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激光粒度儀高分辨率的保障-多波長測量、偏振光技術(shù)
激光粒度儀高分辨率的保障---多波長測量及偏振光技術(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)識未必足夠。分辨率直接影響儀器所測量結(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)的儀器型號有：LS 13320 / LS 230 等。有關(guān)PIDS 技術(shù)的介紹，請參照技術(shù)文章。
幾乎所有采用激光散射法的粒度分析儀器在測試時(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，而是比較他們在分析相關(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到zui大值和zui小值。這就是說把探測器放在相對于光線的一個(gè)足夠小的角度，就可以有足夠的分辨率來探測zui大值和zui小值。 如圖1所示，如果粒子的粒徑小于1微米時(shí)，我們在測試微弱的散射信號就面臨相當(dāng)?shù)睦щy了，其次我們還面臨一個(gè)在如此高的角度測試zui大值和zui小值的硬件限制問題。The sizing of non-spherical sub-micron particles usingPolarisation IntensityDifferentialScattering （PIDS） 用偏光強(qiáng)度差異散射法分析非球狀亞微粒子
相反，小粒子只有微弱的光散射，并且沒有可探測到的zui大值和zui小值，只有當(dāng)測試角度達(dá)到足夠大的角度時(shí)才能探測到。這就給檢測和分辯率帶來困難。
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)的電子的振動電場將形成一個(gè)偶極子或單一振動環(huán)，這些單一振動環(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，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的不同而不是具體的數(shù)值。
從PIDS信號獲得的強(qiáng)度對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：
首先讓我們來檢測一下PIDS在對球狀粒子粒徑分析的有效性，的方法是測試單獨(dú)測定過的粒子，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 測定粒徑 LS 13320測試粒徑
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在測定球狀粒子的粒徑時(shí)的適用性，下面讓我們繼續(xù)評價(jià)PIDS對非球狀粒子的測試。
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)動所能預(yù)測的粒徑非常相符。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)可以排除猜測工作，在一些激光粒徑分析儀上發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)一些意外的影響。原始數(shù)據(jù)的分析對確定和發(fā)展光學(xué)模型也有幫助。
大粒子的存在不會干擾PIDS的信號并且不會出現(xiàn)假相，因?yàn)榇罅Ｗ油瑫r(shí)也會出現(xiàn)許多散射，它們可以被PIDS系統(tǒng)檢測到，它們在特性上沒有差異。很簡單，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)是測試偏振光散射信號的差別（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。
對于亞微粒子，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
l 對于每一個(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)量對角度/檢測數(shù)量的形狀變化）。
l 具有大的容易檢測的信號（探測數(shù)量，Y軸）
也應(yīng)注意在信號中的zui大的不同，對于這個(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探測系統(tǒng)的中間范圍，大約為200～300nm。
對于大粒子材料應(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)簡單的線性關(guān)系
· 很小的散射信號（探測數(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)。