Method Development for Droplet and Particle Size Distribution Measurements using Laser Diffraction

Abstract

This degree project aims to develop standard methods for determination of the size distribution in different samples using laser diffraction, as well as to create methodologies for development of new methods for unknown samples.

The size distribution is crucial to understand for pharmaceutical products since it affects properties such as the stability and bioavailability of the product. A way to measure the size distribution is to use laser diffraction. Laser diffraction is a technique in which laser beams are directed through a sample flow. When the laser beam hits a particle in the sample flow, the light scatters at different angles and intensities depending on the size and shape of the particle. The scattered light is then detected and translated into a size distribution, in this degree project by using the Mie theory.

Different parameters suspected to affect the size distribution when using laser diffraction were analysed and evaluated for both emulsion- and powder samples. Due to the small droplet- and particle sizes, the sample preparation technique was believed to have a great impact on the size distribution. Other than this, the parameters pump speed, sonication intensity, obscuration and delay time were evaluated.

The pump speed as well as the sonication time and intensity were found to affect the size distribution the most, while the delay time had a slight effect, and the obscuration barely affected the size distribution. It was further found that the powder samples were less sensitive than the emulsions and hence could withstand more energy in terms of higher pump speeds and sonication intensities. This also contributed to different optimal dispersing techniques during sample preparation; the powders were dispersed by sonication while the emulsions were dispersed by stirring on a magnetic stirrer plate. Other than this, the temperature was found to greatly impact the size distribution of the emulsions. In short, it was concluded that the pump speed and sonication intensity affected the size distribution the most, and that the emulsions should be treated with less energy than powders to maintain a representative sample.

Popular Abstract (Swedish)

Metodutveckling för Mätning av Dropp- och Partikelstorleksfördelning med hjälp av Laserdiffraktion
Partiklar finns i princip överallt runtomkring oss, och har en stor betydelse inom många industrier. Partikelstorleken i målarfärg avgör dess kvalitet, partiklar i miljön påverkar vår hälsa, och partikelstorleken i läkemedel påverkar dess effektivitet och stabilitet, för att nämna några exempel. Fokus för detta examensarbete har varit att bestämma partikelstorleken i olika läkemedel, såsom emulsioner och torra pulver.

Två olika typer av emulsioner analyserades; hudkräm och hudlotion. I dessa emulsioner har en oljefas blandats i en vattenfas, likt beredningen av majonnäs. Oljefasen bildar då små oljedroppar i vattenfasen, eftersom olja inte löser sig i vatten. Droppstorleken av oljedropparna är viktig att känna till då den påverkar formuleringens egenskaper, såsom hur den känns på huden och hur snabbt den absorberas. Utöver emulsionerna analyserades två pulver; laktos och mometasonfuroat. Laktos kan användas i inhalationsprodukter medan mometasonfuroat kan användas som antiinflammatorisk komponent i exempelvis hudkrämer. Det är viktigt att veta partikelstorleken för inhalationsprodukter eftersom de måste vara tillräckligt små för att ta sig ner i lungorna i stället för att exempelvis andas ut, medan partikelstorleken för det antiinflammatoriska pulvret påverkar huruvida det kan tränga igenom huden.

Vid mätningar av partikelstorlek är det väsentligt att förstå att partikelstorleken i en formulering inte har ett specifikt värde, utan snarare är en distribution av olika partikelstorlekar. Exempelvis kan det påstås att partikelstorleken är 5 µm, men i verkligheten kan partiklarnas storlek variera från 3 till 7 µm. För att bestämma distributionen är laserdiffraktion en passande teknik. Principen bakom laserdiffraktion är att en laserstråle riktas mot ett prov beståendes av tusentals partiklar, varpå laserstrålen kommer att ändra riktning när den träffar en partikel. Små partiklar är mer krökta och ändrar därför riktningen på lasern mer än vad stora partiklar gör. Ändringen av laserns riktning detekteras sedan, utifrån vilken distributionen beräknas baserat på alla tusentals partiklar.

Inställningarna som används under mätningarna behöver optimeras, eftersom olika sorters prov är olika tåliga och därmed kan utsättas för olika mängder energi utan att förstöras. Exempelvis är emulsioner normalt sett mer känsliga än pulver, vilket gör att proven behöver behandlas olika. Dessutom är det viktigt att partiklarna som analyseras inte sitter ihop i klumpar, i så kallade aggregat, eftersom dessa då kommer att uppfattas som en enda stor partikel. För att motverka detta behövs olika mycket energi appliceras på de olika proven, exempelvis i form av ultraljud och pumphastighet. Under examensarbetet har det därför undersökts hur mycket energi, och vilken energikälla, som behövs för att minska antalet aggregat och därmed få ett mer tillförlitligt resultat. Även andra inställningar som kan påverka resultatet, såsom fördröjning innan mätningen startas, provkoncentration, och hur provet bereds, har undersökts. Sammanfattningsvis resulterade undersökningarna i att både pumphastighet och ultraljud hade stor påverkan på både emulsioner och pulver, medan fördröjningstid och koncentration inte hade lika stor påverkan. Dessutom resulterade undersökningarna i att emulsioner behöver beredas på ett annorlunda sätt jämfört med pulvren, då emulsioner är mer känsliga och därför inte kan behandlas med lika mycket energi under beredningen.

• author: Friman, Sophie and Svensson, Hanna
• supervisor: Stephen Burleigh; Maria Petersson
• organization: Food Technology and Nutrition (M.Sc.); Biotechnology (MSc); Biotechnology (M.Sc.Eng.)
• course: KLGM16 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering; Chemistry; Biology and Life Sciences
• keywords: Laser Diffraction, Size Distribution, Emulsions, Powders, Method Development, Pharmaceutical Formulation
• language: English
• id: 9163481
• date added to LUP: 2024-06-17 12:18:09
• date last changed: 2024-06-17 12:18:09