快速可靠的沉淀研究方法-多重光散射仪

许多工业产品在使用过程中，都会出现沉降不稳定现象现象，对最终使用性能产生影响。配方开发者需要限制颗粒沉降过程，提高产品货架期。同样，产品也应该具有良好的再分散性，从而保证样品在使用前的均匀性。借助于Turbiscan技术，我们可以充分地研究沉降机理，量化、比较沉降速度，以快速评估货架期。

沉淀的定义

沉淀是由于固体颗粒和连续相之间存在密度差，固体颗粒随着时间沉降在容器底部的现象，主要出现在悬浮液中。

沉降速度可以利用Stokes定律来量化：

𝑣 : 颗粒沉降速度

𝑔 : 重力加速度

d: 颗粒直径 (球形)

η: 液体的动力学粘度

∆𝜌𝑝: 颗粒和连续相之间的密度差

分析斯托克斯沉降方程，为限制沉降提供了一些思路: 增加连续相粘度，减小密度差或通过减小平均粒径。

沉淀的传统测试方法

目视观察仍然是沉降试验和稳定性分析中最常用的方法。该方法很简单，但可能很耗时，因为变化必须对肉眼可见。此外，沉降动力学的评价也不精确。为了克服沉降问题，科学家需要早期识别和量化，以应用策略，并及时评价稳定剂的效果。

Turbiscan仪器原理

基于静态多光散射(SMLS)的Turbiscan技术的工作原理是利用近红外光源照射样品，然后获取样品从底部到顶部整个高度的背散射(BS)和透射(T)信号。

信号强度与粒子的浓度(φ)和大小(𝒅)有关，连续相折射率(𝒏𝒇)和分散相折射率(𝒏𝒑)为固定参数。BS和T的测量可以采用扫描方式进行，以提供稳定性和粒径测量。

仪器能监测物理不稳定性(絮凝、聚并、上浮、沉淀、相分离等等)，不需要任何稀释，并符合ISO TR13097标准。

Turbiscan测量沉降

Turbiscan图谱记录了样品不稳定现象对应的光强变化清空。横坐标为样品高度，图形的左侧代表样品的底部，右侧代表顶部。右侧时间刻度对应于每一次扫描的时间推移，次扫描为蓝色，最后一次扫描为红色。记录的背向散射信号设置为“参比模式”-∆BS。以次扫描为参照，从样品初始状态开始跟踪沉积变化。

上图是用Turbiscan对样品进行了14小时分析的一个例子。该图显示了样品不稳定现象的3个关键区域：

- 在样品的底部-图的左侧(1)，背向散射信号随着时间的增加而增加，这意味着该区域出现了越来越多的散射体。颗粒沉淀并改变悬浮液的局部浓度，沉积物随着时间的推移而形成。

- 在样本的顶部图的右侧(3)，背向散射信号随着时间的增加而减小，说明顶部的散射体逐渐减少，浓度降低。随着时间的推移，顶部会形成一个澄清层。

- 在中心区域(2)，测试期间Backscattering信号保持在同一水平，说明失稳现象纯粹是迁移现象，在此情况下没有颗粒尺寸变化。即使在高浓度样品中发生粒子迁移，Turbiscan也可以在最初的几个小时内就可以清楚地识别出来，而肉眼可能需要几天或几周才能看到其变化。

更深入的理解沉淀现象

随着沉淀过程的推移，澄清和沉淀的界限逐渐移动，强度也逐渐变化：

所有这些参数都可以用来了解沉积过程。

- 沉淀到底有多明显？

以A, B, C三个样本的沉积过程为例，底部沉淀区域的背散射信号-∆BS随时间变化曲线和沉淀厚度随时间变化曲线如下图所示：

从∆BS随时间变化曲线可以得出A样品的沉淀浓度增加的更快，而C样品浓度增加的更慢。

从底部的沉淀度随时间变化曲线可以知道A样品的沉淀厚度最高，而B、C样品的沉淀厚度接近。

- 如何获得迁移速率和流体力学直径？

通过计算顶部澄清区域的分层厚度可以得到粒子迁移速率，迁移速率就是分层厚度-时间曲线的斜率。

样品A的颗粒沉降速度比样品B和C快。

通过Stokes定律可以计算沉降颗粒的直径，即所谓的流体力学直径。

结论

Turbiscan®不仅可以检测沉降，还可以通过Turbiscan稳定性指数(TSI)或绘制详细动力学图来量化沉降。Turbiscan®技术是配方表征最完整的解决方案:从分散性、平均粒径、稳定性定量和监测，到再分散研究。