Verfahren zur Bestimmung von Partikel-bzw. … Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005...
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FH Lippe und Höxter Prof. Dr. G. Kutz 08.06.2005
Pharmatechnik
FachhochschuleLippe und HöxterUniversity of Applied Sciences
Life Science Technologies
Verfahren zur Bestimmung von Partikel-bzw. Tröpfchengrößen in Emulsionssystemen
08.06.2005
Prof. Dr. Gerd KutzFH Lippe und Höxter
PharmatechnikGeorg Weerth Str. 20
32 756 Detmold
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Vorstellung laserbasierender Verfahren
Photonenkorrelationsspektroskopie
Laserdiffraktometrie
Laserzählverfahren
Turbidimetrie
Hintergrundinformationen
Partikelgrößenanalyse :Gliederung
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Partikelgrößenanalyse :Hintergrundinformationen zum Messen disperser Systeme
Die „Partikelgrößenanalyse“
– gleichbedeutend werden z.B. die Begriffe „Dispersitätsanalyse“, „Teilchengrößenanalyse“, „Feinheitsmessung“ verwendet –
ist die Messung der Feinheit eines dispersen Systems.
Ein disperses System ist eine Anordnung von Materie, die aus wenigstens einer dispersen Phase und einem umgebenden Medium besteht.
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Partikelgrößenanalyse :Anwendungsbereiche
Kosmetisch relevante Dispersionstypen
AerosolSuspensionEmulsionSchaumPulver
Kosmetische Produktgruppen disperser Systeme
• Aerosole/Sprays• Make-up• Pigmenthaltiger Sonnenschutz• Cremes• Lotionen• Dünnflüssige Emulsionen• Hydrodispersionsgele• Zahnpasta• Puder• Schäume
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Partikelgrößenanalyse :Entscheidungshilfen zur Durchführung einer geeigneten PartikelgrößenanalyseIst das Produkt dispers, bzw. enthält es ungelöstes „active ingredient“ ?
Hat die Teilchengrößenverteilungeinen kritischen Einfluss auf die Wirkung?
Hat die Teilchengrößenverteilungeinen kritischen Einfluss auf die Prozessführung ?
Hat die Teilchengrößenverteilungeinen kritischen Einfluss auf die Produktstabilität ?
Hat die Teilchengrößenverteilung einen kritischen Einfluss auf das Auftragverhaltenoder das sensorische Empfinden ?
Ja?
Ja?
Ja?
Ja?
Bestimmung der
Teilchen-
größen-
verteilung
mindestens
sinnvoll
wenn nicht
notwendig
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Partikelgrößenanalyse :Möglichkeiten zur Datenaufnahme
ProzessFormulierung
Probennahme Probennahme
Proben-manipulation
Messung Messung Messung
A off line B on lineC in line
in situ
Auswertung
Rück-kopplung
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Ideal-Partikel Real-Partikel
D3
xF1
F2
D2
D1
x
D1 = Martinscher DurchmesserD2 = Ferretscher DurchmesserD3 = Kreis- Äquivalentdurchmesser
D1 ≡ D2 ≡ D3 [µm]
0
10
20
[µm]0 10 20 30 40
[µm]0 10 20 4030
F1≡ F2
Partikelgrößenanalyse :Überlegungen zur Vergleichbarkeit
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Partikelgrößenanalyse :Überlegungen zur Vergleichbarkeit
Gerät/Messprinzip
Äquivalentdurchmesser
Siebung Maschenweite, minimale Partikelgröße
30 100 30 -100 100
Mikroskopie
Mess-orientierung
Ferret-DurchmesserMartin- DurchmesserKreisäquivalent-Durchmesser
303062
10010062
944762
303030
Laserbeugung Querschnittsfläche 62 62 62 30
100µm
30µm
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Partikelgrößenanalyse :Überlegungen zur Vergleichbarkeit
Anzahlverteilung Volumenverteilung
1000 Partikel mit 1µm Durchmesserund
1 Partikel mit 100µm Durchmesser
1000 Partikel mit 1µm Durchmesserund
1 Partikel mit 100µm Durchmesser
1µm ≅ 99,9 % 100 µm ≅ 0,1 %
V1/V2 = 1/1000
1µm ≅ 0,1 % 100 µm ≅ 99,9 %
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Partikelgrößenanalyse :Erkenntnisse
1. Eine Ergebnisvergleichbarkeit ist in nur wenigen Fällen vorhersehbar bzw.überhaupt gegeben.Gründe: Probenvorbereitung, Messprinzip des Gerätes, Materialeigenschaften
2. Eine direkte Ergebniskorrelation über Korrekturfaktoren führtnicht zu einer 1:1 Übertragbarkeit
3. Ein Lösungsansatz stellt eine firmeninterne Standardisierung unter Einbeziehung präzise beschriebener Referenzmaterialien dar.
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Lichtstreuung am Partikel :Reflexion, Brechung, Beugung
reflektierter Strahl
einfallender Strahl
gebrochener Strahl
gebeugter Strahlx ~2/3 λeinfallender Strahl
Partikel
reflektierter Strahl
x
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Photonenkorrelationsspektroskopie :Prinzip
Laser
Sekundärelektronen-Vervielfacher
(Photomultiplier)
Sammelsystem
Probeneinlass
Projektionssystem
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Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) :Detektorsignal
Kleines Teilchen Großes Teilchen
tt
I (t) I (t)
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3-D Kreuzkorrelationstechnik (spez. PCS) :Prinzip
Probe
Schirm
A
BLaser
1
23
4
12 3
4
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3-D Kreuzkorrelationstechnik (spez. PCS) :Detektorsignal
Stre
uclic
htin
tens
ität
Zeit
1 oben
1 unten
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Photonenkorrelationsspektroskopie :Zusammenfassung
Messbereich: 1nm bis 3µmMesszeit: Sekunden
Ergebnisdarstellung:Mittlere Partikelgröße,bei Mehrwinkelanalyse auchTeilchengrößenverteilung
Voraussetzung:Verdünnung bis zur schwachenOpaleszenz(gilt nicht für 3-DKreuzkorrelationstechnik)
Hinweise:
Probleme beim Verdünnen
• Auf-/Anlösen• Koaleszenz• Gestaltänderungen• Wasserqualität (Partikel)
Lösung:
• Filtration• Verdünnungsreihe
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Laserbeugungsverfahren :Aufbau
Ringsensor
Laser
Auslass Pumpe
Verarbeitungs-elektronik
Computer-system
Probenzeile
dispergierte Phase
Absperrventil
Rührer
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Laserbeugungsverfahren :Prinzip
Probeneinlass
a) sich bewegende Teilchen
b) Teilchen unterschiedlicher Größe
Probeneinlass
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Laserbeugungsverfahren :Detektorsignal
Probeneinlass
Ringsensor
Laser
Beugungsringe
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Laserbeugungsverfahren :Prinzip
Einzelnes Partikelmit Durchmesser x
Partikelgrößen-Verteilung q0 (x)
rr
∫ ⋅=max
min0 ),()()(
x
xdxxrIxqnrIx)(r,fI x)(r, I 0=
Intensitätsverteilung von Fraunhofer Beugungsmustern
I I
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Laserbeugungsverfahren :ZusammenfassungMessbereich: 0,1µm bis 3mmMesszeit: SekundenAuswertemodus: Fraunhofer bzw. Mie
Prüfen für Teilchen <10µm
Reproduzierbarkeit/Genauigkeit: < 3% x50
< 5% x10/x90
Ergebnisdarstellung: Volumen-, Anzahl-,Flächenverteilung
Voraussetzung: Verdünnung
Hinweise:
• Probennahme• Desagglomeration• Zerstörung• Quellung• Luftblasen• Messbereich• Hintergrundsignal• Mehrfachstreuung• Referenzmaterialien(extern bzw. intern)
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Optical reflectance measurement (ORM) :Komponenten
Strom
Tastatur
Drucker
Maus
Visualisierung
Software
Computersystem
Hardware
Messsonde
Prozessor
Optischer Leiter
Oszilloskop(optional)
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Optical reflectance measurement (ORM) :Aufbau der Messsonde
Messkammer
Linse
Laserdiode
Photodetektor
Optischer LeiterStrahlenteiler
...
.
..
Fokuspunkt
SaphirfensterSaphirlinse
disperses System
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LS = SehnenlängeVS = TastgeschwindigkeitΔtS = Impulsdauer
LS = VS * ΔtS
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
SdBL
SdSL sin
Partikel
dS
LBLs
ds = Durchmesser des gescannten“ Kreises
LB = Bogenlänge
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Optical reflectance measurement (ORM) :Tastvorgang
Ausgangs-signal
Inte
nsitä
t
ts
ts
Laserstrahl
Laufzeit-signal
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Optical reflectance measurement (ORM) :Ergebnisdarstellung
Häu
figke
it(%
)
Bogensehnenlänge (ACL)
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Optical reflectance measurement :Zusammenfassung
Messbereich: ca. 0,1µm bis 1mmnach Kalibration
Messzeit: Sekunden
Ergebnis-darstellung: Anzahl-,
Volumenverteilung „Bogensehnenlängen“ (bis zu 1024 Klassen)
Zählverfahren
Hinweise:
• in-line• in-situ• unverdünnt• Kalibrierung• Impulszählrate• Luftblasen• Inhomogenitäten• Bewegung• repräsentative Probennahme• Reproduzierbarkeit
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Turbidimetrie :Prinzip
Höhe [mm]
Intensität
Transmission
Rückwärts-streuung
Laser 850 nm
max. 80 mm
α =45°
40 µm80 µm
0 µm
RückwärtsstreuungPhotodiode
TransmissionPhotodiode
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Turbidimetrie :Mehrfachstreuung
(Rück)- Streulichtintensität I (BS) als Funktion von Partikeldurchmesserund Phasenvolumenverhältnis θ:
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛= ∗λ
1)( fI BS
worin λ ∗ = „mittlere freie Wegstrecke“
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Turbidimetrie :Theorie Mehrfachstreuung
λ*
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=∗
φλ dk
Überlegung
Detektorsignal
Zusammenhang
δh
δl
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Turbidimetrie :Mehrfachstreuung
Höhe (mm)Stre
ulic
htin
tens
itat(
%)
Einzelmessung
Mehrfachmessungen („Kinetik“)
Höhe (mm)
Stre
ulic
htin
tens
itat(
%)
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Turbidimetrie :Interpretation
t= 0
t= n
t= 0
t= n
Koaleszenz bzw. FlokkulationSedimentation bzw. Aufrahmen
Demulgiervorgänge
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Turbidimetrie :ZusammenfassungMessbereich: ca. 0,1µm bis 1mm
Messzeit: Sekunden
Ergebnis-darstellung: Rückstreuung (%)
Transmission ( %) über Probenhöhe
mittlere Teilchengröße bzw. Phasenvolumen-verhältnis
Hinweise:
• unverdünnt• in-line • Probennahme• Reproduzierbarkeit • Stabilitätsuntersuchungen• Preformulation• Prozesssteuerung • Relativverfahren• Inhomogenitäten
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