BET-Messung

Einführung in BET (Brunauer, Emmett und Teller)

Mithilfe einer BET-Messung nach Brunauer, Emmett und Teller wird die spezifische Oberfläche einer Probe gemessen – inklusiver einer Porengrößenverteilung. Diese Information kann dazu genutzt werden die Auflösungsrate abzuschätzen, da diese proportional zur spezifischen Oberfläche ist. Somit trägt die Oberfläche dazu bei die Bioverfügbarkeit einzuschätzen. Darüber hinaus ist sie nützlich Produktwirksamkeit und Herstellungskonsistenz zu überprüfen.

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Die spezifische Oberfläche, die bei einer BET-Messung bestimmt wird steht im Verhältnis zur totalen Oberfläche (der relativen Oberfläche), da alle porösen Strukturen kleine Gasmoleküle adsorbieren. Die BET-vermessene Oberfläche ist typischerweise größer als die Oberfläche, die man mithilfe von Luftdurchlässigkeit bestimmt. Die Methode stimmt mit für Ph. Eur.2.9.26 Methode II überein.

Instrumentaufbau- und Messprinzip, BET-Messung 

Das BET Instrument, welches von Particle Analytical angewendet wird (Micromeritics Gemini 2375 und Gemini V) bestimmt die spezifische Oberfläche (m²/g) von pharmazeutischen Proben. Die Proben werden mit Stickstoffwäschen oder im Vakuum bei erhöhter Temperatur getrocknet. Wenn nichts anderes abgesprochen ist, werden P/P0 von 0,1, 0,2 und 0,3 als Standardmesspunkte verwendet. Das Volumen des an der Oberfläche adsorbierten Gases wird am Siedepunkt von Stickstoff (-196°C) gemessen. Die Menge des adsorbierten Gases wird korreliert mit der gesamte Oberfläche der Partikel, inklusiver Poren in äußeren Oberfläche. Die Berechnung wird auf Grundlage der BET-Theorie durchgeführt. Traditionell wird Stickstoff als Adsorptionsgas verwendet. Die Gasadsorption ermöglicht auch die Bestimmung von Größen- und Volumenverteilung von Mikroporen (0.35 nm – 2.0 nm).

 

Technische Details
Instrument Micromeritics Gemini 2375 und Gemini V
Probenanforderungen Probe muss mit Micromeritics Flowprep 060 getrocknet sein
Messbereich Mikroporen (0.35 – 2.0 nm)
Ergebnis Spezifische Oberfläche in m²/g oder m²/cm³
Probenmenge 1 g – 2 g der getrockneten Substanz wird typischerweise für die Analyse benötigt

 

Theorie der BET-Messung 

Die spezifische Oberfläche eines Pulvers wird durch physikalische Adsorption von Gas an dessen Oberfläche und mit der Berechnung einer angenommen monomolekularen Schicht auf dieser bestimmt. Physikalische Adsorption beruht auf den verhältnismäßig schwachen Wechselwirkungen (van der Waals Kräfte) zwischen adsorbierten Gasmolekülen und der adsorbierenden Oberfläche des Probenpulvers. Die Bestimmung wird typischerweise bei Temperaturen durchgeführt, bei denen mit flüssigem Stickstoff gearbeitet werden kann. Die Bestimmung der Gasmenge kann volumetrisch oder im Durchlauf bestimmt werden.

Multipunkt Messungen

Die Messdaten werden nach Brunauer, Emmett und Tellers (BET) Adsorptionsisothermen Gleichung behandelt:

P = Partialdampfdruck des adsorbierten Gases im Gleichgewicht mit der Oberfläche bei 77.4 K (Siedepunkt flüssigen Stickstoffs), in Pascal,
Po = Sättigungsdruck des adsorbierten Gases, in Pascal,
Va = Volumen des adsorbierten Gases unter Normbedingungen [273.15 K und atmospheric pressure (1.013 × 105 Pa), nach Ph.Eur. 2.9.26], in Millilitern,
Vm = Volumen des adsorbierten Gases unter STP, um einen angenommenen Monolage auf der Probenoberfläche herzustellen, in Millilitern,
C = Dimensionslose Konstante, die mit der Adsorptionenthalpie des Adsorptionsgases auf der Pulverprobe zusammenhängt.

Eine Messung von Va ist an nicht weniger als drei Punkten von P/Po  durchzuführen. Dann kann der BET-Wert:

gegen P/Po nach Gleichung (1) aufzutragen. Dieser Graph sollte eine lineare Abhängigkeit im abgeschätzten relativen Druckbereich zwischen 0.05 und 0.3 zeigen. Die Daten sind akzeptabel wenn der Korrelationskoeffizient r der Regressionsgerade nicht weniger als 0.9975 beträgt, oder r2 nicht weniger als 0.995. Aus dem entstandenen annähernd linearen Graphen, kann die Steigung die (C − 1)/VmC entspricht und der Achsenabschnitt der 1/VmC entspricht abgelesen werden mit einer linearen Regressionsanalyse. Aus diesen Werten kann Vm  in Form von 1/(Steigung + Achsenabschnitt), wobei C sich aus (Steigung/Achsenabschnitt) + 1 ergibt. Aus dem so bestimmten Vm ergibt sich die spezifische Oberfläche S in m2·g–1 wie folgt:

N = Avogadro Konstante (6.022 × 1023 mol−1),
a = effektive Querschnittsfläche des adsorbierenden Moleküls, in Quadratmetern (0.162 nm2 für Stickstoff und 0.195 nm2 für Krypton),
m = Masse der Pulverprobe, in Gramm,
22400 = molares Volumen des Adsorptionsgases bei Normbedingungen, angelehnt an ein ideales Gases (22414), in Millilitern.

Ein Minimum von 3 Datenpunkten wird benötigt, um diese Umrechnung durchzuführen. Weitere Messungen können durchgeführt werden, besonders wenn Nichtlinearität  bei P/Po Werten nahe 0.3 auftritt. Da oft Nichtlinearität unter P/Po Werten von 0.05 auftritt, sind Messungen in dieser Region nicht empfehlenswert. Ein Test auf Linearität, die Art und Weise der Datenauswertung und die Berechnung der spezifischen Oberfläche der Probe sind oben beschrieben.

Einzelpunktmessungen

Normalerweise sind mindestens 3 Messungen von Va bei verschiedenen Werten von P/Po notwendig um die spezifische Oberfläche über die dynamischen Durchflussadsorptionstechnik (Methode I) oder volumetrische Adsorption (Methode II) zu bestimmen. Allerdings ist es unter gewissen, unten beschriebenen Bedingungen, akzeptabel die spezifische Oberfläche eines Pulvers aus einer Va Messung an einem einzelnen Wert von P/Po, wie etwa 0.300 (entspricht 0.3 mol Stickstoff oder 0.001039 mol Krypton), wie folgt Vm zu errechnen:

Die spezifische Oberfläche erhält man anschließend aus Vm mit der oben gegebenen Gleichung (2).

Die Einzelpunktmessungen kann direkt auf eine Reihe von Pulverproben eines Materials angewendet werden, wenn die Materialkonstante C sehr viel grösser als eins ist. Diese Bedingungen können durch Vergleich der Werte der spezifischen Oberfläche aus der Einzelpunktmessung mit denen der Multipunktmessung dieser Pulverprobenreihe sichergestellt werden. Sehr große Ähnlichkeiten der Einzelpunkt und Multipunktergebnisse deuten an das 1/C sich null nähert.

Diese Einzelpunktmessmethode kann außerdem direkt auf eine Reihe von sehr ähnlichen Pulverproben eines bestimmten Materials angewandt werden, wenn die Materialkonstante C nicht unendlich, aber als unveränderlich angesehen werden kann. Unter diesen Bedingungen, kann der mit Einzelpunktmessungen verbundene Fehler minimiert oder eliminiert, indem die Multipunktmethode benutzt wird um C bei einem der Proben aus dem BET-Messungsgraphen mit (1+ Steigung/Achsenabschnitt) zu bestimmen. Nun ist es möglich Vm aus einem einzelnen gemessenen Va Wert bei einem Verhältnis von P/Po mit der folgenden Gleichung zu bestimmen:

Die spezifische Oberfläche erhält man anschließend aus Vm mit der oben gegebenen Gleichung (2).

Der folgende Abschnitt beschreibt die Methoden zur Probenvorbereitung, die dynamische Gasadsorptionstechnik (Methode I) und volumetrische Gasadsorptionstechnik (Methode II).

Probenvorbereitung: Entgasung: Bevor die spezifischen Oberfläche der Probe bestimmt werden kann, muss diese von Gasen und Dämpfen befreit werden, die physikalisch während des Herstellungsprozesses, der Weiterbearbeitung oder der Lagerung adsorbiert werden können. Wenn eine Entgasung nicht erfolgreich ist, ist die spezifische Oberfläche in der Messung offenbar reduziert oder verändert, weil Teile der Oberfläche mit zuvor angelagerten Gasen und Dämpfen bedeckt ist. Die Entgasungsbedingungen sind kritisch für die notwendige Präzision und Richtigkeit der spezifischen Oberflächenmessungen an Pharmazeutika, wegen der Empfindlichkeit der Materialoberfläche.

Bedingungen: Die Entgasungsbedingungen müssen reproduzierbare BET-Graphen und ein konstantes Gewicht des Probenpulvers ergeben, sowie keine messbaren physikalischen oder chemischen Änderungen am Probenpulver hervorrufen. Die Entgasungsbedingungen umfassen Temperatur, Druck und Dauer und sollten so gewählt sein, dass die Originaloberfläche so realistisch wie möglich reproduziert wird. Die Entgasung vieler Substanzen lässt sich durch Vakuumanlegen oder Waschung mit nichtreaktivem trockenen Gas oder einer Adsorption-Desorptionstaktmethode erreichen. In allen Fällen wird erhöhte Temperatur eingesetzt um die Desorptionsrate der Verunreinigungen von der Oberfläche zu erhöhen. Erhöhte Vorsicht ist bei der Entgasung von Pulverprobenentgasungen bei erhöhten Temperaturen geboten, da diese die Oberflächenstruktur und die Integrität der Probe beeinflussen kann.

Bei der Erwärmung ist darauf zu achten die vorgeschlagene Temperatur und Dauer der Entgasung möglichst niedrig, bzw. kurz zu halten, um reproduzierbare spezifische Oberflächenergebnisse im angemessenen Zeitrahmen zu erzielen. Für empfindliche Proben kann es von Vorteil sein alternative Methoden wie die Adsorption-Desorptionstaktmethode anzuwenden.

Die volumetrische Methode (Ph. Eur. 2.9.26 Methode II)

Prinzip: In der volumetrischen Methode (siehe Abbildung 2.9.26.-2) wird Stickstoff als Adsorptionsgas empfohlen, welches in den evakuierten Raum über der zuvor entgasten Probe geleitet, um einen definierten Gleichgewichtsdruck P des Gases herzustellen. Die Benutzung eines Gases zur Verdünnung, wie etwa Helium, ist unnötig, obwohl Helium für andere Zwecke eingesetzt werden kann, wie etwa die Bestimmung des Totvolumens.

Dadurch, dass ausschließlich Adsorptionsgas, und keine Gasmischung, benutzt wird, können Interferenzen, wie thermische Effekte, in dieser Methode vermieden werden.

Prozedur: Man lässt eine kleine Menge trockenen Stickstoff auf die Probe fließen, um die Verunreinigung der sauberen Oberfläche zu vermeiden. Dann entfernt man die Probenröhre, setzt den Stopper ein und wiegt die die Probenröhre ein. Das Gewicht der Probe berechnen. Die Probenröhre wird wieder mit dem volumetrischen Instrument verbunden. Vorsichtig den Probenraum bis auf die angegebenen Druck evakuieren (typischerweise zwischen 2 Pa und 10 Pa). Alternativ arbeiten einige Instrumente mit der Druckabsenkung bis zu einer definierte Druckänderung (z.B. weniger als 13 Pa/ 30 s) und Beibehaltung dieser über einen definierten Zeitraum vor dem nächsten Schritt.

Wenn das Operationsprinzip des Instrumentes es erfordert das Totvolumen in der Probenröhre zu bestimmen, kann dies z.B. mit nicht adsorbierendem Gas, wie Helium passieren. Dies würde jetzt ausgeführt und von einer erneuten Evakuierung gefolgt. Die Bestimmung des Totvolumens kann durch verschiede Messungen vermieden werden, d.h. mit Referenzen und Probenröhren mit einen Differenzmeter. Die Adsorption des Stickstoffgases wird dann wie im Folgenden erklärt gemessen.

Man führt einen Dewar mit flüssigem Stickstoff bei 77.4 K bis an einen bestimmten Punkt an die Probenröhre. Es wird eine ausreichende Menge Adsorptionsgas eingelassen, um den niedrigsten gewünschten Relativdruck zu erhalten. Messung des adsorbierten Gasvolumens Va . Für Multipunktmessungen, wird die Va Messung bei höheren P/Po  Werten wiederholt. Wenn Stickstoff das Adsorptionsgas ist, sind P/Po Werte von 0,10, 0,20 und 0,30 oft passend.

Referenzmaterial: Regelmäßig wird die Funktion des Instrumentes mit entsprechenden Referenzmaterialien mit bekannter Oberfläche, etwa α-Aluminiumoxid überprüft. Diese sollten im gleichen spezifischer Oberflächenbereich der zu messenden Probe liegen.

Abbildung 2.9.26.-1. — Schema des dynamischen Durchflussinstruments.