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        稳健的粉体、剂型激光粒度仪颗粒粒径质控评价-下

        珠海欧美克仪器有限公司  2020-09-21  点击237次

        5.3稳健测试方法的开发

        颗粒相关的取样分散手段多种多样,测试方法开发的重点是让颗粒在不被破坏的前提下处于相对稳定的分散状态下被检测,此时测试结果相对稳定,受环境条件的细微变化的影响最小。对常见的样品分散方法,例如搅拌速度,超声强度和时间,分散解聚剂的使用和用量,分散压力的大小,下料速度、加样量(遮光率相关)等的控制,通常采用在不断加强或减弱相对应分散方法的同时实时记录粒径结果和对相应参数变化制图进行分析。通常所得的图像包括若干快速变化的过程和一个平台期,类似酸碱滴定的曲线,所以通常被称作滴定法方法开发。


        图9.典型的激光粒度仪湿法分散过程

        如上图所示,在样品加入进样器循环搅拌30秒后开启超声,每10秒测试一次记录测试结果。可以看到经过搅拌和超声分散1分钟以后特征粒径D50、D10和D90趋于稳定,我们最终选取分散1分30秒稳定状态的分散条件作为该标号产品的测试标准,可以明显减少结果的波动,从而提高了质控的稳健性。


        图10. 典型的激光粒度仪干法分散压力滴定过程

        又比如,在干法测试中最重要的参数是分散气压。选择多大的分散气压,一方面需要保障较细颗粒的分散效果,另一方面要尽量避免高压力梯度气流对样品颗粒的破碎效果。评估此参数选择是否合适的方法,一是逐步增加、减少分散气压看测试结果随之的变化。一般从低到高的分散压变化可以看到测试结果逐渐变小,到达一平台期后,又进一步减小。前者是由随分散压提高颗粒逐步被分散彻底,团聚减少达到稳定;后者则可能样品颗粒发生了碎裂。一般来说,随着分散进行,代表大颗粒的D90将比小颗粒的D10更早稳定下来,如果发生了颗粒破碎,D90波动常常大于D10。如上图所示,该样品干法测试宜选用1.5bar左右的分散压力,可以获得最佳的真实性结果。对于一些非常脆弱的样品,则可能在未完全分散的情况下就发生了碎裂,此种情况就需要严格保证在一致的条件下分析样品,最好能结合其他方法学测试手段来确定最佳测试条件,例如采用显微图像法或以湿法测量等。部分内置分散压力和负压力传感器的仪器,在测试条件的一致性把控和结果追溯时都可以起到积极的作用。

        类似的我们可以在其他条件不变的前提下,逐一找到各相关取样、分散、测量的最佳条件,并把这些方法及相关参数以SOP测量文件固定下来,用于未来同类样品的质控。

        需要说明的一点,科学的分散并不总是意味着将颗粒分散到最彻底,适宜的颗粒表征测量宜尽量模拟颗粒在工艺或应用中的状态进行,结果更具应用指导性。例如对油悬浮剂的测试,如果考察悬浮剂贮藏稳定性,可以以油性介质进行分散测量剂型中悬浮颗粒的粒径,如果考察悬浮剂的乳化施用效果,则应模拟该剂型应用以水为介质在发生乳化反应中检测相应颗粒的状态。


        5.4 科学的参数设定

        未知折射率、吸收率颗粒的参数设定,需要参考反演计算冗余(常称作拟合残余或残差)及测量重现性等确定。一般除常见的纯晶体物质的折射率、吸收率有据可查外,医药农化制剂的颗粒大多为有机或包裹体混合成份,是难以检索颗粒物的相关参数的。我们可以在科学的测试方法下,进行多次取样重现性测试后,对这些测试结果编辑,更换不同折射率参数来观察。通常最佳的折射率、吸收率设定具有粒度结果重现性好,残差相对较小的特点,部分中高端粒度仪内置的自动折射率、吸收率参数匹配计算功能也大多基于此原则。

        激光粒度仪的颗粒粒度测试是一种统计学测量行为,为了提高测试的稳健性,统计代表性与分析颗粒数量息息相关,通常情况下宽分布和有少量组份质控需求的样品宜使用较长的测量时间。如下图所示,横轴为测量时间,纵轴为测试结果重现性偏差,该样品的测量时间设定从1秒逐步增加到20秒时,结果的重现性相对标准偏差从大于7%逐渐降低并在10秒后趋于稳定至1%左右,显示了该样品最佳的质控测量时间不宜小于10秒。


        图11.某样品激光粒度仪测量时间设定与D50相对标准偏差

        综合以上粒径质控体系的优化的过程,我们选取了3台珠海欧美克仪器有限公司的智能全自动激光粒度仪LS-609,采用完全相同设置的经过方法开发确定的SOP测量文件,并设定许可加样遮光率范围5~12%,每台仪器各选取20名实验室操作人员进行前文提到的颗粒在介质中微溶的25%嘧菌酯水悬浮剂的粒径测试。值得一提的是这些操作人员中大多数人均是经过简单的演示后第一次使用LS-609粒度仪。3台LS-609激光粒度仪各对应的20位操作员测得的D50结果如下图显示,所有结果均在1.76um附近小幅波动。


        图12. LS-609粒度仪3台之间重现性测量D50结果统计

        同时我们也发现,仪器与仪器之间结果也几乎完全一致,详情见下表统计结果。显示了该粒度仪和SOP测试方法在此难测的不稳定样品质控中,亦可达到十分优良的水平。


        表1. LS-609粒度仪3台之间特征粒径平均值及重现性指标


        6  质控体系建立和颗粒质量信息的流转

        6.1企业内研发、试产到规模生产的颗粒质量控制

        为了确保企业内从客户需求的工程确认、研发试制到大规模生产的物料的质量一致性或保证批量生产顺畅的运转、提高批次间一致性,需要根据具体的颗粒产品特点和工艺要求设计质控关键位点和不同位点的质控标准,如常见的原料的采购、储藏、发料、输送、研磨、分级、混合、装配等关键位点都可能涉及到颗粒原料、中间产品、成品的粒径分布的变化。

        当环境发生变化时,例如仪器的更换、介质质量波动、生产产品配方/材质/纯度/晶型的变化、软件算法的升级等,已建立的质控体系可能会受到新的变化的冲击。此时,需要重新对测试方法开发的过程进行一致性验证和调整,以使新的测试方法适应环境变化,依然具有充分的稳健性,避免企业质控水平的下降。


        6.2产业链上下游质量信息的共识及终产品的质量信息

        产业链中企业之间粒径质量信息的交换最常见的困扰是,同样的样品上下游测试结果不同,有时候还会差异较大。除开前面讲的不同企业测试方法的不同,仪器本身的不同也是重要的影响因素。不同粒度仪通常会采用球形标准物质,例如已知粒径的玻璃微珠,乳胶颗粒等进行标定,理论上应该都能准确测出它们的真实粒径。但在自然界中的颗粒通常是不规则的,即非标准球形,在不同硬件设计的仪器条件下,粒径等效的条件是有差异的,加之反演算法也不尽相同,如此会造成测量结果的不同。一般来说,不同的粒度仪器,对同一样品得到不同粒度测量结果,只要这些结果在可信的范围内都是正常的(除非是标准球形样品),都是对样品粒径真实性的反映。

        鉴于不同粒度测试设备测试结果不一样的现状,非球颗粒粒径无绝对真值且质控的目的是鉴定生产样和标准样的差异,因此,确定粉体质控标准的依据宜采用以符合上下游企业认定的参考样品在自己所拥有的某型号仪器以稳健方法测量的结果。以具体样品传递质量信息,往往比以从其他方不确定方法及型号粒度仪的粒径分布报告传递的信息更可靠,可以避免由于对粒度分析原理和实践了解不足造成的分歧和误解。


        7 稳健的粒径质控体系管理

        综合上文所述,稳健的质控体系的管理可以通过以下方法进行。选择满足应用需求的分辨能力的粒度仪,进行科学的测试方法开发及优化,以SOP标准化测试流程进行样品测试,同时留存/设计与产品质控要求接近的可长时间保存的参考样品经常验证仪器和方法的有效性(借助参考样可以随时了解仪器状态,协助判断取样分散等测试条件是否发生变化),在发生质控异常时根据相关影响因素逐一排查修正。除此以外,粉体的应用特性还与粉体颗粒表面特性、形貌特征、晶体结构、纯度等多种因素相关,宜结合其他方法综合评价。

        需要注意的是,市面上部分仪器对于可能出现的仪器状态的变化而产生测试结果的偏移,简单地采用某一指定标准品进行所谓的“校准”,从软件上将测试结果“修正”到标准品的标称值。此做法在一定程度上掩盖了仪器或测试方法上出现的影响测试结果的问题,对于非此标准品的实际样品测试并不能都得到同样的“修正”,极容易造成无法准确判断产品是否变化的困扰。我们建议粒度仪用户采用与平时测试样品粒度和形貌相近的不易随时间变化的标准样品进行仪器状态的“验证”,以此快速判断测试结果出现的偏差是由仪器、测试方法(例如介质变化、分散条件差异等)或是样品本身造成的,从而借助仪器公司的服务和测试方法一致性验证等手段,在根源上解决遇到的问题,如此就可以避免测量偏差被所谓的“校准”不断地掩盖和放大,以致可能造成巨大的质量风险。


        参考文献:

        [1] GB/T 19077-2016/ISO 13320:2009 粒径分布-激光衍射法 Particle size analysis-Laser diffraction methods 中国标准出版社 2016.5

        [2] 沈兴志. 农药剂型开发生产中稳健的激光粒度仪颗粒粒径评价.世界农药. 2020年7月 第42卷第7期:41-51

        [3] 沈兴志,吴瑾. 采用激光粒度仪对油悬浮剂粒度测试的探讨.中国农药. 2017.6:58-63


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