Determinação de Tamanho de Partículas em Dispersões Concentradas In-situ
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1 Introdução
Um dos parâmetros mais importantes para a caracterização de sistemas dispersos como emulsões, dispersões e suspensões é o tamanho das partículas e sua distribuição. Existem muitas técnicas analíticas para este fim [1]. Uma grande desvantagem da maioria destas técnicas, por exemplo difração a Laser ou eletroforese, é a necessidade de diluir a amostra antes da análise. Isto força o analista de fazer os testes no laboratório, off-line. Ele ainda corre o risco de deslocar dramaticamente o equilíbrio físico-químico da dispersão. No outro lado, agregação ou coalescência pode alterar significativamente o tamanho efetivo da partícula no sistema. A única saída nestes casos é recorrer a um método in-line, capaz de determinar o tamanho de partículas em concentrações altas in-situ. Figura 1 compara as etapas necessárias em técnicas convencionais off-line com aquelas num método in-situ (in-line). O diagrama mostra que o método in-line é o mais eficiente.
Figura 1: Comparativo das diferentes etapas necessárias para análise de partículas (A) método convencional, off line
(B) método in situ, off line
(C) método in situ, in line
Com o objetivo de caracterizar tamanho de partículas de emulsões estabilisadas com polímeros adequados, várias técnicas foram desenvolvidas durante as duas últimas décadas, por exemplo a „Scanning Laser Microscopy (SLM)“, que apresenta várias restrições a respeito da faixa de tamanho das partículas e resolução [2,3]. Em cooperação entre a Cognis e a Meßtechnik Schwartz, Duesseldorf, Alemanha, foi desenvolvida recentemente uma técnica completamente nova, a 3D ORM (Optical Reflectance Measurement, Medida da Reflectância Ótica) com o objetivo de promover soluções para os desafios descritos encima, especialmente na área de emulsões cosméticas e farmacêuticas.
2 Princípio de Operação
O set-up de um equipamento 3D ORM é ilustrado na figura 2. Os componentes principais são sensor, unidade de processamento de dados, e um computador com software MTS/LT para análise de dados.
Figura 2: Diagrama esquemático dos components principais de equipamentos 3D ORM [4] e foto de um sensor instalado em linha.
O princípio básico é muito simples e pode ser conferido na figura 3. A fonte de luz é uma LED a Laser, incorporada na unidade de processamento de dados. O comprimento de onda do Laser pode variar dependendo da aplicação, por exemplo um Laser com 780 nm para análise de emulsões com partículas a partir de 100nm e concentrações da fase dispersa até 80%.
A luz é transmitida através de fibra ótica. No sensor, o feixe passa uma lente (colimador), um prisma, uma lente de foco e duas janelas de safiro. Durante a operação, a lente focal gira excentricamente, o que deixa o feixe de Laser girar e passar o prisma em posições diferentes. O foco do Laser assim “escanéia” a amostra em forma tri-dimensional, o que gerou o nome 3D ORM para esta tecnologia.
Figura 3: Representação esquemática do princípio de funcionamento da tecnologia 3D ORM. O sistema ótico escanéia a amostra na frente do sensor em forma orbital. 
Se o foco do Laser encontra uma partícula, luz é refletida pela amostra e capturada pelo sistema dentro do equipamento. O detector transforma a luz refletida em sinal elétrico que pode ser processado depois. Figura 4 mostra os impulsos elétricos gerados pelo detector e sua relação a partículas escaneados pelo Laser.
Figura 4: Diagrama esquemático da relação entre as partículas escaneados, o sinal primário correspondente e o sinal filtrado (tempo de vôo do feixe de luz). O sinal filtrado é proporcional do comprimento da partícula (“chord length”). 
Numa primeira aproximação, o comprimento da partícula lc no lugar onde o feixe de Laser passa (“arc length”) é igual a
onde delta tS é o tempo de vôo do feixe de luz para um pulso. O parâmetro vS é a velocidade de movimentação do ponto de foco.
Esta relação simples não contempla o formato da partícula e por isso contêm um erro sistemático. Figura 5 ilustra a relação entre lc (“cord length”), lA (comprimento do arco, no perímetro da partícula (“arc length”)) e o diâmetro do círculo escaneado pela sonda.
Figura 5: Representação esquemática do arco (“arc length”) e do comprimento (“chord length”). 
Em geral, lC e lA são relacionados na seguinte forma:
O sinal primário do detector é amplificado e transmitido a um sistema de filtros eletrônicos, onde é separado em pulsos bons e ruins. Critérios para esta divisão incluem a simetria do pulso e a inclinação dos flancos do sinal. Um conjunto de 250 destes sinais (proporcionais do comprimento de um determinado corte da partícula (chord length) gera a informação necessária para determinar tamanho e formato tridimensional da partícula.
A equação de correlação geral é a equação integral de FREDHOLM:
onde: h0 é a distribuição numérica de comprimentos lc,
q0 é a distribuição numérica de partículas em função do tamanho,
p descreve a probabilidade para medir um comprimento lc, quando se escanea uma partícula de tamanho lc,max,
lC é o comprimento do corte da partícula (“chord length”),
lc,max é o comprimento máximo do corte de uma partícula,
lC,MAX é o comprimento máximo do corte da maior partícula.
Existem várias aproximações numéricas para resolver esta equação. A mais recente versão do software MTS/ LT usa o método CHAHINE para extrair a distribuição de tamanho de partículas. Para informações mais detalhadas sobre o tratamento matemático complexo veja ref. [5].
4 Faixa de tamanho das partículas e resolução
O Princípio 3D ORM descrito aqui é utilizado nos equipamentos da MTS, Alemanha, e mede partículas numa faixa de 100 nm até alguns milímetros. Para otimizar a resolução, equipamentos para faixas mais restritas são utilizados. Para emulsões farmacêuticas por exemplo, pode-se usar uma faixa de 0.1 até 125m, dividida em 1024 bits (modelos ECA 817 ou LabScan 2007).
Figura 6: Sensor de tecnologia 3D ORM instalado diretamente num homogeneizador de escala piloto. 
5 Exemplos de Aplicações
Monitoramento do tamanho de partículas em emulsões o/w de alta concentração [6]
As figuras 7 mostram resultados para a distribuição de tamanho de partículas para emulsões de alta concentração. A fase aquosa contêm 2.5% de HPMC. Imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram incluídas para visualização da distribuição de tamanho de partículas. As amostras eram parcialmente floculadas.
Figura 7: Distribuição volumétrica de tamanho e micrografias TEM para emulsões óleo/água de 20 e 60% de óleo. Escala na foto: 5µm. 
Figura 8 compara os resultados da análise de partículas logo depois da preparação e durante um tempo de estocagem. A aparência macroscópica e a consistência não mudou no período de monitoramento. O tamanho de partículas mudou pouco: no caso da emulsão de 20%, o “Ostwald ripening” aumenta o tamanho médio das partículas nos primeiros 6 meses um pouco. Para a emulsão de 60% de óleo, a coalescência de gotas leva ao desenvolvimento do segundo pico na distribuição. A emulsão não é estável.
Figura 8: Tamanho de partículas de emulsões logo depois da preparação e depois de 6, resp. 27 meses de estocagem. (A) emulsão com 20 % óleo, (B) emulsão com 60 % óleo.
(A) 
(B)
Influência da preparação de emulsões
A temperatura durante a emulsifação é um dos fatores que podem influenciar significativamente o tamanho das partículas e então a consistência da emulsão. Figura 9 mostra um exemplo de uma emulsão estabilizada com etilcelulose. Emulsificação à 30° C produziu sistemas líquidos, à 15° C resultaram cremes semi-sólidos. A análise revela uma distribuição estreita de tamanho de partículas no caso da loção, e uma distribuição muito larga no caso do creme. O método ORM consegue determinar em forma quantitativa, o que é observado qualitativamente numa micrografia.
Figura 9: Distribuição volumétrica de uma loção w/o e um crème o/w com composição idêntica, más preparados a temperaturas diferentes (30 ou 15°C, resp.). 
Outras aplicações
Diversas outras aplicações já estão sendo realizadas com o método ORM. A influência da composição em emulsões pode ser acompanhado. Os resultados mostram mais proximidade com observações independentes do que análises convencionais de Difração de Laser em sistema diluídos [7]. Suspensões ou dispersões podem ser analisadas da mesma forma com o método tri-dimensional ORM.
6 Conclusões
A tecnologia 3D ORM foi principalmente desenvolvida para medidas in situ. Este aspecto não pode ser comparado com outras tecnologias, que não podem ser aplicadas em linha. A técnologia 3D ORM também permite medidas off line. A comparação de resultados com 3D ORM obtidos no laboratório com métodos como microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e Difração de Laser mostram a equipotência desta tecnologia. Os resultados são confiáveis e reprodutivos para emulsões com partículas na faixa de pelo menos 0.4 até 40 µm e até concentrações de 60 % da fase interna. Para sistemas mais concentrados é possível criar uma “impressão digital” representativa da amostra. Em todos os casos, nenhuma preparação da amostra é necessária. Isto é uma vantagem única da tecnologia 3D ORM, porque reduz o trabalho de preparação e – mais importante – evita a aparência de artefatos quando sistemas sensitivos a diluição são analisados: o caso de muitas emulsões, e principalmente de suspensões.
7 Referências
[1] Washington, C., Particle size analysis in pharmaceutics and other industries, Ellis Horwood London, 1992
[2] Daniels, R., Barta, A., Erfahrungen beim Einsatz der in situ-Partikelmessung sowie der Messung der elektrischen Leitfähigkeit bei der Rezepturoptimierung von Emulsionen, Chemie-Anlagen + Verfahren 8/93, 62 - 66, 1993
[3] Daniels, R., Barta, A., Herstellung, Charakterisierung und Stabilitätsprüfung von O/W-Emulsionen mit Methylhydroxypropylcellulose als Emulgator, Pharm. Ztg. Wiss. 4, 177 - 183 1991
[4] Lenzing, M; Handbook of 3D ORM Technology, Meßtechnik Schwartz, D-Düsseldorf, 2002
[5] Twomey, S., Introduction to the mathematics of inversion in remote sensing and indirect measurement, Elsevier Scientific Publishing Amsterdam, 1977
[6] Rimpler, S., Daniels, R., In situ particle sizing in highly concentrated oil-in-water emulsions, Pharmaceutical Technology Europe .8(9), 72 - 80, 1996
[7] Wollenweber C., Einfluss von Ethanol auf Methylhydroxypropylcellulose stabilisierte Öl-in-Wasser Emulsionen. Dissertation Technische Universität Braunschweig 2000. http://opus.tu-bs.de/opus/volltexte/2000/91
Autor
Prof. Dr. Rolf DanielsProf. Dr. Rolf Daniels obteve o seu Ph.D na área farmacêutica. Antes de seguir a carreira acadêmica, trabalhou para Pfizer, no P&D farmacêutico. Hoje é Professor na Universidade Técnica de Braunschweig, Alemanha, no Instituto de Tecnologia Farmacêutica. É diretor do Departamento de Dermo-Cosmética, da Sociedade de Dermofarmacêutica.
Esta contribuição foi traduzida e resumida por
Dr. Hans-Michael Petri, Reoterm Instrumentos Científicos, Taboão da Serra – SP. Para receber mais informações, envie e-mail a
info@reoterm.com.br ou
hans@reoterm.com.br [[
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