Análisis del tamaño de partículas
Técnica de laboratorio

El análisis del tamaño de partículas , la medición del tamaño de partículas o simplemente el dimensionamiento de partículas es el nombre colectivo de los procedimientos técnicos o técnicas de laboratorio que determinan el rango de tamaño y/o el tamaño promedio o medio de las partículas en una muestra de polvo o líquido .

El análisis del tamaño de partículas es parte de la ciencia de partículas y generalmente se lleva a cabo en laboratorios de tecnología de partículas .

La medición del tamaño de partícula se logra típicamente por medio de dispositivos, llamados Analizadores de Tamaño de Partícula (PSA), que se basan en diferentes tecnologías, como el procesamiento de imágenes de alta definición , el análisis del movimiento browniano , la sedimentación gravitacional de la partícula y la dispersión de la luz ( dispersión de Rayleigh y Mie ) de las partículas.

El tamaño de partícula puede tener una importancia considerable en diversas industrias, incluidas la química, la alimentaria, la minera, la forestal, la agrícola, la cosmética, la farmacéutica, la energética y la de agregados.

Análisis del tamaño de partículas basado en la dispersión de la luz

El análisis del tamaño de partículas basado en la dispersión de la luz tiene una amplia aplicación en muchos campos, ya que permite una caracterización óptica relativamente fácil de las muestras, lo que permite un mejor control de calidad de los productos en muchas industrias, incluidas la farmacéutica, la alimentaria, la cosmética y la producción de polímeros. [1] En los últimos años se han producido muchos avances en las tecnologías de dispersión de la luz para la caracterización de partículas.

Para partículas en el rango de nanómetros a micrómetros, la dispersión dinámica de luz (DLS) [2] se ha convertido en una técnica estándar en la industria. También es, con diferencia, la técnica de dispersión de luz más utilizada para la caracterización de partículas en el mundo académico. [3] Este método analiza las fluctuaciones de la luz dispersada por partículas en suspensión cuando se iluminan con un láser para determinar la velocidad del movimiento browniano, que luego se puede utilizar para obtener el tamaño hidrodinámico de las partículas utilizando la relación de Stokes-Einstein. La DLS es una técnica rápida y no invasiva, que también es precisa y altamente repetible. [4] Además, dado que la técnica se basa en la medición de la dispersión de la luz en función del tiempo, la técnica se considera absoluta y los instrumentos DLS no requieren calibración. [3] Entre sus desventajas está el hecho de que no resuelve adecuadamente las muestras altamente polidispersas, mientras que la presencia de partículas grandes puede afectar a la precisión del tamaño. Han surgido otras técnicas de dispersión, como el análisis de seguimiento de nanopartículas (NTA), [5] que rastrea el movimiento de partículas individuales a través de la dispersión utilizando la grabación de imágenes. El NTA también mide el tamaño hidrodinámico de las partículas a partir del coeficiente de difusión, pero es capaz de superar algunas de las limitaciones planteadas por el DLS. [6] La próxima generación de tecnología NTA se llama análisis de seguimiento de nanopartículas interferométricas (iNTA) [7] y se basa en la microscopía de dispersión interferométrica (iSCAT). A diferencia del NTA, el iNTA tiene una resolución de tamaño superior y da acceso al índice de refracción efectivo de las partículas.

Si bien las técnicas mencionadas anteriormente son las más adecuadas para medir partículas típicamente en la región submicrónica, los analizadores de tamaño de partículas (PSA) basados ​​en dispersión de luz estática o difracción láser (LD) [8] se han convertido en los instrumentos más populares y ampliamente utilizados para medir partículas desde cientos de nanómetros hasta varios milímetros. También se utiliza una teoría de dispersión similar en sistemas basados ​​en la propagación de ondas no electromagnéticas, como los analizadores ultrasónicos. En los PSA de LD, se utiliza un rayo láser para irradiar una suspensión diluida de partículas. La luz dispersada por las partículas en la dirección hacia adelante se enfoca mediante una lente sobre una gran matriz de anillos fotodetectores concéntricos. Cuanto más pequeña es la partícula, mayor es el ángulo de dispersión del rayo láser. Por lo tanto, al medir la intensidad dispersada dependiente del ángulo, se puede inferir la distribución del tamaño de partícula utilizando modelos de dispersión de Fraunhofer o Mie . [9] [10] En este último caso, se requiere conocimiento previo del índice de refracción de la partícula que se está midiendo, así como del dispersante.

Los LD PSA comerciales han ganado popularidad debido a su amplio rango dinámico, medición rápida, alta reproducibilidad y la capacidad de realizar mediciones en línea. Sin embargo, estos dispositivos son generalmente de gran tamaño (~700 × 300 × 450 mm), pesados ​​(~30 kg) y caros (en el rango de 50–200 K€). Por un lado, el gran tamaño de los dispositivos comunes se debe a la gran distancia necesaria entre la muestra y los detectores para proporcionar la resolución angular deseada. Además, su alto precio se debe principalmente al uso de fuentes láser costosas y una gran cantidad de detectores, es decir, un sensor para cada ángulo de dispersión a monitorear. Algunos dispositivos comerciales contienen hasta veinte sensores. Esta complejidad de los LD PSA comerciales, junto con el hecho de que a menudo requieren mantenimiento y personal altamente capacitado, los hacen poco prácticos en la mayoría de las aplicaciones industriales en línea, que requieren la instalación de sondas en entornos de procesamiento, a menudo en múltiples ubicaciones. Un método alternativo para la PSD es la técnica SPR basada en cubeta, que mide simultáneamente el tamaño de partícula en el rango de 10 nm a 10 μm y la concentración en un espectrofotómetro estándar. El filtro óptico insertado en la cubeta consiste en cristales nanofotónicos con una resolución angular muy alta, lo que permite el análisis de la PSD cuantificando automáticamente la dispersión de Mie y la dispersión de Rayleigh . [11]

La aplicación de los LD PSA también suele estar restringida a suspensiones diluidas. Esto se debe a que los modelos ópticos utilizados para estimar la distribución del tamaño de partícula (PSD) se basan en una única aproximación de dispersión. En la práctica, la mayoría de los procesos industriales requieren la medición de suspensiones concentradas, donde la dispersión múltiple se convierte en un efecto destacado. La dispersión múltiple en medios densos conduce a una subestimación del tamaño de partícula, ya que la luz dispersada por las partículas encuentra puntos de difracción varias veces antes de llegar al detector, lo que a su vez aumenta el ángulo de dispersión aparente. Para superar este problema, los LD PSA requieren sistemas de muestreo y dilución adecuados, que aumentan las inversiones de capital y los costes operativos. Otro enfoque es aplicar múltiples modelos de corrección de dispersión junto con los modelos ópticos para calcular la PSD. En la bibliografía se puede encontrar una gran cantidad de algoritmos para la corrección de dispersión múltiple. [12] [13] [14] Sin embargo, estos algoritmos suelen requerir la implementación de una corrección compleja, lo que aumenta el tiempo de cálculo y, a menudo, no es adecuado para las mediciones en línea. [14] Un enfoque alternativo para calcular la PSD sin el uso de modelos ópticos y factores de corrección complejos es aplicar técnicas de aprendizaje automático (ML). [15]

Dimensionamiento por difusión microfluídica

El dimensionamiento por difusión microfluídica (MDS) es un método de análisis del tamaño de partículas que depende de la difusión de partículas dentro de un flujo laminar . El método ha encontrado aplicaciones en la proteómica y campos relacionados donde las partículas de tamaño nanométrico pueden variar de tamaño dependiendo de su entorno. [16]

Pinturas y recubrimientos

Normalmente, las pinturas y los revestimientos se someten a múltiples rondas de análisis de tamaño de partículas, ya que el tamaño de las partículas de los componentes individuales influye en parámetros tan diversos como la resistencia a la intemperie, el poder cubriente, el brillo, la viscosidad, la estabilidad y la resistencia a la intemperie. [17]

Minería y materiales de construcción

El tamaño de los materiales que se procesan en una operación es muy importante. El transporte de material de gran tamaño provocará daños en el equipo y ralentizará la producción. El análisis del tamaño de las partículas también ayuda a mejorar la eficacia de los molinos SAG al triturar el material.

En la industria de la construcción, el tamaño de partícula puede afectar directamente la resistencia del material final, como se observó en el caso del cemento . [18] Dos de las técnicas más utilizadas para la caracterización del tamaño de partícula de los minerales son el tamizado y la difracción láser. Estas técnicas son más rápidas y económicas en comparación con las técnicas basadas en imágenes.

Industria de alimentos y bebidas

La optimización de la distribución del tamaño de las partículas facilita el bombeo, la mezcla y el transporte de los alimentos. El análisis del tamaño de las partículas se realiza normalmente con cualquier alimento molido, como café, harina o cacao en polvo. Es especialmente útil con la calidad del chocolate para garantizar que haya un sabor y una sensación consistentes al comerlo. Además, en el caso de las emulsiones alimentarias , el análisis del tamaño de las partículas es relevante para predecir la estabilidad y la vida útil, y optimizar la homogeneización. [19]

Agricultura

La gradación de los suelos, o la textura del suelo , afecta la capacidad de retención de agua y nutrientes y su drenaje. En el caso de los suelos arenosos, el tamaño de las partículas puede ser la característica dominante que afecta el rendimiento del suelo y, por lo tanto, el cultivo. El tamizado ha sido durante mucho tiempo la técnica preferida para el análisis de la textura del suelo, aunque cada vez se utilizan más los instrumentos de difracción láser , ya que aceleran considerablemente el proceso analítico y proporcionan resultados altamente reproducibles. [20]

El análisis del tamaño de partículas en la industria agrícola es de suma importancia porque los materiales no deseados pueden contaminar los productos si no se detectan. Al contar con un analizador de tamaño de partículas automatizado , las empresas pueden monitorear de cerca sus procesos.

Silvicultura

Las partículas de madera que se utilizan para fabricar diversos tipos de productos dependen del análisis del tamaño de las partículas para mantener altos estándares de calidad. De esta manera, las empresas reducen los desechos y se vuelven más productivas.

Agregados

Las empresas que fabrican áridos pueden fabricar carreteras y otros productos de larga duración gracias al tamaño adecuado de las partículas. El análisis del tamaño de las partículas también se realiza de forma rutinaria en las emulsiones bituminosas para predecir su estabilidad y su comportamiento. [21]

Biología

Los analizadores de tamaño de partículas también se utilizan en biología para medir la agregación de proteínas .

Distribución del tamaño de partículas de vacunas antivirales sometidas a interrupciones de la cadena de frío, analizadas mediante dispersión dinámica de luz (DLS)

La DLS es una técnica especialmente apreciada para la caracterización de nanopartículas diseñadas para la administración de fármacos, como las vacunas. Los instrumentos DLS son, por ejemplo, parte del proceso de control de calidad de las vacunas de ARNm formuladas en portadores de nanopartículas lipídicas . [22]  

Selección de la técnica más adecuada para el análisis de tamaño

Existe una gran cantidad de métodos para determinar el tamaño de las partículas y es importante reconocer que no se espera que estos diferentes métodos den resultados idénticos. El tamaño de una partícula depende del método utilizado para su medición y es importante elegir el método que sea más relevante para la aplicación.

La sección "Véase también" cubre muchas de estas técnicas. En la mayoría de ellas, el tamaño de partícula se infiere a partir de una medición de, por ejemplo: dispersión de la luz; resistencia eléctrica; movimiento de partículas, en lugar de una medición directa del diámetro de partícula. Esto permite una medición rápida de una distribución del tamaño de partícula mediante un instrumento, pero requiere algún tipo de calibración o suposiciones sobre la naturaleza de las partículas. La mayoría de las veces, esto incluye la suposición de partículas esféricas, lo que da como resultado un diámetro esférico equivalente . Por lo tanto, es habitual que las distribuciones de tamaño de partícula medidas sean diferentes al comparar los resultados entre diferentes equipos. El método más adecuado para utilizar normalmente es aquel en el que el método está alineado con el uso final de los datos.

Por ejemplo, para elegir si un compuesto químico debe medirse por dispersión de luz dinámica o difracción láser , generalmente se considera el rango de tamaño esperado, el tipo de muestra (líquida o sólida), la cantidad de muestra disponible, la estabilidad química, así como su campo de aplicación. [23] Si se diseña un recipiente de sedimentación, entonces una técnica de sedimentación para el dimensionamiento es lo más relevante. Sin embargo, este enfoque a menudo no es posible y se debe utilizar una técnica alternativa. Se ha desarrollado un sistema experto en línea para ayudar en la selección (y eliminación) de equipos de análisis de tamaño de partículas. [24]

Véase también

Referencias

  1. ^ Valsangkar, AJ Principios, métodos y aplicaciones del análisis del tamaño de partículas. Can. Geotech. J. 29, 1006 (1992).
  2. ^ Stetefeld, J., McKenna, SA y Patel, TR Dispersión dinámica de la luz: una guía práctica y aplicaciones en ciencias biomédicas. Biophysical Rev. 8, 409–427 (2016).
  3. ^ ab Xu, Renliang (1 de febrero de 2015). "Dispersión de luz: una revisión de las aplicaciones de caracterización de partículas". Particuology . 18 : 11–21. doi :10.1016/j.partic.2014.05.002. ISSN  1674-2001.
  4. ^ "Iso 22412:2017".
  5. ^ Kim, A. et al. Validación de la estimación del tamaño del análisis de seguimiento de nanopartículas en el ensamblaje de macromoléculas polidispersas. Sci. Rep. 9, 2639 (2019).
  6. ^ Kim, A., Bernt, W. y Cho, NJ Determinación de tamaño mejorada mediante análisis de seguimiento de nanopartículas: influencia del radio de reconocimiento. Anal. Chem. 91, 9508–9515 (2019).
  7. ^ Kashkanova, Anna D.; Blessing, Martin; Gemeinhardt, André; Soulat, Didier; Sandoghdar, Vahid (2022). "Análisis de precisión del tamaño y del índice de refracción de nanopartículas de dispersión débil en polidispersiones". Nature Methods . 19 (5): 586–593. doi :10.1038/s41592-022-01460-z. PMC 9119850 . PMID  35534632. 
  8. ^ Blott, SJ et al. Análisis del tamaño de partículas mediante difracción láser. Geological Society, Londres, Publicaciones especiales. 232, 63–73 (2004).
  9. ^ Vargas-Ubera, J., Aguilar, JF y Gale, DM Reconstrucción de distribuciones de tamaño de partículas a partir de patrones de dispersión de luz utilizando tres métodos de inversión. Appl. Opt. 46, 124–132 (2007).
  10. ^ Ye, Z. y Jiang, XP Wang, ZC Mediciones de la distribución del tamaño de partículas basadas en la teoría de dispersión de Mie y el algoritmo de inversión de la cadena de Markov. J. Softw. 7, 2309–2316 (2012).
  11. ^ Hermannsson, Pétur G.; Vannahme, Christoph; Smith, Cameron LC; Sørensen, Kristian T.; Kristensen, Anders (2015). "Detección de dispersión del índice de refracción utilizando una matriz de reflectores resonantes de cristal fotónico". Applied Physics Letters . 107 (6): 061101. Bibcode :2015ApPhL.107f1101H. doi :10.1063/1.4928548. S2CID  62897708.
  12. ^ Gomi, H. Corrección de dispersión múltiple en la medición del tamaño de partículas y la densidad numérica mediante el método de difracción. Appl. Opt. 25, 3552–3558 (1986).
  13. ^ Quirantes, A., Arroyo, F. y Quirantes-Ros, J. Dispersión de luz múltiple por sistemas de partículas esféricas y su dependencia de la concentración: un estudio de matriz T. J. Colloid Interface Sci. 240, 78–82 (2001).
  14. ^ ab Wei, YH, Shen, JQ y Yu, HT Cálculo numérico de dispersión múltiple con el modelo de capas. Particuology 7, 76–82 (2009).
  15. ^ Hussain, R., Noyan, MA, Woyessa, G. et al. Un analizador de tamaño de partículas ultracompacto que utiliza un sensor de imagen CMOS y aprendizaje automático. Light Sci Appl 9, 21 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0255-6
  16. ^ Zhang, Yingbo (2016). "Ensayos de unión de agregados proteicos a ligandos basados ​​en separación por difusión microfluídica". ChemBioChem . 17 (20): 1920–1924. doi :10.1002/cbic.201600384. PMID  27472818. S2CID  23410743.
  17. ^ "La importancia del tamaño de las partículas en los recubrimientos líquidos". www.pfonline.com . Consultado el 25 de mayo de 2022 .
  18. ^ Zhang, YM; Napier-Munn, TJ (1 de junio de 1995). "Efectos de la distribución del tamaño de partícula, área superficial y composición química en la resistencia del cemento Portland". Tecnología de polvos . 83 (3): 245–252. doi :10.1016/0032-5910(94)02964-P. ISSN  0032-5910.
  19. ^ Ransmark, Eva; Svensson, Birgitta; Svedberg, Ingrid; Göransson, Anders; Skoglund, Tomas (1 de septiembre de 2019). "Medición de la eficiencia de homogeneización de la leche mediante difracción láser y centrifugación". Revista Láctea Internacional . 96 : 93–97. doi : 10.1016/j.idairyj.2019.04.011 . ISSN  0958-6946. S2CID  155705640.
  20. ^ Yang, Yang; Wang, Lijuan; Wendroth, Ole; Liu, Baoyuan; Cheng, Congcong; Huang, Tingting; Shi, Yangzi (marzo de 2019). "¿Es confiable el método de difracción láser para el análisis de la distribución del tamaño de partículas del suelo?". Revista de la Sociedad de Ciencias del Suelo de América . 83 (2): 276–287. Bibcode :2019SSASJ..83..276Y. doi :10.2136/sssaj2018.07.0252. ISSN  0361-5995. S2CID  134971922.
  21. ^ Wang, Fazhou; Liu, Yunpeng; Zhang, Yunhua; Hu, Shuguang (1 de marzo de 2012). "Estudio experimental sobre la estabilidad de la emulsión asfáltica para mortero CA mediante la técnica de difracción láser". Construcción y materiales de construcción . 28 (1): 117–121. doi :10.1016/j.conbuildmat.2011.07.059. ISSN  0950-0618.
  22. ^ Mao, Qunying; Xu, Miao; He, Qian; Li, Changgui; Meng, Shufang; Wang, Yiping; Cui, Bopei; Liang, Zhenglun; Wang, Junzhi (18 de mayo de 2021). "Vacunas contra la COVID-19: progreso y comprensión sobre el control de calidad y la evaluación". Transducción de señales y terapia dirigida . 6 (1): 199. doi :10.1038/s41392-021-00621-4. ISSN  2059-3635. PMC 8129697. PMID 34006829  . 
  23. ^ "Métodos de análisis del tamaño de partículas: dispersión dinámica de la luz frente a difracción láser :: Anton Paar Wiki". Anton Paar . Consultado el 25 de mayo de 2022 .
  24. ^ Sistema experto para selección de equipos
Obtenido de "https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Análisis_del_tamaño_de_partículas&oldid=1233500299"