Partikül Boyutu Analiz Yöntemi Nasıl Seçilir?

Gerçek tozlar ve süspansiyonlar küre değildir; her yöntem düzensiz bir parçacığı, ölçtüğü fiziksel büyüklüğe göre bir "eşdeğer küre çapı" olarak ifade eder. Lazer kırınımı, aynı saçılma desenini veren kürenin çapını, mikroskopi izdüşüm alanına eşdeğer çapı, elek analizi ise parçacığın geçebildiği en küçük açıklığı raporlar. Aynı numune için bu değerlerin birbirinden farklı çıkması bir hata değil, yöntemin doğasıdır.

İkinci önemli nokta ağırlıklandırmadır. Lazer kırınımı hacim ağırlıklı bir dağılım üretir; birkaç büyük parçacık D50 değerini belirgin biçimde yukarı çeker. Mikroskopi ve dinamik ışık saçılımı ise sayı ya da yoğunluk ağırlıklı sonuçlar verir ve küçük parçacıkları daha görünür kılar. Bu nedenle bir teknik raporda yalnızca D50 değil, D10, D90, dağılım genişliği (span) ve hangi ağırlıklandırmanın kullanıldığı mutlaka belirtilmelidir.

Yöntem seçiminden önce üç soruyu netleştirmenizi öneririz: Beklenen boyut aralığı nedir? Parçacık şekli ve aglomerasyon durumu sonucu etkiler mi? Sonuç bir spesifikasyonla karşılaştırılacak mı, yoksa partiler arası bir kıyaslama mı yapılacak? Bu yanıtlar çoğu durumda doğru tekniği kendiliğinden ortaya çıkarır.

Lazer kırınımı (ISO 13320) yaklaşık on nanometreden birkaç milimetreye uzanan geniş bir aralığı tek ölçümde kapsar ve dakikalar içinde istatistiksel olarak güçlü, hacim ağırlıklı bir dağılım üretir. Islak dispersiyon modunda süspansiyonlar, emülsiyonlar ve suda ya da organik çözücüde dağıtılabilen tozlar; kuru modda ise serbest akışlı tozlar ölçülebilir. Yüksek tekrarlanabilirlik, yöntemi kalite kontrol ve spesifikasyon uyumu için ideal kılar.

Yöntemin kritik girdisi optik modeldir. Mie teorisi, parçacığın ve ortamın kırılma indisini ve parçacığın soğurma katsayısını gerektirir; özellikle bir mikrometrenin altındaki parçacıklarda yanlış bir indis seçimi dağılımın ince ucunu ciddi biçimde kaydırabilir. Fraunhofer yaklaşımı yalnızca büyük ve opak parçacıklar için uygundur. Bu nedenle teknik raporda kullanılan optik model ve dispersiyon koşulları (çözücü, ultrasonik süre, karıştırma hızı) açıkça yazılmalıdır.

Lazer kırınımı parçacık şekli hakkında bilgi vermez ve sıkı aglomeratları tek bir büyük parçacık olarak görür. D90 değerinin beklenmedik biçimde yüksek çıkması çoğu zaman gerçek büyük parçacıklardan değil, yetersiz dispersiyondan kaynaklanır. Bu durumda SEM ile çapraz doğrulama yapılması en güvenilir yoldur.

Taramalı elektron mikroskobu (SEM) parçacıkları doğrudan görüntüler; boyutun yanı sıra şekil, yüzey dokusu, aglomerasyon durumu ve birincil parçacık ile ikincil kümelenme arasındaki fark tek bakışta anlaşılır. Plaka, iğne ya da lifli morfolojiye sahip malzemelerde, lazer kırınımının ürettiği eşdeğer çapın fiziksel anlamı zayıftır; bu tür numunelerde görüntü analizi tabanlı uzunluk ve en-boy oranı ölçümleri çok daha anlamlıdır.

SEM ile boyut dağılımı elde etmenin bedeli istatistiktir. ISO 9276 ilkelerine uygun bir sayı ağırlıklı dağılım için yüzlerce, geniş dağılımlarda binlerce parçacığın ölçülmesi gerekir ve numune hazırlama (dağıtma, kaplama) sonucu etkiler. Bu nedenle SEM genellikle tek başına bir rutin kalite kontrol yöntemi olarak değil, lazer kırınımı sonuçlarını doğrulayan ve yorumlayan bir referans yöntem olarak kullanılır.

Nanometre ölçeğindeki parçacıklarda SEM çoğu zaman tek erişilebilir doğrudan yöntemdir. Yüz nanometrenin altındaki birincil parçacık boyutu, ışık saçılımı yöntemlerinin hidrodinamik çapı ile karıştırılmamalıdır; iki değer arasındaki fark, yüzeydeki stabilizan tabakası ve aglomerasyon hakkında bilgi verir.

Dinamik ışık saçılımı (DLS, ISO 22412) seyreltik kolloidal süspansiyonlarda Brown hareketinden hidrodinamik çapı türetir ve birkaç nanometreden yaklaşık bir mikrometreye kadar olan aralıkta güçlüdür. Yoğunluk ağırlıklı olduğundan az sayıda büyük parçacık ya da toz kirliliği sonucu domine edebilir; polidispersite indeksi yüksek olan numunelerde tek bir ortalama değer yanıltıcıdır. DLS, lipozom, polimer nanopartikül ve protein çözeltileri için tipik tercihtir.

Elek analizi (ISO 3310 serisi elekler ile) ise aralığın kaba ucunda, yaklaşık 45 mikrometrenin üzerindeki serbest akışlı granül ve tozlar için ekonomik, kütle ağırlıklı ve kolay anlaşılır bir yöntemdir. Sonuç doğrudan ayırma işlemleriyle ilişkilidir; ancak nemli, elektrostatik ya da plaka şeklindeki malzemelerde elek tıkanması ve parçacık yönelimi ciddi hatalara yol açar.

Boyut aralığı 0,1–1000 mikrometre arasında, numune dağıtılabilir ve amaç spesifikasyon kontrolü ya da parti karşılaştırması ise lazer kırınımı ilk tercihtir. Parçacıklar belirgin biçimde küre dışı, aglomerasyon şüphesi varsa ya da birincil parçacık boyutu yüz nanometrenin altındaysa SEM ekleyin. Kolloidal, seyreltik ve bir mikrometrenin altındaki süspansiyonlarda DLS, 45 mikrometrenin üzerindeki granüllerde ise elek analizi en ekonomik yoldur. Çoğu geliştirme projesinde iki tamamlayıcı yöntemin birlikte kullanılması tek bir yöntemden çok daha fazla bilgi üretir.

Hangi yöntem seçilirse seçilsin, raporda numune alma ve bölme yöntemi, dispersiyon koşulları, optik model, ölçüm tekrar sayısı ve D10/D50/D90 değerlerinin ağırlıklandırma esası yer almalıdır. Bu bilgiler olmadan iki laboratuvarın sonucunu karşılaştırmak mümkün değildir. NAKTEM olarak yöntem seçimini numunenizle birlikte değerlendiriyor ve gerektiğinde lazer kırınımı ile SEM sonuçlarını aynı raporda bir arada sunuyoruz.