Guía básica para el análisis del tamaño de partículas -3

Técnicas de análisis de características de partículas

Las técnicas de análisis de características de las partículas que se pueden utilizar para medir muestras de partículas están ampliamente disponibles de forma comercial. Cada técnica tiene sus propias fortalezas y limitaciones relativas y generalmente no son
aplicables a todas las muestras y situaciones.

¿Qué técnica de análisis de características de partículas necesito?

Cuando se decide qué técnica de análisis de características de partículas necesita, deben considerarse muchos factores.

• ¿Cuáles de las características de las partículas son importantes para mí?
• ¿Cuál es el rango de tamaño de partículas que se va a medir?
• ¿La muestra pertenece a un sistema polidisperso, es decir, se requiere un amplio rango dinámico?
• ¿Qué tan rápido se pueden realizar las mediciones?
• ¿Es necesario medir con alta resolución?
• ¿Se requiere un muestreo estadístico adecuado para mediciones de QC robustas?
• ¿Debe dispersarse la muestra en húmedo o en seco?
• ¿Qué presupuesto está preparado?

La tabla a continuación está diseñada para proporcionar algunas pautas básicas para ayudar a juzgar qué técnicas de las comúnmente utilizadas son las más adecuadas para una aplicación particular. El rango de tamaño de partículas indicado es solo una directriz, y las especificaciones exactas pueden variar según el equipo. 

Muestreo

Todas las técnicas de análisis de características de partículas se basan en que se asume una clase de muestreo de submuestras. Por ejemplo, un dispositivo contador de partículas que mide el contenido total de una jeringa solo examinará
una pequeña parte de todas las jeringas en la línea de productos. 

Los problemas con mediciones no confiables a menudo están relacionados con algunas formas de muestreo. Por lo tanto, es esencial que la submuestra medida por el equipo represente lo más posible
la muestra completa.

El equipo (por ejemplo, la difracción láser) requiere que la muestra esté establemente dispersa, homogeneizando el material, mezclándolo y recirculándolo para minimizar los efectos de cualquier problema de muestreo arbitrario.

  No obstante, esto no aborda el desafío de representar un alícuota de 10 g de un lote de 10,000 kg.

Un método comúnmente utilizado para mejorar la robustez del muestreo de polvo es utilizar un dispositivo conocido como divisor giratorio.

  En un divisor giratorio, numerosos submuestras se extraen desde el flujo de polvo a través de una tolva a intervalos regulares hacia el eje de rotación de un contenedor. Esto asegura que cualquier parte de la muestra que ingrese a la tolva se divida en submuestras representativas para cada contenedor.

Dispersión de la muestra

Muchas técnicas de análisis de características de partículas requieren que las muestras se analicen en algún tipo de forma dispersa, donde las partículas individuales estén espacialmente separadas. Para lograr esto, existen dos enfoques básicos.

• Dispersión en húmedo – Las partículas se dispersan en un líquido

• Dispersión en seco – Las partículas se dispersan en un gas (principalmente aire)

Dispersión en húmedo

En la dispersión en húmedo, las partículas individuales flotarían en un disolvente líquido. Cuando las moléculas del disolvente humedecen la superficie de las partículas, la energía superficial de las partículas disminuye reduciendo la atracción entre partículas en contacto, lo que permite que las partículas queden separadas y floten.

Normalmente se aplica algo de energía a la muestra para dispersar las partículas individuales. Esto generalmente se logra mezclando o agitando la muestra, pero a veces se emplea irradiación ultrasónica para materiales muy finamente divididos o aglomerados fuertemente unidos.

A menudo para técnicas basadas en observaciones microscópicas, se despeja una dispersión inicial de la muestra preparada en húmedo sobre un portaobjetos de microscopio. A continuación, las partículas dispersas en seco pueden analizarse después de que el disolvente se haya evaporado.

Dispersión en seco

En la dispersión de polvo seco, el dispersante es típicamente una corriente de gas fluido, aire seco limpio. La naturaleza del proceso de dispersión en seco es generalmente más un proceso de alta energía en comparación con la dispersión en húmedo.

Como se ilustra a continuación, se aplican tres mecanismos de dispersión diferentes a la muestra. Estos tres mecanismos de dispersión diferentes para incrementar la energía son los siguientes:

El mecanismo de dispersión más comúnmente utilizado varía dependiendo del diseño del dispersor, el impacto entre partículas y la pared provoca una dispersión de alta energía más agresiva que colisiones entre partículas o tensiones de cizallamiento.

La dispersión en seco a menudo ofrece una opción atractiva al no requerir solventes costosos y potencialmente peligrosos. Sin embargo, la alta atracción entre partículas dentro del material hace que sea muy difícil de superar, por lo que la dispersión en seco no es adecuada para polvos extremadamente finos (por debajo de 1 micrón).

Para partículas que son fácilmente rompibles, se requiere tener especial cuidado para asegurar que la energía aplicada a la muestra durante el proceso de dispersión sea suficiente para dispersar sin romper las partículas. En tales casos, las técnicas de dispersión en húmedo deben utilizarse como una referencia de verificación de métodos.

Técnica 1: Análisis de tamaño de partículas por difracción láser

El análisis de tamaño de partículas por difracción láser es ampliamente utilizado para materiales de tamaños que van desde cientos de nanómetros hasta milímetros. Algunas de las razones de su éxito principal incluyen:

• Rango dinámico amplio: desde menos de 1 micrón hasta el tamaño de milímetros
• Medición rápida: resultados generados en menos de un minuto
• Repetibilidad: gran número de partículas muestreadas en cada medición
• Retroalimentación inmediata: monitoreo y control del proceso de dispersión de partículas
• Alta capacidad de manejo de muestras: hasta cientos de mediciones por día
• Sin necesidad de calibración: verificación fácil utilizando materiales de referencia estándar
• Técnica certificada por ISO13320 (2009)

Principio

La difracción láser mide la distribución de tamaño de partículas midiendo la variación en el ángulo de la luz dispersada de acuerdo con la intensidad cuando un haz láser atraviesa una muestra de partículas dispersas.

Como se ilustra abajo, las partículas grandes dispersan la luz en ángulos pequeños en relación al haz láser, y las partículas pequeñas dispersan la luz en ángulos grandes. Entonces, los datos de intensidad dispersada en función del ángulo son analizados para calcular el tamaño de partículas y generar patrones de dispersión mediante la teoría de dispersión de Mie. El tamaño de partículas se registra como diámetros equivalentes en volumen.

Propiedades ópticas

 La difracción láser asume un modelo de esfera equivalente en volumen y calcula la distribución de tamaño de partículas utilizando la teoría de dispersión de Mie.

 La teoría de Mie requiere conocer las propiedades ópticas (índice de refracción y parte imaginaria) tanto del dispersante como de la muestra a medir. Habitualmente es sencillo encontrar las propiedades ópticas del dispersante en la literatura publicada, y muchos equipos modernos disponen de bases de datos en el sistema con dispersantes comunes. 

Para muestras cuyas propiedades ópticas se desconocen, los usuarios pueden medir la muestra o intentar hacer una aproximación utilizando un modelo acompañado de un enfoque iterativo basado en la comparación entre datos modelados y datos reales.

Un enfoque simplificado es usar la aproximación de Fraunhofer, donde no se requieren las propiedades ópticas de la muestra. No obstante, se debe tener especial precaución al medir muestras con partículas menores a 50μm o que son relativamente transparentes.

Configuración del equipo

Los sistemas de difracción láser típicos constan de tres componentes principales:

1. Banco óptico

La muestra dispersa pasa a través de la región de medición del banco óptico donde el haz láser ilumina las partículas. Luego, una serie de detectores miden con precisión la intensidad de la luz dispersada en una amplia gama de ángulos por partículas en la muestra.

2. Unidad de dispersión de muestras

El manejo y dispersión de muestras están controlados por una unidad de dispersión de muestras diseñadas para su medición en húmedo o en seco. Estas unidades entregan partículas a la región de medición del banco óptico a una concentración correcta y en un estado de dispersión adecuado y estable.

La unidad de dispersión de muestras húmedas emplea un dispersante líquido acuoso o en solvente para dispersar la muestra. Para mantener a la muestra en un estado suspendido y homogéneo, la muestra es recirculada continuamente a través de la región de medición.

La unidad de dispersión de muestras de polvo seco hace flotar las partículas en una corriente de gas fluido, normalmente aire seco. Dado que la muestra completa normalmente solo pasa a través de la región de medición una vez, se sugiere que ésta sea capturada rápidamente a una tasa alta de hasta 10kHz para un muestreo representativo.

3. Software del equipo

El software del equipo controla el sistema durante el proceso de medición y analiza los datos dispersados para calcular la distribución de tamaño de partículas. Para mediciones más avanzadas, se proporciona retroalimentación inmediata durante el desarrollo de estos métodos junto con asesoría profesional sobre la calidad de los resultados.

Las aplicaciones de difracción láser están certificadas por el estándar internacional ISO 13320: 2009, lo cual es altamente recomendado para cualquiera que utilice esta técnica en su rutina diaria.

Siguientes presentaciones

 Técnica 2. Dispersión de luz dinámica

 Técnica 3. Imagen automatizada

 Técnica 4. Dispersión de luz por electroforesis