Pevný materiál vzorky by sa mal vždy dostatočne pripraviť zmenšením veľkosti a homogenizáciou predtým, ako sa podrobí chemickej alebo fyzikálnej analýze. Je potrebné dbať na to, aby analytická vzorka úplne zodpovedala pôvodnému materiálu a aby bol proces prípravy vzorky reprodukovateľný. Iba tak je možné zaručiť zmysluplné výsledky. Väčšinu materiálov vzoriek možno zmenšiť na požadovanú analytickú jemnosť pri izbovej teplote výberom mlyna s vhodným princípom zmenšovania veľkosti (náraz, tlak, trenie, strih, rezanie). Zmenšovanie veľkosti pri izbovej teplote má však svoje hranice, napríklad keď aj malé zvýšenie teploty negatívne ovplyvní vzorku, alebo keď je materiál veľmi pružný a uvedené princípy zmenšovania spôsobujú len deformáciu. Ideálnym riešením pre tieto typy vzoriek je mletie za studena alebo kryogénne mletie. To zahŕňa pomocné prostriedky na mletie, ako je kvapalný dusík (-196 °C) alebo suchý ľad (-78 °C), ktoré skrehnú vzorku a uľahčia jej rozbitie ochladením. Ďalšou výhodou je zachovanie prchavých zložiek vzorky. Táto biela brožura vysvetľuje, pre ktoré materiály vzoriek je kryogénne mletie použiteľné, ktoré laboratórne mlyny sú vhodné a ktoré ďalšie aspekty je potrebné zvážiť.
Pre ktoré materiály je vhodné kryogénne mletie
Vzorky s prchavými zložkami
Materiály s prchavými zložkami, ako sú rozpúšťadlá (benzén, toluén, PCB, PCP, atď.), sa ťažko pripravujú na analýzu, pretože zvýšenie teploty počas mletia môže viesť k strate analytov. Zväčšený povrch častíc v dôsledku procesu mletia ďalej podporuje emisiu prchavých látok. Nízka teplota tekutého dusíka alebo suchého ľadu podstatne znižuje vysoký tlak pár zložiek a krehnie matricu vzorky. Prchavé zložky sú teda len ťažko ovplyvnené relatívnym zvýšením teploty, ku ktorému dochádza počas procesu mletia.
Elastické vzorky
Mnohé polyméry (plasty ako PP, PET, PA atď.), ako aj iné materiály, vykazujú počas mletia viskoelastické správanie, ktoré vedie k plastickej deformácii. To znamená, že nedochádza k iniciácii trhlín, a teda ani k rozpadu. Elastoméry ako silikónové nádoby na pečenie alebo gumové pneumatiky, ktoré sa vďaka svojej pružnosti používajú pri izbovej teplote, majú tzv. teplotu sklovitého prechodu hlboko pod teplotou miestnosti. Ak sa vzorky elastomérov ponoria do kvapalného dusíka, ich teplota klesne pod teplotu sklovitého prechodu; tým sa zníži schopnosť materiálu odolávať vysokému mechanickému namáhaniu elasticko-plastickým správaním alebo viskóznym tokom. Ak sa tento predchladený materiál následne rozomelie v mlyne, vzorka vykazuje krehké lámavé správanie. Kryogénne mletie je vhodné aj pre tvrdé plasty, hoci tento materiál je pri izbovej teplote krehký. Na úspešné zmenšenie veľkosti nesmie teplota vzorky prekročiť teplotu sklovitého prechodu.
Biologické a lekárske vzorky
Ak sa pripravujú biologické vzorky, napríklad na následnú extrakciu nukleových kyselín z kvasiniek, baktérií, rastlín alebo ľudských/zvieracích tkanív, môžu byť počas procesu a po ňom veľmi citlivé na teplotu a môžu sa dokonca zničiť. V takýchto prípadoch kryogénne mletie pomáha zlepšiť proces tým, že skupiny buniek a bunkové steny sa stávajú krehkými, čo uľahčuje ich narušenie a spomaľuje následnú degradáciu bunkových fragmentov. Nežiaduce bunkové reakcie sa prakticky "zmrazia" ponorením vzorky do LN2, aby bolo možné neskôr pozorovať bunkovú aktivitu.
Lepivé alebo húževnaté vzorky potravín
Lepivé alebo húževnaté vzorky, ako napríklad syr, hrozienka, vínna guma alebo marcipán, sa pri mletí pri izbovej teplote jednoducho zlepia a nie sú dostatočne homogenizované. Nízka teplota kryogénneho procesu zabraňuje zhlukovaniu vzorky, takže je dôkladne homogenizovaná a vhodná na analýzu.
Prehľad aplikácií
| Vzorka | Mlyn | Príslušenstvo | Vstupné množstvo | Čas mletia | Rýchlosť | Konečná jemnosť (d90) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| gumové medvedíky | MM 400 |
|
10 Kúsky | 1 min | 30 Hz | < 300 µm |
| kaučuk | CryoMill |
|
4 g | 2 min | 30 Hz | < 500 µm |
| Baktérie E. coli | CryoMill |
|
10 ml zmrazené bunkové pelety | 2 min | 30 Hz | úplné narušenie buniek |
| plastové granuláty | ZM 300 |
|
40 g | 20 s | 18,000 min-1 | < 500 µm |
| zostatkové palivá | ZM 300 |
|
150 g | 30 s | 18,000 min-1 | < 0.75 mm |
| gumové cukríky | GM 300 |
|
500 g | 40 s + 20 s | 18,000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| gumová kačička | SM 300 |
|
5 Kúsky | 40 s | 3,000 min-1 | < 2 mm |
| Tablety s tekutou náplňou | RM 200 |
|
40 Kúsky | 3 min | 100 min-1 | < 250 µm |
| gumové medvedíky | MM 500 control |
|
28 Kúsky | 30 s | 30 Hz | < 100 µm |
| sušené jablká s bylinkami | MM 500 control |
|
30 g | 2 min | 30 Hz | < 150 µm |
| karamelové cukríky | GM 200 |
|
15 g | 2 min | 4000 min-1 | < 300 µm |
| čokoláda s lieskovými orieškami | GM 200 |
|
100 g | 4 min | 10000 min-1 | < 1 mm |
Vhodné laboratórne mlyny pre kryogénne mletie
Pri výbere vhodného laboratórneho mlyna na kryogénne mletie je potrebné zvážiť rôzne aspekty. Na jednej strane je pre rozhodnutie rozhodujúci objem vzorky, na druhej strane je dôležitým faktorom aj veľkosť vstupného materiálu a požadovaná konečná jemnosť. Oscilačné mlyny MM 400 a CryoMill sú určené na spracovanie malých objemov vzoriek. Tieto mlyny často dosahujú jemnejšie mletie aj pri náročných plastových vzorkách ako napríklad rotorové mlyny, pretože vzorka zostáva dlhší čas v uzavretej mlecej nádobe v porovnaní s otvorenou mlecou komorou rotorových mlynov. Vzorka je počas celého procesu mletia nepretržite chladená, v mlyne CryoMill dokonca pri konštantnej teplote -196 °C. MM 500 control dokáže udržiavať zvolenú teplotu od -100 °C do 0 °C. Ponúka možnosť mletia aj väčšieho objemu vzorky pf až do 80 ml na dávku.
Pri týchto teplotách je povolené používať nádoby vyrobené z oxidu zirkónia alebo karbidu volfrámu. V prípade veľmi tvrdých vzoriek, ako je väčšina plastov, je pulverizácia možná len pri najchladnejšej možnosti - v mlyne CryoMill. Rotorové mlyny, tľčiové mlynčeky, nožové mlyny alebo strižné mlyny spracúvajú podstatne väčšie objemy a veľkosti vstupov ako oscilačné mlyny. Princípy zmenšovania veľkosti týchto mlynov však zvyčajne vytvárajú väčšie veľkosti mletia, najmä pri mletí plastov. Nožové mlyny GRINDOMIX GM 200 alebo GM 300 sú vhodné na kryogénne mletie najmä potravinárskych vzoriek s tým obmedzením, že sa môže používať len suchý ľad a nie tekutý dusík, pretože mlyn nie je určený na teploty až do -196 °C. Predmrazené vzorky (mraziaci box, kúpeľ LN2 bez prenosu LN2 do mlyna) sú v poriadku. Rotorové a strižné mlyny však akceptujú suchý ľad aj kvapalný dusík ako mlecie pomôcky.
Vzhľadom na veľmi nízku teplotu je kvapalný dusík vhodný najmä pre materiály s teplotou sklovitého prechodu pod -50 °C. Výhodou suchého ľadu je, že sa vyparuje menej rýchlo ako kvapalný dusík; okrem toho sa môže miešať so vzorkou na mletie, čím sa predlžuje chladiaci účinok. To je obzvlášť výhodné pre materiály s nízkou tepelnou kapacitou, ktoré nedokážu udržať nízku teplotu, napríklad tenké plastové fólie. Podávanie vzorky suchým ľadom je vo všeobecnosti jednoduchšie, najmä ak sú častice menšie ako 1 mm, ako extrakcia materiálu z kvapalného dusíka. Okrem toho je manipulácia so suchým ľadom bezpečnejšia, pretože nebezpečenstvo napríklad udusenia je oveľa menšie. Suchý ľad sa počas mletia tiež nerozstrekuje, pretože sa úplne zmieša s materiálom vzorky. Bez ohľadu na tieto aspekty by sa pri práci s kryogénnymi pomôckami na mletie mali vždy dodržiavať príslušné bezpečnostné predpisy. V nasledujúcej časti je predstavený sortiment laboratórnych mlynčekov vhodných na kryogénne mletie.
Oscilačné mlyny MM 400, MM 500 nano, MM 500 vario, MM 500 control a CryoMill
Oscilačné mlyny, napr. MM 400, MM 500 vario a CryoMill, sú dokonale vhodné na homogenizáciu malých objemov vzoriek s maximálnou veľkosťou vstupného materiálu 8 mm. Tieto mlyny sú vybavené dvoma, resp. jednou alebo šiestimi mlecími stanicami, do ktorých sa na mletie bezpečne upínajú skrutkovacie mlecie nádoby - naplnené mlecími guľôčkami a vzorkou. Uzavreté mlecie nádoby, a teda aj vzorka, sú skrápané tekutým dusíkom. Vhodné mlecie nádoby MM 400 alebo MM 500 vario sú vyrobené z ocele alebo PTFE; k dispozícii sú aj jednorazové fľaštičky alebo oceľové skúmavky s objemom 1,5, 2 a 5 ml. Je potrebné dbať na to, aby v nádobách na mletie nebol uzavretý tekutý dusík. Teplo spôsobené trením pri mletí spôsobuje prechod LN2 do plynnej fázy, čo vedie k značnému zvýšeniu tlaku vo vnútri mlecej nádoby. Pomocou klieští sa uzavretá nádoba na mletie umiestni na 2 až 3 minúty do izolačnej nádoby naplnenej tekutým dusíkom a potom sa upne do zariadenia MM 400 alebo MM 500 vario.
Vzhľadom na vysoký príkon energie a výsledné trecie teplo by proces mletia nemal trvať dlhšie ako 3 minúty, aby sa zabránilo zahriatiu vzorky a zachovali sa jej lámavé vlastnosti. Ak je potrebný dlhší čas mletia, mal by sa prerušiť medzichladením uzavretých mlských nádob. Na rozdiel od dvoch uvedených mlynčekov ponúka mlynček CryoMill výhodu nepretržitého chladenia mlecej nádoby tekutým dusíkom, čím sa teplota nádoby a vzorky zníži na -196 °C v priebehu niekoľkých minút. Takto je zaručená stála teplota -196 °C aj počas dlhého mletia bez potreby medzichladiacich cyklov. Používateľ navyše v žiadnom okamihu neprichádza do kontaktu s kvapalným dusíkom, čo robí prevádzku mlynčeka CryoMill bezpečnou a užívateľsky prívetivou. Funkcia automatického predchladenia zabezpečuje, že proces mletia sa nezačne skôr, ako sa dosiahne a udrží teplota -196 °C. Na mletie bez ťažkých kovov je k dispozícii mlecia nádoba z oxidu zirkónia.
Tento mlyn je najvhodnejším strojom na mletie aj tých najtvrdších plastových materiálov. Modely MM 500 nano a MM 500 control pracujú s rôznymi mlecími nádobami a ponúkajú aj väčšie nádoby s objemom až 125 ml - v jednej dávke tak možno spracovať až 80 ml. MM 500 nano ponúka aj veľmi vysoký príkon energie s frekvenciou až 35 Hz, čo je výhodné na efektívne mletie aj tvrdších vzoriek. V prípade MM 500 nano je manipulácia rovnaká ako pri MM 400 a MM 500 vario. Úplne nový spôsob kryogénneho mletia sa realizuje v MM 500 control. Nádoby sa chladia prostredníctvom tepelných dosiek. Tu, ak je pripojená aj podložka CryoPad, je možné nastaviť teplotu v rozmedzí od -100 °C do 0 °C. CryoPad riadi prietok LN2, ktorý je potrebný na udržanie nastavenej teploty. Tento mlyn je optimálny pre vzorky, ako sú sladkosti a potraviny, pretože tu sú na rozomletie týchto vzoriek potrebné len „mierne“ kryogénne teploty -40 °C alebo dokonca -20 °C. Keďže teplota sa neustále znižuje a maximálna záporná teplota je -100 °C, na kryogénne mletie sa môžu používať nádoby z karbidu volfrámu a nádoby zo zirkónu.
Mletie malých množstiev vzoriek v oscilačných mlynoch
Oscilačné mlyny sú určené na mletie malých objemov vzoriek. Pomocou rôznych adaptérov možno použiť jednorazové skúmavky s objemom 1,5 ml, 2 ml alebo 5 ml - na kryogénne mletie však majú tieto skúmavky nevýhodu, že sú tiež krehké a majú tendenciu sa rozbiť. Všetky oscilačné mlynčeky Retsch môžu používať aj oceľové skúmavky s objemom 2 ml, ktoré vydržia náročné podmienky kryogénneho mletia. K dispozícii sú aj adaptéry na vloženie 4 x 5 ml oceľových skúmaviek. Mlynčeky MM 500 nano a MM 500 control ponúkajú aj možnosť použitia 2 x 25 ml alebo 4 x 10 ml viackomorových nádob.
Strižný mlyn SM 300
Vyššie uvedené aspekty ovplyvňujúce výber mlecích prostredkov sú dôležité aj pri kryogénnom mletí v strižnom mlyne SM 300. Tento mlyn je obzvlášť vhodný na spracovanie húževnatých materiálov, ako sú podrážky topánok alebo bitúmen, a akceptuje väčšie veľkosti vstupných materiálov ako mlyn ZM 300. Mlyn SM 300 môže homogenizovať aj hrubo rezané a zkrehnuté automobilové pneumatiky. Zkrehnutá vzorka materiálu je pomerne tvrdá, preto odporúčame použiť šesťkotúčový rotor, pretože funguje skôr ako drvič. Je vhodný aj na rezanie heterogénnych vzoriek, ako sú napríklad mrazené kuracie časti vrátane kostí. Na drvenie tenkých plastových fólií, ktoré sú často súčasťou palív získaných z odpadu, odporúčame použiť suchý ľad kvôli nepretržitému chladiacemu účinku počas procesu drvenia.
Nožovy mlyn GRINDOMIX GM 200 a GM 300
Lepkavé a tvrdé vzorky potravín, ako sú syry, hrozienka, želatínové cukríky alebo marcipán, sa dokonale homogenizujú pomocou nožového mlynčeka GRINDOMIX GM 200 alebo GM 300. Dokonca aj čokoláda, ktorá sa pri spracovaní pri izbovej teplote jednoducho zmení na pastu, sa dá úspešne rozomlieť kryogénnym spôsobom. Vzorka sa zmieša so suchým ľadom v pomere 1:2, po niekoľkých minútach sa dôkladne ochladí a začne sa proces mletia. Suchý ľad udržiava vzorku po celý čas chladnú. Pri kryogénnom mletí v GM 200 alebo GM 300 treba dbať na to, aby sa nepoužívalo žiadne plastové príslušenstvo, pretože by sa mohlo počas procesu poškodiť. Medzi vhodné príslušenstvo patrí nádoba na mletie z nehrdzavejúcej ocele, celokovový nôž a veko s otvorom na odparovanie plynného oxidu uhličitého.
Tľčikový mlyn RM 200
V tľčikovém mlyne sa vzorky melú tlakom a trením a podrobujú sa procesu mletia, kým sa nedosiahne požadovaná konečná jemnosť. Tľčikový mlyn RM 200 nie je uzavretý systém; počas procesu mletia sa môže otvorom vo veku pridávať suchý ľad alebo kvapalný dusík. Pri kryogénnych aplikáciách musia byť mažiar a tĺčik vyrobené z nerezovej ocele. V tľčikovém mlyne možno úspešne mlieť napríklad tablety s tekutou náplňou.
Prehľad mlynov RETSCH na kryogénne mletie
| Mlyn | Vstupná veľkosť | Vstupné množstvo | Maximálna výstupná veľkosť 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 |
|
Záver
V prípade mnohých materiálov je mletie tekutým dusíkom alebo suchým ľadom jediným možným spôsobom, ako získať vzorku vhodnú na následnú analýzu. Spoločnosť RETSCH ponúka celý rad laboratórnych mlynčekov, ktoré umožňujú šetrnú a účinnú kryogénnu prípravu vzoriek. Ich použitie výrazne znižuje náklady a prácu potrebnú na mletie pri nízkych teplotách. Výber vhodného príslušenstva zabezpečuje bezpečný priebeh procesu mletia.
Kontaktujte nás pre bezplatnú konzultáciu
Produkty a služby spoločnosti RETSCH sú dostupné prostredníctvom globálnej siete dcérskych spoločností a plne vyškolených distribútorov. Naši pracovníci vám radi pomôžu s akýmkoľvek dopytom, ktorý by ste mohli mať.
