2.9.26   Specifický povrch adsorpcí plynu

2001

2000

I Úvod

Specifický povrch prášku se určuje fyzikální adsorpcí plynu na povrchu pevné látky a měřením množství adsorbovaného plynu, které odpovídá monomolekulární vrstvě na povrchu látky. Fyzikální adsorpce závisí na relativně slabých silách (van der Waalsovy síly) mezi adsorbovanými molekulami plynu a adsorpčním povrchem zkoušeného prášku. Množství adsorbovaného plynu pak může být měřeno gravimetricky, volumetricky nebo metodou kontinuálního měření průtoku.

II Brunauerova, Emmettova a Tellerova teorie (BET) a stanovení specifického povrchu

II.1 Vícebodové měření

Údaje jsou zpracovávány podle rovnice adsorpní izotermy podle Brunauera, Emmetta a Tellera (BET):

v níž značí:

Měří se hodnota V_a pro každou z nejméně tří hodnot P/P₀ a vypočítá se hodnota BET podle vzorce:

Hodnoty BET se vynesou do grafu proti P/P₀ podle rovnice (1). Tato závislost by měla být lineární obvykle v rozmezí relativního tlaku 0,05 až 0,3. Údaje jsou považovány za přijatelné, pokud korelační koeficient lineární regrese ® neni menši než 0,9975, to znamená, že r² není menši než 0,995. Z vyplývající lineární závislosti jsou pomocí lineární regresní analýzy určovány směrnice přímky, která je rovna (C- 1)/V_mC, a úsek na ose y, který se rovná 1/V_mC. Z těchto hodnot je V_m počítáno jako 1/(směrnice + úsek), zatímco C je počítáno jako (směrnice/úsek) + 1. Z takto stanovené hodnoty V_m je pak specifický povrch S, v m² . g^-1, vypočítán podle vztahu:

v němž značí:

II.2 Jednobodové měřeni

Normálně jsou požadována nejméně tři měření hodnoty V_a při různých hodnotách P/P₀ pro stanovení specifického povrchu pomocí techniky měření adsorpce dynamicky protékajícího plynu (Metoda I) nebo pomocí volumetrického měřeni adsorpce plynu (Metoda II). Avšak za jistých okolností popsaných níže, může být přijatelné stanovení specifického povrchu prášku z jediného měření hodnoty V_a při jediné hodnotě P/P₀ jako je 0,300 (odpovídá 0,300 molu dusíku nebo 0,001038 molárního zlomku kryptonu). Hodnota V_m se pak vypočítá podle vztahu:

Specifický povrch se pak vypočítá z hodnoty V_m podle výše uvedeného vztahu (2).

Metoda jednobodového měření může být použita přímo pro řadu vzorků daného materiálu, pro který je materiálová konstanta C mnohem větší než jedna. Tyto okolnosti mohou být ověřeny porovnáním hodnot specifického povrchu u řady vzorků prášků, které byly stanoveny jednobodovou metodou s hodnotami, které byly stanoveny vícebodovou metodou. Pokud jsou hodnoty z jednobodového měření a vícebodového měření velmi podobné, naznačuje to, že hodnota 1/C se blíží k nule.

Metoda jednobodového měření může být nepřímo použita pro řadu velmi podobných vzorků daného materiálu, pro který materiálová konstanta C není nekonečně velká, ale může být považována za invariantní. Za těchto okolností může být chyba metody jednobodového měření omezena nebo vyloučena použitím metody vicebodového měření, kterým se z BET diagramu určí konstanta C pro jeden vzorek z této řady. Konstanta C je zde vypočitána jako (1 + směrnice/úsek). Pak se Vm vypočítá z jediné hodnoty V, dané jedinou hodnotou P/P₀ podle rovnice:

Specifický povrch se pak vypočítá z hodnoty V_m podle výše uvedeného vztahu (2).

III Zkušební postupy

Tato část popisuje metody používané k přípravě vzorků, způsob měření adsorpce dynamicky protékajícího plynu (Metoda I) a způsob volumetrického měření adsorpce plynu (Metoda II).

III.1 Příprava vzorků

III.1.1 Odstranění plynu

Plyny a páry, které se mohou fyzikálně adsorbovat na povrchu vzorku po jeho výrobě a během jeho úpravy, manipulace a uchováváni, musí být před stanovením specifického povrchu vzorku odstraněny. Pokud se adsorbované plyny ze vzorku neodstraní, může být výsledný specifický povrch nižší nebo proměnný, protože přechodný povrch je pokryt molekulami předem adsorbovaných plynů nebo par. Protože povrch farmaceutických látek je velmi náchylný k adsorpci plynů, je k dosažení požadované přesnosti a správnosti měření jejich specifického povrchu odstranění předem adsorbovaných plynů a par kritickým parametrem.

Podmínky. Musí být zajištěny podmínky odplynění, aby byly získány reprodukovatelné BET diagramy, konstantní hmotnosti zkoušeného prášku a aby nenastaly žádné fyzikální a chemické změny zkoušeného prášku.

Podmínky odplynění, které jsou definovány teplotou, tlakem a časem, by měly být zvoleny tak, aby zajistily, co možná nejvíce reprodukovatelný skutečný povrch zkoušené pevné látky. Odplynění mnoha látek je často dosahováno použitím vakua nebo pročištěním vzorku proudem suchého nereaktivního plynu. V opačném případě se někdy používá zvýšené teploty ke zvýšení rychlosti, kterou nečistoty opouštějí povrch. Ale pozor, odplynění zahříváním vzorku může změnit povahu jeho povrchu a nemělo by se používat, pokud není specificky určeno jinak.

Pokud je použito zahřátí, doporučená teplota a doba odplyňování by měly být co nejnižší, aby se dosáhlo vysoce reprodukovatelných hodnot v přijatelném časovém intervalu. Pro odplyňování citlivých vzorků mohou být použity jiné odplyňovací metody, jako je cyklická metoda desorpce-adsorpce.

III.1.2 Plyny používané k adsorpci

Standardní postup je adsorpce dusíku při teplotě kapalného dusíku.

Pro prášky s nízkou hodnotou specifického povrchu (<1 m² . g^-1), kde je adsorbovaný podíl nízký, je lepší použít krypton při teplotě kapalného dusíku, protože tento plyn vykazuje nízký tlak nasycených par a tím velmi snižuje chybu měření.

Všechny použité plyny musí být prosty vlhkosti.

III.1.3 Množství vzorku

Správná navážka vzorku je, když je povrch vzorku nejméně 1 m² při použití dusíku k adsorpci a 0,5 m² při použití kryptonu.

III.2 Měření

Protože množství plynu adsorbovaného za daného tlaku má sklon se zvětšovat při poklesu teploty, adsorpční měření se obvykle provádějí za nízké teploty. Měření se provádí při teplotě -196 °C, což je bod varu kapalného dusíku.

III.2.1 Metoda I: metoda dynamického průtoku

III.2.1.1 Princip metody

Plyny, které se doporučují použít k adsorpci při užití metody dynamického průtoku, jsou vysušený dusík nebo krypton. Jako nosný plyn, který se neadsorbuje za doporučených podmínek, se používá helium.

Pro rozmezí P/P₀ 0,05 až 0,30 se vyžadují minimálně tři směsi plynu vhodného k adsorpci s heliem.

Detekční plynoměr má poskytnout signál, který je přibližně úměrný objemu plynu, který jím prochází při definované teplotě a tlaku. Jedním z mnoha různých vhodných typů pro tento účel je detektor tepelné vodivosti s integrátorem. Musí být stanoveny minimálně tři hodnoty v doporučeném rozmezí P/P₀ od 0,05 do 0,30.

III.2.1.2 Pracovní postup

Známá směs plynů, obvykle dusík a helium, se nechá procházet snímačem tepelné vodivosti, vzorkem, opět snímačem tepelné vodivosti a pak se vede k registračnímu potenciometru.

Při ponoření kyvety se vzorkem do kapalného dusíku vzorek adsorbuje dusík z mobilní fáze. To vyvede z rovnováhy snímač tepelné vodivosti a vygeneruje se impulz, který se zaznamená zapisovačem do grafu.

Obr. 2.9.26-1 Schéma zařízení pro metodu dynamického průtoku

Při vyjmutí z chladicího média vznikne desorpční pík, který má stejnou plochu jako v opačném směru adsorpční pík. Desorpční pík je lépe definovatelný a je proto používán ke stanovení.

K provedení kalibrace se do systému vstříkne vhodný vzduch, který poskytne pík o obdobné velikostí jako je desorpční pík a získá se tak podíl adsorbovaného plynu na jednotku plochy píku (místo dusíku může být použit vzduch, protože má stejnou tepelnou vodivost).

Pro jednobodové stanoveni se použije směs dusík/helium. Několik takových směsí nebo směsi dvou proudů plynů pak se použije pro vícebodové stanovení.

Výpočet je v podstatě stejný jako pro volumetrickou metodu.

III.2.2 Metoda II: volumetrická metoda

III.2.2.1 Princip metody

Při užití volumetrické metody, viz obrázek 2.9.26-2, je plynem doporučeným k adsorpci dusík. Ten je vháněn do evakuovaného prostoru nad vzorkem, který byl předem zbaven veškerého plynu, a dosáhne se tak definovaného rovnovážného tlaku plynu P. Proto použití helia jako nosného plynu není nezbytné. Helium se ale může použít pro jiné účely, jako je měření objemu, který nebyl obsazen.

Protože se zde používá k adsorpci místo směsi plynů pouze čistý plyn, jsou u této metody odstraněny rušivé vlivy tepelné difuze.

III.2.2.2 Pracovní postup

K zabránění znečištění čistého povrchu se vpustí malé množství vysušeného dusíku do zkumavky se vzorkem, zkumavka se vyjme, uzavře se zátkou a zváží se. Vypočítá se hmotnost vzorku. Zkumavka se vloží do přístroje pro volumetrické stanovení. Opatrně se sníží tlak ve zkumavce na 2,66 Pa nebo nižší.

Pokud princip činnosti zařízení vyžaduje stanovit zbytkový objem ve zkumavce, např. vpuštěním neadsorbovaného plynu, jako je helium, provede se tento postup v tomto bodě, který následuje po snížení tlaku ve zkumavce na 2,66 Pa nebo níže. Adsorpce plynného dusíku je pak měřena způsobem popsaným níže.

Zdvihne se Dewarova nádoba s kapalným dusíkem při teplotě -196 °C do definovaného bodu na kyvetě se vzorkem. Vpustí se objem dusíku dostatečný k dosažení relativního tlaku P/P₀ rovno 0,10 ± 0,02. Změří se objem V_a, který se adsorboval. Opakuje se měření V_a při hodnotách P/P₀ 0,20 ± 0,02 a 0,30 ± 0,02.

Vyžadují se minimálně údaje ze tří měření. Další měření se mohou provést, a to zvláště ve výjimečných případech, kdy není při hodnotách P/P₀ blízkých 0,3 dosaženo lineárního průběhu. Protože nelineární průběh se často získá při těchto hodnotách P/P₀ nebo při hodnotách pod 0,05, nedoporučuje se měření v této oblasti. Zkouška linearity, zpracování údajů a výpočet specifického povrchu vzorku jsou popsány výše.

IV Referenční materiály

Funkčnost zařízení se pravidelně ověřuje za použití vhodných referenčních materiálů o známé ploše povrchu. Referenční materiály by měly mít podobnou plochu povrchu, jako má zkoušený vzorek.

Obr. 2.9.26-2 Schéma přístroje pro volumetrickou metodu