Técnicas de Caracterização de Partículas

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Introdução às Principais
Técnicas para Caracterização
de Partículas e suas Aplicações
Horiba Scientific
Caracterização de Partículas
Dr. Anderson Bonon
24 de Abril, 2018

Introdução
Porque conhecer o tamanho de
partículas?
• Importância
• Diferentes técnicas medem
diferentes parâmetros

Introdução
• Uma maneira de caracterizar e
avaliar a funcionalidade
• Responsável por até 80% das
características do produto final

Tamanho de partícula Vs área superficial
𝐾𝑁𝑂3
2 𝑁𝑎𝑁3(𝑠)
Δ(300° 𝐶)
2𝑁𝑎(𝑠)
0
+ 3𝑁2(𝑔)
Azida de
Sódio
Sódio
metálico
Nitrogênio
(Nitrato
de potássio)
(Sílica)𝑆𝑖𝑂2
Principais
Aditivos
Airbag
𝑁𝐻4 𝐶𝑙𝑂4Oxidante:
Combustível:
Comb. de baixa energia: HTPB
𝐴𝑙
30-400 µm
2–50 µm
Propelente de compósito
de perclorato de amônio

Fármacos e Sua Atuação
• Ingestão – uma
distribuição ótima de
tamanhos leva a uma
apropriada absorção do
medicamento pelo
organismo
• Misturas/Processamento –
constituintes com
tamanhos apropriados
geram composições mais
estáveis.

Tamanho Vs Funcionalidade
Propriedades que dependem do tamanho
Propriedade
• Homogeneidade
• Comportamento elástico
• Resistência
• Brilho
• Opacidade
• Aglomeração
Relação com a diminuição do tamanho
• Aumenta
• Diminui
• Aumenta
• Aumenta
• Diminui
• Aumenta

Tamanho Vs Poder de Cobertura
5040 60 70 80 90
12
14
16
18
20
22
y = 0,19396x + 4,2162
R2 = 0,980
Porcentagens de partículas menores que 0,3 µm
• O poder de cobertura
de uma dispersão de
pigmentos pode ser
determinada pela
fração de partículas
menor que 0,3 μm

Faixas de Tamanho
10-10 10-810-9 10-610-7 10-410-5 10-210-3 10-1 10-0
metronanômetro
Angstrom
(Å)
micrômetro milímetro
µm mnm mm
1,0µm1,0 nm 1,0 mm1,0 Å 1,0 m

Faixa de Leitura das Principais Técnicas
para Caracterização de Partículas
1 µm 1 mm1 nm1 Å
10 nm 5 mm
Difração de
Laser
Espalhamento
Dinâmico de Luz
0,3 nm 8 µm
Rastreamento
de Partículas
10 nm 15 µm
10 µm 100 µm10 nm 100 nm
Peneiramento 125 mm5 µm
~
Microscopia
Eletrônica de
Varredura (MEV)
> 14 nm
~
Análise
Dinâmica de
Imagem
0,8 µm 30 mm
~
Microscopia
Eletrônica de
Transmissão
(MET)
1 Å 100 nm

Peneiramento – Princípio
L = largura da malha
d = diâmetro da malha
L
L
Ø d
Ød
Peneirador
Disco
Cilíndrico
Esfera

Visualização dos Resultados
6000100050010050
20
30
40
60
70
80
4.5 g
6 g
15 g
30 g
48 g
22.5 g
15 g
6 g 3 g
45 63 140 250 2000 4000
Tamanho da partícula (µm)
Q3[%]
10
50
90
3%
4%
10%
10%
32%
15%
4% 2%
20%
Distribuição Cumulativa
150 g

Visualização de Resultados
6000100010050
20
30
40
60
70
80
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tamanho da partícula (µm)
Q3[%]
10
50
90
p3[%]
100045 63 140 250 2000 4000500
330 µm
Q3 ( )
Particles < 330 µm
Histograma

Peneira – Aspectos Gerais
Amostras: Sólidos
• Baixo Custo*
• Fácil Operação
• Robusto
• Amplo material de referência
• Baixa manutenção
Faixa: 5* µm – 125 mm
• Longo tempo de análise
• Baixa resolução (limitado a quantidade
de peneiras)
• Requer grandes quantidades de amostra
• Longo tempo de limpeza
• Não permite a análise de emulsões e
suspensões

Espalhamento Estático de Luz
(Difração de Laser)
Faixas de leitura:
• Dispersão a seco: 0,1 µm – 5 mm
• Dispersões via úmida: 10 nm – 3 mm
Tipos de Amostra:
• Amostras sólidas, em suspensão e
emulsões

Difração de Laser - Princípio

Difração de Laser - Princípio
Deve se conhecer o Índice de
Refração da amostra!Padrão de difração
de uma esfera
Espalhamento de Luz
Refletida
Refratada
Absorvida e/ou
redirecionada
Difratada

Esquema de Equipamento de
Difração de Laser de Duplo Feixe

Validação do Equipamento
Padrões de Poliestireno para a
Calibração de Tamanho de
Partículas
300 nm
1 µm
5 µm 10 µm 100 µm
Padrão
de 5 µm

Exemplo de Resultados –
Controle de Qualidade
Fármaco para hipertensão arterial
3,53 µm
𝑆𝑝𝑎𝑛 =
𝐷90 − 𝐷10
𝐷50
𝑆𝑝𝑎𝑛 =
5,0024 − 2,3412
3,5284
𝑆𝑝𝑎𝑛 = 0,754
D10 = 1,5 – 2,5 µm
D50 = 3,0 – 4,0 µm
D90 = 4,5 – 5,5 µm
D10 = >2,5 µm
D50 = 3,0 – 4,0 µm
D90 = <5,5 µm
Definições de Especificações
𝐷10
𝐷90

Exemplo de Resultado – Via Úmida
Avaliação de catalizador para epoxidação
Catalisador Novo Catalisador Recuperado

Exemplo de Resultado – Via Úmida
Distribuição de amostras de montmorilonitas
c
Argila TratadaArgila Natural
c c

Exemplo de Resultado
Dispersão em etanol
Acompanhamento de moagem de negro de fumo
2,48 µm
c

Cela de Leitura para o LA-960
Cela Seca
Cela Úmida
ou
Cela de fluxo Cela de Fração
Cela de Pasta

Cela Seca
Janela de
leitura Lâminas
metálicas
Ar
Pressurizado

Cela Seca – Exemplo de Resultados
Avaliação de uma farinha de trigo
63,31 µm

Cela Seca
Avaliação de um fármaco para Alzheimer
652,15 µm
10 µm

Cela de Fração
Adição do dispersante Adição da amostra
Agitação
magnética

Cela de Fração – Exemplo de Resultado
Análise de um fármaco em desenvolvimento
330,4 nm
1,69 µm
Dispersão em revelador
de filme fotográfico
1,61 µm

Cela de Pasta
Dispersar a amostra em meio viscoso
Pressionar a segunda placa para
espalhar a dispersão
Posicionar as placas
no suporte
Fixar as placas com
os micrometros

Resultados – Cela de Pasta
Análise de Chocolate
Dispersão em Nujol
8,94 µm

Resultados – Cela de Pasta
Dispersão em
Óleo de Soja
424,1 nm
Emulsão de Pectina

Validação do Equipamento
300 nm
1 µm
5 µm 10 µm 100 µm
Comparação entre a cela de fluxo e a cela de pasta
Leituras na cela de pasta

Difração de Laser – Aspectos Gerais
Amostras: Sólidos/Suspensões
• Fácil Operação
• Ampla faixa de uso
• Curto tempo de análise
• Pouca ou nenhuma preparação de amostra
• Alta resolução
• Requer pequena quantidade de amostra
Faixa: 10 nm – 5 mm
• Não analisa formato das partículas
• Não analisa partículas alongadas (agulhadas)
• Requer conhecimento do índice de refração
• Pouca sensibilidade para populações de
partículas com baixa concentração na amostra

Análise Dinâmica de Imagem
Apenas modo seco
Leitura de 20 µm – 30 mm
Faixas de leitura:
• Disp. por gravidade: 10 µm – 8 mm
• Disp. pressurizada: 0,8 µm – 5 mm
• Dispersão via úmida: 0,8 µm – 1 mm

Princípio da Técnica
Câmara Base Câmera de Zoom

“comprimento”
xFe
max
xFe max
A
A‘ = A
xárea
“diâmetro de uma
projeção de superfície”
xárea
xc min
xc min
“largura”
Resultado comparável com
os de difração de Laser*

Análise de Formato de Partícula
xFe max
xc min
A P
r1
r2
S
A convex
A real
maxFe
minc
x
x
P
A
2
4

















2
1
r
r
min1
2
1
convex
real
A
A
largura/
comprimento =
Razão de
aspecto
Esfericidade
Simetria
Convexidade

Comparação das Definições de
Tamanho
xc min  xÁrea  xFe max
x [mm ]0 .2 0 .4 0 .6 1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Q3 [% ]
Sam p leA_Bas ic_0 .2% _xc_m in_001 .rd f
Sam p leA_Bas ic_0 .2% _x_a rea_001 .rd f
Sam p leA_Bas ic_0 .2% _xFem ax_001 .rd f
G raph o fm easu rem en tresu lts :
M :...rD is tribu to ren -Mee ting CAMDAT Sam p leA Sam p leA_Bas ic_0 .2% _xc_m in_001 .rd f
Task file :Sam p leA_Bas ic_0 .2% .a fg
x [mm ]0 .2 0 .4 0 .6 1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Q3 [% ]
Sam p leA_Bas ic_0 .2% _xc_m in_001 .rd f
Sam p leA_Bas ic_0 .2% _x_a rea_001 .rd f
Sam p leA_Bas ic_0 .2% _xFem ax_001 .rd f
G raph o fm easu rem en tresu lts :
M :...rD is tribu to ren -Mee ting CAMDAT Sam p leA Sam p leA_Bas ic_0 .2% _xc_m in_001 .rd f
Task file :Sam p leA_Bas ic_0 .2% .a fg
2 x[mm]
Definições diferentes
De tamanho
Resultados Diferentes
Largura  Área  Comprimento

Resultados por Tamanho ou Formato
b/l = Aspecto
(Quanto mais próximo
de 1, mas esférico é a
partícula)

Resultados por Tamanho ou Formato
b /l0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .90
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Q 3 [% ]
AK_22 ,15g_0 ,3% _BZ_LB_n Ü_xc_m in_001 .rd f
IA_22 ,15g_0 ,3% _BZ_LB_n Ü_m itAe ros il_xc_m in_001 .rd f
IA + AK_ je 22 ,15g_0 ,3% _BZ_LB_n Ü_a lsM ischung_xc_m in_001 .rd f
G raph o fm easu rem en t resu lts :
C :...h -3 jhwpyax Cam da tM essungen 030603 AK_22 ,15g_0 ,3% _BZ_LB_n Ü_xc_m in_001 .rd f
Task file : RT 502 IA_BZ_LB_0 ,7% _R40 -T rocknung_ .a fg
B
A
b/l0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Q3 [%]
A
B
A + B
B A
32.8%
67.2%
xFe max
xc min
Q3 (Partículas esféricas) =

Análise de Partículas Alongadas
x [mm]1 2 4 10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Q3 [%]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
q3[%/mm]
Catalisador_xc_min_001.rdf
Catalisador_xFemax_001.rdf
x1 max
x2 max
x1 max x2 max

Correlação com Peneira
x [mm]1.0 1.25 1.5 1.75 2.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Q3 [%]
Arroz
xc min
A‘ = A
xárea
A
xc min (largura) é mais similar com a peneira do que xárea
90

Análise de Combustível de Foguete
Perclorato de Amônio
xc_m in [mm ]0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .50
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Q3 [% ]
051 -15CAM_xc_m in_001 .rd f
raph o fm easu rem en t resu lts :
:_DADOS_BRUTOS Cam s ize rXT 2015 051 -15CAM_xc_m in_001 .rd f
ask file :m easu re0 .a fg
175 µm
400 µm
Especificações de literatura:
30-400 µm
Partículas de Alumínio
25 µm
Especificações de literatura:
2-50 µm
40 µm
12,5 µm

Análise de Imagem Dinâmica –
Aspectos Gerais
Amostras: Sólidos, Suspensões e
líquidas.
• Análise formato
• Curto tempo de análise
• Pouca ou nenhuma preparação de amostra
• Não requer conhecimentos sobre propriedades da amostra
• Limite inferior de 1 µm
• Não é um contador de partículas
• Não realiza análise com dispersão em meios viscosos
Faixas de leitura:
• Disp. por gravidade: 10 µm – 8 mm
• Disp. pressurizada: 1 µm – 5 mm
• Dispersão via úmida: 1 µm – 1 mm

Espalhamento de Luz Dinâmico
Faixas de leitura:
• Tamanho de Partículas (DLS):
0,3 nm – 8,0 µm
• Potencial Zeta:
-200 mV – +200 mV
• Peso Molecular:
1x103 –2x107 g/mol
Tipos de Amostra:
Amostras em suspensão

Movimento Browniano
O Movimento Browniano descreve o movimento aleatório e
caótico de partículas em uma suspensão
 Aleatório
 Relativo ao tamanho
 Relativo a viscosidade
 Relativo a Temperatura

Espalhamento de Luz Dinâmico
Laser
(532 nm)
Detector de
Fundo
(173°)
Detector de
ângulo reto
(90°)
Cela de
leitura
Partícula
Detector de
transmitância

Do Interferôgrama ao Tamanho de Partícula
Tempo de decaimento (µs)
ACF
Função de
Autocorrelação
tempo (µs)
Intensidade
Flutuação do espalhamento de luz
Γ = 𝐷𝑡 𝑞2
Γ – Constante de decaimento
Dt – Coeficiente de difusão
q – Vetor de espalhamento
n – Índice de refração do meio
l – Comprimento de onda
q – Ângulo de espalhamento
η – Viscosidade
kB – Constante de Boltzmann
Dh – Diâmetro hidrodinâmico
𝐷ℎ =
𝑘 𝐵 𝑇
3πη(𝑇)𝐷𝑡
𝑞 =
4π𝑛
λ
sen
θ
2
Aplicando a equação de Stokes-Einstein

Resultados – DLS
20 nm
Análise de uma Enzima

Análise de Lipossomos
Fosfolipídio
Colesterol
Material
hidrofílico
Material
hidrofóbico
Camada
lipídica
150 nm
O tamanho dos lipossomos é crítico para:
 função no corpo
 estabilidade do produto
 Qual a proteína ou droga pode
encapsular
Lipossomos utilizados
para encapsular ativos
farmacêuticos

LUDOX® HS-40 – Sílica Coloidal
Fonte: J. Kasper, et al. Particle and Fibre Toxicology, 8 (2011) 6.
37 nm
Sílica utilizada na
clarificação de sucos,
cervejas e vinhos

Potencial Zeta - Definição
(ζ)
Potencial
Zeta
Plano de
Cisalhamento
Camada Stern
Camada Gouy
Camada Dupla

Qual o Efeito do Potencial Zeta?
H+
H+
H+H+
Na+
K+
Ca2+
Mg2+
Cl-
𝑵𝑶 𝟑
−
𝑺𝑶 𝟒
𝟐−
Como uma Partícula
adquire carga?

ζ Vs Propriedades das Suspenções
Potencial ZetaMenor Maior
Tempo
Boa
Dispersão
Fracamente
Agregado
Fortemente
Agregado

Determinação de Potencial Zeta (ζ)
Detector
Frontal
(fotomultiplicadora)
Detector de
transmitância
Modulador
Laser
(532 nm)
Cela de
leitura
Eletrodos
Feixe de
Referência

Cálculo do Potencial Zeta (ζ)
A frequência difere cerca de 3%
A soma das ondas facilitam a
observação da oscilação
Frequência
Potência
ωD
ω 𝐷 = 𝑞𝑥𝑉 µ 𝑒 =
𝑉
𝐸
µ 𝑒 =
ε 𝑟ε0ζ
η(𝑇)
ωD = Descolamento de Frequência
(Doppler)
q = Vetor de espalhamento
V = Velocidade da partícula
E = Força do campo elétrico
µe= Mobilidade eletroforética
εr = Constante dielétrica
ε0 = Permeabilidade no vácuo
η = Viscosidade (em função da temperatura)
ζ = Potencial Zeta
Modelo de Smoluchowski

Aplicações do Potencial Zeta
Material ζ (mV)
Emulsão O/A >15
Estruturas Poliméricas >20
Fármacos >20
Óxidos metálicos >40
Soluções metálicas >70
Avaliação e predição da estabilidade de
suspensões
Óxidos pH
SiO2 2
MnO2 3
ZrO2 4
TiO2 6
CrO 7
Óxidos pH
Fe2O3 8
Al2O3 9
CdO 10
Pb2O3 11
MgO 12
Creme de baunilha para Café
Ponto Isoelétrico de Alguns Óxidos
Estabilidade Eletrostática

Recobrimento de Partículas TiO2/SiO2
Adaptado de: S. Ortelli, C.A. Poland, G. Baldi, A.L. Costa, Silica matrix encapsulation as a strategy to control ROS production
while preserving photoreactivity in nano-TiO2,Environmental Science: Nano, 3 (2016) 602-610.
Amostra
Teor de
TiO2 (g/l)
Teor de
SiO2 (g/l)
Tamanho de
Partícula (nm)
ζ-pot (mV)
TiO2_6 10 0 53 ±0,9 +38 ±1,8
TiO2_18_Sil 10 40 110 ±0,9 +31 ±1,0
TiO2_19_Sil 10 60 577 ±39 +25 ±0,1
TiO2_37_Sil 2,5 10 95 ±0,9
SiO2_1 0 10 20 ±0,3 -42 ±2,2
Imagens de Microscopia Eletrônica
de Transmissão (TEM)
TiO2_6
TiO2_6
SiO2_1 SiO2_1
Recobrimento para controle de
reações oxidativas

Determinação de Peso Molecular
lim
θ→0
𝐾. 𝑐
Δ𝑅θ
=
1
𝑀 𝑤
+ 2𝐴2. 𝑐
K – Constante de Debye
C – Concentração da amostra
Rθ – Razão de Rayleigh
A2 – Segundo coeficiente Virial
Mw – Massa Molar Média
Resultados Amostra
Massa Molecular (kDa) 105,0
Seg.Coef.Virial (mL.mol/g2) 5,7.10-4
Cálculo do Massa Molecular utilizando o espalhamento
estático e a Equação de Rayleigh
Amostras de Poliestireno
Kc/R–Poliestireno96kDa(10-5mol/g)
Kc/R–Poliestireno1kDa(10-3mol/g)
Concentração do Poliestireno 96kDa (mg/mL)
Concentração do Poliestireno 1kDa (mg/mL)
Poliestireno 1kDa
Poliestireno 96kDa

Espalhamento de Luz Dinâmico –
Aspectos Gerais
Amostras: Suspensões
• Curto tempo de Análise
• Boa identificação de populações de agregados
• Analisa partículas pequenas com certa facilidade
• Boa Reprodutibilidade
• Determinação de Potencial Zeta
• Determinação de Peso Molecular Médio
Faixa: 0,3 nm – 8 µm
• Não analisa formato das partículas
• Não oferece dados de concentração
• Ênfase em partículas maiores
• Interferência na distribuição quando a amostra
possui muitas partículas > 1 µm

Análise de Rastreamento de Partículas
Faixas de leitura:
10 nm – 15 µm
Tipos de Amostra:
Amostras em suspensão e
emulsões

O Que É Rastreamento de Partículas?
Volume
Analisado
Fonte de
Luz
Luz
Espalhada
Partícula
Câmera
Espessura
do caminho

O Que É Rastreamento de Partículas?
Tempo: 0
Tempo: 1
Tempo: 2
Assim como no espalhamento dinâmico, a análise
monitora o movimento Browniano das partículas

Múltiplas Fontes de Luz
Laser de 450 nm em esferas de poliestireno
Diâmetro (nm)
CoeficientedeEspalhamentoAngular(m-1)
100 100010
1E-19
1E-17
1E-15
1E-13
1E-21
1E-23

Esquema do Equipamento
Câmera
de Vídeo
Lente
Objetiva
Cubeta
Luz
Espalhada
Laser
445 nm
Laser
520 nm
Laser
635 nm

Resultados utilizando os 3 Lasers
Diameter [nm]
50 100 200 500 1000
DensityofPSD[counts/mL/nm]
1.0e+3
1.0e+4
1.0e+5
1.0e+6
1.0e+7
Diâmetro (nm)
Densidadedepartícula(part./mL/nm)
Imagem do vídeo

Fonte: Wittbold & Tatarkiewicz 2017, BioProcess International 15 (3)
Estudo de Cristalização de Proteína
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Cristalização
Difusão
Browniana
Dissolução
Tempo (min)
Intensidade(UA)
Sedimentação
Adição de
tampão de
fosfato
Adição de
tampão
de fosfato
Partículas livres
na suspensão
Crescimento dos
cristais

Uso de Filtros
Filtro
longpass
de 450 nm
Filtro
longpass
de 550 nm
Filtro
longpass
de 650 nm
Laser
Azul
(445 nm)
Laser
Verde
(520 nm)
Laser
Vermelho
(635 nm)

Filtro Longpass Vs Filtros Bandpass
Filtro de
Bandpass
Comprimento de onda
Emissão
Intensidade
Excitação
Filtro
bandpass
de 475 nm
±50 nm
Seletivo para
425 – 525 nm

Uso e Aplicação da Fluorescência
Sem Fluorescência Fluorescência - Verde
Fluorescência - Azul Fluorescência - Vermelho
Diâmetro (nm) Diâmetro (nm)
Diâmetro (nm)Diâmetro (nm)
Densidadedepartículas(part/mL/nm)

Análise de Rastreamento de Partículas –
Aspectos Gerais
Amostras: Suspensões
• Concentração de partículas
• Boa representabilidade das partículas em toda
faixa de leitura
• Contador de partículas
• Determinação de cinética
• Análises de fluorescência
• Método absoluto (não requer calibração)
• Visualização de partículas
Faixa: 10 nm – 15 µm
• Tempo de análise (≈30-40 min)
• Não realiza análise de formato
• Desenvolvimento de metodologia

PDT – Polidispersão
de Tamanho
Zeta – Potencial Zeta
Triagem de Técnicas para Análise de
Partículas
MET +
EDL
O formato é
necessário?
Não Sim
Escala
(nm)
Escala
(µm)
Zeta/
PDT?
Sim
Não
MET
Como é a
partícula?
Amorfa/
Esférica
Alongada/
Agulhada
Escala
(µm)
Zeta? Sim
DL + EDL
Não DL
Escala
(nm)
Ø <10 nm*
Não Sim
Zeta?
Não
Sim
EDL
RP
Escala
(µm)
MEV+RP
Ø<1 µm* Sim
PDT?
SimNão
MEV
Não
IDD
DL – Difração de Laser
EDL – Esp. Dinâmico de Luz
MET – Microscopia Elet. de Transmissão
MEV – Microscopia Elet. de Varredura
RP – Rastreamento de Partículas
IDD – Imagem Dinâmica Digital
*Avaliar o Limite de Detecção para
cada material em relação a técnica

Considerações Finais
• Avalie tanto a literatura acadêmica quanto a
Industrial para a sua aplicação
• Considere outras aplicações atuais e futuras
para o equipamento vislumbrado
• Avalie a necessidade de correlacionar dados
existem
• A distribuição de tamanho de partícula é
suficiente para minha aplicação?
• Procure seu fornecedor e realize testes nas
técnicas prováveis para uma avaliação de
performance

Danke
Grazie
Σας ευχαριστούμε
감사합니다
Obrigado
谢谢
ขอบคุณครับ
ありがとうございました
धन्यवाद
நன்ற
Cảm ơn
Dziękuję
Tack ska ni ha
Thank you
Merci
Gracias
Большое спасибо
Anderson Bonon
andbonon@gmail.com

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