计数粒径检测

p 　　 strong 编者按 /strong ：让PM2.5无所遁形的颗粒粒径检测技术，已被广泛应用于工业、化学、环境安全等诸多领域。本文作者利用中国专利文摘数据库(CNABS)和德温特世界专利索引数据库(DWPI)，采用分类号G01N与关键词对2017年7月12日之前的专利申请文献进行了检索，并对颗粒粒径检测方法的各技术分支的发展状况进行了分析和综述，以期对该领域的进一步研究提供一些参考。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/8421654c-8b9f-40df-adeb-ff1dbf5948e4.jpg" title=" 00.jpg" / /p p 　　2011年底，美国驻华大使馆在新浪微博的官方账号发出一条微博：“北京空气质量指数439，PM2.5细颗粒浓度408.0，空气有毒害??”该微博随即在国内引发了对PM2.5(细颗粒物)的强烈关注，最终PM2.5被纳入到常规空气质量监测体系中。事实上，让PM2.5无所遁形的就是颗粒粒径检测技术，其已被广泛应用于工业、化学、环境安全等诸多领域。笔者利用中国专利文摘数据库(CNABS)和德温特世界专利索引数据库(DWPI)，采用分类号 G01N与关键词对2017年7月12日之前的专利申请文献进行了检索，并对颗粒粒径检测方法的各技术分支的发展状况进行了分析和综述，以期对该领域的进一步研究提供一些参考。 /p p 　　 strong 各项技术并行发展 /strong /p p 　　颗粒粒径或粒度分布的检测方法种类繁多，按照测量原理主要有7类技术分支，包括：筛分法、沉降法、显微图像法、光散射法、电阻法、静电法和超声法。笔者对各技术分支的专利申请量进行统计发现，光散射法的专利申请量最高，其早在20世纪70年代就进入人们的视线，是目前最先进、应用最广的一种颗粒测量技术。此外，排名第二的是显微镜法，尤其是电子显微镜图像分析技术是当前比较流行的分析手段，该方法优势明显，除了可得到颗粒的粒径，还可以对颗粒的结构、形状和表面形貌有一定的直观认识和了解。然后分别是沉降法和筛分法，这两种方法是测量颗粒粒径的传统方法，工艺过程简单、成本较低，且操作便捷、装置结构简单。 /p p 　　在颗粒粒径检测技术演进的过程中，主要的发展趋势有2个方面：检测精确度的提高及检测对象的扩展。上世纪 40年代以前，业内主要是采用筛分法、沉降法和显微镜法。其中筛分法最早的专利出现在1933年，公开号为GB402402A 沉降法则是基于 Stokes重力沉降公式来测定粒径，沉降法的专利早期以国外专利申请为主。显微镜法是唯一可直接观测单个或混合颗粒形状、粒度和分布的方法，早期国内相关专利申请较少，从2010年才开始出现激增态势。此外，将显微镜法和其他粒度测试方法结合于一体的装置，是当前显微镜法的研究热点，如上海理工大学公开号为CN102207443A、CN102207444A的专利申请，就是利用传感器件将多种颗粒粒度测量方法融合在一起。 /p p 　　随着计算机、电子和激光等技术的快速发展，20世纪70年代起，颗粒粒径检测逐渐开始实现检测对象的多元化，光散射颗粒粒度测量仪受到市场欢迎。光散射技术的思想最早由前苏联学者Mandelshtam于1926年提出，随后其应用逐步扩展至界面和胶体科学等领域，并开发出了荧光相关光谱法、X射线光子相关光谱法、动态光散射显微术等。近年来，对动态光散射仪器的应用需求明显增长，相关技术研究主要集中在对动态光散射仪器的局部结构改进和采用各种新技术改造传统装置以扩展新应用等方面。 /p p 　　对于电阻法和基于电阻法发展起来的静电法和超声法，其理论基础的发展目前已趋于成熟。其中电阻法最早为美国Coulter公司创始人Wallace H. Coulter于1953年发明，随后Coulter公司将其商品化，开发出库尔特计数器，Coulter公司此后不断对电阻法进行深入研究，其生产的 Multisizer I全自动粒度分析仪仍是目前较为先进的颗粒测量多功能仪器。而其他公司和个人对于电阻法、静电法和超声法的研究，在1980年之后得到迅速发展，大量相关的专利都是基于Coulter公司技术的改进而来。 /p p 　　总体而言，虽然不同检测方法均有其各自的特点和适应的颗粒类型，各技术之间呈现并行发展的趋势，但整体上呈现出向更快速、更准确以及更加便捷检测的方向发展，各分支的专利申请量也均呈现出上升趋势。 /p p 　 strong 　两家公司平分秋色 /strong /p p 　　笔者分析了排名靠前的主要申请人的核心专利数量和企业综合实力，发现在颗粒粒径检测领域， a style=" color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline " title=" " target=" _self" href=" http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100646/" span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 英国马尔文仪器有限公司 /span /a (下称马尔文公司)和 a style=" text-decoration: underline color: rgb(0, 176, 240) " title=" " target=" _self" href=" http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100336/" span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 美国贝克曼库尔特公司 /span /a span style=" text-decoration: underline color: rgb(0, 176, 240) " ( /span 下称贝克曼公司)呈现平分秋色的竞争态势。 /p p 　　马尔文公司成立于1963年，早在20世纪80年代，该公司便进行了颗粒粒径测量仪器的技术研发，其最早的研究方向是基于激光技术测定颗粒粒径。随后，该公司研发了利用超声法测量颗粒粒径的相关技术，相关专利包括US5121629A、GB9801667D0、WO2010/041082A2等。在 1980年到2010年间，马尔文公司在颗粒粒径检测的几个主要技术分支上均保持了稳定的专利申请量，在光散射法和超声法检测两个分支的专利申请量最大。 /p p 　　马尔文公司在超声测量方面的主要产品为Ultrasizer MSV超声测量仪，该仪器可根据颗粒粒径与声波衰减之间的关系计算出颗粒粒度分布，同时还可以测出体系的固含量。随后，该公司在初代产品的基础上进行改进，开发出了探头式超声粒度测量仪。近年来，马尔文公司发展迅速，从专利申请分布来看，自2010年至今，该公司提交了50余件关于激光粒度分析的专利申请，这表明该公司可能欲向高精密仪器方向转型。 /p p 　　贝克曼公司于1997年成立，现已成为世界最大的颗粒分析仪器公司，其于1953年制造出了世界上第一台颗粒粒度分析仪，并于1965年对该产品提交了专利申请NL6505468A。 /p p 　　1983年贝克曼公司就进入了中国市场，并在北京、上海等地设立了代表处，此后不断完善专利战略，迅速占领了国内外市场。2000年之后，贝克曼公司进入超声颗粒测量领域，获得了一系列专利权，如公开号为WO0057774A1、US2006001875A1等。2000年至2012年，贝克曼公司在颗粒粒度检测的四个主要分支领域均进行了专利布局，其开发了基于电阻原理的Multisizer 3系列粒度分析仪，基于光脉冲原理的HIAC系列液体颗粒检测仪，基于光脉冲和库尔特原理的Multisizer 4e系列粒度分析仪，以及融合了超声与光散射原理的DelsaMax Pro粒径分析仪和DelsaMax CORE系列产品。其最新的DelsaMax Pro系列产品与马尔文公司的Zetasizer Nano系列产品采用的技术都结合了声学和光学颗粒检测技术，可见两家公司在该领域的竞争态势比较激烈。 /p p 　　笔者认为，今后颗粒粒径检测领域的技术发展将更注重提高测量精度和对颗粒特性的多方面测定等方面，将不同颗粒粒径检测技术进行融合以提高检测性能将成为未来专利布局的热点。(詹雪) /p p （本文仅代表作者个人观点） /p

UV色浆是有机或者无机颗粒和分散液形成的分散体系，广泛应用于油墨、涂料，可进行印刷和喷涂，具有较好施工性、高光泽、干燥速度快、低污染、墨层丰满平整、美观、流平性佳、附着力优良、柔韧性好、表面耐抗性好、耐划伤、抗化学性好等特点。UV色浆在紫外光照射下会固化。UV色浆的发展趋势是使用极细纳米颗粒。纳米级颗粒UV色浆具有分散性好，光泽度更高，色彩鲜艳，更好的固化性能等特点。在这篇应用报告中，我们使用丹东百特仪器公司最新推出的BeNano 90 Zeta纳米粒度电位仪检测了分散在乙酸乙酯中的不同颜色的UV色浆的粒径和Zeta电位信息。原理和设备采用丹东百特公司的BeNano 90 Zeta纳米粒度电位仪进行测试。仪器使用波长671nm，功率50mW激光器作为光源。动态光散射光路收集90°散射光，通过相关计算得到原始相关曲线信号，进而推导出颗粒的布朗运动速度，由斯托克斯爱因斯坦方程得到颗粒的粒径和粒径分布信息。样品制备和测试条件一共检测了6个纳米色浆样品，颜色分别为红、蓝、黄、黑、白颜色。其中白色色浆有两个样品，其中一个为进口白色浆。色浆的原始浓度较高，使用乙酸乙酯（折射率1.37，粘度0.426 cp@25℃）进行分散。稀释倍数为1000-10000倍直至色浆透明。通过BeNano 90 Zeta内置的温度控制系统将测试温度控制为25℃±0.1℃，样品注入玻璃粒径池采用动态光散射进行粒径池进行粒径测试。每一个样品在放入样品池后进行至少三次测试，以检测结果的重复性和得到结果的标准偏差。测试结果和讨论图1. 动态光散射检测UV浆料的相关曲线和粒径分布（上）图1. 动态光散射检测UV浆料的相关曲线和粒径分布（下）通过使用动态光散射技术，得到了UV浆料的粒径和粒径分布。可以看出所有六个样品的光强分布为一个粒径峰，没有团聚物峰。通过表1中的结果可以看出，所有浆料中的颗粒均为纳米级颗粒，不同颜色的浆料的平均粒径在100 – 300nm范围内，多次重复性测试的标准偏差均较小，说明样品分散均匀。 PDI值均超过了0.08说明所有浆料样品中的颗粒粒径具有一定的分布。可以注意到，白色浆和进口白色浆的平均粒径非常接近，而且白色浆的PDI甚至小于进口白色浆，说明通过工艺控制国产白色浆从颗粒大小和分布的角度已经达到进口白色浆水平。表1. 6次重复性测试粒径和PDI结果

纳米材料，由于尺寸在1~100纳米范围，其微观尺度赋予其独特的光、电、磁、机械和光学等特性。纳米技术是一个快速发展的新兴领域，其发展和前景也给科学家和工程师们带来了许多巨大的挑战。纳米颗粒正在被应用于众多材料和产品之中，如涂料（用于塑料、玻璃和布料等）、遮光剂、抗菌绷带和服装、MRI 造影剂、生物医学元素标签和燃料添加剂等等。然而，纳米颗粒的元素组成、颗粒数量、粒径和粒径分布的同步快速表征同样也是难题。对于无机纳米颗粒，最为满足上述特点的技术就是在单颗粒模式下应用电感耦合等离子体质谱分析法，即单颗粒ICP-MS。ICP-MS 测量溶解样品和单纳米颗粒分析的响应信号如图1 所示。在分析溶解态元素时，产生的信号基本上属于稳态信号，测量单纳米颗粒时，产生的信号是非连续信号。四极杆作为检测器，工作时在各质荷比（m/z）停留一段时间，然后移动到下一质荷比（m/z）；各质荷比（m/z）的分析时间被称作“驻留时间”，即工作时间。在各驻留时间的测量完成之后，执行下一次测量之前，通过一定时间进行电子器件的稳定。该时间段被称作“稳定时间”，即暂停和处理时间。当单颗粒的离子云进入四级杆后，如果单颗粒（“信号”峰）的离子云落在驻留时间窗口之外，则可能无法被检测到，如图3a 所示。当单颗粒的离子云落入驻留时间窗口内时，可以检测到该离子云，如图3b 所示。当快速连续检测到多个颗粒时，所得到的信号是一系列峰，各个峰都来自于某一颗粒，具体如图3c 所示。在单颗粒ICP-MS 中，瞬态数据的采集速度由两个参数组成：驻留时间和稳定时间。十分重要的是，ICP-MS 采集信号所需的驻留时间少于颗粒瞬态时间，从而避免因部分颗粒合并、颗粒重合和团聚/ 聚集产生的错误信号。稳定时间越短，颗粒遗漏的可能性就越小。最理想的情况是一秒钟内可进行10,000 次测量，不存在稳定时间，所有时间皆用于寻找纳米颗粒（图5c）。快速连续数据采集的另一个好处是可以从单个颗粒获得多个数据点，从而消除颗粒遗漏，或仅检测到颗粒部分离子云的情况。驻留时间越短，对单颗粒离子云采集的数据点越多，获得的峰型更加准确。珀金埃尔默公司NexION系列ICP-MS，最短驻留时间可达10 μs，单质量数据采集能力可达100000点每秒。配合专业的 Syngistix™ 软件，无需更多数据处理即可获得样品的颗粒浓度，尺寸及分布等信息，是进行单颗粒ICP-MS实验的首选。想要了解更多详情，请扫描二维码下载完整的资料和仪器信息。