Die Karl-Fischer-Titration ist ein chemisches Verfahren, das Wasser in einer Probe selektiv misst. Sie ist nach dem deutschen Chemiker Karl Fischer benannt, der die Methode 1935 beschrieb. Bei lyophilisierten, also gefriergetrockneten Produkten gehört sie zu den am häufigsten eingesetzten Verfahren, um das zurückbleibende Wasser, also die Restfeuchte, zu messen.
Bei trockenen Produkten wie lyophilisiertem Gift ist die Restfeuchte ein Qualitätsmerkmal, das beeinflusst, wie stabil das Produkt bleibt. Dieser Beitrag erläutert das Prinzip des Verfahrens, seine volumetrische und coulometrische Variante, den Umgang mit der Probe bei Feuchtigkeit anziehenden (hygroskopischen) Pulvern und die Auswertung des Ergebnisses.
Warum ist die Restfeuchte wichtig?
Ziel der Gefriertrocknung ist es, durch Entzug des Wassers die Moleküle in einer starren, festen Struktur zu halten. Auch nach der letzten Trocknungsphase bleibt eine gewisse Menge gebundenes Wasser im Produkt zurück; angestrebt wird nicht die Feuchte null, sondern ein für das Produkt passender niedriger Wert. Steigt die Restfeuchte, wird die feste Struktur weicher, und Verklumpung sowie Abbaureaktionen können sich beschleunigen. Die Phasen des Trocknungszyklus behandelt der Beitrag zur Lyophilisation, den Einfluss der Feuchte auf die Stabilität der Beitrag zur Stabilität von Gift.
Das Prinzip des Verfahrens
Bei der Karl-Fischer-Reaktion reagiert Iod in einem Medium aus Alkohol und Base mit Schwefeldioxid und verbraucht dabei Wasser. Da die Reaktion in einem festen Verhältnis zum Wasser verläuft, lässt sich aus der Menge des verbrauchten Iods die Wassermenge in der Probe berechnen. Der Endpunkt der Titration wird in der Regel mit einer Elektrode erkannt, sobald freies Iod im Medium auftritt. Heute werden die Reagenzien meist als gebrauchsfertige, pyridinfreie Mischungen eingesetzt.
Der wichtigste Vorteil des Verfahrens ist seine Selektivität: Während die Trocknungsverlustmethode, bei der die Probe erhitzt und gewogen wird, auch andere flüchtige Stoffe miterfasst, spricht die Karl-Fischer-Titration ausschließlich auf Wasser an.
Volumetrische und coulometrische Karl-Fischer-Titration
| Art | Wie wird das Iod bereitgestellt? | Wann geeignet? |
|---|---|---|
| Volumetrisch | Eine Iodlösung bekannter Konzentration wird über eine Bürette zugegeben | Proben mit relativ hohem Wassergehalt |
| Coulometrisch | Das Iod wird in der Zelle elektrisch erzeugt; das Wasser wird aus der verbrauchten elektrischen Ladung berechnet | Wasser im Mikrogrammbereich; geringe Probenmengen |
| Ofenmethode | Die Probe wird erhitzt, das freigesetzte Wasser wird mit einem trockenen Gas in die Titrationszelle transportiert | Unlösliche Proben oder Proben, die die Reaktion stören |
Bei lyophilisierten Protein- und Peptidprodukten sind die Probenmengen meist klein und der Wassergehalt niedrig, weshalb häufig das coulometrische Verfahren gewählt wird. Die Verfahren sind auch in Arzneibüchern beschrieben; so regeln beispielsweise die Kapitel 2.5.12 und 2.5.32 des Europäischen Arzneibuchs sowie Kapitel 921 der US-amerikanischen Pharmakopöe die Wasserbestimmung.
Verifizierung des Geräts
Die Zuverlässigkeit der Messung hängt von einer regelmäßigen Verifizierung ab. Beim volumetrischen Verfahren wird das Wasseräquivalent des Titranten mit einem Standard bekannten Wassergehalts bestimmt, beispielsweise mit Natriumtartrat-Dihydrat. Beim coulometrischen Verfahren wird mit zertifizierten Standards, die eine bekannte Wassermenge enthalten, geprüft, ob das Gerät richtig misst. In jeder Messreihe wird die aus der Umgebung in die Titrationszelle eindringende Feuchte durch eine Blindmessung bestimmt und vom Ergebnis abgezogen.
Probenahme bei hygroskopischem Pulver
Lyophilisiertes Pulver zieht Luftfeuchtigkeit schnell an. Bleibt die Probe einige Minuten an der offenen Luft, spiegelt der gemessene Wert nicht die Feuchte des Produkts, sondern die der Laborluft wider. Deshalb gilt:
- Das Behältnis wird vor dem Öffnen bis zum Erreichen der Raumtemperatur stehen gelassen; beim Öffnen eines kalten Behältnisses kondensiert Feuchtigkeit an seiner Oberfläche.
- Einwaage und Überführung erfolgen möglichst in einer mit trockenem Stickstoff gefüllten Handschuhbox oder in sehr kurzer Zeit.
- Die Probe wird über ein geschlossenes System direkt in die Titrationszelle überführt.
- Aus derselben Charge werden mehrere Behältnisse gemessen, um die Unterschiede zwischen den Behältnissen zu beobachten.
Den Einfluss des Öffnens und Schließens des Behältnisses auf das Feuchtegleichgewicht des Pulvers behandelt auch der Beitrag zum Unterschied zwischen Pulver und flüssiger Form.
Wie wird das Ergebnis ausgewertet?
Die Restfeuchte wird in der Regel als Massenanteil in Prozent angegeben. Ein einzelner Wert ist für sich genommen weder „gut“ noch „schlecht“; er wird nach Produktart, Verwendungszweck und den früheren Chargen desselben Produkts beurteilt. Werden in einem Analysebericht neben dem Feuchtewert auch das Verfahren (volumetrisch oder coulometrisch), die Probenmenge und das Messdatum angegeben, ist das Ergebnis vergleichbar. Auch die Lagerbedingung der Probe vor der Messung beeinflusst das Ergebnis: Ist das Behältnis nicht gut verschlossen, zeigt selbst die genaueste Messung nicht die Feuchte des Produkts zum Zeitpunkt der Herstellung. Wie Berichte allgemein zu lesen sind, erklärt der Beitrag zum Analysezertifikat.
