Laserdiffractie en deeltjesgroottebepaling

Laserdiffractie is de meest gebruikte methode voor deeltjesgroottebepaling in het laboratorium. De techniek meet de grootteverdeling van deeltjes — van nanometers tot millimeters — op basis van het spreidingspatroon dat ontstaat wanneer een laserstraal een deeltjeswolk passeert. Het resultaat is een statistische grootteverdeling uitgedrukt in parameters zoals D10, D50 en D90, die rechtstreeks bepalend zijn voor productkwaliteit, verwerkbaarheid en biologische beschikbaarheid.

Werkingsprincipe van laserdiffractie

Wanneer een laserstraal een deeltje raakt, wordt het licht verstrooid in een patroon dat afhangt van de deeltjesgrootte. Grote deeltjes verstrooien licht onder kleine hoeken; kleine deeltjes verstrooien licht onder grote hoeken. Een array van detectoren rondom de meetcel registreert de intensiteitsverdeling over alle hoeken. Via wiskundige modellen wordt dit patroon omgezet in een volumegewogen grootteverdeling.

Twee theoretische modellen worden toegepast:

• Fraunhofer-benadering: geschikt voor deeltjes groter dan de golflengte van het licht (>1 µm) en voor materialen waarbij de optische eigenschappen (brekingsindex) onbekend zijn. Eenvoudig en snel, maar minder nauwkeurig voor submicron deeltjes.
• Mie-theorie: volledige berekening van lichtverstrooiing voor alle deeltjesgroottes. Vereist kennis van de brekingsindex en absorptiecoëfficiënt van het materiaal. Nauwkeuriger voor deeltjes <1 µm en voor transparante of doorschijnende materialen.

De keuze tussen Fraunhofer en Mie wordt mede bepaald door de dimensieloze grootheid x = πd/λ, waarbij d de deeltjesdiameter en λ de golflengte van de laser is. Voor x >> 1 (grote deeltjes) volstaat Fraunhofer; voor x dicht bij 1 of kleiner moet Mie worden toegepast. Onjuiste invoer van optische eigenschappen leidt tot systematische afwijkingen, vooral in het submicron-bereik.

Wat betekenen D10, D50 en D90?

De grootteverdeling wordt beschreven met cumulatieve percentielwaarden:

In specificaties voor farmaproducten, pigmenten en cement wordt de deeltjesgrootteverdeling vrijwel altijd uitgedrukt in D-waarden conform ISO 9276.

D[4,3], D[3,2] en specifiek oppervlak

Naast percentielen worden in farmaceutische en chemische specificaties ook gemiddelde diameters gebruikt:

• D[4,3] (volumegemiddelde diameter, De Brouckere) — het volumegewogen gemiddelde; gevoelig voor de aanwezigheid van grote deeltjes. Veel gebruikt bij emulsies en suspensies waar volumefractie de relevante eigenschap is.
• D[3,2] (Sauter-gemiddelde diameter) — de diameter van een bol met dezelfde verhouding van volume tot oppervlak als de gemiddelde deeltjes. Direct gerelateerd aan het specifieke oppervlak (SSA) en daarmee aan oplossnelheid, katalytische activiteit en sproei-eigenschappen.

Het specifieke oppervlak (Specific Surface Area, SSA) wordt berekend uit de grootteverdeling onder de aanname van bolvorm: SSA = 6 / (ρ · D[3,2]), waarbij ρ de deeltjesdichtheid is. Voor onregelmatige deeltjes is gas-adsorptie (BET-methode) een nauwkeurigere alternatief.

Rapportagebasis: volume, aantal of oppervlak

Laserdiffractie levert primair een volumegewogen verdeling. Voor specifieke toepassingen wordt deze omgerekend naar een aantal- of oppervlaktegewogen verdeling. Deze omrekening kan echter grote afwijkingen veroorzaken: een paar grote deeltjes hebben weinig invloed op de aantalverdeling, maar domineren de volumeverdeling. Bij rapportage moet de basis (volume, aantal of oppervlak) altijd expliciet vermeld worden om misinterpretatie te voorkomen.

Droge versus natte meting

Laserdiffractiemeters zijn beschikbaar voor twee dispersiemethoden, die elk andere toepassingen dekken:

Droge dispersie

Het poeder wordt door een luchtstroom gedispergeerd en als aërosol door de meetcel geblazen. Geschikt voor poeders, granulaten en sproeigranulaten die niet in vloeistof oplosbaar zijn of die agglomereren bij contact met vloeistof. De dispersie-energie (luchtdruk) is instelbaar om agglomeraten te verbreken zonder primaire deeltjes te beschadigen. Meting van grove deeltjes tot 3500 µm is mogelijk.

Natte dispersie

Het monster wordt gedispergeerd in een oplosmiddel (water, ethanol, isopropanol of andere vloeistof) en via een circulerende vloeistofcel door de meetstraal geleid. Geschikt voor suspensies, emulsies en poeders die homogeen in vloeistof disperseerbaar zijn. Een ultrasonicator in de circulatie-eenheid verbreekt agglomeraten voor de meting. Meetbereik typisch 0,1 tot 3500 µm.

Monstervoorbereiding en dispersiekwaliteit

De kwaliteit van de dispersie bepaalt in hoge mate de betrouwbaarheid van de meting. Slechte dispersie levert kunstmatig grote D-waarden op door agglomeraten die als één groot deeltje worden gemeten. Aandachtspunten:

• Representatieve monsterneming — volgens de gulden regel van Gy: het monsteraantal moet groot genoeg zijn om statistisch representatief te zijn voor de bulkpopulatie. Sproei-droging en kwart-aanpak bij poeders.
• Keuze van dispergeermedium — bij natte dispersie moet het medium het deeltje niet oplossen, doen zwellen of beïnvloeden. Voor hydrofobe poeders kan een surfactant (bijvoorbeeld 0,1% Tween 80) toegevoegd worden.
• Dispersie-energie — ultrasonisatie (typisch 1–5 minuten bij gematigd vermogen) verbreekt agglomeraten, maar overmatige ultrasonisatie kan primaire deeltjes breken. De optimale duur wordt experimenteel bepaald door dispersie-stabiliteitstesten.
• Obscuratie/concentratie — de optimale obscuratie (lichtonderdrukking) ligt doorgaans tussen 5 en 20%. Bij te lage concentratie is het signaal te zwak; bij te hoge concentratie treedt meervoudige verstrooiing op waardoor kleine deeltjes ten onrechte worden gerapporteerd.

Laserdiffractie versus dynamische lichtverstrooiing (DLS)

Laserdiffractie en dynamische lichtverstrooiing (DLS) zijn beide op licht gebaseerde technieken, maar meten fundamenteel verschillende groottebereiken en worden voor verschillende toepassingen ingezet:

DLS meet de hydrodynamische diameter, die inclusief solvatatieschil groter is dan de geometrische diameter. Voor submicron farmaceutische nanodragers wordt DLS gebruikt als aanvullende of primaire methode naast laserdiffractie.

Voor gefractioneerde deeltjesgroottebepaling van polydisperse nanomaterialen — waarbij laserdiffractie en DLS geen scheiding van subpopulaties geven — biedt veld-vloeistoffractionering (FFF/AF4) gekoppeld aan MALS en DLS een aanvullende methode die het groottebereik van 1 nm tot meer dan 1 µm in één fractioneringsrun dekt.

Wat is een korrelgrootte-analyse?

Korrelgrootte-analyse is een deelvorm van deeltjesgroottebepaling, specifiek gericht op sedimenten, bodems, gesteenten en bouwmaterialen. De methode bepaalt de verdeling van korrelgroottes in een aardmonster en wordt gebruikt voor bodemclassificatie, grondmechanica en waterbeheersingstoepassingen. Naast laserdiffractie worden voor korrelgrootte-analyse ook zeefanalyse (grove fracties, >63 µm) en sedimentatieanalyse (pipetmethode, hydrometer) toegepast conform NEN-ISO 17892-4.

Toepassingen van laserdiffractie in het laboratorium

• Farmacie en biofarmaceutica: deeltjesgrootte van werkzame stoffen (API's), inhalatiepoeders met parameters als de Mass Median Aerodynamic Diameter (MMAD) en Fine Particle Fraction (FPF), granulaten voor tablettering en nanoformuleringen.
• Voedingsmiddelen: vet- en zetmeeldeeltjes in zuivel, emulsies, chocolademassa en bloem. Deeltjesgrootte beïnvloedt mondgevoel, viscositeit en stabiliteit.
• Chemie en materiaalwetenschappen: pigmenten, vulstoffen, katalysatoren, cementpoeders en coatingmaterialen.
• Mineralogie en milieu: suspensies van rivierwater, sedimentklassificatie, stofdeeltjes in luchtkwaliteitsonderzoek.
• Cosmetica: deeltjesgrootte van zonnefilterdeeltjes (TiO₂, ZnO), crème-emulsies en microplastics.

Beperkingen van laserdiffractie

Laserdiffractie heeft enkele inherente beperkingen die bij de interpretatie van resultaten in acht genomen moeten worden:

• Aanname van bolvorm: de rekenmethode gaat uit van sferische deeltjes. Sterk niet-sferische deeltjes (vezels, platen) leveren een volumeequivalente sfeerdiameter op die afwijkt van de werkelijke geometrische afmetingen.
• Concentratiegevoeligheid: bij te hoge concentratie treedt meervoudige verstrooiing op, waardoor de meting onbetrouwbaar wordt. De optimale obscuratie (lichtonderdrukking) ligt doorgaans tussen 5 en 20%.
• Ondergrensbepaling: deeltjes <0,1 µm (100 nm) worden door de meeste laserdiffractiemeters niet goed opgelost; voor dit bereik is DLS de aangewezen methode.
• Optische eigenschappen: bij Mie-berekening moeten de brekingsindex en absorptiecoëfficiënt van het materiaal bekend zijn. Onjuiste invoerwaarden leiden tot systematische afwijkingen.
• Geen vorminformatie: laserdiffractie levert uitsluitend groottedistributies, geen morfologische informatie. Voor vormkarakterisering is microscopie of beeldanalyse nodig.

Normen en validatie

Laserdiffractie voor deeltjesgroottebepaling valt onder ISO 13320 (deeltjesgroottebepaling — laserdiffractie). Voor farmaceutische toepassingen geldt aanvullend de Europese farmacopee (Ph. Eur. 2.9.31) en de Amerikaanse farmacopee (USP <429>). In GMP-omgevingen wordt het instrument gequalificeerd (IQ/OQ/PQ) en gekalibreerd met gecertificeerde referentiematerialen (NIST SRM 1003c of vergelijkbaar). Zie ook het kennisbankartikel over GMP voor vereisten rondom instrumentkwalificatie.

Verwante analysetechnieken

Deeltjesgroottebepaling staat zelden op zichzelf. Veelgebruikte aanvullende technieken zijn:

• Microscopie voor morfologische karakterisering van individuele deeltjes
• Zeefanalyse voor grove fracties (>63 µm) waarbij massaverdeling relevant is
• Gas-adsorptie volgens BET voor accurate bepaling van het specifieke oppervlak van poreuze of onregelmatige deeltjes
• Vloeistofchromatografie voor polymeerkarakterisering gecombineerd met deeltjesgrootte
• Veld-vloeistoffractionering (FFF/AF4) voor gefractioneerde groottebepaling van nanodeeltjes, exosomen en virusachtige deeltjes in het bereik van 1 nm tot meer dan 1 µm

Voor de routinematige meting van troebelheid in waterige suspensies — waarbij deeltjesgrootte indirect het verstrooiingssignaal bepaalt — is turbidimetrie en nephelometrie de aanvullende, eenvoudigere optische methode naast laserdiffractie.

Bekijk het assortiment in de categorie apparatuur of neem contact op voor advies over de juiste meetmethode en apparatuur voor uw toepassing.

Voor de directe visualisatie van deeltjes­morfologie en oppervlakte­ruwheid op nanometerschaal is atomaire krachts­microscopie (AFM) een complementaire karakteriseringsmethode naast laserdiffractie.

Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.