專利名稱：分散相和乳化液的加速穩(wěn)定性評估的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)的方法和裝置，用于通過對分散相和乳化液施加應(yīng)力來加速粒子團(tuán)聚作用或者液滴聚結(jié)的開始，并由此來評估它們的穩(wěn)定性，并評價(jià)它們的質(zhì)量和性能。
2.相關(guān)技術(shù)描述在廣泛商業(yè)應(yīng)用中有許多產(chǎn)品和中間加工材料是取決于分散或懸浮于液體(通常為水)中、因此被歸類為兩相系統(tǒng)的細(xì)微粒子。這些粒子可以是固體，例如在液態(tài)聚合物懸浮液的情況下。替代地，“粒子”可包括在懸浮液中不能正?；ト艿囊旱?例如在水包油型乳化液情況下的油滴，或者在油包水型乳化液情況下的水滴(通常含有水溶性物質(zhì))。同時，更為復(fù)雜的分散相以多相系統(tǒng)存在，形成例如水包油包水型和油包水包油型乳化液。
包括“分散相”的粒子或液滴通常有多種尺寸，其范圍常常從0.1微米(微米，或μm)或更小到1μm或者更大。特定產(chǎn)品的粒子或液滴尺寸的分布依賴于討論的分散相或乳化液的化學(xué)組成(包括與粒子或液滴結(jié)合使用的分散劑)和用于獲得最終產(chǎn)品的物理機(jī)制。后者的例子包括在水包油型乳化液情況下的均化作用，以及在聚合物懸浮液情況下的乳化液聚合。無論分散相是由固體粒子還是由液滴組成，方便地稱粒子或液滴尺寸的分布為“粒子”尺寸分布，或者PSD，通過PSD暗指或意指不失一般性的用法。這里使用的詞語“粒子”意圖既包括固體粒子，也包括液滴。同樣地，還方便地將產(chǎn)品稱作為“分散相”，通過其暗指或意指不失一般性。因此，這里使用的詞語“分散相”意圖指既包括乳化液也包括懸浮液。
有許多基于分散相、懸浮液或乳化液的廣泛使用的產(chǎn)品的例子。下面的列表欲作為其范圍廣泛的現(xiàn)有應(yīng)用的代表，但它決不是全部a)無機(jī)(例如硅石、氧化鋁和氧化鈰)膠體懸浮液，在半導(dǎo)體器件制造過程中用于硅晶片的化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)處理；
b)液態(tài)聚合物懸浮液，用于油漆、涂料、粘合劑和密封劑；c)可食用水包油型乳化液(包含香味和顏色)，用于飲料和食品，例如醬油、調(diào)味品和食物添加劑；d)基于硅樹脂的乳化液，用于洗頭發(fā)(洗發(fā)香波)和加濕、潤手乳劑和手術(shù)洗滌，以及密封劑、柔性灌注化合物和醫(yī)學(xué)植入物；e)含蠟和/或粘土的水乳劑，用于化妝品制備；f)基于大豆、紅花、橄欖、中鏈甘油三酸酯和/或魚油的水包油型乳化液，用于靜脈給藥(例如麻醉)和腸道外營養(yǎng)供給；g)基于色素的懸浮液，用于常規(guī)的和噴墨式打??；h)基于硅烷的水包油型乳化液，用于防水劑的施加；i)無機(jī)(例如氧化鈦)膠體懸浮液，用于染色和遮光劑；j)均質(zhì)全脂奶(或脫脂)分散相；k)油包水型乳化液和微乳化液，用于潤滑劑和燃料；l)水包油型乳化液，用于超聲反差成像(ultrasound constrastimaging)；m)基于瀝青的水包油型乳化液，用于公路維護(hù)。
這些和其它基于分散相或乳化液的產(chǎn)品的效果在閑置和使用期間都極其依賴于它們的穩(wěn)定性。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語“穩(wěn)定性”指的是包括分散相的粒子經(jīng)過一段延長(理想地，是無限期)的時間周期保持分離，而不會產(chǎn)生明顯團(tuán)聚作用或聚結(jié)的傾向。給定分散相或乳化液的穩(wěn)定性典型地不僅是其化學(xué)組成的函數(shù)，而且還是其所涉及的生產(chǎn)過程的“細(xì)節(jié)”的函數(shù)。這些基于分散相或乳化液的最終產(chǎn)品和中間加工材料的“質(zhì)量”或性能通常和它們的穩(wěn)定性有關(guān)，即，和可驅(qū)使它們趨向于不穩(wěn)定的潛在力量有關(guān)。這些產(chǎn)品的性能常常與所討論的分散相或乳化液的PSD密切相關(guān)。受PSD影響的重要物理特性的例子包括粘度、硬度、強(qiáng)度、傳導(dǎo)性(熱與電)、外觀、顏色、色調(diào)、光澤、口感和質(zhì)地。
物理化學(xué)穩(wěn)定性是使用任何商業(yè)上可得的懸浮液或分散相的重要結(jié)果。不穩(wěn)定分散相的特征在于，分散相的空間分布會發(fā)生逆變，否則是均勻分布的微小粒子或液滴分別不可逆地發(fā)生團(tuán)聚作用或者聚結(jié)。在液態(tài)分散相(如水包油型或者油包水型乳化液)的情況下，液滴聚結(jié)產(chǎn)生尺寸更大、過大的“球滴”，最終導(dǎo)致宏觀尺寸上的析相作用。這種粒子團(tuán)聚作用或者液滴聚結(jié)的過程不僅導(dǎo)致平均粒子/液滴尺寸的增大，而且還導(dǎo)致“多分散性”或者粒子/液滴尺寸范圍的增大，包括總的PSD。商業(yè)生產(chǎn)的分散相或乳化液中團(tuán)聚作用或者聚結(jié)的最具毀滅性的效果常常發(fā)生在其對數(shù)大約比平均粒子或液滴尺寸的對數(shù)大1/2到1的尺寸范圍。這個明顯發(fā)生變化的尺寸范圍被稱為PSD的大直徑“尾部”(large-diameter“tail”)，而且常常是最感興趣的。構(gòu)成穩(wěn)定分散相PSD尾部的相對較遠(yuǎn)群體的數(shù)量，無論是基于數(shù)量還是體積加權(quán)，常常都占不到(通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于)總分散相的1％。與得自“好”(穩(wěn)定、高質(zhì)量)產(chǎn)品的“基準(zhǔn)”值相比，PSD尾部的生長可發(fā)生在任何階段——即，在生產(chǎn)、儲藏或產(chǎn)品銷售過程中，或者在隨后的工業(yè)或私人消費(fèi)者的分離物或次優(yōu)使用過程中。
失敗可能以各種方式出現(xiàn)使得最終生產(chǎn)的產(chǎn)品不具有吸引力、不能用或者甚至在消費(fèi)者手中是危險(xiǎn)的。這樣的失敗有大量的常見例子，包括與不穩(wěn)定的飲料濃度、奶制品、食物調(diào)味品或者調(diào)味料相關(guān)的口味差；由大的粒子團(tuán)聚作用引起的外觀差或墨水堵塞噴嘴；在通過CMP漿拋光期間在硅晶片的表面上形成瑕疵(例如，劃痕)，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的產(chǎn)量下降；分別由于乳膠粒子或蠟乳化液滴的絮凝導(dǎo)致的由多成分油漆或者保護(hù)性面漆涂覆表面時的欠佳或者或者不基本；由于靜脈引入的營養(yǎng)素或者藥物含過量聚結(jié)的油滴或者團(tuán)聚作用/熔合的脂質(zhì)體而對人或動物造成的傷害。
工業(yè)水平的分散相或乳化液的這些和其它失敗的經(jīng)濟(jì)成本可以是相當(dāng)大的，尤其是與次優(yōu)產(chǎn)品工藝產(chǎn)生的中間材料或最終產(chǎn)品的內(nèi)部損失相關(guān)的那些成本。由于缺乏理解或者難以監(jiān)測和控制的變化，這些損失可以在新產(chǎn)品開發(fā)過程中發(fā)生，或者在具有較寬批次間(batch-to-batch)變化的定型產(chǎn)品(established product)的生產(chǎn)過程中發(fā)生。當(dāng)?shù)土拥漠a(chǎn)品逃避了上市銷售前的檢測規(guī)程而必須隨后被大量召回時，甚至?xí)兄赂叩膿p失。此外，工業(yè)消費(fèi)者將分散相或乳化液作為最終商業(yè)產(chǎn)品的原材料或者必需成分的大規(guī)模使用，必然伴有潛在的較大經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)。最終，如果產(chǎn)品想要為人體內(nèi)使用或者含有極度揮發(fā)的或可燃成分，那么隨后的不利或者甚至是致命的結(jié)果會使得與產(chǎn)品失敗相關(guān)的健康和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)更加嚴(yán)重。
在許多情況下，感興趣的產(chǎn)品或者材料本質(zhì)上是膠體的，其中絕大多數(shù)粒子(或液滴)小于1μm，總體平均直徑典型地在0.05-0.10μm(“微乳化液”)，0.10-1.0μm(“小乳化液”)或1.0-10.0μm(“大乳化液”)范圍內(nèi)。假定度量技術(shù)具有足夠的靈敏度和分辨率，PSD的確定提供了這些分散相和乳化液的穩(wěn)定性和質(zhì)量的有價(jià)值的、而且常常是獨(dú)一無二的“窗口”。這樣的信息具有極重要的潛在價(jià)值，因?yàn)樗蔀榕袛嘟o定生產(chǎn)過程的效驗(yàn)以及后者的微擾提供定量、客觀的準(zhǔn)繩。最終，這種知識可告知用于優(yōu)化產(chǎn)生所討論產(chǎn)品的生產(chǎn)過程的裝置。
如同從上述所列應(yīng)用中明顯看出的那樣，分散相和乳化液最廣泛遇到的類型是水溶液系統(tǒng)，其中包圍粒子或液滴的分散相的“連續(xù)”相(continuous phase)由水組成。(水相不純粹是水。它總是包含一種或多種帶電荷、可運(yùn)動的粒子(電解質(zhì))加上其它可能溶解的帶電荷和不帶電荷的分子，連同建立分散介質(zhì)的pH所需的任何濃度的H+和OH-離子。)因此，用于穩(wěn)定水分散相和乳化液所最廣泛采用的物理機(jī)制是電荷穩(wěn)定機(jī)制。該機(jī)制的第一廣泛描述由Verwey和Overbeek在他們的經(jīng)典專論Theory of Stability of Lyophobic Colloids，Elsevier Science，Amsterdam(1984)中提供。對這一理論的補(bǔ)充由Derayaguin和Landau提供，并且形成的膠體穩(wěn)定性的“DLVO理論”(由于Derayaguin、Landau、Verwey和Overbeek)已經(jīng)被許多作者所驗(yàn)證，包括Hiemenz在Principles of Colloid and SurfaceChemistry(膠體和表面化學(xué)原理)，Marcel Dekker，New York(1997)中驗(yàn)證。該理論提供了存在于懸浮于水介質(zhì)中的相鄰粒子之間的兩種基本的、作用相反的力—庫侖(靜電)排斥力和倫敦-范德華引力之間競爭的定量描述。
粒子間的靜電排斥力來自粒子表面所帶的凈電荷(正電荷或者負(fù)電荷)。這種電荷可由與表面共價(jià)鍵合的部分產(chǎn)生——即，它們是所討論粒子的固有部分——并通過將離子離解到周圍的水相中而失去所述粒子的中性。這些帶相反電荷的“平衡離子”被釋放到連續(xù)相中、因此在表面上留下凈電荷的程度，依賴于單個離解常數(shù)的值，或者表面鍵合部分相對于周圍水相的pH的“可滴定”pKa。一種例子是羧化聚苯乙烯乳膠粒子——即，含有與它們的表面共價(jià)鍵合的COOH基的乳膠“珠”。如果水相的pH值遠(yuǎn)大于COOH基的pKa(即，≥pKa值之上2個pH單位)，絕大多數(shù)H+離子將從后者離解，留下附于粒子表面的帶負(fù)電荷的COO-基。相反，當(dāng)水相的pH達(dá)到pKa值(即，pH＝pKa)時，只有50％的H+離子離解。最壞的情況是，如果pH低于pKa值，表面電荷極大地減少，甚至達(dá)到零，這是因?yàn)楦郒+離子吸附于粒子上，并且分散相變得不穩(wěn)定。
可替代的方案是，保留于粒子上確保它們穩(wěn)定的凈電荷可通過吸附于它們表面上的帶電分子來提供。同樣是聚苯乙烯乳膠粒子(不帶COOH基團(tuán))提供了常見的例子，但在該例子中由離子型表面活性劑的分子包圍，諸如十二烷基磺酸鈉(SDS)。SDS單體的疏水烴“尾部”被吸附于同樣疏水的聚合物粒子的表面和/或內(nèi)部，而親水的頭部基團(tuán)順利地排列存在于表面上，以允許最大可能地暴露于周圍水分子。大多數(shù)Na+離子自由地?cái)U(kuò)散在水相中，通過屬于吸附的SDS單體的SO3-基團(tuán)的力量將凈負(fù)電荷留在粒子的表面上。
作為保留于給定粒子表面上的凈電荷的結(jié)果，在其表面上存在電勢Ψ0，零值定義為距粒子無窮大。在距粒子表面的距離為x處的電勢值Ψ(x)隨x的增大而單調(diào)遞減，如

圖1中的圖解顯示。距離參數(shù)x是標(biāo)準(zhǔn)化的粒子間距離，定義為x＝(r-2a)/2a，其中r是兩粒子(假定為球形)中心之間的距離，并且a是每個粒子的半徑(假定粒子的尺寸相同)。緊密環(huán)繞每個粒子表面的區(qū)域，通常稱為“腹層(SternLayer)”，含有具有與粒子表面電荷符號相反的相對較高濃度的離子，并吸附到每個粒子表面。這些電荷相反的離子的濃度隨著與粒子表面間距的增大而逐步下降。相反，與較大粒子所攜帶電荷符號相同的帶電離子的濃度隨著與每個粒子表面距離的增大而增加。含有可在大粒子之間自由擴(kuò)散的帶正電荷和帶負(fù)電荷的可移動離子超出腹層的擴(kuò)散區(qū)被稱為Gouy-Chapman層。假設(shè)根據(jù)Coulomb定律的描述，對于孤立電荷具有常見1/x性能，則圖1中顯示的Ψ(x)對x的行為并不令人驚奇。然而，由于水相中電解質(zhì)(即鹽離子)的存在，隨著x的增加，電勢典型地降低得遠(yuǎn)快于1/x?？梢苿訋щ婋x子用于部分“屏蔽”或者中和與帶電“大”粒子以一定距離存在的靜電場。加入的帶相反電荷的離子濃度越大，在距離粒子的任何給定距離處的電勢屏蔽就越高。
相反，帶有與粒子符號相同電荷的可移動離子會被表面排斥，導(dǎo)致接近表面的這些離子相對缺乏。隨著與粒子的距離的增加，帶符號相反電荷的離子濃度下降，而那些帶相同符號電荷的離子濃度增加，以便于它們在遠(yuǎn)離粒子處達(dá)到相同的平均濃度，在此處Ψ值有效地降到零。加入的電解質(zhì)濃度越高，Ψ(x)隨距離x的增加而更快衰減。在電勢降到表面上電勢值的1/e倍的距離，Ψ0通常表示為1/K，其中K為根據(jù)公知的Debye-Hückel公式得出的“相反屏蔽長度”。K值隨電解質(zhì)濃度的增加而基于電解質(zhì)濃度的平方根(假定為單價(jià)離子)增大。電解質(zhì)濃度的增加導(dǎo)致帶電雙層的收縮(即減小的“厚度”，1/K)。
從給定帶電荷粒子向外延伸的電勢與相鄰粒子攜帶的電荷相互作用，在兩個粒子之間產(chǎn)生排斥力。當(dāng)然，還有從第二粒子延伸出的相應(yīng)電勢。因此，兩粒子間存在的靜電排斥力通常被描述為由兩個帶電雙層的“交集”所引起。兩個粒子(或者，事實(shí)上，兩個帶電雙層)彼此排斥的程度由粒子間排斥勢能VR來分析計(jì)算，如在DLVO理論中所描述的。作為兩個帶電粒子表面間距離x的函數(shù)的VR的行為在圖2中圖解(曲線“VR”)顯示。
對懸浮于水介質(zhì)中的帶電粒子穩(wěn)定性的第二基本影響是由兩個相鄰粒子中電偶極矩的相互作用產(chǎn)生的倫敦-范德華引力。由于局部電荷密度的隨機(jī)波動，一個粒子中的偶極矩被另一粒子中暫時形成的偶極矩所誘導(dǎo)。相互作用的強(qiáng)度特征在于依賴于粒子構(gòu)成的Hamaker系數(shù)。倫敦-范德華力僅僅在相對較短的距離內(nèi)有效，隨粒子間距x的增大而下降，并且下降得比1/x要快得多。也就是說，在不存在顯著的電解質(zhì)濃度時，由于粒子間靜電排斥力的長程力特性，倫敦-范德華力隨距離增加的衰減比粒子間靜電排斥力所表現(xiàn)出的相應(yīng)衰減更快。產(chǎn)生作為粒子間距函數(shù)的吸引粒子間勢壘VA的行為也圖解(曲線“VA”)顯示于圖2中。
因此，存在于水懸浮液中的兩個帶電粒子間的凈勢壘VTOT可通過粒子間勢壘的排斥和吸引相加來得到VTOT＝VR+VA。該結(jié)果也圖解顯示于圖2中。對非常小的x值來說——即，當(dāng)兩粒子有效接觸時——，由于在間距小時，與帶正電荷(排斥)的靜電能相比，帶負(fù)電荷(吸引)的倫敦-范德華勢壘基本占支配地位，VTOT值為非常大的負(fù)值。隨著間距的增加，由于短程吸引力的作用減小，凈勢壘急劇升高。在這些非常小的間距距離中，事實(shí)上，粒子不可逆地發(fā)生團(tuán)聚作用——即，它們陷入了代表2-粒子系統(tǒng)的最低能量狀態(tài)的深能量“阱”。隨著間距距離的進(jìn)一步增加，凈勢壘最終達(dá)到最大值VMAX，假設(shè)粒子具有足夠的電荷并且屏蔽電解質(zhì)的濃度足夠，該最大值顯然是正的。最后，隨著粒子間距x的進(jìn)一步增大(即，假定VR的影響足夠大到能避免在VTOT對x的圖中出現(xiàn)第二最小值)，VTOT浮動并下降，最終在很大間距處有效地降低到零。VTOT對x的詳細(xì)行為或者形狀依賴于結(jié)合以形成VTOT的兩種競爭性勢壘函數(shù)VR和VA的幅值和形狀。
圖2中圖解顯示的凈粒子間勢壘曲線VTOT對x的形狀和尺寸，確定了特定電荷穩(wěn)定的分散相或乳化液在經(jīng)過一段長時間抵抗團(tuán)聚作用或者聚結(jié)后，能否事實(shí)上保持穩(wěn)定。在VTOT對x圖中幅值為VMAX的峰值構(gòu)成了粒子間能量“屏蔽”，該能量“屏蔽”保護(hù)兩種帶電粒子不會彼此太接近(由布朗運(yùn)動，或者擴(kuò)散造成)，免得它們彼此強(qiáng)烈吸引以致于它們不可逆地陷入由強(qiáng)的短程倫敦-范德華引力所產(chǎn)生的深能量阱。由于粒子在懸浮液的水相中擴(kuò)散，它們擁有kT量級的平均動能，其中k是玻爾茲曼常數(shù)，并且T是絕對溫度。粒子間勢壘VMAX的高度越高，它們就越可能被排斥，而不能彼此靠近到足以允許發(fā)生不可逆團(tuán)聚作用的程度。與kT相比，VMAX值越高，每個粒子周圍的“排外”的排斥區(qū)就越大，并且每次隨機(jī)試圖穿過該區(qū)的可能性就越無窮小。
對粒子間勢壘高度對簡化“乳化液”的“半衰期”影響的檢驗(yàn)評估是有益的，假定在油/水比例均一時，單個液滴的尺寸為1μm。這些評估通過Friberg等人(“Theory of Emulsions(乳化液理論)”，p.63)在Pharmaceutical Dosage FormsDisperse Systems(制藥劑量表分散系統(tǒng))，H.Lieberman等人(eds.)，Vol.1，Marcel Dekker，New York(1998)中的方法來計(jì)算。得出的簡化乳化液的液滴濃度大約為1011每ml。半衰期t1/2被定義為乳化液中初始數(shù)量的液滴有一半發(fā)生了團(tuán)聚作用或者聚結(jié)所需要的時間。團(tuán)聚作用率或者絮凝率與每單位體積中的粒子數(shù)的平方、粒子半徑(假定為球形)和它們的擴(kuò)散系數(shù)成比例。在缺少電荷穩(wěn)定性時，當(dāng)粒子彼此由于隨機(jī)擴(kuò)散而自由碰撞從而產(chǎn)生不可逆團(tuán)聚作用時，半衰期不到一秒。粒子間勢壘的存在用于放緩團(tuán)聚作用率，因而增加了半衰期。在VMAX＝5kT(T＝25□)的情況下，t1/2僅僅增加到38.2秒。粒子間勢壘高度加倍，達(dá)到VMAX＝10kT，引起t1/2顯著增加，但僅為1.55小時——典型地對必須具有保存限期為即使不是數(shù)年，也必須是數(shù)星期或者數(shù)月的最終產(chǎn)品來說是明顯不夠的。粒子間勢壘高度再次加倍，達(dá)到VMAX＝20kT時，導(dǎo)致半衰期為3.91年，大約能夠滿足許多具有商業(yè)意義的產(chǎn)品的需要。(有趣的是，粒子間勢壘高度VMAX＝50kT，意味著半衰期為4.17×1013年，的確代表了“穩(wěn)定”乳化液，而此時，例如(每ml 1011中的)第一對液滴聚結(jié)需要兩天。)大體上，通過DLVO理論，基于粒子上滯留的電荷數(shù)量的獨(dú)立測定，與它們的尺寸和電解質(zhì)濃度一起，人們可估計(jì)給定電荷-穩(wěn)定的分散相或乳化液的粒子間勢壘的高度(以kT為單位)。因此，大體上人們將能夠可靠地估計(jì)分散相或乳化液的半衰期，并通過對產(chǎn)品的化學(xué)組成進(jìn)行“微調(diào)”達(dá)到期望的穩(wěn)定性。然而，提供了以上概括的t1/2對勢壘高度評估的同一作者顯然悲觀地考慮了該理論方法在實(shí)踐中的有效性。Friberg等人(op cit，p.66)寫到“含有電解質(zhì)的屏蔽的相對高度的計(jì)算從科學(xué)的觀點(diǎn)看是有趣的，但在日常的配制嘗試中價(jià)值有限?！彼麄?op cit，p.70)還注意到與評定乳化液穩(wěn)定性相關(guān)的中心問題——需要花費(fèi)大量的時間來建立可靠的結(jié)論?！皩θ榛号渲普邅碚f一個兩難選擇在于這一事實(shí)制備的成功僅僅在一段很長的時間以后才能判斷。如果保存限期需要一年，大體上需要等一年才能發(fā)現(xiàn)大量的樣品是否還是完整無缺的?！边@一主要缺點(diǎn)還為Breuer在(“Cosmetic Emulsions(化妝用乳化液)，”p.420)Encyclopediaof Emulsion Technology(乳化液技術(shù)百科全書)，P.Becher(ed.)，Vol.2，Marcel Dekker，New York(1985)中所強(qiáng)調(diào)。“通過加快實(shí)驗(yàn)室測試來預(yù)告長期的穩(wěn)定性仍然是難以琢磨的目標(biāo)。盡管其巨大的商業(yè)重要性，但對這一問題僅僅完成了少量的基礎(chǔ)研究。毋庸置疑，對該問題興趣相對較低的原因之一是由于任何新預(yù)測技術(shù)的結(jié)果驗(yàn)證都需要一段相當(dāng)長的時間(例如，2年的儲藏期)?！?br> 對影響乳化液中聚結(jié)(即不穩(wěn)定性)開始的變量的基本理解的缺乏由Walstra在Encyclopedia of Emulsion Technology(乳化液技術(shù)百科全書)，P.Becher(ed.)，Vol.4，Marcel Dekker，New York(1996)中強(qiáng)調(diào)(“Emulsions Stability(乳化液穩(wěn)定性)，”p.56)?！巴ㄟ^本章的上述討論，可能很顯然，即使是相對簡單的膠體，象(肉眼可視的)乳化液，對于其穩(wěn)定性的了解也是不夠的。關(guān)于膠體相互作用的能量及其對團(tuán)聚作用率的影響有許多不確定性。尤其需要進(jìn)一步研究聚結(jié)，其中應(yīng)當(dāng)分別對不同變化進(jìn)行研究。而且，需要對局部聚結(jié)進(jìn)行更多的研究，盡管其主要變化已經(jīng)被證實(shí)并已經(jīng)確定了它們的重要性。在實(shí)踐中常常遇到的結(jié)合不穩(wěn)定性的預(yù)告更是非常困難，盡管在某些情況下已經(jīng)嘗試了進(jìn)行這樣不穩(wěn)定性的預(yù)告。”Walstra(opcit，p.119)繼續(xù)就甚至有關(guān)乳化液中聚結(jié)存在的意義的不確定性進(jìn)行了發(fā)言?！翱梢缘贸鼋Y(jié)論的是，聚結(jié)的定量的重要性是未知的。它可能是基本可變的，并可能是利用不同表面活性劑發(fā)現(xiàn)的液滴尺寸方面存在差別的重要原因。由于聚結(jié)可能發(fā)生在新形成的小滴中，主要根據(jù)流體條件和更少的分散相，該觀念可與臨界小滴(更大的小滴會破碎)尺寸的表觀存在相一致?！标P(guān)于“復(fù)雜”(即多成分)乳化液，諸如奶蛋白系統(tǒng)中的基本相互作用現(xiàn)象的知識的不足，由Euston等人(p.940)在J.Food Sci，Vol.65，pp.934-940(2000)中認(rèn)識到?！斑@項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)兩個重點(diǎn)。第一，當(dāng)試圖預(yù)測食物系統(tǒng)中的奶蛋白的乳化特征時，非常簡單的系統(tǒng)的使用可能不基本恰當(dāng)。”“第二，盡管奶蛋白的相互作用可對奶蛋白的乳化特征有非常大的影響，我們對哪些相互作用是重要的、它們是怎樣發(fā)生的，以及可以怎樣利用它們的知識仍存在空白。需要對該領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以允許我們利用該信息來為特定應(yīng)用更好地選擇成分?！比榛悍€(wěn)定性的重要性與加快的穩(wěn)定性測試的明顯無益一起，為Weiner(“Introduction(介紹)，”p.9)在Pharmaceutical DosageFormsDisperse Systems(制藥劑量表格分散系統(tǒng))，H.Lieberman等人(eds.)，Vol.1，Marcel Dekker，New York(1988)中所強(qiáng)調(diào)。“聚結(jié)是所有相關(guān)基團(tuán)都不能容忍的，并且它是在液滴表面上的乳化劑膜強(qiáng)度的函數(shù)，也就是說，界面自由能量勢壘。影響聚結(jié)的因素以及影響乳狀液的因素是明顯不同的，對聚結(jié)進(jìn)行加快的穩(wěn)定性測試不過是困難而帶有欺騙性的。”他繼續(xù)聲稱“關(guān)于乳化液聚結(jié)的預(yù)告性測試或者不可逆地解決該疑問，很少有證據(jù)推動該系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其將在市場生產(chǎn)中遇到的對儲存期預(yù)測有用的任何可靠信息。此外，系統(tǒng)的過應(yīng)力產(chǎn)生了拋棄在現(xiàn)實(shí)條件下基本可接受的制劑的危險(xiǎn)?！盕riberg等人(op cit，pp.70-71)得出了他們的悲觀評估結(jié)論，承認(rèn)更快速、可靠的測試方法是不存在的。“如果找到了加快測試的可靠方法，這一問題將可以避免；也就是說，如果一種方法是可用的，則使得根據(jù)短期變化來判斷長期行為成為可能。不幸地是，沒有得到這種類型的一般方法。正在使用許多能加快特定種類的乳化液的去穩(wěn)定性過程的方法，并且這些方法在它們的應(yīng)用領(lǐng)域中是有用的。另一方面，當(dāng)應(yīng)用到它們已經(jīng)建立的領(lǐng)域之外時，這些方法可能給出基本錯誤結(jié)果的這一重要事實(shí)不能過分強(qiáng)調(diào)。”通過上面引用的參考，很顯然，在該領(lǐng)域中未解決的問題是需要很長一段時間來確定給定乳化液或分散相是否是穩(wěn)定的以及到什么程度。因此，已經(jīng)進(jìn)行了努力來加快穩(wěn)定性的測試過程。過去的嘗試絕大部分集中在圍繞三種加快潛在分散相的不穩(wěn)定性的開始的方式1)升高(常常是充分地)溫度；2)通過機(jī)械裝置誘導(dǎo)強(qiáng)的剪切力；以及3)通過對樣品進(jìn)行離心過濾，來加快較大粒子/液滴的沉淀或漂浮率。盡管這些不同的方法是有用的，它們絕大部分不能明確地和/或一致地產(chǎn)生關(guān)于給定乳化液或分散相的穩(wěn)定程度的可靠定量信息，或者它怎樣與性能已知的標(biāo)準(zhǔn)品在質(zhì)量上進(jìn)行比較。
關(guān)于“熱應(yīng)力”的基本原理，DLVO教導(dǎo)了分散相或乳化液的穩(wěn)定性將隨著粒子間勢壘高度VMAX(相對于固定的kT值)下降而惡化。因此，對于VMAX的固定值，升高溫度(即相反常數(shù)的分散相)將產(chǎn)生相同的結(jié)果——降低的穩(wěn)定性。因此，分散相顯示穩(wěn)定性征兆(例如，在水包油型乳化液中相分離的開始)的程度與溫度的升高相關(guān)。溫度對化學(xué)反應(yīng)(即Arrhenius方程)速率的影響以及由此對分散相特別是藥物制劑的穩(wěn)定性的影響為Newton(The Role of Temperature in the Lifeof a Pharmaceutical Preparation(溫度在制藥準(zhǔn)備過程中的角色))在Pharmacopeial Forum，Vol.25，#1，pp.7655-7661(1999年1月-2月)中評論，并在Vol.25，#4，p.8627中(1999年7月-8月)中修正。
Kwan等人在美國專利US 5,378,609(1995)中描述了使用升高溫度來模擬對用于執(zhí)行脂肪酶化驗(yàn)的含乳化液的試劑老化的影響。指示在57攝氏度的熱應(yīng)力下12天大體上未改變的成分和活性的穩(wěn)定乳化液制劑的光吸收，與正常儲藏在4攝氏度四年的光吸收相等。這種行為與對于不穩(wěn)定的控制樣品觀察到的情況截然相反，后者在4攝氏度時儲藏7天就開始降解，并在57攝氏度時立即顯示了吸收的增加，表明開始沉淀。
Faure等人在美國專利US6,347,884B1(2002)中描述了一種用于確定含水碳?xì)浠衔锶榛宏P(guān)于相分離的溫度穩(wěn)定性的方法，包括在某一溫度下石蠟在柴油中的結(jié)晶。相分離的開始通過監(jiān)測被使用來提高燃燒效率的、部分浸入油水混合物中的重量測定傳感器的重量變化來檢測。
Garver等人在美國專利US 6,263,725B1(2001)中描述了使用基于UV-可見光吸收和/或散射的在線傳感器來檢測并鑒別膠體物質(zhì)，例如在紙漿或者紙張?zhí)幚硭械臑r青或木樹脂。在兩種或兩種以上溫度下執(zhí)行的膠體混合物的光衰減或散射度量的差或者比率，提供了分散相的穩(wěn)定性相對于溫度的度量。對不同樣品在熱穩(wěn)定性方面觀察到的不同提供了一種區(qū)分基于膠體液體的不同成分的方法。
升高溫度來評估乳化液穩(wěn)定性的方法還被Yoon等人(“Interfacial properties as stability predictors oflecithinstabilized perfluorocarbon emulsion(作為穩(wěn)定卵磷脂全氟化碳乳化液的穩(wěn)定性預(yù)測器的臨界屬性)”)在Pharm Dev Tech，Vol 1，pp.333-41(1996)中利用。用于Pluronic F68(一種非離子表面活性劑)的水包油型乳化液來幫助穩(wěn)定油滴相(通過位阻機(jī)制)和蛋卵磷脂，以提供附加的電荷居間(charge-mediated)穩(wěn)定性。熱動力加快的穩(wěn)定性測試在5、20、37和60攝氏度進(jìn)行，采用多種乳化液制劑和多種粒子尺寸分析方法來檢測兩個月之后液滴的PSD變化。通常，如同預(yù)期的那樣，達(dá)到最大測定平均直徑所需要的天數(shù)“DMAX”隨著溫度的增加而下降。然而，在所采用的一些溫度值下，所觀察的各種乳化液制劑中存在明顯的變化。在60攝氏度時“達(dá)到DMAX的天數(shù)”的周期從3天變化到14天；該周期在37攝氏度時統(tǒng)一為14天；在20攝氏度時該周期從14天變化到21天；并且該周期在5攝氏度時絕大多數(shù)為21天。研究發(fā)現(xiàn)，加入膽固醇(即加入電荷包被的油滴)能提高乳化液對熱應(yīng)力的穩(wěn)定性——即，它延長了在檢測到PSD顯著變化之前的時間段。在絕大多數(shù)采用的溫度下觀察到的“達(dá)到DMAX的天數(shù)”的明顯變化，僅僅強(qiáng)調(diào)了與使用溫度應(yīng)力作為定量評估典型的多成分乳化液穩(wěn)定性的方法相關(guān)的限制。
Vadas(“Stability of Pharmaceutical Products，(制藥產(chǎn)品的穩(wěn)定性)”p.641)在RemingtonThe Science and Practice ofPharmacy(科學(xué)與實(shí)踐藥學(xué))，Gennaro(ed.)，Vol.1，MackPublishing，Easton，PA(1995)中強(qiáng)調(diào)與使用升高溫度來加快穩(wěn)定性評估相關(guān)的缺陷“兩種簡單的測試被用于篩選乳化液制劑。第一，乳化液的穩(wěn)定性可通過將其加熱到50-70攝氏度來確定，并通過濁度計(jì)測定來視覺觀察或檢驗(yàn)其總的物理穩(wěn)定性。通常加熱時最穩(wěn)定的乳化液在室溫下最穩(wěn)定。然而這可能不是真的，因?yàn)槿榛涸?0攝氏度時與在室溫下可能不同。第二，乳化液的穩(wěn)定性可通過“聚結(jié)時間”測試來估計(jì)。盡管這是一種粗糙的定量測試，但對于在室溫下檢測乳化液穩(wěn)定性的總體差別是有用的?！盫adas以上所陳述的第一點(diǎn)在于，在實(shí)踐中，這種使乳化液溫度充分升高的表面上簡單的方法可能有嚴(yán)重的缺陷。利用DLVO理論的原理來評估乳化液的穩(wěn)定性可能需要溫度的典型升高可能大到足以導(dǎo)致乳化液自身發(fā)生改變。依賴于其相轉(zhuǎn)變圖的復(fù)雜性，這些溫度的升高可能得到將乳化液或分散相“轉(zhuǎn)化”成明顯“不同”的系統(tǒng)(根據(jù)物理學(xué)的說法，包括具有顯著不同的PSD)這一非常不期望的結(jié)果。這種可能的行為與使用溫度變量作為手段所期望的目標(biāo)嚴(yán)重對立，而所期望的目標(biāo)是僅僅干擾相鄰的帶電粒子或液滴之間凈排斥作用的影響，同時乳化液或分散相的特征假定基本上保持不發(fā)生變化。
已經(jīng)用于評估乳化液穩(wěn)定性的第二方法是應(yīng)用機(jī)械應(yīng)力——例如，以一種形式或者另一種形式對其進(jìn)行“搖動”——以便使分散相或懸浮液受到剪切力的作用。推測中等到強(qiáng)剪切力的應(yīng)用將引起穩(wěn)定性較低的乳化液顯示出比穩(wěn)定性較高乳化液更快地聚結(jié)。例如，Degouy等人在美國專利5,257,528(1993)中描述了一種設(shè)備，用于在加快的基礎(chǔ)上研究在封閉循環(huán)中液體環(huán)流的老化——例如，用于測試在石油鉆探中使用的泥漿的穩(wěn)定性。液體升高到預(yù)定的溫度和壓力，并以比正常使用時更快的速度循環(huán)，從而產(chǎn)生更高的剪切力。液體因而經(jīng)受了加速老化，而僅需要較短的時間來揭示其流變學(xué)特性，并最終揭示其穩(wěn)定性。
然而，在實(shí)踐中，這種涉及應(yīng)用機(jī)械應(yīng)力來加快穩(wěn)定性測試的表面上“簡單”的方法再次被證明充滿了不確定性和困難。該方法中的固有限制可通過回顧兩個靜脈乳化液藥物生產(chǎn)商之間的通信來理解，其以書信形式發(fā)給編輯(“Pharmaceutical and antimicrobialdifferences between propofol emulsion products(丙泊酚乳化液產(chǎn)品之間的制藥和抗菌差別)”)，最近出版在Am J Heath-SystPharm，Vol.57，pp.1174-76，1176-77(2000)。
在第一封信中，Redhead等人概述了對他們的名牌產(chǎn)品，用于靜脈麻醉和鎮(zhèn)靜目的、含1％丙泊酚的磷脂穩(wěn)定的10％大豆水包油型乳化液(pH6-9)進(jìn)行加快的物理穩(wěn)定性測試(劇烈搖動)得到的結(jié)果。一種在270次搖動/分鐘下操作高達(dá)16小時的“扭轉(zhuǎn)作用”搖動被用于為乳化液提供延長的機(jī)械應(yīng)力。一些粒子尺寸分析技術(shù)被用于評估作為搖動持續(xù)時間函數(shù)的PSD變化。將結(jié)果與得自普通“等價(jià)”產(chǎn)品(pH4.5-6.4)的那些結(jié)果相比較。與該名牌產(chǎn)品在16個小時的搖動后仍未出現(xiàn)可測量的變化相比，在搖動兩小時的時間內(nèi)，普通產(chǎn)品直徑較大(＞2μm)的油滴的體積百分比表現(xiàn)出了較大變化。普通產(chǎn)品的相對較差的穩(wěn)定性歸因于其較低的pH，其預(yù)期能使磷脂穩(wěn)定的油滴的表面負(fù)電荷(以及相應(yīng)的ζ電勢)減少。
在他們給Redhead等人的回信中，Mirejovsky等人辯論了為給出乳化液穩(wěn)定性的可靠度量而進(jìn)行搖動測試的有效性。他們引證了在機(jī)械攪拌方法中的不一致性(即，Redhead等人參考的在更早的研究中使用的振蕩運(yùn)動，其相對于與實(shí)際中使用的扭轉(zhuǎn)作用振動機(jī)相關(guān)的上下運(yùn)動)。他們還進(jìn)一步引證了Hansrani等人在J.Parenter Sci.Technol.，Vol 37，pp.145-150(1983)中的更早期的工作，承認(rèn)振蕩運(yùn)動可導(dǎo)致乳化液分離，但是如果制劑經(jīng)過滅菌后，它很可能抵抗由振蕩誘導(dǎo)的分散。Mirejovsky等人總結(jié)到“這些例子說明，在現(xiàn)實(shí)狀況下永遠(yuǎn)也不能建立過度搖動和乳化液的穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián)?！彪m然存在上述引證的與用于加快分散相和乳化液穩(wěn)定性評估的機(jī)械應(yīng)力應(yīng)用相關(guān)的潛在困難，仍然開發(fā)了一些方法和裝置來實(shí)現(xiàn)這樣的測試過程。一種用于評估乳化液相變的裝置和方法由Date等人在美國專利5,319,958(1994)中進(jìn)行了描述。將乳化液的一部分應(yīng)用到滑動表面上，并且在測試期間另一表面逆著滑動表面推動。一個傳感器裝置測量在滑動方向上施加到推動表面上的力。測得的力的變化允許評估乳化液的相變。Joseph等人在美國專利5,987,969(1999)中描述了一種方法和裝置，其描述了乳化液動態(tài)穩(wěn)定性(即在流動過程中)的特征。通過測試容器內(nèi)在靜止表面和運(yùn)動表面之間定義的間隙供給乳化液。從而可基于流經(jīng)測試容器的循環(huán)，來描述乳化液的動態(tài)穩(wěn)定性特征。
Lamar，III等人在美國專利3,950,547(1976)中描述了用于確定遵循他們自己配制的食用乳化液的穩(wěn)定性的方法。這些方法中最早、復(fù)雜性最低的方法僅僅包括“觀察并等待法”。在從二分之一小時到40小時以后的不同經(jīng)歷時間間隔形成的分離脂肪、富水相和富油相的百分體積，通過使用透明的分級容器目視確定。其它方法涉及將熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力都應(yīng)用到乳化液上。通過在71攝氏度時將樣品加熱兩小時，然后目視估計(jì)相分離的征兆來確定熱穩(wěn)定性。通過將樣品在Waring混合器中高速(3200r.p.m.)攪拌，然后再次目視觀察來確定其剪切穩(wěn)定性。
離心法是較早列出的第三種在加快的基礎(chǔ)上測試乳化液穩(wěn)定性的方法。Vadas(op cit，p.641)評論了離心對評估乳化液穩(wěn)定性的用處，其中假定液滴具有比周圍的水相更低的密度?！俺匐x心也可用于確定乳化液穩(wěn)定性。當(dāng)分離的油量對離心時間作圖時，就得到了一個坪曲線(plateau curve)。當(dāng)相對于每分鐘離心轉(zhuǎn)數(shù)的平方對油漂浮(成乳)率作圖時，就產(chǎn)生了線性圖。漂浮率由乳化液-水邊界到轉(zhuǎn)子中心的距離的對數(shù)對每分鐘每次旋轉(zhuǎn)的時間作圖產(chǎn)生的直線斜率來表示?！比榛?水邊界隨時間逐漸變化后，典型地在不同轉(zhuǎn)動速度下測量作為時間函數(shù)的濁度的徑向分布。與使用同樣基于濁度的簡單(重力)沉淀/漂浮設(shè)備所需的長時間相比，離心的使用用于極大地縮短達(dá)到明顯的油漂浮(成乳)所需的時間。然而，離心方法具有至少一種嚴(yán)重的潛在缺點(diǎn)。懸浮液滴的分級沉淀或漂浮行為導(dǎo)致這些液滴的局部濃度發(fā)生較大的變化。也就是說，在乳化液中隨時間的變化形成大的油濃度梯度?；谙鄨D的詳細(xì)特性，相對于溫和地干擾來講，基本有可能使得乳化液在特征方面發(fā)生明顯變化。這種潛在的問題反映了上面Vadas(op cit，p.641)所暗指的由于溫度的過渡升高可能發(fā)生的事情。
最后，Kanicky等人(“Surface Chemistry in the PetroleumIndustry(石油工業(yè)中的表面化學(xué))，”p.257)在Handbook of AppliedSurface and Colloid Chemistry(應(yīng)用的表面和膠體化學(xué)手冊)，Holberg(ed.)，Vol.1，John Wiley和Sons，Ltd，West Sussex，UK(2002)中論證了在乳化液技術(shù)知識中目前存在的差距。Kanicky等人(op cit，p.257)寫到“非常明顯，乳化液是非常復(fù)雜的系統(tǒng)。在試圖澄清這些系統(tǒng)的復(fù)雜性的理論研究上已經(jīng)取得了進(jìn)步。然而，多數(shù)乳化液的類型和穩(wěn)定性的預(yù)告更多的是來自于經(jīng)驗(yàn)觀察，而不是來自于理論。在許多工業(yè)循環(huán)中乳化液制劑仍被認(rèn)為是一種技術(shù)，而不是科學(xué)方法?！苯陙?，在乳化液技術(shù)的不同領(lǐng)域工作的研究者所作的評估被吸引到分散相學(xué)中存在的缺點(diǎn)上來。例如，Euston等人(opcit，2000)、Mirejovsky等人(op cit，2000)和Kanicky等人(opcit，2002)均證實(shí)在將理論模型應(yīng)用到觀察的乳化液穩(wěn)定性方面取得了相對較小的進(jìn)步。這些模型包括那些為Breuer(op cit，1985)、Friberg等人(op cit，1988)和Walstra(op cit，1996)所探討的應(yīng)用于實(shí)際乳化液的模型。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的在于提供一種更可靠并且定量確定分散相和乳化液穩(wěn)定性的方法和裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供了這樣的方法和裝置當(dāng)與上面討論的現(xiàn)有技術(shù)中教導(dǎo)和實(shí)踐的技術(shù)相比，顯著加快分散相和乳化液不穩(wěn)定性的開始。
為此，本發(fā)明教導(dǎo)了以加快大量粒子團(tuán)聚作用開始，并且特別是通過降低分散相或乳化液中粒子之間的粒子間能量勢壘的高度來對分散相或乳化液的樣品施壓的方式，將物理化學(xué)應(yīng)力應(yīng)用到樣品分散相或乳化液中，所述能量勢壘抑制了相鄰粒子彼此接近到由于強(qiáng)的短程吸引力作用而足以發(fā)生不可逆團(tuán)聚作用的程度。
然后，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，采用高靈敏度的定量檢測器，諸如單粒子光學(xué)傳感器(single-particle optical sensor，SPOS)，通過檢測粒子團(tuán)聚作用的增加來確定分散相或乳化液的穩(wěn)定性。這樣高靈敏度的定量檢測器產(chǎn)生粒子尺寸分布(PSD)，所述粒子尺寸分布示出了粒子濃度作為超過正常粒子尺寸范圍和大于正常尺寸的大直徑分離物粒子尾部的函數(shù)，所述分離物(outlier)粒子作為分散相或乳化液中粒子團(tuán)聚作用的指示。
可使用施加于樣品上的三種不同類型的應(yīng)力因子之一。第一，應(yīng)力因子通過改變樣品的pH來減少粒子表面的電荷。當(dāng)粒子具有凈負(fù)電荷時，應(yīng)力因子是一種加入到樣品中使樣品pH降低的酸或緩沖酸。當(dāng)粒子具有凈正電荷時，應(yīng)力因子是一種加入到樣品中使樣品pH升高的堿或緩沖堿。
第二，應(yīng)力因子通過添加吸收的電解質(zhì)到樣品，允許適當(dāng)電荷的離解的粒子吸附到粒子表面上，來減少粒子表面上的凈電荷。當(dāng)粒子具有凈負(fù)電荷時，從加入的電解質(zhì)中離解的帶正電荷的離子結(jié)合到粒子表面上，并且減少了粒子上的凈電荷，從而降低了粒子間勢壘的高度。當(dāng)粒子具有凈負(fù)電荷時，從加入的電解質(zhì)中離解的帶負(fù)電荷的離子結(jié)合到粒子表面上，同樣減少了粒子上的凈電荷，并降低了粒子間勢壘的高度。
第三，應(yīng)力因子部分屏蔽了帶電粒子間的靜電排斥，因而加快了粒子的團(tuán)聚作用。這種應(yīng)力因子是作為簡單的單價(jià)鹽施加的，例如氯化鈉，或者二價(jià)或三價(jià)鹽。
在檢測粒子團(tuán)聚作用增加的優(yōu)選實(shí)施例中，在測量樣品或者來自樣品中的一批次的PSD后，通過每次測量的PSD來計(jì)算分散相的百分比(PDP)。然后計(jì)算每個應(yīng)力因子水平隨時間變化的PDP變化率。然后，根據(jù)給定應(yīng)力因子水平隨時間變化的PDP變化率推導(dǎo)出其優(yōu)值(FM)。根據(jù)觀察，穩(wěn)定分散相或乳化液將具有相對較小的FM值，而劣質(zhì)、不穩(wěn)定分散相和乳化液將具有相對較大的FM值。
樣品的FM值可以其它方式獲得?？捎?jì)算對于給定經(jīng)歷時間值的應(yīng)力因子水平中每單位變化的PDP的增加，然后從對于給定經(jīng)歷時間值的應(yīng)力因子水平的每單位變化的PDP增加中推導(dǎo)出FM值，假定經(jīng)歷時間足夠長到允許加快不穩(wěn)定性和待建立的明顯粒子團(tuán)聚作用的程度。對于給定經(jīng)歷時間值和施加的應(yīng)力因子水平，F(xiàn)M值越大，樣品越不穩(wěn)定。
樣品的FM值還可從對于給定應(yīng)力因子水平隨經(jīng)歷時間的PDP變化率與對于給定經(jīng)歷時間值的應(yīng)力因子水平中每單位變化的PDP增加的結(jié)合中導(dǎo)出。
在本發(fā)明的一個方面中，應(yīng)力因子以間隔的時間間隔以連續(xù)遞增的量施加，從而產(chǎn)生逐漸遞增的應(yīng)力因子水平，并在每次應(yīng)力因子遞增后重復(fù)檢測粒子團(tuán)聚作用增加的步驟。
在本發(fā)明的另一方面中，將樣品分成數(shù)個批次。將應(yīng)力因子的不同水平施加到每一相應(yīng)的批次。測量每一批次粒子團(tuán)聚作用的增加，并且這種測量優(yōu)選地為在經(jīng)過時間段Δt后每一批次的PSD測量。粒子團(tuán)聚作用的增加還可在將應(yīng)力因子施加到每一批次后立即在每一批次中進(jìn)行檢測。可提供沒有施加應(yīng)力因子的對照批次，并且如果有增加的話，在經(jīng)過時間段Δt后檢測對照批次中的粒子團(tuán)聚作用的增加。
替代地，高靈敏度檢測器包括一個不響應(yīng)于樣品中單一粒子的檢測器。該檢測器讀出一個響應(yīng)于給定時間間隔內(nèi)穿過給定區(qū)域的粒子的值X。該值X可以是響應(yīng)于樣品分散相或乳化液濁度的光衰減的度量，或者樣品分散相或乳化液粒子的給定角度范圍散射的光強(qiáng)度的度量。
本發(fā)明的裝置用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的步驟。該裝置使用分散泵將測試的分散相或乳化液樣品供應(yīng)到測試容器中，或者作為不同批次供給到幾個測試容器。另一個分散泵如以上所討論的，供應(yīng)應(yīng)力因子到測試容器中的樣品。然后將來自測試容器的樣品通過檢測粒子團(tuán)聚作用增加的檢測器而被提供。在一個實(shí)施例中，檢測器是一種單粒子分析儀，例如SPOS，其可能包括指示粒子團(tuán)聚作用程度的大直徑分離物粒子尾部的PSD。該裝置有利于計(jì)算PDP、PDP的變化率以及應(yīng)力因子水平每單位變化的PDP增加，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)推導(dǎo)FM的值。在第二實(shí)施例中，檢測器讀出一個響應(yīng)于在給定時間間隔內(nèi)穿過給定區(qū)域的樣品分散相或乳化液的粒子的值X。該值X可以是響應(yīng)于樣品分散相或乳化液濁度的光衰減的度量，或者X可以是樣品分散相或乳化液粒子的給定角度范圍散射的光強(qiáng)度的度量。
本發(fā)明的裝置包括一個計(jì)算機(jī)控制器/處理器，其適于被編程來控制泵、到一個或多個測試容器的樣品流和應(yīng)力因子流、傳感器的運(yùn)轉(zhuǎn)和定時，以及按照本發(fā)明方法的數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理。
附圖簡述參照附圖，可更充分地理解本發(fā)明的這些和其它目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)，其中圖1圖解顯示了“電雙層”或者作為到粒子表面距離x函數(shù)的靜電勢壘，它們由粒子(電勢為Ψ0)上的電荷和水相中的可移動帶電離子產(chǎn)生；圖2圖解顯示了粒子間凈勢壘VTOT，其具有由吸引勢能VA和排斥勢能VR形成的勢壘高度VMAX；圖3圖解顯示了假定吸引勢能VA固定不變時，由于排斥勢能VR(曲線VR1和VR2)強(qiáng)度的增加，粒子間勢壘高度VMAX(曲線VTOT1和VTOT2)的逐漸增加；圖4A圖解顯示了穩(wěn)定的分散相或乳化液的粒子尺寸分布(PSD-#粒子與直徑d)(實(shí)線-“1”)，以及明顯的不穩(wěn)定開始后(虛線-“2”)，導(dǎo)致粒子團(tuán)聚作用或者液滴聚結(jié)；圖4B顯示了粒子或液滴直徑大于測量閾值d0的PSD的大粒子“尾部”的放大表示，其得自圖4A中(#粒子與直徑d)的穩(wěn)定(實(shí)線-“1”)和不穩(wěn)定(虛線-“2”)分散相或乳化液的SPOS；圖5顯示了隨時間的變化獲得的全脂奶(pH無變化)的三個“對照”批次的分散相(d＞1.8μm)的百分比(v/v)，或者“PDP”“0608”，或者批次#1(實(shí)心圓點(diǎn))；“0612”，或者批次#2(實(shí)心方塊)；以及“0615”，或者批次#3(實(shí)心三角)；
圖6顯示了酸性應(yīng)力(pH＝6.1)的應(yīng)用(t＝0)后隨時間的變化獲得的全脂奶的三個批次的PDP(d＞1.8μm)“0608”(實(shí)心圓點(diǎn))；“0612”(實(shí)心方塊)以及“0615”(實(shí)心三角)；圖7顯示了酸性應(yīng)力(pH＝5.7)的應(yīng)用(t＝0)后隨時間的變化獲得的全脂奶的三個批次的PDP(d＞1.8μm)“0608”(實(shí)心圓點(diǎn))；“0612”(實(shí)心方塊)以及“0615”(實(shí)心三角)；圖8顯示了酸性應(yīng)力(pH＝5.7)的應(yīng)用后，得自全脂奶批次#2或者“0612”的SPOS的PSD(#粒子/ml＞1.8μm)的大粒子“尾部”的生長，相應(yīng)于圖7中顯示的四種PDP值(實(shí)心方塊)；圖9顯示了酸性應(yīng)力(pH＝5.7)的應(yīng)用后，全脂奶批次#2或者“0612”的絕對體積百分比(即PDP與d)的逐漸增加，相應(yīng)于圖8中顯示的四種PSD“尾部”(d＞1.8μm)；圖10顯示了氯化鈣應(yīng)力的應(yīng)用后(t＝0)，為全脂奶的批次“0608”獲得的隨時間變化的PDP(d＞1.8μm)0M CaCl2，“對照”(實(shí)心圓點(diǎn))，0.005M CaCl2(實(shí)心方塊)和0.01M CaCl2(實(shí)心三角)；圖11顯示了氯化鈣應(yīng)力的應(yīng)用后(t＝0)，為全脂奶的批次“0612”獲得的隨時間變化的PDP(d＞1.8μm)0M CaCl2，“對照”(實(shí)心圓點(diǎn))，0.005M CaCl2(實(shí)心方塊)和0.01M CaCl2(實(shí)心三角)；圖12顯示了氯化鈣應(yīng)力的應(yīng)用后(t＝0)，為全脂奶的批次“0615”獲得的隨時間變化的PDP(d＞1.8μm)0M CaCl2，“對照”(實(shí)心圓點(diǎn))，0.005M CaCl2(實(shí)心方塊)和0.01M CaCl2(實(shí)心三角)；圖13是圖11的按比例壓縮的版本—氯化鈣應(yīng)力的應(yīng)用后(t＝0)，全脂奶的批次“0612”的隨時間變化的PDP(d＞1.8μm)0M CaCl2(實(shí)心圓點(diǎn))，0.005M CaCl2(實(shí)心方塊)和0.01M CaCl2(實(shí)心三角)；圖14顯示了氯化鈣應(yīng)力(0.01M CaCl2)的應(yīng)用(t＝0)后，SPOS為奶樣品“0612”獲得的PSD(#粒子/ml＞1.8μm)的大粒子“尾部”的生長，相應(yīng)于圖13中顯示的六種PDP值(實(shí)心三角)；圖15顯示了酸性應(yīng)力(pH＝5.7)的應(yīng)用后，為全脂奶的批次“0612”獲得的絕對體積百分比(即PDP與d)的逐漸增加，相應(yīng)于圖14中顯示的四種PSD“尾部”(d＞1.8μm)；圖16顯示了在加入(t＝0)離子種類的去穩(wěn)定混合物28小時后，卵磷脂穩(wěn)定的植物油乳化液的隨時間的變化(以小時表示，最高等于1800分鐘)的PDP(d＞1.8μm)；圖17顯示了在加入(t＝0)混合的離子種類和應(yīng)用氯化鈉應(yīng)力后，為圖16的植物油乳化液獲得的隨時間變化的PDP(d＞1.8μm)0M NaCl(空心圓點(diǎn))，0.05M NaCl(實(shí)心圓點(diǎn))，0.10M NaCl(實(shí)心方塊)和0.15M NaCl(實(shí)心三角)；圖18顯示了在加入(t＝0)混合的離子種類和應(yīng)用酸應(yīng)力后，為圖16的植物油乳化液獲得的隨時間變化的PDP(d＞1.8μm)pH6.56對照(空心圓點(diǎn))，pH5.65(實(shí)心圓點(diǎn))，pH5.13(實(shí)心方塊)和pH4.46(實(shí)心三角)；圖19圖解顯示了本發(fā)明的加快確定分散相或乳化液的穩(wěn)定性的方法的第一實(shí)施例，其通過系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)力因子“A”，包括將酸或堿加入樣品中(任何合適的樣品)，導(dǎo)致粒子上的凈電荷減少；圖20圖解顯示了本發(fā)明的加快確定分散相或乳化液的穩(wěn)定性的方法的第二實(shí)施例，其通過系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)力因子“B”，包括將含有吸附離子的特定電解質(zhì)加入樣品中，導(dǎo)致粒子上的凈電荷減少；圖21圖解顯示了本發(fā)明的加快確定分散相或乳化液的穩(wěn)定性方法的第三實(shí)施例，其通過系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)力因子“C”，包括將非吸附性鹽加入樣品中，導(dǎo)致粒子間的靜電排斥力減小；圖22顯示了典型裝置的簡化模式圖，包括基于SPOS的粒子尺寸分析儀，其可用于實(shí)現(xiàn)這里所述的加快確定分散相或乳化液的穩(wěn)定性的任何新方法；圖23顯示了典型裝置的簡化模式圖，包括不同于粒子尺寸分析的技術(shù)，例如濁度或光散射，其可用于實(shí)現(xiàn)這里所述的加快確定分散相或乳化液的穩(wěn)定性的任何新方法；圖24A顯示了測量的PDP與t行為(實(shí)曲線，與圖18相同)，其為應(yīng)用酸應(yīng)力后的植物油乳化液獲得，和可為相似的但略微更穩(wěn)定的樣品獲得的假設(shè)行為(虛曲線)；圖24B與圖24A相同，除了假設(shè)的PDP與t行為(虛曲線)是從明顯比圖24A中描繪的樣品更穩(wěn)定的樣品獲得以外；圖25A顯示了測量的PDP與t行為(實(shí)曲線，與圖18相同)，其為應(yīng)用酸應(yīng)力后的植物油乳化液獲得，和可為相似但穩(wěn)定性略差的樣品獲得的假設(shè)行為(虛曲線)；以及圖25B與圖25A相同，除了假設(shè)的PDP與t行為(虛曲線)是從明顯比圖25A中描繪的樣品更不穩(wěn)定的樣品獲得以外。
發(fā)明詳述本發(fā)明的動機(jī)在于用于確定乳化液和分散相穩(wěn)定性的普遍認(rèn)可的更可靠和定量方法的需要。更特別地，本發(fā)明涉及一種穩(wěn)定性測試的新方法，其提供了與例如那些上面引作參考而間接提到的當(dāng)前使用技術(shù)相關(guān)的顯著加快的結(jié)果。待描述的新方法致力于長期存在的測試分散相穩(wěn)定性的明顯改進(jìn)的需要，不僅涉及快速確定，而且涉及可重復(fù)性和預(yù)測能力的提高。
通過前面的討論，顯然，分散相的穩(wěn)定性，即阻止包括分散相的粒子發(fā)生顯著團(tuán)聚作用或液滴聚結(jié)，與圖2中圖解顯示的粒子間勢壘高度VMAX密切相關(guān)。對于給定溫度T，和相應(yīng)熱能kT，勢壘越高，電荷穩(wěn)定的分散相也越穩(wěn)定，并且因此在制作后，發(fā)生在不可逆粒子團(tuán)聚作用或液滴聚結(jié)(最終導(dǎo)致相分離)之前的時間也明顯變長。
如同早先評論的那樣，存在兩種可用于增加VMAX值的基本機(jī)制，假定粒子的構(gòu)成與濃度基本不變，并且因而作為間距x函數(shù)的粒子間吸引勢能VA也基本不變。首先，可增加吸附于粒子/液滴表面的電荷平均量，從而增加它們表面上的平均電勢Ψ0。實(shí)際上，這種動作具有“升高”的效果，粒子間排斥勢能VR與x的完整曲線圖解顯示于圖2中(即相對于所有x值的VR值增加)。如下所示，有兩種增加粒子或液滴上的電荷的基本方式。第二，可降低水相中可移動離子的濃度，從而減少每個粒子或液滴所延伸出的電場的屏蔽。這種動作具有將VR與x曲線“伸展”到更長距離的效果，從而允許與粒子或液滴相關(guān)的排斥電雙層的更多的交叉或重疊。這兩種動作都具有使凈粒子間勢壘高度增加的效果，從而不會由于強(qiáng)的短程吸引力的作用，使相鄰粒子彼此接近到足以發(fā)生不可逆團(tuán)聚作用的程度。
因此，在實(shí)踐中，為了實(shí)現(xiàn)分散相穩(wěn)定性的加快的定量測試，人們可“反過來”應(yīng)用電荷穩(wěn)定的原理。下面描述用于系統(tǒng)地降低感興趣的分散相中粒子間勢壘高度VMAX的方法，以加快明顯的粒子/液滴團(tuán)聚作用的開始，并在該過程中，得出這些分散相的穩(wěn)定性/質(zhì)量的定量評估。如由上述討論的Friberg等人(op cit，p.63)計(jì)算的許多例子所指，基于能量勢壘高度降低的程度(即與kT值相關(guān))，可實(shí)現(xiàn)乳化液或分散相半衰期的戲劇性縮短。這種樣品穩(wěn)定性對勢壘高度的強(qiáng)烈依賴提供了可以設(shè)計(jì)加快的穩(wěn)定性測試的方法的裝置，所述裝置能有效地從穩(wěn)定性基本較低的另一例子中分辨出相對穩(wěn)定的“例子”(即樣品)。
人們經(jīng)常會面對兩種穩(wěn)定性可能基本不同的分散相的例子。典型存在的難題是，哪種樣品可靠、明確的確定是兩者中更為穩(wěn)定的，以及需要多長時間(基于樣品的不同，典型地為數(shù)周，數(shù)月或數(shù)年)。這種限制為較早引用的Friberg等人(op cit，p.70)和Breuer(op cit，p.420)所強(qiáng)調(diào)。限制因素在于，最不穩(wěn)定的樣品必須達(dá)到一定的不穩(wěn)定水平—即，團(tuán)聚作用或聚結(jié)的程度—其能可靠地測量與量化。幸運(yùn)的是，例如可以開發(fā)出給出每種樣品穩(wěn)定性的物理機(jī)制，以便于在大大加快的方式下揭示它們之間的不同。為什么一種樣品的穩(wěn)定性比另一種樣品的穩(wěn)定性“好”的原因可最終簡化為，其能量勢壘高度比“次等”樣品的能量勢壘高度要大這一簡單事實(shí)。
支持待探討的新方法的基本原理是，通過一個或多個對所討論的分散相特定的預(yù)定增量，使用一種或多種同樣對正在研究的產(chǎn)品特定的“應(yīng)力因子”(以下討論)，降低粒子間能量勢壘高度VMAX(即，對于給定溫度)。結(jié)果，“次等”分散相很快“推進(jìn)”到可測量的不穩(wěn)定性的開始，在沒有施加應(yīng)力因子的情況下，“次等”分散相比更穩(wěn)定的分散相更快達(dá)到這一點(diǎn)。任選地，將另外的應(yīng)力增量施加到分散相中允許定量并詳細(xì)研究其穩(wěn)定性的動力學(xué)。
粒子間排斥勢能的連續(xù)增量減少對產(chǎn)生的能量勢壘高度的影響圖解顯示于圖3中。在施加應(yīng)力因子前，分散相的“開始”排斥能VR由圖3中的曲線VR1指示。產(chǎn)生的凈(總)粒子間勢能通過曲線VTOT1顯示。(吸引勢能VA同樣顯示于圖3中，假定吸引勢能VA恒定不變，不受應(yīng)力因子的影響。)施加應(yīng)力因子的增加量導(dǎo)致粒子間排斥能VR的逐漸減小——例如，從曲線VR1到曲線VR2。結(jié)果，粒子間勢壘的高度VMAX也相應(yīng)降低——從曲線VTOT1到曲線VTOT2。因此，分散相變得穩(wěn)定性逐漸降低，導(dǎo)致粒子團(tuán)聚作用加快。
實(shí)現(xiàn)用于加快的穩(wěn)定性測試的新方法需要第二種因素存在。這是一種借助于一種或多種應(yīng)力因子的應(yīng)用來確定分散相變得不穩(wěn)定程度的靈敏、定量的方法。粒子尺寸分布參數(shù)(PSD)，既用于固體粒子也用于液滴，原理上分別提供了分散相中發(fā)生的粒子團(tuán)聚作用或液滴聚結(jié)程度的一種可靠且直接的指示。(這里使用的術(shù)語團(tuán)聚作用有時在液-液乳化液時也指聚結(jié)。)如前所指，粒子/液滴團(tuán)聚作用的存在是分散相不穩(wěn)定程度的物理表現(xiàn)；不穩(wěn)定性發(fā)展的趨勢越大，團(tuán)聚作用的程度就越大。因此，PSD的測量(包括“球形尺寸分布或GSD”)建立了最直接的探測乳化液或分散相的穩(wěn)定性的方法。圖4A(實(shí)曲線1)顯示了在發(fā)生明顯粒子團(tuán)聚作用之前，相對穩(wěn)定的分散相或乳化液的PSD的簡化(程式化)表示。圖4A(虛曲線2)還顯示了經(jīng)過一段時間后，當(dāng)已經(jīng)發(fā)生了可測量的量的團(tuán)聚作用時—例如，在一種或多種特定應(yīng)力因子應(yīng)用到分散相之后，同一樣品的PSD的簡化圖。如果團(tuán)聚作用的增加是適度的，表明朝著不穩(wěn)定的變化趨勢非常小，在大直徑“分離物”粒子的“尾部”的PSD向第一近似值變化的增加應(yīng)當(dāng)非常小。
在實(shí)踐中，用于確定PSD的技術(shù)必須足夠靈敏到能定量檢測所討論的分散相團(tuán)聚作用狀態(tài)的相對較小的變化。如果采用的技術(shù)對與粒子/液滴團(tuán)聚作用的相對較小的增加有關(guān)的PSD的變化缺乏足夠的靈敏度，那么本發(fā)明新方法所采用的基本原理可能是不恰當(dāng)?shù)?。在這種情況下，施加到分散相的應(yīng)力可能需要比為了在相對短的時間后產(chǎn)生足夠的團(tuán)聚作用來允許檢測PSD的有意義的變化所期望的要大。也就是說，需要VMAX相對較大的降低—不再是假定的對分散相的小的干擾—，導(dǎo)致兩種潛在的問題。第一，這種假定大應(yīng)力可導(dǎo)致分散相的“好的”和“次等的”樣品變得如此不穩(wěn)定，以致于它們在很短的時間段內(nèi)都呈現(xiàn)出基本相同的很大程度的團(tuán)聚作用。而后，即使不是不可能，可能也很難量化兩種樣品的質(zhì)量-穩(wěn)定性差別。第二，潛在的更令人不安的是，較大的應(yīng)力應(yīng)用給分散相(所述分散相承擔(dān)了改變?nèi)榛夯蚍稚⑾嗷咎卣鞯娘L(fēng)險(xiǎn))，以便于在開始時，相對于物理化學(xué)結(jié)構(gòu)或特征，兩種待比較的樣品不再密切相似。
單粒子光學(xué)傳感技術(shù)，或者SPOS，理想地適合檢測并量化與眾多的超大粒子團(tuán)聚作用或聚結(jié)球的較小增加有關(guān)的PSD“尾部”增加的任務(wù)，所述超大粒子團(tuán)聚作用或聚結(jié)球在加快的分散相去穩(wěn)定的早期階段產(chǎn)生。SPOS技術(shù)(也稱作光學(xué)粒子計(jì)數(shù)或OPC)之所以有吸引力，很大程度上是因?yàn)樗绱遂`敏即，它響應(yīng)于感興趣的尺寸范圍中的單個粒子。當(dāng)光單獨(dú)穿過一個嚴(yán)格定義的感光區(qū)(OSZ)時，消光(LE)或光散射(LS)的物理學(xué)原理可用于檢測并確定懸浮于液體中粒子的尺寸。在LE方法中，產(chǎn)生的信號包括高度為ΔVLE的負(fù)向脈沖，其與相對較大的背景電壓電平V0疊加。在LS方法中，產(chǎn)生的信號包括高度為ΔVLS的正向脈沖，其理想地與零背景電壓電平疊加。在任一情況下，假定適當(dāng)設(shè)計(jì)的傳感器，脈沖高度隨粒子直徑d單調(diào)增加。因此使用預(yù)定的ΔVLE與d或者ΔVLS與d“校準(zhǔn)曲線”，粒子或液滴可通過它們的測量脈沖高度來確定其尺寸，所述校準(zhǔn)曲線通過使用一些已知的均勻直徑的“標(biāo)準(zhǔn)”粒子(典型地為聚苯乙烯乳膠)獲得。
依靠傳感器的光學(xué)設(shè)計(jì)，LE型SPOS技術(shù)典型地提供了最大的粒子尺寸范圍。一種代表性的LE型傳感器，Model LE400-1.3(ParticleSizing System(粒子尺寸確定系統(tǒng))，Santa Barbara，CA)提供了1.3到400μm的正常尺寸范圍，并理想地適于測量微小和大乳化液的大直徑的尾部。(使用這種傳感器獲得下面討論的結(jié)果。)由于不存在大的背景電壓V0，以及通過增加光源強(qiáng)度來增加給定粒子尺寸的脈沖高度的能力，通過使用LS方法可使較低尺寸的檢測閾值顯著降低。然而，在實(shí)踐中，LS型傳感器缺乏采用LE方法很容易獲得的尺寸上限。如果需要，在混合傳感器設(shè)計(jì)中可以將LE和LS方法結(jié)合，從而可產(chǎn)生稱作“LE+LS”的“累加”響應(yīng)，如Wells等人在美國專利5,835,211(1998)中所述。這種方法既產(chǎn)生尺寸的下限，又產(chǎn)生了寬的動態(tài)尺寸范圍(例如0.5到400μm)，這些特征在一起是不能通過使用LE或者LS的原理單獨(dú)獲得的。
相對于用于產(chǎn)生校準(zhǔn)曲線的標(biāo)準(zhǔn)粒子的特征，研究的粒子或液滴的光學(xué)特性的差別—特別是折射率的差別，必然導(dǎo)致采用SPOS技術(shù)得到的“表觀”PSD與實(shí)際或真實(shí)的PSD之間的不一致。在采用LS方法的情況下，這種不一致可能相當(dāng)大，如果粒子相對于周圍液體的折射率“對比度(contrast)”基本不同于標(biāo)準(zhǔn)粒子的對比度，則需要進(jìn)行理論校正。幸運(yùn)地是，利用LE方法，對絕大多數(shù)感興趣的樣品來說，響應(yīng)的幅值對粒子對比度的依賴程度低得多。因此，通過SPOS-LE獲得的測量的PSD常常用作樣品真實(shí)PSD的可靠代表。因此，測量的樣品真實(shí)PSD的“尾部”的生長，常常提供了由于應(yīng)力誘導(dǎo)的分散相不穩(wěn)定所產(chǎn)生的過大團(tuán)聚作用或聚結(jié)的液滴/球體數(shù)量的實(shí)際增加的質(zhì)量上以及數(shù)量上的很好描述。
有許多與有益于簡要討論的SPOS技術(shù)相關(guān)的另外的特征或需要。第一，絕大多數(shù)感興趣的分散相或乳化液是高度濃縮的，以體積重量(v/v)計(jì)，其分散相常常至少為全部樣品的1％，并且甚至有時候高達(dá)40％或50％。因此，為了避免在測量PSD時由“偶然”事件引起的重大的人為假象(即在一個以上的可檢測粒子同時通過OSZ)，對初始樣品的充分稀釋總是需要的。產(chǎn)生的合并/變形的信號脈沖引起測量脈沖高度的系統(tǒng)性膨脹，并從而引起在PSD尾部中相較大的尺寸偏移。結(jié)果，可適當(dāng)加重PSD形狀的扭曲(即使不是全部)，也使大部分直徑范圍高于SPOS測量的閾值d0。因此，濃縮的樣品在分析前必須被稀釋到能夠避免測量的PSD的嚴(yán)重扭曲，以及避免相應(yīng)地在計(jì)算的分散相(“PDP”，將在下面討論)體積百分比中產(chǎn)生明顯錯誤所需的程度。這種稀釋作用可通過多種方式來完成，這有賴于固定、預(yù)定的稀釋因子是否合適，或者是否期望自動確定值。自動(或者固定)稀釋濃縮樣品的有用方法和裝置的例子為Nicoli等人在美國專利4,794,806(1989)中以及Nicoli在美國專利6,211,956B1(2001)中所描述。
第二種考慮是，假設(shè)事實(shí)是絕大部分(典型地＞99％)包括分散相的粒子在d0以下，使用SPOS-LE技術(shù)，是否能夠可靠、合理的準(zhǔn)確測量PSD的大直徑的尾部—即高于合適閾值d0的直徑d。即使當(dāng)感興趣的較大粒子/液滴足以稀釋到其濃度能夠保證它們一次穿過感測區(qū)，但是這些大量的較小的粒子總是同時通過OSZ。幸運(yùn)地是，對大多數(shù)感興趣的分散相來說，這種較小粒子的“海洋”的存在對PSD的影響相對較小，如通過SPOS-LE測量的那樣(假設(shè)樣品已經(jīng)被充分稀釋)。關(guān)于測量PSD尾部的需要，這有助于形成其顯著的固有特征中的一種。對于大于大約5μm(假定具有足夠的對比度)但小于OSZ的厚度的粒子，脈沖高度ΔVLE粗略地與直徑的平方成比例。當(dāng)粒子變得越來越小并達(dá)到光源的波長λ時，負(fù)責(zé)消光的物理機(jī)制由簡單的幾何折射變成光散射，由Mie散射理論所描述。脈沖高度大約以減少的d的4次方的速度迅速下降。最后，對于在“Rayleigh區(qū)域”中的較小粒子—即，d＜＜λ(≈0.7μm，對于典型的傳感器來說)—脈沖高度下降到d的6次方的程度。出于所有的企圖和目的，甚至大量的這些粒子被SPOS-LE測量有效忽略。
因此，在實(shí)踐中，盡管與感興趣的較大粒子(d＞d0)的數(shù)量相比，通過OSZ的尺寸減小的粒子通常數(shù)量巨大，但對PSD尾部的影響可忽略不計(jì)，如SPOS-LE所測量的那樣。當(dāng)然，這種推斷假定樣品懸浮液已經(jīng)被稀釋到足夠及合適的程度。這種較小粒子的有效不相關(guān)性可通過在較低濃度下再次測量PSD尾部來確認(rèn)。如果初始測量選取的稀釋是合適的，以每毫升初始樣品中的粒子數(shù)(#)表示的PSD尾部將彼此基本相同并重疊。當(dāng)然，這種等同與由于待計(jì)數(shù)的給定尺寸的粒子數(shù)量不足產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)學(xué)的波動無關(guān)——通常與測量最少粒子時的最大尺寸相關(guān)。
通過上述討論，很顯然，借助于其單粒子分解以及對粒子尺寸變化的高度靈敏性(典型地二次或更高)，SPOS-LE技術(shù)能很好的適于確定與分散相中不穩(wěn)定性加快有關(guān)的較小的粒子團(tuán)聚作用的增加。在本發(fā)明的內(nèi)容中，該技術(shù)的明顯缺點(diǎn)——即，當(dāng)粒子基本小于測量閾值d0時——它的靈敏度的缺乏變成了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)?！安糠諴SD”的確定—即尾部，d＞d0，僅使得最終的測量對全部分布(即，代表了較大粒子/液滴)的小部分中的小變化更為靈敏。數(shù)量的微小變化，或者甚至與測量的PSD尾部相關(guān)的體積分?jǐn)?shù)現(xiàn)在更大。因此，相對于其它有效響應(yīng)于包括分散相的全部粒子的“綜合”技術(shù)，SPOS-LE檢測技術(shù)的“增益(gain)”充分增加了。因此，SPOS技術(shù)能夠?qū)D4A中相對于樣品“1”的樣品“2”所示的PSD的小的絕對變化，轉(zhuǎn)變成大得多的相對變化(d＞d0)，見圖4B。
雖然用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的SPOS技術(shù)有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但認(rèn)識到也可有效地采用其它用于粒子尺寸分析技術(shù)來表征與樣品的不穩(wěn)定開始有關(guān)的粒子團(tuán)聚作用的數(shù)量變化很重要。SPOS的一種替代是同樣響應(yīng)于單個粒子的技術(shù)—“電阻孔”方法，也因其商業(yè)名稱“CoulterCounterTM”或者“MultisizerTM”(Beckman-Coulter Corp.，Hialeah，F(xiàn)L)，以及“ElectrozoneTM”(Particle Data Inc.，Elmhurst，IL)而知名。懸浮于略微導(dǎo)電液體(即水加電解質(zhì))中的粒子一次穿過一個非常小的孔，引起通過后者的電阻瞬間增加。所產(chǎn)生的電流中的負(fù)向脈沖的高度理想地隨著粒子體積瞬間增加。盡管與SPOS相比其主要優(yōu)點(diǎn)(即對粒子的光學(xué)特征相對不靈敏)與SPOS相比，電阻孔技術(shù)具有許多缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)包括需要水相中相對濃縮的電解質(zhì)水平、對堵塞的易感性、相對較低的粒子計(jì)數(shù)率以及相對較小的動態(tài)尺寸范圍。下面將看出這些缺點(diǎn)中的第一種缺點(diǎn)特別嚴(yán)重，假設(shè)在感興趣的分散相中系統(tǒng)性地加入鹽構(gòu)成了本發(fā)明的一個重要實(shí)施例。
可考慮將其它的粒子尺寸測定方法與下面描述的系統(tǒng)性地對樣品去穩(wěn)定的方法結(jié)合使用?？商鎿Q技術(shù)的最通常的例子是那些基于“綜合”方法的技術(shù)—即，能同時有效地響應(yīng)于所有尺寸的粒子。一個例子是動力學(xué)光散射(DLS)，也稱為光子相關(guān)分光術(shù)(PCS)。通過懸浮于液體中粒子的隨機(jī)布朗運(yùn)動或擴(kuò)散引起的散射光強(qiáng)(以給定散射角)的臨時波動可采用強(qiáng)度自相關(guān)函數(shù)來分析。通過一種或多種算法，后者在算術(shù)上是“可逆的”，來得到估計(jì)的PSD。另一種潛在的可行技術(shù)是“激光衍射”，通常包括兩種結(jié)合或分別使用的物理技術(shù)，即大角度Mie散射和前方位角Fraunhofer衍射。采用適當(dāng)?shù)乃惴?，基于角度的衍射?qiáng)度“模式”再次“轉(zhuǎn)化”，得出估計(jì)的PSD?？煽紤]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明教導(dǎo)的方法的粒子尺寸分析的綜合技術(shù)的另一種例子是超聲衰減。超聲波通過一定量的樣品傳播的變化作為波長的函數(shù)，當(dāng)與適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換算法結(jié)合時，可用于獲得PSD的估計(jì)。
理解存在不正常地與粒子尺寸本身的測量相關(guān)的其它分析技術(shù)這一事實(shí)很重要，其可以有效地用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。所有需要的是這些響應(yīng)于粒子團(tuán)聚作用(或液滴聚結(jié))的變化、具有足夠靈敏度并可復(fù)制的替代技術(shù)，所述粒子團(tuán)聚作用由一種或多種應(yīng)力因子用于正在研究的分散相產(chǎn)生(如下所述)。一個例子是公知的經(jīng)典光散射技術(shù)。通常由激光光源產(chǎn)生的光束穿過適當(dāng)濃度的樣品(即避免由于多散射造成人為假象)。收集在限定的感測體積中同時被相對大量粒子散射的光，并檢測其合適的角度范圍，理想地選取所述合適的角度范圍來產(chǎn)生隨著與不穩(wěn)定的開始有關(guān)的大粒子團(tuán)聚作用的“尾部”生長而單調(diào)增加的信號響應(yīng)。因此，散射強(qiáng)度提供了采用SPOS或一些進(jìn)行粒子尺寸分析的其它技術(shù)(包括綜合方法)直接得出的實(shí)際PSD的“代表”。
可用作粒子尺寸分析器的代表技術(shù)的第二種例子是，濁度分析法或者分光光度測定的簡單方法。適當(dāng)波長或者波長范圍的光束穿過給定厚度(即光路長度)以及適當(dāng)濃度的液體樣品。光束強(qiáng)度衰減的程度與潛在的PSD相關(guān)。假定已經(jīng)優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)，樣品的濁度或者光密度理想地隨著與不穩(wěn)定的開始有關(guān)的大粒子團(tuán)聚作用的“尾部”的變化而單調(diào)增加。濁度測定和光散射技術(shù)可被粗略看作互補(bǔ)；也就是說，隨著粒子團(tuán)聚作用的增加，前者的透射光強(qiáng)度減少，而與后者相關(guān)的強(qiáng)度增加。
盡管這些以及其它綜合技術(shù)已經(jīng)有效地應(yīng)用于許多基于粒子的樣品中，但可以證明這些綜合技術(shù)對實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所教導(dǎo)的方法用處不大。與SPOS相比，這些綜合技術(shù)對粒子團(tuán)聚作用的數(shù)量的較小變化必然更加不靈敏，假定事實(shí)是(本質(zhì)上)這些綜合技術(shù)響應(yīng)于包括分散相的所有尺寸(在相關(guān)尺寸范圍內(nèi))的粒子。然而，依賴于研究的特定分散相和采用的應(yīng)力因子，這些替代的技術(shù)可被證明對PSD的變化具有足夠的靈敏度。在任何情況下，下面討論的為解釋本發(fā)明的方法而選取的例子涉及將SPOS-LE技術(shù)用于測量兩種不同的微型乳化液的PSD尾部。因此這就意味著或暗指沒有丟失共性。
為了說明作為本發(fā)明主題方法的預(yù)測能力，討論特定分散相和乳化液對各種應(yīng)力因子的響應(yīng)是有用的。在這些例子中，我們選擇了代表干擾粒子間勢壘高度，以便以系統(tǒng)方式加快這些分散相的不穩(wěn)定的開始，并由此鑒定次品的不同機(jī)制的特定情形。一個這樣的機(jī)制包括通過改變pH—例如“酸應(yīng)力”，來減少粒子或液滴上的表面電荷。這種是將酸還是將堿應(yīng)力施加到給定分散相中的決定由用于穩(wěn)定系統(tǒng)的乳化劑或表面活性劑的類型確定。對于含有帶負(fù)電荷粒子(例如，在典型的6.5到9的pH范圍內(nèi)由陰離子表面活性劑包被)的穩(wěn)定分散相來說，加入的酸(導(dǎo)致pH和表面電荷都減小)是一種合適的應(yīng)力因子。相反，對于含有帶正電荷粒子(例如，在典型的4到6.5的pH范圍內(nèi)由陽離子表面活性劑包被)的穩(wěn)定分散相來說，加入的堿(導(dǎo)致pH增加以及表面電荷減小)是一種合適的應(yīng)力因子。用于誘導(dǎo)系統(tǒng)中不穩(wěn)定性加快的第二種機(jī)制包括通過選擇性吸附帶相反符號電荷的離子來減少粒子或液滴上的表面電荷—例如“氯化鈣應(yīng)力”。最后，用于減少粒子間排斥勢能的第三種機(jī)制包括將運(yùn)動的帶電離子加入到系統(tǒng)中—例如“氯化鈉應(yīng)力”。水相中的這些非吸附、自由擴(kuò)散的離子用于屏蔽帶電粒子間存在的引起粒子間排斥力增加的靜電場。
可系統(tǒng)地施加應(yīng)力以允許成功地加快穩(wěn)定性測試的產(chǎn)品的第一例子是乳脂乳化液—即，可從市場上購買的全脂(均化)。全脂是一種水包油型乳化液，其含有分散于水中的乳脂滴。脂肪滴通過包被一種中等分子量的(大約23,600道爾頓)、經(jīng)由其帶陰離子的氨基酸頭部基團(tuán)的離子化表現(xiàn)出它的初步乳化作用的牛酪蛋白的蛋白質(zhì)，該脂肪滴被電荷穩(wěn)定。除了向脂肪滴中施加凈負(fù)電荷，從而提供液滴內(nèi)部的靜電排斥外，酪蛋白分子可通過位阻機(jī)制提供抗聚結(jié)的額外穩(wěn)定性。市場上購買的牛奶通常具有大約兩周的儲存期。均質(zhì)分散相的質(zhì)量可采用簡單的感官估計(jì)來定性評估。這些評估包括在視覺上來自分散相乳脂是否明顯與連續(xù)的散裝水相分開，和/或是否有惡臭味和/或口感不佳，即帶“酸味”的終產(chǎn)品。牛奶的酸味表明分散的失敗，并且理想的是這種情況的發(fā)生與印刷在容器上的有效期(ED)相一致或者在其之后立即發(fā)生，盡管在實(shí)踐中這種情況極其少見。
研究了來自單個生產(chǎn)商的三個不同批次的全脂奶，并通過它們的ED進(jìn)行鑒定—具體是6月8號(“0608”)、6月12號(“0612”)和6月15號(“0615”)。作為參考點(diǎn)，第一次研究分別開始于生產(chǎn)商指定的批次#1、批次#2和批次#3的存儲期之前的1天、5天和8天。對于每個實(shí)驗(yàn)，通過視覺檢查產(chǎn)品的相分離，并通過嗅覺判斷是否有惡臭存在；通過pH檢查；以及通過測量大直徑(＞1.8μm)的PSD尾部來檢查所述產(chǎn)品。利用基于消光的單粒子光學(xué)傳感(SPOS)技術(shù)或者“SPOS-LE”(AccuSizerTM780/APS，Particle Sizing Systems Inc.，Santa Barbara，CA)來實(shí)現(xiàn)粒子的尺寸分析。在所有情況下，結(jié)果以大于1.8微米(范圍1.8-50μm)的脂肪滴在分散相中的體積-重量百分比(“PDP”)表示。對三批次全脂奶的每一批次執(zhí)行了兩種不同的研究，并且研究了不同應(yīng)力因子的效果。
第一種研究的目的在于，評估“pH應(yīng)力”對全脂奶的穩(wěn)定性的影響。通過對這種通常pH＝6.5、由牛酪蛋白穩(wěn)定的帶負(fù)電荷的分散相加入酸而施加應(yīng)力，導(dǎo)致微小的分散乳脂肪滴上的表面電荷減少，從而誘導(dǎo)團(tuán)聚作用。采用由0.1M(21.01g/L)檸檬酸一水化物(C6H8O7·H2O)和0.2M(28.44g/L)無水磷酸氫二鈉(Na2HPO4)的原液(stocksolution)配制而成的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液對各個批次的牛奶進(jìn)行酸化。將特定體積的每種原液一起加入配制成具有期望的pH值為6.1和5.7的最終的緩沖溶液，其pH值的變化范圍為pH＝2.2-7.8(即這兩種溶液混合可能產(chǎn)生的pH值)，如McIlvaine在J Biol Chem，Vol.49，p.183(1921)中所述。緩沖的牛奶樣品與適量“McIlvaine緩沖混合物”以1∶1的體積比混合。因此，這些樣品的最終類脂物(lipid)濃度等于未緩沖的對照的一半。結(jié)果，將計(jì)算的每種緩沖樣品的體積重量PDP適當(dāng)調(diào)整為作為基準(zhǔn)的新的最終類脂物濃度。將兩種不同的緩沖組合物加入到三種全脂奶樣品的每個等份中，以縮短那些樣品的水相的pH的兩個階段。酸應(yīng)力的作用在于，通過逐漸中和吸附于液滴上的牛酪蛋白分子中的一些帶負(fù)電荷的氨基酸基團(tuán)，系統(tǒng)地減少脂肪滴表面上的平均電荷。這種動作的結(jié)果是，系統(tǒng)地降低了(以兩個階段)粒子間的排斥力，從而允許脂肪滴的聚結(jié)過程及時加速。
三批次(三個不同的ED值)中的每一批次的全脂奶等份都受酸誘導(dǎo)的應(yīng)力控制，并在加入酸后的四個不同的時間點(diǎn)測量PSDt＝0、80、160和240分鐘(大約)。(由于執(zhí)行每次PSD測量所需的幾分鐘導(dǎo)致的累計(jì)延遲，每個樣品的實(shí)際經(jīng)歷時間與這些值略有偏差。)在時間順序開始之前，在不加入酸(pH≈6.5)時對每批次進(jìn)行測量，以建立其自身的“對照”PSD。然后在加入酸應(yīng)力后(標(biāo)記為t＝0)，利用兩種較低的固定pH水平的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液pH1＝6.1以及pH2＝5.7，在所示的時間點(diǎn)對每批次再次進(jìn)行分析。選取這些值，逐漸達(dá)到牛酪蛋白的等電點(diǎn)(電荷≈0)，pH≈4.7。在室溫下(23-26攝氏度)對PSD進(jìn)行確定之前的所有研究過程中，牛奶樣品均冷藏在4-8攝氏度。
圖5描繪了在沒有外來緩沖液存在時，得自全脂奶的三種對照樣品的PDP值(即，脂肪滴體積大于1.8μm，以總脂肪體積的百分比表示)相對于經(jīng)歷時間t的變化。對于批次#1(“0608”，實(shí)心圓點(diǎn))和批次#2(“0612”，實(shí)心方塊)來說，PDP對時間t的變化圖幾乎相同(除分散的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)外)。然而，對于批次#3(“0615”，實(shí)心三角)得到的圖，按照其ED值“最年輕”的樣品，與其它“老”的批次相比，表現(xiàn)為略高于大直徑脂肪滴的百分比。該后者的行為是有趣的，但沒有特定意義，這一點(diǎn)可以立刻理解。
酸應(yīng)力對三種全脂奶樣品的影響產(chǎn)生了令人驚奇的結(jié)果，如首先參見圖6。在最低的應(yīng)力水平—pH從6.5降低到6.1—批次#2(實(shí)心方塊，圖6)的PDP顯示了隨著時間的變化，較大的(即，聚結(jié)的)脂肪滴的體積穩(wěn)固增加，從t＝0時的大約0.8％增加到t≈240分鐘時的1.25％。這些變化反映了PSD的直徑較大的尾部中的脂肪滴的顯著而漸進(jìn)的變化(即聚結(jié))。與這個結(jié)果形成鮮明對比，隨著時間的變化(而且，遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)“噪聲”)，對于批次#1(實(shí)心圓點(diǎn))和批次#3(實(shí)心三角)獲得的PDP基本上保持恒定，顯示在穩(wěn)定性方面沒有發(fā)生可測量的變化，即使是在按照1∶1的體積比稀釋的“緩沖的樣品”中也是如此。當(dāng)然令人吃驚的是，基于指示每個批次的ED值，人們可預(yù)期由于pH的降低，最老的產(chǎn)品(批次#1(“0608”))是表現(xiàn)出最大的不穩(wěn)定性的產(chǎn)品。如果酸應(yīng)力的影響足夠大(即粒子間能量勢壘的降低足夠大)，導(dǎo)致批次#2隨時間的變化表現(xiàn)出加快的不穩(wěn)定(液滴聚結(jié))，然后具有早于ED 4天的批次#1，將表現(xiàn)出相同甚至更糟的行為。這顯然不是實(shí)情。測試日期僅僅為批次#1的指定ED的前一天，但卻在批次#2的ED前的5天。然而，基于在將酸應(yīng)力施加到這兩種樣品中之后得到的PDP值，顯然在測試前，與批次#1中的牛奶相比，批次#2中的牛奶質(zhì)量明顯變壞。這種發(fā)現(xiàn)代表了與基于為這兩種產(chǎn)品指定的ED值所預(yù)期的行為基本相反的行為。
這三批次牛奶的相同行為反映于圖7中，其顯示了從下列更強(qiáng)的樣品應(yīng)力(即pH的減小更大，從6.5到5.7)得到的PDP對t的變化。在這種情況下，與在稍溫和的pH減小(從6.5到6.1)時的1.25％相比，批次#2(實(shí)心三角)的PDP值在240分鐘之后增加到大約1.4％。這種行為一點(diǎn)也不奇怪。一旦由于應(yīng)用了給定水平(即ΔpH)的特定應(yīng)力因子(例如pH減小)，樣品表現(xiàn)出不穩(wěn)定，應(yīng)力水平越高(即ΔpH越大)，響應(yīng)也就越大(即PDP越大)。然而，令人驚奇的是這樣一個事實(shí)由于這種更大的酸應(yīng)力水平，在批次#1(實(shí)心圓點(diǎn))的行為中仍然沒有可觀察的變化。最后，并且一點(diǎn)也不奇怪的是，在ED之前全部8天內(nèi)，更高水平的酸應(yīng)力對三批次牛奶中“最年輕”的批次#3(實(shí)心三角)得到的PDP值基本上沒有可測量的影響。
圖5-7中所示觀察的計(jì)算的PDP對每批次牛奶的時間變化和酸應(yīng)力水平(pH)的依賴性概括于表1中。對每個pH值和每批次牛奶的PDP隨時間t變化的數(shù)據(jù)所執(zhí)行的線性回歸分析的結(jié)果也概括于表1中。批次#2(0612)對每種酸應(yīng)力(pH)水平呈現(xiàn)了，非常高的相關(guān)系數(shù)r值(即非常接近理想值(r＝1))與PDP和經(jīng)歷時間t之間近乎完美的相關(guān)性一致。特別是在pH＝6.1和5.7時，r分別為0.995和0.997(表1中的粗體類型)。通過將觀察的PDP對時間t數(shù)據(jù)的最小二乘線性擬合得到的與每個減小的pH值相關(guān)的所示斜率值，提供了批次#2次等的有效定量測量—即在應(yīng)用酸應(yīng)力因子后它多快地去穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)對由應(yīng)用特定水平的應(yīng)力而在樣品中誘導(dǎo)的不穩(wěn)定性的定量測量，將斜率的增加(即相對于對照樣品)除以pH的變化ΔpH可能是有用的。批次#2的r值如此接近一致的事實(shí)，強(qiáng)化了在本發(fā)明中概述的加快的應(yīng)力測試方法的預(yù)測值，并認(rèn)可了先前為該樣品得出的不穩(wěn)定或者次等的結(jié)論。如前面定量討論的那樣，對于批次#1或#3來說，對于任何應(yīng)力水平(即，任何減小的pH值)，計(jì)算的PDP值和經(jīng)歷時間之間沒有發(fā)現(xiàn)如此強(qiáng)的相關(guān)性?；貧w分析值的是顯而易見的—其允許將定量的意義與觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。
通過由SPOS-LE為施加了酸(pH5.7)的批次#2的牛奶樣品獲得的代表性的PSD結(jié)果顯示于圖8中，從該P(yáng)SD結(jié)果計(jì)算圖7中的PDP值。在對批次#2施加pH＝5.7的酸后，大約經(jīng)過0、80、160和240分鐘的時間后得出四種直徑較大(＞1.8μm)的脂肪滴(或者更正確地，“球體”)的“尾部”。這些尾部以總濃度的形式繪出—即每ml牛奶的#粒子數(shù)(液滴)相對于粒子直徑(μm)。由于對樣品施加的酸或低的pH應(yīng)力引起的液滴逐漸聚結(jié)，它們明確地顯示隨著時間變化大的脂肪球濃度增加。這些“尾部”結(jié)果與前面所討論的圖4B中圖解顯示的那些相似。圖9顯示了與圖8的粒子濃度尾部相應(yīng)的脂肪球的絕對體積分?jǐn)?shù)的微分分布。分散相中每個液滴直徑的體積分?jǐn)?shù)隨時間的增加而增加是很明顯的。每種樣品的所有體積分?jǐn)?shù)的累積總和(對于所有的粒子直徑)產(chǎn)生了圖7中所繪的批次#2(pH＝5.7)的每個PDP值?？偟恼f來，相對于測試為優(yōu)等并基于它的早先指定的有效期(ED)而已經(jīng)假定為首先變質(zhì)的較早批次，通過施加酸應(yīng)力降低脂肪滴的表面電荷導(dǎo)致對相對次等的牛奶產(chǎn)品的明顯識別。為了揭示這些未預(yù)期的結(jié)果，需要對這些批次施加應(yīng)力，因?yàn)樵诓淮嬖谒釕?yīng)力時的PDP值對所有測試的三批次來說基本相同(圖5)。因此，這種對乳化液/分散相的系統(tǒng)地、逐漸增加地施加應(yīng)力的新方法與分散相中大粒子或液滴在體積分?jǐn)?shù)方面所產(chǎn)生的小變化的靈敏測量相結(jié)合的有用性將是明顯的。
第二種研究包括將相同的三批次全脂奶暴露于第二種應(yīng)力因子—加入吸附電解質(zhì)，允許帶適當(dāng)電荷的離解的離子能夠吸附于脂肪滴的表面上。特別地，將氯化鈣(CaCl2)(一種無機(jī)的二價(jià)鹽)加入到牛奶樣品中，引起一些離解的Ca++離子與液滴表面結(jié)合。施加應(yīng)力的樣品采用由包括0.2M(29.4g/L)二水氯化鈣(CaCl2·2H2O)的標(biāo)準(zhǔn)原液配制。為了產(chǎn)生期望的0.005M(0.735g/L)的最終加入的鈣濃度，將1mL的氯化鈣原液加入到39mL牛奶中。在最終期望的鈣濃度為0.010M(1.47g/L)的情況下，將鈣原液與牛奶樣品的比例加倍(即1mL加入到19mL中)。結(jié)果，為每種施加了鈣應(yīng)力的樣品計(jì)算的體積-重量PDP被適當(dāng)調(diào)整到基準(zhǔn)的新的最終類脂物濃度。因此，為了在兩個階段增加那些樣品中的水相中的鈣濃度，將兩種不同的鈣應(yīng)力濃度加入到三種全脂奶樣品的各個等份中。與在第一種研究中采用的酸應(yīng)力因子相同，該第二應(yīng)力因子被設(shè)計(jì)為減少液滴上的凈電荷，從而降低液滴間能量勢壘的高度并促進(jìn)液滴聚結(jié)。然而，在這種情況下，減少表面電荷的方式是不同的。首先，帶正電荷的Ca++離子吸附于帶相反電荷的液滴表面(通過已經(jīng)吸附的牛酪蛋白分子而在pH6.5下帶負(fù)電荷)，引起每個粒子上的電荷的凈減少。加入到樣品中的CaCl2的濃度越大，與每個酪蛋白包被的脂肪滴結(jié)合的Ca++離子數(shù)就越多，并且所述樣品上產(chǎn)生的平均電荷就越少。(該結(jié)論假定加入的Ca++濃度并沒有高到引起電荷“反轉(zhuǎn)”，從而導(dǎo)致在粒子的表面帶凈正電荷。)因此，對于第一近似，通過加入CaCl2而對牛奶樣品施加應(yīng)力可具有與在第一種研究中加入酸作為應(yīng)力的相同的效果—即減少了脂肪滴上的凈電荷，從而降低了液滴間能量勢壘的高度。然而，還有另外一種因素起作用—即由于離解的可移動Ca++和Cl-離子在牛奶的連續(xù)水相中擴(kuò)散，與帶電粒子有關(guān)的電雙層厚度潛在地顯著減少(并且因此重疊)。這種屏蔽機(jī)制具有進(jìn)一步減小勢壘高度的作用，其為分散的脂肪滴提供了額外的去穩(wěn)定應(yīng)力。從原理上講，與不存在對液滴間靜電排斥屏蔽的明顯增加的情況下僅僅通過減少(給定量)液滴上的平均電荷所發(fā)生的聚結(jié)相比，這種機(jī)制的增加可引起更快和更強(qiáng)烈的液滴聚結(jié)。
第二種研究在酸應(yīng)力研究完成之后兩天進(jìn)行。因此，批次#1的ED超過1天，而保持在批次#2的ED前3天以及批次#3的ED前6天。對每個批次加入兩種不同Ca++濃度(等于0.005M和0.01M)的“鈣應(yīng)力”。每個批次提供它自己的“對照”—即，不存在添加的CaCl2。在24小時的時間段內(nèi)六個不同的時間間隔對牛奶樣品進(jìn)行研究，而且與前面相同，所有樣品在室溫下進(jìn)行分析，在分析之間冷藏所有的樣品(4-8攝氏度)。在圖10-13中概述了離子誘導(dǎo)對分散相的穩(wěn)定性與脂肪滴聚結(jié)的對比的影響。圖10中概述了在24小時期間內(nèi)，批次#1(“0608”)、“對照”樣品(沒有加入CaCl2，實(shí)心圓點(diǎn))和加入了濃度為0.005M(實(shí)心方塊)和0.01M(實(shí)心三角)兩種濃度的CaCl2的PDP隨時間變化的計(jì)算值。采用與圖10中相同的標(biāo)記，圖11概述了批次#2(“0612”)的結(jié)果，以及圖12概述了批次#3(“0615”)的結(jié)果。圖13是圖11的壓縮版，允許批次#2，CaCl20.01M(實(shí)心三角)的全部數(shù)據(jù)點(diǎn)集都被繪出。
如可從圖10及12看到的，0.005M的CaCl2加入到牛奶中，對批次#1和#3的測量的PDP值來說沒有可評估的影響。即使在按體積比分別為1∶39和1∶19的比例稀釋0.005M和0.010M等份的“施加鈣應(yīng)力的樣品”中，其穩(wěn)定性也沒有發(fā)生可測量的變化。也就是說，包括測量的PSD尾部的大直徑脂肪球的濃度沒有明顯變化。顯然，這種加入的CaCl2水平在所研究的時間幀內(nèi)不足以明顯地使批次#1和#3去穩(wěn)定。然而，這種最低水平的鈣應(yīng)力使批次#2的PDP值(除t＝0外)產(chǎn)生了可測量的增加，如圖11所示。與超過指示的ED一天的批次#1相比，批次#2再次顯示了其在應(yīng)力下的次等的特性，盡管事實(shí)上在其指示的ED前還剩余3天。
將這些結(jié)果與當(dāng)加入的CaCl2濃度加倍到0.01M時所得到的相應(yīng)結(jié)果相比較是有意義的。在批次#1(圖10，實(shí)心三角)的情況下，這種升高的應(yīng)力水平產(chǎn)生了明顯的依賴于時間的PDP變化，從在t＝0時的剛好低于1％到t＝24小時時大約為1.5％。盡管該樣品先前在分析的時間段內(nèi)對施加到它的酸應(yīng)力水平有抗性，批次#1明顯受到這種更高的鈣應(yīng)力水平的影響—可能與其老化(即超過其ED)有關(guān)。重要地是，應(yīng)當(dāng)指出，盡管產(chǎn)品老化，仍需要最高濃度的CaCl2應(yīng)力因子來使批次#1去穩(wěn)定。在批次#2(圖11，實(shí)心三角)的情況下，更高的應(yīng)力水平還產(chǎn)生了PDP的明顯依賴于t的變化，反證了觀察的批次#1隨時間變化達(dá)到并包括≈12小時。然而，超過該時間，測量的PDP隨時間增加極大地加快，如圖13所示(實(shí)心三角，PDP的比例壓縮了5倍)，24小時后幾乎達(dá)到7％。(在該點(diǎn)還有很濃的酸味證明。)這種結(jié)果與先前得到的批次#2的結(jié)果基本一致，再次肯定地建立了其關(guān)于另外兩種樣品的次等，尤其是與批次#1相比。顯然，假定在超過12小時之后測量的PDP對加入的CaCl2為逐漸變大的非線性的響應(yīng)，這種氯化鈣應(yīng)力水平不可再被認(rèn)為是對批次#2情況下的分散相的“小”干擾。(在這種情況的濃度條件下，甚至先前穩(wěn)定的批次#1也“崩潰”。)在批次#3的情況下(圖12，實(shí)心三角)，在整個經(jīng)歷的時間段內(nèi)，更高的應(yīng)力水平僅僅使PDP產(chǎn)生了微小變化，這與這是“最年輕”的牛奶產(chǎn)品并且因此(一點(diǎn)也不奇怪)它是最穩(wěn)定的這一事實(shí)相一致。
圖10-13中顯示計(jì)算的PDP對時間變化和鈣應(yīng)力水平，每個批次牛奶的[CaCl2]所觀察到的依賴性在表II中概述。對每個[CaCl2]值和每批牛奶的PDP與t數(shù)據(jù)進(jìn)行的線性回歸分析的結(jié)果也概述于表II中。批次#2(0612)對每種鈣應(yīng)力水平[CaCl2]都顯示出了接近理想的相關(guān)系數(shù)r值。具體地，[CaCl2]分別等于0.005M和0.1M時，r＝0.927和0.934(表II中的粗體類型)。與每個[CaCl2]值相關(guān)的作為指示的斜率值再次提供了批次#2的次等的有用定量度量。利用酸應(yīng)力，為了得到在樣品中施加給定應(yīng)力水平而誘導(dǎo)的不穩(wěn)定的定量度量，將斜率的增加(即相對于對照樣品)除以加入的[CaCl2]的值是有用的。批次#2的r值相當(dāng)接近一致的這一事實(shí)再次強(qiáng)化了本發(fā)明概述的加快應(yīng)力測試方法的預(yù)測值，并再次認(rèn)可了先前對該樣品得出的不穩(wěn)定或者次等的結(jié)論。如同上面定性討論的那樣，在采用最高應(yīng)力水平[CaCl2]＝0.01M時建立了批次#1的計(jì)算的PDP值和經(jīng)歷時間t之間的相似但不十分強(qiáng)的相關(guān)性(r＝0.897)。相比而言，同時，由于批次#3是三種樣品中最年輕并假定為最穩(wěn)定的這一事實(shí)，響應(yīng)于批次#3，僅僅建立了PDP對t的中等強(qiáng)度的相關(guān)性(r＝0.639)。采用最高[CaCl2]，r值不僅對批次#2是重要的，而且對批次#1和#3也是重要的這一事實(shí)，表明對于這種鈣應(yīng)力因子可能存在“閾值”限。在該水平，在所有批次的牛奶中都誘導(dǎo)了不穩(wěn)定，而不考慮它們本身的質(zhì)量。
在關(guān)于涉及鈣應(yīng)力的第二種研究的討論的結(jié)尾，在加入產(chǎn)生圖11和13中顯示的提高的PDP值的較高水平的0.01M的CaCl2時，簡要檢查得自次等的批次#2的牛奶樣品的PSD也是有益的。在6個測量的經(jīng)歷時間獲得的不同濃度的PSD尾部(#粒子/ml與粒子直徑(＞1.8μm))顯示于圖14中。圖11中明顯的PDP值隨時間增加到高達(dá)≈12小時的逐漸增加，可看作是圖14中相對小的“細(xì)節(jié)”，其PSD尾部彼此非常相像。24小時后，與圖13中所示的這一時間PDP的非常大的變化相對應(yīng)，這些變化由于觀察的尾部的巨大變化而變得矮小。這6個PSP尾部的絕對體積分?jǐn)?shù)的相應(yīng)圖示顯示于圖15中。再一次，顯然批次#2在12到24小時之間形成的大(“分離物”)的脂肪球濃度有極大的增加，這與早期使用其它施加因子證明其為較次等的樣品相一致。這些鈣應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明了加入的鈣離子對全脂奶穩(wěn)定性的影響是時間相關(guān)和濃度相關(guān)的，再次證明對批次#2來說指定的儲存期(ED)與應(yīng)力下所觀察到的穩(wěn)定性缺乏一致性。在這種情況下，看起來當(dāng)所有的制劑反過來以某種程度或另一種程度受到影響時，施加到牛奶樣品中的鈣應(yīng)力提高的水平(即0.01M)比所需的水平高。然而，批次#2(先前證明有缺陷)對增加的應(yīng)力水平的響應(yīng)再次明顯大于其它批次。如同較早討論的那樣，同酸應(yīng)力的情況相比，與鈣離子吸附到液滴表面相偶連的額外屏蔽機(jī)制引起更快且更強(qiáng)烈的液滴聚結(jié)。
上述回顧的應(yīng)力研究的結(jié)果明顯證明了這種新的加快應(yīng)力測試方法檢測同一加工廠生產(chǎn)的三個不同批次的牛奶之間的顯著差別的能力。本發(fā)明新方法的應(yīng)用通過兩種不同類型的應(yīng)力因子研究了不同牛奶樣品質(zhì)量的差別。每種應(yīng)力因子都具有降低負(fù)責(zé)將液滴聚結(jié)率降到最低，從而確保產(chǎn)品在一段可接受的時間段內(nèi)穩(wěn)定性的液滴間勢壘的相對高度VMAX/kT的作用。盡管每種應(yīng)力因子降低相對勢壘高度的機(jī)制不同，但在每種情況下，從穩(wěn)定性觀點(diǎn)看，與其它批次相比，批次#2的牛奶都明確地被鑒定為次等。因此，很顯然，這里教導(dǎo)的新方法能夠在定量和定性的基礎(chǔ)上辨別采用常規(guī)的現(xiàn)有方法可能不能可靠鑒定的分散相和乳化液之間穩(wěn)定性或質(zhì)量的差別。而且很顯然，商品指定的常規(guī)的有效期，甚至是那些嚴(yán)格建立起來的有效期也未必有效。
為了進(jìn)一步說明這種分散相的加快應(yīng)力測試新方法的普遍適用性和效果，概括得自應(yīng)用于另一類型的水包油型乳化液的相同研究的結(jié)果是有用的。分散相由植物油滴組成，由陰離子表面活性劑穩(wěn)定，被利用來將負(fù)電荷施加到油滴表面。如下所述，一種施加到植物脂肪乳化液中的應(yīng)力因子從與上述施加到牛奶研究中的應(yīng)力因子所代表的機(jī)制不同的機(jī)制來獲得它的有效性。施加應(yīng)力的樣品以前面的方式進(jìn)行分析，采用基于消光(即SPOS-LE)的粒子尺寸分析(SPOS)，并且結(jié)果同樣以大直徑(范圍1.8-50μm)的油滴(“球”)在不同時間間隔的體積百分比或PDP表示。
在這些研究中(三個不同的實(shí)驗(yàn))，為了評估隨著時間的變化，加入的離子(既包括吸附也包括屏蔽)混合物對乳化液穩(wěn)定性的影響，將低濃度(0.05M)單價(jià)陽離子(Na+、K+)的混合物和低濃度(0.003M)二價(jià)陽離子(Ca++、Mg++)的混合物加入到5％w/v的水包油型植物脂肪乳化液中。這種在這些實(shí)驗(yàn)全過程中使用的去穩(wěn)定的陽離子的基本混合物此后被稱作“混合離子種類”。最終的植物脂肪乳化液和混合的離子種類的分散相采用前述方式，通過在t＝0時刻時(即在加入混合離子種類后立即進(jìn)行)的PSD的測量來評估。在8、16、20、24和28小時后，在室溫下(23-26□)再次測量分散相。得到的PDP與t的行為總結(jié)于圖16中。PSD的大直徑的尾部存在可測量的變化，表明明顯的油滴聚結(jié)的開始(在大約20小時(1200分鐘)后出現(xiàn))。其后得到的PDP值明顯變短。建立“對照”試驗(yàn)，即將低濃度的混合離子種類加入到植物油乳化液中導(dǎo)致其變得不穩(wěn)定，但僅僅在大約24小時的經(jīng)歷時間之后才明顯表現(xiàn)出來。
為了進(jìn)一步評估這里教導(dǎo)的新方法的有效性，將不同應(yīng)力因子系統(tǒng)地施加到這種電荷穩(wěn)定的植物油乳化液中，以確定它的不穩(wěn)定特征是否在遠(yuǎn)快于20小時內(nèi)被可靠地確定(即，在極大加快的基礎(chǔ)上)。這些應(yīng)力因子之一是控制加入簡單的單價(jià)鹽NaCl。與將CaCl2加入到牛奶分散相中不同，引起脂肪滴上的電荷由于一些加入的Ca++離子的結(jié)合而減少，NaCl加入到分散相中將不會導(dǎo)致Na+離子與帶負(fù)電荷油滴的可評估的結(jié)合。而是，在這種情況下，加入的鹽離子的主要影響是部分屏蔽了帶電液滴之間的靜電排斥(即，收縮了與液滴有關(guān)的電雙層)，從而促進(jìn)了它們的聚結(jié)。當(dāng)使用簡單的單價(jià)鹽NaCl來描述部分屏蔽粒子間靜電排斥時，應(yīng)當(dāng)理解，簡單的二價(jià)或三價(jià)鹽也可用于部分屏蔽靜電排斥。
在第二系列實(shí)驗(yàn)中，將“混合離子種類”的基準(zhǔn)量(與前面使用的濃度相同)加入到上述剛剛討論的實(shí)驗(yàn)(即“基準(zhǔn)”分散相)中使用的相同植物油乳化液(5％w/v)的四個分離的等份或批次中。與此同時(t≈0)采用剛討論的僅僅屏蔽的機(jī)制，系統(tǒng)地對批次施加應(yīng)力。在每個樣品中建立逐漸增加的NaCl濃度批次#1＝0M(“對照”，基準(zhǔn)混合的離子種類)；批次#2＝0.05M(2.93g/L)；批次#3＝0.1M(5.86g/L)；批次#4＝0.15M(8.79g/L)。(批次#2-4等于批次#1加入水平增加的鹽應(yīng)力。)結(jié)果，為每種施加了鹽應(yīng)力的樣品計(jì)算的體積-重量PDP被適當(dāng)調(diào)整到新的基準(zhǔn)最終類脂物濃度。然后與前面相同，通過測量的PSD來評估室溫下(23-26□)每批的穩(wěn)定性，但在五個不同的時間點(diǎn)t＝0、60、120、180及240分鐘(大約時間)。該研究被設(shè)計(jì)為，通過大約以時間長度的順序—即從20小時到僅僅1-4小時，系統(tǒng)地加快明顯、可測量的油滴聚結(jié)的開始。
這些測量的結(jié)果概括于圖17中，顯示為每個時間點(diǎn)和加入的NaCl濃度得到的PDP值0M(“對照”，空心圓點(diǎn))；0.05M(實(shí)心圓點(diǎn))；0.1M(實(shí)心方塊)；0.15M(實(shí)心三角)。顯然，加入的NaCl濃度的增加導(dǎo)致PDP值中存在分級、加快的增加。施加的應(yīng)力水平越高，明顯的油滴聚結(jié)的開始就越快。在最高的應(yīng)力水平(即加入0.15M的NaCl)實(shí)際上存在最早時間點(diǎn)t≈0處PDP的加倍，意味著樣品在完成PSD測量所需要的短時間內(nèi)—僅僅大約5分鐘—已經(jīng)明顯去穩(wěn)定。顯然，通過明智地選擇應(yīng)力水平(即加入的NaCl濃度)，這種樣品可用于揭示在比不存在可計(jì)量的應(yīng)力(即＞20小時，圖16)時所需的時間短得多的時間段內(nèi)其潛在的不穩(wěn)定程度。
表III中概括了觀察到的加入了去穩(wěn)定混合離子種類(圖17中所示)的植物油乳化液的計(jì)算PDP對經(jīng)歷時間和鹽應(yīng)力水平[NaCl]的依賴性。對[NaCl]的每個值的PDP與t數(shù)據(jù)執(zhí)行的線性回歸分析結(jié)果也概括于表III中。對所有[NaCl]應(yīng)力水平都得到了接近理想的相關(guān)系數(shù)r值。具體地，當(dāng)[NaCl]＝0.05M、0.10M和0.15M時，r分別為0.958、0.980和0.973(表III中的粗體類型)。顯示的與每個[NaCl]值相關(guān)的斜率值再次提供了存在混合的離子種類時，植物油乳化液的不穩(wěn)定或次等程度的有用的定量度量。與前面相同，將斜率的增加(即相對于對照樣品)除以加入的[NaCl]濃度，以達(dá)到對通過在樣品中加入給定應(yīng)力水平來誘導(dǎo)的不穩(wěn)定的定量度量是有用的。對于全部三個[NaCl]值的所有r值如此接近一致的事實(shí)再次強(qiáng)化了本發(fā)明概述的加快應(yīng)力測試方法的預(yù)測值，并認(rèn)可了得自該樣品的不穩(wěn)定結(jié)論。由于加入了混合的離子種類，見圖16和前面的討論，在大約20小時后已經(jīng)觀察到這種植物油乳化液變得不穩(wěn)定。系統(tǒng)地加入明顯的、不同數(shù)量的NaCl發(fā)揮其所能起的作用—即，加快分散相的可重復(fù)的不穩(wěn)定性的開始。
在第三種實(shí)驗(yàn)中，再次將混合的離子種類(相同濃度)加入到相同植物油乳化液(5％w/v)的四個分離的等份或批次中，形成與前面的實(shí)驗(yàn)中使用的相同的“基準(zhǔn)”分散相。與此同時(t≈0)，系統(tǒng)地對批次施加酸應(yīng)力(即降低pH)，與前面討論的在一種牛奶穩(wěn)定性研究中使用的技術(shù)相同。然而此時，以逐漸增加的比例將鹽酸(HCl)加入到批次中，以逐階段降低最終分散相的pH。包括開始的乳化液的植物油滴被卵磷脂表面活性劑所穩(wěn)定，等電點(diǎn)(pH)大約為3.2。通過對這種由在低于較低的酸條件下誘導(dǎo)凈負(fù)電荷的陰離子表面活性劑所穩(wěn)定的分散相加入酸來加入應(yīng)力，導(dǎo)致在細(xì)微分散的牛奶液滴上的靜電電荷減少，從而誘導(dǎo)其團(tuán)聚作用。未施加應(yīng)力的最初樣品的pH為6.56。將逐漸增加量的酸應(yīng)力加入到乳化液的批次中(含有常用的去穩(wěn)定陰離子種類的混合物)，等價(jià)于HCl的濃度大約為0.006M(0.228g/L)、0.012M(0.456g/L)和0.025M(0.912g/L)，在這些樣品中分別產(chǎn)生5.65、5.13和4.46的pH值。油滴上的電荷因此接連落下。形成的施加了酸應(yīng)力樣品的最終pH值為批次#1(“對照”)，pH＝6.56；批次#2，pH＝5.65；批次#3，pH＝5.13；批次#4，pH＝4.46。與前面的實(shí)驗(yàn)相同，通過在五個不同的時間點(diǎn)t＝0、60、120、180及240分鐘(大約時間)測量PSD來評估每個批次。與前面相同，該研究被設(shè)計(jì)為加快明顯、可測量的油滴聚結(jié)的開始。計(jì)算的每種施加了鈣應(yīng)力的樣品的體積-重量PDP被適當(dāng)調(diào)整到新的基準(zhǔn)最終類脂物濃度。
這些測量的結(jié)果概括于圖18中，顯示了對于每個時間點(diǎn)和降低的pH值得到的PDP值pH＝6.56(“對照”，空心圓點(diǎn))；pH＝5.65(實(shí)心圓點(diǎn))；pH＝5.13(實(shí)心方塊)；pH＝4.46(實(shí)心三角)。圖18中顯示的PDP圖與從施加了NaCl應(yīng)力的含有植物油乳化液加混合離子種類的分散相中得到的圖17中顯示的情況相似。測量的隨著pH降低的PDP值中存在分級、加快的增加。在建立分散相的不穩(wěn)定程度所需的時間幀內(nèi)的加快與從施加了NaCl應(yīng)力的分散相中得到的情況相似。施加的應(yīng)力水平越高，明顯的油滴聚結(jié)的開始就越快。在最高的應(yīng)力水平，pH＝4.46，在最早時間點(diǎn)t≈0的PDP值增加50％以上。樣品在完成PSD測量所需的短時間內(nèi)(大約5分鐘)已經(jīng)再次明顯地被去穩(wěn)定。與前面相同，通過明智地選擇應(yīng)力水平(在這種情況下，由于加入HCl導(dǎo)致pH降低)這種分散相揭示在比不存在可計(jì)量的應(yīng)力所需的時間短得多的時間段內(nèi)其潛在的不穩(wěn)定程度。
表IV中概括了觀察到的加入了去穩(wěn)定混合離子種類(顯示于圖18中)的植物油乳化液的計(jì)算PDP對經(jīng)歷時間和酸應(yīng)力水平(pH)的依賴性。對每個pH值的PDP與t數(shù)據(jù)執(zhí)行的線性回歸分析結(jié)果也概括于表IV中。再一次，對所有酸應(yīng)力(pH)水平都得到了接近理想的相關(guān)系數(shù)r值。具體地，當(dāng)pH＝5.65、5.13和4.46時，r分別為0.972、0.987和0.996(表IV中的粗體類型)。顯示的與每個pH值相關(guān)的斜率值再次提供了存在混合的離子種類時植物油乳化液的不穩(wěn)定或次等程度的有用的定量度量。與前面相同，將斜率的增加(即相對于對照樣品)除以加入的pH的變化(ΔpH)，以達(dá)到對通過在樣品中加入給定應(yīng)力(pH)水平來誘導(dǎo)的不穩(wěn)定的定量度量是有用的。對于降低的pH的所有三個值的所有r值如此接近一致的事實(shí)再次證明了本發(fā)明概述的加快應(yīng)力測試方法的預(yù)測值，并認(rèn)可了從該樣品得出的不穩(wěn)定結(jié)論。系統(tǒng)地加入明顯增加數(shù)量的酸發(fā)揮了其所能起的作用—即，加快分散相可重復(fù)的不穩(wěn)定的開始。
上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中將專門、嚴(yán)格定義的應(yīng)力因子系統(tǒng)地應(yīng)用到兩種不同的電荷穩(wěn)定的乳化液，并通過靈敏及定量的裝置來確定“分散相百分比”或者PDP作為隨經(jīng)歷時間的函數(shù)，以形成本發(fā)明方法的三種優(yōu)選實(shí)施例的基礎(chǔ)。下面描述的每個實(shí)施例以系統(tǒng)地將不同的、特定應(yīng)力因子應(yīng)用到感興趣的分散相樣品中為中心，以評估其在加快的基礎(chǔ)上的穩(wěn)定性。
本發(fā)明方法的第一實(shí)施例，以圖表的形式顯示于圖19中，利用包括pH的對照變化的應(yīng)力因子“A”，—即，涉及所討論的分散相或乳化液的連續(xù)相的pH升高或降低。在該實(shí)施例中，通過改變其pH對初始樣品施加應(yīng)力引起粒子(或液滴)表面上的平均電荷量減少，導(dǎo)致粒子間勢壘高度VMAX降低，并引起相鄰粒子之間不可逆的團(tuán)聚作用(或者相鄰液滴聚結(jié))速率相應(yīng)加快。選擇是增加還是降低樣品的pH取決于粒子(或液滴)在它們正常的不受干擾的狀態(tài)下所攜帶的凈電荷是正電荷還是負(fù)電荷。如果未受干擾的分散相的pH大于“等電點(diǎn)”或者IEP(即，粒子上的電荷接近于零時的pH值)，粒子攜帶凈的負(fù)電荷。在這種情況下，應(yīng)力因子包括以一個或多個預(yù)定的增量降低樣品的pH。這種系統(tǒng)的滴定通過加入一種或多種測量的濃酸量(“純”的或者緩沖的形式)加入到初始樣品中來完成。每個最終的pH值降低都造成分散相更接近其IEP，相應(yīng)地減少了粒子或液滴上的平均電荷，從而導(dǎo)致粒子團(tuán)聚作用或聚結(jié)的傾向相應(yīng)地增大。
相反，如果初始分散相的pH低于IEP，粒子攜帶的凈電荷為正。在這種情況下，應(yīng)力因子包括通過系統(tǒng)地加入濃堿(同樣為純的或者緩沖的形式)，以一個或多個預(yù)定的增量增加分散相的pH。每次pH值增加都造成分散相更接近其IEP，最終達(dá)到與通過將酸加入到含有帶負(fù)電荷粒子的分散相得到的結(jié)果相同—即，在加快的基礎(chǔ)上，將分散相逐漸“推”向不穩(wěn)定，表明了更迅速的粒子團(tuán)聚作用或聚結(jié)。
如在圖19中圖解示出的，將待測初始分散相或乳化液分成N+1種分離的等份或者批次100、101、102、....10N，其中N≥1。每一等份含有相同的樣品體積，或者，可能含有不同的樣品體積，這有賴于穩(wěn)定性測試的特定設(shè)計(jì)。被稱作100的樣品等份構(gòu)成穩(wěn)定性測試的“對照”，因?yàn)闆]有對其施加任何應(yīng)力(酸或者堿)。在測試方案中包含這種對照樣品并不是嚴(yán)格必須的。然而，假設(shè)樣品組成具有一個生產(chǎn)階段到另一個生產(chǎn)階段經(jīng)常發(fā)生的易變性，通常期望在測試步驟中包括未施加應(yīng)力的樣品。這樣，新的加快應(yīng)力測試方法可靠地檢測粒子團(tuán)聚作用的微小變化的能力潛在地增強(qiáng)了，并表明了每個批次的質(zhì)量。
在加快的應(yīng)力測試的開始，此后稱作t＝0，在111時將特定量的酸或者堿加入到N＝1樣品等份中。在酸應(yīng)力適合的情況下，分散相的pH因而從其初始值(即，對照樣品的值)pH0減少了給定(通常為預(yù)定的量，但不必須)增量ΔpH1，得出新值pH1＝pH0-ΔpH1。這種新的較低的值被理想化地測量，但可在加入應(yīng)力因子后計(jì)算(基于樣品等份的體積以及用于影響pH減小的濃酸或緩沖液的pH和體積)出來。替代地，由于加入的堿的影響，在初始分散相的pH增加增量ΔpH1的情況下，產(chǎn)生的分散相的pH可表示為pH1＝pH0+ΔpH1。
如圖19圖解所示，將包括加入酸或者堿(任何一種都合適)的應(yīng)力因子“A”應(yīng)用到待測分散相的N種不同(理想地，可鑒別)等份111、112、....11N。在一些情況下，所討論的分散相可具有相當(dāng)好的特征描述和/或可預(yù)測性(例如，在對行為良好的生產(chǎn)過程的常規(guī)監(jiān)測期間)，以至于僅需要施加單一水平的應(yīng)力—即，±ΔpH1，以確定其穩(wěn)定性，或者缺乏穩(wěn)定性。在這些情況下，N＝1就足夠了。然而，當(dāng)對新產(chǎn)品或者改進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行評估時，如這里描述的各種例子所示，為了獲得一系列獨(dú)立的PDP結(jié)果，至少應(yīng)當(dāng)將兩個(即，N≥2)水平的增加應(yīng)力施加到初始分散相中，可能會得到更大的準(zhǔn)確性和可靠性。在最小的情況下，額外的應(yīng)力增量的應(yīng)用—即，±ΔpHI，其中I＝1、2、...N，-可產(chǎn)生最終PDP測量的更大的可靠性，因而得到了關(guān)于樣品穩(wěn)定性結(jié)論的更大的可信度。通常，如果將N種不同水平的應(yīng)力因子“A”應(yīng)用到分散相中，產(chǎn)生N種施加了應(yīng)力樣品等份的pH值可描述為在施加酸應(yīng)力的情況下，pHI＝pH0-ΔpHI，或者在施加堿應(yīng)力的情況下，pHI＝pH0+ΔpHI，其中I＝1、2、...N，并且ΔpH1＜ΔpH2＜...＜ΔpHN。
在將N種不同酸或堿應(yīng)力加入初始樣品等份之后，每個等份的粒子尺寸分布(PSD)以及未施加應(yīng)力的對照(#0)樣品，采用具有足夠靈敏度和分辨率的粒子尺寸分析技術(shù)在12步驟時測量。出于上面已經(jīng)討論過的原因，優(yōu)選典型地基于消光(LE)原理，但也可任選地基于光散射(LS)的原理，或者二者結(jié)合(“LE+LS”)的SPOS技術(shù)，這取決于待評估的乳化液或分散相的類型。在這種情況下，測得的PSD典型地涉及粒子直徑的范圍，d≥d0，其定義了包括PSD的最大粒子的“尾部”?；谄谕淖畲蠓治鰰r間和樣品稀釋的程度，閾值d0選擇為將最終PSD的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(即信/噪比)最大化。典型地，用于每個樣品等份的PSD測量在施加酸或者堿應(yīng)力因子之后立即進(jìn)行(即，盡可能快)。然而在一些情況下，可能期望在將應(yīng)力因子施加到特定樣品之后，在開始測量PSD之前等待一段特定長度的時間。基于用于執(zhí)行應(yīng)力測試的裝置的復(fù)雜性，可一個樣品等份接著另一個樣品等份地連續(xù)測量PSD，或者并行測量，幾乎同時采用多個獨(dú)立的傳感器及相關(guān)儀器來執(zhí)行每次SPOS測量。
在測量每個樣品等份的PSD(d≥d0)之后，立即通過每個測得的PSD在13步驟時計(jì)算與經(jīng)歷時間和應(yīng)力水平(ΔpH1)相應(yīng)的每個樣品的“分散相百分比”或者PDP(通常也為d≥d0)。該步驟之后，在14步驟時，允許每個樣品都發(fā)生時間延遲Δt，接著再次測量PSD，并且計(jì)算每個樣品的相應(yīng)PDP值。時間延遲Δt典型地選擇為對所有樣品都基本相同，但這并不是必須的。任選地，基于選擇的酸或者堿應(yīng)力的水平，它可被選擇為對一個或多個樣品不同。替代地，基于對全部系列的樣品等份執(zhí)行PSD測量所需的時間，以及施加不同應(yīng)力水平產(chǎn)生的加快的粒子團(tuán)聚作用的特征時間，PSD測量的連續(xù)系列之間的標(biāo)定時間延遲可選擇為零。在后一種情況下，一系列樣品等份的PSD測量和PDP值的計(jì)算有效地變成了連續(xù)的過程，而在測量的連續(xù)系列之間沒有明顯的停頓階段。
對一系列施加了酸或堿應(yīng)力的樣品等份(包括未施加應(yīng)力的對照樣品)的PSD測量和相應(yīng)的PDP計(jì)算的重復(fù)循環(huán)進(jìn)行足夠長的時間，使得對每種施加的應(yīng)力水平，允許可靠確定作為經(jīng)歷時間函數(shù)的PDP。假定施加的應(yīng)力水平被明智地選取，從而對于至少最高的應(yīng)力水平(即最大ΔpHI)，在期望的相對較短的時間段后，可觀察到PDP值的顯著增加。測量和計(jì)算循環(huán)的次數(shù)通常是預(yù)定的，特別是在過去已經(jīng)很好地描述了關(guān)于分散相的穩(wěn)定性和性能的特征的情況下。替代地，對于有關(guān)穩(wěn)定性和質(zhì)量相對較新和“未知”的分散相，測量循環(huán)的次數(shù)以及因而加快的應(yīng)力測試的整個持續(xù)時間都可以是“不定的”。在這種情況下，僅僅在經(jīng)過足夠長的時間后中止該過程以允許對施加一個或多個應(yīng)力水平(酸或者堿)的PDP值變化進(jìn)行可靠確定。如果在合理長度的時間段之后，即使是在施加應(yīng)力的最高應(yīng)力水平下也沒有觀察到PDP值的有意義變化，通常采用一系列新的更高應(yīng)力水平ΔpHI來重復(fù)該過程。
通過上面描述的過程，獲得了一系列PDP值(d≥d0)作為pH和時間t的函數(shù)。通過這些PDP值，可在15步驟時得出至少兩種可能有用的量或者一系列的量。這些量中的第一個是對于每個給定pH值，PDP隨經(jīng)歷時間t的變化率，(PDP)/t|pH。分別計(jì)算了每個施加應(yīng)力(酸或堿)水平pHI，即pH1、pH2、...PhN的這些偏導(dǎo)數(shù)值。在表I中顯示用于三種全脂牛奶樣品，并且在表IV中顯示用于上面討論的植物油乳化液的由每個pH值的PDP與t的線性回歸分析得到的該“斜率”值。在對牛奶樣品施加酸應(yīng)力的情況下，在pH1＝6.1(圖6)和pH2＝5.7(圖7)時，在樣品“0608”和“0615”的情況下，隨著時間的增加，PDP基本保持不變，或者在樣品“0612”的情況下，其隨時間線性增加。由線性回歸分析得到的“斜率”Δ(PDP)/Δt在pH1＝6.1時為0.00204，并且在pH2＝5.7時為0.000260。
上面也討論了，在植物油乳化液的情況下(加上混合的離子種類)，存在對于同施加的酸應(yīng)力相關(guān)的某些減小pH值的PDP與t圖中觀察到的適量曲率量(圖18)。在那種情況下，(PDP)/t值不僅依賴于pH值(即，隨著后者的降低而增加)，而且在適當(dāng)程度上依賴于t值。在任何情況下，對于所有采用的pH值，PDP與t的曲度小到足以允許線性近似，以允許斜率Δ(PDP)/Δt可被每個pHI值的單個值所表征。如表IV所示，當(dāng)pH從5.65分別減小到5.13到4.46時，斜率值逐漸增加，從0.00037到0.00072到0.00099。(在pH＝6.56時，對照樣品的斜率0.00003忽略不計(jì)。)存在另一種可從一系列PDP值推導(dǎo)的量—對于給定的經(jīng)歷時間t，每單位pH變化的PDP增加，記為(PDP)/(pH)|t。這種偏導(dǎo)數(shù)值可計(jì)算各種經(jīng)歷時間的增加值(如果需要，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)次數(shù)之間插入以獲得每個期望t值的PDP值)。對于給定t值的(PDP)/(pH)值通常依賴于pH—即，PDP不一定隨著pH的增加(或減少)而線性增加。然而，使用線性近似來描述隨著應(yīng)力水平的變化(即ΔpH)而變化的PDP是很方便的，在該情況下“斜率”可用每個t值的Δ(PDP)/Δ(pH)近似。當(dāng)然，假定(PDP)/t|pH的斜率為正，該斜率通常隨著時間t的增加而增加。例如，在從施加了酸的牛奶批次0612中產(chǎn)生數(shù)據(jù)的情況下(表I)，與pH從6.6下降到6.1((即ΔpH＝-0.5))有關(guān)的斜率Δ(PDP)/Δ(pH)隨時間增加如下0.07(80分鐘)、0.48(160分鐘)和0.85(240分鐘)?；趐H從6.6下降到5.7(即ΔpH＝-0.9)的相應(yīng)計(jì)算的斜率值為0.17(80分鐘)、0.41(160分鐘)和0.62(240分鐘)。在施加了酸的植物油乳化液的情況下(表IV)，與pH從6.56下降到5.65(ΔpH＝-0.91)有關(guān)的斜率Δ(PDP)/Δ(pH)如下-0.001(60分鐘)、0.040(120分鐘)、0.058(180分鐘)和0.087(240分鐘)?；趐H從6.56下降到5.13(ΔpH＝-1.43)的相應(yīng)斜率值為0.028(60分鐘)、0.064(120分鐘)、0.089(180分鐘)和0.134(240分鐘)。最后，基于pH從6.56下降到4.46(ΔpH＝-2.1的斜率值為0.046(60分鐘)、0.076(120分鐘)、0.112(180分鐘)和0.135(240分鐘)。因此，對于這種分散相，對于所有經(jīng)歷時間值來講斜率Δ(PDP)/Δ(pH)隨ΔpH增加而增加。
總之，第一實(shí)施例的討論保留了在16步驟處對所研究分散相的“優(yōu)值”的指定，以便于其穩(wěn)定性可定量描述，并可與相同分散相的其它例子或者其它產(chǎn)品一起比較?；蛟S定義樣品的優(yōu)值或FM的最簡單和最直接方式是使用(PDP)/t|pH的計(jì)算值。對于給定應(yīng)力水平ΔpH而言，穩(wěn)定的分散相將產(chǎn)生相對較小的(PDP)/t|pH值，而次等分散相將產(chǎn)生相對較大的這種參數(shù)值。在分散相的pH變化了給定量ΔpHI后得到的(PDP)/t|pH值，描述了由于pH的變化分散相如何快速地發(fā)生不可逆團(tuán)聚作用。因而，基于該值，可對在施加酸或堿應(yīng)力之前初始樣品的穩(wěn)定性進(jìn)行“分級”。對于給定pHI的增量(即ΔpHI)，(PDP)/t|pH值越大，初始樣品就越不穩(wěn)定。
替代地，在給定經(jīng)歷時間后PDP值對pH變化的靈敏度可用于評估初始樣品的穩(wěn)定性。那就是說，F(xiàn)M可采用在給定的經(jīng)歷時間t值(假定該時間長到足以允許加快的不穩(wěn)定性來判斷其本身)計(jì)算出的(PDP)/(pH)|t值來定義。對于給定的經(jīng)歷時間t值，(PDP)/(pH)|t值越大，并且施加的應(yīng)力值ΔpHI相對較小，初始樣品就越不穩(wěn)定。分散相對pH的給定變化的靈敏度可用于確定最佳應(yīng)力水平，或者應(yīng)力水平范圍，以執(zhí)行加快的應(yīng)力測試。
總的說來，有至少兩種簡單的方法來定義感興趣的分散相的優(yōu)值。它們是1)對于給定應(yīng)力水平ΔpHI，測量PDP相對于經(jīng)歷時間的變化；以及2)對于給定的經(jīng)歷時間t，測量PDP相對于pH的變化。雖然得到的值可分別考慮，但同時還可將它們結(jié)合(線性或非線性)，形成從前兩者導(dǎo)出的第三值。這些計(jì)算或?qū)С鲋抵械囊粋€或另一個可有用地與“基準(zhǔn)”值(前面得出的同一產(chǎn)品的成功例子)或者其它可比產(chǎn)品的“基準(zhǔn)”值相比較。這種比較提供了用于確定所討論的產(chǎn)品是否足夠穩(wěn)定到允許它繼續(xù)生產(chǎn)、銷售和使用的方法，或者生產(chǎn)過程(包括原始輸入原料的質(zhì)量)的關(guān)鍵方面是否需要改進(jìn)或改變的方法。是單獨(dú)使用還是作為全部系列值使用(即，包含于合適的算法中)，提供了為分散相指定一個或多個FM度量并且因此評估其穩(wěn)定性的方法。
圖20中圖示概括的本發(fā)明方法的第二實(shí)施例，除一點(diǎn)之外其余都與第一實(shí)施例相同。唯一的差別在于它利用了不同的應(yīng)力因子，該應(yīng)力因子標(biāo)記為“B”，包括對照，系統(tǒng)的加入特定的電解質(zhì)的情況，該特定的電解質(zhì)在離解后能提供被感興趣的分散相或乳化液中的帶電粒子(部分)吸附的離子。帶電離子被帶相反電荷的粒子或者液滴吸附導(dǎo)致它們表面上的平均電荷減少。加入的電解質(zhì)濃度越大，被吸附到粒子或液滴的帶電表面上的帶電離子的平均數(shù)量就越大，并且在該粒子或液滴上產(chǎn)生的凈電荷就越低。在該方式中對分散相施加應(yīng)力的凈效應(yīng)與如在第一實(shí)施例中提供的通過pH的降低或升高來對其施加應(yīng)力所達(dá)到的效果相同。用于實(shí)現(xiàn)這種電荷減少的機(jī)制在這兩個實(shí)施例中的每一個中基本不同，但就定性而言，凈效應(yīng)是相同的。如同在第一實(shí)施例一樣，這種電荷的減少導(dǎo)致粒子間勢壘高度VMAX降低，并因此引起分散相或乳化液中相鄰粒子/液滴的不可逆團(tuán)聚作用速率加快。應(yīng)當(dāng)指出，將吸附電解質(zhì)加入到感興趣的電荷穩(wěn)定的分散相中還對其具有第二種去穩(wěn)定的影響。最終將運(yùn)動離子(帶正電荷和帶負(fù)電荷)引入分散相的連續(xù)相中導(dǎo)致相鄰粒子之間的靜電排斥力被部分屏蔽。這種動作引起粒子間勢壘高度的降低，獨(dú)立于由通過吸附離子引起的粒子上電荷的減少所引起的降低。這種屏蔽效應(yīng)是將在下面討論的第三實(shí)施例的課題。
在實(shí)施感興趣的分散相或乳化液的加快應(yīng)力測試的第二實(shí)施例時必須作出兩種選擇。第一，必須選擇合適的電解質(zhì)—即，這種電解質(zhì)在離解后，能夠提供被帶有相反電荷的粒子/液滴的表面極大程度吸附的離子。在對牛奶樣品執(zhí)行應(yīng)力測試的情況下，如上所討論，證明氯化鈣是電解質(zhì)的一種很好選擇，因?yàn)殡x解的Ca++離子明顯具有對包括全脂牛奶的分散相的(牛)酪蛋白包被的脂肪滴的親合力。典型地，許多電解質(zhì)都是用于感興趣的應(yīng)力分散相的合適候選者(假設(shè)離子以一定程度吸附到帶電粒子/液滴上)。當(dāng)然，一旦選定了電解質(zhì)，第二種必須作出的選擇是加入該電解質(zhì)的合適濃度范圍?？苫诶碚摽紤]來進(jìn)行估計(jì)(即，采用選擇性離子吸附模型，與DLVO理論的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)合)。替代地，并更典型地，適合濃度的范圍可通過感興趣的分散相的應(yīng)力測試由試差法來確定。
如在圖20中所示，在第二種實(shí)施例中也采用與第一實(shí)施例中使用的相同步驟，提供樣品的批次或者等份200、201、202、....20N。唯一的不同在于，在211、212、....21N處施加到初始樣品的N個不同等份的應(yīng)力因子的本質(zhì)。在t＝0(標(biāo)稱的“開始”)時將所選電解質(zhì)的不同量的原液(即，具有給定濃度)加入到初始樣品的每個等份中，從而在每個樣品等份[電解質(zhì)]1、[電解質(zhì)]2、...[電解質(zhì)]N中建立不同的、期望的吸附離子(與它們的反離子一起)濃度。在將應(yīng)力因子加入N個樣品等份中之后(也建立了對照樣品#0，其中沒有加入電解質(zhì))，包括每個應(yīng)力測試循環(huán)的一系列過程與上述第一實(shí)施例中相同。它們是(對于每個樣品等份，包括對照樣品)1)采用合適的粒子尺寸分析技術(shù)，優(yōu)選SPOS-LE，在22步驟處測量PSD(d≥d0)；2)在23步驟處計(jì)算PDP(通常也為d≥d0)；3)任選地，在下一PSD測量和PDP計(jì)算循環(huán)開始之前，在24步驟處允許經(jīng)過時間Δt(通常但不必須，實(shí)質(zhì)上對每一等份都相同)。
與第一實(shí)施例中相同，對于N種不同水平的施加應(yīng)力(即，加入的各種濃度的電解質(zhì)[電解質(zhì)]I)和各種經(jīng)歷時間得到的一系列PDP值，產(chǎn)生描述分散相對施加的應(yīng)力因子的靈敏度的量的增加。這些量可用于評估感興趣的分散相或乳化液的穩(wěn)定性。在25步驟處這些量中的第一個是在加入電解質(zhì)[電解質(zhì)]的給定濃度下，PDP隨經(jīng)歷時間t的變化率，記為(PDP)/t|[電解質(zhì)]。對施加吸附電解質(zhì)[電解質(zhì)]I應(yīng)力的每種水平，即對于[電解質(zhì)]1、[電解質(zhì)]2...[電解質(zhì)]N分別計(jì)算出該偏導(dǎo)數(shù)值。對于上面討論的三種全脂牛奶樣品，通過每個[CaCl2]值的PDP與t數(shù)據(jù)的線性回歸分析得到的這種“斜率”值顯示于表II中。隨著時間的增加，樣品“0608”和“0615”在最低應(yīng)力水平[CaCl2]＝0.005M時，PDP基本保持恒定。對于樣品“0612”，[CaCl2]＝0.005M和0.01M時PDP都隨時間線性增加(見圖11)。通過線性回歸分析得到的斜率Δ(PDP)/Δt在[CaCl2]＝0.005M時為0.00023，以及在[CaCl2]＝0.01M時為0.00038。對于樣品“0608”來說，在最高應(yīng)力水平[CaCl2]＝0.01M時，其PDP也基本隨時間線性增加，斜率為0.00043。
還有可從一系列PDP值導(dǎo)出的另外一種量—對于給定的經(jīng)歷時間t值的每單位電解質(zhì)濃度[電解質(zhì)]增加的PDP增加，記為(PDP)/[電解質(zhì)]|t。該值用于計(jì)算每個經(jīng)歷時間的值(如果合適而且需要，在實(shí)驗(yàn)次數(shù)之間插入)并將通常依賴于[電解質(zhì)]—即，PDP不一定隨[電解質(zhì)]增加而線性增加。然而，使用線性近似來描述PDP隨著應(yīng)力水平的變化(即[電解質(zhì)])而變化是很方便的，在該情況下“斜率”可用每個t值的Δ(PDP)/Δ[電解質(zhì)]近似。當(dāng)然，假定(PDP)/t|[電解質(zhì)]的斜率為正，該斜率通常隨著時間t的增加而增加。例如，在施加了氯化鈣應(yīng)力的牛奶批次0612的情況下(表II)，與[CaCl2]＝0.005有關(guān)的Δ(PDP)/Δ[電解質(zhì)]斜率可通過可獲得的數(shù)據(jù)來計(jì)算并隨時間增加40(80分鐘)、19(160分鐘)、23(240分鐘)和55(660分鐘)。與[CaCl2]＝0.01M有關(guān)的斜率相應(yīng)計(jì)算值為44(80分鐘)、43(160分鐘)、42(240分鐘)和64(660分鐘)。
如第一實(shí)施例相同，與在第二實(shí)施例中使用的吸附電解質(zhì)應(yīng)力相關(guān)的部分導(dǎo)出的計(jì)算值—即(PDP)/t|[電解質(zhì)]和(PDP)/[電解質(zhì)]|t—可在26處用于建立感興趣的分散相的優(yōu)值。如果定量的(PDP)/t|[電解質(zhì)]用于定義FM，很明顯，對于給定應(yīng)力水平[電解質(zhì)]，穩(wěn)定的分散相將產(chǎn)生相對較小的這種參數(shù)值，而劣質(zhì)分散相將產(chǎn)生相對較大的值。替代地，對于給定的經(jīng)歷時間t值，F(xiàn)M可采用(PDP)/[電解質(zhì)]|t的計(jì)算值來定義。使用這些派生量中的哪一個，是單獨(dú)使用還是彼此結(jié)合(通過合適的算法)使用，這都取決于研究的分散相和采用的電解質(zhì)應(yīng)力因子的類型(以及濃度范圍)。在將氯化鈣應(yīng)力施加到上面討論的牛奶樣品中的情況下，在[CaCl2]＝0.005M時樣品“0608”的PDP(圖10)幾乎不隨時間而發(fā)生變化，但在[CaCl2]＝0.01M時顯示了適度的線性增加。被鑒定為次品的樣品“0612”的PDP(圖11和13)，在[CaCl2]＝0.005M時已經(jīng)顯示了隨時間變化的少量增加，并在[CaCl2]＝0.01M時顯示了隨時間變化的大的非線性和快速增加。最終，最年輕最穩(wěn)定的樣品“0615”的PDP(圖12)，在[CaCl2]＝0.005M時顯示如樣品“0608”一樣，隨經(jīng)歷時間基本上不發(fā)生變化。然而，甚至是在[CaCl2]＝0.01M時，PDP僅顯示了隨時間的較小變化(即，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于樣品“0608”所觀察到的變化)。顯然，使用吸附Ca++作為三個批次牛奶的應(yīng)力因子，允許它們被有效并明確地“分級”。最年輕的樣品“0615”是最穩(wěn)定的(毋庸置疑，考慮到它的ED)；然而，最老的樣品“0608”是第二最穩(wěn)定的，而中間年齡的樣品“0612”顯示為穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于樣品“0608”(這一點(diǎn)令人驚異，考慮到它們的ED)。
一方面，假定為實(shí)現(xiàn)第二實(shí)施例而選擇的電解質(zhì)不產(chǎn)生太強(qiáng)的能夠被帶電粒子/液滴表面所吸附的離子。另外，加入的電解質(zhì)濃度范圍可能太小，導(dǎo)致粒子上的凈電荷不能從非常小(處于最低[電解質(zhì)])更改為最大(處于最大[電解質(zhì)])。這種分散相響應(yīng)于加入的應(yīng)力因子的壓縮可使其難以達(dá)到PDP對電解質(zhì)濃度變化、經(jīng)歷時間或者二者都包括的線性響應(yīng)。
本發(fā)明的第三并且最后的實(shí)施例與第二實(shí)施例相似，并且被圖示概述于圖21中。與第二實(shí)施例相似，它也利用加入的電解質(zhì)(然而，現(xiàn)在僅僅指的是“鹽”)為初始樣品施加應(yīng)力。唯一的不同在于，在采用鹽的情況下(標(biāo)記為應(yīng)力因子“C”)，所述鹽被假定為是一種剛一離解就產(chǎn)生幾乎不能被包括分散液的分散相的帶電粒子或液滴吸附的帶電離子類型。而是，離解的鹽離子保留于分散相的連續(xù)相中，能在其中自由擴(kuò)散。因此，在本實(shí)施例中，保留在粒子或液滴上的平均電荷量基本沒有被加入到初始樣品等份中的不同量的這種鹽所改變。因此，加入鹽減小分散相的穩(wěn)定性(即，促進(jìn)團(tuán)聚作用)的方式與在第一和第二實(shí)施例中達(dá)到的方式不同，在后兩者實(shí)施例中，通過降低粒子表面保留的凈電荷，使粒子間排斥力減弱。而是，在該情況下粒子間排斥力通過將可移動的離子加入到連續(xù)相中而減小。這些離子按照熱力學(xué)平衡，以將它們作為“屏蔽”或者部分中和每個帶電粒子發(fā)出的靜電場的方式而進(jìn)行分布。作為這些加入的屏蔽離子的結(jié)果，粒子間排斥勢能VR(x)隨著相鄰粒子之間的距離x的增加很快衰減。(見圖1-3)。也就是說，表征電雙層厚度的Debye-Hückel屏蔽長度的倒數(shù)K-1減小。這種排斥靜電場屏蔽增加的凈結(jié)果是粒子間勢壘高度VMAX降低，該粒子間勢壘高度VMAX用于對分散相去穩(wěn)定。
同樣，在實(shí)施第三實(shí)施例時必須作出兩種選擇。第一，必須選擇合適的鹽—即，這種鹽在離解后，能夠提供保留于研究的分散相的水相中的離子，很大程度上不能吸附到帶有相反電荷的粒子/液滴的表面上。(離解的鹽離子對減小與每個帶電粒子有關(guān)的電雙層厚度的有效性同樣高度依賴于離子的化合價(jià)，如Debye-Hückel理論所教導(dǎo)的那樣。)在對上面討論的植物油乳化液(加上混合的離子種類)執(zhí)行應(yīng)力測試的情況下，氯化鈉被證明是用于添加的鹽的一種很好選擇。第二種選擇涉及加入的鹽的合適濃度范圍。同樣，可使用DLVO理論來進(jìn)行估計(jì)。然而，典型地合適的濃度范圍可通過感興趣的分散相的應(yīng)力測試，由試差法來確定。
如在圖21中所示，在第三實(shí)施例中也利用與第一與第二實(shí)施例中使用的相同步驟。提供對照批次300以及N種另外的批次301、302、....30N。唯一的不同在于，在311、312、....31N處施加到初始樣品的N個不同等份的應(yīng)力因子的特性。在t＝0(標(biāo)稱的“開始”)時將所選鹽的不同量的原液(即，具有給定濃度)加入到初始樣品的每個等份中，從而在每個樣品等份中建立不同需要的屏蔽離子濃度。加入鹽的最終濃度被稱作[鹽]1、[鹽]2、...[鹽]N。在將應(yīng)力因子應(yīng)用到N個樣品等份中之后(對照樣品中沒有加入鹽)，包括每個應(yīng)力測試循環(huán)的一系列過程與上述前兩個實(shí)施例中相同。它們是(對于每個樣品等份，包括對照)1)使用合適的粒子尺寸分析技術(shù)，優(yōu)選SPOS-LE，在32步驟處測量PSD(d≥d0)；2)在33步驟處計(jì)算PDP(通常也為d≥d0)；3)任選地，在下一PSD測量和PDP計(jì)算循環(huán)之前，允許在34步驟時經(jīng)歷時間Δt(典型地，但不一定，基本上對每一等份都相同)。
與前兩個實(shí)施例中相同，對于N種不同水平的施加應(yīng)力(即加入的各種濃度的鹽[鹽]I)和各種經(jīng)歷時間獲得的一系列PDP值，在35步驟處產(chǎn)生描述分散相對施加的應(yīng)力因子靈敏度的計(jì)算的量增加。也就是說，這些量可用于評估感興趣的分散相或乳化液的穩(wěn)定性。這些量中的第一個是對于加入鹽的給定濃度[鹽]，PDP隨經(jīng)歷時間t的變化率，記為(PDP)/t|[鹽]。對每個施加的鹽應(yīng)力水平[鹽]I即，[鹽]1、[鹽]2...[鹽]N分別計(jì)算出該偏導(dǎo)數(shù)值。對于上面討論的植物油乳化液，由為每個[NaCl]值的PDP與t數(shù)據(jù)的線性回歸分析獲得的這種“斜率”值顯示于表III中。從某些[NaCl]值的PDP與t圖中觀察，存在適當(dāng)量的曲率值(圖17)。在這種情況下，(PDP)/t值不僅依賴于[NaCl]值(即隨著后者的增加而增加)，而且還適當(dāng)程度地依賴于t值。在任何情況下，對于所有采用的[NaCl]值，PDP與t的彎曲度小到足以允許線性近似，以允許斜率(Δ(PDP)/Δt)可用每個[NaCl]值的單個值來表征。如在表III中所示，當(dāng)[NaCl]從0.1M增加到0.15M再到0.2M時，斜率值逐漸增加，分別從0.00085增加到0.00152再到0.00195。(對照樣品的斜率為0.000098，可以忽略。)還有可從一系列PDP值導(dǎo)出的另外一種定量—對于給定的經(jīng)歷時間值，每單位[鹽]增加的PDP增加，(PDP)/[鹽]|t。為每個經(jīng)歷時間的值(如果需要，在實(shí)驗(yàn)次數(shù)之間插入)計(jì)算該量的值。在給定t值下的(PDP)/[鹽]值將通常依賴于[鹽]—即，PDP不一定隨[鹽]增加而線性增加。然而，使用線性近似來描述隨著應(yīng)力水平(即[鹽])的變化而變化的PDP是很方便的，在該情況下“斜率”可用每個t值的Δ(PDP)/Δ[鹽]來近似。當(dāng)然，假定(PDP)/t|[鹽]的斜率為正，該斜率通常隨著時間t的增加而增加。例如，在施加了氯化鈉應(yīng)力的上面討論的植物油乳化液(加上混合的離子種類)的情況下，與[NaCl]＝0.1M有關(guān)的斜率Δ(PDP)/Δ[鹽]可通過表III中提供的數(shù)據(jù)計(jì)算并且隨時間而增加，如下0.55(60分鐘)、0.97(120分鐘)、1.63(180分鐘)和2.30(240分鐘)。與[NaCl]＝0.15M有關(guān)的相應(yīng)斜率計(jì)算值為0.49(60分鐘)、1.16(120分鐘)、1.92(180分鐘)和2.59(240分鐘)。最后，與[NaCl]＝0.2M有關(guān)的斜率值為0.85(60分鐘)、1.30(120分鐘)、2.33(180分鐘)和2.81(240分鐘)。因此，對于該乳化液，對于所有經(jīng)歷時間值，Δ(PDP)/Δ[NaCl]都隨[NaCl]的增加而增加。
如前面的實(shí)施例，與在第三實(shí)施例中使用的鹽屏蔽應(yīng)力相關(guān)的偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算值—即(PDP)/t|[鹽]和(PDP)/[鹽]|t—可在36步驟處用于建立感興趣的分散相的優(yōu)值。如果量(PDP)/t|[鹽]用于定義FM，很明顯，對于給定應(yīng)力水平[鹽]，穩(wěn)定的分散相將產(chǎn)生相對較小的這種參數(shù)值，而劣質(zhì)分散相將產(chǎn)生相對較大的值。替代地，對于給定的經(jīng)歷時間t值，F(xiàn)M可使用(PDP)/[鹽]|t的計(jì)算值來定義。使用這些派生量中的哪些派生量，是單獨(dú)使用還是彼此組合使用(通過合適的算法)，這些都取決于研究的分散相和采用的鹽應(yīng)力因子的類型(以及濃度范圍)。在將氯化鈉應(yīng)力施加到植物油乳化液(加上去穩(wěn)定的離子種類混合物)的情況下，如早先討論的，對于所有三種施加的應(yīng)力因子水平[NaCl]＝0.05M、0.10M和0.15M，發(fā)現(xiàn)PDP隨時間略微非線性增加(圖17)。在全部三種情況下，由于加入了氯化鈉，乳化液向著明顯不穩(wěn)定(即明顯的液滴聚結(jié))的演變顯著加快。應(yīng)力水平[NaCl]越大，液滴聚結(jié)的絕對程度或者PDP值就越大，并且PDP隨時間的變化率或者(PDP)/t就越高。
使用例如一個或多個上述實(shí)施例，用于分散相樣品加快應(yīng)力測試的一種或多種方法的實(shí)施，通常需要使用專門儀器。一種適于實(shí)現(xiàn)圖19-21中顯示的三種實(shí)施例中任一個實(shí)施例的典型裝置的簡化框圖顯示于圖22中。一個計(jì)算機(jī)控制的自動取樣裝置38方便地允許對感興趣的樣品分散相(具有適當(dāng)?shù)念A(yù)定濃度)的多個批次進(jìn)行應(yīng)力測試。自動取樣裝置38圖解顯示為包括一個控制的支撐元件39，如所示的可上下及側(cè)向移動，以便于它能移動管道56和66，所述管道將在下面解釋，其選擇性地將樣品分散相或乳化液以及應(yīng)力因子供應(yīng)到測試容器40、41、42和43中；以及移動管道72，用于將樣品和應(yīng)力因子的混合物從測試容器中選擇性地抽出。在圖22顯示的例子中，有容納于適當(dāng)體積的容器40、41、42和43中的四個不同批次的樣品分散相。將三個批次(指定為#1、#2和#3)暴露于特別選擇的應(yīng)力因子(即酸或堿、吸附電解質(zhì)或者屏蔽鹽)，并且每個批次被指定為接收不同的應(yīng)力水平(即分別為ΔpH或者[電解質(zhì)]或者[鹽]濃度)。另外一批沒有施加應(yīng)力因子的樣品(指定為#0)作為對照樣品，如前所述。
兩種獨(dú)立的液體子系統(tǒng)顯示于圖22中。第一液體子系統(tǒng)50(右上角)采用液體計(jì)量裝置52(例如，注射泵)來通過管道56將預(yù)定體積的適當(dāng)濃度的初始樣品分散相從保持容器54遞送到位于自動取樣裝置的適當(dāng)樣品批次容器40、41、42或43。這種液體計(jì)量裝置典型地由控制自動取樣裝置和包括圖22中圖解顯示的測試裝置的其它子系統(tǒng)的同一計(jì)算機(jī)控制器/處理器子系統(tǒng)100來控制。第二液體子系統(tǒng)60(左上角)采用獨(dú)立的液體計(jì)量裝置62(例如，另一注射泵)，以通過管道66從容器64中遞送包括所選應(yīng)力因子的預(yù)定體積的液體。如前所討論的，所述液體可以是具有特定摩爾濃度和pH(或者具有特定組成和pH的特定緩沖液)的相對濃縮的酸或者堿，或者是相對濃縮的電解質(zhì)或鹽，或者是它們的組合。圖22中顯示的每種液體計(jì)量裝置由同樣用于控制并與包括應(yīng)力測試裝置的其它子系統(tǒng)通信的同一計(jì)算機(jī)控制器/處理器子系統(tǒng)100控制。典型地，期望的初始樣品分散相液體的體積首先被分配到包含在自動取樣裝置中的每一個樣品批次容器中。然后期望的(典型地，體積非常小)“應(yīng)力因子”液體的體積分配到每個樣品批次容器中(即圖22中的#1、#2和#3)。加入到每個容器中的應(yīng)力因子液體的體積是不同的，由特定樣品批次所需要的最終pH或者電解質(zhì)/鹽濃度(即，應(yīng)力水平)確定。攪拌裝置(未顯示)，諸如機(jī)械攪拌葉片，或者優(yōu)選磁激勵攪拌棒在分配期間用于實(shí)現(xiàn)每個容器中初始樣品分散相液體和加入的應(yīng)力因子液體的充分混合，從而確保在每個容器中都是均勻懸浮液。當(dāng)將應(yīng)力因子液體分配到該批次時，建立每個樣品批次的加快應(yīng)力測試的標(biāo)定開始時間(即t＝0)，并且該時間被系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制器/處理器100所記錄。
在經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)定時間Δt之后(圖19-21)，將預(yù)定量的施加了應(yīng)力的樣品分散相液體從期望的樣品批次容器中移出，并通過用于獲得PSD(d＞d0)的粒子尺寸分析儀子系統(tǒng)80來抽取，如前所述。粒子尺寸分析儀80是單粒子光學(xué)傳感器(SPOS)，并且包括一個激光二極管82，其通過光束成形光學(xué)元件84和光流路池(optical flow cell)86將光束83投射到光檢測器88上。粒子尺寸分析儀80優(yōu)選地根據(jù)消光(LE)原理操作，盡管如上面所解釋的，對于某些應(yīng)用可采用光散射(LS)型或者使用LE+LS組合型傳感器設(shè)計(jì)。在任何情況下，分析儀提供粒子尺寸分布(PSD)。通常定位于粒子尺寸分析儀80“下游”一側(cè)的合適的泵裝置70(例如第三注射泵)用于將期望的施加了應(yīng)力的樣品分散相液體通過管道72從樣品批次容器移到排放處74。這些待分析的施加了應(yīng)力的分散相以規(guī)定流速通過光流路池86抽取。流經(jīng)該光流路池的液體總體積由樣品批次容器中最初得到的體積(以及離散分析的預(yù)期總數(shù)，通過測試的總經(jīng)歷時間分離)和最終PSD所期望的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性來確定。通過SPOS型粒子尺寸分析儀80的適當(dāng)尺寸(即d＞d0)的粒子產(chǎn)生的信號在信號調(diào)節(jié)裝置90的適當(dāng)調(diào)節(jié)后，使用計(jì)算機(jī)控制器/處理器100中的適當(dāng)電路進(jìn)行分析(典型地，但不一定與用于控制其它子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相同)。結(jié)果，得出PSD，該P(yáng)SD揭示了關(guān)于粒子團(tuán)聚作用狀態(tài)的信息(例如，那些包括PSD的大粒子“尾部”)。
在初次將應(yīng)力因子分配到每個樣品批次容器中之后，同樣使每個施加了應(yīng)力的樣品批次的預(yù)定量加上(任選)未施加應(yīng)力的樣品批次，以預(yù)定時間間隔一次一個通過粒子尺寸分析儀子系統(tǒng)80。通過對每個批次采用不同的粒子尺寸分析儀子系統(tǒng)80，預(yù)定量的每個樣品批次可通過相應(yīng)的粒子尺寸分析儀子系統(tǒng)同時并行提供。結(jié)果，在每個批次的每個經(jīng)歷時間值t得到每個施加了應(yīng)力的樣品批次的PSD。通過每個PSD，可通過系統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)一步計(jì)算出PDP值(即，對于d＞d0)，并對最終計(jì)算的PDP值進(jìn)行適當(dāng)校正，以反映加入的應(yīng)力因子液體的不同體積。從而，對于每個施加了應(yīng)力的樣品批次獲得的一系列PDP與t結(jié)果構(gòu)成了感興趣的樣品分散相的加快應(yīng)力測試的“原始數(shù)據(jù)”，如較早描述的。通過這一系列的PDP值，使用計(jì)算機(jī)來獲得其它感興趣的衍生量，用于表征分散相的穩(wěn)定性和/或質(zhì)量，如上所述。對于任何給定的經(jīng)歷時間值t，所述這一系列的PDP值包括PDP自身，以及與PDP相關(guān)的量，包括但不限于偏導(dǎo)數(shù)(PDP)/t|[應(yīng)力水平]和(PDP)/[應(yīng)力水平]|t，如與本方法的三個實(shí)施例相關(guān)的較早討論。
盡管自動取樣儀38圖解顯示了來自泵52的管道56以及來自泵62的管道66可將分配的初始樣品或者應(yīng)力因子轉(zhuǎn)移到所選容器40、41、42或43中，并且管道72通過泵70從所選容器40、41、42或43中移出排出液，但應(yīng)當(dāng)理解的是，如需要的那樣，其它裝置例如計(jì)算機(jī)控制的閥系統(tǒng)可用于管理液體的移動。
如較早討論的，使用本發(fā)明的方法可能對感興趣的分散相進(jìn)行加快的應(yīng)力測試，而不用借助SPOS技術(shù)的使用。相反，其它粒子尺寸分析的技術(shù)也可用于獲得施加了應(yīng)力的樣品批次的PSD，或者表征所述PSD。因此，代替在圖22中顯示的SPOS型粒子尺寸分析儀子系統(tǒng)80，人們可以其它類型的粒子尺寸檢測器來代替。一些可采用的可能有用的技術(shù)包括上面所提到的那些電阻孔、動力學(xué)光散射、激光衍射(即，Mie散射和/或Fraunhofer衍射)、超聲衰減、以及其它技術(shù)。然而，還應(yīng)理解，在相關(guān)裝置中不采用粒子尺寸分析儀本身，也可能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明教導(dǎo)的加快應(yīng)力測試方法。前面提到的例子包括濁度(即，光通過樣品分散相部分的給定路徑長度的衰減)和光散射技術(shù)。在每種情況下，在給定經(jīng)歷時間間隔t，對于給定施加了應(yīng)力的樣品分散相可產(chǎn)生單一數(shù)字量或值(這里稱作“X”)。這些替代的測量技術(shù)中的任何一個都沒有產(chǎn)生PSD。因此，對每種樣品和經(jīng)歷時間間隔也沒得到PDP值。相反，將只能得到初步測量的量“X”，例如，所述“X”等于從施加了應(yīng)力的樣品分散相中得出的濁度或光散射強(qiáng)度。
對于這兩種用于表征樣品穩(wěn)定性的可替換技術(shù)中的任一種，假定儀器設(shè)計(jì)恰當(dāng)，由于對分散相施加了應(yīng)力，X值將隨著粒子團(tuán)聚作用的程度而單調(diào)增加。對于給定的施加的應(yīng)力水平，經(jīng)歷時間越長，通常測得的X值將越大。同樣地，對于給定的經(jīng)歷時間長度，施加的應(yīng)力水平越大，通常X值也越大。因此，在基于使用粒子尺寸分析儀的裝置的情況下，還存在從測得的量X導(dǎo)出的量，其可用于表征所測試分散相的穩(wěn)定性或者質(zhì)量。這些導(dǎo)出的量包括但不限于，X/t|[應(yīng)力水平]和X/[應(yīng)力水平]|t?？捎糜趯?shí)現(xiàn)本發(fā)明的將這些替代技術(shù)用于粒子尺寸分析，但不產(chǎn)生PSD或PDP值的方法的裝置圖解地顯示于圖23中。
圖22的粒子尺寸分析儀80被傳感器180所取代，其包括將光束184通過流路池186投射的光源182。然后光束導(dǎo)向用作濁度檢測器的光傳感器188。當(dāng)光束穿過流路池186時，樣品分散相中的粒子團(tuán)聚作用的增加導(dǎo)致光束強(qiáng)度的降低。因此，被濁度檢測器188檢測到的信號VX的減弱指示了粒子團(tuán)聚作用增加，表明分散相樣品的質(zhì)量較差。信號VX從濁度檢測器188通過圖示的開關(guān)189供給到信號調(diào)節(jié)器190，再到計(jì)算機(jī)控制器/處理器100，以產(chǎn)生從信號VX得到的質(zhì)量X。
可替換的實(shí)施方案是，光散射檢測器192接收流路池186中的粒子散射的光。粒子團(tuán)聚作用的增加導(dǎo)致導(dǎo)向光傳感器192的散射光增加，使得在檢測器192中產(chǎn)生的信號VX的增強(qiáng)，表明了團(tuán)聚作用增加以及樣品分散相的質(zhì)量較差。信號VX通過開關(guān)189供給到信號調(diào)節(jié)器190和計(jì)算機(jī)控制器/處理器100，以提供從信號VX得出的質(zhì)量X。圖23中的這種可替換裝置的操作順序與上面概括的圖22中的優(yōu)選裝置(基于SPOS)的描述基本上相同。相同的參考數(shù)字表示相同部件。
通過這些實(shí)施例的描述，很顯然，研究的某些分散相的穩(wěn)定性可以是“多維的”—即，它可以參看一種以上的物理機(jī)制。在這些情況下，這些分散相的最有效應(yīng)力測試可能需要同時應(yīng)用一種以上類型的應(yīng)力因子一即，通過使用多維的應(yīng)力因子。事實(shí)上，人們可同時將上述兩種甚至所有三種實(shí)施例組合起來。例如，由于粒子帶有的電荷相對較高，并且粒子間的移動離子相對較少，給定分散相可能是穩(wěn)定的。在這種情況下，系統(tǒng)地對其施加應(yīng)力的最有效方式可能是加入特定的電解質(zhì)(以一種或多種濃度)，使粒子上的電荷和靜電排斥能VR都減小，這兩種動作都導(dǎo)致能量勢壘高度VMAX的降低。通常，多維應(yīng)力因子可通過組合在這里描述的實(shí)施例(應(yīng)用于各種組合和濃度/強(qiáng)度)中單獨(dú)使用的兩種或多種應(yīng)力因子來專門設(shè)計(jì)。再次地，這些設(shè)計(jì)包括加入酸(或堿)；加入吸附電解質(zhì)以及加入非吸附的鹽。
在該討論結(jié)束時，回顧本發(fā)明的關(guān)鍵構(gòu)思和突出特點(diǎn)是很有用的。設(shè)計(jì)了將特定應(yīng)力因子應(yīng)用到給定懸浮液或乳化液，以加快產(chǎn)品中固有的去穩(wěn)定過程，以揭示在最終制劑中最終出現(xiàn)的缺陷。本發(fā)明建議使用替代度量—即一種或多種應(yīng)力因子—以預(yù)測分散相的穩(wěn)定性，并最終預(yù)測貫穿其指定保質(zhì)期或使用壽命的分散相的性能。應(yīng)力因子是分散相的粒子間勢壘高度VMAX的近似表示，從而提供了關(guān)于最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性和質(zhì)量的預(yù)報(bào)信息。應(yīng)力因子的主要目的在于，定量鑒別對電荷穩(wěn)定的分散相中由VMAX的幅值支配的現(xiàn)有粒子間穩(wěn)定性干擾的凈效果。大體上，通過使用高靈敏度的粒子尺寸分析技術(shù)，與系統(tǒng)施加一種或多種應(yīng)力因子結(jié)合，通過系統(tǒng)地滴定VMAX，在本發(fā)明中概述的方法允許校準(zhǔn)潛在的分散相穩(wěn)定性的退化。上面詳細(xì)解釋了將精巧的靈敏的粒子尺寸分析能力(LE-SPOS)與將一種或多種應(yīng)力因子應(yīng)用到兩種不同的水包油型乳化液/分散相的方法的結(jié)合。這些新方法利用相關(guān)結(jié)果變量“PDP”，該變量提供了VMAX的替代度量。應(yīng)力因子對PDP隨時間變化(PDP與t)的定量影響(累計(jì)的以及差分的)的解釋是獨(dú)一無二的，并構(gòu)成了本發(fā)明新穎性的核心。
通過相對于本發(fā)明教導(dǎo)的定量檢測VMAX相應(yīng)變化(即，減小)的方法能力的三種基本觀點(diǎn)，這種方法是特別重要的。第一，它最小化，或者一起避免了初始制劑的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)中潛在的明顯改變(即，相圖的變化)，這將另外由施加了過量水平的各種應(yīng)力因子產(chǎn)生。此外，可能產(chǎn)生具有不同物理特征的明顯不同的分散相或乳化液，并且因此可以預(yù)期施加了這樣的過量應(yīng)力因子誘導(dǎo)后其性能與初始分散相的性能不同。第二，現(xiàn)在可對另外可以忍受常規(guī)甚至最適量應(yīng)力的某些非常不穩(wěn)定的分散相的穩(wěn)定性進(jìn)行評估。例如，在一些情況下，根據(jù)包括分散相的成分的特性，由非常小的應(yīng)力誘導(dǎo)的干擾確定的兩種制劑之間的穩(wěn)定性差別將需要準(zhǔn)確的測量，以基于VMAX固有的臨界差，來區(qū)分兩種水平之間的穩(wěn)定性。第三，應(yīng)力因子響應(yīng)的這種“微調(diào)”將極大地增強(qiáng)用于評估感興趣分散相的綜合性能方法的綜合預(yù)報(bào)能力。
上面的描述教導(dǎo)了通過將一種或多種應(yīng)力因子施加到同一初始分散相的多個批次來評估給定分散相的穩(wěn)定性的方法，其中在開始時(即，標(biāo)稱的t＝0)對每個批次加入不同的應(yīng)力水平或強(qiáng)度。這種方法建立了一種“平行處理”的形式，其中當(dāng)有應(yīng)力水平存在時，使用許多樣品批次來測量不同應(yīng)力水平的影響。當(dāng)通過加快的應(yīng)力測試來研究相對較新的分散相(即，沒有很好表征關(guān)于其穩(wěn)定性和/或質(zhì)量的分散相)時，這種“粗略近似”方法特別合適。這種方法在建立感興趣的分散相的最佳應(yīng)力“輪廓”(即對于給定應(yīng)力因子建立有效應(yīng)力水平范圍)是有效的。這種有用的第一步驟典型地在感興趣分散相的生產(chǎn)程序開始之前的研發(fā)階段被應(yīng)用。
然而，一旦對感興趣的分散相建立了最佳應(yīng)力輪廓，很顯然，應(yīng)用本發(fā)明的方法可與使用不同的“串行處理”方法具有等同的效果。也就是說，可對初始樣品的單個批次反復(fù)(即周期的)施加水平逐漸增加的應(yīng)力，以達(dá)到加快的不穩(wěn)定的開始。在開始—即t＝0時，可將給定應(yīng)力水平的給定應(yīng)力因子施加到單個樣品批次中。在計(jì)算PDP后，經(jīng)過規(guī)定的適當(dāng)經(jīng)歷時間，然后使用相同的應(yīng)力因子，以更高水平進(jìn)一步施加應(yīng)力到同一樣品批次中。該過程可周期性地重復(fù)，每次都對PDP進(jìn)行確定。得到的PDP與t圖可預(yù)期由單調(diào)增加(“向上凹入”)的曲線組成，其中曲線的詳細(xì)性能—即，(PDP)/t與t—揭示了感興趣分散相的潛在穩(wěn)定性。對于給定系列的增加的施加應(yīng)力水平，初始(未施加應(yīng)力)分散相越穩(wěn)定，產(chǎn)生的PDP與t圖越“扁平”(曲率較低)。將產(chǎn)生的曲線與為先前已知樣品得到的參考或者基準(zhǔn)標(biāo)記曲線相比，可接受的穩(wěn)定性將允許對產(chǎn)品批次的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測并驗(yàn)證。因此，本發(fā)明的常規(guī)商業(yè)或私人使用通?？蓪⑵鋺?yīng)用作為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量保證/質(zhì)量控制(QA/QC)程序的一部分，得出可進(jìn)一步成為隨時間變化而精煉的進(jìn)化的數(shù)據(jù)庫，成為給定分散相的標(biāo)準(zhǔn)操作過程的一部分。
本發(fā)明的新方法基于假定給定分散相(即給定尺寸范圍，d≥d0，通過SPOS或者其它足夠靈敏的技術(shù)測量的粒子團(tuán)聚作用變化)對給定應(yīng)力因子應(yīng)用的響應(yīng)是應(yīng)力水平的幅值、經(jīng)歷時間和分散相潛在穩(wěn)定性的靈敏的以及可復(fù)制的函數(shù)。因此，不依賴于膠體穩(wěn)定性的理論模型(例如基于DLVO理論)，給定類型的分散相或乳化液的相對穩(wěn)定性可通過在施加一種或多種水平(即幅值)的應(yīng)力時PDP與t(在施加應(yīng)力之后的經(jīng)歷時間)的性能來判斷。通過將比使用本發(fā)明的方法評估的特定樣品更穩(wěn)定或者更不穩(wěn)定(即分別為更高或更低的質(zhì)量)的分散相的假設(shè)和實(shí)際PDP與t圖進(jìn)行比較，這種概念可更容易理解。
圖24A包含兩個系列的PDP與t，pH圖。一個系列圖(實(shí)曲線)代表了從系統(tǒng)獲得的實(shí)際響應(yīng)—即，較早討論的植物油乳化液加上去穩(wěn)定混合的離子種類(在t＝0時加入)。另一個系列圖(虛曲線)顯示了“假設(shè)”響應(yīng)，該“假設(shè)”響應(yīng)得自相似但更穩(wěn)定的乳化液。實(shí)曲線(以及相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn))與圖18中顯示的結(jié)果相同，代表了含有帶負(fù)電荷的液滴的乳化液對“酸應(yīng)力”的響應(yīng)。連續(xù)降低pH，從6.56(對照，空心圓點(diǎn))到5.65(封閉圓點(diǎn))、5.13(封閉方塊)和4.46(封閉三角)，導(dǎo)致液滴聚結(jié)中時間相關(guān)變化的增加，顯示于圖18和24A中。虛曲線代表了可能得自相同樣品的假設(shè)響應(yīng)，假定其為比實(shí)曲線代表的乳化液略微更穩(wěn)定。對于給定應(yīng)力水平(即較低的pH值)，人們?nèi)杂^察到PDP隨經(jīng)歷時間而增加。然而，假定(假設(shè))在施加應(yīng)力之前假設(shè)的樣品更為穩(wěn)定，響應(yīng)的幅值(即，液滴聚結(jié)的程度)低于任何給定t值。出于前面討論的原因，在任何給定t值時，得自實(shí)際和假設(shè)樣品的PDP值之差可預(yù)期隨著應(yīng)力水平的增加而增加。
圖24B顯示了實(shí)際和假設(shè)PDP與t，pH結(jié)果的相似比較，假定假設(shè)乳化液(虛曲線)甚至比圖24A中代表的更穩(wěn)定。在這種情況下，與得自實(shí)際測量的乳化液的圖(實(shí)曲線)相比，得自這種第二種假定更穩(wěn)定假設(shè)樣品的假設(shè)PDP與t圖中甚至有更大的“抑制”。類似地，圖25A和25B顯示了同種乳化液的實(shí)際和假設(shè)PDP與t，pH圖的比較，其中與實(shí)際樣品測試(實(shí)曲線，在所有圖中都相同)相比，兩種假設(shè)樣品(虛曲線)為略微更不穩(wěn)定和相當(dāng)更不穩(wěn)定。
作為關(guān)于本發(fā)明使用的上述概念的擴(kuò)展，以實(shí)驗(yàn)乳化液響應(yīng)于某些應(yīng)力因子的方式觀察的差別值得到進(jìn)一步評論。對植物油乳化液的研究再次作為解釋應(yīng)用本發(fā)明方法的一種方式，因?yàn)橛性S多極大地影響主要因變量“PDP”的獨(dú)立因子，例如時間、應(yīng)力因子和應(yīng)力水平。具體地，時間相關(guān)的應(yīng)力因子對PDP影響的一種解釋性的例子是有幫助的。為了驗(yàn)證，圖16顯示了經(jīng)過28小時植物油乳化液的PDP與t性能，其通過施加低濃度的混合離子種類而被向著不穩(wěn)定“推動”。不穩(wěn)定的明顯證據(jù)直到經(jīng)過大約24小時后才顯現(xiàn)出來。為了實(shí)現(xiàn)該結(jié)果，在更短的經(jīng)歷時間加快不穩(wěn)定(即PDP的明顯增加)，采用兩種不同的應(yīng)力因子對相同的乳化液進(jìn)行系統(tǒng)的誘導(dǎo)。因此，使用設(shè)計(jì)為僅僅在1/4正常需要時間內(nèi)(即僅僅(大約)240分鐘或更短的時間內(nèi))引起明顯可測量的不穩(wěn)定影響的各種水平或者“強(qiáng)度”的兩種不同應(yīng)力因子進(jìn)行了研究。
例如，對植物油乳化液(加上去穩(wěn)定的混合離子種類)施加酸應(yīng)力(即降低pH)，結(jié)果顯示于圖18和表IV中。對于每個施加的應(yīng)力水平或者pH值，發(fā)現(xiàn)測量的乳化液的響應(yīng)PDP隨經(jīng)歷時間t近似地線性增加。當(dāng)pH降低時，觀察到PDP隨時間變化而逐漸增加正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r從pH＝5.65(ΔpH＝-0.91)時的0.972增加到pH＝4.46(ΔpH＝-2.1)時的0.996。這些較高的值符合測量PDP值和施加pH應(yīng)力之后經(jīng)歷時間之間存在的強(qiáng)相關(guān)。
這些發(fā)現(xiàn)與濃度相關(guān)的、將氫離子(H+)專門吸附于液滴表面相一致，引起粒子間排斥勢能VR以及產(chǎn)生的能量勢壘高度VMAX的逐漸減小，導(dǎo)致聚結(jié)的加快。顯然，酸應(yīng)力的水平越高，增加的PDP值與不同經(jīng)歷時間的相關(guān)性就越好。為了給這種乳化液設(shè)計(jì)最有效的應(yīng)力測試，將保證進(jìn)行一系列另外的研究，其以產(chǎn)生最高r值的更小范圍的pH值為中心。在初步研究中(表IV)，在pH值為5.13和4.46時得到最高r值(0.99)。因此，下一系列試驗(yàn)可圍繞這些pH值設(shè)計(jì)。由于在pH＝5.13時，在時間t＝0時立即發(fā)生變化，pH增量的增加高于5.13，例如5.48和5.31，可建立閾值水平(低于所述閾值水平時在PDP中沒有誘導(dǎo)直接的變化)。類似地，pH增量的增加高于4.46，例如4.69和4.91，可用于顯示在pH從5.13降低到4.46時，在時間t＝0時的累進(jìn)效應(yīng)。這些和其它實(shí)驗(yàn)將用于優(yōu)化給定乳化液的應(yīng)力水平。因此，在不同實(shí)驗(yàn)條件下使用ΔPDP相關(guān)性的目的在于，區(qū)分能最好地表征給定乳化液或分散相穩(wěn)定性的有意義的應(yīng)力因子范圍和濃度。
最后，這些解釋集中于液體分散相，但必須強(qiáng)調(diào)，本發(fā)明教導(dǎo)的方法還可有用地用于真正的溶液。也就是說，某些應(yīng)力因子還可施加到溶液中，以誘導(dǎo)其中所含的活性或非活性成分的沉淀，最終導(dǎo)致在使用或施加的溶液中的相反變化。與缺乏這些特定物質(zhì)的產(chǎn)品相比，對于給定產(chǎn)品來講溶液中的粒子從基準(zhǔn)或歷史水平的表現(xiàn)或變化可暗示其低劣。因此，對于真正的溶液，沉淀將是劣等產(chǎn)品中可通過溫和的應(yīng)力干擾誘導(dǎo)的主要產(chǎn)物。再次地，可將對PSD(例如，與沉淀相關(guān)的粒子尺寸變化)的變化足夠靈敏的分析技術(shù)與將適當(dāng)?shù)膽?yīng)力因子/水平施加到感興趣溶液中結(jié)合。這種方法允許加快基于溶液的產(chǎn)品的應(yīng)力測試，從而允許劣質(zhì)產(chǎn)品從優(yōu)等品中區(qū)分開來。
根據(jù)單個被分析產(chǎn)品及其應(yīng)用的特性，以及作為可接受的穩(wěn)定性準(zhǔn)則的考慮，這里描述的加快應(yīng)力研究的終點(diǎn)預(yù)報(bào)是暫時的。例如，在產(chǎn)品非常昂貴(即有價(jià)值的)的情況下，基于加快的應(yīng)力測試，接受或拒絕生產(chǎn)批次的決定具有很大的經(jīng)濟(jì)后果，本發(fā)明的應(yīng)用可基于將假陽性數(shù)量降到最低的高度特定的終點(diǎn)。也就是說，考慮到可能有更高的假陰性誤差，測試的專一性將盡可能接近100％。相反，在產(chǎn)品具有主要的健康后果的情況下，應(yīng)力因子施加到給定分散相或乳化液中的結(jié)果將基于高度靈敏的終點(diǎn)，其將假陰性數(shù)量降到最低。也就是說，考慮到必然存在的更高的假陽性誤差，測試的靈敏度將盡可能接近100％，因?yàn)樵摻Y(jié)果可能極為重要。顯然，靈敏性與專一性具有相反的關(guān)系—即，當(dāng)靈敏性增加時，專一性下降，并且反之亦然。與靈敏性和專一性相關(guān)的常用技術(shù)以接收機(jī)/運(yùn)行特征而公知。在其它情況下，應(yīng)用這些方法的成本或者后果并不是關(guān)鍵的，并且最終產(chǎn)品和測試都不需要這樣的精密規(guī)范，采用的測試類型之間的成本效果平衡，它們的靈敏度和專一性都能達(dá)到。顯然，生產(chǎn)商將在獨(dú)立的基礎(chǔ)上作出這種確定。只要可能，當(dāng)作出這些關(guān)鍵的決定時，對每種產(chǎn)品施加一種以上應(yīng)力因子和/或條件。最終，對于給定產(chǎn)品，隨時間累計(jì)的數(shù)據(jù)/經(jīng)驗(yàn)將確定本發(fā)明教導(dǎo)的方法的最佳應(yīng)用。
本發(fā)明意圖用于評估分散相和乳化液的質(zhì)量，其中通過選擇性的粒子尺寸分析得到的響應(yīng)在鑒別劣質(zhì)產(chǎn)品時(理想地，在它們使用或管理之前)是高度靈敏和/或?qū)Ｒ坏摹１景l(fā)明教導(dǎo)的過程描繪為“性能評估”方法，在包裝之前，在生產(chǎn)循環(huán)結(jié)束時使用，也可在商品配送之前，用于測試某一數(shù)量的最終包裝單元。盡管上面已經(jīng)根據(jù)加快的穩(wěn)定性測試對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但這種強(qiáng)調(diào)僅僅是說明性的，并不意味著以任何形式對其進(jìn)行限制。分散技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將確定本發(fā)明的其它合適的修改。例如，將本發(fā)明教導(dǎo)的方法用于優(yōu)化大規(guī)模商業(yè)分散相制造和加工過程的產(chǎn)品，以使最終批次的失敗和/或商業(yè)產(chǎn)品的損失降到最低是預(yù)期的。因此，這些方法還可在產(chǎn)品的生產(chǎn)期間應(yīng)用于預(yù)定義的“生產(chǎn)中”的產(chǎn)品。存在多種由這些研究產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可應(yīng)用于特定生產(chǎn)或商業(yè)運(yùn)作的方式。期望以提高制造的產(chǎn)品質(zhì)量的方式來實(shí)施本發(fā)明，例如建立某些產(chǎn)品規(guī)范來確定性能的“通過”或者“不通過”條件。這些可在產(chǎn)品的生產(chǎn)、配送和/或應(yīng)用的整個使用壽命周期內(nèi)的不同時間應(yīng)用。
在任何規(guī)模上的分散相或乳化液生產(chǎn)中的臨界“瞬間”可在關(guān)鍵處理間隙發(fā)生。這些瞬間經(jīng)常涉及不同的混合或應(yīng)用步驟；對混合物、分散相或乳化液的加工或最終使用以及對獨(dú)立的生產(chǎn)商而言，其物理化學(xué)條件是特定的。甚至是當(dāng)分散相由同一生產(chǎn)商在不同生產(chǎn)點(diǎn)生產(chǎn)時，臨界瞬間也可能不同。因此，本發(fā)明所教導(dǎo)方法的應(yīng)用將允許優(yōu)化制造產(chǎn)品的整個生產(chǎn)和使用壽命周期的許多方面。商業(yè)或?qū)ｉT制備的分散相或乳化液的工業(yè)或私人生產(chǎn)者可不僅提高其最終質(zhì)量或安全分布，還延長了指定給當(dāng)前可利用產(chǎn)品的存放期，進(jìn)一步降低了潛在的經(jīng)濟(jì)損失或浪費(fèi)。這里介紹的方法應(yīng)用還可改善產(chǎn)品對應(yīng)力的物理化學(xué)誤差，該應(yīng)力可能發(fā)生在運(yùn)輸、儲藏和由終端用戶暴露或施加的最終使用條件期間。這些包括在以任何水平處理產(chǎn)品直至使用期間可能發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)事件。最終，這里描述的方法以在許多情況下本質(zhì)上為私有的方式單獨(dú)應(yīng)用。例如，這些可基于(但不限于)下列常規(guī)條件分散相或乳化液的構(gòu)成；施加的應(yīng)力因子的類型；獲得期望的分散相或乳化液的方式(例如，機(jī)械攪拌、研磨、均質(zhì)化、聚合等)；混合順序；生產(chǎn)者的經(jīng)驗(yàn)；以及制造、運(yùn)輸和終端用戶環(huán)境的物理?xiàng)l件。因此，這里描述的方法和實(shí)施例可在研發(fā)和配送分散相和乳化液的各個階段，在常規(guī)生產(chǎn)出高質(zhì)量和安全的消費(fèi)品的努力中應(yīng)用。
盡管參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對其進(jìn)行了專門顯示和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠理解，其中可以對其進(jìn)行前述和其它形式和細(xì)節(jié)上的變化，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
表IPDP與t，pH的回歸分析，數(shù)據(jù)得自施加了酸應(yīng)力的奶脂(全脂奶)乳化液(圖5-7)
表IIPDP與t，[CaCl2]的回歸分析，數(shù)據(jù)得自施加了氯化鈣應(yīng)力的奶脂(全脂奶)乳化液(圖10-13)
表IIIPDP與t，[鹽]的回歸分析，數(shù)據(jù)得自施加了氯化鈉應(yīng)力的水包油型植物油乳化液(圖17)
表IVPDP與t，pH的回歸分析，數(shù)據(jù)得自施加了酸應(yīng)力的水包油型植物油乳化液(圖18)
權(quán)利要求
1.一種用于確定樣品穩(wěn)定性的方法，所述樣品包括懸浮于液體載體中的固體或液滴粒子的分散相，其中粒子間勢壘抑制了相鄰粒子彼此接近到足以允許由于強(qiáng)的短程吸引力作用而發(fā)生不可逆團(tuán)聚作用，所述方法包括對所述樣品施加應(yīng)力因子，以降低所述粒子間勢壘的高度，以便加速大量粒子團(tuán)聚作用的開始；以及檢測所述粒子團(tuán)聚作用的增加。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中檢測所述團(tuán)聚作用的增加的步驟包括使用高靈敏度的檢測器。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述高靈敏度的檢測器是單粒子光傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述檢測器是單粒子光傳感器(SPOS)。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述高靈敏度的檢測器包括感測響應(yīng)于所述粒子在給定時間間隔穿過給定區(qū)域的X值的檢測器。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述X值是響應(yīng)于所述樣品分散相的濁度的光衰減的度量。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述X值是在來自所述樣品分散相的所述粒子的給定角度范圍內(nèi)的散射光強(qiáng)度的度量。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中檢測所述粒子團(tuán)聚作用的增加的步驟包括，使用靈敏、定量裝置來確定由于所述應(yīng)力因子的所述施加而使所述樣品變得不太穩(wěn)定的程度。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述靈敏、定量裝置產(chǎn)生粒子尺寸分布(PSD)，其將粒子濃度顯示為在正常粒子尺寸范圍上的尺寸以及比所述正常粒子尺寸大并指示團(tuán)聚作用的增加的大直徑分離物粒子尾部的函數(shù)。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述應(yīng)力因子通過改變所述樣品的pH，降低了所述粒子上的表面電荷。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述粒子具有凈的負(fù)電荷，并且其中所述應(yīng)力因子是加入到所述樣品中以降低所述樣品的pH的酸或緩沖酸。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述粒子具有凈的正電荷，并且其中所述應(yīng)力因子是加入到所述樣品中以升高所述樣品的pH的堿或緩沖堿。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述應(yīng)力因子是加入到所述樣品中的吸附電解質(zhì)，以允許適當(dāng)電荷的離解的離子吸附到所述粒子的帶有相反電荷的表面上，以減少所述粒子上的凈電荷。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述粒子具有凈負(fù)電荷，并且所述從吸附電解質(zhì)離解的離子包括帶有正電荷的離子，其與所述粒子的表面結(jié)合，并降低所述粒子上的凈電荷，從而降低所述粒子間勢壘的所述高度。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述應(yīng)力因子是加入到所述樣品中的鹽，使得產(chǎn)生離解的、部分屏蔽帶電粒子間靜電排斥的運(yùn)動離子，從而促進(jìn)了它們的團(tuán)聚作用。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述應(yīng)力因子是作為簡單的單價(jià)鹽而被施加。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述單價(jià)鹽是氯化鈉。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述應(yīng)力因子是在間隔的時間間隔以連續(xù)的增量施加，從而導(dǎo)致被加應(yīng)力的所述樣品中的應(yīng)力水平連續(xù)地變高，并且檢測所述粒子團(tuán)聚作用的增加的所述步驟在每個應(yīng)力因子增量后重復(fù)進(jìn)行。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述樣品被分成多個批次，其中將所述應(yīng)力因子施加到所述樣品的所述步驟包括將不同水平的所述應(yīng)力因子施加到每個批次中，并且其中檢測每個批次中所述粒子團(tuán)聚作用增加的所述步驟在經(jīng)過一個或多個時間間隔Δt之后執(zhí)行。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還提供了所述樣品的對照批次，不將應(yīng)力因子施加到所述對照批次中，并在經(jīng)過所述時間間隔Δt之后檢測所述對照批次中粒子團(tuán)聚作用的增加。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中緊接在所述應(yīng)力因子的所述施加之后，進(jìn)行檢測每個所述批次中粒子團(tuán)聚作用程度的步驟。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中檢測所述粒子團(tuán)聚作用增加的所述步驟還包括測量在粒子尺寸的適當(dāng)范圍上的每個批次的PSD，并根據(jù)每個測量的PSD計(jì)算分散相的百分比(PDP)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括計(jì)算每個所述應(yīng)力因子水平的所述PDP隨經(jīng)歷時間的變化率。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述樣品的優(yōu)值(FM)是從給定應(yīng)力因子水平的所述PDP隨經(jīng)歷時間的所述變化率中得到，從而穩(wěn)定的分散相或乳化液將具有相對較小的FM值，而劣質(zhì)、較不穩(wěn)定的分散相或乳化液將具有相對較大的FM值。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括計(jì)算對于給定經(jīng)歷時間值每單位的所述應(yīng)力因子水平變化的所述PDP的增加。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中FM值是從對于給定經(jīng)歷時間值每單位的所述應(yīng)力因子水平變化的所述PDP的所述增加中得到，所述經(jīng)歷時間足夠長，以允許建立加速的不穩(wěn)定性和粒子團(tuán)聚作用，因此對于給定的經(jīng)歷時間值和施加的應(yīng)力因子水平，F(xiàn)M值越大，所述樣品就越不穩(wěn)定。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括計(jì)算對于給定經(jīng)歷時間值每單位的所述應(yīng)力因子水平變化的所述PDP的增加。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述FM值是從結(jié)合有對于給定經(jīng)歷時間值的每單位的所述應(yīng)力因子水平變化的所述PDP的所述增加、對于每個應(yīng)力因子水平所述PDP隨經(jīng)歷時間的所述變化率中得到。
29.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述應(yīng)力因子通過改變所述批次的pH，降低了所述粒子上的表面電荷。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述粒子具有凈負(fù)電荷，并且其中所述應(yīng)力因子是以不同濃度加入到所述批次中的酸或者緩沖酸，以通過不同的量來降低所述樣品的所述批次的pH。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述粒子具有凈正電荷，并且其中所述應(yīng)力因子是以不同濃度加入到所述批次中的堿或者緩沖堿，以通過不同的量來升高所述樣品的所述批次的pH。
32.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述應(yīng)力因子是加入到所述樣品的所述批次中的吸附電解質(zhì)，以允許適當(dāng)電荷的離解的離子吸附到所述粒子的帶有相反電荷的表面上，以減少所述粒子上的凈電荷。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述粒子具有凈負(fù)電荷，并且從所述吸附電解質(zhì)離解的所述離子包括帶有正電荷的離子，其能與所述粒子的表面結(jié)合，并降低所述粒子上的凈電荷，從而降低所述粒子間勢壘的所述高度。
34.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述應(yīng)力因子是加到所述樣品中的鹽，使得產(chǎn)生離解的、部分屏蔽帶電粒子間的靜電排斥的運(yùn)動離子，從而促進(jìn)了它們的團(tuán)聚作用。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述應(yīng)力因子是作為簡單的單價(jià)鹽而被施加。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述單價(jià)鹽是氯化鈉。
37.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述測量每個批次的所述PSD的步驟通過使用公共的檢測器來連續(xù)執(zhí)行，并且其中所述經(jīng)歷時間Δt對每個批次是不同的。
38.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述測量每個批次的所述PSD的步驟通過使用單獨(dú)的檢測器來并行進(jìn)行。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述經(jīng)歷時間Δt對每個批次都是相同的。
40.一種用于確定樣品穩(wěn)定性的方法，所述樣品包括懸浮于液體載體中的固體或液滴粒子的分散相，其中粒子間勢壘抑制了相鄰粒子彼此接近到足以允許由于強(qiáng)的短程吸引力作用而發(fā)生不可逆團(tuán)聚作用，所述方法包括對所述樣品施加應(yīng)力因子，以降低所述粒子間勢壘高度，以便加速所述粒子的團(tuán)聚作用；通過產(chǎn)生粒子尺寸分布(PSD)，使用用于確定所述樣品變得不太穩(wěn)定的程度的靈敏、定量裝置來檢測所述團(tuán)聚作用的增加，其中所述粒子尺寸分布(PSD)將粒子濃度顯示為在正常粒子尺寸范圍上的尺寸以及比所述正常粒子尺寸大、指示團(tuán)聚作用增加的大直徑分離物粒子的尾部的函數(shù)；以及從所述測量的PSD中計(jì)算與所述大直徑的分離物粒子的所述尾部關(guān)聯(lián)的分散相的百分比(PDP)。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，進(jìn)一步包括計(jì)算所述PDP隨經(jīng)歷時間的變化率。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中所述樣品的優(yōu)值(FM)是從對于給定應(yīng)力因子水平的所述PDP隨經(jīng)歷時間的所述變化率中得到，因此穩(wěn)定的分散相或乳化液將具有相對小的FM值，而劣質(zhì)、較不穩(wěn)定的分散相或乳化液將具有相對大的FM值。
43.如權(quán)利要求40所述的方法，進(jìn)一步包括計(jì)算對于給定經(jīng)歷時間值的所述應(yīng)力因子水平的每單位變化的所述PDP的增加。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中所述FM值是從對于給定的經(jīng)歷時間、所述應(yīng)力因子水平的每單位變化的所述PDP的所述增加中得到，所述經(jīng)歷時間足夠長，以允許建立加速的不穩(wěn)定性和粒子團(tuán)聚作用，由此對于給定的經(jīng)歷時間值和施加的應(yīng)力因子水平，F(xiàn)M值越大，所述樣品就越不穩(wěn)定。
45.如權(quán)利要求43所述的方法，進(jìn)一步包括計(jì)算所述PDP隨經(jīng)歷時間的變化率。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其中FM值是從組合有對于給定經(jīng)歷時間值所述應(yīng)力因子水平的每單位變化的所述PDP的所述增加、對于每個應(yīng)力因子水平所述PDP隨經(jīng)歷時間的所述變化率中得到。
47.一種用于確定樣品穩(wěn)定性的設(shè)備，所述樣品包括懸浮于液體載體中的固體或液滴粒子的分散相，其中粒子間勢壘抑制了相鄰粒子彼此接近到足以允許由于強(qiáng)的短程吸引力作用而發(fā)生不可逆團(tuán)聚作用，所述設(shè)備包括將所述樣品提供到測試容器中的裝置；對所述容器中的所述樣品施加應(yīng)力因子來降低所述粒子間勢壘高度，以加速大量粒子團(tuán)聚作用的開始的裝置；以及用于檢測所述粒子團(tuán)聚作用的增加的裝置。
48.如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中所述用于檢測所述粒子團(tuán)聚作用的裝置包括高靈敏度檢測器。
49.如權(quán)利要求48所述的設(shè)備，其中所述高靈敏度檢測器是單粒子傳感器。
50.如權(quán)利要求49所述的設(shè)備，其中所述檢測器是單粒子光傳感器(SPOS)。
51.如權(quán)利要求48所述的設(shè)備，其中所述高靈敏度檢測器包括感測響應(yīng)于所述粒子在給定時間間隔穿過給定區(qū)域的X值的檢測器。
52.如權(quán)利要求51所述的設(shè)備，其中所述X值是響應(yīng)于所述樣品分散相的濁度的光衰減的度量。
53.如權(quán)利要求51所述的設(shè)備，其中所述X值是在從所述樣品分散相的所述粒子的給定角度范圍內(nèi)的散射光強(qiáng)度的度量。
54.如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中用于檢測所述粒子團(tuán)聚作用增加的裝置包括靈敏、定量裝置，用于確定由于所述應(yīng)力因子的所述施加而使所述樣品變得不太穩(wěn)定的程度。
55.如權(quán)利要求54所述的設(shè)備，其中所述靈敏、定量裝置產(chǎn)生粒子尺寸分布(PSD)，其將粒子濃度顯示為在正常粒子尺寸范圍上的尺寸以及比所述正常粒子尺寸大并指示團(tuán)聚作用增加的大直徑分離物粒子的尾部的函數(shù)。
56.如權(quán)利要求54所述的設(shè)備，其中所述高靈敏度檢測器包括感測響應(yīng)于所述粒子在給定時間間隔穿過給定區(qū)域的X值的檢測器。
57.如權(quán)利要求56所述的設(shè)備，其中所述X值是響應(yīng)于所述樣品分散相的濁度的光衰減的度量。
58.如權(quán)利要求56所述的設(shè)備，其中所述X值是在從所述樣品分散相的所述粒子、在給定角度范圍內(nèi)的散射光強(qiáng)度的度量。
59.如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中所述應(yīng)力因子通過改變所述樣品的pH，降低了所述粒子上的表面電荷。
60.如權(quán)利要求59所述的設(shè)備，其中所述粒子具有凈的負(fù)電荷，并且其中所述應(yīng)力因子是加入到所述樣品中降低所述樣品的pH的酸或緩沖酸。
61.如權(quán)利要求59所述的設(shè)備，其中所述粒子具有凈的正電荷，并且其中所述應(yīng)力因子是加入到所述樣品中升高所述樣品的pH的堿或緩沖堿。
62.如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中所述應(yīng)力因子是加入到所述樣品中的吸附電解質(zhì)，以允許適當(dāng)電荷的離解的離子吸附到所述粒子的帶有相反電荷的表面上，以減少所述粒子上的凈電荷。
63.如權(quán)利要求62所述的設(shè)備，其中所述粒子具有凈負(fù)電荷，并且所述從所述吸附電解質(zhì)離解的離子包括帶有正電荷的離子，其與所述粒子的表面結(jié)合，并降低所述粒子上的凈電荷，從而降低所述粒子間勢壘的高度。
64.如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中所述應(yīng)力因子是加到所述樣品中的鹽，使得產(chǎn)生離解的、部分屏蔽帶電粒子間的靜電排斥的運(yùn)動離子，從而促進(jìn)了它們的團(tuán)聚作用。
65.如權(quán)利要求64所述的設(shè)備，其中所述應(yīng)力因子是作為簡單的單價(jià)鹽而被施加的。
66.如權(quán)利要求64所述的設(shè)備，其中所述應(yīng)力因子是作為二價(jià)或三價(jià)鹽而被施加的。
67.如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中將所述應(yīng)力因子提供給所述容器中的所述樣品的裝置是在間隔的時間間隔以連續(xù)的增量施加，并且其中在每次施加所述應(yīng)力因子增量后，用于檢測所述粒子團(tuán)聚作用增加的所述裝置測量所述粒子團(tuán)聚作用的增加。
68.如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括多個所述測試容器，其中所述用于提供所述樣品的裝置在所述多個測試容器中將所述樣品供應(yīng)為單獨(dú)的批次，并且，其中所述用于施加應(yīng)力因子的裝置將不同水平的所述應(yīng)力因子施加到所述測試容器中的每個所述批次，并且，其中所述用于檢測所述粒子團(tuán)聚作用增加的裝置在經(jīng)過一個或多個時間間隔Δt之后，檢測所述粒子團(tuán)聚作用的增加。
69.如權(quán)利要求68所述的設(shè)備，還包括一個額外的測試容器，所述用于提供所述樣品的裝置將一個對照批次提供到所述額外的測試容器中，所述用于施加應(yīng)力因子的裝置不將應(yīng)力因子施加到所述額外的測試容器中的所述對照批次，并且所述用于檢測所述粒子團(tuán)聚作用增加的裝置在經(jīng)過一個或多個所述時間間隔Δt之后，測量所述對照批次的粒子團(tuán)聚作用的增加。
70.如權(quán)利要求68所述的設(shè)備，其中所述用于檢測所述粒子團(tuán)聚作用增加的裝置還緊接在所述應(yīng)力因子施加到每個所述批次的所述施加后，檢測每個所述批次中粒子團(tuán)聚作用的程度。
71.如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其中所述用于檢測所述粒子團(tuán)聚作用增加的裝置包括產(chǎn)生粒子尺寸分布(PSD)的靈敏、定量裝置，所述粒子尺寸分布將粒子濃度顯示為在正常粒子尺寸范圍上的尺寸以及比所述正常粒子尺寸大、指示團(tuán)聚作用增加的大直徑的分離物粒子的尾部的函數(shù)，并且，其中所述設(shè)備還包括從所述測量的PSD來計(jì)算分散相的百分比(PDP)的裝置。
72.如權(quán)利要求71所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備還包括計(jì)算對于每個應(yīng)力因子水平的、所述PDP隨經(jīng)歷時間的變化率的裝置。
73.如權(quán)利要求72所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備還包括根據(jù)對于給定應(yīng)力因子水平的、所述PDP隨經(jīng)歷時間的所述變化率得出優(yōu)值(FM)的裝置，從而穩(wěn)定的分散相或乳化液將具有相對較小的FM值，而劣質(zhì)、較不穩(wěn)定的分散相或乳化液將具有相對較大的FM值。
74.如權(quán)利要求71所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備還包括用于計(jì)算對于給定經(jīng)歷時間值、所述應(yīng)力因子水平的每單位變化的所述PDP增加的裝置。
75.如權(quán)利要求74所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備還包括根據(jù)對于給定經(jīng)歷時間值、所述應(yīng)力因子水平的每單位變化的所述PDP的增加得出FM值的裝置，所述經(jīng)歷時間足夠長，以允許建立加速的不穩(wěn)定性和粒子團(tuán)聚作用，因此對于給定的經(jīng)歷時間值以及施加的應(yīng)力因子水平，F(xiàn)M值越大，所述樣品就越不穩(wěn)定。
76.如權(quán)利要求72所述的設(shè)備，還包括用于計(jì)算對于給定經(jīng)歷時間值的、所述應(yīng)力水平的每單位變化的所述PDP的增加的裝置。
77.如權(quán)利要求76所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括組合有對于給定經(jīng)歷時間值的、所述應(yīng)力因子水平的每單位變化的所述PDP的所述增加，用于根據(jù)對于每個應(yīng)力因子水平、所述PDP隨經(jīng)歷時間的所述變化率，得出FM值的裝置。
78.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在施加所述應(yīng)力因子后，通過用于檢測所述粒子團(tuán)聚作用的所述增加的裝置饋送所述樣品。
79.如權(quán)利要求40所述的方法，還包括在施加所述應(yīng)力因子后，饋送所述樣品給用于檢測所述團(tuán)聚作用的所述增加的裝置。
80.如權(quán)利要求47所述的設(shè)備，還包括在將所述應(yīng)力因子施加到所述容器中的所述樣品后，用于將所述樣品從所述測試容器饋送到用于檢測所述粒子團(tuán)聚作用增加的裝置的裝置。
全文摘要
一種用于確定分散相和乳化液(10
文檔編號G01N33/00GK1839312SQ200480023803
公開日2006年9月27日 申請日期2004年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者D·F·尼科里, D·F·德里斯科爾, B·R·比斯特里安 申請人:穩(wěn)定技術(shù)公司