利用卡爾費薛滴定法測定大麻和絲麻中的水分

Anita Piper, R&D Scientist, Bruce Herzig, R&D Scientist, Bettina Straub-Jubb, Global Product Manager Titration

Merck

Article from Analytix Reporter - Issue 12

Introduction

大麻和大麻布逐漸成為重要的農產品，在世界各地的藥用產品、化妝品、食品、油脂和紡織纖維中的應用也日益廣泛。大麻市場快速成長，主要是因為製藥業將其用於醫療治療。

大麻和大麻中的水分會影響藥效的判定，必須準確判定，才能計算出正確的 delta-9 四氫大麻酚 (THC) 含量。雖然兩種植物的特性相似，但大麻的 THC 含量比較高。然而，為了合法歸類為大麻，美國農業部 (USDA) 設定了總 delta-9 四氫大麻酚 (THC) 濃度的限制。¹ 歐盟指引目前定義的 THC 總濃度限制為 ≤ 0.²

要計算乾重的 delta-9 THC 濃度，必須使用精確的分析方法來確定確切的含水量。目前，大多數實驗室使用的是加熱測量所有揮發性成分的乾燥損失法 (LOD)。然而，這會高估樣品的含水量，進而導致乾重中的 delta-9 THC 濃度不正確，造成錯誤的大麻分類。

本申請的目的是展示一種大麻和大麻花的水分測定方法，該方法對水分具有選擇性，並能提供快速準確的測試結果。

測定含水量的方法

評估了三種測定大麻和天麻含水量的方法：

• 乾燥失重法 (LOD)
• 卡爾費雪烘箱法與庫倫計量法
• 直接容量卡爾費雪滴定法與外部萃取法

乾燥失重法是一種透過加熱去除水分的簡單稱重技術。所需的設備價格合理，但該方法可能很費時。如今，這種方法已普遍應用於多個不同的行業。然而，乾燥損失法並非專門針對水，所得到的測試結果也可能包括其他揮發性化合物的數量。

基於卡爾費蘇滴定法的方法操作簡單，但設備比用於 LOD 測定的設備昂貴一些。卡爾費希滴定法的優點在於它對水的特異性。因此，報告的水值不包括其他揮發性化合物的含量。我們評估了兩種基於 Karl Fischer 滴定法的方法 - 使用 Karl Fischer 烘箱的庫倫計量法和使用外部萃取的直接容量滴定法。庫倫計量法最適用於含水量低的樣品，範圍在 10 ppm 到 10,000 ppm (1%) 之間，或僅有少量樣品材料可用時。相反，容量滴定法則適用於含水量從 0,01% 到 100% 的固體和液體樣品。用於直接容量法 Karl Fischer 滴定的樣品必須可溶解於 Karl Fischer 溶劑中。有機植物材料（如大麻和大麻）不適合直接測量，因此需要使用合適的溶劑進行外部萃取，或使用卡爾菲舍烘箱法。Karl Fischer 烘箱法是此測量的理想方法，因為它可以完全蒸發樣本中的水分，並直接將其轉移到滴定儀中。我們研究了外部萃取後直接容量滴定法和卡爾費希烘箱法這兩種方法。細磨大麻花樣品的含水量是用下面描述的方法來測定的。對於任何大麻或大麻分析，適當的準備對於提供具有代表性且均勻的樣品非常重要。業界經常使用的一種樣品均質化方法是低溫球磨法。這種方法可以徹底均質化樣本，使其粒度達到 100 µm 或更小。

實驗

使用的卡爾費雪儀器

• 卡爾費雪耦合計
• 帶樣品處理器的卡爾費雪烘箱
• 卡爾費雪容量計與5 mL滴定管

實驗條件 - 卡爾費雪烘箱法與耦合計

表 1. 使用卡爾-費休烘箱法和耦合計測定水的試劑

試劑 &; 樣品
標準：	水標準烘箱1%，卡爾費雪烘箱法Aquastar®固體水標準（1.88054）
Cell type:	不含隔膜的電池
Reagent type：(Anolyte)	CombiCoulomat fritless; Karl Fischer reagent for the coulometric water determination for cells with and without diaphragm Aquastar® (1.09257) or Anolyte; Karl Fischer reagent for the coulometric water determination for cells without diaphragm Aquastar® (1.88079）

表 2. 用卡爾-費休烘箱法和耦合計測定水的滴定參數

無隔膜電池的電流計設定，例如:
I(pol):	10 µA
發電機 電流：	400毫伏
端點：	50毫伏
漂移 停止：	相對 < 10 µg/min
攪拌時間：	5秒
樣品大小：	20-50毫克

表 3. 使用卡爾-費休烘箱法和耦合計測定水份的烘箱設定

烤箱設定
溫度：	150°C
萃取時間：	5分鐘
氣體流量：	60 - 70 mL/min

實驗條件 - 直接卡爾費雪容量滴定法與外部萃取

表 4. 用外部萃取的卡爾-費休容量滴定法測定水份所用的試劑

試劑與樣品
樣品：	大麻甲醇萃取物（從外部萃取），0.5 - 1.0 g (視預期含水量而定)
標準：	水標準 1%，用於容量法卡爾-費休滴定的標準 1 g ≙ ；10 mg H2O Aquastar® (1.88052）
添加劑：	CombiTitrant 2 Aquastar® (1.88002)
溶劑：	CombiMethanol Aquastar® (1.88009)

結果與討論

實驗 1 - 以卡爾費雪烘箱法測定水份含量

大麻樣品的水份含量是以結合卡爾費雪烘箱的庫倫卡爾費雪滴定法來測定的。分析前進行溫度斜坡測試，以評估在什麼最佳溫度下，水份能完全有效釋出而不會分解樣品。所使用樣品的最佳溫度確定為 150 °C。樣品稱重後放入密封的小瓶中，以便在卡爾費希烘箱中使用。使用一個空的小瓶作為空白瓶，以測定小瓶中可能附著的任何水分。從儀器確定的每個樣品的值中減去空白瓶獲得的值。

樣品一式五份進行分析，測得的數值取平均值得出結果（見 表5 和 6中2種不同的庫倫計試劑CombiCoulomat和Anolyte的結果）。

表 5. 使用 Aquastar^® CombiCoulomat fritless 進行卡爾費薛烘箱滴定的結果

Sample	Start drift (µg/min)	Time (min)	Water content (%)
1	0.0255	6.8	16	7.59
2	0.0222	6.2	14	7.51
3	0.0271	6.1	19	7.69
4	0.0250	5.4	19	7.79
5	0.0303	5.7	21	7.78
平均值				7.67
標準偏差				0.12
%RSD				1.60

表 6. 使用 Aquastar^® Anolyte 進行 Karl Fischer 烘箱滴定的結果

Sample	Start drift  (µg/min)	Time  (min)	0.0239	5.4	15	7.42
2	0.0265	5.1	19	7.67
3	0.0237	5.2	18	7.67
4	0.0244	4.7	19	7.75
5	0.0333	4.9	24	7.59
平均值				7.62
標準偏差				0.13
%RSD				1,65

實驗 2 - 用容量滴定法和外部萃取法測定水分

1g大麻用25g甲醇在隔膜密封瓶中攪拌萃取。採用不同的萃取條件（萃取時間和溫度）。確定的甲醇水值用作最終計算中使用的空白值。允許固體大麻沉澱，使用注射器取混合液（甲醇/萃取水）的確定重量等分，注入容量型 Karl Fischer 滴定儀的滴定池中。精確的樣品重量是通過背面稱重確定的。然後滴定儀測量注入樣品的含水量。大麻樣品含水量的精確值是用以下公式計算出來的：

W₁= [W₃ x (m₁+m₂) - W x m₂]/m₁

其中：	W1是結果的百分比
	W2
	W3 為萃取甲醇等分所測得的水份百分比
	m1 is the mass of the sample extracted
	m2為萃取甲醇的質量

分析結果的重複性不足，且高度依賴所選擇的萃取條件。因此在此不做詳細介紹。與 KF 烘箱技術相比，發現外部萃取技術具有劣勢，因此不建議用於大麻中水分的測定。

實驗 3 - 透過乾燥失重法 (LOD) 測定水份含量

在本實驗中，樣品的水份含量是透過乾燥失重法測定，直到達到定質為止。樣品在 150 ˚C 的溫度下加熱 2 小時。在加熱前和加熱後測定樣品的重量，以計算實驗過程中失去的重量 - 乾燥失重。樣品一式兩份進行分析，取平均值得出結果（請參閱表 7中的結果）。

表 7. 乾燥結果的損失

Sample	Weight loss (%)
1	1.7093	1.5307	10.45
2	2.0872	1.8748	10.18
平均值			10.31

Karl Fischer 烘箱法與乾燥失重法的比較

使用庫倫計的 Karl Fischer 烘箱法與乾燥失重法進行了比較（見表 8）。後者的結果 (LOD) 比 Karl Fischer 烘箱法高約 35%。這就需要考慮用乾燥失重法測量其他揮發性化合物，以避免得出錯誤的含水量結果。

表 8. 卡爾費雪耦合計法與烘箱測量的含水量與乾燥損失的比較

樣品	Water content (%) Karl Fischer oven + Coulometry  CombiCoulomat fritless	Water content (%) Karl Fischer oven + Coulometry Anolyte	Water content (%)  Loss on drying (LOD)
1	7.59	7.42	10。45
2	7.51	7.67	10.18
3	7.69	7.67
4	7。79	7.75
5	7.78	7.59	7.67	7.62	10.31

結論

我們使用卡爾費雪滴定技術（使用烘箱的庫倫滴定法；使用外部萃取的容量滴定法）測定大麻樣品的含水量，並與乾燥損失法進行比較。

卡爾費雪庫倫滴定法與卡爾費雪烘箱結合，可提供可重複的結果。它可以防止因揮發性化合物而導致的含水量高估，而乾燥失重法則需要考慮這一點。此外，它只需要少量的樣品和試劑。使用外部萃取的容量法卡爾費雪滴定法無法產生可重複的結果，因此不建議使用。不過，也可以採用容積卡爾費希法結合卡爾費希烘箱法，但由於容積法的靈敏度不如庫倫法，因此需要增加樣品量才能得到可靠的結果。

因此，建議使用卡爾費希烘箱法結合庫倫法來測定大麻和大麻中的水分，以獲得最精確的結果。這可以精確計算出乾重 delta-9 THC 濃度。

另請參閱我們的大麻測試頁面SigmaAldrich.com/cannabis

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參考資料

1. Establishment of a Domestic Hemp Production Program . [Internet]. Department of Agriculture: Agricultural Marketing Service, 7 CFR Part 990 (Oct 2019) 84 FR 58522 .[cited 13 Jan 2022]. Available from: https://www.federalregister.gov/d/2019-23749

2. European Commission - Hemp. [Internet].[cited 13 Jan 2022]. Available from: https://ec.europa.eu/info/food-farming-fisheries/plants-and-plant-products/plant-products/hemp_en#definitionandprovisions