Méthode d’analyse humide utilisant la diffraction laser

Méthode d’analyse humide utilisant la diffraction laser 

 

 

Aperçu

 

La méthode d’analyse par voie humide est la méthode la plus largement utilisée jusqu’à présent pour obtenir des résultats reproductibles dans la diffraction laser. Elle permet l’analyse de particules de tailles variées, des pigments de quelques microns à des matériaux comme le sable ou les sédiments. Dans le cas de grosses particules ou de mélanges de particules de différentes tailles, il est possible de mesurer en utilisant la viscosité du milieu dispersant de la même manière que lorsque l’on résout les problèmes de sédimentation des particules. 

 

Dans la méthode de mesure par diffraction laser, diverses sortes de milieux dispersants peuvent être utilisées, permettant une dispersion facile de différents types de particules. De plus, la stabilité de dispersion qui n’est pas possible avec la méthode sèche peut être optimisée. Cela est dû au fait que l’énergie de dispersion des particules dans le milieu dispersant est plus élevée dans la méthode humide que dans la méthode sèche. 

 

Pour cette raison, l’analyse humide est parfois considérée comme la seule méthode permettant une dispersion reproductible de matériaux de quelques microns seulement. Elle est également plus adaptée pour les particules de grande taille, comme celles qui sont visqueuses ou fortement agglomérées. La friabilité des particules ne pose également pas de problème particulier dans la méthode d’analyse humide par rapport à la méthode sèche. 

 


Il est possible d’obtenir de bons résultats en utilisant la méthode d’analyse humide, mais cela est entièrement dépendant de l’analyste qui développe et applique correctement la méthode d’analyse. Cette note d’application vise à fournir aux utilisateurs d’instruments des informations sur les éléments importants à prendre en compte lors de la mise en place du SOP pour la méthode d’analyse humide utilisant la diffraction laser.
La configuration pour la mesure de diffraction laser est simple et facile. Cependant, pour une analyse précise, il est crucial de considérer des aspects liés à l’échantillon comme suit. 

 


• La quantité représentative d’échantillon à analyser doit refléter les caractéristiques de l’échantillon total prélevé.
• La sélection du milieu dispersant pour la dispersion de la poudre et divers additifs pour la stabilisation. 

 


Les utilisateurs doivent considérer les équipements de dispersion appropriés pour obtenir des résultats reproductibles dans des états bien dispersés ou agglomérés, en fonction des caractéristiques de la poudre elle-même. Cela est possible en ajustant des éléments tels que : 

 


• Paramètres de mesure et réglage d’obscuration ainsi que d’autres options d’analyse
• Énergie de dispersion pour la dispersion de l’échantillon à l’aide d’ultrasons. 

 


Ce document présume que l’utilisateur est familier avec le fonctionnement du système de base de diffraction laser. En particulier, il se concentre sur les dispositifs de dispersion humide du modèle Mastersize 2000 utilisant les Hydro 2000S, Hydro 2000G et Hydro 2000MU, et toutes ces équipements permettent le traitement par ultrasons des échantillons, assurant un processus de dispersion en temps réel. Cependant, le processus de développement de méthodes d’analyse présenté ici peut également s’appliquer à d’autres dispositifs d’analyse humide utilisant les systèmes de diffraction laser Malvern. La sélection des propriétés optiques est fournie ailleurs. 


Représentativité de l’échantillon

 

Prélever un échantillon pour l’analyse à partir d’une matière en vrac est l’une des étapes les plus importantes dans l’analyse des particules. Cela devient particulièrement important si des particules de grande taille (plus de 70 microns) sont présentes dans l’échantillon. Puisque la méthode de diffraction laser est une technique de mesure basée sur le volume, elle est sensible à de petites variations dans les grandes particules d’un échantillon. C’est parce que les particules grossières occupent un grand volume comparé aux petites particules (le volume d’une particule de 100 microns est égal au volume d’un million de particules de 1 micron, ce qui entraîne une réaction de dispersion similaire). Les considérations relatives à l’échantillonnage sont couvertes par la référence 1. 
 

Si l’échantillonnage est contrôlé, obtenir la reproductibilité entre chaque mesure comme stipulé dans ISO13320-1 est facile, et la norme ISO pour la mesure par diffraction laser indique une variation de 3% à D(v,0.5) et de 5% à D(v,0.1) et D(v,0.9). Si l’échantillonnage n’est pas contrôlé, des erreurs de plus de 20% entre les mesures peuvent survenir. 


Choix du dispersant


Le choix d’un dispersant approprié pour une analyse humide est l’étape suivante. Les points suivants sont importants lors du choix du dispersant.  

•   Est-ce suffisamment transparent pour le faisceau laser pour permettre la mesure par diffraction laser?
•  A-t-il un indice de réfraction différent des particules mesurées (la différence d’indice de réfraction doit être suffisante pour être distinguée dans la mesure de l’intensité de diffusion)?
• Ne doit pas dissoudre le matériau pendant la mesure.
• Les particules peuvent-elles être mesurées à l’état humide sans agglomération?
• Est-il stable pour éviter la ré-agglomération?
• Il ne doit pas être trop visqueux ni produire de bulles.




L’eau est généralement le premier choix car elle est transparente et peu coûteuse. Dans le cas de grosses particules, l’eau du robinet peut être utilisée, même si sa qualité pourrait changer par rapport au moment de la mise en place du SOP. Dans l’idéal, l’analyse devrait être effectuée avec de l’eau déionisée, et pour des particules de moins de 20, les sels dans l’eau du robinet peuvent provoquer l’agglomération des particules.
Des ajouts de tensioactifs et d’autres stabilisateurs peuvent également être nécessaires pour empêcher l’agglomération des particules fines.  


 

Beaucoup de matériaux, surtout les médicaments, se dissolvent bien dans l’eau. Dans de tels cas, un dispersant non-polaire est nécessaire (Tableau 1). Le choix du dispersant dans de tels cas doit dépendre de la polarité démontrée par un test des matériaux. Le coût des dispersants non-aqueux doit également être pris en compte. 

 


Tensioactifs 

 


La première étape du processus d’analyse humide est de mouiller la surface des particules avec le dispersant choisi. Dans certains cas, un tensioactif peut être nécessaire pour provoquer le mouillage.

 

Les tensioactifs réduisent la tension superficielle du dispersant. Cela réduit l’angle de contact entre le dispersant et la surface des particules, facilitant ainsi la dispersion.
 

Le choix du tensioactif dépend des propriétés chimiques de la surface des particules et du dispersant. Les tensioactifs non ioniques (par exemple, Tween 20/80; Span 20/80) peuvent généralement être utilisés en toute sécurité dans les domaines pharmaceutique ou alimentaire. Dans certains cas, un tensioactif anionique comme le SDS ou un tensioactif cationique comme le CTAB, qui jouent également le rôle de stabilisateurs en empêchant l’agglomération des particules, peuvent être utilisés. 

 


Les recommandations pour le choix des tensioactifs en fonction des particules et des dispersants sont spécifiées dans ISO 14887. Dans tous les cas, la concentration du tensioactif doit être contrôlée avec soin. Les tensioactifs sont actifs à des concentrations très faibles (>0.001g/l). Généralement, 1 à 2 gouttes d’une solution diluée de tensioactif (10%) suffisent pour améliorer le mouillage des particules. Une utilisation du tensioactif à des concentrations plus élevées peut entraîner la formation de mousse dans l’équipement de dispersion, ce qui peut à son tour causer la détection de grandes particules qui ne sont pas présentes dans l’échantillon.
 

Stabilisateurs 

 

Une fois que les particules sont dispersées dans le dispersant choisi, il est important d’empêcher la ré-agglomération. Les dispersants hydro-solubles peuvent être stabilisés en ajustant la conductivité de la suspension. C’est pourquoi l’eau déionisée est utilisée au lieu de l’eau du robinet comme dispersant. Le Sodium Hexametaphosphate, le Citrate d’Ammonium ou le Pyrophosphate de Sodium peuvent également être utilisés comme stabilisants de charge. Ces substances augmentent le potentiel zêta, renforçant ainsi la stabilité de la suspension (ceci est relié à la charge des particules). Cependant, une suraddition de stabilisants peut également causer des problèmes de dispersion. Généralement, les stabilisants sont ajoutés à moins de 1% en poids/volume, sinon la conductivité de la solution devient trop élevée, entraînant une agglomération. Un bon exemple d’optimisation de dispersion en utilisant des stabilisants est fourni dans la référence [4]. 

 

Sélection adéquate du dispersant 

 

Il est possible de choisir les bonnes conditions de dispersion sans mesurer la taille des particules. Le matériel à tester peut être réparti dans des bouteilles contenant différents dispersants. 

Si les particules flottent à la surface du dispersant, le mouillage n’est pas satisfaisant. Cela peut être résolu en ajoutant un tensioactif ou en passant à un dispersant avec une tension superficielle plus faible. 

 

Si les particules sont mouillées dans le dispersant, l’échantillon est soumis à un traitement par ultrasons et l’on observe le phénomène de sédimentation. Par exemple, comme illustré dans la figure 1, une suspension d’oxyde de cérium a été stabilisée avec du sodium hexametaphosphate. 

À faible concentration de suspension, une sédimentation claire et instable se produit. Les suspensions à 0.01 wt% et 0.5 wt% sont stables – dans ce cas, environ 0.25 wt% est le moyen assurance la meilleure stabilité de dispersion.  


Enfin, la suspension devient instable lorsque la concentration de sodium hexametaphosphate dépasse 0.5 wt%, car cela augmente la force ionique dans la solution. 


Paramètres de mesure
 

Dans la phase de développement du SOP, il est important de tenir compte de la quantité d’échantillon et des réglages du dispositif de dispersion qui influencent la mesure de la taille des particules. 

 


Réglages de la pompe et de l’agitateur 

 

La vitesse de la pompe et de l’agitateur appropriée peut être facilement déterminée en observant comment la taille des particules varie avec l’augmentation de la vitesse de la pompe.   

Dans l’exemple de la figure 2, la taille des particules est sous-estimée à basse vitesse car la vitesse de la pompe n’est pas suffisante pour garder les grosses particules en suspension. À des vitesses de pompe plus élevées, autour de 1500~3000 rpm, la taille des particules atteint une valeur stable. C’est à ce point que les particules sont uniformément dispersées dans la cellule de mesure.   

La vitesse de la pompe est