在一台仪器中采用激光衍射法和动态图像法相结合方法的优势

上世纪70年代早期，Microtrac推出了一台商用激光衍射分析仪用于粒度测量。从此，此法已成为许多行业质控和实用标准。激光衍射法令人印象深刻的是实用性、稳定性、多功能性和多颗粒短时间分析。然而像任何其他方法一样，激光衍射法也有其缺点。为了改善缺点，动态图像法排上了用场。一种方法的缺点确是另一种方法的优点，因此我们需要将激光衍射法和图像分析法结合在一个设备中。Microtrac激光粒度粒形分析仪 SYNC，可在一次测量中通过激光衍射法和图像法获得颗粒的粒径分布和颗粒形状的信息-对于干粉测试或悬浮液和乳剂均适用。（图1）。

将激光衍射和动态图像分析相结合的优点将在本文中适用几个相关行业的例子具体说明。

图1：Microtrac SYNC将激光衍射法（右上方）和动态图像分析法（右下方）结合对同一样品池的颗粒进行分析

示例1：增材制造业中金属粉末的质量评估

由于生产条件，颗粒可以在气体雾化金属粉末中熔合在一起，并偏离了本身的球形形状。在增材制造过程中，这种缺陷颗粒是有问题的，因为他们对流动和烧结行为都有负面影响。虽然几个球形颗粒的聚集体比单个颗粒大得多，并且可以通过筛分法去除，但对于长条形颗粒和水滴形颗粒来说是行不通的。附着在大颗粒上的小颗粒是能通过筛分法去除的，因为较大的球体直径决定了总体保留颗粒的筛径。图2为两种球形金属粉末的激光衍射分析结果。34μm和37μm的中值粒径非常相似，也都是宽分布样本。因此可以假定两个样本在质量上具有可比性。然而，当分析两个样本的图像数据会发现事实并非如此！图2b中的图像显示主要是样本1的球形颗粒和许多大颗粒附着小颗粒，样品2中的细长或形变颗粒。散点图中显示粒径（直径μm）和球度，球度是对颗粒与球体（球度=1）接近程度的度量.每一个点对应一个颗粒的投影，针对样品1，球度值始终接近1。样本2的分布范围很宽。没有图像分析的数据，这一重要信息便无法获得。

示例2：针状晶体

在评价激光衍射法测量粒径分布时，通常假设颗粒为球形。这意味着所有衍射信号被当做球形颗粒产生的信号来处理—颗粒的形状无法被检测到。然而，有限的评价模型不太符合大部分样本的几何形状。在许多情况下，板状样本（如云母组成的矿物）或者针状晶体，如硅灰石，针状药物文末等。在数据采集过程中，这些颗粒以不同方向通过激光束。根据在颗粒方向上，衍射信号可以从长边或者短边到达检测器。在种情况下，会将颗粒当做大颗粒给出结果，而第二种情况下则是当做小颗粒给出结果。因此输出会是双峰分布，其中分布的个峰对应宽度，第二个峰对应长度。如果没有颗粒形状的数据作为参考，便会将这个结果解释为两个不同大小颗粒的混合物（图3，左上角）。通过图像法能够扭转误解。在这里，颗粒的针状是十分明显的，甚至可以确定长/宽（宽度与长度）（图3，右上角）。也可以将长度分布和宽度分布分开（图3，底部）。

图3：激光衍射法分析硅灰石显示的双峰曲线（左上）。硅灰石晶体的颗粒图像（右上）。图像分析（左下）：宽度分布（红色）、长度分布（绿色）以及投影基于等效球直径分布（黑色）。D10/D50/D90的百分比数值见表（右下）

示例3：超大颗粒检测

超大颗粒的定义是比样本的其他部分大的少量颗粒，通常超出产品的规格。在许多领域，没有超大颗粒是一个重要的质量标准，例如：对于磨料，超大颗粒会在加工表面留下划痕。

经典的激光衍射法对于较大颗粒的检测有限。这是因为一个角度的衍射信号是由所有颗粒同时产生的。大颗粒的散射角小，但由于颗粒数量少，并没有影响到最终的测量结果。现代激光衍射分析仪可以可靠地检测到一些超大颗粒的百分比。然而对于许多应用来说，这还远远不够。因为图像分析检测和评估单个颗粒，即每个颗粒投影产生记录的测量信号，大大提高了超大颗粒的检测灵敏度。在评价图像分析的结果可以与激光衍射的结果相结合，产生粒径分布，如图4所示。

图4：0.6%的超大颗粒加入到玻璃珠样品。在衍射分析中未检测到超大颗粒（左侧）。通过与图像法解结合可以检测到超大颗粒的存在（右侧）。大颗粒可以在图像中被检测到。

图5为聚合物悬浮液的粒径分布，平均粒径为170nm。这样的小颗粒必须依靠激光衍射。通过与动态图像分析相结合，不仅可以可靠的检测超大颗粒，也可以从宏观上识别这些颗粒是真实样品颗粒、污染物、气泡还是携入的材料。图5的结果是由衍射法测定的，并显示有3%的大颗粒是接近10μm的。这些超大颗粒可以单独使用图像法分析。此外还有一小部分颗粒>40μm（颗粒图像的最底层），这是衍射法没有检测到的。

图5：激光衍射法检测具有超大颗粒的高分子悬浮液（左侧）。超大颗粒的图像（右侧）。

示例4：混合颗粒占比评估

所有颗粒同时产生的信号进行评估，而每个检测器的散射信号来源于不同尺寸的颗粒混合物，分析起来往往很困难。尤其当两者尺寸很接近的时候，困难尤为显著。由于高分辨率相机和单个颗粒，数字图像分析在这里明显更胜一筹。图6中的例子显示了激光衍射分析法对混合物的分析仍能取得较好的结果。从粒径分布为2μm-500μm的沙子样本中，56-90μm的颗粒经筛分法去除，粗组分和细组分以1:1的比例混合用SYNC进行分析。请注意，上述评价仅基于激光衍射法。在结果中，这两个组分被清楚地分开，比例为48.6%/51.4%。

图6：测量1:1混合的沙子样品粗颗粒和细颗粒的占比很精确

另一个例子（图7）显示了玻璃珠的三峰混合物的结果（3种成分与明显分离的颗粒大小）。筛分得到的组分大小分别为<45μm、75-90μm和>125μm。当用激光衍射法评价时只输出一个双峰分布。通过对激光数据和图像信息的综合评估实现了三组分的区分。在对纯图像数据进行分析时，根据大小组分进行了彻底的分离。另外没有重叠，正如样品制备所期望那样。然而在粒度测量中常用的数值D10、D50和D90与三组分的数值具有高度可比性（只有衍射法的D50数值大了约20μm）。

示例5：与筛分法对比

在筛分法中，颗粒被保留在与其最小投影面积相对应的网格中。对于非球形颗粒，趋向于与他们的宽度相关。因此，筛分总是以择优取向测量颗粒。因为激光衍射无法分辨颗粒的长度和宽度，测试结果包含所有方向的颗粒，因此与筛分法相比更容易将粗颗粒认定为更大的颗粒。特别是经过一定尺寸筛选的样品，激光衍射的结果会显示更大的颗粒，这结果给用户带来困惑。图像法有助于正确的解释激光衍射的结果。首先，有可能得到基于宽度的粒径分布，更接近筛分法的结果。其次，通过对颗粒几何形状的评估和颗粒投影的显示，解释了激光衍射的结果。

图8显示了激光衍射测量聚合物粉末的结果。筛分的结果为100μm。没有大颗粒的存在。但是在激光衍射的结果中有10%的颗粒大于100μm，甚至可以检测到高达500μm的颗粒。散点图表示大于100μm的颗粒有很多（最高可达500μm），很少有比100μm还宽的颗粒，最大宽度为30μm。这种样本的非球形颗粒在筛子上定向，因此会得到<100μm的结果。

图8：高分子粉末样品激光衍射结果。尽管筛分的结果是100μm，分布当中仍然有大颗粒的存在。散点图显示，颗粒的长度远远大于100μm。

总结：激光衍射法和动态图像法相辅相成

动态图像分析法更适用于弥补激光衍射法的局限性，并获得更有意义的测量结果。作为一台两项技术相结合的设备，Microtrac SYNC分析仪以结合了这两种方法，并且一次分析即可得到多种测量结果。该设备的模块化分散设计满足其测试干粉样品、悬浮液和乳剂。显示结果可基于经典激光衍射和动态图像分析法。科学家们受益于两项技术结合的优势：多元化、耐用、两者结合可提供宽测量范围，高灵敏度和高分辨率。