2024-09-07
背景：
粒度分布（PSD）在制藥、食品和飲料、化妝品和材料科學(xué)等行業(yè)中起著至關(guān)重要的作用。雖然有各種技術(shù)可用于確定顆粒粒徑及其分布，然而大多數(shù)技術(shù)都需要樣品有個(gè)前處理環(huán)節(jié)（如稀釋、泵送或添加外部應(yīng)力……），這可能會(huì)影響樣品自然狀態(tài)下的粒徑的結(jié)果。為了強(qiáng)調(diào)對(duì)更多方法表征的興趣和對(duì)自然放置狀態(tài)下樣品進(jìn)行顆粒研究的重要性，使用TURBISCAN研究了在不同鹽濃度下對(duì)TiO2的粒度分布（PSD）的影響。
TURBISCAN技術(shù)基于靜態(tài)多重光散射（SMLS），包括向樣品發(fā)送光源，以獲取樣品在原始狀態(tài)下的整個(gè)高度的背散射和透射信號(hào)。通過(guò)以適當(dāng)?shù)念l率重復(fù)此測(cè)量，該儀器能夠在不稀釋的情況下監(jiān)測(cè)樣品的物理穩(wěn)定性。
圖1. 從TURBISCAN數(shù)據(jù)到Turbisize的PSD
制備了兩種分別為0.1%和1% wt/v的二氧化鈦（TiO2 AEROXIDE® P25，來(lái)自Evonik）水溶液，并測(cè)量了不同濃度的氯化鈉（NaCl）鹽濃度對(duì)粒徑的影響。兩種不同濃度的TiO2分散水溶液+不同NaCl濃度（0%、0.1%、0.3%、0.5%和1% wt/v）。
每個(gè)懸浮液都按照以下方案進(jìn)行分散：
1.分散2分鐘，使溶液均勻。
2.隨后使用超聲波水浴再混合5分鐘
3.最后，使用超聲波探頭再進(jìn)行10分鐘的超聲波分散處理。
然后用TURBISCAN直接測(cè)量樣品。
懸浮液TiO2 1%和0.1%wt/v NaCl的測(cè)量結(jié)果示例見(jiàn)（圖2）。透射光（T%-譜圖上半部分）和背散射光（BS%-譜圖下半部分）變化表示為隨時(shí)間（6小時(shí)）變化的樣品高度（單位：mm）的函數(shù)。
圖2. TiO2 1%和0.1% wt/v NaCl懸浮液的沉降曲線
圖形的左半部分表示樣品的底部，右半部分表示樣品的頂部。時(shí)間刻度上的顏色漸變對(duì)應(yīng)于每次掃描時(shí)間流逝，初時(shí)刻掃描為藍(lán)色，末時(shí)刻掃描為紅色。
根據(jù)圖表，確定了以下不穩(wěn)定因素：
在樣品底部（區(qū)域1）——背散射——圖表的左側(cè)——背散射信號(hào)隨時(shí)間增加，顆粒逐漸沉積并局部改變懸浮液濃度，沉淀層隨著時(shí)間的推移而逐漸形成。
2. 在樣品頂部（區(qū)域3）-圖表的右側(cè)-TRANSMISSION（透射光）-透射信號(hào)的強(qiáng)度隨高度增加，懸浮液變得不那么濃稠。對(duì)于不同的NaCl和TiO2濃度，發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的沉降曲線。根據(jù)顆粒遷移情況，計(jì)算了基于體積的粒度分布。圖3顯示了不含NaCl的1% wt/v TiO2懸浮液的粒度分布。粒度分布測(cè)定顯示單峰分布，粒徑為135 nm。
圖3. 水中TiO2 1% wt/v的體積粒度分布
而下圖的圖4則顯示了在不同NaCl濃度下1% TiO2 wt/v的PSD計(jì)算。通過(guò)添加鹽來(lái)增加介電離子強(qiáng)度，會(huì)減少TiO2顆粒之間的排斥電荷，導(dǎo)致其聚集，從而形成更大的顆粒，發(fā)現(xiàn)：
圖4. 不同NaCl濃度下TiO2 1%wt/v的粒度分布
1. 平均粒徑從135納米變化到2.5µm；
2. 粒徑分布PSD的形狀由單峰分布和高斯分布演變?yōu)槎喾宸植技胺峙洹?/p>
對(duì)樣品TiO2進(jìn)行了同樣的分析，其濃度為0.1% wt/v，比之前的測(cè)試濃度低10倍，且也在NaCl濃度不同的情況下測(cè)試PSD。每種配方的粒度分布如圖5所示。
圖5. 不同NaCl濃度下0.1% wt/v TiO2懸浮液的粒度分布
比較圖5中1% wt/v TiO2懸浮液和圖4中0.1% wt/v TiO2懸浮液的分散結(jié)果：
沒(méi)有NaCl鹽時(shí)，TiO2濃度對(duì)平均粒徑的影響較?。?.1% TiO2時(shí)為150 nm，1% TiO2時(shí)為135 nm）。但是，它會(huì)影響分布的形狀，在更稀釋的分散體中，0.1µm處會(huì)觀察到一個(gè)小肩峰。
2.正如在1%濃度下的TiO2中觀察到的那樣，添加NaCl會(huì)導(dǎo)致粒徑增大（從150nm到1µm）且粒徑分布變寬。然而，在1%的鹽濃度下，鹽濃度的影響僅限于較低的鹽濃度，而在0.1%的TiO2中，0.1%的NaCl就足以“飽和"TiO2表面并導(dǎo)致強(qiáng)烈的聚集。根據(jù)這項(xiàng)研究可知，鹽對(duì)平均粒徑和粒度分布的影響在很大程度上取決于TiO2的濃度。
結(jié)論
上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究表明，不同濃度的 TiO2會(huì)對(duì)粒徑產(chǎn)生影響。TiO2稀釋到0.1% wt/v濃度時(shí)，看不到不同鹽添加量的影響。而TURBISCAN無(wú)需稀釋?zhuān)也捎梅瞧茐男苑椒?，因此?duì)于測(cè)量最終產(chǎn)品的代表性粒度分布（PSD）具有重要意義。TURBISIZE也可以用于與其他技術(shù)獲得的結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)和比較。
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TURBISCAN TOWER是新款的穩(wěn)定性分析儀，擁有更高的精確度，同時(shí)測(cè)量六個(gè)樣品。具有更寬的溫度范圍，4℃的模擬冷藏溫度，特別適用用于研究食品的貨架期。
該儀器對(duì)所分析的樣品可以有一個(gè)寬的范圍，粒子尺寸范圍從0.01μm-1mm，其樣品的濃度可以達(dá)到體積百分比95%。
穩(wěn)定性分析儀 TURBISCAN LAB
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該儀器對(duì)所分析的樣品可以有一個(gè)寬的范圍，粒子尺寸范圍從0.05μm-1mm，其樣品的濃度可以達(dá)到體積百分比95%。
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