儀器教室 Instrument Stories

本文章將說明如何使用像是FlowCam流式成像顯微鏡 (FIM) 系統去計算顆粒數目和判定顆粒濃度，本文適用於型號FlowCam 8000/8400、FlowCam Cyano 和 FlowCam LO，但和FlowCam 5000或FlowCam Nano無關，因為這些型號沒有 FOV 流動樣品槽，且也不適用轉至使用外部蠕動泵的FlowCam Macro，本文章還會給予使用者如何優化實驗參數設定及給樣手法的建議。

顆粒有多種形狀和大小。分析食品中的顆粒成分和正確的表徵它們很重要，因為它們可以極大地影響最終產品的口感、外觀、穩定性和可加工性。 CP Kelco，一家市場領先的特種親水膠體生產商，總部位於聖地亞哥，生產各種質地和穩定成分用於食品加工廠商。 流式成像顯微鏡 (FIM) 使他們能夠快速並輕鬆檢測顆粒變化並確保產品質量上乘。Ross Clark 是 CP Kelco 的傑出研究員，克拉克可以自由追求回答最棘手的挑戰，跟隨直覺，事實上，這是對於粒子運動行為的一種預感。最近引起克拉克興趣的客戶是做粉末噴射器的廠商。對於有問題的材料，運營商已經進行了有效的調整氣流解決偶爾的粉末流動阻塞導致無法加工的問題。然而，克拉克懷疑不同批次的顆粒形狀變化會導致一定程度的變化和粒徑大小的誤差

有害藻類(HABs, Harmful Algal Blooms)可以在幾個小時內迅速傳播。 在購買FlowCam®前，大熊市水區(BBMWD, Big Bear Municipal Water District) 的外包水質分析需要一個月才能得到結果。 一個月的時間足以讓有害藻類(HABs)長滿整個水池。再替換使用 FlowCam後，水質分析只需要數分鐘。

許多統計參數可以從粒度分佈中得出。累積分佈特別適用於此目的。其中最重要的參數當然是百分位數。在每種情況下，這些都表示一定數量的樣本所在的大小 x。例如，百分位數回答了“10% 的最小粒子在哪個尺寸以下？”的問題。或“大於 5% 的最大顆粒是多少？”百分位數可以直接從 Q 或 1-Q 曲線中讀取。 百分位數由字母 d 後跟 % 值表示。因此，d10 = 83 µm，d50 = 330 µm，d90 = 1600 µm 表示 10% 的樣品小於 83 µm，50% 小於 330 µm，90% 小於 1600 µm。替代符號為 x10/50/90 或 D 0.1/0.5/0.9 d50 值也稱為“中值”，它將粒度分佈劃分為等量的“較小”和“較大”顆粒。通常報告粒度分佈的 d10、d50 和 d90。 這樣可以很容易地用三個值來表徵分佈的中點或中心點，以及上端和下端。這個規範並不總是有用的，但它通常提供了一個很好的概述。可以定義任意數量的百分位值，例如d16, d84, d95, d99 等。但是，還必須注意測量方法的靈敏度是否足以可靠地檢測接近 0% 或接近 100% 的百分位數。 d100 值沒有明確定義，因此沒有意義。如果 100% 的粒子小於 2 毫米，那麼對於所有較大的 x 值也是如此，這也是 d100 值。 該圖顯示瞭如何直接從累積曲線中讀取百分位數。

除了顆粒大小和 zeta 電位外，顆粒濃度通常對於確定有多少顆粒分散在液體中或每個尺寸等級存在多少顆粒很重要。 該信息非常有用，例如，用於確定製藥行業中藥物的治療窗口或墨水或油漆的不透明度指示。 這些只是幾個例子，還有更多的應用。 借助 Microtrac 的動態光散射 (DLS) 分析儀系列 NANOTRAC，現在不僅可以測量顆粒大小、分子量和 zeta 電位，還可以獲得有關顆粒濃度的其他信息。 Nanotrac 系列的不同型號如下圖所示。

因為粒子的表面由於電子的存在而產生電磁場，並且由於光代表電磁輻射，所以它可以相互作用產生一種被描述為米氏散射或衍射的現象。 Mie 散射以及相應的 Mie 理論以德國物理學家 Gustav Mie (1868-1957) 的名字命名，他在 20 世紀初首次計算了這種現象。 米氏散射，在入射光方向上離粒子一定距離，是一種模式，將根據粒子的大小和入射光的波長而發展。從這個 Mie 散射圖案中可以獲得與材料尺寸分佈相關的信息。 有些材料不透光並吸收能量。在這些情況下，可以假設該物質具有極高的折射率以及很大的虛構成分（參見下面的透明粒子）。在這些條件下，計算可以是弗勞恩霍夫理論所描述的那些。 光也可以從物質表面反射，使用這些數據進行尺寸測量將是一個不同的問題。 第三次發生的相互作用是當材料有點透明時發生的一種特殊情況。在這種情況下，光穿過粒子就像穿過鑽石一樣。在鑽石的情況下，它會折射並產生眾所周知的閃光；然而，當穿過一個粒子時，它可能會增加米氏散射/衍射圖案。這種影響將在下面討論。