热重法分析卤化丁基橡胶塞的成分

周姝，袁怡，胡敏

(湖北省药品监督检验研究院，武汉 430075)

卤化丁基胶塞作为药品包装中瓶装密封材料的重要组成部分，广泛应用于抗菌药物粉针剂、大输液、冻干制剂等药物的密封包装及导出[1]。胶塞生产中为保证其良好的性能，需要添加硫化剂、活性剂、填料、着色剂、稳定剂等多种助剂。在与药品直接接触过程中，胶塞各组分可能发生迁移而影响药品安全[2]，故分析了解胶塞的成分具有重要意义。胶塞组成复杂，现有分析方法多为针对胶塞某特定组分进行定性定量分析，操作繁琐费时。如水分多采用烘干法和ISO8536-6：2009附录E[3]卡式炉方法；炭黑的含量使用GB/T 3515-2005标准中的热解法[4]；灰分含量测定采用YBB00262005-2015[5]的炽灼残渣法。热重分析法(thermo gravimetric analysis ，TGA)是对样品在指定的升温曲线下重量减少的分析。由于样品在加热过程中的质量变化，与其化学组成和结构密切相关，通过研究相变、分解、化合、脱附等现象，可用于鉴别、组分分析、热参数测定等。笔者采用热分析方法，对胶塞多个组分同时进行含量分析，并与经典的组分分析方法进行了比较。通过比较不同胶塞配方主要成分及比例的异同，对国内胶塞生产企业的配方一致性和工艺稳定性进行了考察[8]。

1 材料与方法

1.1主要仪器 XP205电子分析天平(Mettler公司，感量：0.1 mg)。LX0711箱式高温电阻炉(天津市莱玻特瑞仪器设备有限公司)。831卡式炉库伦水分测定仪(瑞士万通公司)。TGAQ500热重分析仪(美国TA公司)，TA Universal Analysis 应用软件。

1.2样品 76批注射用无菌粉末用卤化丁基橡胶塞样品来自2016年国家评价性抽验工作，共涉及国内24家生产企业。

1.3胶塞中灰分测定法(国家药包材标准YBB002005-2015)YBB00262005-2015 胶塞灰分测定法，取剪碎的试样，精密称定1 g，放入已恒重的坩埚，在电炉上缓缓灼烧至完全炭化，放入(800±25) ℃的高温电阻炉中炽灼至完全灰化，称重直至恒重。

1.4胶塞中残留水分的卡式炉法(ISOSO8536-6：2009附录E) 参照国标ISOSO8536-6：2009附录E，取至少10只胶塞，从每只胶塞上面至少切下一块，切法是沿顶面的垂直方向切去冠部部分，使切下的部分长度约9 mm。精密称取400 mg的样品放入样品瓶中，将样品放入140 ℃卡式炉恒温，并开始测定，记录水分随时间递增曲线直至曲线斜率为常数，取90，85，80，75，70 min时的数据，按外推读出水份结果。

1.5胶塞中各组分含量的TGA法 取胶塞与药物接触的冠部剪成2 mm×2 mm的小块，精密量取10.0 mg，置于铂金挂盘中，氮气流速为30 mL·min-1，从40 ℃以10 ℃·min-1升温至105 ℃，保持15 min，以10 ℃·min-1升温至600 ℃时，切换为氧气，流速仍为30 mL·min-1，温度保持5 min后，再以20 ℃·min-1升温至850 ℃。GB/T14837.2-2014法在炉温从600 ℃降至400 ℃，恒温5 min，切换氧气，在升温至800 ℃，之间重量损失为炭黑[9]。由于胶塞中炭黑含量较低，约为0.1%，使用不降温程序对测定结果没有明显差异，考虑到检测效率，故选择没有降温过程进行试验。

2 结果

2.1TGA图谱分析 胶塞配方组成可分为有机物和无机物等两类，其中有机物如生胶、硫化剂、促进剂、增塑剂等；无机物包括高岭土、钛白粉等填充剂，氧化锌、氧化镁、碳酸钙等添加剂。在TGA分析的过程中，随着温度的升高胶塞中各成分开始依次减失。从40 ℃升温至300 ℃，胶塞中残留水分，以及易挥发性低聚物质，如增塑剂、油类等低沸点的有机物，最先从胶塞中挥发，引起重量的损失。在300～600 ℃温度区间，胶塞中的主要成分即硫化后生胶开始发生分解反应，从胶塞中脱离；温度升至600 ℃之后，将通入气体切换为氧气，使得原本在氮气气氛中没有反应的炭黑氧化分解并发生质量减失。高温650 ℃直至850 ℃之后，剩余残渣达到恒重，灰分由胶塞填充剂组分中高岭土、滑石粉等分解产生的二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钙，以及氧化锌、三氧化二铁等金属离子氧化物等组成。以样品的起始质量为100%，计算各温度区间所减失重量的百分比，即为各组分在胶塞中所占比例。见图1。

图1 典型的卤化丁基橡胶塞的TGA图谱

Fig.1TGAmapofatypicalhalogenatedbutylrubberstopper

在此次国家评价性抽验的76批样品中，有3家厂家共6批样品的TGA分析图谱中约在600 ℃有一个明显失重台阶，失重台阶约为6%。因胶塞中炭黑为着色剂，一般含量约为0.1%，此失重台阶绝非炭黑。同时采用电感耦合等离子体发射光谱仪(inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES)法测定胶塞中各金属元素含量时发现，上述批次样品中钙元素的含量异常偏高。综合以上测定结果及胶塞配方中常用添加剂分析认为，其配方中应加入了含量约为14%的碳酸钙，所含碳酸钙在600 ℃时受热分解生成二氧化碳或一氧化碳引起失重(图2)。TGA图谱中600 ℃的明显失重台阶可用于配方中是否添加碳酸钙的鉴定。由于碳酸钙高温下可分解，配方中适当加入，在保证灰分项规定不得过50%的限度要求下，可降低生胶用量从而降低生产成本。但胶塞中无机填充剂的含量增加，穿刺落屑的风险随之增加，带来质量隐患。且由于存储过程中胶塞中各组分可能迁移至药物，碳酸钙为碱性化合物，如药物本身对pH敏感，或易与钙离子发生螯合反应，则需慎用此类配方的胶塞。

图2含有碳酸钙胶塞与典型胶塞的对比TGA叠加图谱

Fig.2TGAoverlappingmapofcalciumcarbonatestopperandtypicalstopper

2.2水分及挥发性物质分析

2.2.1与卡式水分方法的比较 注射用无菌粉末卤化丁基橡胶塞的国家药包材标准中未收载水分项，但胶塞中水分可能会在存储过程中迁移至药品，从而影响药品质量。笔者分别采用ISO8536-6：2009附录E 残余水分测定方法和TGA法，分别检测了胶塞中所含水分。将TGA在105 ℃时的重量损失百分比定义为水分含量，与ISO8536-6：2009附录E的卡式炉法测定结果进行比较，两种方法的平均值相差较大，TGA法测得的水分平均值为0.26%，经典卡式炉法测得水分值0.41%。运用统计学做配对样品的T检验，两组数据的P=0.00<0.05，说明两种检测的方法差异有统计学意义。进一步采用线性回归分析两种方法的相关性结果。两种方法的调整R为0.113<0.9，说明两种方法对检测胶塞的水分差异没有统计学意义。采用TGA法测定胶塞的水分含量，由于水分可能未完全挥出，且水分减失时可能还伴随着其他低沸点物质逸出，该方法的缺点是专属性不高，结果与经典卡式炉法有一定差别。但优点是分析时间短，可用于胶塞含水量的快速筛查。

2.2.2水分结果分析 此次工作收集到的24家生产厂家共76批注射用无菌粉末用卤化丁基橡胶塞的水分测定结果范围为0.10%～0.57%。参照注射用冷冻干干燥用卤化丁基橡胶塞中规定的水分不得超过0.5%，约7%的样品已超出限度要求。有研究证明，胶塞的配方、清洗灭菌工艺、存储条件、存储时间等都可能影响到所含水分值，对于易吸潮的药品需慎选含水量高的胶塞。

2.3灰分分析

2.3.1与YBB法的比较 胶塞的主要组成即为生胶和无机填充剂。生胶含量降低，无机填充物含量增加，可以降低生产成本，但胶塞硬度增加，穿刺落屑的风险增加，故国家药包材标准中规定注射液用卤化丁基橡胶塞的灰分不得超过45%，注射用无菌粉末用卤化丁基橡胶塞的灰分不得超过50%，测定方法为炽灼残渣法。将TGA法测得的灰分值与经典方法比较，两种方法测得的平均值均为45%；相关分析中，显著性水平P=0.023<0.05，说明两种检测胶塞灰分的方法差异有统计学意义。为了评价TGA方法与炽灼残渣法是否有一致性，进一步采用线性回归分析两种方法的相关性结果。两种方法的调整R为0.966>0.9，说明两种方法相关性强，回归直线意义的F检验得到，F=2163.369，P=0.000<0.05；说明自变量对因变量的解释力度很强，拟合的回归直线是有意义的；用原方法(炽灼残渣法)的测定结果作为X，新方法(TGA法)的测定结果作为Y，得到回归系数B=0.005，截距(常数)=0.984，得到回归方程Y=0.984X-0.005，可见两种方法可有很好的一致性，对胶塞灰分进行测定时可相互替代。由结果可见，TGA法取样量更少，一次升温程序86 min即可完成分析，操作简单，结果准确，可代替YBB法检测胶塞的灰分。

2.3.2灰分结果分析 对76批样品的灰分做频数分布图(图3)，从图3中可以看出各厂家的灰分范围在30.68%～48.70%，个别值比较分散。大多数厂家产品的灰分值范围集中40.0% ～ 48.7%，而某个厂家产品的灰分含量较低，仅约30%，说明该厂家的配方中无机填料含量，相较于其他厂家有显著差异。不同厂家、不同配方的胶塞中所含的灰分必然不同。通过考察同一厂家、不同配方产品的灰分结果，对其配方的一致性及生产工艺的稳定性进行了考察。对某厂家3个配方号B2、G1、X3的产品为例，灰分结果做箱式图(图4)。从图中可以看出，相较于B2和G1配方，X3配方产品的灰分含量明显更偏高且较为集中；而B2配方产品的灰分范围相对离散，说明B2配方的一致性较差。

图3 灰分含量频数分布图

Fig.3Frequencydistributiondiagramofashcontent

图4 同厂家不同配方的箱式图

Fig.4Boxdiagramwithdifferentformulationsfromthesamefactory

2.4TGA图谱分析

2.4.1总体情况分析 76批国抽样品的总体分析，水分的含量范围0.10%～0.57%；生胶含量范围49.11%～67.37%，跨度范围较大；炭黑含量范围0.04%～1.95%，比较离散，主要集中在约0.5%；灰分含量范围30.68%～48.70%，平均值为45%。

2.4.2TGA图谱比较 胶塞的配方不同，所含的组分及含量就不同，从而导致图谱有差别。对不同厂家产品，甚至同一厂家不同配方的产品的TGA谱图叠加分析可见，不同配方产品的TGA图谱拐点、失重台阶、达到平台起点等均可反映出差别。对不同配方的TGA数据做叠加分析，从图5中看出不同配方A和B，有显著性差异，同配方间B配方的稳定性较好，故TGA图谱可作为指纹图谱来对样品的配方工艺进行考察。

图5 不同配方样品的TGA叠加图

Fig.5TGAoverlappingmapofdifferentformulasamples

3 讨论

由于胶塞的组成比较复杂，并且各方法只能对胶塞中的特定成分进行单独分析。然而TGA法能快速、准确地对胶塞中的水分、易挥发性物质、生胶、炭黑、灰分成分进行分析，同时能快速、直观区别含有碳酸钙的样品。TGA所测得的灰分能替代繁琐的YBB标准规定的炽灼残渣法测胶塞中的灰分。运用TGA谱图能区分出配方中含碳酸钠的胶塞，考察不同厂家样品中各组分含量的区别，同时评价同厂家同配方的样品的配方稳定性。