顆粒分析的基本指南 -3

粒子特性分析技術

用于測量粒子樣品的粒子特性分析技術在商業上應用非常廣泛。每種技術都有其獨特的相對優勢和局限性，並非在所有樣品和所有情況下均適用。

我需要哪種粒子特性分析技術？

判斷所需的粒子特性分析技術時，需要考慮多種條件。

•  對我而言重要的粒子特性是哪些？
•  需要測量的粒徑範圍是什麼？
•  樣品是否屬於多分散系統，即需要廣泛動態範圍？
•  測量速度有多快？
•  是否需要在高分辨率下測量？
•  需要用於可靠QC測量的良好統計樣品取樣嗎？
•  樣品應進行濕式還是乾式分散？
•  應準備多少費用？

  下表提供了一些基本指南，有助於判斷哪種技術最適合特定應用領域。所示的粒徑範圍僅為指導，具體規格可能因設備而異。 

樣品取樣

  所有粒子特性分析技術假設都包括為進行測量而進行的分樣取樣，這是假設的。 例如，測量注射器所有內容物的粒子計數裝置中，只檢查產品線上的極少數注射器。 

  不可靠的測量問題的根本原因常常與進行某種取樣的方法有關。 因此，用設備測量的分樣應儘可能代表整個樣品是至關重要的。

  設備（例如激光衍射）要求樣品穩定分散，對物質進行均質化，攪拌，並通過再循環來使由於隨機取樣問題引起的效果最小化。

  然而，這並不能解決從量大達10,000 公斤的批次中取出10克部分樣品的挑戰。

  為提高粉末樣品取樣的穩健性，廣泛使用的一種常見方法是使用稱為旋轉分樣器的裝置。

  在旋轉分樣器中，從通過料斗以恒定間隔流動的粉末中提取大量分樣到旋轉軸上的容器中。由於任何樣品的一部分都進入料斗，每個容器中都裝有典型的分樣。

樣品分散

  許多粒子特性分析技術要求樣品以某種分散形式進行分析，個別粒子空間上彼此分離。為此，有兩種主要方法。

• 濕式分散 – 粒子分散在液體中

• 乾式分散 – 粒子分散在氣體中（主要是空氣）

濕式分散

  在濕式分散中，個別粒子漂浮在液體分散劑中。由於分散劑分子使粒子表面濕潤，降低了接觸粒子之間的引力，這樣粒子的表面能量就會降低，從而能夠使粒子分離並漂浮。

  通過添加其他物質可以顯著提升潤濕行為和隨後的粒子分散。 通常會給樣品施加一些能量來分散個別粒子。這個過程通常涉及對樣品進行整體攪拌或攪動，但在面對超細物質或緊密結合的聚合物時，有時會使用超聲波輻射。

  在基於顯微鏡觀察的技術中，使用濕潤樣品準備方法可以將最初的樣品分散到顯微鏡載玻片上。然後可以在分散劑蒸發後對乾坐狀態下的分散粒子進行分析。

乾式分散

  在乾燥粉末分散中，分散劑通常是一種流動氣體流，通常是乾淨乾燥的空氣。 幹分散過程的本質通常需要比濕式分散更高的能量。

  如下面所示，三種不同類型的分散機制對樣品施加影響。為增加能量輸入而設計的三種不同類型的分散機制如下所示。

 最常用的分散機制根據分散器的設計而異，粒子與壁之間的撞擊通常比粒子與粒子之間的碰撞或剪切應力引發更具攻擊性的高能量分散。

  不使用昂貴且可能有風險的溶劑，乾式分散通常是有吸引力的選擇。然而，由於物料內粒子之間的高引力很難克服，乾式分散不適用於非常細的粉末（1微米以下）。

  對於易碎的粒子，需要特別注意在分散過程中，應對樣品施加足夠的能量以便分散，而又不會使粒子破碎。在這些情況下，應使用濕式分散方法作為方法驗證的參照。

技術1：激光衍射粒度分析

  激光衍射是用於分析從數百納米到數毫米粒子尺寸的廣泛使用的技術，其主要成功的原因如下。

•  寬動態範圍 – 從小於1微米到毫米粒子的範圍
•  快速測量 – 生成結果所需時間少於1分鐘
•  重複性 – 每次測量時都獲得大量粒子進行樣品分析。
•  及時反饋 – 監測和控制粒子分散過程
•  高樣品處理效率 – 每天可以進行數百次測量
•  無需校准 – 使用標準參考物質進行容易驗證
•  經ISO13320認證的技術（2009）

原理

  激光衍射通過測量激光穿過分散的微粒樣品時光散射的強度隨角度的變化來測定粒度分布。

  如下面所示，大粒子將光以小角度散射，並且小粒子將光以大角度散射。 然後分析角別散射強度數據來計算粒度，並利用Mie光散射理論生成散射模式。粒度以體積等效的球形直徑記錄。

光學特性

 激光衍射假設了體積等效球形模型並利用Mie光散射理論計算粒度分布。

  Mie理論需要知道分散劑和待測樣品的光學特性（折射率及其虛數部分）。 通常，分散劑的光學特性可以在公開資料中相對容易查找到，許多現代設備還會擁有包括常見分散劑的自身資料庫。 

  對於光學特性未知的樣品，使用者可以進行測試或者猜測，並可根據建模數據與實際數據之間的適合度來采用循環方法。

  簡化的方式是使用不需要樣品光學特性的Franthover近似。然而，當測量擁有小於50μm粒子或者透明粒子的樣品時需要特別小心。

設備設施

  典型的激光衍射系統由三個主要組成部分構成。

1. 光學工作台

  分散的樣品穿過激光束照射粒子的光學工作台的測量區。然後，一系列檢測裝置精確測量由樣品內的粒子在廣范圍內散射的光強度。

2. 样品分散裝置

  样品處理及分散由設計為進行濕式或乾式測量樣品分散裝置來控制。這些裝置確保粒子以精确的濃度和適宜且穩定的分散狀態輸送到光學工作台的測量區。

  濕式樣品分散裝置使用水性或溶劑型液體分散劑分散樣品。為保持樣品的懸浮和均勻狀態，樣品會持續再循環至測量區。

  乾燥粉末樣品分散裝置將樣品懸浮在流動氣體流內，通常是乾燥空氣中。由於幾乎整個樣本只會經過測量區一次，因此為了獲得代表性的樣品測量，通常希望以高達10 kHz的速度快速捕捉數據。

3.設備软件

  設備软件控制測量過程中的系統，並分析散射數據以計算粒度分布。更先進的測量提供了即時反饋，以及專業建議。

激光衍射应用已通過国际标准 ISO 13320: 2009 的认證，這是對所有常規使用該技術的人强烈推薦的。

下一步介紹內容

 技術2. 動態光散射

 技術3. 自動成像技術

 技術4. 電泳光散射