胺培南样品的干燥失重曲线和质谱曲线。上半部分显示了TGA曲线(黑色)、一阶导数曲线DTG(红色)和同时测量的DSC曲线(蓝色)。DSC曲线表明了水分(宽吸热峰)挥发和放热分解过程。根据亚胺培南的结构可以预测干燥失重过程中会得到NHx、COx和水等分解产物。对m/z 16、17、18和44的离子碎片进行MS多离子检测。从MS离子曲线来看，从一开始就挥发了水分（(m/z 17和18）。在178˚C以下，m/z 17和18曲线几乎没有明显的差异。温度升至178˚C以上时，m/z 17（NH3）的离子电流明显增加（从黑色曲线两者的比例看更加明显），m/z 16 (NH2)曲线的形状与m/z 17曲线的形状近似匹配，这都说明178℃以上产生了NHx分解产物。CO2 (m/z 44)是在大约150˚C以上释放的。显然，亚胺培南的分解开始温度明显低于178˚C。
对于亚胺培南样品的水分含量，使用一水草酸钙进行MS的校准后可以得到更准确的定量数据，从亚胺培南的MS测试结果看，在178℃之前失去的水分含量为4.75%（m/z18曲线下的面积与挥发的水量成正比）。该值明显低于TGA曲线上50到178˚C的阶梯高度(5.85%)。这是因为在20 K/min加热速率下，亚胺培南已经在150˚C开始分解。事实上，4.75%的值与样品的实际水分不符可能有两个原因。首先，水是亚胺培南的一种可能分解产物，其次，最初存在水(结晶水)的挥发在178˚C时不完全。而低压下TGA测试样品水分含量的的结果是可信的，这点可以通过TAG/MS的实验结果来验证。
03结论
在常压和低压下，TGA都可以进行LOD测定，而且低压下能有效的分离有些药物的水分挥发和样品分解失重的台阶，准确地测试出材料中水分含量。TGA和MS联用可以对干燥失重过程中产生的挥发性物质进行定性甚至定量分析，清晰地定性干燥过程中逸出气体是否为单独的水分。
04TGA测定LOD的小技巧：
● 在自动进样器转盘上等待进样时，样品可能会吸收或挥发水分。因此，在实验中，输入的坩埚质量以及样品的质量很重要。以此可以量化样品在称量后和放入TGA炉体期间是否发生了质量变化。
● 对于配备了自动进样器的TGA，使用铝坩埚时，则可以用特殊的盖子将铝制坩埚密封。测试前再利用自动进样器的“黄蜂针”刺破坩埚，可以防止样品在等待时间内质量发生变化；使用陶瓷坩埚，则可以用铝盖盖住。将坩埚放入炉体后，自动进样器取下盖子，由此防止样品在等待时间内吸附或解吸附过程的发生。
● LOD测试水分含量时对样品要有充分的了解，避免测试的水分偏离实际值，可采用TGA-MS联用对干燥失重过程中的逸出气体定性或者采用低压下TGA测试获得准确的水分结果。同时还要考虑样品量和测试准确度要求对测试结果的影响[2]。
参考文献：
[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.
