結合實時動態光散射與SPOS技術來研究大部分亞微米分散系的穩定性

結合實時動態光散射（DLS）與（SPOS）技術來研究大部分亞微米分散系的穩定性

脂質分散體主要含有亞微米粒徑范圍的顆粒，是使用動態光散射（DLS）和單顆粒光學傳感技術（SPOS）進行尺寸分析的理想候選。我們的AccuSizer 388 混合儀器系統結合了兩種系統同步測試，以超高的分辨率產生一個粒徑范圍非常寬泛的粒徑分布。DLS子系統提供了對整個粒徑分布的“粗線條”描述，通常使用簡單的高斯分布或對數法線形圖，其中分辨率受到DLS集成特性的限制，需要數據反演技術。所得到的平均直徑和標準偏差可用于確定顆粒制造過程的終點狀態(如研磨、均質化、乳液聚合等)。補充的SPOS子系統提供了初級粒子/聚集體的外圍大直徑尾部的圖像，這可以大大改善與分散有關的終產品的質量。自動稀釋(Pat.)和專門的數據分析技術允許兩個子系統的PSD結果可以定量耦合。

通過結合動態光散射(DLS)和單粒子光學傳感技術（SPOS）可以改進亞微米膠體分散體(如聚合物、乳膠和樹脂分散體)粒徑分布的定量表征。這兩種截然不同的技術是天生互補的，對于大多數亞微米顆粒的分散，DLS+SPOS產生的粒徑分布結果相比兩種流行的技術經典米氏散射（MS）和夫瑯禾費衍射（FD）的結果有更高的精度和分辨率。

對于主要由亞微米顆粒組成的膠體系統，特別是在折射率接近于溶劑的情況下，DLS的結果往往優于MS產生的結果，因為懸浮液中顆粒的擴散率不受其組成的影響，對于充分稀釋的懸浮液，則不受濃度的影響。然而，即使DLS可以對乳劑的粒徑分布提供2個良好的參數來體現高斯分布，由于用來反演自相關函數的原始數據需要數學過程進行修飾，因此其精度和分辨率在本質上受到限制。DLS技術的一個具體限制是，它不能可靠的產生粒徑分布中大顆粒尾部的小體積分數，不幸的是，這些外圍粒子通常非常重要。首先，它們通常顯著影響物理特性（如粘度，光澤）和終產品的整體質量。其次，它們可以引起一個膠體系統不穩定的早期跡象，例如乳液分層。相比之下，SPOS技術具有較高的分辨率。根據定義，它能一次一個單獨地確定粒子的大小，它的性也相當好。因此，SPOS可以提供一小部分外圍粒子的定量表征，而這是單靠DLS分析無法可靠推斷的。SPOS的基本原理非常簡單，含有懸浮粒子的液體經過一個小的視野體積，一個薄的（25-40μm）典型的由激光二極管產生的片狀發光區域。懸浮液被充分稀釋（例如通過連續的指數稀釋），使粒子一次通過一個視圖體積，從而避免重合。使用兩種物理技術中的一種來檢測粒子并分別測定大小。

對于大于1.3μm的粒子，采用光阻法是有效的，在這種情況下，檢測器之于光源在流動通道的兩側。在沒有粒子的情況下，探測器接收到的光照，當一個粒子進入光區時，一小部分被照亮的區域被有效地阻擋，這主要是由于該粒子類似一個小透鏡，使光線折射遠離對面的探測器。（另外，次要效果包括光散射和吸光度）。一個小的、負的脈沖輸出到探測器，脈沖高度和粒子直徑的平方成比例（直徑小于視野體積）。以每秒7500~10000個粒子的速度經由標準校準曲線構建出粒徑分布。

對于小于約2μm的粒子，光散射法（LS）提供了單個粒子檢測的高靈敏度。散射光從光區的某一個立體角度范圍內收集到，來優化傳感器的響應曲線，終結果使在較寬的折射率范圍內，脈沖高度隨粒子直徑平穩而單調的增加。我們設計了一種結合光散射效應和光阻效應混合的傳感器：LS+LE。這帶來了高靈敏度的理想特性，LS響應提供（小直徑≥0.5μm），LE響應提供（大直徑400-500μm），結合一個較大的動態尺寸范圍。為了避免粒子重合，允許濃度上限是大約10000個粒子/mL。

SPOS技術產生真實的粒徑分布，一次測試一個粒子，它具有特殊的分辨率，良好的精度和良好的重現性（給定足夠的采樣統計數據）。原始粒徑分布數據不需要任何的數學操作。這一特性與集成技術、DLS或者MS和LD的要求形成了鮮明的對比。在這些方法中，所有大小的粒子同時對信號產生貢獻，需要反演算法來提取多只是一個近似的粒徑分布。因為它們是經過修飾的，這些反演技術不能可靠的解釋微妙的、真實的粒徑分布的特征（只涉及到一小部分的粒子數量），結合DLS-SPOS方法來表征大多數亞微米膠體體系，如聚合物分散體是非常*的。對于各種各樣的此類系統，DLS提供了真實粒徑分布的良好“粗線條”圖像，為分布提供可重復的結果，這些分布可近似為高斯形狀或充分分離的雙峰。這提供了一種有效的方法來監測各種生產過程，包括油/水乳液的均質化和乳膠的乳液聚合。

DLS技術提供了一種快速的，可重復的方法來確定每一個工藝過程下的結果。當然，DLS顯著的缺點是它不能提供關于PSD細節的定量的可靠信息。相比之下，SPOS是理想的測量PSD細微特征的方法，特別是過大的原始顆粒和聚合物。在給定的尺寸范圍內所包含的顆粒的體積，以及他在分散相（乳狀液滴、乳膠珠等）的總體積中的比例，可以容易、快速、的測定。因此，DLS-SPOS組合系統中SPOS部分適用于評價膠體體系的質量，前提是工藝過程下的終點結果是達到預期的。

代表性結果：

圖一顯示了使用一定量的乳化劑生產的稀乳液（醋酸乙烯酯）的DLS得到的體積加權粒徑分布。這個簡單的2參數PSD由原始強度加權結果計算得到，通過累積量分析得到。體積加權平均直徑為323.6nm，標準差為36.9nm（占平均直徑的11.4%）低卡方值0.287表明高斯分布的結果是可靠的。

Figure 1 相關乳化劑的DLS結果

圖2顯示了使用帶LE型傳感器（AccuSier780，PSS）的SPOS技術對同一乳液（1ml注入100ml水）獲得的粒徑分布，這顯示了乳膠滴分布的尾部，它定義了粒徑分布的上限邊緣。結果表明，注入本儀器自動稀釋系統的乳膠液總量為58226個粒子，其中大于1μm的乳膠液總量為0.024%，圖2中的衰減圖標識實際的粒子數，它看起來是平滑的，因為每個通道中計數的粒子數量與統計波動相比很大。

Figure 2 相關乳化機的SPOS結果

圖3顯示了DLS測試相同乳劑的體積粒徑分布，只是這次是一個沒有乳化的批次。如預期的一樣，由于沒有乳化劑，平均粒徑增加了，因此，與（圖1）用乳化劑制備的批次相比有明顯的差異。此外，標準偏差表明顆粒已經凝聚或凝結在某種程度上，因此形成了更大的顆粒的群體。

Figure 3 沒有乳化劑的DLS相關結果

圖4顯示了不適用乳化劑生產的乳狀液（同樣1ml乳狀液加入到100ml的水中）的粒徑分布。在這種情況下，發現大于1μm的粒子數為90075，幾乎是另一個樣本整個乳膠注入量（圖2）的2倍，尾部顆粒占了注入乳膠總量的0.634%。由于粒徑分布的尾部延伸到了更大的直徑，因此這個占比要比另一個樣本大得多。事實上，它的形狀與此（圖2）明顯不同.

Figure 4 沒有乳化劑的SPOS結果

結論：

這些結果與*的一致，觀察發現乳化劑的加入不足會使乳化劑失效，導致聚合物乳液的不穩定，通常導致異常粒子的急劇增長。超大型顆粒的數量和平均粒徑都有很大的增長，因此，可以會出現一個急劇增加的體積分數的異常值。然而，盡管有這種增加，這一比例的值通常很小，足以保持不變并不被集成分析技術發現，特別是夫瑯禾費衍射。

結合DLS+SPOS技術是兼容的，并且滿足研究實驗室以及QC/生產環境的要求。SPOS是擴展DLS方法用于粒度分析的*工具，它提供了一種快速、簡單和可重復性的定量表征終聚合物乳液產品質量的方法。SPOS可以對實際情況進行定量的測量粒子的數量和大小，這些例子大多數是亞微米的粒徑分布上面的區域。顯然，它是光學顯微鏡的一個非常有吸引力的替代品，光學顯微鏡是一種冗長、耗時、主觀且統計有限的技術。由SPOS確定的顆粒異常值的體積分數為各種膠體懸浮液和分散體的質量和穩定性提供一個寶貴的窗口。