分散相和乳化液的加速穩定性評估的製作方法

2023-06-11 21:23:56

專利名稱：分散相和乳化液的加速穩定性評估的製作方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及一種系統的方法和裝置，用於通過對分散相和乳化液施加應力來加速粒子團聚作用或者液滴聚結的開始，並由此來評估它們的穩定性，並評價它們的質量和性能。
2.相關技術描述在廣泛商業應用中有許多產品和中間加工材料是取決於分散或懸浮於液體(通常為水)中、因此被歸類為兩相系統的細微粒子。這些粒子可以是固體，例如在液態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常互溶的液滴-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)。同時，更為複雜的分散相以多相系統存在，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，其範圍常常從0.1微米(微米，或μm)或更小到1μm或者更大。特定產品的粒子或液滴尺寸的分布依賴於討論的分散相或乳化液的化學組成(包括與粒子或液滴結合使用的分散劑)和用於獲得最終產品的物理機制。後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。這裡使用的詞語「粒子」意圖既包括固體粒子，也包括液滴。同樣地，還方便地將產品稱作為「分散相」，通過其暗指或意指不失一般性。因此，這裡使用的詞語「分散相」意圖指既包括乳化液也包括懸浮液。
有許多基於分散相、懸浮液或乳化液的廣泛使用的產品的例子。下面的列表欲作為其範圍廣泛的現有應用的代表，但它決不是全部a)無機(例如矽石、氧化鋁和氧化鈰)膠體懸浮液，在半導體器件製造過程中用於矽晶片的化學機械平坦化(CMP)處理；
b)液態聚合物懸浮液，用於油漆、塗料、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)，用於飲料和食品，例如醬油、調味品和食物添加劑；d)基於矽樹脂的乳化液，用於洗頭髮(洗髮香波)和加溼、潤手乳劑和手術洗滌，以及密封劑、柔性灌注化合物和醫學植入物；e)含蠟和/或粘土的水乳劑，用於化妝品製備；f)基於大豆、紅花、橄欖、中鏈甘油三酸酯和/或魚油的水包油型乳化液，用於靜脈給藥(例如麻醉)和腸道外營養供給；g)基於色素的懸浮液，用於常規的和噴墨式列印；h)基於矽烷的水包油型乳化液，用於防水劑的施加；i)無機(例如氧化鈦)膠體懸浮液，用於染色和遮光劑；j)均質全脂奶(或脫脂)分散相；k)油包水型乳化液和微乳化液，用於潤滑劑和燃料；l)水包油型乳化液，用於超聲反差成像(ultrasound constrastimaging)；m)基於瀝青的水包油型乳化液，用於公路維護。
這些和其它基於分散相或乳化液的產品的效果在閒置和使用期間都極其依賴於它們的穩定性。在本發明的上下文中，術語「穩定性」指的是包括分散相的粒子經過一段延長(理想地，是無限期)的時間周期保持分離，而不會產生明顯團聚作用或聚結的傾向。給定分散相或乳化液的穩定性典型地不僅是其化學組成的函數，而且還是其所涉及的生產過程的「細節」的函數。這些基於分散相或乳化液的最終產品和中間加工材料的「質量」或性能通常和它們的穩定性有關，即，和可驅使它們趨向於不穩定的潛在力量有關。這些產品的性能常常與所討論的分散相或乳化液的PSD密切相關。受PSD影響的重要物理特性的例子包括粘度、硬度、強度、傳導性(熱與電)、外觀、顏色、色調、光澤、口感和質地。
物理化學穩定性是使用任何商業上可得的懸浮液或分散相的重要結果。不穩定分散相的特徵在於，分散相的空間分布會發生逆變，否則是均勻分布的微小粒子或液滴分別不可逆地發生團聚作用或者聚結。在液態分散相(如水包油型或者油包水型乳化液)的情況下，液滴聚結產生尺寸更大、過大的「球滴」，最終導致宏觀尺寸上的析相作用。這種粒子團聚作用或者液滴聚結的過程不僅導致平均粒子/液滴尺寸的增大，而且還導致「多分散性」或者粒子/液滴尺寸範圍的增大，包括總的PSD。商業生產的分散相或乳化液中團聚作用或者聚結的最具毀滅性的效果常常發生在其對數大約比平均粒子或液滴尺寸的對數大1/2到1的尺寸範圍。這個明顯發生變化的尺寸範圍被稱為PSD的大直徑「尾部」(large-diameter「tail」)，而且常常是最感興趣的。構成穩定分散相PSD尾部的相對較遠群體的數量，無論是基於數量還是體積加權，常常都佔不到(通常遠遠少於)總分散相的1％。與得自「好」(穩定、高質量)產品的「基準」值相比，PSD尾部的生長可發生在任何階段——即，在生產、儲藏或產品銷售過程中，或者在隨後的工業或私人消費者的分離物或次優使用過程中。
失敗可能以各種方式出現使得最終生產的產品不具有吸引力、不能用或者甚至在消費者手中是危險的。這樣的失敗有大量的常見例子，包括與不穩定的飲料濃度、奶製品、食物調味品或者調味料相關的口味差；由大的粒子團聚作用引起的外觀差或墨水堵塞噴嘴；在通過CMP漿拋光期間在矽晶片的表面上形成瑕疵(例如，劃痕)，導致半導體器件的產量下降；分別由於乳膠粒子或蠟乳化液滴的絮凝導致的由多成分油漆或者保護性面漆塗覆表面時的欠佳或者或者不基本；由於靜脈引入的營養素或者藥物含過量聚結的油滴或者團聚作用/熔合的脂質體而對人或動物造成的傷害。
工業水平的分散相或乳化液的這些和其它失敗的經濟成本可以是相當大的，尤其是與次優產品工藝產生的中間材料或最終產品的內部損失相關的那些成本。由於缺乏理解或者難以監測和控制的變化，這些損失可以在新產品開發過程中發生，或者在具有較寬批次間(batch-to-batch)變化的定型產品(established product)的生產過程中發生。當低劣的產品逃避了上市銷售前的檢測規程而必須隨後被大量召回時，甚至會招致更高的損失。此外，工業消費者將分散相或乳化液作為最終商業產品的原材料或者必需成分的大規模使用，必然伴有潛在的較大經濟損失的風險。最終，如果產品想要為人體內使用或者含有極度揮發的或可燃成分，那麼隨後的不利或者甚至是致命的結果會使得與產品失敗相關的健康和經濟風險更加嚴重。
在許多情況下，感興趣的產品或者材料本質上是膠體的，其中絕大多數粒子(或液滴)小於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」)範圍內。假定度量技術具有足夠的靈敏度和解析度，PSD的確定提供了這些分散相和乳化液的穩定性和質量的有價值的、而且常常是獨一無二的「窗口」。這樣的信息具有極重要的潛在價值，因為它可為判斷給定生產過程的效驗以及後者的微擾提供定量、客觀的準繩。最終，這種知識可告知用於優化產生所討論產品的生產過程的裝置。
如同從上述所列應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，其中包圍粒子或液滴的分散相的「連續」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、可運動的粒子(電解質)加上其它可能溶解的帶電荷和不帶電荷的分子，連同建立分散介質的pH所需的任何濃度的H+和OH-離子。)因此，用於穩定水分散相和乳化液所最廣泛採用的物理機制是電荷穩定機制。該機制的第一廣泛描述由Verwey和Overbeek在他們的經典專論Theory of Stability of Lyophobic Colloids，Elsevier Science，Amsterdam(1984)中提供。對這一理論的補充由Derayaguin和Landau提供，並且形成的膠體穩定性的「DLVO理論」(由於Derayaguin、Landau、Verwey和Overbeek)已經被許多作者所驗證，包括Hiemenz在Principles of Colloid and SurfaceChemistry(膠體和表面化學原理)，Marcel Dekker，New York(1997)中驗證。該理論提供了存在於懸浮於水介質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-範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淨電荷(正電荷或者負電荷)。這種電荷可由與表面共價鍵合的部分產生——即，它們是所討論粒子的固有部分——並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」被釋放到連續相中、因此在表面上留下淨電荷的程度，依賴於單個離解常數的值，或者表面鍵合部分相對於周圍水相的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鍵合的COOH基的乳膠「珠」。如果水相的pH值遠大於COOH基的pKa(即，≥pKa值之上2個pH單位)，絕大多數H+離子將從後者離解，留下附於粒子表面的帶負電荷的COO-基。相反，當水相的pH達到pKa值(即，pH＝pKa)時，只有50％的H+離子離解。最壞的情況是，如果pH低於pKa值，表面電荷極大地減少，甚至達到零，這是因為更多H+離子吸附於粒子上，並且分散相變得不穩定。
可替代的方案是，保留於粒子上確保它們穩定的淨電荷可通過吸附於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)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」被吸附於同樣疏水的聚合物粒子的表面和/或內部，而親水的頭部基團順利地排列存在於表面上，以允許最大可能地暴露於周圍水分子。大多數Na+離子自由地擴散在水相中，通過屬於吸附的SDS單體的SO3-基團的力量將淨負電荷留在粒子的表面上。
作為保留於給定粒子表面上的淨電荷的結果，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的增大而單調遞減，如

圖1中的圖解顯示。距離參數x是標準化的粒子間距離，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，並且a是每個粒子的半徑(假定粒子的尺寸相同)。緊密環繞每個粒子表面的區域，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，並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散的帶正電荷和帶負電荷的可移動離子超出腹層的擴散區被稱為Gouy-Chapman層。假設根據Coulomb定律的描述，對於孤立電荷具有常見1/x性能，則圖1中顯示的Ψ(x)對x的行為並不令人驚奇。然而，由於水相中電解質(即鹽離子)的存在，隨著x的增加，電勢典型地降低得遠快於1/x。可移動帶電離子用於部分「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，以便於它們在遠離粒子處達到相同的平均濃度，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為根據公知的Debye-Hückel公式得出的「相反屏蔽長度」。K值隨電解質濃度的增加而基於電解質濃度的平方根(假定為單價離子)增大。電解質濃度的增加導致帶電雙層的收縮(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，在兩個粒子之間產生排斥力。當然，還有從第二粒子延伸出的相應電勢。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的函數的VR的行為在圖2中圖解(曲線「VR」)顯示。
對懸浮於水介質中的帶電粒子穩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生的倫敦-範德華引力。由於局部電荷密度的隨機波動，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。相互作用的強度特徵在於依賴於粒子構成的Hamaker係數。倫敦-範德華力僅僅在相對較短的距離內有效，隨粒子間距x的增大而下降，並且下降得比1/x要快得多。也就是說，在不存在顯著的電解質濃度時，由於粒子間靜電排斥力的長程力特性，倫敦-範德華力隨距離增加的衰減比粒子間靜電排斥力所表現出的相應衰減更快。產生作為粒子間距函數的吸引粒子間勢壘VA的行為也圖解(曲線「VA」)顯示於圖2中。
因此，存在於水懸浮液中的兩個帶電粒子間的淨勢壘VTOT可通過粒子間勢壘的排斥和吸引相加來得到VTOT＝VR+VA。該結果也圖解顯示於圖2中。對非常小的x值來說——即，當兩粒子有效接觸時——，由於在間距小時，與帶正電荷(排斥)的靜電能相比，帶負電荷(吸引)的倫敦-範德華勢壘基本佔支配地位，VTOT值為非常大的負值。隨著間距的增加，由於短程吸引力的作用減小，淨勢壘急劇升高。在這些非常小的間距距離中，事實上，粒子不可逆地發生團聚作用——即，它們陷入了代表2-粒子系統的最低能量狀態的深能量「阱」。隨著間距距離的進一步增加，淨勢壘最終達到最大值VMAX，假設粒子具有足夠的電荷並且屏蔽電解質的濃度足夠，該最大值顯然是正的。最後，隨著粒子間距x的進一步增大(即，假定VR的影響足夠大到能避免在VTOT對x的圖中出現第二最小值)，VTOT浮動並下降，最終在很大間距處有效地降低到零。VTOT對x的詳細行為或者形狀依賴於結合以形成VTOT的兩種競爭性勢壘函數VR和VA的幅值和形狀。
圖2中圖解顯示的淨粒子間勢壘曲線VTOT對x的形狀和尺寸，確定了特定電荷穩定的分散相或乳化液在經過一段長時間抵抗團聚作用或者聚結後，能否事實上保持穩定。在VTOT對x圖中幅值為VMAX的峰值構成了粒子間能量「屏蔽」，該能量「屏蔽」保護兩種帶電粒子不會彼此太接近(由布朗運動，或者擴散造成)，免得它們彼此強烈吸引以致於它們不可逆地陷入由強的短程倫敦-範德華引力所產生的深能量阱。由於粒子在懸浮液的水相中擴散，它們擁有kT量級的平均動能，其中k是玻爾茲曼常數，並且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生不可逆團聚作用的程度。與kT相比，VMAX值越高，每個粒子周圍的「排外」的排斥區就越大，並且每次隨機試圖穿過該區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(製藥劑量表分散系統)，H.Lieberman等人(eds.)，Vol.1，Marcel Dekker，New York(1998)中的方法來計算。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量的液滴有一半發生了團聚作用或者聚結所需要的時間。團聚作用率或者絮凝率與每單位體積中的粒子數的平方、粒子半徑(假定為球形)和它們的擴散係數成比例。在缺少電荷穩定性時，當粒子彼此由於隨機擴散而自由碰撞從而產生不可逆團聚作用時，半衰期不到一秒。粒子間勢壘的存在用於放緩團聚作用率，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年，也必須是數星期或者數月的最終產品來說是明顯不夠的。粒子間勢壘高度再次加倍，達到VMAX＝20kT時，導致半衰期為3.91年，大約能夠滿足許多具有商業意義的產品的需要。(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「穩定」乳化液，而此時，例如(每ml 1011中的)第一對液滴聚結需要兩天。)大體上，通過DLVO理論，基於粒子上滯留的電荷數量的獨立測定，與它們的尺寸和電解質濃度一起，人們可估計給定電荷-穩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分散相或乳化液的半衰期，並通過對產品的化學組成進行「微調」達到期望的穩定性。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踐中的有效性。Friberg等人(op cit，p.66)寫到「含有電解質的屏蔽的相對高度的計算從科學的觀點看是有趣的，但在日常的配製嘗試中價值有限。」他們(op cit，p.70)還注意到與評定乳化液穩定性相關的中心問題——需要花費大量的時間來建立可靠的結論。「對乳化液配製者來說一個兩難選擇在於這一事實製備的成功僅僅在一段很長的時間以後才能判斷。如果保存限期需要一年，大體上需要等一年才能發現大量的樣品是否還是完整無缺的。」這一主要缺點還為Breuer在(「Cosmetic Emulsions(化妝用乳化液)，」p.420)Encyclopediaof Emulsion Technology(乳化液技術百科全書)，P.Becher(ed.)，Vol.2，Marcel Dekker，New York(1985)中所強調。「通過加快實驗室測試來預告長期的穩定性仍然是難以琢磨的目標。儘管其巨大的商業重要性，但對這一問題僅僅完成了少量的基礎研究。毋庸置疑，對該問題興趣相對較低的原因之一是由於任何新預測技術的結果驗證都需要一段相當長的時間(例如，2年的儲藏期)。」
對影響乳化液中聚結(即不穩定性)開始的變量的基本理解的缺乏由Walstra在Encyclopedia of Emulsion Technology(乳化液技術百科全書)，P.Becher(ed.)，Vol.4，Marcel Dekker，New York(1996)中強調(「Emulsions Stability(乳化液穩定性)，」p.56)。「通過本章的上述討論，可能很顯然，即使是相對簡單的膠體，象(肉眼可視的)乳化液，對於其穩定性的了解也是不夠的。關於膠體相互作用的能量及其對團聚作用率的影響有許多不確定性。尤其需要進一步研究聚結，其中應當分別對不同變化進行研究。而且，需要對局部聚結進行更多的研究，儘管其主要變化已經被證實並已經確定了它們的重要性。在實踐中常常遇到的結合不穩定性的預告更是非常困難，儘管在某些情況下已經嘗試了進行這樣不穩定性的預告。」Walstra(opcit，p.119)繼續就甚至有關乳化液中聚結存在的意義的不確定性進行了發言。「可以得出結論的是，聚結的定量的重要性是未知的。它可能是基本可變的，並可能是利用不同表面活性劑發現的液滴尺寸方面存在差別的重要原因。由於聚結可能發生在新形成的小滴中，主要根據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。」關於「複雜」(即多成分)乳化液，諸如奶蛋白系統中的基本相互作用現象的知識的不足，由Euston等人(p.940)在J.Food Sci，Vol.65，pp.934-940(2000)中認識到。「這項工作強調兩個重點。第一，當試圖預測食物系統中的奶蛋白的乳化特徵時，非常簡單的系統的使用可能不基本恰當。」「第二，儘管奶蛋白的相互作用可對奶蛋白的乳化特徵有非常大的影響，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。需要對該領域進行系統的研究，以允許我們利用該信息來為特定應用更好地選擇成分。」乳化液穩定性的重要性與加快的穩定性測試的明顯無益一起，為Weiner(「Introduction(介紹)，」p.9)在Pharmaceutical DosageFormsDisperse Systems(製藥劑量表格分散系統)，H.Lieberman等人(eds.)，Vol.1，Marcel Dekker，New York(1988)中所強調。「聚結是所有相關基團都不能容忍的，並且它是在液滴表面上的乳化劑膜強度的函數，也就是說，界面自由能量勢壘。影響聚結的因素以及影響乳狀液的因素是明顯不同的，對聚結進行加快的穩定性測試不過是困難而帶有欺騙性的。」他繼續聲稱「關於乳化液聚結的預告性測試或者不可逆地解決該疑問，很少有證據推動該系統遠遠超出其將在市場生產中遇到的對儲存期預測有用的任何可靠信息。此外，系統的過應力產生了拋棄在現實條件下基本可接受的製劑的危險。」Friberg等人(op cit，pp.70-71)得出了他們的悲觀評估結論，承認更快速、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定性過程的方法，並且這些方法在它們的應用領域中是有用的。另一方面，當應用到它們已經建立的領域之外時，這些方法可能給出基本錯誤結果的這一重要事實不能過分強調。」通過上面引用的參考，很顯然，在該領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定的以及到什麼程度。因此，已經進行了努力來加快穩定性的測試過程。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定性的開始的方式1)升高(常常是充分地)溫度；2)通過機械裝置誘導強的剪切力；以及3)通過對樣品進行離心過濾，來加快較大粒子/液滴的沉澱或漂浮率。儘管這些不同的方法是有用的，它們絕大部分不能明確地和/或一致地產生關於給定乳化液或分散相的穩定程度的可靠定量信息，或者它怎樣與性能已知的標準品在質量上進行比較。
關於「熱應力」的基本原理，DLVO教導了分散相或乳化液的穩定性將隨著粒子間勢壘高度VMAX(相對於固定的kT值)下降而惡化。因此，對於VMAX的固定值，升高溫度(即相反常數的分散相)將產生相同的結果——降低的穩定性。因此，分散相顯示穩定性徵兆(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。溫度對化學反應(即Arrhenius方程)速率的影響以及由此對分散相特別是藥物製劑的穩定性的影響為Newton(The Role of Temperature in the Lifeof a Pharmaceutical Preparation(溫度在製藥準備過程中的角色))在Pharmacopeial Forum，Vol.25，#1，pp.7655-7661(1999年1月-2月)中評論，並在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於執行脂肪酶化驗的含乳化液的試劑老化的影響。指示在57攝氏度的熱應力下12天大體上未改變的成分和活性的穩定乳化液製劑的光吸收，與正常儲藏在4攝氏度四年的光吸收相等。這種行為與對於不穩定的控制樣品觀察到的情況截然相反，後者在4攝氏度時儲藏7天就開始降解，並在57攝氏度時立即顯示了吸收的增加，表明開始沉澱。
Faure等人在美國專利US6,347,884B1(2002)中描述了一種用於確定含水碳氫化合物乳化液關於相分離的溫度穩定性的方法，包括在某一溫度下石蠟在柴油中的結晶。相分離的開始通過監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)中描述了使用基於UV-可見光吸收和/或散射的在線傳感器來檢測並鑑別膠體物質，例如在紙漿或者紙張處理水中的瀝青或木樹脂。在兩種或兩種以上溫度下執行的膠體混合物的光衰減或散射度量的差或者比率，提供了分散相的穩定性相對於溫度的度量。對不同樣品在熱穩定性方面觀察到的不同提供了一種區分基於膠體液體的不同成分的方法。
升高溫度來評估乳化液穩定性的方法還被Yoon等人(「Interfacial properties as stability predictors oflecithinstabilized perfluorocarbon emulsion(作為穩定卵磷脂全氟化碳乳化液的穩定性預測器的臨界屬性)」)在Pharm Dev Tech，Vol 1，pp.333-41(1996)中利用。用於Pluronic F68(一種非離子表面活性劑)的水包油型乳化液來幫助穩定油滴相(通過位阻機制)和蛋卵磷脂，以提供附加的電荷居間(charge-mediated)穩定性。熱動力加快的穩定性測試在5、20、37和60攝氏度進行，採用多種乳化液製劑和多種粒子尺寸分析方法來檢測兩個月之後液滴的PSD變化。通常，如同預期的那樣，達到最大測定平均直徑所需要的天數「DMAX」隨著溫度的增加而下降。然而，在所採用的一些溫度值下，所觀察的各種乳化液製劑中存在明顯的變化。在60攝氏度時「達到DMAX的天數」的周期從3天變化到14天；該周期在37攝氏度時統一為14天；在20攝氏度時該周期從14天變化到21天；並且該周期在5攝氏度時絕大多數為21天。研究發現，加入膽固醇(即加入電荷包被的油滴)能提高乳化液對熱應力的穩定性——即，它延長了在檢測到PSD顯著變化之前的時間段。在絕大多數採用的溫度下觀察到的「達到DMAX的天數」的明顯變化，僅僅強調了與使用溫度應力作為定量評估典型的多成分乳化液穩定性的方法相關的限制。
Vadas(「Stability of Pharmaceutical Products，(製藥產品的穩定性)」p.641)在RemingtonThe Science and Practice ofPharmacy(科學與實踐藥學)，Gennaro(ed.)，Vol.1，MackPublishing，Easton，PA(1995)中強調與使用升高溫度來加快穩定性評估相關的缺陷「兩種簡單的測試被用於篩選乳化液製劑。第一，乳化液的穩定性可通過將其加熱到50-70攝氏度來確定，並通過濁度計測定來視覺觀察或檢驗其總的物理穩定性。通常加熱時最穩定的乳化液在室溫下最穩定。然而這可能不是真的，因為乳化液在60攝氏度時與在室溫下可能不同。第二，乳化液的穩定性可通過「聚結時間」測試來估計。儘管這是一種粗糙的定量測試，但對於在室溫下檢測乳化液穩定性的總體差別是有用的。」Vadas以上所陳述的第一點在於，在實踐中，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重的缺陷。利用DLVO理論的原理來評估乳化液的穩定性可能需要溫度的典型升高可能大到足以導致乳化液自身發生改變。依賴於其相轉變圖的複雜性，這些溫度的升高可能得到將乳化液或分散相「轉化」成明顯「不同」的系統(根據物理學的說法，包括具有顯著不同的PSD)這一非常不期望的結果。這種可能的行為與使用溫度變量作為手段所期望的目標嚴重對立，而所期望的目標是僅僅幹擾相鄰的帶電粒子或液滴之間淨排斥作用的影響，同時乳化液或分散相的特徵假定基本上保持不發生變化。
已經用於評估乳化液穩定性的第二方法是應用機械應力——例如，以一種形式或者另一種形式對其進行「搖動」——以便使分散相或懸浮液受到剪切力的作用。推測中等到強剪切力的應用將引起穩定性較低的乳化液顯示出比穩定性較高乳化液更快地聚結。例如，Degouy等人在美國專利5,257,528(1993)中描述了一種設備，用於在加快的基礎上研究在封閉循環中液體環流的老化——例如，用於測試在石油鑽探中使用的泥漿的穩定性。液體升高到預定的溫度和壓力，並以比正常使用時更快的速度循環，從而產生更高的剪切力。液體因而經受了加速老化，而僅需要較短的時間來揭示其流變學特性，並最終揭示其穩定性。
然而，在實踐中，這種涉及應用機械應力來加快穩定性測試的表面上「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商之間的通信來理解，其以書信形式發給編輯(「Pharmaceutical and antimicrobialdifferences between propofol emulsion products(丙泊酚乳化液產品之間的製藥和抗菌差別)」)，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品，用於靜脈麻醉和鎮靜目的、含1％丙泊酚的磷脂穩定的10％大豆水包油型乳化液(pH6-9)進行加快的物理穩定性測試(劇烈搖動)得到的結果。一種在270次搖動/分鐘下操作高達16小時的「扭轉作用」搖動被用於為乳化液提供延長的機械應力。一些粒子尺寸分析技術被用於評估作為搖動持續時間函數的PSD變化。將結果與得自普通「等價」產品(pH4.5-6.4)的那些結果相比較。與該名牌產品在16個小時的搖動後仍未出現可測量的變化相比，在搖動兩小時的時間內，普通產品直徑較大(＞2μm)的油滴的體積百分比表現出了較大變化。普通產品的相對較差的穩定性歸因於其較低的pH，其預期能使磷脂穩定的油滴的表面負電荷(以及相應的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定性的可靠度量而進行搖動測試的有效性。他們引證了在機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動，其相對於與實際中使用的扭轉作用振動機相關的上下運動)。他們還進一步引證了Hansrani等人在J.Parenter Sci.Technol.，Vol 37，pp.145-150(1983)中的更早期的工作，承認振蕩運動可導致乳化液分離，但是如果製劑經過滅菌後，它很可能抵抗由振蕩誘導的分散。Mirejovsky等人總結到「這些例子說明，在現實狀況下永遠也不能建立過度搖動和乳化液的穩定性之間的關聯。」雖然存在上述引證的與用於加快分散相和乳化液穩定性評估的機械應力應用相關的潛在困難，仍然開發了一些方法和裝置來實現這樣的測試過程。一種用於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)中進行了描述。將乳化液的一部分應用到滑動表面上，並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穩定性(即在流動過程中)的特徵。通過測試容器內在靜止表面和運動表面之間定義的間隙供給乳化液。從而可基於流經測試容器的循環，來描述乳化液的動態穩定性特徵。
Lamar，III等人在美國專利3,950,547(1976)中描述了用於確定遵循他們自己配製的食用乳化液的穩定性的方法。這些方法中最早、複雜性最低的方法僅僅包括「觀察並等待法」。在從二分之一小時到40小時以後的不同經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力和機械應力都應用到乳化液上。通過在71攝氏度時將樣品加熱兩小時，然後目視估計相分離的徵兆來確定熱穩定性。通過將樣品在Waring混合器中高速(3200r.p.m.)攪拌，然後再次目視觀察來確定其剪切穩定性。
離心法是較早列出的第三種在加快的基礎上測試乳化液穩定性的方法。Vadas(op cit，p.641)評論了離心對評估乳化液穩定性的用處，其中假定液滴具有比周圍的水相更低的密度。「超速離心也可用於確定乳化液穩定性。當分離的油量對離心時間作圖時，就得到了一個坪曲線(plateau curve)。當相對於每分鐘離心轉數的平方對油漂浮(成乳)率作圖時，就產生了線性圖。漂浮率由乳化液-水邊界到轉子中心的距離的對數對每分鐘每次旋轉的時間作圖產生的直線斜率來表示。」乳化液-水邊界隨時間逐漸變化後，典型地在不同轉動速度下測量作為時間函數的濁度的徑向分布。與使用同樣基於濁度的簡單(重力)沉澱/漂浮設備所需的長時間相比，離心的使用用於極大地縮短達到明顯的油漂浮(成乳)所需的時間。然而，離心方法具有至少一種嚴重的潛在缺點。懸浮液滴的分級沉澱或漂浮行為導致這些液滴的局部濃度發生較大的變化。也就是說，在乳化液中隨時間的變化形成大的油濃度梯度。基於相圖的詳細特性，相對於溫和地幹擾來講，基本有可能使得乳化液在特徵方面發生明顯變化。這種潛在的問題反映了上面Vadas(op cit，p.641)所暗指的由於溫度的過渡升高可能發生的事情。
最後，Kanicky等人(「Surface Chemistry in the PetroleumIndustry(石油工業中的表面化學)，」p.257)在Handbook of AppliedSurface and Colloid Chemistry(應用的表面和膠體化學手冊)，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，乳化液是非常複雜的系統。在試圖澄清這些系統的複雜性的理論研究上已經取得了進步。然而，多數乳化液的類型和穩定性的預告更多的是來自於經驗觀察，而不是來自於理論。在許多工業循環中乳化液製劑仍被認為是一種技術，而不是科學方法。」近年來，在乳化液技術的不同領域工作的研究者所作的評估被吸引到分散相學中存在的缺點上來。例如，Euston等人(opcit，2000)、Mirejovsky等人(op cit，2000)和Kanicky等人(opcit，2002)均證實在將理論模型應用到觀察的乳化液穩定性方面取得了相對較小的進步。這些模型包括那些為Breuer(op cit，1985)、Friberg等人(op cit，1988)和Walstra(op cit，1996)所探討的應用於實際乳化液的模型。
發明概述本發明的一個目的在於提供一種更可靠並且定量確定分散相和乳化液穩定性的方法和裝置。
本發明的另一目的是提供了這樣的方法和裝置當與上面討論的現有技術中教導和實踐的技術相比，顯著加快分散相和乳化液不穩定性的開始。
為此，本發明教導了以加快大量粒子團聚作用開始，並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，將物理化學應力應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於強的短程吸引力作用而足以發生不可逆團聚作用的程度。
然後，在本發明的優選實施例中，採用高靈敏度的定量檢測器，諸如單粒子光學傳感器(single-particle optical sensor，SPOS)，通過檢測粒子團聚作用的增加來確定分散相或乳化液的穩定性。這樣高靈敏度的定量檢測器產生粒子尺寸分布(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範圍和大於正常尺寸的大直徑分離物粒子尾部的函數，所述分離物(outlier)粒子作為分散相或乳化液中粒子團聚作用的指示。
可使用施加於樣品上的三種不同類型的應力因子之一。第一，應力因子通過改變樣品的pH來減少粒子表面的電荷。當粒子具有淨負電荷時，應力因子是一種加入到樣品中使樣品pH降低的酸或緩衝酸。當粒子具有淨正電荷時，應力因子是一種加入到樣品中使樣品pH升高的鹼或緩衝鹼。
第二，應力因子通過添加吸收的電解質到樣品，允許適當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淨電荷。當粒子具有淨負電荷時，從加入的電解質中離解的帶正電荷的離子結合到粒子表面上，並且減少了粒子上的淨電荷，從而降低了粒子間勢壘的高度。當粒子具有淨負電荷時，從加入的電解質中離解的帶負電荷的離子結合到粒子表面上，同樣減少了粒子上的淨電荷，並降低了粒子間勢壘的高度。
第三，應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聚作用。這種應力因子是作為簡單的單價鹽施加的，例如氯化鈉，或者二價或三價鹽。
在檢測粒子團聚作用增加的優選實施例中，在測量樣品或者來自樣品中的一批次的PSD後，通過每次測量的PSD來計算分散相的百分比(PDP)。然後計算每個應力因子水平隨時間變化的PDP變化率。然後，根據給定應力因子水平隨時間變化的PDP變化率推導出其優值(FM)。根據觀察，穩定分散相或乳化液將具有相對較小的FM值，而劣質、不穩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。可計算對於給定經歷時間值的應力因子水平中每單位變化的PDP的增加，然後從對於給定經歷時間值的應力因子水平的每單位變化的PDP增加中推導出FM值，假定經歷時間足夠長到允許加快不穩定性和待建立的明顯粒子團聚作用的程度。對於給定經歷時間值和施加的應力因子水平，FM值越大，樣品越不穩定。
樣品的FM值還可從對於給定應力因子水平隨經歷時間的PDP變化率與對於給定經歷時間值的應力因子水平中每單位變化的PDP增加的結合中導出。
在本發明的一個方面中，應力因子以間隔的時間間隔以連續遞增的量施加，從而產生逐漸遞增的應力因子水平，並在每次應力因子遞增後重複檢測粒子團聚作用增加的步驟。
在本發明的另一方面中，將樣品分成數個批次。將應力因子的不同水平施加到每一相應的批次。測量每一批次粒子團聚作用的增加，並且這種測量優選地為在經過時間段Δt後每一批次的PSD測量。粒子團聚作用的增加還可在將應力因子施加到每一批次後立即在每一批次中進行檢測。可提供沒有施加應力因子的對照批次，並且如果有增加的話，在經過時間段Δt後檢測對照批次中的粒子團聚作用的增加。
替代地，高靈敏度檢測器包括一個不響應於樣品中單一粒子的檢測器。該檢測器讀出一個響應於給定時間間隔內穿過給定區域的粒子的值X。該值X可以是響應於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範圍散射的光強度的度量。
本發明的裝置用於執行本發明的方法的步驟。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，供應應力因子到測試容器中的樣品。然後將來自測試容器的樣品通過檢測粒子團聚作用增加的檢測器而被提供。在一個實施例中，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聚作用程度的大直徑分離物粒子尾部的PSD。該裝置有利於計算PDP、PDP的變化率以及應力因子水平每單位變化的PDP增加，並根據這些數據推導FM的值。在第二實施例中，檢測器讀出一個響應於在給定時間間隔內穿過給定區域的樣品分散相或乳化液的粒子的值X。該值X可以是響應於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範圍散射的光強度的度量。
本發明的裝置包括一個計算機控制器/處理器，其適於被編程來控制泵、到一個或多個測試容器的樣品流和應力因子流、傳感器的運轉和定時，以及按照本發明方法的數據的計算和處理。
附圖簡述參照附圖，可更充分地理解本發明的這些和其它目的、特徵以及優點，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生；圖2圖解顯示了粒子間淨勢壘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，由於排斥勢能VR(曲線VR1和VR2)強度的增加，粒子間勢壘高度VMAX(曲線VTOT1和VTOT2)的逐漸增加；圖4A圖解顯示了穩定的分散相或乳化液的粒子尺寸分布(PSD-#粒子與直徑d)(實線-「1」)，以及明顯的不穩定開始後(虛線-「2」)，導致粒子團聚作用或者液滴聚結；圖4B顯示了粒子或液滴直徑大於測量閾值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)的穩定(實線-「1」)和不穩定(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(實心圓點)；「0612」，或者批次#2(實心方塊)；以及「0615」，或者批次#3(實心三角)；
圖6顯示了酸性應力(pH＝6.1)的應用(t＝0)後隨時間的變化獲得的全脂奶的三個批次的PDP(d＞1.8μm)「0608」(實心圓點)；「0612」(實心方塊)以及「0615」(實心三角)；圖7顯示了酸性應力(pH＝5.7)的應用(t＝0)後隨時間的變化獲得的全脂奶的三個批次的PDP(d＞1.8μm)「0608」(實心圓點)；「0612」(實心方塊)以及「0615」(實心三角)；圖8顯示了酸性應力(pH＝5.7)的應用後，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，相應於圖7中顯示的四種PDP值(實心方塊)；圖9顯示了酸性應力(pH＝5.7)的應用後，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，相應於圖8中顯示的四種PSD「尾部」(d＞1.8μm)；圖10顯示了氯化鈣應力的應用後(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」(實心圓點)，0.005M CaCl2(實心方塊)和0.01M CaCl2(實心三角)；圖11顯示了氯化鈣應力的應用後(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」(實心圓點)，0.005M CaCl2(實心方塊)和0.01M CaCl2(實心三角)；圖12顯示了氯化鈣應力的應用後(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」(實心圓點)，0.005M CaCl2(實心方塊)和0.01M CaCl2(實心三角)；圖13是圖11的按比例壓縮的版本—氯化鈣應力的應用後(t＝0)，全脂奶的批次「0612」的隨時間變化的PDP(d＞1.8μm)0M CaCl2(實心圓點)，0.005M CaCl2(實心方塊)和0.01M CaCl2(實心三角)；圖14顯示了氯化鈣應力(0.01M CaCl2)的應用(t＝0)後，SPOS為奶樣品「0612」獲得的PSD(#粒子/ml＞1.8μm)的大粒子「尾部」的生長，相應於圖13中顯示的六種PDP值(實心三角)；圖15顯示了酸性應力(pH＝5.7)的應用後，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，相應於圖14中顯示的四種PSD「尾部」(d＞1.8μm)；圖16顯示了在加入(t＝0)離子種類的去穩定混合物28小時後，卵磷脂穩定的植物油乳化液的隨時間的變化(以小時表示，最高等於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用氯化鈉應力後，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)，0.05M NaCl(實心圓點)，0.10M NaCl(實心方塊)和0.15M NaCl(實心三角)；圖18顯示了在加入(t＝0)混合的離子種類和應用酸應力後，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)，pH5.65(實心圓點)，pH5.13(實心方塊)和pH4.46(實心三角)；圖19圖解顯示了本發明的加快確定分散相或乳化液的穩定性的方法的第一實施例，其通過系統應用應力因子「A」，包括將酸或鹼加入樣品中(任何合適的樣品)，導致粒子上的淨電荷減少；圖20圖解顯示了本發明的加快確定分散相或乳化液的穩定性的方法的第二實施例，其通過系統應用應力因子「B」，包括將含有吸附離子的特定電解質加入樣品中，導致粒子上的淨電荷減少；圖21圖解顯示了本發明的加快確定分散相或乳化液的穩定性方法的第三實施例，其通過系統應用應力因子「C」，包括將非吸附性鹽加入樣品中，導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，包括基於SPOS的粒子尺寸分析儀，其可用於實現這裡所述的加快確定分散相或乳化液的穩定性的任何新方法；圖23顯示了典型裝置的簡化模式圖，包括不同於粒子尺寸分析的技術，例如濁度或光散射，其可用於實現這裡所述的加快確定分散相或乳化液的穩定性的任何新方法；圖24A顯示了測量的PDP與t行為(實曲線，與圖18相同)，其為應用酸應力後的植物油乳化液獲得，和可為相似的但略微更穩定的樣品獲得的假設行為(虛曲線)；圖24B與圖24A相同，除了假設的PDP與t行為(虛曲線)是從明顯比圖24A中描繪的樣品更穩定的樣品獲得以外；圖25A顯示了測量的PDP與t行為(實曲線，與圖18相同)，其為應用酸應力後的植物油乳化液獲得，和可為相似但穩定性略差的樣品獲得的假設行為(虛曲線)；以及圖25B與圖25A相同，除了假設的PDP與t行為(虛曲線)是從明顯比圖25A中描繪的樣品更不穩定的樣品獲得以外。
發明詳述本發明的動機在於用於確定乳化液和分散相穩定性的普遍認可的更可靠和定量方法的需要。更特別地，本發明涉及一種穩定性測試的新方法，其提供了與例如那些上面引作參考而間接提到的當前使用技術相關的顯著加快的結果。待描述的新方法致力於長期存在的測試分散相穩定性的明顯改進的需要，不僅涉及快速確定，而且涉及可重複性和預測能力的提高。
通過前面的討論，顯然，分散相的穩定性，即阻止包括分散相的粒子發生顯著團聚作用或液滴聚結，與圖2中圖解顯示的粒子間勢壘高度VMAX密切相關。對於給定溫度T，和相應熱能kT，勢壘越高，電荷穩定的分散相也越穩定，並且因此在製作後，發生在不可逆粒子團聚作用或液滴聚結(最終導致相分離)之前的時間也明顯變長。
如同早先評論的那樣，存在兩種可用於增加VMAX值的基本機制，假定粒子的構成與濃度基本不變，並且因而作為間距x函數的粒子間吸引勢能VA也基本不變。首先，可增加吸附於粒子/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於圖2中(即相對於所有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的排斥電雙層的更多的交叉或重疊。這兩種動作都具有使淨粒子間勢壘高度增加的效果，從而不會由於強的短程吸引力的作用，使相鄰粒子彼此接近到足以發生不可逆團聚作用的程度。
因此，在實踐中，為了實現分散相穩定性的加快的定量測試，人們可「反過來」應用電荷穩定的原理。下面描述用於系統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/液滴團聚作用的開始，並在該過程中，得出這些分散相的穩定性/質量的定量評估。如由上述討論的Friberg等人(op cit，p.63)計算的許多例子所指，基於能量勢壘高度降低的程度(即與kT值相關)，可實現乳化液或分散相半衰期的戲劇性縮短。這種樣品穩定性對勢壘高度的強烈依賴提供了可以設計加快的穩定性測試的方法的裝置，所述裝置能有效地從穩定性基本較低的另一例子中分辨出相對穩定的「例子」(即樣品)。
人們經常會面對兩種穩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定的，以及需要多長時間(基於樣品的不同，典型地為數周，數月或數年)。這種限制為較早引用的Friberg等人(op cit，p.70)和Breuer(op cit，p.420)所強調。限制因素在於，最不穩定的樣品必須達到一定的不穩定水平—即，團聚作用或聚結的程度—其能可靠地測量與量化。幸運的是，例如可以開發出給出每種樣品穩定性的物理機制，以便於在大大加快的方式下揭示它們之間的不同。為什麼一種樣品的穩定性比另一種樣品的穩定性「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。
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定增量，使用一種或多種同樣對正在研究的產品特定的「應力因子」(以下討論)，降低粒子間能量勢壘高度VMAX(即，對於給定溫度)。結果，「次等」分散相很快「推進」到可測量的不穩定性的開始，在沒有施加應力因子的情況下，「次等」分散相比更穩定的分散相更快達到這一點。任選地，將另外的應力增量施加到分散相中允許定量並詳細研究其穩定性的動力學。
粒子間排斥勢能的連續增量減少對產生的能量勢壘高度的影響圖解顯示於圖3中。在施加應力因子前，分散相的「開始」排斥能VR由圖3中的曲線VR1指示。產生的淨(總)粒子間勢能通過曲線VTOT1顯示。(吸引勢能VA同樣顯示於圖3中，假定吸引勢能VA恆定不變，不受應力因子的影響。)施加應力因子的增加量導致粒子間排斥能VR的逐漸減小——例如，從曲線VR1到曲線VR2。結果，粒子間勢壘的高度VMAX也相應降低——從曲線VTOT1到曲線VTOT2。因此，分散相變得穩定性逐漸降低，導致粒子團聚作用加快。
實現用於加快的穩定性測試的新方法需要第二種因素存在。這是一種藉助於一種或多種應力因子的應用來確定分散相變得不穩定程度的靈敏、定量的方法。粒子尺寸分布參數(PSD)，既用於固體粒子也用於液滴，原理上分別提供了分散相中發生的粒子團聚作用或液滴聚結程度的一種可靠且直接的指示。(這裡使用的術語團聚作用有時在液-液乳化液時也指聚結。)如前所指，粒子/液滴團聚作用的存在是分散相不穩定程度的物理表現；不穩定性發展的趨勢越大，團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定性的方法。圖4A(實曲線1)顯示了在發生明顯粒子團聚作用之前，相對穩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)還顯示了經過一段時間後，當已經發生了可測量的量的團聚作用時—例如，在一種或多種特定應力因子應用到分散相之後，同一樣品的PSD的簡化圖。如果團聚作用的增加是適度的，表明朝著不穩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當非常小。
在實踐中，用於確定PSD的技術必須足夠靈敏到能定量檢測所討論的分散相團聚作用狀態的相對較小的變化。如果採用的技術對與粒子/液滴團聚作用的相對較小的增加有關的PSD的變化缺乏足夠的靈敏度，那麼本發明新方法所採用的基本原理可能是不恰當的。在這種情況下，施加到分散相的應力可能需要比為了在相對短的時間後產生足夠的團聚作用來允許檢測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幹擾—，導致兩種潛在的問題。第一，這種假定大應力可導致分散相的「好的」和「次等的」樣品變得如此不穩定，以致於它們在很短的時間段內都呈現出基本相同的很大程度的團聚作用。而後，即使不是不可能，可能也很難量化兩種樣品的質量-穩定性差別。第二，潛在的更令人不安的是，較大的應力應用給分散相(所述分散相承擔了改變乳化液或分散相基本特徵的風險)，以便於在開始時，相對於物理化學結構或特徵，兩種待比較的樣品不再密切相似。
單粒子光學傳感技術，或者SPOS，理想地適合檢測並量化與眾多的超大粒子團聚作用或聚結球的較小增加有關的PSD「尾部」增加的任務，所述超大粒子團聚作用或聚結球在加快的分散相去穩定的早期階段產生。SPOS技術(也稱作光學粒子計數或OPC)之所以有吸引力，很大程度上是因為它如此靈敏即，它響應於感興趣的尺寸範圍中的單個粒子。當光單獨穿過一個嚴格定義的感光區(OSZ)時，消光(LE)或光散射(LS)的物理學原理可用於檢測並確定懸浮於液體中粒子的尺寸。在LE方法中，產生的信號包括高度為ΔVLE的負向脈衝，其與相對較大的背景電壓電平V0疊加。在LS方法中，產生的信號包括高度為ΔVLS的正向脈衝，其理想地與零背景電壓電平疊加。在任一情況下，假定適當設計的傳感器，脈衝高度隨粒子直徑d單調增加。因此使用預定的ΔVLE與d或者ΔVLS與d「校準曲線」，粒子或液滴可通過它們的測量脈衝高度來確定其尺寸，所述校準曲線通過使用一些已知的均勻直徑的「標準」粒子(典型地為聚苯乙烯乳膠)獲得。
依靠傳感器的光學設計，LE型SPOS技術典型地提供了最大的粒子尺寸範圍。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)，Santa Barbara，CA)提供了1.3到400μm的正常尺寸範圍，並理想地適於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果。)由於不存在大的背景電壓V0，以及通過增加光源強度來增加給定粒子尺寸的脈衝高度的能力，通過使用LS方法可使較低尺寸的檢測閾值顯著降低。然而，在實踐中，LS型傳感器缺乏採用LE方法很容易獲得的尺寸上限。如果需要，在混合傳感器設計中可以將LE和LS方法結合，從而可產生稱作「LE+LS」的「累加」響應，如Wells等人在美國專利5,835,211(1998)中所述。這種方法既產生尺寸的下限，又產生了寬的動態尺寸範圍(例如0.5到400μm)，這些特徵在一起是不能通過使用LE或者LS的原理單獨獲得的。
相對於用於產生校準曲線的標準粒子的特徵，研究的粒子或液滴的光學特性的差別—特別是折射率的差別，必然導致採用SPOS技術得到的「表觀」PSD與實際或真實的PSD之間的不一致。在採用LS方法的情況下，這種不一致可能相當大，如果粒子相對於周圍液體的折射率「對比度(contrast)」基本不同於標準粒子的對比度，則需要進行理論校正。幸運地是，利用LE方法，對絕大多數感興趣的樣品來說，響應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PSD的可靠代表。因此，測量的樣品真實PSD的「尾部」的生長，常常提供了由於應力誘導的分散相不穩定所產生的過大團聚作用或聚結的液滴/球體數量的實際增加的質量上以及數量上的很好描述。
有許多與有益於簡要討論的SPOS技術相關的另外的特徵或需要。第一，絕大多數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，其分散相常常至少為全部樣品的1％，並且甚至有時候高達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。產生的合併/變形的信號脈衝引起測量脈衝高度的系統性膨脹，並從而引起在PSD尾部中相較大的尺寸偏移。結果，可適當加重PSD形狀的扭曲(即使不是全部)，也使大部分直徑範圍高於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的嚴重扭曲，以及避免相應地在計算的分散相(「PDP」，將在下面討論)體積百分比中產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，這有賴於固定、預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，假設事實是絕大部分(典型地＞99％)包括分散相的粒子在d0以下，使用SPOS-LE技術，是否能夠可靠、合理的準確測量PSD的大直徑的尾部—即高於合適閾值d0的直徑d。即使當感興趣的較大粒子/液滴足以稀釋到其濃度能夠保證它們一次穿過感測區，但是這些大量的較小的粒子總是同時通過OSZ。幸運地是，對大多數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(假設樣品已經被充分稀釋)。關於測量PSD尾部的需要，這有助於形成其顯著的固有特徵中的一種。對於大於大約5μm(假定具有足夠的對比度)但小於OSZ的厚度的粒子，脈衝高度ΔVLE粗略地與直徑的平方成比例。當粒子變得越來越小並達到光源的波長λ時，負責消光的物理機制由簡單的幾何折射變成光散射，由Mie散射理論所描述。脈衝高度大約以減少的d的4次方的速度迅速下降。最後，對於在「Rayleigh區域」中的較小粒子—即，d＜＜λ(≈0.7μm，對於典型的傳感器來說)—脈衝高度下降到d的6次方的程度。出於所有的企圖和目的，甚至大量的這些粒子被SPOS-LE測量有效忽略。
因此，在實踐中，儘管與感興趣的較大粒子(d＞d0)的數量相比，通過OSZ的尺寸減小的粒子通常數量巨大，但對PSD尾部的影響可忽略不計，如SPOS-LE所測量的那樣。當然，這種推斷假定樣品懸浮液已經被稀釋到足夠及合適的程度。這種較小粒子的有效不相關性可通過在較低濃度下再次測量PSD尾部來確認。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(#)表示的PSD尾部將彼此基本相同並重疊。當然，這種等同與由於待計數的給定尺寸的粒子數量不足產生的統計學的波動無關——通常與測量最少粒子時的最大尺寸相關。
通過上述討論，很顯然，藉助於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技術能很好的適於確定與分散相中不穩定性加快有關的較小的粒子團聚作用的增加。在本發明的內容中，該技術的明顯缺點——即，當粒子基本小於測量閾值d0時——它的靈敏度的缺乏變成了獨特的優點。「部分PSD」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。數量的微小變化，或者甚至與測量的PSD尾部相關的體積分數現在更大。因此，相對於其它有效響應於包括分散相的全部粒子的「綜合」技術，SPOS-LE檢測技術的「增益(gain)」充分增加了。因此，SPOS技術能夠將圖4A中相對於樣品「1」的樣品「2」所示的PSD的小的絕對變化，轉變成大得多的相對變化(d＞d0)，見圖4B。
雖然用於實現本發明方法的SPOS技術有顯著的優點，但認識到也可有效地採用其它用於粒子尺寸分析技術來表徵與樣品的不穩定開始有關的粒子團聚作用的數量變化很重要。SPOS的一種替代是同樣響應於單個粒子的技術—「電阻孔」方法，也因其商業名稱「CoulterCounterTM」或者「MultisizerTM」(Beckman-Coulter Corp.，Hialeah，FL)，以及「ElectrozoneTM」(Particle Data Inc.，Elmhurst，IL)而知名。懸浮於略微導電液體(即水加電解質)中的粒子一次穿過一個非常小的孔，引起通過後者的電阻瞬間增加。所產生的電流中的負向脈衝的高度理想地隨著粒子體積瞬間增加。儘管與SPOS相比其主要優點(即對粒子的光學特徵相對不靈敏)與SPOS相比，電阻孔技術具有許多缺點。這些缺點包括需要水相中相對濃縮的電解質水平、對堵塞的易感性、相對較低的粒子計數率以及相對較小的動態尺寸範圍。下面將看出這些缺點中的第一種缺點特別嚴重，假設在感興趣的分散相中系統性地加入鹽構成了本發明的一個重要實施例。
可考慮將其它的粒子尺寸測定方法與下面描述的系統性地對樣品去穩定的方法結合使用。可替換技術的最通常的例子是那些基於「綜合」方法的技術—即，能同時有效地響應於所有尺寸的粒子。一個例子是動力學光散射(DLS)，也稱為光子相關分光術(PCS)。通過懸浮於液體中粒子的隨機布朗運動或擴散引起的散射光強(以給定散射角)的臨時波動可採用強度自相關函數來分析。通過一種或多種算法，後者在算術上是「可逆的」，來得到估計的PSD。另一種潛在的可行技術是「雷射衍射」，通常包括兩種結合或分別使用的物理技術，即大角度Mie散射和前方位角Fraunhofer衍射。採用適當的算法，基於角度的衍射強度「模式」再次「轉化」，得出估計的PSD。可考慮實現本發明教導的方法的粒子尺寸分析的綜合技術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，當與適當的轉換算法結合時，可用於獲得PSD的估計。
理解存在不正常地與粒子尺寸本身的測量相關的其它分析技術這一事實很重要，其可以有效地用於實現本發明的方法。所有需要的是這些響應於粒子團聚作用(或液滴聚結)的變化、具有足夠靈敏度並可複製的替代技術，所述粒子團聚作用由一種或多種應力因子用於正在研究的分散相產生(如下所述)。一個例子是公知的經典光散射技術。通常由雷射光源產生的光束穿過適當濃度的樣品(即避免由於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，並檢測其合適的角度範圍，理想地選取所述合適的角度範圍來產生隨著與不穩定的開始有關的大粒子團聚作用的「尾部」生長而單調增加的信號響應。因此，散射強度提供了採用SPOS或一些進行粒子尺寸分析的其它技術(包括綜合方法)直接得出的實際PSD的「代表」。
可用作粒子尺寸分析器的代表技術的第二種例子是，濁度分析法或者分光光度測定的簡單方法。適當波長或者波長範圍的光束穿過給定厚度(即光路長度)以及適當濃度的液體樣品。光束強度衰減的程度與潛在的PSD相關。假定已經優化光學設計，樣品的濁度或者光密度理想地隨著與不穩定的開始有關的大粒子團聚作用的「尾部」的變化而單調增加。濁度測定和光散射技術可被粗略看作互補；也就是說，隨著粒子團聚作用的增加，前者的透射光強度減少，而與後者相關的強度增加。
儘管這些以及其它綜合技術已經有效地應用於許多基於粒子的樣品中，但可以證明這些綜合技術對實現本發明所教導的方法用處不大。與SPOS相比，這些綜合技術對粒子團聚作用的數量的較小變化必然更加不靈敏，假定事實是(本質上)這些綜合技術響應於包括分散相的所有尺寸(在相關尺寸範圍內)的粒子。然而，依賴於研究的特定分散相和採用的應力因子，這些替代的技術可被證明對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明的方法而選取的例子涉及將SPOS-LE技術用於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。
為了說明作為本發明主題方法的預測能力，討論特定分散相和乳化液對各種應力因子的響應是有用的。在這些例子中，我們選擇了代表幹擾粒子間勢壘高度，以便以系統方式加快這些分散相的不穩定的開始，並由此鑑定次品的不同機制的特定情形。一個這樣的機制包括通過改變pH—例如「酸應力」，來減少粒子或液滴上的表面電荷。這種是將酸還是將鹼應力施加到給定分散相中的決定由用於穩定系統的乳化劑或表面活性劑的類型確定。對於含有帶負電荷粒子(例如，在典型的6.5到9的pH範圍內由陰離子表面活性劑包被)的穩定分散相來說，加入的酸(導致pH和表面電荷都減小)是一種合適的應力因子。相反，對於含有帶正電荷粒子(例如，在典型的4到6.5的pH範圍內由陽離子表面活性劑包被)的穩定分散相來說，加入的鹼(導致pH增加以及表面電荷減小)是一種合適的應力因子。用於誘導系統中不穩定性加快的第二種機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「氯化鈣應力」。最後，用於減少粒子間排斥勢能的第三種機制包括將運動的帶電離子加入到系統中—例如「氯化鈉應力」。水相中的這些非吸附、自由擴散的離子用於屏蔽帶電粒子間存在的引起粒子間排斥力增加的靜電場。
可系統地施加應力以允許成功地加快穩定性測試的產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，其含有分散於水中的乳脂滴。脂肪滴通過包被一種中等分子量的(大約23,600道爾頓)、經由其帶陰離子的胺基酸頭部基團的離子化表現出它的初步乳化作用的牛酪蛋白的蛋白質，該脂肪滴被電荷穩定。除了向脂肪滴中施加淨負電荷，從而提供液滴內部的靜電排斥外，酪蛋白分子可通過位阻機制提供抗聚結的額外穩定性。市場上購買的牛奶通常具有大約兩周的儲存期。均質分散相的質量可採用簡單的感官估計來定性評估。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」的終產品。牛奶的酸味表明分散的失敗，並且理想的是這種情況的發生與印刷在容器上的有效期(ED)相一致或者在其之後立即發生，儘管在實踐中這種情況極其少見。
研究了來自單個生產商的三個不同批次的全脂奶，並通過它們的ED進行鑑定—具體是6月8號(「0608」)、6月12號(「0612」)和6月15號(「0615」)。作為參考點，第一次研究分別開始於生產商指定的批次#1、批次#2和批次#3的存儲期之前的1天、5天和8天。對於每個實驗，通過視覺檢查產品的相分離，並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尾部來檢查所述產品。利用基於消光的單粒子光學傳感(SPOS)技術或者「SPOS-LE」(AccuSizerTM780/APS，Particle Sizing Systems Inc.，Santa Barbara，CA)來實現粒子的尺寸分析。在所有情況下，結果以大於1.8微米(範圍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行了兩種不同的研究，並且研究了不同應力因子的效果。
第一種研究的目的在於，評估「pH應力」對全脂奶的穩定性的影響。通過對這種通常pH＝6.5、由牛酪蛋白穩定的帶負電荷的分散相加入酸而施加應力，導致微小的分散乳脂肪滴上的表面電荷減少，從而誘導團聚作用。採用由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)配製而成的標準緩衝溶液對各個批次的牛奶進行酸化。將特定體積的每種原液一起加入配製成具有期望的pH值為6.1和5.7的最終的緩衝溶液，其pH值的變化範圍為pH＝2.2-7.8(即這兩種溶液混合可能產生的pH值)，如McIlvaine在J Biol Chem，Vol.49，p.183(1921)中所述。緩衝的牛奶樣品與適量「McIlvaine緩衝混合物」以1∶1的體積比混合。因此，這些樣品的最終類脂物(lipid)濃度等於未緩衝的對照的一半。結果，將計算的每種緩衝樣品的體積重量PDP適當調整為作為基準的新的最終類脂物濃度。將兩種不同的緩衝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。酸應力的作用在於，通過逐漸中和吸附於液滴上的牛酪蛋白分子中的一些帶負電荷的胺基酸基團，系統地減少脂肪滴表面上的平均電荷。這種動作的結果是，系統地降低了(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的應力控制，並在加入酸後的四個不同的時間點測量PSDt＝0、80、160和240分鐘(大約)。(由於執行每次PSD測量所需的幾分鐘導致的累計延遲，每個樣品的實際經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)時對每批次進行測量，以建立其自身的「對照」PSD。然後在加入酸應力後(標記為t＝0)，利用兩種較低的固定pH水平的標準緩衝溶液pH1＝6.1以及pH2＝5.7，在所示的時間點對每批次再次進行分析。選取這些值，逐漸達到牛酪蛋白的等電點(電荷≈0)，pH≈4.7。在室溫下(23-26攝氏度)對PSD進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衝液存在時，得自全脂奶的三種對照樣品的PDP值(即，脂肪滴體積大於1.8μm，以總脂肪體積的百分比表示)相對於經歷時間t的變化。對於批次#1(「0608」，實心圓點)和批次#2(「0612」，實心方塊)來說，PDP對時間t的變化圖幾乎相同(除分散的實驗點外)。然而，對於批次#3(「0615」，實心三角)得到的圖，按照其ED值「最年輕」的樣品，與其它「老」的批次相比，表現為略高於大直徑脂肪滴的百分比。該後者的行為是有趣的，但沒有特定意義，這一點可以立刻理解。
酸應力對三種全脂奶樣品的影響產生了令人驚奇的結果，如首先參見圖6。在最低的應力水平—pH從6.5降低到6.1—批次#2(實心方塊，圖6)的PDP顯示了隨著時間的變化，較大的(即，聚結的)脂肪滴的體積穩固增加，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的變化(即聚結)。與這個結果形成鮮明對比，隨著時間的變化(而且，遠離實驗「噪聲」)，對於批次#1(實心圓點)和批次#3(實心三角)獲得的PDP基本上保持恆定，顯示在穩定性方面沒有發生可測量的變化，即使是在按照1∶1的體積比稀釋的「緩衝的樣品」中也是如此。當然令人吃驚的是，基於指示每個批次的ED值，人們可預期由於pH的降低，最老的產品(批次#1(「0608」))是表現出最大的不穩定性的產品。如果酸應力的影響足夠大(即粒子間能量勢壘的降低足夠大)，導致批次#2隨時間的變化表現出加快的不穩定(液滴聚結)，然後具有早於ED 4天的批次#1，將表現出相同甚至更糟的行為。這顯然不是實情。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，基於在將酸應力施加到這兩種樣品中之後得到的PDP值，顯然在測試前，與批次#1中的牛奶相比，批次#2中的牛奶質量明顯變壞。這種發現代表了與基於為這兩種產品指定的ED值所預期的行為基本相反的行為。
這三批次牛奶的相同行為反映於圖7中，其顯示了從下列更強的樣品應力(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(實心三角)的PDP值在240分鐘之後增加到大約1.4％。這種行為一點也不奇怪。一旦由於應用了給定水平(即ΔpH)的特定應力因子(例如pH減小)，樣品表現出不穩定，應力水平越高(即ΔpH越大)，響應也就越大(即PDP越大)。然而，令人驚奇的是這樣一個事實由於這種更大的酸應力水平，在批次#1(實心圓點)的行為中仍然沒有可觀察的變化。最後，並且一點也不奇怪的是，在ED之前全部8天內，更高水平的酸應力對三批次牛奶中「最年輕」的批次#3(實心三角)得到的PDP值基本上沒有可測量的影響。
圖5-7中所示觀察的計算的PDP對每批次牛奶的時間變化和酸應力水平(pH)的依賴性概括於表1中。對每個pH值和每批次牛奶的PDP隨時間t變化的數據所執行的線性回歸分析的結果也概括於表1中。批次#2(0612)對每種酸應力(pH)水平呈現了，非常高的相關係數r值(即非常接近理想值(r＝1))與PDP和經歷時間t之間近乎完美的相關性一致。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數據的最小二乘線性擬合得到的與每個減小的pH值相關的所示斜率值，提供了批次#2次等的有效定量測量—即在應用酸應力因子後它多快地去穩定。為了實現對由應用特定水平的應力而在樣品中誘導的不穩定性的定量測量，將斜率的增加(即相對於對照樣品)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，強化了在本發明中概述的加快的應力測試方法的預測值，並認可了先前為該樣品得出的不穩定或者次等的結論。如前面定量討論的那樣，對於批次#1或#3來說，對於任何應力水平(即，任何減小的pH值)，計算的PDP值和經歷時間之間沒有發現如此強的相關性。回歸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驗結果相關聯。
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結果顯示於圖8中，從該PSD結果計算圖7中的PDP值。在對批次#2施加pH＝5.7的酸後，大約經過0、80、160和240分鐘的時間後得出四種直徑較大(＞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(液滴)相對於粒子直徑(μm)。由於對樣品施加的酸或低的pH應力引起的液滴逐漸聚結，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的脂肪球的絕對體積分數的微分分布。分散相中每個液滴直徑的體積分數隨時間的增加而增加是很明顯的。每種樣品的所有體積分數的累積總和(對於所有的粒子直徑)產生了圖7中所繪的批次#2(pH＝5.7)的每個PDP值。總的說來，相對於測試為優等並基於它的早先指定的有效期(ED)而已經假定為首先變質的較早批次，通過施加酸應力降低脂肪滴的表面電荷導致對相對次等的牛奶產品的明顯識別。為了揭示這些未預期的結果，需要對這些批次施加應力，因為在不存在酸應力時的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/分散相的系統地、逐漸增加地施加應力的新方法與分散相中大粒子或液滴在體積分數方面所產生的小變化的靈敏測量相結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於第二種應力因子—加入吸附電解質，允許帶適當電荷的離解的離子能夠吸附於脂肪滴的表面上。特別地，將氯化鈣(CaCl2)(一種無機的二價鹽)加入到牛奶樣品中，引起一些離解的Ca++離子與液滴表面結合。施加應力的樣品採用由包括0.2M(29.4g/L)二水氯化鈣(CaCl2·2H2O)的標準原液配製。為了產生期望的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)。結果，為每種施加了鈣應力的樣品計算的體積-重量PDP被適當調整到基準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。與在第一種研究中採用的酸應力因子相同，該第二應力因子被設計為減少液滴上的淨電荷，從而降低液滴間能量勢壘的高度並促進液滴聚結。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++離子吸附於帶相反電荷的液滴表面(通過已經吸附的牛酪蛋白分子而在pH6.5下帶負電荷)，引起每個粒子上的電荷的淨減少。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合的Ca++離子數就越多，並且所述樣品上產生的平均電荷就越少。(該結論假定加入的Ca++濃度並沒有高到引起電荷「反轉」，從而導致在粒子的表面帶淨正電荷。)因此，對於第一近似，通過加入CaCl2而對牛奶樣品施加應力可具有與在第一種研究中加入酸作為應力的相同的效果—即減少了脂肪滴上的淨電荷，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—即由於離解的可移動Ca++和Cl-離子在牛奶的連續水相中擴散，與帶電粒子有關的電雙層厚度潛在地顯著減少(並且因此重疊)。這種屏蔽機制具有進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定應力。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生的聚結相比，這種機制的增加可引起更快和更強烈的液滴聚結。
第二種研究在酸應力研究完成之後兩天進行。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(等於0.005M和0.01M)的「鈣應力」。每個批次提供它自己的「對照」—即，不存在添加的CaCl2。在24小時的時間段內六個不同的時間間隔對牛奶樣品進行研究，而且與前面相同，所有樣品在室溫下進行分析，在分析之間冷藏所有的樣品(4-8攝氏度)。在圖10-13中概述了離子誘導對分散相的穩定性與脂肪滴聚結的對比的影響。圖10中概述了在24小時期間內，批次#1(「0608」)、「對照」樣品(沒有加入CaCl2，實心圓點)和加入了濃度為0.005M(實心方塊)和0.01M(實心三角)兩種濃度的CaCl2的PDP隨時間變化的計算值。採用與圖10中相同的標記，圖11概述了批次#2(「0612」)的結果，以及圖12概述了批次#3(「0615」)的結果。圖13是圖11的壓縮版，允許批次#2，CaCl20.01M(實心三角)的全部數據點集都被繪出。
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「施加鈣應力的樣品」中，其穩定性也沒有發生可測量的變化。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不足以明顯地使批次#1和#3去穩定。然而，這種最低水平的鈣應力使批次#2的PDP值(除t＝0外)產生了可測量的增加，如圖11所示。與超過指示的ED一天的批次#1相比，批次#2再次顯示了其在應力下的次等的特性，儘管事實上在其指示的ED前還剩餘3天。
將這些結果與當加入的CaCl2濃度加倍到0.01M時所得到的相應結果相比較是有意義的。在批次#1(圖10，實心三角)的情況下，這種升高的應力水平產生了明顯的依賴於時間的PDP變化，從在t＝0時的剛好低於1％到t＝24小時時大約為1.5％。儘管該樣品先前在分析的時間段內對施加到它的酸應力水平有抗性，批次#1明顯受到這種更高的鈣應力水平的影響—可能與其老化(即超過其ED)有關。重要地是，應當指出，儘管產品老化，仍需要最高濃度的CaCl2應力因子來使批次#1去穩定。在批次#2(圖11，實心三角)的情況下，更高的應力水平還產生了PDP的明顯依賴於t的變化，反證了觀察的批次#1隨時間變化達到並包括≈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(實心三角，PDP的比例壓縮了5倍)，24小時後幾乎達到7％。(在該點還有很濃的酸味證明。)這種結果與先前得到的批次#2的結果基本一致，再次肯定地建立了其關於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小時之後測量的PDP對加入的CaCl2為逐漸變大的非線性的響應，這種氯化鈣應力水平不可再被認為是對批次#2情況下的分散相的「小」幹擾。(在這種情況的濃度條件下，甚至先前穩定的批次#1也「崩潰」。)在批次#3的情況下(圖12，實心三角)，在整個經歷的時間段內，更高的應力水平僅僅使PDP產生了微小變化，這與這是「最年輕」的牛奶產品並且因此(一點也不奇怪)它是最穩定的這一事實相一致。
圖10-13中顯示計算的PDP對時間變化和鈣應力水平，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數據進行的線性回歸分析的結果也概述於表II中。批次#2(0612)對每種鈣應力水平[CaCl2]都顯示出了接近理想的相關係數r值。具體地，[CaCl2]分別等於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。利用酸應力，為了得到在樣品中施加給定應力水平而誘導的不穩定的定量度量，將斜率的增加(即相對於對照樣品)除以加入的[CaCl2]的值是有用的。批次#2的r值相當接近一致的這一事實再次強化了本發明概述的加快應力測試方法的預測值，並再次認可了先前對該樣品得出的不穩定或者次等的結論。如同上面定性討論的那樣，在採用最高應力水平[CaCl2]＝0.01M時建立了批次#1的計算的PDP值和經歷時間t之間的相似但不十分強的相關性(r＝0.897)。相比而言，同時，由於批次#3是三種樣品中最年輕並假定為最穩定的這一事實，響應於批次#3，僅僅建立了PDP對t的中等強度的相關性(r＝0.639)。採用最高[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，表明對於這種鈣應力因子可能存在「閾值」限。在該水平，在所有批次的牛奶中都誘導了不穩定，而不考慮它們本身的質量。
在關於涉及鈣應力的第二種研究的討論的結尾，在加入產生圖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))顯示於圖14中。圖11中明顯的PDP值隨時間增加到高達≈12小時的逐漸增加，可看作是圖14中相對小的「細節」，其PSD尾部彼此非常相像。24小時後，與圖13中所示的這一時間PDP的非常大的變化相對應，這些變化由於觀察的尾部的巨大變化而變得矮小。這6個PSP尾部的絕對體積分數的相應圖示顯示於圖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。這些鈣應力實驗的結果表明了加入的鈣離子對全脂奶穩定性的影響是時間相關和濃度相關的，再次證明對批次#2來說指定的儲存期(ED)與應力下所觀察到的穩定性缺乏一致性。在這種情況下，看起來當所有的製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)對增加的應力水平的響應再次明顯大於其它批次。如同較早討論的那樣，同酸應力的情況相比，與鈣離子吸附到液滴表面相偶連的額外屏蔽機制引起更快且更強烈的液滴聚結。
上述回顧的應力研究的結果明顯證明了這種新的加快應力測試方法檢測同一加工廠生產的三個不同批次的牛奶之間的顯著差別的能力。本發明新方法的應用通過兩種不同類型的應力因子研究了不同牛奶樣品質量的差別。每種應力因子都具有降低負責將液滴聚結率降到最低，從而確保產品在一段可接受的時間段內穩定性的液滴間勢壘的相對高度VMAX/kT的作用。儘管每種應力因子降低相對勢壘高度的機制不同，但在每種情況下，從穩定性觀點看，與其它批次相比，批次#2的牛奶都明確地被鑑定為次等。因此，很顯然，這裡教導的新方法能夠在定量和定性的基礎上辨別採用常規的現有方法可能不能可靠鑑定的分散相和乳化液之間穩定性或質量的差別。而且很顯然，商品指定的常規的有效期，甚至是那些嚴格建立起來的有效期也未必有效。
為了進一步說明這種分散相的加快應力測試新方法的普遍適用性和效果，概括得自應用於另一類型的水包油型乳化液的相同研究的結果是有用的。分散相由植物油滴組成，由陰離子表面活性劑穩定，被利用來將負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力因子從與上述施加到牛奶研究中的應力因子所代表的機制不同的機制來獲得它的有效性。施加應力的樣品以前面的方式進行分析，採用基於消光(即SPOS-LE)的粒子尺寸分析(SPOS)，並且結果同樣以大直徑(範圍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(三個不同的實驗)，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)混合物對乳化液穩定性的影響，將低濃度(0.05M)單價陽離子(Na+、K+)的混合物和低濃度(0.003M)二價陽離子(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。這種在這些實驗全過程中使用的去穩定的陽離子的基本混合物此後被稱作「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採用前述方式，通過在t＝0時刻時(即在加入混合離子種類後立即進行)的PSD的測量來評估。在8、16、20、24和28小時後，在室溫下(23-26□)再次測量分散相。得到的PDP與t的行為總結於圖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的開始(在大約20小時(1200分鐘)後出現)。其後得到的PDP值明顯變短。建立「對照」試驗，即將低濃度的混合離子種類加入到植物油乳化液中導致其變得不穩定，但僅僅在大約24小時的經歷時間之後才明顯表現出來。
為了進一步評估這裡教導的新方法的有效性，將不同應力因子系統地施加到這種電荷穩定的植物油乳化液中，以確定它的不穩定特徵是否在遠快於20小時內被可靠地確定(即，在極大加快的基礎上)。這些應力因子之一是控制加入簡單的單價鹽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於一些加入的Ca++離子的結合而減少，NaCl加入到分散相中將不會導致Na+離子與帶負電荷油滴的可評估的結合。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，收縮了與液滴有關的電雙層)，從而促進了它們的聚結。當使用簡單的單價鹽NaCl來描述部分屏蔽粒子間靜電排斥時，應當理解，簡單的二價或三價鹽也可用於部分屏蔽靜電排斥。
在第二系列實驗中，將「混合離子種類」的基準量(與前面使用的濃度相同)加入到上述剛剛討論的實驗(即「基準」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)採用剛討論的僅僅屏蔽的機制，系統地對批次施加應力。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等於批次#1加入水平增加的鹽應力。)結果，為每種施加了鹽應力的樣品計算的體積-重量PDP被適當調整到新的基準最終類脂物濃度。然後與前面相同，通過測量的PSD來評估室溫下(23-26□)每批的穩定性，但在五個不同的時間點t＝0、60、120、180及240分鐘(大約時間)。該研究被設計為，通過大約以時間長度的順序—即從20小時到僅僅1-4小時，系統地加快明顯、可測量的油滴聚結的開始。
這些測量的結果概括於圖17中，顯示為每個時間點和加入的NaCl濃度得到的PDP值0M(「對照」，空心圓點)；0.05M(實心圓點)；0.1M(實心方塊)；0.15M(實心三角)。顯然，加入的NaCl濃度的增加導致PDP值中存在分級、加快的增加。施加的應力水平越高，明顯的油滴聚結的開始就越快。在最高的應力水平(即加入0.15M的NaCl)實際上存在最早時間點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—僅僅大約5分鐘—已經明顯去穩定。顯然，通過明智地選擇應力水平(即加入的NaCl濃度)，這種樣品可用於揭示在比不存在可計量的應力(即＞20小時，圖16)時所需的時間短得多的時間段內其潛在的不穩定程度。
表III中概括了觀察到的加入了去穩定混合離子種類(圖17中所示)的植物油乳化液的計算PDP對經歷時間和鹽應力水平[NaCl]的依賴性。對[NaCl]的每個值的PDP與t數據執行的線性回歸分析結果也概括於表III中。對所有[NaCl]應力水平都得到了接近理想的相關係數r值。具體地，當[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(即相對於對照樣品)除以加入的[NaCl]濃度，以達到對通過在樣品中加入給定應力水平來誘導的不穩定的定量度量是有用的。對於全部三個[NaCl]值的所有r值如此接近一致的事實再次強化了本發明概述的加快應力測試方法的預測值，並認可了得自該樣品的不穩定結論。由於加入了混合的離子種類，見圖16和前面的討論，在大約20小時後已經觀察到這種植物油乳化液變得不穩定。系統地加入明顯的、不同數量的NaCl發揮其所能起的作用—即，加快分散相的可重複的不穩定性的開始。
在第三種實驗中，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，形成與前面的實驗中使用的相同的「基準」分散相。與此同時(t≈0)，系統地對批次施加酸應力(即降低pH)，與前面討論的在一種牛奶穩定性研究中使用的技術相同。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定，等電點(pH)大約為3.2。通過對這種由在低於較低的酸條件下誘導淨負電荷的陰離子表面活性劑所穩定的分散相加入酸來加入應力，導致在細微分散的牛奶液滴上的靜電電荷減少，從而誘導其團聚作用。未施加應力的最初樣品的pH為6.56。將逐漸增加量的酸應力加入到乳化液的批次中(含有常用的去穩定陰離子種類的混合物)，等價於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。與前面的實驗相同，通過在五個不同的時間點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，該研究被設計為加快明顯、可測量的油滴聚結的開始。計算的每種施加了鈣應力的樣品的體積-重量PDP被適當調整到新的基準最終類脂物濃度。
這些測量的結果概括於圖18中，顯示了對於每個時間點和降低的pH值得到的PDP值pH＝6.56(「對照」，空心圓點)；pH＝5.65(實心圓點)；pH＝5.13(實心方塊)；pH＝4.46(實心三角)。圖18中顯示的PDP圖與從施加了NaCl應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定程度所需的時間幀內的加快與從施加了NaCl應力的分散相中得到的情況相似。施加的應力水平越高，明顯的油滴聚結的開始就越快。在最高的應力水平，pH＝4.46，在最早時間點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(大約5分鐘)已經再次明顯地被去穩定。與前面相同，通過明智地選擇應力水平(在這種情況下，由於加入HCl導致pH降低)這種分散相揭示在比不存在可計量的應力所需的時間短得多的時間段內其潛在的不穩定程度。
表IV中概括了觀察到的加入了去穩定混合離子種類(顯示於圖18中)的植物油乳化液的計算PDP對經歷時間和酸應力水平(pH)的依賴性。對每個pH值的PDP與t數據執行的線性回歸分析結果也概括於表IV中。再一次，對所有酸應力(pH)水平都得到了接近理想的相關係數r值。具體地，當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(即相對於對照樣品)除以加入的pH的變化(ΔpH)，以達到對通過在樣品中加入給定應力(pH)水平來誘導的不穩定的定量度量是有用的。對於降低的pH的所有三個值的所有r值如此接近一致的事實再次證明了本發明概述的加快應力測試方法的預測值，並認可了從該樣品得出的不穩定結論。系統地加入明顯增加數量的酸發揮了其所能起的作用—即，加快分散相可重複的不穩定的開始。
上述實驗驗證，其中將專門、嚴格定義的應力因子系統地應用到兩種不同的電荷穩定的乳化液，並通過靈敏及定量的裝置來確定「分散相百分比」或者PDP作為隨經歷時間的函數，以形成本發明方法的三種優選實施例的基礎。下面描述的每個實施例以系統地將不同的、特定應力因子應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上的穩定性。
本發明方法的第一實施例，以圖表的形式顯示於圖19中，利用包括pH的對照變化的應力因子「A」，—即，涉及所討論的分散相或乳化液的連續相的pH升高或降低。在該實施例中，通過改變其pH對初始樣品施加應力引起粒子(或液滴)表面上的平均電荷量減少，導致粒子間勢壘高度VMAX降低，並引起相鄰粒子之間不可逆的團聚作用(或者相鄰液滴聚結)速率相應加快。選擇是增加還是降低樣品的pH取決於粒子(或液滴)在它們正常的不受幹擾的狀態下所攜帶的淨電荷是正電荷還是負電荷。如果未受幹擾的分散相的pH大於「等電點」或者IEP(即，粒子上的電荷接近於零時的pH值)，粒子攜帶淨的負電荷。在這種情況下，應力因子包括以一個或多個預定的增量降低樣品的pH。這種系統的滴定通過加入一種或多種測量的濃酸量(「純」的或者緩衝的形式)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，相應地減少了粒子或液滴上的平均電荷，從而導致粒子團聚作用或聚結的傾向相應地增大。
相反，如果初始分散相的pH低於IEP，粒子攜帶的淨電荷為正。在這種情況下，應力因子包括通過系統地加入濃鹼(同樣為純的或者緩衝的形式)，以一個或多個預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，最終達到與通過將酸加入到含有帶負電荷粒子的分散相得到的結果相同—即，在加快的基礎上，將分散相逐漸「推」向不穩定，表明了更迅速的粒子團聚作用或聚結。
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，這有賴於穩定性測試的特定設計。被稱作100的樣品等份構成穩定性測試的「對照」，因為沒有對其施加任何應力(酸或者鹼)。在測試方案中包含這種對照樣品並不是嚴格必須的。然而，假設樣品組成具有一個生產階段到另一個生產階段經常發生的易變性，通常期望在測試步驟中包括未施加應力的樣品。這樣，新的加快應力測試方法可靠地檢測粒子團聚作用的微小變化的能力潛在地增強了，並表明了每個批次的質量。
在加快的應力測試的開始，此後稱作t＝0，在111時將特定量的酸或者鹼加入到N＝1樣品等份中。在酸應力適合的情況下，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，但可在加入應力因子後計算(基於樣品等份的體積以及用於影響pH減小的濃酸或緩衝液的pH和體積)出來。替代地，由於加入的鹼的影響，在初始分散相的pH增加增量ΔpH1的情況下，產生的分散相的pH可表示為pH1＝pH0+ΔpH1。
如圖19圖解所示，將包括加入酸或者鹼(任何一種都合適)的應力因子「A」應用到待測分散相的N種不同(理想地，可鑑別)等份111、112、....11N。在一些情況下，所討論的分散相可具有相當好的特徵描述和/或可預測性(例如，在對行為良好的生產過程的常規監測期間)，以至於僅需要施加單一水平的應力—即，±ΔpH1，以確定其穩定性，或者缺乏穩定性。在這些情況下，N＝1就足夠了。然而，當對新產品或者改進產品進行評估時，如這裡描述的各種例子所示，為了獲得一系列獨立的PDP結果，至少應當將兩個(即，N≥2)水平的增加應力施加到初始分散相中，可能會得到更大的準確性和可靠性。在最小的情況下，額外的應力增量的應用—即，±ΔpHI，其中I＝1、2、...N，-可產生最終PDP測量的更大的可靠性，因而得到了關於樣品穩定性結論的更大的可信度。通常，如果將N種不同水平的應力因子「A」應用到分散相中，產生N種施加了應力樣品等份的pH值可描述為在施加酸應力的情況下，pHI＝pH0-ΔpHI，或者在施加鹼應力的情況下，pHI＝pH0+ΔpHI，其中I＝1、2、...N，並且ΔpH1＜ΔpH2＜...＜ΔpHN。
在將N種不同酸或鹼應力加入初始樣品等份之後，每個等份的粒子尺寸分布(PSD)以及未施加應力的對照(#0)樣品，採用具有足夠靈敏度和解析度的粒子尺寸分析技術在12步驟時測量。出於上面已經討論過的原因，優選典型地基於消光(LE)原理，但也可任選地基於光散射(LS)的原理，或者二者結合(「LE+LS」)的SPOS技術，這取決於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範圍，d≥d0，其定義了包括PSD的最大粒子的「尾部」。基於期望的最大分析時間和樣品稀釋的程度，閾值d0選擇為將最終PSD的統計學意義(即信/噪比)最大化。典型地，用於每個樣品等份的PSD測量在施加酸或者鹼應力因子之後立即進行(即，儘可能快)。然而在一些情況下，可能期望在將應力因子施加到特定樣品之後，在開始測量PSD之前等待一段特定長度的時間。基於用於執行應力測試的裝置的複雜性，可一個樣品等份接著另一個樣品等份地連續測量PSD，或者並行測量，幾乎同時採用多個獨立的傳感器及相關儀器來執行每次SPOS測量。
在測量每個樣品等份的PSD(d≥d0)之後，立即通過每個測得的PSD在13步驟時計算與經歷時間和應力水平(ΔpH1)相應的每個樣品的「分散相百分比」或者PDP(通常也為d≥d0)。該步驟之後，在14步驟時，允許每個樣品都發生時間延遲Δt，接著再次測量PSD，並且計算每個樣品的相應PDP值。時間延遲Δt典型地選擇為對所有樣品都基本相同，但這並不是必須的。任選地，基於選擇的酸或者鹼應力的水平，它可被選擇為對一個或多個樣品不同。替代地，基於對全部系列的樣品等份執行PSD測量所需的時間，以及施加不同應力水平產生的加快的粒子團聚作用的特徵時間，PSD測量的連續系列之間的標定時間延遲可選擇為零。在後一種情況下，一系列樣品等份的PSD測量和PDP值的計算有效地變成了連續的過程，而在測量的連續系列之間沒有明顯的停頓階段。
對一系列施加了酸或鹼應力的樣品等份(包括未施加應力的對照樣品)的PSD測量和相應的PDP計算的重複循環進行足夠長的時間，使得對每種施加的應力水平，允許可靠確定作為經歷時間函數的PDP。假定施加的應力水平被明智地選取，從而對於至少最高的應力水平(即最大ΔpHI)，在期望的相對較短的時間段後，可觀察到PDP值的顯著增加。測量和計算循環的次數通常是預定的，特別是在過去已經很好地描述了關於分散相的穩定性和性能的特徵的情況下。替代地，對於有關穩定性和質量相對較新和「未知」的分散相，測量循環的次數以及因而加快的應力測試的整個持續時間都可以是「不定的」。在這種情況下，僅僅在經過足夠長的時間後中止該過程以允許對施加一個或多個應力水平(酸或者鹼)的PDP值變化進行可靠確定。如果在合理長度的時間段之後，即使是在施加應力的最高應力水平下也沒有觀察到PDP值的有意義變化，通常採用一系列新的更高應力水平ΔpHI來重複該過程。
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。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於每個給定pH值，PDP隨經歷時間t的變化率，(PDP)/t|pH。分別計算了每個施加應力(酸或鹼)水平pHI，即pH1、pH2、...PhN的這些偏導數值。在表I中顯示用於三種全脂牛奶樣品，並且在表IV中顯示用於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，並且在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)，存在對於同施加的酸應力相關的某些減小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值不僅依賴於pH值(即，隨著後者的降低而增加)，而且在適當程度上依賴於t值。在任何情況下，對於所有採用的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值的單個值所表徵。如表IV所示，當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。)存在另一種可從一系列PDP值推導的量—對於給定的經歷時間t，每單位pH變化的PDP增加，記為(PDP)/(pH)|t。這種偏導數值可計算各種經歷時間的增加值(如果需要，在實際實驗次數之間插入以獲得每個期望t值的PDP值)。對於給定t值的(PDP)/(pH)值通常依賴於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中產生數據的情況下(表I)，與pH從6.6下降到6.1((即ΔpH＝-0.5))有關的斜率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)。基於pH從6.6下降到5.7(即ΔpH＝-0.9)的相應計算的斜率值為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)。基於pH從6.56下降到5.13(ΔpH＝-1.43)的相應斜率值為0.028(60分鐘)、0.064(120分鐘)、0.089(180分鐘)和0.134(240分鐘)。最後，基於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，對於這種分散相，對於所有經歷時間值來講斜率Δ(PDP)/Δ(pH)隨ΔpH增加而增加。
總之，第一實施例的討論保留了在16步驟處對所研究分散相的「優值」的指定，以便於其穩定性可定量描述，並可與相同分散相的其它例子或者其它產品一起比較。或許定義樣品的優值或FM的最簡單和最直接方式是使用(PDP)/t|pH的計算值。對於給定應力水平ΔpH而言，穩定的分散相將產生相對較小的(PDP)/t|pH值，而次等分散相將產生相對較大的這種參數值。在分散相的pH變化了給定量ΔpHI後得到的(PDP)/t|pH值，描述了由於pH的變化分散相如何快速地發生不可逆團聚作用。因而，基於該值，可對在施加酸或鹼應力之前初始樣品的穩定性進行「分級」。對於給定pHI的增量(即ΔpHI)，(PDP)/t|pH值越大，初始樣品就越不穩定。
替代地，在給定經歷時間後PDP值對pH變化的靈敏度可用於評估初始樣品的穩定性。那就是說，FM可採用在給定的經歷時間t值(假定該時間長到足以允許加快的不穩定性來判斷其本身)計算出的(PDP)/(pH)|t值來定義。對於給定的經歷時間t值，(PDP)/(pH)|t值越大，並且施加的應力值ΔpHI相對較小，初始樣品就越不穩定。分散相對pH的給定變化的靈敏度可用於確定最佳應力水平，或者應力水平範圍，以執行加快的應力測試。
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值。它們是1)對於給定應力水平ΔpHI，測量PDP相對於經歷時間的變化；以及2)對於給定的經歷時間t，測量PDP相對於pH的變化。雖然得到的值可分別考慮，但同時還可將它們結合(線性或非線性)，形成從前兩者導出的第三值。這些計算或導出值中的一個或另一個可有用地與「基準」值(前面得出的同一產品的成功例子)或者其它可比產品的「基準」值相比較。這種比較提供了用於確定所討論的產品是否足夠穩定到允許它繼續生產、銷售和使用的方法，或者生產過程(包括原始輸入原料的質量)的關鍵方面是否需要改進或改變的方法。是單獨使用還是作為全部系列值使用(即，包含於合適的算法中)，提供了為分散相指定一個或多個FM度量並且因此評估其穩定性的方法。
圖20中圖示概括的本發明方法的第二實施例，除一點之外其餘都與第一實施例相同。唯一的差別在於它利用了不同的應力因子，該應力因子標記為「B」，包括對照，系統的加入特定的電解質的情況，該特定的電解質在離解後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致它們表面上的平均電荷減少。加入的電解質濃度越大，被吸附到粒子或液滴的帶電錶面上的帶電離子的平均數量就越大，並且在該粒子或液滴上產生的淨電荷就越低。在該方式中對分散相施加應力的淨效應與如在第一實施例中提供的通過pH的降低或升高來對其施加應力所達到的效果相同。用於實現這種電荷減少的機制在這兩個實施例中的每一個中基本不同，但就定性而言，淨效應是相同的。如同在第一實施例一樣，這種電荷的減少導致粒子間勢壘高度VMAX降低，並因此引起分散相或乳化液中相鄰粒子/液滴的不可逆團聚作用速率加快。應當指出，將吸附電解質加入到感興趣的電荷穩定的分散相中還對其具有第二種去穩定的影響。最終將運動離子(帶正電荷和帶負電荷)引入分散相的連續相中導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，獨立於由通過吸附離子引起的粒子上電荷的減少所引起的降低。這種屏蔽效應是將在下面討論的第三實施例的課題。
在實施感興趣的分散相或乳化液的加快應力測試的第二實施例時必須作出兩種選擇。第一，必須選擇合適的電解質—即，這種電解質在離解後，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。在對牛奶樣品執行應力測試的情況下，如上所討論，證明氯化鈣是電解質的一種很好選擇，因為離解的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，許多電解質都是用於感興趣的應力分散相的合適候選者(假設離子以一定程度吸附到帶電粒子/液滴上)。當然，一旦選定了電解質，第二種必須作出的選擇是加入該電解質的合適濃度範圍。可基於理論考慮來進行估計(即，採用選擇性離子吸附模型，與DLVO理論的數值預報結合)。替代地，並更典型地，適合濃度的範圍可通過感興趣的分散相的應力測試由試差法來確定。
如在圖20中所示，在第二種實施例中也採用與第一實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。唯一的不同在於，在211、212、....21N處施加到初始樣品的N個不同等份的應力因子的本質。在t＝0(標稱的「開始」)時將所選電解質的不同量的原液(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]1、[電解質]2、...[電解質]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。在將應力因子加入N個樣品等份中之後(也建立了對照樣品#0，其中沒有加入電解質)，包括每個應力測試循環的一系列過程與上述第一實施例中相同。它們是(對於每個樣品等份，包括對照樣品)1)採用合適的粒子尺寸分析技術，優選SPOS-LE，在22步驟處測量PSD(d≥d0)；2)在23步驟處計算PDP(通常也為d≥d0)；3)任選地，在下一PSD測量和PDP計算循環開始之前，在24步驟處允許經過時間Δt(通常但不必須，實質上對每一等份都相同)。
與第一實施例中相同，對於N種不同水平的施加應力(即，加入的各種濃度的電解質[電解質]I)和各種經歷時間得到的一系列PDP值，產生描述分散相對施加的應力因子的靈敏度的量的增加。這些量可用於評估感興趣的分散相或乳化液的穩定性。在25步驟處這些量中的第一個是在加入電解質[電解質]的給定濃度下，PDP隨經歷時間t的變化率，記為(PDP)/t|[電解質]。對施加吸附電解質[電解質]I應力的每種水平，即對於[電解質]1、[電解質]2...[電解質]N分別計算出該偏導數值。對於上面討論的三種全脂牛奶樣品，通過每個[CaCl2]值的PDP與t數據的線性回歸分析得到的這種「斜率」值顯示於表II中。隨著時間的增加，樣品「0608」和「0615」在最低應力水平[CaCl2]＝0.005M時，PDP基本保持恆定。對於樣品「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。對於樣品「0608」來說，在最高應力水平[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值導出的另外一種量—對於給定的經歷時間t值的每單位電解質濃度[電解質]增加的PDP增加，記為(PDP)/[電解質]|t。該值用於計算每個經歷時間的值(如果合適而且需要，在實驗次數之間插入)並將通常依賴於[電解質]—即，PDP不一定隨[電解質]增加而線性增加。然而，使用線性近似來描述PDP隨著應力水平的變化(即[電解質])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]近似。當然，假定(PDP)/t|[電解質]的斜率為正，該斜率通常隨著時間t的增加而增加。例如，在施加了氯化鈣應力的牛奶批次0612的情況下(表II)，與[CaCl2]＝0.005有關的Δ(PDP)/Δ[電解質]斜率可通過可獲得的數據來計算並隨時間增加40(80分鐘)、19(160分鐘)、23(240分鐘)和55(660分鐘)。與[CaCl2]＝0.01M有關的斜率相應計算值為44(80分鐘)、43(160分鐘)、42(240分鐘)和64(660分鐘)。
如第一實施例相同，與在第二實施例中使用的吸附電解質應力相關的部分導出的計算值—即(PDP)/t|[電解質]和(PDP)/[電解質]|t—可在26處用於建立感興趣的分散相的優值。如果定量的(PDP)/t|[電解質]用於定義FM，很明顯，對於給定應力水平[電解質]，穩定的分散相將產生相對較小的這種參數值，而劣質分散相將產生相對較大的值。替代地，對於給定的經歷時間t值，FM可採用(PDP)/[電解質]|t的計算值來定義。使用這些派生量中的哪一個，是單獨使用還是彼此結合(通過合適的算法)使用，這都取決於研究的分散相和採用的電解質應力因子的類型(以及濃度範圍)。在將氯化鈣應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)幾乎不隨時間而發生變化，但在[CaCl2]＝0.01M時顯示了適度的線性增加。被鑑定為次品的樣品「0612」的PDP(圖11和13)，在[CaCl2]＝0.005M時已經顯示了隨時間變化的少量增加，並在[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，最年輕最穩定的樣品「0615」的PDP(圖12)，在[CaCl2]＝0.005M時顯示如樣品「0608」一樣，隨經歷時間基本上不發生變化。然而，甚至是在[CaCl2]＝0.01M時，PDP僅顯示了隨時間的較小變化(即，遠遠少於樣品「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力因子，允許它們被有效並明確地「分級」。最年輕的樣品「0615」是最穩定的(毋庸置疑，考慮到它的ED)；然而，最老的樣品「0608」是第二最穩定的，而中間年齡的樣品「0612」顯示為穩定性遠遠低於樣品「0608」(這一點令人驚異，考慮到它們的ED)。
一方面，假定為實現第二實施例而選擇的電解質不產生太強的能夠被帶電粒子/液滴表面所吸附的離子。另外，加入的電解質濃度範圍可能太小，導致粒子上的淨電荷不能從非常小(處於最低[電解質])更改為最大(處於最大[電解質])。這種分散相響應於加入的應力因子的壓縮可使其難以達到PDP對電解質濃度變化、經歷時間或者二者都包括的線性響應。
本發明的第三並且最後的實施例與第二實施例相似，並且被圖示概述於圖21中。與第二實施例相似，它也利用加入的電解質(然而，現在僅僅指的是「鹽」)為初始樣品施加應力。唯一的不同在於，在採用鹽的情況下(標記為應力因子「C」)，所述鹽被假定為是一種剛一離解就產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，離解的鹽離子保留於分散相的連續相中，能在其中自由擴散。因此，在本實施例中，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定性(即，促進團聚作用)的方式與在第一和第二實施例中達到的方式不同，在後兩者實施例中，通過降低粒子表面保留的淨電荷，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相中而減小。這些離子按照熱力學平衡，以將它們作為「屏蔽」或者部分中和每個帶電粒子發出的靜電場的方式而進行分布。作為這些加入的屏蔽離子的結果，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，表徵電雙層厚度的Debye-Hückel屏蔽長度的倒數K-1減小。這種排斥靜電場屏蔽增加的淨結果是粒子間勢壘高度VMAX降低，該粒子間勢壘高度VMAX用於對分散相去穩定。
同樣，在實施第三實施例時必須作出兩種選擇。第一，必須選擇合適的鹽—即，這種鹽在離解後，能夠提供保留於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的電雙層厚度的有效性同樣高度依賴於離子的化合價，如Debye-Hückel理論所教導的那樣。)在對上面討論的植物油乳化液(加上混合的離子種類)執行應力測試的情況下，氯化鈉被證明是用於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範圍。同樣，可使用DLVO理論來進行估計。然而，典型地合適的濃度範圍可通過感興趣的分散相的應力測試，由試差法來確定。
如在圖21中所示，在第三實施例中也利用與第一與第二實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。唯一的不同在於，在311、312、....31N處施加到初始樣品的N個不同等份的應力因子的特性。在t＝0(標稱的「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。在將應力因子應用到N個樣品等份中之後(對照樣品中沒有加入鹽)，包括每個應力測試循環的一系列過程與上述前兩個實施例中相同。它們是(對於每個樣品等份，包括對照)1)使用合適的粒子尺寸分析技術，優選SPOS-LE，在32步驟處測量PSD(d≥d0)；2)在33步驟處計算PDP(通常也為d≥d0)；3)任選地，在下一PSD測量和PDP計算循環之前，允許在34步驟時經歷時間Δt(典型地，但不一定，基本上對每一等份都相同)。
與前兩個實施例中相同，對於N種不同水平的施加應力(即加入的各種濃度的鹽[鹽]I)和各種經歷時間獲得的一系列PDP值，在35步驟處產生描述分散相對施加的應力因子靈敏度的計算的量增加。也就是說，這些量可用於評估感興趣的分散相或乳化液的穩定性。這些量中的第一個是對於加入鹽的給定濃度[鹽]，PDP隨經歷時間t的變化率，記為(PDP)/t|[鹽]。對每個施加的鹽應力水平[鹽]I即，[鹽]1、[鹽]2...[鹽]N分別計算出該偏導數值。對於上面討論的植物油乳化液，由為每個[NaCl]值的PDP與t數據的線性回歸分析獲得的這種「斜率」值顯示於表III中。從某些[NaCl]值的PDP與t圖中觀察，存在適當量的曲率值(圖17)。在這種情況下，(PDP)/t值不僅依賴於[NaCl]值(即隨著後者的增加而增加)，而且還適當程度地依賴於t值。在任何情況下，對於所有採用的[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]值的單個值來表徵。如在表III中所示，當[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值導出的另外一種定量—對於給定的經歷時間值，每單位[鹽]增加的PDP增加，(PDP)/[鹽]|t。為每個經歷時間的值(如果需要，在實驗次數之間插入)計算該量的值。在給定t值下的(PDP)/[鹽]值將通常依賴於[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有關的斜率Δ(PDP)/Δ[鹽]可通過表III中提供的數據計算並且隨時間而增加，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有關的相應斜率計算值為0.49(60分鐘)、1.16(120分鐘)、1.92(180分鐘)和2.59(240分鐘)。最後，與[NaCl]＝0.2M有關的斜率值為0.85(60分鐘)、1.30(120分鐘)、2.33(180分鐘)和2.81(240分鐘)。因此，對於該乳化液，對於所有經歷時間值，Δ(PDP)/Δ[NaCl]都隨[NaCl]的增加而增加。
如前面的實施例，與在第三實施例中使用的鹽屏蔽應力相關的偏導數計算值—即(PDP)/t|[鹽]和(PDP)/[鹽]|t—可在36步驟處用於建立感興趣的分散相的優值。如果量(PDP)/t|[鹽]用於定義FM，很明顯，對於給定應力水平[鹽]，穩定的分散相將產生相對較小的這種參數值，而劣質分散相將產生相對較大的值。替代地，對於給定的經歷時間t值，FM可使用(PDP)/[鹽]|t的計算值來定義。使用這些派生量中的哪些派生量，是單獨使用還是彼此組合使用(通過合適的算法)，這些都取決於研究的分散相和採用的鹽應力因子的類型(以及濃度範圍)。在將氯化鈉應力施加到植物油乳化液(加上去穩定的離子種類混合物)的情況下，如早先討論的，對於所有三種施加的應力因子水平[NaCl]＝0.05M、0.10M和0.15M，發現PDP隨時間略微非線性增加(圖17)。在全部三種情況下，由於加入了氯化鈉，乳化液向著明顯不穩定(即明顯的液滴聚結)的演變顯著加快。應力水平[NaCl]越大，液滴聚結的絕對程度或者PDP值就越大，並且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施例，用於分散相樣品加快應力測試的一種或多種方法的實施，通常需要使用專門儀器。一種適於實現圖19-21中顯示的三種實施例中任一個實施例的典型裝置的簡化框圖顯示於圖22中。一個計算機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(具有適當的預定濃度)的多個批次進行應力測試。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向移動，以便於它能移動管道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力因子供應到測試容器40、41、42和43中；以及移動管道72，用於將樣品和應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，有容納於適當體積的容器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)暴露於特別選擇的應力因子(即酸或鹼、吸附電解質或者屏蔽鹽)，並且每個批次被指定為接收不同的應力水平(即分別為ΔpH或者[電解質]或者[鹽]濃度)。另外一批沒有施加應力因子的樣品(指定為#0)作為對照樣品，如前所述。
兩種獨立的液體子系統顯示於圖22中。第一液體子系統50(右上角)採用液體計量裝置52(例如，注射泵)來通過管道56將預定體積的適當濃度的初始樣品分散相從保持容器54遞送到位於自動取樣裝置的適當樣品批次容器40、41、42或43。這種液體計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的同一計算機控制器/處理器子系統100來控制。第二液體子系統60(左上角)採用獨立的液體計量裝置62(例如，另一注射泵)，以通過管道66從容器64中遞送包括所選應力因子的預定體積的液體。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的特定緩衝液)的相對濃縮的酸或者鹼，或者是相對濃縮的電解質或鹽，或者是它們的組合。圖22中顯示的每種液體計量裝置由同樣用於控制並與包括應力測試裝置的其它子系統通信的同一計算機控制器/處理器子系統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。然後期望的(典型地，體積非常小)「應力因子」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/鹽濃度(即，應力水平)確定。攪拌裝置(未顯示)，諸如機械攪拌葉片，或者優選磁激勵攪拌棒在分配期間用於實現每個容器中初始樣品分散相液體和加入的應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。當將應力因子液體分配到該批次時，建立每個樣品批次的加快應力測試的標定開始時間(即t＝0)，並且該時間被系統計算機控制器/處理器100所記錄。
在經過適當的預定時間Δt之後(圖19-21)，將預定量的施加了應力的樣品分散相液體從期望的樣品批次容器中移出，並通過用於獲得PSD(d＞d0)的粒子尺寸分析儀子系統80來抽取，如前所述。粒子尺寸分析儀80是單粒子光學傳感器(SPOS)，並且包括一個雷射二極體82，其通過光束成形光學元件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優選地根據消光(LE)原理操作，儘管如上面所解釋的，對於某些應用可採用光散射(LS)型或者使用LE+LS組合型傳感器設計。在任何情況下，分析儀提供粒子尺寸分布(PSD)。通常定位於粒子尺寸分析儀80「下遊」一側的合適的泵裝置70(例如第三注射泵)用於將期望的施加了應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力的分散相以規定流速通過光流路池86抽取。流經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(以及離散分析的預期總數，通過測試的總經歷時間分離)和最終PSD所期望的統計準確性來確定。通過SPOS型粒子尺寸分析儀80的適當尺寸(即d＞d0)的粒子產生的信號在信號調節裝置90的適當調節後，使用計算機控制器/處理器100中的適當電路進行分析(典型地，但不一定與用於控制其它子系統的計算機相同)。結果，得出PSD，該PSD揭示了關於粒子團聚作用狀態的信息(例如，那些包括PSD的大粒子「尾部」)。
在初次將應力因子分配到每個樣品批次容器中之後，同樣使每個施加了應力的樣品批次的預定量加上(任選)未施加應力的樣品批次，以預定時間間隔一次一個通過粒子尺寸分析儀子系統80。通過對每個批次採用不同的粒子尺寸分析儀子系統80，預定量的每個樣品批次可通過相應的粒子尺寸分析儀子系統同時並行提供。結果，在每個批次的每個經歷時間值t得到每個施加了應力的樣品批次的PSD。通過每個PSD，可通過系統計算機進一步計算出PDP值(即，對於d＞d0)，並對最終計算的PDP值進行適當校正，以反映加入的應力因子液體的不同體積。從而，對於每個施加了應力的樣品批次獲得的一系列PDP與t結果構成了感興趣的樣品分散相的加快應力測試的「原始數據」，如較早描述的。通過這一系列的PDP值，使用計算機來獲得其它感興趣的衍生量，用於表徵分散相的穩定性和/或質量，如上所述。對於任何給定的經歷時間值t，所述這一系列的PDP值包括PDP自身，以及與PDP相關的量，包括但不限於偏導數(PDP)/t|[應力水平]和(PDP)/[應力水平]|t，如與本方法的三個實施例相關的較早討論。
儘管自動取樣儀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力因子轉移到所選容器40、41、42或43中，並且管道72通過泵70從所選容器40、41、42或43中移出排出液，但應當理解的是，如需要的那樣，其它裝置例如計算機控制的閥系統可用於管理液體的移動。
如較早討論的，使用本發明的方法可能對感興趣的分散相進行加快的應力測試，而不用藉助SPOS技術的使用。相反，其它粒子尺寸分析的技術也可用於獲得施加了應力的樣品批次的PSD，或者表徵所述PSD。因此，代替在圖22中顯示的SPOS型粒子尺寸分析儀子系統80，人們可以其它類型的粒子尺寸檢測器來代替。一些可採用的可能有用的技術包括上面所提到的那些電阻孔、動力學光散射、雷射衍射(即，Mie散射和/或Fraunhofer衍射)、超聲衰減、以及其它技術。然而，還應理解，在相關裝置中不採用粒子尺寸分析儀本身，也可能實現本發明教導的加快應力測試方法。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。在每種情況下，在給定經歷時間間隔t，對於給定施加了應力的樣品分散相可產生單一數字量或值(這裡稱作「X」)。這些替代的測量技術中的任何一個都沒有產生PSD。因此，對每種樣品和經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」等於從施加了應力的樣品分散相中得出的濁度或光散射強度。
對於這兩種用於表徵樣品穩定性的可替換技術中的任一種，假定儀器設計恰當，由於對分散相施加了應力，X值將隨著粒子團聚作用的程度而單調增加。對於給定的施加的應力水平，經歷時間越長，通常測得的X值將越大。同樣地，對於給定的經歷時間長度，施加的應力水平越大，通常X值也越大。因此，在基於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導出的量，其可用於表徵所測試分散相的穩定性或者質量。這些導出的量包括但不限於，X/t|[應力水平]和X/[應力水平]|t。可用於實現本發明的將這些替代技術用於粒子尺寸分析，但不產生PSD或PDP值的方法的裝置圖解地顯示於圖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。然後光束導向用作濁度檢測器的光傳感器188。當光束穿過流路池186時，樣品分散相中的粒子團聚作用的增加導致光束強度的降低。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聚作用增加，表明分散相樣品的質量較差。信號VX從濁度檢測器188通過圖示的開關189供給到信號調節器190，再到計算機控制器/處理器100，以產生從信號VX得到的質量X。
可替換的實施方案是，光散射檢測器192接收流路池186中的粒子散射的光。粒子團聚作用的增加導致導向光傳感器192的散射光增加，使得在檢測器192中產生的信號VX的增強，表明了團聚作用增加以及樣品分散相的質量較差。信號VX通過開關189供給到信號調節器190和計算機控制器/處理器100，以提供從信號VX得出的質量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中的優選裝置(基於SPOS)的描述基本上相同。相同的參考數字表示相同部件。
通過這些實施例的描述，很顯然，研究的某些分散相的穩定性可以是「多維的」—即，它可以參看一種以上的物理機制。在這些情況下，這些分散相的最有效應力測試可能需要同時應用一種以上類型的應力因子一即，通過使用多維的應力因子。事實上，人們可同時將上述兩種甚至所有三種實施例組合起來。例如，由於粒子帶有的電荷相對較高，並且粒子間的移動離子相對較少，給定分散相可能是穩定的。在這種情況下，系統地對其施加應力的最有效方式可能是加入特定的電解質(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，這兩種動作都導致能量勢壘高度VMAX的降低。通常，多維應力因子可通過組合在這裡描述的實施例(應用於各種組合和濃度/強度)中單獨使用的兩種或多種應力因子來專門設計。再次地，這些設計包括加入酸(或鹼)；加入吸附電解質以及加入非吸附的鹽。
在該討論結束時，回顧本發明的關鍵構思和突出特點是很有用的。設計了將特定應力因子應用到給定懸浮液或乳化液，以加快產品中固有的去穩定過程，以揭示在最終製劑中最終出現的缺陷。本發明建議使用替代度量—即一種或多種應力因子—以預測分散相的穩定性，並最終預測貫穿其指定保質期或使用壽命的分散相的性能。應力因子是分散相的粒子間勢壘高度VMAX的近似表示，從而提供了關於最終產品的穩定性和質量的預報信息。應力因子的主要目的在於，定量鑑別對電荷穩定的分散相中由VMAX的幅值支配的現有粒子間穩定性幹擾的淨效果。大體上，通過使用高靈敏度的粒子尺寸分析技術，與系統施加一種或多種應力因子結合，通過系統地滴定VMAX，在本發明中概述的方法允許校準潛在的分散相穩定性的退化。上面詳細解釋了將精巧的靈敏的粒子尺寸分析能力(LE-SPOS)與將一種或多種應力因子應用到兩種不同的水包油型乳化液/分散相的方法的結合。這些新方法利用相關結果變量「PDP」，該變量提供了VMAX的替代度量。應力因子對PDP隨時間變化(PDP與t)的定量影響(累計的以及差分的)的解釋是獨一無二的，並構成了本發明新穎性的核心。
通過相對於本發明教導的定量檢測VMAX相應變化(即，減小)的方法能力的三種基本觀點，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製劑的物理化學結構中潛在的明顯改變(即，相圖的變化)，這將另外由施加了過量水平的各種應力因子產生。此外，可能產生具有不同物理特徵的明顯不同的分散相或乳化液，並且因此可以預期施加了這樣的過量應力因子誘導後其性能與初始分散相的性能不同。第二，現在可對另外可以忍受常規甚至最適量應力的某些非常不穩定的分散相的穩定性進行評估。例如，在一些情況下，根據包括分散相的成分的特性，由非常小的應力誘導的幹擾確定的兩種製劑之間的穩定性差別將需要準確的測量，以基於VMAX固有的臨界差，來區分兩種水平之間的穩定性。第三，應力因子響應的這種「微調」將極大地增強用於評估感興趣分散相的綜合性能方法的綜合預報能力。
上面的描述教導了通過將一種或多種應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定性的方法，其中在開始時(即，標稱的t＝0)對每個批次加入不同的應力水平或強度。這種方法建立了一種「平行處理」的形式，其中當有應力水平存在時，使用許多樣品批次來測量不同應力水平的影響。當通過加快的應力測試來研究相對較新的分散相(即，沒有很好表徵關於其穩定性和/或質量的分散相)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力「輪廓」(即對於給定應力因子建立有效應力水平範圍)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程序開始之前的研發階段被應用。
然而，一旦對感興趣的分散相建立了最佳應力輪廓，很顯然，應用本發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覆(即周期的)施加水平逐漸增加的應力，以達到加快的不穩定的開始。在開始—即t＝0時，可將給定應力水平的給定應力因子施加到單個樣品批次中。在計算PDP後，經過規定的適當經歷時間，然後使用相同的應力因子，以更高水平進一步施加應力到同一樣品批次中。該過程可周期性地重複，每次都對PDP進行確定。得到的PDP與t圖可預期由單調增加(「向上凹入」)的曲線組成，其中曲線的詳細性能—即，(PDP)/t與t—揭示了感興趣分散相的潛在穩定性。對於給定系列的增加的施加應力水平，初始(未施加應力)分散相越穩定，產生的PDP與t圖越「扁平」(曲率較低)。將產生的曲線與為先前已知樣品得到的參考或者基準標記曲線相比，可接受的穩定性將允許對產品批次的質量進行監測並驗證。因此，本發明的常規商業或私人使用通常可將其應用作為標準質量保證/質量控制(QA/QC)程序的一部分，得出可進一步成為隨時間變化而精煉的進化的資料庫，成為給定分散相的標準操作過程的一部分。
本發明的新方法基於假定給定分散相(即給定尺寸範圍，d≥d0，通過SPOS或者其它足夠靈敏的技術測量的粒子團聚作用變化)對給定應力因子應用的響應是應力水平的幅值、經歷時間和分散相潛在穩定性的靈敏的以及可複製的函數。因此，不依賴於膠體穩定性的理論模型(例如基於DLVO理論)，給定類型的分散相或乳化液的相對穩定性可通過在施加一種或多種水平(即幅值)的應力時PDP與t(在施加應力之後的經歷時間)的性能來判斷。通過將比使用本發明的方法評估的特定樣品更穩定或者更不穩定(即分別為更高或更低的質量)的分散相的假設和實際PDP與t圖進行比較，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(實曲線)代表了從系統獲得的實際響應—即，較早討論的植物油乳化液加上去穩定混合的離子種類(在t＝0時加入)。另一個系列圖(虛曲線)顯示了「假設」響應，該「假設」響應得自相似但更穩定的乳化液。實曲線(以及相關數據點)與圖18中顯示的結果相同，代表了含有帶負電荷的液滴的乳化液對「酸應力」的響應。連續降低pH，從6.56(對照，空心圓點)到5.65(封閉圓點)、5.13(封閉方塊)和4.46(封閉三角)，導致液滴聚結中時間相關變化的增加，顯示於圖18和24A中。虛曲線代表了可能得自相同樣品的假設響應，假定其為比實曲線代表的乳化液略微更穩定。對於給定應力水平(即較低的pH值)，人們仍觀察到PDP隨經歷時間而增加。然而，假定(假設)在施加應力之前假設的樣品更為穩定，響應的幅值(即，液滴聚結的程度)低於任何給定t值。出於前面討論的原因，在任何給定t值時，得自實際和假設樣品的PDP值之差可預期隨著應力水平的增加而增加。
圖24B顯示了實際和假設PDP與t，pH結果的相似比較，假定假設乳化液(虛曲線)甚至比圖24A中代表的更穩定。在這種情況下，與得自實際測量的乳化液的圖(實曲線)相比，得自這種第二種假定更穩定假設樣品的假設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際和假設PDP與t，pH圖的比較，其中與實際樣品測試(實曲線，在所有圖中都相同)相比，兩種假設樣品(虛曲線)為略微更不穩定和相當更不穩定。
作為關於本發明使用的上述概念的擴展，以實驗乳化液響應於某些應力因子的方式觀察的差別值得到進一步評論。對植物油乳化液的研究再次作為解釋應用本發明方法的一種方式，因為有許多極大地影響主要因變量「PDP」的獨立因子，例如時間、應力因子和應力水平。具體地，時間相關的應力因子對PDP影響的一種解釋性的例子是有幫助的。為了驗證，圖16顯示了經過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定「推動」。不穩定的明顯證據直到經過大約24小時後才顯現出來。為了實現該結果，在更短的經歷時間加快不穩定(即PDP的明顯增加)，採用兩種不同的應力因子對相同的乳化液進行系統的誘導。因此，使用設計為僅僅在1/4正常需要時間內(即僅僅(大約)240分鐘或更短的時間內)引起明顯可測量的不穩定影響的各種水平或者「強度」的兩種不同應力因子進行了研究。
例如，對植物油乳化液(加上去穩定的混合離子種類)施加酸應力(即降低pH)，結果顯示於圖18和表IV中。對於每個施加的應力水平或者pH值，發現測量的乳化液的響應PDP隨經歷時間t近似地線性增加。當pH降低時，觀察到PDP隨時間變化而逐漸增加正相關，相關係數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應力之後經歷時間之間存在的強相關。
這些發現與濃度相關的、將氫離子(H+)專門吸附於液滴表面相一致，引起粒子間排斥勢能VR以及產生的能量勢壘高度VMAX的逐漸減小，導致聚結的加快。顯然，酸應力的水平越高，增加的PDP值與不同經歷時間的相關性就越好。為了給這種乳化液設計最有效的應力測試，將保證進行一系列另外的研究，其以產生最高r值的更小範圍的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，下一系列試驗可圍繞這些pH值設計。由於在pH＝5.13時，在時間t＝0時立即發生變化，pH增量的增加高於5.13，例如5.48和5.31，可建立閾值水平(低於所述閾值水平時在PDP中沒有誘導直接的變化)。類似地，pH增量的增加高於4.46，例如4.69和4.91，可用於顯示在pH從5.13降低到4.46時，在時間t＝0時的累進效應。這些和其它實驗將用於優化給定乳化液的應力水平。因此，在不同實驗條件下使用ΔPDP相關性的目的在於，區分能最好地表徵給定乳化液或分散相穩定性的有意義的應力因子範圍和濃度。
最後，這些解釋集中於液體分散相，但必須強調，本發明教導的方法還可有用地用於真正的溶液。也就是說，某些應力因子還可施加到溶液中，以誘導其中所含的活性或非活性成分的沉澱，最終導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的產品相比，對於給定產品來講溶液中的粒子從基準或歷史水平的表現或變化可暗示其低劣。因此，對於真正的溶液，沉澱將是劣等產品中可通過溫和的應力幹擾誘導的主要產物。再次地，可將對PSD(例如，與沉澱相關的粒子尺寸變化)的變化足夠靈敏的分析技術與將適當的應力因子/水平施加到感興趣溶液中結合。這種方法允許加快基於溶液的產品的應力測試，從而允許劣質產品從優等品中區分開來。
根據單個被分析產品及其應用的特性，以及作為可接受的穩定性準則的考慮，這裡描述的加快應力研究的終點預報是暫時的。例如，在產品非常昂貴(即有價值的)的情況下，基於加快的應力測試，接受或拒絕生產批次的決定具有很大的經濟後果，本發明的應用可基於將假陽性數量降到最低的高度特定的終點。也就是說，考慮到可能有更高的假陰性誤差，測試的專一性將儘可能接近100％。相反，在產品具有主要的健康後果的情況下，應力因子施加到給定分散相或乳化液中的結果將基於高度靈敏的終點，其將假陰性數量降到最低。也就是說，考慮到必然存在的更高的假陽性誤差，測試的靈敏度將儘可能接近100％，因為該結果可能極為重要。顯然，靈敏性與專一性具有相反的關係—即，當靈敏性增加時，專一性下降，並且反之亦然。與靈敏性和專一性相關的常用技術以接收機/運行特徵而公知。在其它情況下，應用這些方法的成本或者後果並不是關鍵的，並且最終產品和測試都不需要這樣的精密規範，採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到。顯然，生產商將在獨立的基礎上作出這種確定。只要可能，當作出這些關鍵的決定時，對每種產品施加一種以上應力因子和/或條件。最終，對於給定產品，隨時間累計的數據/經驗將確定本發明教導的方法的最佳應用。
本發明意圖用於評估分散相和乳化液的質量，其中通過選擇性的粒子尺寸分析得到的響應在鑑別劣質產品時(理想地，在它們使用或管理之前)是高度靈敏和/或專一的。本發明教導的過程描繪為「性能評估」方法，在包裝之前，在生產循環結束時使用，也可在商品配送之前，用於測試某一數量的最終包裝單元。儘管上面已經根據加快的穩定性測試對本發明進行了描述，但這種強調僅僅是說明性的，並不意味著以任何形式對其進行限制。分散技術領域的技術人員將確定本發明的其它合適的修改。例如，將本發明教導的方法用於優化大規模商業分散相製造和加工過程的產品，以使最終批次的失敗和/或商業產品的損失降到最低是預期的。因此，這些方法還可在產品的生產期間應用於預定義的「生產中」的產品。存在多種由這些研究產生的數據可應用於特定生產或商業運作的方式。期望以提高製造的產品質量的方式來實施本發明，例如建立某些產品規範來確定性能的「通過」或者「不通過」條件。這些可在產品的生產、配送和/或應用的整個使用壽命周期內的不同時間應用。
在任何規模上的分散相或乳化液生產中的臨界「瞬間」可在關鍵處理間隙發生。這些瞬間經常涉及不同的混合或應用步驟；對混合物、分散相或乳化液的加工或最終使用以及對獨立的生產商而言，其物理化學條件是特定的。甚至是當分散相由同一生產商在不同生產點生產時，臨界瞬間也可能不同。因此，本發明所教導方法的應用將允許優化製造產品的整個生產和使用壽命周期的許多方面。商業或專門製備的分散相或乳化液的工業或私人生產者可不僅提高其最終質量或安全分布，還延長了指定給當前可利用產品的存放期，進一步降低了潛在的經濟損失或浪費。這裡介紹的方法應用還可改善產品對應力的物理化學誤差，該應力可能發生在運輸、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品直至使用期間可能發生的高風險事件。最終，這裡描述的方法以在許多情況下本質上為私有的方式單獨應用。例如，這些可基於(但不限於)下列常規條件分散相或乳化液的構成；施加的應力因子的類型；獲得期望的分散相或乳化液的方式(例如，機械攪拌、研磨、均質化、聚合等)；混合順序；生產者的經驗；以及製造、運輸和終端用戶環境的物理條件。因此，這裡描述的方法和實施例可在研發和配送分散相和乳化液的各個階段，在常規生產出高質量和安全的消費品的努力中應用。
儘管參照本發明的優選實施例對其進行了專門顯示和描述，但是本領域技術人員將能夠理解，其中可以對其進行前述和其它形式和細節上的變化，而不背離本發明的精神和範圍。
表IPDP與t，pH的回歸分析，數據得自施加了酸應力的奶脂(全脂奶)乳化液(圖5-7)
表IIPDP與t，[CaCl2]的回歸分析，數據得自施加了氯化鈣應力的奶脂(全脂奶)乳化液(圖10-13)
表IIIPDP與t，[鹽]的回歸分析，數據得自施加了氯化鈉應力的水包油型植物油乳化液(圖17)
表IVPDP與t，pH的回歸分析，數據得自施加了酸應力的水包油型植物油乳化液(圖18)
權利要求
1.一種用於確定樣品穩定性的方法，所述樣品包括懸浮於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於強的短程吸引力作用而發生不可逆團聚作用，所述方法包括對所述樣品施加應力因子，以降低所述粒子間勢壘的高度，以便加速大量粒子團聚作用的開始；以及檢測所述粒子團聚作用的增加。
2.如權利要求1所述的方法，其中檢測所述團聚作用的增加的步驟包括使用高靈敏度的檢測器。
3.如權利要求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於所述粒子在給定時間間隔穿過給定區域的X值的檢測器。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述X值是響應於所述樣品分散相的濁度的光衰減的度量。
7.如權利要求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範圍內的散射光強度的度量。
8.如權利要求1所述的方法，其中檢測所述粒子團聚作用的增加的步驟包括，使用靈敏、定量裝置來確定由於所述應力因子的所述施加而使所述樣品變得不太穩定的程度。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述靈敏、定量裝置產生粒子尺寸分布(PSD)，其將粒子濃度顯示為在正常粒子尺寸範圍上的尺寸以及比所述正常粒子尺寸大並指示團聚作用的增加的大直徑分離物粒子尾部的函數。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述應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.如權利要求10所述的方法，其中所述粒子具有淨的負電荷，並且其中所述應力因子是加入到所述樣品中以降低所述樣品的pH的酸或緩衝酸。
12.如權利要求10所述的方法，其中所述粒子具有淨的正電荷，並且其中所述應力因子是加入到所述樣品中以升高所述樣品的pH的鹼或緩衝鹼。
13.如權利要求1所述的方法，其中所述應力因子是加入到所述樣品中的吸附電解質，以允許適當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淨電荷。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述粒子具有淨負電荷，並且所述從吸附電解質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合，並降低所述粒子上的淨電荷，從而降低所述粒子間勢壘的所述高度。
15.如權利要求1所述的方法，其中所述應力因子是加入到所述樣品中的鹽，使得產生離解的、部分屏蔽帶電粒子間靜電排斥的運動離子，從而促進了它們的團聚作用。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述應力因子是作為簡單的單價鹽而被施加。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述單價鹽是氯化鈉。
18.如權利要求1所述的方法，其中所述應力因子是在間隔的時間間隔以連續的增量施加，從而導致被加應力的所述樣品中的應力水平連續地變高，並且檢測所述粒子團聚作用的增加的所述步驟在每個應力因子增量後重複進行。
19.如權利要求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力因子施加到每個批次中，並且其中檢測每個批次中所述粒子團聚作用增加的所述步驟在經過一個或多個時間間隔Δt之後執行。
20.如權利要求19所述的方法，還提供了所述樣品的對照批次，不將應力因子施加到所述對照批次中，並在經過所述時間間隔Δt之後檢測所述對照批次中粒子團聚作用的增加。
21.如權利要求19所述的方法，其中緊接在所述應力因子的所述施加之後，進行檢測每個所述批次中粒子團聚作用程度的步驟。
22.如權利要求19所述的方法，其中檢測所述粒子團聚作用增加的所述步驟還包括測量在粒子尺寸的適當範圍上的每個批次的PSD，並根據每個測量的PSD計算分散相的百分比(PDP)。
23.如權利要求22所述的方法，進一步包括計算每個所述應力因子水平的所述PDP隨經歷時間的變化率。
24.如權利要求23所述的方法，其中所述樣品的優值(FM)是從給定應力因子水平的所述PDP隨經歷時間的所述變化率中得到，從而穩定的分散相或乳化液將具有相對較小的FM值，而劣質、較不穩定的分散相或乳化液將具有相對較大的FM值。
25.如權利要求22所述的方法，進一步包括計算對於給定經歷時間值每單位的所述應力因子水平變化的所述PDP的增加。
26.如權利要求25所述的方法，其中FM值是從對於給定經歷時間值每單位的所述應力因子水平變化的所述PDP的所述增加中得到，所述經歷時間足夠長，以允許建立加速的不穩定性和粒子團聚作用，因此對於給定的經歷時間值和施加的應力因子水平，FM值越大，所述樣品就越不穩定。
27.如權利要求23所述的方法，進一步包括計算對於給定經歷時間值每單位的所述應力因子水平變化的所述PDP的增加。
28.如權利要求27所述的方法，其中所述FM值是從結合有對於給定經歷時間值的每單位的所述應力因子水平變化的所述PDP的所述增加、對於每個應力因子水平所述PDP隨經歷時間的所述變化率中得到。
29.如權利要求19所述的方法，其中所述應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.如權利要求29所述的方法，其中所述粒子具有淨負電荷，並且其中所述應力因子是以不同濃度加入到所述批次中的酸或者緩衝酸，以通過不同的量來降低所述樣品的所述批次的pH。
31.如權利要求29所述的方法，其中所述粒子具有淨正電荷，並且其中所述應力因子是以不同濃度加入到所述批次中的鹼或者緩衝鹼，以通過不同的量來升高所述樣品的所述批次的pH。
32.如權利要求19所述的方法，其中所述應力因子是加入到所述樣品的所述批次中的吸附電解質，以允許適當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淨電荷。
33.如權利要求32所述的方法，其中所述粒子具有淨負電荷，並且從所述吸附電解質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合，並降低所述粒子上的淨電荷，從而降低所述粒子間勢壘的所述高度。
34.如權利要求19所述的方法，其中所述應力因子是加到所述樣品中的鹽，使得產生離解的、部分屏蔽帶電粒子間的靜電排斥的運動離子，從而促進了它們的團聚作用。
35.如權利要求34所述的方法，其中所述應力因子是作為簡單的單價鹽而被施加。
36.如權利要求35所述的方法，其中所述單價鹽是氯化鈉。
37.如權利要求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執行，並且其中所述經歷時間Δt對每個批次是不同的。
38.如權利要求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的檢測器來並行進行。
39.如權利要求38所述的方法，其中所述經歷時間Δt對每個批次都是相同的。
40.一種用於確定樣品穩定性的方法，所述樣品包括懸浮於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於強的短程吸引力作用而發生不可逆團聚作用，所述方法包括對所述樣品施加應力因子，以降低所述粒子間勢壘高度，以便加速所述粒子的團聚作用；通過產生粒子尺寸分布(PSD)，使用用於確定所述樣品變得不太穩定的程度的靈敏、定量裝置來檢測所述團聚作用的增加，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範圍上的尺寸以及比所述正常粒子尺寸大、指示團聚作用增加的大直徑分離物粒子的尾部的函數；以及從所述測量的PSD中計算與所述大直徑的分離物粒子的所述尾部關聯的分散相的百分比(PDP)。
41.如權利要求40所述的方法，進一步包括計算所述PDP隨經歷時間的變化率。
42.如權利要求41所述的方法，其中所述樣品的優值(FM)是從對於給定應力因子水平的所述PDP隨經歷時間的所述變化率中得到，因此穩定的分散相或乳化液將具有相對小的FM值，而劣質、較不穩定的分散相或乳化液將具有相對大的FM值。
43.如權利要求40所述的方法，進一步包括計算對於給定經歷時間值的所述應力因子水平的每單位變化的所述PDP的增加。
44.如權利要求43所述的方法，其中所述FM值是從對於給定的經歷時間、所述應力因子水平的每單位變化的所述PDP的所述增加中得到，所述經歷時間足夠長，以允許建立加速的不穩定性和粒子團聚作用，由此對於給定的經歷時間值和施加的應力因子水平，FM值越大，所述樣品就越不穩定。
45.如權利要求43所述的方法，進一步包括計算所述PDP隨經歷時間的變化率。
46.如權利要求45所述的方法，其中FM值是從組合有對於給定經歷時間值所述應力因子水平的每單位變化的所述PDP的所述增加、對於每個應力因子水平所述PDP隨經歷時間的所述變化率中得到。
47.一種用於確定樣品穩定性的設備，所述樣品包括懸浮於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於強的短程吸引力作用而發生不可逆團聚作用，所述設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力因子來降低所述粒子間勢壘高度，以加速大量粒子團聚作用的開始的裝置；以及用於檢測所述粒子團聚作用的增加的裝置。
48.如權利要求47所述的設備，其中所述用於檢測所述粒子團聚作用的裝置包括高靈敏度檢測器。
49.如權利要求48所述的設備，其中所述高靈敏度檢測器是單粒子傳感器。
50.如權利要求49所述的設備，其中所述檢測器是單粒子光傳感器(SPOS)。
51.如權利要求48所述的設備，其中所述高靈敏度檢測器包括感測響應於所述粒子在給定時間間隔穿過給定區域的X值的檢測器。
52.如權利要求51所述的設備，其中所述X值是響應於所述樣品分散相的濁度的光衰減的度量。
53.如權利要求51所述的設備，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範圍內的散射光強度的度量。
54.如權利要求47所述的設備，其中用於檢測所述粒子團聚作用增加的裝置包括靈敏、定量裝置，用於確定由於所述應力因子的所述施加而使所述樣品變得不太穩定的程度。
55.如權利要求54所述的設備，其中所述靈敏、定量裝置產生粒子尺寸分布(PSD)，其將粒子濃度顯示為在正常粒子尺寸範圍上的尺寸以及比所述正常粒子尺寸大並指示團聚作用增加的大直徑分離物粒子的尾部的函數。
56.如權利要求54所述的設備，其中所述高靈敏度檢測器包括感測響應於所述粒子在給定時間間隔穿過給定區域的X值的檢測器。
57.如權利要求56所述的設備，其中所述X值是響應於所述樣品分散相的濁度的光衰減的度量。
58.如權利要求56所述的設備，其中所述X值是在從所述樣品分散相的所述粒子、在給定角度範圍內的散射光強度的度量。
59.如權利要求47所述的設備，其中所述應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.如權利要求59所述的設備，其中所述粒子具有淨的負電荷，並且其中所述應力因子是加入到所述樣品中降低所述樣品的pH的酸或緩衝酸。
61.如權利要求59所述的設備，其中所述粒子具有淨的正電荷，並且其中所述應力因子是加入到所述樣品中升高所述樣品的pH的鹼或緩衝鹼。
62.如權利要求47所述的設備，其中所述應力因子是加入到所述樣品中的吸附電解質，以允許適當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淨電荷。
63.如權利要求62所述的設備，其中所述粒子具有淨負電荷，並且所述從所述吸附電解質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合，並降低所述粒子上的淨電荷，從而降低所述粒子間勢壘的高度。
64.如權利要求47所述的設備，其中所述應力因子是加到所述樣品中的鹽，使得產生離解的、部分屏蔽帶電粒子間的靜電排斥的運動離子，從而促進了它們的團聚作用。
65.如權利要求64所述的設備，其中所述應力因子是作為簡單的單價鹽而被施加的。
66.如權利要求64所述的設備，其中所述應力因子是作為二價或三價鹽而被施加的。
67.如權利要求47所述的設備，其中將所述應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的增量施加，並且其中在每次施加所述應力因子增量後，用於檢測所述粒子團聚作用增加的所述裝置測量所述粒子團聚作用的增加。
68.如權利要求47所述的設備，進一步包括多個所述測試容器，其中所述用於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為單獨的批次，並且，其中所述用於施加應力因子的裝置將不同水平的所述應力因子施加到所述測試容器中的每個所述批次，並且，其中所述用於檢測所述粒子團聚作用增加的裝置在經過一個或多個時間間隔Δt之後，檢測所述粒子團聚作用的增加。
69.如權利要求68所述的設備，還包括一個額外的測試容器，所述用於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，所述用於施加應力因子的裝置不將應力因子施加到所述額外的測試容器中的所述對照批次，並且所述用於檢測所述粒子團聚作用增加的裝置在經過一個或多個所述時間間隔Δt之後，測量所述對照批次的粒子團聚作用的增加。
70.如權利要求68所述的設備，其中所述用於檢測所述粒子團聚作用增加的裝置還緊接在所述應力因子施加到每個所述批次的所述施加後，檢測每個所述批次中粒子團聚作用的程度。
71.如權利要求47所述的設備，其中所述用於檢測所述粒子團聚作用增加的裝置包括產生粒子尺寸分布(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範圍上的尺寸以及比所述正常粒子尺寸大、指示團聚作用增加的大直徑的分離物粒子的尾部的函數，並且，其中所述設備還包括從所述測量的PSD來計算分散相的百分比(PDP)的裝置。
72.如權利要求71所述的設備，其中所述設備還包括計算對於每個應力因子水平的、所述PDP隨經歷時間的變化率的裝置。
73.如權利要求72所述的設備，其中所述設備還包括根據對於給定應力因子水平的、所述PDP隨經歷時間的所述變化率得出優值(FM)的裝置，從而穩定的分散相或乳化液將具有相對較小的FM值，而劣質、較不穩定的分散相或乳化液將具有相對較大的FM值。
74.如權利要求71所述的設備，其中所述設備還包括用於計算對於給定經歷時間值、所述應力因子水平的每單位變化的所述PDP增加的裝置。
75.如權利要求74所述的設備，其中所述設備還包括根據對於給定經歷時間值、所述應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，所述經歷時間足夠長，以允許建立加速的不穩定性和粒子團聚作用，因此對於給定的經歷時間值以及施加的應力因子水平，FM值越大，所述樣品就越不穩定。
76.如權利要求72所述的設備，還包括用於計算對於給定經歷時間值的、所述應力水平的每單位變化的所述PDP的增加的裝置。
77.如權利要求76所述的設備，進一步包括組合有對於給定經歷時間值的、所述應力因子水平的每單位變化的所述PDP的所述增加，用於根據對於每個應力因子水平、所述PDP隨經歷時間的所述變化率，得出FM值的裝置。
78.如權利要求1所述的方法，還包括在施加所述應力因子後，通過用於檢測所述粒子團聚作用的所述增加的裝置饋送所述樣品。
79.如權利要求40所述的方法，還包括在施加所述應力因子後，饋送所述樣品給用於檢測所述團聚作用的所述增加的裝置。
80.如權利要求47所述的設備，還包括在將所述應力因子施加到所述容器中的所述樣品後，用於將所述樣品從所述測試容器饋送到用於檢測所述粒子團聚作用增加的裝置的裝置。
全文摘要
一種用於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 優先權日2003年6月18日
發明者D·F·尼科裡, D·F·德裡斯科爾, B·R·比斯特裡安 申請人:穩定技術公司