Анализ размера частиц

Анализ размера частиц , измерение размера частиц или просто определение размера частиц — это собирательное название технических процедур или лабораторных методов , которые определяют диапазон размеров и/или средний или средний размер частиц в порошка или жидкости образце .

Анализ размера частиц является частью науки о частицах и обычно проводится в лабораториях по изучению частиц .

Измерение размера частиц обычно достигается с помощью устройств, называемых анализаторами размера частиц (PSA), которые основаны на различных технологиях, таких как обработка изображений высокой четкости , анализ броуновского движения , гравитационное осаждение частиц и рассеяние света ( рэлей и рассеяние Ми ) частиц.

Размер частиц может иметь большое значение в ряде отраслей промышленности, включая химическую, пищевую, горнодобывающую, лесную, сельскохозяйственную, косметическую, фармацевтическую, энергетическую и сырьевую.

Анализ размера частиц на основе светорассеяния

Анализ размера частиц на основе светорассеяния широко применяется во многих областях, поскольку он позволяет относительно легко определять оптические характеристики образцов, что позволяет улучшить контроль качества продукции во многих отраслях, включая фармацевтическую, пищевую, косметическую и полимерную. ^{[ 1 ]} В последние годы произошло много достижений в технологиях светорассеяния для определения характеристик частиц.

Для частиц в диапазоне от нижнего нанометра до нижнего микрометра динамическое рассеяние света (DLS) ^{[ 2 ]} теперь стала отраслевым стандартом. Это также, безусловно, наиболее широко используемый метод рассеяния света для определения характеристик частиц в академическом мире. ^{[ 3 ]} Этот метод анализирует колебания рассеянного света частицами в суспензии при освещении лазером для определения скорости броуновского движения, которую затем можно использовать для получения гидродинамического размера частиц с помощью соотношения Стокса-Эйнштейна. DLS — это быстрый и неинвазивный метод, который также точен и имеет высокую повторяемость. ^{[ 4 ]} Более того, поскольку метод основан на измерении рассеяния света как функции времени, метод считается абсолютным, и инструменты DLS не требуют калибровки. ^{[ 3 ]} К недостаткам метода относится тот факт, что он не позволяет должным образом разделить высокополидисперсные образцы, а наличие крупных частиц может повлиять на точность размера. Появились и другие методы рассеяния, такие как анализ отслеживания наночастиц (NTA). ^{[ 5 ]} который отслеживает движение отдельных частиц посредством рассеяния с использованием записи изображений. NTA также измеряет гидродинамический размер частиц по коэффициенту диффузии, но способен преодолеть некоторые ограничения, налагаемые DLS. ^{[ 6 ]} Следующее поколение технологии NTA называется интерферометрическим анализом отслеживания наночастиц (iNTA). ^{[ 7 ]} и основан на микроскопии интерферометрического рассеяния (iSCAT). В отличие от NTA, iNTA имеет превосходное разрешение по размеру и дает доступ к эффективному показателю преломления частиц.

Хотя вышеупомянутые методы лучше всего подходят для измерения частиц, как правило, в субмикронной области, анализаторы размера частиц (PSA), основанные на статическом светорассеянии или лазерной дифракции (LD), ^{[ 8 ]} стали наиболее популярными и широко используемыми приборами для измерения частиц размером от сотен нанометров до нескольких миллиметров. Подобная теория рассеяния также используется в системах, основанных на неэлектромагнитном распространении волн, таких как ультразвуковые анализаторы. В LD PSA лазерный луч используется для облучения разбавленной суспензии частиц. Свет, рассеянный частицами в прямом направлении, фокусируется линзой на большом массиве концентрических колец фотоприемника. Чем меньше частица, тем больше угол рассеяния лазерного луча. Таким образом, измеряя интенсивность рассеянного рассеяния, зависящую от угла, можно сделать вывод о распределении частиц по размерам, используя Фраунгофера или Ми . модели рассеяния ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} В последнем случае требуется предварительное знание показателя преломления измеряемой частицы, а также диспергатора.

Коммерческие LD PSA завоевали популярность благодаря широкому динамическому диапазону, быстроте измерений, высокой воспроизводимости и возможности проводить измерения в режиме онлайн. Однако эти устройства, как правило, имеют большие размеры (~700 × 300 × 450 мм), тяжелые (~30 кг) и дорогие (в диапазоне 50–200 тыс. евро). С одной стороны, большой размер обычных устройств обусловлен большим расстоянием, необходимым между образцом и детекторами для обеспечения желаемого углового разрешения. Кроме того, их высокая цена обусловлена, главным образом, использованием дорогостоящих лазерных источников и большого количества детекторов, т.е. по одному датчику на каждый контролируемый угол рассеяния. Некоторые коммерческие устройства содержат до двадцати датчиков. Такая сложность коммерческих LD PSA, а также тот факт, что они часто требуют обслуживания и высококвалифицированного персонала, делают их непрактичными в большинстве онлайн-промышленных приложений, которые требуют установки датчиков в технологических средах, часто в нескольких местах. Альтернативным методом PSD является метод ППР на основе кюветы, который одновременно измеряет размер частиц в диапазоне 10–10 мкм и концентрацию в стандартном спектрофотометре. Оптический фильтр, вставленный в кювету, состоит из нанофотонных кристаллов с очень высоким угловым разрешением, что позволяет анализировать PSD путем автоматического количественного определения. Рассеяние Ми и рассеяние Рэлея . ^{[ 11 ]}

Применение LD PSA также обычно ограничивается разбавленными суспензиями. Это связано с тем, что оптические модели, используемые для оценки распределения частиц по размерам (PSD), основаны на приближении однократного рассеяния. На практике большинство промышленных процессов требуют измерения концентрированных суспензий, где заметным эффектом становится многократное рассеяние. Многократное рассеяние в плотных средах приводит к занижению размера частиц, поскольку рассеянный частицами свет многократно сталкивается с точками дифракции, прежде чем достичь детектора, что, в свою очередь, увеличивает видимый угол рассеяния. Чтобы решить эту проблему, LD PSA требуют соответствующих систем отбора проб и разбавления, что увеличивает капитальные вложения и эксплуатационные расходы. Другой подход заключается в применении моделей коррекции многократного рассеяния вместе с оптическими моделями для расчета PSD. В литературе можно найти большое количество алгоритмов коррекции многократного рассеяния. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} Однако эти алгоритмы обычно требуют реализации сложной коррекции, которая увеличивает время вычислений и часто не подходит для онлайн-измерений. ^{[ 14 ]} Альтернативный подход к вычислению PSD без использования оптических моделей и сложных поправочных коэффициентов заключается в применении методов машинного обучения (ML). ^{[ 15 ]}

Микрофлюидная диффузионная калибровка

Микрофлюидная диффузионная калибровка (MDS) — это метод анализа размера частиц, зависящий от диффузии частиц в ламинарном потоке . Этот метод нашел применение в протеомике и смежных областях, где наноразмерные частицы могут различаться по размеру в зависимости от окружающей среды. ^{[ 16 ]}

Краски и покрытия

Обычно краски и покрытия подвергаются многократному анализу размера частиц, поскольку размер частиц отдельных компонентов влияет на такие разнообразные параметры, как прочность, укрывистость, блеск, вязкость, стабильность и устойчивость к атмосферным воздействиям. ^{[ 17 ]}

Горное дело и строительные материалы

Размер материалов, обрабатываемых в ходе операции, очень важен. Транспортировка негабаритного материала приведет к повреждению оборудования и замедлению производства. Анализ размера частиц также помогает повысить эффективность мельниц SAG при дроблении материала.

В строительной отрасли размер частиц может напрямую влиять на прочность конечного материала, как это наблюдалось в случае цемента . ^{[ 18 ]} Двумя наиболее часто используемыми методами определения размера частиц минералов являются просеивание и лазерная дифракция. Эти методы быстрее и дешевле по сравнению с методами, основанными на изображениях.

Пищевая промышленность и промышленность напитков

Оптимизация распределения частиц по размерам облегчает перекачку, смешивание и транспортировку пищевых продуктов. Анализ размера частиц обычно проводится для любых измельченных пищевых продуктов, таких как кофе, мука, какао-порошок. Это особенно полезно для качества шоколада, чтобы обеспечить постоянный вкус и ощущение при употреблении. Кроме того, в случае пищевых эмульсий анализ размера частиц важен для прогнозирования стабильности и срока годности, а также оптимизации гомогенизации. ^{[ 19 ]}

Сельское хозяйство

Градация почв или текстура почвы влияет на способность удерживать воду и питательные вещества, а также на дренажные возможности. Для почв на основе песка размер частиц может быть доминирующей характеристикой, влияющей на продуктивность почвы и, следовательно, на урожай. Просеивание уже давно является предпочтительным методом анализа текстуры почвы, хотя все чаще используются приборы лазерной дифракции , поскольку они значительно ускоряют аналитический процесс и обеспечивают высокую воспроизводимость результатов. ^{[ 20 ]}

Анализ размера частиц в сельском хозяйстве имеет первостепенное значение, поскольку нежелательные материалы загрязняют продукцию, если их не обнаружить. Имея автоматизированный анализатор размера частиц , компании могут внимательно контролировать свои процессы.

Лесное хозяйство

Древесные частицы, используемые для изготовления различных типов продукции, основаны на анализе размера частиц для поддержания высоких стандартов качества. Поступая таким образом, компании сокращают отходы и становятся более продуктивными.

Агрегаты

Наличие частиц правильного размера позволяет компаниям, производящим заполнители, создавать долговечные дороги и другую продукцию. Анализ размера частиц также регулярно проводится в битумных эмузях для прогнозирования их стабильности и поведения. ^{[ 21 ]}

Биология

Анализаторы размера частиц используются также в биологии для измерения агрегации белков .

DLS — особенно ценный метод определения характеристик наночастиц, предназначенных для доставки лекарств, таких как вакцины. Инструменты DLS, например, являются частью процесса контроля качества мРНК-вакцин, приготовленных на из липидных наночастиц . носителях ^{[ 22 ]}

Выбор наиболее подходящего метода анализа размеров

Существует большое количество методов определения размера частиц, и важно признать, что эти разные методы не дадут одинаковых результатов. Размер частицы зависит от метода, используемого для ее измерения, и важно выбрать метод, наиболее подходящий для применения.

В разделе «См. также» описаны многие из этих методов. В большинстве из них размер частиц определяется на основе измерения, например: рассеяния света; электрическое сопротивление; движение частиц, а не прямое измерение диаметра частиц. Это позволяет быстро измерить распределение частиц по размерам с помощью прибора, но требует некоторой формы калибровки или предположений относительно природы частиц. Чаще всего это предполагает наличие сферических частиц, что дает результат, который представляет собой эквивалентный сферический диаметр . Таким образом, измеренные распределения частиц по размерам обычно различаются при сравнении результатов на различном оборудовании. Обычно наиболее подходящим методом является тот, который соответствует конечному использованию данных.

Например, чтобы выбрать, следует ли измерять химическое соединение с помощью динамического рассеяния света или лазерной дифракции , обычно учитывают ожидаемый диапазон размеров, тип образца (жидкий или твердый), количество доступного образца, химическую стабильность, а также его поле приложения. ^{[ 23 ]} При проектировании отстойника наиболее актуальным является метод седиментации для определения размеров. Однако этот подход часто невозможен, и необходимо использовать альтернативный метод. Была разработана онлайн-экспертная система для оказания помощи в выборе (и устранении) оборудования для анализа размера частиц. ^{[ 24 ]}

См. также

Ссылки

^ Валсангкар, А.Дж. Принципы, методы и применение анализа размера частиц. Может. Геотех. Дж. 29, 1006 (1992).
^ Стетефельд, Дж., Маккенна, С.А. и Патель, Т.Р. Динамическое рассеяние света: практический подход. руководство и приложения в биомедицинских науках. Биофизический выпуск 8, 409–427. (2016).
^ Jump up to: ^а ^б Сюй, Жэньлян (01 февраля 2015 г.). «Светорассеяние: обзор приложений для определения характеристик частиц» . Партикуология . 18 :11–21. дои : 10.1016/j.partic.2014.05.002 . ISSN 1674-2001 .
^ «ИСО 22412:2017» .
^ Ким, А. и др. Валидация оценки размера анализа отслеживания наночастиц на Полидисперсная сборка макромолекул. наук. Отчет 9, 2639 (2019).
^ Ким, А., Бернт, В. и Чо, Нью-Джерси. Улучшенное определение размера с помощью анализа отслеживания наночастиц: влияние радиуса распознавания. Анальный. хим. 91, 9508–9515 (2019).
^ Кашканова Анна Дмитриевна; Благословение, Мартин; Гемейнхардт, Андре; Сула, Дидье; Сандогдар, Вахид (2022). «Прецизионный размерный анализ и анализ показателя преломления слаборассеивающих наночастиц в полидисперсиях» . Природные методы . 19 (5): 586–593. дои : 10.1038/s41592-022-01460-z . ПМЦ 9119850 . ПМИД 35534632 .
^ Блотт, SJ и др. Анализ размера частиц методом лазерной дифракции. Геологическое общество, Лондон, Специальные публикации. 232, 63–73 (2004).
^ Варгас-Убера, Дж., Агилар, Дж. Ф. и Гейл, Д. М. Реконструкция распределения частиц по размерам по закономерностям светорассеяния с использованием трех методов инверсии. Прил. Опция 46, 124–132 (2007).
^ Йе, З. и Цзян, Х.П. Ван, З.К. Измерения распределения частиц по размерам на основе теории рассеяния Ми и алгоритма инверсии цепи Маркова. Дж. Софтв. 7, 2309–2316 (2012).
^ Херманссон, Петур Г.; Ваннаме, Кристоф; Смит, Кэмерон LC; Соренсен, Кристиан Т.; Кристенсен, Андерс (2015). «Измерение дисперсии показателя преломления с использованием массива фотонно-кристаллических резонансных отражателей» . Письма по прикладной физике . 107 (6): 061101. Бибкод : 2015ApPhL.107f1101H . дои : 10.1063/1.4928548 . S2CID 62897708 .
^ Гоми, Х. Поправка на многократное рассеяние при измерении размера частиц и числовой плотности методом дифракции. Прил. Опция 25, 3552–3558 (1986).
^ Кирантес А., Арройо Ф. и Кирантес-Рос Дж. Многократное рассеяние света сферическими системами частиц и его зависимость от концентрации: исследование Т-матрицы. J. Наука о коллоидном интерфейсе. 240, 78–82 (2001).
^ Jump up to: ^а ^б Вэй Ю.Х., Шен Дж.К. и Ю. Х.Т. Численный расчет многократного рассеяния с использованием модели слоя. Партикуология 7, 76–82 (2009).
^ Хуссейн Р., Ноян М.А., Войесса Г. и др. Сверхкомпактный анализатор размера частиц, использующий КМОП-датчик изображения и машинное обучение. Light Sci Appl 9, 21 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0255-6
^ Чжан, Инбо (2016). «Анализ связывания белковых агрегатов с лигандами на основе микрофлюидного диффузионного разделения» . ХимБиоХим . 17 (20): 1920–1924. дои : 10.1002/cbic.201600384 . ПМИД 27472818 . S2CID 23410743 .
^ «Важность размера частиц в жидких покрытиях» . www.pfonline.com . Проверено 25 мая 2022 г.
^ Чжан, Ю.М.; Нэпьер-Манн, Ти Джей (1 июня 1995 г.). «Влияние гранулометрического состава, площади поверхности и химического состава на прочность портландцемента» . Порошковая технология . 83 (3): 245–252. дои : 10.1016/0032-5910(94)02964-П . ISSN 0032-5910 .
^ Рансмарк, Ева; Свенссон, Биргитта; Сведберг, Ингрид; Йоранссон, Андерс; Скоглунд, Томас (01 сентября 2019 г.). «Измерение эффективности гомогенизации молока методами лазерной дифракции и центрифугирования» . Международный молочный журнал . 96 : 93–97. дои : 10.1016/j.idairyj.2019.04.011 . ISSN 0958-6946 . S2CID 155705640 .
^ Ян, Ян; Ван, Лицзюань; Вендрот, Оле; Лю, Баоюань; Ченг, Конгконг; Хуан, Тинтин; Ши, Янцзы (март 2019 г.). «Надежен ли метод лазерной дифракции для анализа распределения частиц почвы по размерам?» . Журнал Американского общества почвоведения . 83 (2): 276–287. Бибкод : 2019SSASJ..83..276Y . дои : 10.2136/sssaj2018.07.0252 . ISSN 0361-5995 . S2CID 134971922 .
^ Ван, Фачжоу; Лю, Юньпэн; Чжан, Юньхуа; Ху, Шугуан (01 марта 2012 г.). «Экспериментальное исследование стабильности асфальтовой эмульсии для раствора СА методом лазерной дифракции» . Строительство и строительные материалы . 28 (1): 117–121. дои : 10.1016/j.conbuildmat.2011.07.059 . ISSN 0950-0618 .
^ Мао, Цюньин; Сюй, Мяо; Он, Цянь; Ли, Чанггуй; Мэн, Шуфан; Ван, Ипин; Цуи, Бопей; Лян, Чжэнлунь; Ван, Цзюньчжи (18 мая 2021 г.). «Вакцины против COVID-19: прогресс и понимание контроля и оценки качества» . Сигнальная трансдукция и таргетная терапия . 6 (1): 199. дои : 10.1038/s41392-021-00621-4 . ISSN 2059-3635 . ПМЦ 8129697 . ПМИД 34006829 .
^ «Методы анализа размера частиц: динамическое рассеяние света и лазерная дифракция :: Anton Paar Wiki» . Антон Паар . Проверено 25 мая 2022 г.
^ Экспертная система подбора оборудования

[1] Валсангкар, А.Дж. Принципы, методы и применение анализа размера частиц. Может. Геотех. Дж. 29, 1006 (1992).

[2] Стетефельд, Дж., Маккенна, С.А. и Патель, Т.Р. Динамическое рассеяние света: практический подход. руководство и приложения в биомедицинских науках. Биофизический выпуск 8, 409–427. (2016).

[:0-3] Jump up to: ^а ^б Сюй, Жэньлян (01 февраля 2015 г.). «Светорассеяние: обзор приложений для определения характеристик частиц» . Партикуология . 18 :11–21. дои : 10.1016/j.partic.2014.05.002 . ISSN 1674-2001 .

[4] «ИСО 22412:2017» .

[5] Ким, А. и др. Валидация оценки размера анализа отслеживания наночастиц на Полидисперсная сборка макромолекул. наук. Отчет 9, 2639 (2019).

[6] Ким, А., Бернт, В. и Чо, Нью-Джерси. Улучшенное определение размера с помощью анализа отслеживания наночастиц: влияние радиуса распознавания. Анальный. хим. 91, 9508–9515 (2019).

[7] Кашканова Анна Дмитриевна; Благословение, Мартин; Гемейнхардт, Андре; Сула, Дидье; Сандогдар, Вахид (2022). «Прецизионный размерный анализ и анализ показателя преломления слаборассеивающих наночастиц в полидисперсиях» . Природные методы . 19 (5): 586–593. дои : 10.1038/s41592-022-01460-z . ПМЦ 9119850 . ПМИД 35534632 .

[8] Блотт, SJ и др. Анализ размера частиц методом лазерной дифракции. Геологическое общество, Лондон, Специальные публикации. 232, 63–73 (2004).

[9] Варгас-Убера, Дж., Агилар, Дж. Ф. и Гейл, Д. М. Реконструкция распределения частиц по размерам по закономерностям светорассеяния с использованием трех методов инверсии. Прил. Опция 46, 124–132 (2007).

[10] Йе, З. и Цзян, Х.П. Ван, З.К. Измерения распределения частиц по размерам на основе теории рассеяния Ми и алгоритма инверсии цепи Маркова. Дж. Софтв. 7, 2309–2316 (2012).

[11] Херманссон, Петур Г.; Ваннаме, Кристоф; Смит, Кэмерон LC; Соренсен, Кристиан Т.; Кристенсен, Андерс (2015). «Измерение дисперсии показателя преломления с использованием массива фотонно-кристаллических резонансных отражателей» . Письма по прикладной физике . 107 (6): 061101. Бибкод : 2015ApPhL.107f1101H . дои : 10.1063/1.4928548 . S2CID 62897708 .

[12] Гоми, Х. Поправка на многократное рассеяние при измерении размера частиц и числовой плотности методом дифракции. Прил. Опция 25, 3552–3558 (1986).

[13] Кирантес А., Арройо Ф. и Кирантес-Рос Дж. Многократное рассеяние света сферическими системами частиц и его зависимость от концентрации: исследование Т-матрицы. J. Наука о коллоидном интерфейсе. 240, 78–82 (2001).

[numerical-14] Jump up to: ^а ^б Вэй Ю.Х., Шен Дж.К. и Ю. Х.Т. Численный расчет многократного рассеяния с использованием модели слоя. Партикуология 7, 76–82 (2009).

[Hussain-15] Хуссейн Р., Ноян М.А., Войесса Г. и др. Сверхкомпактный анализатор размера частиц, использующий КМОП-датчик изображения и машинное обучение. Light Sci Appl 9, 21 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0255-6

[16] Чжан, Инбо (2016). «Анализ связывания белковых агрегатов с лигандами на основе микрофлюидного диффузионного разделения» . ХимБиоХим . 17 (20): 1920–1924. дои : 10.1002/cbic.201600384 . ПМИД 27472818 . S2CID 23410743 .

[17] «Важность размера частиц в жидких покрытиях» . www.pfonline.com . Проверено 25 мая 2022 г.

[18] Чжан, Ю.М.; Нэпьер-Манн, Ти Джей (1 июня 1995 г.). «Влияние гранулометрического состава, площади поверхности и химического состава на прочность портландцемента» . Порошковая технология . 83 (3): 245–252. дои : 10.1016/0032-5910(94)02964-П . ISSN 0032-5910 .

[19] Рансмарк, Ева; Свенссон, Биргитта; Сведберг, Ингрид; Йоранссон, Андерс; Скоглунд, Томас (01 сентября 2019 г.). «Измерение эффективности гомогенизации молока методами лазерной дифракции и центрифугирования» . Международный молочный журнал . 96 : 93–97. дои : 10.1016/j.idairyj.2019.04.011 . ISSN 0958-6946 . S2CID 155705640 .

[20] Ян, Ян; Ван, Лицзюань; Вендрот, Оле; Лю, Баоюань; Ченг, Конгконг; Хуан, Тинтин; Ши, Янцзы (март 2019 г.). «Надежен ли метод лазерной дифракции для анализа распределения частиц почвы по размерам?» . Журнал Американского общества почвоведения . 83 (2): 276–287. Бибкод : 2019SSASJ..83..276Y . дои : 10.2136/sssaj2018.07.0252 . ISSN 0361-5995 . S2CID 134971922 .

[21] Ван, Фачжоу; Лю, Юньпэн; Чжан, Юньхуа; Ху, Шугуан (01 марта 2012 г.). «Экспериментальное исследование стабильности асфальтовой эмульсии для раствора СА методом лазерной дифракции» . Строительство и строительные материалы . 28 (1): 117–121. дои : 10.1016/j.conbuildmat.2011.07.059 . ISSN 0950-0618 .

[22] Мао, Цюньин; Сюй, Мяо; Он, Цянь; Ли, Чанггуй; Мэн, Шуфан; Ван, Ипин; Цуи, Бопей; Лян, Чжэнлунь; Ван, Цзюньчжи (18 мая 2021 г.). «Вакцины против COVID-19: прогресс и понимание контроля и оценки качества» . Сигнальная трансдукция и таргетная терапия . 6 (1): 199. дои : 10.1038/s41392-021-00621-4 . ISSN 2059-3635 . ПМЦ 8129697 . ПМИД 34006829 .

[23] «Методы анализа размера частиц: динамическое рассеяние света и лазерная дифракция :: Anton Paar Wiki» . Антон Паар . Проверено 25 мая 2022 г.

[24] Экспертная система подбора оборудования

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]