激光粒度儀高分辨率的保障-多波長測(cè)量、偏振光技術(shù)
點(diǎn)擊次數(shù)：5716 更新時(shí)間：2012-03-19
激光粒度儀高分辨率的保障---多波長測(cè)量及偏振光技術(shù)
許多使用者選擇激光粒度儀的時(shí)候?qū)x器分辨率認(rèn)識(shí)未必足夠。分辨率直接影響儀器所測(cè)量結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確度。激光粒度儀應(yīng)用越來越廣泛，但是使用者在選擇儀器的時(shí)候往往具有從眾心理，忽略了儀器測(cè)量的重現(xiàn)性、準(zhǔn)確性問題，還有很重要的分辨率的問題?？梢哉f分辨率的高低是直接區(qū)分激光粒度儀檔次的標(biāo)志之一，而并非僅僅以占有率來的作為非科學(xué)的判斷。
貝克曼庫爾特公司的技術(shù)PIDS 是目前可為激光粒度儀提供zui高分辨率的技術(shù)。擁有該技術(shù)的儀器型號(hào)有：LS 13320 / LS 230 等。有關(guān)PIDS 技術(shù)的介紹，請(qǐng)參照技術(shù)文章。
The sizing of non-spherical sub-micron particles using
Polarisation IntensityDifferentialScattering （PIDS）
用偏光強(qiáng)度差異散射法分析非球狀亞微粒子
幾乎所有采用激光散射法的粒度分析儀器在測(cè)試時(shí)都沒有考慮粒子的形狀，不重視粒子的尺寸，原因是在于利用分析過程中獲得的原始數(shù)據(jù)計(jì)算粒徑分布時(shí)的基本假設(shè)。
用于計(jì)算粒徑分布的數(shù)學(xué)模型是基于球形體系的，因此所有粒徑分布結(jié)果都是被分析材料的等效的球狀分布。在大多數(shù)實(shí)例中，這個(gè)結(jié)果相當(dāng)合理，因?yàn)榇蠖鄶?shù)粒子都足于近似為球形體系。
貝克曼庫爾特公司LS13320系列多波長激光粒度分析儀采用一種令人稱頌的散射技術(shù)來分析亞微粒子，這種技術(shù)將通過具體實(shí)例來解釋用PIDS系統(tǒng)是如何對(duì)非球形粒子進(jìn)行分析的。
為什么使用PIDS
為什么要使用PIDS來分析亞微粒子而不是采用標(biāo)準(zhǔn)的前面的提到的被大多數(shù)儀器制造商采用的小角散射技術(shù)呢？我們主要的目的不是來討論詳細(xì)的光散射原理，而是比較他們?cè)诜治鱿嚓P(guān)的小粒子時(shí)的重要因素。
當(dāng)用激光束照射時(shí)，大粒子在小角度強(qiáng)烈散射光線，這在散射模式中很容易檢測(cè)到zui大值和zui小值。這就是說把探測(cè)器放在相對(duì)于光線的一個(gè)足夠小的角度，就可以有足夠的分辨率來探測(cè)zui大值和zui小值。
相反，小粒子只有微弱的光散射，并且沒有可探測(cè)到的zui大值和zui小值，只有當(dāng)測(cè)試角度達(dá)到足夠大的角度時(shí)才能探測(cè)到。這就給檢測(cè)和分辯率帶來困難。
如圖1所示，如果粒子的粒徑小于1微米時(shí)，我們?cè)跍y(cè)試微弱的散射信號(hào)就面臨相當(dāng)?shù)睦щy了，其次我們還面臨一個(gè)在如此高的角度測(cè)試zui大值和zui小值的硬件限制問題。
許多制造商采取了不同的辦法來克服這些限制，也取得了一定程度的成功，多數(shù)都是集中在背散射光的測(cè)試上，同時(shí)這些策略沒有完*問題，這應(yīng)該是一個(gè)障礙。
基于這個(gè)原因，貝克曼庫爾特公司開發(fā)出了高分辨率亞微粒子粒徑分析的PIDS技術(shù)，完*了亞微粒子粒徑分析的問題。
PIDS技術(shù)非常簡(jiǎn)單，并且具有安裝容易的以及能夠用光散射的Mie理論解釋的優(yōu)點(diǎn)。
PIDS技術(shù)依賴于光的傳播特性，即光線包含一個(gè)磁性向量和一個(gè)電向量，二者成九十度角。例如如果電向量是上下方向，這個(gè)光就叫做垂直偏振光。
當(dāng)我們用一個(gè)已知波長的偏振光照射試樣時(shí)，試樣內(nèi)的電子的振動(dòng)電場(chǎng)將形成一個(gè)偶極子或單一振動(dòng)環(huán)，這些單一振動(dòng)環(huán)將與所傳播的光在同一個(gè)平面內(nèi)，粒子內(nèi)的振動(dòng)偶極子向除入射光源方向外的其他方向散射光線。
在這方面PIDS技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)，用三種波長的光同時(shí)照射試樣（先用水平然后垂直的偏振光），我們測(cè)試到從試樣散射或輻射的光都超過一個(gè)角度范圍。通過分析每個(gè)波長下水平和垂直方向散射光的不同，我們獲得了試樣粒徑分布的信息。應(yīng)該注意到我們僅僅是分析在垂直和水平方向上信號(hào)的不同而不是具體的數(shù)值。
從PIDS信號(hào)獲得的強(qiáng)度對(duì)散射角的信息使用從激光散射中的強(qiáng)度和散射角的標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算可以得到一個(gè)連續(xù)的粒徑分布，在LS13320中是0.017微米到2000微米。
獲得PIDS數(shù)據(jù)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是通過簡(jiǎn)單地分析原始數(shù)據(jù)我們就可以判斷是否存在小粒子。
亞微粒子粒徑分析：
首先讓我們來檢測(cè)一下PIDS在對(duì)球狀粒子粒徑分析的有效性，的方法是測(cè)試單獨(dú)測(cè)定過的粒子，已證明聚苯乙烯粒子的光學(xué)性能很好并且材料來源可靠。
特征平均粒徑：
標(biāo)稱粒徑 測(cè)定粒徑 LS 13320測(cè)試粒徑
100nm 102nm ± 3nm 108nm
150nm 155nm ± 4nm 151nm
220nm 220nm ± 6nm 211nm
300nm 300nm ± 5nm 306nm
404nm 404nm ± 6nm 400nm
上面已經(jīng)證明了PIDS在測(cè)定球狀粒子的粒徑時(shí)的適用性，下面讓我們繼續(xù)評(píng)價(jià)PIDS對(duì)非球狀粒子的測(cè)試。
非球狀亞微粒子粒徑分析：
由于缺少高質(zhì)量的，單獨(dú)生產(chǎn)和標(biāo)定的材料，到目前為止用于這項(xiàng)研究的單一的合適的非球狀亞微粒子來源還非常困難。然而，烏得勒支大學(xué)膠體化學(xué)系現(xiàn)在生產(chǎn)了一系列單分散的非球狀材料，下面是用于分析的赤鐵礦紡錘體亞微粒子（扁球狀）。這種粒子的粒徑（掃面電鏡測(cè)試）是46.9納米寬，103.8納米長，長徑比大約為3：1，而且粒子是單尺寸易分散的。
赤鐵礦紡錘體的光學(xué)性能是用紫外光/可見光光譜測(cè)定的，反射指數(shù)是虛數(shù)部分，而紫外光/可見光光譜中橢圓對(duì)稱的數(shù)據(jù)是實(shí)數(shù)部分。
LS 13320分析報(bào)告的粒徑是78nm，這與粒子在試樣池的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所能預(yù)測(cè)的粒徑非常相符。在統(tǒng)計(jì)學(xué)上，我們可以把報(bào)告的平均粒徑看作是粒子在光線中存在的所有可能的取向的函數(shù)。實(shí)際上，儀器是設(shè)計(jì)成能保證粒子在樣品池中是關(guān)于它們的相態(tài)和形狀以隨機(jī)方式取向的。PIDS原始數(shù)據(jù)分析：
如前面提到的，由于原始數(shù)據(jù)也可以顯示在分布中是否存在小粒子，因此PIDS具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這是LS 13320*的特點(diǎn)，而且在當(dāng)需要確定亞微粒子是真實(shí)的還是假相時(shí)可以排除猜測(cè)工作，在一些激光粒徑分析儀上發(fā)現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)一些意外的影響。原始數(shù)據(jù)的分析對(duì)確定和發(fā)展光學(xué)模型也有幫助。
大粒子的存在不會(huì)干擾PIDS的信號(hào)并且不會(huì)出現(xiàn)假相，因?yàn)榇罅Ｗ油瑫r(shí)也會(huì)出現(xiàn)許多散射，它們可以被PIDS系統(tǒng)檢測(cè)到，它們?cè)谔匦陨蠜]有差異。很簡(jiǎn)單，大粒子每個(gè)波長上在水平和垂直方向散射相同的光，如前面提到的，PIDS系統(tǒng)是測(cè)試偏振光散射信號(hào)的差別（只在小粒子中存在）型分析的PIDS原始數(shù)據(jù)。
這些數(shù)據(jù)是一組42個(gè)不連續(xù)的測(cè)試，組成6個(gè)子集（如圖5所示），每一自己代表一個(gè)特定的波長和偏振現(xiàn)象。
對(duì)于亞微粒子，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
l 對(duì)于每一個(gè)不同波長的偏振光，其PIDS強(qiáng)度具有很大的差別。
l 在每個(gè)波長下的水平散射數(shù)據(jù)尤其是水平數(shù)據(jù)形成的曲線形狀存在明顯的角度依賴性（數(shù)量對(duì)角度/檢測(cè)數(shù)量的形狀變化）。
l 具有大的容易檢測(cè)的信號(hào)（探測(cè)數(shù)量，Y軸）
也應(yīng)注意在信號(hào)中的zui大的不同，對(duì)于這個(gè)試樣，每個(gè)偏振現(xiàn)象是在450nm處觀察到的，這表明粒子尺寸是移向儀器范圍的更小的那端。例如，如果zui大的差別出現(xiàn)在600nm處，這說明粒子尺寸是在PIDS探測(cè)系統(tǒng)的中間范圍，大約為200～300nm。
對(duì)于大粒子材料應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
· 在每個(gè)波長下的偏振現(xiàn)象沒有明顯的差異。
· 對(duì)于每個(gè)波長在角度散射強(qiáng)度方面，兩個(gè)偏振狀態(tài)有一個(gè)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系
· 很小的散射信號(hào)（探測(cè)數(shù)量，Y軸）
結(jié)論
這項(xiàng)工作說明偏振強(qiáng)度差示散射是一個(gè)球狀亞微粒子粒徑分析的的并且可用的技術(shù)。即使對(duì)于非球狀亞微粒子，盡管所有的用于非球狀亞微粒子的散射技術(shù)都受到限制，這項(xiàng)技術(shù)還是可以獲得非常有意義的數(shù)據(jù)。
