激光粒度仪高分辨率的保障-多波长测量、偏振光技术
点击次数：5000 更新时间：2012-03-19
激光粒度仪高分辨率的保障---多波长测量及偏振光技术
许多使用者选择激光粒度仪的时候对仪器分辨率认识未必足够。分辨率直接影响仪器所测量结果的可靠性与准确度。激光粒度仪应用越来越广泛，但是使用者在选择仪器的时候往往具有从众心理，忽略了仪器测量的重现性、准确性问题，还有很重要的分辨率的问题。可以说分辨率的高低是直接区分激光粒度仪档次的标志之一，而并非仅仅以占有率来的作为非科学的判断。
贝克曼库尔特公司的技术PIDS 是目前可为激光粒度仪提供zui高分辨率的技术。拥有该技术的仪器型号有：LS 13320 / LS 230 等。有关PIDS 技术的介绍，请参照技术文章。
The sizing of non-spherical sub-micron particles using
Polarisation IntensityDifferentialScattering （PIDS）
用偏光强度差异散射法分析非球状亚微粒子
几乎所有采用激光散射法的粒度分析仪器在测试时都没有考虑粒子的形状，不重视粒子的尺寸，原因是在于利用分析过程中获得的原始数据计算粒径分布时的基本假设。
用于计算粒径分布的数学模型是基于球形体系的，因此所有粒径分布结果都是被分析材料的等效的球状分布。在大多数实例中，这个结果相当合理，因为大多数粒子都足于近似为球形体系。
贝克曼库尔特公司LS13320系列多波长激光粒度分析仪采用一种令人称颂的散射技术来分析亚微粒子，这种技术将通过具体实例来解释用PIDS系统是如何对非球形粒子进行分析的。
为什么使用PIDS
为什么要使用PIDS来分析亚微粒子而不是采用标准的前面的提到的被大多数仪器制造商采用的小角散射技术呢？我们主要的目的不是来讨论详细的光散射原理，而是比较他们在分析相关的小粒子时的重要因素。
当用激光束照射时，大粒子在小角度强烈散射光线，这在散射模式中很容易检测到zui大值和zui小值。这就是说把探测器放在相对于光线的一个足够小的角度，就可以有足够的分辨率来探测zui大值和zui小值。
相反，小粒子只有微弱的光散射，并且没有可探测到的zui大值和zui小值，只有当测试角度达到足够大的角度时才能探测到。这就给检测和分辩率带来困难。
如图1所示，如果粒子的粒径小于1微米时，我们在测试微弱的散射信号就面临相当的困难了，其次我们还面临一个在如此高的角度测试zui大值和zui小值的硬件限制问题。
许多制造商采取了不同的办法来克服这些限制，也取得了一定程度的成功，多数都是集中在背散射光的测试上，同时这些策略没有完*问题，这应该是一个障碍。
基于这个原因，贝克曼库尔特公司开发出了高分辨率亚微粒子粒径分析的PIDS技术，完*了亚微粒子粒径分析的问题。
PIDS技术非常简单，并且具有安装容易的以及能够用光散射的Mie理论解释的优点。
PIDS技术依赖于光的传播特性，即光线包含一个磁性向量和一个电向量，二者成九十度角。例如如果电向量是上下方向，这个光就叫做垂直偏振光。
当我们用一个已知波长的偏振光照射试样时，试样内的电子的振动电场将形成一个偶极子或单一振动环，这些单一振动环将与所传播的光在同一个平面内，粒子内的振动偶极子向除入射光源方向外的其他方向散射光线。
在这方面PIDS技术具有优势，用三种波长的光同时照射试样（先用水平然后垂直的偏振光），我们测试到从试样散射或辐射的光都超过一个角度范围。通过分析每个波长下水平和垂直方向散射光的不同，我们获得了试样粒径分布的信息。应该注意到我们仅仅是分析在垂直和水平方向上信号的不同而不是具体的数值。
从PIDS信号获得的强度对散射角的信息使用从激光散射中的强度和散射角的标准方法计算可以得到一个连续的粒径分布，在LS13320中是0.017微米到2000微米。
获得PIDS数据的一个主要优点是通过简单地分析原始数据我们就可以判断是否存在小粒子。
亚微粒子粒径分析：
首先让我们来检测一下PIDS在对球状粒子粒径分析的有效性，的方法是测试单独测定过的粒子，已证明聚苯乙烯粒子的光学性能很好并且材料来源可靠。
特征平均粒径：
标称粒径 测定粒径 LS 13320测试粒径
100nm 102nm ± 3nm 108nm
150nm 155nm ± 4nm 151nm
220nm 220nm ± 6nm 211nm
300nm 300nm ± 5nm 306nm
404nm 404nm ± 6nm 400nm
上面已经证明了PIDS在测定球状粒子的粒径时的适用性，下面让我们继续评价PIDS对非球状粒子的测试。
非球状亚微粒子粒径分析：
由于缺少高质量的，单独生产和标定的材料，到目前为止用于这项研究的单一的合适的非球状亚微粒子来源还非常困难。然而，乌得勒支大学胶体化学系现在生产了一系列单分散的非球状材料，下面是用于分析的赤铁矿纺锤体亚微粒子（扁球状）。这种粒子的粒径（扫面电镜测试）是46.9纳米宽，103.8纳米长，长径比大约为3：1，而且粒子是单尺寸易分散的。
赤铁矿纺锤体的光学性能是用紫外光/可见光光谱测定的，反射指数是虚数部分，而紫外光/可见光光谱中椭圆对称的数据是实数部分。
LS 13320分析报告的粒径是78nm，这与粒子在试样池的随机运动所能预测的粒径非常相符。在统计学上，我们可以把报告的平均粒径看作是粒子在光线中存在的所有可能的取向的函数。实际上，仪器是设计成能保证粒子在样品池中是关于它们的相态和形状以随机方式取向的。PIDS原始数据分析：
如前面提到的，由于原始数据也可以显示在分布中是否存在小粒子，因此PIDS具有两个优点。这是LS 13320*的特点，而且在当需要确定亚微粒子是真实的还是假相时可以排除猜测工作，在一些激光粒径分析仪上发现会出现一些意外的影响。原始数据的分析对确定和发展光学模型也有帮助。
大粒子的存在不会干扰PIDS的信号并且不会出现假相，因为大粒子同时也会出现许多散射，它们可以被PIDS系统检测到，它们在特性上没有差异。很简单，大粒子每个波长上在水平和垂直方向散射相同的光，如前面提到的，PIDS系统是测试偏振光散射信号的差别（只在小粒子中存在）型分析的PIDS原始数据。
这些数据是一组42个不连续的测试，组成6个子集（如图5所示），每一自己代表一个特定的波长和偏振现象。
对于亚微粒子，应注意以下事项：
l 对于每一个不同波长的偏振光，其PIDS强度具有很大的差别。
l 在每个波长下的水平散射数据尤其是水平数据形成的曲线形状存在明显的角度依赖性（数量对角度/检测数量的形状变化）。
l 具有大的容易检测的信号（探测数量，Y轴）
也应注意在信号中的zui大的不同，对于这个试样，每个偏振现象是在450nm处观察到的，这表明粒子尺寸是移向仪器范围的更小的那端。例如，如果zui大的差别出现在600nm处，这说明粒子尺寸是在PIDS探测系统的中间范围，大约为200～300nm。
对于大粒子材料应注意以下事项：
· 在每个波长下的偏振现象没有明显的差异。
· 对于每个波长在角度散射强度方面，两个偏振状态有一个简单的线性关系
· 很小的散射信号（探测数量，Y轴）
结论
这项工作说明偏振强度差示散射是一个球状亚微粒子粒径分析的的并且可用的技术。即使对于非球状亚微粒子，尽管所有的用于非球状亚微粒子的散射技术都受到限制，这项技术还是可以获得非常有意义的数据。
