Análisis de tamaño de partícula, medición del tamaño de partícula o simplemente tamaño de partícula es el nombre colectivo de los procedimientos técnicos o técnicas de laboratorio que determina el rango de tamaño y / o el tamaño medio o medio de las partículas en una muestra de polvo o líquido .
El análisis del tamaño de partículas forma parte de la ciencia de las partículas y su determinación se lleva a cabo generalmente en laboratorios de tecnología de partículas .
La medición del tamaño de partícula se logra típicamente por medio de dispositivos llamados de tamaño de partículas Analizadores (PSA) que se basan en diferentes tecnologías, tales como el procesamiento de alta definición de imagen , análisis de movimiento browniano , sedimentación gravitacional de la dispersión de las partículas y la luz ( Rayleigh y Mie dispersión ) de las partículas.
El tamaño de las partículas puede tener una importancia considerable en una serie de industrias, incluidas las industrias química, alimentaria, minera, forestal, agrícola, nutricional, farmacéutica, energética y de agregados.
Análisis del tamaño de las partículas basado en la dispersión de la luz [1]
El análisis del tamaño de partículas basado en la dispersión de la luz tiene una aplicación generalizada en muchos campos, ya que permite una caracterización óptica relativamente fácil de las muestras, lo que permite un mejor control de calidad de los productos en muchas industrias, incluida la farmacéutica, alimentaria, cosmética y la producción de polímeros. [2] En los últimos años se han producido muchos avances en las tecnologías de dispersión de luz para la caracterización de partículas. Para la medición de partículas submicrónicas, la dispersión dinámica de luz (DLS) [3] se ha convertido ahora en una técnica estándar de la industria. Este método analiza las fluctuaciones de la luz dispersa por partículas en suspensión cuando se iluminan con un láser para determinar la velocidad del movimiento browniano, que luego se puede utilizar para obtener el tamaño hidrodinámico de las partículas utilizando la relación de Stokes-Einstein. Aunque DLS es un enfoque útil para determinar la distribución de tamaño de muchos sistemas de nano y biomateriales, adolece de varias desventajas. Por ejemplo, DLS es un método de baja resolución que no es adecuado para medir muestras polidispersas, mientras que la presencia de partículas grandes puede afectar la precisión del tamaño. Han surgido otras técnicas de dispersión, como el análisis de seguimiento de nanopartículas (NTA), [4] que rastrea el movimiento de partículas individuales a través de la dispersión mediante la grabación de imágenes. NTA también mide el tamaño hidrodinámico de las partículas a partir del coeficiente de difusión, pero es capaz de superar algunas de las limitaciones planteadas por DLS. [5]
Si bien las técnicas mencionadas anteriormente son las más adecuadas para medir partículas típicamente en la región submicrónica, los analizadores de tamaño de partículas (PSA) basados en dispersión de luz estática o difracción láser (LD) [6] se han convertido en los instrumentos más populares y ampliamente utilizados para medir partículas. desde cientos de nanómetros hasta varios milímetros. También se utiliza una teoría de dispersión similar en sistemas basados en la propagación de ondas no electromagnéticas, como los analizadores ultrasónicos. En LD PSA, se utiliza un rayo láser para irradiar una suspensión diluida de partículas. La luz dispersada por las partículas en la dirección de avance es enfocada por una lente sobre una gran variedad de anillos fotodetectores concéntricos. Cuanto más pequeña es la partícula, mayor es el ángulo de dispersión del rayo láser. Por lo tanto, midiendo la intensidad de dispersión dependiente del ángulo, se puede inferir la distribución del tamaño de partícula utilizando modelos de dispersión de Fraunhofer o Mie. [7] [8] En este último caso, se requiere un conocimiento previo del índice de refracción de la partícula que se mide, así como del dispersante.
Los anuncios de servicio público LD comerciales han ganado popularidad debido a su amplio rango dinámico, medición rápida, alta reproducibilidad y capacidad para realizar mediciones en línea. Sin embargo, estos dispositivos son generalmente de gran tamaño (~ 700 × 300 × 450 mm), pesados (~ 30 kg) y costosos (en el rango de 50-200 K €). Por un lado, el gran tamaño de los dispositivos comunes se debe a la gran distancia necesaria entre la muestra y los detectores para proporcionar la resolución angular deseada. Además, su elevado precio se debe principalmente al uso de fuentes láser caras y a un gran número de detectores, es decir, un sensor por cada ángulo de dispersión a controlar. Algunos dispositivos comerciales contienen hasta veinte sensores. Esta complejidad de los anuncios de servicio público LD comerciales, junto con el hecho de que a menudo requieren mantenimiento y personal altamente capacitado, los hace poco prácticos en la mayoría de las aplicaciones industriales en línea, que requieren la instalación de sondas en entornos de procesamiento, a menudo en múltiples ubicaciones.
La aplicación de LD PSA también está normalmente restringida a suspensiones diluidas. Esto se debe a que los modelos ópticos utilizados para estimar la distribución del tamaño de partículas (PSD) se basan en una única aproximación de dispersión. En la práctica, la mayoría de los procesos industriales requieren medir suspensiones concentradas, donde la dispersión múltiple se convierte en un efecto prominente. La dispersión múltiple en medios densos conduce a una subestimación del tamaño de partícula, ya que la luz dispersada por las partículas encuentra puntos de difracción varias veces antes de llegar al detector, lo que a su vez aumenta el ángulo de dispersión aparente. Para superar este problema, los anuncios de servicio público de LD requieren sistemas de muestreo y dilución adecuados, que aumentan las inversiones de capital y los costos operativos. Otro enfoque consiste en aplicar varios modelos de corrección de la dispersión junto con los modelos ópticos para calcular la PSD. En la bibliografía se puede encontrar una gran cantidad de algoritmos para la corrección de la dispersión múltiple. [9] [10] [11] Sin embargo, estos algoritmos normalmente requieren la implementación de una corrección compleja, que aumenta el tiempo de cálculo y, a menudo, no es adecuado para mediciones en línea. [11]
Un enfoque alternativo para calcular la PSD sin el uso de modelos ópticos y factores de corrección complejos es aplicar técnicas de aprendizaje automático (ML). [1]
Industria química
Existe una gran cantidad de métodos para la determinación del tamaño de partícula, y es importante señalar desde el principio, que no se espera que estos diferentes métodos den resultados idénticos: el tamaño de una partícula depende del método utilizado para su medición, y es importante elegir el método para su determinación que sea relevante para su uso.
Minería
El tamaño de los materiales que se procesan en una operación es muy importante. El transporte de material de gran tamaño causará daños al equipo y ralentizará la producción. El análisis del tamaño de partículas también ayuda a la eficacia de los molinos SAG al triturar material.
Agricultura
La gradación de los suelos afecta la capacidad de retención y drenaje de agua y nutrientes. Para suelos arenosos, el tamaño de las partículas puede ser la característica dominante que afecta el rendimiento del suelo y, por lo tanto, el cultivo.
El análisis del tamaño de partículas en la industria agrícola es fundamental porque los materiales no deseados contaminarán los productos si no se detectan. Al tener un analizador de tamaño de partículas automatizado , las empresas pueden monitorear de cerca sus procesos.
Silvicultura
Las partículas de madera que se utilizan para fabricar varios tipos de productos se basan en el análisis del tamaño de las partículas para mantener altos estándares de calidad. Al hacerlo, las empresas reducen el desperdicio y se vuelven más productivas.
Agregar
Tener partículas de tamaño adecuado permite a las empresas de agregados crear carreteras y otros productos duraderos.
Biología
Los analizadores de tamaño de partículas también se utilizan en biología para medir la agregación de proteínas .
Seleccionar la técnica más adecuada para el análisis de tamaño
Existen numerosas técnicas disponibles para el análisis del tamaño de partículas, la sección "Consulte también" cubre muchas de ellas. En la mayoría de estas técnicas, el tamaño de partícula se infiere a partir de una medición de, por ejemplo: dispersión de luz; resistencia eléctrica; movimiento de las partículas, en lugar de una medición directa del diámetro de las partículas. Esto permite una medición rápida de la distribución del tamaño de partículas mediante un instrumento, pero requiere alguna forma de calibración o suposiciones con respecto a la naturaleza de las partículas. La mayoría de las veces, esto incluye la suposición de partículas esféricas. Por lo tanto, es habitual que las distribuciones de tamaño de partículas medidas sean diferentes cuando se comparan los resultados entre diferentes equipos. La distribución del tamaño de partícula depende del método utilizado para medirla. El método más apropiado para usar es normalmente aquel en el que el método está alineado con el uso final de los datos. Por ejemplo, si se diseña un recipiente de sedimentación, lo más relevante es una técnica de sedimentación para dimensionar. Sin embargo, este enfoque a menudo no es posible y se utiliza una técnica alternativa. Se ha desarrollado un sistema experto en línea para ayudar en la selección (y eliminación) de equipos de análisis de tamaño de partículas. [12]
Ver también
Referencias
- ^ a b Hussain, R., Noyan, MA, Woyessa, G. et al. Un analizador de tamaño de partículas ultracompacto que utiliza un sensor de imagen CMOS y aprendizaje automático. Aplicación Light Sci 9, 21 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0255-6
- ^ Valsangkar, AJ Principios, métodos y aplicaciones del análisis del tamaño de partículas. Lata. Geotech. J. 29, 1006 (1992).
- ^ Stetefeld, J., McKenna, SA & Patel, TR Dispersión dinámica de la luz: una guía práctica y aplicaciones en ciencias biomédicas. Rev. Biofísica 8, 409–427 (2016).
- ^ Kim, A. et al. Validación de la estimación del tamaño del análisis de seguimiento de nanopartículas en ensamblaje de macromoléculas polidispersas. Sci. Rep.9, 2639 (2019).
- ^ Kim, A., Bernt, W. & Cho, NJ Determinación de tamaño mejorada mediante análisis de seguimiento de nanopartículas: influencia del radio de reconocimiento. Anal. Chem. 91, 9508–9515 (2019).
- ^ Blott, SJ y col. Análisis de tamaño de partículas por difracción láser. Sociedad Geológica, Londres, Publicaciones especiales. 232, 63–73 (2004).
- ^ Vargas-Ubera, J., Aguilar, JF & Gale, DM Reconstrucción de distribuciones de tamaño de partículas a partir de patrones de dispersión de luz utilizando tres métodos de inversión. Apl. Optar. 46, 124-132 (2007).
- ^ Ye, Z. & Jiang, XP Wang, ZC Medidas de la distribución del tamaño de partícula basadas en la teoría de dispersión de Mie y el algoritmo de inversión de la cadena de Markov. J. Softw. 7, 2309–2316 (2012).
- ^ Gomi, H. Corrección de dispersión múltiple en la medición del tamaño de partícula y densidad numérica por el método de difracción. Apl. Optar. 25, 3552-3558 (1986).
- ^ Quirantes, A., Arroyo, F. & Quirantes-Ros, J. Dispersión de luz múltiple por sistemas de partículas esféricas y su dependencia de la concentración: un estudio de matriz T. J. Colloid Interface Sci. 240, 78–82 (2001).
- ^ a b Wei, YH, Shen, JQ & Yu, HT Cálculo numérico de dispersión múltiple con el modelo de capas. Particuology 7, 76–82 (2009).
- ^ Sistema experto para la selección de equipos