激光粒度测试仪

1. 什么是光散射现象？光线通过不均一环境时，发生的部分光线改变了传播方向的现象被称作光散射，这部分改变了传播方向的光称作散射光。宏观上，从阳光被大气中空气分子和液滴散射而来的蓝天和红霞到被水分子散射的蔚蓝色海洋，光散射现象本质都是光与物质的相互作用。2. 颗粒与光的相互作用微观上，当一束光照在颗粒上，除部分光发生了散射，还有部分发生了反射、折射和吸收，对于少数特别的物质还可能产生荧光、磷光等。当入射光为具有相干性的单色光时，这些散射光相干后形成了特定的衍射图样，米氏散射理论是对此现象的科学表述。如果颗粒是球形，在入射光垂直的平面上观察到称为艾里斑的衍射图样。颗粒散射激光形成艾里斑3. 激光粒度仪原理-光散射的空间分布探测分析艾里斑与光能分布曲线当我们观察不同尺寸的颗粒形成的艾里斑时，会发现颗粒的尺寸大小与中间的明亮区域大小一般成反相关。现代的激光粒度仪设计中，通过在垂直入射光的平面距中心点不同角度处依次放置光电检测器进行粒子在空间中的光能分布进行探测，将采集到的光能通过相关米氏散射理论反演计算，就可以得出待分析颗粒的尺寸了。这种以空间角度光能分布的测量分析样品颗粒分散粒径的仪器即是静态光散射激光粒度仪，由于测试范围宽、测试简便、数据重现性好等优点，该方法仪器使用最广泛，通常被简称为激光粒度仪。根据激光波长（可见光激光波长在几百纳米）和颗粒尺寸的关系有以下三种情况：a) 当颗粒尺寸远大于激光波长时，艾里斑中心尺寸与颗粒尺寸的关系符合米氏散射理论在此种情况下的近似解，即夫琅和费衍射理论，老式激光粒度仪亦可以通过夫琅和费衍射理论快速准确地计算粒径分布。b) 当颗粒尺寸与激光波长接近时，颗粒的折射、透射和反射光线会较明显地与散射光线叠加，可能表现出艾里斑的反常规变化，此时的散射光能分布符合考虑到这些影响的米氏散射理论规则。通过准确的设定被检测颗粒的折射率和吸收率参数，由米氏散射理论对空间光能分布进行反演计算即可得出准确的粒径分布。c) 当颗粒尺寸远小于激光波长时，颗粒散射光在空间中的分布呈接近均匀的状态（称作瑞利散射），且随粒径变化不明显，使得传统的空间角度分布测量的激光粒度仪不再适用。总的来说，激光粒度仪一般最适于亚微米至毫米级颗粒的分析。静态光散射原理Topsizer Plus激光粒度分析仪Topsizer Plus激光粒度仪的测试范围达0.01-3600μm，根据所搭配附件的不同，既可测量在液体中分散的样品，也可测量须在气体中分散的粉体材料。4. 纳米粒度仪原理-光散射的时域涨落探测（动态光散射）分析 对于小于激光波长的悬浮体系纳米颗粒的测量，一般通过对一定区域中测量纳米颗粒的不定向地布朗运动速率来表征，动态光散射技术被用于此时的布朗运动速率评价，即通过散射光能涨落快慢的测量来计算。颗粒越小，颗粒在介质中的布朗运动速率越快，仪器监测的小区域中颗粒散射光光强的涨落变化也越快。然而，当颗粒大至微米极后，颗粒的布朗运动速率显著降低，同时重力导致的颗粒沉降和容器中介质的紊流导致的颗粒对流运动等均变得无法忽视，限制了该粒径测试方法的上限。基于以上原因，动态光散射的纳米粒度仪适宜测试零点几个纳米至几个微米的颗粒。5.Zeta电位仪原理-电泳中颗粒光散射的相位探测分析纳米颗粒大多有较活泼的电化学特性，纳米颗粒在介质中滑动平面所带的电位被称为Zeta电位。当在样品上加载电场后，带电颗粒被驱动做定向地电泳运动，运动速度与其Zeta电位的高低和正负有关。与测量布朗运动类似，纳米粒度仪可以测量电场中带电颗粒的电泳运动速度表征颗粒的带电特性。通常Zeta电位的绝对值越高，体系内颗粒互相排斥，更倾向与稳定的分散。由于大颗粒带电更多，电泳光散射方法适合测量2nm-100um范围内的颗粒Zeta电位。NS-90Z 纳米粒度及电位分析仪NS-90Z 纳米粒度及电位分析仪在一个紧凑型装置仪器中集成了三种技术进行液相环境颗粒表征，包括：利用动态光散射测量纳米粒径，利用电泳光散射测量Zeta电位，利用静态光散射测量分子量。6. 如何根据应用需求选择合适的仪器为了区分两种光散射粒度仪，激光粒度仪有时候又被称作静态光散射粒度仪，而纳米粒度仪有时候也被称作动态光散射粒度仪。需要说明的是，由于这两类粒度仪测量的是颗粒的散射光，而非对颗粒成像。如果多个颗粒互相沾粘在一起通过检测区间时，会被当作一个更大的颗粒看待。因此这两种光散射粒度仪分析结果都反映的是颗粒的分散粒径，即当颗粒不完全分散于水、有机介质或空气中而形成团聚、粘连、絮凝体时，它们测量的结果是不完全分散的聚集颗粒的粒径。综上所述，在选购粒度分析仪时，基于测量的原理宜根据以下要点进行取舍：a) 样品的整体颗粒尺寸。根据具体质量分析需要选择对所测量尺寸变化更灵敏的技术。通常情况下，激光粒度仪适宜亚微米到几个毫米范围内的粒径分析；纳米粒度仪适宜全纳米亚微米尺寸的粒径分析，这两种技术测试能力在亚微米附近有所重叠。颗粒的尺寸动态光散射NS-90Z纳米粒度仪测试胶体金颗粒直径，Z-average 34.15nmb) 样品的颗粒离散程度。一般情况下两种仪器对于单分散和窄分布的颗粒粒径测试都是可以轻易满足的。对于颗粒分布较宽，即离散度高/颗粒中大小尺寸粒子差异较大的样品，可以根据质量评价的需求选择合适的仪器，例如要对纳米钙的分散性能进行评价，关注其微米级团聚颗粒的含量与纳米颗粒的含量比例，有些工艺不良的情况下团聚的颗粒可能达到十微米的量级，激光粒度仪对这部分尺寸和含量的评价真实性更高一些。如果需要对纳米钙的沉淀工艺进行优化，则需要关注的是未团聚前的一般为几十纳米的原生颗粒，可以通过将团聚大颗粒过滤或离心沉淀后，用纳米粒度仪测试，结果可能具有更好的指导性，当然条件允许的情况下也可以选用沉淀浆料直接测量分析。有些时候样品中有少量几微米的大颗粒，如果只是定性判断，纳米粒度仪对这部分颗粒产生的光能更敏感，如果需要定量分析，则激光粒度仪的真实性更高。对于跨越纳米和微米的样品，我们经常需要合适的进行样品前处理，根据质量目标选用最佳质控性能的仪器。颗粒的离散程度静态光散射法Topsizer激光粒度仪测试两个不同配方工艺的疫苗制剂动态光散射NS-90Z纳米粒度仪测试疫苗制剂直径激光粒度仪测试结果和下图和纳米粒度仪的结果是来自同一个样品，从分布图和数据重现程度上看，1um以下，纳米粒度仪分辨能力优于激光粒度仪；1um以上颗粒的量的测试，激光粒度仪测试重现性优于纳米粒度仪；同时对于这样的少量较大颗粒，动态光散射纳米粒度仪在技术上更敏感（测试的光能数据百分比更高）。在此案例的测试仪器选择时，最好根据质控目标来进行，例如需要控制制剂中大颗粒含量批次之间的一致性可以选用激光粒度仪；如果是控制制剂纳米颗粒的尺寸，或要优化工艺避免微米极颗粒的存在，则选用动态光散射纳米粒度仪更适合。c) 测试样品的状态。激光粒度仪适合粉末、乳液、浆料、雾滴、气溶胶等多种颗粒的测试，纳米粒度仪适宜胶体、乳液、蛋白/核酸/聚合物大分子等液相样品的测试。通常激光粒度仪在样品浓度较低的状态下测试，对于颗粒物含量较高的样品及粉末，需要在测试介质中稀释并分散后测试。对于在低浓度下容易团聚或凝集的样品，通常使用内置或外置超声辅助将颗粒分散，分散剂和稳定剂的使用往往能帮助我们更好的分离松散团聚的颗粒并避免颗粒再次团聚。纳米粒度仪允许的样品浓度范围相对比较广，多数样品皆可在原生状态下测试。对于稀释可能产生不稳定的样品，如果测试尺寸在两者都许可的范围内，优先推荐使用纳米粒度仪，通常他的测试许可浓度范围更广得多。如果颗粒测试不稳定，通常需要根据颗粒在介质体系的状况，例如是否微溶，是否亲和，静电力相互作用等，进行测试方法的开发，例如，通过在介质中加入一定的助剂/分散剂/稳定剂或改变介质的类别或采用饱和溶液加样法等，使得颗粒不易发生聚集且保持稳定，大多数情况下也是可以准确评价样品粒径信息的。当然，在对颗粒进行分散的同时，宜根据质量分析的目的进行恰当的分散，过度的分散有时候可能会得到更小的直径或更好重现性的数据，但不一定能很好地指导产品质量。例如对脂质体的样品，超声可能破坏颗粒结构，使得粒径测试结果失去质控意义。d) 制剂稳定性相关的表征。颗粒制剂的稳定性与颗粒的尺寸、表面电位、空间位阻、介质体系等有关。一般来说，颗粒分散粒径越细越不容易沉降，因此颗粒间的相互作用和团聚特性是对制剂稳定性考察的重要一环。当颗粒体系不稳定时，则需要选用颗粒聚集/分散状态粒径测量相适宜的仪器。此外，选用带电位测量的纳米粒度仪可以分析从几个纳米到100um的颗粒的表面Zeta电位，是评估颗粒体系的稳定性及优化制剂配方、pH值等工艺条件的有力工具。颗粒的分散状态e) 颗粒的综合表征。颗粒的理化性质与多种因素有关，任何表征方法都是对颗粒的某一方面的特性进行的测试分析，要准确且更系统地把控颗粒产品的应用质量，可以将多种分析方法的结果进行综合分析，也可以辅助解答某一方法在测试中出现的一些不确定疑问。例如结合图像仪了解激光粒度仪测试时样品分散是否充分，结合粒径、电位、第二维利系数等的分析综合判断蛋白制剂不稳定的可能原因等。

在粒度测试过程中，有时会出现数据异常的情况，如重复性不好、同一个样品结果与之前有差异等。这样的情况一般是由以下几个原因造成的。1、环境异常：粒度仪的使用环境应该满足以下条件，一是室温在10℃~30℃之间，并且介质温度要与室温相同或相近，若介质与室温温相差过大会导致样品池结雾而影响测试结果。二是实验台要稳固，周围无振动源。振动会使仪器测试过程中光路发生变化，导致测试结果不稳。三是电源电压要稳定且有良好的接地，电压不稳会影响仪器内部电路运行的可靠性和光源的稳定性，从而使信号不稳或完全错误，从而导致结果异常。下图为样品池结雾时测试窗口异常的状态：环境异常的解决办法是对症下药，消除异常，如加装空调、加固工作台、远离振动源、远离电磁干扰设备（如电炉）、加装稳压电源、加装接地等。2、折射率发生改变：现代激光粒度仪一般采用Mie散射理论，选择正确的折射率直接决定了测试结果的准确性，正确的折射率可以通过系统或测量来得到。下图是同一样品不同折射率时的测试结果差异。 折射率发生变化的原因是测试不同的样品时忘记把上一个样品的折射率修改成现在样品的折射率，解决办法是严格按操作规范进行操作，要认真细致，不马马虎虎。3、保养维护不当：激光粒度仪是精密仪器，日常使用要按照操作规程使用，日常保养和维护不当会产生样品池污染、样品池划伤、透镜污染、管路脏、光电探测器损坏、使用腐蚀性介质测试导致循环系统损坏等，这些原因都会导致仪器测试结果异常。下图为样品池或者透镜脏时测试仪器背景。解决方法是定期清洗样品池和管路，及时更换划伤的样品池、不在非耐腐蚀循环泵中使用腐蚀性介质、不用汽油擦仪器表面、不随便打开仪器上盖、不使杂物掉到循环池中等。4、样品制备原因：一是取样不具有代表性（包括从车间里取样和实验室缩分）。二是所用的介质不合适。三是分散剂的种类和用量不正确。四是超声分散时间和强度不一致等。下图是同一种样品分散前后的对比图像。 解决方法还是对症下药，一是从车间取样时要尽量从料流中取样而不要在堆积状态下取样，如果不得不在堆积状态下取样，必须进行多点取样（至少4点），即从不同位置、不同深度取样后混合到一起。二是从实验室样品中取测试样时，要先搅拌均匀，用小勺多点（至少4点）取样放到仪器中进行分散测试。三是悬浮液取样时，要先用电动搅拌器搅拌均匀，然后用液体取样器从中部抽取。对比重较大、较粗、粒度分布很宽的特殊样品，要先加很少量的介质制成膏状物，混合均匀后再取样。四是介质要纯净、不与颗粒发生物理和化学反应、对颗粒表面具有良好的润湿作用、使颗粒具有适当的悬浮状态、介质与室温的温差要尽量小等。五是干法粒度测试时对气体介质的要求是纯净、干燥、无油、压力适中等。六是选择合适的分散剂并控制好用量。七是确定并使用最佳超声功率和时间。以上四个方面讨论了激光粒度测试过程中出现数据异常的常见原因，并给出了相应的解决方法。但引起数据异常的原因很多，情况也不一样，本文无法一一列举，如出现类似问题，可求教于专业人士，丹东百特也愿意以“专业、迅速、热情、周到”的服务理念，为您排忧解难。 （本文作者：百特售后服务工程师 管青宇）

德国新帕泰克有限公司是专业的激光粒度分析仪制造商，首部国际激光粒度仪制造标准ISO13320的主要技术内容就是根据德国新帕泰克公司的技术指标来制定的。该公司研发生产出了世界第一台专利干法激光粒度测试仪HELOS-RODOS，被全球粉体工程界誉为粒度测试领域中的里程碑式的创新 之后，又不断地推出了一系列的模块化设计的各种粒度粒形分析仪。新帕泰克公司提出并形成了 &ldquo 干样干测，湿样湿测 瞬时分散，瞬时测量 " 的测试理念 依据此理念给客户提供最精良的粒度仪。　　2015年6月24日，在&ldquo 第十五届世界制药原料中国展(CPhI China)，暨第十届世界制药机械、包装设备与材料中国展(P-MEC China)&rdquo 于上海召开之际，仪器信息网(以下简称instrument)就激光粒度仪主要的应用领域、测试方法技术等方面的问题采访了德国新帕泰克有限公司苏州代表处首席代表耿建芳博士。　　德国新帕泰克有限公司苏州代表处首席代表耿建芳博士　　Instrument：请您介绍一下哪些领域会用到激光粒度仪?　　耿建芳：粒度检测是物料最基本的物理性质检测，在制药、水泥、化工、食品、冶金、磁性材料、矿业、陶瓷、电池等行业有广泛的应用。例如，近几年粒度仪在电池行业的应用也是一个热点，相同的物料生产出的电池，表面看上去没有什么区别，但是实际测出来的电量、循环次数等性能不一样，这与原料的粒度大小和粒度分布、以及颗粒的形状有很大关系 在水泥行业，粒度大小分布不合适，会影响到混凝土的强度和开裂等性能 在牙膏行业粒度仪的应用就更常见了，磨料颗粒的大小和形状会显著影响刷牙效果和牙齿的健康。　　对于新帕泰克来说，医药、化工、水泥，金属材料，高校研究所等领域是我们的主要客户。在国内，激光粒度仪在食品方面的应用还处于刚刚起步阶段，已经有越来越多的厂商开始重视原料的粒度检测。例如一些进口的巧克力之所以口感特别好，控制研磨过程中的粒度是重要因素之一 在国外很多的食品企业，例如雀巢，可口可乐，好利友等都是我们的客户。　　随着人们对生活品质要求越来越高，激光粒度仪的应用会越来越广泛。　　Instrument：在此次制药原料展会上也有众多粒度仪厂家参展，那么请您谈谈粒度仪在制药行业的应用情况。　　耿建芳：在国内，粒度仪在制药行业的应用还处于起步阶段。坦白地讲国内做原研药物研发的单位较少，而做仿制药的单位比较多。在进行新药研发的时候会用到很多新的检测手段、使用最好的仪器来测试原料药和制剂，包括做出的配方等。而仿制药已经形成一种成熟的工艺了，当时由于受限于检测技术的发展水平，国外研发用到的粒度检测方法大多是用湿法激光粒度仪，由于历史原因，现在很多企业仍然沿用这种湿法检测方法。在通常情况下，行业标准、药典等是最低标准，要落后于现代技术，而企业的内控标准都会高于行业标准及国家标准来控制生产质量。　　自干法分散技术问世三十年来，干法激光粒度仪也逐渐被广大制药企业所接受。国内制药企业需要有一个认和改变的过程，只有采用最好的检测手段和最好的技术才能生产出更好的产品。用新的方法评定出的结果可能和老的方法评定出的结果不一样，中间有一个相对误差，这都可以通过一定的方法进行比对。例如浙江一些厂家原料药出口到欧洲，经常会遇到粒度比对的问题。对于粒径在10微米以下的API，用湿法分散很难完全分散开，和国外测试的结果会有比较大的误差，这时必须使用更先进的技术来进行测试。　　Instrument：哪些因素会影响到激光粒度仪的测试结果?　　耿建芳：采用激光粒度仪，要获得一个准确的能够反映出实际生产线上物料的粒度大小和粒度分布，有三个关键的问题：(1)如何从生产线上取到代表性的样品，最大程度地减少取样误差 (2)如何对取到代表性的样品进行完全彻底的分散 (3)采用先进的光学检测系统。要得到正确的粒度分析结果，一定要从这三个方面去进行考虑 如果不提取样、不提分散，只是说这个仪器本身如何好，是不严谨的。　　一般情况下，要获得取样误差小于1%的检测结果，每次测试的样品所包含的颗粒个数要在一百万个以上，由于各种样品的比重差别比较大，粒度大小以及粒度分布也不同，这就要求检测仪器本身要具备能够处理从毫克级到公斤级样品的能力，仪器的进样系统和分散系统都要具备这样的能力。　　干法分散技术是新帕泰克的专利技术，对一些很难分开的颗粒，我们的技术也能够分散开。在新帕泰克刚刚进入中国时，国内已经有很多品牌的粒度仪厂家了，当时大家基本上都没有听说过新帕泰克。我们先从业界公认的最难做的磁性材料行业开始，原因是磁性材料最难分散开，在新帕泰克键入中国之前，磁性材料行业的粒度检测都只有一个平均粒度值，无法检测磁性下来的粒度分布，其原因是现有的粒度仪无法将磁性材料完全分散开。我们的技术人员就是在展会现场演示给客户。目前在全国前100家大型磁性材料生产厂家都是用我们的干法激光粒度仪，在磁性材料行业已经有近200台仪器了。在中国，超过95%的磁性材料工厂，都在选用新帕泰克的干法粒度仪进行质量管控，提升产品质量，包括实验室干法激光粒度仪和在线激光粒度仪。　　一些用户在一开始使用了在设计上有缺陷的干法粒度仪，没有办法把粉末有效地分散开，导致测试结果不准确，就造成了一个错误的认识，认为干法激光粒度仪测试不准确。这种认识是非常可悲的。我们在电池、金属材料等行业都遇到过这样的客户，是因为他们没有找到真正好用的、适合自己产品的干法激光粒度仪，这也是一些用户怀疑干法粒度仪准确性的原因。　　Instrument：作为用户，如何来选择使用干法还是湿法进行粒度测试?　　耿建芳：尽量保持物料在其原始状态下进行检测是最好的选择，所以新帕泰克的理念是&ldquo 干样干测，湿样湿测&rdquo 。我们做过这方面的研究，有些样品干法和湿法测试的结果是一致的，有些样品的确有偏差，尤其是那些超细颗粒的药物不太好分散，那么用干法分散会得到比较好的结果，有些样品吸水之后溶胀了，测出的结果与真实值相差较远，这个要具体问题具体分析。　　Instrument：新帕泰克粒度仪的价格相对较高，您怎么看?　　耿建芳：新帕泰克的理念是一个产品开发出来到用户那里至少可以使用十几年甚至是几十年。新帕泰克激光粒度仪的设计是模块化的，一台仪器的功能可以不断地升级。例如，原来客户购买的粒度仪是做保健品的，现在要做咖啡了，只要更换镜头，增加相应的模块就可以了，不需要购买新的仪器，这也是用户购买一台仪器后可以使用几十年的原因之一。我们在国内第一批激光粒度仪客户，已经使用了近二十年，目前仍在正常使用当中。　　仪器的检测精度和使用寿命与仪器的设计和用材密切相关。新帕泰克不会为了降低仪器的制造成本而去牺牲仪器的检测精度和使用寿命。在检测方面，新帕泰克使用的是平行光，一些低价格的产品使用的是收敛光来检测。不管是什么形状的颗粒，通过激光束得到的衍射图形都呈180度对称，所以我们的探测器就做成了180度的一个整体探测器，其目的是不会丢失任何颗粒的衍射信号。一些便宜的产品，做成了离散型的探测器，会有信息丢失 我们的扫描速度是2000次每秒 另外，我们的激光源是要经过纯化的，激光束直径也是可以调节的，没有任何一家厂商的产品的激光束直径是可以改变的。　　综上所述，我们不难看出德国新帕泰克产品的制造部件都是基于客户长远考虑的，很多细节的&ldquo 不妥协&rdquo 设计，造就了我们的产品制造成本比较高。但由于德国新帕泰克的仪器使用寿命非常长，如果将这个成本摊到时间轴上，我们的仪器反而是最便宜的，用户的使用成本也是最低的。我希望我们的产品在客户那里能够真正起到作用，提高客户产品的品质，而不是给个数据就可以了。 编辑：刘向东