2.9.31激光衍射法粒径分析（Ph.Eur.7.1）

2.9.31激光衍射法粒径分析（Ph.Eur.7.1）
2.9.31 激光衍射法粒径分析
该方法以ISO 13320-1（1999）和9276-1（1998）标准为基础。

说明
用于检测粒径分布的激光衍射技术以分析粒子暴露于单色光中产生的衍射光为基础。

早期的激光衍射仪仅用于很小角度的散射。

但是，较宽角度范围的激光散射和Mie理论的应用，另外还包括夫琅和费近似和不规则衍射的应用后，该技术被拓宽了。

该技术不能区分单个粒子和原粒子的凝集引发的散射，例如，不能区分附聚体和聚合体。

因为多数样品包含附聚体或聚合体，然而重点通常原始粒子的粒径分布，在检测前，这些凝集通常被分散成原始粒子。

对于非球形粒子，由于假设光学模型下为球形粒子，所以会得到等球体的粒径分布。

这样粒径分布结果可能不同于其他分析方法得到的结果（如，沉降法，筛分法）。

本章节提供在不同分散体系中分析粒子的衍射角来检测粒径的指导，例如，粉末、喷雾、烟雾、悬浊液、乳浊液和液体中的气泡。

该方法对特殊产品的粒径检测没有特别的要求。

原理
代表性样品分散于适当浓度的液体或气体中，并且通过一组单射光，通常为激光。

利用多元检测器检测粒子各种角度的散射光。

记录散射光的数值用于后续的分析。

使用合适的光学模型和数字程序将这些散射光值转换成一个尺寸级的离散数量与总体积的比例，形成粒径容积分布。

仪器
检测仪器应置放于一个没有电子噪音、机械震动、温湿度变化和直射光线影响的环境。

一种激光衍射仪的示意图2.9.31-1。

也可以使用其他的仪器。

1. 暗室
2. 散射光
3. 直射光
4. 傅立叶透镜
5. 透镜未聚集的散射光
6. 粒子
7. 光源
8. 光处理单元
9. 透镜的工作距离（4）10. 多元检测器11. 透镜聚焦距离（4）
图2.9.31-1 一种激光衍射仪示意图
该仪器由一个激光光源，光处理器，样品检测装置（或池），傅立叶透镜和检测散射光的多元检测器组成。

数据系统要求将重叠的散射光数据处理成粒径容积分布，并且分析相关数据和报告。

粒子可以从两个位置进入激光束中。

常规情况下，粒子在聚焦透镜前及其工作距离内进入平行光束中。

在所谓的反傅立叶光学中，粒子从聚焦透镜后进入汇集的光束。

常规装置的优点是合理的路径长度允许在透镜的工作范围内。

第二种装置仅允许小的路径长度，但是允许在较大的角度检查散射光，这对检测亚微粒非常有用。

入射光与总的分散粒子的相互作用在不同的角度导致不同强度的散射光。

由入射光和散射光组成的总角强度分布，在一个透镜或一系列透镜的作用下聚集于多元检测器。

这些透镜引起了在限度范围内散射光，且并不依靠粒子在光束中的位置。

因此，连续的角强度分布由一个检测器单元转化成离散空间强度分布。

根据假设，检测到的全部粒子的散射光等同于所有单个粒子在任何位置的散射光的总和。

注意，仅仅是在限制角范围内的散射光被透镜聚集，然后被检测器检测。

方法的发展
激光衍射对粒径的检测能提供重现的数据，甚至在亚微米区，小心控制使用的仪器和检测的样品来限制测试条件的变化（例如，分散介质，样品分散液的制备方法）。

传统上，使用激光衍射来检测粒径已被限制在0.1μm-3mm范围
内。

由于近期透镜和设备设计的更新，一些新的仪器可能超过这个检测范围。

使用者要用验证报告来证实使用方法的适用性。

取样取样技术必须能得到有代表性的样品，且需满足粒径检测的适合体积。

可以应用样品分裂技术例如旋转锥形分样器和四分法。

分散程序的评估肉眼或使用显微镜观察待测样品，评估他的粒径范围和形状。

分散程序需根据检测目的来调节。

该目的为尽可能好的解附聚体为原微粒，或者更好的保留聚合体。

这样，检查结果既可能为原微粒也可能为聚合体。

方法开发确认没有经过研磨，相反，分散的微粒或聚合体更符合要求。

这通常可以通过改变分散能量和监控粒径分布的改变来得到。

当样品很好的分散且粒子既不易碎也不易溶的时候，检测到的粒径分布必须没有显著变化。

并且，如果生产工艺（如，结晶，粉碎）改变时，该方法的适用性必须经过确认（如，微观对比）。

喷雾，烟雾和液体中的气泡可以直接检测，只要他们的浓度适宜，因为取样和稀释通常会改变粒径分布。

其他情况（如，乳状液、膏剂和粉末），有代表性的样品可以被分散在合适的液体中。

分散剂（润湿剂，稳定剂）和/或机械力（如，搅拌，超声）通常应用于凝聚体的解凝聚作用和分散体系的稳定作用。

因为这些液体分散、再循环系统的使用很普遍，这些系统由光学检测池，通常安装有搅拌器和超声装置的分散浴，泵和导管组成。

只有少量的样品或者使用特殊分散液时，非再循环搅拌器是很有用的。

干粉也可以使用合适的干粉分散剂转换成烟雾剂，不过需要机械力解凝聚作用。

通常，使用压缩空气或者真空压差来将微粒吹进检测区，通常是使其进入收集微粒的真空单元来使微粒分散成烟雾剂。

但是，自由流动，粗糙的微粒或颗粒，重力作用就可能足够分散这些微粒。

如果最大的粒径超过了仪器的分析范围，那么这些物质能被筛除，筛除的质量和百分比可以被报告出来。

但是，过筛之后需要注意，该样品已经没有代表性，除非有其他的证明。

最佳化液体分散用来分散粉末的液体、表面活性剂和分散剂必须
符合：
-能使测定方法下的激光透过，且无气泡或微粒；
-有不同于待测物质的折射率；
-不溶解待测物质（纯液体或过滤过的饱和溶液）；
-不改变待测物质的粒径（如，溶解，助溶或结晶）；
-促进聚集和稳定分散；
-与仪器中使用的物质协调（如，O型环、垫圈、管道等）；
-有合适的粘度促进再循环，搅拌和过滤。

表面活性剂和/或分散剂经常用于润湿微粒和稳定分散作用。

对于弱酸和弱碱，在低或高的pH值下，分散媒介的缓冲作用有助于识别合适的分散剂。

可用肉眼或显微镜初步检查分散情况。

也可以采用从混匀的储备分散剂中分馏出来的样品。

这种储备分散剂是在样品中加入液体，使用例如，玻璃棒、刮刀或涡流混合器混匀而形成的。

此时必须小心确保代表性样品的转移和预防较大微粒沉淀的产生。

因此，样品糊的制备或取样需快速的在搅拌着的悬浮液中进行。

最佳化气体分散对于喷雾和干粉分散，可以使用不含油、水和微粒的压缩空气。

可以使用带过滤器的干燥器从压缩空气中去除这些物质。

任何的真空装置均应该远离检测区域，以免对检测结果造成影响。

检测范围为了使检测器的信噪比合格，微粒在分散剂中的浓度必须超过最小水平。

同样，为了避免多次散射，微粒的浓度也必须低于最大水平。

微粒的浓度范围受激光束宽度、检测区的光路长度、微粒的光学性能和检测器的灵敏度的影响。

考虑到上述情况，必须在不同浓度检测，为典型样品的检测测定适当的浓度范围（注意：不同仪器，微粒浓度通常表示不同尺寸和不同的粒径分布，例如，模糊，光密度，总质量的比例）。

测量时间的测定测量时间，检测器读取时间和采集频率决定了试验的精密度。

一般来说，测量时间允许检测器在较短的时间间隔内多次扫描。

适当的光学模型的选择很多仪器使用夫琅和费或者Mie理论，虽
然其他理论有时也应用于扫描阵矩。

待测物质理论模型的选择是以设计的用途和不同的假设为基础的（粒径，吸光度，折射率，粗糙度，晶体取向，混合物等等）。

如果折射率值（检测波长的真实值和虚拟值）不确定，那么可以使用带有真实估算折射率的夫琅和费近似或Mie理论。

前一种方法较有优势，因为他简单且不需要折射率；后一种通常需提供小微粒的粒径分布。

例如，夫琅和费模型用于透明的小微粒的检测，那么明显会计算大量的小微粒。

为得到可追溯的结果，有必要将使用的折射率形成文件，因为复折射率中真实部分和虚拟部分的微小区别将引起粒径分布结果的较大差异。

折射率中虚拟部分的较小值（约0.01-0.1）经常应用于微粒表面粗糙度中吸光度的校正。

应该注意，一般待测物质的光学性能，包括结构（例如，形状，表面粗
糙度和多孔性）都会影响到最终结果。

验证应该通过专属性、线性、范围、准确度、精密度和耐用性来评估该方法的有效性。

激光衍射分析粒径时，ICH中定义的专属性在这里不适用，因为他不能区别样品中的不同组分，也不能区别分散粒子中团块，除非有合适的显微技术辅助。

浓度与响应之间的线性关系，或者内插法数学模型不适用于该方法。

该方法要求定义检测结果没有显著变化时的浓度范围，而非评估线性。

该范围以下的浓度会导致信噪比达不到，而范围以上的浓度会导致重复的散射。

该范围大多数由仪器的硬件决定。

准确度需要通过合适的仪器鉴定和与显微技术对比确定，而精密度由重复检测的平均值决定。

方法可达到的重复性主要由物料的性质（是否粉碎，坚硬或易碎，较宽的粒径分布等）决定，然而要求的重复性由检测目的决定。

本章节不能规定限度，因为不同样品的重复性可能略微有不同。

但是，对规定分布中值（如，X50）重复性的可接受标准如S rel≤10%（n=6）的做法很好。

侧边分布值（如，X10或X90）可以放宽可接受标准如S rel≤15%（n=6）。

10μm以下，这些值需要做两份。

耐用性可以在分散剂和分散力的选择值和最佳值之间进行。

分散作用的改变可以在粒径分布的改变时监控。

检测
预防法操作手册中的使用说明如下：
-不要观察激光束的直射路径或反射路径；
-将所有的仪器部件接地以防止静电使溶剂燃烧或粉尘爆炸；
-检查装置（如，预热装置，要求的检测范围和透镜，适当的工作距离，检测器的位置，没有日光直射）；
-使用湿分散剂时，应避免气泡，液体蒸发，波纹或其他异质性情况；同样的，在分散剂中应避免不合适的质量流或干分散剂时的空气流；这些情况都可能导致错误的粒径分布。

被分散样品的光散射检测
光学部件的同轴后，必须使用同一方法做空白检测。

背景信号必须在合适的阈值以下。

检测数据应被保存，并从检测的样品中扣除。

用成熟的方法检测样品。

对于每个检测器，计算平均信号，有时也计算其标准偏差。

每个检测器信号的大小由检测面积，光强度和量子效率决定。

检测器的纵坐标（尺寸和位置）和透镜的焦距决定每个检测器散射角的范围。

大多数仪器也检测激光束的中心（集中的）强度。

分散样品的强度与其吸收（空白检测）的比例表示散射光与其浓度的比率。

散射图转换成粒径分布图
该去重叠步骤为反计算散射图谱得到粒径分布的过程。

假设的微粒为球形粒子非常重要，因为很多算法是使用数学方法来计算球形粒子。

而且，测量的数据也包含一些偶然误差和系统误差，这些误差可能会影响粒子分布。

有几种数学方法已使用于现在的仪器。

其中也涵盖了测量和计算散射图之间的偏差（如，最小二乘法），一些约束条件（如，粒子数量的非负性），和/或粒子分布曲线的平滑性。

对每个设备的模型和制造，有其特有的算法。

不同仪器之间算法的差异可能导致计算粒径分布的差异。

平行检测平行检测的次数（使用单个的样品）由所要求检测的精密度决定。

建议按照特定物质的方法设置。

结果报告
粒径分布数据通常报告成累积分布和/或体积的密度分布。

“x”用来表示粒径，依次定义为当量球体的直径。

Q3(x)表示粒径在x时的容积率。

在图示中，x表示横坐标，Q3表示纵坐标。

大多数普通的性状值都是使用内插法由粒径分布计算而来。

10%、50%和90%（分别用x10、x50和x90表示）经常用来表示粒径。

x50也成为粒径中值。

“d”也被广泛的用来表示粒径，所有“x”可能被“d”代替。

另外，关于样品制备、分散条件和分散槽类型必须文件化。

由于特殊的仪器、数据分析程序和光学模型使用也会影响结果，所有这些也必须文件化。

仪器性能的控制
依据生产商的说明书使用仪器，根据仪器的使用和待测物质的性质，以适当的频率对仪器进行确认。

校验激光衍射系统，虽然是通过假定粒径的理想状态，但还是以激光散射的第一原理为基础。

因此，严格意义的校验是不做要求的。

但是，仍然有必要确认仪器的操作是否正确。

这个可以使用任何已鉴定合格并符合工业操作的标准物质来进行。

整个检测程序需要检查，包括样品收集、样品分散、样品通过检测区的传递、检测和去重叠方法。

有必要将操作方法描述完整。

首选的标准物质为已知粒径分布的球形粒子。

他们必须按照粒径分布质量百分比使用独立的技术来鉴定，如果有的话，使用经过批准的详细的操作方法。

如果Mie理论用于数据分析的话，有必要将物质折射率的真实部分和虚拟部分指明。

粒径分布以体积表示与用质量表示相当，对于所有尺寸段，粒子的密度一致。

要考虑激光衍射仪器的响应符合要求，至少3次独立检测的x50的平均值不偏离3%的经鉴定标准物质的范围值。

x10和x90的平均值不偏离5%的经鉴定标准物质的范围值。

10μm以下的，这为这些值的两倍。

虽然使用的物质为球形的更好，但是非球形的也可以使用。

最好是，通过经批准的详细的激光衍射方法鉴定或得到的有代表性的值。

使用来自方法而不是来自激光衍射的标准值会导致明显的偏差。

导致
该偏差的原因是不同检测方法中使用的不同原理可导致不同非球体粒子的不同的球当量直径。

虽然已被鉴定的标准物质是首选，但是其他明确定义的标准物质也可以使用。

他们由典型组分的物质和指定级别粒径分布的物质组成。

粒径分布已被证明一直稳定。

结果必须与原先的检测数据一致，精密度和偏离也与已被鉴定的标准物质一致。

系统确认除了校验以外，仪器性能必须有规律的或经常校验。

这个可以使用上文提到的合适的标准物质来进行。

系统的确认以设备、电子仪器、软件、和积分系统为基础，这些可以作为一个整体来评估。

因此整个检测方法都被检查，包括样品收集、样品分散、样品在整个检测区的传递、检测和去重叠方法。

有必要将操作方法描述完整。

一般来说，除非单个的专论中另有规定，激光衍射仪器的响应符合要求，如果x50的值不偏离10%的标。