粒徑分析一篇就懂！你適合哪種粒徑分析儀器量測？

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粒徑分析是一種用於確定固體粉末或液體樣品中顆粒的粒徑範圍和平均粒徑的技術程序或實驗室技術的統稱。其在多個領域跟應用都佔有重要的地位，除了各種材料控制、鋰電池材料分析、金屬粉末分析、半導體應用、土壤岩層分析、大氣或海洋懸浮例子、細胞研究，甚至食品工業、藥物製造、紡織化學等等。

隨著科技日新月異，粒徑分析在奈米材料研究、微流體學和微粒子技術等也佔有不可或缺的重要性，粒徑分析的傳統方法包括篩分法、布朗運動分析、庫爾特電感應法、重力沉降法和離心沉降法等。然而，這些傳統方法存在一些限制，如操作繁瑣、測試時間較長以及無法進行線上測量等。

為什麼要做粒徑分析

粒徑分析的主要目的是瞭解和控制顆粒的大小和分佈，這在許多領域中都具有重要性。以下是一些做粒徑分析的原因：

1. 品質控制和製程優化：

粒徑是固體粉末材料的重要物理性質之一，它可以直接影響材料的性能和品質。通過粒徑分析，可以確定材料中顆粒的大小範圍和分佈狀態，以確保產品的一致性和穩定性。通過粒徑分析，科學家可以通過控制奈米粒子的粒徑，來調節建築材料（如水泥）的顆粒大小分佈，以達到所需的強度和性能。

2.功能性和效能研究：

在設計和開發新材料或產品時，粒徑對其功能和效能具有關鍵影響。透過粒徑分析，可以評估不同顆粒大小的材料在特定應用中的性能，並選擇最適合的顆粒範圍來實現所需的特性。在半導體製造過程中，微粒子的存在可能會對產品的性能和品質產生負面影響。透過粒徑分析，可以對微粒子的大小和分佈進行監控和測量。這可以幫助製造商確定生產過程中的微粒子污染程度，並採取相應的控制措施以確保產品的品質和可靠性。

3.污染和環境監測：

在環境科學和監測中，粒徑分析可以幫助監測空氣、水和土壤中的微粒污染物，例如PM2.5和PM10等懸浮微粒的大小和分佈。這可以幫助評估空氣質量、監測污染物和評估其對健康和環境的影響。

4.藥物製劑和生物醫學研究：

粒徑分析在藥物製劑和生物醫學研究中也具有重要應用。藥物的顆粒大小和分佈可以影響其溶解速度、穩定性和生物可利用性。同樣地，生物醫學領域中的顆粒尺寸也與細胞、蛋白質和其他生物分子的相互作用和效能相關。

粒徑分析法如此重要，與之相應的自然也有許多檢測手段與方法，以下，我們以粒徑大小（微米與奈米）分開說明：

粒徑分析基本觀念：什麼是微米 vs. 奈米

微米（μm）：微米是指一個物體的尺寸相當於百萬分之一米（1/1,000,000米），也就是十分之一毫米（1/10毫米）。微米通常用於描述一些中等尺寸的物體，例如細胞、細菌、人髮絲等。一張紙的厚度約為100微米。

奈米（nm）：奈米是一個更小的尺寸單位，表示一個物體的尺寸相當於十億分之一米（1/1,000,000,000米），也就是百萬分之一毫米（1/1,000微米）。奈米通常用於描述極小的結構和材料，例如分子、細胞結構、納米粒子等。紅血球的直徑約為7000奈米，DNA的直徑約為2.5奈米。

微米級粒徑分析常見方法

沈降法：通過觀察顆粒在液體中的沈降速度來測量粒徑大小。常見的沈降法有薛定諤法和薛定諤-克勞塞尼斯克法。

雷射繞射法：利用顆粒對光的散射來測量粒徑大小。這種方法通常使用激光光束照射顆粒，並測量散射光的角度和強度。

動態影像法：使用高速攝影機或顆粒影像分析系統捕捉顆粒在流動中的運動圖像，並通過分析圖像來測量顆粒的粒徑、形狀和分布。

篩分法：使用篩網或篩管將顆粒分為不同尺寸的範圍。這是一種快速且經濟的方法，適用於粒徑較大的顆粒。

超聲波衰減法：利用超聲波在樣品中的傳播速度和衰減程度來推算顆粒的粒徑大小。這種方法常用於透明液體中的粒徑分析。

奈米級粒徑分析常見方法

動態光散射（Dynamic Light Scattering）

這是一種常見的粒徑分析技術，通過測量顆粒對光的散射模式和強度來推斷顆粒的粒徑、分布和濃度等。需要顆粒懸浮在液體中來進行測量。

原理：

1. 光散射：當光線照射在顆粒上時，顆粒表面的不平整結構會散射光線。

2. 布朗（Brownian）運動：顆粒在溶液中會自己進行不規則的隨機位移和速度變化。

3. 光散射強度變化：顆粒的布朗運動導致其與光的散射強度隨時間變化，簡單來說小粒子的布朗運動較快，相反的大粒子的布朗運動較慢。 DLS 方法就是以此根據來回推粒子的大小，由於小粒子的布朗運動比較快，其擴散也越快，

優點：

1. 可以測量奈米尺度的顆粒，對於細小顆粒的分析效果良好。

2. 非接觸式測量，不會對樣品產生干擾或變形。

3. 可以同時測量多個參數，如粒徑、粒徑分布、濃度和動態行為。

4. 測量快速，通常只需數分鐘。

限制：

1. 對於透明度和光學性質差的樣品，可能會受到背景光的干擾，影響測量結果的準確性。

2. 粒徑測量受到多種因素的影響，如多重散射、聚集和形狀效應，需要進一步的分析和解釋。

3. 評估樣品分散狀態的要求較高，不適用於具有不均勻分散或高度聚集的樣品。

粒徑計數器（Particle Counter）

這是一種用於測量懸浮在空氣或液體中的微小粒子數量和粒徑分佈的儀器。通常結合光學原理和流體力學來進行顆粒的粒徑測量。

原理：
常見為利用顆粒對光的阻擋或散射來推測顆粒的尺寸。

優點：
1. 快速測量：粒徑計數器可以快速進行粒子計數和粒徑分布測量，節省時間和提高效率。

2. 範圍廣：可測量微米到納米尺度範圍內的粒子大小。

3. 實時監測：提供即時的監測能力，可以追蹤粒子濃度和尺寸變化，以進行即時的品質控制。

限制：
1. 受到樣品特性的限制：不同樣品特性（如粒子形狀、透明度等）可能對粒徑計數器的測量結果產生影響，需要進行校正和考慮樣品特性。

2. 尺寸解析度限制：粒徑計數器的粒徑解析度受到技術和儀器的限制，對於極小或極大的粒子可能存在一定的限制。

3. 粒子分散度要求：粒徑計數器對於樣品的分散度要求較高，不均勻分散或聚集的樣品可能影響測量結果的準確性。

同時掌握粒徑分析與顆粒表面細節：電子顯微鏡

除了因應奈米級、微米級的顆粒需求而選擇粒徑分析工具外，若是需要同步分析顆粒的表面形貌與結構，甚至是瞭解該顆粒的化學成分，以瞭解更全面的細節，就會需要使用到電子顯微鏡(TEM/SEM)。電子顯微鏡除了能取得精確尺寸量測、顆粒數量及分佈資訊外，更重要的是，能提供高解析影像直接觀察顆粒形貌。此外，電子顯微鏡依據其類別與品牌，還能因應產業需求搭配不同功能軟體，為產品研發、品質管控、失效分析等提供更多資訊以利於產品線的進度掌控。

舉例來說，金屬加工業使用電子顯微鏡來做材料的粒徑分析，不僅可以知道顆粒大小及分佈，以瞭解其在外力作用下抵抗變形的能力。同時，透過電子顯微鏡的影像做表面分析，還能看金屬元件是否有刮痕，並同步結合EDS做元素分析，取得更完整的資訊來推測其刮痕是來自於髒污或是金屬與金屬間的碰撞等原因造成，就能知道從何處著手改善產品，以增進產品品質及壽命。

總而言之，電子顯微鏡常見於：顆粒形狀不規則、需做單顆粒分析、需瞭解顆粒表面結構分析等狀況，而使用者可依據需求為奈米級或微米級，選擇合適的電子顯微鏡(SEM/TEM)做為觀測設備。

粒徑分析方法	動態光散射DLS	粒徑計數器Particle Counter	電子顯微鏡 SEM/TEM
量測原理	Brownian motio的散射強度變化	常見光阻斷or光散射	電子束散射
特色	推測顆粒尺寸和體積/強度分佈簡單快速，需要液體介質 *不適合形狀不規則或不平均分散	量測顆粒尺寸、數量和分佈比DLS相對精準 *較適合液態顆粒且需為較大顆粒	量測顆粒尺寸、數量和分佈同步提供顆粒表面形貌高解析影像 *可搭配EDS瞭解顆粒化學成分

Phenom SEM 粒徑分析解決方案

多功能的Phenom桌上型掃描式電子顯微鏡為顆粒粉末粒子提供全方位選擇。除了可搭配獨家全自動粒徑分析量測系統功能外，還有因應不同產業客製化的專門機，可產出符合國際標準認證的報告。

全自動粒徑分析量測系統 Particle Metric

Phenom獨家開發的此套系統可藉由自動掃描功能獲得高畫質大面積的圖像數據，能夠詳細蒐集SEM影像中的微米、奈米粉末顆粒的直徑、圓度、長短軸比、凹凸性等數據。

全自動粒徑分析系統使得粉末設計、研發、品質控管帶來新發現和創新，應用範圍廣泛。像是在印刷電路板及被動元件的電鍍工程製程經常使用的金屬錫球，近幾年來迅速擴大範疇為包括電腦、手機等3C數位商品的焊接材料。然而，金屬錫球顆粒不均會影響焊接效果，因此精準的粒徑分析量測結果非常重要。透過Phenom全自動粒徑分析系統，使用者可以依不同樣品，變更粒徑分析條件。藉由調整明暗對比來凸顯外觀輪廓或是變更每個顆粒之間差異程度，來針對特例顆粒進行分析。同時也可以選擇過濾太小的顆粒，來集中分析。

客製化顆粒分析電子顯微鏡：一鍵導入自動化程序

【Phenom ParticleX】客製化顆粒分析專門機系列，可依據產業不同需求提供自動化檢測模板，設定規則即可簡單操作，讓系統自行偵測異物顆粒、自動化EDS分析、自動化分類。

客製化顆粒分析電子顯微鏡提供多種國際標準認證報告格式，可評估產業需求選擇專門機。像是鋼鐵介在物分析專門機有常見的ISO 4967、ASTM E45、ASTM E2142、ASTM E2283、JIS G 0555、IS 4163等，潔淨度分析專門機可產出VDA 19、ISO 16232、彈藥殘留分析專門機可產出ASTM E1588-17等等。

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