Los científicos, investigadores y gerentes de control de calidad en el mundo utilizan la difracción láser para el análisis del tamaño de partícula. Sin embargo, a fin de desarrollar productos de un verdadero alto rendimiento, con frecuencia se necesita información más detallada que la otorgada únicamente por la difracción láser. En especial, a fin de comprender las influencias detrás del empaque, el flujo y la tasa de disolución, es necesario entender de qué modo impacta el tamaño y la forma de la partícula en el comportamiento de los materiales.

 Figura 1: Hydro Insight

El accesorio Hydro Insight (Figura 1) ofrece esta información al combinar la experiencia en la adquisición de imágenes dinámicas de Vision Analytical con la tecnología de celda de flujo y dispersión de Malvern Panalytical. El Hydro Insight, ubicado junto al sistema de difracción láser Mastersizer 3000, ofrece imágenes en tiempo real de las dispersiones de partículas líquidas y de partículas individuales. Ofrece datos cuantitativos sobre la forma de la partícula además de una ventana a la medición de difracción láser, para poder resolver más fácilmente los problemas y desarrollar métodos para establecer el tamaño de partícula con mayor rapidez.

Si aún es difícil de creer, esperamos que este documento informativo logre describir los beneficios que resultan de agregar el accesorio para la adquisición de imágenes dinámicas Hydro Insight al Mastersizer 3000.

1. Conozca mejor sus materiales de partícula

Combine los datos sobre la forma de las imágenes dinámicas con las distribuciones del tamaño de las partículas de la difracción láser y comprenda en detalle la razón por la que sus materiales se comportan de la manera que lo hacen.

La difracción láser se está convirtiendo rápidamente en una técnica estándar para el establecimiento del tamaño de las partículas en muchos sectores de la industria por diversas razones. Por ejemplo:

  • Es más rápida: Carga, mide y genera el informe de los resultados en minutos.
  • Es más simple: Carga la muestra, ejecuta el SOP e imprime el informe. Esta simplicidad brinda un alto nivel de reproducibilidad.
  • Rango dinámico más amplio: 10s de nanómetros a milímetros, es decir, 5 órdenes de magnitud en un análisis.

La difracción láser determina la distribución del tamaño de partícula al medir la variación angular en la intensidad de la luz dispersa a medida que un haz de láser atraviesa una muestra de partícula dispersa. Las partículas grandes dispersan la luz en ángulos pequeños en relación con el haz de láser y las partículas pequeñas dispersan la luz en ángulos grandes. Al analizar los datos angulares de la intensidad de dispersión, es posible calcular la distribución del tamaño de partícula responsable de crear el patrón de dispersión. Y, debido a que se trata de una técnica combinada, se toman muestras de un gran número de partículas en cada medición, lo que proporciona una excelente reproducibilidad.

 

Figura 2: ilustración de una medición de difracción láser con Mastersizer 3000 (izquierda) y métrica del tamaño de partícula equivalente a una esfera común (derecha).

 

Sin embargo, al igual que la mayoría de las técnicas de distribución del tamaño de partícula, las geometrías complejas de las partículas reales se reducen a un equivalente en esferas (Figura 2). El desafío es averiguar de qué forma cada técnica realiza esa transformación, ya que son todas levemente diferentes.

Conozca Hydro Insight. Esta herramienta de imágenes dinámicas se ubica junto al Mastersizer 3000 para brindar imágenes de las partículas en tiempo real al mismo tiempo que las mediciones de difracción láser (Figura 3). Esto puede hacerse para partículas individuales o para toda la dispersión. Con esta información se contribuirá a racionalizar los resultados de la difracción láser y otras técnicas.

 

Figura 3: Distribución del tamaño de las partículas medido en el Mastersizer 3000 y las correspondientes imágenes de dispersión de partículas del Hydro Insight.

Además, Hydro Insight puede utilizar esta información para brindar datos cuantitativos sobre la forma de las partículas. Junto con los datos sobre la distribución del tamaño de las partículas de las mediciones de difracción láser, existen 32 métricas referidas al tamaño y la forma, tales como la circularidad, la elipticidad, la opacidad, el diámetro promedio y la relación de aspecto. Esto permite entender el modo en que la combinación del tamaño y la forma de la partícula afecta a los materiales, para así comprender la razón por la que los materiales se comportan de la forma que lo hacen. Esto es importante dado que las diferencias en el tamaño y la forma de las partículas pueden afectar:

  • El procesamiento de polvo, como las propiedades de fluidez y mezcla, la cohesión y formación de aglomerados, y el comportamiento de formación de tabletas y compactación.
  • El rendimiento del producto final, como la dispensación de la droga de inhalación, el comportamiento de disolución y la biodisponibilidad, y la eficiencia abrasiva.

Las imágenes de alta resolución y el amplio rango dinámico de la difracción láser brindan una reseña integral de los materiales y un mejor entendimiento de las técnicas empleadas para su medición.

2. Optimice el desarrollo de su método

Vea la dispersión mientras desarrolla sus métodos de difracción láser y ahorre tiempo para otros proyectos.

Lograr la óptima dispersión para la medición de difracción láser es de fundamental importancia. De lo contrario, no estará seguro de estar midiendo partículas primarias o aglomerados (Figura 4). En términos ideales, se busca un estado de dispersión estable y reproducible que se puede lograr de varias formas en el estado líquido, como surfactantes, agitación mecánica o la aplicación de ultrasonido. Con frecuencia, este es un abordaje de prueba y error que implica cambiar la concentración/tipo de dispersante o la cantidad de agitación mecánica necesaria para obtener un resultado de tamaño estable. También se utilizan normalmente técnicas ortogonales, como la microscopía manual, para demostrar el uso del estado correcto de dispersión y/o de propiedades ópticas a fin de producir el resultado de difracción láser.

Figura 4: Los cambios en la distribución del tamaño de las partículas y las correspondientes imágenes de Hydro Insight como aglomerados se dispersan con el ultrasonido.

Hydro Insight ofrece valor real, dado que permite visualizar la dispersión de las partículas en tiempo real. Esto significa que se puede ver si hay aglomerados en la muestra y determinar la cantidad correcta necesaria de surfactante, agitación o ultrasonido para dispersarlos en sus partículas primarias. Además, dado que las imágenes y las mediciones de difracción láser se realizan de forma simultánea, se pueden correlacionar directamente y comparar los datos del tamaño con las imágenes de la dispersión y las partículas individuales o los aglomerados (Figura 4).

3. Confíe en la calidad de su producto

Al combinar la resolución de las imágenes para partículas más grandes con el amplio rango dinámico de la difracción láser se puede tener la certeza de las propiedades de los materiales.

Si crea materiales de alta calidad, como dispersiones o polvos, unas pocas partículas pueden hacer una gran diferencia. Por ejemplo, es posible que algunas partículas sobredimensionadas bloqueen una boquilla o cabezal de impresión y provoquen imperfecciones en el recubrimiento. Al producir componentes metálicos o baterías, los productos contaminantes de gran tamaño pueden provocar graves fallas en las piezas o los productos.

La difracción láser es una gran técnica para tener un panorama general, con su amplio rango dinámico, pero, en definitiva, es una técnica combinada. Eso significa que el resultado se basa en la representación estadística de toda la muestra, a diferencia de las partículas individuales. Por lo tanto, si la muestra contiene cantidades muy pequeñas (1-1000 ppm) de partículas grandes en una mezcla de partículas más pequeñas, la difracción láser tendrá que esforzarse por detectarlas.

A diferencia de la difracción láser, Hydro Insight ofrece imágenes de partículas individuales y una distribución numérica del tamaño de las partículas, por lo que es sensible aun a pequeños números de partículas sobredimensionadas. Y, debido a que brinda imágenes individuales de cada partícula, también es posible observar su aspecto. Con frecuencia, no solo las partículas sobredimensionadas son las problemáticas, sino también las anómalas o los productos contaminantes de forma irregular. Dado que Hydro Insight provee información sobre la forma, como la circularidad, la elipticidad y la relación de aspecto, es posible identificar las morfologías de las partículas que difieren del modo principal. Por lo tanto, al sumar Hydro Insight al Mastersizer 3000, tendrá lo mejor de ambos mundos, la mayor resolución de las imágenes dinámicas con el rango dinámico de la difracción láser, por lo que la calidad de los materiales en polvo está totalmente asegurada.

 

Figura 5: La difracción láser puede detectar una pequeña cantidad de partículas sobredimensionadas en aproximadamente el 1 %, pero su sensibilidad es mucho más baja en concentraciones inferiores.

 

4. Resuelva rápidamente los resultados inesperados

Utilice las imágenes de las partículas para resolver los resultados del tamaño de las mismas que no son los esperados.

La difracción láser es una técnica simple, rápida y reproducible si se preparan correctamente las muestras y se las mide adecuadamente. Pero las cosas no siempre salen según lo planeado. Quizás tenga un método que demostró dar resultados precisos y consistentes, pero luego, observa un pico inesperado en la distribución.

¿Esto significa que el lote del material que está analizando está ‘fuera de las especificaciones, o es tan solo un artefacto de la medición? En el extremo más grueso del espectro tienden a aparecer picos extras en la distribución, que pueden estar causados por aglomerados, burbujas o partículas reales más grandes. Debido a que las distribuciones del tamaño de las partículas producidas por la difracción láser se pesan por volumen, incluso un pequeño número de grandes burbujas o contaminantes podría aparecer en el resultado. Con frecuencia, la única manera de descubrir la causa es mediante la técnica ortogonal fuera de línea, como la microscopía manual.

Figura 6: Las imágenes de dispersión y de partículas individuales del Hydro Insight mostrarán qué es lo que subyace al pico extra en la distribución del tamaño de la partícula.

Al agregar Hydro Insight al flujo de trabajo de su difracción láser, se puede acelerar el proceso de resolución de problemas y resulta menos trabajoso que la microscopía manual. Con las imágenes de las partículas de dispersión o individuales del Hydro Insight, puede ahorrarse tiempo y esfuerzos valiosos, al determinar con facilidad si los resultados fuera de las especificaciones del tamaño de las partículas se deben a las partículas sobredimensionadas, los aglomerados, las burbujas o algo más.

5. Acelere la transición hacia otro método

Simplifique la transferencia del tamiz a la difracción láser mediante los datos del ancho y la elongación de las partículas.

El análisis de tamiz se utiliza en gran medida en toda la industria manufacturera, debido al bajo costo, la simplicidad y la capacidad para medir las partículas de tamaño relativamente grande y de hasta unos centímetros. También se trata de una técnica bien establecida y confiable, en la que se utilizan comúnmente fracciones del tamaño de tamiz para especificar y calificar los polvos, en particular las fracciones más gruesas.

Sin embargo, la técnica posee marcadas desventajas que no la hacen apta para la fabricación moderna de una producción elevada. En primer lugar, el tamiz es lento y manualmente intensivo, por lo que replicar las mediciones es tedioso y extraño cuando debe realizarse en la práctica. En segundo lugar, ofrece solo una baja precisión y resolución, por lo general separando la muestra en solo cinco u ocho fracciones. Finalmente, y más importante, el tamiz se vuelve problemático en el rango menor a 100 micrones, debido a las fuerzas cohesivas entre las partículas que, generalmente, conducen a la aglomeración.

Es posible superar muchas de estas desventajas optando por la tecnología de difracción láser que brinda un análisis más rápido y simple, junto con un rango más amplio de medición y una mejor resolución. Pero, pasar del método de análisis de tamiz a difracción láser no siempre es sencillo, en especial, cuando las partículas poseen cierto grado de irregularidad.

Esto se debe a que el análisis de tamiz clasifica las partículas según la dimensión de la apertura del tamiz que atraviesan, que en general corresponde a la segunda dimensión más grande de las partículas, en lugar de la primera. Así, el resultado informado es el diámetro de una esfera que atraviesa una apertura de un determinado tamaño. La influencia que esto ejerce en la distribución del tamaño registrada es más pronunciada para las partículas irregulares y/o elongadas. Comparemos esto con la difracción láser, que informa el diámetro de una recolección de esferas con el mismo volumen de las partículas, Diámetro Equivalente Circular (CED en inglés). Por lo tanto, para las partículas elongadas, la difracción láser muestra un tamaño más grande comparado con el tamiz, que muestra la dimensión más pequeña para una partícula elongada.

Al incorporar el sistema de adquisición de imágenes dinámicas Hydro Insight al Mastersizer, se podría cerrar esta brecha, dado que es capaz de informar varios parámetros de diferentes tamaños para las partículas irregulares que podrían correlacionarse mejor con el análisis de tamiz. Entre ellos se incluyen (figura 7):

  • Ancho del rectángulo acotado (ancho BR): Este es el tamaño del ancho del rectángulo más pequeño (en superficie) que incluye la silueta de la partícula proyectada.
  • Ancho de Feret: Este es el menor espacio posible entre líneas paralelas que entran en contacto, pero no interceptan la partícula.
  • Ancho de fibra: Esta medida remodela las fibras en forma de un rectángulo alineado con ‘ancho de fibra’, el ancho del rectángulo remodelado.

Figura 7: Uso del diámetro equivalente circular (izquierda) y el ancho del rectángulo acotado (derecha) para calcular las dimensiones de las partículas irregulares.

El ancho BR es el parámetro más utilizado para lograr una correlación de tamiz precisa con partículas irregulares, pero también se pueden utilizar el ancho de Feret o el ancho de fibra.

Además, el software de Hydro Insight incluye un algoritmo de ‘correlación directa de la malla de tamiz’ que asigna automáticamente los datos a una determinada fracción de tamiz o número PAN en la métrica seleccionada, como se ilustra en la figura 8.

Figura 8 Resultados correlacionados del tamiz para una muestra de partículas irregulares mediante el diámetro equivalente circular (izquierdo) y el ancho del rectángulo acotado (derecha).


Resumen
En resumen, Hydro Insight de Vision Analytical complementa las mediciones de difracción láser de múltiples formas, entre ellas imágenes en tiempo real de partículas individuales y dispersas, distribuciones numéricas del tamaño de las partículas y múltiples parámetros de tamaño para partículas individuales. Gracias a estas características, este accesorio permite obtener una reseña integral de los materiales, resolver los problemas con mayor facilidad y acelerar las transferencias de los métodos, garantizando, en definitiva, la mejor calidad de material posible. De este modo, representa el accesorio ideal para el Mastersizer 3000.