此方法是根据ISO标准13320-1(1999) 和9276-1(1998)建立的，本通则已经与EP/JP的相关章节协调。

 

激光衍射技术是根据分析粒子暴露在一束单色光中所产生的衍射模式而确定粒度分布。历史上，早期的激光衍射仪只使用很小的散射角度。然而，此技术已经扩大到很大角度范围的激光散射使用，除了夫琅和费（Fraunhofer）近似和反常衍射理论，使用了米氏定理（Mietheory）。

 

注释：本章节内容已经与EP2.9.31Particle size analysis by laser light diffraction,JP 3.04 Particle SizeDetermination协调统一。

 

此技术并不能区分单个粒子的散射和一团基本粒子的散射，也就是不能区分结块和凝聚。绝大多数的样品都包含结块和凝聚，并且我们主要关注的是基本粒子的尺寸分布，所以在检测前这些结块通常需要分散成基本粒子。

 

对于非球形粒子，因为此技术假设在它的光学模式中是球形粒子，所以检测得到的是一个等同的球形分布。激光粒度分布的结果可能和根据其他物理原理（例如沉降和过筛）的方法得到的结果存在差异。

通过分析其光散射角度模式，此章节对于在不同分散系统中（例如粉末、喷雾、气雾、混悬液、乳剂和液体中的气泡）的粒度分布检测提供指南。它不涉及对于任何特定产品的粒度分布测量的特殊要求。
 

 

PRINCIPLE原理

 

一个有代表性的样品，在一个合适的液体或气体中以适当的浓度分散，一束单色光通过，通常为激光。这些由粒子产生的多角度的光衍射被多元素检测器测量。然后代表散射模式的数值被记录用于随后的分析。然后这些散射模式数值，通过使用合适的光学模式和数学程序，被转化为尺寸等级的离散数值的总体积百分率，形成一个体积的粒径分布。

INSTRUMENT仪器

 

此仪器被放置在一个没有电子噪声、机械振动、温度波动、湿度或者直接亮光影响的环境中。

 

该仪器由一个激光源、光束过程单元、一个样品测量区域（或样品室），一个傅里叶（Fourier）透镜和一个用于测量散射光形态的多元素检测器。同时还需要一个数据系统将散射数据解卷积为一个体积粒度分布，并且进行数据的分析和报告。

 

粒子可以在2个地方进入激光光束。常规的情况下，粒子在收集透镜前和工作距离内进入平行光束。在所谓的反傅里叶光学中，粒子在收集透镜之后进入，因此进入聚集光束中。常规设备的优点在于样品有一个合理的路径长度，在透镜允许的工作距离内。第二种设备只有很少的路径长度，但是可以测量更大的散射光角度，它对于有亚微米粒子存在时的测量是非常有用的。

 

外来光束和分散的粒子的交互作用导致在不同角度的不同光强度散射状态。由直接光和散射光组成的总体角度强度分布，然后被集中到由一个透镜或者一系列透镜构成的多元素检测器上。这些透镜产生一个散射状态，在限度内，它不依赖粒子在光束中的位置。因此，这个连续的角度长度分布在一个检测器元素装置上转化为一个离散的空间强度分布。

 

这里假设粒子全体的检测散射模式，等同于在随机相对位置出现的所有单独的单个散射粒子的模式的总和。请注意只通过透镜（检测器）收集了有限的角度范围内的散射光。

DEVELOPMENT OF THE METHOD 方法开发

 

倘若使用的仪器和被检测的样品的检测条件被仔细的控制在一个有限的变化范围内（例如分散介质、样品分散系的制备方法等），用激光衍射的粒度测量，甚至在亚微米的范围，也可以得到可重现的数据。

 

传统上，用激光衍射测量的粒度范围大约为0.1um到3mm。因为近期在透镜和设备设计方面的进步，新仪器的常规检测能力已经超过了这个范围。在验证报告中，用户需要证明方法对于它的目标用途的适用性。

 

Sampling 取样

 

取样技术必须能够足够获得有代表性的并且合适体积的粒度测量的样品。可以运用例如旋转缩分器或者锥形四分法等样品裂分技术。

  

注释：对于样品颗粒存在较大差异的样品，取样的时候需要考虑大颗粒的沉降等因素导致的取样没有代表性。

 

Evaluation of the Dispersion Procedure

分散程序的评估

 

被分析的样品通过目视或者借助显微镜，来估计它的粒度范围和粒子形状。分散程序必须根据检测的目的进行调整。目的可以是希望尽可能的分解粒子团到基本粒子，或者希望尽可能的保持粒子团的完整。在这种情况下，目标粒子可以是基本粒子或者粒子团。

 

对于方法的研发，强力建议确认粒子没有粉碎，以及相反的，粒子或者粒子团分散是否良好。通常这些可以通过改变分散能量和监控粒度分布的变化来得到。当样品分散良好并且粒子不是易碎的或者易溶的，测量到的粒度分布结果应该不会有很大的变化。而且，如果物料的生产工艺（如结晶、粉碎）发生改变，方法的适用性必须进行确认（如与显微镜法对比）。

 

如果他们的浓度适合，喷雾、气雾和液体中的气泡应该直接测量，因为取样和稀释会改变粒度分布。

 

在其他情况下（如乳状液、糊状和粉末），有代表性的样品可以在适合的分散在溶液。分散助剂（湿润剂、稳定剂）和/或机械力（如搅动或超声）经常被用于粒子团的分散或解聚集和分散系的稳定。对于这些液体分散系，最常用的再循环系统由光学测量单元，一个装配有搅棒和超声元素的分散池，一个泵和管路组成。只有少量样品可用或者运用特殊分散系液是，才使用非再循环系统和搅拌的单元。

 

干燥的粉末也可以通过使用适当的干粉分散剂并运用外力进行分散或解聚集，从而转变为悬浮粒子。总体上，分散剂使用压缩气体或者真空压差的能量将粒子分散成悬浮粒子，将悬浮粒子吹散到检测区域，通常进入收集粒子的真空单元的入口处。然而，对于自由流动的粗粒粒子或颗粒，重力的影响可能足够恰当的分散这些粒子。

 

如果样品的最大粒子尺寸超过了仪器的测量范围，太粗粒物料可以通过过筛除去，去除的物料的质量的百分率需要报告。然而，在过筛前，请记住这些样品将不再有代表性，除非用别的方式证明。

 

Optimization of the Liquid Dispersion

液体分散体系的最优化

 

用于分散粉末的液体、表面活性剂和分散助剂必须：

 

—在激光波长中是透明的，特别需要没有气泡或者粒子；

—有和被检测物质不同的折射率；

—对于被检测物质为非溶剂（纯溶液或预先过滤的饱和溶液）

—不改变被检测物质的尺寸大小（如通过溶解性、溶解性提高或重结晶的影响）

—容易形成并且分散剂稳定

—和仪器中使用的物质能共处的（如O-rings，垫圈，配管等）；

—有合适的粘性用以再循环、搅拌和过滤。

 

面活性剂和/或分散助剂经常被用于湿润粒子并且稳定分散系。对于弱酸和弱碱，分别分散在低或高pH值的缓冲液，这样可以帮助确认一个稳定的分散系。

 

可以用目视或者显微镜检查的方法对分散质量进行初步确认。同样也可以从一个混合完毕的储备分散系中取少量的样品。此储备分散系可用通过加入一种液体到样品中然后将它用例如玻璃搅棒、小铲或者涡轮搅拌器进行搅拌得到。必须小心确保加入有代表性的样品，并且没有大块的粒子沉淀产生。因此，需要制备一个样品糊状物或者从一个保持搅动状态的混悬液中快速取样。

 

Optimization of the Gas Dispersion 

气体分散体系的最优化

 

对于喷雾和干粉分散系，可以使用无油无水和无粒子的压缩气体。为了在压缩气体中除去这些物质，可以使用一个带有过滤器的干燥器。任何的真空单元应该远离测量区域，这样它的输出就不会干扰测量。

 

Determination of the Concentration Range 

浓度范围的确定

 

为了检测器产生一个可以接受的信噪比，分散系中粒子的浓度必须超过一个最低水平。同样的，为了避免多重散射，它也必须低于一个最高水平。此浓度范围受到激光束宽度、测量区域通路长度、粒子的光学性质和检测器元素的敏感性等因素的影响。

 

考虑到以上情况，必须在不同的粒子浓度进行测量，从而确定任何典型样品物质的恰当浓度范围。【备注- 不同的仪器，粒子浓度通常被不同的客户用不同名称的数值表示，如遮光度、光学浓度、总质量比例数等表示。】

 

注释：以马尔文MS 3000为例，一般样品的取样量是将遮光度控制在10~20之间。

 

Determination of the Measuring Time 

测量时间的确定

 

测量时间、检测器的读数时间和捕获频率是依据需要的精密度确定。通常的，测量时间允许在很短的时间间隔内进行大量的检测器扫描。

 

注释：分散体系的确认非常重要，若分散体系不好，将导致结果不平行，结果偏大（未完全分散开），结果偏小（样品颗粒被打碎），分散体系的确认可以通过目视或者借助显微镜来完成，分散体系的确认是方法验证的前提。

  

Selection of an Appropriate Optical Model 

合适光学模式的选择

 

尽管其他相似的理论有时被运用于散射矩阵的计算，但大多数仪器不是使用夫朗和费理论（Fraunhofer）就是使用米氏理论（Mie theory）。理论模式的选择是根据使用目的和对于检测物质的不同假设（尺寸、吸光率、折射率、粗糙度、晶体取向、混合情况等）所决定的。如果不知道实际的折射率数值（真实和虚构的使用波长），那就可以使用带有真实折射率估计的夫朗和费近似（Fraunhofer approximation）或米氏理论（Mie theory）。前一种理论的优点在于简单，而且它不需要折光率的数值；后一种理论提供偏差很少的小粒子的粒度分布。例如，如果夫朗和费模式（Fraunhofer Mode）用于测量含有大量透明小粒子的样品，可以计算很多量的小粒子。为了获得可以可追溯的结果，必须记录使用的折射率数值，因为在实际和虚构的复杂折射率上很小的数值上的差异，可能引起粒度分布结果的巨大差异。通常虚构的小数值的折射率（大约0.01到0.1i），常用以修正粗糙粒子表面的吸光率。应该注意，通常被测物质的光学性质和它的结构（如形状、表面粗糙度和多孔性）对于最终结果有影响。

 

Validation 验证

 

典型的验证程序需要评估方法的专属性、线性、范围、准确度、精密度和耐用性。在用激光衍射进行粒度分析中，ICH定义的专属性是不适用的，因为它不能区分样品中的不同组分，除非辅助于显微镜技术，否则也不能区分分散粒子和凝聚。研究浓度和响应值的线性关系，或者用数学模式的插补算法，也不适用于这个程序。这个方法需要确定测量结果不会发生巨大差异的浓度范围，而不是去评估线性。低于范围的浓度会因为很差的信噪比出现错误，而高于浓度的范围会因为多重散射而产生错误。这个范围主要和仪器的硬件有关。准确度需要通过恰当的仪器确认和显微镜法的对比来得到，而精密度需要通过重复检测来评估。

 

方法可达到的重复性主要由物料性质（粉碎/未粉碎，坚固/易碎，粒度分布的宽度等）决定，然而重复性的要求是有方法的目的决定的。在这个章节不能规定一个强制的限度，因为一个物质相对另一个物质的重复性（不同样品的制备）可能有明显的差别。然而，对于重复性的可接受标准有一个很好的惯例，例如对于任何分布的中心值（如对于X50）的%RSD<=10% [n = 6]。对于分布的边界值（如对于X10 和X90），取向于较宽松的可接受范围%RSD<=15%[n = 6]。对于小于10um，这些值必须被翻倍。耐用性应该在选择和优化分散介质和力的时候进行测试。分散能量的改变可以通过监控粒度分布的变化来确认。

 

注释：激光衍射粒度测定法需要验证精密度（重复性，中间精密度）、耐用性（包括测量时间、搅拌速度、超声时间及超声强度，分散压力（干法））、样品浓度（若加入表面活性剂需验证表面活性剂的加入量）。此外还需对取样、样品分散体系进行确认，此外准确度项目的验证可以用仪器的校正，通过测定标准粒子的大小来证明。

 

MEASUREMENT 测量

Precautions 注意事项

 

仪器操作的说明如下：

 

—不要看激光的直射路径或者反射光

—防止溶剂燃烧和粉尘爆炸，所有的仪器部件需要接地

—检查仪器（如加热、需要的测量范围和透镜、恰当的工作距离、检测器的位置、不要阳光直射）

—如使用湿分散系，应避免分散系中的气泡，液体蒸发，纹影或其他的不同质；相似的，应避免分散剂不合适的质量流量或干分散系中的干扰气流；这些影响会引起错误的粒度分布结果。

 

Measurement of the Light Scattering of Dispersed Sample(s)

光散射分散样品的测量

 

在对仪器的光学部件进行了适当的调整后，必须用样品检测的相同方法，对没有粒子的分散介质进行空白检测。背景信号必须低于一个恰当的阈值。保存检测器的背景信号，并将样品检测结果减去背景信号。根据开发出的方法检测样品分散系。

 

对于每个检测器元素，有时会连同标准偏差计算一个平均信号。检测区域、光强度和量子效率决定了每个检测器元素的信号大小。检测器的等同性（尺寸和位置）和透镜的焦距决定了每个元素的散射角范围。绝大多数仪器也测量中心（非散射）激光束的强度。以分散样品与空白（空白测量）的强度比说明散射光的比例和粒子浓度。

 

Conversion of Scattering Pattern Into Particle-Size Distribution 

散射模式转换成粒度分布

 

去卷积步骤就是将散射模式计算成粒子分布。假设为球形粒子是特别重要的，因为绝大多数的运算法则都是运用的球形粒子的散射数学方法。而且，测量数据总是会包括一些随机和系统性的错误，它们可能会破环粒度分布的结果。一些数学程序已经被开发用于这些可用的仪器上了。它们包括一些测量和计算散射模式（例如最小二乘），和一些限制（如粒子数量的非负性），和/或一些粒度分布曲线的平滑等，的额外偏差。

 

对于每个设备生产商和模式，所使用的运算法则是专属的。不同仪器的不同运算法则可能会给出粒度分布的不同结果。

 

注释：由于不同生产商使用的计算模式可能存在差别，故为了数据的可对比性，双方必须使用相同的仪器及方法，否则，结果没有可比性。

 

Replicates重复

 

（对于单独制备样品的）重复测量的次数，是根据测量精密度决定的。建议根据特定物质的方法设定此重复次数。

REPORTING RESULTS 报告结果

 

粒度分布数据通常以一定尺寸下的累积分布和/或体积的密度分布进行报告的。用符号x来表示粒度，它被定义为相同体积圆球的直径。Q3（x）表示粒径x下的体积部分。在图表中，x表示为横坐标，而应变量Q3表示为纵坐标。绝大多数常用性质数值是从粒度分布通过插补法计算得到的。常用的在一定尺寸下的粒度数值为10%，50%和90%（分别表示为x10，x50和x90）。x50也就是中间粒度。符号d也被广泛的用来表示粒度，因此符号x可以用符号d代替。

 

而且，必须记录足够的样品信息，样品制备，分散系条件和单元类型。因为结果是根据特定仪器、数据分析程序和使用的光学模式得到的，所以这些细节也需要记录。

 

注释：目前激光粒度检测报告通常通过报告d10，d50，d90结果，其中具体的含义分别为累计粒度分布在10%，50%，90%所对应的粒径，例如，d50是100µm，表示50%粒径低于100µm。

 

CONTROL OF THE INSTRUMENT PERFORMANCE

仪器性能的控制

 

根据仪器的使用情况和检测的样品情况，按照生产商的说明书使用并且在恰当的时间间隔进行规定的确认。

 

Calibration 校正

 

尽管假设了例子的理想化性质，激光衍射系统的基础是激光散射第一理论。因此，校验在严格意义上是不需要的。然而，任然需要确认仪器操作的正确性。可以使用行业惯例可接受的任何标准物质进行。包括样品收集、样品分散、样品通过测量区域的转运、测量和去卷积程序的整个测量程序的检查。对于整个操作程序的完全描述是必须的。

 

推荐使用由已知分布的球形粒子组成的标准物质。它们必须已经用绝对技术确认过质量百分比的粒度分布，并且使用经过批准的详细的操作程序。如使用米氏理论进行数据分析，必须指出此物质的实际和想象的复杂折光率。假设所有部分的粒子浓度相同，有代表性的体积粒度分布就等同于质量分布。

 

如果三次独立检测的x50平均值的偏差不大于标准物质的标准范围值的3%，则激光衍射仪的响应值符合要求。X10和x90必须不大于标准范围值的5%。小于10um，这些值加倍。

 

尽管推荐使用包含球形粒子的物质，也可以使用非球形粒子。推荐使用已根据批准的详细操作程序进行了激光衍射分析并获得典型值的粒子。使用非激光衍射方法得到的参考值可能引起巨大的偏差。不同方法所固有的不同原理所导致的同一非球形粒子的不同球形等同直径是这些偏差的原因。

 

尽管推荐使用有合格证明的标准物质，也可以使用由其他良好定义的标准品。它们可以是由典型成分和粒度分布的物质标准组成的特殊等级物质。它们的粒度分布被证明随着时间也是稳定的。它们的结果必须和原先确定的数据一致，在和标准物质同样的精密度和偏差范围内。

 

Qualification of the System

系统的确认

 

除了校验，仪器的性能也需要定时或者按照恰当的频率进行确认。它可以使用上一章节中提到的任何适当的标准品进行。

 

系统确认是根据设备、电器、软件和分析操作所组成是一个整理体统的概念来进行的，它可以作为一个实体来评估。因此检查这个完整的测量程序，包括样品收集、样品分散、样品通过测量区域的转运，和测量和解卷积程序。对于整个操作程序的完全描述是必须的。

 

总体上，除了个论中的其它特殊要求，如果x50值的偏差不超过标准品值的范围的10%，就认为激光衍射仪的响应值符合要求。如果选择分布的边际值进行评估（如x10和x90），那这些值不能超过确认值的15%。小于10um，这些值必须翻倍。[备注－对于仪器的校验，更严格的要求在校验章节中。]

 

注释：仪器的性能控制包括校正及系统确认，校正是主要针对仪器的硬件，而系统确认是根据硬件、软件和分析操作组成的一个整体概念来进行的。由于具体产品的激光粒子检测方法的原理相同，故该方法无需进行专属性验证，此外也无需对单个方法进行准确性验证，故需定期对仪器进行校正以确定仪器准确性。