當(dāng)前，全球范圍科研人員、產(chǎn)品質(zhì)控人員主要依賴(lài)基于靜態(tài)光散射技術(shù)的激光粒度儀對(duì)微米和亞微米顆粒進(jìn)行表征；基于動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)的納米粒度儀對(duì)納米顆粒進(jìn)行表征。據(jù)估計(jì)，商用激光粒度儀和納米粒度儀分別以每年近萬(wàn)和近千的安裝速度進(jìn)入市場(chǎng)，可是盡管現(xiàn)代商用粒度儀很多已配備有自動(dòng)化的參數(shù)設(shè)置與一鍵測(cè)量的流程，可還是有相當(dāng)多的錯(cuò)誤測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)在各類(lèi)實(shí)驗(yàn)室報(bào)告、比對(duì)試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，甚至雜志論文中！為什么？

回答這個(gè)問(wèn)題之前，首先說(shuō)說(shuō)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試人員常常會(huì)遇到的困惑——粒度儀測(cè)量結(jié)果與其他原理其他儀器，如光學(xué)顯微鏡、電鏡的測(cè)量結(jié)果不一致。粒度儀測(cè)得是“等效體積”粒徑（Mie理論原理假設(shè)測(cè)試樣品為球形顆粒），而圖像法則是對(duì)樣品照片的測(cè)量分析，也可以說(shuō)是一種“等效投影面積”粒徑。如下所示：

樣品在顯微鏡下的等效投影與激光粒度儀的等效球體積對(duì)比

顯然，在粒度儀而言相同大小的兩個(gè)顆粒，在圖像法看來(lái)則大不同。再比如沉降法是“等效沉速粒徑”，庫(kù)爾特法是“等效電阻粒徑”，原理不同必然決定了它們的結(jié)果存在差異。

插句題外話(huà)，有測(cè)試人員曾經(jīng)將粒度儀與圖像儀進(jìn)行連接，測(cè)試樣品經(jīng)過(guò)粒度儀測(cè)量單元后直接進(jìn)入圖像儀，一旦粒度儀給出的粒度分布出現(xiàn)異常，通過(guò)圖像儀可以直接看到樣品是否有團(tuán)聚或者氣泡出現(xiàn)。而實(shí)際，近年來(lái)國(guó)內(nèi)已有粒度儀廠(chǎng)家推出粒度粒形一體式解決方案的商用儀器。

正因?yàn)椤暗刃А倍郑６葍x輸出的測(cè)量結(jié)果并非真實(shí)的粒度分布，而是經(jīng)過(guò)等效推演模擬出的粒度分布。所以嚴(yán)格意義上，粒度儀是一種“分析儀器”而不是“測(cè)量?jī)x器”。明確最基本的等效原理后，具體再分別看激光粒度儀和納米粒度儀在實(shí)際應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題。

一、靜態(tài)光散射測(cè)量的激光粒度儀普遍設(shè)有單峰窄分布模式、多峰窄分布模式、通用模式，有些還有節(jié)能模式、靈敏度增強(qiáng)模式等等，不同模式會(huì)輸出不同結(jié)果；而不同型號(hào)或不同品牌的儀器主要由于“算法”存在差異，也會(huì)得出不同結(jié)果；干法測(cè)試和濕法測(cè)試結(jié)果也存在差異。如此多的差異，到底如何判斷測(cè)試結(jié)果正確與否？

1、排除重復(fù)性不穩(wěn)定

1) 儀器或方法的穩(wěn)定性。

2) 樣品分散是否充分。

3) 取樣是否具有代表性。

4) 操作過(guò)程是否規(guī)范。

5) 環(huán)境（包括電壓、溫度等）因素。

2、排除測(cè)試范圍誤區(qū)

這主要說(shuō)的是“邊界粒徑”也即少數(shù)“離群顆粒”的測(cè)試問(wèn)題。由于多數(shù)粉體/漿料制備生產(chǎn)是越細(xì)越好，相對(duì)影響更多行業(yè)的是大顆粒（也有少數(shù)行業(yè)對(duì)小顆粒有嚴(yán)格限定，比如水泥細(xì)粉含量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度偏低），比如在最忌諱大顆粒的磨料行業(yè)，大顆粒的存在將會(huì)導(dǎo)致被拋光件出現(xiàn)劃痕損傷，高端如CMP拋光晶圓時(shí)，尤其會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性事故。但是如果理解“分析”和“測(cè)量”之間的差異，就應(yīng)該明白是不能用激光粒度儀的測(cè)試結(jié)果當(dāng)做是真正的最大或最小粒徑。在涂料和油墨行業(yè)更適合采用“刮板細(xì)度計(jì)”；在磨料行業(yè)更多使用圖像法結(jié)合沉降法測(cè)得最大顆粒；庫(kù)爾特法是單顆粒測(cè)量，甚至能捕捉單個(gè)離群顆粒，等等。

3、排除參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤

比如前文提到的分析模式的設(shè)置，其他還有待測(cè)顆粒材質(zhì)的折射率、吸收率、分散介質(zhì)的折射率等。（目前國(guó)內(nèi)商用粒度儀產(chǎn)品已經(jīng)有不需要設(shè)置分析模式的產(chǎn)品，也有自動(dòng)計(jì)算樣品折射率的產(chǎn)品）盡量減少人為參與選擇和計(jì)算是減少測(cè)試結(jié)果的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

4、干濕法測(cè)試的選擇

通常情況，干法測(cè)試由于不受顆粒物理、化學(xué)性質(zhì)的限制，適用范圍更廣。但是非常細(xì)（粒徑非常小）或者有粘性的樣品大多需要表面活性劑或者其他分散劑來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品完全和可重現(xiàn)的分散；另外，干法的分散機(jī)制更具有破壞性，所以可能不適合極易破碎的樣品。這也使得濕法測(cè)試更得到認(rèn)可，可問(wèn)題又來(lái)了，在使用納米粒度儀測(cè)量納米顆粒時(shí)，幾乎必然與電鏡結(jié)果對(duì)不上，為什么呢？

二、動(dòng)態(tài)光散射測(cè)量的納米粒度儀測(cè)的是“濕”的粒徑，而電鏡測(cè)的是“干”的粒徑。

“干”“濕”顆粒直徑示意圖

如圖所示，當(dāng)顆粒在液體中被介質(zhì)分子的熱運(yùn)動(dòng)?xùn)|推西撞地進(jìn)行著布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們攜帶著附在表面的介質(zhì)分子一起運(yùn)動(dòng)，顆粒的直徑加上這層介質(zhì)層厚度的兩倍就是動(dòng)態(tài)光散射所測(cè)量的粒徑，稱(chēng)為水化直徑。水化直徑大于顆粒直徑。水化層的厚度與在膠體化學(xué)中的表面雙電層有關(guān)，表面雙電層的厚度（被稱(chēng)為德拜長(zhǎng)度1/κ）與介質(zhì)中的離子種類(lèi)與濃度有關(guān)，可以由簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)電解質(zhì)濃度很低時(shí)，德拜長(zhǎng)度可以很大。德拜長(zhǎng)度不等于測(cè)量的水化層厚度，對(duì)很多樣品的測(cè)量證明，水化層厚度約為德拜長(zhǎng)度的10%左右。所以為了在測(cè)量中壓縮雙電層，動(dòng)態(tài)光散射樣品不宜用純水進(jìn)行稀釋?zhuān)耸褂秒妼?dǎo)率大于1 mS/cm的單價(jià)鹽溶液，如10mM的NaCl溶液，從而能得到較接近真實(shí)顆粒直徑的結(jié)果。

如果你以為問(wèn)題這么簡(jiǎn)單就能解決，那就天真了！上述的說(shuō)明都只針對(duì)具有光滑表面的顆粒，對(duì)于表面“長(zhǎng)毛”的顆粒，例如表面帶有吸附層或高分子的顆粒，則實(shí)際測(cè)量的水化直徑與真實(shí)顆粒直徑的關(guān)系更為復(fù)雜。

“長(zhǎng)毛”顆粒的直徑

此刻，有著膠體化學(xué)功底的你已經(jīng)弄明白“水化直徑”與“顆粒直徑”之間的差別，更多的人雖然像小編一樣沒(méi)有相關(guān)知識(shí)功底，但也知道套用簡(jiǎn)單（光滑顆粒）或者復(fù)雜（“長(zhǎng)毛”顆粒）的公式去得到“干”的粒徑。可即便是最擅長(zhǎng)套公式的資深“小鎮(zhèn)做題家”也要知道，現(xiàn)在解決的只是“動(dòng)態(tài)光散射儀測(cè)量結(jié)果與電鏡測(cè)量不一致”，而不是“為何出現(xiàn)相當(dāng)多的錯(cuò)誤測(cè)量結(jié)果”。在“干”、“濕”粒徑以外，其他原因還包括：

1）各種作用力的影響——這些作用力包括重力（由于密度差引起的顆粒在懸浮液中的沉降或上浮）、熱力（由于樣品內(nèi)溫度不均勻引起的液體流）、電磁力（外部電磁場(chǎng)或其他顆粒的靜電力）、范德瓦爾力（其他顆粒產(chǎn)生的吸引力）、機(jī)械振動(dòng)力等等；

2）樣品濃度范圍——濃度太高而導(dǎo)致散射光強(qiáng)飽和光電探測(cè)器，濃度太低則散射信號(hào)被儀器的各類(lèi)噪聲所淹沒(méi)而無(wú)法進(jìn)行測(cè)量；

3）顆粒的粒度范圍——粒度上限一般受制于沉降運(yùn)動(dòng)（顆粒太大由于沉降而無(wú)法進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)的測(cè)量），粒度下限據(jù)最新理論應(yīng)該在數(shù)納米左右（從擴(kuò)散系數(shù)得到粒徑的斯托克斯-愛(ài)因斯坦方程的應(yīng)用范圍其實(shí)局限于顆粒直徑遠(yuǎn)大于流體分子的情況以及質(zhì)量比流體分子質(zhì)量大十倍以上的體系）；

4）樣品的清潔——外來(lái)顆粒來(lái)源很多，最常見(jiàn)的有樣品池壁上的臟物與樣品稀釋介質(zhì)中的雜質(zhì)……

5）測(cè)試人員還要密切觀(guān)察測(cè)量過(guò)程中散射光強(qiáng)與所測(cè)平均粒徑的變化，任何較大的散射強(qiáng)度變化意味著儀器或樣品的不穩(wěn)定，所測(cè)表觀(guān)粒徑不斷在變，則意味著樣品溫度的不穩(wěn)定與樣品顆粒的不穩(wěn)定。

可能你會(huì)覺(jué)得，如果我們套用了正確的計(jì)算公式，避免了外力作用和樣品自身的問(wèn)題，并且測(cè)量過(guò)程中儀器和樣品穩(wěn)定，是不是也就能得出正確測(cè)量結(jié)果？很可惜，你還是天真了，此外還要學(xué)會(huì)從相關(guān)函數(shù)判斷測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量……

小結(jié)

顆粒表征技術(shù)成百上千，僅粒徑測(cè)量就曾有400多種，現(xiàn)在仍在普遍使用的表征顆粒粒度、數(shù)量、表面特性、內(nèi)部孔徑的技術(shù)就有十幾種。這些技術(shù)有著相當(dāng)廣泛的日常應(yīng)用，例如新材料的研發(fā)過(guò)程、生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制、或商業(yè)貿(mào)易上下家的衡量指標(biāo)等。

如果你正在學(xué)習(xí)顆粒表征，卻難以找到有關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的課程和書(shū)籍；如果你正在從事顆粒測(cè)試工作，卻常面臨出錯(cuò)而不自知，或者知道卻無(wú)力解決，現(xiàn)在你有福了。

今年8月，由化學(xué)工業(yè)出版社出版的《顆粒表征的光學(xué)技術(shù)及應(yīng)用》為廣大顆粒表征技術(shù)使用者提供普及版讀物，作者精心挑選了當(dāng)今應(yīng)用最廣的六種顆粒表征技術(shù)：光學(xué)計(jì)數(shù)法、激光粒度法、光學(xué)圖像分析法、顆粒跟蹤分析法、動(dòng)態(tài)光散射法、電泳光散射法（它們都和光與顆粒之間的作用有關(guān)），從歷史起源、物理原理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、儀器構(gòu)造、操作要點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理闡釋等方面對(duì)這些技術(shù)做了全面的介紹。

《顆粒表征的光學(xué)技術(shù)及應(yīng)用》 許人良 著

作為這些技術(shù)的鋪墊知識(shí)與輔助資料，顆粒表征中的樣品準(zhǔn)備、基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)知識(shí)、光散射在顆粒表征中的基本原理、幾乎所有其他常用的顆粒表征技術(shù)，以及這些技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀，也特別另立章節(jié)介紹。

讀者不但可以從中學(xué)習(xí)這些技術(shù)的物理基礎(chǔ)以及儀器工作原理，而且通過(guò)了解每種技術(shù)的實(shí)際操作與實(shí)用細(xì)節(jié)，可以在應(yīng)用過(guò)程中避免常犯的錯(cuò)誤，不斷改進(jìn)儀器操作的正確性、測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、重復(fù)測(cè)量的精確性。

本書(shū)作為進(jìn)入顆粒表征技術(shù)領(lǐng)域的引薦讀物，除了匯集了作者經(jīng)年累積的豐富知識(shí)與資料外，還引用了上千篇中外文獻(xiàn)。這些跨越兩個(gè)多世紀(jì)（1809—2021）的文獻(xiàn)，除了與該技術(shù)的最初發(fā)明有關(guān)的以及里程碑式的重要論文，還有大量與這些技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)與發(fā)展有關(guān)的報(bào)道，為有志于進(jìn)一步探索發(fā)展顆粒表征技術(shù)、成為承前啟后新一代的顆粒人提供一些可借鑒的方向與途徑。

關(guān)于作者

許人良

在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)里，作者許人良在德拜的關(guān)門(mén)弟子朱鵬年與當(dāng)代熒光膠體化學(xué)大師魏尼克的教誨指導(dǎo)下，除了進(jìn)行高分子物理與膠體化學(xué)的研究，還從搭建全角度動(dòng)靜態(tài)光散射儀器為起點(diǎn)，涉足納秒級(jí)相關(guān)器、米氏理論的收斂分析、拉普拉斯轉(zhuǎn)換的技術(shù)探討、光導(dǎo)纖維頻移器等顆粒表征的多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)明了從電泳光散射測(cè)量中剝離布朗運(yùn)動(dòng)以得到真實(shí)表面電荷分布曲線(xiàn)的方法以及顆粒表征方面的數(shù)個(gè)專(zhuān)利，填補(bǔ)了顆粒在水中的德拜長(zhǎng)度與水化層厚度之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證空白，其中的一些論文幾十年來(lái)一直在不斷地被引用。進(jìn)入美國(guó)首臺(tái)動(dòng)態(tài)光散射儀器生產(chǎn)公司后，作者曾先后在全球三家主要顆粒表征儀器公司內(nèi)擔(dān)任技術(shù)、商務(wù)、管理的各類(lèi)主要職務(wù)，對(duì)多種儀器的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、投產(chǎn)、應(yīng)用有第一手感性認(rèn)識(shí)與全方位了解；作者并在過(guò)去近30年中，參與制定了多項(xiàng)顆粒表征技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)刻關(guān)注著這一領(lǐng)域的最新發(fā)展。

關(guān)于本書(shū)

這是一本別無(wú)二版的、系統(tǒng)介紹當(dāng)代顆粒表征技術(shù)的專(zhuān)著。可供欲了解與掌握當(dāng)代顆粒表征技術(shù)的教師、本科生、研究生、科學(xué)家、技術(shù)專(zhuān)家、儀器操作人員閱讀與學(xué)習(xí)參考，為他們提供堅(jiān)實(shí)的顆粒表征理論基礎(chǔ)與豐富的實(shí)踐參考。

內(nèi)容特色包括：

◎顆粒測(cè)量的基本原理和各種表征方法，包括光散射技術(shù)光學(xué)計(jì)數(shù)法、激光粒度法、光學(xué)圖像分析法、顆粒跟蹤分析法、動(dòng)態(tài)光散射法和電泳光散射法等

◎近年來(lái)的技術(shù)發(fā)展以及市場(chǎng)上新型的儀器產(chǎn)品

◎顆粒表征的標(biāo)準(zhǔn)化

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粉體圈 啟東

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