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.

$Werkingsprincipe laserdiffractie: laserstraal, deeltjeswolk en detectoren met Fraunhofer- en Mie-verstrooiing$

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.

Wat betekenen D10, D50 en D90?

De grootteverdeling wordt beschreven met cumulatieve percentielwaarden:

Parameter	Betekenis	Toepassing
D10	10% van de deeltjes is kleiner dan deze waarde	Maat voor de fijne fractie; relevant voor oplosbaarheid en inhalatie
D50	Mediaan deeltjesgrootte; 50% is kleiner	Standaard referentiewaarde voor productkwaliteit
D90	90% van de deeltjes is kleiner dan deze waarde	Maat voor de grove fractie; relevant voor filtergedrag en sedimentatie
Span	(D90 − D10) / D50	Maat voor de breedte van de verdeling; lage span = smalle verdeling

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

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.

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:

Eigenschap	Laserdiffractie (LD)	Dynamische lichtverstrooiing (DLS)
Meetbereik	0,1 µm – 3,5 mm	0,3 nm – 10 µm
Principe	Statische verstrooiingshoek	Fluctuaties door Brownse beweging
Resultaat	Volumegewogen verdeling	Z-gemiddelde hydrodynamische diameter
Concentratie monster	0,1 – 40% (vol/vol)	Zeer laag (ppm-bereik)
Typische toepassing	Poeders, granulaten, emulsies, suspensies	Eiwitten, nanodeeltjes, liposomen, polymeren

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.

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 (MMAD, 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 (lichtonderdukking) 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.

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
Vloeistofchromatografie voor polymeerkarakterisering gecombineerd met deeltjesgrootte

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