Um material de amostra sólido deve sempre ser suficientemente preparado por redução de tamanho e homogeneização antes de ser submetido a análises químicas ou físicas. Deve-se garantir que a amostra de análise represente integralmente o material original e que o processo de preparação da amostra seja realizado de maneira reprodutível. Somente assim são garantidos resultados significativos. A maioria dos materiais de amostra pode ser reduzida à finura analítica necessária em temperatura ambiente, escolhendo-se um moinho com um princípio de redução de tamanho adequado (impacto, pressão, atrito, cisalhamento, corte). No entanto, existem limites para a redução de tamanho em temperatura ambiente, por exemplo, quando até um pequeno aumento de temperatura afeta a amostra de maneira negativa; ou quando o material é muito elástico e os princípios de redução de tamanho mencionados acima causam apenas deformação. A solução perfeita para esses tipos de amostras é a moagem a frio ou criogênica. Isso envolve auxiliares de moagem, como nitrogênio líquido (-196 °C) ou gelo seco (-78 °C), que tornam a amostra mais frágil pelo resfriamento e fazem com que ela se quebre mais facilmente. Outra vantagem é a preservação dos componentes voláteis da amostra. Neste white paper, explicamos para quais materiais de amostra a moagem criogênica é aplicável, quais moinhos de laboratório são adequados e que outros aspectos precisam ser levados em consideração.
Para quais materiais a moagem criogênica é aconselhada
Amostras com componentes voláteis
Materiais com componentes voláteis como solventes (benzeno, tolueno, PCB, PCP, etc.) são difíceis de preparar adequadamente para análise porque um aumento de temperatura durante a moagem pode levar à perda dos analitos. O aumento da superfície das partículas resultante do processo de moagem promove ainda mais a emissão de voláteis. A baixa temperatura do nitrogênio líquido ou do gelo seco reduz substancialmente a alta pressão de vapor dos componentes e fragiliza a matriz da amostra. Assim, os componentes voláteis são pouco afetados pelo aumento relativo de temperatura que ocorre durante o processo de moagem.
Amostras com comportamento elástico
Muitos polímeros (plásticos como PP, PET, PA, etc.), bem como outros materiais, apresentam comportamento viscoelástico durante a moagem, o que resulta em deformação plástica. Isso significa que uma iniciação de trinca - e, portanto, uma quebra - não ocorre. Elastômeros como formas de silicone para assar ou pneus de borracha, que devido à sua flexibilidade são usados em temperatura ambiente, têm uma chamada temperatura de transição vítrea bem abaixo da temperatura ambiente. Se amostras plásticas elásticas são imersas em nitrogênio líquido, sua temperatura cai abaixo da temperatura de transição vítrea; isso reduz a capacidade do material de resistir a um alto estresse mecânico por comportamento elasto-plástico ou fluxo viscoso. Se esse material pré-resfriado é então moído em um moinho, a amostra exibe comportamento de quebra frágil. A moagem criogênica também é adequada para plásticos duros, embora este material seja frágil em temperatura ambiente. Para um processo de redução de tamanho bem-sucedido, a temperatura da amostra não deve exceder a temperatura de transição vítrea.
Amostras médicas e biológicas
Se amostras biológicas são preparadas, por exemplo, para subsequente extração de ácidos nucleicos de leveduras, bactérias, plantas ou tecido humano/animal, elas podem reagir de forma altamente sensível à temperatura durante e após o processo e podem até ser destruídas. Nesses casos, a moagem criogênica ajuda a melhorar o processo ao tornar grupos de células e paredes celulares mais frágeis, fazendo com que se rompam mais facilmente e retardando a subsequente decomposição dos fragmentos celulares. Reações celulares indesejadas são praticamente "congeladas" pela imersão da amostra em LN2 (nitrogênio líquido), de modo que as atividades celulares podem ser observadas em um momento posterior.
Amostras de alimentos duros ou pegajosos
Materiais de amostra pegajosos ou resistentes, como queijo, uvas passas, goma de vinho ou marzipã, simplesmente se aglomeram quando moídos à temperatura ambiente e não são suficientemente homogeneizados. A baixa temperatura do processo criogênico impede que a amostra se aglomere, de modo que ela é completamente homogeneizada e adequada para análise.
Visão geral das aplicações
| Amostra | Moinho | Acessórios | Feed quantity | Tempo de moagem | Velocidade | Finura final (d90) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ursinhos de goma | MM 400 |
|
10 Peças | 1 min | 30 Hz | < 300 µm |
| Caucho | CryoMill |
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4 g | 2 min | 30 Hz | < 500 µm |
| Bacteria E. coli | CryoMill |
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10 ml pelotas de células congeladas | 2 min | 30 Hz | disrupção celular completa |
| grânulos de plásticos | ZM 300 |
|
40 g | 20 s | 18,000 min-1 | < 500 µm |
| refuse derived fuels | ZM 300 |
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150 g | 30 s | 18,000 min-1 | < 0.75 mm |
| Goma de vinho | 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 |
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5 Peças | 40 s | 3,000 min-1 | < 2 mm |
| Pílulas com recheio líquido | RM 200 |
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40 Peças | 3 min | 100 min-1 | < 250 µm |
| ursinhos de goma | MM 500 control |
|
28 Peças | 30 s | 30 Hz | < 100 µm |
| Maçãs secas com ervas | MM 500 control |
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30 g | 2 min | 30 Hz | < 150 µm |
| Doces de caramelo | GM 200 |
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15 g | 2 min | 4000 min-1 | < 300 µm |
| Chocolate com avelãs | GM 200 |
|
100 g | 4 min | 10000 min-1 | < 1 mm |
Moinhos de laboratório adequados para moagem criogênica
Ao selecionar um moinho de laboratório adequado para a moagem criogênica, diversos aspectos precisam ser considerados. Por um lado, o volume da amostra é crucial para a decisão, por outro lado, o tamanho inicial da amostra e a finura final desejada também são fatores importantes. Os moinhos misturadores MM 400 e CryoMill são projetados para processar pequenos volumes de amostra. Esses moinhos frequentemente alcançam tamanhos de moagem mais finos, mesmo com amostras de plásticos difíceis, do que, por exemplo, os moinhos de rotor, porque a amostra permanece por um período mais longo dentro do frasco de moagem fechado em comparação com a câmara de moagem aberta dos moinhos de rotor. A amostra é resfriada continuamente durante todo o processo de moagem, no CryoMill até mesmo com uma temperatura constante de -196 °C. O MM 500 control é capaz de manter uma temperatura selecionada de -100°C a 0 °C. Ele oferece a opção de moer também volumes maiores de amostra de até 80 ml por lote. O uso de frascos feitos de óxido de zircônio ou carbeto de tungstênio é permitido para essas temperaturas. Para amostras muito resistentes, como a maioria dos plásticos, a pulverização só é possível na opção mais fria - o CryoMill. Moinhos de rotor, moinhos de almofariz, moinhos de facas ou moinhos de corte processam volumes substancialmente maiores e tamanhos de alimentação do que os moinhos misturadores. No entanto, os princípios de redução de tamanho desses moinhos geralmente produzem tamanhos de moagem maiores, especialmente ao moer plásticos. Os Moinhos de Facas GRINDOMIX GM 200 ou GM 300 são adequados para moagem criogênica principalmente de amostras de alimentos, com a restrição de que apenas gelo seco e nenhum nitrogênio líquido pode ser usado, pois o moinho não é projetado para temperaturas tão baixas quanto -196 °C. Amostras pré-congeladas (Freezer, banho de LN2 sem transferência de LN2 para o moinho) são aceitáveis. Moinhos de rotor e de corte, no entanto, aceitam tanto gelo seco quanto nitrogênio líquido como auxílios de moagem. Devido à temperatura muito baixa, o nitrogênio líquido é particularmente adequado para materiais com uma temperatura de transição vítrea abaixo de -50 °C. O gelo seco tem a vantagem de evaporar menos rapidamente do que o nitrogênio líquido; além disso, pode ser misturado com a amostra para moagem, estendendo assim o efeito de resfriamento. Isso é particularmente benéfico para materiais de baixa capacidade térmica que não podem manter a baixa temperatura, por exemplo, folhas finas de plástico. A alimentação da amostra com gelo seco é geralmente mais fácil, especialmente se as partículas forem menores que 1 mm, do que extrair o material do nitrogênio líquido. Além disso, o gelo seco é mais seguro de manusear, pois o perigo de asfixia, por exemplo, é muito menor. Além disso, o gelo seco não espirra durante a moagem, pois é completamente misturado com o material da amostra. Independentemente desses aspectos, as regulamentações de segurança apropriadas devem sempre ser observadas ao lidar com auxílios de moagem criogênica. A seção seguinte apresenta uma gama de moinhos de laboratório adequados para a moagem criogênica.
Moinhos Misturadores MM 400, MM 500 nano, MM 500 vario, MM 500 control e o CryoMill
Os moinhos misturadores, como por exemplo o MM 400, MM 500 vario e CryoMill, são perfeitamente adequados para homogeneizar pequenos volumes de amostras com um tamanho máximo de alimentação de 8 mm. Esses moinhos apresentam duas, respectivamente uma ou seis, estações de moagem nas quais os frascos de moagem com tampa de rosca - preenchidos com bolas de moagem e amostra - são fixados de forma segura para a moagem. Os frascos de moagem fechados, e assim a amostra, são fragilizados com nitrogênio líquido. Os frascos de moagem adequados do MM 400 ou do MM 500 vario são feitos de aço ou PTFE; frascos de uso único ou tubos de aço de 1,5, 2 e 5 ml também estão disponíveis. Deve-se ter cuidado para que nenhum nitrogênio líquido fique fechado dentro dos frascos de moagem. O calor de fricção do processo de moagem faz com que o LN2 passe para a fase gasosa, resultando em um aumento considerável de pressão dentro do frasco de moagem. Com a ajuda de pinças, o frasco de moagem fechado é colocado por 2 a 3 minutos em um recipiente de isolamento preenchido com nitrogênio líquido e então é fixado no MM 400 ou MM 500 vario. Devido à alta entrada de energia e ao calor de fricção resultante, o processo de moagem não deve durar mais de 3 minutos para evitar que a amostra aqueça e para preservar suas propriedades de quebra. Se forem necessários tempos de moagem mais longos, estes devem ser interrompidos por resfriamento intermediário dos frascos de moagem fechados. Ao contrário dos dois moinhos misturadores mencionados, o CryoMill oferece a vantagem do resfriamento contínuo do frasco de moagem com nitrogênio líquido, reduzindo a temperatura do frasco e da amostra para -196°C em minutos. Assim, uma temperatura constante de -196°C é garantida mesmo para tempos de moagem longos sem a necessidade de ciclos de resfriamento intermediários. Além disso, o usuário não entra em contato com o nitrogênio líquido em nenhum momento, o que torna a operação do CryoMill segura e amigável. A função automática de pré-resfriamento garante que o processo de moagem não comece antes que uma temperatura de -196°C seja alcançada e mantida. Para moagem livre de metais pesados, está disponível um frasco de moagem de óxido de zircônio. Este moinho é a máquina mais adequada para pulverizar até os materiais plásticos mais resistentes. O MM 500 nano e o MM 500 control trabalham com diferentes frascos de moagem e oferecem também frascos maiores de até 125 ml de volume – assim, até 80 ml em um lote podem ser processados. O MM 500 nano oferece também uma entrada de energia muito alta de até 35 Hz, o que é benéfico para triturar amostras ainda mais duras de forma eficiente. Para o MM 500 nano, o manuseio é o mesmo descrito para o MM 400 e MM 500 vario. Uma nova maneira de fazer moagem criogênica é realizada no MM 500 control. Os frascos são resfriados através das placas térmicas. Aqui, se um CryoPad também estiver acoplado, a temperatura pode ser ajustada para um valor entre -100°C e 0°C. O CryoPad controla o fluxo de LN2 necessário para manter a temperatura definida. Assim, este moinho é ótimo para amostras como doces e alimentos, já que aqui apenas temperaturas criogênicas “moderadas” de -40°C ou até -20°C são necessárias para pulverizar essas amostras. Como a temperatura é constantemente reduzida, e a temperatura negativa máxima é de -100°C, o uso de frascos de carbeto de tungstênio e frascos feitos de óxido de zircônio é permitido para moagem criogênica.
Moagem de pequenas quantidades de amostras em moinhos misturadores
Os moinhos misturadores são projetados para moer pequenos volumes de amostras. Com diferentes adaptadores, podem ser usados tubos descartáveis de 1,5 ml, 2 ml ou 5 ml - mas, para a moagem criogênica, esses tubos têm o aspecto negativo de que também se tornam frágeis e tendem a quebrar. Em todos os Moinhos Misturadores da Retsch, podem ser usados também tubos de aço de 2 ml, que resistem às condições severas da moagem criogênica. Além disso, existem adaptadores para manter 4 frascos de aço de 5 ml. O MM 500 nano e o MM 500 control oferecem ainda a opção de usar 2 frascos multi cavidades de 25 ml ou 4 de 10 ml.
Moinho de Corte SM 300
Os aspectos mencionados anteriormente que influenciam a escolha de um auxiliar de moagem também são relevantes ao realizar a moagem criogênica no Moinho de Corte SM 300. Este moinho é particularmente adequado para processar materiais difíceis como solas de sapato ou betume e aceita tamanhos de alimentação maiores do que o ZM 300. Até pneus de carro cortados grosseiramente e fragilizados podem ser homogeneizados com o SM 300. O material da amostra fragilizado é bastante duro, portanto, recomendamos o uso do rotor de 6 discos, pois funciona mais como um triturador. Ele também é adequado para cortar amostras heterogêneas, como partes de frango congeladas, incluindo ossos. Para a moagem de películas plásticas finas, que muitas vezes fazem parte de combustíveis derivados de resíduos, recomendamos o uso de gelo seco devido ao efeito contínuo de resfriamento durante o processo de moagem.
Moinho de Facas GRINDOMIX GM 200 e GM 300
Amostras de alimentos pegajosos e resistentes, como queijo, uvas passas, goma de vinho ou marzipã, são perfeitamente homogeneizados com o Moinho de Facas GRINDOMIX GM 200 ou GM 300. Até mesmo chocolate, que simplesmente se torna pastoso quando processado à temperatura ambiente, pode ser pulverizado com sucesso criogenicamente. A amostra é misturada com gelo seco numa proporção de 1:2; após alguns minutos, está completamente resfriada e o processo de moagem começa. O gelo seco mantém a amostra resfriada o tempo todo. Deve-se ter cuidado para não usar quaisquer acessórios de plástico ao realizar a moagem criogênica no GM 200 ou GM 300, pois estes podem ser danificados durante o processo. Acessórios adequados incluem um recipiente de moagem de aço inoxidável, uma faca totalmente metálica e uma tampa com abertura para deixar o dióxido de carbono gasoso evaporar.
Moinho de Almofariz RM 200
Em um moinho de almofariz, as amostras são pulverizadas por pressão e fricção e são submetidas ao processo de moagem pelo tempo necessário para alcançar a finura final desejada. O Moinho de Almofariz RM 200 não é um sistema fechado; é possível adicionar gelo seco ou nitrogênio líquido durante o processo de moagem através de uma janela na tampa. Para aplicações criogênicas, o almofariz e o pilão precisam ser feitos de aço inoxidável. Comprimidos com preenchimento líquido, por exemplo, podem ser pulverizados com sucesso em um moedor de almofariz.
Visão Geral dos Moinhos RETSCH para Moagem Criogênica
| Moinho | Tamanho da alimentação | Feed quantity | Máx. finura final | Observação |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
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| RM 200 | < 8 mm | 190 ml | 10 µm |
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| MM 500 nano | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm | Moagem de até 80 ml de amostra em um único lote Pode ser necessário um resfriamento intermediário Moagem mais potente a 35 Hz |
| 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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Conclusão
Para muitos materiais, a pulverização com nitrogênio líquido ou gelo seco é o único jeito possível de obter uma amostra adequada para análise subsequente. A RETSCH oferece uma gama de moinhos de laboratório que permitem uma preparação de amostras eficiente. Seu uso reduz consideravelmente tanto o custo quanto o trabalho necessários para a moagem em baixas temperaturas. Uma seleção de acessórios adequados garante que o processo de moagem seja realizado de maneira segura.
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