Pevný materiál vzorku by měl být vždy dostatečně připraven zmenšením velikosti a homogenizací předtím, než je podroben chemické nebo fyzikální analýze. Je třeba dbát na to, aby analytický vzorek plně odpovídal původnímu materiálu a aby proces přípravy vzorku probíhal reprodukovatelně. Jen tak jsou zaručeny smysluplné výsledky. Většinu materiálů vzorků lze zmenšit na požadovanou analytickou jemnost při pokojové teplotě výběrem mlýna s vhodným principem zmenšování velikosti (náraz, tlak, tření, střih, řezání). Existují však limity pro zmenšování velikosti při pokojové teplotě, například když i malé zvýšení teploty ovlivní vzorek negativním způsobem; nebo když je materiál velmi pružný a výše uvedené principy zmenšování velikosti způsobují pouze deformaci. Ideálním řešením pro tyto typy vzorků je mletí za studena nebo kryogenní mletí. To zahrnuje mlecí pomůcky jako je kapalný dusík (-196 °C) nebo suchý led (-78 °C), které ochlazením vzorek zkřehnou a usnadní jeho lámavost. Další výhodou je zachování těkavých složek vzorku. V této bílé brožurce vysvětlujeme, pro které materiály vzorků je kryogenní mletí použitelné, které laboratorní mlýny jsou vhodné a které další aspekty je třeba vzít v úvahu.
Pro které materiály je vhodné kryogenní mletí
Vzorky s těkavými složkami
Materiály s těkavými složkami, jako jsou rozpouštědla (benzen, toluen, PCB, PCP, atd.), je obtížné správně připravit pro analýzu, protože zvýšení teploty během mletí může vést ke ztrátě analytů. Zvětšený povrch částic v důsledku procesu mletí dále podporuje emise těkavých látek. Nízká teplota kapalného dusíku nebo suchého ledu podstatně snižuje vysoký tlak par složek a křehne matrici vzorku. Těkavé složky jsou tedy stěží ovlivněny relativním zvýšením teploty, ke kterému dochází během procesu mletí.
Elastické vzorky
Mnohé polymery (plasty jako PP, PET, PA atd.), ale i jiné materiály, vykazují při mletí viskoelastické chování, které vede k plastické deformaci. To znamená, že nedochází k iniciaci trhliny - a tedy k rozpadu. Elastomery, jako jsou silikonové pečicí nádoby nebo pryžové pneumatiky, které se díky své pružnosti používají při pokojové teplotě, mají tzv. teplotu skelného přechodu hluboko pod pokojovou teplotou. Pokud jsou vzorky elastomerů ponořeny do kapalného dusíku, jejich teplota klesne pod teplotu skelného přechodu; tím se sníží schopnost materiálu odolávat vysokému mechanickému namáhání elasticko-plastickým chováním nebo viskózním tokem. Pokud se pak tento předem ochlazený materiál rozemele v mlýně, vzorek vykazuje křehké lámavé chování. Kryogenní mletí je vhodné i pro tvrdé plasty, přestože je tento materiál při pokojové teplotě křehký. Pro úspěšné zmenšení velikosti nesmí teplota vzorku překročit teplotu skelného přechodu.
Biologické a zdravotní vzorky
Pokud se připravují biologické vzorky, například pro následnou extrakci nukleových kyselin z kvasinek, bakterií, rostlin nebo lidských/zvířecích tkání, mohou během procesu a po něm reagovat velmi citlivě na teplotu a mohou být dokonce zničeny. V takových případech pomáhá kryogenní mletí zlepšit proces tím, že se skupiny buněk a buněčných stěn stanou křehké, což usnadní jejich rozrušení a zpomalí následný rozklad buněčných fragmentů. Nežádoucí buněčné reakce se prakticky "zmrazí" ponořením vzorku do LN2, takže buněčné aktivity lze pozorovat později.
Lepivé nebo houževnaté vzorky potravin
Lepivé nebo houževnaté vzorky, jako jsou sýry, rozinky, vinná guma nebo marcipán, se při mletí za pokojové teploty jednoduše shlukují a nejsou dostatečně homogenizovány. Nízká teplota kryogenního procesu zabraňuje shlukování vzorku, takže je důkladně homogenizován a vhodný k analýze.
Přehled aplikací
| Vzorek | Mlýn | Příslušenství | Vstupní množstv | Doba mletí | Rychlost | Konečná jemnost (d90) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| gumové medvídky | MM 400 |
|
10 Kusy | 1 min | 30 Hz | < 300 µm |
| kaučuk | CryoMill |
|
4 g | 2 min | 30 Hz | < 500 µm |
| Bakterie E. coli | CryoMill |
|
10 ml zmrazené buněčné pelety | 2 min | 30 Hz | úplné rozrušení buněk |
| plastové granuláty | ZM 300 |
|
40 g | 20 s | 18,000 min-1 | < 500 µm |
| zbytková paliva | ZM 300 |
|
150 g | 30 s | 18,000 min-1 | < 0.75 mm |
| gumové bonbóny | GM 300 |
|
500 g | 40 s + 20 s | 18,000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| gumová kačenka | SM 300 |
|
5 Kusy | 40 s | 3,000 min-1 | < 2 mm |
| Tablety s tekutou náplní | RM 200 |
|
40 Kusy | 3 min | 100 min-1 | < 250 µm |
| gumové medvídky | MM 500 control |
|
28 Kusy | 30 s | 30 Hz | < 100 µm |
| sušená jablka s bylinkami | MM 500 control |
|
30 g | 2 min | 30 Hz | < 150 µm |
| karamelové bonbóny | GM 200 |
|
15 g | 2 min | 4000 min-1 | < 300 µm |
| čokoláda s lískovými oříšky | GM 200 |
|
100 g | 4 min | 10000 min-1 | < 1 mm |
Vhodné laboratorní mlýny pro kryogenní mletí
Při výběru vhodného laboratorního mlýna pro kryogenní mletí je třeba zvážit různé aspekty. Na jedné straně je pro rozhodnutí rozhodující objem vzorku, na druhé straně je důležitým faktorem také velikost vstupního materiálu a požadovaná konečná jemnost. Oscilační mlýny MM 400 a CryoMill jsou určeny pro zpracování malých objemů vzorků. Tyto mlýny často dosahují jemnějšího mletí i u obtížných plastových vzorků než například rotorové mlýny, protože vzorek zůstává po delší dobu uvnitř uzavřené mlecí nádoby ve srovnání s otevřenou mlecí komorou rotorových mlýnů. Vzorek je během celého procesu mletí nepřetržitě chlazen, v mlýnech CryoMill dokonce při konstantní teplotě -196 °C. MM 500 control dokáže udržovat zvolenou teplotu od -100 °C do 0 °C. Nabízí možnost mletí i většího objemu vzorku pf až 80 ml na dávku.
Pro tyto teploty je povoleno používat nádoby z oxidu zirkoničitého nebo karbidu wolframu. U velmi houževnatých vzorků, jako je většina plastů, je rozmělnění možné pouze při nejchladnější variantě - CryoMill. Rotorové mlýny, hmoždířové mlýny, nožové mlýny nebo střižné mlýny zpracovávají podstatně větší objemy a velikosti vstupních surovin než oscilační mlýny. Principy zmenšování velikosti těchto mlýnů však obvykle produkují větší velikost mletého materiálu, zejména při mletí plastů. Nožové mlýny GRINDOMIX GM 200 nebo GM 300 jsou vhodné pro kryogenní mletí především potravinářských vzorků s tím omezením, že lze používat pouze suchý led, nikoli kapalný dusík, protože mlýn není určen pro teploty až -196 °C. Předem zmrazené vzorky (mraznička, lázeň LN2 bez přenosu LN2 do mlýnku) jsou v pořádku. Rotorové a střižné mlýny však přijímají jako mlecí pomůcky jak suchý led, tak kapalný dusík.
Vzhledem k velmi nízké teplotě je kapalný dusík vhodný zejména pro materiály s teplotou skelného přechodu nižší než -50 °C. Suchý led má tu výhodu, že se odpařuje méně rychle než kapalný dusík; navíc může být smíchán se vzorkem pro mletí, čímž se prodlouží chladicí účinek. To je zvláště výhodné pro materiály s nízkou tepelnou kapacitou, které nedokážou udržet nízkou teplotu, například tenké plastové fólie. Podávání vzorku suchým ledem je obecně snazší, zejména pokud jsou částice menší než 1 mm, než extrakce materiálu z kapalného dusíku. Kromě toho je manipulace se suchým ledem bezpečnější, protože například nebezpečí udušení je mnohem menší. Suchý led také při mletí nestříká, protože se zcela smísí s materiálem vzorku. Bez ohledu na tyto aspekty je třeba při práci s kryogenními pomůckami pro mletí vždy dodržovat příslušné bezpečnostní předpisy. V následující části je představena řada laboratorních mlýnků vhodných pro kryogenní mletí.
Oscilační mlýny MM 400, MM 500 nano, MM 500 vario, MM 500 control a CryoMill
Oscilační mlýny, např. MM 400, MM 500 vario a CryoMill, jsou dokonale vhodné pro homogenizaci malých objemů vzorků s maximální velikostí vstupního materiálu 8 mm. Tyto mlýny jsou vybaveny dvěma, resp. jednou nebo šesti mlecími stanicemi, do nichž se pro mletí bezpečně upínají šroubovací mlecí nádoby - naplněné mlecími kuličkami a vzorkem. Uzavřené mlecí nádoby, a tedy i vzorek, se zasypávají kapalným dusíkem. Vhodné mlecí nádoby MM 400 nebo MM 500 vario jsou vyrobeny z oceli nebo PTFE; k dispozici jsou rovněž jednorázové lahvičky nebo ocelové zkumavky o objemu 1,5, 2 a 5 ml. Je třeba dbát na to, aby v mlecích nádobkách nebyl uzavřen kapalný dusík. Třecí teplo při mletí způsobuje přechod LN2 do plynné fáze, což vede k výraznému zvýšení tlaku uvnitř mlecí nádobky. Pomocí kleští se uzavřená mlecí nádoba vloží na 2 až 3 minuty do izolační nádoby naplněné kapalným dusíkem a poté se upne do zařízení MM 400 nebo MM 500 vario.
Vzhledem k vysokému příkonu energie a výslednému třecímu teplu by proces mletí neměl trvat déle než 3 minuty, aby se zabránilo zahřátí vzorku a zachovaly se jeho lámavé vlastnosti. Pokud je nutná delší doba mletí, měla by být přerušena mezichlazením uzavřených mlecích nádob. Na rozdíl od dvou zmíněných oscilačních mlýnků nabízí mlýnek CryoMill výhodu průběžného chlazení mlecí nádoby kapalným dusíkem, který během několika minut sníží teplotu nádoby a vzorku na -196 °C. Tím je zaručena stálá teplota -196 °C i při dlouhých dobách mletí bez nutnosti mezichladicích cyklů. Uživatel navíc v žádném okamžiku nepřijde do styku s kapalným dusíkem, což činí provoz mlýnku CryoMill bezpečným a uživatelsky přívětivým. Funkce automatického předchlazení zajišťuje, že proces mletí nezačne dříve, než je dosaženo a udržováno teploty -196 °C. Pro mletí bez těžkých kovů je k dispozici mlecí nádoba z oxidu zirkoničitého.
Tento mlýn je nejvhodnějším strojem pro mletí i těch nejtvrdších plastových materiálů. Modely MM 500 nano a MM 500 control pracují s různými mlecími nádobami a nabízejí i větší nádoby o objemu až 125 ml - v jedné dávce tak lze zpracovat až 80 ml. Model MM 500 nano nabízí také velmi vysoký příkon energie s frekvencí až 35 Hz, což je výhodné pro efektivní drcení i tvrdších vzorků. U modelu MM 500 nano je manipulace stejná jako u modelů MM 400 a MM 500 vario. Zcela nový způsob kryogenního mletí je realizován v MM 500 control. Nádoby jsou chlazeny prostřednictvím tepelných desek. Zde, pokud je připojen také CryoPad, lze nastavit teplotu v rozmezí -100 °C až 0 °C. CryoPad řídí průtok LN2, který je nutný k udržení nastavené teploty. Tento mlýn je optimální pro vzorky, jako jsou sladkosti a potraviny, protože zde jsou k rozmělnění těchto vzorků zapotřebí pouze „mírné“ kryogenní teploty -40 °C nebo dokonce -20 °C. Protože se teplota neustále snižuje a maximální záporná teplota je -100 °C, je pro kryogenní mletí povoleno používat nádoby z karbidu wolframu a nádoby z oxidu zirkoničitého.
Mletí malých množství vzorků v oscilačních mlýnech
Oscilační mlýny jsou určeny k mletí malých objemů vzorků. Pomocí různých adaptérů lze použít zkumavky na jedno použití o objemu 1,5 ml, 2 ml nebo 5 ml - pro kryogenní mletí však mají tyto zkumavky tu nevýhodu, že jsou také křehké a mají tendenci se rozbíjet. Ve všech oscilačních mlýncích Retsch lze používat i ocelové zkumavky o objemu 2 ml, které odolávají náročným podmínkám kryogenního mletí. K dispozici jsou také adaptéry pro vložení 4 x 5 ml ocelových nádobek. Mlýnky MM 500 nano a MM 500 control dále nabízejí možnost použití 2 x 25 ml nebo 4 x 10 ml vícekomůrkových nádob.
Střižný mlýn SM 300
Výše uvedené aspekty ovlivňující výběr mlecího prostředku jsou důležité i při kryogenním mletí ve střižném mlýně SM 300. Tento mlýn je vhodný zejména pro zpracování houževnatých materiálů, jako jsou podrážky bot nebo bitumen, a přijímá větší velikosti vstupních surovin než mlýn ZM 300. Na mlýně SM 300 lze homogenizovat i hrubě řezané a zkřehčené automobilové pneumatiky. Zkřehčený vzorek materiálu je poměrně tvrdý, proto doporučujeme použít šestidiskový rotor, protože pracuje spíše jako drtič. Je také vhodný k řezání heterogenních vzorků, jako jsou například mražené části kuřat včetně kostí. Pro drcení tenkých plastových fólií, které jsou často součástí paliv získaných z odpadů, doporučujeme použít suchý led z důvodu kontinuálního chladicího efektu během procesu drcení.
Nožový mlýn GRINDOMIX GM 200 a GM 300
Lepkavé a houževnaté vzorky potravin, jako jsou sýry, rozinky, želatinové bonbóny nebo marcipán, jsou s nožovým mlýnkem GRINDOMIX GM 200 nebo GM 300 dokonale homogenizovány. Dokonce i čokoládu, která se při zpracování za pokojové teploty jednoduše stává pastou, lze úspěšně rozmělnit kryogenním způsobem. Vzorek se smíchá se suchým ledem v poměru 1:2; po několika minutách se důkladně ochladí a zahájí se proces mletí. Suchý led udržuje vzorek po celou dobu chladný. Při kryogenním mletí v GM 200 nebo GM 300 je třeba dbát na to, aby se nepoužívalo žádné plastové příslušenství, protože by se mohlo během procesu poškodit. Mezi vhodné příslušenství patří nádoba na mletí z nerezové oceli, celokovový nůž a víko s otvorem pro odpařování plynného oxidu uhličitého.
Hmoždířový mlýn RM 200
V hmoždířovém mlýnku se vzorky rozmělňují tlakem a třením a podrobují se procesu mletí tak dlouho, dokud se nedosáhne požadované konečné jemnosti. Hmoždířový mlýn RM 200 není uzavřený systém; během procesu mletí je možné přidávat suchý led nebo kapalný dusík otvorem ve víku. Pro kryogenní aplikace musí být hmoždíř a tříč vyrobeny z nerezové oceli. V hmoždířovém mlýnku lze úspěšně rozemlít například tablety s tekutou náplní.
Přehled mlýnů RETSCH pro kryogenní mletí
| Mlýn | Vstupní velikost | Vstupní množstv | Maximální výstupní velikost zrna | Poznámka |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
|
Závěr
U mnoha materiálů je rozemletí pomocí kapalného dusíku nebo suchého ledu jediným možným způsobem, jak získat vzorek vhodný pro následnou analýzu. Společnost RETSCH nabízí řadu laboratorních mlýnků, které umožňují šetrnou a účinnou kryogenní přípravu vzorků. Jejich použití výrazně snižuje náklady i pracnost potřebnou pro nízkoteplotní mletí. Výběr vhodného příslušenství zajišťuje, že proces mletí probíhá bezpečně.
Kontaktujte nás pro bezplatnou konzultaci
Produkty a služby RETSCH jsou dostupné prostřednictvím globální sítě dceřiných společností a plně vyškolených distributorů. Naši zaměstnanci vám rádi pomohou s případnými dotazy.
