许人良：颗粒表征领域的十年回顾与展望

颗粒表征行业过去十数年间从各类表征技术的发展、各工业领域内更广泛的应用、各项技术的标准化程度的提高与普及、新款仪器的问世，到许多商家公司的变更，是本行业半个世纪前随着激光与微电子行业的问世而跨入现代化进程以来变化最明显的。

颗粒表征技术的发展回顾

现代颗粒表征技术的初始化发端于延伸传统的筛分、光学显微镜、与沉降法粒度测量的下限。那些用于表征10微米以上颗粒的技术，特别是应用于固体颗粒的颗粒表征仪器商业化可以说是早已完成了。近十几年来主要是一些技术细节的进一步改进与应用的进一步推广，例如在3D打印、能量储存（锂离子电池）、药物等很多行业。这方面的最大变化是各类技术的国际标准化、国内标准化与行业标准化的建立与普及，以及各类有证（标准）的国家级与行业参考颗粒物质（RM），包括单分散粒径RM、多分散粒径RM、计数RM、表面积RM、Zeta电位RM等的可利用性。迄今为止国际标准化组织仅颗粒表征技术委员会（ISO TC 24）就已有61个国际标准、1个技术规范、3个技术报告。中国国家标准化管理委员会的颗粒表征与分检及筛网标准化委员会专委会（TC 168）也已有60个国家标准。

这些技术在过去十数年内的持续改进发展与一些新技术的问世，主要来自于纳米科学技术发展的推动与将测量粒径下限进一步下推与测量样品浓度上推的需求。表征技术与仪器本身的发展也受益于其他行业的新技术，例如3D打印、光刻与微机电系统已被用于生产颗粒表征仪器的过程；不断发展的各类光源、光导纤维、CCD、CMOS、光电探测器阵列都已成为现代化颗粒表征仪器的一部分。

某些测量技术例如传统的库尔特原理（电阻法），进一步扩展了测量的动态范围与测量下限、数值化的脉冲记录可使同一测量除了计数与颗粒体积测定以外，也可用以测定颗粒形状或追踪样品的动态变化。基于同样原理的可调谐电阻脉冲传感法使用在可伸展薄膜上的小孔测量纳米级颗粒，已成功地用于病毒研究，包括新冠病毒研究；利用纳米碳管、3D打印以及小至10纳米的电极，整个电阻法测量可在微芯片上完成。

英国科学家在2006年发明的、基于追踪激光照射下悬浮液内纳米颗粒运动的颗粒示踪法是近十年来发展最迅速的基于数量测定的纳米颗粒粒径测定新技术。这个可以包含计数、电泳迁移率测定与荧光分析的新技术可与动态光散射互补，如果能够进一步增宽测量粒径与浓度的动态范围，则一定可以有更广泛的应用前景。

传统的动态光散射已突破稀溶液和90度散射角测量的局限，利用光学纤维进行后向散射、多角散射测量，以及多角度整体分析已逐渐成为通例。随着计算机能力的进一步扩展与数据传输速度的提高，动态范围高达1012与采样速度快达10纳秒的芯片相关器或软件相关器取代了传统相关器。越来越多的相关函数反演算法使这一已沉寂了很多年的领域又活跃了起来。打破测量必须在静止液体中进行的限制，在分馏设备的出口处测量在流动液体中单分散分馏成分的动态光散射也取得了可喜的进展。

中国科学家在2012年发明的，以CCD或CMOS作为探测器，同时测量动态光散射时间与空间相关性的超快速图像动态光散射方法，利用系综平均取代扩散平均，弥补了传统动态光散射费时、信噪比低的缺点，可以在瞬间（快达1微秒的两幅帧）测出颗粒的平均粒径，已成功地在数秒钟内实时测量了金颗粒的成长。这一测量速度还将随着帧传输速率的增加进一步提高。

另一个可注意到的变化是电泳光散射测量zeta电位技术的进一步发展，例如直流与交流电场混用以排除测量中电渗的影响、使用透明电极以测量极高浓度样品中颗粒的zeta电位、用大规模并行相位分析光散射测量蛋白质的电泳、用对称测量增加分辨率等。Zeta电位测量的应用与数据解释也为更多的用户理解与接受。

随着越来越多行业对颗粒形状表征的需求，动态图像法，特别是取样方法与图像分析算法与软件也是活跃的热点。

颗粒表征仪器企业的并购整合

这十几年来最引人注目的可能是颗粒表征仪器行业内商家的整合。据不完全统计，从2000年至今，至少有13家公司的所有权发生了变化，有的是集团内整合，有的是国际兼并，有的是国内并购。随着现代化颗粒表征技术第一代研发人员由于年龄原因的退出、公司所有权变化后的人事变动、以及很多成熟技术的黑盒子化，提供用户支持的第一线应用人员甚至总部的应用支持人员对科学技术知识掌握的深度与广度打了很多折扣，有些人对自己公司的产品知其然而不知其所以然，市场上的竞争也经常脱离应有的科学技术基础。

中国颗粒表征领域的发展

可喜的是中国颗粒表征领域的发展，无论是对技术的推进（激光粒度法中的很多新型光学设计、图像动态光散射、各类矩阵反演算法等）、应用的普及化（全球最大的激光粒度仪与质控气体吸附表面分析仪的用户群体）、标准化程度（全球数一数二的与颗粒有关的国家标准与颗粒标准物质的类型与数量）、商业化的活跃程度（具有最多业内商家的国家）都随着中国国力的增强与现代化的发展而走在前沿。中国颗粒表征企业也开始进行国际并购，销售渠道越来越宽。

颗粒表征技术未来展望

展望下一个十年，颗粒表征技术在现有的基础上会在各级标准化的促进下得到更广泛的应用，云数据计算与共享会逐渐推广，表征技术不再限于单参数测量而是在单一测量、或同时测量中得到多个参数，或同一参数在不同条件下测量后对数据进行整体分析。更多的注意力会放在气溶胶、气泡动态测量与在线测量；各类数据挖掘法会用于动态图像法中的图形辨识以用来测量更小与更浓的样品；激光粒度仪将不再局限于球形模型而开始对实际样品尝试非球形模型。

作者简介

许人良，国际标委会颗粒表征专家。1980年代前往美国就学，受教于20世纪物理化学大师彼得·德拜的关门弟子、光散射巨擘朱鹏年和国际荧光物理化学权威魏尼克的门下，获博士及MBA学位。曾在多家跨国企业内任研发与管理等职位，包括美国贝克曼库尔特仪器公司颗粒部全球技术总监，英国马尔文仪器公司亚太区技术总监，美国麦克仪器公司中国区总经理，资深首席科学家。也曾任中国数所大学的兼职教授。

· 国际标准化组织资深专家与召集人，执笔与主持过多个颗粒表征国际标准

· 美国标准测试材料学会与化学学会的获奖者

· 中国颗粒学会高级理事，颗粒测试专业委员会常务理事

· 中国3个全国专业标准化技术委员会的委员

· 与中国颗粒学会共同主持设立了《麦克仪器-中国颗粒学报最佳论文奖》

浸淫颗粒表征近半个世纪，除去70多篇专业学术论文、SCI援引4700以上、数个美国专利之外，著有400页业内经典英文专著《Particle Characterization： Light Scattering Methods》，以及即将由化学工业出版社出版的《颗粒表征的光学技术及其应用》。