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引言：膠體穩(wěn)定性分析技術(shù)

本文主要探討了膠體懸浮液的穩(wěn)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(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，其穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品性能、保質(zhì)期、生產(chǎn)效率和成本控制至關(guān)重要。文章介紹了 單顆粒光學(xué)傳感技術(shù)（SPOS）技術(shù)和加速離心分析結(jié)合空間光譜（STEP）分析技術(shù)在膠體穩(wěn)定性分析中的作用，SPOS 技術(shù)可精確測量粒子大小和濃度，加速離心分析結(jié)合STEP技術(shù)，空間-時(shí)間消光譜圖快速評(píng)估膠體穩(wěn)定性。通過對(duì)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(shù)能有效分析膠體樣本的粒徑分布及穩(wěn)定性。有助于制造商識(shí)別不合規(guī)格的產(chǎn)品，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定性控制；SPOS 技術(shù)；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(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛應(yīng)用，如藥物輸送、軟飲料制造、涂層、拋光等領(lǐng)域，其穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品性能、保質(zhì)期、生產(chǎn)效率和成本控制至關(guān)重要。以往的研究大多關(guān)注膠體的某些方面，缺乏對(duì)膠體穩(wěn)定性的全面分析，尤其是 SPOS 和STEP分析相結(jié)合的多工具研究，且不同性質(zhì)和應(yīng)用的樣品對(duì)膠體穩(wěn)定性的影響尚未得到深入探討。
   

文中應(yīng)用了 SPOS 和 STEP 兩種技術(shù)來對(duì)膠體懸浮液的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，從粒徑及穩(wěn)定性分析兩大方面對(duì)樣品質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)估：
  （1）SPOS 技術(shù)用于精確測量粒子的大小和濃度，尤其對(duì)尾端大粒子的檢測具有優(yōu)勢；
  （2）STEP技術(shù)用于測量膠體的分離速率、模擬重力效應(yīng)估算保質(zhì)期并提供分離機(jī)制信息。
   

為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，文中使用?AccuSizer 780 A7000（SPOS技術(shù)）進(jìn)行粒度測量，利用光阻和光散射原理對(duì)粒子進(jìn)行粒徑檢測并計(jì)數(shù)；使用 LUMiFuge （STEP技術(shù)）進(jìn)行穩(wěn)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(duì)懸浮液穩(wěn)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(shí)驗(yàn)對(duì)象

二、

采用AccuSizer 780A (SPOS)對(duì)兩種碳酸鈣漿液進(jìn)行測量其結(jié)果如下所示，結(jié)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(biāo)是粒徑，縱坐標(biāo)是體積權(quán)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(duì)較少。

采用LUMiFuge對(duì)兩種碳酸鈣Slurry進(jìn)行測量其結(jié)果如下所示，結(jié)果展示：

圖2.2 兩種碳酸鈣漿液的穩(wěn)定性指紋圖譜

如圖所示，橫坐標(biāo)為樣品管位置，縱坐標(biāo)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(shí)間內(nèi)，無顆粒的液固界面向測量樣品池底部移動(dòng)并接近最終沉積物高度。這種變化的發(fā)生方式表明，沉降是其發(fā)生變化的主要機(jī)制。樣品2（右）曲線從左到右的移動(dòng)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(fā)生部分沉降。

結(jié)合SPOS結(jié)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(duì)應(yīng)的在LUM圖譜中有多個(gè)起峰，進(jìn)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(biāo)是粒徑，縱坐標(biāo)是體積權(quán)重，很明顯，標(biāo)記為壞的樣品不如標(biāo)記為好的樣品穩(wěn)定，這在很大程度上是由于大顆粒數(shù)量的增加。對(duì)制造商來說，更重要的是要獲取“壞"樣品的保質(zhì)期。這一類型的信息可以從LUM的軟件分析中計(jì)算出來。

采用LUMiFuge對(duì)兩種軟飲進(jìn)行測量其結(jié)果如下所示：

圖2.4 兩種軟飲的穩(wěn)定性指紋圖譜

如圖所示，橫坐標(biāo)為樣品管位置，縱坐標(biāo)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(duì)樣品的作用后基本保持透光率不變，說明樣品穩(wěn)定性更佳，并且大粒子較少，引起透光率變化不大，這一結(jié)果同SPOS結(jié)果一致，。另一方面，圖2.4(A)中所示壞的樣品隨著時(shí)間的推移，測量池底部的顆粒開始向溶液的頂部上浮，導(dǎo)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(shí)間的運(yùn)動(dòng)圖，可以計(jì)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(biāo)是粒徑，縱坐標(biāo)是粒子濃度，Accusizer 結(jié)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(wěn)定性指紋圖譜

如圖所示，橫坐標(biāo)為樣品管位置，縱坐標(biāo)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(jié)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(wěn)定性較好，這與SPOS結(jié)果里樣品1（SlurryA）分布較窄，均一性更好的結(jié)果相一致；SlurryB在離心分析中呈現(xiàn)沉降狀態(tài)，在這一過程中可能發(fā)生了聚集和絮凝，兩者都表示顆粒大小的增加。從SPOS結(jié)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(shí)驗(yàn)分別對(duì)碳酸鈣漿液/軟飲/CMP Slurry的粒度和穩(wěn)定性做了表征，通過其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以直觀對(duì)其質(zhì)量做出評(píng)價(jià)，包括對(duì)其進(jìn)行工藝篩選，配方優(yōu)化等

通過對(duì)樣品穩(wěn)定性的研究，我們深刻認(rèn)識(shí)到AccuSizer（SPOS技術(shù)）和LUMiFuge（STEP技術(shù)）等儀器在樣品研究中的重要性，AccuSizer顆粒計(jì)數(shù)器（SPOS技術(shù)）作為一種定量檢測技術(shù)，能夠精確地測量粒子的大小和濃度，為我們提供了關(guān)于粒徑分布的詳細(xì)信息，尤其是對(duì)尾端大粒子的檢測，有助于我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)slurry中的異常情況。

LUMiFuge（STEP技術(shù)）是一種能夠快速表征分散體系（乳液或懸浮液）中不穩(wěn)定現(xiàn)象（如漂浮或沉降）的設(shè)備。它是一種多樣品分析離心機(jī)，能夠計(jì)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(shù)，在膠體穩(wěn)定性分析中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它不僅能夠準(zhǔn)確測量分離速率，模擬重力效應(yīng)以快速估算樣本的保質(zhì)期，還能提供分離機(jī)制信息，幫助我們深入研究樣品的穩(wěn)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(shí)，兩種技術(shù)的測量結(jié)果可以互相印證，確保其測量準(zhǔn)確性，進(jìn)一步減少表征誤差。

在未來的研究和生產(chǎn)中，我們應(yīng)充分利用這些儀器的優(yōu)勢，深入開展樣品穩(wěn)定性的研究工作，不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

四、

Entegris生產(chǎn)的AccuSizer系列顆粒計(jì)數(shù)器（原美國 PSS 粒度儀公司）采用單顆粒光學(xué)傳感技術(shù)（Single Particle Optical Sizing，SPOS）和自動(dòng)稀釋技術(shù)，檢測范圍從納米級(jí)到微米級(jí)，不僅能給出粒徑大小，還能對(duì)樣本中顆粒數(shù)目進(jìn)行定量計(jì)數(shù)。尤其能精準(zhǔn)地計(jì)數(shù)出對(duì)于光散射和激光衍射方法檢測不到的極少數(shù)的大粒子（Large Particle Count，LPC）。自動(dòng)稀釋技術(shù)解決了其他技術(shù)手段無法解決的對(duì)高濃度樣本進(jìn)行顆粒計(jì)數(shù)的難題。

圖4.1 SPOS原理及Accusizer自動(dòng)稀釋原理圖

此外，對(duì)樣品進(jìn)行穩(wěn)定性分析至關(guān)重要，樣品的穩(wěn)定性直接影響到相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量。例如，在化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）漿料中，樣品不穩(wěn)定可能導(dǎo)致大顆粒的出現(xiàn)，從而刮傷硅片表面，影響拋光效果；在涂料中，樣品不穩(wěn)定可能導(dǎo)致涂層不均勻、附著力差等問題。同時(shí)樣品穩(wěn)定性還能判斷產(chǎn)品保質(zhì)期，不穩(wěn)定的樣品容易發(fā)生分離、沉淀或聚集等現(xiàn)象，從而縮短產(chǎn)品的使用壽命。 LUMiFuge（STEP技術(shù)）原理如下圖所示，將樣品管橫置到儀器中，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后儀器開始離心，在離心過程中，樣品管會(huì)循環(huán)反復(fù)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(jù)這一圖譜可以看出樣品粒子在溶液中的運(yùn)動(dòng)變化，并且從該圖譜中軟件會(huì)根據(jù)算法生成不穩(wěn)定性指數(shù)以對(duì)比反映不同樣品間的穩(wěn)定性差異。

圖4.2 STEP原理圖

了解樣品的穩(wěn)定性有助于優(yōu)化生產(chǎn)過程。不穩(wěn)定的樣品可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過程中的問題，如堵塞管道、設(shè)備故障等，從而降低生產(chǎn)效率。通過穩(wěn)定性分析，可以采取相應(yīng)的措施來避免這些問題，提高生產(chǎn)效率，減低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

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