激光粒度儀在懸浮劑粒度測(cè)試中的應(yīng)用
前言
OMEC
農(nóng)藥懸浮劑是將不溶的農(nóng)藥固體有效成分加工成微細(xì)顆粒(一般平均粒徑＜5μm)，依靠加入表面活性劑（潤(rùn)濕劑和分散劑）及其他添加劑分散懸浮在介質(zhì)中，形成穩(wěn)定的懸浮液體的產(chǎn)品，常見的以其介質(zhì)不同分為油懸浮劑和水懸浮劑。該類產(chǎn)品無粉塵產(chǎn)生、懸浮率高、使用劑量小且安全、利于運(yùn)輸和貯藏等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外發(fā)展十分迅速，應(yīng)用十分普遍。
懸浮劑制劑質(zhì)量評(píng)價(jià)包括有效成分測(cè)定、懸浮率測(cè)定、傾倒特性測(cè)定、細(xì)度測(cè)定、黏度測(cè)定、分散性測(cè)定及冷貯穩(wěn)定性測(cè)定等。其中大量的指標(biāo)均與懸浮劑中顆粒物的粒徑分布有直接關(guān)聯(lián)，采用激光粒度儀便捷地測(cè)試懸浮劑中的顆粒粒徑分布，可以有效地指導(dǎo)制劑的開發(fā)、生產(chǎn)工藝控制和成品的質(zhì)量評(píng)價(jià)。
農(nóng)藥懸浮劑粒度測(cè)試原理
當(dāng)一束光線照射在顆粒上時(shí)，顆粒對(duì)光線會(huì)發(fā)生散射，散射光的偏轉(zhuǎn)角度大小與顆粒粒徑有關(guān)。顆粒粒徑越大，光線偏轉(zhuǎn)的角度越小；顆粒粒徑越小，光線偏轉(zhuǎn)角度越大。激光粒度儀就是利用這個(gè)原理來進(jìn)行介質(zhì)中大量顆粒粒徑分布的測(cè)試的。
▲ 顆粒對(duì)光的散射現(xiàn)象
測(cè)試結(jié)果通常以特征粒徑的方式表述，例如代表粒徑中值的D50，分布代表大小顆粒的D90、D10等。沒有經(jīng)過散射的光線也同時(shí)被儀器探測(cè)到，分析軟件計(jì)算得到被測(cè)試顆粒散射的光線強(qiáng)度占總光強(qiáng)的比值稱作遮光率，一般以百分比表示。
▲ 激光粒度儀粒度微分分布示意圖及特征粒徑D50，D90
農(nóng)藥懸浮劑的一般測(cè)試方法
激光粒度儀的測(cè)試通常需要顆粒在較低的濃度下進(jìn)行，對(duì)樣品的稀釋和分散有一定的要求，通常在最開始使用時(shí)需要進(jìn)行方法開發(fā)來確定。
一般情況下，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件和樣品特性選擇合適的測(cè)試介質(zhì)，根據(jù)顆粒在介質(zhì)中的分散特性選擇相應(yīng)的分散條件，測(cè)試方法開發(fā)的重點(diǎn)是讓顆粒在不被破壞的前提下處于相對(duì)穩(wěn)定的分散狀態(tài)下被檢測(cè)，此時(shí)測(cè)試結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，受環(huán)境條件的細(xì)微變化的影響最小。由于篇幅限制，方法開發(fā)的過程請(qǐng)參考文章《激光粒度儀在藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）中的應(yīng)用實(shí)踐之二：合規(guī)性的測(cè)試方法目標(biāo)設(shè)計(jì)、開發(fā)、驗(yàn)證、審核》相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容。
以典型的水懸浮劑測(cè)試為例，常規(guī)的方法如下：設(shè)定進(jìn)樣器轉(zhuǎn)速2500rpm左右, 背景測(cè)試時(shí)間5~10s, 樣品測(cè)試時(shí)間5~10s, 直接以滴管向樣品池中加樣至遮光率控制在7~12%范圍內(nèi)（取樣量約相當(dāng)于稀釋后原藥顆粒質(zhì)量濃度在10ppm量級(jí)），根據(jù)樣品特點(diǎn)選擇合適的折射率參數(shù)一般在1.4~1.8之間等。
歐美克LS-609智能化全自動(dòng)激光粒度儀還具有自動(dòng)調(diào)整遮光率功能，可加樣超過許可范圍后會(huì)自動(dòng)再稀釋至符合要求的遮光率進(jìn)行測(cè)試。
▲ 歐美克LS-609 激光粒度分析儀
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農(nóng)藥懸浮劑測(cè)試難點(diǎn)
在懸浮劑濕法粒度測(cè)試中，某些樣品中顆粒在測(cè)試介質(zhì)中的微溶或膨脹是一個(gè)常見現(xiàn)象。我們選取了25%嘧菌酯水懸浮劑進(jìn)行測(cè)試，在向介質(zhì)水中加樣后每12秒一次連續(xù)監(jiān)測(cè)其遮光率和特征粒徑D50的變化如下圖所示。
▲ 左：加樣后遮光率的變化，右：加樣后D50的變化
由上圖所示，加入嘧菌酯樣品至進(jìn)樣器中攪拌分散后，發(fā)現(xiàn)遮光率呈不斷下降趨勢(shì)，5分鐘時(shí)間內(nèi)從接近10%下降到5%左右，顯示了懸浮劑顆粒的量在水中不斷溶解減少。隨著水中嘧菌酯溶解度增大趨于飽和，溶解速率逐漸減慢。由于小顆粒比表面積更大，比大顆粒溶解速率更快，D50結(jié)果也呈現(xiàn)出先較快速增大后逐漸變得緩和的過程。
由于溶解飽和后的奧氏熟化（小顆粒溶解，大顆粒結(jié)晶長(zhǎng)大）現(xiàn)象，微溶顆粒分散體系并不會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)中顆粒溶解度飽和而穩(wěn)定，特征粒徑值常呈現(xiàn)一定的波動(dòng)。在本次加樣測(cè)試中D10、D50、D90測(cè)量最大值與最小值差異分別達(dá)到11.8%、10.9%、6.8%.
以上結(jié)果偏差僅僅是一次取樣中觀察到的，如果不嚴(yán)格控制測(cè)試條件進(jìn)行多次取樣、多臺(tái)儀器、多人操作所得的結(jié)果重現(xiàn)性偏差將會(huì)更大，勢(shì)必對(duì)該樣品的質(zhì)控將造成困擾。在多種微溶樣品的測(cè)量實(shí)踐中，由于顆粒分散和溶解同時(shí)發(fā)生，不同物料表現(xiàn)出的粒徑變化趨勢(shì)可能不同，更增加了測(cè)試的復(fù)雜性。本文中我們將探討如何優(yōu)化測(cè)試方法使這類樣品的測(cè)試結(jié)果更真實(shí)有效地用來指導(dǎo)研發(fā)和生產(chǎn)。
油懸浮劑A的測(cè)試案例
我們以某在葵花籽油介質(zhì)中微溶的除草劑為例，采用葵花籽油為介質(zhì)對(duì)該油懸浮劑A的粒度測(cè)試如下圖所示：
▲ 油懸浮劑A在葵花油介質(zhì)中加樣測(cè)試，遮光率隨時(shí)間的變化
▲ 油懸浮劑A在葵花油介質(zhì)中加樣，特征粒徑D50隨時(shí)間的變化
采用與懸浮劑型中介質(zhì)相同的葵花油約70~100mL作為測(cè)試分散介質(zhì)，將油懸浮劑A混勻后加樣在SCF-126B微量耐腐蝕循環(huán)進(jìn)樣器中，逐滴加入樣品至遮光率滿足要求后開始測(cè)試。
如圖所示，在每隔約5s一次的連續(xù)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，加樣至要求的遮光率范圍后，出現(xiàn)遮光率快速下降的過程，需要補(bǔ)充加樣。經(jīng)過再兩次加樣后，遮光率逐漸趨于穩(wěn)定。同時(shí)，在遮光率不穩(wěn)定時(shí)，樣品測(cè)試D50隨時(shí)間波動(dòng)很大，在遮光率穩(wěn)定后測(cè)試結(jié)果逐漸趨于相對(duì)較穩(wěn)定的狀態(tài)，而粒徑變化趨勢(shì)與加樣時(shí)間呈稍滯后的趨勢(shì)。
更換介質(zhì)改善油懸浮劑A的測(cè)試
▲ 油懸浮劑A在汽油介質(zhì)中加樣，特征粒徑隨時(shí)間的變化
▲ 油懸浮劑A在汽油介質(zhì)中加樣，特征粒徑測(cè)試結(jié)果及統(tǒng)計(jì)
采用汽油作為測(cè)試分散介質(zhì)，將油懸浮劑A與少量汽油混勻后加樣在油性介質(zhì)專用的SCF-126B進(jìn)樣器中，逐滴加入至遮光率滿足要求后開始測(cè)試。軟件實(shí)時(shí)觀察遮光率穩(wěn)定，間隔30s的測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)其特征粒徑D10、D50、D90隨時(shí)間保持穩(wěn)定，并未出現(xiàn)以葵花籽油作為介質(zhì)的遮光率下降和特征粒徑值波動(dòng)的情況。
有此可知，使用汽油作為介質(zhì)對(duì)于油懸浮劑A的測(cè)試更為可靠。懸浮劑A中原藥顆粒在汽油中幾乎不溶解，且分散穩(wěn)定，結(jié)果相對(duì)均方差值較小，是比較理想的測(cè)量結(jié)果。
采用飽和介質(zhì)加樣法改善懸浮劑B的測(cè)試
除加樣外的粒度測(cè)試操作均可自動(dòng)控制完成。進(jìn)樣池采用316L不銹鋼，配置高效率50W底部超聲及速度可達(dá)4000轉(zhuǎn)/分鐘的精密攪拌裝置，均無級(jí)連續(xù)可調(diào)。
▲ 油懸浮劑B在不同介質(zhì)中加樣，特征粒徑隨時(shí)間的變化
分別采用與懸浮劑型中相同的葵花油和汽油作為測(cè)試分散介質(zhì)，將油懸浮劑B加樣在油性介質(zhì)專用的SCF-126B進(jìn)樣器中，逐滴加入樣品至遮光率滿足要求后，軟件實(shí)時(shí)觀察遮光率下降較平緩，并開始測(cè)試。
如圖所示，在每隔約30s一次的連續(xù)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，加樣至要求的遮光率范圍后，以葵花籽油、汽油做介質(zhì)，樣品都呈現(xiàn)出緩慢溶解的情況。葵花籽油介質(zhì)的測(cè)試中，溶解階段約2分鐘左右的D50的波動(dòng)為15.5%（最大值為4.090μm, 最小值為3.500μm），飽和階段中的D50最大波動(dòng)為1.0%（最大值為3.500μm, 最小值為3.466μm）。而在汽油介質(zhì)中，D50在相應(yīng)2個(gè)階段的波動(dòng)分別為15.3%和2.5%. 葵花籽油粒徑波動(dòng)變化幅度較汽油小。
從以上結(jié)果可以看到，當(dāng)原藥在介質(zhì)中微溶的時(shí)候，粒徑測(cè)試結(jié)果波動(dòng)較大，如果采用空白介質(zhì)，細(xì)微的時(shí)間差別，結(jié)果差異可能達(dá)10%以上。而在飽和溶液介質(zhì)中的測(cè)試，特征粒徑值相對(duì)穩(wěn)定得多。
在不具有不溶介質(zhì)測(cè)試的條件下，可以選擇接近飽和溶液做介質(zhì)，在盡可能一致的條件下進(jìn)行粒度測(cè)試，這種方法在水懸浮劑測(cè)試?yán)щy時(shí)也很常用。循環(huán)分散性能優(yōu)良的SCF-126B進(jìn)樣器能更好地保障樣品快速分散且不破壞顆粒結(jié)構(gòu)，提高測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性。
SOP測(cè)試提高疑難樣品測(cè)試結(jié)果的重現(xiàn)性
對(duì)于上述在分散濃度低的條件下不穩(wěn)定的懸浮劑樣品，還可以嘗試使用SOP（標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試流程）的方法，在盡可能一致的分散條件下進(jìn)行粒度測(cè)試，通常也能得到較好重現(xiàn)性且能反應(yīng)批次間質(zhì)量變化的粒徑分布數(shù)據(jù)。
還是以上面的嘧菌酯樣品在水中分散測(cè)試為例，選取了3臺(tái)珠海歐美克儀器有限公司的智能全自動(dòng)激光粒度儀LS-609，通過設(shè)定相同的SOP標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試流程，并設(shè)定許可加樣遮光比范圍5~12%，3臺(tái)儀器各對(duì)25%嘧菌酯水懸浮劑取樣20次進(jìn)行粒徑測(cè)試，測(cè)試結(jié)果匯總?cè)缦聢D。
3臺(tái)LS-609激光粒度儀各對(duì)應(yīng)的20條測(cè)試記錄的D50結(jié)果分別以紅綠藍(lán)色曲線顯示，所有結(jié)果均在1.76μm附近小幅波動(dòng)，3臺(tái)儀器測(cè)試結(jié)果D50相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差皆小于1%，顯示了該樣品在SOP測(cè)試的方式下，測(cè)試結(jié)果具有良好的重現(xiàn)性，可以用于質(zhì)量評(píng)價(jià)。
進(jìn)樣器殘留水或油對(duì)懸浮劑測(cè)試結(jié)果的影響
▲ 油懸浮劑B在水介質(zhì)中加樣，特征粒徑隨時(shí)間的變化
我們將上面的油懸浮劑B加樣在另一臺(tái)水性介質(zhì)專用的SCF-126C進(jìn)樣器中，采用水作為測(cè)試分散介質(zhì)，逐滴加入樣品至遮光率滿足要求后開始測(cè)試。實(shí)際上，將懸浮劑加入到水中即發(fā)生較明顯的乳化，此時(shí)測(cè)試所得并非原藥在懸浮劑中的粒徑，而是乳化粒徑，從具體測(cè)試結(jié)果也可以看出其粒徑快速變化，且顯著偏離懸浮劑顆粒的真實(shí)尺寸。因此用水來做該油懸浮劑的測(cè)試是不合適的，它可能更適用于需要評(píng)估懸浮劑在水中乳化效果的場(chǎng)合。
由于水與油懸浮劑的乳化作用比較明顯，因此在用測(cè)試中，以水為介質(zhì)和油為介質(zhì)的進(jìn)樣器和測(cè)試窗口最好能分開專用，以避免之前測(cè)試殘存的少量水或油對(duì)新測(cè)試結(jié)果的較大影響。
參考文獻(xiàn)：
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2. 激光粒度儀在藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）中的應(yīng)用實(shí)踐系列文章，歐美克儀器公眾號(hào)
3. 農(nóng)藥劑型開發(fā)生產(chǎn)中穩(wěn)健的激光粒度儀顆粒粒徑評(píng)價(jià)，《世界農(nóng)藥》2020,（7）
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