【應(yīng)用】使用藍(lán)光源和紅外光源在分散體系穩(wěn)定性分析中所獲得的背散射光強(qiáng)度

分散體系在生活中隨處可見，如：食品工業(yè)的沙拉醬和雞尾酒；化妝品和藥品中的面霜和乳劑；建筑工業(yè)中的多相清潔劑、乳膠漆或封漿等。對于這些產(chǎn)品，分散穩(wěn)定性是非常重要的指標(biāo)，測量分散體系的穩(wěn)定性也是科研人員的必要工作。

采用多重光散射技術(shù)能夠幫助研發(fā)人員準(zhǔn)確量化分散體系的穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)測量中，這種技術(shù)采用近紅外光作為測量光源。其存在一個(gè)問題，當(dāng)分散體系（尤其是乳白色）濃度較低，或者粒子的直徑小至納米級別時(shí)，測量得到的光強(qiáng)信號非常低，也就是獲得的信噪比很低，從而對失穩(wěn)分析的準(zhǔn)確性產(chǎn)生負(fù)面影響。為了解決這一問題，DataPhysics 公司開發(fā)了一款以藍(lán)光替代紅外光源的新型穩(wěn)定性分析儀。本文介紹了藍(lán)光源穩(wěn)定性分析儀和傳統(tǒng)近紅外光源穩(wěn)定性分析儀在測量不同粒徑和濃度的商用聚合物微球懸浮液（polymer microsphere suspension，以下簡稱PMSs）時(shí)所得到的光強(qiáng)信號質(zhì)量對比。

【技術(shù)和方法】

德國 DataPhysics 公司生產(chǎn)的MS20穩(wěn)定性測量儀（多重光散射儀）是一款分散體系穩(wěn)定性分析的測量系統(tǒng)（圖 1）。適用于液體分散體系（特別是懸浮液和乳液）的穩(wěn)定性和老化分析，以及隨時(shí)間變化和溫度依賴的不穩(wěn)定機(jī)制進(jìn)行綜合表征的測量儀器。

圖1：DataPhysics 公司的MS20穩(wěn)定性測量儀（多重光散射儀）帶有6個(gè)獨(dú)立的掃描塔

【測量原理】

裝有分散液的樣品瓶放置于MS20穩(wěn)定性測量儀（以下簡稱MS20）一個(gè)測量塔中。測量塔內(nèi)配置一個(gè)光源和一個(gè)與光源相同高度放置的檢測器用于測量透射光，另外一個(gè)光源與該檢測器呈45度角用于測量背散射光(圖2)。

圖2：測量原理

測量時(shí)，光源和檢測器沿著樣品瓶同步上下移動(dòng)，掃描獲取不同樣品高度來自樣品的散射光強(qiáng)度信號。得到透射光和背散射光譜圖，對譜圖分析計(jì)算，獲取樣品中的任何微小變化信息，如：粒子的運(yùn)動(dòng)方向及速度，粒子的平均粒徑，粒徑分布，是否發(fā)生絮凝與聚并等。采用近紅外光作為光源（IR塔）的MS20已作為市售的成熟產(chǎn)品，多年被廣泛用于分散體系穩(wěn)定性測量。

   根據(jù)米氏散射理論[2]，透射光和背散射光強(qiáng)度不僅與分散體系的體積濃度、粒子的大小和類型相關(guān)，光源的波長也同樣決定了散射光的強(qiáng)度。為了獲取納米顆粒的液體分散體系的更高的透射光和背散射光強(qiáng)度值，DataPhysics公司推出了一款新型的波長為470nm的藍(lán)色光作為光源的MS20的掃描塔(以下簡稱藍(lán)光塔)。這將拓寬MS20的應(yīng)用范圍，對粒徑較小的納米顆粒分散體系仍能準(zhǔn)確測量。

【測量】

如下表1，樣品為市售的已知粒徑和體積濃度的PMS懸浮液。將每種PMS懸浮液20ml倒入透明玻璃樣品瓶中,在25℃下，每間隔13秒測量一次，總測量時(shí)長為40秒。測量樣品高度從0毫米(玻璃瓶底部)至57毫米(玻璃瓶頂部)。所有樣品分別用傳統(tǒng)IR塔和新型藍(lán)光塔進(jìn)行測量。

得到使用兩種測量塔的所有樣品的透射光和背散射光的強(qiáng)度譜圖。以粒徑為110nm、體積濃度為1% 的PMS分散體系的藍(lán)光塔和IR塔測量譜圖為例（圖3）。

圖3：110 nm PMSs在體積濃度為1%時(shí)，藍(lán)光塔和IR塔的背散射光譜圖

從圖3可以看到，兩塔均表現(xiàn)為背散射光強(qiáng)度在測量過程中總體保持恒定。說明分散體系在測量時(shí)間內(nèi)整體穩(wěn)定。曲線的顏色信息表示每次掃描的時(shí)間，從紅色（第一次測量，t=0s）到紫色（最后一次測量，t=40s）。每條曲線代表從樣品管底部至樣品管頂部的同一時(shí)間單次測量。

使用MS20專用的 MSC 軟件計(jì)算所有背散射光信號在樣品高度從5 毫米至 40 毫米范圍內(nèi)的強(qiáng)度絕對值。

【結(jié)果與討論】

圖4顯示了分別用藍(lán)光塔和IR塔測量的不同粒徑PMSs在體積濃度為1% 時(shí)的背散射光強(qiáng)度值。

圖4：分別用藍(lán)光塔和IR塔測得的濃度為1%的PMSs不同粒徑懸浮液的背散射光強(qiáng)度對比

從圖4可以看到，對于所有樣品，用藍(lán)光塔測得的背散射光強(qiáng)度值都遠(yuǎn)高于用IR塔測得的背散射光強(qiáng)度值。特別是粒徑較小的PMSs，兩種測量塔測得的背散射光強(qiáng)度值差異更大。例如，110 nm粒徑的PMSs，用藍(lán)光塔測得背散射光強(qiáng)度值為26.9%，而用IR塔測得背散射光強(qiáng)度值僅為6.81%。同時(shí)也可以看到如下規(guī)律，當(dāng)PMSs粒徑小于420nm時(shí)，兩個(gè)塔測得的背散射光強(qiáng)度隨粒徑的增大而增大。當(dāng)PMSs粒徑大于420nm時(shí)，背散射光強(qiáng)度值隨粒徑的增大而減小。這是因?yàn)?/span>背散射光強(qiáng)度值與顆粒大小和體積濃度相關(guān)。當(dāng)PMSs粒徑大于420nm時(shí)，兩塔的背散射光強(qiáng)度隨著粒徑的增大差距逐漸減小，直至接近。

       為了更深入了解高濃度PMSs的藍(lán)光塔和IR塔測量的背散射光強(qiáng)度值的差異，這里比較了體積濃度為10% 的不同粒徑PMSs用兩塔測量的背散射光強(qiáng)度值（見圖5）。與圖4中所示的數(shù)據(jù)類似，對于所有樣品，藍(lán)光塔測得的背散射光強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于IR塔。尤其是對于粒徑為納米級別的較小顆粒，藍(lán)光塔和IR塔之間的差異更大。此外，兩種塔的背散射光強(qiáng)度隨粒徑的變化規(guī)律相似。

圖5：分別用藍(lán)光塔和IR塔測得的濃度為10%的PMSs不同粒徑懸浮液的背散射光強(qiáng)度對比

同樣的，還研究了濃度對背散射光強(qiáng)度的影響。如圖6所示，展示了粒徑為540nm的PMSs的背散射光強(qiáng)度隨著濃度的增加而增加。在所有測量濃度下，藍(lán)光塔的背散射光強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于IR塔測得的背散射光強(qiáng)度。從圖中還可以看到，體積濃度越低，藍(lán)光塔和IR塔測得的背散射光強(qiáng)度值差異越大（除了極低體積濃度0.1%，在任何一個(gè)塔中都沒有檢測到顯著的背散射光）。

圖6：分別用藍(lán)光塔和IR塔測得的粒徑為540nm的PMSs不同濃度懸浮液的背散射光強(qiáng)度對比

【總結(jié)】

與傳統(tǒng)紅外光源的MS20相比，配置藍(lán)光塔的MS20穩(wěn)定性測量儀為粒子直徑在納米范圍或低體積濃度的分散體系（尤其是乳白色分散體系）測量提供了更高的背散射光強(qiáng)度。兩塔的背散射光強(qiáng)度隨顆粒大小和濃度的變化趨勢基本一致。這表明新型藍(lán)光測量塔具有很高的可靠性，更適用于納米粒子范圍或低體積濃度的分散體系測量（尤其是乳白色分散體系），能夠獲得更高的信噪比，提高了測量的準(zhǔn)確性。

配備藍(lán)光源的新型掃描塔為MS20研究液體分散體系（特別是乳白色懸浮液）的穩(wěn)定性和老化提供了更廣泛的測量可能性，并對時(shí)間和溫度依賴性的失穩(wěn)機(jī)制提供了全面的表征。新型藍(lán)光塔對于納米懸浮液和納米乳液的研發(fā)特別適用，例如在化學(xué)機(jī)械拋光或制藥納米乳劑的開發(fā)領(lǐng)域等。