Việc thu được kết quả phòng thí nghiệm đáng tin cậy thực sự phụ thuộc vào việc các hạt được phân bố đều trong toàn bộ mẫu, điều này xảy ra khi chúng ta trộn chúng một cách đúng cách. Khi các nhà khoa học nghiền vật liệu thủ công bằng chày và cối sứ theo phương pháp cổ điển, họ có thể cảm nhận trực tiếp độ mịn hoặc thô của các hạt đang hình thành. Cách làm thủ công này tạo nên sự khác biệt lớn đối với những vật liệu có thể nóng chảy hoặc thay đổi nếu tiếp xúc với quá nhiều nhiệt, đó là lý do vì sao nhiều nhà nghiên cứu vẫn ưa chuộng phương pháp này dù đã có các thiết bị hiện đại hơn. Nhóm tại ACS Sustainable Chemistry đã viết về vấn đề này vào năm 2022, nhấn mạnh rằng máy nghiền cơ học đôi khi có thể 'nấu chín' mẫu thay vì chỉ đơn thuần phá vỡ nó.
Bản chất trơn tru và không xốp của sứ giúp ngăn ngừa nguy cơ nhiễm chéo giữa các mẫu khác nhau, điều này đặc biệt quan trọng trong các phòng thí nghiệm cần đáp ứng tiêu chuẩn ISO 17025. Sứ tráng men không phản ứng hóa học với axit hay bazơ trong quá trình xử lý, một ưu điểm mà cối đá agate và thép không gỉ không thể đạt được. Nhờ hiệu suất đáng tin cậy này, phần lớn các phòng thí nghiệm dược phẩm thường lựa chọn sứ để sản xuất bột API. Một số thử nghiệm gần đây về vật liệu đã chứng minh điều này, làm rõ lý do tại sao hơn bốn trên năm phòng thí nghiệm trong ngành đã chuyển sang sử dụng thiết bị bằng sứ.
Khi xử lý các chất nhạy cảm như chiết xuất thực vật hoặc tinh thể chứa nước, việc xay thủ công thực sự có hiệu quả hơn trong việc giữ nguyên mẫu. Vấn đề với máy xay cơ học là chúng tạo ra nhiệt do ma sát. Các nghiên cứu cho thấy nhiệt độ này thường vượt quá 40 độ C trong khoảng hai phần ba trường hợp, và mức nhiệt đó làm thay đổi thành phần hóa học trong mẫu. Sứ lại khác vì nó dẫn nhiệt kém, do đó nhiệt độ không tăng mạnh trong quá trình xử lý. Các nhà nghiên cứu năm 2023 đã thực hiện các thử nghiệm so sánh các phương pháp và phát hiện rằng khi chuẩn bị mẫu để phân tích tia X, việc xay thủ công cho kết quả tinh khiết hơn khoảng 22 phần trăm. Điều này tạo nên sự khác biệt rõ rệt đối với những người làm nghiên cứu địa chất, nơi chất lượng mẫu là yếu tố quan trọng nhất.
Đồ sứ hạng phòng thí nghiệm bao gồm cao lanh (40–50%), fenspat (25–35%) và thạch anh (20–30%). Khi nung ở nhiệt độ 1.300–1.400°C, hỗn hợp này trải qua quá trình thủy tinh hóa, tạo thành cấu trúc đặc chắc, giống như thủy tinh với độ xốp dưới 0,5%. Theo Báo cáo Phân tích Vật liệu năm 2023, độ xốp gần bằng không này ngăn ngừa khả năng hấp thụ mẫu, duy trì độ tinh khiết trong quá trình nghiền.
Với độ cứng Mohs từ 7–8, đồ sứ chống mài mòn tốt hơn thủy tinh borosilicat (5,5) hoặc acrylíc (2–3). Ma trận aluminosilicat của nó trơ về mặt hóa học trong toàn bộ dải pH 1–14 và chịu được các dung môi hữu cơ, làm cho nó lý tưởng để bảo toàn độ nguyên vẹn của mẫu trong các ứng dụng sắc ký và quang phổ.
Hệ số giãn nở nhiệt thấp của sứ (4,5 × 10⁻⁶/°C) làm giảm nguy cơ nứt vỡ trong các phản ứng tỏa nhiệt. Với khả năng chịu được nhiệt độ lên tới 1.000°C, sứ vượt trội hơn so với các dụng cụ polymer dễ biến dạng ở nhiệt độ trên 80°C. Độ ổn định này hỗ trợ các quá trình tiếp theo như nung kết hoặc tro hóa mà không gây hỏng dụng cụ.
Cối và chày sứ hoạt động bằng cách kết hợp lực ép hướng xuống với chuyển động nghiền qua lại để phá vỡ các vật liệu. Khi người dùng ấn mạnh xuống chày, các cấu trúc tinh thể bên trong vật liệu đang được nghiền sẽ bị tách ra. Đồng thời, việc di chuyển chày qua lại trên bề mặt sẽ cắt nhỏ những mảnh đã vỡ này thành các phần tử nhỏ hơn nữa. Theo nghiên cứu công bố trên Tạp chí Xử lý Vật liệu năm ngoái, phương pháp kết hợp này tạo ra độ đồng nhất tốt hơn khoảng 40 phần trăm so với chỉ ấn thẳng xuống hoặc chỉ nghiền theo chiều ngang riêng biệt. Điều làm cho sứ trở nên đặc biệt hiệu quả là bề mặt bên trong nhám của nó, chứa các điểm mài mòn nhỏ li ti. Những điểm này giúp nghiền các vật liệu có độ cứng từ 6 trở xuống theo thang Mohs mà không làm lẫn các hạt kim loại vào hỗn hợp — điều này rất quan trọng khi độ tinh khiết cần thiết trong một số ứng dụng nhất định.
| Vật liệu | Kích thước hạt trung bình đạt được (µm) | Rủi ro nhiễm bẩn | Ngưỡng Ổn định Nhiệt |
|---|---|---|---|
| Đồ sứ | 15-20 | Thấp | 450°C |
| Mã não | 10-15 | Không có | 300°C |
| Thép không gỉ | 25-50 | Cao (ion Fe, Cr) | 800°C |
Mặc dù đá mã não tạo ra bột mịn hơn, sứ lại cân bằng giữa hiệu suất và độ bền—đạt được 85% hiệu quả của đá mã não với khả năng chống vỡ do va chạm cao hơn 50%. Đối với các mẫu nhạy cảm với nhiệt, sứ giới hạn mức tăng nhiệt độ dưới 12°C trong quá trình nghiền, tránh được các vấn đề nhiệt thường gặp ở hệ thống kim loại.
Các kỹ thuật viên lành nghề đạt được độ đồng nhất kích thước hạt ±5% so với ±18% ở người mới. Kỹ thuật tối ưu bao gồm:
Việc làm sạch không đúng cách chiếm 72% các sự cố nhiễm bẩn trong môi trường phòng thí nghiệm. Để duy trì độ tinh khiết:
Theo tiêu chuẩn ASTM C242-22, sự thay đổi nhiệt độ nhanh làm giảm 40% khả năng chống nứt của sứ. Các biện pháp thao tác chính bao gồm:
Nghiền thủ công bằng sứ đạt hiệu quả vượt trội trong ba tình huống chính:
Mặc dù tự động hóa đã được áp dụng rộng rãi, một khảo sát thiết bị phòng thí nghiệm năm 2024 cho thấy 83% phòng kiểm nghiệm chất lượng dược phẩm vẫn tiếp tục sử dụng cối và chày sứ để xác minh cuối cùng đối với API.
Việc sử dụng các công cụ bằng sứ giúp giữ cho các hợp chất dược liệu không bị nhiễm tạp trong quá trình xử lý, điều này rất quan trọng đối với hiệu quả hoạt động của thuốc. Những công cụ này không phản ứng về mặt hóa học, do đó rất phù hợp để nghiền các chất dễ hút ẩm như axit ascorbic mà không gây ra các phản ứng oxy hóa không mong muốn. Theo một nghiên cứu công bố trên Tạp chí Đổi mới Dược phẩm năm 2022, các nhà khoa học đã phát hiện ra một điều thú vị về các phương pháp nghiền thủ công. Họ ghi nhận sự cải thiện khoảng 15 phần trăm về phân bố kích thước hạt đối với những hoạt chất nhạy cảm, vốn không chịu được nhiệt độ cao. Sự đồng nhất này thực sự tạo nên sự khác biệt trong việc dự đoán tác dụng của thuốc khi vào cơ thể.
Nhiều nhà địa chất ưa thích sử dụng cối nghiền bằng sứ không tráng men khi cần xay nhỏ các mẫu đá để thực hiện các xét nghiệm XRF và XRD. Sứ có độ cứng Mohs khoảng 6,5, điều này rất lý tưởng vì nó không làm nhiễm bẩn mẫu bằng kim loại như thép không gỉ, đặc biệt quan trọng khi làm việc với các vật liệu như chromite hay garnet. Một số nghiên cứu gần đây so sánh các phương pháp khác nhau đã phát hiện ra rằng cách tiếp cận này duy trì độ chính xác khoảng 98 hoặc 99 phần trăm khi xác định những lượng rất nhỏ các nguyên tố đất hiếm dưới mức 5 phần triệu. Độ chính xác như vậy rất quan trọng đối với phân tích địa chất chính xác.
Tính không xốp của sứ làm cho nó rất phù hợp để xay các loại gia vị và nguyên liệu thực vật mà không giữ lại dầu, từ đó giải quyết vấn đề lớn về nhiễm chéo trong quá trình phân tích lipid. Các phòng thí nghiệm báo cáo rằng phần lớn thời gian thu được các hạt nhỏ hơn 100 micron, dẫn đến tốc độ chiết xuất carotenoid nhanh hơn khoảng 34 phần trăm so với máy xay nhựa. Hơn nữa, sứ có thể xử lý các mẫu đông lạnh ngay từ tủ đông ở khoảng âm 20 độ C, do đó các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khó xử lý vẫn được bảo toàn để phục vụ việc kiểm tra phytochemical một cách chính xác. Điều này thực sự quan trọng đối với các nhà nghiên cứu cần kết quả đáng tin cậy từ công đoạn chuẩn bị mẫu của họ.
EN
