手機版
化工儀器網(wǎng)手機版
化工儀器網(wǎng)小程序
官方微信
公眾號：chem17
掃碼關(guān)注視頻號
激光粒度儀全解析：原理、分類與關(guān)鍵技術(shù)
激光粒度儀是一種利用激光散射理論來快速、精確地測量顆粒群粒徑大小和分布的精密儀器。它已成為粉體工業(yè)、材料科學(xué)、生物醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域的質(zhì)控和分析工具。
一、 工作原理：光散射與反演
激光粒度儀的工作原理可以概括為：光源發(fā)射 → 顆粒散射 → 信號收集 → 算法反演 → 輸出分布。
1. 核心物理定律：米氏散射與夫瑯禾費衍射
米氏散射理論：這是更普適、更精確的模型。它完整地考慮了光波作為電磁波的特性(振幅、相位、偏振)與球形顆粒的相互作用，計算了光在顆粒表面及內(nèi)部的散射情況。理論上，只要知道顆粒的折射率(實部n和虛部k)和入射光的波長、偏振態(tài)，就能精確計算出任意大小顆粒在各個方向上的散射光強。
夫瑯禾費衍射理論：這是米氏理論在特定條件下的近似簡化。當滿足以下條件時，夫瑯禾費衍射模型與米氏模型的結(jié)果非常接近：
顆粒直徑遠大于入射光波長(d >> λ)。
顆粒是透明的或僅輕微吸收。
觀測距離足夠遠(遠場條件)。
在現(xiàn)代激光粒度儀中，由于通常使用波長很短的激光(如632.8nm的紅光或470nm的藍光)，對于大部分微米級的工業(yè)顆粒，夫瑯禾費衍射是一個很好的近似，并且計算更為簡便。
2. 測量過程
光源與入射：激光器發(fā)出一束單色、相干的平行激光光束。
顆粒散射：當樣品池中的顆粒懸浮液(或干粉通過氣流分散)穿過激光束時，每個顆粒都會像一個新的點光源一樣，向四面八方散射光線。顆粒的尺寸與其散射光的角度和強度有特定的數(shù)學(xué)關(guān)系：大顆粒產(chǎn)生的散射光角度小、強度高；小顆粒產(chǎn)生的散射光角度大、強度低。
信號收集：一個環(huán)繞在激光束周圍的多元光電探測器陣列(如環(huán)形、扇形或馬蹄形)被放置在特定的散射角范圍內(nèi)(例如1°到160°甚至更大)，用于接收不同角度的散射光信號。探測器的每個單元對應(yīng)一個特定的散射角。
信號轉(zhuǎn)換：接收到的散射光強被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(電壓或電流)，其大小與對應(yīng)角度下的散射光強成正比。
反演計算：這是整個系統(tǒng)的“大腦”。儀器內(nèi)置的軟件擁有一個反演算法。它首先將探測器的電信號數(shù)據(jù)，根據(jù)所選的光學(xué)模型(米氏或夫瑯禾費)，正向計算出一個理論上的粒徑分布。然后，將這個理論分布重新代入模型，正向計算出其應(yīng)該產(chǎn)生的散射光強分布。將此計算出的光強分布與實際測量到的光強分布進行比較，計算兩者之間的差異(殘差)。算法會不斷調(diào)整假設(shè)的粒徑分布，反復(fù)進行“正向計算-比較殘差”的過程，直到找到一個能使殘差最小化的、粒徑分布。這個分布就是最終的測試結(jié)果。
二、 主流分類
根據(jù)光路設(shè)計的不同，激光粒度儀主要分為三類：
1. 靜態(tài)光散射法 - 激光衍射法
描述：這是目前市場上最常見、技術(shù)成熟的類型，上文所述的原理主要指此類儀器。它測量的是顆粒在靜止狀態(tài)下對激光的單次散射信號。
特點：
優(yōu)點：測量速度快(通常數(shù)十秒即可完成)、動態(tài)范圍寬(可達2000:1甚至更高，即從納米到毫米級)、操作簡便、重復(fù)性高。
缺點：對樣品的分散狀態(tài)要求高。如果顆粒存在團聚，測試結(jié)果反映的是團聚體的尺寸，而非單個原始顆粒的真實尺寸。因此，必須配備高效的分散系統(tǒng)(濕法或干法)。
2. 動態(tài)光散射法
描述：也稱為光子相關(guān)光譜法。它使用高度聚焦的激光束照射樣品，檢測的是顆粒在布朗運動下散射光的波動信息。
原理：顆粒越小，布朗運動越劇烈，散射光強的波動頻率就越高。通過相關(guān)函數(shù)分析這種波動，可以得到顆粒的擴散系數(shù)，進而根據(jù)斯托克斯-愛因斯坦方程計算出顆粒的流體動力學(xué)直徑。
特點：
優(yōu)點：專門用于測量納米級顆粒(通常0.3nm - 10μm)，靈敏度高。
缺點：不適合測量含有大顆粒的樣品(大顆粒沉降快，且會嚴重干擾相關(guān)函數(shù)的計算)；對樣品濃度要求嚴格；測量結(jié)果受顆粒形狀和表面電荷影響較大。
3. 電泳光散射法
描述：通常與動態(tài)光散射儀聯(lián)用，用于測量顆粒在電場作用下的遷移速度，即Zeta電位。
原理：在樣品兩端施加電場，帶電顆粒會發(fā)生電泳運動。儀器通過多普勒頻移效應(yīng)(LDE)或激光多普勒電泳技術(shù)測量其遷移速度，從而計算出Zeta電位。
特點：
應(yīng)用：主要用于評估膠體體系的穩(wěn)定性。Zeta電位的絕對值越高(通常>|30| mV)，體系越穩(wěn)定，不易團聚。
三、 關(guān)鍵技術(shù)
一臺高性能的激光粒度儀是多項技術(shù)的集大成者。
1. 光學(xué)系統(tǒng)與探測器技術(shù)
激光器：采用高穩(wěn)定性、長壽命的He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器作為光源，保證入射光的單色性和功率穩(wěn)定性。
傅里葉透鏡：位于樣品池和探測器之間，其作用是將不同角度的散射光無損地、等光程地聚焦到探測器陣列的不同點上。傅里葉光學(xué)的應(yīng)用是實現(xiàn)寬角度、高靈敏度測量的關(guān)鍵。
探測器陣列：現(xiàn)代儀器采用大尺寸、高靈敏度的硅光電二極管陣列，甚至分段式CCD，以獲得更高的信噪比和更寬的動態(tài)范圍。探測器的數(shù)量和排布方式直接影響儀器的分辨率和測量下限。
2. 反演算法
這是儀器的“靈魂”。優(yōu)秀的算法需要具備：
魯棒性：能從充滿噪聲的實際數(shù)據(jù)中穩(wěn)定地解出解。
準確性：能正確處理非球形顆粒、多分散體系等復(fù)雜情況。
速度：在保證精度的前提下快速完成計算。
常見的算法包括：基于正則化理論的算法、非負約束最小二乘法等。
3. 分散系統(tǒng)
濕法分散：使用超聲、攪拌和循環(huán)泵，將樣品分散在液體介質(zhì)(如水、酒精)中。關(guān)鍵在于選擇合適的介質(zhì)和分散劑，防止顆粒團聚或溶解。
干法分散：利用文丘里效應(yīng)產(chǎn)生的氣流將樣品吸入并加速，通過顆粒與器壁、顆粒與顆粒之間的碰撞來實現(xiàn)分散。關(guān)鍵在于精確控制氣壓和流速，避免過度粉碎樣品。
4. 樣品循環(huán)與清潔系統(tǒng)
包括精密設(shè)計的樣品池、泵、管路和閥門，確保樣品能夠均勻、穩(wěn)定地通過測量區(qū)，并在測量后能快速、清洗干凈，防止交叉污染。
5. 軟件與合規(guī)性
軟件功能：提供直觀的用戶界面、豐富的數(shù)據(jù)分析工具(如粒度報告、圖表、統(tǒng)計)、數(shù)據(jù)庫管理和審計追蹤功能。
合規(guī)性：對于制藥等行業(yè)，軟件需符合21 CFR Part 11等法規(guī)要求，具備用戶權(quán)限管理、電子簽名和數(shù)據(jù)防篡改功能。
總結(jié)
激光粒度儀通過其獨特的光散射原理和非侵入式的測量方式，為我們打開了微觀粒子世界的大門。從靜態(tài)光散射的廣泛應(yīng)用，到動態(tài)光散射對納米世界的探索，再到電泳光散射對穩(wěn)定性的評估，它們共同構(gòu)成了現(xiàn)代顆粒表征的完整解決方案。而其背后的光學(xué)、算法和工程技術(shù)，則是保證數(shù)據(jù)準確、可靠的基石。
免責(zé)聲明
- 凡本網(wǎng)注明“來源：化工儀器網(wǎng)”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網(wǎng)絡(luò)有限公司-化工儀器網(wǎng)合法擁有版權(quán)或有權(quán)使用的作品，未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用上述作品。已經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)使用作品的，應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用，并注明“來源：化工儀器網(wǎng)”。違反上述聲明者，本網(wǎng)將追究其相關(guān)法律責(zé)任。
- 本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其他來源（非化工儀器網(wǎng)）的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點和對其真實性負責(zé)，不承擔(dān)此類作品侵權(quán)行為的直接責(zé)任及連帶責(zé)任。其他媒體、網(wǎng)站或個人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時，必須保留本網(wǎng)注明的作品第一來源，并自負版權(quán)等法律責(zé)任。
- 如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題，請在作品發(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。
采購中心