Твърдият пробен материал винаги трябва да бъде достатъчно подготвен чрез намаляване на размера и хомогенизиране, преди да бъде подложен на химичен или физичен анализ. Трябва да се внимава анализираната проба да представлява напълно оригиналния материал и процесът на подготовка на пробата да се извършва възпроизводимо. Само тогава са гарантирани значими резултати. Повечето проби могат да бъдат намалени до необходимата аналитична финост при стайна температура, като се избере мелница с подходящ принцип на намаляване на размера (удар, налягане, триене, срязване, рязане).
Има обаче ограничения за намаляване на размера при стайна температура, например когато дори малко повишаване на температурата влияе отрицателно на пробата; или когато материалът е много еластичен и гореспоменатите принципи на намаляване на размера причиняват само деформация. Перфектното решение за тези видове проби е студеното или криогенно смилане. Това включва помощни средства за смилане като течен азот (-196 °C) или сух лед (-78 °C), които правят пробата крехка чрез охлаждане и я правят по-лесна за чупене. Друго предимство е запазването на летливите компоненти на пробата. В тази бяла книга обясняваме за кои проби от материали е приложимо криогенното смилане, кои лабораторни мелници са подходящи и кои други аспекти трябва да се вземат предвид.
За кои материали е препоръчително криогенното смилане
Проби с летливи компоненти
Материали с летливи компоненти като разтворители (бензен, толуен, PCB, PCP и др.) са трудни за правилна подготовка за анализ, тъй като повишаването на температурата по време на смилането може да доведе до загуба на аналитите. Увеличената повърхност на частиците, получена в резултат на процеса на смилане, допълнително насърчава отделянето на летливи вещества. Ниската температура на течния азот или сухия лед значително намалява високото налягане на парите на компонентите и прави матрицата на пробата крехка. По този начин летливите компоненти почти не се влияят от относителното повишаване на температурата, което се случва по време на процеса на смилане.
Проби с еластично поведение
Много полимери (пластмаси като PP, PET, PA и др.), както и други материали, показват вискоеластично поведение по време на смилане, което води до пластична деформация. Това означава, че не се наблюдава образуване на пукнатини - и следователно разрушаване. Еластомери като силиконови тави за печене или гумени гуми, които поради своята гъвкавост се използват при стайна температура, имат така наречената температура на стъкловиден преход, далеч под стайната температура. Ако еластичните пластмасови проби се потопят в течен азот, температурата им пада под температурата на стъкловиден преход; това намалява способността на материала да устои на високо механично напрежение чрез еластично-пластично поведение или вискозен поток. Ако този предварително охладен материал след това се смила в мелница, пробата показва крехко поведение на разрушаване. Криогенното смилане е подходящо и за твърди пластмаси, въпреки че този материал е крехък при стайна температура. За успешен процес на намаляване на размера температурата на пробата не трябва да надвишава температурата на стъкловиден преход.
Биологични и медицински проби
Ако се приготвят биологични проби, например за последващо извличане на нуклеинови киселини от дрожди, бактерии, растения или човешка/животинска тъкан, те могат да реагират силно температурно чувствително по време и след процеса и дори да бъдат унищожени. В такива случаи криогенното смилане помага за подобряване на процеса чрез крехкост на групи от клетки и клетъчни стени, което ги прави по-лесни за разрушаване и забавя последващото разлагане на клетъчните фрагменти. Нежеланите клетъчни реакции практически се „замразяват“ чрез потапяне на пробата в LN2, така че клетъчната активност да може да се наблюдава по-късно.
Лепкави или жилави проби от храна
Лепкави или твърди материали за проби като сирене, стафиди, винена гума или марципан просто се слепват, когато се смилат на стайна температура и не се хомогенизират достатъчно. Ниската температура на криогенния процес предотвратява слепването на пробата, така че тя е напълно хомогенизирана и подходяща за анализ.
Overview applications
| Sample | Mill | Accessories | Количество на пробата | Grinding time | Speed | Final fineness (d90) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| gummy bears | MM 400 |
|
10 Pieces | 1 min | 30 Hz | < 300 µm |
| caoutchouc | CryoMill |
|
4 g | 2 min | 30 Hz | < 500 µm |
| E. coli bacteria | CryoMill |
|
10 ml frozen cell pellets | 2 min | 30 Hz | complete cell disruption |
| пластмасови гранулати | ZM 300 |
|
40 g | 20 s | 18,000 min-1 | < 500 µm |
| горива получени от отпадъци | ZM 300 |
|
150 g | 30 s | 18,000 min-1 | < 0.75 mm |
| wine gum | GM 300 |
|
500 g | 40 s + 20 s | 18,000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| rubber duck | SM 300 |
|
5 Pieces | 40 s | 3,000 min-1 | < 2 mm |
| Pills with liquid filling | RM 200 |
|
40 Pieces | 3 min | 100 min-1 | < 250 µm |
| gummy bears | MM 500 control |
|
28 Pieces | 30 s | 30 Hz | < 100 µm |
| dried apples with herbs | MM 500 control |
|
30 g | 2 min | 30 Hz | < 150 µm |
| caramel sweets | GM 200 |
|
15 g | 2 min | 4000 min-1 | < 300 µm |
| chocolate with hazelnuts | GM 200 |
|
100 g | 4 min | 10000 min-1 | < 1 mm |
Подходящи лабораторни мелници за криогенно смилане
При избора на подходяща лабораторна мелница за криогенно смилане е необходимо да се вземат предвид различни аспекти. От една страна, обемът на пробата е от решаващо значение за решението, а от друга страна, размерът на захранващата смес и желаната крайна финост също са важни фактори. Смесителните мелници MM 400 и CryoMill са проектирани за обработка на малки обеми проби. Тези мелници често постигат по-фини размери на смилане, дори при трудни пластмасови проби, отколкото например роторните мелници, защото пробата остава за по-дълъг период в затворения смилащ буркан в сравнение с отворената смилаща камера на роторните мелници. Пробата се охлажда непрекъснато по време на целия процес на смилане, в CryoMill дори при постоянна температура от -196 °C. MM 500 control е в състояние да поддържа избрана температура от -100°C до 0 °C. То предлага възможност за смилане и на по-голям обем проба до 80 ml на партида.
За тези температури е разрешено използването на буркани, изработени от циркониев оксид или волфрамов карбид. За много твърди проби, като повечето пластмаси, пулверизацията е възможно само при най-студения вариант – CryoMill. Роторните мелници, хаванските мелници, ножовите мелници или режещите мелници обработват значително по-големи обеми и размери на материала от смесителните мелници. Принципите на намаляване на размера на тези мелници обаче обикновено водят до по-големи размери на смилане, особено при смилане на пластмаси. Ножови мелници GRINDOMIX GM 200 или GM 300 са подходящи за криогенно смилане главно на хранителни проби, с ограничението, че може да се използва само сух лед и никакъв течен азот, тъй като мелницата не е проектирана за температури до -196 °C. Предварително замразени (фризер, LN2 баня без прехвърляне на LN2 в мелницата) проби са подходящи. Роторните и режещите мелници обаче приемат както сух лед, така и течен азот като помощни средства за смилане.
Поради много ниската температура, течният азот е особено подходящ за материали с температура на стъклен преход под -50 °C. Сухият лед има предимството, че се изпарява по-бавно от течния азот; Освен това, може да се смеси с пробата за смилане, като по този начин се удължава охлаждащият ефект. Това е особено полезно за материали с нисък топлинен капацитет, които не могат да задържат ниската температура, например тънки пластмасови фолиа. Захранването на пробата със сух лед обикновено е по-лесно, особено ако частиците са по-малки от 1 мм, отколкото извличането на материала от течен азот. Освен това, сухият лед е по-безопасен за работа, тъй като опасността от задушаване, например, е много по-малка. Също така, сухият лед не се пръска по време на смилане, тъй като е напълно смесен с материала на пробата. Независимо от тези аспекти, винаги трябва да се спазват съответните правила за безопасност при работа с криогенни смилащи помощни средства. Следващият раздел представя гама от лабораторни мелници, подходящи за криогенно смилане.
Смесителни мелници MM 400, MM 500 nano, MM 500 vario, MM 500 control и CryoMill
Смесителните мелници, например MM 400, MM 500 vario и CryoMill, са идеални за хомогенизиране на малки обеми проби с максимален размер на подаване 8 мм. Тези мелници разполагат с две, съответно една или шест смилащи станции, в които шлифовъчните буркани с винтови капачки - пълни с шлифовъчни топки и проба - са здраво затегнати за смилане. Затворените шлифовъчни буркани, а оттам и пробата, са омекотени с течен азот. Подходящите шлифовъчни буркани на MM 400 или MM 500 vario са изработени от стомана или PTFE; предлагат се и еднократни флакони или стоманени епруветки от 1,5, 2 и 5 ml. Трябва да се внимава в шлифовъчните буркани да не е затворен течен азот. Топлината от триене на процеса на смилане кара LN2 да навлезе в газообразна фаза, което води до значително повишаване на налягането вътре в шлифовъчния буркан. С помощта на щипки затвореният буркан за смилане се поставя за 2 до 3 минути в изолационен контейнер, напълнен с течен азот, и след това се затяга в MM 400 или MM 500 vario.
Поради високото енергийно натоварване и произтичащата от триенето топлина, процесът на смилане не трябва да отнема повече от 3 минути, за да се предотврати загряването на пробата и да се запазят свойствата ѝ на раздробяване. Ако е необходимо по-дълго време на смилане, то трябва да се прекъсне с междинно охлаждане на затворените буркани за смилане. За разлика от двете споменати смесителни мелници, CryoMill предлага предимството на непрекъснато охлаждане на буркана за смилане с течен азот, като понижава температурата на буркана и пробата до -196°C в рамките на минути. По този начин се гарантира постоянна температура от -196°C дори при дълги времена на смилане, без да е необходимо междинно охлаждане. Освен това, потребителят в никакъв случай не влиза в контакт с течен азот, което прави работата на CryoMill безопасна и лесна за употреба. Функцията за автоматично предварително охлаждане гарантира, че процесът на смилане не започва, преди да се достигне и поддържа температура от -196°C. За смилане без тежки метали се предлага смилащ буркан от циркониев оксид.
Тази мелница е най-подходящата машина за пулверизиране дори на най-твърдите пластмасови материали. MM 500 nano и MM 500 control работят с различни смилащи буркани и предлагат и по-големи буркани с обем до 125 ml – по този начин могат да се обработят до 80 ml наведнъж. MM 500 nano предлага и много висок енергиен вход с до 35 Hz, което е полезно за ефективно смилане на дори по-твърди проби. За MM 500 nano, работата е същата като описаната за MM 400 и MM 500 vario. В MM 500 control е реализиран изцяло нов начин за криогенно смилане. Бурканите се охлаждат чрез термични плочи. Тук, ако е прикрепен и CryoPad, температурата може да се зададе на стойност между -100°C и 0°C. CryoPad контролира потока на LN2, който е необходим за поддържане на зададената температура. Тази мелница е оптимална за проби като сладкиши и храни, тъй като тук са необходими само „умерени“ криогенни температури от -40°C или дори -20°C за пулверизиране на тези проби. Тъй като температурата се понижава постоянно и максималната отрицателна температура е -100°C, използването на буркани от волфрамов карбид и буркани, изработени от цирконий, е разрешено за криогенно смилане.
Grinding of small sample quantities in mixer mills
Mixer mills are designed to grind small sample volumes. With different adapters, single use tubes 1.5 ml, 2 ml or 5 ml can be used- but for cryogenic grinding those tubes have the negative aspect that they are embrittles as well and tend to break. In all Retsch Mixer Mills, 2 ml steel tubes can be used as well, which withstand the harsh conditions of cryogenic grinding. Also there are adapters for keeping 4 x 5 ml steel jars. The MM 500 nano and the MM 500 control furthermore offer the option to use 2 x 25 ml or 4 x 10 ml multi cavity jars.
Режеща мелница SM 300
Гореспоменатите аспекти, влияещи върху избора на помощно средство за смилане, са от значение и при извършване на криогенно смилане в Режеща мелница SM 300. Тази мелница е особено подходяща за обработка на твърди материали като подметки на обувки или битум и приема по-големи размери на материала от ZM 300. Дори грубо нарязани и крехки автомобилни гуми могат да бъдат хомогенизирани със SM 300. Крехкият материал на пробата е доста твърд, затова препоръчваме използването на 6-дисков ротор, тъй като той работи по-скоро като шредер. Подходящ е и за рязане на хетерогенни проби, като например замразени части от пиле, включително кости. За смилане на тънко пластмасово фолио, което често е част от горива, получени от отпадъци, препоръчваме използването на сух лед поради непрекъснатия охлаждащ ефект по време на процеса на смилане.
Ножова мелница GRINDOMIX GM 200 и GM 300
Лепкави и жилави хранителни проби като сирене, стафиди, винена гума или марципан се хомогенизират перфектно с ножовата мелница GRINDOMIX GM 200 или GM 300. Дори шоколадът, който просто става пастообразен при обработка на стайна температура, може успешно да бъде пулверизиран криогенно. Пробата се смесва със сух лед в съотношение 1:2; след няколко минути се охлажда напълно и процесът на смилане започва. Сухият лед поддържа пробата хладна през цялото време. Трябва да се внимава да не се използват пластмасови аксесоари, когато се извършва криогенно смилане в GM 200 или GM 300 , тъй като те могат да се повредят по време на процеса. Подходящите аксесоари включват контейнер за смилане от неръждаема стомана, изцяло метален нож и капак с отвор, за да се изпари газообразният въглероден диоксид.
Шлайфмашина за хоросан RM 200
В хаванче за смилане пробите се пулверизират чрез налягане и триене и се подлагат на процес на смилане толкова дълго, колкото е необходимо, за да се постигне желаната крайна финост. Хаванчето за смилане RM 200 не е затворена система; възможно е да се добави сух лед или течен азот по време на процеса на смилане през прозорец в капака. За криогенни приложения хаванчето и пестикът трябва да бъдат изработени от неръждаема стомана. Таблетки с течен пълнеж, например, могат успешно да се пулверизират в хаванче за смилане.
Overview RETSCH Mills for Cryogenic Grinding
| Mill | Feed size | Количество на пробата | Крайна големина | Remark |
|---|---|---|---|---|
| CryoMill | < 8 mm | 1 x 20 ml | 50 µm |
|
| MM 400 | < 8 mm | 2 x 20 ml | 100 µm |
|
| ZM 300 | < 10 mm | 4000 ml | 300 µm |
|
| GM 300 | < 40 mm | 2000 ml | 500 µm |
|
| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 µm |
|
| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 µm |
|
| RM 200 | < 8 mm | 190 ml | 10 µm |
|
| MM 500 nano | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
|
| MM 500 vario | < 8 mm | 6x 20 ml | 100 µm |
|
| MM 500 control | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
|
| GM 200 | < 40 mm | 300 ml | 300 µm |
|
Conclusion
За много материали пулверизацията с течен азот или сух лед е единственият възможен начин за получаване на проба, подходяща за последващ анализ. RETSCH предлага гама от лабораторни мелници, които позволяват щадяща и ефикасна криогенна подготовка на пробите. Тяхното използване значително намалява както разходите, така и труда, необходими за нискотемпературно смилане. Подборът от подходящи аксесоари гарантира, че процесът на смилане се извършва безопасно.
Contact us for a free consultation
Продуктите и услугите на RETSCH се предлагат чрез глобална мрежа от дъщерни компании и напълно обучени дистрибутори. Нашият персонал ще се радва да ви помогне при всяко запитване.
