2931激光衍射法粒徑分析

2.9.31激光衍射法粒徑分析該方法以ISO13320-1（1999）和9276-1（1998）標準為基礎(chǔ)。說明用于檢測粒徑分布的激光衍射技術(shù)以分析粒子暴露于單色光中產(chǎn)生的衍射光為基礎(chǔ)。早期的激光衍射儀僅用于很小角度的散射。但是，較寬角度范圍的激光散射和Mie理論的應(yīng)用，另外還包括夫瑯和費近似和不規(guī)則衍射的應(yīng)用后，該技術(shù)被拓寬了。該技術(shù)不能區(qū)分單個粒子和原粒子的凝集引發(fā)的散射，例如，不能區(qū)分附聚體和聚合體。因為多數(shù)樣品包含附聚體或聚合體，然而重點通常原始粒子的粒徑分布，在檢測前，這些凝集通常被分散成原始粒子。對于非球形粒子，由于假設(shè)光學(xué)模型下為球形粒子，所以會得到等球體的粒徑分布。這樣粒徑分布結(jié)果可能不同于其他分析方法得到的結(jié)果（如，沉降法，篩分法）。本章節(jié)提供在不同分散體系中分析粒子的衍射角來檢測粒徑的指導(dǎo)， 例如，粉末、噴霧、煙霧、懸濁液、乳濁液和液體中的氣泡。該方法對特殊產(chǎn)品的粒徑檢測沒有特別的要求。原理代表性樣品分散于適當濃度的液體或氣體中，并且通過一組單射光，通常為激光。利用多元檢測器檢測粒子各種角度的散射光。記錄散射光的數(shù)值用于后續(xù)的分析。使用合適的光學(xué)模型和數(shù)字程序?qū)⑦@些散射光值轉(zhuǎn)換成一個尺寸級的離散數(shù)量與總體積的比例，形成粒徑容積分布。儀器檢測儀器應(yīng)置放于一個沒有電子噪音、機械震動、溫濕度變化和直射光線影響的環(huán)境。一種激光衍射儀的示意圖2.9.31-1。也可以使用其他的儀器。1.暗室2.散射光3.直射光4.傅立葉透鏡5.透鏡未聚集的散射光6.粒子7.光源8.光處理單元9.透鏡的工作距離（4）10.多元檢測器11.透鏡聚焦距離（4）圖2.9.31-1一種激光衍射儀示意圖該儀器由一個激光光源，光處理器，樣品檢測裝置（或池），傅立葉透鏡和檢測散射光的多元檢測器組成。數(shù)據(jù)系統(tǒng)要求將重疊的散射光數(shù)據(jù)處理成粒徑容積分布，并且分析相關(guān)數(shù)據(jù)和報告。粒子可以從兩個位置進入激光束中。常規(guī)情況下，粒子在聚焦透鏡前及其工作距離內(nèi)進入平行光束中。在所謂的反傅立葉光學(xué)中，粒子從聚焦透鏡后進入?yún)R集的光束。常規(guī)裝置的優(yōu)點是合理的路徑長度允許在透鏡的工作范圍內(nèi)。第二種裝置僅允許小的路徑長度，但是允許在較大的角度檢查散射光，這對檢測亞微粒非常有用。入射光與總的分散粒子的相互作用在不同的角度導(dǎo)致不同強度的散射光。由入射光和散射光組成的總角強度分布，在一個透鏡或一系列透鏡的作用下聚集于多元檢測器。這些透鏡引起了在限度范圍內(nèi)散射光，且并不依靠粒子在光束中的位置。因此，連續(xù)的角強度分布由一個檢測器單元轉(zhuǎn)化成離散空間強度分布。根據(jù)假設(shè)，檢測到的全部粒子的散射光等同于所有單個粒子在任何位置的散射光的總和。 注意，僅僅是在限制角范圍內(nèi)的散射光被透鏡聚集，然后被檢測器檢測。方法的發(fā)展激光衍射對粒徑的檢測能提供重現(xiàn)的數(shù)據(jù)，甚至在亞微米區(qū)，小心控制使用的儀器和檢測的樣品來限制測試條件的變化（例如，分散介質(zhì)，樣品分散液的制備方法）。傳統(tǒng)上，使用激光衍射來檢測粒徑已被限制在 0.1jim-3mm范圍內(nèi)。由于近期透鏡和設(shè)備設(shè)計的更新，一些新的儀器可能超過這個檢測范圍。使用者要用驗證報告來證實使用方法的適用性。取樣取樣技術(shù)必須能得到有代表性的樣品，且需滿足粒徑檢測的適合體積?？梢詰?yīng)用樣品分裂技術(shù)例如旋轉(zhuǎn)錐形分樣器和四分法。分散程序的評估肉眼或使用顯微鏡觀察待測樣品，評估他的粒徑范圍和形狀。分散程序需根據(jù)檢測目的來調(diào)節(jié)。該目的為盡可能好的解附聚體為原微粒，或者更好的保留聚合體。這樣，檢查結(jié)果既可能為原微粒也可能為聚合體。方法開發(fā)確認沒有經(jīng)過研磨，相反，分散的微?；蚓酆象w更符合要求。這通?？梢酝ㄟ^改變分散能量和監(jiān)控粒徑分布的改變來得到。當樣品很好的分散且粒子既不易碎也不易溶的時候，檢測到的粒徑分布必須沒有顯著變化。并且，如果生產(chǎn)工藝（如，結(jié)晶，粉碎）改變時，該方法的適用性必須經(jīng)過確認（如，微觀對比）。噴霧，煙霧和液體中的氣泡可以直接檢測，只要他們的濃度適宜，因為取樣和稀釋通常會改變粒徑分布。其他情況（如，乳狀液、膏劑和粉末），有代表性的樣品可以被分散在合適的液體中。分散劑（潤濕劑，穩(wěn)定劑）和/或機械力（如，攪拌，超聲）通常應(yīng)用于凝聚體的解凝聚作用和分散體系的穩(wěn)定作用。因為這些液體分散、再循環(huán)系統(tǒng)的使用很普遍，這些系統(tǒng)由光學(xué)檢測池，通常安裝有攪拌器和超聲裝置的分散浴，泵和導(dǎo)管組成。只有少量的樣品或者使用特殊分散液時，非再循環(huán)攪拌器是很有用的。干粉也可以使用合適的干粉分散劑轉(zhuǎn)換成煙霧劑，不過需要機械力解凝聚作用。通常，使用壓縮空氣或者真空壓差來將微粒吹進檢測區(qū)，通常是使其進入收集微粒的真空單元來使微粒分散成煙霧劑。但是，自由流動，粗糙的微粒或顆粒，重力作用就可能足夠分散這些微粒。如果最大的粒徑超過了儀器的分析范圍，那么這些物質(zhì)能被篩除，篩除的質(zhì)量和百分比可以被報告出來。但是，過篩之后需要注意，該樣品已經(jīng)沒有代表性，除非有其他的證明。最佳化液體分散用來分散粉末的液體、表面活性劑和分散劑必須符合：-能使測定方法下的激光透過，且無氣泡或微粒；-有不同于待測物質(zhì)的折射率；-不溶解待測物質(zhì)（純液體或過濾過的飽和溶液）；-不改變待測物質(zhì)的粒徑（如，溶解，助溶或結(jié)晶）；-促進聚集和穩(wěn)定分散；-與儀器中使用的物質(zhì)協(xié)調(diào)（如，O型環(huán)、墊圈、管道等）；-有合適的粘度促進再循環(huán)，攪拌和過濾。表面活性劑和/或分散劑經(jīng)常用于潤濕微粒和穩(wěn)定分散作用。對于弱酸和弱堿，在低或高的pH值下，分散媒介的緩沖作用有助于識別合適的分散劑?？捎萌庋刍蝻@微鏡初步檢查分散情況。也可以采用從混勻的儲備分散劑中分餾出來的樣品。這種儲備分散劑是在樣品中加入液體，使用例如，玻璃棒、刮刀或渦流混合器混勻而形成的。此時必須小心確保代表性樣品的轉(zhuǎn)移和預(yù)防較大微粒沉淀的產(chǎn)生。因此，樣品糊的制備或取樣需快速的在攪拌著的懸浮液中進行。最佳化氣體分散對于噴霧和干粉分散，可以使用不含油、水和微粒的壓縮空氣?？梢允褂脦н^濾器的干燥器從壓縮空氣中去除這些物質(zhì)。任何的真空裝置均應(yīng)該遠離檢測區(qū)域，以免對檢測結(jié)果造成影響。檢測范圍為了使檢測器的信噪比合格，微粒在分散劑中的濃度必須超過最小水平。同樣，為了避免多次散射，微粒的濃度也必須低于最大水平。微粒的濃度范圍受激光束寬度、檢測區(qū)的光路長度、微粒的光學(xué)性能和檢測器的靈敏度的影響?？紤]到上述情況，必須在不同濃度檢測，為典型樣品的檢測測定適當?shù)臐舛确秶ㄗ⒁猓翰煌瑑x器，微粒濃度通常表示不同尺寸和不同的粒徑分布，例如，模糊，光密度，總質(zhì)量的比例）。測量時間的測定測量時間，檢測器讀取時間和采集頻率決定了試驗的精密度。一般來說，測量時間允許檢測器在較短的時間間隔內(nèi)多次掃描。適當?shù)墓鈱W(xué)模型的選擇很多儀器使用夫瑯和費或者Mie理論，雖然其他理論有時也應(yīng)用于掃描陣矩。待測物質(zhì)理論模型的選擇是以設(shè)計的用途和不同的假設(shè)為基礎(chǔ)的（粒徑，吸光度，折射率，粗糙度，晶體取向，混合物等等）。如果折射率值（檢測波長的真實值和虛擬值）不確定，那么可以使用帶有真實估算折射率的夫瑯和費近似或Mie理論。前一種方法較有優(yōu)勢，因為他簡單且不需要折射率；后一種通常需提供小微粒的粒徑分布。例如，夫瑯和費模型用于透明的小微粒的檢測，那么明顯會計算大量的小微粒。為得到可追溯的結(jié)果，有必要將使用的折射率形成文件，因為復(fù)折射率中真實部分和虛擬部分的微小區(qū)別將引起粒徑分布結(jié)果的較大差異。折射率中虛擬部分的較小值（約0.01-0.1）經(jīng)常應(yīng)用于微粒表面粗糙度中吸光度的校正。應(yīng)該注意，一般待測物質(zhì)的光學(xué)性能，包括結(jié)構(gòu)（例如，形狀，表面粗糙度和多孔性）都會影響到最終結(jié)果。驗證應(yīng)該通過專屬性、線性、范圍、準確度、精密度和耐用性來評估該方法的有效性。激光衍射分析粒徑時，ICH中定義的專屬性在這里不適用，因為他不能區(qū)別樣品中的不同組分，也不能區(qū)別分散粒子中團塊，除非有合適的顯微技術(shù)輔助。濃度與響應(yīng)之間的線性關(guān)系，或者內(nèi)插法數(shù)學(xué)模型不適用于該方法。該方法要求定義檢測結(jié)果沒有顯著變化時的濃度范圍， 而非評估線性。該范圍以下的濃度會導(dǎo)致信噪比達不到，而范圍以上的濃度會導(dǎo)致重復(fù)的散射。該范圍大多數(shù)由儀器的硬件決定。準確度需要通過合適的儀器鑒定和與顯微技術(shù)對比確定，而精密度由重復(fù)檢測的平均值決定。方法可達到的重復(fù)性主要由物料的性質(zhì)（是否粉碎，堅硬或易碎，較寬的粒徑分布等）決定，然而要求的重復(fù)性由檢測目的決定。本章節(jié)不能規(guī)定限度，因為不同樣品的重復(fù)性可能略微有不同。但是，對規(guī)定分布中值（如，X50）重復(fù)性的可接受標準如Srel<10%（n=6）的做法很好。側(cè)邊分布值（如， X10或X90）可以放寬可接受標準如Srel<5%（n=6）。10um以下，這些值需要做兩份。耐用性可以在分散劑和分散力的選擇值和最佳值之間進行。分散作用的改變可以在粒徑分布的改變時監(jiān)控。檢測預(yù)防法操作手冊中的使用說明如下：不要觀察激光束的直射路徑或反射路徑；將所有的儀器部件接地以防止靜電使溶劑燃燒或粉塵爆炸；檢查裝置（如，預(yù)熱裝置，要求的檢測范圍和透鏡，適當?shù)墓ぷ骶嚯x，檢測器的位置，沒有日光直射）；使用濕分散劑時，應(yīng)避免氣泡，液體蒸發(fā)，波紋或其他異質(zhì)性情況；同樣的，在分散劑中應(yīng)避免不合適的質(zhì)量流或干分散劑時的空氣流；這些情況都可能導(dǎo)致錯誤的粒徑分布。被分散樣品的光散射檢測光學(xué)部件的同軸后，必須使用同一方法做空白檢測。背景信號必須在合適的閾值以下。檢測數(shù)據(jù)應(yīng)被保存，并從檢測的樣品中扣除。用成熟的方法檢測樣品。對于每個檢測器，計算平均信號，有時也計算其標準偏差。每個檢測器信號的大小由檢測面積， 光強度和量子效率決定。檢測器的縱坐標（尺寸和位置）和透鏡的焦距決定每個檢測器散射角的范圍。 大多數(shù)儀器也檢測激光束的中心（集中的）強度。分散樣品的強度與其吸收（空白檢測）的比例表示散射光與其濃度的比率。散射圖轉(zhuǎn)換成粒徑分布圖該去重疊步驟為反計算散射圖譜得到粒徑分布的過程。 假設(shè)的微粒為球形粒子非常重要，因為很多算法是使用數(shù)學(xué)方法來計算球形粒子。而且，測量的數(shù)據(jù)也包含一些偶然誤差和系統(tǒng)誤差，這些誤差可能會影響粒子分布。有幾種數(shù)學(xué)方法已使用于現(xiàn)在的儀器。其中也涵蓋了測量和計算散射圖之間的偏差（如，最小二乘法），一些約束條件（如，粒子數(shù)量的非負性），和/或粒子分布曲線的平滑性。對每個設(shè)備的模型和制造，有其特有的算法。不同儀器之間算法的差異可能導(dǎo)致計算粒徑分布的差異。平行檢測平行檢測的次數(shù)（使用單個的樣品）由所要求檢測的精密度決定。建議按照特定物質(zhì)的方法設(shè)置。結(jié)果報告粒徑分布數(shù)據(jù)通常報告成累積分布和 /或體積的密度分布?！皒”用來表示粒徑，依次定義為當量球體的直徑。Q3（X）表示粒徑在x時的容積率。在圖示中， x表示橫坐標，Q3表示縱坐標。大多數(shù)普通的性狀值都是使用內(nèi)插法由粒徑分布計算而來。 10%、50%和90%（分別用x&、X50和X90表示）經(jīng)常用來表示粒徑。X50也成為粒徑中值。“d”也被廣泛的用來表示粒徑，所有“x”可能被“d”代替。另外，關(guān)于樣品制備、分散條件和分散槽類型必須文件化。由于特殊的儀器、數(shù)據(jù)分析程序和光學(xué)模型使用也會影響結(jié)果，所有這些也必須文件化。儀器性能的控制依據(jù)生產(chǎn)商的說明書使用儀器，根據(jù)儀器的使用和待測物質(zhì)的性質(zhì)，以適當?shù)念l率對儀器進行確認。校驗激光衍射系統(tǒng)，雖然是通過假定粒徑的理想狀態(tài)，但還是以激光散射的第一原理為基礎(chǔ)。因此，嚴格意義的校驗是不做要求的。但是，仍然有必要確認儀器的操作是否正確。這個可以使用任何已鑒定合格并符合工業(yè)操作的標準物質(zhì)來進行。整個檢測程序需要檢查，包括樣品收集、樣品分散、樣品通過檢測區(qū)的傳遞、檢測和去重疊方法。有必要將操作方法描述完整。首選的標準物質(zhì)為已知粒徑分布的球形粒子。他們必須按照粒徑分布質(zhì)量百分比使用獨立的技術(shù)來鑒定，如果有的話，使用經(jīng)過批準的詳細的操作方法。如果 Mie理論用于數(shù)據(jù)分析的話，有必要將物質(zhì)折射率的真實部分和虛擬部分指明。粒徑分布以體積表示與用質(zhì)量表示相當，對于所有尺寸段，粒子的密度一致。要考慮激光衍射儀器的響應(yīng)符合要求，至少3次獨立檢測的X50的平均值不偏離3%的經(jīng)鑒定標準物質(zhì)的范圍值。xi0和X90的平均值不偏離5%的經(jīng)鑒定標準物質(zhì)的范圍值。10am以下的，這為這些值的兩倍。雖然使用的物質(zhì)為球形的更好，但是非球形的也可以使用。最好是，通過經(jīng)批準的詳細的激光衍射方法鑒定或得到的有代表性的值。使用來自方法而不是來自激光衍射的標準值會導(dǎo)致明顯的偏差。 導(dǎo)致該偏差的原因是不同檢測方法中使用的不同原理可導(dǎo)致不同非球體粒子的不同的球當量直徑。雖然已被鑒定的標準物質(zhì)是首選，但是其他明確定義的標準物質(zhì)也可以使用。他們由典型組分的物質(zhì)和指定級別粒徑分布的物質(zhì)組成。粒徑分布已被證明一直穩(wěn)定。結(jié)果必須與原先的檢測數(shù)據(jù)一致，精密度和偏離也與已被鑒定的標準物質(zhì)一致。系統(tǒng)確認除了校驗以外，儀器性能必須