FAJLAGOS FELÜLET MEGHATÁROZÁSA GÁZADSZORPCIÓVAL (11)

2.9.26. Fajlagos felület meghatározása gázadszorpcióval

Ph.Hg.VIII. – Ph.Eur.6.6 – 1

01/2010:20926

2.9.26. FAJLAGOS FELÜLET MEGHATÁROZÁSA GÁZADSZORPCIÓVAL (11)

I. BEVEZETÉS Porok fajlagos felületét valamely gáznak a szilárd por felületén létrejött fizikai adszorpciója és a felületen monomolekulás réteget képező gáz-adszorbátum mennyiségének mérése alapján határozzuk meg. A fizikai adszorpciót a gáz-adszorbátum molekulái és a vizsgált por adszorbeáló felülete közti viszonylag gyenge erők (van der Waals-erők) hozzák létre. Az adszorbeált gáz mennyiségét tömeg szerinti, térfogatos vagy folyamatos áramlási módszerrel mérhetjük. II. BRUNAUER, EMMETT ÉS TELLER ELMÉLETE (BET-ELMÉLET) ÉS A FAJLAGOS FELÜLET MEGHATÁROZÁSA TÖBBPONTOS MEGHATÁROZÁS Az adatokat Brunauer, Emmett és Teller adszorpciós izotermaegyenlete (BET-egyenlet) alapján kezeljük: 1 ⎡ ⎛ Po ⎞⎤ − 1⎟⎥ ⎢Va ⎜ P ⎠⎦ ⎣ ⎝

=

1 C −1 P ⋅ + Vm C Po Vm C

(1)

ahol P

=

Po =

a felületen egyensúlyba jutott gáz-adszorbátum parciális gőznyomása – 196 °C-on (pascal), a gáz-adszorbátum telített gőznyomása (pascal),

=

az adszorbeált gáz térfogata standard hőmérsékleten és nyomáson (STP) [273,15 K és légköri nyomás (1,0133.105 Pa)] (milliliter),

Vm =

a minta felületén látszólagos monomolekuláris réteget képező, adszorbeált gáz térfogata standard hőmérsékleten és nyomáson (STP) (milliliter),

C

dimenzió nélküli állandó, amely a pormintán adszorbeált gázadszorpciós entalpiájával függ össze.

Va

=

Va értékét legalább három különböző P/Po értéknél kell mérni. Ezután a következő összefüggésből számolt értéket, 1 ⎡ ⎛ Po ⎞⎤ −1⎟⎥ ⎢Va ⎜ ⎠⎦ ⎣ ⎝ P

(11)

Ez a fejezet gyógyszerkönyvi harmonizációs eljáráson esett át. Lásd 5.8 Gyógyszerkönyvi harmonizáció (9.20) c. fejezetet.



azaz a BET-értéket - az 1. egyenletnek megfelelően - P/P0 függvényében ábrázoljuk. Ennek a függvénynek általában egyenest kell adnia a relatív nyomás 0,05 és 0,3 közti tartományában. Az adatokat abban az esetben tekinthetjük elfogadhatóknak, ha a lineáris regresszió korrelációs együtthatója (r) legalább 0,9975, azaz r2 értéke legalább 0,995. A kapott egyenesből lineáris regressziós analízissel kiszámíthatjuk az egyenes meredekségét [(C – 1)/VmC] és tengelymetszetét [1/VmC]. Ezen értékekből Vm-et az 1/(meredekség+tengelymetszet), C-t a (meredekség/tengelymetszet)+1 kifejezésből számoljuk ki. Az így meg-határozott Vm-ből a fajlagos felületet (S) az alábbi összefüggés alapján m2.g-1-ban kapjuk meg: S=

Vm ⋅ N ⋅ a m ⋅ 22400

(2)

ahol N

=

az Avogadro-szám (6,023.1023 mól-1),

a

=

az adszorbátum-molekula effektív keresztmetszete négyzetméterben nitrogén esetében 0,162 nm2, kripton esetében 0,195 nm2),

m

=

a vizsgált por tömege grammban, 22400 = a gáz-adszorbátum térfogata standard hőmérsékleten és nyomáson (STP) milliliterben (minimális eltérés az ideálistól megengedett).

(értéke

EGYPONTOS MÉRÉS Akár a dinamikus áramlási technikát (I. módszer), akár a térfogatos eljárást (II. módszer) alkalmazzuk a fajlagos felület meghatározására, általában legalább három Va mérést végzünk különböző P/P0 értékeknél. Ennek ellenére, bizonyos - alább megadott - körülmények között elfogadható, hogy adott por fajlagos felületét egyetlen P/P0 értéknél mért, egyetlen Va érték alapján határozzuk meg, pl. P/P0 = 0,300-nál, ami 0,300 móltörtnyi nitrogénnek, ill. 0,001038 móltörtnyi kriptonnak felel meg. Vm kiszámítására pedig a következő egyenletet használjuk: ⎛ P⎞ ⎟ V m =V a ⎜⎜1 − ⎟ P o ⎠ ⎝

(3)

A fajlagos felületet a 2. egyenlet szerint számítjuk ki Vm-ből. Amennyiben az adott anyagra jellemző C állandó értéke jóval nagyobb, mint egy, az egypontos módszer közvetlenül alkalmazható az anyag pormintáinak sorozatára. Ezt úgy igazolhatjuk, hogy az egypontos módszerrel kapott fajlagos felület nagyságát összehasonlítjuk a többpontos módszerrel kapott eredményekkel. Ha a két módszerrel kapott eredmények közel azonosak, feltételezhetjük, hogy 1/C értéke csaknem nulla. Amennyiben adott anyag C állandója nem eléggé nagy, de feltehetően állandó, az egypontos módszer közvetve alkalmazható az anyag igen hasonló pormintáira. Ilyen esetekben az egypontos módszer hibája csökkenthető vagy kiküszöbölhető azáltal, hogy a mintasorozat egyik tagjára a többpontos módszerrel a BET-görbéből kiszámoljuk C értékét (1 + meredekség/tengelymetszet). Ekkor Vm -et - az alábbi egyenlet alapján - abból az egy Va értékből számoljuk ki, amelyet egyetlen P/P0-nál mértünk: ⎛P ⎞⎡ 1 C − 1 ⎛ P ⋅⎜ Vm = Va ⎜ o − 1⎟ ⎢ + C ⎜⎝ Po ⎝ P ⎠ ⎢⎣ C

⎞⎤ ⎟⎥ ⎟ ⎠⎥⎦

A fajlagos felületet a 2. egyenlettel számoljuk ki Vm-ből. KÍSÉRLETI RÉSZ

(4)



Az alábbiakban ismertetjük a minta előkészítését, a gázadszorpció meghatározásának dinamikus áramlási módszerét (I. módszer) és térfogatos módszerét (II. módszer). A MINTA ELŐKÉSZÍTÉSE Gázmentesítés Mielőtt hozzáfognánk a fajlagos felület meghatározásához, el kell távolítanunk azokat a fizikailag adszorbeált gázokat és gőzöket, amelyek a gyártást követően (kezelés, raktározás során) juthattak a minta felületére. Amennyiben a gázmentesítést elmulasztjuk, a fajlagos felületet kisebbnek vagy változónak fogjuk találni, mivel a felület egy részét az előzőleg adszorbeált gázok vagy gőzök molekulái borítják. Az anyagok felületének érzékenysége miatt a gázmentesítés körülményei döntően befolyásolják a gyógyszeranyagok fajlagos felületének meghatározásánál előírt pontosságot és torzításmentességet (torzítatlanságot). Körülmények. Bizonyítani kell, hogy a választott gázmentesítési körülmények között reprodukálható BET-görbéket kapunk, a porminták nem szenvednek kimutatható fizikai vagy kémiai változást, és tömegük állandó. A gázmentesítés körülményeit - hőmérséklet, nyomás, idő - úgy kell megválasztani, hogy a szilárd anyag felülete, amennyire csak lehetséges, ismét olyan legyen, mint eredetileg volt. Az anyagokat sok esetben vákuum alkalmazásával vagy inert, száraz gázárammal mentesítjük a felületükön adszorbeált gázoktól. Néha a hőmérséklet emelésével is gyorsíthatjuk a szennyező anyagok eltávozását a minta felületéről. A porminta melegítéssel történő gázmentesítése, mivel megváltoztathatja a minta felületi tulajdonságait - hacsak kifejezetten elő nem írják - kerülendő. Amennyiben melegítést alkalmazunk, az ajánlott hőmérséklet lehetőség szerint minél alacsonyabb, a gázmentesítés időtartama pedig minél rövidebb legyen, de úgy, hogy a fajlagos felületre elfogadható időtartamon belül kielégítően magas és reprodukálható értékeket kapjunk. Érzékeny minták vizsgálatához egyéb gázmentesítő módszereket (pl. deszorpció-adszorpció körfolyamat) alkalmaz-hatunk. Gáz-adszorbátum A standard technika: nitrogén adszorpciója a folyékony nitrogén hőmérsékletén. Kis fajlagos felülettel (<1 m2·g-1) rendelkező porok esetében az adszorpcióarány kicsi. Ilyenkor inkább kriptont alkalmazunk a folyékony nitrogén hőmérsékletén, mivel a kripton alacsony gőznyomása nagymértékben csökkenti a hibát. Az alkalmazott gázok nem tartalmazhatnak nedvességet. A minta mennyisége A pormintát pontosan bemérjük. A bemért minta mennyiségét úgy választjuk meg, hogy összfelülete legalább 1 m2 legyen, ha a gáz-adszorbátum nitrogén és legalább 0,5 m2 legyen, ha kriptont adszorbeáltatunk. MÉRÉSEK Minthogy adott nyomáson az adszorbeált gáz mennyisége nő a hőmérséklet csökkenésével, az adszorpció-méréseket általában alacsony hőmérsékleten, mégpedig – 196 °C-on, a folyékony nitrogén forráspontján végezzük. I. módszer: dinamikus áramlási módszer A módszer elve



A dinamikus áramlási módszer esetében (2.9.26.-1. ábra) az ajánlott gáz-adszorbátum száraz nitrogén vagy kripton, míg a héliumot, amely a megadott körülmények között nem adszorbeálódik, hígító gázként alkalmazzuk. A megfelelő gáz-adszorbátumból és a héliumból legalább háromféle keveréket készítünk. Ezeknek P/P0 értékei a 0,05 és 0,30 közti tartományba essenek. A gázdetektor-integrátor által adott jelnek - meghatározott hőmérsékleten és nyomáson - közel arányosnak kell lennie a rajta átáramló gáz térfogatával. A célnak megfelelő, alkalmas típusok egyike az elektronikus integrátorral ellátott hővezetőképességi detektor. Legalább három - a javasolt 0,05 - 0,30 tartományon belüli - P/P0 arányhoz tartozó adatot kell meghatározni.

1: gázbevezetés

11: mintacella

2: ki-be kapcsoló szelep

12: önzáró gyors csatlakozás

3: differenciál áramlásszabályozó

13: többutas szelep

4: áramlásszabályozó szelep

14: rövidutas áramlásszabályozó

5: tömítőgyűrűk

15: hosszúutas áramlásszabályozó

6: hidegcsapda

16: detektor

7: hőmérsékletkiegyenlítő cső

17: áramlásmérő

8: detektor

18: gázmentesítő

9: digitális kijelző

19: diffúziós áramlásterelő

10: kalibráló szeptum

20: kivezető nyílás

2.9.26.-1. ábra Készülék a dinamikus áramlási módszerhez. Vázlatos ábra VIZSGÁLAT Az ismert összetételű - általában nitrogénből és héliumból álló - gázelegyet a hővezetőképességi cellán, a mintán, majd ismét a hővezetőképességi cellán át a regisztrálóhoz vezetjük. A mintacellát folyékony nitrogénbe merítjük; ekkor a minta nitrogént adszorbeál a mozgófázisból, a hővezetőképességi cella egyensúlya megbomlik és ez jelt generál a regisztrálópapíron. Ezután a mintát kiemeljük a hűtőfolyadékból; ez deszorpciós csúcsot hoz létre, amelynek területe az adszorpciós csúcséval azonos, iránya viszont azzal ellentétes. Mivel ez a csúcs az adszorpciós csúcsnál jobban definiált, ezt használjuk a meghatározáshoz.



A kalibráláshoz annyi levegőt injektálunk a rendszerbe, amennyi a deszorpciós csúcshoz hasonló méretű csúcsot eredményez, és kiszámoljuk az egységnyi csúcsterületnek megfelelő adszorbeált gáz mennyiségét (a nitrogén helyettesítése levegővel azért megengedett, mert hővezetőképességük azonos). Az egypontos meghatározáshoz egy nitrogén/hélium keveréket, míg a többpontos meghatározáshoz vagy több ilyen keveréket használunk, vagy a két áramló gázt „előkeverjük”. A számításokat lényegében ugyanúgy végezzük, mint a térfogatos módszernél. II. módszer: térfogatos módszer A módszer elve A térfogatos módszer (2.9.26.-2. ábra) esetében nitrogén a javasolt gáz-adszorbátum. A gázt beengedjük az evakuált térbe, az előzetesen gázmentesített pormintára, ahol kialakul egy meghatározott egyensúlyi gáznyomás (P). A fentiek miatt hígító gáz - mint pl. hélium alkalmazása szükségtelen. Ellenben a hélium használható más célra, pl. a mintacella hézagtérfogatának mérésére. Minthogy ehhez a módszerhez nem gázelegyet, hanem tiszta gáz-adszorbátumot használunk, a hődiffúzió nem zavarja a meghatározást.

2.9.26.-2. ábra Készülék a térfogatos módszerhez. Vázlatos ábra. Vizsgálat A mintacellába - hogy a minta felületének szennyeződését megelőzzük - egy kevés száraz nitrogént engedünk, ezután kiemeljük a cellát, dugóval lezárjuk, majd lemérjük, és kiszámoljuk a minta tömegét. Ezután behelyezzük a mintacellát a készülékbe, és óvatosan 2,66 Pa-ra vagy még alacsonyabbra csökkentjük a minta feletti térben a nyomást. Amennyiben a készülék működési elve megköveteli a mintacella ürestérfogatának meghatározását, pl. egy nem adszorbeálódó gáz - mint pl. hélium - bejuttatásával, ezt a



műveletet a vizsgálatnak ezen pontján kell beiktatni. Ezután a nyomást 2,66 Pa-ra vagy még alacsonyabbra csökkentjük, és a nitrogén-gáz adszorpcióját az alábbiak szerint mérjük. A mintacellát meghatározott mélységig – 196 °C-os folyékony nitrogént tartalmazó Dewaredénybe merítjük, majd annyi nitrogént engedünk a térbe, amennyi 0,10 ± 0,02 relatív nyomás (P/P0) eléréséhez szükséges. Meghatározzuk az adszorbeált térfogatot (Va). P/P0 = 0,20 ± 0,02 és P/P0 = 0,30 ± 0,02 értéknél megismételjük Va mérését. A mérési pontok száma legalább három legyen. Előfordulhat, hogy ennél több mérést kell végezni, különösen azon ritka esetek alkalmával, amikor 0,3 körüli P/P0-értéknél nem-lineáris összefüggést kapunk. Minthogy 0,05 vagy ez alatti P/P0-értékeknél gyakran nem lineáris az összefüggés, helyesebb kerülni ezt a tartományt. A linearitás vizsgálatát, az adatok kezelését és a minta fajlagos felületének kiszámítását az előbbiekben tárgyaltuk. REFERENCIAANYAGOK A készülékek működését időközönként ismert felületű referenciaanyagokkal ellenőrizzük. Olyan referenciaanyagot választunk, melynek fajlagos felülete a vizsgálandó mintáéhoz hasonló.

FAJLAGOS FELÜLET MEGHATÁROZÁSA GÁZADSZORPCIÓVAL (11)

Recommend Documents