Partikelanalysatoren: Definition, Funktionsweise, Geschichte

Partikelanalysatoren sind Messinstrumente, die physikalische Eigenschaften einzelner Partikel oder ganzer Partikelkollektive erfassen, um daraus Größenverteilungen, Formparameter oder Stabilitätskennwerte abzuleiten. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo die Partikeleigenschaften eines Materials direkten Einfluss auf Produktqualität, Prozessführung oder Anwendungseigenschaften haben – von der Mahlung über die Kristallisation bis zur Formulierung von Dispersionen.

Die auf dieser Seite gelisteten Geräte nutzen unterschiedliche Messprinzipien. Bei der Laserbeugung wird eine Partikelprobe mit Laserlicht durchstrahlt; aus dem Beugungswinkel der Streulichtintensität wird die Partikelgrößenverteilung berechnet. Kleinere Partikel erzeugen dabei größere Streuwinkel als große Partikel. Bei der dynamischen Bildanalyse nimmt eine Hochgeschwindigkeitskamera einzelne Partikel optisch auf und wertet Größe und Form direkt aus den Bilddaten aus. Ein weiteres Prinzip ist die dynamische Lichtstreuung, die insbesondere im Nanometerbereich eingesetzt wird.

Neben diesen optischen Verfahren existieren Systeme, die auf Röntgenstrahl-Technologie basieren, wie der LUMiReader X-Ray von LUM, der hochkonzentrierte Nano- und Mikrodispersionen ohne vorherige Verdünnung charakterisiert. Ein modernes Partikelanalysator-System besteht in der Regel aus einer Dispergiereinheit (zur Vereinzelung der Partikel in Nass- oder Trockenmessung), einer Mess- bzw. Detektionseinheit (Laser, Kamera oder Sensor) und einer Auswertesoftware, die die Rohdaten in eine Partikelgrößenverteilung oder Formkennzahl umrechnet. Die Dispergierung entscheidet dabei maßgeblich über die Reproduzierbarkeit der Messung, weshalb Hersteller wie Fritsch beim ANALYSETTE 22 NeXT gezielt auf verschleiß- und wartungsarme Dispergiereinheiten setzen, die eine Messzeit von in der Regel unter einer Minute ermöglichen.

Welche Arten von Partikelanalysatoren gibt es?

Die Partikelgrößenanalysatoren bilden die größte Gruppe auf dieser Seite. Geräte wie das HELOS | RODOS | MYTOS & Co.-System von Sympatec decken einen Messbereich von unter 0,1 µm bis 8.750 µm ab und nutzen dafür bis zu acht diskrete Messbereichsmodule.

Granulometer wie das OPUS von Sympatec sind speziell für die Echtzeitmessung im Prozessumfeld ausgelegt und messen laut Produktbeschreibung auch in optisch dichten Flüssigkeiten mit bis zu 70 % Feststoffanteil, ohne dass eine Verdünnung der Probe notwendig ist.

Nanopartikelanalysatoren erfassen Partikel im Nanometerbereich und liefern häufig zusätzlich Informationen zur Ladung der Partikeloberfläche, wie beim kombinierten Größen- und Zetapotential-System von Verder Scientific.

3D-Partikel-Analysatoren wie der MICROTRAC CAMSIZER X2+ setzen auf dynamische Bildanalyse mit hohem Probendurchsatz, um neben der Größe auch die Form von Schüttgütern präzise zu erfassen.

Online-Partikelanalysatoren sind für die kontinuierliche Prozessüberwachung ausgelegt, etwa der ParticleMaster inspex von LaVision zur automatisierten Qualitätskontrolle direkt in der Partikelproduktion.

Partikelanalysatoren im Vergleich: Warum nicht klassische Verfahren?

Ein Partikelanalysator ist ein automatisiertes Messsystem, das gegenüber klassischen, manuellen Methoden zur Partikelcharakterisierung deutliche Unterschiede in Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit aufweist. Klassische Verfahren wie die Siebanalyse oder die manuelle Lichtmikroskopie liefern zwar ebenfalls Aussagen zur Partikelgröße, stoßen bei feinen oder unregelmäßig geformten Partikeln jedoch an ihre Grenzen.

Die Siebanalyse trennt Partikel mechanisch nach Maschenweite und eignet sich vor allem für gröbere Fraktionen; sie liefert jedoch keine Aussage zur Partikelform und ist bei Partikeln im Mikrometer- oder Nanometerbereich praktisch nicht mehr anwendbar. Laserbeugungsbasierte Systeme wie das HELOS-System von Sympatec decken dagegen einen Bereich von unter 0,1 µm bis 8.750 µm in einer einzigen Messreihe ab.

Die manuelle Mikroskopie erlaubt zwar die visuelle Beurteilung einzelner Partikel, ist aber bei der statistisch relevanten Auswertung großer Partikelkollektive zeitaufwendig. Dynamische Bildanalysesysteme wie das QICPIC | PICTOS & Co. von Sympatec automatisieren diesen Vorgang durch eine 4-Megapixel-Hochgeschwindigkeitskamera und werten so eine statistisch abgesicherte Zahl von Partikeln je Messung aus.

Ein weiterer Unterschied liegt in der Probenvorbereitung: Während viele klassische Verfahren eine Verdünnung oder Trocknung der Probe voraussetzen, sind Systeme wie das OPUS von Sympatec oder der LUMiReader X-Ray von LUM darauf ausgelegt, Proben mit hohem Feststoffanteil beziehungsweise hochkonzentrierte Dispersionen ohne Verdünnung zu messen. Das reduziert Fehlerquellen, die durch die Probenaufbereitung selbst entstehen können, und ermöglicht Messungen näher an den realen Prozessbedingungen.

In welchen Bereichen werden Partikelanalysatoren angewendet?

Partikelanalysatoren sind Messgeräte, die in nahezu allen Branchen eingesetzt werden, in denen Partikeleigenschaften über Produktqualität oder Prozessstabilität entscheiden. Die auf dieser Seite gelisteten Geräte decken dabei ein breites Anwendungsspektrum ab.

Batterieentwicklung und Materialforschung: Der MultiScan MS 20 von DataPhysics wird laut Produktbeschreibung zur quantitativen Analyse von Elektrodenschlämmen für Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, mit Messungen im Temperaturbereich von -10 °C bis 80 °C. Auch der LUMiReader X-Ray von LUM ist für Anwendungen in der Batterieentwicklung ausgelegt.

Baustoffanalytik: Das ANALYSETTE 22 NeXT von Fritsch wird unter anderem in der Baustoffanalytik eingesetzt und deckt dabei einen Messbereich von 0,01 bis 3.800 µm ab.

Additive Fertigung und akademische Forschung: Der MICROTRAC SYNC von Verder Scientific kombiniert Laserbeugung und dynamische Bildanalyse in einer einzigen Messung und wird in diesen Feldern eingesetzt.

Formulierungsentwicklung und Dispersionsanalyse: Systeme wie das NANOTRAC FLEX and STABINO ZETA Particle Analyzers DUO von Verder Scientific oder der LUMiSpoc von LUM unterstützen die frühzeitige Erkennung von Instabilitäten in Suspensionen und Emulsionen.

Typische Anwendungsbeispiele in der Praxis sind:

• Kontrolle der Mahlfeinheit bei der Zerkleinerung von Pulvern
• Überwachung von Kristallisationsprozessen im Prozessumfeld
• Bewertung der kolloidalen Stabilität von Formulierungen vor der Markteinführung
• Qualitätssicherung von Schüttgütern durch kombinierte Größen- und Formanalyse

Für Anwender, die eine Echtzeitmessung im laufenden Prozess benötigen, ist das OPUS von Sympatec eine auf dieser Seite gelistete Option. Wer Partikelform und -größe in einer Messung kombinieren möchte, findet im MICROTRAC SYNC von Verder Scientific ein entsprechendes System. Für die Stabilitätsanalyse von Dispersionen ist der MultiScan MS 20 von DataPhysics unter den gelisteten Produkten vertreten.

Technologie und Innovationen

Die Partikelanalytik ist ein Feld, in dem einzelne Messprinzipien zunehmend kombiniert werden, um mehrere Partikeleigenschaften in einer einzigen Messung zu erfassen. Ein Beispiel dafür ist der MICROTRAC SYNC von Verder Scientific, der laut Produktbeschreibung Laserbeugung und dynamische Bildanalyse patentiert synchron an derselben Probe in derselben Probenzelle durchführt.

Eine weitere Entwicklungsrichtung ist die Kombination von Größen- und Ladungsmessung in einem System, wie sie das NANOTRAC FLEX and STABINO ZETA Particle Analyzers DUO von Verder Scientific umsetzt: Größenverteilung und Zetapotential werden hier in einem gemeinsamen Workflow erfasst, was laut Hersteller die frühe Erkennung von Dispersionsinstabilitäten erleichtert.

Auch messtechnisch abseits klassischer optischer Verfahren gibt es Fortschritte: Der LUMiReader X-Ray von LUM nutzt Röntgenstrahl-Technologie, um hochkonzentrierte, optisch nicht transparente Pasten und Pigmente direkt – ohne Verdünnung – zu charakterisieren und dabei gleichzeitig Partikelgröße und Sedimentationsverhalten zu bestimmen. Für die kontinuierliche Prozessüberwachung setzt der ParticleMaster inspex von LaVision auf eine Online-Charakterisierung, die automatisierte Qualitätskontrolle direkt im Produktionsprozess ermöglicht, statt die Probe im Labor offline zu analysieren.

FAQs

Wie wähle ich den richtigen Partikelanalysator für mein Labor aus?

Die Wahl hängt vom benötigten Messbereich, der Probenart (fest, flüssig, Dispersion) und davon ab, ob Größe, Form oder beides gemessen werden soll. Für breite Messbereiche eignen sich Laserbeugungssysteme wie das HELOS-System von Sympatec, für kombinierte Größen- und Formanalyse dynamische Bildanalysesysteme wie der MICROTRAC CAMSIZER X2+.

Welche Partikelanalysatoren eignen sich für Messungen im Nanometerbereich?

Für den Nanometerbereich sind Systeme mit dynamischer Lichtstreuung oder optischer Einzelpartikelzählung geeignet, etwa das NANOTRAC FLEX and STABINO ZETA Particle Analyzers DUO von Verder Scientific oder der LUMiSpoc von LUM, der Partikel von unter 100 nm bis zu einigen Mikrometern erfasst.

Wie lange dauert eine typische Messung mit einem Partikelanalysator?

Das hängt vom Gerät ab: Beim ANALYSETTE 22 NeXT von Fritsch liegt die Messzeit laut Produktbeschreibung meist unter einer Minute, da der Messablauf über Standardarbeitsanweisungen (SOPs) programmierbar ist.

Können Partikelanalysatoren auch direkt im Produktionsprozess eingesetzt werden?

Ja, dafür sind Online- und Prozessgeräte wie das OPUS von Sympatec oder der ParticleMaster inspex von LaVision ausgelegt. Sie ermöglichen eine Echtzeitmessung im Prozessumfeld, teils ohne Probenverdünnung.

Welche Probenvorbereitung ist für einen Partikelanalysator notwendig?

Je nach Messprinzip unterscheidet sich der Aufwand deutlich: Während einige Systeme eine Verdünnung der Probe erfordern, sind Geräte wie das OPUS von Sympatec oder der LUMiReader X-Ray von LUM darauf ausgelegt, Proben mit hohem Feststoffanteil beziehungsweise hochkonzentrierte Dispersionen direkt zu messen.

Was ist der Unterschied zwischen Laserbeugung und dynamischer Bildanalyse?

Bei der Laserbeugung wird die Partikelgröße aus dem Streulichtwinkel eines Laserstrahls berechnet, während die dynamische Bildanalyse Partikel optisch mit einer Kamera erfasst und daraus zusätzlich Formparameter ableitet. Systeme wie der MICROTRAC SYNC von Verder Scientific kombinieren beide Prinzipien in einer Messung.

Abschließende Zusammenfassung

Partikelanalysatoren decken mit Laserbeugung, dynamischer Bildanalyse, dynamischer Lichtstreuung und Röntgenstrahl-basierten Verfahren unterschiedliche Messprinzipien ab, die jeweils für bestimmte Partikelgrößenbereiche und Probenarten geeignet sind. Auf dieser Seite gelistete Produkte zeigen die Bandbreite von Labor- bis Prozessanwendungen. Die Auswahl des passenden Geräts richtet sich vor allem nach dem benötigten Messbereich, der Probenbeschaffenheit und danach, ob neben der Größe auch die Form oder die Stabilität einer Dispersion von Interesse ist. Eine sorgfältige Prüfung der technischen Spezifikationen der gelisteten Produkte hilft dabei, das für die jeweilige Anwendung passende Modell zu identifizieren.