Nassanalytik mit Laserbeugungsverfahren

Nassanalytik mit Laserbeugungsverfahren 

Einleitung 

Nassanalytikmethoden werden häufig eingesetzt, um reproduzierbare Ergebnisse in der Laserbeugung zu erzielen. Diese Methode ist für die Analyse einer breiten Palette von Partikelgrößen geeignet, von Pigmenten im Mikrometerbereich bis hin zu Sand oder Sedimenten. Besonderes Augenmerk liegt auf der Messung von Suspensionen mit großen oder unterschiedlich großen Partikeln und der Problemlösung durch Anpassung der Viskosität des Dispersionsmittels. 

Im Laserbeugungsverfahren können verschiedene Dispersionsmittel verwendet werden, wodurch eine einfache Dispersion unterschiedlicher Partikel ermöglicht wird. Im Gegensatz zur Trockendispersion kann die Stabilität der Dispersion optimiert werden, da die Dispersionsenergie in der Nassmethode höher ist.

Daher wird die Nassanalytik oft als einzig sinnvolle Methode für die reproduzierbare Dispersion von Mikrometerpartikeln angesehen. Dies gilt insbesondere für große Partikel, die viskos oder stark aggregiert sind. Probleme mit der Partikelzerbrechlichkeit, die bei der Trockendispersion auftreten können, sind bei der Nassanalytik weniger relevant.

Gute Ergebnisse in der Nassanalytik sind jedoch nur dann möglich, wenn der Analyst die präzise Analysenmethode entwickelt und anwendet. Diese Anwendungshinweise konzentrieren sich darauf, wichtige Elemente für die Festlegung der SOP bei der Anwendung des Laserbeugungsverfahrens in der Nassanalytik zu erläutern. Die Einrichtung der Laserbeugungsmessung ist einfach, jedoch müssen dafür wichtige Faktoren in Bezug auf das Probenhandling beachtet werden.

• Die repräsentative Probenmenge für die Analyse widerspiegelt die Gesamtprobe.
• Auswahl des Dispersionsmittels zur Pulverdispersion sowie Zusatzstoffe zur Stabilisierung.

Der Benutzer sollte geeignete Dispersionsgeräte in Betracht ziehen, um reproduzierbare Ergebnisse sowohl im aggregierten als auch im gut dispergierten Zustand zu erzielen. Dies kann durch die Anpassung folgender Punkte erreicht werden:

• Einstellungen für die Messung und Obskuration sowie weitere Analyseeinstellungen
• Dispersionsenergie bei der Probenverteilung mittels Ultraschall.

Es wird angenommen, dass der Benutzer mit dem Betrieb des grundlegenden Laserbeugungssystems vertraut ist, insbesondere im Zusammenhang mit den Nassverteilern Hydro 2000S, Hydro 2000G und Hydro 2000MU des Mastersizer 2000 Modells. Diese Geräte ermöglichen in Echtzeit die Verarbeitung und Ultraschallbehandlung der Probe. Der Entwicklungsprozess, der hier vorgestellt wird, ist jedoch auch auf andere Nassanalytikgeräte der Malvern Laserbeugungssysteme anwendbar. Die Auswahl der optischen Eigenschaften wurde an anderer Stelle behandelt.

Repräsentativität der Probe

Die Probennahme aus einem Bulk-Material ist im Partikelmessprozess entscheidend. Dies gilt insbesondere, wenn große Partikel (über 70 Mikrometer) vorhanden sind. Aufgrund des volumenbasierten Prinzips der Laserbeugungsmessung beeinflussen selbst geringe Änderungen der großen Partikel im Gemisch das Ergebnis erheblich.
Werden die Probenbedingungen kontrolliert, kann die in ISO13320-1 definierte Reproduzierbarkeit von einer Messung zur nächsten erreicht werden. Die ISO-Standards für die Laserbeugungsmessung liegen innerhalb von 3% bei D(v,0,5) und 5% bei D(v,0,1) und D(v,0,9). Ohne Kontrolle der Probenahme können die Messfehler leicht über 20% anwachsen.

Auswahl des Dispersionsmittels

Die Auswahl geeigneter Dispersionsmittel für die Nassanalytik umfasst mehrere Faktoren:

• Ist es gegenüber dem Laserstrahl ausreichend durchsichtig?
• Ist der Brechungsindex ausreichend unterschiedlich zum Partikel?
• Löst es die Partikel während der Messung nicht auf?
• Kann es die Partikel in einer nicht aggregierten Nassform messen?
• Ist es stabil genug, um Reaggregation zu verhindern?
• Hat es eine akzeptable Viskosität und bildet keine Blasen?

 

 

Wasser ist aufgrund seiner Transparenz und Kosten oft die erste Wahl. Für größere Partikel kann Leitungswasser verwendet werden, auch wenn sich dessen Qualität bei der SOP-Einstellung ändern sollte. Bei kleineren Partikeln (<20 Mikron) sollte deionisiertes Wasser bevorzugt werden, um eine Aggregation durch Salze im Leitungswasser zu vermeiden. Oberflächenaktive Substanzen oder andere Stabilisierungsmittel könnten erforderlich sein, um die Aggregation feiner Partikel zu verhindern.

Viele Materialien, insbesondere Arzneimittel, sind in Wasser gut löslich. Hier können Dispersionsmittel mit geringerer Polarität (siehe Tabelle 1) benötigt werden. Diese Wahl basiert stark auf der Polarität der Substanz gemäß vorherigen Tests. Auch die Kosten wasserunlöslicher Dispersionsmittel sind ein entscheidender Faktor.

Oberflächenaktive Substanzen 

Der erste Schritt eines Nassanalysevorgangs ist das Benetzen der Partikeloberfläche mit dem gewählten Dispersionsmittel. In einigen Fällen kann eine oberflächenaktive Substanz notwendig sein, um das Benetzen zu erleichtern.

Oberflächenaktive Substanzen senken die Oberflächenspannung des Dispersionsmittels und verringern den Kontaktwinkel zwischen dem Dispersionsmittel und der Partikeloberfläche, wodurch die Dispersion unterstützt wird.
 

Die Wahl der oberflächenaktiven Substanz hängt von den chemischen Eigenschaften der Partikeloberfläche und den Eigenschaften des Dispersionsmittels ab. Nichtionische oberflächenaktive Substanzen (z.B. Tween 20/80; Span 20/80) sind in Pharma- oder Lebensmittelbereichen allgemein als sicher anerkannt. In einigen Fällen können anionische (SDS) oder kationische (CTAB) oberflächenaktive Substanzen verwendet werden, die sich auf der Partikeloberfläche anlagern, das Benetzen verbessern und als stabilisierende Barriere gegen Aggregation fungieren.

Anleitungen zur Verwendung von oberflächenaktiven Substanzen basierend auf Partikel- und Dispersionsmitteleigenschaften sind in ISO 14887 beschrieben. In jedem Fall sollte die Konzentration der oberflächenaktiven Substanz kontrolliert werden, da bereits sehr niedrige Konzentrationen eine Wirkung haben (>0,001g/l). Allgemein können ein bis zwei Tropfen einer 10 %igen Lösung der oberflächenaktiven Substanz die Benetzung ausreichend verbessern. Höhere Konzentrationen können in der Dispersionsvorrichtung zu Schaumbildung führen, was zu Fehlmessungen durch Erkennung nicht existierender großer Partikel führen kann.
 

Stabilisatoren 

Nach der Dispersion der Partikel in das gewählte Dispersionsmittel ist es wichtig, Reaggregation zu verhindern. Wassermischungen können durch Steuerung der Leitfähigkeit stabilisiert werden, was der Grund dafür ist, deionisiertes Wasser anstelle von Leitungswasser zu verwenden. Chemikalien wie Sodium Hexametaphosphate, Ammonium Citrate oder Sodium Pyrophosphate können als geladene Stabilisatoren verwendet werden, die die Zeta-Potentiale erhöhen, um die Suspension zu stabilisieren. Eine übermäßige Stabilisatorzugabe kann jedoch ebenfalls Probleme verursachen. Die Zugabe erfolgt im Allgemeinen mit weniger als 1 w/v%, da eine zu hohe Leitfähigkeit die Aggregation begünstigen würde. Ein optimiertes Beispiel für die Verwendung von Stabilisatoren ist in der Literatur [4] zu finden.

Wahl geeigneter Dispersionsbedingungen  

Es ist möglich, passende Dispersionsbedingungen zu wählen, ohne die Partikelgröße tatsächlich zu messen. Proben können aufgeteilt und in verschiedenen Dispersionsmittel unterschiedlicher chemischer Eigenschaften dispergiert werden. Schwimmt ein Partikel auf der Oberfläche, bedeutet es schlechtes Benetzen, was durch Zusätze von oberflächenaktiven Substanzen oder durch die Wahl eines Dispersionsmittels mit niedriger Oberflächenspannung behoben werden kann. 

Wenn die Partikel gut benetzt sind, unterzieht man die Probe einer Ultraschallbehandlung und beobachtet die Sedimentation. Ein Beispiel zeigt Abbildung 1, wo Ceriumoxid mit Sodium Hexametaphosphate stabilisiert wird. Bei niedriger Konzentration ist die Suspension instabil und es kommt zu eindeutiger Sedimentation. 0,01 wt% und 0,5 wt% sind stabil – ein mittlerer Wert von etwa 0,25 wt% bietet die größte Dispersionsstabilität. 

Wenn die Konsistenz der Suspension 0,5 wt% überschreitet, wird diese instabil aufgrund der erhöhten Ionenstärke der Lösung. 

Einstellungen für Messbedingungen

Während der Entwicklung des SOP ist es wichtig, die Einflüsse der Probenmenge und der Dispersionsgerät-Einstellungen auf die Partikelgrößenmessung zu berücksichtigen. 

Pumpen- und Rührereinstellungen

Die geeignete Pumpen- und Rührgeschwindigkeit kann leicht festgestellt werden, indem man beobachtet, wie sich die Partikelgröße bei zunehmender Pumpgeschwindigkeit verändert. 

Wie in Abbildung 2 gezeigt, ergibt sich bei niedrigen Geschwindigkeiten eine geringe Partikelgröße, da die großen Partikel innerhalb der Probe nicht in ausreichendem Maße angehoben werden. Die Geschwindigkeit, bei der die Partikel in der Messzelle gleichmäßig verteilt sind, wird durch den Punkt erreicht, an dem die Partikelgröße Konsistenz zeigt, idealerweise bei einer Pumpgeschwindigkeit zwischen 1500 und 3000 u/min.