如何調(diào)和不同粒度測(cè)量技術(shù)所得結(jié)果之間的差異?
如果顆粒不是球形,那么不同的測(cè)量技術(shù)會(huì)強(qiáng)調(diào)粒度的不同表征方式,因此結(jié)果可能無(wú)法比較。以長(zhǎng)棒狀樣品在篩板上振動(dòng)為例,最終,長(zhǎng)棒體會(huì)垂直穿過(guò)篩板(直徑小于篩孔尺寸),因此粒度結(jié)果并未正確考慮長(zhǎng)棒體的長(zhǎng)度。而對(duì)于動(dòng)態(tài)光散射(DLS)、夫瑯禾費(fèi)衍射和一些其他技術(shù),顆粒是隨機(jī)翻滾的,因此“粒度”將同時(shí)受長(zhǎng)度和直徑影響。即使對(duì)于球體,也需確認(rèn)不同測(cè)量技術(shù)的加權(quán)方式(數(shù)量、體積、質(zhì)量)是否相同。與體積或質(zhì)量加權(quán)相比,數(shù)量加權(quán)分布及其所有顆粒粒度都向較小值偏移。
了解不同測(cè)量技術(shù)的差異是很有必要的。例如,單顆粒計(jì)數(shù)器給出的是數(shù)量加權(quán)分布,如果少量的大顆粒在數(shù)量加權(quán)分布中得不到體現(xiàn),在將數(shù)量加權(quán)分布轉(zhuǎn)換為體積加權(quán)分布時(shí),會(huì)低估真實(shí)的體積加權(quán)分布。同樣,DLS 和衍射技術(shù)更側(cè)重于散射光權(quán)重更大的大顆粒,它們通常會(huì)低估或完全忽略小顆粒的存在,因此,當(dāng)將光強(qiáng)加權(quán)分布轉(zhuǎn)換為數(shù)量分布時(shí),得到的結(jié)果通常是不準(zhǔn)確的。
如果兩種方法給出的結(jié)果不一致,需要判斷不同測(cè)量技術(shù)是否存在差異,此時(shí),了解不同技術(shù)在表征不同大小顆粒時(shí)的差異性是必要的。最后,不要想當(dāng)然地認(rèn)為不同測(cè)量技術(shù)的采樣和樣品制備方法是相同的。事實(shí)上,結(jié)果更多地取決于采樣偏差和樣品制備差異,而非測(cè)量技術(shù)之間的差異。
與 DLS 相比,衍射法儀器有哪些優(yōu)缺點(diǎn)?
沒(méi)有一種技術(shù)能夠準(zhǔn)確可靠地應(yīng)用于所有顆粒的粒度分布,因此,是選擇 DLS 還是選擇衍射法儀器應(yīng)該以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向。主流衍射法儀器的測(cè)量范圍從約100+納米到數(shù)百微米。
將光強(qiáng)加權(quán)粒度分布轉(zhuǎn)換為數(shù)量加權(quán)粒度分布會(huì)扭曲實(shí)際的粒度分布(PSD)嗎?
是的,如果分布中的最小峰是假峰,則從光強(qiáng)加權(quán)轉(zhuǎn)換為數(shù)量加權(quán)會(huì)導(dǎo)致高度失真。
注意:無(wú)法使用 DLS 直接進(jìn)行顆粒計(jì)數(shù),而且數(shù)量加權(quán)分布是一種相對(duì)分布,在所有 DLS 分布中,它最容易出錯(cuò)。然而,當(dāng)有其他信息來(lái)支持 DLS 數(shù)量加權(quán)結(jié)果時(shí),它的結(jié)果還算合理。
當(dāng)將粒度的光強(qiáng)加權(quán)分布轉(zhuǎn)換為體積加權(quán)分布,且結(jié)果不同時(shí),我們應(yīng)該選擇哪種表示方法?
除非是單峰的窄分布樣品,該轉(zhuǎn)換幾乎總是使粒度的光強(qiáng)加權(quán)分布結(jié)果向小粒徑方向偏移。這是因?yàn)樵谟?jì)算粒度的體積加權(quán)分布時(shí),每個(gè)尺寸的光強(qiáng)貢獻(xiàn)都會(huì)除以 d3×P,然后重新歸一化,如果不考慮角散射因子 P 的影響,由于除以直徑的立方,小顆粒的貢獻(xiàn)被增強(qiáng),而大顆粒的貢獻(xiàn)被減小。因此,從光強(qiáng)加權(quán)到體積加權(quán)時(shí)總是出現(xiàn)向小粒徑方向偏移,并且出于同樣的原因(除以另一個(gè)d3),從體積加權(quán)到數(shù)量加權(quán)也會(huì)出現(xiàn)向小粒徑方向偏移。
然而,在將光強(qiáng)加權(quán)轉(zhuǎn)換為體積加權(quán)之前,必須確保光強(qiáng)加權(quán)的 DLS 結(jié)果有意義。此時(shí)需要注意兩種情況:首先,最大的粒度峰超過(guò)5-7微米,幾乎毫無(wú)意義,DLS 不適合測(cè)量如此大顆粒的粒度。自相關(guān)函數(shù)(ACF)基線(xiàn)的誤差很可能是導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤的大粒度峰的原因,建議重新檢查 ACF,手動(dòng)將基線(xiàn)調(diào)高,但不要超過(guò)0.5-1%,然后觀察那個(gè)大峰是否消失。其次,在多個(gè)峰中,最小粒度峰(1-2納米)也很可能是由 ACF 噪聲產(chǎn)生的假峰。
事實(shí)上, DLS 測(cè)量產(chǎn)生的可靠多峰分布(四峰及以上)比較少見(jiàn),只有三峰分布是經(jīng)過(guò)獨(dú)立驗(yàn)證的。如果最小粒度峰(1-2納米)是假峰,那么在進(jìn)行加權(quán)方式轉(zhuǎn)換時(shí),它會(huì)變成一個(gè)其實(shí)并不存在的主峰,這就是數(shù)量加權(quán)分布僅顯示較小峰的原因。建議僅報(bào)告兩個(gè)中間峰的結(jié)果。如果能排除幾納米附近的峰,則可將其余部分轉(zhuǎn)換為體積加權(quán),最大的峰在除以 d3×P 后將變?yōu)榱悖虼瞬粫?huì)扭曲體積加權(quán)的結(jié)果。另外,還可以嘗試輸出結(jié)果,并手動(dòng)剔除最小粒度峰后進(jìn)行計(jì)算。
兩個(gè)樣品的峰值中心分別位于-40 mV 和-25 mV 左右時(shí),我們能說(shuō)它們的 Zeta 電位存在顯著差異嗎?
這兩個(gè)樣品之間確實(shí)存在明顯差異。第一個(gè)樣品在異丙醇(IPA)中的 Zeta 電位絕對(duì)值比第二個(gè)樣品更大,因此,樣品#1應(yīng)該比樣品#2更穩(wěn)定。如果您沒(méi)有使用相位分析光散射(PALS)技術(shù),這種差異可能被低估。
顆粒在水和異丙醇中會(huì)顯示出相同的 Zeta 電位嗎?
不會(huì)。顆粒在水中的 Zeta 電位通常會(huì)更高。
是否可以在異丙醇(IPA)或其他非水溶劑中測(cè)量 Zeta 電位?
使用標(biāo)準(zhǔn)的激光多普勒電泳(即常規(guī)ELS)技術(shù)無(wú)法輕易測(cè)定這些體系中的 Zeta 電位,您需要使用 PALS 技術(shù)。因?yàn)楫惐嫉恼扯却蠹s是水的2.4倍,而介電常數(shù)大約比水低4.5倍,這意味著顆粒在異丙醇中的電泳遷移率要低得多。因此,ELS 很難獲得良好結(jié)果,但 PALS 可以輕松做到精確測(cè)量。如果所使用的是配備 PALS 功能的 Zeta 電位分析儀,請(qǐng)?jiān)凇皡?shù)”(或 SOP )中查找溶劑參數(shù)。
雖然在溶劑下拉列表中有許多溶劑選項(xiàng),但異丙醇并不在其中,在列表頂部選擇“未指定”,然后輸入設(shè)定溫度下異丙醇的粘度、折射率和介電常數(shù)。溫度每變化1℃,粘度會(huì)發(fā)生約2%的改變,因此請(qǐng)查找接近設(shè)定溫度的參考值。溫度每變化1℃,介電常數(shù)會(huì)發(fā)生約0.1-0.2%的改變,因此只要文獻(xiàn)值的溫度條件在設(shè)定溫度的幾度范圍以?xún)?nèi),就無(wú)需進(jìn)行更改。折射率隨溫度變化不大,但會(huì)隨波長(zhǎng)變化而變化。
根據(jù)所使用的儀器,可以查找激光波長(zhǎng),如 640 nm(假設(shè)您使用的是 NanoBrook 配備的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體紅光激光器)。如果該波長(zhǎng)下的 n 值無(wú)法查詢(xún),可以先查詢(xún)其它波長(zhǎng)下的折射率 n,由于n = A + B/(λ2),如果有兩個(gè)波長(zhǎng)下的 n 值,就可以求出 A 和 B,并內(nèi)插得到儀器激光波長(zhǎng)下的 n 值。
對(duì)高度多分散樣品的表征采用什么方法最可靠?
表征這類(lèi)樣品最好使用除動(dòng)態(tài)光散射(DLS)以外的其他方法,或者接受有效直徑(EFF. Dia.)、多分散指數(shù)(PDI)以及通過(guò)它們計(jì)算得出的對(duì)數(shù)正態(tài)分布,作為這類(lèi)樣品粒度分布的表征方式。
如何改進(jìn)動(dòng)態(tài)光散射(DLS)測(cè)量?
所有布魯克海文公司的 DLS 儀器都具有 MSD 功能,在研究級(jí)軟件中,可以選擇指數(shù)采樣、非負(fù)最小二乘法(NNLS)或 CONTIN 算法。如果事先了解有關(guān)分布的信息,請(qǐng)加以利用。CONTIN更適用于寬單峰分布,對(duì)于間隔較近的雙峰分布則效果較差。NNLS更適用于雙峰分布,并且最多能分辨出峰值間距大于2:1的峰。動(dòng)態(tài)光散射(DLS)不是一種高分辨率的粒度測(cè)量技術(shù),很難區(qū)分70納米和100納米或100納米和200納米的雙峰分布。
眾所周知,多峰粒度分布(MSD)算法可能會(huì)產(chǎn)生虛假的雙峰,甚至在光強(qiáng)加權(quán)分布中出現(xiàn)跨度很大的三峰,但這些峰并不準(zhǔn)確。盡管如此,有效直徑(EFF. Dia.)和多分散指數(shù)(PDI)仍具有參考價(jià)值。例如:通過(guò)大量的電子顯微鏡數(shù)據(jù)和其他技術(shù),知道這些分布趨向于單峰,類(lèi)似于對(duì)數(shù)正態(tài)分布。
此時(shí),根據(jù)這個(gè)信息,忽略 MSD 分布,重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)態(tài)光散射(DLS)得出的體積加權(quán)對(duì)數(shù)正態(tài)分布。如果在轉(zhuǎn)換為體積加權(quán)后,它與顯微鏡得到的結(jié)果近似,則說(shuō)明 DLS 技術(shù)的優(yōu)勢(shì):使用顯微鏡測(cè)量耗時(shí)較長(zhǎng),動(dòng)態(tài)光散射(DLS)的速度要快得多,而且結(jié)果基本一致。
如果樣品不是典型的膠體,我們能信任多峰粒度分布結(jié)果嗎?
有效直徑和多分散指數(shù)(PDI)是通過(guò)累積量法而不是多峰算法計(jì)算的,幾乎所有商業(yè)化的 DLS 儀器都會(huì)提供這兩個(gè)參數(shù)。它們是 DLS 測(cè)量中得到的描述粒徑分布最可靠且可重復(fù)的值。
其他所有結(jié)果,如多峰粒度分布等,都具有較大的不確定性,因?yàn)閷⒆韵嚓P(guān)函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的計(jì)算涉及條件有限的拉普拉斯變換。在制備得當(dāng)?shù)那闆r下,許多樣品呈單峰窄分布,此時(shí)的 PDI 值大致小于0.03至0.04。這種情況下,最有效的表征方式通過(guò)有效直徑(Eff. Dia.)和多分散指數(shù)(PDI)來(lái)進(jìn)行,或者使用對(duì)數(shù)正態(tài)分布,它完全根據(jù)有效直徑(Eff. Dia.)和多分散指數(shù)(PDI)計(jì)算得出,并不包含更多信息。
布魯克海文儀器公司主要使用非負(fù)最小二乘法(NNLS)和 CONTIN 作為多峰粒度分布的算法。假設(shè)囊泡樣品為薄殼結(jié)構(gòu),在參數(shù)對(duì)話(huà)框(或SOP)中,選擇薄殼模型,這樣在將光強(qiáng)加權(quán)分布轉(zhuǎn)換為體積加權(quán)分布時(shí)所用到的米氏散射系數(shù)就可完全確定。僅當(dāng)多分散性指數(shù)(PDI)足夠大,且光強(qiáng)加權(quán)分布產(chǎn)生峰值間距大于約2:1的雙峰分布,并多次得出大致相同的結(jié)果時(shí),樣品可能確實(shí)是雙峰的。