什麼是粒徑分佈？
粒徑分佈 （PSD） 是粒子系統的統計表示，提供一系列尺寸內顆粒計數或比例的細分。PSD可以表示為一系列離散值、用於視覺分析的直方圖或數學函數。 粒徑分佈信息對於各種過程 的分析、控制和優化至關重要，例如結晶 （和 再結晶）、 片劑溶解和崩解、 乳化、 研磨、 絮凝、 和 流量保證。
要完全定義“粒徑分佈”，我們需要定義“粒徑”。球形粒徑很容易用一個數字來表徵，即直徑（或半徑）。其他類型的顆粒具有多種形狀、結構和相，因此具有不同的三維伸長率。一維尺寸函數，例如球面等效直徑、弦長、顆粒長度或顆粒寬度，在實踐中經常使用。球面等效直徑定義為具有相同物理性質的球體的等效直徑。基於體積的球面等效直徑是通過計算與所研究粒子的體積相同的球體的直徑來獲得的。
然而，雖然分配一個數字來表徵非球形粒子系統很方便，但它通常不能反映粒子的完整現實。直徑 5 μm X 長度為 50 μm 的針的表面積比具有相同體積等效直徑 （12.3 μm） 的球體的表面積大 70%。該針在過濾期間或在流動系統中處理和流動的方式與球體不同。因此，選擇適合所研究過程的正確粒徑參數和分析工具至關重要，並且能夠獲得三維（例如通過顯微鏡）和原位（通過使用製程工具 ）的 PSD 數據是有利的，這提供了對原生環境中顆粒系統的全面了解。
顆粒，包括晶體、液滴和氣泡，存在於絕大多數製造過程及其最終產品中。對粒徑分佈的透徹了解和正確控制通常是最終產品品質的關鍵因素，並且可以極大地影響製程效率。
例如，用於治療肺部疾病的藥物的有效性已被證明在很大程度上取決於粒徑。大液滴（圖 A）在軟膏中輸送藥物的速度比小液滴慢（圖 B）。另據報導，與處理液體或氣體的工廠相比，顆粒加工廠的啟動時間更長，並且不太可能達到預期的生產率。涉及顆粒、液滴和氣泡組合的多相系統會導致額外的複雜性，並放大理解、優化和控制用於生產、修改或分離它們的過程的挑戰。尤其是結晶是一個具有挑戰性的顆粒形成過程，分離後的顆粒尺寸會對所有 下游加工 操作產生巨大影響。如果小顆粒共存，漿料的分離時間（圖 C）可以大大延長（圖 D）。
在選擇粒徑分佈分析方法時，研究人員必須考慮幾個關鍵因素，包括目標粒徑範圍、樣品材料的物理化學性質和物理狀態、具體的分析目標以及處理速度和成本等實際限制。
| 方法/技術 | 目的 | 尺寸範圍 | 主要優勢 | 線上/離線 |
| 篩分析 | 確定顆粒狀乾燥材料的粒徑分佈，並將樣品分離成不同尺寸的分數。 | ~20 μm 至 5 mm | 簡單又便宜 | 離線 |
| 雷射衍射 | 快速、可重複地測量樣品的基於體積的 PSD。 | 10 nm 至 4 mm | 快速且可重複 | 離線 |
| 離線顯微鏡 | 提供高解析度影像，用於詳細表徵粒徑、形狀、顏色和形態。 | 亞微米到毫米，取決於放大倍率和系統。 | 捕捉詳細的顆粒形態並允許目視確認樣品特性。 | 離線 |
| 線上即時顯微鏡 | 提供實時、定量的粒徑、計數和形態數據，用於過程理解和控制。 | 亞微米到毫米，取決於光學系統和放大倍率。 | 實現實時過程監控，並消除與破壞性離線採樣和稀釋相關的延遲、可變性和潛在的錯誤。 | 線上（內嵌） |
| 聚焦光束反射率測量 （FBRM） | 即時測量顆粒、液滴和晶體的弦長分佈，無需成像。 | 通常從亞微米到毫米。 | 提供對顆粒變化的統計穩健、高頻測量，使其成為監測結晶等過程動力學的理想選擇。 | 線上（內嵌） |
| 動態光散射 （DLS） | 通過分析亞微米顆粒的布朗運動（流體中的運動）來測量其流體動力學尺寸。 | 0.3 nm 至 10 μm（亞納米至幾微米）。 | 非常適合測量納米顆粒和分子;它速度快、無損，並且需要最小的樣品量。 | 離線 |
| 沉澱分析 | 根據重力或離心力作用體中顆粒的沉降速率來確定粒徑分佈。 | 0.1 μm 至 100 μm（較小端需要離心）。 | 提供高度準確的、基於質量/體積的分佈，與顆粒密度直接相關，這對於細粉的品質控制至關重要。 | 離線 |
顆粒和液滴系統的準確離線分析取決於從製程流中成功去除和製備具有代表性的樣品。此過程通常很複雜，因為大多數離線技術對顆粒濃度、尺寸和形狀的可測量範圍施加嚴格限制。
樣品製備可能是一個勞動密集且昂貴的多步驟過程，可能會引入影響最終粒徑分佈數據的誤差。必須仔細控制常見的製備方法，例如過濾、乾燥、分採樣、再分散和稀釋，以防止樣品發生變化。
由於顆粒環境變化而改變樣品形狀/尺寸
這些樣品製備步驟可能會顯著改變感興趣的顆粒或液滴。即使在採樣和樣品製備方法上非常小心和精確，所分析的實際顆粒也可能與最初存在於工藝容器中的顆粒有很大不同。例如，即時顯微鏡拍攝的甘露醇晶體影像（圖 A）與標準離線光學顯微鏡拍攝的影像（圖 B）顯著不同。離線顯微鏡分析的取樣和準備導致了嚴重的破損，並且在過程中觀察到的精緻樹枝狀結構未被發現。
假設球形
非球形顆粒的粒徑通常使用等效直徑來報告。例如，在右圖中，描繪了形狀不同但體積相等的粒子。如果根據體積報告粒徑，則球形樣品和針狀樣品相同。然而，篩分兩種樣品的行為和通量可能大不相同，因為它們的篩子直徑和形狀遠非相同。因此，應注意確定形狀如何影響粒徑分析結果，並在可能的情況下使用技術（例如 EasyViewer 成像） 確定顆粒形狀。
時間延遲的影響
由於大多數顆粒製程流的固體負載量遠高於傳統粒徑分析儀所能處理的任何固體負載，因此測量需要仔細且耗時的樣品製備。測量和分析也需要時間，從最短的幾分鐘（例如透過光散射方法）到更長的時間（例如透過篩分和離線顯微鏡）。
為了獲得連續的信息，必須經常手動提取樣本並即時分析。這種方法還可能帶來不可接受的風險水平，特別是對於使用有毒或爆炸性漿料和溶劑的高溫和高壓工藝。採樣和使用離線工具接收結果之間不可避免的時間延遲使其難以實現真正的即時測量，並且由於過程隨時間變化，因此不適合連續監測過程。 建議使用線上粒度分析儀 。
線上粒徑分佈 （PSD） 分析提供即時、高頻數據，提供傳統離線方法無法達到的製程洞察水平。透過產生連續的資訊流，線上分析可以更深入地了解過程中的動態粒子行為。本節探討該方法的獨特應用，展示隨著時間的推移監測顆粒和液滴系統如何顯著提高製程開發、控制和整體產品品質。
研究粒徑和隨時間變化的計數
通常，每隔幾秒鐘進行一次製程顆粒測量，從而允許以使用者定義的時間間隔記錄離散分佈（圖 A）。然後，每個分佈的統計數據可以隨時間推移進行趨勢分析（圖 B 和 C），使科學家能夠即時監控製程軌跡。
如圖 C 所示，確定起來很簡單：
有了這些信息，科學家可以更深入地了解他們的過程，而不是他們必須依賴來自空間和時間中單個點的單個粒徑分析結果。
了解並選擇參數以提供正確的粒徑
透過直接監測製程參數對粒徑和計數的影響，可以可靠地確定針對一組特定顆粒屬性所需的製程參數。例如，攪拌速率對液滴大小的影響是顯而易見的，使科學家能夠輕鬆選擇一組操作條件來提供所需的液滴尺寸。
目標所需的顆粒形狀和相位
除了過度簡化的粒徑參數之外，其他形狀參數（例如顆粒寬度和長度）也很重要，因為它們會影響製程和產品性能。這方面的一個例子是卡馬西平，一種抗癲癇藥物（商品名 Tegretol），用於預防和控制癲癇發作。卡馬西平在藥物表現不規則方面歷來存在問題。
具有多種多晶型物，具有不同的溶解速率，控制所需形式對於適當的藥物療效非常重要。通過利用帶有圖像分析的 iC Vision 軟件，EasyViewer 能夠實時跟踪顆粒寬度和長度的變化，並獲取動力學和端點信息，可用於理解這種轉換並最終將控制引入該過程。
監控和修正粒子製程偏差
透過直接在製程中即時監控粒徑，可以識別製程偏差並採取糾正措施，以盡量減少動盪的影響。在圖 A 中，正在監控一個連續過程，其中粒徑必須保持在嚴格的規格範圍內。這裡應該注意的是，使用製程儀器設定的規格不一定與QC實驗室中使用傳統粒度分析儀設定的規格相同。在這裡，製程中顆粒測量儀器只是識別一個嚴重的製程故障，並可以支援在實施糾正措施之前解決問題，使製程恢復到規範。對於批次製程，製程中的顆粒測量可以透過識別製程何時達到穩定狀態來支援縮短批次時間。在圖 B 中，大多數製程變化發生在製程的前兩個小時內，但製程中的顆粒測量表明顆粒在批次的剩餘 10 小時內沒有變化。這是一個很好的指標，表明可以減少批次時間，並且應在最初的 2 小時後立即採集用於離線質量控制的樣品，此時變化最多。
有效的粒子工程工作流程依賴於一個全面的工具箱，其中包括縮小的反應堆和原位過程分析技術（PAT）。這些工具可以即時監控製程參數如何影響基本粒子機制，比傳統的單點離線分析更深入地了解製程動態。
製程顆粒測量價值：
粒徑、形狀和濃度是 結晶過程中 每個階段或尺度的關鍵信息，因此形成關鍵質量屬性 （CQA）。 粒徑分析儀 可快速可視化和量化顆粒和關鍵顆粒機制，以成功開發結晶 過程。
ReactIR™ 和 ReactRaman™ 使科學家能夠即時追蹤催化反應趨勢和概況，提供有關動力學、機制、途徑以及反應變數對性能影響的精確資訊。這些分析儀使用分子光譜法測量反應物、試劑、催化介體、產物和副產物在反應過程中的變化。來自原位的豐富數據實驗，對這些反應物種的實時跟踪加速了動力學參數的發展，支持所提出 的反應機制 和催化循環，並闡明了變量對反應結果的影響。ReactIR 和 ReactRaman 具有一系列插入式探針和流通池，可處理批量或 連續流動反應的催化反應研究通常所需的寬廣溫度和壓力範圍。
EasySampler 是一種全自動、無人值守的採樣系統，經過最佳化，可提供對 顆粒表徵 和詳細分析至關重要的高質量、具有代表性的樣品。其基於探針的設計即使在存在懸浮顆粒的情況下也能選擇性提取溶液相，從而確保精確和未汙染的采樣，這對於精確的 結晶 和顆粒形成研究至關重要。
當整合到顆粒工程工作站中時，EasySampler 透過產生全面的雜質剖面、揭示過飽和度如何影響雜質摻入以及促進決定控制結晶的動力學和熱力學參數，為溶液相動力學提供了寶貴的見解。此功能透過將溶液化學與固相特性相關聯，顯著推進了對顆粒成核、生長和形態的理解，從而支援顆粒工程研究中嚴格的科學研究和製程優化。
iC Software Suite 集成了整個實驗工作流程，使可視化、解釋和報告結果變得簡單。統一的方法支援光譜學、粒子系統表徵、精確反應器控制和量熱法的實驗室到工廠應用。
在每個 iC 產品中，強大的演算法和圖形表示與簡單的使用者介面相結合，使科學家能夠以更少的努力獲得更深入的流程理解。
