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激光粒度儀在懸浮劑粒度測試中的應用

專欄:技術論文發布時間:2023-08-14作者:

前言

農藥懸浮劑是將不溶的農藥固體有效成分加工成微細顆粒(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中,形成穩定的懸浮液體的產品,常見的以其介質不同分為油懸浮劑和水懸浮劑。該類產品無粉塵產生、懸浮率高、使用劑量小且安全、利于運輸和貯藏等特點,在國內外發展十分迅速,應用十分普遍。

懸浮劑制劑質量評價包括有效成分測定、懸浮率測定、傾倒特性測定、細度測定、黏度測定、分散性測定及冷貯穩定性測定等。其中大量的指標均與懸浮劑中顆粒物的粒徑分布有直接關聯,采用激光粒度儀便捷地測試懸浮劑中的顆粒粒徑分布,可以有效地指導制劑的開發、生產工藝控制和成品的質量評價。

1. 農藥懸浮劑粒度測試原理:

當一束光線照射在顆粒上時,顆粒對光線會發生散射,散射光的偏轉角度大小與顆粒粒徑有關。顆粒粒徑越大,光線偏轉的角度越??;顆粒粒徑越小,光線偏轉角度越大。激光粒度儀就是利用這個原理來進行介質中大量顆粒粒徑分布的測試的。
激光粒度儀在懸浮劑粒度測試中的應用-0809329.png

測試結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。

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激光粒度儀粒度微分分布示意圖及特征粒徑D50,D90

2. 農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行方法開發來確定。一般情況下,首先根據實驗室條件和樣品特性選擇合適的測試介質,根據顆粒在介質中的分散特性選擇相應的分散條件,測試方法開發的重點是讓顆粒在不被破壞的前提下處于相對穩定的分散狀態下被檢測,此時測試結果相對穩定,受環境條件的細微變化的影響最小。由于篇幅限制,方法開發的過程請參考文章《激光粒度儀在藥品生產質量管理規范(GMP)中的應用實踐之二:合規性的測試方法目標設計、開發、驗證、審核》相關章節的內容。 

以典型的水懸浮劑測試為例,常規的方法如下:設定進樣器轉速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(取樣量約相當于稀釋后原藥顆粒質量濃度在10ppm量級),根據樣品特點選擇合適的折射率參數一般在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行測試。

609+105+126.jpg 

LS-609激光粒度儀主機(左),水用SCF-105B進樣器(中),有機介質用SCF-126B進樣器(右)

3. 農藥懸浮劑測試難點:

在懸浮劑濕法粒度測試中,某些樣品中顆粒在測試介質中的微溶或膨脹是一個常見現象。我們選取了25%嘧菌酯水懸浮劑進行測試,在向介質水中加樣后每12秒一次連續監測其遮光率和特征粒徑D50的變化如下圖所示。

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圖3.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樣器中攪拌分散后,發現遮光率呈不斷下降趨勢,5分鐘時間內從接近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結果也呈現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,大顆粒結晶長大)現象,微溶顆粒分散體系并不會因為介質中顆粒溶解度飽和而穩定,特征粒徑值常呈現一定的波動。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到11.8%、10.9%、6.8%.

以上結果偏差僅僅是一次取樣中觀察到的,如果不嚴格控制測試條件進行多次取樣、多臺儀器、多人操作所得的結果重現性偏差將會更大,勢必對該樣品的質控將造成困擾。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生,不同物料表現出的粒徑變化趨勢可能不同,更增加了測試的復雜性。本文中我們將探討如何優化測試方法使這類樣品的測試結果更真實有效地用來指導研發和生產。
農民在稻田里噴灑農藥.jpg

4. 油懸浮劑A的測試案例:

我們以某在葵花籽油介質中微溶的除草劑為例,采用葵花籽油為介質對該油懸浮劑A的粒度測試如下圖所示:

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油懸浮劑A在葵花油介質中加樣測試,遮光率隨時間的變化

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油懸浮劑A在葵花油介質中加樣,特征粒徑D50隨時間的變化

采用與懸浮劑型中介質相同的葵花油約70~100mL作為測試分散介質,將油懸浮劑A混勻后加樣在SCF-126b微量耐腐蝕循環進樣器中,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一次的連續測試中發現,加樣至要求的遮光率范圍后,出現遮光率快速下降的過程,需要補充加樣。經過再兩次加樣后,遮光率逐漸趨于穩定。同時,在遮光率不穩定時,樣品測試D50隨時間波動很大,在遮光率穩定后測試結果逐漸趨于相對較穩定的狀態,而粒徑變化趨勢與加樣時間呈稍滯后的趨勢。

5. 更換介質改善油懸浮劑A的測試:

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油懸浮劑A在汽油介質中加樣,特征粒徑隨時間的變化

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油懸浮劑A在汽油介質中加樣,特征粒徑測試結果及統計

采用汽油作為測試分散介質,將油懸浮劑A與少量汽油混勻后加樣在油性介質專用的SCF-126b進樣器中,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定,間隔30s的測試過程中發現其特征粒徑D10、D50、D90隨時間保持穩定,并未出現以葵花籽油作為介質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,且分散穩定,結果相對均方差值較小,是比較理想的測量結果。

6. 采用飽和介質加樣法改善懸浮劑B的測試:

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油懸浮劑B在不同介質中加樣,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,將油懸浮劑B加樣在油性介質專用的SCF-126b進樣器中,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一次的連續測試中發現,加樣至要求的遮光率范圍后,以葵花籽油、汽油做介質,樣品都呈現出緩慢溶解的情況??ㄗ延徒橘|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4.090um, 最小值為3.500um),飽和階段中的D50最大波動為1.0%(最大值為3.500um, 最小值為3.466um)。而在汽油介質中,D50在相應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。

從以上結果可以看到,當原藥在介質中微溶的時候,粒徑測試結果波動較大,如果采用空白介質,細微的時間差別,結果差異可能達10%以上。而在飽和溶液介質中的測試,特征粒徑值相對穩定得多。在不具有不溶介質測試的條件下,可以選擇接近飽和溶液做介質,在盡可能一致的條件下進行粒度測試,這種方法在水懸浮劑測試困難時也很常用。循環分散性能優良的SCF-126B進樣器能更好地保障樣品快速分散且不破壞顆粒結構,提高測試結果的真實性。

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7. SOP測試提高疑難樣品測試結果的重現性:

對于上述在分散濃度低的條件下不穩定的懸浮劑樣品,還可以嘗試使用SOP(標準化測試流程)的方法,在盡可能一致的分散條件下進行粒度測試,通常也能得到較好重現性且能反應批次間質量變化的粒徑分布數據。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,通過設定相同的SOP標準化測試流程,并設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次進行粒徑測試,測試結果匯總如下圖。

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3臺LS-609激光粒度儀各對應的20條測試記錄的D50結果分別以紅綠藍色曲線顯示,所有結果均在1.76um附近小幅波動,3臺儀器測試結果D50相對標準偏差皆小于1%,顯示了該樣品在SOP測試的方式下,測試結果具有良好的重現性,可以用于質量評價。

8. 進樣器殘留水或油對懸浮劑測試結果的影響:

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油懸浮劑B在水介質中加樣,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專用的SCF-126c進樣器中,采用水作為測試分散介質,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,以水為介質和油為介質的進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果的較大影響。

參考文獻:

1. 采用激光粒度儀對油懸浮劑粒度測試的探討, 《中國農藥》 第13卷第6期,2017.6

2. 激光粒度儀在藥品生產質量管理規范(GMP)中的應用實踐系列文章,歐美克儀器公眾號

3. 農藥劑型開發生產中穩健的激光粒度儀顆粒粒徑評價,《世界農藥》2020,(7)

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