【应用】使用蓝光源和红外光源在分散体系稳定性分析中所获得的背散射光强度

分散体系在生活中随处可见，如：食品工业的沙拉酱和鸡尾酒；化妆品和药品中的面霜和乳剂；建筑工业中的多相清洁剂、乳胶漆或封浆等。对于这些产品，分散稳定性是非常重要的指标，测量分散体系的稳定性也是科研人员的必要工作。

采用多重光散射技术能够帮助研发人员准确量化分散体系的稳定性。在传统测量中，这种技术采用近红外光作为测量光源。其存在一个问题，当分散体系（尤其是乳白色）浓度较低，或者粒子的直径小至纳米级别时，测量得到的光强信号非常低，也就是获得的信噪比很低，从而对失稳分析的准确性产生负面影响。为了解决这一问题，DataPhysics 公司开发了一款以蓝光替代红外光源的新型稳定性分析仪。本文介绍了蓝光源稳定性分析仪和传统近红外光源稳定性分析仪在测量不同粒径和浓度的商用聚合物微球悬浮液（polymer microsphere suspension，以下简称PMSs）时所得到的光强信号质量对比。

【技术和方法】

德国 DataPhysics 公司生产的MS20稳定性测量仪（多重光散射仪）是一款分散体系稳定性分析的测量系统（图 1）。适用于液体分散体系（特别是悬浮液和乳液）的稳定性和老化分析，以及随时间变化和温度依赖的不稳定机制进行综合表征的测量仪器。

图1：DataPhysics 公司的MS20稳定性测量仪（多重光散射仪）带有6个独立的扫描塔

【测量原理】

装有分散液的样品瓶放置于MS20稳定性测量仪（以下简称MS20）一个测量塔中。测量塔内配置一个光源和一个与光源相同高度放置的检测器用于测量透射光，另外一个光源与该检测器呈45度角用于测量背散射光(图2)。

图2：测量原理

测量时，光源和检测器沿着样品瓶同步上下移动，扫描获取不同样品高度来自样品的散射光强度信号。得到透射光和背散射光谱图，对谱图分析计算，获取样品中的任何微小变化信息，如：粒子的运动方向及速度，粒子的平均粒径，粒径分布，是否发生絮凝与聚并等。采用近红外光作为光源（IR塔）的MS20已作为市售的成熟产品，多年被广泛用于分散体系稳定性测量。

   根据米氏散射理论^[2]，透射光和背散射光强度不仅与分散体系的体积浓度、粒子的大小和类型相关，光源的波长也同样决定了散射光的强度。为了获取纳米颗粒的液体分散体系的更高的透射光和背散射光强度值，DataPhysics公司推出了一款新型的波长为470nm的蓝色光作为光源的MS20的扫描塔(以下简称蓝光塔)。这将拓宽MS20的应用范围，对粒径较小的纳米颗粒分散体系仍能准确测量。

【测量】

如下表1，样品为市售的已知粒径和体积浓度的PMS悬浮液。将每种PMS悬浮液20ml倒入透明玻璃样品瓶中,在25℃下，每间隔13秒测量一次，总测量时长为40秒。测量样品高度从0毫米(玻璃瓶底部)至57毫米(玻璃瓶顶部)。所有样品分别用传统IR塔和新型蓝光塔进行测量。

得到使用两种测量塔的所有样品的透射光和背散射光的强度谱图。以粒径为110nm、体积浓度为1% 的PMS分散体系的蓝光塔和IR塔测量谱图为例（图3）。

图3：110 nm PMSs在体积浓度为1%时，蓝光塔和IR塔的背散射光谱图

从图3可以看到，两塔均表现为背散射光强度在测量过程中总体保持恒定。说明分散体系在测量时间内整体稳定。曲线的颜色信息表示每次扫描的时间，从红色（第一次测量，t=0s）到紫色（最后一次测量，t=40s）。每条曲线代表从样品管底部至样品管顶部的同一时间单次测量。

使用MS20专用的 MSC 软件计算所有背散射光信号在样品高度从5 毫米至 40 毫米范围内的强度绝对值。

【结果与讨论】

图4显示了分别用蓝光塔和IR塔测量的不同粒径PMSs在体积浓度为1% 时的背散射光强度值。

图4：分别用蓝光塔和IR塔测得的浓度为1%的PMSs不同粒径悬浮液的背散射光强度对比

从图4可以看到，对于所有样品，用蓝光塔测得的背散射光强度值都远高于用IR塔测得的背散射光强度值。特别是粒径较小的PMSs，两种测量塔测得的背散射光强度值差异更大。例如，110 nm粒径的PMSs，用蓝光塔测得背散射光强度值为26.9%，而用IR塔测得背散射光强度值仅为6.81%。同时也可以看到如下规律，当PMSs粒径小于420nm时，两个塔测得的背散射光强度随粒径的增大而增大。当PMSs粒径大于420nm时，背散射光强度值随粒径的增大而减小。这是因为背散射光强度值与颗粒大小和体积浓度相关。当PMSs粒径大于420nm时，两塔的背散射光强度随着粒径的增大差距逐渐减小，直至接近。

   为了更深入了解高浓度PMSs的蓝光塔和IR塔测量的背散射光强度值的差异，这里比较了体积浓度为10% 的不同粒径PMSs用两塔测量的背散射光强度值（见图5）。与图4中所示的数据类似，对于所有样品，蓝光塔测得的背散射光强度都远高于IR塔。尤其是对于粒径为纳米级别的较小颗粒，蓝光塔和IR塔之间的差异更大。此外，两种塔的背散射光强度随粒径的变化规律相似。

图5：分别用蓝光塔和IR塔测得的浓度为10%的PMSs不同粒径悬浮液的背散射光强度对比

同样的，还研究了浓度对背散射光强度的影响。如图6所示，展示了粒径为540nm的PMSs的背散射光强度随着浓度的增加而增加。在所有测量浓度下，蓝光塔的背散射光强度均远高于IR塔测得的背散射光强度。从图中还可以看到，体积浓度越低，蓝光塔和IR塔测得的背散射光强度值差异越大（除了极低体积浓度0.1%，在任何一个塔中都没有检测到显著的背散射光）。

图6：分别用蓝光塔和IR塔测得的粒径为540nm的PMSs不同浓度悬浮液的背散射光强度对比

【总结】

与传统红外光源的MS20相比，配置蓝光塔的MS20稳定性测量仪为粒子直径在纳米范围或低体积浓度的分散体系（尤其是乳白色分散体系）测量提供了更高的背散射光强度。两塔的背散射光强度随颗粒大小和浓度的变化趋势基本一致。这表明新型蓝光测量塔具有很高的可靠性，更适用于纳米粒子范围或低体积浓度的分散体系测量（尤其是乳白色分散体系），能够获得更高的信噪比，提高了测量的准确性。

配备蓝光源的新型扫描塔为MS20研究液体分散体系（特别是乳白色悬浮液）的稳定性和老化提供了更广泛的测量可能性，并对时间和温度依赖性的失稳机制提供了全面的表征。新型蓝光塔对于纳米悬浮液和纳米乳液的研发特别适用，例如在化学机械抛光或制药纳米乳剂的开发领域等。

参考文献

[1]    https://www.dataphysics-instru- ments.com/products/ms/

[2]    Zhou H., Li L. Experimental research on size distribution of suspended particles in water based on Mie scattering theory. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2021, 769, 042063. DOI:10.1088/1755-1315/769/4/042063