اندازه گیری ذرات (Particle size Analyzer)

نحوه کارکرد

یکی از چالش‌های اساسی در تحلیل اندازه ذرات، تعریف دقیق اندازه ذره با استفاده از یک عدد مشخص است.
بسیاری از روش‌های اندازه‌گیری توزیع اندازه ذرات، این اطلاعات را در قالب یک نمودار دو بعدی نمایش می‌دهند که در آن، اندازه ذره در محور X و کمیت ماده در محور Y قرار می‌گیرد. اما مشکل این است که تنها یک شکل هندسی خاص می‌تواند به طور دقیق توسط یک عدد توصیف شود و آن کره است. به عبارت دیگر، یک کره تنها یک ویژگی یکسان در هر بعد دارد. برای مثال، اگر بگوییم یک کره 100 میکرونی داریم، این عدد به‌طور دقیق ابعاد آن را توضیح می‌دهد. اما نمی‌توانیم همین موضوع را برای شکل‌هایی مانند مکعب بگوییم، چرا که اندازه 100 میکرون می‌تواند نمایانگر طول یک گوشه یا حتی خط عرضی مکعب باشد.

برای رفع این مشکل، تمامی روش‌های اندازه‌گیری ذره، ویژگی‌های یک بعدی ذره را اندازه‌گیری کرده و آن را به اندازه‌ یک کره معادل تبدیل می‌کنند. یکی از این روش‌ها اندازه‌گیری مساحت سطح ذره و سپس تعیین اندازه کره‌ای است که مساحت مشابهی داشته باشد. رایج‌ترین روش، اندازه‌گیری حجم هر ذره در نمونه و سپس گزارش اندازه کره‌ای است که حجم مشابهی داشته باشد؛ این روش معمولاً در تکنیک پراش لیزر به کار گرفته می‌شود.

 

 

اندازه‌گیری ذره با استفاده از پراش لیزر

پراش لیزر، به یکی از رایج‌ترین و معتبرترین روش‌ها برای اندازه‌گیری اندازه ذرات تبدیل شده است، به‌ویژه برای ذرات در محدوده 0.5 تا 1000 میکرون.
این روش بر اساس اصول پراکندگی نور (لیزر) توسط گروهی از ذرات عمل می‌کند. در این تکنیک، زاویه پراکندگی نور به‌طور معکوس با اندازه ذره مرتبط است؛ بدین معنا که هرچه اندازه ذره کوچکتر باشد، زاویه پراکندگی نور بیشتر خواهد بود.

پراش لیزر به دلیل توانایی اندازه‌گیری انواع مختلف نمونه‌ها، از جمله پودرهای خشک، سوسپانسیون‌ها، امولسیون‌ها و حتی افشانه‌ها، به روشی محبوب و گسترده در آزمایشگاه‌ها تبدیل شده است. این روش همچنین از سرعت بالا، دقت قابل‌اطمینان و قابلیت تولید مجدد برخوردار است و قادر است دامنه وسیعی از اندازه‌ها را با دقت اندازه‌گیری کند.

روش‌های دیگر تحلیل اندازه ذره

علاوه بر پراش لیزر، روش‌های دیگری نیز برای تحلیل اندازه ذرات وجود دارد. یکی از قدیمی‌ترین روش‌ها غربال کردن است که هنوز برای اندازه‌گیری ذرات نسبتا بزرگ (بیشتر از 1 نانومتر) به‌طور گسترده استفاده می‌شود. برای اندازه‌گیری ذرات بسیار ریز (کمتر از 0.5 میکرومتر)، پراکندگی نور دینامیک (DLS) یکی از راحت‌ترین و مناسب‌ترین روش‌ها به شمار می‌رود. اگر نیاز به اندازه‌گیری ویژگی‌های شکلی ذرات (ریخت‌شناسی) داشته باشید، روش تحلیل تصویری تنها راه برای دریافت اطلاعات اضافی است.

پراش لیزر: روش پیشرفته در تحلیل اندازه ذره

پراش لیزر به عنوان یکی از مهم‌ترین و مؤثرترین روش‌های تحلیل اندازه ذره به دلیل ویژگی‌هایی مانند سرعت بالا، غیرمخرب بودن، تطابق‌پذیری با طیف وسیعی از اندازه‌های ذرات و امکان اتوماسیون، به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. این روش قادر به اندازه‌گیری توزیع اندازه ذره برای هر دو حالت خشک و تر بوده و مزایای فراوانی دارد، از جمله:

• دقت بالا در اندازه‌گیری

• پاسخ سریع

• پتانسیل بالا برای تکرار نتایج

• قابلیت اندازه‌گیری دامنه وسیعی از قطر ذرات

پراش لیزر در صنعت داروسازی

در دو دهه گذشته، پراش لیزر به طور چشمگیری جایگزین روش‌های سنتی مانند غربال کردن و رسوب‌گذاری (ته‌نشین شدن) شده است. این تکنیک با توجه به قابلیت‌های بالای خود در تولید نتایج دقیق و سریع، به روشی ترجیحی در صنعت داروسازی تبدیل شده است. در این صنعت، اندازه ذره در تعیین عملکرد محصولات یا فرآیندهای تولیدی اهمیت بالایی دارد.

برای مثال، در داروهای نیمه‌جامد مانند پمادها، کرم‌ها، ژل‌ها و لوسیون‌ها، اندازه ذره در کنترل نحوه انتقال دارو به بدن بسیار حیاتی است. این داروها ویژگی‌هایی از هر دو حالت جامد و مایع را دارند، بنابراین دانستن اندازه ذره برای تعیین چگونگی جذب آن‌ها در بدن ضروری است.

اتوماسیون در تحلیل اندازه ذره

تحلیل اندازه ذره مدرن به سمت اتوماسیون رفته است، به طوری که فرآیندهای پیچیده تحلیل به سادگی با بارگذاری نمونه و فشردن یک دکمه انجام می‌شود. این ویژگی، چشم‌اندازی جذاب برای شرکت‌های داروسازی فراهم می‌کند که به دنبال افزایش کارایی و دقت در تحقیقات خود هستند.

چگونه پراش لیزر کار می‌کند؟

پراش لیزر بر اساس تعامل نور با سطح ذرات عمل می‌کند. زمانی که نور به ذرات برخورد می‌کند، منجر به پراش، بازتاب، جذب یا شکست می‌شود. این تغییرات در رفتار نور، اطلاعات دقیقی درباره اندازه ذرات و توزیع آن‌ها فراهم می‌آورد.

با فرض این که سیستم پراش حاوی موارد زیر باشد، بیش‌ترین حوزه برای تحلیل اندازه ذره دقیق ارائه می‌شود:

• یک لیزر- این به عنوان منبع نور منسجم و شدید دارای طول‌موج معین ضروری است.
• سیستم نمایش نمونه- این تضمین می‌کند که مواد آزمایش شونده به صورت موفق در طول پرتو لیزر به عنوان جریانی از ذرات حرکت می‌کنند که دارای حالت شناخته شده از پراکندگی هستند و می‌تواند دوباره تولید شود.
• آشکارساز- آشکارسازهای خاص (معمولاً آرایه‌ای از دیودهای سیلیکونی حساس به نور) برای اندازه‌گیری الگوی نور تولید شده در محدوده‌ای از زوایا به کار برده شده است.

پراش لیزر که به روش ابر یا گروه مشهور است به این معنی است که برای کل نمونه نتیجه می‌دهد و از ارائه اطلاعات برای ذرات منفرد خودداری می‌کند. روش‌های گروهی از پرتو گسترش یافته نور لیزر که نور را با لنزهای خاص پراکنده می‌کند تا مجموعه بزرگ‌تری را ارائه دهد، استفاده می‌کند. در طول آزمایش پراش لیزر، ذرات در پرتو لیزر موازی شده روشن می‌شوند- الگوی پراکنده شده از نور را ایجاد می‌کند- استنباط اندازه و شکل ذرات را برای دانشمندان ممکن می‌کند.

به عنوان یک قانون کلی، ذرات بزرگ‌تر شدت بالاتری از پراکندگی را در زوایای کوچک‌تر نسبت به پرتو ایجاد می‌کند و ذرات کوچک‌تر از طرفی، سیگنال با شدت کمتر با زوایای گسترده‌تر ایجاد می‌کند. این الگوی پراکندگی زاویه‌دار با آشکارسازهای طراحی شده خاص مختلف اندازه‌گیری می‌شود و توزیع اندازه ذره از اطلاعات منتجه تعیین می‌شود.

 

مدل‌های پراش لیزر

پراش لیزر وابسته به مدل‌های اپتیکی است تا به دانشمندان در درک اطلاعات تولید شده کمک کند. نظریه پراکندگی می (Mie) و تقریب پراش فرانهوفر دو نظریه کلیدی استفاده شده برای محاسبه نوع الگوهای توزیع شدت نور تولید شده توسط ذرات در اندازه‌های مختلف است.

نظریه فرانهوفر

در اواخر دهه 1970، زمانی که سیستم‌های پراش لیزر برای اولین بار معرفی شد، توان محاسباتی محدود باعث سختی و غیرعملی شدن اعمال با دقت بالا نظریه می شد. تقریب فرانهوفر از نظریه می یک مدل بسیار آسان‌تر برای استفاده بود و بنابراین به صورت گسترده در این مرحله اتخاذ شد. آن یک رویکرد ساده‌تر با فرض‌های زیر ارائه داد:

• اندازه ذره باید نسبتاً بزرگ باشد. توصیه می‌شود که 10 برابر طول‌موج لیزر، حداقل مقدار برای این تقریب است.
• ذرات اندازه‌گیری شده باید قرص‌های مات باشند.
• نور فقط در زوایای کم پراکنده می‌شود.
• ذرات در هر اندازه‌ای نور را با بازده یکسان پراکنده می‌کنند.
• ضریب شکست بین ذرات و محیط اطراف نامحدود است.

نظریه پراکندگی می

نظریه می از اختلاف ضریب شکست بین ذرات و محیط پراکنده شده برای پیش‌بینی شدت نور پراکنده شده استفاده می‌کند. همچنین شرح می‌دهد که چگونه مشخصات جذب ذره بر مقدار نوری که در ذره انتقال داده می‌شود تأثیر دارد چه جذب شود و چه بازتاب یابد. توانایی حساب تأثیر بازتاب نور در ذره به ویژه برای ذرات با قطر کمتر از 50 میکرومتر و یا ذراتی که شفاف هستند بسیار اهمیت دارد.

نظریه می مبتنی بر مفروضات زیر است:

• ذرات اندازه‌گیری شده باید کروی باشند.
• سوسپانسیون باید رقیق باشد تا این که نور توسط یک ذره پراکنده شود و قبل از این که با دیگر ذرات برخورد کند آشکارسازی شود.
• ویژگی‌های اپتیکی ذرات و محیط اطراف باید معلوم باشد.
• ذرات همگن هستند.

انتخاب راه‌حل علمی مناسب

پیشرفت‌های اخیر در توان محاسباتی به تحلیلگران ذرات مبتنی بر پراش لیزر مدرن این امکان را داده است که از نظریه می که بیش از 100 سال پیش توسط او توسعه داده شد، به‌طور کامل بهره بگیرند. این پیشرفت‌ها نشان می‌دهند که چگونه توانایی نظریه می در پیش‌بینی دقیق اثر شفافیت ذرات و تغییرات در بهره‌وری پراکندگی آن نسبت به تقریب‌های قدیمی‌تر (مانند تقریب فرانهوفر) پیشرفته‌تر و مؤثرتر است. این تفاوت به ویژه برای ذرات با قطر کمتر از 50 میکرومتر کاملاً مشهود است.

استاندارد ISO 13320 این مزیت را شناسایی کرده و نتیجه گرفته است که نظریه می، مدل اپتیکی دقیقی را برای اندازه‌گیری‌های پراش لیزر در گستره اندازه‌گیری‌های متنوع فراهم می‌آورد.

سیستم‌های اندازه‌گیری مدرن امروزی به راحتی دسترسی به توانایی‌های قدرتمند نظریه می را فراهم کرده‌اند. به‌عنوان مثال، این سیستم‌ها شامل پایگاه داده ضرایب شکست می‌شوند که این امکان را می‌دهند که بالاترین دقت در اندازه‌گیری‌ها برای گسترده‌ترین انواع مواد حاصل شود.