顆粒粒徑分析儀儀器組成與工作流程

 在材料科學、制藥、化工、食品、環境監測和納米技術等眾多領域，顆粒的尺寸及其分布是決定產品性能、穩定性與功能的關鍵參數。無論是藥物制劑的生物利用度、涂料的流平性、催化劑的活性，還是粉體的流動性與溶解速率，都與顆粒的粒徑密切相關。為了實現對顆粒體系的精確表征，顆粒粒徑分析儀應運而生，成為現代實驗室和工業質檢中核心設備。它如同科學家的“顯微之眼”，將肉眼無法分辨的微觀世界轉化為可量化、可分析的數據。

一、什么是顆粒粒徑分析儀？

顆粒粒徑分析儀是一種用于測量固體粉末、懸浮液、乳液或氣溶膠中顆粒尺寸及其分布的儀器。它不僅能提供顆粒的平均粒徑（如D50，即中位徑），還能給出完整的粒徑分布曲線（如D10、D90），從而全面反映樣品的均勻性與分散狀態。根據測量原理的不同，粒徑分析儀可分為多種類型，其中最主流的是激光粒度分析儀，此外還有動態光散射儀、圖像分析儀、篩分儀和沉降法粒徑儀等。

二、主流技術原理

1.激光衍射法（Laser Diffraction）

這是目前應用的粒徑分析技術。其原理基于夫瑯禾費衍射理論和米氏散射理論：當一束激光穿過顆粒懸浮液時，不同大小的顆粒會產生不同角度的散射光。通過分布在不同角度的光電探測器陣列捕捉散射光強分布，再利用反演算法計算出顆粒的粒徑分布。

優點：測量范圍寬（通常0.1μm–2000μm）、速度快（幾十秒內完成）、重復性好、適用于干濕樣品。廣泛應用于水泥、陶瓷、電池材料、制藥等領域。

2.動態光散射法（Dynamic Light Scattering,DLS）

又稱光子相關光譜法（PCS），主要用于納米級顆粒（1 nm–1000 nm）的測量。其原理是檢測溶液中納米顆粒因布朗運動引起的散射光強度波動，通過分析波動頻率推算出顆粒的擴散速度，進而根據斯托克斯-愛因斯坦方程計算粒徑。

優點：靈敏度高、樣品用量少、適合蛋白質、外泌體、納米藥物等生物納米材料的表征。

3.靜態圖像分析法

通過高分辨率相機拍攝顆粒圖像，利用圖像處理軟件對每個顆粒進行輪廓識別，直接測量其長度、寬度、圓度等幾何參數。

優點：提供形態學信息，可區分顆粒形狀（如球形、片狀、針狀），適用于復雜形貌的粉體分析。

4.沉降法與篩分法

沉降法基于斯托克斯定律，通過顆粒在液體中的沉降速度計算粒徑；篩分法則通過不同孔徑的篩網分離顆粒。兩者為傳統方法，精度較低，但成本低，適用于粗顆粒的初步分級。

三、儀器組成與工作流程

以激光粒度儀為例，其主要組成部分包括：

-激光光源：通常為He-Ne激光或半導體激光器；

-樣品池：濕法測量使用循環分散系統，干法測量使用氣流分散裝置；

-光學探測器：環形或陣列式光電傳感器，接收散射光；

-數據處理系統：內置軟件進行信號采集與粒徑反演計算。

典型操作流程：

1.樣品制備（分散于液體或氣體中）；

2.注入樣品池，啟動分散與循環；

3.激光照射，采集散射光信號；

4.軟件分析并輸出粒徑分布報告。

四、應用領域

-制藥工業：控制藥物顆粒大小以優化溶解速率與吸收效率；

-電池材料：正負極材料（如石墨、三元材料）的粒徑影響電化學性能；

-食品工業：奶粉、巧克力、調味品的口感與穩定性與粒徑相關；

-環境科學：PM2.5、PM10等大氣顆粒物的監測；

-科研領域：納米材料、高分子乳液、催化劑的開發與表征。

五、選型與使用要點

選擇粒徑分析儀時需考慮：

-測量范圍：匹配樣品的粒徑區間；

-分辨率與重復性：高精度儀器可區分相近粒徑的雙峰分布；

-樣品適應性：是否支持干法、濕法、微量樣品；

-軟件功能：數據分析、報告生成、符合GMP/GLP要求。

使用中需注意：樣品充分分散、避免團聚、選擇合適的折射率與分散介質。

六、結語

顆粒粒徑分析儀不僅是科學研究的精密工具，更是工業質量控制的重要保障。隨著材料技術向納米化、精細化發展，對粒徑分析的精度與智能化要求也在不斷提升。未來，集成人工智能、在線監測與多技術聯用的粒徑分析系統將成為主流。掌握并善用這一“科學之眼”，將幫助我們更深入地理解微觀世界，推動技術創新與產業升級。