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Nicomp 380 系列納米激光粒度儀 
專為復(fù)雜體系提供高精度粒度解析方案
基本信息

儀器型號(hào)：N3000

工作原理：動(dòng)態(tài)光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）

檢測范圍： 0.3nm-10.0μm

      Nicomp 380 N3000系列納米激光粒度儀是在原有的經(jīng)典型號(hào)380DLS基礎(chǔ)上升級(jí)配套而來，采用動(dòng)態(tài)光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）原理檢測分析顆粒的粒度分布，粒徑檢測范圍 0.3nm – 10μm。其配套粒度分析軟件復(fù)合采用了高斯（ Gaussian）單峰算法和擁有**技術(shù)的 Nicomp 多峰算法，對于多組分、粒徑分布不均勻分散體系的分析具有獨(dú)特優(yōu)勢。

技術(shù)優(yōu)勢

1、APD（LDC）超高靈敏度檢測器；

2、多角度檢測（multi angle）模塊；

3、可搭配不同功率光源；

4、精確度高，接近樣品真實(shí)值；

5、快速檢測，可以追溯歷史數(shù)據(jù)；

6、結(jié)果數(shù)據(jù)以多種形式和格式呈現(xiàn)；

7、符合USP,CP等個(gè)多藥典要求；

8、無需校準(zhǔn)；

9、復(fù)合型算法：

（1）高斯（Gaussion）單峰算法與**的Nicomp多峰算法自由切換

10、模塊化設(shè)計(jì)便于維護(hù)和升級(jí)；

（1）可自動(dòng)稀釋模塊**；

（2）搭配多角度檢測器；

（3）自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)（選配）；

Nicomp多峰分布概念

      基線調(diào)整自動(dòng)補(bǔ)償功能和高分辨率多峰算法是Nicomp 380系列儀器所獨(dú)有的兩個(gè)主要特點(diǎn)，Nicomp創(chuàng)始人Dave Nicole很早就認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光散射理論僅給出高斯模式的粒度分布，這和實(shí)踐生產(chǎn)生活中不相符，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中很多樣本是多分散體系，非單分散體系，而且高斯分布靈敏性不足，分辨率不高，這些特點(diǎn)都制約了納米粒度儀在實(shí)際生產(chǎn)生活中的使用。其開創(chuàng)性的開創(chuàng)了Nicomp多峰分布理論，大大提高了動(dòng)態(tài)光散射理論的分辨率和靈敏性。

圖一：Nicomp多分分布數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

      如圖一：此數(shù)據(jù)為Nicomp創(chuàng)始人Dave Nicole親測其血液所得的真實(shí)案例。其檢測項(xiàng)目為：高密度脂蛋白，低密度脂蛋白和超低密度脂蛋白，由圖中可以看出，其血液中三個(gè)組分的平均粒徑分別顯示在7.0nm；29.3nm和217.5nm。由此可見，Nicomp分布模式可以有效反應(yīng)多組分體系的粒徑分布。

Nicomp多峰分布優(yōu)勢

       Nicomp系列儀器均可以自由在Gaussian分布模式和Nicomp多峰分布模式中切換。其不僅可以給出傳統(tǒng)的DLS系統(tǒng)的結(jié)果，更可以通過Nicomp多峰分布模式體現(xiàn)樣品的真實(shí)情況。依托于Nicomp系列儀器一系列優(yōu)異的算法和高靈敏性的硬件設(shè)計(jì)，Nicomp納米激光粒度儀可以有效區(qū)分1:2的多分散體系。

圖二：高斯分布及Nicomp多峰分布對比圖

      如圖二：此數(shù)據(jù)為檢測93nm和150nm的標(biāo)粒按照1:2的比例混合后所測得的數(shù)據(jù)。左邊為高斯分布（Gaussian）結(jié)果，右圖為Nicomp多峰分布算法結(jié)果，兩者都為光強(qiáng)徑數(shù)據(jù)。從高斯分布可以得到此混合標(biāo)粒的平均粒徑為110nm-120nm之間，卻無法得到實(shí)際的多組分體系結(jié)構(gòu)。從右側(cè)的Nicomp多峰分布可以得到結(jié)果為雙峰，即如數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，體系中的粒子主要分布于98.2nm以及190nm附近，這和實(shí)際情況相符。

      為滿足不同客戶的實(shí)際檢測需求，我司的Nicomp 380 N3000會(huì)配備相應(yīng)的配置，旨在為客戶們在控制成本的基礎(chǔ)上，得到需求的解決方案，達(dá)到收益大化。

產(chǎn)品優(yōu)勢

模塊化設(shè)計(jì)

      Nicomp 380納米激光粒度儀是全球率先在應(yīng)用動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)上的基礎(chǔ)上加入多模塊方法的先進(jìn)粒度儀。隨著模塊的升級(jí)和增加，Nicomp 380的功能體系越來越強(qiáng)大，可以用于各種復(fù)雜體系的檢測分析。

自動(dòng)稀釋模塊

      帶有**的自動(dòng)稀釋模塊消除了人工稀釋高濃度樣品帶來的誤差，且不需要人工不斷試錯(cuò)來獲得合適的測試濃度，這大大縮短了測試者寶貴時(shí)間，且無需培訓(xùn)，測試結(jié)果重現(xiàn)性好，誤差率＜1%。

380/HPLD大功率激光器

      美國PSS粒度儀公司在開發(fā)儀器的過程中，考慮到在各種極端實(shí)驗(yàn)測試條件中不同的需求，對不同使用條件和環(huán)境配置了不同功率的激光發(fā)生器。大功率的激光器可以對極小的粒子也能搜集到足夠的散射信號(hào)，使得儀器能夠得到極小粒子的粒徑分布。同樣，大功率激光器在測試大粒子的時(shí)候同樣也很有幫助，比如在檢測右旋糖酐大分子時(shí)，折射率的特性會(huì)引起光散射強(qiáng)度不足。                                    

      因?yàn)榇蠊β始す馄鞯奶匦裕瑫?huì)彌補(bǔ)散射光強(qiáng)的不足和衰減，測試極其微小的微乳、表面活性劑膠束、蛋白質(zhì)以及其他大分子不再是一個(gè)苛刻的難題。即使沒有色譜分離，Nicomp 380納米粒徑分析儀甚至也可以輕易估算出生物高分子的聚集程度。

雪崩二極管 (APD-LDC)超高靈敏度檢測器

      Nicomp 380納米粒徑分析儀可以裝配各種大功率的激光發(fā)生器和軍品級(jí)別的雪崩二極管檢測器（相比較傳統(tǒng)的光電倍增管有7-10倍放大增益效果）。

      APD通常被用于散射發(fā)生不明顯的體系里來增加信噪比和敏感度，如蛋白質(zhì)、不溶性膠束、濃度極低的體系以及大分子基團(tuán)，他們的顆粒的一般濃度為1mg/mL甚至更低，這些顆粒是由對光的散射不敏感的原子組成。APD外置了一個(gè)大功率激光發(fā)生器模塊，在非常短的時(shí)間內(nèi)就能檢測分析納米級(jí)顆粒的分布情況。

380/MA多角度檢測器

      粒徑大于100 nm的顆粒在激光的照射下不會(huì)朝著各個(gè)方向散射。多角度檢測角器通過調(diào)節(jié)檢測角度來增加粒子對光的敏感性來測試某些特殊級(jí)別粒子。Nicomp 380可以配備范圍在10°-175，步長0.7°的多角度測角器，從而使得單一90°檢測角測試不了的樣品，通過調(diào)節(jié)角度進(jìn)行檢測，改善對大粒子多分散系粒徑分析的精確度。

工作原理

目錄結(jié)構(gòu)：
         1.前言
         2.動(dòng)態(tài)光散射原理
         3.動(dòng)態(tài)光散射理論：光的干涉
               小知識(shí)：光電倍增管（PMT)

        小知識(shí)：光電二極管（APD)

         5.粒子的擴(kuò)散效應(yīng)
         6.Stoke-Einstein方程式
         7.自相關(guān)函數(shù)原理

前言     

       近十幾年來，動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)（Dynamic Light scattering, DLS），也被稱為準(zhǔn)彈性光散射（quasi-elastic light scattering, QELS）或光子相關(guān)光譜法（photon correlation spectroscopy， PCS）,已經(jīng)被證明是表征液體中分散體系的粒徑分布（PSD）的極有用的分析工具。DLS技術(shù)的有效檢測粒徑范圍——從5am（0.005微米）到10幾個(gè)微米。DLS技術(shù)的優(yōu)勢相當(dāng)明顯，尤其是當(dāng)檢測到300nm以下亞微米的粒徑范圍時(shí)，在此區(qū)間，其他的技術(shù)手段大部分都已經(jīng)失效或者無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，基于DLS理論的設(shè)備儀器被廣泛采用用以表征特定體系的粒度分布，包括合成的高分子聚合物(如乳膠，PVCs等)，水包油和油包水的乳劑，囊泡，膠團(tuán)，微粒，生物大分子，顏料，燃料，硅土，金屬晶體，陶瓷和其他的膠體類混懸劑和分散體系。

動(dòng)態(tài)光散射原理 

       下圖所示為DLS系統(tǒng)的簡單的示意圖。激光照射到盛有稀釋的顆粒混懸液的玻璃試管中。此玻璃試管溫度恒定，每一個(gè)粒子被入射光擊發(fā)后向各個(gè)方向散射。散射光的光強(qiáng)值和粒徑的分子量或體積（在特定濃度下）成比例關(guān)系，再帶入其他影響參數(shù)比如折射率，這就是經(jīng)典光散射（Classic light scattering)的理論基礎(chǔ)。

圖1：DLS系統(tǒng)示意圖

       動(dòng)態(tài)光散射方法（DLS）從傳統(tǒng)的光散射理論中分離，不再關(guān)注于光散射的光強(qiáng)值，而關(guān)注于光強(qiáng)隨著時(shí)間的波動(dòng)行為。簡單來說，我們在一定角度（一般使用90°角）檢測分散溶劑中的混懸顆粒的總體散射光信息。由于粒度的擴(kuò)散，光強(qiáng)值不斷波動(dòng)，理論上存在有非常理想化的波動(dòng)時(shí)間周期，此波動(dòng)時(shí)間和粒子的擴(kuò)散速度呈反比例關(guān)系。我們通過光強(qiáng)值的波動(dòng)自相關(guān)函數(shù)的計(jì)算來獲得隨時(shí)間變化的衰減指數(shù)曲線。從衰減時(shí)間常量τ，我們可以獲得粒子的擴(kuò)散速度D。使用Stokes-Einstein 方程式，我們就可以計(jì)算得出顆粒的半徑（假定其是一個(gè)圓球形狀）。

動(dòng)態(tài)光散射理論：光的干涉

       為了容易理解什么叫做強(qiáng)度隨時(shí)間波動(dòng)，我們必須先理解相干疊加（coherent addition）或線性疊加（superposition）的概念,進(jìn)一步要知道檢測區(qū)域內(nèi)的不同的粒子產(chǎn)生了很多獨(dú)立散射光，這些獨(dú)立的散射光相干疊加或互相疊加的結(jié)果就是光強(qiáng)。這種物理現(xiàn)場被稱為“干涉”。下圖是光干涉圖樣。

       每一束獨(dú)立的散射光波到達(dá)檢測器和入射激光波長有相位關(guān)系，這主要取決于懸浮液中顆粒的精確定位。所有的光波在PMT檢測器的表面的狹縫中混合在一起，或者叫干涉在一起，在特定的角度可以檢測得到“凈”散射光強(qiáng)值，在DLS系統(tǒng)中，絕大部分都使用90度角。

小知識(shí)——光電倍增管（PMT) 

       光電倍增管（Photomultiplier，簡稱PMT），是一種對紫外光、可見光和近紅外光極其敏感的特殊真空管。它能使進(jìn)入的微弱光信號(hào)增強(qiáng)至原本的108倍，使光信號(hào)能被測量。

光電倍增管示意圖

小知識(shí)——光電二極管（APD)

       光電倍增管是由玻璃封裝的真空裝置，其內(nèi)包含光電陰極 (photocathode)，幾個(gè)二次發(fā)射極 (dynode)和一個(gè)陽極。入射光子撞擊光電陰極，產(chǎn)生光電效應(yīng)，產(chǎn)生的光電子被聚焦到二次發(fā)射極。其后的工作原理如同電子倍增管，電子被加速到二次發(fā)射極產(chǎn)生多個(gè)二次電子，通常每個(gè)二次發(fā)射極的電位差在 100 到 200 伏特。二次電子流像瀑布一般，經(jīng)過一連串的二次發(fā)射極使得電子倍增，到達(dá)陽極。一般光電倍增管的二次發(fā)射極是分離式的，而電子倍增管的二次發(fā)射極是連續(xù)式的。

應(yīng)用

       光電倍增管集高增益，低干擾，對高頻信號(hào)有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于高能物理、天文等領(lǐng)域的研究工作，與及流體流速計(jì)算、醫(yī)學(xué)影像和連續(xù)鏡頭的剪輯。雪崩光電二極管（Avalanche photodiodes，簡稱APDs）為光電倍增管的替代品。然而，后者仍在大部份的應(yīng)用情況下被采用。

動(dòng)態(tài)光散射理論：  粒子的擴(kuò)散效應(yīng)

       懸浮的粒子并不是靜止不動(dòng)的，相反，他們以布朗運(yùn)動(dòng)（Brownian motion)的方式無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，布朗運(yùn)動(dòng)主要是由于臨近的溶劑分子沖撞而引起的。因此，到達(dá)PMT檢測區(qū)的每一束散射光隨時(shí)間也呈無規(guī)則波動(dòng)，這是由于產(chǎn)生散射光的粒子的位置不同而導(dǎo)致的無規(guī)則波動(dòng)。因?yàn)檫@些光互相干涉在一起，在檢測器中檢測到的光強(qiáng)值就會(huì)隨時(shí)間而不斷波動(dòng)。粒子很小的位移需要在相位上產(chǎn)生很大的變化，進(jìn)而產(chǎn)生有實(shí)際意義的波動(dòng)，這些波動(dòng)在凈光強(qiáng)值上反應(yīng)出來。
       DLS測量粒徑技術(shù)的關(guān)鍵物理概念是基于粒子的波動(dòng)時(shí)間周期是隨著粒子的粒徑大小而變化的。為了簡化這個(gè)概念，我們現(xiàn)在假定粒子是均一大小的，具有相同的擴(kuò)散系數(shù)（diffusion coefficient)。分散體系中的小粒子運(yùn)動(dòng)的快，將會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)波動(dòng)信號(hào)變化很快；而相反地，大粒子擴(kuò)散地畢竟慢，導(dǎo)致了光強(qiáng)值的變化比較慢。
        圖示4使用相同的時(shí)間周期來觀測不同大小（小，中，大）的粒子產(chǎn)生的散射光強(qiáng)變化,請注意，橫坐標(biāo)是時(shí)間t。

我們需要再次強(qiáng)調(diào)，光強(qiáng)的波動(dòng)并不是因?yàn)闄z測區(qū)域內(nèi)粒子的增減引起的

 而是大量的粒子的位置變動(dòng)（位移）而引起的。

Stokes Einstein Equation

        DLS技術(shù)的目標(biāo)是從原始數(shù)據(jù)（raw data)中確定粒子的擴(kuò)散系數(shù)“D”。原始數(shù)據(jù)主要是指光強(qiáng)信號(hào)的波動(dòng)，比如上述圖4中所示。通過擴(kuò)散系數(shù)D我們可以很容易的計(jì)算出粒子的半徑，這時(shí)候就是廣為人知的Stokes-Einstein方程式：
D=kT/6πηR    （2）
這里k 指的是玻爾茲曼常數(shù)1.38 x 10-16 erg K-1；
T是真實(shí)溫度；
η是分散溶劑的額剪切粘度，比如20℃的水的η=1.002×10-2 泊；
        從上述公式2中我們可以看到，通常情況下，粒子的擴(kuò)散系數(shù)D會(huì)隨著溫度T的上升而增加。溫度進(jìn)而也會(huì)影響溶劑粘度η。例如，純水的粘度在25℃下會(huì)落到0.890×10-2泊，和20℃下相比會(huì)有10%的改變。毫無疑問，溶劑的粘度越小，粒子的無規(guī)則擴(kuò)散速度會(huì)越大，從而導(dǎo)致光強(qiáng)的波動(dòng)也越快。因此，溫度T的變化和粒徑的變化是完全分不開的，因?yàn)樗麄兌加绊懙搅藬U(kuò)散系數(shù)D。正因?yàn)檫@個(gè)原因，樣本的溫度必須保持恒定，而且必須非常精確，這樣才能獲得有實(shí)際意義的擴(kuò)散系數(shù)D。
        從圖4的“噪聲”信號(hào)中無法直接提取出擴(kuò)散系數(shù)。但是可以清楚地看到，信號(hào)b比信號(hào)c波動(dòng)地快，但是比信號(hào)a波動(dòng)地慢，因?yàn)椋盘?hào)b地粒徑一定在a和c之間，這只是很直觀地得到一個(gè)結(jié)論而已。然而，量化此種散射信號(hào)是一個(gè)很專業(yè)地課題。幸而，我們有數(shù)學(xué)方法來解決這個(gè)問題，這就是自相關(guān)函數(shù)（auto-correlation)。

自相關(guān)函數(shù)原理

       現(xiàn)在讓我們設(shè)定散射光強(qiáng)的自相關(guān)函數(shù)為IS(t)，在上述圖4中可以看到其隨時(shí)間而波動(dòng)。我們用C(t’)來標(biāo)識(shí)自相關(guān)函數(shù)。C(t’)可以通過如下方程式3來表達(dá)：
C(t&rsquo;)=< Is(t)*Is(t-t&rsquo;) >    (3)
括號(hào)< >表示有很多個(gè)t和對應(yīng)的Is值。也就是說，一次計(jì)算就是運(yùn)行很多Is(t)*Is(t-t&rsquo;) 的加和，所有都具有相同的間隔時(shí)間段t&rsquo;。
       圖5是典型的Is(t)的波形圖，通過這張圖，我們可以認(rèn)為C(t&rsquo;)和Is(t)之間有簡單的比例關(guān)系，這張圖的意義在于通過C(t&rsquo;)函數(shù)可以通過散射光強(qiáng)Is(t)的波動(dòng)變化&ldquo;萃取&rdquo;出非常有用的信息。

       自相關(guān)函數(shù)C(t&rsquo;)其實(shí)是表征的不同大小的粒子隨時(shí)間而衰變的規(guī)律。

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