Método de análisis húmedo utilizando difracción láser

Método de análisis húmedo utilizando difracción láser 

 

 

Introducción

 

El método de análisis de partículas utilizando análisis húmedo es, hasta ahora, el método más ampliamente utilizado para obtener resultados reproducibles en difracción láser. El método de análisis húmedo permite el análisis de un amplio rango de tamaños de partículas desde pigmentos de pocos micrones hasta arena o sedimentos. Cuando hay partículas grandes o mezclas de diferentes tamaños de partículas, se pueden realizar mediciones utilizando la viscosidad del medio dispersante de la misma manera que se resuelven problemas de sedimentación de partículas.  

 

El método de medición por difracción láser permite el uso de varios tipos de dispersiones, lo que hace posible la fácil dispersión de diferentes tipos de partículas. Además, en el método seco no es posible optimizar la estabilidad de la dispersión, mientras que en el método húmedo la energía de dispersión de las partículas en el medio dispersante es más alta que en el método seco.  

 

Por esta razón, el análisis húmedo es a veces la única forma de lograr una dispersión reproducible de sustancias de tamaño micrónico, y en particular es más adecuado para partículas grandes como las que son viscosas o altamente aglomeradas. La quebrabilidad de las partículas tampoco es un problema importante en el método de análisis húmedo en comparación con el método seco. 

 


Aunque es posible obtener buenos resultados utilizando el método de análisis húmedo, esto depende completamente de que el analista desarrolle y aplique un método de análisis preciso. Esta nota de aplicación se centra en proporcionar información crítica a los usuarios del equipo sobre los factores importantes a considerar al establecer el SOP del método de análisis húmedo utilizando difracción láser.
La configuración para la medición por difracción láser es fácil y sencilla. Sin embargo, para un análisis preciso, es crucial tener en cuenta los siguientes aspectos relacionados con la muestra. 

 


• La cantidad representativa de la muestra para el análisis debe reflejar las características del conjunto de la muestra.
• Selección del medio dispersante para la dispersión de polvo y los diversos aditivos para su estabilización. 

 


El usuario debe considerar el uso de un dispersante adecuado, teniendo en cuenta las características reales del polvo, ya sea en un estado aglomerado o bien disperso, para lograr resultados consistentes y reproducibles. Esto puede lograrse ajustando elementos como los siguientes. 

 


• Ajustes para los parámetros de medición y otros ajustes de opciones de análisis como la obstrucción.
• Energía de dispersión para la dispersión de muestras utilizando ultrasonidos.  

 


Este material asume que el usuario está familiarizado con el manejo básico del sistema de difracción láser. En particular, está relacionado con el dispositivo de dispersión húmeda del modelo Mastersize 2000 utilizando Hydro 2000S, Hydro 2000G y Hydro 2000MU, y todos los dispositivos mencionados pueden realizar procesamiento por ultrasonidos de la muestra, que sigue el proceso de dispersión en tiempo real. Sin embargo, el proceso de desarrollo del método de análisis presentado aquí también puede aplicarse a otros dispositivos de análisis húmedo que utilicen el sistema de difracción láser Malvern. La sección relativa a la selección de las propiedades ópticas se proporciona en otro lugar. 


Representatividad de la muestra

 

Tomar una muestra de material en estado a granel es una de las tareas más importantes en el análisis de partículas. Es especialmente crítico si hay partículas grandes de más de 70 micrones presentes en la muestra. Dado que la difracción láser es una técnica de medición basada en volumen, es sensible a pequeños cambios en la concentración de partículas grandes en la muestra. Esto se debe a que las partículas gruesas ocupan un gran volumen en comparación con las partículas pequeñas (una partícula de 100 micrones tiene el mismo volumen que un millón de partículas de 1 micrón y, por lo tanto, tienen una respuesta de dispersión similar). La referencia 1 aborda cuestiones de muestreo. 
 

Si se controla el muestreo, es fácil lograr la reproducibilidad entre medidas especificada en ISO13320-1. El estándar ISO para medición por difracción láser establece que debe ser del 3% en D(v,0.5) y del 5% en D(v,0.1) y D(v,0.9). Si no se controla el muestreo, se producirá un error de más del 20% entre medidas. 


Selección de dispersantes


La elección de un dispersante adecuado es el siguiente paso cuando se realiza un análisis húmedo. Los siguientes aspectos son importantes al seleccionar un dispersante. 

•  ¿Es lo suficientemente transparente al rayo láser para permitir las mediciones de difracción láser?
•  ¿Tiene un índice de refracción diferente al de las partículas que se van a medir? (Debe haber una diferencia suficiente en los índices de refracción para diferenciar las intensidades de dispersión que se miden)
• El material no debe disolverse en el dispersante durante la medición.
• Debe ser capaz de realizar la medición en estado húmedo sin que las partículas se aglomeren.
• Debe ser estable para evitar la reagregación.
• No debe tener una viscosidad demasiado alta ni generar burbujas.

 

 




El agua es un material que suele seleccionarse primero debido a su transparencia y bajo costo. En el caso de partículas grandes, se puede usar a pesar de la posible variación en la calidad del agua del grifo desde el momento de la configuración del SOP. Si es posible, la medida debe realizarse con agua desionizada, especialmente si el tamaño de las partículas es inferior a 20, ya que las sales en el agua del grifo pueden causar aglomeración de partículas. La adición de surfactantes y otros estabilizadores también puede ser necesaria para prevenir la aglomeración de partículas finas.  


 

Muchas sustancias, especialmente medicamentos, se disuelven fácilmente en agua. Para estas sustancias, es necesario un dispersante que reduzca la polaridad (Tabla 1). En tales casos, la elección del dispersante debe depender de los resultados de la prueba de polaridad de la sustancia. El costo de los dispersantes no acuosos también debe considerarse. 

 


Surfactantes 

 


El primer paso del proceso de análisis húmedo es hacer que las partículas sean humedecidas por el dispersante seleccionado. En algunos casos, se puede necesitar un surfactante para facilitar el humedecimiento.

 

Un surfactante ayuda a reducir la tensión superficial del dispersante, disminuyendo el ángulo de contacto entre el dispersante y la superficie de las partículas, lo que facilita la dispersión.
 

La elección de un surfactante depende de las propiedades químicas de la superficie de las partículas y las características del dispersante. Los surfactantes no iónicos (por ejemplo, Tween 20/80; Span 20/80) son generalmente seguros para su uso en la industria farmacéutica y de alimentos. En algunos casos, se pueden utilizar surfactantes aniónicos como SDS o surfactantes catiónicos como CTAB que no solo mejoran el humedecimiento al ser absorbidos por la superficie de las partículas, sino que también estabilizan las partículas al actuar como una barrera que evita la aglomeración. 

 


La guía para la selección de surfactantes según las partículas y los dispersantes está especificada en ISO 14887. En todos los casos, la concentración del surfactante debe ajustarse cuidadosamente. Los surfactantes tienen actividad incluso a concentraciones muy bajas (>0.001g/l). Por lo general, 1-2 gotas de la solución diluida de surfactante (10 %) mejoran significativamente el humedecimiento de las partículas. El uso de concentraciones más altas puede generar espuma en el dispersante, lo que conduce a la detección de partículas grandes que no existen en la muestra. 

Estabilizadores 

 

Una vez que las partículas se dispersan en el dispersante seleccionado, es importante prevenir la reagregación. Los dispersantes acuosos pueden estabilizarse al controlar la conductividad de la suspensión. Esta es la razón por la cual se usa agua desionizada en lugar de agua del grifo como dispersante. Asimismo, sustancias como el hexametafosfato de sodio, el citrato de amonio o el pirofosfato de sodio pueden utilizarse como estabilizadores de carga. Cada una de estas sustancias incrementa el potencial zeta, mejorando así la estabilidad de la suspensión (esto está relacionado con la carga de las partículas). Sin embargo, agregar en exceso un estabilizador también puede causar problemas en la dispersión. Generalmente, los estabilizadores se agregan a concentraciones por debajo del 1% p/v, de lo contrario, la conductividad de la solución se vuelve demasiado alta, lo que provoca aglomeración. Un buen ejemplo de una dispersión optimizada utilizando estabilizadores se encuentra en la referencia [4].  

 

Selección adecuada del dispersante  

 

Es posible seleccionar las condiciones de dispersión adecuadas sin medir el tamaño de las partículas. Las muestras durante el experimento pueden distribuirse en frascos con diferentes dispersantes.  

Si las partículas flotan en la superficie del dispersante, significa que no se han humedecido correctamente. Esto puede resolverse añadiendo un surfactante o cambiando a un dispersante con menor tensión superficial.  

 

Si las partículas se humedecen en el dispersante, proceda a tratar la muestra con ultrasonidos y observe la sedimentación. Como ejemplo, en la Figura 1 se muestra una suspensión de óxido de cerio utilizando hexametafosfato de sodio como estabilizador. En la Figura 1 se observa que la suspensión se vuelve inestable y sedimenta claramente en bajas concentraciones. Las suspensiones al 0.01 wt% y 0.5 wt% son estables; en este caso, el valor promedio más fuerte de estabilidad de dispersión se encuentra aproximadamente en 0.25 wt%.  


Finalmente, la suspensión se vuelve inestable si la concentración de hexametafosfato de sodio supera el 0.5 wt%. Esto se debe a que aumenta la fuerza iónica de la solución. 


Ajustes de condiciones de medición
 

En la etapa de desarrollo del SOP, es importante considerar cómo la cantidad de muestra y las configuraciones del dispositivo de dispersión afectan la medición del tamaño de partículas. 

 


Ajustes de bomba y agitador  

 

La velocidad adecuada de la bomba y el agitador se puede determinar fácilmente verificando cómo cambia el tamaño de las partículas a medida que aumenta la velocidad de la bomba.    

En la Figura 2 se muestra un ejemplo. A bajas velocidades, el tamaño de las partículas aparece más pequeño porque la velocidad de la bomba no es lo suficientemente rápida como para mantener las partículas grandes en suspensión en la muestra. Un rango de velocidad de bomba de 1500-3000 rpm proporciona valores estables para el tamaño de partículas.    

Este punto es la velocidad cuando las partículas están uniformemente dispersas dentro de la celda de medición. La velocidad de la bomba es…