我們會什麼要做粒徑分析？
現今有哪些粒徑分析技術？
雷射繞射粒徑分析儀
動態影像粒徑粒形分析儀
動態光散射奈米粒徑分析法
超聲波衰減分析法
固體粉末材料最重要的物理性質之一就是粒徑，也就是顆粒的大小，一個材料的均勻程度也可以透過粒徑分布的結果來表示。同樣的材料在不同的粒徑下會具備不同的性質，以黃金作為舉例，黃金在縮小到奈米等級均勻分散在溶液中的時候會呈現紅色。又如果以目前常見的QLED電視的顯色材料做舉例，科學家可以藉由控制奈米粒子在不同的粒徑，使其產生不同光色。舉一個更生活的例子，時常用於建築材料的水泥，如果水泥的顆粒就需要控制在特定的區間，否則除了影響加工的難度，連帶影響到強度表現。
目前主要分析的粒徑範圍在微米(micro-meter)至奈米(nano-meter)之間，針對不同區間的粒徑分析各有適合的設備與優缺點，本文根據粒徑範圍、量測結果、統計運算等做出區分。
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分析技術 |
沉降法 ISO13317 |
篩分法 ISO3310 |
雷射繞射法 ISO13320 |
動態影像法 ISO13322 |
超聲波衰減 ISO20998 |
電子顯微鏡 |
動態光散射 ISO22412 |
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| 量測範圍 |
微米Micrometer |
奈米 Nanometer | |||||
| 量測時間 | 30min | 10min | <1 min | <1 min | <5min | 數小時 | 5min |
| 樣品類型 | 乾粉 | 乾粉 | 乾粉或溶液 | 乾粉或溶液 | 透明至不透明溶液 | 需前處理 | 溶液 |
| 樣品訊息 | 粒徑 | 粒徑 | 粒徑 | 粒徑與粒形 | 粒徑與濃度 | 粒徑粒形 | 粒徑 |
| 標準方法 | ISO13317 | ISO3310 | ISO13320 | ISO13322 | ISO20998 | N/A | ISO22412 |
在微米粒徑範圍的分析，早期會使用篩網或是沉降法來進行，篩網法的限制就是粒徑分布的解析度通常會受到篩網總數的限制，比較無法比較出批次間的差異，此外篩網分析會伴隨著震動，物料本身如果有熱敏或是易受潮等性質，有機會在分析過程產生結塊導致測值不準確。沉降法則比較適合用在均勻的球狀樣品，且用來沉降的溶液對物料必須不具有可溶性，密度也不可以比物料大，否則都會影響到沉降法的分析結果。
現今最常見的粒徑分析儀主要會以雷射繞射為主，在一次的分析當中，根據物料的顆粒大小，每次幾乎都可以分析到幾萬顆小粒子，使得分析結果具備代表性，此外雷射繞射的感測器，相較於篩網來說，對於粒徑的分級更為細膩，例如商用粒徑分析儀廠商Sympatec開發的HELOS，可以將物料顆粒分成31級，對於了解批次之間的差異相當有幫助。而且每次的分析時間不到一分鐘，分析後的物料也可以回收。
而如果顆粒的形狀對於後續的應用會有影響，比如說藥錠的賦形劑，常見的甲基纖維素為例，在需要壓縮的緩釋劑型，就會希望顆粒的長度或者纖維狀的顆粒總量都要控制在一個等級以下，否則會達到應該有的效果。這個時候我們就會需要可以觀察粒子形狀的分析儀。在早期會透過電子顯微鏡來觀察物料的外觀，也可以用來計算顆粒的長寬比、直徑，透過軟體可以統計觀測範圍內的顆粒總數以及其他的統計項目，可是電子顯微鏡的前處理相對麻煩，其次每一次分析的顆粒數量並不多，無法代表整體的狀態，加上靜態觀測很容易會有顆粒相疊的問題。
因此廠商們又開發了新的粒徑粒形分析儀，主要是透過快速影像的擷取，可以想像成速度非常快的相機，持續拍攝經過量測區域的物料，根據顆粒的大小搭配不同的分散方式，可以在不到一分鐘內分析數萬顆粒仔的形狀並進行統計，與雷射繞射相比，納入不同的計算方式，可以由長寬比或者顆粒直徑來重新統計，除了了解產品的品質，也可以得到過去在雷射繞射無法得到的批次差異。
而電子顯微鏡的維度實際上落在奈米等級，在這個維度中，如果要增加統計數目，則需要能夠對分散射中的奈米顆粒進行分析，目前常見的粒徑分析方式以動態光散射為主，藉由偵測器收集的散射訊號，帶入Stoke-Einstein方程式，求得奈米粒子的粒徑，稱之為光子相關光譜法，顧名思義，隨著奈米運動的速度，光子訊號與顆粒運動之間的關係會與奈米粒子的粒徑大小呈反比，也就是奈米顆粒的粒徑越大，布朗運動越慢，則減緩光子訊號相關性的衰減。
由於奈米粒徑跟光子訊號極度相關，所以當奈米顆粒濃度增加的時候，會開始發生多重散射，而在0.01至0.001%的濃度等級，PCS會開始不準確，此時為了穩定的量測，分析人員只好開始稀釋樣品，可是稀釋後的樣品跟原始樣品的環境已經相差非常多，實際可以視為另一個樣品了。為此Sympatec開發光子交叉相關光譜法PCCS，藉由兩道散射訊號的互相驗證，使得樣品即使在相對高的濃度，例如1%，也可以維持穩定的量測數據。
不過當顆粒的濃度持續上升的時候，大多數的粒徑分析都與光學相關，因此極有可能產生多重散射或者無法透光的狀態，例如：膏狀、泥狀或者是油中水滴等很難以光學學方式分析的樣品，某些廠商則是開發超聲波衰減的方式進行分析，原理如同蝙蝠聽聲辨位，藉由聲波穿過不同介質會產生衰減的特性，將衰減的訊號質帶入衰減方程式計算，就可以取得高濃度物料中的顆粒粒徑，這個方法也跟雷射繞射方法比對過，具有類似的準確性，此外因為是直接比較介質差異，超聲波衰減法也可以應用於量測物料溶液的濃度。由Sympatec開發的超聲波衰減粒徑分析儀OPUS搭配不同管徑的適配器，可以直接穿過槽壁，或者與管路串聯，進行連續即時分析。
目前為止我們綜覽了相當多的粒徑分析技術，根據量測尺寸以及量測的環境，這些粒徑分析方法都有各自的優點，利泓科技希望藉由這樣的資訊，可以帶給大家在選擇粒徑分析儀的一個方向，從自己的樣品與應用選擇適合的設備。
