Een lasergebaseerde methode voor het meten van de deeltjesgrootteverdeling tijdens het maalproces

Hoe farmaceutica werken, hoe efficiënt katalysatoren zijn en hoe effectief en nauwkeurig drukinkten functioneren, hangt allemaal af van de grootte van de nanodeeltjes die ze bevatten. Er zijn echter nog geen methoden om de deeltjesgrootteverdeling tijdens maalprocessen te monitoren.

In het PAT4Nano-project heeft een consortium uit de industrie en onderzoek de afgelopen vier jaar gezocht naar praktische benaderingen voor dergelijke inline-metingen. Het Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aken heeft een veelbelovende lasergebaseerde methode ontwikkeld die dergelijke metingen binnenkort mogelijk zou kunnen maken.

Deeltjes op nanometerschaal (nm) maken het verschil bij inkjetprinten, voertuigkatalysatoren en farmaceutische productie. “Hun grootteverdeling heeft een grote invloed op de producteigenschappen in veel toepassingen”, legt Dr. Christoph Janzen uit, die onderzoek doet op het gebied van medische lasertechnologie en bioanalyse bij Fraunhofer ILT.

Zo heeft de mate van deeltjesvermaling in drukinkten invloed op de betrouwbaarheid, kosten en het kleureffect bij digitaal printen. Zogenaamde oversized deeltjes, dat wil zeggen deeltjes die te groot zijn, kunnen de inkjetspuitmonden verstoppen. Als ze te fijn worden vermalen, nemen de benodigde energie en tijd in de productie toe en kan de afdrukkwaliteit eronder lijden.

De situatie is vergelijkbaar met nanodeeltjes voor katalysatorcoatings. Zowel het katalytische effect als het grondstofverbruik van de edelmetalen platina en iridium zijn afhankelijk van de deeltjesgrootteverdelingen van de dragermaterialen aluminium en zirkoniumoxide: De optimale deeltjesgrootte bereikt maximale katalytische efficiëntie met minimale edelmetaalinput.

De deeltjesgrootteverdeling is ook belangrijk in de farmaceutische industrie, omdat de grootte van de actieve ingrediëntdeeltjes bepaalt hoe snel ze in het lichaam oplossen en hoe lang hun effect aanhoudt. Sommige pijnstillende medicijnen hebben een medicijnachtig effect wanneer ze fijngemalen zijn. Precisie is daarom vereist bij de productie.

“Als de gespecificeerde deeltjesgrootteverdeling niet wordt aangehouden, bestaat het risico dat de hele batch moet worden weggegooid, wat betekent dat het bedrijf hoge financiële verliezen kan lijden”, legt Janzen uit. Maar hoe groot de invloed van nanodeeltjes ook is op de eigenschappen van veel producten, het is moeilijk om ze te meten met de momenteel beschikbare meet- en microscopiemethoden.

Dit geldt met name als de meting inline tijdens het slijpproces moet worden uitgevoerd. Omdat hiervoor geen praktische oplossingen zijn, hebben gebruikers het tot nu toe gedaan met in-process aselecte steekproefmetingen.

Inline metingen van nanodeeltjes mogelijk maken

Om deze kloof te dichten, is een consortium van industriële bedrijven, fabrikanten van meet- en analyseapparatuur en onderzoekspartners op zoek gegaan naar nieuwe benaderingen voor inline deeltjesmeting.

In het kader van het project PAT4Nano (Process Analytical Technology Tools for Realtime Physical and Chemical Characterization of Nanosuspensions) hebben ze vier jaar lang gewerkt aan de ontwikkeling van verschillende analytische benaderingen om industrieel relevante nanodeeltjes te meten en analyseren.

Naast de Belgische bedrijven Agfa-Gevaert en Janssen Pharmaceutica, de National University of Ireland in Galway en de Ierse University of Limerick, Johnson Matthey en Malvern Panalytical uit het Verenigd Koninkrijk en InProcess-LSP en TNO uit Nederland, maakte ook Fraunhofer ILT deel uit van het consortium.

Een team onder leiding van Janzen heeft een nieuwe lasergebaseerde technologie voor deeltjesanalyse ontwikkeld. Deze technologie is gebruikt om de deeltjesgrootteverdeling van monsters uit toepassingen in de farmaceutische industrie, drukinkt en katalysatorproductie te onderzoeken tijdens het PAT4Nano-project.

De nieuwe methode is in staat om de grootte en grootteverdeling van deeltjes (deeltjesgrootteverdeling; PSD) te meten tijdens het lopende maalproces. Deze taak is uitdagend voor deeltjes in het groottebereik van minder dan 100 nm, omdat microscopische beeldgebaseerde methoden hier hun grenzen bereiken. Het team moest daarom diep in hun fotonische trukendoos graven bij de ontwikkeling van de lasergebaseerde inline-analyse.

Wiskundige omwegen naar nauwkeurige inline deeltjesmeting

“We hebben onze methode ontwikkeld op basis van dynamische lichtverstrooiing”, legt Janzen uit. Dit meetprincipe is gebaseerd op de moleculaire beweging van Braun: in het vloeibare medium worden de zwevende nanodeeltjes geëxciteerd door botsingen met moleculen van het oplosmiddel en zijn ze constant in beweging. Hoe kleiner de deeltjes, hoe sneller de beweging. Dit is precies waar het lasermeetproces om de hoek komt kijken.

“We richten een laser op de oplossing en analyseren het verstrooide licht of de tijdelijke fluctuatie ervan”, legt Janzen uit. De deeltjesgrootte kan worden afgeleid uit de fluctuatie met behulp van wiskundige methoden.

Er worden twee wiskundige methoden veel gebruikt: Fourieranalyse leidt tot de werkelijke deeltjesgrootte via de intensiteitsverdeling in gedefinieerde frequentiebereiken. Als alternatief is het mogelijk om correlatieanalyse te gebruiken om conclusies te trekken over de deeltjesgroottes in het grondmateriaal op basis van de frequentie van beweging. Als andere parameters zoals de viscositeit of temperatuur van de vloeistof worden meegenomen, kan het proces een zeer nauwkeurig beeld geven van de deeltjesgroottes en hun verdeling.

Volgens Janzen is een absolute waarde niet altijd vereist. Vaak is het voor gebruikers voldoende om bij te houden hoe de “hydrodynamische straal” van de deeltjes verandert tijdens het maalproces. “Door dit te vergelijken met een perfecte run, kunnen ze eenvoudig bijhouden hoe hun proces vordert en wanneer de gewenste deeltjesgrootte is bereikt”, meldt hij.

Naast de wiskundige benaderingen omvat het lasermeetproces ook fantasierijke engineering. Dit komt omdat de inline-meting niet kan plaatsvinden in de kogelmolen, omdat de dynamische lichtverstrooiing is gebaseerd op de observatie van ongestoorde diffusie. Er kan echter niet worden gegarandeerd dat de deeltjes vrij diffunderen in het vloeibare medium in een draaiende kogelmolen, vooral omdat het gemalen materiaal er continu in wordt gemengd. Bemonstering door cuvette voldoet daarentegen niet aan de vereiste van continue procesbewaking.

Om het dilemma op te lossen, analyseerde het Fraunhofer-team het maalproces systematisch. Dit gaf de onderzoekers het briljante idee: “In de kogelmolens die doorgaans worden gebruikt, wordt het vloeibare medium voortdurend rondgepompt”, legt Janzen uit.

Het team gebruikte de optische meetmethode in deze vloeistofcyclus. Om te garanderen dat de metingen nauwkeurig zijn ondanks de bewegende vloeistoffen, construeerden de ILT-onderzoekers een inline-sonde. Een roterende waaier beweegt de monstervloeistof voor de optische sonde. Wanneer deze stopt, ontstaat er een gesloten ruimte in een van de kamers, losgekoppeld van elke stroming. De deeltjes kunnen hier vrij diffunderen en er kan een ongestoorde meting worden uitgevoerd.

Om ze te analyseren, richt het team de laser door de sonde op de tijdelijke meetkamer. Na de meting begint de waaier weer te bewegen, wisselt de geanalyseerde monstervloeistof uit en sluit de meetkamer weer af tegen de buitenkant als deze stopt.

Een verdere stap naar een stabiele meetmethode voor nanodeeltjes die in de industrie worden gebruikt

Volgens Janzen wordt het licht via een optische vezel in de oplossing gebracht, waarbij het focuspunt variabel is. Een tweede optisch systeem vangt het verstrooide licht op en leidt het ook via de vezel naar de detector, die de signalen registreert. “Het voordeel van deze methode is dat de metingen worden gedaan onder dezelfde omstandigheden als die heersen in het slijpproces”, zegt hij.

Een uitdaging die nog niet volledig is opgelost, is dat de deeltjesconcentratie in de vloeistof hoog is en het niet mogelijk is om deze van buitenaf te verdunnen. Dit vergroot de kans op meervoudige verstrooiing, wat de meetresultaten kan vervalsen.

Om het concentratiebereik te vergroten, experimenteerden de onderzoekers met een compleet nieuwe aanpak: 3D-kruiscorrelatie. Hierbij wordt gebruikgemaakt van een aangepaste immersiesonde, die twee DLS-metingen op dezelfde locatie kan uitvoeren en fluctuerende signaalintensiteiten met elkaar kan vergelijken met behulp van kruiscorrelatie. Op deze manier kan het concentratiebereik worden vergroot, omdat de interfererende meervoudige verstrooiing kan worden uitgefilterd wanneer de signalen worden vergeleken.

Om ervoor te zorgen dat beide metingen exact dezelfde deeltjes vastleggen, heeft het team een ​​speciale optiekhouder ontworpen en deze vervaardigd met behulp van selectieve laseretsing (SLE). Ze streven ernaar om een ​​zeer nauwkeurige focussuperpositie te bereiken door het licht van twee excitatielasers in twee bundelpaden door één en dezelfde asferische lens op exact dezelfde deeltjes te richten en het verstrooide licht via twee verdere bundelpaden vast te leggen.

Door consistente miniaturisatie konden ze het optische systeem integreren in de immersiesonde. De aanpak bleek echter zeer complex in de loop van het project.

“Het is nog niet robuust genoeg, maar de resultaten met de door SLE vervaardigde houder zijn veelbelovend”, zegt Janzen. Dat komt ook omdat er twee verschillende golflengtes (785 nm en 795 nm) voor excitatie werden gebruikt om de verstrooide lichtsignalen van de twee DLS-experimenten te scheiden.

De detectiekwaliteit van de cross-correlatiebenadering loopt nog steeds achter op autocorrelatie. Om de nadelen bij hoge deeltjesconcentraties te compenseren, hebben de partners het brandpunt dicht bij het glaspaneel van de sonde geplaatst: hoe lager de penetratiediepte van de laser in de vloeistof, hoe lager de kans op interfererende meervoudige verstrooiing.

Janzen concludeert: “In het PAT4Nano-project zijn we erin geslaagd een inline-meetmethode te ontwikkelen door verschillende benaderingen systematisch te testen. Hiermee kunnen we PSD-analyses van deeltjes van ongeveer 100 nanometer groot direct in het lopende slijpproces uitvoeren.”

De volgende stap is om het proces nu in serieproductie te brengen met partners uit verschillende gebruikersindustrieën en fabrikanten van meetapparatuur.