Um método baseado em laser para medir a distribuição do tamanho de partículas durante o processo de moagem

Como os produtos farmacêuticos agem, quão eficientes são os catalisadores e quão eficazes e precisas as tintas de impressão funcionam, tudo depende do tamanho das nanopartículas que eles contêm. No entanto, ainda não há métodos para monitorar a distribuição do tamanho das partículas durante os processos de moagem.

No projeto PAT4Nano, um consórcio da indústria e da pesquisa passou os últimos quatro anos buscando abordagens praticáveis ​​para tais medições em linha. O Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT em Aachen desenvolveu um método promissor baseado em laser que pode em breve tornar tais medições possíveis.

Partículas em escala nanométrica (nm) fazem toda a diferença na impressão a jato de tinta, conversores catalíticos de veículos e produção farmacêutica. “Sua distribuição de tamanho tem uma grande influência nas propriedades do produto em muitas aplicações”, explica o Dr. Christoph Janzen, que conduz pesquisas no campo da tecnologia médica a laser e bioanalítica no Fraunhofer ILT.

Por exemplo, o grau de moagem de partículas em tintas de impressão influencia a confiabilidade, os custos e o efeito de cor na impressão digital. As chamadas partículas superdimensionadas — ou seja, partículas muito grandes — podem obstruir os bicos de jato de tinta. Se forem moídas muito finamente, a energia e o tempo necessários na produção aumentam e a qualidade da impressão também pode sofrer.

A situação é semelhante com nanopartículas para revestimentos de catalisadores. Tanto o efeito catalítico quanto o consumo de matéria-prima dos metais preciosos platina e irídio dependem das distribuições de tamanho de partícula dos materiais transportadores alumínio e óxido de zircônio: O tamanho de partícula ideal atinge a eficiência catalítica máxima com a entrada mínima de metal precioso.

A distribuição do tamanho das partículas também é importante na indústria farmacêutica porque o tamanho das partículas do ingrediente ativo determina a rapidez com que elas são dissolvidas no corpo e quanto tempo dura seu efeito. Alguns medicamentos analgésicos têm um efeito semelhante ao de um medicamento quando finamente moídos. Precisão é, portanto, necessária na produção.

“Se a distribuição de tamanho de partícula especificada não for respeitada, há um risco de que todo o lote deva ser descartado, o que significa que a empresa pode incorrer em grandes perdas financeiras”, explica Janzen. No entanto, por maior que seja a influência das nanopartículas nas propriedades de muitos produtos, é difícil medi-las usando métodos de medição e microscopia atualmente disponíveis.

Isto é especialmente verdadeiro se a medição for realizada em linha durante o processo de moagem. Como não há soluções praticáveis ​​para isso, os usuários até agora se contentaram com medições de amostra aleatória em processo.

Tornando possíveis medições em linha de nanopartículas

Para fechar essa lacuna, um consórcio de empresas industriais, fabricantes de equipamentos de medição e análise e parceiros de pesquisa buscou novas abordagens para medição de partículas em linha.

No projeto PAT4Nano (Ferramentas de Tecnologia Analítica de Processo para Caracterização Física e Química em Tempo Real de Nanosuspensões), eles passaram quatro anos desenvolvendo diversas abordagens analíticas para medir e analisar nanopartículas industrialmente relevantes.

Além das empresas belgas Agfa-Gevaert e Janssen Pharmaceutica, da Universidade Nacional da Irlanda em Galway e da Universidade Irlandesa de Limerick, da Johnson Matthey e da Malvern Panalytical do Reino Unido e da InProcess-LSP e TNO da Holanda, a Fraunhofer ILT também fez parte do consórcio.

Uma equipe liderada por Janzen desenvolveu uma nova tecnologia baseada em laser para análise de partículas, que foi usada para investigar distribuições de tamanho de partículas de amostras de aplicações em produtos farmacêuticos, tinta de impressão e produção de catalisadores durante o projeto PAT4Nano.

O novo método é capaz de medir o tamanho e a distribuição de tamanho das partículas (distribuição de tamanho de partícula; PSD) durante o processo de moagem em andamento. Essa tarefa é desafiadora para partículas na faixa de tamanho menor que 100 nm porque os métodos baseados em imagens microscópicas atingem seus limites aqui. A equipe, portanto, teve que cavar fundo em sua bolsa fotônica de truques ao desenvolver a análise inline baseada em laser.

Desvios matemáticos para medição precisa de partículas em linha

“Desenvolvemos nosso método com base na dispersão dinâmica de luz”, explica Janzen. Este princípio de medição é baseado no movimento molecular de Braun: no meio líquido, as nanopartículas suspensas são excitadas por colisões com moléculas do solvente e estão em movimento constante. Quanto menores as partículas, mais rápido o movimento. É precisamente aqui que entra o processo de medição a laser.

“Focamos um laser na solução e analisamos a luz espalhada ou sua flutuação temporária”, explica Janzen. O tamanho da partícula pode ser derivado da flutuação usando métodos matemáticos.

Dois métodos matemáticos são comumente usados: a análise de Fourier leva ao tamanho real das partículas por meio da distribuição de intensidade em faixas de frequência definidas. Alternativamente, é possível usar a análise de correlação para tirar conclusões sobre os tamanhos das partículas no material moído com base na frequência do movimento. Se outros parâmetros, como a viscosidade ou a temperatura do líquido, forem incluídos, o processo pode fornecer uma imagem muito precisa dos tamanhos das partículas e sua distribuição.

De acordo com Janzen, um valor absoluto nem sempre é necessário. Muitas vezes, é suficiente para os usuários rastrearem como o “raio hidrodinâmico” das partículas muda durante o processo de moagem. “Ao comparar isso a uma corrida perfeita, eles podem rastrear facilmente como seu processo está progredindo e quando o tamanho de partícula desejado foi atingido”, ele relata.

Além das abordagens matemáticas, o processo de medição a laser também envolve engenharia imaginativa. Isso ocorre porque a medição em linha não pode ocorrer no moinho de bolas, pois a dispersão dinâmica da luz é baseada na observação da difusão não perturbada. No entanto, não é possível garantir que as partículas se difundam livremente no meio líquido em um moinho de bolas em funcionamento, especialmente porque o material moído é continuamente misturado nele. A amostragem por cubeta, por outro lado, não atende ao requisito de monitoramento contínuo do processo.

Para resolver o dilema, a equipe Fraunhofer analisou sistematicamente o processo de moagem. Isso deu aos pesquisadores a ideia brilhante: “Nos moinhos de bolas tipicamente usados, o meio líquido é constantemente bombeado”, explica Janzen.

A equipe usou o método de medição óptica neste ciclo de líquido. Para garantir que as medições sejam precisas, apesar dos líquidos em movimento, os pesquisadores do ILT construíram uma sonda em linha. Um impulsor rotativo move o líquido da amostra na frente da sonda óptica. Quando ele para, um espaço fechado é formado em uma de suas câmaras, desacoplado de qualquer fluxo. As partículas podem se difundir livremente aqui, e uma medição sem perturbações pode ser feita.

Para analisá-los, a equipe direciona o laser através da sonda para a câmara de medição temporária. Após a medição, o impulsor começa a se mover novamente, troca o líquido da amostra analisada — e fecha a câmara de medição contra o exterior novamente quando para.

Mais um passo em direção a um método de medição estável para nanopartículas usadas na indústria

De acordo com Janzen, a luz é introduzida na solução por meio de uma fibra óptica, onde o ponto de foco é variável. Um segundo sistema óptico captura a luz espalhada e também a guia por meio de fibra até o detector, que registra os sinais. “A vantagem desse método é que as medições são feitas sob as mesmas condições que prevalecem no processo de moagem”, diz ele.

Um desafio que ainda não foi totalmente resolvido é que a concentração de partículas no líquido é alta, e não é possível diluí-la de fora. Isso aumenta a probabilidade de espalhamento múltiplo, o que pode falsificar os resultados da medição.

Para estender o intervalo de concentração, os pesquisadores experimentaram uma abordagem completamente nova: correlação cruzada 3D. Isso usa uma sonda de imersão modificada, que pode realizar duas medições DLS no mesmo local e comparar intensidades de sinal flutuantes entre si usando correlação cruzada. Dessa forma, o intervalo de concentração pode ser estendido porque a dispersão múltipla interferente pode ser filtrada quando os sinais são comparados.

Para garantir que ambas as medições capturem exatamente as mesmas partículas, a equipe projetou um suporte óptico especial e o fabricou usando gravação a laser seletiva (SLE). Eles visam atingir superposição de foco de alta precisão direcionando a luz de dois lasers de excitação em dois caminhos de feixe através de uma e a mesma lente asférica exatamente nas mesmas partículas e capturando a luz espalhada por meio de dois outros caminhos de feixe.

Por meio de miniaturização consistente, eles conseguiram integrar o sistema óptico à sonda de imersão. No entanto, a abordagem provou ser muito complexa ao longo do projeto.

“Ainda não é robusto o suficiente, mas os resultados com o suporte fabricado pela SLE são promissores”, diz Janzen. Isso também ocorre porque dois comprimentos de onda diferentes (785 nm e 795 nm) foram usados ​​para excitação a fim de separar os sinais de luz espalhados dos dois experimentos DLS.

A qualidade de detecção da abordagem de correlação cruzada ainda fica atrás da autocorrelação. Para compensar suas desvantagens em altas concentrações de partículas, os parceiros posicionaram o ponto focal próximo ao painel de vidro da sonda: quanto menor a profundidade de penetração do laser no líquido, menor a probabilidade de interferir na dispersão múltipla.

Janzen conclui: “No projeto PAT4Nano, conseguimos desenvolver um método de medição em linha testando sistematicamente várias abordagens; ele nos permite conduzir análises de PSD de partículas com tamanho em torno de 100 nanômetros diretamente no processo de moagem em andamento.”

O próximo passo agora é levar o processo para a produção em série com parceiros de vários setores usuários e fabricantes de dispositivos de medição.