چگونه روش مناسب آنالیز اندازهٔ ذرات را انتخاب کنیم؟

پودرها و سوسپانسیون‌های واقعی کروی نیستند. از این رو هر روش، ذرهٔ نامنظم را به‌صورت «قطر کرهٔ معادل» گزارش می‌کند که بر اساس کمیت فیزیکی اندازه‌گیری‌شده تعریف می‌شود. پراش لیزری قطر کره‌ای را گزارش می‌کند که همان الگوی پراکندگی را ایجاد کند، میکروسکوپی قطر معادل سطح تصویر را می‌دهد و الک کوچک‌ترین روزنه‌ای را که ذره از آن عبور می‌کند. متفاوت بودن این اعداد برای یک نمونه خطا نیست، بلکه ذات روش است.

نکتهٔ دوم، وزن‌دهی است. پراش لیزری توزیع وزنی‌حجمی تولید می‌کند و چند ذرهٔ درشت می‌تواند مقدار D50 را به‌طور محسوس بالا ببرد. میکروسکوپی و پراکندگی دینامیکی نور نتایج وزنی‌عددی یا وزنی‌شدتی می‌دهند و ذرات ریز را بسیار پررنگ‌تر نشان می‌دهند. بنابراین گزارش فنی معتبر باید علاوه بر D50، مقادیر D10 و D90، پهنای توزیع (span) و مبنای وزن‌دهی را نیز ذکر کند.

پیش از انتخاب روش، پیشنهاد می‌کنیم به سه پرسش پاسخ دهید: بازهٔ اندازهٔ مورد انتظار چیست؟ آیا شکل ذرات یا تجمع آن‌ها بر نتیجه اثر می‌گذارد؟ آیا داده‌ها با یک مشخصهٔ فنی مقایسه می‌شوند یا برای رتبه‌بندی بچ‌ها نسبت به یکدیگر به کار می‌روند؟ در بیشتر موارد پاسخ این پرسش‌ها مستقیماً روش درست را مشخص می‌کند.

پراش لیزری (ISO 13320) بازه‌ای از حدود ده نانومتر تا چند میلی‌متر را در یک اندازه‌گیری پوشش می‌دهد و در چند دقیقه توزیعی وزنی‌حجمی با اعتبار آماری بالا ارائه می‌کند. در حالت پراکنش تر، سوسپانسیون‌ها، امولسیون‌ها و پودرهایی که در آب یا حلال آلی پراکنده می‌شوند، و در حالت خشک، پودرهای روان قابل اندازه‌گیری‌اند. تکرارپذیری بالا این روش را به انتخاب طبیعی کنترل کیفیت و انطباق با مشخصات فنی تبدیل کرده است.

ورودی حیاتی این روش، مدل نوری است. نظریهٔ Mie به ضریب شکست ذره و محیط و همچنین ضریب جذب ذره نیاز دارد؛ برای مواد زیر یک میکرومتر، انتخاب نادرست ضریب شکست می‌تواند انتهای ریز توزیع را به‌طور چشمگیری جابه‌جا کند. تقریب Fraunhofer فقط برای ذرات درشت و کدر قابل قبول است. بنابراین گزارش معتبر باید مدل نوری و شرایط پراکنش شامل حلال، زمان فراصوت و سرعت هم‌زن را صریحاً بیان کند.

پراش لیزری هیچ اطلاعی دربارهٔ شکل ذرات نمی‌دهد و تجمع محکم ذرات را یک ذرهٔ بزرگ می‌بیند. مقدار D90 بالاتر از انتظار، بیشتر نشانهٔ پراکنش ناقص است تا وجود واقعی ذرات درشت. مطمئن‌ترین راه رفع این ابهام، مقایسه با تصاویر SEM است.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ذرات را مستقیماً تصویر می‌کند. علاوه بر اندازه، شکل، بافت سطح، میزان تجمع و تفاوت میان ذرات اولیه و خوشه‌های ثانویه در یک نگاه آشکار می‌شود. برای مواد صفحه‌ای، سوزنی یا الیافی، قطر معادل حاصل از پراش لیزری معنای فیزیکی چندانی ندارد و اندازه‌گیری طول و نسبت ابعادی بر پایهٔ تصویر بسیار گویاتر است.

بهای به‌دست آوردن توزیع اندازه از SEM، آمار است. توزیع وزنی‌عددی مطابق اصول ISO 9276 به صدها ذره و در توزیع‌های پهن به هزاران ذره نیاز دارد و آماده‌سازی نمونه (پراکنش، پوشش‌دهی) بر نتیجه اثر می‌گذارد. از این رو SEM به‌ندرت به‌عنوان روش روتین مستقل کنترل کیفیت به کار می‌رود؛ ارزش واقعی آن در نقش روش مرجعی است که داده‌های پراش لیزری را تأیید و تفسیر می‌کند.

در مقیاس نانومتر، SEM اغلب تنها روش مستقیم در دسترس است. اندازهٔ ذرهٔ اولیهٔ زیر صد نانومتر را هرگز نباید با قطر هیدرودینامیکی حاصل از پراکندگی نور اشتباه گرفت؛ تفاوت این دو مقدار خود اطلاعاتی دربارهٔ لایهٔ پایدارکننده روی سطح و وضعیت تجمع در پراکنش به دست می‌دهد.

پراکندگی دینامیکی نور (DLS، استاندارد ISO 22412) قطر هیدرودینامیکی را از حرکت براونی در سوسپانسیون‌های کلوئیدی رقیق استخراج می‌کند و در بازهٔ چند نانومتر تا حدود یک میکرومتر بهترین عملکرد را دارد. چون نتیجه وزنی‌شدتی است، چند ذرهٔ درشت یا اندکی گرد و غبار می‌تواند بر نتیجه غالب شود و برای نمونه‌هایی با شاخص پراکندگی بالا، یک مقدار میانگین واحد گمراه‌کننده است. DLS انتخاب معمول برای لیپوزوم‌ها، نانوذرات پلیمری و محلول‌های پروتئینی است.

آنالیز الک با الک‌های آزمون مطابق سری ISO 3310، انتهای درشت بازه را پوشش می‌دهد. برای گرانول‌ها و پودرهای روان بالاتر از حدود ۴۵ میکرومتر، این روش اقتصادی، وزنی‌جرمی و ساده‌فهم است و نتیجهٔ آن مستقیماً با فرایندهای دانه‌بندی صنعتی ارتباط دارد. با این حال مواد مرطوب، الکترواستاتیک یا صفحه‌ای باعث گرفتگی الک و اثرات جهت‌گیری می‌شوند که خطاهای جدی ایجاد می‌کند.

اگر بازهٔ مورد انتظار بین ۰٫۱ تا ۱۰۰۰ میکرومتر باشد، نمونه قابل پراکنش باشد و هدف کنترل مشخصات یا مقایسهٔ بچ‌ها باشد، پراش لیزری نخستین انتخاب است. هرگاه ذرات آشکارا غیرکروی باشند، به تجمع مشکوک باشید یا اندازهٔ ذرهٔ اولیه زیر صد نانومتر باشد، SEM را اضافه کنید. برای سوسپانسیون‌های کلوئیدی رقیق زیر یک میکرومتر از DLS و برای گرانول‌های بالای ۴۵ میکرومتر از الک استفاده کنید. در بیشتر پروژه‌های توسعه، به‌کارگیری هم‌زمان دو روش مکمل، بینشی بسیار فراتر از یک روش به تنهایی فراهم می‌کند.

هر روشی که انتخاب شود، گزارش باید روش نمونه‌برداری و تقسیم نمونه، شرایط پراکنش، مدل نوری، تعداد تکرار اندازه‌گیری و مبنای وزن‌دهی مقادیر D10، D50 و D90 را مستند کند. بدون این جزئیات، مقایسهٔ نتایج دو آزمایشگاه ممکن نیست. در NAKTEM انتخاب روش را همراه با نمونهٔ شما بررسی می‌کنیم و هر جا ارزش افزوده داشته باشد، نتایج پراش لیزری و SEM را در یک گزارش کنار هم ارائه می‌دهیم.