Flexible Möglichkeiten

Partikelgrößenbestimmung mit Laserbeugung in der pharmazeutischen Industrie

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26.10.2011 In der pharmazeutischen Industrie sind Partikelgrößenverteilungen als Prozess- und Qualitätsparameter von großer Bedeutung. Die Partikelgrößenverteilungen von Wirk- und Hilfsstoffen werden gezielt durch Zerkleinerungs- und Granulierprozesse beeinflusst, um entsprechende Eigenschaften bei der Verarbeitung oder im Endprodukt zu erzeugen. Dabei auftretende Partikelgrößen reichen vom Nano- bis in den Millimeterbereich.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Mit dem Laser-Streulichtspektrometer steht dem Anwender ein Laserbeugungsgerät mit einem breiten Messbereich und vielen Möglichkeiten der Probenzufuhr zur Verfügung.
  • Die Steuer- und Auswertesoftware erlaubt nach der erfolgten Entwicklung der jeweiligen Messmethode ein standardisiertes Arbeiten dank einfach zu erstellender SOPs, die vollautomatisch ablaufen können.
  • Auch die volle 21 CFR Part 11 Konformität der Software kann gewährleistet werden.

Pharmazeutische Wirkstoffe werden heute oft bis weit in den Submikrometerbereich zerkleinert, um die gewünschte Bioverfügbarkeit zu erreichen. Andererseits werden Hilfsstoffe oder auch fertige Rezepturen in Wirbelschichtprozessen granuliert und dabei Partikelgrößen bis in den Millimeterbereich erzeugt. Aus diesen vielfältigen Anwendungen in der Pharmazie leiten sich als wichtige Anforderungen an Partikelmessgeräte, insbesondere ein breiter Messbereich sowie flexible Möglichkeiten der Probenzufuhr, ab.

Das Laser-Streulichtspektrometer Horiba LA-950 erfüllt diese Voraussetzungen mit einem dynamischen Messbereich von 0,01 bis 3.000 µm und vielfältigen Möglichkeiten für das Messen von Proben in Suspension, aber auch im trockenen Zustand. Durch die Kombination von zwei Lichtquellen mit dem innovativen Detektorkonzept von 87 selektiv arbeitenden Detektoren wird dieser enorm breite, dynamische Messbereich möglich.

Das optische System des LA-950

Bei der Wechselwirkung von Laserlicht mit Partikeln werden charakteristische Streulichtverteilungen erzeugt. Diese sind abhängig von der Größe der Partikel, ihren optischen Eigenschaften und der Wellenlänge des Lichtes. Große Partikel streuen das Licht bevorzugt in kleine Winkel. Das Laser-Streulichtspektrometer LA-950 besitzt einen segmentierten 64-Element-Detektor mit höchster Genauigkeit bei der Messung der kleinen Winkel. Kleine Partikel streuen das Licht mit geringerer Intensität in größere Winkel in Seit- und Rückwärtsrichtung. Dieses Streulicht wird mit 23 zusätzlichen Detektoren erfasst. In Kombination mit der Verwendung von zwei Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge lässt sich ein Messbereich von 10 nm bis 3 mm verwirklichen.

Der modulare Aufbau des Laser-Streulichtspektrometers ermöglicht ein Abstimmen der Probendispergierung auf flexible, der jeweiligen Applikation angepasste Weise. Sowohl die Nass- als auch die Trockendispergierung erfolgen sehr effektiv und gewährleisten reproduzierbare Ergebnisse.

Effektives Dispergieren bei Messung von Nanomaterialien

Proben im Nanometerbereich neigen zur Agglomeration. Aus diesem Grund ist eine effektive Dispergierung essentiell für aussagekräftige und reproduzierbare Messungen. Das Laser-Streulichtspektrometer hat ein leistungsfähiges Zirkulationssystem mit einer integrierten Ultraschallsonde. Für die meisten Probenmaterialien lässt sich daher die Probendispergierung effektiv im Gerät durchführen – ohne eine aufwendige externe Probenvorbereitung. Der weite Messbereich erlaubt dabei auch das zuverlässige Charakterisieren von Nanomaterialien. Das Messbeispiel zeigt die Partikelgrößenverteilung einer sehr fein gemahlenen Zinkoxid-Suspension. Gibt man die Probe direkt in das Messgerät, so misst man eine bimodale Verteilung mit 2 Maxima. Der gröbere Peak entspricht Agglomeraten, der feinere den Primärpartikeln. Durch Nutzung der integrierten Ultraschallsonde werden die Agglomerate effektiv dispergiert, so dass nach 2 min Ultraschalleinwirkung nur noch die Primärpartikel mit einer Größe von 70 nm gemessen werden. 

Einfache Methodenentwicklung bei unbekannten Proben

Müssen neue Wirk- oder Hilfsstoffe bezüglich der Partikelgröße charakterisiert werden, sind Brechungs- und Absorptionseigenschaften oft nicht vollständig bekannt. Die Software des LA-950 unterstützt den Anwender bei der Methodenentwicklung und der Auswahl geeigneter Auswerteparameter für unbekannte Proben. Das Softwaremodul Method Expert führt in mehreren leicht verständlichen Schritten durch die verschiedenen Einstellungen für die Messung. Dabei werden automatisch Testauswertungen mit unterschiedlichen Werten für die optischen Eigenschaften der Partikel generiert. Bei diesen Eigenschaften handelt es sich um den Brechungsindex und den Absorptionsindex, da für feine Partikel das Streulichtmuster nicht allein durch die Beugung beschrieben wird, sondern auch durch die optischen Eigenschaften der Partikel selbst. Sollten bei neuen Wirk- oder Hilfsstoffen keine Literaturwerte vorhanden sein, kann über eine Rückrechnung ein geeigneter Wert ermittelt werden. Hierbei wird das tatsächlich gemessene Streulichtmuster mit einem theoretischen verglichen, das unter Variation der optischen Konstanten ermittelt wurde. Je ähnlicher die beiden Muster sind, desto verlässlicher ist die Partikelgrößenmessung. Damit werden auch für unbekannte Materialien oder Mischungen optimale Ergebnisse erreicht.

Trockenmessung mit Powderjet

Eine Messung von Proben im trockenen Zustand ist immer dann von Interesse, wenn diese in Flüssigkeiten keine stabilen Dispersionen bilden oder der trockene Zustand charakteristisch für die Qualität oder Verarbeitbarkeit des Materials ist. Die Trockendispergiereinheit des Laser-Streulichtspektrometers ermöglicht dem Benutzer das Messen von trockenen Pulvern und Granulaten.

Die Trockendispergiereinheit kann Proben sowohl mithilfe von Druckluft als auch schonend lediglich mit Unterdruck dispergieren. Die Einheit verfügt über ein Hochgeschwindigkeitsdüsensystem, durch das agglomerierende Proben mit verschiedenen Drücken effektiv dispergiert werden können. Die Partikel werden durch eine Unterdruckeinheit abgesaugt. Diese Dispergiermethode liefert Messergebnisse, die mit denen aus Nassmessungen in Suspensionen gut vergleichbar sind. Mit der Trockendispergiereinheit sind außerdem Messungen an frei rieselfähigen und zerbrechlichen Partikeln möglich. Dabei wird die Probe schonend mit leichtem Unterdruck durch die Messzelle gesaugt. Ein wichtiger Vorteil der Trockendispergierung ist, dass in kurzer Zeit repräsentative Probenmengen vermessen werden können.

Flexible Probenzufuhr

Neben dem Zirkulationssystem für die Nassdispergierung und dem Trockendispergiermodul Powderjet verfügt das Laser-Streulichspektrometer noch über zusätzliche flexible Möglichkeiten der Probenzufuhr. Mit den Standzellen lassen sich Partikelgrößenverteilungen auch von kleinsten Mengen wertvollen Probenmaterials bestimmen. Das benötigte Flüssigkeitsvolumen liegt bei 7 bis 15 ml. Auch das Miniflow-Modul reduziert die benötigte Probenmenge und das Flüssigkeitsvolumen bietet dabei aber alle Optionen des großen Zirkulationssystems. Für hochviskose Medien, wie beispielsweise Harze, Öle oder Phthalate, kann auch eine Pastenmesszelle eingesetzt werden.

Heftausgabe: November 2011
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Über den Autor

Gerhard Raatz, Leiter Direktvertrieb Retsch Technology
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