学术干货|颗粒粒径检测现状

      1959年，著名的物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman提出了按照人类自己的意愿可以随意地操纵单个原子与分子的设想，预言了纳米技术的诞生。随着纳米技术的快速发展，纳米颗粒型材料迅速崛起。纳米颗粒型材料得到了社会的广泛关注。而纳米颗粒的粒度大小、分布、在介质中的分散性能以及二次粒子的聚集形态对纳米颗粒型材料的性能具有重要的影响，因此粒度表征是纳米颗粒型材料研究的一个重要方面。

目前国内外对于纳米颗粒型材料测试从研究到产品，已经取得了较大的进展。本文将根据不同的测试原理，阐述各粒径测量方法的优缺点以及使用范围。

一、沉降法

沉降法是根据Stokes定律检测颗粒粒径分布的间接测量法。根据测试原理，沉降法又分为重力沉降法与离心沉降法。重力沉降法依靠颗粒自身重力自然沉降，测试范围在2~100μm之间；离心沉降法是通过测量悬浮液的消光值，经程序处理后得到颗粒的粒径分布，测量范围通常在0.01~20μm。

图2.沉降法原理

优点：沉降法分辨率高，对于粒径分布较宽的样本也能较好测试；

缺点：被测颗粒需满足球形单分散条件；测试时间较长、操作相对复杂。

二、显微镜法

显微镜法是对纳米材料尺寸、形貌表征研究的常用方法，通常包括扫描电子显微镜法（SEM）和透射电子显微镜法（TEM）。一般光学显微镜的测试范围是0.8~150μm，电学显微镜的检测范围是0.001~100μm。

图3.显微镜法测试样本图

优点：粒径测量的绝对方法，因而有可靠性和直观性；

缺点：测量结果缺乏整体统计性；操作复杂，设备昂贵。

三、光散射法

光散射法通常又分为静态光散射和动态光散射两大类。这里，我们主要介绍动态光散射法。动态光散射又称为DLS，是当光照射到远小于其波长的小颗粒上时，光会向各个方向进行散射，同时由于溶液中的微小颗粒总是在做不停息的无规则运动，导致散射光的光强会随着时间而波动，再通过接收器接收散射的光信号，由Stokes-Einstein方程（如下）计算，得到颗粒的平均粒径。该方法以动态光散射与颗粒的布朗运动为理论依据，测试范围为3~1000nm。

图4.DLS测试数据图

优点：操作简单，对于单分散悬浮液测试效果较好；

缺点：对于多分散样本的测试结果较差；分辨率低；会出现大颗粒光信号遮挡小颗粒的情况；会受样本本身性质影响。

四、   电阻法

电阻法最早由库尔特兄弟提出，因此又叫做库尔特计数法。其原理是，在外部通电的情况下，均匀分散在电解液中的纳米颗粒在通过小孔管的小孔是，由于颗粒排开部分电解液从而引起电阻的变化，产生相应的电脉冲，电脉冲的幅度与过孔颗粒的粒径大小呈正比。

传统库尔特原理通常应用于微米级别颗粒的检测，目前国内已有厂家在库尔特原理的基础上，研制出测试纳米颗粒的方法——纳米库尔特（Nanocoulter）。纳米库尔特的粒径测试范围在50~2000nm之间。

图5.电阻法原理图

图6.纳米库尔特测试数据图

优点：测量迅速，重复性好，分辨率高；过孔颗粒粒径与粒径分布；不受颗粒的性质影响，几乎适用于所有类型颗粒测量。

缺点：可能会发生堵孔故障。

总结

纳米颗粒型材料的测试方法发展迅速，各种不同的测试方法对应的测量原理不同，不同方法均有一定的适用范围，在实际检测时应考虑纳米材料本身性质以及测量目的等综合因素，选择最为合适的测量方法。