237485452 Apa Yang Salah Dengan Metode Laser Difraksi
Apa yang Salah dengan Metode Laser Difraksi?
Sebuah Tulisan Kritis Tentang Metode Laser Difraksi untuk Analisis Ukuran Partikel
1
2
Richard N. Kelly dan Frank M. Etzler
1
2
Johnson & Johnson PRD, Spring House, Pennsylvania
Boehringer-Ingelheim Pharmaceuticals, Danbury, Connecticut
Metode pengukuran partikel di laser difraksi memiliki beberapa kelemahan, yaitu:
(1) metode ini didasarkan pada asumsi yang salah
(2) distribusi yang dilaporkan condong terhadap kisaran yang lebih kecil
(3) hasil bervariasi secara signifikan terhadap parameter optik
(4) perangkat lunak yang digunakan untuk perhitungan hasil tidak dapat divalidasi secara mandiri
(5) keakuratan pengukuran untuk partikel non-bulat tidak dapat diterima
Akibatnya, hasil analisis pengukuran partikel berdasarkan metode laser difraksi tidak dapat dipercaya.
Laser
diffractometry
merupakan
metode
pengukuran partikel yang paling populer saat ini
karena kemudahan penggunaan dan terbukti
tingkat presisinya. Metode ini menjangkau
berbagai penerapan termasuk semprotan, bubuk
kering, dan suspensi. Jangkauan pengukuran yang
lebar (0.02 µ sampai 2-3 mm) dan kecepatan
pengukuran (hingga 400 µs/pengukuran secara
real time) menambah daya tarik dari metode ini.
Berbagai upaya (ISO, USP, NIST, ASTM) untuk
standarisasi laser difraksi dan metode pengukuran
partikel lainnya dibuat meskipun standar USP laser
difraksi belum selesai [1, 17-28, 47-50].
penyalahgunaan indeks bias, "persiapan sampel
yang buruk atau pemilihan kisaran lensa yang
salah" [36]. Meskipun kurang jelasnya kualitas
pendidikan, upaya pengajaran dibuat "... untuk
mendorong penilaian yang lebih tepat ..."
mengenai laser difraksi dengan mengajarkan
"Pemula" dasar-dasar metode ini.
Para vendor laser difraksi menegaskan bahwa
instrumen mereka tidak memerlukan kalibrasi
meskipun detektor difraksi membutuhkan
beberapa penyetelan awal dan penyesuaian. Klaim
utama untuk ketenaran metode laser difraksi
didasarkan pada pengulangan. Rata-rata dari
ribuan pengukuran dapat diulang dengan tingkat
presisi yang tinggi.
ASUMSI YANG SALAH
Hal ini penting, namun, untuk setiap diskusi ilmiah
hanya mengandalkan fakta-fakta. Berikutnya, kita
akan melihat bukti ilmiah dari kelemahan dan
ketidak-akuratan yang terkait dengan metode
laser difraksi untuk analisis ukuran partikel.
Pertama, mari kita memeriksa asumsi dasar dari
metode laser difraksi.
Telah ada dalil bahwa peristiwa hamburan yang
independen dan total hamburan adalah jumlah
dari peristiwa hamburan individu. Secara umum,
asumsi ini sulit untuk disengketakan.
Namun, asumsi dasar lainnya tidak.
Namun, dekade terakhir ditandai dengan
peningkatan jumlah kesaksian tentang kelemahan
metodologi laser difraksi untuk pengukuran
partikel [3-5, 11-13, 32-34, 42, 46]. Ada bukti yang
berkembang dari perbedaan yang cukup besar
antara pengukuran benda non bulat menggunakan
metode laser difraksi, dan hasil yang diperoleh
oleh metode lain, dan, terutama, dengan analisis
citra.
Asumsi yang Salah Tentang Orientasi Partikel
Acak.
Untuk partikel non-bulat, asumsi ini sangat
penting untuk analisis yang tepat [9].
Hal ini menunjukkan bahwa dalam kebanyakan
sistem laser difraksi, aliran tidak turbulen
melainkan laminar [3]. Akibatnya, fenomena
"aliran keselarasan" menyebabkan partikel
non-bulat menyesuaikan diri ke arah aliran.
Ketika rasio partikel lebih besar dari 5:1,
"keselarasan aliran" memaksa partikel untuk
o
melewati laser pada 90 (tegak lurus terhadap
laser) dan luas permukaan proyeksi diukur
Ketidakpuasan menjadi begitu mendalam bahwa
beberapa penjual laser difraksi baru merasakan
dorongan untuk mempertahankan sumber
pendapatan mereka [35, 36]. Dengan tidak adanya
bukti ilmiah, Paul Kippax (2005), seorang product
manager dari Malvern, misalnya, menuduh para
kritikus
laser
difraksi
tidak
kompeten,
1
hasil laser difraksi sebagian besar berkorelasi
dengan
hasil
luas
permukaan
yang
diproyeksikan berdasarkan analisis citra atau
diameter area melingkar setara dengan standar
bentuk non-bulat. Sebuah diskusi lebih lanjut
dari fenomena ini dapat ditemukan dalam Kelly
dan Kazanjian [34].
sebagai ganti ukuran volumetrik [52]. Simulasi
numerik terbaru yang dilakukan di Republik
Ceko menunjukkan bahwa penyimpangan dari
keselarasan tegak lurus tidak memiliki
pengaruh signifikan secara statistik pada hasil
[40, 41].
Secara teoritis, dalam hal orientasi acak
partikel elipsoid, hanya puncak tunggal pada
diameter kecil akan muncul dalam sistem laser
diffraksi [38]. Namun, studi dengan LGC
Promochem
mono-sized
fiber-analogue
bersertifikat standar bentuk menunjukkan
bahwa "aliran keselarasan" adalah fenomena
umum, dihasilkan di sumbu minor maupun
mayor yang dilaporkan [34]. Bila hasil disajikan
sebagai probabilitas volume, hampir semua
data diberikan bimodal untuk kedua analisis
pendekatan Mie dan Fraunhofer (Gambar 1).
Teori Mie diharapkan dapat memberikan
volume partikel sebagai lawan pendekatan
Fraunhofer yang merupakan prediksi daerah
yang diproyeksikan.
Sering dinyatakan [43, 35, 36] bahwa untuk
partikel dengan kerapatan konstan, hasil alat
laser diffraksi mewakili distribusi massa (berat).
Pernyataan ini didasarkan pada asumsi bahwa
sistem laser difraksi menyediakan data setara
diameter volume bola. Karena asumsi ini
terbukti salah untuk partikel non-bulat, data
persentasi volume laser difraksi tidak bisa
disamakan dengan distribusi massa.
Karena asumsi utama dari teknik laser difraksi
tampaknya palsu, atau, setidaknya, dipertanyakan,
perbedaan antara hasil pengukuran dan realitas
dapat diharapkan.
DISTORSI PENGUKURAN
Gambar 1. Distribusi bimodal sesuai dengan
difraksi bersama kedua akord minor dan
mayor. Tanggapan ini tercatat terlepas dari
kecepatan aliran atau sistem difraksi laser yang
digunakan (Beckman Coulter-, Horiba, Malvern,
dan Sympatec). Kelly, 2004.
Kaye [29, 31] telah menyarankan adanya "hantu"
partikel yang disebabkan oleh tepi tajam pada
obyek yang menghasilkan difraksi sudut tinggi.
Pola difraksi "hantu" ini diinterpretasikan oleh
instrumen laser difraksi menjadi partikel kecil.
Telah dinyatakan [33] bahwa dalam suatu
difraktometer, partikel yang lebih besar dalam
distribusi Lorenzian mungkin tidak terdeteksi.
Distribusi Lorentzian, juga disebut distribusi
Cauchy, adalah distribusi kontinu jarak horisontal
di mana segmen garis miring pada sudut acak
memotong sumbu x. Laser difractometry diatur
oleh distribusi ini karena, dengan asumsi, sinar
laser dibelokkan oleh partikel pada sudut acak.
Berdasarkan studi di atas, ada bukti yang cukup
bahwa asumsi orientasi acak untuk partikel
non-bulat lebih besar dari 1 µm (dan dengan
aspek rasio besar) adalah salah.
Asumsi meragukan volume (berat) berdasarkan
hasil dan data diameter setara bola.
Hal ini menyatakan bahwa hasil laser difraksi
mencerminkan distribusi volume [7, 43]. Pada
kenyataannya, volume tertimbang sebagai
akibat dari masa radius pangkat dalam
persamaan analitis tetapi sangat baik dianggap
sebagai data luas permukaan. Kelly [33]
menunjukkan bahwa data volume laser difraksi
Coulter praktis bertepatan dengan luas
permukaan yang diproyeksikan. Selain itu, hal
tersebut menunjukkan bahwa instrumen laser
difraksi tidak membedakan antara datar dan
kubus dari dimensi linear yang sama dan
volume yang berbeda secara signifikan. Untuk
partikel tidak teratur, "probabilitas volume"
Untuk acicular particle, analisis citra menunjukkan
ukuran partikel jauh lebih besar dibandingkan
dengan laser difraksi karena laser difraksi
menghitung lebih rendah dari yang seharusnya
peristiwa yang dihasilkan oleh dimensi yang lebih
besar (akord mayor) atau lebih tepatnya
overestimates kontribusi data akord minor [34].
Dengan demikian, distribusi ukuran partikel yang
diberikan oleh instrumen laser difraksi, mungkin
intrinsik bias terhadap tepi yang lebih kecil dari
spektrum.
2
dan indeks bias maksimal "dengan mengkalikan
eksposur dari objek yang sama, dengan langkah
demi langkah dari rotasi polarisasi cahaya yang
menerangi". Metode tersebut (1) membutuhkan
konfigurasi hologram Fourier digital yang agak
canggih; (2) memerlukan informasi pre-test
tentang indeks bias minimum dan maksimum
partikel anisotropik untuk pemilihan cairan yang
sesuai, dan (3) tidak memberikan indikasi di semua
keakuratan hasil.
PENDEKATAN FRAUNHOFER DAN TEORI MIE
Pendekatan Fraunhofer dapat digunakan untuk
partikel secara signifikan lebih besar dari 5
(panjang gelombang laser). Pendekatan ini
mengasumsikan bahwa pada sampel buram, total
difraksi adalah jumlah dari masing-masing
komponen, dan bahwa tidak ada beberapa
peristiwa hamburan. Hal tersebut disarankan
sebagai perbaikan untuk ketidakmampuan
pendekatan Fraunhofer untuk melaporkan data
yang benar. Dalam batas ukuran partikel besar,
model optik Mie dan Fraunhofer bertemu.
Dengan demikian, kebutuhan untuk perkiraan
yang baik dari indeks bias kedua sampel dan
solusinya belum merupakan kendala lain dalam
penggunaan laser difraksi yang "tepat".
Namun, model optik Mie tidak sepenuhnya benar
untuk representasi dari partikel kecil yang terkait
dengan pendekatan Fraunhofer (Gambar 2).
ALGORITMA NUMERIK DAN PERANGKAT LUNAK
Intensitas sinyal dalam instrumen laser difraksi
harus memenuhi matriks inversi dan pencocokan
kuadrat terkecil untuk sampai pada ukuran
partikel. Algoritma yang berbeda (dan paten) yang
digunakan untuk memasangkan asumsi distribusi
data atau untuk memecah model ke kelas ukuran
tetap sesuai dengan jumlah detektor dan
kemudian memvariasikan fraksi berat masingmasing kelas untuk meminimalkan "kesalahan"
pencocokan [8].
Brian Kaye dari Laurentian University di Kanada
telah mencatat [30]: "Perusahaan yang telah
mengembangkan
diffractometers
tidak
membocorkan struktur perangkat lunak mereka.
Pengguna peralatan ini harus berhati-hati untuk
mendapatkan informasi mengenai protokol
pengolahan data dalam instrumen khusus untuk
mengubah informasi difraksi menjadi fungsi
distribusi
ukuran.
Beberapa
instrumen
mengasumsikan fungsi distribusi tertentu dan
pencocokan
kurva
untuk
mempercepat
pengolahan data. Kadang-kadang pencocokan
kurva tersebut dapat merusak data yang
dihasilkan. "
Gambar. 2. Sebuah contoh dari perbedaan antara
analisis laser difraksi (baik menggunakan model
optik Mie atau Fraunhofer) dan teknik time-offlight (dikuatkan oleh analisis citra). Etzler dan
Deanne, 1997.
Ini adalah fakta yang diketahui bahwa keberhasilan
laser difraksi Mie didasarkan pada estimasi angka
indeks bias sehingga Kippax [35, 36] mengklaim
bahwa angka-angka ini hanya diperlukan dengan
akurasi ±0,2 untuk mencapai "hasil yang dapat
diandalkan". Namun, dengan presisi yang baik,
angka indeks bias dapat menjadi besar dan
estimasi ukuran partikel yang dihasilkan mungkin
tidak ada hubungannya dengan ukuran
sebenarnya.
Paten kompleks algoritma numerik yang digunakan
untuk laser difraksi biasanya tidak divalidasi dan
rentan terhadap artefak. Paten tersebut bervariasi
antara vendor dengan waktu. Di masa validasi
sistem komputer, penggunaan paten algoritma
dapat diterima hanya jika, dalam proses validasi
"kotak hitam", masukan (ukuran partikel) dikontrol
ketat, dan prediksi keluaran (ukuran partikel yang
dilaporkan) bertepatan dengan keluaran yang
diharapkan dalam kriteria penerimaan (biasanya
kurang dari 5%). Validasi yang tepat harus
melibatkan tes akurasi, dan instrumen laser
difraksi akan gagal tes tersebut untuk partikel
nonspherical dengan aspek rasio yang besar.
Lagi pula, pada argumen tersebut, ada "tes
sederhana" seperti pencocokan indeks optik
"untuk memperkirakan indeks bias untuk akurasi
yang diperlukan" [36].
Sayangnya, metode
pencocokan indeks optik tidaklah sederhana,
seperti yang dijelaskan oleh Gustafsson dan
Sebesta [16]. Perhatikan bahwa benda anisotropik
(misalnya kristal laktosa) memiliki indeks bias yang
berbeda dalam arah yang berbeda, mereka
mencoba untuk menemukan indeks bias minimum
3
Pendukung metode laser difraksi menyarankan
memilih metode "atas dasar kecepatan,
reproduktifitas, dan ketahanan" memberikan
"secara tepat, hasil yang cepat" [36]. Perhatikan
bahwa akurasi tidak disebutkan sebagai salah satu
manfaat. Dalam representasi khas, di bawah judul
subjek "metode validasi", pendukung laser difraksi
[51] membahas pembuatan sampel, spesifisitas,
ketahanan,linearitas, reproduktifitas, dan presisi tetapi tidak akurasi. Selain itu, dalam upaya gagal
untuk mempertahankan laser difraksi, argumen
menentangnya disajikan seolah-olah "baik
reproduksibilitas dan ketahanan teknik telah
dipertanyakan ..." [51]. Sayangnya, bukan
ketepatan
metode
laser
difraksi
yang
dipertanyakan melainkan akurasinya.
PRESISI vs. AKURASI
Metode laser difraksi biasanya divalidasi (dan
akurasinya diuji) dengan mikrosfer standar atau
objek serupa [45]. Etzler dan Deanne [12]
mencatat bahwa difraksi laser akurat hanya untuk
partikel berbentuk bola non transparan.
Klaim bahwa instrumen laser difraksi tidak akurat
berasal dari perbandingan terbaru dengan teknik
pengukuran partikel lainnya, terutama dengan
pencitraan optik. Korelasi yang sangat buruk
antara analisis citra dan laser difraksi ada dalam
kasus partikel acicular ("bentuk jarum"), batang
atau datar. Dengan mempertimbangkan fakta
adanya fungsi kesalahan sistem pengukuran yang
berbeda berbeda, namun kita harus menempatkan
kepercayaan lebih pada pengamatan langsung
daripada pada hasil perhitungan yang berbelitbelit.
Diusulkan USP Umum Bab menegaskan
bahwa "analisis matematis [data laser difraksi]
dapat menghasilkan gambar berulang distribusi
ukuran yang akurat" [47-50]. Pernyataan seperti
itu terang-terangan dipertanyakan.
Dibandingkan dengan pengukuran langsung, hasil
laser difraksi untuk partikel datar bisa mencapai
31% kesalahan, dan untuk partikel batang hingga
70% kesalahan [14].
Sebuah analisis bentuk 3D diperlukan untuk
kalibrasi pengukuran partikel berbentuk acak
dengan
metode
laser
difraksi,
untuk
mengekspresikan hasil sebagai partikel bulat.
Namun, algoritma umum untuk laser difraksi tidak
dapat dikembangkan untuk partikel yang
bervariasi dalam ukuran dan bentuk [39].
Dalam percobaan yang dikontrol ketat, Etzler dan
Deanne [12] telah menyimpulkan bahwa
perangkat laser difraksi tidak dapat diandalkan
untuk penentuan distribusi ukuran partikel bubuk
halus farmasi. Dalam percobaan mereka, beberapa
instrumen laser difraksi dari vendor yang berbeda
digunakan untuk menganalisis bahan seperti
microsphere glass (10-95 µm), silica gel 100-200
mesh (bentuknya tidak beraturan), pharmatose
200 mesh lactose, dan senyawa obat micronized.
Karena semua hasil selalu sama, pengambilan
sampel tidak relevan. Tidak ada indeks bias
imajiner digunakan sebagai "bahan-bahan yang
umumnya lemah menyerap dalam kisaran cahaya
tampak". Hasil dari instrumen laser difraksi yang
berbeda secara signifikan berbeda, dan telah,
secara umum, meremehkan ukuran partikel
dibandingkan dengan hasil analisis citra.
Validasi metode laser difraksi untuk analisis ukuran
partikel biasanya dinyatakan dalam hal presisi
daripada akurasi [37]. Pujian untuk difraksi laser,
sebagai suatu peraturan, memang difokuskan pada
potensi penggunaan reproduktifitas untuk kontrol
kualitas [6]. Sebagai contoh, Brittain dan Amidon
[8] dengan hati-hati memberikan pernyataan
berbunyi: "Ketika pengukuran ukuran partikel yang
dibuat menggunakan sistem hamburan cahaya
laser yang sama, mengikuti metode yang sama
persiapan sampel, dan diperoleh dengan
menggunakan parameter sistem yang sama,
adalah mungkin untuk mendapatkan informasi
yang baik mengenai perbedaan ukuran partikel
antara dua atau lebih material".
FDA (Food and Drug Administration) menyadari
keterbatasan pada metode laser difraksi. Sebuah
studi komparatif berbagai teknik umum analisis
ukuran partikel dilakukan pada nitrofurantoin,
dipilih karena morfologi acicular dan juga karena
mengandung
keruncingan
signifikan
[42].
Kesimpulannya adalah bahwa populasi besar
partikel halus hanya terdeteksi dengan teknik
menghitung partikel (analisis citra dan laser
obscuration) dan bukan oleh teknik acak (laser
difraksi).
Pemilihan metode yang paling tepat kemudian
disajikan sebagai "sebagian besar soal akurasi vs
presisi" [8] seolah-olah tidak ada metode
pengukuran partikel yang menawarkan keduanya.
Memang, bahkan dalam kasus partikel acicular,
laser difraksi sering dipilih sebagai "yang paling
konsisten" [44] dibandingkan dengan optical
microphotography.
4
Memang, untuk partikel non-bola, "setara
diameter bola" dapat dihitung berdasarkan massa,
volume, permukaan, atau panjang. Namun,
penggunaan standar bersertifikat ukuran tunggal
non-bola dapat membantu membedakan antara
representasi ukuran partikel akurat dan tidak
akurat, dan, karena standar tersebut tersedia
(Gambar 3), mereka harus digunakan untuk
validasi peralatan.
Gambar. 3. LGC Promochem 12µm bentuk panjang
standar yang melekat pada substrat silikon. Dari
Kelly dan Kazanjian 2005.
Dalam aplikasi farmasi, ada kasus di mana akurasi
pengukuran partikel adalah suatu hal yang
terpenting. Sebagai contoh, risiko klinis yang
terkait dengan infus partikel yang melebihi
diameter kapiler paru dapat mematikan.
Keakuratan analisis ukuran partikel yang
digunakan untuk mengukur emulsi lipid intravena,
terutama untuk ukuran yang ekstrim di atas 5µm,
Oleh karena itu, sangat penting. Mempelajari
perbedaan antara instrumen pengukuran partikel
untuk menganalisis stabilitas emulsi lipid, Driscol
dkk. [10] telah menyimpulkan bahwa, tidak seperti
teknik light obscuration, hasil metode laser difraksi
yang tidak linear. Instrumen laser difraksi terlalu
membesar-besarkan, kurang sensitif atau tidak
terjawab seluruhnya, tetesan atau partikel pada
dispersi besar. Instrumen laser difraksi jelas
terbukti tidak sensitif terhadapa kehadiran partikel
besar atau melebih-lebihkannya dengan faktor 10.
Karena metode laser difraksi secara intrinsik tidak
akurat, pernyataan seperti "akurasi tidak berlaku
untuk ukuran partikel" [2] sering dibuat dengan
pengabaian
yang
tidak
masuk
akal.
Ketidakcukupan metode, melalui generalisasi
palsu, diperluas ke pengukuran. Bahkan, teknik
pengukuran harus memberikan penilaian akurasi
yang dapat diterima.
Bagaimana akurasi pengukuran partikel dibentuk?
Gokhale & Wright [15] menyarankan untuk
memverifikasi akurasi menggunakan bahan
referensi (misalnya, pati atau kontrol banyak
obat). Pendekatan ini, bagaimanapun, membuka
pertanyaan bagaimana validasi ukuran "standar"
partikel.
BAGAIMANA MEMILIH METODE PENGUKURAN
PARTIKEL
Hal ini menyatakan bahwa untuk partikel
berbentuk tidak teratur, "tidak ada satu teknik
yang memberikan representasi yang lebih nyata
dari teknik yang lain dari ukuran partikel yang
sebenarnya" [36]. Brittain dan Amidon [8]
menyatakan bahwa "hasil ukuran partikel yang
'benar' (tapi berbeda) diperoleh dengan
menggunakan instrumen yang berbeda, semua
menghasilkan hasil yang sama-sama 'benar', tetapi
masing-masing mungkin hanya mengungkapkan
hasil yang 'benar' dalam hal yang berbeda".
Untuk aplikasi kontrol kualitas, metode apapun
yang digunakan untuk menentukan distribusi
ukuran partikel harus dinilai pada kemampuan
teknik untuk mendeteksi perubahan yang
signifikan dibandingkan dengan pengujian
sebelumnya.
Gambar. 4. Cara yang tepat memilih dan memvalidasi metode pengukuran partikel. Dari Kelly (2004)
5
3. Berthold C, Klein R, Luhmann J, Nickel KG.
Fibers and Fibre Collectives with Common
Laser Diffractometers. Part Part Syst Charact,
17:113-116, 2000
4. Bowden P. Particle Size Distribution
Measurement from Millimeters to Nanometers
and from Rods to Platelets. J Disp Sci Tech,
23(5):631-662, 2002
5. Brewster E, Ramsland A. Particle size
determination by automated microscopical
imaging analysis with comparison to laser
diffraction. J Pharm Sci, 84(4):499-501, 1995
6. Brittain HG. What is the "Correct" Method to
Use for Particle-Size Determination?. Pharm
Tech, 7:96-98, 2001
7. Brittain HG. Representations of Particle Shape,
Size, and Distribution. Pharm Tech, 12:38-45,
2001
8. Brittain HG, Amidon G. Critical Overview of the
Proposed Particle Size Analysis Tests. American
Pharm. Review, 6(1):68-72, 2003
9. Crompton C. Image Analysis. Why does
orientation matter in particle shape and size
measurements?. Pharm Form Qual, May, 8182, 2004
10. Driscol DF, Etzler F, Barber TA, Nehne J,
Niemann W, Bistrian BR. Physicochemical
assessments of parenteral lipid emulsions: light
obscuration versus laser diffraction. Int J
Pharm, 219:21-37, 2001
11. Etzler FM. Particle-Size Analysis: A Comparison
of Methods. American Pharm. Review,
7(1):104-108, 2004
12. Etzler FM, Deanne R. Particle-Size Analysis: A
Comparison of Various Methods II. Part Part
Syst Charact, 14(6):278-282, 1977
13. Etzler FM, Sanderson MS. Particle Size Analysis:
a Comparative Study of Various Methods. Part
Part Syst Charact, 12:217-224, 1995
14. Gabas N, Hiquily N, Laguuerie C. Response of
Laser Diffraction Particle Sizer to Anisometric
Particles. Part Syst Charact, 11:121-126, 1994
15. Gokhale R, Wright PB. Particle size analysis and
its role in pharmaceutical development. AAPS
Workshop:Particle Size Analysis, , 2003
16. Gustafsson M, Sebesta M. Refractometry of
Microscopic Objects Using Digital Holography. ,
http://www.tde.lth.se/teorel/Publications/TEA
T-7000-series/TEAT-7120.pdf, 2003
17. ISO 13320-1. Particle Size Analysis – Laser
Diffraction Methods, Part 1: General Principles.
ISO Standards Authority, , 1999
18. ISO 13322-1. Particle size analysis -- Image
analysis methods -- Part 1: Static image analysis
methods. ISO Standards Authority, , 2004
19. ISO 13323-1. Determination of particle size
distribution -- Single-particle light interaction
Biasanya, konsistensi produk dinilai dengan
pemantauan distribusi ukuran partikel banyak-kebanyak. Dalam aplikasi tersebut, akurasi mungkin
tidak relevan, yang merupakan titik yang sering
dibuat oleh para pendukung instrumen laser
difraksi. Satu-satunya kekhawatiran apakah sistem
ini cukup sensitif untuk memungkinkan tingkat
kontrol
perubahan
yang
diinginkan.
Reproduksibilitas teknik laser difraksi sering
bingung
dengan
ketidakmampuan
untuk
membedakan perbedaan antara ukuran sampel
dengan ukuran nyata.
Keterbatasan sistem laser difraksi sehubungan
dengan deteksi perubahan signifikan dalam sistem
partikel non-bola harus selalu menjadi perhatian.
Penentuan penerapan sistem tersebut untuk
aplikasi kontrol kualitas idealnya dilakukan dengan
cara studi simulasi di mana standar akan
digunakan untuk model sampel tersebut atau
dengan pembuktian hasil dengan analisis citra.
Sebelum memilih, penilaian awal ukuran partikel
dan bentuk harus dilakukan, dan kemudian
metode pengukuran partikel dapat dipilih dengan
pembuktian yang tepat dari hasil analisis citra
(Gambar 4.). Setelah dipilih, metode pengukuran
partikel yang harus dikembangkan dan divalidasi
berdasarkan analisis citra dibantu komputer
sebelum dapat digunakan untuk pengendalian
kualitas.
KESIMPULAN
Kebutuhan mendesak ada untuk validasi
instrumen pengukuran partikel yang tepat, dan
terutama, instrumen laser difraksi. Percobaan
komperhensif kompetensi bertujuan untuk
mengukur akurasi dan presisi instrumen
pengukuran partikel tersedia secara komersial
telah lama tertunda. Metode alternatif
pengukuran partikel, seperti mikroskop elektron,
waktu penerbangan (misal API Aerosizer) atau
waktu transisi (misalnya Ankersmid CIS-100,
dijelaskan panjang lebar sebagai instrumen Galai
oleh Kaye [30]), layak melihat lebih dekat dengan
siapa saja yang mengerti nilai akurasi instrumen.
REFERENSI
1. ASTM. E1919-03 Standard Guide for Worldwide
Published Standards Relating to Particle and
Spray Characterization. ASTM, , 2005
2. Bell R, Dennis A, Hendriksen B, North N,
Sherwood J. Position paper on particle sizing:
sample preparation, method validation and
data presentation. Pharm Tech Europe,
November, 1999
6
34. Kelly RN, Kazanjian J. Use of LGC Promochem
Shape Standards AEA1001-AEA1003 in the
Study of the Effects of Particle Shape on the
Results from Current Generation Laser
Diffraction-Based Particle Size Analysis
Systems.
Personal
Communication,
in
preparation, 2005
35. Kippax P. Issues in the appraisal of laser
diffraction particle sizeing techniques. Pharm
Tech Europe, Jan 32-39, 2005a
36. Kippax P. Appraisal of the Laser Diffraction
Particle-Sizing Technique. Pharm Tech, 3:88-96,
2005b
37. Lerke SA, Adams SA. Development and
Validation of a Particle Size Distribution
Method for Analysis of Drug Substance.
American Pharm. Review, Fall, 2002
38. Matsuyama T, Umaamoto H, Scarlett B.
Theoretical prediction of effect of orientation
on diffraction pattern transformation of
diffraction pattern due to ellipsoids into
equivalent diameter distribution for spheres.
Part Part Syst Charact, 17:41-46, 2000
39. Muhlenweg H, Hirleman ED. . Part Part Syst
Charact, 15:163-169, 1998
40. Pabst W, Kunes K, Gregorva E, Havrda J.
Extraction of Shape Information From Particle
Size Measurements. British Ceramic Trans,
100(3):106-109, 2001
41. Pabst W, Mikac J, Gregorva E, Havrda J. An
Estimate of Orientation Effects on the Results
of Size Distribution Measurements for Oblate
Particles. Ceramics-Silikaty, 46(2):41-48, 2002
42. Prasanna HR, Jefferson EH, Taylor JS, Hussain
AS, Karuhn RF, Lyon RC. Comparative Analysis
of Common Particle Sizing Techniques For
Pharmaceutical Powders. , FDA Science Day
Poster, February, 2001
43. Rawle A. The Importance of particle sizing to
the coatings industry. Part 1: Particle size
measurement. Adv Pharm Sci, 5(1):1-12, 2002
44. Redkar S. Determining
particle pize
specification for a poorly water soluble,
needle-shaped, crystalline active in oral drug
product. AAPS Workshop: Particle Size Analysis,
2003
45. Schellhamer M, Bowen P, Vaussourd C,
Hofmann H. Accuracy of Particle Size
Distribution Measurement of Spherical Glass
Beads (70-400 ) Usi g Laser Diffraction.
Recent Progres en Genie des Procedes, 77:129134, 2001
46. Sesholtz DA. Sizi g Up… Particle size,
distribution and accurate measurements.
Pharm Form Qual, May 79-80, 2004
47. USP General Chapter , Proposal Stage 3.
Light Diffraction Measurement of Particle Size.
Pharm Forum, 28(3):895-901, 2002
methods -- Part 1: Light interaction
considerations. ISO Standards Authority, , 2000
20. ISO 9276-1. Representation of results of
particle size analysis -- Part 1: Graphical
representation. ISO Standards Authority, , 1998
21. ISO 9276-2. Representation of results of
particle size analysis -- Part 2: Calculation of
average particle sizes/diameters and moments
from particle size distributions. ISO Standards
Authority, , 2001
22. ISO 9276-4. Representation of results of
particle size analysis -- Part 4: Characterization
of a classification process. ISO Standards
Authority, , 2001
23. ISO/CD 9276-3. Representation of results of
particle size analysis -- Part 3: Fitting of an
experimental cumulative curve to a reference
model. ISO Standards Authority, in preparation,
24. ISO/DIS 13322-1. Particle size analysis – Image
analysis methods -- Part 2: Dynamic image
analysis methods. ISO Standards Authority, in
preparation,
25. ISO/FDIS 9276-5. Representation of results of
particle size analysis -- Part 5: Methods of
calculation relating to particle size analyses
using
logarithmic
normal
probability
distribution. ISO Standards Authority, in
preparation
26. ISO/WD 9276-6. Representation of results of
particle size analysis -- Part 6: Descriptive and
quantitative representation of particle shape
and morphology. ISO Standards Authority, in
preparation,
27. Jillavenkatesa A, Dapkunas SJ, Lum LH.
Recommended Practice Guide: Particle Size
Characterization. NIST, Special Publication 9601, 2001
28. Jillavenkatesa A, Kelly J, Dapkunas SJ. Some
Issues in Particle Size and Size Distribution
Characterization of Powders. American Pharm.
Review, Summer:98-105, 2002
29. Kaye BH. A Random Walk through Fractal
Dimensions, 2nd ed. , VCH, Weinheim, 1994
30. Kaye BH. Particle-Size Characterization. In: M.
Decker Encycl Pharm Tech, 1997-2011, 2002
31. Kaye BH, Alliet A, Switzer L, Turbitt-Daoust C.
The Effect of Shape on Intermethod Correlation
of Techniques for Characterizing the Size
Distribution of a Powder I: Correlating the Size
Distribution measured by Sieving, Image
Analysis, and Diffractometer Methods. Part
Part Syst Charact, 14:219-255, 1997
32. Keck C, Muller RH. Size analysis by laser
diffractometry - how valid are the data?. AAPS
Meeting, November, 2004
33. Kelly RN. False Assumptions: Laser Difraction
PSA Systems Exposed. NJPhAST Meeting, May
13, 2004
7
48. USP General Test Chapter , Additional
Revisions. Light Diffraction Measurement of
Particle Size (1st Supp to USP 27). Pharm
Forum, 29(4):1146-1153, 2003
49. USP General Test Chapter , In-Process
Revision. Light Diffraction Measurement of
Particle Size [new] (USP 27). Pharm Forum,
29(2):484-490, 2003
50. USP General Test Chapter , Preview.
Light Diffraction Measurement of Particle Size
[new]. Pharm Forum, 28(4):1293-1298, 2002
51. Ward-Smith RS, Gummery N, Rawle AF.
Validation of wet and dry laser diffraction
particle
characterization
methods.
www.malvern.co.uk, November, 2003
52. Xu R, Di Guida A. Size and Shape
Characterization of Small Particles. Powder
Technol, 132:145-153, 2003
8
Sebuah Tulisan Kritis Tentang Metode Laser Difraksi untuk Analisis Ukuran Partikel
1
2
Richard N. Kelly dan Frank M. Etzler
1
2
Johnson & Johnson PRD, Spring House, Pennsylvania
Boehringer-Ingelheim Pharmaceuticals, Danbury, Connecticut
Metode pengukuran partikel di laser difraksi memiliki beberapa kelemahan, yaitu:
(1) metode ini didasarkan pada asumsi yang salah
(2) distribusi yang dilaporkan condong terhadap kisaran yang lebih kecil
(3) hasil bervariasi secara signifikan terhadap parameter optik
(4) perangkat lunak yang digunakan untuk perhitungan hasil tidak dapat divalidasi secara mandiri
(5) keakuratan pengukuran untuk partikel non-bulat tidak dapat diterima
Akibatnya, hasil analisis pengukuran partikel berdasarkan metode laser difraksi tidak dapat dipercaya.
Laser
diffractometry
merupakan
metode
pengukuran partikel yang paling populer saat ini
karena kemudahan penggunaan dan terbukti
tingkat presisinya. Metode ini menjangkau
berbagai penerapan termasuk semprotan, bubuk
kering, dan suspensi. Jangkauan pengukuran yang
lebar (0.02 µ sampai 2-3 mm) dan kecepatan
pengukuran (hingga 400 µs/pengukuran secara
real time) menambah daya tarik dari metode ini.
Berbagai upaya (ISO, USP, NIST, ASTM) untuk
standarisasi laser difraksi dan metode pengukuran
partikel lainnya dibuat meskipun standar USP laser
difraksi belum selesai [1, 17-28, 47-50].
penyalahgunaan indeks bias, "persiapan sampel
yang buruk atau pemilihan kisaran lensa yang
salah" [36]. Meskipun kurang jelasnya kualitas
pendidikan, upaya pengajaran dibuat "... untuk
mendorong penilaian yang lebih tepat ..."
mengenai laser difraksi dengan mengajarkan
"Pemula" dasar-dasar metode ini.
Para vendor laser difraksi menegaskan bahwa
instrumen mereka tidak memerlukan kalibrasi
meskipun detektor difraksi membutuhkan
beberapa penyetelan awal dan penyesuaian. Klaim
utama untuk ketenaran metode laser difraksi
didasarkan pada pengulangan. Rata-rata dari
ribuan pengukuran dapat diulang dengan tingkat
presisi yang tinggi.
ASUMSI YANG SALAH
Hal ini penting, namun, untuk setiap diskusi ilmiah
hanya mengandalkan fakta-fakta. Berikutnya, kita
akan melihat bukti ilmiah dari kelemahan dan
ketidak-akuratan yang terkait dengan metode
laser difraksi untuk analisis ukuran partikel.
Pertama, mari kita memeriksa asumsi dasar dari
metode laser difraksi.
Telah ada dalil bahwa peristiwa hamburan yang
independen dan total hamburan adalah jumlah
dari peristiwa hamburan individu. Secara umum,
asumsi ini sulit untuk disengketakan.
Namun, asumsi dasar lainnya tidak.
Namun, dekade terakhir ditandai dengan
peningkatan jumlah kesaksian tentang kelemahan
metodologi laser difraksi untuk pengukuran
partikel [3-5, 11-13, 32-34, 42, 46]. Ada bukti yang
berkembang dari perbedaan yang cukup besar
antara pengukuran benda non bulat menggunakan
metode laser difraksi, dan hasil yang diperoleh
oleh metode lain, dan, terutama, dengan analisis
citra.
Asumsi yang Salah Tentang Orientasi Partikel
Acak.
Untuk partikel non-bulat, asumsi ini sangat
penting untuk analisis yang tepat [9].
Hal ini menunjukkan bahwa dalam kebanyakan
sistem laser difraksi, aliran tidak turbulen
melainkan laminar [3]. Akibatnya, fenomena
"aliran keselarasan" menyebabkan partikel
non-bulat menyesuaikan diri ke arah aliran.
Ketika rasio partikel lebih besar dari 5:1,
"keselarasan aliran" memaksa partikel untuk
o
melewati laser pada 90 (tegak lurus terhadap
laser) dan luas permukaan proyeksi diukur
Ketidakpuasan menjadi begitu mendalam bahwa
beberapa penjual laser difraksi baru merasakan
dorongan untuk mempertahankan sumber
pendapatan mereka [35, 36]. Dengan tidak adanya
bukti ilmiah, Paul Kippax (2005), seorang product
manager dari Malvern, misalnya, menuduh para
kritikus
laser
difraksi
tidak
kompeten,
1
hasil laser difraksi sebagian besar berkorelasi
dengan
hasil
luas
permukaan
yang
diproyeksikan berdasarkan analisis citra atau
diameter area melingkar setara dengan standar
bentuk non-bulat. Sebuah diskusi lebih lanjut
dari fenomena ini dapat ditemukan dalam Kelly
dan Kazanjian [34].
sebagai ganti ukuran volumetrik [52]. Simulasi
numerik terbaru yang dilakukan di Republik
Ceko menunjukkan bahwa penyimpangan dari
keselarasan tegak lurus tidak memiliki
pengaruh signifikan secara statistik pada hasil
[40, 41].
Secara teoritis, dalam hal orientasi acak
partikel elipsoid, hanya puncak tunggal pada
diameter kecil akan muncul dalam sistem laser
diffraksi [38]. Namun, studi dengan LGC
Promochem
mono-sized
fiber-analogue
bersertifikat standar bentuk menunjukkan
bahwa "aliran keselarasan" adalah fenomena
umum, dihasilkan di sumbu minor maupun
mayor yang dilaporkan [34]. Bila hasil disajikan
sebagai probabilitas volume, hampir semua
data diberikan bimodal untuk kedua analisis
pendekatan Mie dan Fraunhofer (Gambar 1).
Teori Mie diharapkan dapat memberikan
volume partikel sebagai lawan pendekatan
Fraunhofer yang merupakan prediksi daerah
yang diproyeksikan.
Sering dinyatakan [43, 35, 36] bahwa untuk
partikel dengan kerapatan konstan, hasil alat
laser diffraksi mewakili distribusi massa (berat).
Pernyataan ini didasarkan pada asumsi bahwa
sistem laser difraksi menyediakan data setara
diameter volume bola. Karena asumsi ini
terbukti salah untuk partikel non-bulat, data
persentasi volume laser difraksi tidak bisa
disamakan dengan distribusi massa.
Karena asumsi utama dari teknik laser difraksi
tampaknya palsu, atau, setidaknya, dipertanyakan,
perbedaan antara hasil pengukuran dan realitas
dapat diharapkan.
DISTORSI PENGUKURAN
Gambar 1. Distribusi bimodal sesuai dengan
difraksi bersama kedua akord minor dan
mayor. Tanggapan ini tercatat terlepas dari
kecepatan aliran atau sistem difraksi laser yang
digunakan (Beckman Coulter-, Horiba, Malvern,
dan Sympatec). Kelly, 2004.
Kaye [29, 31] telah menyarankan adanya "hantu"
partikel yang disebabkan oleh tepi tajam pada
obyek yang menghasilkan difraksi sudut tinggi.
Pola difraksi "hantu" ini diinterpretasikan oleh
instrumen laser difraksi menjadi partikel kecil.
Telah dinyatakan [33] bahwa dalam suatu
difraktometer, partikel yang lebih besar dalam
distribusi Lorenzian mungkin tidak terdeteksi.
Distribusi Lorentzian, juga disebut distribusi
Cauchy, adalah distribusi kontinu jarak horisontal
di mana segmen garis miring pada sudut acak
memotong sumbu x. Laser difractometry diatur
oleh distribusi ini karena, dengan asumsi, sinar
laser dibelokkan oleh partikel pada sudut acak.
Berdasarkan studi di atas, ada bukti yang cukup
bahwa asumsi orientasi acak untuk partikel
non-bulat lebih besar dari 1 µm (dan dengan
aspek rasio besar) adalah salah.
Asumsi meragukan volume (berat) berdasarkan
hasil dan data diameter setara bola.
Hal ini menyatakan bahwa hasil laser difraksi
mencerminkan distribusi volume [7, 43]. Pada
kenyataannya, volume tertimbang sebagai
akibat dari masa radius pangkat dalam
persamaan analitis tetapi sangat baik dianggap
sebagai data luas permukaan. Kelly [33]
menunjukkan bahwa data volume laser difraksi
Coulter praktis bertepatan dengan luas
permukaan yang diproyeksikan. Selain itu, hal
tersebut menunjukkan bahwa instrumen laser
difraksi tidak membedakan antara datar dan
kubus dari dimensi linear yang sama dan
volume yang berbeda secara signifikan. Untuk
partikel tidak teratur, "probabilitas volume"
Untuk acicular particle, analisis citra menunjukkan
ukuran partikel jauh lebih besar dibandingkan
dengan laser difraksi karena laser difraksi
menghitung lebih rendah dari yang seharusnya
peristiwa yang dihasilkan oleh dimensi yang lebih
besar (akord mayor) atau lebih tepatnya
overestimates kontribusi data akord minor [34].
Dengan demikian, distribusi ukuran partikel yang
diberikan oleh instrumen laser difraksi, mungkin
intrinsik bias terhadap tepi yang lebih kecil dari
spektrum.
2
dan indeks bias maksimal "dengan mengkalikan
eksposur dari objek yang sama, dengan langkah
demi langkah dari rotasi polarisasi cahaya yang
menerangi". Metode tersebut (1) membutuhkan
konfigurasi hologram Fourier digital yang agak
canggih; (2) memerlukan informasi pre-test
tentang indeks bias minimum dan maksimum
partikel anisotropik untuk pemilihan cairan yang
sesuai, dan (3) tidak memberikan indikasi di semua
keakuratan hasil.
PENDEKATAN FRAUNHOFER DAN TEORI MIE
Pendekatan Fraunhofer dapat digunakan untuk
partikel secara signifikan lebih besar dari 5
(panjang gelombang laser). Pendekatan ini
mengasumsikan bahwa pada sampel buram, total
difraksi adalah jumlah dari masing-masing
komponen, dan bahwa tidak ada beberapa
peristiwa hamburan. Hal tersebut disarankan
sebagai perbaikan untuk ketidakmampuan
pendekatan Fraunhofer untuk melaporkan data
yang benar. Dalam batas ukuran partikel besar,
model optik Mie dan Fraunhofer bertemu.
Dengan demikian, kebutuhan untuk perkiraan
yang baik dari indeks bias kedua sampel dan
solusinya belum merupakan kendala lain dalam
penggunaan laser difraksi yang "tepat".
Namun, model optik Mie tidak sepenuhnya benar
untuk representasi dari partikel kecil yang terkait
dengan pendekatan Fraunhofer (Gambar 2).
ALGORITMA NUMERIK DAN PERANGKAT LUNAK
Intensitas sinyal dalam instrumen laser difraksi
harus memenuhi matriks inversi dan pencocokan
kuadrat terkecil untuk sampai pada ukuran
partikel. Algoritma yang berbeda (dan paten) yang
digunakan untuk memasangkan asumsi distribusi
data atau untuk memecah model ke kelas ukuran
tetap sesuai dengan jumlah detektor dan
kemudian memvariasikan fraksi berat masingmasing kelas untuk meminimalkan "kesalahan"
pencocokan [8].
Brian Kaye dari Laurentian University di Kanada
telah mencatat [30]: "Perusahaan yang telah
mengembangkan
diffractometers
tidak
membocorkan struktur perangkat lunak mereka.
Pengguna peralatan ini harus berhati-hati untuk
mendapatkan informasi mengenai protokol
pengolahan data dalam instrumen khusus untuk
mengubah informasi difraksi menjadi fungsi
distribusi
ukuran.
Beberapa
instrumen
mengasumsikan fungsi distribusi tertentu dan
pencocokan
kurva
untuk
mempercepat
pengolahan data. Kadang-kadang pencocokan
kurva tersebut dapat merusak data yang
dihasilkan. "
Gambar. 2. Sebuah contoh dari perbedaan antara
analisis laser difraksi (baik menggunakan model
optik Mie atau Fraunhofer) dan teknik time-offlight (dikuatkan oleh analisis citra). Etzler dan
Deanne, 1997.
Ini adalah fakta yang diketahui bahwa keberhasilan
laser difraksi Mie didasarkan pada estimasi angka
indeks bias sehingga Kippax [35, 36] mengklaim
bahwa angka-angka ini hanya diperlukan dengan
akurasi ±0,2 untuk mencapai "hasil yang dapat
diandalkan". Namun, dengan presisi yang baik,
angka indeks bias dapat menjadi besar dan
estimasi ukuran partikel yang dihasilkan mungkin
tidak ada hubungannya dengan ukuran
sebenarnya.
Paten kompleks algoritma numerik yang digunakan
untuk laser difraksi biasanya tidak divalidasi dan
rentan terhadap artefak. Paten tersebut bervariasi
antara vendor dengan waktu. Di masa validasi
sistem komputer, penggunaan paten algoritma
dapat diterima hanya jika, dalam proses validasi
"kotak hitam", masukan (ukuran partikel) dikontrol
ketat, dan prediksi keluaran (ukuran partikel yang
dilaporkan) bertepatan dengan keluaran yang
diharapkan dalam kriteria penerimaan (biasanya
kurang dari 5%). Validasi yang tepat harus
melibatkan tes akurasi, dan instrumen laser
difraksi akan gagal tes tersebut untuk partikel
nonspherical dengan aspek rasio yang besar.
Lagi pula, pada argumen tersebut, ada "tes
sederhana" seperti pencocokan indeks optik
"untuk memperkirakan indeks bias untuk akurasi
yang diperlukan" [36].
Sayangnya, metode
pencocokan indeks optik tidaklah sederhana,
seperti yang dijelaskan oleh Gustafsson dan
Sebesta [16]. Perhatikan bahwa benda anisotropik
(misalnya kristal laktosa) memiliki indeks bias yang
berbeda dalam arah yang berbeda, mereka
mencoba untuk menemukan indeks bias minimum
3
Pendukung metode laser difraksi menyarankan
memilih metode "atas dasar kecepatan,
reproduktifitas, dan ketahanan" memberikan
"secara tepat, hasil yang cepat" [36]. Perhatikan
bahwa akurasi tidak disebutkan sebagai salah satu
manfaat. Dalam representasi khas, di bawah judul
subjek "metode validasi", pendukung laser difraksi
[51] membahas pembuatan sampel, spesifisitas,
ketahanan,linearitas, reproduktifitas, dan presisi tetapi tidak akurasi. Selain itu, dalam upaya gagal
untuk mempertahankan laser difraksi, argumen
menentangnya disajikan seolah-olah "baik
reproduksibilitas dan ketahanan teknik telah
dipertanyakan ..." [51]. Sayangnya, bukan
ketepatan
metode
laser
difraksi
yang
dipertanyakan melainkan akurasinya.
PRESISI vs. AKURASI
Metode laser difraksi biasanya divalidasi (dan
akurasinya diuji) dengan mikrosfer standar atau
objek serupa [45]. Etzler dan Deanne [12]
mencatat bahwa difraksi laser akurat hanya untuk
partikel berbentuk bola non transparan.
Klaim bahwa instrumen laser difraksi tidak akurat
berasal dari perbandingan terbaru dengan teknik
pengukuran partikel lainnya, terutama dengan
pencitraan optik. Korelasi yang sangat buruk
antara analisis citra dan laser difraksi ada dalam
kasus partikel acicular ("bentuk jarum"), batang
atau datar. Dengan mempertimbangkan fakta
adanya fungsi kesalahan sistem pengukuran yang
berbeda berbeda, namun kita harus menempatkan
kepercayaan lebih pada pengamatan langsung
daripada pada hasil perhitungan yang berbelitbelit.
Diusulkan USP Umum Bab menegaskan
bahwa "analisis matematis [data laser difraksi]
dapat menghasilkan gambar berulang distribusi
ukuran yang akurat" [47-50]. Pernyataan seperti
itu terang-terangan dipertanyakan.
Dibandingkan dengan pengukuran langsung, hasil
laser difraksi untuk partikel datar bisa mencapai
31% kesalahan, dan untuk partikel batang hingga
70% kesalahan [14].
Sebuah analisis bentuk 3D diperlukan untuk
kalibrasi pengukuran partikel berbentuk acak
dengan
metode
laser
difraksi,
untuk
mengekspresikan hasil sebagai partikel bulat.
Namun, algoritma umum untuk laser difraksi tidak
dapat dikembangkan untuk partikel yang
bervariasi dalam ukuran dan bentuk [39].
Dalam percobaan yang dikontrol ketat, Etzler dan
Deanne [12] telah menyimpulkan bahwa
perangkat laser difraksi tidak dapat diandalkan
untuk penentuan distribusi ukuran partikel bubuk
halus farmasi. Dalam percobaan mereka, beberapa
instrumen laser difraksi dari vendor yang berbeda
digunakan untuk menganalisis bahan seperti
microsphere glass (10-95 µm), silica gel 100-200
mesh (bentuknya tidak beraturan), pharmatose
200 mesh lactose, dan senyawa obat micronized.
Karena semua hasil selalu sama, pengambilan
sampel tidak relevan. Tidak ada indeks bias
imajiner digunakan sebagai "bahan-bahan yang
umumnya lemah menyerap dalam kisaran cahaya
tampak". Hasil dari instrumen laser difraksi yang
berbeda secara signifikan berbeda, dan telah,
secara umum, meremehkan ukuran partikel
dibandingkan dengan hasil analisis citra.
Validasi metode laser difraksi untuk analisis ukuran
partikel biasanya dinyatakan dalam hal presisi
daripada akurasi [37]. Pujian untuk difraksi laser,
sebagai suatu peraturan, memang difokuskan pada
potensi penggunaan reproduktifitas untuk kontrol
kualitas [6]. Sebagai contoh, Brittain dan Amidon
[8] dengan hati-hati memberikan pernyataan
berbunyi: "Ketika pengukuran ukuran partikel yang
dibuat menggunakan sistem hamburan cahaya
laser yang sama, mengikuti metode yang sama
persiapan sampel, dan diperoleh dengan
menggunakan parameter sistem yang sama,
adalah mungkin untuk mendapatkan informasi
yang baik mengenai perbedaan ukuran partikel
antara dua atau lebih material".
FDA (Food and Drug Administration) menyadari
keterbatasan pada metode laser difraksi. Sebuah
studi komparatif berbagai teknik umum analisis
ukuran partikel dilakukan pada nitrofurantoin,
dipilih karena morfologi acicular dan juga karena
mengandung
keruncingan
signifikan
[42].
Kesimpulannya adalah bahwa populasi besar
partikel halus hanya terdeteksi dengan teknik
menghitung partikel (analisis citra dan laser
obscuration) dan bukan oleh teknik acak (laser
difraksi).
Pemilihan metode yang paling tepat kemudian
disajikan sebagai "sebagian besar soal akurasi vs
presisi" [8] seolah-olah tidak ada metode
pengukuran partikel yang menawarkan keduanya.
Memang, bahkan dalam kasus partikel acicular,
laser difraksi sering dipilih sebagai "yang paling
konsisten" [44] dibandingkan dengan optical
microphotography.
4
Memang, untuk partikel non-bola, "setara
diameter bola" dapat dihitung berdasarkan massa,
volume, permukaan, atau panjang. Namun,
penggunaan standar bersertifikat ukuran tunggal
non-bola dapat membantu membedakan antara
representasi ukuran partikel akurat dan tidak
akurat, dan, karena standar tersebut tersedia
(Gambar 3), mereka harus digunakan untuk
validasi peralatan.
Gambar. 3. LGC Promochem 12µm bentuk panjang
standar yang melekat pada substrat silikon. Dari
Kelly dan Kazanjian 2005.
Dalam aplikasi farmasi, ada kasus di mana akurasi
pengukuran partikel adalah suatu hal yang
terpenting. Sebagai contoh, risiko klinis yang
terkait dengan infus partikel yang melebihi
diameter kapiler paru dapat mematikan.
Keakuratan analisis ukuran partikel yang
digunakan untuk mengukur emulsi lipid intravena,
terutama untuk ukuran yang ekstrim di atas 5µm,
Oleh karena itu, sangat penting. Mempelajari
perbedaan antara instrumen pengukuran partikel
untuk menganalisis stabilitas emulsi lipid, Driscol
dkk. [10] telah menyimpulkan bahwa, tidak seperti
teknik light obscuration, hasil metode laser difraksi
yang tidak linear. Instrumen laser difraksi terlalu
membesar-besarkan, kurang sensitif atau tidak
terjawab seluruhnya, tetesan atau partikel pada
dispersi besar. Instrumen laser difraksi jelas
terbukti tidak sensitif terhadapa kehadiran partikel
besar atau melebih-lebihkannya dengan faktor 10.
Karena metode laser difraksi secara intrinsik tidak
akurat, pernyataan seperti "akurasi tidak berlaku
untuk ukuran partikel" [2] sering dibuat dengan
pengabaian
yang
tidak
masuk
akal.
Ketidakcukupan metode, melalui generalisasi
palsu, diperluas ke pengukuran. Bahkan, teknik
pengukuran harus memberikan penilaian akurasi
yang dapat diterima.
Bagaimana akurasi pengukuran partikel dibentuk?
Gokhale & Wright [15] menyarankan untuk
memverifikasi akurasi menggunakan bahan
referensi (misalnya, pati atau kontrol banyak
obat). Pendekatan ini, bagaimanapun, membuka
pertanyaan bagaimana validasi ukuran "standar"
partikel.
BAGAIMANA MEMILIH METODE PENGUKURAN
PARTIKEL
Hal ini menyatakan bahwa untuk partikel
berbentuk tidak teratur, "tidak ada satu teknik
yang memberikan representasi yang lebih nyata
dari teknik yang lain dari ukuran partikel yang
sebenarnya" [36]. Brittain dan Amidon [8]
menyatakan bahwa "hasil ukuran partikel yang
'benar' (tapi berbeda) diperoleh dengan
menggunakan instrumen yang berbeda, semua
menghasilkan hasil yang sama-sama 'benar', tetapi
masing-masing mungkin hanya mengungkapkan
hasil yang 'benar' dalam hal yang berbeda".
Untuk aplikasi kontrol kualitas, metode apapun
yang digunakan untuk menentukan distribusi
ukuran partikel harus dinilai pada kemampuan
teknik untuk mendeteksi perubahan yang
signifikan dibandingkan dengan pengujian
sebelumnya.
Gambar. 4. Cara yang tepat memilih dan memvalidasi metode pengukuran partikel. Dari Kelly (2004)
5
3. Berthold C, Klein R, Luhmann J, Nickel KG.
Fibers and Fibre Collectives with Common
Laser Diffractometers. Part Part Syst Charact,
17:113-116, 2000
4. Bowden P. Particle Size Distribution
Measurement from Millimeters to Nanometers
and from Rods to Platelets. J Disp Sci Tech,
23(5):631-662, 2002
5. Brewster E, Ramsland A. Particle size
determination by automated microscopical
imaging analysis with comparison to laser
diffraction. J Pharm Sci, 84(4):499-501, 1995
6. Brittain HG. What is the "Correct" Method to
Use for Particle-Size Determination?. Pharm
Tech, 7:96-98, 2001
7. Brittain HG. Representations of Particle Shape,
Size, and Distribution. Pharm Tech, 12:38-45,
2001
8. Brittain HG, Amidon G. Critical Overview of the
Proposed Particle Size Analysis Tests. American
Pharm. Review, 6(1):68-72, 2003
9. Crompton C. Image Analysis. Why does
orientation matter in particle shape and size
measurements?. Pharm Form Qual, May, 8182, 2004
10. Driscol DF, Etzler F, Barber TA, Nehne J,
Niemann W, Bistrian BR. Physicochemical
assessments of parenteral lipid emulsions: light
obscuration versus laser diffraction. Int J
Pharm, 219:21-37, 2001
11. Etzler FM. Particle-Size Analysis: A Comparison
of Methods. American Pharm. Review,
7(1):104-108, 2004
12. Etzler FM, Deanne R. Particle-Size Analysis: A
Comparison of Various Methods II. Part Part
Syst Charact, 14(6):278-282, 1977
13. Etzler FM, Sanderson MS. Particle Size Analysis:
a Comparative Study of Various Methods. Part
Part Syst Charact, 12:217-224, 1995
14. Gabas N, Hiquily N, Laguuerie C. Response of
Laser Diffraction Particle Sizer to Anisometric
Particles. Part Syst Charact, 11:121-126, 1994
15. Gokhale R, Wright PB. Particle size analysis and
its role in pharmaceutical development. AAPS
Workshop:Particle Size Analysis, , 2003
16. Gustafsson M, Sebesta M. Refractometry of
Microscopic Objects Using Digital Holography. ,
http://www.tde.lth.se/teorel/Publications/TEA
T-7000-series/TEAT-7120.pdf, 2003
17. ISO 13320-1. Particle Size Analysis – Laser
Diffraction Methods, Part 1: General Principles.
ISO Standards Authority, , 1999
18. ISO 13322-1. Particle size analysis -- Image
analysis methods -- Part 1: Static image analysis
methods. ISO Standards Authority, , 2004
19. ISO 13323-1. Determination of particle size
distribution -- Single-particle light interaction
Biasanya, konsistensi produk dinilai dengan
pemantauan distribusi ukuran partikel banyak-kebanyak. Dalam aplikasi tersebut, akurasi mungkin
tidak relevan, yang merupakan titik yang sering
dibuat oleh para pendukung instrumen laser
difraksi. Satu-satunya kekhawatiran apakah sistem
ini cukup sensitif untuk memungkinkan tingkat
kontrol
perubahan
yang
diinginkan.
Reproduksibilitas teknik laser difraksi sering
bingung
dengan
ketidakmampuan
untuk
membedakan perbedaan antara ukuran sampel
dengan ukuran nyata.
Keterbatasan sistem laser difraksi sehubungan
dengan deteksi perubahan signifikan dalam sistem
partikel non-bola harus selalu menjadi perhatian.
Penentuan penerapan sistem tersebut untuk
aplikasi kontrol kualitas idealnya dilakukan dengan
cara studi simulasi di mana standar akan
digunakan untuk model sampel tersebut atau
dengan pembuktian hasil dengan analisis citra.
Sebelum memilih, penilaian awal ukuran partikel
dan bentuk harus dilakukan, dan kemudian
metode pengukuran partikel dapat dipilih dengan
pembuktian yang tepat dari hasil analisis citra
(Gambar 4.). Setelah dipilih, metode pengukuran
partikel yang harus dikembangkan dan divalidasi
berdasarkan analisis citra dibantu komputer
sebelum dapat digunakan untuk pengendalian
kualitas.
KESIMPULAN
Kebutuhan mendesak ada untuk validasi
instrumen pengukuran partikel yang tepat, dan
terutama, instrumen laser difraksi. Percobaan
komperhensif kompetensi bertujuan untuk
mengukur akurasi dan presisi instrumen
pengukuran partikel tersedia secara komersial
telah lama tertunda. Metode alternatif
pengukuran partikel, seperti mikroskop elektron,
waktu penerbangan (misal API Aerosizer) atau
waktu transisi (misalnya Ankersmid CIS-100,
dijelaskan panjang lebar sebagai instrumen Galai
oleh Kaye [30]), layak melihat lebih dekat dengan
siapa saja yang mengerti nilai akurasi instrumen.
REFERENSI
1. ASTM. E1919-03 Standard Guide for Worldwide
Published Standards Relating to Particle and
Spray Characterization. ASTM, , 2005
2. Bell R, Dennis A, Hendriksen B, North N,
Sherwood J. Position paper on particle sizing:
sample preparation, method validation and
data presentation. Pharm Tech Europe,
November, 1999
6
34. Kelly RN, Kazanjian J. Use of LGC Promochem
Shape Standards AEA1001-AEA1003 in the
Study of the Effects of Particle Shape on the
Results from Current Generation Laser
Diffraction-Based Particle Size Analysis
Systems.
Personal
Communication,
in
preparation, 2005
35. Kippax P. Issues in the appraisal of laser
diffraction particle sizeing techniques. Pharm
Tech Europe, Jan 32-39, 2005a
36. Kippax P. Appraisal of the Laser Diffraction
Particle-Sizing Technique. Pharm Tech, 3:88-96,
2005b
37. Lerke SA, Adams SA. Development and
Validation of a Particle Size Distribution
Method for Analysis of Drug Substance.
American Pharm. Review, Fall, 2002
38. Matsuyama T, Umaamoto H, Scarlett B.
Theoretical prediction of effect of orientation
on diffraction pattern transformation of
diffraction pattern due to ellipsoids into
equivalent diameter distribution for spheres.
Part Part Syst Charact, 17:41-46, 2000
39. Muhlenweg H, Hirleman ED. . Part Part Syst
Charact, 15:163-169, 1998
40. Pabst W, Kunes K, Gregorva E, Havrda J.
Extraction of Shape Information From Particle
Size Measurements. British Ceramic Trans,
100(3):106-109, 2001
41. Pabst W, Mikac J, Gregorva E, Havrda J. An
Estimate of Orientation Effects on the Results
of Size Distribution Measurements for Oblate
Particles. Ceramics-Silikaty, 46(2):41-48, 2002
42. Prasanna HR, Jefferson EH, Taylor JS, Hussain
AS, Karuhn RF, Lyon RC. Comparative Analysis
of Common Particle Sizing Techniques For
Pharmaceutical Powders. , FDA Science Day
Poster, February, 2001
43. Rawle A. The Importance of particle sizing to
the coatings industry. Part 1: Particle size
measurement. Adv Pharm Sci, 5(1):1-12, 2002
44. Redkar S. Determining
particle pize
specification for a poorly water soluble,
needle-shaped, crystalline active in oral drug
product. AAPS Workshop: Particle Size Analysis,
2003
45. Schellhamer M, Bowen P, Vaussourd C,
Hofmann H. Accuracy of Particle Size
Distribution Measurement of Spherical Glass
Beads (70-400 ) Usi g Laser Diffraction.
Recent Progres en Genie des Procedes, 77:129134, 2001
46. Sesholtz DA. Sizi g Up… Particle size,
distribution and accurate measurements.
Pharm Form Qual, May 79-80, 2004
47. USP General Chapter , Proposal Stage 3.
Light Diffraction Measurement of Particle Size.
Pharm Forum, 28(3):895-901, 2002
methods -- Part 1: Light interaction
considerations. ISO Standards Authority, , 2000
20. ISO 9276-1. Representation of results of
particle size analysis -- Part 1: Graphical
representation. ISO Standards Authority, , 1998
21. ISO 9276-2. Representation of results of
particle size analysis -- Part 2: Calculation of
average particle sizes/diameters and moments
from particle size distributions. ISO Standards
Authority, , 2001
22. ISO 9276-4. Representation of results of
particle size analysis -- Part 4: Characterization
of a classification process. ISO Standards
Authority, , 2001
23. ISO/CD 9276-3. Representation of results of
particle size analysis -- Part 3: Fitting of an
experimental cumulative curve to a reference
model. ISO Standards Authority, in preparation,
24. ISO/DIS 13322-1. Particle size analysis – Image
analysis methods -- Part 2: Dynamic image
analysis methods. ISO Standards Authority, in
preparation,
25. ISO/FDIS 9276-5. Representation of results of
particle size analysis -- Part 5: Methods of
calculation relating to particle size analyses
using
logarithmic
normal
probability
distribution. ISO Standards Authority, in
preparation
26. ISO/WD 9276-6. Representation of results of
particle size analysis -- Part 6: Descriptive and
quantitative representation of particle shape
and morphology. ISO Standards Authority, in
preparation,
27. Jillavenkatesa A, Dapkunas SJ, Lum LH.
Recommended Practice Guide: Particle Size
Characterization. NIST, Special Publication 9601, 2001
28. Jillavenkatesa A, Kelly J, Dapkunas SJ. Some
Issues in Particle Size and Size Distribution
Characterization of Powders. American Pharm.
Review, Summer:98-105, 2002
29. Kaye BH. A Random Walk through Fractal
Dimensions, 2nd ed. , VCH, Weinheim, 1994
30. Kaye BH. Particle-Size Characterization. In: M.
Decker Encycl Pharm Tech, 1997-2011, 2002
31. Kaye BH, Alliet A, Switzer L, Turbitt-Daoust C.
The Effect of Shape on Intermethod Correlation
of Techniques for Characterizing the Size
Distribution of a Powder I: Correlating the Size
Distribution measured by Sieving, Image
Analysis, and Diffractometer Methods. Part
Part Syst Charact, 14:219-255, 1997
32. Keck C, Muller RH. Size analysis by laser
diffractometry - how valid are the data?. AAPS
Meeting, November, 2004
33. Kelly RN. False Assumptions: Laser Difraction
PSA Systems Exposed. NJPhAST Meeting, May
13, 2004
7
48. USP General Test Chapter , Additional
Revisions. Light Diffraction Measurement of
Particle Size (1st Supp to USP 27). Pharm
Forum, 29(4):1146-1153, 2003
49. USP General Test Chapter , In-Process
Revision. Light Diffraction Measurement of
Particle Size [new] (USP 27). Pharm Forum,
29(2):484-490, 2003
50. USP General Test Chapter , Preview.
Light Diffraction Measurement of Particle Size
[new]. Pharm Forum, 28(4):1293-1298, 2002
51. Ward-Smith RS, Gummery N, Rawle AF.
Validation of wet and dry laser diffraction
particle
characterization
methods.
www.malvern.co.uk, November, 2003
52. Xu R, Di Guida A. Size and Shape
Characterization of Small Particles. Powder
Technol, 132:145-153, 2003
8