激光衍射法用于湿式分析方法

激光衍射法用于湿式分析方法 

 

 

概要

 

湿式分析方法是目前为止在激光衍射法中获得再现性结果的最广泛使用的粒子分析方法。湿式分析方法可以分析从数微米大小的颜料到沙子或沉淀物等广泛范围的粒子大小。当大粒子或多种大小的混合粒子分布时，也可以通过使用分散介质的粘度来进行测量，以解决粒子沉降问题。  

 

在激光衍射测量方法中，可以使用多种分散介质，因此可以轻松分散各种类型的粒子。此外，湿式方法还可以优化在干式方法中无法实现的分散稳定性。这是因为湿式方法中分散介质中的粒子分散能量高于干式方法。 

 

因此，湿式分析被认为是用于数微米物质再现性分散的唯一方法，并且特别适用于粘性或严重聚集的粒子等大粒子。在湿式分析法中，粒子的破碎性与干式分析法相比并不构成大问题。 

 


尽管使用湿式分析方法可以获得良好的结果，但这完全依赖于研究人员开发和应用准确的分析方法。本应用说明重点为用户提供关于设置湿式分析方法时考虑的关键因素的信息。激光衍射法的测量设置简单易行，但为了精确分析，必须非常注意以下与样品相关的事项。 

 


• 代表性样品量必须能代表整个样品的特性。
• 粉末分散所需的分散介质的选择和稳定要求的各种添加剂。 

 


用户需要考虑适当的分散设备以获得再现性结果，无论是样品聚集还是良好分散。在这个过程中，可以进行以下方面的调试。 

 


• 测量设置、遮蔽设置与其他分析选项设置
• 利用超声波对样品进行分散的分散能量。 

 


该资料假设用户已经熟悉基本的激光衍射系统的操作，尤其是使用Hydro 2000S及Hydro 2000G，Hydro 2000MU与Mastersize 2000模型的湿式分散装置，并进行样品超声处理并根据实时分散过程进行。不过，这里介绍的分析方法开发过程也适用于使用Malvern激光衍射系统的其他湿式分析装置，但有关光学特性的选择部分提出在其它地方。 


样品的代表性

 

从散装状态中提取样品进行粒子分析是非常重要的任务之一。如果样品中存在大粒子（大于70微米），尤其重要。由于激光衍射法是以体积为基础的测量技术，因此对样品内大粒子的微小变化也非常敏感。这是由于大粒子相比小粒子占据更大体积。例如，一个100微米的粒子的体积相当于一百万个1微米粒子的体积，从而表现出相同的分散反应。样品采样的问题已在参考文献1中讨论。 
 

如果采样得到控制，便很容易实现ISO13320-1规定的每次测量之间的再现性，而ISO标准对于激光衍射测量要求在D(v,0.5)时不超过3%，D(v,0.1)与D(v,0.9)不超过5%。如果采样得不到良好控制，测量之间的误差可能超过20%。 


分散介质选择


进行湿式分析时选择合适的分散介质是下一步。在分散介质的选择中，以下几点是很重要的。  

•  分散介质是否对激光衍射测量足够透明。
• 测量中粒子与分散介质是否有不同的折射率（折射率的差异要足够大以区分测量中的散射强度）。
• 在测量中材料不应溶解。
• 粒子是否可以不聚集地以湿态进行测量。
• 是否足够稳定以防止重新聚集。
• 粘度不应过高且不应产生泡沫。

 

 




水因其透明性及低成本通常是第一选择。在大粒子的情況下，即使水质因配置SOP时发生变化也能使用。可能的话，最好使用去离子水进行测量，尤其是小于20大小的粒子，用自来水中盐可能会引发粒子聚集。因此添加表面活性剂或其它稳定剂来阻止聚集也是必要的。  


对于许多特别是药物物质，它们容易溶于水。这类物质需要降低极性的分散介质（见表1）。这种情况下，分散介质的选择需依赖于物质在测试中表现出的极性。不溶于水的分散介质的成本亦应该考虑。 

 


表面活性剂 

 


湿式分析过程的第一个步骤是润湿粒子表面，选用适合的分散介质。在某些情况下，需要用表面活性剂来润湿。 

 

表面活性剂有助于降低分散介质的表面张力，这可以通过减少分散介质和粒子表面之间的接触角来提高分散度。 

选择表面活性剂取决于粒子表面的化学性质及分散介质的性质。非离子表面活性剂（例如：Tween 20/80；Span 20/80）可在制药或食品行业中广泛、放心地使用。在部分情况下，阴离子表面活性剂SDS或阳离子表面活性剂CTAB也会用于吸附到粒子表面以增强润湿并稳定粒子来阻止聚集。 

根据ISO 14887中动性及分散介质的参数指导，以确保适当的表面活性剂应用于粒子和溶液每一情况中。在所有情况下，表面活性剂的浓度必须仔细调节。表面活性剂即使在低浓度下也能表现其活性（>0.001g/l）。通常，1至2滴表面活性剂稀溶液（10%）便足以显著提高粒子润湿性。更高浓度的表面活性剂可能会在分散设备中产生泡沫，使未存在的较大粒子被误识别。 

稳定剂 

 

粒子在选定的分散介质中分散后，避免重新聚集是很重要的。水溶性分散介质可以通过控制悬浮液的电导性来实现稳定。 这就是为何使用去离子水而非自来水作为分散介质的原因。此外，六偏磷酸钠、柠檬酸铵或焦磷酸钠等物质也可用作电荷稳定剂。通过增加每种物质的电势来提高悬浮液稳定性（与粒子电荷有关）终端添加过量稳定剂可能会导致分散问题。通常，稳定剂添加量低于1 w/v%，否则溶液的电导可能过高并引起聚集。关于应用稳定剂优化的分散实例，请参阅参考书目[4]。 

 

适当分散介质选择  

 

在不测量粒子大小的情况下选择合适的分散条件是可能的。实验中的样品可分为不同瓶子中的分散介质中。 

如果粒子浮在分散介质的表面上，请更低表面张力的分散介质或添加表面活性剂来解决。 

 

如果粒子被分散介质润湿，则可以对样品进行超声处理并观察沉降行为。 例如，如图1所示，六偏磷酸钠在铈氧化物悬浮液中以稳定剂形式使用。 如看到的那样，浓度较低的悬浮液是不稳定的，且明显下沉。0.01 wt%和0.5 wt%的悬浮液是稳定的。在此情況下，约0.25 wt%为平均最理想的分散稳定性。 


最后，当悬浮液中六偏磷酸钠的浓度超过0.5 wt%的时候，就会不稳定。这是因为它增加了溶液的离子强度。 


测量条件Settings
 

在SOP开发阶段，考虑样品量与分散装置设置如何影响粒子尺寸测量非常重要。 

 


泵与搅拌器设置  

 

合适的泵和搅拌速度可以通过确定泵速提高是否影响粒子大小来轻松选择。  

在图2中可以看到这种情况的例子。由于泵速不够快，不能悬浮样品内的大粒子，低速下的粒子大小偏小。当泵速达到1500-3000 rpm时，粒子大小达到稳定值。  

这就是测量池内粒子均匀分散时的速度。泵速是