科學家門捷列夫說：“科學是從測量開始的。”“現代熱力學之父”開爾文有一條著名結論：“只有測量出來，才能制造出來。”人類科學研究的革命，工業制造的迭代升級，都離不開測量技術的精進。
對于粉體顆粒粒度，特別是納米顆粒粒度實現快速、準確的測量，具有非常重要的價值和意義。近年來，對于納米顆粒粒度的測量方法層出不窮，已經成為各大高校以及研究所的研究熱點之一。
01
電子顯微鏡法
電子顯微鏡包括透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)等，電子顯微鏡是最常用的微觀形貌表征分析儀器，是當前測量納米顆粒粒徑標準物質的最高標準。由于其可以捕獲顆粒的圖像，直接觀察納米顆粒的形貌、粒徑大小、粒徑分布等信息，國內外的納米/亞微米粒徑標準物質的粒徑定值大多數使用電子顯微鏡進行定值分析。電子顯微鏡已成為物理、化學、生物、醫學和材料科學等方面不可或缺的工具。
從1931年6月第一臺電子顯微鏡建成至今，其理論體系、實驗技術以及分析方法都已經相當成熟。電子顯微鏡與光學顯微鏡相比，其使用的是高能量的電子束而光學顯微鏡使用的是可見光；并且電子顯微鏡配有電磁透鏡而光學顯微鏡使用的是光學透鏡，電子顯微鏡可以呈現更高放大倍率的顯微圖像，能將樣品進行幾千、幾萬倍甚至幾十萬倍的放大并成像。
TEM與SEM在成像原理上有所不同：透射電子顯微鏡是利用電子束穿透樣品時產生的散射電子與透射電子，經探頭檢測器接收在熒光屏上成像，形成明場像，而掃描電子顯微鏡通過一束高能電子束在樣品表面進行掃描，激發樣品的二次電子，經探頭檢測器接收并在熒光屏上成像，形成暗場像。但是在對納米顆粒粒徑進行分析時，都是通過捕獲顆粒的二維投影圖像，然后進行處理分析，得到納米顆粒的等效面積直徑。
中國計量科學研究院的研究人員基于數學幾何學，提出一種掃描電鏡納米顆粒粒徑自動檢測方法，該方法利用電鏡顆粒圖像的粒徑分布及形狀信息，采用長短軸比值和區域面積2種不同參數對顆粒是否團簇或殘缺進行判斷，實現篩選單個的完整顆粒，并使用MATLAB對不同粒徑參數的顆粒寬邊緣形狀進行提取，運用最小二乘法求出顆粒粒徑的像素值，經轉化后得到真實值，從而實現了微納米顆粒粒徑的自動檢測。
在使用電子顯微鏡對納米顆粒粒徑分析時也有一定的局限性，例如在樣品制備過程中取樣量極少，在捕獲圖片時僅能觀察到有限數量的顆粒，并不能反映樣品的整體屬性，缺乏統計性；同時制備樣品時顆粒比較容易團聚。
02
動態光散射法
在各種測量顆粒粒徑方法中，動態光散射法是一種應用較早的相對來說比較成熟的方法。其樣品的制備過程簡單，測試步驟方便快捷，在較短的時間內就可以得到顆粒的粒徑及粒徑分布信息，在納米、亞微米顆粒行業中得到較廣泛的應用。
動態光散射法根據光散射的原理來對顆粒粒徑進行測量。光散射即當光波照射到非均勻介質時，光的傳播路徑發生變化而導致了光散射。而顆粒的散射是當光照射到顆粒上產生的表面反射、內部的折射以及產生的衍射所造成的。
動態光散射法原理圖
當顆粒在懸浮液中處于靜止狀態時，顆粒散射光的頻率與入射光的頻率相同，而對于非靜止狀態時即顆粒在懸浮液中做著無規則的布朗運動時，會使得顆粒的散射光的頻率與入射光的頻率有所偏差即產生多普勒頻移，根據這個細小的頻移可以獲得顆粒的擴散系數，根據Stokes-Einstein關系式描述的顆粒做布朗運動時在懸浮液中的擴散系數與顆粒粒徑之間的關系，從而就可以推算出顆粒的粒徑分布狀況。
03
顆粒跟蹤分析法
顆粒跟蹤分析法是測量納米顆粒粒度的一種新興的方法，其研發和應用始于2006年。到目前為止，僅有某國際儀器公司發展了不同型號的顆粒跟蹤分析儀。世界上展開了相關技術研究的實驗室有幾百家，關于使用相關方法測量顆粒粒徑和粒徑分布的研究比較少。
顆粒跟蹤分析技術利用光散射和布朗運動的特性獲得樣品懸浮液中樣本的粒度分布。利用激光光源照射在光學玻璃棱鏡上，光束在液體與棱鏡間發生折射，而顆粒在懸浮液中進行著布朗運動，其隨機運動擴散會導致光散射強度的變化，在可視系統中表現為一個個明亮的光斑，并且可以看到散射光斑也在隨機的運動，散射光斑的中心位置和運動狀態代表顆粒的位置和運動狀態。通過光學放大系統收集每一個顆粒的光散射信號，由相關檢測器(例如電荷耦合元件CCD攝像頭、互補金屬氧化物半導體CMOS裝置)實現顆粒的可視化。攝像頭捕捉一系列顆粒的運動軌跡視頻，分析顆粒的在時間和空間上的運動。
顆粒跟蹤分析法原理
通過對視頻中每一幀圖像上的每一個顆粒的布朗運動進行追蹤和分析，可以跟蹤單位時間內顆粒的運動軌跡計算出平均空間位移得到在同一水平面上顆粒運動的擴散系數，并利用Stokes-Einstein方程式計算顆粒的水力學直徑。
利用顆粒跟蹤分析法檢測顆粒范圍跟樣品材料相關，通常為10nm-1um。對于顆粒水力學直徑的檢測下限而言，是由顆粒的光散射(稀釋劑、顆粒的折光率)和樣品顆粒的分散性確定的；檢測上限是由較大顆粒的衰減的布朗運動決定的。對樣品進行測量時其粒徑大小需要在顆粒跟蹤分析法的檢測上限和下限之間。
04
其它方法研究
采用比表面積和孔徑分析儀測量納米顆粒粒徑
中國科學院大連化學物理研究所提出了一種采用比表面積和孔徑分析儀測量納米顆粒粒徑的方法。通過測量粒徑在30~70nm的一系列納米顆粒樣品堆積孔隙的尺寸，發現隨著樣品粒徑的增大堆積空隙逐漸增大，兩者之間存在很好的線性關系，關聯兩者的關系制定出工作曲線，實現了測量納米顆粒粒徑的目的。
測量結果表明，采用物理吸附儀測量納米顆粒的粒徑分辨率可達0.2 nm，且測量結果具有統計意義，是一種測量納米粉體粒度簡單可行的方法，尤其適合測量干燥后的納米粉體樣品。
基于中低頻超聲波的納米顆粒粒徑測量
上海應用技術學院機械工程學院的研究人員以ECAH理論模型為基礎研究了基于中低頻超聲波測量納米TiO2顆粒在分散液中平均粒徑及粒徑分布的測量理論和試驗方法，通過建立起納米顆粒粒徑分布與超聲衰減譜之間的關系，利用最優正則優化算法反演得到納米顆粒的粒徑分布。結果表明：該方法的測量結果與透射電鏡圖像測量以及高速離心沉降納米粒徑分析儀的測量結果吻合較好，表明了該方法測量納米顆粒粒徑分布的可行性與可靠性。
參考來源：
[1]邢化朝，納米顆粒粒度標準物質的研制，中國石油大學
[2]閆健，激光自混合干涉納米顆粒粒度測量方法研究，西安理工大學
[3]王智等，掃描電鏡納米顆粒粒徑自動檢測算法，中國計量科學研究院
[4]胡林彥，采用比表面積和孔徑分析儀測量納米顆粒粒徑，中國科學院大連化學物理研究所
[5]侯懷書等，基于中低頻超聲波的納米顆粒粒徑測量，上海應用技術學院
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