原料药及辅料中比表面积检测方案(比表面)

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理化联科(北京)仪器科技有限公司 “先进材料表征技术在2020中国药典中的前沿应用专题”(之二) iPore400 为原料药及辅料的比表面积定定带来惊喜 杨正红 理化联科(北京)仪器科技有限公司 药物粉体是大部分药物制剂的主体，其疗效不仅取决于药物的种类，而且很大程度上还取决于组成药剂的粉体性能，包括粒度、形状、表面特性等各类参数。药物粉体的比表表积和孔径关系到粉末颗粒的粒径、吸湿性、溶解度、溶出度和压实度等性能，而且最终影响到药物的生物利用度。国家药典委员会已颁布了最新的2020年版中国药典，增加了0991比表面积测定法，并将于2020年12月30日起正式实施。 用气体吸附法进行比表面和孔径分布测定，对于大多数制药行业的用户还比较陌生。作为药学院毕业并从事气体吸附比表面和孔径分析20余年的科学工作者，有责任与大家分享一下我对0991的见解及气体吸附法测定比表面的最新技术发展突破： 一、中国药典2020版要求在相对压力 P/P.为 0.05-0.3范围内至少进行3个压力点的测试，且BET 方程相关系数需大于 0.9975： 1、有关 BET比表面积的测量和计算： 首先需要明确的是， BET 比表面积是通过多层吸附理论(BET方程)计算出来的，而不是测出来的。我们需要测定的是液氮温度下的样品对氮气吸附的等温线，而发生多层吸附的区域多数是在 P/P0.05-0.3的范围内，吸附曲线在这里进入平台区(图1)。BET理论恰恰需要在这个阶段的吸附数据计算比表面积。完整的 BET 报告必须包括比表面值、回归曲线、相关系数和C常数(C值，图2)。 图1 一种α氧化铝的吸附等温线片段(P/P，0.05-0.35) 图2 由图1计算得到BET 曲线及完整的报告信息 2、有关 BET计算的 P/P取点： 众所周知，药典是制药行业的宪法，是基本法，也就是最低标准。0991的相关数据应该引自美国药典 USP846，适用于介孔材料。但是，随着近些年纳米科技的发展和新型药品的研发成功，需要进行比表面积和孔径分析的材料越来越多，多微孔纳米载体材料控制药物缓释速度已经开始应用。而这些材料的多层吸附区域会前移，也就是可能是 P/Po 为 0.01~0.15的范围，这样药典中的取点范围就显得不合时宜了。因此，判断 BET计算结果可靠性的标准应该是c值大于0和回归系数大于 0.9999. (延伸阅读：杨正红： 《物理吸附100问》化工出版社，2016年) 3、有关BET方程相关系数： 回归曲线的相关系数 R=0.9975 是一个过于粗放的低端要求，来源于20年前的技术水平。由于比表面测定过程中有许多不可控因素，所以很难获得稳定重复的结果。因此，业内有“BET差5%不算差”的说法，由此，按允许偏差±5计算： 这显然是一个到达极限的最低标准，对于用于质量控制的比表面测定是难以忍受的。而目前所有的全自动物理吸附分析仪都标榜重复性偏差不超过±2，这意味着： 也就是说，R值不应该低于0.9996。 如果按常规质检要求，重复性允许偏差±1计算，则对R值的最低要求为： 即回归曲线的相关系数不小于四个9(R>0.9999)。 4、iPore 400多站比表面分析仪测定小表面样品的重复性： iPore 400是理化联科最新开发的按照欧洲标准设计制造的4站或6站比表面和孔径分析仪，专门为了解决超低比表面材料的质量控制的痛点问题。该仪器从影响比表面测定的因素入手，严格控制由温度、体积和压力测量带来的误差，采用了一系列新技术，配合全自动智能脱气站，建立了新一代物理吸附仪的技术标准(图3)。它包括： 图3 iPore 400 全自动物理吸附分析仪和iBox 26 智能脱气站 (1) 全域自动恒温系统：拥有双路进气预热及0.02℃高精度恒温系统，可根据需要在35-50℃之间设定恒定温度；实时显示全区域气路和歧管的系统温度，克服环境带来的误差。 (2) 压敏死体积恒定技术：通过压力传感器和伺服反馈电梯精确控制液氮液位，保持分析过程中死体积恒定。 (3) 32位芯片及电路系统：采用全新32位芯片及电路系统，相比24位系统，压力传感器分析精度提升30倍以上，确保超低比表面测量的极致精度。 这些新技术的采用，可以用氮吸附测定 0.005 m /g左右的比表面积，大大突破了常规氮吸附的比表面下限极值(0.01m/g)(图4)。 仪器的长期稳定性是低比表面材料样品质量检测和质量控制的基础保证。为了验证新技术的准确性和长期稳定性，使用氮气测试比表面标准样品(标称值0.221±0.013m/g， 氮吸附)的重复性偏差(表1)。结果表明， iPore 400 的即时重复性偏差优于 0.1%，09一天重复性偏差优于0.6%，四天长期稳定性优于1.0%!性能的全面优化使 BET 比表面测定长期重复性达到空前水平! 图4-一种电解质膜的 BET比表面(左图)，及吸附等温线和孔径分布(右小图)。 BET比表面积=0.0076m /g! 表1 超低比表面标准品比表面长期稳定性实验 iPore 400 可以配置6个独立的分析站(图5)，具有极高的通量，不仅节省分析时间，提高了分析效率，而且6个站 BET测定结果具有高度的一致性，重现性偏差同样优于1%(表2)。 表2低比表面石墨样品比表面平行测定实验(红色数据是12次测量结果的标准差) BET比表面值(m/g)， R >0.9999 六站测定重现性 测定次数 站号 1 2 3 4 5 6 RSD 1 定投气量测试 0.8781 0.8880 0.8940 0.8825 0.8878 0.8800 0.54% 2 定压测试 0.8767 0.8760 0.8747 0.8747 0.8744 0.8816 0.25% 同站测定重现性， RSD 0.07% 0.60% 0.96% 0.39% 0.67% 0.08% 0.61% 图5 iPore 400 全自动物理吸附分析仪气路结构透视图 二、iPore 400 为药企行业比表面积测定带来的惊喜——用氮吸附替代氮吸附： 药品多为有机化合物，比表面值一般都很低。新版中国药典0991指出，对于比表面积小于 0.2m/g 的供试品，为避免测定误差，可选用氮气作为吸附质；也可选用氮气作为吸附质，但必须通过增加取样量，使供试品总表面积至少达到 1m²方可补偿测定误差。氪气(Kr)因其在液氮温度下的饱和蒸汽压特性，是用于小比表面积样品的精密测试方法。但是，进行Kr 吸附一般至少需要配备 10 torr 的高精密压力传感器以及分子泵，以分辨 P/P在 10~10的极低压力环境下细微的压力变化，从而保证数据精确且稳定。氮吸附应用到小于 0.05 m²的绝对表面积计算。 但是，一般的氮吸附的应用需要配置分子泵和10torr 压力传感器，这给企业带来了额外的成本负担。iPore400的黑科技可以在标准配置(机械泵和1000torr 压力传感器)的条件下满足氮吸附及应用要求， P/Po下限达到可重复的10(图6)，这给企业带来了第一层 等温线 (log) 惊喜! 图6 iPore 400 全自动物理吸附分析仪 COF 测定的等温吸附曲线，在机械泵条件下， P/P，下限可到 10，并且可完全重复测定! 其实，在 77.4K的附吸附实际还存在着许多问题，如其吸附层的性质和热力学状态并不明确，是固体还是液体?应该参照何种状态来计算P/P?与此连带的·勺一一些问题是，在远远低于三相点温度的环境下，作为被吸附相有怎样的浸润特性(因为在BET 方法中，假设吸附质相完全浸润)?在77K的氮吸附中，可以观察到几乎所有材料都被完全浸润的特性，但在低于三相点温度时，这种情况可能是不同的。 另一个不确定因素是氮分子的有效横截面积，它非常依赖于吸附剂表面，因此没有被很好地建立起来。从氮的过冷液体密度计算出的横截面面积是0.152 nm²(15.2A²)，但通常会用较大的横截面面积值，甚至高达 0.236 nm²(23.6A²)。采用较多的横截面积值是 0.202 nm²(20.2A²)。除此之外，氮气的成本是氮气的240倍，这意味着氮吸附测定需要高昂的实验成本，会极大加重企业负担。为此，理化联科 iPore 400 新一代气体吸附分析技术已经用氮气成功地实现了氮吸附领域的超低比表面积测定(图4)。这给企业带来了第二层惊喜! 图7 一种比表面为 0.04m/g的金属氧化物吸附等温线和 BET比表面曲线 a 和b： iPore 400 两次测定的结果，比表面积值可以完全重复； c：： iPore 400 关闭死体积恒定功能的结果，可见 BET回归系数下降，脱附曲线受液氮挥发导致的死体积变化，已经完全变形 ； d：其它品牌仪器所测的结果，吸附量被仪器本身的噪声所掩盖，等温线显示为仪器本底的随机噪声曲线 为了进一步验证上述研究成果的可靠性，我们用氮吸附测试了一个比表面积仅 0.04m/g 的金属氧化物的完整吸附等温线和 BET 曲线，不仅两次测定(图7a和b)相关系数都在 0.9999 以上， 而且 BET 比表面完全重复!当关闭 iPore 400 的死体积恒定功能再进行测试时，虽然 BET =0 .032并且相关系数R=0.9987，依然满足药典0991要求(图7c)，但可以看到数据质量已经很差，脱附曲线已经完全变形。而常规的氮吸附分 析仪器的噪音已经完全掩盖了该样品的微弱吸附量，无法分辨(图7d)。 iPore 400技术突破也为纳米薄膜的孔径分布分析带来佳音，这种吸附量低低的孔径分析不再需要液氩温度下的吸附，只需要按照常规操作即可(图4右)。 工欲善其事，必先利其器! 贯彻药典新规和 GB/T 19587-2017标准，准确测定原料药、药用辅料及其产品的比表面和孔径，进行精确的质量控制或检验，需要性能全面优化的可涵盖各种药用试品的分析仪器。配合 iBox 26全自动智能脱气站， iPore400 全自动比表面和孔径分析仪的一系列创新和突破，引领了下一代物理吸附分析仪的新标准。它的高稳定性、高重复性、高效率、超高性价比为中国企业全面贯彻中国药典0991带来了不断惊喜! 22020年7月27日 药物粉体是大部分药物制剂的主体，其疗效不仅取决于药物的种类，而且很大程度上还取决于组成药剂的粉体性能，包括粒度、形状、表面特性等各类参数。药物粉体的比表面积和孔径关系到粉末颗粒的粒径、吸湿性、溶解度、溶出度和压实度等性能，而且最终影响到药物的生物利用度。国家药典委员会已颁布了最新的2020 年版中国药典，增加了0991 比表面积测定法，并将于2020 年12 月30 日起正式实施。用气体吸附法进行比表面和孔径分布测定，对于大多数制药行业的用户还比较陌生。作为药学院毕业并从事气体吸附比表面和孔径分析20 余年的科学工作者，有责任与大家分享一下我对0991的见解及气体吸附法测定比表面的最新技术发展突破：一、中国药典2020 版要求在相对压力P/P0为0.05-0.3 范围内至少进行3 个压力点的测试，且BET 方程相关系数需大于0.9975：1、有关BET 比表面积的测量和计算：首先需要明确的是，BET 比表面积是通过多层吸附理论（BET 方程）计算出来的，而不是测出来的。我们需要测定的是液氮温度下的样品对氮气吸附的等温线，而发生多层吸附的区域多数是在P/P00.05-0.3 的范围内，吸附曲线在这里进入平台区（图1）。BET 理论恰恰需要在这个阶段的吸附数据计算比表面积。完整的BET 报告必须包括比表面值、回归曲线、相关系数和C 常数（C 值，图2）。         图1 一种α氧化铝的吸附等温线片段（P/P0 0.05-0.35）              图2 由图1 计算得到BET 曲线及完整的报告信息2、有关BET 计算的P/P0 取点：众所周知，药典是制药行业的宪法，是基本法，也就是最低标准。0991 的相关数据应该引自美国药典USP846，适用于介孔材料。但是，随着近些年纳米科技的发展和新型药品的研发成功，需要进行比表面积和孔径分析的材料越来越多，多微孔纳米载体材料控制药物缓释速度已经开始应用。而这些材料的多层吸附区域会前移，也就是可能到P/P0 为0.01~0.15 的范围，这样药典中的取点范围就显得不合时宜了。因此，判断BET 计算结果可靠性的标准应该是C 值大于0 和回归系数大于0.9999。（延伸阅读：杨正红：《物理吸附100 问》化工出版社，2016 年）3、有关BET 方程相关系数：回归曲线的相关系数R=0.9975 是一个过于粗放的低端要求，来源于20 年前的技术水平。由于比表面测定过程中有许多不可控因素，所以很难获得稳定重复的结果。因此，业内有“BET 差5%不算差”的说法，由此，按允许偏差±5 计算：R = （1+0.0500）x （1-0.0500）= 0.997500这显然是一个到达极限的最低标准，对于用于质量控制的比表面测定是难以忍受的。而目前所有的全自动物理吸附分析仪都标榜重复性偏差不超过±2，这意味着：R = （1+0.0200）x （1-0.0200）= 0.999600也就是说，R 值不应该低于0.9996。如果按常规质检要求，重复性允许偏差±1 计算，则对R 值的最低要求为：R = （1+0.0100）x （1-0.0100）= 0.999900即回归曲线的相关系数不小于四个9（R > 0.9999）。4、iPore 400 多站比表面分析仪测定小表面样品的重复性：iPore 400 是理化联科最新开发的按照欧洲标准设计制造的4 站或6 站比表面和孔径分析仪，专门为了解决超低比表面材料的质量控制的痛点问题。该仪器从影响比表面测定的因素入手，严格控制由温度、体积和压力测量带来的误差，采用了一系列新技术，配合全自动智能脱气站，建立了新一代物理吸附仪的技术标准（图3）。它包括：（1） 全域自动恒温系统：拥有双路进气预热及0.02℃高精度恒温系统，可根据需要在35-50℃之间设定恒定温度；实时显示全区域气路和歧管的系统温度，克服环境带来的误差。（2） 压敏死体积恒定技术：通过压力传感器和伺服反馈电梯精确控制液氮液位，保持分析过程中死体积恒定。图3 iPore 400 全自动物理吸附分析仪和iBox 26 智能脱气站（3） 32 位芯片及电路系统：采用全新32 位芯片及电路系统，相比24 位系统，压力传感器分析精度提升30 倍以上，确保超低比表面测量的极致精度。这些新技术的采用，可以用氮吸附测定0.005 m2/g 左右的比表面积，大大突破了常规氮吸附的比表面下限极值（0.01m2/g）（图4）。仪器的长期稳定性是低比表面材料样品质量检测和质量控制的基础保证。为了验证新技术的准确性和长期稳定性，使用氮气测试比表面标准样品(标称值0.221±0.013m2/g，氪吸附)的重复性偏差（表1）。结果表明，iPore 400 的即时重复性偏差优于0.1%，一天重复性偏差优于0.6%，四天长期稳定性优于1.0%！性能的全面优化使BET 比表面测定长期重复性达到空前水平！图4 一种电解质膜的BET 比表面（左图），及吸附等温线和孔径分布（右小图）。BET 比表面积=0.0076m2/g！表1 超低比表面标准品比表面长期稳定性实验iPore 400 可以配置6 个独立的分析站（图5），具有极高的通量，不仅节省分析时间，提高了分析效率，而且6 个站BET 测定结果具有高度的一致性，重现性偏差同样优于1%（表2）。表2 低比表面石墨样品比表面平行测定实验（红色数据是12 次测量结果的标准差）图5 iPore 400 全自动物理吸附分析仪气路结构透视图二、iPore 400 为药企行业比表面积测定带来的惊喜——用氮吸附替代氪吸附：药品多为有机化合物，比表面值一般都很低。新版中国药典0991 指出，对于比表面积小于 0.2m2/g 的供试品，为避免测定误差，可选用氪气作为吸附质；也可选用氮气作为吸附质，但必须通过增加取样量，使供试品总表面积至少达到 1m2 方可补偿测定误差。氪气（Kr）因其在液氮温度下的饱和蒸汽压特性，是用于小比表面积样品的精密测试方法。但是，进行Kr 吸附一般至少需要配备10 torr 的高精密压力传感器以及分子泵，以分辨P/P0 在10-5~10-4 的极低压力环境下细微的压力变化，从而保证数据精确且稳定。氪吸附应用到小于0.05 m2 的绝对表面积计算。但是，一般的氪吸附的应用需要配置分子泵和10torr 压力传感器，这给企业带来了额外的成本负担。iPore400 的黑科技可以在标准配置（机械泵和1000torr 压力传感器）的条件下满足氪吸附的应用要求，P/P0 下限达到可重复的10-5（图6），这给企业带来了第一层惊喜！图6 iPore 400 全自动物理吸附分析仪COF 测定的等温吸附曲线，在机械泵条件下，P/P0 下限可到10-5，并且可完全重复测定！其实，在77.4K 的氪吸附实际还存在着许多问题，如其吸附层的性质和热力学状态并不明确，是固体还是液体？应该参照何种状态来计算P/P0？与此连带的一些问题是，在远远低于三相点温度的环境下，氪作为被吸附相有怎样的浸润特性（因为在BET 方法中，假设吸附质相完全浸润）？在77K 的氮吸附中，可以观察到几乎所有材料都被完全浸润的特性，但在低于三相点温度时，这种情况可能是不同的。 另一个不确定因素是氪分子的有效横截面积，它非常依赖于吸附剂表面，因此没有被很好地建立起来。从氪的过冷液体密度计算出的横截面面积是0.152 nm2 (15.2 Å2），但通常会用较大的横截面面积值，甚至高达0.236 nm2（23.6Å2）。采用较多的横截面积值是0.202 nm2（20.2 Å2）。除此之外，氪气的成本是氮气的240 倍，这意味着氪吸附测定需要高昂的实验成本，会极大加重企业负担。为此，理化联科iPore 400 新一代气体吸附分析技术已经用氮气成功地实现了氪吸附领域的超低比表面积测定（图4）。这给企业带来了第二层惊喜！图7 一种比表面为0.04m2/g 的金属氧化物吸附等温线和BET 比表面曲线a 和b：iPore 400 两次测定的结果，比表面积值可以完全重复；c:：iPore 400 关闭死体积恒定功能的结果，可见BET 回归系数下降，脱附曲线受液氮挥发导致的死体积变化，已经完全变形 ；d：其它品牌仪器所测的结果，吸附量被仪器本身的噪声所掩盖，等温线显示为仪器本底的随机噪声曲线为了进一步验证上述研究成果的可靠性，我们用氮吸附测试了一个比表面积仅0.04m2/g 的金属氧化物的完整吸附等温线和BET 曲线，不仅两次测定（图7a 和b）相关系数都在0.9999 以上，而且BET 比表面完全重复！当关闭iPore 400 的死体积恒定功能再进行测试时，虽然BET =0 .032 并且相关系数R=0.9987，依然满足药典0991 要求（图7c），但可以看到数据质量已经很差，脱附曲线已经完全变形。而常规的氮吸附分析仪器的噪音已经完全掩盖了该样品的微弱吸附量，无法分辨（图7d）。iPore 400 技术突破也为纳米薄膜的孔径分布分析带来佳音，这种吸附量极低的孔径分析不再需要液氩温度下的氪吸附，只需要按照常规操作即可（图4 右）。工欲善其事，必先利其器!贯彻药典新规和GB/T 19587-2017 标准，准确测定原料药、药用辅料及其产品的比表面和孔径，进行精确的质量控制或检验，需要性能全面优化的可涵盖各种药用试品的分析仪器。配合iBox 26 全自动智能脱气站，iPore400 全自动比表面和孔径分析仪的一系列创新和突破，引领了下一代物理吸附分析仪的新标准。它的高稳定性、高重复性、高效率、超高性价比为中国企业全面贯彻中国药典0991 带来了不断惊喜！