Determinación de tamaño y distribución de partículas por difracción láser
DETERMINACION DE TAMAÑO Y DISTRIBUCIÓN DE PARTICULAS POR DIFRACCIÓN LÁSER DE SOLIDOS Y SUSPENSIONES EN LA PRODUCCIÓN, CONTROL DE CALIDAD, INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
La difracción láser para una determinación rápida y confiable del tamaño de partículas es casi indispensable en el control de calidad moderno. Las áreas de aplicación cubren virtualmente todas las ramas de la industria. La difracción láser se puede encontrar en la recepción pero también en la inspección previa a la entrega de los materiales base en la que su tamaño de partícula es significativo para la procesabilidad o para la calidad, y para el producto final directamente relacionado, o para controlar los pasos individuales del proceso donde se determina la distribución del tamaño de los productos intermedios.
PRINCIPIO DE MEDICION
El principio subyacente de la difracción láser es muy simple: difracción o dispersión de la luz en una partícula producida por la distribución de intensidad dependiente del ángulo, que consiste en un sistema de anillo con áreas claras y oscuras. Dependiendo del tamaño de partícula, los intervalos de las áreas claras y oscuras varían, las partículas pequeñas generan intervalos de anillo grandes y partículas grandes. Con la ayuda de la teoría de MIE, las distancias de los anillos se pueden calcular exactamente.
REALIZACION PRÁCTICA
Para medir el tamaño de una partícula un rayo láser se dirige hacia ella. La desviación parcial del haz láser crea una distribución de intensidad característica con forma de anillo detrás de la muestra que puede medirse con un detector especial. El tamaño de partícula se calcula basándose en la separación de estos anillos: las partículas de mayor tamaño producen anillos más unidos, mientras que las partículas más pequeñas producen anillos más separados entre sí.
Las muestras más realistas, sin embargo, no muestran tamaños de partículas individuales, sino que consisten en partículas con una banda ancha de diámetros variables. Por lo tanto, se superponen muchos sistemas de anillos diferentes. Con la ayuda de un proceso matemático, estas superposiciones se despliegan virtualmente y, como resultado, se obtiene la distribución del tamaño de partícula.
Para ampliación de la determinación del tamaño de partícula hasta el rango nano es necesaria la detección de la luz difractada hacia atrás. Por eso FRITSCH diseñó un TERCER HAZ DE LUZ. Este haz irradia la muestra a través de un micro agujero en el centro del detector. Su ventaja: el inigualable rango de medición del ANALYSETTE 22 Nanotec con un límite de medición de aproximadamente 0.01 μm y en lugar de un débil diodo, FRITSCH utiliza un intenso haz láser para la difracción hacia atrás. El resultado: una medición muy eficiente y precisa de la difracción trasera sin la complicada coordinación de varios sistemas de detección.
IMPORTANCIA DE LOS ELEMENTOS DEL DETECTOR
La amplitud exacta de los rangos de tamaño individual depende de varios factores, pero el más importante es la resolución angular del detector. Esta depende directamente del número de elementos del detector, y más precisamente, de la proporción del número del área de tamaño de partícula cubierta. Por ejemplo, un rango de tamaño de 0.1 a 100 μm cubierto con 50 elementos detectores, rangos de tamaño claramente más pequeños se pueden calcular sensiblemente a partir de él; a diferencia de cuando cubre un área de 0,1 a 2100 μm, con la misma cantidad de elementos detectores. Básicamente, a partir de unos pocos elementos detectores se puede calcular un gran número de rangos de tamaño, pero esto no tiene sentido. En consecuencia, un factor importante para la evaluación de un instrumento de medición de tamaño de partículas por láser es la cantidad efectiva de elementos detectores.
PARÁMETROS DE DISPERSIÓN
Como ya se mencionó, el material de muestra se distribuye continuamente a través de una celda de medición. Lo más importante aquí es que las partículas individuales están separadas y no aglomeradas.
Básicamente, diferenciamos entre dispersión seca y húmeda. Durante la dispersión seca, la muestra se acelera a través de un sistema de chorro adecuado en una corriente de aire. Debido a las fuertes fluctuaciones de la presión en la salida del chorro, el material está muy inclinado, lo que provoca una ruptura de al menos los aglomerados más grandes.
Hasta qué tamaño mínimo de partícula la ruptura funciona fuertemente, depende del material examinado, ya que las fuerzas entre las partículas individuales pueden variar mucho.
En condiciones favorables la dispersión seca se puede utilizar por debajo de 1 μm; una medida seca en el rango nano normalmente no es posible. Mucho mejor pueden ser las muestras difíciles procesadas por dispersión húmeda. Aquí el material de muestra se agrega a un circuito cerrado líquido (la concentración típica en función de los rangos de material en el área del centésimo al décimo por ciento en volumen), en el que generalmente también se integra una fuente ultrasónica que con suficiente energía puede ser bombeada a los aglomerados. Los aglomerados de partículas claramente más pequeñas pueden ser improbables con la dispersión seca. Básicamente hay que decir que con muchas muestras la elección de los parámetros de dispersión adecuados (líquido, ultrasonido, surfactantes, etc.) determina el desafío final durante la medición de la distribución del tamaño de partícula.
DISPERSION VARIABLE
Con los modernos instrumentos de medición de partículas láser, la flexibilidad de las posibilidades de dispersión es de importancia central.
Por ejemplo, la unidad de dispersión húmeda del ANALYSETTE 22 NanoTec ofrece la posibilidad de ajustar no sólo la velocidad de bombeo, sino también la intensidad ultrasónica. Adicionalmente, tres grados diferentes de llenado del circuito cerrado líquido pueden ser elegidos, y los materiales utilizados (acero inoxidable, vidrio, viton y PTFE) permiten el uso de los disolventes orgánicos más prevalentes.
El sistema está diseñado modularmente: todos los módulos de dispersión del ANALYSETTE 22 se pueden conectar a la unidad de medición individualmente o combinados. Dependiendo de la medición a realizar, puede elegir entre la unidad de dispersión en seco o en húmedo. Las células de medición se encuentran en unos prácticos cartuchos que pueden extraerse fácilmente al cambiar entre mediciones en seco y húmedo SIN NECESIDAD DE CAMBIAR LAS MANGUERAS O MODIFICAR EL INSTRUMENTO. Con este sistema, incluso la limpieza de la celda de medición es muy simple. Además, siempre que no esté utilizando el cartucho, éste puede ser fácilmente almacenado en la unidad de dispersión correspondiente, perfectamente limpio y ordenado.
A través de la trayectoria óptica plegada y la utilización de un láser verde y también infrarrojo, se obtiene un rango de medición muy amplio (0.01 hasta 2100 μm), no obstante con dimensiones muy compactas. Destaca especialmente la flexibilidad del software de control con el que incluso se pueden resolver tareas complejas de dispersión.
DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULAS EN APLICACIONES FARMACÉUTICAS
La mayoría de los medicamentos para desplegar su plena efectividad tienen que llegar al torrente sanguíneo. Como norma, esto ocurre por vía oral, a través de los intestinos, por inyecciones o con infusiones y con las llamadas “nuevas formas de dosificación farmacéutica”.
Se consideran, por ejemplo, los sistemas transdérmicos que a través de la piel absorben una dosis específica de medicamento o polvos micronizados, mientras que la dosis específica es por pulmón (pulmonar) o inhalada con la membrana mucosa de la cavidad nasal (nasalmente) y se distribuye a través del torrente sanguíneo.
La diferente biodisponibilidad para las diversas formas farmacéuticas está, entre otras cosas, claramente influenciada por el tamaño de partícula de la sustancia portadora o el ingrediente activo en sí mismo, que es crítico en lo que respecta a una recomendación de dosis razonable.
Mientras tanto, los polvos de juego como una forma de dosificación de tipo independiente son solo una parte menor como material de base para otros tipos de formas de dosificación, aunque siguen siendo importantes. Además de su importancia para la eficacia de los fármacos, la distribución del tamaño de partícula juega un papel importante en el proceso de producción (control de calidad) y en el desarrollo de adecuados métodos de fabricación y plantas.
El siguiente es un ejemplo para la distribución del tamaño de partícula de la ampicilina, un antibiótico semisintético del grupo de antibióticos beta-lactámicos (penicilina). Se midió respectivamente con una unidad de dispersión de pequeño volumen en hexano ya que el material de la muestra se disuelve en agua e incluso en otros disolventes. Antes de la medición real, había una suspensión preparada externamente durante 30 segundos pre dispersada en un baño de ultrasonidos.
Ilustración 1: Datos y Características medición de tamaño de partículas en PROCAIN
Ilustración 2: Ejemplo de distribución de tamaño de partícula de la AMPICILINA
EJEMPLO DE MEDICION: PRODUCTOS LÁCTEOS
La ilustración 1 muestra como ejemplo de medición la curva acumulativa para tres productos lácteos diferentes. Para esto, una pequeña cantidad de material de muestra se agrega al circuito cerrado líquido y se trata durante un tiempo determinado con ultrasonido. Se puede distinguir claramente que las partículas más finas son las de la leche homogeneizada, mientras que la crema muestra gotas de grasa sustancialmente más grandes.
Ilustración 3: Distribución de tamaño de partícula de leche homogeneizada (roja) y crema (azul)
Ilustración 4: Curvas acumulativas de medición en cuatro tipos diferentes de chocolate
EJEMPLO DE MEDICION: CHOCOLATES
Un segundo ejemplo muestra la medición de cuatro tipos diferentes de muestras de chocolate: dos chocolates con leche y dos marcas con un contenido de cacao muy alto.
El chocolate con leche muestra los diámetros de tamaño de partícula claramente más grandes y, además, el producto más caro (negro) muestra una distribución de tamaño de partícula algo más fina que el chocolate con leche menos costoso, que se expresa en una sensación bucal algo más suave. Además, se hace evidente una clara diferencia: un chocolate con un 99% de contenido de cacao (rojo) vuelve a ser claramente más fino que un chocolate con un 70% de contenido de cacao.
En la Ilustración 2 se muestran las curvas acumulativas de los cuatro tipos diferentes de chocolate con el ANALYSETTE 22 NanoTec. Resulta muy Importante al medir el chocolate la utilización de un solvente adecuado, de lo contrario, las celdas de medición se ensucian rápidamente y la reproducibilidad claramente sufre.
PREPARACIÓN DE MUESTRAS – LA BASE DE TODO
Obtener una perfecta preparación de muestra evita que se presenten errores para los análisis posteriores. Por lo tanto, la creación confiable de submuestras representativas garantizadas desempeña un papel fundamental. Generalmente, la muestra disponible para el laboratorio puede ser de 2000 g, mientras que la cantidad utilizada para el análisis es inferior a 200 mg. Por lo tanto, debemos tener un método preciso de subdividir la muestra de laboratorio para que los 200 mg de prueba utilizados para el análisis sean totalmente representativos del original. Esta es la situación ideal y sólo se puede lograr con un divisor de muestras preciso.
El divisor de muestras utilizado para los ejemplos anteriormente mencionados, el LABORETTE 27 de cono rotatorio de FRITSCH, permite dividir muestras totales de hasta 300 ml en 30 muestras individuales en un solo paso.
SOBRE EL EQUIPO
El ANALYSETTE 22 NanoTec es el equipo de la marca alemana FRITSCH que se destaca mundialmente por su precisión en la determinación del tamaño de partícula. Con un amplio rango de medición de 0.01 – 2000 μm en un solo instrumento, este equipo es universalmente aplicable para el análisis eficiente del tamaño de partículas en el rango nano.
La innovadora tecnología láser de FRITSCH permite seleccionar por separado 5 rangos de medición diferentes. Independientemente de la posición de medición seleccionada, el ANALYSETTE 22 Nanotec siempre utiliza los 57 canales de medición del detector. Mediante la combinación de las diferentes posiciones es posible realizar mediciones con hasta 165 canales efectivos. Su ventaja: una resolución y sensibilidad especialmente altas.
Este equipo es modular y consiste en una unidad de medición compacta que puede ser rápida y fácilmente combinada con varias unidades de dispersión para mediciones en húmedo y seco. Cuenta con un fácil sistema de acoplamiento que le permite cambiar rápidamente entre las diferentes unidades de dispersión simplemente cambiando el cartucho que contiene la célula de medición.
El ANALYSETTE 22 finaliza la mayoría de las mediciones en menos de 1 minuto, quedando listo para ser usado de nuevo inmediatamente.
Realiza un análisis totalmente automático, permite visualizar directamente en pantalla los resultados organizados, imprimir o guardar un informe personalizado según sus necesidades.
Con el ANALYSETTE 22 la medición de partículas se convierte en una tarea sencilla tanto para profesionales como para cualquier usuario con sólo unas breves indicaciones. No se requiere ningún conocimiento previo. Simplemente inicia el programa, selecciona un SOP y añade la muestra. El resto tiene lugar de forma totalmente automática.
Es ideal para la determinación de las distribuciones de tamaños de partículas de muestras en polvo, de sólidos en suspensiones y de emulsiones. El instrumento es perfectamente adecuado para la utilización en producción y control de calidad, así como en investigación y desarrollo.
En relación al divisor de muestras mencionado en esta nota, LABORETTE 27, está disponible con una relación de división de 1:30 entre otras. Esto permite dividir muestras totales de hasta 300 ml en 30 muestras individuales en un solo paso. Además, los conos de división con relaciones de 1: 8 o 1:10 están disponibles en diferentes materiales para que puedan ser combinados con diferentes tipos de muestras.
El diseño se basa en la combinación de 3 métodos de división dentro de un solo instrumento. La muestra se alimenta a un cono divisor a través de una tolva. El cono divisor está diseñado para emular el proceso de “Coning & Quartering”, que se reconoce como la técnica más precisa para la división de muestras. Todo el sistema gira y el material de la muestra se acelera hacia el exterior para que se transfiera a los canales de guía, lo que garantiza que se recolecten hasta 30 muestras individuales. La rotación del cono divisor aumenta el número de divisiones hasta 2,600 por minuto, por lo tanto, la muestra final se compone de un gran número de muestras individuales.
INSTRUMENTALIA, Representante Exclusivo de FRITSCH en Argentina, comercializa toda la gama de equipos, brinda asesoramiento especial, capacitaciones y muestras dee quipos en su showroom. Para mayor información, puede visitar la página web o enviar un correo para ser contactado: www.instrumentalia.com.ar – novedades@instrumentalia.com.ar
