2022-11-30
上世紀(ji)70年(nian)代早期，Microtrac推出(chu)了(le)一臺商用(yong)激光(guang)衍(yan)(yan)射(she)(she)分析(xi)儀用(yong)于粒(li)度(du)測量。從此，此法(fa)(fa)已成為(wei)許多(duo)行業質控和(he)實(shi)用(yong)標準。激光(guang)衍(yan)(yan)射(she)(she)法(fa)(fa)令人印象深刻的是實(shi)用(yong)性(xing)、穩定性(xing)、多(duo)功能性(xing)和(he)多(duo)顆(ke)(ke)粒(li)短時間分析(xi)。然而像任何(he)其(qi)他方(fang)法(fa)(fa)一樣，激光(guang)衍(yan)(yan)射(she)(she)法(fa)(fa)也(ye)有其(qi)缺(que)(que)點(dian)。為(wei)了(le)改善缺(que)(que)點(dian)，動(dong)態圖像法(fa)(fa)排(pai)上了(le)用(yong)場。一種(zhong)方(fang)法(fa)(fa)的缺(que)(que)點(dian)確是另一種(zhong)方(fang)法(fa)(fa)的優點(dian)，因此我(wo)們需要將激光(guang)衍(yan)(yan)射(she)(she)法(fa)(fa)和(he)圖像分析(xi)法(fa)(fa)結(jie)合在一個(ge)設備中(zhong)。Microtrac激光(guang)粒(li)度(du)粒(li)形(xing)(xing)分析(xi)儀 SYNC，可在一次測量中(zhong)通過激光(guang)衍(yan)(yan)射(she)(she)法(fa)(fa)和(he)圖像法(fa)(fa)獲(huo)得(de)顆(ke)(ke)粒(li)的粒(li)徑(jing)分布和(he)顆(ke)(ke)粒(li)形(xing)(xing)狀的信息-對于干粉測試(shi)或懸浮液和(he)乳劑均適用(yong)。（圖1）。
將激光(guang)衍射和(he)動態圖像(xiang)分(fen)析相結合的優點將在本文中適用幾個相關行業(ye)的例子具體說明。
圖1：Microtrac SYNC將(jiang)激光衍射法（右(you)上方(fang)）和動態圖像分(fen)析(xi)法（右(you)下方(fang)）結合對同一樣品池的顆粒(li)進行(xing)分(fen)析(xi)
示例1：增材制造業中金屬粉末的質量評估
由于生產條(tiao)件，顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)可以在氣體(ti)霧化(hua)金屬粉(fen)末中(zhong)(zhong)(zhong)熔合(he)在一(yi)(yi)起，并偏離了本(ben)身(shen)的(de)(de)(de)(de)球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)形(xing)(xing)狀(zhuang)。在增材制造過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，這種(zhong)缺(que)陷顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)是有(you)問題的(de)(de)(de)(de)，因為(wei)他們對(dui)流動和燒結(jie)行為(wei)都(dou)有(you)負面影響。雖然幾個(ge)球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)聚集(ji)體(ti)比(bi)單個(ge)顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)大得多(duo)，并且(qie)可以通(tong)(tong)過(guo)篩分(fen)(fen)法(fa)去除，但對(dui)于長條(tiao)形(xing)(xing)顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)和水滴形(xing)(xing)顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)來說是行不通(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)。附著在大顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)上(shang)的(de)(de)(de)(de)小顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)是能通(tong)(tong)過(guo)篩分(fen)(fen)法(fa)去除的(de)(de)(de)(de)，因為(wei)較大的(de)(de)(de)(de)球(qiu)(qiu)體(ti)直徑(jing)決定(ding)了總體(ti)保(bao)留顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)篩徑(jing)。圖2為(wei)兩種(zhong)球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)金屬粉(fen)末的(de)(de)(de)(de)激光衍(yan)射(she)分(fen)(fen)析結(jie)果。34μm和37μm的(de)(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)值粒(li)(li)(li)(li)徑(jing)非常(chang)相(xiang)似，也都(dou)是寬分(fen)(fen)布樣(yang)本(ben)。因此(ci)可以假定(ding)兩個(ge)樣(yang)本(ben)在質量上(shang)具(ju)有(you)可比(bi)性。然而，當分(fen)(fen)析兩個(ge)樣(yang)本(ben)的(de)(de)(de)(de)圖像數(shu)(shu)據會(hui)發現事實(shi)并非如(ru)此(ci)！圖2b中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)圖像顯示主(zhu)要是樣(yang)本(ben)1的(de)(de)(de)(de)球(qiu)(qiu)形(xing)(xing)顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)和許多(duo)大顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)附著小顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)，樣(yang)品2中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)細長或形(xing)(xing)變顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)。散點圖中(zhong)(zhong)(zhong)顯示粒(li)(li)(li)(li)徑(jing)（直徑(jing)μm）和球(qiu)(qiu)度，球(qiu)(qiu)度是對(dui)顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)與球(qiu)(qiu)體(ti)（球(qiu)(qiu)度=1）接近程度的(de)(de)(de)(de)度量.每一(yi)(yi)個(ge)點對(dui)應一(yi)(yi)個(ge)顆(ke)粒(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)投(tou)影，針對(dui)樣(yang)品1，球(qiu)(qiu)度值始(shi)終接近1。樣(yang)本(ben)2的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)布范圍很寬。沒有(you)圖像分(fen)(fen)析的(de)(de)(de)(de)數(shu)(shu)據，這一(yi)(yi)重(zhong)要信息便(bian)無法(fa)獲得。
示例2：針狀晶體
在(zai)(zai)評(ping)價激(ji)光衍射法測量粒(li)徑分布(bu)(bu)(bu)時，通(tong)(tong)常(chang)假設顆(ke)(ke)(ke)粒(li)為(wei)球形。這意味著(zhu)所有(you)衍射信號(hao)被當(dang)做球形顆(ke)(ke)(ke)粒(li)產生的(de)(de)(de)(de)信號(hao)來(lai)處理—顆(ke)(ke)(ke)粒(li)的(de)(de)(de)(de)形狀無法被檢測到。然而，有(you)限(xian)的(de)(de)(de)(de)評(ping)價模(mo)型不(bu)(bu)太符合(he)大(da)(da)部(bu)分樣(yang)(yang)本的(de)(de)(de)(de)幾何(he)形狀。在(zai)(zai)許(xu)多情況(kuang)下，板狀樣(yang)(yang)本（如(ru)云母組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)礦物(wu)）或(huo)者針狀晶體(ti)，如(ru)硅(gui)灰石，針狀藥物(wu)文末等。在(zai)(zai)數據(ju)采集(ji)過程中，這些顆(ke)(ke)(ke)粒(li)以不(bu)(bu)同方向通(tong)(tong)過激(ji)光束(shu)。根據(ju)在(zai)(zai)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)方向上，衍射信號(hao)可以從(cong)長(chang)邊(bian)或(huo)者短邊(bian)到達檢測器。在(zai)(zai)種(zhong)情況(kuang)下，會將(jiang)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)當(dang)做大(da)(da)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)給出結果(guo)(guo)(guo)，而第(di)二種(zhong)情況(kuang)下則是(shi)當(dang)做小(xiao)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)給出結果(guo)(guo)(guo)。因此(ci)輸出會是(shi)雙峰(feng)分布(bu)(bu)(bu)，其中分布(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)個(ge)(ge)峰(feng)對(dui)應寬(kuan)度(du)(du)(du)，第(di)二個(ge)(ge)峰(feng)對(dui)應長(chang)度(du)(du)(du)。如(ru)果(guo)(guo)(guo)沒有(you)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)形狀的(de)(de)(de)(de)數據(ju)作為(wei)參考，便會將(jiang)這個(ge)(ge)結果(guo)(guo)(guo)解釋為(wei)兩個(ge)(ge)不(bu)(bu)同大(da)(da)小(xiao)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)的(de)(de)(de)(de)混合(he)物(wu)（圖3，左(zuo)上角）。通(tong)(tong)過圖像(xiang)法能(neng)夠(gou)扭轉誤(wu)解。在(zai)(zai)這里，顆(ke)(ke)(ke)粒(li)的(de)(de)(de)(de)針狀是(shi)十分明顯的(de)(de)(de)(de)，甚(shen)至(zhi)可以確定長(chang)/寬(kuan)（寬(kuan)度(du)(du)(du)與長(chang)度(du)(du)(du)）（圖3，右(you)上角）。也可以將(jiang)長(chang)度(du)(du)(du)分布(bu)(bu)(bu)和寬(kuan)度(du)(du)(du)分布(bu)(bu)(bu)分開（圖3，底部(bu)）。
圖3：激光(guang)衍射法分(fen)析(xi)硅灰(hui)石顯示的(de)雙峰曲線（左上）。硅灰(hui)石晶體的(de)顆粒圖像（右上）。圖像分(fen)析(xi)（左下）：寬度分(fen)布（紅色）、長度分(fen)布（綠色）以及投影基于等效球直徑分(fen)布（黑色）。D10/D50/D90的(de)百分(fen)比數值見表（右下）
示(shi)例3：超大顆粒(li)檢測
超大顆(ke)(ke)粒(li)的(de)定義(yi)是比樣本的(de)其(qi)他部(bu)分大的(de)少量顆(ke)(ke)粒(li)，通常超出產品的(de)規格。在(zai)(zai)許多領域，沒(mei)有超大顆(ke)(ke)粒(li)是一個重(zhong)要(yao)的(de)質量標(biao)準(zhun)，例如：對于磨料，超大顆(ke)(ke)粒(li)會(hui)在(zai)(zai)加工表面留(liu)下劃痕(hen)。
經典的(de)(de)激(ji)光衍射(she)(she)法對(dui)于(yu)較大顆(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)檢測(ce)有(you)(you)(you)限(xian)。這是因為一個(ge)角度(du)的(de)(de)衍射(she)(she)信(xin)號(hao)是由所(suo)有(you)(you)(you)顆(ke)粒(li)(li)(li)同時產(chan)生的(de)(de)。大顆(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)散(san)射(she)(she)角小，但(dan)由于(yu)顆(ke)粒(li)(li)(li)數量(liang)少，并沒有(you)(you)(you)影響到最(zui)終的(de)(de)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)。現代激(ji)光衍射(she)(she)分(fen)析儀可(ke)(ke)以可(ke)(ke)靠(kao)地檢測(ce)到一些超大顆(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)百分(fen)比(bi)。然而對(dui)于(yu)許(xu)多(duo)應(ying)用來說，這還遠(yuan)遠(yuan)不(bu)夠。因為圖像(xiang)分(fen)析檢測(ce)和評估單個(ge)顆(ke)粒(li)(li)(li)，即每(mei)個(ge)顆(ke)粒(li)(li)(li)投影產(chan)生記錄的(de)(de)測(ce)量(liang)信(xin)號(hao)，大大提高了超大顆(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)檢測(ce)靈敏度(du)。在評價(jia)圖像(xiang)分(fen)析的(de)(de)結(jie)果(guo)可(ke)(ke)以與激(ji)光衍射(she)(she)的(de)(de)結(jie)果(guo)相結(jie)合(he)，產(chan)生粒(li)(li)(li)徑分(fen)布，如(ru)圖4所(suo)示。
圖4：0.6%的(de)超大顆(ke)粒加入(ru)到玻璃珠樣品。在衍射(she)分析中未(wei)檢(jian)測到超大顆(ke)粒（左側）。通過與圖像法解結合可以檢(jian)測到超大顆(ke)粒的(de)存(cun)在（右側）。大顆(ke)粒可以在圖像中被檢(jian)測到。
圖5為(wei)聚(ju)合物(wu)懸浮(fu)液的(de)(de)(de)粒(li)徑(jing)分布，平均粒(li)徑(jing)為(wei)170nm。這(zhe)樣(yang)的(de)(de)(de)小(xiao)顆(ke)粒(li)必(bi)須依靠激(ji)光衍射(she)。通過與動(dong)態(tai)圖像(xiang)分析相(xiang)結合，不僅可(ke)以(yi)(yi)可(ke)靠的(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)超(chao)大顆(ke)粒(li)，也可(ke)以(yi)(yi)從宏觀上識別這(zhe)些顆(ke)粒(li)是(shi)真實樣(yang)品顆(ke)粒(li)、污染物(wu)、氣泡還是(shi)攜入的(de)(de)(de)材料。圖5的(de)(de)(de)結果是(shi)由衍射(she)法(fa)測(ce)定的(de)(de)(de)，并顯示(shi)有(you)3%的(de)(de)(de)大顆(ke)粒(li)是(shi)接(jie)近10μm的(de)(de)(de)。這(zhe)些超(chao)大顆(ke)粒(li)可(ke)以(yi)(yi)單獨(du)使用圖像(xiang)法(fa)分析。此(ci)外還有(you)一小(xiao)部分顆(ke)粒(li)>40μm（顆(ke)粒(li)圖像(xiang)的(de)(de)(de)最底層(ceng)），這(zhe)是(shi)衍射(she)法(fa)沒有(you)檢(jian)測(ce)到的(de)(de)(de)。
圖5：激光衍射法檢測具有超大(da)(da)顆粒的高分子(zi)懸(xuan)浮液（左側(ce)）。超大(da)(da)顆粒的圖像（右側(ce)）。
示例(li)4：混合(he)顆粒(li)占比評(ping)估(gu)
所有顆(ke)粒(li)同(tong)(tong)時產生的(de)(de)信號(hao)進行評估，而每個(ge)檢測(ce)器的(de)(de)散(san)射信號(hao)來源于(yu)(yu)不同(tong)(tong)尺(chi)寸的(de)(de)顆(ke)粒(li)混(hun)合物(wu)(wu)，分(fen)(fen)(fen)析起來往往很(hen)困難(nan)。尤(you)(you)其當兩(liang)者(zhe)尺(chi)寸很(hen)接(jie)近的(de)(de)時候，困難(nan)尤(you)(you)為顯(xian)著。由于(yu)(yu)高(gao)分(fen)(fen)(fen)辨率相機和(he)單(dan)個(ge)顆(ke)粒(li)，數字圖像分(fen)(fen)(fen)析在(zai)這里明顯(xian)更勝一籌。圖6中的(de)(de)例子顯(xian)示了激(ji)光(guang)(guang)衍射分(fen)(fen)(fen)析法(fa)(fa)對(dui)混(hun)合物(wu)(wu)的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)析仍(reng)能取得(de)較好(hao)的(de)(de)結(jie)果。從粒(li)徑分(fen)(fen)(fen)布為2μm-500μm的(de)(de)沙子樣本中，56-90μm的(de)(de)顆(ke)粒(li)經篩分(fen)(fen)(fen)法(fa)(fa)去除，粗組分(fen)(fen)(fen)和(he)細組分(fen)(fen)(fen)以1:1的(de)(de)比例混(hun)合用SYNC進行分(fen)(fen)(fen)析。請(qing)注(zhu)意，上述評價(jia)僅基于(yu)(yu)激(ji)光(guang)(guang)衍射法(fa)(fa)。在(zai)結(jie)果中，這兩(liang)個(ge)組分(fen)(fen)(fen)被清(qing)楚地分(fen)(fen)(fen)開，比例為48.6%/51.4%。
圖6：測量1:1混合的沙子樣品粗顆(ke)粒(li)和細顆(ke)粒(li)的占比很(hen)精(jing)確
另一個(ge)(ge)例子（圖7）顯示了(le)玻(bo)璃珠的(de)(de)(de)(de)三(san)峰混(hun)合物(wu)的(de)(de)(de)(de)結果（3種(zhong)成分(fen)(fen)與(yu)明顯分(fen)(fen)離的(de)(de)(de)(de)顆粒大小(xiao)）。篩分(fen)(fen)得到的(de)(de)(de)(de)組(zu)分(fen)(fen)大小(xiao)分(fen)(fen)別為<45μm、75-90μm和(he)>125μm。當(dang)用激(ji)光衍射(she)(she)法評價時(shi)只(zhi)輸出一個(ge)(ge)雙峰分(fen)(fen)布(bu)。通過對(dui)激(ji)光數據和(he)圖像(xiang)信息的(de)(de)(de)(de)綜合評估實(shi)現了(le)三(san)組(zu)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)區分(fen)(fen)。在對(dui)純(chun)圖像(xiang)數據進行(xing)分(fen)(fen)析時(shi)，根據大小(xiao)組(zu)分(fen)(fen)進行(xing)了(le)徹底(di)的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)離。另外沒(mei)有(you)重疊，正如樣品制備(bei)所期望那樣。然(ran)而(er)在粒度(du)測量中常用的(de)(de)(de)(de)數值(zhi)D10、D50和(he)D90與(yu)三(san)組(zu)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)數值(zhi)具有(you)高度(du)可比性(xing)（只(zhi)有(you)衍射(she)(she)法的(de)(de)(de)(de)D50數值(zhi)大了(le)約20μm）。
示(shi)例5：與篩分法對比
在篩(shai)分(fen)(fen)法(fa)中，顆(ke)粒(li)(li)(li)被保留(liu)在與其最小投影(ying)面積相對(dui)應的(de)(de)網(wang)格中。對(dui)于(yu)非球(qiu)形顆(ke)粒(li)(li)(li)，趨向于(yu)與他們(men)的(de)(de)寬(kuan)(kuan)度(du)相關(guan)。因(yin)(yin)此，篩(shai)分(fen)(fen)總是以擇優取向測量顆(ke)粒(li)(li)(li)。因(yin)(yin)為激(ji)光(guang)(guang)衍(yan)(yan)(yan)射無法(fa)分(fen)(fen)辨顆(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)長度(du)和寬(kuan)(kuan)度(du)，測試結(jie)(jie)(jie)果(guo)包含所有(you)方向的(de)(de)顆(ke)粒(li)(li)(li)，因(yin)(yin)此與篩(shai)分(fen)(fen)法(fa)相比(bi)更(geng)(geng)容(rong)易(yi)將粗顆(ke)粒(li)(li)(li)認(ren)定為更(geng)(geng)大(da)的(de)(de)顆(ke)粒(li)(li)(li)。特別是經過(guo)(guo)一(yi)定尺寸篩(shai)選(xuan)的(de)(de)樣(yang)品，激(ji)光(guang)(guang)衍(yan)(yan)(yan)射的(de)(de)結(jie)(jie)(jie)果(guo)會顯(xian)示更(geng)(geng)大(da)的(de)(de)顆(ke)粒(li)(li)(li)，這(zhe)結(jie)(jie)(jie)果(guo)給用(yong)戶帶來困惑。圖像法(fa)有(you)助于(yu)正確的(de)(de)解釋激(ji)光(guang)(guang)衍(yan)(yan)(yan)射的(de)(de)結(jie)(jie)(jie)果(guo)。首先，有(you)可能得(de)到基于(yu)寬(kuan)(kuan)度(du)的(de)(de)粒(li)(li)(li)徑分(fen)(fen)布，更(geng)(geng)接近篩(shai)分(fen)(fen)法(fa)的(de)(de)結(jie)(jie)(jie)果(guo)。其次，通過(guo)(guo)對(dui)顆(ke)粒(li)(li)(li)幾何形狀的(de)(de)評估和顆(ke)粒(li)(li)(li)投影(ying)的(de)(de)顯(xian)示，解釋了激(ji)光(guang)(guang)衍(yan)(yan)(yan)射的(de)(de)結(jie)(jie)(jie)果(guo)。
圖(tu)(tu)8顯示(shi)了激光(guang)(guang)衍(yan)射(she)測量(liang)聚合物(wu)粉末的(de)(de)(de)結(jie)果(guo)。篩分的(de)(de)(de)結(jie)果(guo)為100μm。沒有(you)(you)大(da)顆(ke)粒的(de)(de)(de)存在。但是(shi)在激光(guang)(guang)衍(yan)射(she)的(de)(de)(de)結(jie)果(guo)中(zhong)有(you)(you)10%的(de)(de)(de)顆(ke)粒大(da)于100μm，甚至可(ke)以檢測到高達(da)500μm的(de)(de)(de)顆(ke)粒。散點圖(tu)(tu)表(biao)示(shi)大(da)于100μm的(de)(de)(de)顆(ke)粒有(you)(you)很(hen)多（最(zui)高可(ke)達(da)500μm），很(hen)少有(you)(you)比100μm還(huan)寬的(de)(de)(de)顆(ke)粒，最(zui)大(da)寬度為30μm。這種樣本的(de)(de)(de)非球形顆(ke)粒在篩子上定向，因此(ci)會得到<100μm的(de)(de)(de)結(jie)果(guo)。
圖(tu)8：高(gao)分(fen)子粉末樣品激光衍射(she)結(jie)果。盡管篩分(fen)的(de)(de)結(jie)果是100μm，分(fen)布(bu)當中仍然有大顆粒的(de)(de)存在。散點(dian)圖(tu)顯示，顆粒的(de)(de)長度(du)遠(yuan)遠(yuan)大于100μm。
總(zong)結(jie)：激光衍(yan)射(she)法和動(dong)態(tai)圖像法相(xiang)輔相(xiang)成
動態圖像分(fen)析(xi)法更(geng)適(shi)用于彌補(bu)激光衍(yan)射法的(de)局(ju)限(xian)性，并(bing)獲得(de)更(geng)有(you)意義的(de)測量結(jie)果。作為(wei)一(yi)(yi)臺(tai)兩(liang)項技術相結(jie)合(he)(he)(he)(he)的(de)設(she)備，Microtrac SYNC分(fen)析(xi)儀以結(jie)合(he)(he)(he)(he)了這兩(liang)種(zhong)方法，并(bing)且一(yi)(yi)次分(fen)析(xi)即可得(de)到多種(zhong)測量結(jie)果。該(gai)設(she)備的(de)模塊(kuai)化分(fen)散設(she)計滿足其(qi)測試(shi)干粉樣品、懸(xuan)浮液(ye)和(he)乳(ru)劑(ji)。顯(xian)示(shi)結(jie)果可基于經典(dian)激光衍(yan)射和(he)動態圖像分(fen)析(xi)法。科學(xue)家(jia)們受益(yi)于兩(liang)項技術結(jie)合(he)(he)(he)(he)的(de)優(you)勢：多元化、耐用、兩(liang)者(zhe)結(jie)合(he)(he)(he)(he)可提(ti)供寬測量范(fan)圍，高靈敏度和(he)高分(fen)辨率。
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