固体試料は、化学的または物理的分析に供する前に、粒度分布の縮小と均質化により、常に十分に調製されなければなりません。分析試料が代表的な試料で、試料調製プロセスが再現性よく実施されるように注意する必要があります。そうして初めて意味のある結果が保証される。ほとんどの試料は、適切な粉砕原理（衝撃、圧力、摩擦、剪断、切断）を持つ粉砕機を選択することで、室温で分析に必要な細かさまで粉砕することができます。
しかし、室温での粉砕には限界があります。例えば、わずかな温度上昇でも試料に悪影響を及ぼす場合や、試料が非常に弾力性があり、上記の粉砕原理では変形する可能性がある場合などです。このような試料に最適なのは、冷間または凍結粉砕です。これは、液体窒素（-196 °C）やドライアイス（-78 °C）などの粉砕助剤を使用するもので、冷却によって試料を脆くし、破砕しやすくします。もう一つの利点は、試料の揮発性成分を保存できることです。このホワイトペーパーでは、どのような試料に凍結粉砕が適用できるのか、どのラボ用粉砕機が適しているのか、またどのような点を考慮する必要があるのかを説明します。
凍結粉砕はどのような材料に適していますか？
揮発性成分を含む試料
溶剤（ベンゼン、トルエン、PCB、PCPなど）のような揮発性成分を含む材料は、粉砕中の温度上昇によって分析対象物が失われる可能性があるため、分析用に適切に調製するのが難しい試料です。粉砕により粒子表面が増加すると、揮発性物質の排出がさらに促進されます。液体窒素やドライアイスによる凍結は、成分の高い蒸気圧を大幅に低下させ、サンプルマトリックスを脆化させます。そのため、揮発性成分は粉砕工程で生じる相対的な温度上昇の影響をほとんど受けません。
弾性試料
多くのポリマー（PP、PET、PAなどのプラスチック）やその他の材料は、粉砕中に粘弾性挙動を示し、粉砕が出来ないものが多くあります。シリコンの耐熱皿やゴムタイヤのようなエラストマーは、その柔軟性がありガラス転移温度は室温よりはるかに低くなっています。弾性プラスチック試料を液体窒素に浸すと、その温度はガラス転移温度より下がり脆化します。脆化した試料は粉砕機で粉砕を行うことができます。凍結粉砕は、室温では脆い硬質プラスチックにも適しています。
生物学的および医学的サンプル
例えば、酵母、細菌、植物、ヒト／動物組織から核酸を抽出するために、生物学的サンプルを調製する場合、それらはプロセス中およびプロセス後に非常に温度に敏感な反応を示し、破壊されることさえあります。このような場合、凍結粉砕は、細胞群や細胞壁を脆化させ、より容易に崩壊させ、その後の細胞断片の分解を遅らせることで、プロセスの改善に役立ちます。望ましくない細胞反応は、サンプルを液体窒素に浸すことで実質的に「凍結」され、後の時点で細胞活動を観察することができます。
粘着性のある食品サンプル
チーズ、レーズン、ワインガム、マジパンなどの粘着性のある試料や硬い試料は、室温で粉砕すると固まり、十分に均質化さません。凍結粉砕することで、試料が固まるのを防ぎ、試料を完全に均質化し、分析に適した状態にすることができます。
概要 アプリケーション
| サンプル | ミル | アクセサリー | 処理量 | 粉砕時間 | 速度 | 最終繊度（d90） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| gummy bears | MM 400 |
|
10 ピース | 1 （分） | 30 Hz | < 300 µm |
| 天然ゴム | CryoMill |
|
4 g | 2 （分） | 30 Hz | < 500 µm |
| 大腸菌 | CryoMill |
|
10 ml 凍結細胞ペレット | 2 （分） | 30 Hz | 細胞の完全破壊 |
| プラスチック顆粒 | ZM 300 |
|
40 g | 20 s | 18,000 min-1 | < 500 µm |
| 廃棄物固形燃料 | ZM 300 |
|
150 g | 30 s | 18,000 min-1 | < 0.75 mm |
| ワインガム | GM 300 |
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500 g | 40 s + 20 s | 18,000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| rubber duck | SM 300 |
|
5 ピース | 40 s | 3,000 min-1 | < 2 mm |
| 液体充填錠剤 | RM 200 |
|
40 ピース | 3 （分） | 100 min-1 | < 250 µm |
| gummy bears | MM 500 control |
|
28 ピース | 30 s | 30 Hz | < 100 µm |
| ドライアップルとハーブ | MM 500 control |
|
30 g | 2 （分） | 30 Hz | < 150 µm |
| キャラメル菓子 | GM 200 |
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15 g | 2 （分） | 4000 min-1 | < 300 µm |
| ヘーゼルナッツ入りチョコレート | GM 200 |
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100 g | 4 （分） | 10000 min-1 | < 1 mm |
凍結粉砕に適したラボ用粉砕機
凍結粉砕に適したラボミルを選択する際には、様々な点を考慮する必要があります。一方では、試料量が重要であり、他方では、供給サイズと最終的な粉砕粒度も重要な要素です。ミキサーミル MM400とクライオミルは、少量の試料を処理するために設計されています。ミキサーミルMM400とクライオミルは、少量の試料を処理するために設計された粉砕機で、ローターミルのような開放型の粉砕室に比べ、密閉型の粉砕ジャー内に試料が長時間滞留するため、粉砕が難しいプラスチック試料でも、ローターミルより微粉砕が可能です。クライオミルでは、-196 °Cの一定温度でも、試料は粉砕プロセス全体を通して連続的に冷却されます。MM 500 CONTROLは、-100℃から0℃までの温度設定が可能です。
ジルコニアやタングステン製のジャーを使用すれば、この温度でも粉砕が可能です。プラスチックのような非常に硬いサンプルの場合、粉砕は最も低温のオプションであるクライオミルでのみ可能です。ローターミル、モルタルグラインダー、ナイフミル、カッティングミルは、ミキサーミルに比べて処理量も投入試料サイズも大きくなります。しかし、これらの粉砕機では、粉砕の原理上、特にプラスチックの粉砕では、粉砕粒径が大きくなります。ナイフミルグラインドミックス GM 200またはGM 300は、主に食品サンプルの凍結粉砕に適していますが、-196 °Cまでの低温には対応していないため、ドライアイスのみで、液体窒素は使用できません。凍結前（フリーザー、LN2バス、LN2を粉砕機内に移動させない）の試料はOKです。
液体窒素は非常に低温であるため、特にガラス転移温度が-50 °C以下の試料に適しています。ドライアイスは液体窒素よりも蒸発が早いという利点があり、さらに、粉砕のために試料と混ぜることができるため、冷却効果を高めることができます。これは、例えば薄いプラスチック箔のように、低温を保持できない熱容量の小さい材料に特に有益です。ドライアイスによる試料供給は、特に粒子が 1 mm より小さい場合、液体窒素から試料を抽出するよりも一般的に簡単です。さらに、ドライアイスは、窒息などの危険性がはるかに小さいため、取り扱いがより安全です。また、ドライアイスは試料と完全に混合されるため、粉砕中に飛び散ることもない。このような点にかかわらず、凍結粉砕助剤を取り扱う際には、常に適切な安全規制を遵守する必要があります。次のセクションでは、凍結粉砕に適したラボ用粉砕機をご紹介します。
ミキサーミル MM400、MM500 NANO、MM500 VARIO、MM 500 CONTROL、クライオミル
ミキサーミル MM400、MM500 VARIO、クライオミル は、最大試料径8mmの少量サンプルのホモジナイズに 最適です。これらの粉砕機には、2基、それぞれ1基または6基の粉砕ステーションがあり、粉砕ボールと試料を詰めたスクリュートップの粉砕ジャーをしっかりとクランプして粉砕します。密閉された粉砕ジャーと試料は、液体窒素で脆化されます。MM400またはMM500 VARIOに適した粉砕ジャーはスチール製またはPTFE製で、1.5ml、2ml、5mlの単回使用バイアルまたはスチールチューブもあります。粉砕ジャーに液体窒素が封入されないように注意してください。粉砕時の摩擦熱でLN2が気相になり、粉砕ジャー内の圧力がかなり上昇する。
高いエネルギー入力とその結果生じる摩擦熱のため、試料が温まるのを防ぎ、破砕特性を維持するために、粉砕工程は3分以内にしてください。より長い粉砕時間が必要な場合は、密閉した粉砕ジャーを中間冷却することで中断する必要があります。前述の2つのミキサーミルとは異なり、クライオミルは液体窒素で粉砕ジャーを連続的に冷却し、ジャーと試料の温度を数分で-196℃まで下げることができます。このため、中間冷却サイクルを必要とせず、長時間の粉砕でも-196℃の安定した温度が保証されます。さらに、ユーザーが液体窒素に触れることがないため、クライオミルの操作は安全でユーザーフレンドリーです。自動予冷機能により、-196℃に到達・維持される前に粉砕が開始されることはありません。重金属を含まない粉砕には、ジルコニアの粉砕ジャーが用意されています。
この粉砕機は、最も硬いプラスチック材料の粉砕にも最適です。MM 500 NANOとMM 500 CONTROLは、それぞれ異なる粉砕ジャーに対応し、最大125mlの大型ジャーも用意されています。MM500 NANOは、最大35Hzの高エネルギー入力が可能で、硬い試料も効率的に粉砕できます。MM500 NANOの取り扱いは、MM400およびMM500 VARIOと同様です。MM 500 CONTROLでは、全く新しい凍結粉砕が実現しました。ジャーはサーマルプレートで冷却されます。CryoPadを取り付けると、温度は-100℃から0℃の間で設定できます。CryoPadは、設定温度を維持するために必要なLN2流量を制御します。このミルは、お菓子や食品のようなサンプルに最適で、これらのサンプルを粉砕するには、-40℃あるいは-20℃の「中程度の」極低温しか必要としないからです。温度は常に下げられ、最高マイナス温度は-100℃であるため、凍結粉砕にはタングステンカーバイド製ジャーやジルコニウム製ジャーの使用が認められている。
ミキサーミルによる少量試料の粉砕
ミキサーミルは少量の試料を粉砕するために設計されている。1.5ml、2ml、5mlの単回使用チューブが使用できますが、極低温で粉砕する場合、これらのチューブは脆く、破損しやすいという欠点があります。レッチェミキサーミルでは、凍結粉砕の過酷な条件に耐える2mlのスチールチューブも使用できます。また、4×5mlのスチールジャーを保管するためのアダプターもあります。MM500 NANOとMM 500 CONTROLでは、さらに25ml×2本または10ml×4本のマルチキャビティジャーを使用することができます。
カッティングミル SM 300
カッティングミルSM300で凍結粉砕を行う場合にも、前述した粉砕助剤の選択が重要な要素となります。この粉砕機は、靴底やアスファルトのような強靭な材料の処理に特に適しており、ZM300よりも大きなサイズの供給が可能です。SM 300では、粗く切断され脆化した自動車タイヤも粉砕可能です。脆化したサンプルはかなり硬いので、シュレッダーに近い働きをするディスクロータの使用をお勧めします。また、骨を含む冷凍鶏肉など、不均一なサンプルの切断にも適しています。廃棄物由来の燃料に多く含まれる薄いプラスチックホイルの粉砕には、粉砕中に連続的に冷却効果が得られるドライアイスの使用をお勧めします。
ナイフミル グラインドミックス GM 200 と GM 300
チーズ、レーズン、ワインガム、マジパンなど、粘着性のある硬い食品サンプルも、ナイフミル グラインドミックスGM200/GM300なら完璧にホモジナイズできます。常温ではペースト状になってしまうチョコレートも、極低温で粉砕できます。試料とドライアイスを1：2の割合で混合し、数分後に試料を完全に冷却してから粉砕を開始します。ドライアイスは試料を常に低温に保つ。GM200またはGM300で凍結粉砕を行う際には、プラスチック製のアクセサリーを使用しないようご注意ください。適切なアクセサリーは、ステンレス製の粉砕容器、フルメタルナイフ、気体の二酸化炭素を蒸発させるための開口部のある蓋などです。
モルターグラインダ RM 200
モルタグラインダでは、試料は圧力と摩擦によって粉砕され、目的の最終的な細かさに達するまで長時間粉砕工程にかけられます。モルタグラインダRM200は密閉式ではなく、粉砕中にカバーの窓からドライアイスや液体窒素を加えることができます。試料を凍結して使用する場合は、乳鉢と乳棒をステンレス製にする必要があります。液体充填の錠剤などは、モルタグラインダでうまく粉砕できます。
レッチェの凍結粉砕機 概要
| ミル | フィードサイズ | 処理量 | 最大最終粒径 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
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| GM 300 | < 40 mm | 2000 ml | 500 µm |
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| 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 |
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| MM 500 vario | < 8 mm | 6x 20 ml | 100 µm |
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| MM 500 control | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
|
| GM 200 | < 40 mm | 300 ml | 300 µm |
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まとめ
多くの試料では、液体窒素やドライアイスによる粉砕が、その後の分析に適した試料を得る唯一の方法です。レッチェでは、試料を低温で穏やかに、効率的に粉砕できるラボ用粉砕機を各種取り揃えています。低温粉砕に必要なコストと労力を大幅に削減します。適切なアクセサリーを選ぶことで、安全に粉砕作業を行うことができます。
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