Laserdiffractie is de meest gebruikte methode voor deeltjesgroottebepaling in het laboratorium. De techniek — ook wel aangeduid als laserdeeltjesgrootteanalyse, statische lichtverstrooiing of laserdeeltjesgrootteanalysator; meet de grootteverdeling van deeltjes van nanometers tot millimeters op basis van het spreidingspatroon dat ontstaat wanneer een laserstraal een deeltjeswolk passeert. Onder deeltjesgrootteverdeling verstaan we de statistische spreiding van deeltjesgroottes in een monster, uitgedrukt als fractie van het totale volume (of aantal) per grootteklasse. Het resultaat wordt doorgaans weergegeven in parameters zoals D10, D50 en D90, die rechtstreeks bepalend zijn voor productkwaliteit, verwerkbaarheid en biologische beschikbaarheid.
Een praktisch voordeel van laserdiffractie ten opzichte van klassieke methoden zoals zeefanalyse of sedimentatieanalyse is de meetsnelheid: een volledige deeltjesgrootteverdeling is doorgaans binnen enkele seconden tot minuten beschikbaar, inclusief automatische berekening van D-waarden en grafieken.
Deeltjesgrootte is de karakteristieke afmeting van een deeltje in een poeder, suspensie of emulsie, uitgedrukt als een equivalente sferische diameter in micrometers (µm) of nanometers (nm). Omdat de meeste deeltjes niet perfect bolvormig zijn, wordt de deeltjesgrootte gedefinieerd als de diameter van een bol met hetzelfde volume, oppervlak of gedrag in een vloeistof als het werkelijke deeltje. Deeltjesgrootte is geen enkelvoudige waarde maar een verdeling: een monster bevat doorgaans deeltjes van uiteenlopende afmetingen, en de deeltjesgrootteverdeling beschrijft welke fractie van het totale volume (of aantal) binnen elke grootteklasse valt. Deze verdeling wordt uitgedrukt in parameters zoals D10, D50 en D90.
Diffractie is het buigen en verstrooien van golven — in dit geval lichtgolven — wanneer ze een obstakel of opening passeren waarvan de afmeting vergelijkbaar is met de golflengte. Bij laserdiffractie voor deeltjesgroottebepaling benut men dit verschijnsel: een laserstraal treft een deeltje en wordt 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.
Een laserdiffractometer bestaat uit de volgende hoofdonderdelen: een lichtbron (doorgaans een rode He-Ne laser van 632 nm, aangevuld met een blauwe laser voor het submicronbereik), een meetcel met dispersie-eenheid (droog of nat), een array van fotodetectoren over een breed hoekengebied, en software die het verstrooiingspatroon omzet in een grootteverdeling via Fraunhofer- of Mie-berekening.
Twee theoretische modellen worden toegepast:
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.
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.
De deeltjesgrootteverdeling wordt in de internationale literatuur en software ook aangeduid als PSD (Particle Size Distribution). De D-waarden (D10, D50, D90) zijn de meest gebruikte parameters om een PSD compact te beschrijven en zijn direct vergelijkbaar tussen laboratoria en meetmethoden, mits de rapportagebasis (volume, aantal of oppervlak) gelijk is.
Naast percentielen worden in farmaceutische en chemische specificaties ook gemiddelde diameters gebruikt:
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.
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.
Laserdiffractiemeters zijn beschikbaar voor twee dispersiemethoden, die elk andere toepassingen dekken:
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.
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.
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:
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: de effectieve diameter van een deeltje inclusief de omhullende solvatatieschil in oplossing. Het basisprincipe van DLS berust op de Brownse beweging van deeltjes in suspensie: kleinere deeltjes bewegen sneller dan grotere, wat leidt tot snellere fluctuaties in de verstrooiingsintensiteit. Uit de tijdscorrelatiefunctie van die fluctuaties wordt de diffusiecoëfficiënt berekend, waaruit via de Stokes-Einstein-vergelijking de hydrodynamische diameter volgt. DLS maakt daarvoor gebruik van een laser als lichtbron en een enkele detector op een vaste hoek (typisch 90° of 173° backscatter). Het primaire DLS-meetresultaat is het Z-gemiddelde (intensiteitsgewogen gemiddelde diameter) in combinatie met de polydispersiteitsindex (PDI). Een lage PDI (<0,2) wijst op een smalle, homogene verdeling; een hoge PDI duidt op polydispersiteit of meerdere deeltjespopulaties. Voor submicron farmaceutische nanodragers wordt DLS gebruikt als aanvullende of primaire methode naast laserdiffractie.
Laserdiffractie meet op dezelfde manier met een laser, maar registreert een statisch verstrooiingspatroon over vele hoeken tegelijk — vandaar dat de techniek ook wel statische lichtverstrooiing (SLS) wordt genoemd. DLS registreert juist de tijdsvariatie van het verstrooide signaal op één hoek. De twee technieken zijn dus complementair: SLS/laserdiffractie voor de brede grootteverdeling van grotere deeltjes, DLS voor de nauwkeurige groottebepaling in het nanobereik.
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.
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.
Laserdiffractie heeft enkele inherente beperkingen die bij de interpretatie van resultaten in acht genomen moeten worden:
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 gekwalificeerd volgens de IQ/OQ/PQ-cyclus: installatiekwalificatie (IQ) verifieert de correcte installatie, operationele kwalificatie (OQ) bevestigt dat het instrument binnen de gespecificeerde parameters functioneert, en prestatiekwalificatie (PQ) toont aan dat het instrument consistent voldoet aan de eisen van de beoogde toepassing. Kalibratie vindt plaats met gecertificeerde referentiematerialen (NIST SRM 1003c of vergelijkbaar).
Deeltjesgroottebepaling staat zelden op zichzelf. Veelgebruikte aanvullende technieken zijn:
Een deeltjesteller (particle counter) is een instrument dat het aantal deeltjes per volumeeenheid telt en per grootteklasse registreert, in tegenstelling tot laserdiffractie die een volumegewogen grootteverdeling meet. Deeltjestellers worden ingezet voor de monitoring van reinheidsklassen in reinruimten (conform ISO 14644), de kwaliteitscontrole van injectievloeistoffen (conform de Europese farmacopee, Ph. Eur. 2.9.19) en de bewaking van hydraulische vloeistoffen (conform ISO 4406). Het meetprincipe berust op lichtobstructie of lichtverstrooiing: een laserstraal detecteert elk deeltje afzonderlijk als het de meetcel passeert, waarbij de pulsamplitude de deeltjesgrootte weergeeft. Het meetbereik loopt doorgaans van 0,5 tot 200 µm. Deeltjestellers zijn complementair aan laserdiffractie: waar laserdiffractie de grootteverdeling van een monstervolume als geheel bepaalt, telt de deeltjesteller individuele deeltjes in een continue vloeistof- of luchtstroom.
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.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
