DE10125277A1 - Präparationsmethode für eine bildanalytische Charakterisierung von Feinstpartikeln - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von mindestens einem mindestens ein Feinstpartikel umfassenden System, derart, daß bei der Bestimmung der Größe und/oder Form des mindestens einen, von dem hergestellten System umfaßten Feinstpartikel eine mikroskopische Methode, insbesondere eine elektronenoptische und/oder lichtoptische Methode, nutzbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Feinstpartikel umfassenden Systemen, die es ermöglichen, die Feinstpartikel besonders aussagekräftig und zuverlässig zu charakterisieren, insbesondere deren Größe und/oder Form zu bestimmen, so daß die dadurch erzielbare Charakterisierung der Feinstpartikel gute Referenzwerte liefert und für kritische Beurteilungen eingesetzt werden kann.

Für die Charakterisierung, ebenso wie für viele Anwendungsbereiche von Feinstpartikeln, wie beispielsweise bei faserförmigen Stäuben, bei Pharmawirkstoffen, oder bei Pigmenten, ist es wichtig, genaue Aussagen über deren Größe und/oder Form machen zu können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter Feinstpartikel ein Partikel verstanden, dessen mittlerer Durchmesser nicht größer als 10 µm beträgt.

Im Allgemeinen ist die Auswertung von mikroskopisch aufgenommenen, insbesondere elektronenoptisch oder lichtoptisch aufgenommenen Bildern mittels bildanalytischer Software besonders aussagekräftig und zuverlässig. Diese Software erkennt nach verschiedenen, in der Literatur und in Handbüchern von Bildanalysesytemen beschriebenen Methoden einzelne Partikel vor dem Hintergrund und liefert die Konturen bzw. die Flächen der einzelnen Partikel. Aus diesen Flächenbildern lassen sich dann nach bekannten Verfahren verschiedene Größen- und Formparameter bestimmen.

Bisher war es allerdings nicht oder nur sehr schwer möglich, Systeme zu schaffen, in welchen die zu charakterisierenden Partikel, insbesondere Feinstpartikel, derart verteilt waren, daß bei Auswertung von Bildern, die mittels mikroskopischer, insbesondere mittels elektronenoptischer oder lichtoptischer Methoden von diesen Systemen aufgenommen wurden, die einzelnen Partikel als solche erkennbar waren, d. h. als Primärpartikel identifizierbar waren.

Partikel, insbesondere Feinstpartikel, können sich oft zufällig aneinanderlagern und durch von-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden, so daß sie von fest miteinander verbundenen Partikeln optisch nicht zu unterscheiden sind. Eine Trennung ist per Software zwar bekannt, aber nur möglich, wenn Form und Größe der zufällig entstehenden "Überlagerungsbilder" sicher von allen ursprünglichen Projektionsflächen zu unterscheiden ist. Ein Beispiel, wo dies möglich ist, sind eng fraktionierte Kugeln in einer Lage. Bei breiten Verteilungen und nichtkugelförmigen Partikeln kommt es allerdings zu Problemen. Hier müssen bei der Präparation die Partikel "vereinzelt" werden und so auf einem für die Messung erforderlichen Substrat, wie beispielsweise einer entsprechenden Platte, Folie oder Netz, aufgebracht werden. Stand der Technik ist hierbei das Aufstreuen, das Auftropfen oder das Auftupfen von Suspensionen der zu untersuchenden Partikel, das Eintauchen in entsprechende Suspensionen, das Aufrakeln oder das Aufreiben bzw. Verreiben der zu untersuchenden Partikel. Bereits für Partikel, deren mittlerer Durchmesser in einem Bereich unter 10 µm, insbesondere unter 1 µm liegt, war es bislang nicht oder nur schwer möglich, Systeme zu erzeugen, die für eine automatische, quantitative Bildanalyse geeignet waren. Ein Hauptproblem beim Arbeiten mit einer Suspension der zu untersuchenden Partikel liegt bei den Kapillarkräften, die beim Abtrocknen einer auf das Substrat aufgebrachten, zu untersuchende Partikel aufweisenden Schicht die Partikel zu Schlieren und Klumpen zusammenziehen, so daß die Partikel nicht mehr individuell identifizierbar sind. Verwendet man keine Suspension, so ergibt sich bei Partikeln mit einem Durchmesser unter 10 µm das Problem, daß diese Partikel nur schwer handhabbar sind, da die Anziehungs- und Haftkräfte sofort Agglomerate bilden. Es ist zwar möglich, Feinstpartikel trocken in Gase oder in Vakuum zu überführen, aber der Aufwand, sie zu dispergieren, ist sehr groß. Diese Methode hat zudem den Nachteil, daß durch auftretende, elektrostatische Effekte an der Oberfläche die Partikelverteilung gestört wird. Es kann hierbei zur Ausbildung von Dendriten kommen.

Stand der Technik ist die Überführung von Feinstpartikeln in Gase durch Zerstäubung von stark verdünnten Suspensionen, um diese als Aerosol mit Hilfe von Partikelzählern messen zu können.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zu untersuchende Feinstpartikel enthaltendes System bereitzustellen, mit dessen Hilfe es möglich ist, schnell, zuverlässig und reproduzierbar die Charakterisierung der Feinstpartikeln, insbesondere die Bestimmung der Größe und/oder der Form der Feinstpartikeln mittels einer bildanalytischen Auswertung durchzuführen und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Systems.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein System gemäß Anspruch 7 und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Systems gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.

Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung von mindestens einem mindestens ein Feinstpartikel umfassenden System bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß bei der Bestimmung der Größe und/oder Form des mindestens einen, von dem hergestellten System umfaßten Feinstpartikel eine mikroskopische Methode, insbesondere eine elektronenoptische und/oder lichtoptische Methode nutzbar ist.

Vorzugsweise weist dabei das erfindungsgemäße Verfahren mindestens die folgenden Schritte auf:

• a) Dispergieren von Feinstpartikeln in einem Dispersionsmittel,
• b) Verdünnen der in Schritt a) erhaltenen Dispersion,
• c) Zerstäuben der verdünnten Dispersion aus Schritt b) mit einem Zerstäubungsmittel derart, daß die Feinstpartikeln auf ein mikroskopisch, insbesondere elektronenoptisch und/oder lichtoptisch untersuchbares Substrat als voneinander unterscheidbare Einheiten abgeschieden werden.

Vorzugsweise werden als Dispersionsmittel hochreine Lösungsmittel eingesetzt. Das Lösungsmittel wird in Abhängigkeit von der Art der zu untersuchenden Feinstpartikeln und der Art des Substrats, auf welchem die Feinstpartikeln abgeschieden werden, ausgewählt. Dabei ist es wichtig, daß die Feinstpartikeln möglichst gleichmäßig in dem Lösungsmittel dispergiert werden und zum zweiten, daß die auf dem Substrat auftreffenden Lösungsmitteltropfen möglichst gut auf dem Substrat auseinanderspreiten, so daß die Feinstpartikeln vorzugsweise isoliert voneinander auf dem Substrat abgeschieden werden. Als Lösungsmittel werden dabei vorzugsweise Alkohole, leicht flüchtige, organische Lösungsmittel und/oder Wasser eingesetzt, wobei die Lösungsmittel nur rückstandsfrei verdunstende Komponenten aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein Lösungsmitteltropfen beim Zerstäuben im Durchschnitt höchstens 0,3 Feinstpartikeln auf, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,3 Feinstpartikeln.

Je nach vorab bestimmbarer ungefähr zu erwartender Größenverteilung der zu untersuchenden Feinstpartikeln wird das Mikroskop ausgewählt, mit welchem die genaue Größe der Feinstpartikeln bestimmt wird. Während man sowohl bei einem Lichtmikroskop wie auch bei einem Rasterelektronenmikroskop relativ frei in der Wahl der Unterlage, d. h. des Substrates ist, auf welchem die zu untersuchenden Feinstpartikel abgeschieden werden, ist bei dem Transmissionsmikroskop darauf zu achten, daß das Substrat für Elektronen durchlässig ist. Vorzugsweise werden hier C-Netze verwendet. Bei Einsatz eines Lichtmikroskops verwendet man vorzugsweise Glas und/oder Kunststoff als Unterlage. Bei Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops wird insbesondere Glas und/oder eine metallische Unterlage eingesetzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Feinstpartikeln zunächst in einem tensidhaltigen Lösungsmittel dispergiert; Tropfen dieser Dispersion werden dann mittels Zerstäubung der Dispersion auf der Substratoberfläche abgeschieden, und erst auf der Substratoberfläche werden die abgeschiedenen Tropfen der Dispersion sodann mit einem geeigneten tensidfreien Lösungsmittel weiter verdünnt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch anwendbar für flüssige und pastöse Produkte. Diese werden dabei mit entsprechend kompatiblen Lösungsmitteln verdünnt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erscheint auf dem mikroskopisch untersuchbaren Substrat kein Agglomerat der zu untersuchenden Feinstpartikel, d. h. die Feinstpartikel erscheinen alle vereinzelt und isoliert voneinander. Es werden dabei die Sprühparameter, die Grenzflächeneigenschaften und die Vordispergierung so gewählt, daß keine Agglomerate in die Lösungsmitteltropfen gelangen oder dort entstehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geht man so vor, daß die zerstäubten Lösungsmitteltropfen bereits auf dem Weg zum Substrat abtrocknen und nur die trockenen Feinstpartikel auf dem Substrat abgeschieden werden, wo sie dann durch von-der-Waals-Kräfte an der Substratoberfläche festgehalten werden. Hierzu werden vorzugsweise die Konzentration bzw. der Verdünnungsgrad der Dispersion und/oder der Abstand der einzelnen Tropfen untereinander anhand der Sprühfrequenz und/oder die Tropfengröße und/oder die Sprühmenge und/oder der Umgebungsdruck und/oder der Dampfdruck und/oder die Temperatur entsprechend eingestellt. Das Substrat, auf welchem die Feinstpartikel abgeschieden werden, wird dabei vorzugsweise so gewählt, daß die Feinstpartikel gut an dem Substrat haften.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Lösungsmitteltropfen selbst auf der Substratoberfläche abgeschieden, wo sie je nach Benetzungsverhalten mehr oder weniger auseinanderspreiten. Ebenso wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel wird diese Vorgehensweise realisiert durch entsprechende Einstellung der Konzentration bzw. des Verdünnungsgrades der Dispersion und/oder des Abstandes der einzelnen Tropfen untereinander anhand der Sprühfrequenz und/oder der Tropfengröße und/oder der Sprühmenge und/oder des Umgebungsdruckes und/oder des Dampfdruckes und/oder der Temperatur. Unter günstigen Umständen kann ein einziger Tropfen mehrere Partikel enthalten, nämlich dann, wenn diese sofort an der Substratoberfläche haften und beim Trocknen des Tropfens durch Kapillarkräfte nicht mehr zusammengezogen werden, d. h. die Affinität der Feinstpartikel zur Substratoberfläche muß unter den gegebenen bzw. entsprechend einstellbaren Bedingungen größer oder mindestens genauso groß sein wie die Anziehungskraft der Feinstpartikel untereinander. Auch hier stellt man die verschiedenen Parameter, wie die Konzentration bzw. der Verdünnungsgrad der Dispersion und/oder der Abstand der einzelnen Tropfen untereinander anhand der Sprühfrequenz und/oder die Tropfengröße und/oder die Sprühmenge und/oder der Umgebungsdruck und/oder der Dampfdruck und/oder die Temperatur und/oder das Benetzungsverhalten bzw. die Wahl des Lösungsmittels, so ein, daß mehrere Feinstpartikeln aus einem Tropfen sich auf der von dem Tropfen benetzten Oberfläche des Substrats vereinzelt verteilen.

Bei Feinstpartikeln, die untereinander eine große Anziehungskraft besitzen, wird die Konzentration der Feinstpartikeln in der Dispersion so reduziert, daß in den Tropfen vorzugsweise nur ein einzelner Feinstpartikel auftritt. Vorzugsweise wird dann in mehreren aufeinanderfolgenden Durchgängen, vorzugsweise in 50 bis 2000 Durchgängen, mehr Flüssigkeit, d. h. mehrere Tropfen versprüht. Man erreicht so, daß die vorangegangene Schicht bereits abgetrocknet ist und die Feinstpartikel aus dieser Schicht bereits fest an der Substratoberfläche haften. Man wählt dabei die Belegungsdichte der Substratoberfläche mit Tropfen bzw. Feinstpartikel so, daß zufällige Überlappungen auf der Substratoberfläche noch selten sind, andererseits aber genügend Feinstpartikel auf dem Bild, vorzugsweise auf dem Mikroskopbild erkennbar werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Zerstäubungsschritt (siehe Schritt c) von Anspruch 2) Methoden der Lackiertechnik angewandt. Die Zerstäubung findet dabei in einer Air-Brush-Anlage statt. Vorzugsweise verwendet man hier Air-Brush-Pistolen, d. h. Zweistoffdüsen, die für sehr kleine Mengen an zu zerstäubenden Stoffen geeignet sind. Vorzugsweise verwendet man hier Air-Brush-Pistolen mit sehr feinen Düsen, d. h. mit Düsendurchmessern im Größenbereich von etwa 150 µm bis etwa 300 µm, insbesondere von etwa 180 µm. Diese Air-Brush-Pistolen können im Allgemeinen mit hohem Druck, d. h. in einem Bereich von 0,5 bis 10 bar, insbesondere bei etwa 5 bar, arbeiten, wodurch sehr feine Tropfen mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 15 µm bis 20 µm gebildet werden können und damit eine gute Dispergierung im Zerstäubungsvorgang erzielt wird.

Vorzugsweise ist die Zerstäubungsflüssigkeit so rein, daß weder enthaltene Partikel noch auskristallisierende, gelöste Verunreinigungen die Wahrnehmung der zu untersuchenden Probe bzw. der Feinstpartikel stören. Vorzugsweise ist die zu untersuchende Probe in der Zerstäubungsflüssigkeit unlöslich. Vorzugsweise wird sie darüber hinaus so gewählt, daß eine Flockung in der Suspension vermieden wird und eine gute Benetzung des Substrats bzw. der Substratoberfläche erzielt wird.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Dispersion aus Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 2 mindestens einen weiteren Zusatzstoff auf. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Hilfsmittel, insbesondere um vollständig verdunstende Hilfsmittel, um dadurch die Stabilität der Dispersion zu verbessern. Vorzugsweise verwendet man hierbei Alkohole und/oder organische Lösemittel aus der Lackindustrie und/oder Ammoniak und/oder Essigsäure.

Ferner betrifft die Erfindung ein mindestens ein Feinstpartikel umfassendes System, das sich dadurch auszeichnet, daß zur Bestimmung der Größe und/oder der Form des mindestens einen Feinstpartikel elektronenoptische und/oder lichtoptische Methoden nutzbar sind und die entsprechende Verwendung des mindestens ein Feinstpartikel umfassenden Systems zur Bestimmung der Größe und/oder der Form des mindestens einen Feinstpartikels unter Verwendung mikroskopischer, insbesondere elektronenoptischer und/oder lichtoptischer Methoden.

Letztlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Bestimmung der Größe und/oder Form von Feinstpartikeln, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist:

• A) Herstellen eines mindestens ein Feinstpartikel umfassenden Systems gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
• B) Aufnehmen von mindestens einem Bild des Systems mittels mikroskopischer Methoden, insbesondere elektronenoptischer und/oder lichtoptischer Methoden,
• C) Auswerten des mindestens einen Bildes.

Vorzugsweise verwendet man als elektronenoptische Methode die Rasterelektronenmikroskopie (REM) oder die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM); aber auch alle anderen geeigneten mikroskopischen Methoden können hier verwendet werden.

Vorzugsweise wird zu Auswertung der erhaltenen Bilder eine geeignete bildanalytische Software verwendet.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von mindestens einem mindestens ein Feinstpartikel umfassenden System derart, daß bei der Bestimmung der Größe und/oder Form des mindestens einen, von dem hergestellten System umfaßten Feinstpartikel eine mikroskopische Methode, insbesondere eine elektronenoptische und/oder lichtoptische Methode nutzbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist:

• a) Dispergieren von Feinstpartikeln in einem Dispersionsmittel,
• b) Verdünnen der in Schritt a) erhaltenen Dispersionen,
• c) Zerstäuben der verdünnten Dispersion aus Schritt b) mit einem Zerstäubungsmittel derart, daß die Feinstpartikel auf ein mikroskopisch, insbesondere elektronenoptisch und/oder lichtoptisch untersuchbares Substrat als voneinander unterscheidbare Einheiten abgeschieden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat kein Agglomerat von Feinstpartikeln erscheint.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zerstäuben auf dem mikroskopisch, insbesondere elektronen­ optisch und/oder lichtoptisch untersuchbaren Substrat nur mindestens ein Feinstpartikel auf dem Substrat abgeschieden wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäuben mittels einer Air-Brush-Anlage erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mindestens den folgenden weiteren Schritt aufweist:

• 1. Zugeben von mindestens einem Zusatzstoff.

7. Mindestens ein Feinstpartikel umfassendes System, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Größe und/oder der Form des mindestens einen Feinstpartikel elektronenoptische und/oder lichtoptische Methoden nutzbar sind.

8. Verwendung des mindestens ein Feinstpartikel umfassenden Systems zur Bestimmung der Größe und/oder der Form des mindestens einen Feinstpartikels unter Verwendung mikroskopischer, insbesondere elektronenoptischer und/oder lichtoptischer Methoden.

9. Verfahren zur Bestimmung der Größe und/oder Form von Feinstpartikeln, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist:

• A) Herstellen eines mindestens ein Feinstpartikel umfassenden Systems gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
• B) Aufnehmen von mindestens einem Bild des Systems mittels mikroskopischer Methoden, insbesondere elektronenoptischer und/oder lichtoptischer Methoden,
• C) Auswerten des mindestens einen Bildes.