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粒徑分析一篇就懂

粒徑分析一篇就懂!你適合哪種粒徑分析儀量測?

勀傑科技 編著

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。

分析技術沈降法篩分法雷射繞射法動態影像法超聲波衰減法
量測範圍微米Micrometer
量測原理依光量監測沈降速度依篩網大小依散射角度判斷存在性影像分析依超聲波穿過介質衰減幅度
量測時間約半小時約10分鐘迅速迅速迅速
樣品類型固體顆粒(乾粉)固體顆粒(乾粉)乾粉或溶液乾粉或溶液透明至不透明溶液
樣品訊息粒徑粒徑粒徑粒徑、形狀粒徑、濃度
優點簡單低成本快速方便,適用於大顆粒非破壞性、高分辨率可量測形狀等,影像資料詳細。可比較批次差異。適用於透明液體、高顆粒濃度樣品,無需稀釋、高靈敏度
缺點需要時間等待沈降粒徑分布有限,不適用於細顆粒。無法比較批次差異。需要粒子透明度高。無法比較批次差異。高成本儀器,對顆粒分散均勻度要求高測量結果易受氣泡或者懸浮液溫度變化等影響
限制不適用於高濃度懸浮液。粒徑解析度受篩網總數限制樣品需均勻分散,篩孔堵塞可能影響測量結果分析結果受到顆粒形狀和折射率的影響需要高解析度的攝影設備,受樣品濃度限制。要求顆粒物均勻懸浮在液體中,且不能有顆粒物沉降或聚集的情況發生

奈米級粒徑分析方法:

粒徑分析顆粒分佈圖
圖:Phenom桌上型SEM之粒徑分析顆粒分佈圖

微米級方法的主要特點之一是它們主要應用於相對較大的顆粒。這些方法可能包括使用光學顯微鏡、粒度分析儀等儀器來觀察和測量顆粒的尺寸和形狀。這些方法通常相對簡單,可以在實驗室或工業生產線上進行,並且能夠提供有關顆粒特性的基本信息。

然而,隨著我們進入奈米級粒子的領域,情況就變得更加複雜了。奈米粒子的尺寸通常在納米級別,即十億分之一米的量級,這比人類肉眼所能觀察到的範圍還要小得多。因此,我們需要專業的設備和技術來進行奈米級粒子的檢測和分析。

現代科技提供了一系列先進的儀器和技術,用於檢測和分析奈米級粒子:

電子顯微鏡 (SEM):使用電子顯微鏡觀察顆粒的形貌和結構,並測量顆粒的尺寸及分布狀況。這種方法對於細小顆粒和固體樣品的分析非常有用。

動態光散射 (DLS):通過測量顆粒對光的散射模式和強度來推斷顆粒的粒徑和分布。這種方法常用於懸浮液中的粒徑分析。

粒徑計數器 (Particle Counter):使用粒徑計數器可以對流體中的顆粒進行計數和分析。這種方法通常結合光學原理和流體力學來進行顆粒的粒徑測量。

分析技術電子顯微鏡
SEM
動態光散射
DLS
粒徑計數器
Particle Counter
量測範圍奈米Nanometer
量測原理電子束散射透過Brownian motio,依散射變化推算光散射
量測時間30s – 5min5min<1 min
樣品類型固體樣品溶液溶液/氣態
樣品訊息形狀、大小、結構平均粒徑、分散度、濃度粒徑分布、濃度
優點高解析度、能觀察樣品細節非破壞性、快速測量、廣泛應用於溶液和膠體系統快速、高靈敏度、可測量粒子數量和濃度資訊
缺點設備和操作成本較高受多重散射和聚集影響僅能提供總體粒徑數量與分佈、對粒子形狀和結構信息有限
限制需要樣品預處理、測量液態或氣態樣品需特殊前處理無法測量大顆粒、或氣態樣品無法測量太小的粒子

奈米級粒徑分析與原理

奈米級的分析方法大約分為動態光散射、電子顯微鏡、粒徑計數器三種:

奈米粒徑動態光散射DLS電子顯微鏡SEM粒徑計數器Particle Counter
量測範圍(μm)0.0006 ~ 100.0001~0.03~
量測原理Brownian motio的散射強度變化電子束散射光阻斷or光散射
特色簡便快速(量測1分以內)可得到分佈樣品量少(約1ml)可提供奈米級粒子的電子影像,用於觀測粒子表面形貌
可一次確認顆粒樣貌、粒徑大小和分布狀況
除了分佈以外可以看數量

動態光散射(Dynamic Light Scattering)

這是一種常見的粒徑分析技術,通過光的散射現象來測量懸浮液中顆粒的動態行為,包括粒徑、分布和濃度等。

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。

電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)

電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)是一種高解析度的電子顯微鏡技術,用於觀察樣品表面的形貌、結構和成分特徵。

原理:
1. 高能電子束:SEM使用高能電子束掃描樣品表面,與樣品產生交互作用。

2. 散射和偏轉:當電子束與樣品表面的原子或分子交互作用時,產生散射和偏轉的電子。

3. 形成影像:通過SED和BSD偵測器蒐集回彈的電子訊號,形成樣品表面的影像。

優點:
1. 高解析度:電子顯微鏡具有高解析度,能夠觀察微細的結構和形貌特徵。

2. 形貌評估:可以觀察並評估不同形狀、大小和結構的顆粒。

3. 多功能性:電子顯微鏡不僅可以提供粒徑分析資訊,還能觀察表面形態、結構和成分等多個特性。

限制:
1. 成本較高:一般落地式SEM設備和操作複雜,需要專業技能和維護能力,且費用成本較高。
*現今除了落地式SEM,也有桌上型SEM可做選擇,相對費用成本較低且操作直覺,下文會再詳細說明。

2. 樣品處理:SEM需要將樣品前處理(進行固定和真空處理),若透過特殊的樣品前製備方法也可以觀察液態樣品。

粒徑計數器(Particle Counter)

這是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。

原理:
1. 光散射或光堆疊:粒徑計數器使用光散射或光堆疊原理,其中光線照射在粒子上,並檢測和記錄散射或堆疊的光信號。

2. 粒徑計算:根據散射或堆疊光信號的強度和模式,粒徑計數器可推斷粒子的大小,並統計各個粒徑範圍內的粒子數量。

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。

粒徑分析儀器怎麼選?Phenom Desktop SEM電子顯微鏡 – 不只顯微分析,更有獨家粒徑分析軟體!

一般來說,電子顯微鏡跟粒徑分析儀是兩種不同的儀器,大多數粒徑分析的工作,會外包給專門的分析單位去進行,除此之外粒徑分析也需要專門的人員跟儀器才能使用,不同的材料、不同等級的粒徑分析、又有不同的適用儀器,體積巨大,操作費時,如果自行採購對不符合成本考量。

Phenom團隊聽見了使用者的困擾,獨家開發可搭配Phenom桌上型電子顯微鏡的粒徑分析軟體,讓Phenom桌上型電子顯微鏡同時具備可觀測樣品表面形貌與結構,還可以針對顆粒粉末粒子進行專業的粒徑分析。

雖說電子顯微鏡 (SEM) 主要還是注重於表面形貌的觀測,無法完全取代專業粒徑分析儀器,但Phenom桌上型電子顯微鏡的獨家粒徑分析軟體已能滿足大部分使用者的需求,使用者也不用因為一些只是稍微涉及粒徑分析的部分大張旗鼓的求助於外。

Phenom粒徑分析使用者介面
圖:Phenom桌上型SEM之粒徑分析功能使用者介面

體積輕巧,奈米等級影像解析度

來自美國科技領導品牌 Thermo Fisher Scientific 的 Phenom Desktop SEM(桌上型掃描式電子顯微鏡)可輕巧建置於實驗桌上,並達到奈米等級的影像解析度。

Phenom團隊開發的獨家粒徑分析軟體,讓擁有奈米級解析度能力Phenom桌上型電子顯微鏡,是市場上少數能提供完整粒徑分析的桌上型電子顯微鏡。

它同時擁有粒徑分析、多種顯微分析功能(包含:表面粗糙度分析、顆粒分佈分析、元素分析、孔洞分析、纖維量測等),不用同時購買電子顯微鏡跟粒徑分析儀,一切工作一台搞定。

除此之外,它採用FEG場發射燈絲源及CeB6燈絲源,提供高解析度畫面,且燈絲壽命時間分別可達10,000小時及1,500小時以上,直覺操作的使用者介面,加上特殊技術使電子成像速度極快,僅需30秒即可快速獲得觀測樣品的表面形貌、結構、與分佈狀況,再搭配多款獨家Phenom Desktop SEM專門分析軟體,可精準地獲得各項分析數據及相關資訊。

勀傑代理的 Phenom 桌上型 SEM 操作方式簡單,直覺化UI介面,不但可以輕鬆上手,而且僅需一張實驗桌的空間就足夠建置,從此不用再擔憂空間跟技術不足的問題。

Thermo Fisher Scientific 的 Phenom Desktop SEM實操作
圖:Thermo Fisher Scientific 的 Phenom Desktop SEM實際操作

勀傑科技獨領風騷十五年

在粒徑分析領域,隨著科技日新月異,顆粒越看越小,同時擁有顯微分析 + 粒徑分析功能的專業儀器扮演越來越重要的角色。

勀傑是專業的桌上型SEM代理商,加上Phenom獨家開發的粒徑分析功能,可兼顧外觀表面形貌與粒子數據。勀傑協助多種客戶產業,包括學術單位、紡織、汽車工業、衛生署、半導體、金屬工業等,進行專業的顯微及粒徑分析。

除了桌上型掃描式電子顯微鏡等專業儀器之外,勀傑科技還提供專業的顧問服務,從2009年開始,勀傑科技就代理最先進的的電鏡影像相關精密儀器設備,多年以來,我們的技術團隊已經累積了豐富的經驗與能力。

長年累積的服務經驗,讓勀傑可以出色的解決各種相關問題,不管是實驗室環境干擾與監測,還是樣品前製備方法,甚至是粒徑分析與SEM影像各項問題,勀傑都能提供最專業的指導與支持,多年來,勀傑在台灣,中國,以及東南亞地區為廣大客戶提供奈米級電鏡影像解決方案、專業教育訓練與緊急現場協助。

這意味著客戶不需要與多家廠商溝通合作,只要找到勀傑科技就可以直接獲得全面而高效的服務。無論是在學術界還是工業界,勀傑科技都能夠根據客戶問題提供符合需求的解決方案,助您獲得準確而可靠的分析結果。

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