激光粒度仪在悬浮剂粒度测试中的应用
时间：2023-08-14 阅读：664
前言
OMEC
农药悬浮剂是将不溶的农药固体有效成分加工成微细颗粒(一般平均粒径＜5μm)，依靠加入表面活性剂（润湿剂和分散剂）及其他添加剂分散悬浮在介质中，形成稳定的悬浮液体的产品，常见的以其介质不同分为油悬浮剂和水悬浮剂。该类产品无粉尘产生、悬浮率高、使用剂量小且安全、利于运输和贮藏等特点，在国内外发展十分迅速，应用十分普遍。
悬浮剂制剂质量评价包括有效成分测定、悬浮率测定、倾倒特性测定、细度测定、黏度测定、分散性测定及冷贮稳定性测定等。其中大量的指标均与悬浮剂中颗粒物的粒径分布有直接关联，采用激光粒度仪便捷地测试悬浮剂中的颗粒粒径分布，可以有效地指导制剂的开发、生产工艺控制和成品的质量评价。
农药悬浮剂粒度测试原理
当一束光线照射在颗粒上时，颗粒对光线会发生散射，散射光的偏转角度大小与颗粒粒径有关。颗粒粒径越大，光线偏转的角度越小；颗粒粒径越小，光线偏转角度越大。激光粒度仪就是利用这个原理来进行介质中大量颗粒粒径分布的测试的。
▲ 颗粒对光的散射现象
测试结果通常以特征粒径的方式表述，例如代表粒径中值的D50，分布代表大小颗粒的D90、D10等。没有经过散射的光线也同时被仪器探测到，分析软件计算得到被测试颗粒散射的光线强度占总光强的比值称作遮光率，一般以百分比表示。
▲ 激光粒度仪粒度微分分布示意图及特征粒径D50，D90
农药悬浮剂的一般测试方法
激光粒度仪的测试通常需要颗粒在较低的浓度下进行，对样品的稀释和分散有一定的要求，通常在最开始使用时需要进行方法开发来确定。
一般情况下，首先根据实验室条件和样品特性选择合适的测试介质，根据颗粒在介质中的分散特性选择相应的分散条件，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。由于篇幅限制，方法开发的过程请参考文章《激光粒度仪在药品生产质量管理规范（GMP）中的应用实践之二：合规性的测试方法目标设计、开发、验证、审核》相关章节的内容。
以典型的水悬浮剂测试为例，常规的方法如下：设定进样器转速2500rpm左右, 背景测试时间5~10s, 样品测试时间5~10s, 直接以滴管向样品池中加样至遮光率控制在7~12%范围内（取样量约相当于稀释后原药颗粒质量浓度在10ppm量级），根据样品特点选择合适的折射率参数一般在1.4~1.8之间等。
欧美克LS-609智能化全自动激光粒度仪还具有自动调整遮光率功能，可加样超过许可范围后会自动再稀释至符合要求的遮光率进行测试。
▲ 欧美克LS-609 激光粒度分析仪
（点击图片查看仪器详情）
农药悬浮剂测试难点
在悬浮剂湿法粒度测试中，某些样品中颗粒在测试介质中的微溶或膨胀是一个常见现象。我们选取了25%嘧菌酯水悬浮剂进行测试，在向介质水中加样后每12秒一次连续监测其遮光率和特征粒径D50的变化如下图所示。
▲ 左：加样后遮光率的变化，右：加样后D50的变化
由上图所示，加入嘧菌酯样品至进样器中搅拌分散后，发现遮光率呈不断下降趋势，5分钟时间内从接近10%下降到5%左右，显示了悬浮剂颗粒的量在水中不断溶解减少。随着水中嘧菌酯溶解度增大趋于饱和，溶解速率逐渐减慢。由于小颗粒比表面积更大，比大颗粒溶解速率更快，D50结果也呈现出先较快速增大后逐渐变得缓和的过程。
由于溶解饱和后的奥氏熟化（小颗粒溶解，大颗粒结晶长大）现象，微溶颗粒分散体系并不会因为介质中颗粒溶解度饱和而稳定，特征粒径值常呈现一定的波动。在本次加样测试中D10、D50、D90测量最大值与最小值差异分别达到11.8%、10.9%、6.8%.
以上结果偏差仅仅是一次取样中观察到的，如果不严格控制测试条件进行多次取样、多台仪器、多人操作所得的结果重现性偏差将会更大，势必对该样品的质控将造成困扰。在多种微溶样品的测量实践中，由于颗粒分散和溶解同时发生，不同物料表现出的粒径变化趋势可能不同，更增加了测试的复杂性。本文中我们将探讨如何优化测试方法使这类样品的测试结果更真实有效地用来指导研发和生产。
油悬浮剂A的测试案例
我们以某在葵花籽油介质中微溶的除草剂为例，采用葵花籽油为介质对该油悬浮剂A的粒度测试如下图所示：
▲ 油悬浮剂A在葵花油介质中加样测试，遮光率随时间的变化
▲ 油悬浮剂A在葵花油介质中加样，特征粒径D50随时间的变化
采用与悬浮剂型中介质相同的葵花油约70~100mL作为测试分散介质，将油悬浮剂A混匀后加样在SCF-126B微量耐腐蚀循环进样器中，逐滴加入样品至遮光率满足要求后开始测试。
如图所示，在每隔约5s一次的连续测试中发现，加样至要求的遮光率范围后，出现遮光率快速下降的过程，需要补充加样。经过再两次加样后，遮光率逐渐趋于稳定。同时，在遮光率不稳定时，样品测试D50随时间波动很大，在遮光率稳定后测试结果逐渐趋于相对较稳定的状态，而粒径变化趋势与加样时间呈稍滞后的趋势。
更换介质改善油悬浮剂A的测试
▲ 油悬浮剂A在汽油介质中加样，特征粒径随时间的变化
▲ 油悬浮剂A在汽油介质中加样，特征粒径测试结果及统计
采用汽油作为测试分散介质，将油悬浮剂A与少量汽油混匀后加样在油性介质专用的SCF-126B进样器中，逐滴加入至遮光率满足要求后开始测试。软件实时观察遮光率稳定，间隔30s的测试过程中发现其特征粒径D10、D50、D90随时间保持稳定，并未出现以葵花籽油作为介质的遮光率下降和特征粒径值波动的情况。
有此可知，使用汽油作为介质对于油悬浮剂A的测试更为可靠。悬浮剂A中原药颗粒在汽油中几乎不溶解，且分散稳定，结果相对均方差值较小，是比较理想的测量结果。
采用饱和介质加样法改善悬浮剂B的测试
除加样外的粒度测试操作均可自动控制完成。进样池采用316L不锈钢，配置高效率50W底部超声及速度可达4000转/分钟的精密搅拌装置，均无级连续可调。
▲ 油悬浮剂B在不同介质中加样，特征粒径随时间的变化
分别采用与悬浮剂型中相同的葵花油和汽油作为测试分散介质，将油悬浮剂B加样在油性介质专用的SCF-126B进样器中，逐滴加入样品至遮光率满足要求后，软件实时观察遮光率下降较平缓，并开始测试。
如图所示，在每隔约30s一次的连续测试中发现，加样至要求的遮光率范围后，以葵花籽油、汽油做介质，样品都呈现出缓慢溶解的情况。葵花籽油介质的测试中，溶解阶段约2分钟左右的D50的波动为15.5%（最大值为4.090μm, 最小值为3.500μm），饱和阶段中的D50最大波动为1.0%（最大值为3.500μm, 最小值为3.466μm）。而在汽油介质中，D50在相应2个阶段的波动分别为15.3%和2.5%. 葵花籽油粒径波动变化幅度较汽油小。
从以上结果可以看到，当原药在介质中微溶的时候，粒径测试结果波动较大，如果采用空白介质，细微的时间差别，结果差异可能达10%以上。而在饱和溶液介质中的测试，特征粒径值相对稳定得多。
在不具有不溶介质测试的条件下，可以选择接近饱和溶液做介质，在尽可能一致的条件下进行粒度测试，这种方法在水悬浮剂测试困难时也很常用。循环分散性能优良的SCF-126B进样器能更好地保障样品快速分散且不破坏颗粒结构，提高测试结果的真实性。
SOP测试提高疑难样品测试结果的重现性
对于上述在分散浓度低的条件下不稳定的悬浮剂样品，还可以尝试使用SOP（标准化测试流程）的方法，在尽可能一致的分散条件下进行粒度测试，通常也能得到较好重现性且能反应批次间质量变化的粒径分布数据。
还是以上面的嘧菌酯样品在水中分散测试为例，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，通过设定相同的SOP标准化测试流程，并设定许可加样遮光比范围5~12%，3台仪器各对25%嘧菌酯水悬浮剂取样20次进行粒径测试，测试结果汇总如下图。
3台LS-609激光粒度仪各对应的20条测试记录的D50结果分别以红绿蓝色曲线显示，所有结果均在1.76μm附近小幅波动，3台仪器测试结果D50相对标准偏差皆小于1%，显示了该样品在SOP测试的方式下，测试结果具有良好的重现性，可以用于质量评价。
进样器残留水或油对悬浮剂测试结果的影响
▲ 油悬浮剂B在水介质中加样，特征粒径随时间的变化
我们将上面的油悬浮剂B加样在另一台水性介质专用的SCF-126C进样器中，采用水作为测试分散介质，逐滴加入样品至遮光率满足要求后开始测试。实际上，将悬浮剂加入到水中即发生较明显的乳化，此时测试所得并非原药在悬浮剂中的粒径，而是乳化粒径，从具体测试结果也可以看出其粒径快速变化，且显著偏离悬浮剂颗粒的真实尺寸。因此用水来做该油悬浮剂的测试是不合适的，它可能更适用于需要评估悬浮剂在水中乳化效果的场合。
由于水与油悬浮剂的乳化作用比较明显，因此在用测试中，以水为介质和油为介质的进样器和测试窗口最好能分开专用，以避免之前测试残存的少量水或油对新测试结果的较大影响。
参考文献：
1. 采用激光粒度仪对油悬浮剂粒度测试的探讨， 《中国农药》 第13卷第6期，2017.6
2. 激光粒度仪在药品生产质量管理规范（GMP）中的应用实践系列文章，欧美克仪器公众号
3. 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,（7）