小剂量样品分析

小剂量样品分析

一、介绍

1、理论框架

颗粒状材料和精细粉体在工业上有着广泛的应用，为了控制和优化加工方法，必须对这些材料进行精确表征。表征方法既与颗粒的性质（粒度、形态、化学成分等）有关，也与粉体的行为（流动性、密度、共混稳定性、静电性能等）有关。然而，关于散装粉体的物理性能，大多数在研发或质量控制实验室使用的技术是基于旧的测量技术。在过去的十年中，我们更新了这些技术，以满足研发实验室和生产部门目前的要求。特别是测量过程自动化并开发了严格的初始化方法，以获得可重复和可解释的结果。利用图像分析技术提高了测量精度。

一些用以涵盖对所有工业加工粉体和颗粒材料的测量方法应运而生。在本应用中着重对GranuHeap设备进行介绍。

2、GranuHeap

当粉体被倾倒在平面时就会形成了堆状。众所周知，休止角和堆积形状都与粉体特性密切相关。特别是粘性粉体会形成不规则的粉堆，而非粘性粉体形成规则的锥形粉堆。因此，精确地测量粉堆形状能够获得粉体物理特性的有用信息。

GranuHeap是一种基于对粉体堆形进行图像处理和自动化分析的测量方法。为了获得高重现性的结果，Granuheap使用了一个内径等于圆形支架的套管，实验开始前，套管将被安装在粉体样品的托架上。首先，用手将固定体积的粉体（通常为100毫升）填装到套管后，套管以恒定的速度上升。此时，粉体从管中流出，在圆柱支架上形成粉堆。通过控制托架的旋转，可以获得不同方向上对应的粉堆投影。全自动图像识别算法确定粉体/空气界面的位置。休止角便是指与粉体堆投影图像表面积相同的等腰三角形的角度。这个等腰三角形得形状与粉堆内聚力相对应。在旋转托盘时，从不同角度来计算每个图像中粉堆的休止角，然后计算平均值。对于非粘性粉体，该静态粘聚指数接近于零，当分体内部粘聚力增强时，该静态粘聚指数增大。下表显示了用GranuHeap得到的结果与粉体流动性之间的经验关系。

二、实验方案

1、材料

本应用中选择三种不同的粉体：FlowLac100、GranuLac70和InhaLac400。上述三种粉体均由Meggle Pharma提供。

GranuLac是粒度小并且边缘锐利的乳糖颗粒，具有粘性粉体的性质，在造粒过程中十分有优势。

InhaLac是一种高质量的结晶乳糖粉，专为干粉吸入制剂设计。

FlowLac是将经过精磨的单晶乳糖混悬液进行喷雾干燥生产出粉体。当溶液中的乳糖被喷雾干燥时，水分被快速去除，因此除结晶乳糖外，同时也产生了无定形物和非晶状的乳糖。

图1 乳糖特性

2、方法

在每个实验中，我们选择了直径为40/30/20和10mm的托架。为提高测量精度，将粉堆旋转过程中拍摄16张照片（每张照片都在托盘旋转11.25度后拍摄）。在分析结束时，最后拍摄一张照片，在测量时检查粉堆的完整性。

所有实验均在相同的湿度/温度值（30% RH和21℃）下进行。所有的实验都重复了5次。

辅料在实验室人为存放了几个月。因此，样品会产生复杂的变化过程，其性能是否与生产商所描述新鲜粉体的规格一致就很难知晓。

3、实验结果

下图表示每种粉体和托盘直径的休止角对应关系。直线并不对应于模型，他们只是用来方便观察。误差棒显示（对应5次重复性试验获得的休止角的标准差）。

图2 三种乳糖粉体的休止角与托盘直径的关系-直线仅是方便观察

图1可以总结出托盘对休止角结果的影响。事实上，我们可以看到，对于流动性较差的粉体（静止角度小于55度），托盘直径越小，休止角越小。然而，对于流动性“非常非常差”的粉体（休止角大于66度），托盘直径与测量结果没有太大关联（如果考虑误差棒）。

然而，对于同一直径的托盘，粉体流动性分类的趋势是相同的。因此，可以很容易地实现分析分类，并且具有很高的精度（平均误差接近3.5%）。最后，由于粉堆形状分析是相对测量，因此可以得出这样的结论：更改托盘直径不会直接影响分析结果。

三、结论

✔ GranuHeap可以在多个尺寸规格的托盘条件下测量粉体的流动性，并具都有很高的精确度（乳糖粉的平均误差3.5%）

✔ 托盘尺寸对测量结果有轻微的影响，然而，就流动性变化趋势而言是相同的，因此粉体的分类是不随所使用的托盘尺寸不同而产生不同的结果。

Grannutools 产品介绍

01 粉体流动性分析仪Granuflow

利用平衡测量所得的质量与时间斜率，自动计算出质量流量。在原有旋转系统的基础上，可以快速、简便地调整孔径大小。软件辅助测量和结果分析。测量一组孔径尺寸下的流量，得到流量曲线。最后，用著名的贝弗里洛理论模型拟合整个流动曲线，得到了与粉体流动性相关的流动指数Cb和最小孔径尺寸，从而计算得出flow (Dmin)。整个测量过程简单、快速、准确。

02 粉体剪切性能分析仪Granudrum

流动角度受一系列参数的影响:颗粒间的摩擦、颗粒的形状、颗粒间的内聚力(范德瓦尔斯力、静电力和毛细管力)。动态粘聚指数只与颗粒间的粘聚力有关。粘性粉体趋向于间歇流动，而非粘性粉体则为规则流动。因此，接近于零的动态粘性指数对应于非粘性粉体。当粉体的粘结性增大时，粘结指数也随之增大。因此，粘结指数也可以量化粉体的展布性。

03 粉体振实密度分析仪Granupack

GranuPack是基于近年来的基础研究成果而发展起来的一种自动化、经过改进的振实密度测量方法。用自动化装置分析了连续震动过程中粉体的行为。通过从压实曲线精确测量了豪斯纳比Hr、初始密度和振实密度(精度0.4%)。此外,通过振实曲线精确获得动力参数n1/2和最大密度ρ(∞)。

04 粉体静电吸附性能分析仪Granucharge

GranuCharge自动精确地测量粉体在与选定材料接触过程中产生的静电荷量。粉体样品在振动的V型管中流动，落在与静电计相连的法拉第杯中。静电计测量粉体在V形管内流动时所获得的电荷。为了获得可重复的结果，采用旋转或振动装置有规律地给V形管进料。

05 粉体休止角分析仪GranuHeap

GranuHeap是-种基于图像处理和分析的自动休止角测量方法。手动将粉体装入圆柱形简仓后，该简仓以恒定速度上升。由此，粉末从简仓中流出，并在圆柱形托 盘.上形成堆积。托盘旋转便可获得不同旋转角度时样品休止角图像。定制的图像识 别算法确定粉末/空气界面的位置。休止角是指等腰三角形与粉末堆投影图像具有相 同表面的角度。

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