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新冠疫情有“危”也有“機”,納米粒度一展身手

2020-03-09

2020年的新年期間,因為一場突如其來的疫情注定被曆史銘記。短短的50多天,從武漢市不明肺炎報告的出現到全國8萬多人確診感染,從武漢華南市場出發隨著人口流動蔓延到全世界各個角落……口罩和自由成了奢侈品,每個人都在這場疫情危機中學會了“勤洗手、戴口罩、不聚集”的生活習慣,也增長了對“納米製劑”“納米銀口罩”“納米銀噴霧”等新名詞的認知:
        國家納米工程中心利用納米技術在病毒檢測和治療方麵“穩、準、狠”的技術特點,利用共享的病毒基因序列開發冠狀病毒核酸快速檢測試劑盒及檢測係統利用膠體金標記的冠狀病毒抗體快速檢測層析芯片及閱讀儀,使得病毒檢測時間縮短到半小時以內。
       上海複旦團隊研製的仿生納米顆粒PS-GAMP可誘導肺組織常駐記憶T細胞的產生,進而引發較強的異型免疫,增強疫苗防護作用,有望成為通用流感疫苗的粘膜佐劑。
        俄羅斯科學家研發了以具有抗菌特性的納米銀為主要成分,使用熔噴工藝製備而成的新材料口罩,其防護時效可達10小時,為常規醫用口罩的10倍。
       上海大學材料學院科研團隊開發一種具有“自我消毒”功能的納米銀滅毒噴霧樣品,應用在學校的公用設施表麵。該納米銀噴霧使用方便、安全無毒、零刺激、具備能夠持久殺滅病毒的能力。

……

納米這一個“計量單位”,在飛沫、氣溶膠等新冠病毒傳播途徑中刷新了它的存在感,也讓各式納米分析儀器在產品研製和市場應用中凸顯了不可替代的重要性。

歐美克納米粒度分析儀NS-90的成功上市及普及應用,為廣大急需納米級粒度測試分析的客戶提供了又一個高性價比的選擇。相對於使用靜態光散射原理的激光粒度儀而言,使用動態光散射原理及國際引進光子相關測量技術的NS-90對納米級顆粒的測量更加精準、穩定、同時擁有卓越的分辨能力。


歐美克NS-90納米粒度分析儀


1、納米粒度儀的測量原理

納米粒度儀采用的是動態光散射的原理,簡單來說就是通過測量納米顆粒在液體介質中的布朗運動導致的散射光強的快速漲落來實現粒徑的等效檢測。基本原理是:小顆粒的布朗運動速度快使得散射光強漲落速率快;大顆粒的布朗運動速度慢導致散射光強漲落速率慢。


光電探測器接收到散射光強度的即時信號,同時將信號輸送到儀器內的光子相關器進行數據的延時相關性分析處理,從而得到各項納米粒徑測試結果。儀器的兩大核心技術是:連續地在極短時間內準確檢測並記錄極其微弱且快速變化的動態光散射強度信號;根據信號的時間相關性,經過複雜的數學模型分析計算後解析出相關的顆粒等效流體力學粒度數據。


2、納米粒度儀核心器件——光電探測器

目前納米粒度儀主流使用的探測器有兩種:一是PMT光電倍增管,二是雪崩式光子計數器APD

PMT光電倍增管它是一種真空光電器件(真空管)。它的工作原理是建立在光電效應(光電發射)、二次電子發射、電子光學理論基礎上的。PMT光電倍增管已經麵世多年,其生產工藝及應用技術已經非常成熟穩定,但是已經很難再有更上一層樓的技術進步。它最主要的優點就是技術成熟,不足之處在於靈敏度稍低和背景電噪聲不穩定。

歐美克NS-90國內獨家主配的雪崩式單光子計數器APD是利用載流子的雪崩效應通過光子計數方式極大提高了檢測的靈敏度。APD與已經廣泛使用的光電倍增管(PMT)相比,APD單光子計數得到的是01組成的數字矩陣,對微弱光子信號的長時間積分不會引入熱噪聲,加之其信號的傳輸不需要經過模數和數模轉換減少了隨機噪聲等誤差源,使得其噪音極低,量子效率超高,並可以在高增益下保持良好的信噪比。



3、納米粒度儀測試數據解說

粒度檢測是一種等效檢測,用不同檢測原理的儀器得到的粒度分布數據是一種等效值。而采用動態光散射技術的納米粒度儀得到的粒度數據正是根據斯托克斯-愛因斯坦方程得出的流體力學等效直徑(粒徑)。

NS-90納米粒度分析儀軟件的標準報告中提供了多種粒度結果,通常包括Z-averagePDIIntensity PSDVolume PSDNumber PSD等。

Z-average是粒徑光強平均值,PDI是分散指數(分布寬度參數),這兩個值是通過分析光子相關性方程反演得到,Z-average是動態光散射技術中得到的最重要、最穩定的數據。

Intensity PSD(粒徑光強分布,簡稱光強分布)則是通過另一種方式,即多指數分析得到的分布式粒徑統計,也是納米材料粒徑分析的重要參考指標。Intensity PSD通過Mie理論,可以將其轉化為Volume PSD(體積分布),並可以進一步將這種體積分布轉化為Number PSD(數量分布)。

散射光的強度遵循瑞利散射定律,與顆粒直徑的六次方成正比,這就是說同樣數量的直徑相差10倍的兩種顆粒,大顆粒的光強信號是小顆粒的100萬倍。所以用動態光散射來測量粒徑就要求所測樣品的分布盡量窄,否則小顆粒的信號就極容易被大顆粒覆蓋。理論上少數PDI大於0.7的寬分布或多分布樣品,動態光散射原理進行測量結果的可信度較低。

觀察一份報告上的這三個數據,通常會發現Number PSD結果最小,Intensity PSDVolume PSD都大很多。從原理上來說,Intensity PSD才是儀器得到的原始的、直接計算的粒度分布。Volume PSDNumber PSD都是以光強分布為基礎進一步計算而來的,而且計算需要用到所測顆粒準確的光學參數,才能保證其結果的準確性。

至於為什麽這三種分布差異這麽大?舉例來說,如果把60nm 220nm 聚苯乙烯乳液標樣1:1 體積混合,那麽在三種分布中各自的比例變化如下方圖表所示意。

220納米標樣數據

60納米標樣數據

單獨峰值nm

混合樣百分占比

單獨峰值nm

混合樣百分占比

光強分布

231

86.3%

65.8

13.7%

體積分布

232

50.3%

61.8

49.7%

數量分布

184

2.6%

58.2

97.4%


光強分布(圖示法)   體積分布(圖示法)    數量分布(圖示法)

由上述圖片可看出,如果樣品的分布是非常窄的單峰,那麽三種分布不會有非常大的差異;但是樣品的分布寬或者是多峰,在轉化過程中體積和數量分布會非常不同,小顆粒的權重會大大的增加。

對於單峰的樣品,通常用Z-average來報道樣品結果;而多峰分布的樣品,則要注意根據“質量報告”提示,通常 提供Intensity PSD中的各峰值大小。Volume PSDNumber PSD的準確性依賴於用戶輸入的光學參數,在多數情況下準確的結果獲取有一定難度。

隨著越來越多工業顆粒的精細化生產升級到了納米級,納米粒度儀在工業市場已經占領一席之地。歐美克NS-90納米粒度分析儀引進和吸收了馬爾文帕納科公司的先進顆粒表征技術,使用90°動態光散射技術測量顆粒和分子大小,其所附帶靜態光散射功能還可以測定蛋白質與聚合物的分子量,廣泛適用於高分子化工、生物產業、醫藥製劑、納米材料、高分子過濾材料等行業。

在市場和技術的共同推動下,歐美克NS-90將繼續為精細化的現代高新技術企業提供強有力的技術支持!

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