淺談粒徑分析儀技術

2021/08/16

原理

運用光的散射原理，可用來測定懸浮在液態或氣態，抑或是乾粉類中沉積物的粒徑分布。彈性光散(Elastic Light Scattering)，是量測微米到毫米顆粒大小範圍的主要方法。ELS散射光的頻率與入射光相同時，其代表散射光強度為顆粒光學性質和粒度的函數。顆粒散射光強度會包含下列變數：粒度、散射角、顆粒折射率、介質折射率和光波長等變數。必須將樣品濃度控制在合宜範圍內，那麼可使樣品散射出足夠的強度；同時也將樣品濃度確認控制在顆粒間相互作用最小的程度，以及最小倍數散射，使得測量能建立在單個彈性顆粒散射的計算基礎上。
接著，依據微粒系統的基本假設，假定樣品折射率和顆粒濃度均一常數值。符合上述條件後，散射強度只為散射角、顆粒形狀和粒度的函數。如此一來，散射強度、散射角、顆粒形狀和粒度之間的關係已知，我們就可以透過測量散射光角度，分析散射強度圖中，特定形狀所代表的粒度分布。

圖1.粒徑分析原理簡易示意圖

所運用的理論根據偵測粒徑的尺度而定 (D=粒徑大小、λ=入射光波長)

A.夫朗和斐理論 (D>>λ)

當顆粒直徑比入射光波長大得多時，發生衍射散射，這時由夫朗和斐衍射理論求得的光強度和米氏散射理論求得的光強度大體一致，但前者計算過程較簡便因此當D>>λ時，使用夫朗和斐理論作為散射理論的能得到較為精準的數值。

B.米氏理論 (D<=λ)

當顆粒粒徑小於或等於時，就必須使用米氏理論，米氏理論是描述散射現象的嚴格理論，因此許多儀器會採用全米氏理論作為儀器的偵測計算。所謂全米氏理論，是指大顆粒(遠遠大於光波長，可見光波長範圍約為300-800 nm)和小顆粒(小於或等於光波長)均採用米氏理論。

C.光子相關光譜分析法分析 (D<<λ)

對超細顆粒(如奈米材料)採用雷射衍射散射式粒徑分析儀已不能準確測量其粒徑，應選用根據光子相關光譜技術製備的儀器測量(顆粒粒徑在1~1000 nm之間)。

光學系統

由入射光源(Light Source)、樣品槽(Sample)、樣品(Sample)、聚焦散射光(Diffraction Light Source)的傅立葉透鏡系統(Fourier Lens)和紀錄散射光強度模式的光電探測器(PIDS)裝置所組成。雷射激光輻射穿過空間濾波器(Filter)和投影透鏡形成光束。光束穿過樣品單元懸浮在液態或氣態中的顆粒即按其大小分布將入射光散射在特徵圖上。傅立葉光學採集衍射光並將其聚焦在三組特定偵測器上，一組為小角度散射，第二組為中等角度散射，第三組為大角度散射。

圖2.粒徑分析儀組件簡易示意圖

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