Modelando o Futuro da Caracterização de Partículas com Dispersão de Luz

Esta entrevista foi publicada originalmente em AZoM.com em 7 de julho de 2025.

A dispersão de luz tem sido há muito tempo uma técnica fundamental na caracterização de partículas em uma ampla gama de disciplinas científicas. Dos produtos farmacêuticos à produção de alimentos, e da nanomedicina à análise ambiental, sua versatilidade e precisão a tornam indispensável. À medida que a inovação tecnológica acelera, novos desafios e oportunidades estão renovando a aplicação da dispersão de luz, especialmente à medida que a automação, a IA e os métodos avançados de detecção avançam.

Nesta entrevista, a AZoMaterials fala com especialistas da Malvern Panalytical, uma empresa na vanguarda da inovação em dispersão de luz, para explorar o panorama atual e o potencial futuro da técnica. 

A dispersão de luz tem sido uma ferramenta fundamental na caracterização de partículas por décadas. Você pode nos dar uma visão geral de como essa técnica funciona e por que ela é tão essencial?

A dispersão de luz é uma técnica versátil e não invasiva usada para caracterizar partículas dispersas. Existem diferenças em como as técnicas individuais de dispersão de luz funcionam, mas o mesmo princípio fundamental é aplicado – nomeadamente, quando um feixe de luz interage com partículas dispersas, ele se dispersa em várias direções.

Pegue a difração a laser, por exemplo, que é usada para obter informações sobre o tamanho das partículas desde a escala submicrométrica até vários milímetros. Nesse caso, estamos interessados na dependência angular média no tempo da luz dispersa, que depende dos tamanhos e distribuição de tamanho das partículas dispersas. Medindo-se a intensidade da luz dispersa em uma ampla faixa angular, é possível calcular uma distribuição de tamanho de partículas (PSD).

Por outro lado, a Dispersão de Luz Dinâmica (DLS) é usada para partículas em nanoescala (alguns micrômetros a nanômetros). A dispersão de nanopartículas ainda é dependente do ângulo, em maior ou menor grau, mas em vez de olhar para os dados angulares, estamos interessados na dependência temporal da dispersão. Medimos a intensidade da dispersão ao longo do tempo em um ou mais ângulos específicos – os ângulos utilizados dependem da informação requerida. A rapidez ou lentidão com que a intensidade da dispersão varia ao longo do tempo está relacionada ao movimento browniano das partículas dispersas. Portanto, isso nos dá uma medida de seu tamanho e largura de distribuição (polidispersidade), e uma análise secundária pode fornecer distribuições de tamanho.

A dispersão de luz é essencial porque fornece medições absolutas sem a necessidade de padrões de calibração externos, tornando-a altamente confiável para caracterizar uma ampla gama de tipos de amostra. Determinar propriedades como tamanho de partículas, forma e peso molecular é fundamental para entender como os materiais e processos irão se comportar em campos tão diversos quanto farmacêuticos, fabricação de baterias e mineração.

Malvern Panalytical tem sido por muito tempo um pioneiro no campo da dispersão de luz, especialmente com linhas de instrumentos como Mastersizer (para difração a laser) e Zetasizer (para dispersão de luz).

Quais são alguns dos avanços mais significativos em técnicas de dispersão de luz nos últimos anos e como eles melhoraram a caracterização de partículas?

Uma área de avanço significativo foi nas capacidades de processamento de computadores, o que melhorou significativamente o manuseio de dados em técnicas de dispersão de luz. Sistemas de dispersão de luz, como o Mastersizer, usam processadores potentes para analisar conjuntos de dados maiores com maior rapidez e precisão; e a possibilidade de usar computação em nuvem expandirá ainda mais a capacidade de processamento. Esta capacidade é crucial para estudar amostras complexas e obter distribuições detalhadas de tamanho de partículas. O processamento de dados aprimorado também suporta algoritmos inteligentes que podem diferenciar entre variações sutis em distribuições de tamanho de partículas, o que fornece insights mais profundos sobre as propriedades da amostra.

Os tipos de medições adaptativas da Malvern Panalytical – Correlação Adaptativa na série Zetasizer Advance e Difração Adaptativa no Mastersizer 3000+ ajustam dinamicamente os parâmetros de medição com base em dados em tempo real, otimizando a precisão e confiabilidade dos resultados. Essas inovações garantem que nossos instrumentos forneçam a caracterização de partículas mais precisa e detalhada da sua amostra e dão confiança aos nossos usuários em seus dados.

Outras novas abordagens para a realização de medições de dispersão de luz foram introduzidas na última década. A dispersão de luz dinâmica em múltiplos ângulos (MADLS) usada pelo Zetasizer é significativa. MADLS mede a luz dispersa em múltiplos ângulos, proporcionando uma análise abrangente das distribuições de tamanho de partículas em amostras polidispersas, além de mais precisão para amostras monomodais. Esta abordagem aumenta a precisão das medições e é particularmente útil para amostras complexas com uma ampla gama de tamanhos de partículas.

E então você tem automação e inteligência artificial, que estão começando a ser incorporadas em instrumentos de dispersão de luz convencionais. A automação diz respeito a permitir maiores rendimentos, de modo a testar mais amostras e reduzir a necessidade de intervenção do operador, que pode ser uma fonte significativa de incerteza. A IA, por outro lado, abre muitas possibilidades emocionantes para o manuseio de dados e obtenção de insights sobre seus dados.

Um dos desafios na dispersão de luz é analisar com precisão sistemas polidispersos ou complexos. Quais estratégias ou inovações estão ajudando a superar essas limitações?

Analisar sistemas polidispersos ou complexos pode ser desafiador e estamos cada vez mais vendo amostras se tornarem mais complexas dessa maneira. Felizmente, inovações realizadas pela Malvern Panalytical, como a dispersão de luz dinâmica em múltiplos ângulos (MADLS) e técnicas avançadas de processamento de imagem, estão ajudando a resolver essas limitações. MADLS, por exemplo, proporciona uma análise mais abrangente ao medir a luz dispersa em múltiplos ângulos, melhorando a precisão da distribuição do tamanho em amostras polidispersas e fornecendo uma reflexão mais precisa da distribuição do tamanho da amostra ao remover o viés angular. Plataformas experimentais combinando dispersão de luz com sensores de imagem têm mostrado potencial na análise de sistemas complexos.

Como campos emergentes como nanotecnologia e biofarmacêuticos influenciam a evolução dos métodos de dispersão de luz?

Técnicas de dispersão de luz como DLS têm sido muito importantes na caracterização de alguns dos recentes avanços emergentes, por exemplo, na nanomedicina – não só para seu tamanho básico, mas também na compreensão de sua estabilidade de formulação e biodisponibilidade. Esses sistemas são vastamente mais complexos que emulsões ou dispersões típicas, pois também são funcionais. Eles devem estar no “arranjo” correto e manter essa estrutura para que possam atuar. Isso nos leva a examinar como podemos melhor suplementar os dados de dispersão de luz para fornecer esses insights cada vez mais importantes nessas novas áreas de aplicação.

Você mencionou automação e IA como duas áreas de avanço para a dispersão de luz. Você pode elaborar como vê essas tecnologias moldando o futuro da dispersão de luz na pesquisa e na indústria?

Uma tendência recorrente que observamos é uma progressiva redução da experiência necessária dos usuários dos sistemas de dispersão de luz. Nem todo usuário deseja ou tem tempo para se tornar um especialista no Mastersizer ou Zetasizer, por exemplo. Pesquisadores e cientistas industriais enfrentam demandas crescentes em seu tempo e nos recursos disponíveis e muitos querem que os instrumentos de dispersão de luz façam o máximo possível do trabalho pesado quando se trata do fluxo de trabalho de medição. Soluções automatizadas, como o Assistente de Amostras do Zetasizer, podem cuidar do manuseio e apresentação das amostras, enquanto ferramentas como o Architect SOP do Mastersizer podem ajudar os usuários a desenvolverem seus métodos.

Automação e IA também estão ajudando com a crescente necessidade de alto rendimento de amostras e extensos conjuntos de dados. Os clientes precisam de grandes quantidades de dados em que possam confiar, garantindo que a qualidade e a quantidade sejam atendidas.

Quais são algumas das aplicações mais inesperadas ou revolucionárias de dispersão de luz que surgiram recentemente?

Uma das grandes coisas sobre a dispersão de luz é que ela se aplica à maioria das indústrias e campos de pesquisa, e somos lembrados disso repetidamente no trabalho fascinante, e às vezes inesperado, realizado por nossos clientes.

Uma aplicação notável é o desenvolvimento de vacinas, particularmente durante a pandemia de COVID-19, onde a dispersão de luz foi crucial. O Zetasizer tornou-se uma ferramenta essencial para os desenvolvedores de vacinas, ajudando-os a analisar o tamanho e a estabilidade das nanopartículas usadas em vacinas. Essa tecnologia garantiu que as vacinas fossem eficazes e seguras, contribuindo significativamente para o rápido desenvolvimento e implantação de vacinas contra a COVID-19.

Também estamos vendo mais interesse em microplásticos, e por boas razões. Os microplásticos são pequenos pedaços de plástico com menos de 5 mm de tamanho, e eles se originam de itens do cotidiano como plásticos de uso único, roupas e produtos de cuidado pessoal. Esses plásticos entram no ambiente e na cadeia alimentar, representando riscos à saúde humana e ao ecossistema. O projeto MOMENTUM, na Holanda, está usando dispersão de luz para caracterizar microplásticos. Com o uso do Mastersizer, seus pesquisadores podem dimensionar amostras e criar “Passaportes de Microplásticos”, que ajudam a rastrear e entender o impacto desses poluentes.

Um exemplo final de uma nova aplicação empolgante é a fermentação de precisão. Isso envolve o uso de micróbios modificados – como bactérias, leveduras ou fungos – para produzir ingredientes funcionais como proteínas para substitutos de carnes ou laticínios. Esse método está ganhando tração à medida que o mundo busca reduzir o impacto ambiental da agricultura tradicional e melhorar a resiliência do suprimento global de alimentos. A dispersão de luz é vital nesse processo para controlar o tamanho das partículas para garantir que os produtos alimentícios tenham uma estrutura consistente e sejam agradáveis ao consumo. Ela ajuda a avaliar a estabilidade das proteínas para prevenir a agregação e potencial perda de rendimento.

Em termos de precisão e sensibilidade de medição, quais são as áreas-chave onde a tecnologia de dispersão de luz ainda está evoluindo?

A tecnologia de dispersão de luz está continuamente evoluindo, mesmo após décadas de desenvolvimento sustentado. Algumas áreas-chave se destacam em termos de precisão e sensibilidade de medição.

Uma dessas áreas-chave são as melhorias na tecnologia de detectores, que aumentaram significativamente a precisão e sensibilidade das medições de dispersão de luz. Detectores modernos, como câmeras CCD de alta sensibilidade, fotodiodos de avalanche (APDs) e arrays de fotodiodos, são agora mais eficientes na captura de sinais de luz dispersa. Esses avanços permitem melhor detecção de sinais de baixa intensidade, que são cruciais para a análise de partículas pequenas ou amostras de baixa concentração.

A Malvern Panalytical está melhorando a sensibilidade da difração a laser para partículas grossas. O Mastersizer 3000+ introduziu recursos inovadores como o Size Sure, usando Difração Adaptativa, que ajuda nisso. Isso é particularmente importante para indústrias como a fabricação de baterias, onde partículas grossas podem causar curtos-circuitos no cátodo e no ânodo.

O campo da dispersão de luz também está avançando através do desenvolvimento de melhores práticas para o desenvolvimento de métodos e medições. Por exemplo, a publicação ISO/TS 5973 fornece diretrizes abrangentes para medições de difração a laser, cobrindo desde a preparação da amostra até a interpretação dos dados. Esse padrão ajuda a garantir que as medições sejam consistentes e confiáveis, o que é essencial para alcançar alta precisão e sensibilidade em experimentos de dispersão de luz.

À medida que as indústrias buscam caracterização de partículas em tempo real e em linha, que desafios e oportunidades isso apresenta para as técnicas de dispersão de luz?

A caracterização de partículas em linha está se tornando cada vez mais comum na indústria, à medida que buscam um feedback mais imediato de seus processos e tentam reduzir a necessidade de laboratórios para realizar caracterização fora de linha, o que pode ser caro. Esta mudança da caracterização fora de linha para a caracterização em linha apresenta alguns desafios para a dispersão de luz. Com cada desafio vem a oportunidade de desenvolver ainda mais as técnicas de dispersão de luz e alavancar outras tecnologias para encontrar uma solução.

Um dos principais desafios é garantir a equivalência entre métodos de caracterização em linha e fora de linha. Pode ser interessante comparar dados de diferentes estados da cadeia de suprimento, como durante o processamento usando métodos em linha e controle de qualidade (QC) usando métodos fora de linha. No cenário ideal, você desejará que os resultados das técnicas concordem. No entanto, as duas abordagens, fora de linha e em linha, geralmente necessitam de diferenças metodológicas, como configuração óptica, que podem impactar a distribuição do tamanho de partículas registrada (PSD). Por exemplo, há a oportunidade de usar consecutivamente diferentes fontes de luz de comprimento de onda para estender seu intervalo de tamanho medido em situações fora de linha, onde a amostra pode ser recirculada; isso não é realmente possível para amostragens em linha.

Lidar com amostras de alta concentração apresenta outro desafio. Em muitos processos industriais, a concentração de partículas pode ser alta, levando a problemas de dispersão múltipla, onde as partículas interferem nos sinais de dispersão uns dos outros. Para medições fora de linha ou em linha, a solução seria diluir a amostra, mas para medições em linha, isso não é uma opção. Isso pode complicar a análise e reduzir a precisão das medições de tamanho de partículas. Técnicas como difração adaptativa e algoritmos avançados estão sendo desenvolvidos para mitigar esses efeitos e melhorar a confiabilidade das medições.

Detectar pequenos números de partículas grossas é crucial em indústrias como fabricação de tintas e tintas, onde mesmo algumas partículas grandes podem impactar significativamente na qualidade do produto. É necessária uma análise rápida e abrangente para garantir que partículas grossas não sejam perdidas.

Para pesquisadores e cientistas que procuram avançar nesta área, quais áreas de estudo ou inovação você acha que têm mais potencial?

Como em muitos outros campos, a inteligência artificial certamente tem o maior potencial. Já vemos como ela molda nossa capacidade de oferecer ferramentas úteis para fornecer dados de alta qualidade de instrumentos em menos tempo. Estou tão empolgado para ver como a Inteligência Artificial poderia ser usada no futuro para reunir dados de dispersão de luz com outras técnicas de caracterização para desenvolver uma compreensão ainda mais profunda de como as amostras se comportam ou podem ser previstas para se comportar.

Onde os leitores podem encontrar mais informações?

Forneça links para quaisquer materiais que possam ser relevantes para nosso público.

• Dispersão de Luz – Uma Visão Geral | Malvern Panalytical
• Mastersizer | Analisadores de Tamanho de Partículas por Difração a Laser | Malvern Panalytical
• Zetasizer | Instrumentos de Dispersão de Luz Especializados | Malvern Panalytical

• Qual cubeta devo usar com meu Zetasizer?
• PDI de um pico individual em DLS
• D90, D50, D10, e faixa – para DLS?
• Qual é a importância do índice de refração de nanopartículas?
• Modelando o Futuro da Caracterização de Partículas com Dispersão de Luz

Sobre Darrell Bancarz

Darrell Bancarz é um experiente Gerente de Produto especializado em nanomateriais na Malvern Panalytical, com sede em Worcestershire, Inglaterra. Com mais de vinte anos na empresa, ele traz uma expertise aprofundada em instrumentação científica e análise de materiais. Antes de seu papel atual, Darrell atuou como Gerente de Serviços de Aplicações, contribuindo para soluções focadas no cliente e suporte técnico. Seu trabalho apoia a inovação na ciência dos materiais e fabricação avançada.

Sobre Paul Senior

Paul Senior é Gerente de Produto especializado em micro-materiais na Malvern Panalytical, responsável pela linha Mastersizer. Com mais de oito anos de experiência em caracterização de materiais, ele trabalhou em CROs, P&D de instrumentos e gestão de produtos. Seus interesses incluem reologia e caracterização de partículas usando técnicas como difração a laser, DLS, NTA, Morphologi e análise de área de superfície BET.