اندازه گیری ذرات (Particle size Analyzer)

نحوه کارکرد

چالش تعریف اندازه ذره

یکی از چالش‌های اساسی در تحلیل اندازه ذرات، تعریف دقیق اندازه یک ذره تنها با استفاده از یک عدد است. بسیاری از روش‌های اندازه‌گیری توزیع اندازه ذرات، نتایج را به صورت نموداری دوبعدی نمایش می‌دهند که در آن اندازه ذره در محور X و مقدار ماده در محور Y قرار دارد.

با این حال، تنها یک شکل هندسی وجود دارد که می‌توان آن را با یک عدد دقیق توصیف کرد، و آن کره است. برای مثال، وقتی گفته می‌شود ذره‌ای با قطر ۱۰۰ میکرون وجود دارد، این تعریف برای کره کاملاً دقیق است؛ اما برای اشکالی مانند مکعب یا ذرات نامنظم، چنین عددی تنها یکی از ابعاد ممکن را نشان می‌دهد.

به‌منظور رفع این مشکل، در تمامی روش‌های مدرن، اندازه‌ی واقعی ذرات بر اساس یک «کره معادل» بیان می‌شود. در این حالت، پارامترهای فیزیکی مانند مساحت سطح یا حجم ذره اندازه‌گیری شده و سپس اندازه‌ی کره‌ای گزارش می‌شود که همان مقدار مساحت یا حجم را دارد. رایج‌ترین روش، اندازه‌گیری حجم ذره و گزارش قطر کره‌ای با حجم معادل است؛ روشی که در تکنیک پراش لیزر (Laser Diffraction) به کار می‌رود.

اندازه‌گیری ذرات با روش پراش لیزر

پراش لیزر (Laser Diffraction) یکی از پرکاربردترین و دقیق‌ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری اندازه ذرات در محدوده‌ی ۰٫۵ تا ۱۰۰۰ میکرون است. این روش بر پایه‌ی پراکندگی نور لیزر توسط ذرات عمل می‌کند. در این تکنیک، زاویه‌ی پراکندگی نور رابطه‌ای معکوس با اندازه‌ی ذره دارد؛ هرچه ذرات کوچک‌تر باشند، نور را در زوایای بزرگ‌تری پراکنده می‌کنند.

پراش لیزر به‌دلیل توانایی در اندازه‌گیری انواع نمونه‌ها (پودرهای خشک، سوسپانسیون‌ها، امولسیون‌ها و افشانه‌ها) و ویژگی‌هایی مانند سرعت بالا، دقت تکرارپذیر و دامنه‌ی وسیع اندازه‌گیری، به یکی از استانداردهای جهانی در آزمایشگاه‌ها تبدیل شده است.

سایر روش‌های تحلیل اندازه ذرات

در کنار پراش لیزر، روش‌های دیگری نیز برای تحلیل اندازه ذرات به کار می‌روند:

• غربال‌کردن (Sieving): یکی از قدیمی‌ترین روش‌ها، مناسب برای ذرات بزرگ‌تر از ۱ میکرومتر.
• پراکندگی نور دینامیکی (DLS): روش دقیق و پرکاربرد برای ذرات ریزتر از ۰٫۵ میکرومتر.
• تحلیل تصویری (Image Analysis): جهت بررسی شکل، یکنواختی و ریخت‌شناسی ذرات.

مزایای پراش لیزر

پراش لیزر به دلیل ویژگی‌های زیر، به روش مرجع در بسیاری از صنایع از جمله داروسازی، شیمیایی و غذایی تبدیل شده است:

• دقت بالا و تکرارپذیری نتایج
• سرعت زیاد در اندازه‌گیری
• قابلیت اندازه‌گیری ذرات در محیط خشک یا تر
• غیرمخرب بودن و امکان اتوماسیون
• پوشش دامنه‌ی وسیع از اندازه‌های ذرات

کاربرد در صنعت داروسازی

در صنعت داروسازی، اندازه ذره تأثیر مستقیمی بر کارایی، جذب و آزادسازی دارو دارد. به‌ویژه در محصولات نیمه‌جامد مانند پمادها، کرم‌ها، ژل‌ها و لوسیون‌ها، کنترل اندازه ذرات برای تنظیم سرعت جذب و عملکرد دارو حیاتی است.
به همین دلیل، طی دو دهه‌ی گذشته، روش پراش لیزر جایگزین روش‌های سنتی مانند غربال‌کردن و ته‌نشینی شده است.

اتوماسیون در تحلیل اندازه ذره

پیشرفت‌های فناوری موجب شده است که سیستم‌های مدرن اندازه‌گیری، فرآیند تحلیل را کاملاً خودکار کنند. امروزه تنها با قرار دادن نمونه و فشردن یک دکمه، نتایج دقیق و تکرارپذیر به دست می‌آید. این اتوماسیون، مزیتی بزرگ برای شرکت‌های داروسازی و آزمایشگاه‌های صنعتی محسوب می‌شود.

اصول عملکرد پراش لیزر

در سیستم‌های پراش لیزر، نور لیزر هنگام عبور از میان ذرات، دچار پراش، بازتاب یا شکست می‌شود. زاویه و شدت این پراش، حاوی اطلاعاتی درباره اندازه و توزیع ذرات است.
یک سیستم کامل پراش لیزر معمولاً شامل سه بخش اصلی است:

1. منبع لیزر: تولید پرتو نوری منسجم با طول‌موج مشخص.
2. سیستم عبور نمونه: تضمین حرکت یکنواخت ذرات از مسیر نور.
3. آشکارساز نوری: معمولاً آرایه‌ای از دیودهای سیلیکونی برای ثبت الگوی پراش در زوایای مختلف.

در این روش، ذرات بزرگ‌تر نور را در زوایای کوچک‌تر و با شدت بالاتر پراکنده می‌کنند، در حالی که ذرات کوچک‌تر در زوایای بزرگ‌تر و با شدت کمتر نور را پراکنده می‌سازند. الگوی ثبت‌شده توسط آشکارساز، برای محاسبه‌ی توزیع اندازه ذرات استفاده می‌شود.

مدل‌های نظری در پراش لیزر

تحلیل داده‌های پراش لیزر بر اساس مدل‌های اپتیکی انجام می‌شود. دو مدل اصلی مورد استفاده عبارت‌اند از:

• تقریب فرانهوفر (Fraunhofer Approximation): مناسب برای ذرات بزرگ‌تر از ۱۰ برابر طول‌موج نور لیزر.
• نظریه پراکندگی می (Mie Theory): مدل دقیق‌تر که بر اساس ضریب شکست ذرات و محیط پراکنده‌ساز، شدت نور پراکنده‌شده را محاسبه می‌کند و برای ذرات شفاف یا کوچک‌تر از ۵۰ میکرومتر ایده‌آل است.

پیشرفت توان محاسباتی سیستم‌های امروزی، امکان استفاده‌ی کامل از نظریه می را فراهم کرده است. بر اساس استاندارد ISO 13320، این نظریه دقیق‌ترین مدل برای تحلیل داده‌های پراش لیزر در گستره‌ی وسیع اندازه‌گیری محسوب می‌شود.