СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ

АННОТАЦИЯ

Определение размера частиц играет ключевую роль в различных отраслях науки и промышленности, включая фармацевтику, материаловедение, агрохимию и нанотехнологии. Существуют разнообразные методы измерения, каждый из которых обладает своими преимуществами и ограничениями. В данной статье представлен сравнительный анализ современных методов определения размера частиц, таких как лазерная дифракция, динамическое рассеяние света, анализ изображений, метод Коултера, сканирующая электронная микроскопия и другие. Рассмотрены принципы работы каждого метода, их применимость к различным диапазонам размеров частиц, точность, воспроизводимость, а также ограничения, связанные с формой частиц, концентрацией образца и другими факторами. Особое внимание уделено последним достижениям в области автоматизации измерений и интеграции методов с компьютерной поддержкой для повышения точности и эффективности анализа. Представленные данные помогут исследователям и специалистам выбрать наиболее подходящий метод для конкретных задач, учитывая специфику образцов и требования к точности измерений.

ABSTRACT

Particle size determination plays a key role in various fields of science and industry, including pharmaceuticals, materials science, agrochemistry, and nanotechnology. There are various measurement methods, each with its own advantages and limitations. This article presents a comparative analysis of modern particle size determination methods such as laser diffraction, dynamic light scattering, image analysis, Coulter method, scanning electron microscopy, and others. The principles of operation of each method, their applicability to different ranges of particle sizes, accuracy, reproducibility, as well as limitations related to particle shape, sample concentration, and other factors are considered. Special attention is paid to the latest advances in measurement automation and the integration of computer-assisted methods to improve the accuracy and efficiency of analysis. The presented data will help researchers and specialists choose the most appropriate method for specific tasks, taking into account the specifics of the samples and the requirements for measurement accuracy.

Ключевые слова: размер частиц, методы измерения, лазерная дифракция, динамическое рассеяние света, метод Коултера, анализ изображений, сканирующая электронная микроскопия, точность измерений, автоматизация анализа, нанотехнологии, фармацевтика, материаловедение, сравнительный анализ методов.

Keywords: particle size, measurement methods, laser diffraction, dynamic light scattering, Coulter method, image analysis, scanning electron microscopy, measurement accuracy, analysis automation, nanotechnology, pharmaceuticals, materials science, comparative analysis of methods.

Введение

Измерение размера частиц является фундаментальной задачей в различных научных и промышленных областях. Точный анализ распределения размеров частиц необходим для контроля качества продукции, оптимизации технологических процессов и понимания свойств материалов. Существует множество методов измерения, каждый из которых основан на различных физических принципах и имеет свои особенности. Выбор подходящего метода зависит от множества факторов, включая размер и форму частиц, концентрацию образца, требуемую точность и доступное оборудование.

Цель данной статьи — предоставить систематизированный обзор современных методов определения размера частиц, их преимуществ, ограничений и областей применения.

Методы

В данной статье рассмотрены следующие методы определения размера частиц: лазерная дифракция, динамическое рассеяние света (DLS), анализ изображений, метод Коултера, сканирующая электронная микроскопия (SEM), гравитационный седиментационный анализ, просеивание, метод затухания света, ультразвуковая экстинкция, микрофлюидный диффузионный анализ.

В работе использована информация из баз данных Scopus, Web of Sciences, Elsevier, MDPI.

Обсуждение результатов

В таблице 1 представлены сравнительные характеристики применяемых методов определения дисперсности частиц.

Таблица 1.

Сравнение методов определения размера частиц

Комментарии к приведенным методам, могут быть следующими:

Лазерная дифракция. Метод лазерной дифракции основан на рассеянии света частицами различного размера и является наиболее универсальным для промышленных применений. Он позволяет проводить измерения как для сухих, так и для влажных образцов, обеспечивает высокую точность и воспроизводимость, не требует сложной подготовки образцов [1,2]. Однако разрешающая способность метода ниже при наличии бимодального распределения с близкими пиками, и он плохо работает с наночастицами [3].

Статический и динамический анализ изображений. Методы анализа изображений обеспечивают не только определение размера, но и морфологических характеристик частиц. Статический анализ требует большего участия оператора и неэффективен для частиц <2 мкм [4]. Динамический анализ отличается высокой скоростью и автоматизацией, но также чувствителен к репрезентативности выборки [5].

Динамическое рассеяние света (DLS). DLS применяется преимущественно для наночастиц и субмикронных материалов. Он эффективен при высоком броуновском движении частиц, но теряет точность при наличии широкой дисперсии в размерах или при измерении крупных частиц, чья седиментация превышает их термическое движение [6,7].

Гравитационный седиментационный анализ. Этот метод базируется на законе Стокса и подходит для определения размеров в широком диапазоне, однако требует точного знания плотности частиц. Он неэффективен для частиц <1–2 мкм и эмульсий [8].

Метод просеивания. Один из старейших и простейших методов. Он подходит только для частиц >38 мкм и страдает от низкой точности, обусловленной износом сит, ошибками оператора и длительным временем анализа для мелких фракций [9].

Счетчик Коултера. Основан на измерении изменения импеданса при прохождении частицы через апертуру. Метод позволяет точно определять распределение по размеру и количеству, но требует регулярной калибровки и замены апертур при переходе между разными диапазонами размеров [10].

Сканирующая электронная микроскопия (SEM). Предоставляет точную морфологическую и размерную информацию о наночастицах. Несмотря на высокое разрешение и детализацию, метод имеет низкую репрезентативность, высокую стоимость и требует длительной подготовки [11].

Метод затухания света. Применяется для подсчета частиц в средах с низкой концентрацией, например, в чистых помещениях или для анализа загрязнений. Ограничен по чувствительности к мелким частицам и требует частой калибровки [12].

Ультразвуковая экстинкция. Подходит для измерения в концентрированных суспензиях без разбавления и используется в онлайн-системах. Основной недостаток — высокая стоимость оборудования и сложность настройки параметров [13].

Таким образом, выбор того, или другого метода определения размера частиц зависит от множества факторов, включая размер и форму частиц, концентрацию образца, требуемую точность и доступное оборудование.

Лазерная дифракция является универсальным методом, подходящим для широкого диапазона размеров частиц, однако ее точность может снижаться при анализе наночастиц [14].

Динамическое рассеяние света эффективно для наночастиц, но чувствительно к агрегации и требует разбавленных образцов [15].

Анализ изображений предоставляет информацию о морфологии частиц, но требует значительных вычислительных ресурсов и может быть чувствителен к выборке [16,17].

Метод Коултера, основанный на измерении сопротивления раствора электролита, содержащего заряженные частицы, способен обеспечить высокую точность и воспроизводимость, но ограничен по диапазону размеров и требует регулярной калибровки [18].

Сканирующая электронная микроскопия предоставляет детальные изображения частиц, но является дорогостоящей и требует специальной подготовки образцов [19].

Гравитационный седиментационный анализ и просеивание являются простыми и бюджетными методами, но имеют ограниченную точность и применимость [20].

Метод затухания света и ультразвуковая экстинкция подходят для онлайн-измерений, но требуют сложной настройки и могут быть чувствительны к свойствам среды [21,22].

Микрофлюидный диффузионный анализ является перспективным методом для анализа биомолекул и белков, обеспечивая высокую точность при малых объемах образцов [23].

Заключение

Выбор метода измерения размера частиц зависит, в первую очередь, от задач исследования, требуемого диапазона размеров, природы материала, а также доступного оборудования. Лазерная дифракция и динамический анализ изображений являются наиболее универсальными для промышленных задач, в то время как динамическое рассеяние света и СЭМ предпочтительны для наночастиц. Для получения полной картины рекомендуется комбинировать методы, например, использовать лазерную дифракцию в сочетании с морфологическим анализом изображений.

Список литературы:

1. Xu R. Particle Characterization: Light Scattering Methods.  Kluwer Academic Publishers, 2001. DOI: 10.1007/0-306-47124-8 books.google.com+1 link. springer.com+1link.springer.com
2. Rawle A. Basic Principles of Particle Size Analysis. Malvern Instruments, 2002.
3. Allen T. Particle Size Measurement, Springer, 1997. DOI: 10.1007/978-1-4899-3063-7link.springer.com
4. Eshel G. et al. "Total soil particle-size distribution and models," Geoderma, vol. 124, no. 3–4, pp. 233–246, 2005. DOI: 10.1016/j.geoderma.2004.05.008
5. Van de Hulst H.C. Light Scattering by Small Particles, Dover Publications, 1981.
6. Berne B.J., Pecora R. Dynamic Light Scattering: With Applications to Chemistry, Biology, and Physics, Wiley, 2000.
7. Filipe V. et al. Critical evaluation of nanoparticle tracking analysis (NTA) by NanoSight for the measurement of nanoparticles and protein aggregates // Pharmaceutical Research. -2010.- vol. 27. – Р. 796–810, 2010. DOI: 10.1007/s11095-010-0073-2link.springer.com+1CoLab+1
8. Svarovsky L. Solid-Liquid Separation, Butterworth-Heinemann, 2000.
9. Greenwood R., Kendall K. Selection of suitable dispersants for aqueous suspensions of zirconia and titania powders using acoustophoresis // Journal of the European Ceramic Society. -1999. - vol. 19. –Р. 479–488, 1999. DOI: 10.1016/S0955-2219(98)00208-8SCIRP
10. Coulter W.H. Means for counting particles suspended in a fluid.  U.S. Patent 2656508A, Oct. 1953.
11. Goldstein J. et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Springer, 2017. DOI: 10.1007/978-1-4939-6676-9.
12. Whitby K.T. The physical characteristics of sulfur aerosols // Atmospheric Environment. 1978.- vol. 12. – Р. 1353–1358, 1978. DOI: 10.1016/0004-6981(78)90196-8
13. Richter S. et al. Ultrasound extinction spectroscopy for particle size distribution in highly concentrated suspensions. // Powder Technology. -2004.- vol. 143–144. – Р. 224–233, 2004. DOI: 10.1016/j.powtec.2004.04.021
14. Lorber B. Analytical light scattering methods in molecular and structural biology: Experimental aspects and results, Quantitative Biology . Biomolecules. 2018. DOI: 10.48550/arXiv.1810.00611   arXiv:1810.00611
15. Carvalho P.M., Felício M.R., Santos N.C., Gonçalves S. ,Domingues M.M. Application of Light Scattering Techniques to Nanoparticle Characterization and Development // Frontiers in Chemistry 6 2018. vol. 6. - 237. DOI:10.3389/fchem.2018.00237.
16. Gross-Rother J., Blech M., Eduard Preis E., Bakowsky U, GaridelE P.   Particle Detection and Characterization for Biopharmaceutical Applications: Current Principles of Established and Alternative Techniques //Pharmaceutics. - 2020. vol. 12(11). – P. 1112; https://doi.org/10.3390/pharmaceutics12111112
17. Nguyen M.C., Bon P. Optical signal-based improvement of individual nanoparticle tracking analysis // Measurement Science and Technology. -2023. 35(1). DOI: 10.1088/1361-6501/acfab0    arXiv:2308.09504
18. 18. Hogg W.R., Coulter W. ; Apparatus and method for measuring a dividing particle size of a particulate system; United States Patent 3557352. 1968. https://patents.google.com/patent/US3557352A/en. Дата обращения: 12.05.2025
19. Semenov V.I., Mikheev K.G.,. Mogileva T.N. , Mikheev G.M. Continuous Wavelet Transform of a Scanning Electron Microscope Image for Determining the Average Size of Nanoparticles//Technical Physics. – 2022. - № 8. - P. 612-617. DOI:10.1134/S1063784222080096  .
20. ГОСТ 22662-77. Методы седиментационного анализа . М.:ИПК Издательство стандартов, 2001.
21. Lee D.H., Clayton K.N., KinzerUrsem T.L.,Linnes J.C., Wereley S.T Quantifying Brownian motion in the presence of simple shear flow with particle diffusometry // Experiments in Fluids.  -2023. –vol .64 (2). -P.26. DOI:10.1007 / s00348-022-03566-8.
22. Worbs L. ,Lübke J., Roth N., et al., Light-sheet imaging for the recording of transverse absolute density distributions of gas-phase particle-beams from nanoparticle injectors // Optics Express. 2019. Vol. 27, Issue 25. – P. 36580-36586 https://doi.org/10.1364/OE.27.036580
23. Onofri F., Rodriguez-Ruiz I., Lamadie F. Microfluidic lab-on-a-chip characterization of nano- to microparticles suspensions by light extinction spectrometry, 2022. DOI: 10.48550/arXiv.2201.08497  arXiv:2201.08497