激光粒度儀在懸浮劑粒度測試中的應(yīng)用
前言
OMEC
農(nóng)藥懸浮劑是將不溶的農(nóng)藥固體有效成分加工成微細(xì)顆粒(一般平均粒徑＜5μm)，依靠加入表面活性劑（潤濕劑和分散劑）及其他添加劑分散懸浮在介質(zhì)中，形成穩(wěn)定的懸浮液體的產(chǎn)品，常見的以其介質(zhì)不同分為油懸浮劑和水懸浮劑。該類產(chǎn)品無粉塵產(chǎn)生、懸浮率高、使用劑量小且安全、利于運輸和貯藏等特點，在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速，應(yīng)用十分普遍。
懸浮劑制劑質(zhì)量評價包括有效成分測定、懸浮率測定、傾倒特性測定、細(xì)度測定、黏度測定、分散性測定及冷貯穩(wěn)定性測定等。其中大量的指標(biāo)均與懸浮劑中顆粒物的粒徑分布有直接關(guān)聯(lián)，采用激光粒度儀便捷地測試懸浮劑中的顆粒粒徑分布，可以有效地指導(dǎo)制劑的開發(fā)、生產(chǎn)工藝控制和成品的質(zhì)量評價。
農(nóng)藥懸浮劑粒度測試原理
當(dāng)一束光線照射在顆粒上時，顆粒對光線會發(fā)生散射，散射光的偏轉(zhuǎn)角度大小與顆粒粒徑有關(guān)。顆粒粒徑越大，光線偏轉(zhuǎn)的角度越小；顆粒粒徑越小，光線偏轉(zhuǎn)角度越大。激光粒度儀就是利用這個原理來進(jìn)行介質(zhì)中大量顆粒粒徑分布的測試的。
▲ 顆粒對光的散射現(xiàn)象
測試結(jié)果通常以特征粒徑的方式表述，例如代表粒徑中值的D50，分布代表大小顆粒的D90、D10等。沒有經(jīng)過散射的光線也同時被儀器探測到，分析軟件計算得到被測試顆粒散射的光線強度占總光強的比值稱作遮光率，一般以百分比表示。
▲ 激光粒度儀粒度微分分布示意圖及特征粒徑D50，D90
農(nóng)藥懸浮劑的一般測試方法
激光粒度儀的測試通常需要顆粒在較低的濃度下進(jìn)行，對樣品的稀釋和分散有一定的要求，通常在最開始使用時需要進(jìn)行方法開發(fā)來確定。
一般情況下，首先根據(jù)實驗室條件和樣品特性選擇合適的測試介質(zhì)，根據(jù)顆粒在介質(zhì)中的分散特性選擇相應(yīng)的分散條件，測試方法開發(fā)的重點是讓顆粒在不被破壞的前提下處于相對穩(wěn)定的分散狀態(tài)下被檢測，此時測試結(jié)果相對穩(wěn)定，受環(huán)境條件的細(xì)微變化的影響最小。由于篇幅限制，方法開發(fā)的過程請參考文章《激光粒度儀在藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）中的應(yīng)用實踐之二：合規(guī)性的測試方法目標(biāo)設(shè)計、開發(fā)、驗證、審核》相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容。
以典型的水懸浮劑測試為例，常規(guī)的方法如下：設(shè)定進(jìn)樣器轉(zhuǎn)速2500rpm左右, 背景測試時間5~10s, 樣品測試時間5~10s, 直接以滴管向樣品池中加樣至遮光率控制在7~12%范圍內(nèi)（取樣量約相當(dāng)于稀釋后原藥顆粒質(zhì)量濃度在10ppm量級），根據(jù)樣品特點選擇合適的折射率參數(shù)一般在1.4~1.8之間等。
歐美克LS-609智能化全自動激光粒度儀還具有自動調(diào)整遮光率功能，可加樣超過許可范圍后會自動再稀釋至符合要求的遮光率進(jìn)行測試。
▲ 歐美克LS-609 激光粒度分析儀
（點擊圖片查看儀器詳情）
農(nóng)藥懸浮劑測試難點
在懸浮劑濕法粒度測試中，某些樣品中顆粒在測試介質(zhì)中的微溶或膨脹是一個常見現(xiàn)象。我們選取了25%嘧菌酯水懸浮劑進(jìn)行測試，在向介質(zhì)水中加樣后每12秒一次連續(xù)監(jiān)測其遮光率和特征粒徑D50的變化如下圖所示。
▲ 左：加樣后遮光率的變化，右：加樣后D50的變化
由上圖所示，加入嘧菌酯樣品至進(jìn)樣器中攪拌分散后，發(fā)現(xiàn)遮光率呈不斷下降趨勢，5分鐘時間內(nèi)從接近10%下降到5%左右，顯示了懸浮劑顆粒的量在水中不斷溶解減少。隨著水中嘧菌酯溶解度增大趨于飽和，溶解速率逐漸減慢。由于小顆粒比表面積更大，比大顆粒溶解速率更快，D50結(jié)果也呈現(xiàn)出先較快速增大后逐漸變得緩和的過程。
由于溶解飽和后的奧氏熟化（小顆粒溶解，大顆粒結(jié)晶長大）現(xiàn)象，微溶顆粒分散體系并不會因為介質(zhì)中顆粒溶解度飽和而穩(wěn)定，特征粒徑值常呈現(xiàn)一定的波動。在本次加樣測試中D10、D50、D90測量最大值與最小值差異分別達(dá)到11.8%、10.9%、6.8%.
以上結(jié)果偏差僅僅是一次取樣中觀察到的，如果不嚴(yán)格控制測試條件進(jìn)行多次取樣、多臺儀器、多人操作所得的結(jié)果重現(xiàn)性偏差將會更大，勢必對該樣品的質(zhì)控將造成困擾。在多種微溶樣品的測量實踐中，由于顆粒分散和溶解同時發(fā)生，不同物料表現(xiàn)出的粒徑變化趨勢可能不同，更增加了測試的復(fù)雜性。本文中我們將探討如何優(yōu)化測試方法使這類樣品的測試結(jié)果更真實有效地用來指導(dǎo)研發(fā)和生產(chǎn)。
油懸浮劑A的測試案例
我們以某在葵花籽油介質(zhì)中微溶的除草劑為例，采用葵花籽油為介質(zhì)對該油懸浮劑A的粒度測試如下圖所示：
▲ 油懸浮劑A在葵花油介質(zhì)中加樣測試，遮光率隨時間的變化
▲ 油懸浮劑A在葵花油介質(zhì)中加樣，特征粒徑D50隨時間的變化
采用與懸浮劑型中介質(zhì)相同的葵花油約70~100mL作為測試分散介質(zhì)，將油懸浮劑A混勻后加樣在SCF-126B微量耐腐蝕循環(huán)進(jìn)樣器中，逐滴加入樣品至遮光率滿足要求后開始測試。
如圖所示，在每隔約5s一次的連續(xù)測試中發(fā)現(xiàn)，加樣至要求的遮光率范圍后，出現(xiàn)遮光率快速下降的過程，需要補充加樣。經(jīng)過再兩次加樣后，遮光率逐漸趨于穩(wěn)定。同時，在遮光率不穩(wěn)定時，樣品測試D50隨時間波動很大，在遮光率穩(wěn)定后測試結(jié)果逐漸趨于相對較穩(wěn)定的狀態(tài)，而粒徑變化趨勢與加樣時間呈稍滯后的趨勢。
更換介質(zhì)改善油懸浮劑A的測試
▲ 油懸浮劑A在汽油介質(zhì)中加樣，特征粒徑隨時間的變化
▲ 油懸浮劑A在汽油介質(zhì)中加樣，特征粒徑測試結(jié)果及統(tǒng)計
采用汽油作為測試分散介質(zhì)，將油懸浮劑A與少量汽油混勻后加樣在油性介質(zhì)專用的SCF-126B進(jìn)樣器中，逐滴加入至遮光率滿足要求后開始測試。軟件實時觀察遮光率穩(wěn)定，間隔30s的測試過程中發(fā)現(xiàn)其特征粒徑D10、D50、D90隨時間保持穩(wěn)定，并未出現(xiàn)以葵花籽油作為介質(zhì)的遮光率下降和特征粒徑值波動的情況。
有此可知，使用汽油作為介質(zhì)對于油懸浮劑A的測試更為可靠。懸浮劑A中原藥顆粒在汽油中幾乎不溶解，且分散穩(wěn)定，結(jié)果相對均方差值較小，是比較理想的測量結(jié)果。
采用飽和介質(zhì)加樣法改善懸浮劑B的測試
除加樣外的粒度測試操作均可自動控制完成。進(jìn)樣池采用316L不銹鋼，配置高效率50W底部超聲及速度可達(dá)4000轉(zhuǎn)/分鐘的精密攪拌裝置，均無級連續(xù)可調(diào)。
▲ 油懸浮劑B在不同介質(zhì)中加樣，特征粒徑隨時間的變化
分別采用與懸浮劑型中相同的葵花油和汽油作為測試分散介質(zhì)，將油懸浮劑B加樣在油性介質(zhì)專用的SCF-126B進(jìn)樣器中，逐滴加入樣品至遮光率滿足要求后，軟件實時觀察遮光率下降較平緩，并開始測試。
如圖所示，在每隔約30s一次的連續(xù)測試中發(fā)現(xiàn)，加樣至要求的遮光率范圍后，以葵花籽油、汽油做介質(zhì)，樣品都呈現(xiàn)出緩慢溶解的情況。葵花籽油介質(zhì)的測試中，溶解階段約2分鐘左右的D50的波動為15.5%（最大值為4.090μm, 最小值為3.500μm），飽和階段中的D50最大波動為1.0%（最大值為3.500μm, 最小值為3.466μm）。而在汽油介質(zhì)中，D50在相應(yīng)2個階段的波動分別為15.3%和2.5%. 葵花籽油粒徑波動變化幅度較汽油小。
從以上結(jié)果可以看到，當(dāng)原藥在介質(zhì)中微溶的時候，粒徑測試結(jié)果波動較大，如果采用空白介質(zhì)，細(xì)微的時間差別，結(jié)果差異可能達(dá)10%以上。而在飽和溶液介質(zhì)中的測試，特征粒徑值相對穩(wěn)定得多。
在不具有不溶介質(zhì)測試的條件下，可以選擇接近飽和溶液做介質(zhì)，在盡可能一致的條件下進(jìn)行粒度測試，這種方法在水懸浮劑測試?yán)щy時也很常用。循環(huán)分散性能優(yōu)良的SCF-126B進(jìn)樣器能更好地保障樣品快速分散且不破壞顆粒結(jié)構(gòu)，提高測試結(jié)果的真實性。
SOP測試提高疑難樣品測試結(jié)果的重現(xiàn)性
對于上述在分散濃度低的條件下不穩(wěn)定的懸浮劑樣品，還可以嘗試使用SOP（標(biāo)準(zhǔn)化測試流程）的方法，在盡可能一致的分散條件下進(jìn)行粒度測試，通常也能得到較好重現(xiàn)性且能反應(yīng)批次間質(zhì)量變化的粒徑分布數(shù)據(jù)。
還是以上面的嘧菌酯樣品在水中分散測試為例，選取了3臺珠海歐美克儀器有限公司的智能全自動激光粒度儀LS-609，通過設(shè)定相同的SOP標(biāo)準(zhǔn)化測試流程，并設(shè)定許可加樣遮光比范圍5~12%，3臺儀器各對25%嘧菌酯水懸浮劑取樣20次進(jìn)行粒徑測試，測試結(jié)果匯總?cè)缦聢D。
3臺LS-609激光粒度儀各對應(yīng)的20條測試記錄的D50結(jié)果分別以紅綠藍(lán)色曲線顯示，所有結(jié)果均在1.76μm附近小幅波動，3臺儀器測試結(jié)果D50相對標(biāo)準(zhǔn)偏差皆小于1%，顯示了該樣品在SOP測試的方式下，測試結(jié)果具有良好的重現(xiàn)性，可以用于質(zhì)量評價。
進(jìn)樣器殘留水或油對懸浮劑測試結(jié)果的影響
▲ 油懸浮劑B在水介質(zhì)中加樣，特征粒徑隨時間的變化
我們將上面的油懸浮劑B加樣在另一臺水性介質(zhì)專用的SCF-126C進(jìn)樣器中，采用水作為測試分散介質(zhì)，逐滴加入樣品至遮光率滿足要求后開始測試。實際上，將懸浮劑加入到水中即發(fā)生較明顯的乳化，此時測試所得并非原藥在懸浮劑中的粒徑，而是乳化粒徑，從具體測試結(jié)果也可以看出其粒徑快速變化，且顯著偏離懸浮劑顆粒的真實尺寸。因此用水來做該油懸浮劑的測試是不合適的，它可能更適用于需要評估懸浮劑在水中乳化效果的場合。
由于水與油懸浮劑的乳化作用比較明顯，因此在用測試中，以水為介質(zhì)和油為介質(zhì)的進(jìn)樣器和測試窗口最好能分開專用，以避免之前測試殘存的少量水或油對新測試結(jié)果的較大影響。
參考文獻(xiàn)：
1. 采用激光粒度儀對油懸浮劑粒度測試的探討， 《中國農(nóng)藥》 第13卷第6期，2017.6
2. 激光粒度儀在藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）中的應(yīng)用實踐系列文章，歐美克儀器公眾號
3. 農(nóng)藥劑型開發(fā)生產(chǎn)中穩(wěn)健的激光粒度儀顆粒粒徑評價，《世界農(nóng)藥》2020,（7）
方式1：
撥打售前熱線：、
（掃描下方二維碼，關(guān)注“珠海歐美克儀器"微信公眾號，在輸入框輸入“銷售"，直接撥打熱線）
方式2：
掃描下方二維碼，關(guān)注“珠海歐美克儀器"微信公眾號，在輸入框輸入您的聯(lián)系方式和地區(qū)，將有地區(qū)銷售與您直接聯(lián)系。
點擊【閱讀原文】
了解更多顆粒測量產(chǎn)品資訊
