MS中文培訓(xùn)版濕法安達(dá)科

1、MS中文培訓(xùn)版濕法安達(dá)科Part 1 目標(biāo)通過(guò)本章學(xué)習(xí)，您應(yīng)該了解: 粒徑基本概念 等效圓球粒徑 激光衍射原理 大小粒徑顆粒的激光散射差異粒徑的基本概念提到粒徑，我們首先想到什么? 您可以這樣表示: “360 x140 x120mm”不過(guò)這種表述需要3個(gè)數(shù)值，對(duì)于復(fù)雜三維物體，我們?nèi)绾问褂靡粋€(gè)數(shù)值來(lái)表示這個(gè)物體？概念概念 等效圓球左側(cè)的圓柱體與右側(cè)的球體具有相同的體積。激光衍射 基本原理如何根據(jù)激光衍射測(cè)量粒徑?激光衍射 光散射大顆粒的散射角小小顆粒的散射角大激光衍射法粒徑測(cè)試基本原理示意圖激光衍射法粒徑測(cè)試基本原理示意圖The Mastersizer 2000 測(cè)量光路圖對(duì)于微米量級(jí)的小顆粒

2、測(cè)量，MS2000使用波長(zhǎng)為466納米的藍(lán)光提高檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度。The Mastersizer 2000 測(cè)量光路圖The Mastersizer 2000測(cè)量Mastersizer軟件的測(cè)量窗口實(shí)時(shí)顯示不同角度的散射光強(qiáng)。橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)光強(qiáng)檢測(cè)器編號(hào)，檢測(cè)器編號(hào)越大意味著檢測(cè)器檢測(cè)的光散射角度越大Low AngleHigh AngleThe Mastersizer 2000測(cè)量Data Graph - Light Scatte ring 1 3 5 7 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 Detector Num ber0 100 200 300

3、 400 500 600 700 800 900 1000 Light EnergyG lass B eads, 19 O ct 1999 11:12:39典型的大顆粒的數(shù)據(jù)圖 散射光集中在小角度The Mastersizer 2000測(cè)量典型的小顆粒的數(shù)據(jù)圖 散射光集中在大角度Part 1 小結(jié)現(xiàn)在您應(yīng)該明白 粒徑的基本概念 等效圓球概念 激光衍射法測(cè)量的基本原理 大小顆粒衍射的差異Mastersizer 2000 Part 2 理解粒徑分布Part 2通過(guò)本章學(xué)習(xí)，您應(yīng)該理解: 如何根據(jù)散射光強(qiáng)得到顆粒粒徑分布 體積分布的意義 D4,3 和 D3,2 ，以及其他導(dǎo)出粒徑的含義 這些導(dǎo)出粒徑

4、能夠告訴我們有關(guān)粒徑分布的哪些信息激光衍射法 得到粒徑分布結(jié)果激光衍射法實(shí)際是測(cè)量被顆粒散射的不同角度光的光強(qiáng)但是.根據(jù)散射理論，我們能夠預(yù)先推算出已知粒徑分布顆粒的散射光角度分布 如何根據(jù)散射理論得到顆粒的粒徑分布? 通過(guò)數(shù)學(xué)反演，我們利用散射光強(qiáng)得到粒徑分布粒徑分布的計(jì)算過(guò)程激光衍射法 得到粒徑分布結(jié)果紅色曲線表示根據(jù)粒徑分布得到的散射光強(qiáng)分布理論值，綠色曲線表示儀器實(shí)際測(cè)量得到的光強(qiáng)分布。理論值與實(shí)際測(cè)量值的差異被計(jì)算處理，以殘差表示。 這里有少許誤差這里有少許誤差.還有這里還有這里粒徑分布表示Mastersizer 2000 測(cè)試系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成體積相關(guān)，即不同粒徑、相同體積的顆粒所衍射的

5、光強(qiáng)是相等的。因此測(cè)量所得的粒徑分布是體積分布，這與系統(tǒng)的靈敏度是一致的。 應(yīng)該怎樣理解體積分布?粒徑分布表示體積分布，顧名思義，即基于顆粒所占的體積；一百萬(wàn)顆1微米顆粒所占體積與一顆100微米顆粒體積相當(dāng)；因此當(dāng)你必須正確理解顆粒體積分布與數(shù)量分布，在轉(zhuǎn)換不同分布結(jié)果往往會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。顆粒粒徑分布的不同表示假設(shè)樣品中存在等量的三種粒徑的顆粒，單位分別為1，2，3如果使用光學(xué)顯微鏡測(cè)量-這種技術(shù)測(cè)量結(jié)果是基于數(shù)量分布的-然后觀測(cè)分布結(jié)果。顆粒粒徑分布的不同表示-數(shù)量分布顆粒粒徑分布的不同表示-體積分布粒徑分布統(tǒng)計(jì)學(xué)均值是一個(gè)被“平均化”的粒徑 沒(méi)有一個(gè)惟一的均值，我們可以根據(jù)不同的因素平均化樣品

6、整體顆粒粒徑: 體積 表面積 數(shù)量 或者其他一些物理參數(shù)不同的顆粒均值對(duì)顆粒粒徑分布的不同特征敏感常見(jiàn)的兩種加權(quán)顆粒均值如下:D3,2 或 Sauter 均值粒徑 這是表面積加權(quán)平均值D4,3 粒徑 這是體積加權(quán)平均值 粒徑分布統(tǒng)計(jì)學(xué)所有值都由于平均的方法不同與權(quán)重不同而異，以所有值都由于平均的方法不同與權(quán)重不同而異，以Dp,qDp,q表示表示D0,0=D0,0=幾何平均直徑幾何平均直徑= =D1,0=D1,0=算術(shù)平均直徑算術(shù)平均直徑= =D3,2=SauterD3,2=Sauter平均直徑平均直徑= =D4,3=D4,3=體積權(quán)重平均直徑體積權(quán)重平均直徑= =exp(ln)ndniiind

7、niiindndiiii43不同平均值23iiiidndn中值意味著樣品顆粒中有一半顆粒的粒徑低于該值，而另一半顆粒粒徑均大于該值 中值通常還以下屬三種形式出現(xiàn): 體積百分比50 Dv50 Dv,0.5V表示粒徑中值是基于體積分布導(dǎo)出的其他體積百分比數(shù)值如Dv10 ，Dv90 定義也是基于同樣意義粒徑分布統(tǒng)計(jì)學(xué)iiiVdddV5050|徑距(Span)，描述分布的寬度，定義為： (D90-D10)/D50一致性(Uniform)，表明分布偏離中心的程度，定義為：結(jié)果中其他一些參數(shù)的含義濃度(Concentration)，表明所測(cè)樣品的體積濃度，是由朗伯-比爾定律計(jì)算得到的比表面積(SSA)，也

8、是由公式計(jì)算得出，只有在輸入樣品的準(zhǔn)確密度值時(shí)才有參考意義，且默認(rèn)樣品是球形、無(wú)孔的Part 2 小結(jié)通過(guò)本章學(xué)習(xí)，您應(yīng)該理解: 如何根據(jù)散射光強(qiáng)測(cè)量值得到粒徑分布 體積分布的真正意義 D4,3 ，D3,2等導(dǎo)出參數(shù)的意義 這些導(dǎo)出的分布參數(shù)能夠提供給我們關(guān)于顆粒粒徑分布哪些信息Mastersizer 2000Part 3數(shù)據(jù)質(zhì)量Part 3通過(guò)本章學(xué)習(xí)，您應(yīng)該理解: 理解數(shù)據(jù)報(bào)告以及其與散射光強(qiáng)的關(guān)系 理解粒徑測(cè)量過(guò)程中背景測(cè)量的重要性 識(shí)別常見(jiàn)的導(dǎo)致差背景的影響因素 知道如何在干法或濕法測(cè)量中取得較好的信噪比數(shù)據(jù)質(zhì)量 介紹數(shù)據(jù)是什么? 數(shù)據(jù)就是由被測(cè)量樣品生成的散射光強(qiáng) 數(shù)據(jù)并不是粒徑結(jié)果

9、 數(shù)據(jù)與樣品光學(xué)模型無(wú)關(guān) 穩(wěn)定結(jié)果取決于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)Data Graph - Light Scatte ring 1 3 5 7 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 Detector Num ber0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Light EnergyG lass B eads, 19 O ct 1999 11:12:39數(shù)據(jù)質(zhì)量 介紹高質(zhì)量的數(shù)據(jù)需要具備有哪些要素?首先需要一個(gè)良好的測(cè)量背景，要求 樣品窗潔凈，分散介質(zhì)無(wú)雜質(zhì) 系統(tǒng)完成對(duì)光 背景穩(wěn)定，不隨時(shí)間有很大波動(dòng)樣品數(shù)據(jù)充分 有足夠

10、的信噪比 防止出現(xiàn)負(fù)的數(shù)據(jù)值 避免多重散射作用的影響 避免測(cè)量光束偏轉(zhuǎn)(avoiding beam steering)事實(shí)上這些原則適用于所有基于激光衍射法的儀器數(shù)據(jù)的構(gòu)成背景數(shù)據(jù)背景數(shù)據(jù)樣品數(shù)據(jù)樣品數(shù)據(jù)背景數(shù)據(jù)與系統(tǒng)潔凈度一個(gè)好的測(cè)量需要潔凈，穩(wěn)定的背景 在數(shù)據(jù)圖上直觀的顯示就是散射光強(qiáng)隨著檢測(cè)器序號(hào)的增加遞減Data Graph - Light Scattering 1 3 5 7 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 Detector Number0 10 20 30 40 50 60 70 Light EnergyBackground

11、data在在 20號(hào)檢測(cè)器散射光強(qiáng)度低于號(hào)檢測(cè)器散射光強(qiáng)度低于20干凈的背景 濕法測(cè)量系統(tǒng)一個(gè)好的濕法測(cè)量背景應(yīng)該與下圖一致. 注意： 第一個(gè)檢測(cè)器的光強(qiáng)不超過(guò)200； 背景隨時(shí)間的波動(dòng)很小差的背景 有雜質(zhì)附著在樣品窗上背景顯示中的小峰通常意味著有物質(zhì)附著在樣品窗上樣品窗被污染了樣品窗被污染了?差的背景 分散介質(zhì)被污染分散介質(zhì)中存在的雜質(zhì)導(dǎo)致背景波動(dòng)大，不穩(wěn)定；分散介質(zhì)中的氣泡也會(huì)產(chǎn)生類似的效果。差的背景 系統(tǒng)對(duì)光不準(zhǔn)突出的柱狀條意味著系統(tǒng)對(duì)光不準(zhǔn)；可能的原因有： 樣品窗上有污染物，清洗干凈后再重新對(duì)光可以消除該現(xiàn)象； 樣品窗口固定過(guò)緊； 分散介質(zhì)的溫度正在發(fā)生變化。柱狀條參差不齊柱狀條參差不

12、齊差的背景 有機(jī)分散介質(zhì)中存在溫度梯度被測(cè)樣品大約 30C，但溶劑的溫度很低溶液中的溫度梯度導(dǎo)致激光散射光束、激光對(duì)準(zhǔn)發(fā)生大的波動(dòng)，系統(tǒng)背景差溶液中的溫度梯度溶液中的溫度梯度 如何判斷存在溫度梯度?經(jīng)過(guò)幾分鐘的溫度平衡，分散劑溫度保持一致，背景也會(huì)逐漸穩(wěn)定；若背景還不穩(wěn)定，請(qǐng)把分散劑容器蓋上蓋子以減輕溶劑蒸發(fā)。 - 最前面編號(hào)的檢測(cè)器散射光強(qiáng)的急劇波動(dòng)避免差的背景 最后的檢查.提示添加樣品時(shí)，測(cè)量窗口的散射光強(qiáng)應(yīng)該是隨機(jī)變化的； 該窗口中的“突起”意味著分散劑中含有雜志，分散劑被“污染”系統(tǒng)潔凈時(shí)的檢測(cè)窗口系統(tǒng)潔凈時(shí)的檢測(cè)窗口避免差的背景 最后的檢查.分散劑被污染后，系統(tǒng)的檢測(cè)窗分散劑被污染后

13、，系統(tǒng)的檢測(cè)窗口圖示口圖示提示添加樣品時(shí)，測(cè)量窗口的散射光強(qiáng)應(yīng)該是隨機(jī)變化的； 該窗口中的“突起”意味著分散劑中含有雜志，分散劑被“污染”樣品數(shù)據(jù) 添加適量的樣品 介紹本節(jié)術(shù)語(yǔ)：遮光度遮光度Obscuration：被樣品散射的激光光強(qiáng)，也可作為樣品濃度的指示信噪比信噪比Signal-to-noise ratio： 信號(hào)強(qiáng)度與背景的比值多重衍射多重衍射Multiple scattering：當(dāng)加入過(guò)多樣品，被某樣品顆粒散射的光束又入射到其他樣品顆粒上產(chǎn)生新的散射添加樣品應(yīng)該添加多少樣品? 加入樣品量太少： 信噪比太低，或者： 加入的樣品不足，難以代表真實(shí)物質(zhì)顆粒分布 尤其當(dāng)樣品顆粒粒徑分布較廣時(shí)

14、 加入樣品量太多： 導(dǎo)致多重散射，影響最終結(jié)果粒徑分布 尤其當(dāng)樣品顆粒很小時(shí)（通常小于10微米）多少樣品量（遮光度）才算“合適”？添加樣品需要添加多少樣品?當(dāng)前已添加的樣品顆粒有多少?2 微米乳液顆粒微米乳液顆粒 在相對(duì)較低遮光度情況下就容易出現(xiàn)多重散射現(xiàn)象 一滴乳液中含有非常多的樣品顆粒玻璃珠玻璃珠 (dv50 約為 60微米) 每毫升溶液中的樣品顆粒少， 樣品粒徑分布寬 不容易出現(xiàn)多重散射而且而且需要更多的樣品以表征真實(shí)樣品特征添加樣品 關(guān)于合適遮光度的指導(dǎo)濕法測(cè)量 如果樣品顆粒較精細(xì)，較低的遮光度更合適，大約5-10% 的遮光度就可以有很好的信噪比 若樣品顆粒較粗，遮光度可以適當(dāng)提高到5

15、%12% 若樣品顆粒粒徑分布較廣，15-20% 可能是合適的，因?yàn)樾枰獙?shí)現(xiàn)正確取樣 過(guò)高的遮光度將導(dǎo)致多重散射信噪比 大顆粒測(cè)量(42.58 微米的玻璃珠在遮光度只有5%的情況下的測(cè)試結(jié)果) 需要指出的是：在測(cè)量大顆粒時(shí)，洗澡比通常很高，因?yàn)樯⑸涔鈴?qiáng)很高。相應(yīng)地，信噪比對(duì)于大顆粒測(cè)量來(lái)說(shuō)很容易達(dá)到要求。 signal to noise ratio is less of an issue for large particles.高樣品信噪比Maximum signal 280units高樣品信噪比高樣品信噪比信噪比 小顆粒測(cè)量(0.91微米碳化硅顆粒在遮光度為5%的情況下測(cè)量結(jié)果 )最大信噪比

16、5單位信噪比是樣品散射光強(qiáng)與背景信號(hào)強(qiáng)度之比。因?yàn)樾☆w粒散射光強(qiáng)較低，因此必須確保背景信號(hào)不“淹沒(méi)”樣品散射信號(hào)。不過(guò)，上圖中的信號(hào)還是質(zhì)量不錯(cuò)的。因?yàn)闃悠沸盘?hào)數(shù)據(jù)與背景數(shù)據(jù)只在較小的部分發(fā)生重疊，信號(hào)具有足夠的強(qiáng)度。多重散射檢測(cè)器高編號(hào)的檢測(cè)器低編號(hào)檢測(cè)器樣品窗增加遮光度（樣品濃度）將增加發(fā)生多重散射的風(fēng)險(xiǎn)。多重散射導(dǎo)致在更高編號(hào)檢測(cè)器上檢測(cè)到散射光強(qiáng)，而更高編號(hào)的檢測(cè)器意味著更小的顆粒。高編號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)意味著較小的顆粒濕法分析 多重散射.導(dǎo)致樣品顆粒細(xì)粉的存在被夸大了若對(duì)結(jié)果存在疑問(wèn)，可以在不同遮光度條件下進(jìn)行測(cè)量，檢驗(yàn)是否隨著遮光度的提升樣品顆粒粒徑分布發(fā)生變化。 Particl

17、e Size Distribution 0.03 0.3 3 Particle Size (m) 0.073858 2.0739 4.0739 6.0739 8.0739 10.074 Volume (%)SiC 5% obsc, 21 July 2003 11:31:16SiC 10% obsc, 21 July 2003 11:35:37SiC 20% obsc, 21 July 2003 11:44:28SiC 40% obsc, 21 July 2003 12:02:22負(fù)的數(shù)據(jù) 介紹當(dāng)測(cè)量小的，散射強(qiáng)度的顆粒是，一個(gè)潔凈的測(cè)量背景對(duì)于測(cè)量結(jié)果十分重要。 如下圖所示，小的背景波動(dòng)也可能

18、 .導(dǎo)致系統(tǒng)因?yàn)橐獜臏y(cè)量信號(hào)中去除背景信號(hào)，最后得到負(fù)的信號(hào)數(shù)據(jù)。避免負(fù)的數(shù)據(jù)對(duì)于小顆粒測(cè)量而言，穩(wěn)定的背景尤為重要，因?yàn)橐苊獬霈F(xiàn)多重散射的情況，遮光度較低，波動(dòng)的背景會(huì)導(dǎo)致負(fù)的信號(hào)數(shù)據(jù)。因?yàn)樾盘?hào)數(shù)據(jù)是在添加樣品后的測(cè)量數(shù)據(jù)減去背景數(shù)據(jù)得到的，大的背景波動(dòng)可能導(dǎo)致信號(hào)數(shù)據(jù)為負(fù)在數(shù)據(jù)表上可以很容易地觀察到負(fù)的數(shù)據(jù) 負(fù)的數(shù)據(jù)負(fù)的數(shù)據(jù) 小結(jié) 數(shù)據(jù)質(zhì)量背景數(shù)據(jù) 確保： 樣品池玻窗上沒(méi)有物質(zhì)黏附 分散劑潔凈無(wú)污染 分散劑不存在溫度梯度 系統(tǒng)正確對(duì)光 樣品數(shù)據(jù) 檢查： 合理的信噪比 不存在多重散射 沒(méi)有負(fù)的數(shù)據(jù) 沒(méi)有噪聲數(shù)據(jù) 檢測(cè)器信號(hào)數(shù)據(jù)平滑無(wú)殘缺 測(cè)量過(guò)程中光束無(wú)偏轉(zhuǎn)beam steering光學(xué)參

19、數(shù) Part 4Mastersizer 2000Part 4通過(guò)本章學(xué)習(xí)，您需要理解以下相關(guān)知識(shí)： 采用米氏理論的重要性（Mie Theory） 折射率等光學(xué)參數(shù)對(duì)于最終粒度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的重要性 如何查找正確的光學(xué)參數(shù) 對(duì)于您的樣品來(lái)說(shuō)，什么才是準(zhǔn)確的光學(xué)參數(shù) 如何根據(jù)擬合與殘差數(shù)據(jù)判斷樣品光學(xué)參數(shù)是否正確光學(xué)參數(shù) 意味著?應(yīng)用米氏理論，需要3個(gè)光學(xué)參數(shù) 它們分別是： 分散介質(zhì)的折射率 樣品物質(zhì)的折射率 樣品物質(zhì)的虛數(shù)折射率 （即我們通常稱作的吸收率）虛數(shù)折射率 （吸收率） 可以通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察樣品顆粒的形狀，透光率和內(nèi)部結(jié)構(gòu)獲得 吸收率通常只需要精確到10的倍數(shù)即可，例如可以為 0.1 或 0

20、.01而不是 0.023光學(xué)參數(shù) 意味著?00.0010.010.11.0+乳液Lattices乳劑 Emulsions淺色粉末Slightly colored powders晶體粉末Crystalline milled powders深色粉末或金屬粉末如何根據(jù)顯微鏡下的顯示判斷樣品顆粒的吸收率？ 顯示 虛部 RI 例如光學(xué)參數(shù) 如何得到樣品的折射率通常有三種途經(jīng)獲得樣品顆粒的折射率 查找參考文獻(xiàn)，手冊(cè) 使用折射計(jì)測(cè)量 使用顯微鏡光學(xué)參數(shù) 折射率的準(zhǔn)確性折射率通常只需要保留2位小數(shù)位， 例如：1.42 而不需要1.4234 選擇合適的光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)擬合從下圖我們可以看見(jiàn)測(cè)量的光強(qiáng)曲線與根據(jù)結(jié)果推

21、導(dǎo)的理論光強(qiáng)曲線基本重合實(shí)際光強(qiáng)曲線與理論光強(qiáng)曲線的一致性被稱為“數(shù)據(jù)擬合”數(shù)據(jù)擬合的效果體現(xiàn)在“殘差Residual”值上Data Graph - Light Scattering 1 3 5 7 9 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 Detector Number0 50 100 150 200 Light EnergyFit data(weighted) 10 August 2001 16:52:43選擇合適的光學(xué)參數(shù)殘差殘差是理論光強(qiáng)數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量所得光強(qiáng)數(shù)據(jù)的最小二乘擬合差值 (基于光學(xué)參數(shù)) 通常小的殘差值意味著測(cè)量結(jié)果正確可靠選擇

22、合適的光學(xué)參數(shù)檢查擬合效果在小號(hào)碼檢測(cè)器處出現(xiàn)較差的擬合，通常意味著折射率參數(shù)選擇的不夠準(zhǔn)確.D ata Grap h - L ig h t Scatterin g 1 3 5 7 9 11 14 17 20 22 25 28 31 33 36 39 41 44 47 Detector Num ber0 5 10 15 20 25 Light EnergyCom pound A, 29 M arch 2005 15:16:52差的擬合效果意味著差的擬合效果意味著選擇的折射率參數(shù)不選擇的折射率參數(shù)不夠準(zhǔn)確夠準(zhǔn)確選擇合適的光學(xué)參數(shù)檢查擬合效果在大號(hào)碼檢測(cè)器處出現(xiàn)的較高殘差意味著吸收率參數(shù)選擇不夠準(zhǔn)

23、確Data Graph - Light Scattering 1 3 5 7 9 11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 Detector Number0 5 10 15 20 25 30 35 Light EnergyTC 1 during 100% u/s, 11 January 2005 13:36:27差的擬合效果意味著選差的擬合效果意味著選擇的樣品顆粒吸收率參擇的樣品顆粒吸收率參數(shù)不夠準(zhǔn)確數(shù)不夠準(zhǔn)確光學(xué)參數(shù) 小結(jié)米氏理論比夫瑯合費(fèi)分析模型更準(zhǔn)確的地方在于其考慮了物質(zhì)的光學(xué)參數(shù)對(duì)測(cè)試光強(qiáng)的影響 對(duì)于存在小于50m的樣品來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤為重要當(dāng)使用米氏理論時(shí)，選擇合適的光學(xué)參數(shù)很重要 - 請(qǐng)確保光學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性一般通過(guò)觀察殘差數(shù)據(jù)可以幫助您