Demystifying Laser Diffraction

Partikelgrösse und Partikelform (morphologische Parameter)
mit modernen Methoden bestimmen:
Methodenvergleich
- Fehlerbetrachtung – Variabilität
Dr. Mark Wingfield,
Malvern Instruments GmbH,
Deutschland
Inhalt
Grundlagen
Partikelgröße – Definition
Gewichtete Mittelwerte
Moderne Methoden zur Partikelcharakterisierung
Laserbeugung und automatisierte Bildanalyse
• Meßprinzip und Grundbegriffe
• Geräteaufbau
Meßmethodenentwicklung
Analytische Variabilität • Gerätebedingt, Dispigierung, Probennahme
Warum braucht man die Partikelgrösse?
ICH Guide Q6A – particle size of pharmaceutical drug
substance „for some drug substances particle size can have a
significant effect on dissolution rates, bioavailability, and / or
stability. In such instances, testing for particle size distribution
should be carried out using appropriate procedure and
acceptance criteria should be provided“
Die Partikelgrösse des Wirkstoffes beeinflusst die Qualität der
Darreichungsform – funktionelle Pulvereigenschaft.
Edgar John, APV 2009, 11. März 2009
FDA guidance: what should be considered when
testing new drug products?
International Conference on Harmonization;
Guidance on Q6A Specifications:
Test Procedures and Acceptance Criteria for New Drug
Substances and New Drug Products: Chemical Substances*
Specific tests and criteria:
Physiochemical properties (pH, melting point, RI)
Particle size
Polymorphic forms / amorphous content
Chiral identity tests
Water content
Inorganic impurities, based on a knowledge of process
Microbial Limits
*Federal Register/Vol. 65, No.251, Friday December 29, 2000/ Notices p. 83041-83054
Was bedeutet
Partikelgröße ?
Was bedeutet Partikelgröße ?
Prinzip der äquivalenten Kugel
Der Zylinder links hat
das gleiche Volumen
wie eine Kugel mit
einem Durchmesser
von 213µm.
Das
Äquivalentvolumen
beschreibt ein
Partikel mit nur einer
Zahl
Die Größenverteilung verstehen
Der Mastersizer 2000 ist so entwickelt, daß
gleiche Volumina von Partikeln verschiedener
Größen eine ähnliche, gemessene
Streulichtintensität liefern.
Die Größenverteilung wird als eine Volumen
Verteilung angegeben, da dies die Sensitivität
des Systems am besten widerspiegelt.
Was bedeutet das in der Praxis ?
Die Größenverteilung verstehen
Volumenverteilungen, wie es der Name bereits sagt, basieren auf
dem Volumen der zur Verteilung beitragenden Partikel.
Eine Million 1µm späherische Partikel haben das gleiche Volumen
wie 1 einziges 100µm Partikel.
Dies sollte beachtet werden, falls sie jemals Volumen- mit
Anzahlverteilungen vergleichen sollten.
Die Umrechnung von Volumen- zu Anzahlverteilung oder
umgekehrt ist oft fehlerbehaftet !
Die Größenverteilung verstehen
Stellen sie sich drei Partikel mit Durchmessern 1,2
und 3 Einheiten vor.
Mit einem Mikroskop gemessen – einer Technik
welche Anzahlverteilungen liefert – würden wir
folgende Verteilung erhalten…
Die Größenverteilung verstehen
Number Distribution
35
Frequency (number %)
30
25
20
15
10
5
0
1
2
Diameter
3
Die Größenverteilung verstehen
Volume Distribution
80
Frequency (volume %)
70
60
50
40
30
20
10
0
1
2
Diameter
3
Spezifikationen setzten: Statistik der Verteilung
Volume (%)
Dv50
Dv10
Dv90
Dv100
Size um
Gewichtete Mittelwerte für Partikelgrößenverteilungen
Modellbeispiel 3 Teilchen mit d 1,2,3
1+ 2 + 3
X nl = D[1,0] =
= 2.00
3
∑d
n
⇒ Mikroskop
1+ 4 + 9
X ns = D[2,0] =
= 216
.
3
∑ d2
n
⇒ Bildanalyse
1+ 8 + 27
Xnv = D[3,0] =
= 2.29
3
∑ d3
n
⇒ Coulter-Counter
1 + 8 + 27
X sv = D[ 3,2 ] =
= 2.57
1+ 2 + 3
∑ d3
∑ d2
⇒ Sauter Mittelwert
∑ d4
∑ d3
⇒De Brouckere
Mittelwert
Laserbeugung
3
X vm
1 + 16 + 81
= 2.72
= D[ 4,3] =
1 + 8 + 27
Statistiken für die Partikelgrößenverteilung
Die beiden wichtigsten gewichteten Mittelwerte
sind:
D[3,2] oder Sauterdurchmesser
Oberflächengewichtet
D[4,3] oder De Broucker-Mittelwert
Volumen gewichtet
Mittelwerte Vergleich
Volume (%)
Dv50
Dv10
Dv90
Dv100
Size um
D[3,2]
D[4,3]
Setting specifications: specification tolerances
200
Dv10
Dv50
Dv90
D[4,3]
D[3,2]
180
160
Size / microns
140
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
% seed material
25
30
35
Laserbeugung
Schnelle und einfache Bedienung
Größenbereich 20nm bis 2000µm
Annahme: Kugelförmige Partikel
Benötigt die optische Parameter für die Probe –
Brechungsindex und Absorptionswerte
Suspensionen, Emulsionen und Trockenpulver
SOP´s
Itaritives Verfahren – die Partikelgröße wird nicht
direkt gemessen
Nur Größe
Euopean Pharmacopoeia EP 6.0, 2008
2.9.31 Particle Size analysis by laser light
diffraction
Referenz:
ISO 13320 – 1 Particle size analysis – Laser
diffraction
ISO 9276 Representation of results of particle size
analysis
Enthält Richtlinien für
Methodenentwicklung
Wiederholbarkeitskriterien
Gerätequalifizierung
Größenabhängige Intensitätsverteilung
Detektor
Die Lage (sinϕ) der
Beugungsringe auf den
Detektoren ist u.a. vom
Durchmesser d der
Projektionsfläche der
Partikel abhängig.
nλ
sin ϕ ≈
d
Typischer Streulicht Datensatz
Data Gr aph - L ig ht Scatte r in g
1000
900
Light E nergy
800
700
Große
Partikel
600
500
400
300
200
100
0
1
3
5
7
9
12
15
18
21 24 27 30 33
Detec tor Num ber
36
39
42
45
48
51
Glass B eads , 19 Oc t 1999 11:12:39
Light Energy
Data Gr ap h - L igh t Scatte r ing
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Kleine
Partikel
1
3
5
7
9
12
15
18
21
24
27
30
Detec tor Num ber
33
36
39
42
45
Berechnung der Größenverteilung
Laserbeugung –
wie man das Messergebnis erhält
Der Prozess generiert 2 Datensätze…
die theoretischen Streulichtdaten in rot und
die gemessenen Streulichdaten in grün.
Die Fläche zwischen diesen Kurven wird berechnet und
der Unterschied als Residual Wert angegeben.
kleine Unterschiede hier
..und hier
Ergebnis 1 : Größenklassen Histogramm
20%
Häufigkeit
10%
5%
0%
1.0 1.6 2.5 3.9 6.2 9.8 15.4 24.3 38.2 60.3 95.1150.0
Partikeldurchmesser, D (um)
Häufigkeit in Prozent
15%
Ergebnis 2 : Kumulative Durchgangskurve
100%
Dv(0.5) < 15,4 µm
Volumeprozent < D
90%
Kumulativ % < D
80%
70%
60%
50%
40%
30%
50 % →
↑ < 15,4 µm
20%
10%
0%
1.0 1.6 2.5 3.9 6.2 9.8 15.4 24.3 38.2 60.3 95.1150.0
Partikeldurchmesser, D (µm)
Laserbeugung liefert eine auf dem
Partikelvolumen basierende Größenverteilung
100%
Häufigkeit
80%
Fehlerkurve, Kumul.
70%
Kumulativ % < D
15
60%
50%
10
40%
30%
5
20%
10%
0%
0
1.0 1.6 2.5 3.9 6.2 9.8 15.4 24.3 38.2 60.3 95.1150.0
Partikeldurchmesser, D (um)
Häufigkeit in Prozent
Fehler in Prozent
Volumeprozent < D
90%
20
Berechnung der Größenverteilung
Generell stehen zwei Streulicht Modelle zur Auswahl:
Fraunhofer Näherung
Mie Streulicht Theorie
In allen aktuellen Malvern Diff. Geräten stehen beide
Auswertungen zur Verfügung
Streulichtmodelle
Fraunhofer und Mie
Laserbeugung benötigt ein Modell, welches exakt
das Lichtstreuverhalten aller Partikel beschreibt.
Momentan stehen zwei populäre Modelle zur
Wahl. Die Mie-Theorie und die Fraunhofer
Näherung.
Die Mie-Theorie zeigt sich dabei über einen
breiteren Größenbereich exakter – besonders für
Partikel mit Größen kleiner als 50 µm.
Streulichtmodelle
Fraunhofer und Mie
Ältere Messgeräte verwendeten die weniger
genaue Fraunhofer Näherung. Grund dafür war
die damals limitierte Computerleistung.
Seit 1986 ist das bevorzugte Modell die Mie
Theorie, welche korrekt das Streulicht bei allen
Wellenlängen und bei allen Winkeln vorhersagt.
Streulichtmodelle – Mie-Theorie
Mie-Theorie:
Beschreibt die Wechselwirkung von Licht und Materie.
• geht von kugelförmigen Partikeln aus.
Gültig für alle Wellenlängen, Streulichtwinkel und
Partikelgrößen.
Sagt korrekt die Streulichintensitäten voraus.
• sagt korrekt Sekundärstreuung voraus.
Streulichtmodelle – Mie-Theorie
“For particles smaller than about 50µm the Mie theory
offers the best general solution.”
Zitat aus:
ISO 13320-1 (Particle size analysis – Laser diffraction
methods – Part1: general principles)
Mie-Theorie – Streulicht Vorhersage
Gestreutes Licht
Einfallendes Licht
Absorption
Gestreutes Licht
Mie-Theorie – Streulicht Vorhersage
Mie-Theorie berücksichtigt Licht welches durch das
Partikel geht.
Streulicht
Intensität
Winkel
Partikelgröße
Winkel
Streulichtmodelle –
Fraunhofer Näherung
Berücksichtigt nur klassische Beugungseffekte um
ein scheibenförmiges Partikel
Streulicht
Intensität
Winkel
Partikelgröße
Winkel
Streulichtmodelle Fraunhofer Näherung
Nachteile:
Liefert falsche Antworten wenn…
Partikel <50µm sind.
Der Streulichwinkel groß wird und Sekundärstreuung auftritt.
Der relative Brechungsindex klein ist (<1.3) - dies entspricht der
Situation eines Partikels mit Brechungsindex 1.73 dispergiert in
Wasser.
Behauptete Vorteile:
“Man braucht keine optischen Materialparameter.” Was bedeutet, dass
optische Parameter für die Mie Theorie benötigt werden.
Optische Parameter – Welche sind das ?
Um die Mie Theorie anzuwenden werden 3
Parameter benötigt.
Diese sind:
Brechungsindex (RI) des Dispergiermittels.
Brechungsindex (RI) des Probenmaterials.
Imaginärer Brechungsindex des Probenmaterials (oft
als Absorption bezeichnet).
Optische Parameter – Welche sind das ?
Der imaginär Anteil des Brechungsindex (Absorption)
Kann bestimmt werden indem man die dispergierte Probe
unter einem Mikroskop bzgl. ihrer Form, Transparenz und
internen Struktur untersucht.
Absorption wird generell auf einen Faktor 10 genau
benötigt z.B. 0.1 oder 0.01 nicht 0.023
Wie das Erscheinungsbild des Partikels es ermöglicht
auf die Absorption rückzuschließen
Erscheinungsbild
Imaginär RI
0
0.001
0.01
0.1
1.0+
Beispiel
Latex
Emulsionen
Kristalline gemahlene Pulver
Leicht gefärbte Pulver
Stark gefärbte Pulver und
Metallpulver
Klassischer Aufbau eines
Laserbeugungsmessgeräts
Spatial
Filter
Particles
suspended in
Gas or liquid
MultiElement
Detector
He Ne Laser
Unscattered
Light
2 mwPower
0.63mmwavelength
Scattered
Light
Fourier
Transform
Lens
Obscuration
Detector
Klassischer Aufbau eines
Laserbeugungs-Messgeräts
Die Optik ist so gebaut, dass Partikel mit gleicher Größe
ihr Streulicht an der gleichen Detektorposition abbilden.
Optische Bank des Mastersizer2000 (0.02-2000µm)
He-Ne Laser Strahlengang
Eine Linse für den gesamten Messbereich
Detektor Erweiterung zu großen Winkeln
Sensitivitätserhöhung im Bereich > 1µm
Erhöhung der Auflösung im Bereich > 1µm
Blaulichtdioden (λ = 450nm) Strahlengang
Sub-µm Messbereich bis 0.02µm
Sensitivitätserhöhung
Erhöhung der Auflösung
Bildanalyse
Partikelgröße
Partikelform
Zählverfahren – daher empfindlich für Grob- und
Feinkornanteile
Allgemeine Anforderung - Orientierung
Circularity Distribution of Rods Presented with Varying Orientation
30
25
20
15
10
5
0
0.0
Probe ist monodispers
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Circularity
0.7
0.8
0.9
Diameter Distribution of Rods Presented with Varying Orientation
25
20
Aufgrund von zufälliger Orientierung
wird das Größen- und
Zirkularitätsergebnis polydispers !
1.0
15
10
5
0
6
8
10
12
14
16
Diameter (μ m)
18
20
22
Neu: das Morphologi G3
Zukunftsweisende, hochsensitive Partikelcharakterisierung mittels Bildanalyse
Integrierte
Dispergiereinheit
für Pulverproben
Glasplatte
Automatisierte
Mikroskop Optik
Automatisiert,
verfahrbarer
Probentisch
Partikel müssen orientiert abgebildet werden
Morphologi G3
Probe wird auf einen Objektträger
dispergiert
Partikel nehmen die mechanisch stabilste
Position ein
Größte Partikelfläche zeigt zur Kamera hin
Integrierte Dispergiereinheit für Pulver
Probenträger wird mit Präzisionsfolie
verschlossen
Druckluftstoß zerbricht die Folie und
dispergiert die Probe auf die Glasplatte
Dispergierparameter werden über Software
eingestellt
Integriert in SOP Messungen
Dispergierung zerbrechlicher Partikel durch
Regelung der Druckstoß Stärke möglich
Zirkularität und Durchmesser
Zirkularität = Kreisumfang / Partikelumfang
Fläche des Partikels
Kreis gleicher
Partikelfläche
Partikelumfang
Durchmesser des Kreises
gleicher Partikelfläche
Intuitive Daten Analyse - Scattergramm
Filterfunktion für
jeden Parameter
Anzeige jedes
Größen/Form
Parameters
Scattergramm
korreliert gewählte
Parameter
Einzel Partikel Ansicht
Intuitive Daten Analyse - Scattergramm
Kugeln
Scherben
Obladen
Stäbchen
Sich beRührende
Partikel
Verschiedene ScattergrammRegionen verwendet um
Klassifizierung herzustellen
Intuitive Datenanalyse - Klassifizierung
Ergebnisklassen
Datenanalysator
Vergleicht mehrere Datensätze miteinander
Bündelt Daten in ähnliche Gruppen
Findet den aussagekräftigsten Parameter !
Anwendungsbeispiel Pharma
Pharmaz. Bindemittel – Problem mit fehlerhaften Batches
Traditionelle Größenmess- und Mikroskopietechniken waren nicht in der
Lage die fehlerhaften Batches zu identifizieren
Batch A
Batch C
Batch B
Batch D
Pharmaz. Bindemittel – fehlerhafte Batches
Anwendungsbeispiel Pharma
Morphologi löste das Problem innerhalb 1 Woche
Die Partikelgröße änderte sich nicht wirklich, aber…..
Konvexität und mittlere Intensität änderten sich, und waren die
Schlüsselparameter zur Identifizierung der schlechten Batches
Form- , und nicht nur Größeninformation erforderlich
Konvexität =
Morphologi G3 – Zusammenfassung
Automatisierte Bildanalyse für Pulver und Suspensionen
Pulver Dispergiereinheit zur Vereinzelung der Partikel
Messbereich: 0.5µm - 3000µm
Partikelanzahl pro Messung: 5000 - 500.000
Typische Messzeiten: 3 – 10 min
Typische Probemenge: 5mg - 200mg
Standardisierte Messung durch SOP Konzept
FDA CFR21 Part 11 Konformität, vollständige IQ/OQ
Mechanismus der Durchflussmesszelle
Funktionsweise der Hüllstromtechnik
Mechanismus der Durchflussmesszelle
Partikel im Fokus
Orientierte Partikel !
Keine Überlappung
Probe hat keinen Kontakt zu den
Messzellenfenstern
Pigmente - Vergleich der 10 - 20µm Anteile
Pigment A
Pigment B
FPIA-3000 Zusammenfassung
Automatisches Bildanalysesystem für die Messung der Partikelgröße
und Partikelform von Suspensionen und Emulsionen
Größenbereich : 0.8µm - 300 µm
Bis zu 360 000 Partikel pro Messung (alle Bilder werden
gespeichert)
Mehr als 20 morphologische Parameter / “Ein Knopf” Bedienung
(SOP Konzept)
1 Messzyklus (Messung + automatische Spülung) in 4-5 min
Produktspezifikation und Methodenentwicklung
Die Aufgaben für die pharmazeutische Entwicklung
– gegeben durch ICH Q6A
Evaluiere den funktionellen Zusammenhang
zwischen Partikelgröße und Qualität der
Darreichungsform
Setze eine geeignete Spezifikation für die
Partikelgröße des Wirkstoffes
ICH Q6A „When a specification is first proposed,
justification should be presented for each acceptance
criterion included“
„…a reasonable range of expected analytical and
manufacturing variability should be considered“
Edgar John, APV 2009, 11. März 2009
Analytische Variabilität
Gerätefaktoren
Probenahme
Dispergierung/Probenvorbereitung
Bediener
Methodenentwicklung: Verfügbare Normen und
Standards für die Messung mittels Laserbeugung
ISO13320-1: Section 6.4
Dv50 - 5 different readings: COV < 3%
Dv10 and Dv90: COV < 5%
“Below 10μm, these maximum values should be doubled.”
USP <429>
Provides reproducibility ranges
Dv50 or any central value: <10%
Dv10, Dv90 or any non-central value: <15%
“Below 10μm, these maximum values should be doubled.”
EP 2.9.31 provides similar advice to USP<429>
Analytische Variabilität
Einfluss des Gerätes
die LLD weißt eine sehr gute Wiederholbarkeit auf.
Die Wiederholbarkeit bzw. Funktion des Gerätes wird mit
Standards gemäß 2.9.31 überprüft.
Experimentale Variabilität
EP 2.9.31 Particle Size Analysis by LLD
Control of the apparatus performance - Calibration
Kalibrierung entspricht ISO
Bestätigt die korrekte Funktion des Gesamtsystems, d.h. Optik,
Dispergiersystem, Datenauswertung
Verwendung von
Zertifizierten oder Standardreferenzmaterialen
Sekundärstandards
Sphärisch oder nicht-sphärisch
Akzeptanzkriterien:
X50 besser als +/- 3%
X10 besser als +/- 5%
X90 besser als +/- 5%
Edgar John, APV 2009, 11. März 2009
Leistungsdaten
1. Zertifizierte Referenzmaterialien z.B. Latexpartikel
Genauigkeit + Wiederholbarkeit:
Dv50: ± 0.5% (RSD)
Dv10/Dv90: ± 2.0% (RSD)
2. Transferstandards z.B. Malvern QAS Glaskugelstandard
Reproduzierbarkeit:
Dv50: ± 1.0% (RSD)
Dv10/Dv90: ± 4.0% (RSD)
Experimentale Variabilität
Probenahme
“Novices in the size measurement
field must understand that most
errors in size measurement arise
through poor sampling ....
……….. and not through
instrument inadequacies.”
T. Allen, Advances in Ceramics,
Vol 21: Ceramic Powder Science,
page 721, The American Ceramic
Society Inc. (1987)
Dr. Henk Merkus “Quality Assurance in Particle Size Measurement” from
Improving Standards in Particle Size Distribution Measurement, February 1719, 1997, at the Engineering Research Centre for Particle Science and
Technology
Probenvorbereitung: Methodik der Probenahme
=
Probenahme: Entmischungseffekte
Probenahme: Benutzung eines Probenteilers
(Spinning Riffler)
Sample stream
from a vibrating
hopper
Sample pots on
a revolving tray
Probenahme: Typische Fehler bei unterschiedlicher
Probenvorbereitung
Method
Estimated max error (%)
Cone & Quartering
22.7
Scoop Sampling
17.1
Table Sampling
7.0
Chute Riffler
3.4
Spinning Riffler
0.42
From: T. Allen Particle Size Measurement Chapman and Hall 4th Edition 1993 Page 39.
Figures based on a 60:40 sand mixture.
Probenahme: Messungen von probengeteilten
Fraktionen (riffle split)
350
300
RSDs
Size / Microns
250
Dv10
Dv50
Dv90
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Measurement Number
16
18
20
Dv10: 2.8%
Dv50: 2.9%
Dv90: 1.4%
Methodenentwicklung und Validierung: PASG
Definition der Probenvorbereitung*
“The pre-treatment and the presentation of the sample
to the measuring technique in a meaningful manner.”
Zu entscheiden
Wie die Probe entnommen wird (Sampling)
Wie die Probe dem Gerät präsentiert wird
• Nass- oder Trockendispergierung?
• Einzelkorn oder agglomeriert?
*See Bell, R., Dennis, A., Henriksen, B., North, N., and Sherwood, J., (1999) “Position Paper on Particle Sizing:
Sample Preparation, Method Validation and Data Presentation” Pharmaceutical Technology Europe, November
Analytische Variabilität
Probenvorbereitung und Dispergierung
“Novices in the size
measurement field must
understand that most errors in
size measurement arise
through poor sampling and
dispersion and not through
instrument inadequacies.”
T. Allen, Advances in Ceramics, Vol 21:
Ceramic Powder Science, page 721, The
American Ceramic Society Inc. (1987)
Dr. Henk Merkus “Quality Assurance in Particle Size Measurement” from
Improving Standards in Particle Size Distribution Measurement, February 1719, 1997, at the Engineering Research Centre for Particle Science and
Technology
Analytische Variabilität
Probenvorbereitung - Adhäsionskräfte zwischen Partikeln
107
Force of Adhesion / Gravitational Force
106
105
104
Adhesion
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0.01
0.1
1
10
100
1000
10000
Particle Size / Microns
From: Aerosol Science, Ed. C N Davies, Academic Press, London and New York, 1966
Analytische Variabilität
Dispergierung
Herstellung einer Dispersion.
Hierzu gehört:
Benetzung
De-agglomeration
If there is significant material below 20 microns in
the sample then the major factor governing
repeatability will be the dispersion of the sample
Analytische Variabilität
Nassdispergierung Dispergiermittel
Increasing Sodium Hexametaphosphate Concentration
Auch zu berücksichtigen ist der Einfluß anderer Faktoren wie
zum Beispiel Tenside und deren Konzentration sowie pH
Methodenentwicklung: Benutzung von
Dispergierhilfsstoffen und Additiven
Surfactants aid particle wetting and dispersion
Non-ionics improve wetting and provide steric barrier to
aggregation
• Tween 20 / 80; Span 20 / 80
Ionic Surfactants can provide electrosteric stabilisation
• Anionics: SDS (sodium dodecylsulfate); AOT (sodium bis-2ethylhexylsulfosuccinate)
• Cationics: CTAB (cetyltrimethylammonium bromide)
Ad-mixtures can increase particle charge
• Sodium Hexametaphosphate; Sodium Pyrophosphate; Ammonium
Citrate
• pH adjustment can also be important
Analytische Variabilität
Vorsicht bei der Konzentration
4.8
Dv50 / Microns
4.6
4.4
4.2
Mehrfachstreuung
4.0
3.8
0
5
10
15
20
Obscuration (%)
25
30
Mehrfachstreuung
Hauptdetektor
Nasszelle
Hohe
Detektornummern
Streulicht bei hohen
Detektornummern
bedeutet kleinere Partikel
Niedrige
Detektornummern
Durch Erhöhung der Abschattung (Konzentration) wird Mehrfachstreuung
verstärkt auftreten.
Dies führt zu Signalen bei höheren Detektornummern und damit zu kleineren
Partikelgrößen im Ergebnis.
Nassmessung - Mehrfachstreuung
….führt zu erhöhtem Feinanteil und zu falschen Schlussfolgerungen !
Volume (%)
10.074
Particle Size Distribution
8.0739
6.0739
4.0739
2.0739
0.073858
0.03
SiC 5% obsc, 21 July 2003 11:31:16
SiC 20% obsc, 21 July 2003 11:44:28
0.3
3
Particle Size (µm)
SiC 10% obsc, 21 July 2003 11:35:37
SiC 40% obsc, 21 July 2003 12:02:22
Wenn Zweifel bestehen, sollte eine “Abschattungs-Titration”
durchgeführt werden.
Ab welcher Abschattung wird das Ergebnis feiner angezeigt?
Analytische Variabilität
Der Einfluß von Ultraschall
Initial Dispersion (Pump and Stirrer)
Ultrasound Applied
Ultrasound Off
Particle Size / Microns
250
Dv10
Dv50
Dv90
200
150
100
50
0
0
5
10
Measurement Number
15
20
Analytische Variabilität
Ergebnisse nach Ultraschallbehandlung
Record Number
Conditions
Dv10 / Microns Dv50 / Microns Dv90 / Microns
26
After Sonication
0.446
3.531
9.73
27
After Sonication
0.446
3.545
9.765
28
After Sonication
0.446
3.542
9.742
29
After Sonication
0.446
3.535
9.718
30
After Sonication
0.447
3.554
9.76
Mean
0.45
3.54
9.74
Standard Deviation
0.00
0.01
0.02
Variation (%)
0.10
0.25
0.20
Analytische Variabilität
die Stabilität des Ergebnisses
Deionised Water
Tap Water
Dv50 / Microns
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
2
4
6
Measurement Number
8
10
Analytische Variabilität
Probenahme: Unverfälschte Ergebnisse bei der
Probenahme in Suspensionen
Stirrer
Isokinetic sampling
probe
Flow baffles
Speed of sample rise
matches sample
extraction velocity
Analytische Stabilität
Pumpen / Rührer-Drehzahl
Dv10
Dv50
Dv90
Particle Size / Microns
60
40
20
0
0
500
1000
1500
2000
Pump Rate / rpm
2500
3000
Analytische Variabilität
Überprüfung der Stabilität einer Nassmessung
80
Dv10
Dv50
Dv90
Size / Microns
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
Time / min
Stabilisation
Dv10 / μm COV (%) Dv50 / μm COV (%) Dv90 / μm COV (%)
Time / sec
1
1.27
0.66
23.17
0.17
61.89
0.33
3
1.26
0.44
22.78
0.09
61.5
0.22
5
1.25
0.36
22.55
0.15
61.34
0.14
7
1.25
0.07
22.34
0.37
61.23
0.27
10
1.25
0.44
22.09
0.26
61.04
0.28
Analytische Variabilität
Interpretation der Bildanalyse als Referenzmethode
After inappropriate level of sonication – broken particles
With reduced level of sonication – no broken particles
Analytische Variabilität
Agglomerate bzw. Grobkorn
Pharmaceutical dispersed in cyclohexane
With no surfactant a high level of agglomeration is observed
Wide size and shape distributions
Images show high degree of
agglomeration
Analytische Variabilität
Bildanalyse als eine Referenzmethode
Same sample but with addition of lecithin
Narrower and smoother size
and shape distributions
Images confirm individual particles
and little agglomeration
Probenahme bei Suspensionen
400
350
Size / Microns
300
Dv10
Dv50
Dv90
250
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
Measurement Number
30
35
40
RSDs
Dv10: 16.9%
Dv50: 15.7%
Dv90: 15.8%
Darstellung der Probe: Bildanalyse als eine
Referenzmethode
Dv10 /
Microns
Dv50 /
Microns
Dv90 /
Microns
Mastersizer 2000
1.03
2.31
5.00
Morphologi G3
1.44
2.66
5.30
Dv10 /
Microns
Dv50 /
Microns
Dv90 /
Microns
Mastersizer 2000
2.0
5.1
12.7
Morphologi G3
2.7
6.5
12.7
Analytische Variabilität
Trockendispergierung
Partikelgröße in Abhängigkeit des Dispergierdruckes
Vergleiche mit Ergebnissen von der Nassdispergierung
Analytische Variabilität
Abhängigkeit der gemessenen Partikelgröße vom
Dispergierdruck
80
Dv10
Dv50
Dv90
Size / Microns
60
40
20
0
0
1
2
Dispersion Pressure / bar
3
4
Analytische Variabilität
Ein Vergleich von Nass- und Trockendispergierung
- Agglomeriert
0 bar dry dispersion
Wet (no sonication)
Volume (%)
8
6
4
2
0
0.1
1
10
Particle Size / Microns
100
1000
Analytische Variabilität – Nass versus Trocken –
keine Agglomerate
8
4 bar dry dispersion
Wet Dispersion
Volume (%)
6
4
2
0
0.1
1
10
Particle Size / Microns
100
1000
Analytische Variabilität – Gleiche Probe bei
unterschiedlicher Drucklufteinstellung
Dv10
Dv50
Dv90
40
Size / Microns
30
20
10
0
0
1
2
Dispersion Pressure / bar
3
4
Analytische Variabilität – Gleiche Probe gemessen
bei 0,2 Bar – gute Übereinstimmung zwischen
Nass- und Trockenmessungen.
0.2 bar dry dispersion
Wet dispersion
Volume (%)
12
8
4
0
0.1
1
10
Particle Size / Microns
100
1000
Methodenvalidierung
precision for excipient measurements
Sample Number
Dv10 / μm
Dv50 / μm
Dv90 / μm
1
2
3
4
5
6
7
Mean
COV (%)
1.22
1.17
1.09
1.16
1.11
1.18
1.12
1.15
3.95
23.68
23.77
22.79
23.63
22.26
22.78
23.41
23.19
2.50
63.23
60.02
56.59
62.55
59.68
65.36
61.47
61.27
4.63
Measurements of multiple samples (n≥6) by a single operator
RSD within USP and ISO limits
Variation in Dv10 due to dispersion
Variation in Dv90 due to sampling
• Scope sampling used in this case….
Methodenvalidierung
intermediate precision for excipient measurements
Sample Number
Dv10 / μm
Dv50 / μm
Dv90 / μm
1
1.06
22.92
61.01
2
1.08
22.08
56.54
3
1.04
21.66
62.17
4
0.97
22.55
60.23
5
1.04
22.74
57.98
6
0.99
23.58
59.86
7
0.95
22.11
62.78
Mean
COV (%)
1.02
4.79
22.52
2.83
60.08
3.69
Parameter
Mean Dv50 / μm
Standard Deviation
COV (%)
Pooled Value
22.85
0.68
2.98
Pooled RSD for both analysts is within the USP and ISO
limits.
Methoden Validierung: Reproduzierbarkeit
Should now go on to test reproducibility
Defined as the precision between laboratories*
Modern sizing systems now include Standard Operating
Procedures (SOPs)
Allow all key method parameters to be specified and stored
SOP file can then be emailed to other sites to ensure the
same method is followed
Main challenge is related to the control of the laboratory
conditions and dispersant quality
*See Bell, R., Dennis, A., Henriksen, B., North, N., and Sherwood, J., (1999) “Position Paper on Particle Sizing:
Sample Preparation, Method Validation and data Presentation” Pharmaceutical Technology Europe, November
Zusammenfassung
Laserbeugung bietet eine schelle und einfache Möglichkeit zur
Bestimmung der Partikelgrößenverteilung
Bei der Definierung einer Produktspezifikation muss entschieden
werden, welchen gewichten Mittelwert zur Grunde bzw.
Größenangabe festgelegt werden soll. Außerdem muss die
Analytische Variabilität berücksichtigt werden.
Bei der Methodenentwicklung muss die Art der Probenahme und
der Dispergierung festgelegt werden. Die Toleranzen gemäß USP
<429> oder ISO13320-1 für die Reproduzierbarkeit sind hierbei
maßgebend.
Die Methodenentwicklung wird erleichtert durch die Bildanalyse.