Prima di essere sottoposto ad analisi chimica o fisica, un campione solido deve sempre essere sufficientemente preparato mediante riduzione dimensionale e omogeneizzazione. Occorre fare attenzione che il campione di analisi rappresenti pienamente il materiale originale e che il processo di preparazione del campione sia eseguito in modo riproducibile. Solo così si possono garantire risultati significativi. La maggior parte dei materiali del campione può essere ridotta alla finezza analitica richiesta a temperatura ambiente scegliendo un mulino con un principio di riduzione dimensionale adeguato (impatto, pressione, attrito, taglio, taglio). Tuttavia, la riduzione dimensionale a temperatura ambiente ha dei limiti, ad esempio quando anche un piccolo aumento di temperatura influisce negativamente sul campione, oppure quando il materiale è molto elastico e i principi di riduzione dimensionale sopra citati causano solo deformazioni. La soluzione perfetta per questi tipi di campioni è la macinazione a freddo o criogenica. Si tratta di coadiuvanti di macinazione come l'azoto liquido (-196 °C) o il ghiaccio secco (-78 °C) che, grazie al raffreddamento, incrudiscono il campione e lo rompono più facilmente. Un altro vantaggio è la conservazione dei componenti volatili del campione. In questo documento spieghiamo per quali materiali di campione è applicabile la macinazione criogenica, quali mulini da laboratorio sono adatti e quali altri aspetti devono essere presi in considerazione.
Per quali materiali è consigliabile la macinazione criogenica?
Campioni con componenti volatili
I materiali con componenti volatili come i solventi (benzene, toluene, PCB, PCP, ecc.) sono difficili da preparare correttamente per l'analisi perché l'aumento di temperatura durante la macinazione può portare alla perdita degli analiti. L'aumento della superficie delle particelle derivante dal processo di macinazione favorisce ulteriormente l'emissione di volatili. La bassa temperatura dell'azoto liquido o del ghiaccio secco riduce sostanzialmente l'elevata pressione di vapore dei componenti e imprigiona la matrice del campione. In questo modo, i componenti volatili sono difficilmente influenzati dall'aumento della temperatura relativa che si verifica durante il processo di macinazione.
Campioni con comportamento elastico
Molti polimeri (plastiche come PP, PET, PA, ecc.), così come altri materiali, mostrano un comportamento viscoso-elastico durante la macinazione che si traduce in una deformazione plastica. Ciò significa che non si verifica l'innesco di una crepa e quindi la rottura. Gli elastomeri come le pirofile in silicone o i pneumatici in gomma che, a causa della loro flessibilità, vengono utilizzati a temperatura ambiente, hanno una cosiddetta temperatura di transizione vetrosa molto inferiore alla temperatura ambiente. Se i campioni di plastica elastica vengono immersi nell'azoto liquido, la loro temperatura scende al di sotto della temperatura di transizione vetrosa; ciò riduce la capacità del materiale di resistere a un'elevata sollecitazione meccanica mediante un comportamento elastico-plastico o un flusso viscoso. Se questo materiale pre-raffreddato viene poi macinato in un mulino, il campione mostra un comportamento di rottura fragile. La macinazione criogenica è adatta anche per le plastiche dure, anche se questo materiale è fragile a temperatura ambiente. Per un processo di riduzione dimensionale di successo, la temperatura del campione non deve superare la temperatura di transizione vetrosa.
Campioni biologici e medici
Se si preparano campioni biologici, ad esempio per la successiva estrazione di acidi nucleici da lieviti, batteri, piante o tessuti umani/animali, questi possono reagire in modo altamente sensibile alla temperatura durante e dopo il processo e possono persino essere distrutti. In questi casi, la macinatura criogenica contribuisce a migliorare il processo, infragilendo gruppi di cellule e pareti cellulari, rendendoli più facilmente disgregabili e rallentando la successiva decomposizione dei frammenti cellulari. Le reazioni cellulari indesiderate vengono praticamente "congelate" immergendo il campione in LN2, in modo da poter osservare le attività cellulari in un momento successivo.
Campioni di cibo appiccicosi o comunque di natura alimentare
I campioni appiccicosi o resistenti come il formaggio, l'uva passa, la gomma da vino o il marzapane si agglomerano semplicemente quando vengono macinati a temperatura ambiente e non sono sufficientemente omogeneizzati. La bassa temperatura del processo criogenico impedisce al campione di agglomerarsi, in modo da renderlo completamente omogeneo e adatto all'analisi.
Panoramica delle applicazioni
| Campione | Mulini | Accessori | Quantità in ingresso | Tempo di macinazione | Velocità | Finezza finale (d90) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| orsetti gommosi | MM 400 |
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10 Pezzi | 1 min. | 30 Hz | < 300 µm |
| caoutchouc | CryoMill |
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4 g | 2 min. | 30 Hz | < 500 µm |
| Batteri E. coli | CryoMill |
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10 ml pellet di cellule congelate | 2 min. | 30 Hz | completa distruzione cellulare |
| granuli plastici | ZM 300 |
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40 g | 20 s | 18,000 min-1 | < 500 µm |
| combustibili derivati rifiuti | ZM 300 |
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150 g | 30 s | 18,000 min-1 | < 0.75 mm |
| gomma da masticare | GM 300 |
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500 g | 40 s + 20 s | 18,000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| papera di gomma | SM 300 |
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5 Pezzi | 40 s | 3,000 min-1 | < 2 mm |
| Pillole con riempimento liquido | RM 200 |
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40 Pezzi | 3 min. | 100 min-1 | < 250 µm |
| orsetti gommosi | MM 500 control |
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28 Pezzi | 30 s | 30 Hz | < 100 µm |
| mele secche con erbe | MM 500 control |
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30 g | 2 min. | 30 Hz | < 150 µm |
| dolci al caramello | GM 200 |
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15 g | 2 min. | 4000 min-1 | < 300 µm |
| cioccolato con nocciole | GM 200 |
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100 g | 4 min. | 10000 min-1 | < 1 mm |
Mulini da laboratorio adatti alla macinazione criogenica
Nella scelta di un mulino da laboratorio adatto alla macinazione criogenica è necessario considerare diversi aspetti. Da un lato, il volume del campione è cruciale per la decisione, dall'altro le dimensioni dell'alimentazione e la finezza finale desiderata sono fattori importanti. I Vibro Mulini MM 400 e CryoMill sono progettati per la lavorazione di piccoli volumi di campioni. Questi mulini spesso raggiungono dimensioni di macinazione più fini, anche con campioni di plastica difficili, rispetto ai mulini a rotore, perché il campione rimane per un periodo più lungo all'interno della giara di macinazione chiusa rispetto alla camera di macinazione aperta dei mulini a rotore. Il campione viene raffreddato in modo continuo durante l'intero processo di macinazione, nel CryoMill anche con una temperatura costante di -196 °C. Il Vibro Mulino MM 500 Control è in grado di mantenere una temperatura selezionata da -100 °C a 0 °C e offre la possibilità di macinare anche volumi di campione maggiori, fino a 80 ml per lotto. Per queste temperature è consentito l'uso di giare in ossido di zirconio o carburo di tungsteno. Per i campioni molto difficili, come la maggior parte delle materie plastiche, la polverizzazione è possibile solo con l'opzione più fredda: il CryoMill. I mulini a rotore, i mulini a mortaio, i mulini a coltelli o i mulini a taglienti lavorano volumi e alimentazioni sostanzialmente maggiori rispetto ai Vibro Mulini. Tuttavia, i principi di riduzione dimensionale di questi mulini producono solitamente macinati di dimensioni maggiori, soprattutto nella macinazione di materie plastiche. Il mulino a coltelli GRINDOMIX GM 200 e GM 300 sono adatti alla macinazione criogenica soprattutto di campioni alimentari, con la restrizione che può essere utilizzato solo ghiaccio secco e non azoto liquido, in quanto il mulino non è progettato per temperature fino a -196 °C. I campioni pre-congelati (surgelatore, bagno di LN2 senza trasferimento di LN2 nel mulino) vanno bene. I mulini a rotore e a taglienti, invece, accettano sia il ghiaccio secco che l'azoto liquido come coadiuvanti di macinazione. A causa della temperatura molto bassa, l'azoto liquido è particolarmente adatto per i materiali con una temperatura di transizione vetrosa inferiore a -50 °C. Il ghiaccio secco ha il vantaggio di evaporare meno rapidamente dell'azoto liquido; inoltre, può essere mescolato al campione per la macinazione, prolungando così l'effetto di raffreddamento. Ciò è particolarmente vantaggioso per i materiali a bassa capacità termica che non possono mantenere la bassa temperatura, ad esempio le sottili pellicole di plastica. L'alimentazione del campione con ghiaccio secco è generalmente più facile, soprattutto se le particelle sono più piccole di 1 mm, rispetto all'estrazione del materiale dall'azoto liquido. Inoltre, il ghiaccio secco è più sicuro da maneggiare, in quanto il pericolo di asfissia, ad esempio, è molto minore. Inoltre, il ghiaccio secco non schizza durante la macinazione perché si mescola completamente con il campione. Indipendentemente da questi aspetti, è necessario osservare sempre le norme di sicurezza appropriate quando si tratta di coadiuvanti di macinazione criogenici. La sezione seguente presenta una gamma di mulini da laboratorio adatti alla macinazione criogenica.
Vibro Mulini MM 400, MM 500 nano, MM 500 vario, MM 500 control e CryoMill
I mulini MM 400, MM 500 Vario e CryoMill sono perfettamente adatti per l'omogeneizzazione di piccoli volumi di campione con una dimensione massima di 8 mm. Questi mulini sono dotati di due stazioni di macinazione in cui le giare di macinazione con tappo a vite - riempite di sfere di macinazione e campione - sono saldamente bloccate per la macinazione. Le giare di macinazione chiuse, e quindi anche il campione, vengono infragilite con azoto liquido. Le giare di macinazione adatte all'MM 400, MM 500 Vario sono in acciaio o PTFE; ma sono disponibili anche fiale monouso da 1,5, 2 e 5 ml. È necessario prestare attenzione che l'azoto liquido non sia contenuto nelle giare di macinazione. Il calore di attrito del processo di macinazione fa sì che l'LN2 entri in fase gassosa, provocando un notevole aumento di pressione all'interno della giara di macinazione. Con l'aiuto di pinze, la giara di macinazione chiusa viene posta per 2 o 3 minuti in un contenitore isolante riempito di azoto liquido e poi viene fissata nel MM 400, MM 500 Vario. A causa dell'elevato apporto di energia e del conseguente calore di attrito, il processo di macinazione non dovrebbe durare più di 3 minuti per evitare il surriscaldamento del campione e preservarne le proprietà di rottura. Se sono necessari tempi di macinazione più lunghi, questi devono essere interrotti da un raffreddamento intermedio delle giare di macinazione chiuse. A differenza dei Vibro Mulini menzionati, il CryoMill offre il vantaggio di raffreddare continuamente la giara di macinazione con azoto liquido, riducendo la temperatura della giara e del campione a -196°C in pochi minuti. In questo modo è garantita una temperatura costante di -196°C anche per lunghi tempi di macinazione, senza la necessità di cicli di raffreddamento intermedi. Inoltre, l'utente non entra mai in contatto con l'azoto liquido, rendendo il funzionamento del CryoMill sicuro e facile da usare. La funzione di pre-raffreddamento automatico assicura che il processo di macinazione non inizi prima che sia stata raggiunta e mantenuta una temperatura di -196°C. Per la macinazione senza metalli pesanti, è disponibile una giara in ossido di zirconio. Questo mulino è lo strumento più adatto per polverizzare anche i materiali plastici più duri. L'MM 500 nano e l'MM 500 control funzionano con diverse giare di macinazione e offrono anche giare più grandi, fino a 125 ml di volume: in questo modo è possibile lavorare fino a 80 ml in un unico lotto. L'MM 500 nano offre anche un input di energia molto elevato, fino a 35 Hz, utile per frantumare in modo efficiente anche i campioni più duri. Per l'MM 500 nano, la gestione è la stessa descritta per l'MM 400 e l'MM 500 vario. Un modo completamente nuovo di effettuare la macinazione criogenica è stato realizzato nel Vibro Mulino MM 500 control. Le giare di macinazione sono raffreddate tramite le piastre termiche. In questo caso, se è collegato anche un CryoPad, la temperatura può essere impostata su un valore compreso tra -100°C e 0°C. Il CryoPad controlla il flusso di LN2 necessario per mantenere la temperatura impostata, rendendo questo mulino ottimale per campioni come dolci e alimenti, poiché in questo caso sono necessarie solo temperature criogeniche “moderate” di -40°C o addirittura -20°C per polverizzare questi campioni. Poiché la temperatura viene abbassata costantemente e la temperatura massima negativa è di -100°C, per la macinazione criogenica è consentito l'uso di giare in carburo di tungsteno e zirconio.
Macinazione di piccole quantità di campioni nei Vibro Mulini
I Vibro Mulini sono progettati per macinare piccoli volumi di campione. Con diversi adattatori, è possibile utilizzare provette monouso da 1,5 ml, 2 ml o 5 ml tuttavia, per la macinazione criogenica queste provette risultano fragili e tendono a rompersi. In tutti i Vibro Mulini Retsch è possibile utilizzare anche provette in acciaio da 2 ml che resistono alle condizioni della macinazione criogenica. Sono inoltre disponibili adattatori per il mantenimento di giare in acciaio da 4 x 5 ml. L'MM 500 nano e l'MM 500 control offrono inoltre la possibilità di utilizzare giare multi cavità da 2 x 25 ml o 4 x 10 ml.
Mulino a taglienti SM 300
I suddetti aspetti che influenzano la scelta di un coadiuvante di macinazione sono rilevanti anche quando si esegue la macinazione criogenica nel Mulino a taglienti SM 300. Questo mulino è particolarmente adatto per la lavorazione di materiali tenaci come le suole delle scarpe o il bitume e accetta dimensioni di alimentazione maggiori rispetto allo ZM 300. Con l'SM 300 è possibile omogeneizzare anche pneumatici di auto tagliati grossolanamente e frantumati. Il materiale campione frantumato è piuttosto duro, pertanto si consiglia di utilizzare il rotore a 6 dischi, che funziona più come un trituratore. È adatto anche per tagliare campioni eterogenei come le parti di pollo congelate, comprese le ossa. Per la macinazione di fogli di plastica sottili, che spesso fanno parte di combustibili derivati dai rifiuti, si consiglia di utilizzare il ghiaccio secco, grazie all'effetto di raffreddamento continuo durante il processo di macinazione.
Mulino a coltelli GRINDOMIX GM 200 e GM 300
Campioni di alimenti appiccicosi e difficili come formaggio, uvetta, gomma di vino o marzapane vengono perfettamente omogeneizzati con il Mulino a coltelli GRINDOMIX GM 200 o GM 300. Anche il cioccolato, che diventa semplicemente pastoso quando viene lavorato a temperatura ambiente, può essere polverizzato con successo in modo criogenico. Il campione viene mescolato con ghiaccio secco in un rapporto di 1:2; dopo pochi minuti viene raffreddato completamente e inizia il processo di macinazione. Il ghiaccio secco mantiene il campione sempre fresco. Quando si esegue la macinazione criogenica nel GM 200 o GM 300, occorre fare attenzione a non utilizzare accessori in plastica, poiché potrebbero danneggiarsi durante il processo. Gli accessori adatti sono un contenitore per la macinazione in acciaio inossidabile, un coltello in metallo pieno e un coperchio con apertura per far evaporare l'anidride carbonica gassosa.
Mulino a mortaio RM 200
In un mulino a mortaio i campioni vengono polverizzati per pressione e attrito e sottoposti al processo di macinazione per il tempo necessario a raggiungere la finezza finale desiderata. Il Mortar Grinder RM 200 non è un sistema chiuso; è possibile aggiungere ghiaccio secco o azoto liquido durante il processo di macinazione attraverso una finestra nel coperchio. Per le applicazioni criogeniche, il mortaio e il pestello devono essere in acciaio inossidabile. Le compresse con riempimento liquido, ad esempio, possono essere polverizzate con successo in un macinino da mortaio.
Panoramica dei mulini RETSCH per la macinazione criogenica
| Mulini | Alimentazione | Quantità in ingresso | Max finezza finale | Osservazione |
|---|---|---|---|---|
| CryoMill | < 8 mm | 1 x 20 ml | 50 µm |
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| MM 400 | < 8 mm | 2 x 20 ml | 100 µm |
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| ZM 300 | < 10 mm | 4000 ml | 300 µm |
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| GM 300 | < 40 mm | 2000 ml | 500 µm |
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| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 µm |
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| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 µm |
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| RM 200 | < 8 mm | 190 ml | 10 µm |
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| MM 500 nano | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
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| MM 500 vario | < 8 mm | 6x 20 ml | 100 µm |
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| MM 500 control | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
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| GM 200 | < 40 mm | 300 ml | 300 µm |
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Conclusione
Per molti materiali la polverizzazione con azoto liquido o ghiaccio secco è l'unico modo possibile per ottenere un campione adatto alle successive analisi. RETSCH offre una gamma di mulini da laboratorio che consentono una preparazione criogenica del campione delicata ed efficiente. Il loro utilizzo riduce notevolmente i costi e la manodopera necessaria per la macinazione a bassa temperatura. Una selezione di accessori adeguati assicura che il processo di macinazione avvenga in modo sicuro.
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Grazie alla sua fitta rete internazionale composta da filiali, agenzie locali e società satellite, RETSCH è presente in più di 80 paesi garantendo elevati standard qualitativi e di competenza tecnica. Nei nostri laboratori applicativi, utilizzatori e potenziali clienti possono processare GRATUITAMENTE i propri campioni, in modo da poter valutare l'idoneità di sistemi proposti, prima di un eventuale acquisto. Le prove effettuate saranno inoltre accompagnate da un report di macinazione, riportante tutte le informazioni inerenti la prova (setting strumentali, strumenti ed accessori utilizzati)
