此方法是根據ISO標準13320-1(1999) 和9276-1(1998)建立的，本通則已經與EP/JP的相關章節協調。

 

激光衍射技術是根據分析粒子暴露在一束單色光中所產生的衍射模式而確定粒度分布。歷史上，早期的激光衍射儀只使用很小的散射角度。然而，此技術已經擴大到很大角度范圍的激光散射使用，除了夫瑯和費（Fraunhofer）近似和反常衍射理論，使用了米氏定理（Mietheory）。

 

注釋：本章節內容已經與EP2.9.31Particle size analysis by laser light diffraction,JP 3.04 Particle SizeDetermination協調統一。

 

此技術并不能區分單個粒子的散射和一團基本粒子的散射，也就是不能區分結塊和凝聚。絕大多數的樣品都包含結塊和凝聚，并且我們主要關注的是基本粒子的尺寸分布，所以在檢測前這些結塊通常需要分散成基本粒子。

 

對于非球形粒子，因為此技術假設在它的光學模式中是球形粒子，所以檢測得到的是一個等同的球形分布。激光粒度分布的結果可能和根據其他物理原理（例如沉降和過篩）的方法得到的結果存在差異。

通過分析其光散射角度模式，此章節對于在不同分散系統中（例如粉末、噴霧、氣霧、混懸液、乳劑和液體中的氣泡）的粒度分布檢測提供指南。它不涉及對于任何特定產品的粒度分布測量的特殊要求。
 

 

PRINCIPLE原理

 

一個有代表性的樣品，在一個合適的液體或氣體中以適當的濃度分散，一束單色光通過，通常為激光。這些由粒子產生的多角度的光衍射被多元素檢測器測量。然后代表散射模式的數值被記錄用于隨后的分析。然后這些散射模式數值，通過使用合適的光學模式和數學程序，被轉化為尺寸等級的離散數值的總體積百分率，形成一個體積的粒徑分布。

INSTRUMENT儀器

 

此儀器被放置在一個沒有電子噪聲、機械振動、溫度波動、濕度或者直接亮光影響的環境中。

 

該儀器由一個激光源、光束過程單元、一個樣品測量區域（或樣品室），一個傅里葉（Fourier）透鏡和一個用于測量散射光形態的多元素檢測器。同時還需要一個數據系統將散射數據解卷積為一個體積粒度分布，并且進行數據的分析和報告。

 

粒子可以在2個地方進入激光光束。常規的情況下，粒子在收集透鏡前和工作距離內進入平行光束。在所謂的反傅里葉光學中，粒子在收集透鏡之后進入，因此進入聚集光束中。常規設備的優點在于樣品有一個合理的路徑長度，在透鏡允許的工作距離內。第二種設備只有很少的路徑長度，但是可以測量更大的散射光角度，它對于有亞微米粒子存在時的測量是非常有用的。

 

外來光束和分散的粒子的交互作用導致在不同角度的不同光強度散射狀態。由直接光和散射光組成的總體角度強度分布，然后被集中到由一個透鏡或者一系列透鏡構成的多元素檢測器上。這些透鏡產生一個散射狀態，在限度內，它不依賴粒子在光束中的位置。因此，這個連續的角度長度分布在一個檢測器元素裝置上轉化為一個離散的空間強度分布。

 

這里假設粒子全體的檢測散射模式，等同于在隨機相對位置出現的所有單獨的單個散射粒子的模式的總和。請注意只通過透鏡（檢測器）收集了有限的角度范圍內的散射光。

DEVELOPMENT OF THE METHOD 方法開發

 

倘若使用的儀器和被檢測的樣品的檢測條件被仔細的控制在一個有限的變化范圍內（例如分散介質、樣品分散系的制備方法等），用激光衍射的粒度測量，甚至在亞微米的范圍，也可以得到可重現的數據。

 

傳統上，用激光衍射測量的粒度范圍大約為0.1um到3mm。因為近期在透鏡和設備設計方面的進步，新儀器的常規檢測能力已經超過了這個范圍。在驗證報告中，用戶需要證明方法對于它的目標用途的適用性。

 

Sampling 取樣

 

取樣技術必須能夠足夠獲得有代表性的并且合適體積的粒度測量的樣品。可以運用例如旋轉縮分器或者錐形四分法等樣品裂分技術。

  

注釋：對于樣品顆粒存在較大差異的樣品，取樣的時候需要考慮大顆粒的沉降等因素導致的取樣沒有代表性。

 

Evaluation of the Dispersion Procedure

分散程序的評估

 

被分析的樣品通過目視或者借助顯微鏡，來估計它的粒度范圍和粒子形狀。分散程序必須根據檢測的目的進行調整。目的可以是希望盡可能的分解粒子團到基本粒子，或者希望盡可能的保持粒子團的完整。在這種情況下，目標粒子可以是基本粒子或者粒子團。

 

對于方法的研發，強力建議確認粒子沒有粉碎，以及相反的，粒子或者粒子團分散是否良好。通常這些可以通過改變分散能量和監控粒度分布的變化來得到。當樣品分散良好并且粒子不是易碎的或者易溶的，測量到的粒度分布結果應該不會有很大的變化。而且，如果物料的生產工藝（如結晶、粉碎）發生改變，方法的適用性必須進行確認（如與顯微鏡法對比）。

 

如果他們的濃度適合，噴霧、氣霧和液體中的氣泡應該直接測量，因為取樣和稀釋會改變粒度分布。

 

在其他情況下（如乳狀液、糊狀和粉末），有代表性的樣品可以在適合的分散在溶液。分散助劑（濕潤劑、穩定劑）和/或機械力（如攪動或超聲）經常被用于粒子團的分散或解聚集和分散系的穩定。對于這些液體分散系，最常用的再循環系統由光學測量單元，一個裝配有攪棒和超聲元素的分散池，一個泵和管路組成。只有少量樣品可用或者運用特殊分散系液是，才使用非再循環系統和攪拌的單元。

 

干燥的粉末也可以通過使用適當的干粉分散劑并運用外力進行分散或解聚集，從而轉變為懸浮粒子。總體上，分散劑使用壓縮氣體或者真空壓差的能量將粒子分散成懸浮粒子，將懸浮粒子吹散到檢測區域，通常進入收集粒子的真空單元的入口處。然而，對于自由流動的粗粒粒子或顆粒，重力的影響可能足夠恰當的分散這些粒子。

 

如果樣品的最大粒子尺寸超過了儀器的測量范圍，太粗粒物料可以通過過篩除去，去除的物料的質量的百分率需要報告。然而，在過篩前，請記住這些樣品將不再有代表性，除非用別的方式證明。

 

Optimization of the Liquid Dispersion

液體分散體系的最優化

 

用于分散粉末的液體、表面活性劑和分散助劑必須：

 

—在激光波長中是透明的，特別需要沒有氣泡或者粒子；

—有和被檢測物質不同的折射率；

—對于被檢測物質為非溶劑（純溶液或預先過濾的飽和溶液）

—不改變被檢測物質的尺寸大小（如通過溶解性、溶解性提高或重結晶的影響）

—容易形成并且分散劑穩定

—和儀器中使用的物質能共處的（如O-rings，墊圈，配管等）；

—有合適的粘性用以再循環、攪拌和過濾。

 

面活性劑和/或分散助劑經常被用于濕潤粒子并且穩定分散系。對于弱酸和弱堿，分別分散在低或高pH值的緩沖液，這樣可以幫助確認一個穩定的分散系。

 

可以用目視或者顯微鏡檢查的方法對分散質量進行初步確認。同樣也可以從一個混合完畢的儲備分散系中取少量的樣品。此儲備分散系可用通過加入一種液體到樣品中然后將它用例如玻璃攪棒、小鏟或者渦輪攪拌器進行攪拌得到。必須小心確保加入有代表性的樣品，并且沒有大塊的粒子沉淀產生。因此，需要制備一個樣品糊狀物或者從一個保持攪動狀態的混懸液中快速取樣。

 

Optimization of the Gas Dispersion 

氣體分散體系的最優化

 

對于噴霧和干粉分散系，可以使用無油無水和無粒子的壓縮氣體。為了在壓縮氣體中除去這些物質，可以使用一個帶有過濾器的干燥器。任何的真空單元應該遠離測量區域，這樣它的輸出就不會干擾測量。

 

Determination of the Concentration Range 

濃度范圍的確定

 

為了檢測器產生一個可以接受的信噪比，分散系中粒子的濃度必須超過一個最低水平。同樣的，為了避免多重散射，它也必須低于一個最高水平。此濃度范圍受到激光束寬度、測量區域通路長度、粒子的光學性質和檢測器元素的敏感性等因素的影響。

 

考慮到以上情況，必須在不同的粒子濃度進行測量，從而確定任何典型樣品物質的恰當濃度范圍。【備注- 不同的儀器，粒子濃度通常被不同的客戶用不同名稱的數值表示，如遮光度、光學濃度、總質量比例數等表示。】

 

注釋：以馬爾文MS 3000為例，一般樣品的取樣量是將遮光度控制在10~20之間。

 

Determination of the Measuring Time 

測量時間的確定

 

測量時間、檢測器的讀數時間和捕獲頻率是依據需要的精密度確定。通常的，測量時間允許在很短的時間間隔內進行大量的檢測器掃描。

 

注釋：分散體系的確認非常重要，若分散體系不好，將導致結果不平行，結果偏大（未完全分散開），結果偏小（樣品顆粒被打碎），分散體系的確認可以通過目視或者借助顯微鏡來完成，分散體系的確認是方法驗證的前提。

  

Selection of an Appropriate Optical Model 

合適光學模式的選擇

 

盡管其他相似的理論有時被運用于散射矩陣的計算，但大多數儀器不是使用夫朗和費理論（Fraunhofer）就是使用米氏理論（Mie theory）。理論模式的選擇是根據使用目的和對于檢測物質的不同假設（尺寸、吸光率、折射率、粗糙度、晶體取向、混合情況等）所決定的。如果不知道實際的折射率數值（真實和虛構的使用波長），那就可以使用帶有真實折射率估計的夫朗和費近似（Fraunhofer approximation）或米氏理論（Mie theory）。前一種理論的優點在于簡單，而且它不需要折光率的數值；后一種理論提供偏差很少的小粒子的粒度分布。例如，如果夫朗和費模式（Fraunhofer Mode）用于測量含有大量透明小粒子的樣品，可以計算很多量的小粒子。為了獲得可以可追溯的結果，必須記錄使用的折射率數值，因為在實際和虛構的復雜折射率上很小的數值上的差異，可能引起粒度分布結果的巨大差異。通常虛構的小數值的折射率（大約0.01到0.1i），常用以修正粗糙粒子表面的吸光率。應該注意，通常被測物質的光學性質和它的結構（如形狀、表面粗糙度和多孔性）對于最終結果有影響。

 

Validation 驗證

 

典型的驗證程序需要評估方法的專屬性、線性、范圍、準確度、精密度和耐用性。在用激光衍射進行粒度分析中，ICH定義的專屬性是不適用的，因為它不能區分樣品中的不同組分，除非輔助于顯微鏡技術，否則也不能區分分散粒子和凝聚。研究濃度和響應值的線性關系，或者用數學模式的插補算法，也不適用于這個程序。這個方法需要確定測量結果不會發生巨大差異的濃度范圍，而不是去評估線性。低于范圍的濃度會因為很差的信噪比出現錯誤，而高于濃度的范圍會因為多重散射而產生錯誤。這個范圍主要和儀器的硬件有關。準確度需要通過恰當的儀器確認和顯微鏡法的對比來得到，而精密度需要通過重復檢測來評估。

 

方法可達到的重復性主要由物料性質（粉碎/未粉碎，堅固/易碎，粒度分布的寬度等）決定，然而重復性的要求是有方法的目的決定的。在這個章節不能規定一個強制的限度，因為一個物質相對另一個物質的重復性（不同樣品的制備）可能有明顯的差別。然而，對于重復性的可接受標準有一個很好的慣例，例如對于任何分布的中心值（如對于X50）的%RSD<=10% [n = 6]。對于分布的邊界值（如對于X10 和X90），取向于較寬松的可接受范圍%RSD<=15%[n = 6]。對于小于10um，這些值必須被翻倍。耐用性應該在選擇和優化分散介質和力的時候進行測試。分散能量的改變可以通過監控粒度分布的變化來確認。

 

注釋：激光衍射粒度測定法需要驗證精密度（重復性，中間精密度）、耐用性（包括測量時間、攪拌速度、超聲時間及超聲強度，分散壓力（干法））、樣品濃度（若加入表面活性劑需驗證表面活性劑的加入量）。此外還需對取樣、樣品分散體系進行確認，此外準確度項目的驗證可以用儀器的校正，通過測定標準粒子的大小來證明。

 

MEASUREMENT 測量

Precautions 注意事項

 

儀器操作的說明如下：

 

—不要看激光的直射路徑或者反射光

—防止溶劑燃燒和粉塵爆炸，所有的儀器部件需要接地

—檢查儀器（如加熱、需要的測量范圍和透鏡、恰當的工作距離、檢測器的位置、不要陽光直射）

—如使用濕分散系，應避免分散系中的氣泡，液體蒸發，紋影或其他的不同質；相似的，應避免分散劑不合適的質量流量或干分散系中的干擾氣流；這些影響會引起錯誤的粒度分布結果。

 

Measurement of the Light Scattering of Dispersed Sample(s)

光散射分散樣品的測量

 

在對儀器的光學部件進行了適當的調整后，必須用樣品檢測的相同方法，對沒有粒子的分散介質進行空白檢測。背景信號必須低于一個恰當的閾值。保存檢測器的背景信號，并將樣品檢測結果減去背景信號。根據開發出的方法檢測樣品分散系。

 

對于每個檢測器元素，有時會連同標準偏差計算一個平均信號。檢測區域、光強度和量子效率決定了每個檢測器元素的信號大小。檢測器的等同性（尺寸和位置）和透鏡的焦距決定了每個元素的散射角范圍。絕大多數儀器也測量中心（非散射）激光束的強度。以分散樣品與空白（空白測量）的強度比說明散射光的比例和粒子濃度。

 

Conversion of Scattering Pattern Into Particle-Size Distribution 

散射模式轉換成粒度分布

 

去卷積步驟就是將散射模式計算成粒子分布。假設為球形粒子是特別重要的，因為絕大多數的運算法則都是運用的球形粒子的散射數學方法。而且，測量數據總是會包括一些隨機和系統性的錯誤，它們可能會破環粒度分布的結果。一些數學程序已經被開發用于這些可用的儀器上了。它們包括一些測量和計算散射模式（例如最小二乘），和一些限制（如粒子數量的非負性），和/或一些粒度分布曲線的平滑等，的額外偏差。

 

對于每個設備生產商和模式，所使用的運算法則是專屬的。不同儀器的不同運算法則可能會給出粒度分布的不同結果。

 

注釋：由于不同生產商使用的計算模式可能存在差別，故為了數據的可對比性，雙方必須使用相同的儀器及方法，否則，結果沒有可比性。

 

Replicates重復

 

（對于單獨制備樣品的）重復測量的次數，是根據測量精密度決定的。建議根據特定物質的方法設定此重復次數。

REPORTING RESULTS 報告結果

 

粒度分布數據通常以一定尺寸下的累積分布和/或體積的密度分布進行報告的。用符號x來表示粒度，它被定義為相同體積圓球的直徑。Q3（x）表示粒徑x下的體積部分。在圖表中，x表示為橫坐標，而應變量Q3表示為縱坐標。絕大多數常用性質數值是從粒度分布通過插補法計算得到的。常用的在一定尺寸下的粒度數值為10%，50%和90%（分別表示為x10，x50和x90）。x50也就是中間粒度。符號d也被廣泛的用來表示粒度，因此符號x可以用符號d代替。

 

而且，必須記錄足夠的樣品信息，樣品制備，分散系條件和單元類型。因為結果是根據特定儀器、數據分析程序和使用的光學模式得到的，所以這些細節也需要記錄。

 

注釋：目前激光粒度檢測報告通常通過報告d10，d50，d90結果，其中具體的含義分別為累計粒度分布在10%，50%，90%所對應的粒徑，例如，d50是100µm，表示50%粒徑低于100µm。

 

CONTROL OF THE INSTRUMENT PERFORMANCE

儀器性能的控制

 

根據儀器的使用情況和檢測的樣品情況，按照生產商的說明書使用并且在恰當的時間間隔進行規定的確認。

 

Calibration 校正

 

盡管假設了例子的理想化性質，激光衍射系統的基礎是激光散射第一理論。因此，校驗在嚴格意義上是不需要的。然而，任然需要確認儀器操作的正確性。可以使用行業慣例可接受的任何標準物質進行。包括樣品收集、樣品分散、樣品通過測量區域的轉運、測量和去卷積程序的整個測量程序的檢查。對于整個操作程序的完全描述是必須的。

 

推薦使用由已知分布的球形粒子組成的標準物質。它們必須已經用絕對技術確認過質量百分比的粒度分布，并且使用經過批準的詳細的操作程序。如使用米氏理論進行數據分析，必須指出此物質的實際和想象的復雜折光率。假設所有部分的粒子濃度相同，有代表性的體積粒度分布就等同于質量分布。

 

如果三次獨立檢測的x50平均值的偏差不大于標準物質的標準范圍值的3%，則激光衍射儀的響應值符合要求。X10和x90必須不大于標準范圍值的5%。小于10um，這些值加倍。

 

盡管推薦使用包含球形粒子的物質，也可以使用非球形粒子。推薦使用已根據批準的詳細操作程序進行了激光衍射分析并獲得典型值的粒子。使用非激光衍射方法得到的參考值可能引起巨大的偏差。不同方法所固有的不同原理所導致的同一非球形粒子的不同球形等同直徑是這些偏差的原因。

 

盡管推薦使用有合格證明的標準物質，也可以使用由其他良好定義的標準品。它們可以是由典型成分和粒度分布的物質標準組成的特殊等級物質。它們的粒度分布被證明隨著時間也是穩定的。它們的結果必須和原先確定的數據一致，在和標準物質同樣的精密度和偏差范圍內。

 

Qualification of the System

系統的確認

 

除了校驗，儀器的性能也需要定時或者按照恰當的頻率進行確認。它可以使用上一章節中提到的任何適當的標準品進行。

 

系統確認是根據設備、電器、軟件和分析操作所組成是一個整理體統的概念來進行的，它可以作為一個實體來評估。因此檢查這個完整的測量程序，包括樣品收集、樣品分散、樣品通過測量區域的轉運，和測量和解卷積程序。對于整個操作程序的完全描述是必須的。

 

總體上，除了個論中的其它特殊要求，如果x50值的偏差不超過標準品值的范圍的10%，就認為激光衍射儀的響應值符合要求。如果選擇分布的邊際值進行評估（如x10和x90），那這些值不能超過確認值的15%。小于10um，這些值必須翻倍。[備注－對于儀器的校驗，更嚴格的要求在校驗章節中。]

 

注釋：儀器的性能控制包括校正及系統確認，校正是主要針對儀器的硬件，而系統確認是根據硬件、軟件和分析操作組成的一個整體概念來進行的。由于具體產品的激光粒子檢測方法的原理相同，故該方法無需進行專屬性驗證，此外也無需對單個方法進行準確性驗證，故需定期對儀器進行校正以確定儀器準確性。