【應(yīng)用】使用藍(lán)光源和紅外光源在分散體系穩(wěn)定性分析中所獲得的背散射光強(qiáng)度
【應(yīng)用】使用藍(lán)光源和紅外光源在分散體系穩(wěn)定性分析中所獲得的背散射光強(qiáng)度
分散體系在生活中隨處可見(jiàn),如:食品工業(yè)的沙拉醬和雞尾酒;化妝品和藥品中的面霜和乳劑;建筑工業(yè)中的多相清潔劑、乳膠漆或封漿等。對(duì)于這些產(chǎn)品,分散穩(wěn)定性是非常重要的指標(biāo),測(cè)量分散體系的穩(wěn)定性也是科研人員的必要工作。
采用多重光散射技術(shù)能夠幫助研發(fā)人員準(zhǔn)確量化分散體系的穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)測(cè)量中,這種技術(shù)采用近紅外光作為測(cè)量光源。其存在一個(gè)問(wèn)題,當(dāng)分散體系(尤其是乳白色)濃度較低,或者粒子的直徑小至納米級(jí)別時(shí),測(cè)量得到的光強(qiáng)信號(hào)非常低,也就是獲得的信噪比很低,從而對(duì)失穩(wěn)分析的準(zhǔn)確性產(chǎn)生負(fù)面影響。為了解決這一問(wèn)題,DataPhysics 公司開(kāi)發(fā)了一款以藍(lán)光替代紅外光源的新型穩(wěn)定性分析儀。本文介紹了藍(lán)光源穩(wěn)定性分析儀和傳統(tǒng)近紅外光源穩(wěn)定性分析儀在測(cè)量不同粒徑和濃度的商用聚合物微球懸浮液(polymer microsphere suspension,以下簡(jiǎn)稱PMSs)時(shí)所得到的光強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量對(duì)比。
【技術(shù)和方法】
德國(guó) DataPhysics 公司生產(chǎn)的MS20穩(wěn)定性測(cè)量?jī)x(多重光散射儀)是一款分散體系穩(wěn)定性分析的測(cè)量系統(tǒng)(圖 1)。適用于液體分散體系(特別是懸浮液和乳液)的穩(wěn)定性和老化分析,以及隨時(shí)間變化和溫度依賴的不穩(wěn)定機(jī)制進(jìn)行綜合表征的測(cè)量儀器。
圖1:DataPhysics 公司的MS20穩(wěn)定性測(cè)量?jī)x(多重光散射儀)帶有6個(gè)獨(dú)立的掃描塔
【測(cè)量原理】
裝有分散液的樣品瓶放置于MS20穩(wěn)定性測(cè)量儀(以下簡(jiǎn)稱MS20)一個(gè)測(cè)量塔中。測(cè)量塔內(nèi)配置一個(gè)光源和一個(gè)與光源相同高度放置的檢測(cè)器用于測(cè)量透射光,另外一個(gè)光源與該檢測(cè)器呈45度角用于測(cè)量背散射光(圖2)。
圖2:測(cè)量原理
測(cè)量時(shí),光源和檢測(cè)器沿著樣品瓶同步上下移動(dòng),掃描獲取不同樣品高度來(lái)自樣品的散射光強(qiáng)度信號(hào)。得到透射光和背散射光譜圖,對(duì)譜圖分析計(jì)算,獲取樣品中的任何微小變化信息,如:粒子的運(yùn)動(dòng)方向及速度,粒子的平均粒徑,粒徑分布,是否發(fā)生絮凝與聚并等。采用近紅外光作為光源(IR塔)的MS20已作為市售的成熟產(chǎn)品,多年被廣泛用于分散體系穩(wěn)定性測(cè)量。
根據(jù)米氏散射理論[2],透射光和背散射光強(qiáng)度不僅與分散體系的體積濃度、粒子的大小和類(lèi)型相關(guān),光源的波長(zhǎng)也同樣決定了散射光的強(qiáng)度。為了獲取納米顆粒的液體分散體系的更高的透射光和背散射光強(qiáng)度值,DataPhysics公司推出了一款新型的波長(zhǎng)為470nm的藍(lán)色光作為光源的MS20的掃描塔(以下簡(jiǎn)稱藍(lán)光塔)。這將拓寬MS20的應(yīng)用范圍,對(duì)粒徑較小的納米顆粒分散體系仍能準(zhǔn)確測(cè)量。
【測(cè)量】
如下表1,樣品為市售的已知粒徑和體積濃度的PMS懸浮液。將每種PMS懸浮液20ml倒入透明玻璃樣品瓶中,在25℃下,每間隔13秒測(cè)量一次,總測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為40秒。測(cè)量樣品高度從0毫米(玻璃瓶底部)至57毫米(玻璃瓶頂部)。所有樣品分別用傳統(tǒng)IR塔和新型藍(lán)光塔進(jìn)行測(cè)量。
得到使用兩種測(cè)量塔的所有樣品的透射光和背散射光的強(qiáng)度譜圖。以粒徑為110nm、體積濃度為1% 的PMS分散體系的藍(lán)光塔和IR塔測(cè)量譜圖為例(圖3)。
圖3:110 nm PMSs在體積濃度為1%時(shí),藍(lán)光塔和IR塔的背散射光譜圖
從圖3可以看到,兩塔均表現(xiàn)為背散射光強(qiáng)度在測(cè)量過(guò)程中總體保持恒定。說(shuō)明分散體系在測(cè)量時(shí)間內(nèi)整體穩(wěn)定。曲線的顏色信息表示每次掃描的時(shí)間,從紅色(第一次測(cè)量,t=0s)到紫色(最后一次測(cè)量,t=40s)。每條曲線代表從樣品管底部至樣品管頂部的同一時(shí)間單次測(cè)量。
使用MS20專用的 MSC 軟件計(jì)算所有背散射光信號(hào)在樣品高度從5 毫米至 40 毫米范圍內(nèi)的強(qiáng)度絕對(duì)值。
【結(jié)果與討論】
圖4顯示了分別用藍(lán)光塔和IR塔測(cè)量的不同粒徑PMSs在體積濃度為1% 時(shí)的背散射光強(qiáng)度值。
圖4:分別用藍(lán)光塔和IR塔測(cè)得的濃度為1%的PMSs不同粒徑懸浮液的背散射光強(qiáng)度對(duì)比
從圖4可以看到,對(duì)于所有樣品,用藍(lán)光塔測(cè)得的背散射光強(qiáng)度值都遠(yuǎn)高于用IR塔測(cè)得的背散射光強(qiáng)度值。特別是粒徑較小的PMSs,兩種測(cè)量塔測(cè)得的背散射光強(qiáng)度值差異更大。例如,110 nm粒徑的PMSs,用藍(lán)光塔測(cè)得背散射光強(qiáng)度值為26.9%,而用IR塔測(cè)得背散射光強(qiáng)度值僅為6.81%。同時(shí)也可以看到如下規(guī)律,當(dāng)PMSs粒徑小于420nm時(shí),兩個(gè)塔測(cè)得的背散射光強(qiáng)度隨粒徑的增大而增大。當(dāng)PMSs粒徑大于420nm時(shí),背散射光強(qiáng)度值隨粒徑的增大而減小。這是因?yàn)?/span>背散射光強(qiáng)度值與顆粒大小和體積濃度相關(guān)。當(dāng)PMSs粒徑大于420nm時(shí),兩塔的背散射光強(qiáng)度隨著粒徑的增大差距逐漸減小,直至接近。
為了更深入了解高濃度PMSs的藍(lán)光塔和IR塔測(cè)量的背散射光強(qiáng)度值的差異,這里比較了體積濃度為10% 的不同粒徑PMSs用兩塔測(cè)量的背散射光強(qiáng)度值(見(jiàn)圖5)。與圖4中所示的數(shù)據(jù)類(lèi)似,對(duì)于所有樣品,藍(lán)光塔測(cè)得的背散射光強(qiáng)度都遠(yuǎn)高于IR塔。尤其是對(duì)于粒徑為納米級(jí)別的較小顆粒,藍(lán)光塔和IR塔之間的差異更大。此外,兩種塔的背散射光強(qiáng)度隨粒徑的變化規(guī)律相似。
圖5:分別用藍(lán)光塔和IR塔測(cè)得的濃度為10%的PMSs不同粒徑懸浮液的背散射光強(qiáng)度對(duì)比
同樣的,還研究了濃度對(duì)背散射光強(qiáng)度的影響。如圖6所示,展示了粒徑為540nm的PMSs的背散射光強(qiáng)度隨著濃度的增加而增加。在所有測(cè)量濃度下,藍(lán)光塔的背散射光強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于IR塔測(cè)得的背散射光強(qiáng)度。從圖中還可以看到,體積濃度越低,藍(lán)光塔和IR塔測(cè)得的背散射光強(qiáng)度值差異越大(除了極低體積濃度0.1%,在任何一個(gè)塔中都沒(méi)有檢測(cè)到顯著的背散射光)。
圖6:分別用藍(lán)光塔和IR塔測(cè)得的粒徑為540nm的PMSs不同濃度懸浮液的背散射光強(qiáng)度對(duì)比
【總結(jié)】
與傳統(tǒng)紅外光源的MS20相比,配置藍(lán)光塔的MS20穩(wěn)定性測(cè)量儀為粒子直徑在納米范圍或低體積濃度的分散體系(尤其是乳白色分散體系)測(cè)量提供了更高的背散射光強(qiáng)度。兩塔的背散射光強(qiáng)度隨顆粒大小和濃度的變化趨勢(shì)基本一致。這表明新型藍(lán)光測(cè)量塔具有很高的可靠性,更適用于納米粒子范圍或低體積濃度的分散體系測(cè)量(尤其是乳白色分散體系),能夠獲得更高的信噪比,提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
配備藍(lán)光源的新型掃描塔為MS20研究液體分散體系(特別是乳白色懸浮液)的穩(wěn)定性和老化提供了更廣泛的測(cè)量可能性,并對(duì)時(shí)間和溫度依賴性的失穩(wěn)機(jī)制提供了全面的表征。新型藍(lán)光塔對(duì)于納米懸浮液和納米乳液的研發(fā)特別適用,例如在化學(xué)機(jī)械拋光或制藥納米乳劑的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域等。