用光散射塑造未來的粒子表徵

這次採訪最初於2025年7月7日在AZoM.com上發表。

光散射技術長久以來一直是多種科學學科中粒子表徵的重要技術。從製藥到食品生產，從納米醫藥到環境分析，其多樣性和精確性使其成為不可或缺的技術。隨著技術創新的加速，新挑戰和機遇正在重新塑造光散射的應用途徑，特別是在自動化、人工智能以及先進檢測方法成為焦點的情況下。

在這次採訪中，AZoMaterials與來自Malvern Panalytical的專家對話，這家公司致力於光散射創新，探討這一技術的現狀及未來潛力。 

光散射技術在過去幾十年中，在粒子表徵中一直是一個基本工具。你能給我們簡要介紹一下這種技術的工作原理及其重要性嗎？

光散射是一種多樣化且非侵入性的技術，用於表徵分散的粒子。儘管每種光散射技術可能工作方式不同，但仍然基於相同的基本原理，即當光束與分散粒子相互作用時，光會向各個方向散射。

例如，激光衍射被用於從亞微米級到幾毫米級的粒子尺寸信息獲取。在這種情況下，我們關注的是散射光的時間平均角依賴性，該角依賴性取決於分散粒子的尺寸和尺寸分佈。通過測量廣泛角度範圍內的散射光強度，可以計算粒子尺寸分佈（PSD）。

另一方面，動態光散射（DLS）用於納米尺度的粒子（從幾微米到納米）。儘管來自納米粒子的散射仍然有角度依賴性，但我們更關心的是散射的時間依賴性。我們在一個或多個特定角度下隨時間測量散射強度—使用的角度取決於所需信息。散射強度隨時間快或慢的變化與分散粒子的布朗運動有關。因此，這提供了它們的尺寸和分佈寬度（多分散性）的測量，次級分析可以提供尺寸分佈。

光散射非常重要，因為它提供了絕對測量而不需要外部校準標準，使其在表徵各類樣本類型時非常可靠。確定粒子尺寸、形狀和分子量等特性是解鎖材料及過程表現方式理解的關鍵，適用於製藥、電池製造和采礦等多個領域。

Malvern Panalytical一直是光散射領域的先驅，尤其是在儀器範圍中，例如Mastersizer（用於激光衍射）和Zetasizer（用於光散射）。

近年來光散射技術的重大進展有哪些，它們如何改善粒子表徵？

一個重要進展領域在於計算機處理能力，大大改善了光散射技術中的數據處理。光散射系統如Mastersizer，利用強大的處理器來分析更大的數據集，速度更快且更準確；使用雲計算的可能性將進一步擴展處理能力。這一能力對於研究複雜樣本並獲得詳細的粒子尺寸分佈至關重要。增強的數據處理還支持智能算法，可以區分粒子尺寸分佈中的細微變化，從而提供更深層次的樣本特性洞察。

Malvern Panalytical的自適應測量類型——Adaptive Correlation用於Zetasizer Advance系列，Adaptive Diffraction用於Mastersizer 3000+——根據實時數據動態調整測量參數，優化結果的準確性和可靠性。這些創新保證我們的儀器提供最準確和詳細的粒子表徵，並給予用戶對其數據的信心。

在過去十年中已引入其他新方法進行光散射測量。多角度動態光散射（MADLS）由Zetasizer採用具有重要意義。MADLS在多個角度測量散射光，提供了多分散樣本的粒子尺寸分佈的全面分析，並且對於單峰樣本提供更多精度。這一方法增強了測量的準確性，特別適合於具有廣泛粒子尺寸範圍的複雜樣本。

然後是自動化和人工智能，它們開始被集成到主流光散射儀器中。自動化部分在於實現更高的通量，從而可以測試更多樣本，並減少操作員輸入的需求，因為這可能是重要的不確定性來源。人工智能則開啟了數據處理及數據洞察的許多激動人心的可能性。

光散射的一個挑戰在於準確分析多分散或複雜系統。哪些策略或創新正在幫助克服這些限制？

分析多分散或複雜系統可能具有挑戰性，而且越來越多的樣本在這方面變得更加複雜。幸運的是，Malvern Panalytical的創新例如多角度動態光散射（MADLS）和先進的圖像處理技術正在幫助解決這些限制。MADLS例如，通過在多個角度測量散射光提供更全面的分析，改善多分散樣品的尺寸分佈精確性，通過消除角度偏差提供更準確的樣本尺寸分佈反映。結合光散射與圖像傳感器的實驗平台已證明在分析複雜系統中具有潛力。

新興領域如納米技術和生物製藥如何影響光散射方法的演變？

像DLS這樣的光散射技術在表徵一些最近出現的納米醫藥進展中非常重要——不僅是基本尺寸，還包括理解其配方穩定性和生物利用度。這些系統比典型的乳液或分散液更為複雜，因為它們也是功能性的。它們必須在正確的“排列”中並保持該結構才能發揮作用。這驅使我們研究如何最好地補充光散射數據以在這些新應用領域提供日益重要的見解。

您提到的自動化和AI是光散射進步的兩個領域。您能否詳細說明如何看待這些技術在研究和行業中的未來發展？

我們觀察到的一個重複性趨勢是光散射系統用戶的逐步降技。並不是每個用戶都希望或有時間成為例如Mastersizer或Zetasizer的專家。研究人員和工業科學家面臨著越來越多的時間和資源要求，許多人希望光散射儀器在測量過程中盡可能多地完成“繁重的工作”。自動化解決方案，如Zetasizer Sample Assistant，可以負責樣品處理和展示，而Mastersizer的SOP Architect等工具可以幫助用戶開發其方法。

自動化和AI還幫助滿足日益增長的高樣品通量和海量數據集的需求。客戶需要大量的可靠數據，以確保質量和數量符合。

最近出現的最出乎意料或突破性的光散射應用有哪些？

光散射適用於大多數行業和研究領域，我們在客戶所進行的引人入勝，有時令人意外的工作中一次又一次地受此事啓發。

其中一個值得注意的應用是在疫苗開發中，特別是COVID-19大流行期間，光散射是關鍵。Zetasizer成為疫苗開發者的重要工具，幫助他們分析疫苗中使用的納米粒子的尺寸和穩定性。這項技術確保了疫苗的有效性和安全性，對於COVID-19疫苗的快速開發和部署貢獻良多。

我們也看到人們對微塑料的關注增加，這是有充分理由的。微塑料是小於5毫米的塑料碎片，來源於一次性塑料，衣物和個人護理產品等日常用品。這些塑料進入環境和食物鏈，對人類健康和生態系統構成風險。荷蘭的MOMENTUM項目正在使用光散射來表徵微塑料。通過使用Mastersizer，其研究人員可以對樣品進行尺寸測量並創建“微塑料護照”，幫助跟蹤和理解這些污染物的影響。

最後一個激動人心的新應用實例是精密發酵。這涉及使用工程化的微生物，如細菌，酵母或真菌來生產功能性成分，如蛋白質，用於肉類或乳製品的替代品。隨著全球尋求減少傳統農業的環境影響並增強全球食品供應的韌性，這種方法正獲得關注。光散射在此過程中至關重要，因為它能控制粒子尺寸，以確保食品產品具有一致的結構並易於食用。它有助於評估蛋白質穩定性，從而防止聚集和潛在的產量損失。

在測量準確性和靈敏度方面，光散射技術仍在哪些關鍵領域發展？

光散射技術不斷演進，即使是在經過數十年持續發展之後。就測量準確性和靈敏度而言，有幾個關鍵領域引人注目。

其中一個關鍵領域是檢測器技術的改進，這大大提高了光散射測量的準確性和靈敏度。現代檢測器如高靈敏度的CCD相機，雪崩光電二極管（APD）和光電二極陣列現在能更有效地捕捉散射光信號。這些進步使得能更好地檢測低強度信號，這對於分析小粒子或低濃度樣品至關重要。

Malvern Panalytical正在改善激光衍射對於粗粒子的靈敏度。Mastersizer 3000+引入了如Size Sure等創新功能，使用自適應衍射，有助於此。這對於如電池製造等行業尤為重要，因為粗粒子會導致陰極和陽極短路。

光散射領域也正在通過最佳實踐的開發而進步，這些實踐用於方法開發和測量。例如，ISO/TS 5973出版物提供了激光衍射測量的全面指導方針，涵蓋從樣品準備到數據解釋的所有方面。這一標準幫助確保測量結果的穩定性和可靠性，這對於在光散射實驗中達到高準確性和靈敏度至關重要。

當工業界推動實時在線粒子表徵時，這對光散射技術帶來哪些挑戰和機遇？

在線粒子表徵在工業界中越來越普遍，因為他們希望獲得更即時的過程反饋並盡量減少對需進行離線表徵的實驗室的需求，因為這可能是昂貴的。從離線表徵到在線表徵的轉變為光散射帶來了一些挑戰。每個挑戰都帶來進一步發展光散射技術的機會並利用其他技術來找到解決方案。

其中一個主要挑戰是確保在線和離線表徵方法之間的等價性。您可能有興趣比較不同供應鏈狀態中的數據，例如使用在線方法進行的處理及使用離線方法進行的質量控制（QC）。在理想情況下，您會希望這些方法的結果達成一致。然而，離線和在線這兩種方法通常需要方法學上的差異，例如光學設置，這可能會影響記錄的粒子尺寸分佈（PSD）。例如，有機會在離線情況下順序使用不同波長的光源來擴展測量範圍，因為在這種情況下樣品可以循環；這對於在線採樣而言是不太可能的。

處理高濃度樣品是另一個挑戰。在許多工業過程中，粒子濃度可能很高，這導致存在多重散射問題，粒子之間的散射信號會相互幹擾。對於離線或在線測量，解決方案是稀釋樣品，但對於在線測量，這不是選擇項。這可能會使分析變得複雜並降低粒子尺寸測量的準確性。像自適應衍射和先進算法正被開發出來以緩解這些影響並提高測量的可靠性。

在如油墨和塗料製造等行業中，檢測少量粗粒子是至關重要的，因為即使少量大粒子也會對產品質量產生重大影響。因此需要快速且全面的分析以確保不會錯過粗粒子。

對於希望在此領域中有所前進的研究人員和科學家而言，哪些研究或創新領域最值得期待？

和許多其他領域一樣，人工智能無疑最有前途。我們已經看到其如何形塑我們提供有用工具業務，以便從儀器中以更少的時間獲取更高質量的數據。我對未來AI如何被用於將光散射數據與其他表徵技術整合在一起以更深入理解樣本行為或可能預測其行為充滿期待。

讀者可以在哪裡找到更多信息？

請提供任何可能與我們觀眾相關的材料的鏈接。

• 光散射概述 | Malvern Panalytical
• Mastersizer | 激光衍射粒子尺寸分析儀 | Malvern Panalytical
• Zetasizer | 專業光散射儀器 | Malvern Panalytical

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關於Darrell Bancarz

Darrell Bancarz是Malvern Panalytical的一位資深產品經理，專注於納米材料。工作地點位於英格蘭伍斯特郡。在公司工作了超過二十年，他在科學儀器和材料分析領域擁有深刻的專業知識。在目前職位之前，Darrell曾擔任應用服務經理，為以客戶為中心的解決方案和技術支持做出了貢獻。他為材料科學和先進製造創新提供支持。

關於Paul Senior

Paul Senior是Malvern Panalytical的一位產品經理，專門研究微材料，負責Mastersizer系列。在材料表徵領域擁有超過八年的經驗，他曾在CROs、儀器R&D和產品管理中工作。他的興趣包括流變學和使用激光衍射、DLS、NTA、Morphologi和BET表面積分析等技術進行粒子表徵。