兩種測定膠體穩定性的分析新技術:SPOS和空間時間消光譜圖分析法

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引言：膠體穩定性分析技術

本文主要探討了膠體懸浮液的穩定性控制問題。膠體懸浮液在藥物輸送、軟飲料制造、涂層、拋光等領域有廣泛應用，其穩定性對產品性能、保質期、生產效率和成本控制至關重要。文章介紹了 單顆粒光學傳感技術（SPOS）技術和加速離心分析結合空間光譜（STEP）分析技術在膠體穩定性分析中的作用，SPOS 技術可精確測量粒子大小和濃度，加速離心分析結合STEP技術，空間-時間消光譜圖快速評估膠體穩定性。通過對碳酸鈣漿液、軟飲乳液和 CMP Slurry 等樣品的測量，表明這兩種技術能有效分析膠體樣本的粒徑分布及穩定性。有助于制造商識別不合規格的產品，優化生產工藝，提高產品質量。

關鍵詞：穩定性控制；SPOS 技術；LUMiFuge；粒徑表征；分離分析

本文章的整體框架如下所示：

一、

該文章指出：膠體懸浮液在現代工業生產中具有廣泛應用，如藥物輸送、軟飲料制造、涂層、拋光等領域，其穩定性對產品性能、保質期、生產效率和成本控制至關重要。以往的研究大多關注膠體的某些方面，缺乏對膠體穩定性的全面分析，尤其是 SPOS 和STEP分析相結合的多工具研究，且不同性質和應用的樣品對膠體穩定性的影響尚未得到深入探討。
   

文中應用了 SPOS 和 STEP 兩種技術來對膠體懸浮液的穩定性進行研究，從粒徑及穩定性分析兩大方面對樣品質量進行分析評估：
  （1）SPOS 技術用于精確測量粒子的大小和濃度，尤其對尾端大粒子的檢測具有優勢；
  （2）STEP技術用于測量膠體的分離速率、模擬重力效應估算保質期并提供分離機制信息。
   

為了達到實驗目的，文中使用了 AccuSizer 780 A7000（SPOS技術）進行粒度測量，利用光阻和光散射原理對粒子進行粒徑檢測并計數；使用 LUMiFuge （STEP技術）進行穩定性分析，通過測量樣品在離心過程中的透光率變化來確定懸浮液的分離速率等。這兩種儀器在懸浮液研究中具有重要作用，能夠滿足對懸浮液穩定性分析的需求。本文選取碳酸鈣漿液、軟飲乳液和 CMP Slurry 等樣品作為實驗對象

二、

采用AccuSizer 780A (SPOS)對兩種碳酸鈣漿液進行測量其結果如下所示，結果展示：

圖2.1 兩種碳酸鈣漿液的粒徑分布

如圖所示，橫坐標是粒徑，縱坐標是體積權重，樣品2的平均粒徑更低，但大顆粒占比更高（如＞20 μm顆粒），樣品1的分布更加均勻，大顆粒占比相對較少。

采用LUMiFuge對兩種碳酸鈣Slurry進行測量其結果如下所示，結果展示：

圖2.2 兩種碳酸鈣漿液的穩定性指紋圖譜

如圖所示，橫坐標為樣品管位置，縱坐標為透光率，指紋圖譜線條由下至上描繪反映其檢測過程中樣品透光率的變化，樣品1（左）的分離分析表明，在很短的時間內，無顆粒的液固界面向測量樣品池底部移動并接近最終沉積物高度。這種變化的發生方式表明，沉降是其發生變化的主要機制。樣品2（右）曲線從左到右的移動也表明了樣品2的沉降趨勢。該指紋圖譜表明，大顆粒通過聚集或絮凝澄清發生部分沉降。

結合SPOS結果來看，樣品1粒徑偏大，相較來說更重，在LUM離心過程中迅速到樣品管底部，這和樣品管的透光率變化是一致的，樣品2更偏多分散體系，對應的在LUM圖譜中有多個起峰，進一步佐證樣品2是多分散體系。

圖2.3 兩種軟飲的粒徑分布

如圖所示，橫坐標是粒徑，縱坐標是體積權重，很明顯，標記為壞的樣品不如標記為好的樣品穩定，這在很大程度上是由于大顆粒數量的增加。對制造商來說，更重要的是要獲取“壞"樣品的保質期。這一類型的信息可以從LUM的軟件分析中計算出來。

采用LUMiFuge對兩種軟飲進行測量其結果如下所示：

圖2.4 兩種軟飲的穩定性指紋圖譜

如圖所示，橫坐標為樣品管位置，縱坐標為透光率，指紋圖譜線條由下至上描繪反映其檢測過程中樣品透光率的變化，很容易顯示出“好"和“壞"樣品之間的差異。圖2.4(B)好的樣品在1200倍重力作用下測量40分鐘，模擬了大約35天的重力對樣品的作用后基本保持透光率不變，說明樣品穩定性更佳，并且大粒子較少，引起透光率變化不大，這一結果同SPOS結果一致，。另一方面，圖2.4(A)中所示壞的樣品隨著時間的推移，測量池底部的顆粒開始向溶液的頂部上浮，導致池底部的乳液得到一定程度的澄清。通過繪制液固界面隨時間的運動圖，可以計算出上浮分離速率。在這種情況下，分離速度是275微米/天或大約2厘米/周。

圖2.5 兩種CMP Slurry的粒徑分布

如圖所示，橫坐標是粒徑，縱坐標是粒子濃度，Accusizer 結果顯示Slurry1濃度更高，均一性更好；Slurry2濃度更低，且含有一定比例的大于2微米的粒子；

圖2.6 兩種CMP Slurry的穩定性指紋圖譜

如圖所示，橫坐標為樣品管位置，縱坐標為透光率，指紋圖譜線條由下至上描繪反映其檢測過程中樣品透光率的變化，LUM 結果顯示樣品在120倍重力下離心30分鐘。SlurryA透光率在離心分析中保持基本不變，說明其穩定性較好，這與SPOS結果里樣品1（SlurryA）分布較窄，均一性更好的結果相一致；SlurryB在離心分析中呈現沉降狀態，在這一過程中可能發生了聚集和絮凝，兩者都表示顆粒大小的增加。從SPOS結果里看到樣品2（SlurryB）含有一定比例的大于2微米的粒子,這是引起其透光率變化的主要原因。

三、

本實驗分別對碳酸鈣漿液/軟飲/CMP Slurry的粒度和穩定性做了表征，通過其實驗數據我們可以直觀對其質量做出評價，包括對其進行工藝篩選，配方優化等

通過對樣品穩定性的研究，我們深刻認識到AccuSizer（SPOS技術）和LUMiFuge（STEP技術）等儀器在樣品研究中的重要性，AccuSizer顆粒計數器（SPOS技術）作為一種定量檢測技術，能夠精確地測量粒子的大小和濃度，為我們提供了關于粒徑分布的詳細信息，尤其是對尾端大粒子的檢測，有助于我們及時發現slurry中的異常情況。

LUMiFuge（STEP技術）是一種能夠快速表征分散體系（乳液或懸浮液）中不穩定現象（如漂浮或沉降）的設備。它是一種多樣品分析離心機，能夠計算離心場中的透光率變化以及粒度分布。作為一種定性測量技術，在膠體穩定性分析中發揮了關鍵作用，它不僅能夠準確測量分離速率，模擬重力效應以快速估算樣本的保質期，還能提供分離機制信息，幫助我們深入研究樣品的穩定性。此外，LUMiFuge多樣品分析的能力大大提高了分析效率，滿足了大批量樣品的檢測需求。同時，兩種技術的測量結果可以互相印證，確保其測量準確性，進一步減少表征誤差。

在未來的研究和生產中，我們應充分利用這些儀器的優勢，深入開展樣品穩定性的研究工作，不斷優化生產工藝，提高產品質量，降低生產成本。

四、

Entegris生產的AccuSizer系列顆粒計數器（原美國 PSS 粒度儀公司）采用單顆粒光學傳感技術（Single Particle Optical Sizing，SPOS）和自動稀釋技術，檢測范圍從納米級到微米級，不僅能給出粒徑大小，還能對樣本中顆粒數目進行定量計數。尤其能精準地計數出對于光散射和激光衍射方法檢測不到的極少數的大粒子（Large Particle Count，LPC）。自動稀釋技術解決了其他技術手段無法解決的對高濃度樣本進行顆粒計數的難題。

圖4.1 SPOS原理及Accusizer自動稀釋原理圖

此外，對樣品進行穩定性分析至關重要，樣品的穩定性直接影響到相關產品的質量。例如，在化學機械拋光（CMP）漿料中，樣品不穩定可能導致大顆粒的出現，從而刮傷硅片表面，影響拋光效果；在涂料中，樣品不穩定可能導致涂層不均勻、附著力差等問題。同時樣品穩定性還能判斷產品保質期，不穩定的樣品容易發生分離、沉淀或聚集等現象，從而縮短產品的使用壽命。 LUMiFuge（STEP技術）原理如下圖所示，將樣品管橫置到儀器中，設置好相關參數后儀器開始離心，在離心過程中，樣品管會循環反復通過光源和檢測器，檢測器就可以檢測到離心過程中樣品管各位置的透光率變化，從而繪制出透光率圖譜，根據這一圖譜可以看出樣品粒子在溶液中的運動變化，并且從該圖譜中軟件會根據算法生成不穩定性指數以對比反映不同樣品間的穩定性差異。

圖4.2 STEP原理圖

了解樣品的穩定性有助于優化生產過程。不穩定的樣品可能會導致生產過程中的問題，如堵塞管道、設備故障等，從而降低生產效率。通過穩定性分析，可以采取相應的措施來避免這些問題，提高生產效率，減低生產成本。

參考文獻

《A Multi-tool Approach to Colloid Stability: SPOS and Separation Analysis》