激光粒度分析的核心假設是“樣品顆粒在光束中均勻分散且獨立運動”。因此,分散是前處理的核心。常見的樣品前處理問題主要集中在分散不充分、顆粒破裂、取樣不均及介質選擇不當等方面。
一、團聚問題:分散不充分
現象:測試結果出現異常的雙峰或多峰,且大顆粒端(或細顆粒端)的峰值與顯微鏡觀察不符;重復測試時結果波動大。
原因:細顆粒由于比表面積大、表面能高,極易通過范德華力或液橋力聚集在一起,形成假顆粒。
解決方案:
優選分散劑:根據樣品性質選擇合適的分散介質和分散劑。例如,對于氧化物粉體(如氧化鋁、二氧化硅),通常在水中加入六偏磷酸鈉或焦磷酸鈉;對于非極性顆粒,可在乙醇中加入表面活性劑。
操作要點:分散劑濃度需通過試驗確定,濃度過高可能導致絮凝,過低則分散不足。
施加物理能量:采用超聲分散是打破軟團聚有效的方法。
操作要點:建議采用間歇超聲(超聲5秒,間隔2秒),避免長時間連續超聲導致樣品過熱或顆粒破碎。超聲功率需根據樣品硬度調整,一般30-60秒即可。應在超聲后立即測試,防止顆粒重新團聚。
調整攪拌速度:在循環進樣系統中,適當提高攪拌或循環泵轉速,利用剪切力輔助分散,但需防止速度過快引入氣泡。
二、樣品破壞:過度分散
現象:隨著超聲時間延長或壓力增大,測試結果中的特征粒徑(D50、D90)持續變小,細顆粒端比例異常增高。
原因:樣品本身是團聚體、絮狀物或脆弱顆粒(如碳酸鈣晶須、生物細胞、某些絮凝劑),過強的外力破壞了顆粒的原始形貌。
解決方案:
控制超聲強度:對于脆弱顆粒,應大幅降低超聲功率,甚至不用超聲,僅靠機械攪拌分散。
選用濕法而非干法:如果樣品易碎,優先選擇濕法分散,濕法通常比干法壓縮空氣噴射對顆粒的破壞性小。
驗證方法:將分散后的樣品置于顯微鏡下觀察,確認顆粒的原始形態是否保持完好,以此作為判斷分散條件是否適宜的依據。
三、取樣偏差:代表性不足
現象:同一樣品多次裝樣測試,結果差異巨大。
原因:顆粒在容器中易發生沉降,大顆粒沉底快,細顆粒懸浮在上層;或者取樣量過少,不足以代表整體粒度分布。
解決方案:
充分混勻:在取樣前,務必充分搖勻或攪拌樣品容器,并快速取樣。
分割取樣:對于顆粒大小懸殊的樣品,應采用旋轉分樣器或縮分器進行縮分,嚴禁只用勺子從表面挖取。
保證取樣量:確保取樣量具有統計學意義。一般經驗是,最大顆粒尺寸越大,所需樣品量越多。
四、介質與折射率選擇不當
現象:測試結果的遮光比正常,但粒徑分布整體偏移,或光學濃度(遮光度)異常低。
原因:分散介質選擇錯誤,導致顆粒溶解或膨脹;或者光學參數(折射率、吸收率)設置錯誤,導致軟件計算錯誤。
解決方案:
介質匹配:確保樣品不溶于分散介質。例如,鹽類樣品不能用水,應選用無水乙醇;磁性材料不能用水,防止團聚。
除氣泡:分散介質(尤其是水)在使用前應超聲脫氣或靜置,避免微小氣泡被誤認為顆粒。
正確設置光學參數:查閱文獻或詢問供應商獲取樣品的真實折射率。若未知,可采用嘗試法,選取一個使測試結果穩定且殘差最小的值。
五、濃度(遮光度)不當
現象:信號強度過低(噪音干擾大)或過高(多重散射導致細顆粒被低估)。
解決方案:
控制遮光度:嚴格按照儀器說明書要求,將遮光度控制在合適范圍(通常濕法為10%-20%,干法為0.5%-5%)。對于未知樣品,應采用梯度試驗,找到結果穩定且不隨稀釋而變化的遮光度區間。