Dlaczego kształt cząstek ma znaczenie – uzupełnienie pomiaru wielkości o analizę obrazu

W laboratoriach zajmujących się kontrolą jakości oraz rozwojem produktów analiza wielkości cząstek od wielu lat stanowi standardową procedurę badawczą. Techniki pomiarowe, takie jak dyfrakcja laserowa – w tym najczęściej stosowany na świecie analizator Malvern Mastersizer  – umożliwiają szybkie i powtarzalne określenie rozkładu wielkości cząstek w próbce. Niemniej, parametry morfologiczne, takie jak kształt cząstek, również odgrywają istotną rolę. Cząstki o identycznej wielkości mogą wykazywać odmienne właściwości fizykochemiczne i inaczej zachowywać się w procesach technologicznych, a przez to wpływać na jakość produktu końcowego.

Wielkość i kształt – dwa komplementarne parametry

Dyfrakcja laserowa jest techniką pomiarową opartą na uproszczeniu, że cząstki w próbce mają kształt kulisty. W praktyce jednak cząstki mogą przybierać zróżnicowane formy – od sferycznych, poprzez igiełkowate, aż po nieregularne aglomeraty. W przypadku materiałów o niesferycznej morfologii takie uproszczenie może skutkować:

• nieprawidłową interpretacją wyników,
• niedoszacowaniem lub przeszacowaniem obecności aglomeratów,
• pominięciem istotnych informacji o strukturze próbki.

Aby uzupełnić dane uzyskiwane metodą dyfrakcji laserowej, coraz częściej stosuje się analizę obrazu, która umożliwia szczegółową charakterystykę morfologiczną cząstek. Hydro Insight – akcesorium do systemu Malvern Mastersizer 3000+ lub innego – pozwala na równoczesny pomiar wielkości i kształtu cząstek w tej samej objętości próbki, bez konieczności jej ponownego przygotowywania – dzięki wykorzystaniu wspólnego obiegu zawiesiny mierzonych cząstek przepływających zarówno przez celę pomiarową urządzeń z obu technik pomiarowych. Integracja obu technik w jednym układzie pomiarowym zapewnia pełniejszą charakteryzację próbki, łącząc zalety dyfrakcji laserowej z informacjami o kształcie i strukturze cząstek uzyskiwanymi w czasie rzeczywistym.

Alternatywnym rozwiązaniem jest PI Sentinel PRO – autonomiczny system do dynamicznej analizy obrazu, który może pracować niezależnie od analizatora dyfrakcyjnego. Urządzenie to oferuje wybór zastosowanego powiększenia. Dostępny jest wariant laboratoryjny oraz do pracy w trybie online, co czyni to rozwiązanie uniwersalnym narzędziem do badań w laboratoriach oraz w warunkach produkcji.

 

Malvern Morphologi 4 – precyzyjna analiza kształtu i rozmiaru w automatycznej analizie obrazu mikroskopowego

Dla zastosowań wymagających najwyższej dokładności i pełnej automatyzacji pomiarów morfologii cząstek, idealnym rozwiązaniem jest system Malvern Morphologi 4. Jest to zaawansowany analizator obrazu, który umożliwia:

• rejestrację obrazów mikroskopowych cząstek w zakresie od ok. 0,5 µm do milimetrów,
• automatyczną analizę zarówno rozkładu rozmiarów, jak i szczegółowych parametrów kształtu,
• klasyfikację cząstek według wielkości, kształtu lub obu parametrów jednocześnie,
• analizę próbek suchych, mokrych oraz w zawiesinach, dzięki elastycznym modułom dyspersji.

Malvern Morphologi 4 rejestruje obrazy setek tysięcy cząstek w jednym pomiarze, zapewniając statystycznie reprezentatywne dane oraz możliwość weryfikacji wizualnej każdej cząstki. System ten znajduje zastosowanie m.in. w farmacji (charakterystyka API i nośników w DPI), przemyśle materiałowym (analiza proszków metalicznych, abrazyjnych) czy w branży spożywczej (charakterystyka dodatków i składników) i innych.

W przeciwieństwie do akcesoriów takich jak Hydro Insight, Morphologi 4 jest samodzielnym systemem laboratoryjnym, który może być używany zarówno w kontroli jakości, jak i w badaniach R&D, gdy wymagane jest kompleksowe, szczegółowe profilowanie morfologii próbki.

Jakie dane o próbce otrzymamy z analizy obrazu?

Dynamiczna analiza obrazu umożliwia nie tylko obserwację cząstek, ale również ich automatyczną klasyfikację według parametrów morfologicznych. Przykładowe wskaźniki obejmują:

• Wydłużenie (elongation) – szczególnie przydatne w analizie włókien, igieł i pręcików,
• Zwartość (convexity) – pozwala na identyfikację aglomeratów oraz cząstek o porowatej powierzchni,
• Kolistość (circularity) – kluczowa przy ocenie jakości cząstek sferycznych,
• Powierzchnia oraz szerokość i długość – umożliwiają korelację z wynikami uzyskanymi metodą dyfrakcji.

Dzięki tym parametrom możliwe jest wyodrębnienie poszczególnych populacji cząstek w próbce oraz lepsze zrozumienie ich wpływu na procesy technologiczne i właściwości produktu końcowego.

 

Kiedy kształt cząstek ma szczególne znaczenie?

1. Obecność włókien i cząstek sferycznych w jednej próbce

W wielu zastosowaniach, m.in. w produkcji materiałów kompozytowych czy w farmacji, w jednej próbce mogą występować cząstki o bardzo odmiennych kształtach. Dyfrakcja laserowa nie umożliwia ich rozróżnienia, natomiast analiza obrazu pozwala na ich precyzyjną identyfikację i osobne scharakteryzowanie.

👉 Zobacz przykład analizy włókien i cząstek kulistych

2. Identyfikacja aglomeratów

W przemyśle farmaceutycznym proces aglomeracji cząstek może istotnie wpływać na rozpuszczalność i biodostępność substancji czynnych. Hydro Insight umożliwia szybką detekcję takich struktur dzięki parametrom opisującym złożoność kształtu.

👉 Przeczytaj więcej o wykrywaniu aglomeratów

3. Złożone, nieregularne cząstki (np. materiały ścierne)

W przypadku proszków abrazyjnych kontrola kształtu cząstek ma decydujące znaczenie dla ich właściwości użytkowych. Nawet przy podobnej wielkości cząstek, różnice w ostrości krawędzi czy chropowatości mogą znacząco wpływać na skuteczność materiału.

👉 Zobacz przykład zastosowania w materiałach abrazyjnych

 

Dlaczego warto rozważyć Hydro Insight i Morphologi 4?

Dla użytkowników systemów serii Mastersizer, Hydro Insight stanowi rozszerzenie funkcjonalności, które nie wymaga zmiany dotychczasowych procedur pomiarowych. Z kolei Morphologi 4 jest narzędziem dedykowanym do pełnej, szczegółowej i automatycznej charakterystyki morfologii cząstek, z możliwością pracy w trybie offline i analizy próbek w różnych stanach skupienia.

Najważniejsze korzyści obejmują:

• Równoczesny, dynamiczny pomiar wielkości i kształtu (Hydro Insight) lub pełna, statyczna analiza morfologiczna (Morphologi 4),
• wykrywanie zjawisk i anomalii niewidocznych w pomiarach dyfrakcyjnych,
• możliwość zestawiania wyników z innymi technikami analitycznymi (dyfrakcja laserowa, analiza sitowa),
• usprawnienie procesów badawczo-rozwojowych i wsparcie w walidacji innych metod pomiarowych,
• bogata dokumentacja fotograficzna cząstek (Morphologi 4), wspierająca raportowanie i archiwizację wyników.

👉 Poznaj 5 powodów, dla których warto wybrać Hydro Insight

 

Podsumowanie – dla kogo jest analiza kształtu cząstek?

Zintegrowana analiza kształtu cząstek znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie istotne jest nie tylko określenie rozkładu wielkości, ale także szczegółowej morfologii cząstek. W szczególności warto ją rozważyć, jeśli:

• wyniki pomiarów z systemu Mastersizer są trudne w interpretacji,
• badane materiały charakteryzują się złożoną morfologią,
• opracowywane są nowe formulacje w farmacji, chemii lub materiałoznawstwie,
• konieczna jest wysoka powtarzalność i dokładność w kontroli jakości,
• wymagane jest pełne udokumentowanie morfologii cząstek (Morphologi 4).

Zainteresowanych zachęcamy do kontaktu z zespołem A.P. Instruments w celu omówienia możliwości wdrożenia analizy kształtu cząstek – zarówno w trybie zintegrowanym z dyfrakcją laserową (Hydro Insight), jak i w formie pełnej, automatycznej analizy morfologii (Morphologi 4) w laboratorium.