如何调和不同粒度测量技术所得结果之间的差异?
如果颗粒不是球形,那么不同的测量技术会强调粒度的不同表征方式,因此结果可能无法比较。以长棒状样品在筛板上振动为例,最终,长棒体会垂直穿过筛板(直径小于筛孔尺寸),因此粒度结果并未正确考虑长棒体的长度。而对于动态光散射(DLS)、夫琅禾费衍射和一些其他技术,颗粒是随机翻滚的,因此“粒度”将同时受长度和直径影响。即使对于球体,也需确认不同测量技术的加权方式(数量、体积、质量)是否相同。与体积或质量加权相比,数量加权分布及其所有颗粒粒度都向较小值偏移。
了解不同测量技术的差异是很有必要的。例如,单颗粒计数器给出的是数量加权分布,如果少量的大颗粒在数量加权分布中得不到体现,在将数量加权分布转换为体积加权分布时,会低估真实的体积加权分布。同样,DLS 和衍射技术更侧重于散射光权重更大的大颗粒,它们通常会低估或完全忽略小颗粒的存在,因此,当将光强加权分布转换为数量分布时,得到的结果通常是不准确的。
如果两种方法给出的结果不一致,需要判断不同测量技术是否存在差异,此时,了解不同技术在表征不同大小颗粒时的差异性是必要的。最后,不要想当然地认为不同测量技术的采样和样品制备方法是相同的。事实上,结果更多地取决于采样偏差和样品制备差异,而非测量技术之间的差异。
与 DLS 相比,衍射法仪器有哪些优缺点?
没有一种技术能够准确可靠地应用于所有颗粒的粒度分布,因此,是选择 DLS 还是选择衍射法仪器应该以实际应用为导向。主流衍射法仪器的测量范围从约100+纳米到数百微米。
将光强加权粒度分布转换为数量加权粒度分布会扭曲实际的粒度分布(PSD)吗?
是的,如果分布中的最小峰是假峰,则从光强加权转换为数量加权会导致高度失真。
注意:无法使用 DLS 直接进行颗粒计数,而且数量加权分布是一种相对分布,在所有 DLS 分布中,它最容易出错。然而,当有其他信息来支持 DLS 数量加权结果时,它的结果还算合理。
当将粒度的光强加权分布转换为体积加权分布,且结果不同时,我们应该选择哪种表示方法?
除非是单峰的窄分布样品,该转换几乎总是使粒度的光强加权分布结果向小粒径方向偏移。这是因为在计算粒度的体积加权分布时,每个尺寸的光强贡献都会除以 d³×P,然后重新归一化,如果不考虑角散射因子 P 的影响,由于除以直径的立方,小颗粒的贡献被增强,而大颗粒的贡献被减小。因此,从光强加权到体积加权时总是出现向小粒径方向偏移,并且出于同样的原因(除以另一个d³),从体积加权到数量加权也会出现向小粒径方向偏移。
然而,在将光强加权转换为体积加权之前,必须确保光强加权的 DLS 结果有意义。此时需要注意两种情况:首先,最大的粒度峰超过5-7微米,几乎毫无意义,DLS 不适合测量如此大颗粒的粒度。自相关函数(ACF)基线的误差很可能是导致出现错误的大粒度峰的原因,建议重新检查 ACF,手动将基线调高,但不要超过0.5-1%,然后观察那个大峰是否消失。其次,在多个峰中,最小粒度峰(1-2纳米)也很可能是由 ACF 噪声产生的假峰。
事实上, DLS 测量产生的可靠多峰分布(四峰及以上)比较少见,只有三峰分布是经过独立验证的。如果最小粒度峰(1-2纳米)是假峰,那么在进行加权方式转换时,它会变成一个其实并不存在的主峰,这就是数量加权分布仅显示较小峰的原因。建议仅报告两个中间峰的结果。如果能排除几纳米附近的峰,则可将其余部分转换为体积加权,最大的峰在除以 d³×P 后将变为零,因此不会扭曲体积加权的结果。另外,还可以尝试输出结果,并手动剔除最小粒度峰后进行计算。
两个样品的峰值中心分别位于-40 mV 和-25 mV 左右时,我们能说它们的 Zeta 电位存在显著差异吗?
这两个样品之间确实存在明显差异。第一个样品在异丙醇(IPA)中的 Zeta 电位绝对值比第二个样品更大,因此,样品#1应该比样品#2更稳定。如果您没有使用相位分析光散射(PALS)技术,这种差异可能被低估。
颗粒在水和异丙醇中会显示出相同的 Zeta 电位吗?
不会。颗粒在水中的 Zeta 电位通常会更高。
是否可以在异丙醇(IPA)或其他非水溶剂中测量 Zeta 电位?
使用标准的激光多普勒电泳(即常规ELS)技术无法轻易测定这些体系中的 Zeta 电位,您需要使用 PALS 技术。因为异丙醇的粘度大约是水的2.4倍,而介电常数大约比水低4.5倍,这意味着颗粒在异丙醇中的电泳迁移率要低得多。因此,ELS 很难获得良好结果,但 PALS 可以轻松做到精确测量。如果所使用的是配备 PALS 功能的 Zeta 电位分析仪,请在“参数”(或 SOP )中查找溶剂参数。
虽然在溶剂下拉列表中有许多溶剂选项,但异丙醇并不在其中,在列表顶部选择“未指定”,然后输入设定温度下异丙醇的粘度、折射率和介电常数。温度每变化1℃,粘度会发生约2%的改变,因此请查找接近设定温度的参考值。温度每变化1℃,介电常数会发生约0.1-0.2%的改变,因此只要文献值的温度条件在设定温度的几度范围以内,就无需进行更改。折射率随温度变化不大,但会随波长变化而变化。
根据所使用的仪器,可以查找激光波长,如 640 nm(假设您使用的是 NanoBrook 配备的标准半导体红光激光器)。如果该波长下的 n 值无法查询,可以先查询其它波长下的折射率 n,由于n = A + B/(λ²),如果有两个波长下的 n 值,就可以求出 A 和 B,并内插得到仪器激光波长下的 n 值。
对高度多分散样品的表征采用什么方法最可靠?
表征这类样品最好使用除动态光散射(DLS)以外的其他方法,或者接受有效直径(EFF. Dia.)、多分散指数(PDI)以及通过它们计算得出的对数正态分布,作为这类样品粒度分布的表征方式。
如何改进动态光散射(DLS)测量?
所有布鲁克海文公司的 DLS 仪器都具有 MSD 功能,在研究级软件中,可以选择指数采样、非负最小二乘法(NNLS)或 CONTIN 算法。如果事先了解有关分布的信息,请加以利用。CONTIN更适用于宽单峰分布,对于间隔较近的双峰分布则效果较差。NNLS更适用于双峰分布,并且最多能分辨出峰值间距大于2:1的峰。动态光散射(DLS)不是一种高分辨率的粒度测量技术,很难区分70纳米和100纳米或100纳米和200纳米的双峰分布。
众所周知,多峰粒度分布(MSD)算法可能会产生虚假的双峰,甚至在光强加权分布中出现跨度很大的三峰,但这些峰并不准确。尽管如此,有效直径(EFF. Dia.)和多分散指数(PDI)仍具有参考价值。例如:通过大量的电子显微镜数据和其他技术,知道这些分布趋向于单峰,类似于对数正态分布。
此时,根据这个信息,忽略 MSD 分布,重点关注动态光散射(DLS)得出的体积加权对数正态分布。如果在转换为体积加权后,它与显微镜得到的结果近似,则说明 DLS 技术的优势:使用显微镜测量耗时较长,动态光散射(DLS)的速度要快得多,而且结果基本一致。
如果样品不是典型的胶体,我们能信任多峰粒度分布结果吗?
有效直径和多分散指数(PDI)是通过累积量法而不是多峰算法计算的,几乎所有商业化的 DLS 仪器都会提供这两个参数。它们是 DLS 测量中得到的描述粒径分布最可靠且可重复的值。
其他所有结果,如多峰粒度分布等,都具有较大的不确定性,因为将自相关函数进行转换的计算涉及条件有限的拉普拉斯变换。在制备得当的情况下,许多样品呈单峰窄分布,此时的 PDI 值大致小于0.03至0.04。这种情况下,最有效的表征方式通过有效直径(Eff. Dia.)和多分散指数(PDI)来进行,或者使用对数正态分布,它完全根据有效直径(Eff. Dia.)和多分散指数(PDI)计算得出,并不包含更多信息。
布鲁克海文仪器公司主要使用非负最小二乘法(NNLS)和 CONTIN 作为多峰粒度分布的算法。假设囊泡样品为薄壳结构,在参数对话框(或SOP)中,选择薄壳模型,这样在将光强加权分布转换为体积加权分布时所用到的米氏散射系数就可完全确定。仅当多分散性指数(PDI)足够大,且光强加权分布产生峰值间距大于约2:1的双峰分布,并多次得出大致相同的结果时,样品可能确实是双峰的。
