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Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi1 Sistemi dispersi Un sistema disperso e un sistema bifasico con particelle discrete disperse.

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Presentazione sul tema: "Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi1 Sistemi dispersi Un sistema disperso e un sistema bifasico con particelle discrete disperse."— Transcript della presentazione:

1 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi1 Sistemi dispersi Un sistema disperso e un sistema bifasico con particelle discrete disperse in un sistema disperdente immiscibile Le dimensioni della fase dispersa e normalmente 1÷100 nm, anche se il limite superiore e piuttosto indefinito Si possono avere proprietà disperse fino a 2÷5 µm

2 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi2 Analisi PSD di sistemi colloidali: dispersioni ed emulsioni La caratterizzazione di particelle in dispersioni industriali e richiesta per scopi di ricerca ed é parte essenziale delle procedure di controllo qualita. Per lanalisi di sistemi dispersi submicronici sono state sviluppate metodologie specifiche E noto leffetto sullattivita biologica delle dimensioni di farmaci non idrosolubili In campo medico emulsioni colloidali di oli vegetali sono somministrati a pazienti: emulsioni lipidiche come sangue artificiale In campo industriale, le capacità coloranti e coprenti delle dispersioni di pigmenti e controllata dalla PSD

3 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi3 Tecniche di analisi dimensionale di particelle Lanalisi dimensionale (PSD) e un campo di ricerca molto attivo che presenta innumerevoli spunti e motivazioni La richiesta di analisi PSD e supportata da esigenze di monitoraggio ambientale, controllo di processo, scienza dei materiali In particolare la PSD e di importanza fondamentale per la comprensione della chimica supramolecolare, micellare e colloidale, sia di natura sintetica che biologica

4 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi4 Metodi di analisi Microscopia elettronica: a scansione (SEM) e a trasmissione Analisi diretta Tecniche ottiche: Nefelometria, Laser Scattering (LS), (PCS), Diffrazione Fraunhofer (FD) Tecniche di centrifugazione: Fotosedimentometria, Ultracentrifugazione Tecnica Coulter Counter (ESZ) Tecniche separative: Cromatografia Idrodinamica (HDC), Frazionamento in Campo e Flusso (FFF) Analisi indiretta

5 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi5 Metodi nefelometrici e laser scattering I metodi basati sullo scattering della luce sono di gran lunga i piu utilizzati nella analisi PSD di sistemi colloidali Lo scattering della luce da parte di sistemi dispersi non segue le leggi dellottica geometrica Diffrazione Fraunhofer (FD)Le leggi dellottica geometrica vengono seguite solo per dimensioni della fase dispersa molto superiori alla lunghezza donda incidente: Diffrazione Fraunhofer (FD)

6 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi6 Sistemi dispersi di dimensioni a<< Effetto TyndallEffetto Tyndall: Una dispersione (sol) colloidale illuminata appare trasparente se posta tra losservatore e la sorgente e risulta colorata se osservata a 90° rispetto alla sorgente Scattering Rayleigh d=cammino ottico N=numero particelle =angolo scattering =indice di rifrazione

7 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi7 Metodi turbidimetrici: Metodi turbidimetrici: Differential Laser Scattering Lefficienza di estinzione e funzione di molti parametri: indice di rifrazione, lunghezza donda, angolo di scattering, polarizzabilita Il suo valore numerico si ottiene solo dal trattamento completo della teoria di Mie Esistono molti metodi approssimati alla teoria dello scattering in determinati range dimensionali Particelle supermicroniche: equazione Van de Hulst-Walstra =turbidita I=luce trasmessa I 0 =luce incidente K =coeff. estinzione totale G=sezione geometrica N=numero di particelle Q ext =efficienza di estinzione

8 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi8 Spettroscopia correlazione fotonica (PCS) Tecnica di laser scattering: utilizza luce polarizzata e lanalisi si compie sui profili di interferenza generati dalla luce scatterata dato il moto browniano delle particelle del colloide Metodo di autocorrelazioneLa spettrofotometria PCS analizza le fluttuazioni di intensita per ottenere il coefficiente di diffusione Metodo di autocorrelazione

9 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi9 Funzione di autocorrelazione in PCS La funzione di autocorrelazione e data dal prodotto: segnale x funzione ritardo Dalla espressione della Larghezza di banda Rayleigh Stokes-Einstein e possibile ottenere la dimensione del campione mediante la determinazione del coeff. diffusione secondo Stokes-Einstein

10 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi10 Funzione di autocorrelazione in PCS Sistemi polidispersi somma funzioni di autocorrelazioneIl segnale e dato dalla somma delle funzioni di autocorrelazione Metodo dei cumulanti misurataMetodo dei cumulanti: il logaritmo della funzione di correlazione misurata viene fittata ad una serie polinomiale

11 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi11 Metodo dei cumulanti Coefficiente del termine lineare Estrapolazione a basso angolo La varianza della distribuzione dei coefficienti e data da: sfericheNel caso di particelle sferiche nonLanalisi PCS non e in grado di dare PSD complete. E necessario assumere un modello di distribuzione q=vettore donda

12 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi12 Schema di una apparecchiatura PCS Schema figura pag. 71 Figura 13

13 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi13 Diffrazione Fraunhofer Analisi di particolato di dimensione >1÷2µm Metodo senza calibrazione basato solo su principi ottici TEORIA Estinzione Turbidita Trasmittanza Efficienza Sistemi sferici

14 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi14 Limiti di applicazione della FD I limiti inferiori di applicazione della FD sono dati dalla espressione di van de Hulst La FD richiede che p>>30 Per valori inferiori il comportamento ottico delle particelle Lorenz-Mie entra nel trattamento Lorenz-Mie Si dimostra che nella maggior parte dei casi la teoria FD si Si dimostra che nella maggior parte dei casi la teoria FD si puo applicare a sistemi > 5µm con errori 5µm con errori <20%

15 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi15 FD: Particelle sferiche Pattern di diffrazione di una sfera Energia contenuta in una sezione radiale del rivelatore Un detector FD e costituito da una serie di canali concentrici Energia tra due canali del detector F=distanza focale s= distanza radiale sul piano detector

16 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi16 Schema strumentale base di una apparecchiatura FD Raggio laser non polarizzato (He-Ne) Sistema collimatore Cella Lenti di focalizzazione (luce diffratta+luce trasmessa)

17 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi17 Metodi di sedimentazione Assunzioni richieste 1) Particelle sferiche, liscie e rigide: il diametro calcolato e quello equivalente di Stokes istantaneamente 2) Velocita costante raggiunta istantaneamente Legge di Stokes 3) Sedimentazione delle particelle senza reciproca interferenza 4) Assenza di effetti inerziali Metodi incrementali: Misurazione di variazioni di concentrazione di sospensione in funzione del tempo Metodi cumulativi: Misurazione della velocita di sedimentazione fotodensitometrico Metodo di rivelazione fotodensitometrico

18 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi18 Metodo Coulter Counter (ESZ) Se una particella che non conduce e sospesa in un mezzo che conduce allinterno di una piccola apertura, si ottiene un aumento di resistenza attraverso lorifizio Questo metodo richiede una opportuna procedura di calibrazione mediante standard di particelle monodisperse Il campo di applicazione e tra 0.5÷1000µm Vantaggi:Vantaggi: non e necessaria nessuna conoscenza delle specifiche del campione Svantaggi:Svantaggi: uso di fasi disperdenti ad alta forza ionica

19 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi19 Principio di funzionamento del Coulter Counter Per particelle sferiche:

20 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi20 Metodi separativi HDCCromatografia idrodinamica (HDC) FFFFrazionamento in Campo e Flusso (FFF)

21 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi21 HDC Principi di funzionamento La HDC e una tecnica liquido-cromatografica a colonna impaccata. Il campo di applicazione e tipicamente <1µm Una sospensione iniettata in un flusso di fase mobile attraversa la fase impaccata: le particelle piu grandi eluiscono prima delle piu piccole in quanto visitano vettori di velocita media piu elevati perche le loro dimensioni le escludono dalle zone di velocita piu lenta in prossimita delle pareti delle particelle che costituiscono limpaccamento

22 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi22 Schema di meccanismo separativo in HDC La tecnica FFF posside alcune similitudini con la HDC ma non e presente alcuna fase stazionaria

23 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi23 Da un HPLC ad una configurazione FFF Schema trasversale di un canale FFF Flusso Campo

24 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi24

25 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi25 Campo di applicazione delle tecniche FFF Campo di applicazione delle sottotecniche a campo di sedimentazione (SdFFF)

26 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi26 Selettività delle metodiche FFF

27 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi27 Modo di operazione a campo gravitazionale Equazione della ritenzione

28 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi28 Spaccato del canale GrFFF

29 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi29

30 Scuola di Specializzazione in Metodologie di Controllo ed Analisi30


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