使用 SOP Architect 架构师进行超声滴定：确定湿法样品分散的最佳条件

简介

样品被充分分散是粒径方法开发过程中的关键步骤。湿法分散通常会使用超声打开团聚体。然而，对于经验较少的用户来说，如何确定超声强度和时间，找到那个既能实现分散又能避免不良副作用的“最佳点”，可能是一项挑战。在 Mastersizer 3000+ 激光粒度仪的 SOP Architect（SOP 架构师）中增加了超声滴定功能后，优化湿法样品的分散条件变得非常简单。 

关于 SOP Architect（SOP 架构师）

SOP Architect 是 Mastersizer Xplorer 软件中的一款智能工具，用于开发湿法分散方法。它结合使用屏幕提示、附加信息链接和自动测量，全程指导用户，让他们有信心为自己的样品开发出高质量的方法。这是一个全面的解决方案，其工作流程中有八个不同的阶段，包括新的超声滴定阶段（请参见图 1）。

图 1：SOP Architect（SOP 架构师）的方法开发工作流程

样品分散的重要性 

在计算机科学中，有一句俗语叫做“垃圾输入，垃圾输出”——换句话说，有缺陷的或质量差的数据会产生同样低质量的结果。在粒度领域，同样的理念也可应用于样品分散和方法开发——“材料分散不当，数据也会不准确”。 

您的样品分散条件必须合适且可控，以达到与您预期目标一致的样品分散状态（例如初级粒子粒径测定）。否则，无论方法开发的其余部分多么完善，您的颗粒粒度分布 (PSD) 结果都不会准确。

这凸显了进行超声滴定的重要性；使用超声是湿法分散的关键步骤之一，同时要确保样品被表面活性剂适当润湿和表面活性剂的稳定性。事实上，在 ISO 13320:2020 ^[1] 附件 G 的鱼骨图中，超声波被列为一项重要的方法参数。 

鉴于超声波对湿法样品分散的重要性，Mastersizer 3000+ 的多个湿法分散附件（Hydro EV、Hydro MV 和 Hydro LV）在设计中都配备了在线超声波探头。您可以通过Mastersizer Xplorer 软件进行控制，在 Mastersizer 内循环的样品时使用超声，并即时记录粒径的变化。借助 Smart Manager 功能，还可以跟踪超声波探头的健康状况，这样您就知道何时需要更换探头以避免数据质量受到影响！ 

超声滴定是什么？ 

确定湿法样品最佳分散条件的过程包括“超声滴定”的实验。这个实验会确定将样品分散到初级粒子粒径所需的超声功率和时间，它通常包括以下阶段：

1. 在不使用超声波的情况下，进行一组测量以评估搅拌的影响，这有助于确定是否有必要使用超声波，或者仅靠搅拌是否足以分散样品。
2. 在设定的超声强度下，记录超声时间对粒度的影响（通常为 Dv10、Dv50 和 Dv90）。 
3. 超声强度可以根据前上一步的结果调整到更高或更低功率。也可以考虑使用外超声（使用探头或-水浴超声）。 

图2是超声滴定的一个例子。样品在搅拌的作用下逐渐分散，但只有当使用超声波时，样品以更快的速度分散，直到颗粒粒度百分位数稳定下来。超声停止，结果依旧保持稳定。

图 2：超声滴定的例子

超声波滴定有几种可能的结果，包括：

• 已实现分散：如上所述，颗粒粒度百分位数会随着超声波的施加而减小，直到样品完全分散后达到稳定值。 
• 稳定：如果颗粒粒度百分位数（Dv10、Dv50 和 Dv90）随超声时间的增加变化不大，没有观察到颗粒粒度减小，那么样品可以在不使用超声波的情况下完全分散。
• 粒度持续减小：如果在超声过程中观察到颗粒粒度持续减小，那么初级粒子可能正在被超声破碎。这种情况下，建议降低超声波强度。 
• 粒度持续增大：如果在施加超声的过程颗粒粒度持续增大，那么样品可能正在团聚，或者超声产生的热量导致了光束偏转。 

如有可能，应使用显微镜或静态/动态颗粒成像仪器（如 Hydro Insight）验证样品的分散状态。在加超声前后进行观察，能够让您知道团聚体是否已经被分散，或者颗粒的形状是否被破碎而发生变化。

在本案例中，我们展示了颗粒大小如何随超声时间变化。然而在我们使用超声时，其他影响因素会使 PSD 倾斜，尤其是分散剂因为热量挥发。SOP Architect 考虑到了这一点，在使用超声后会延迟一段时间再进行测量。 

SOP Architect（SOP 架构师）如何进行超声滴定？ 

SOP Architect 的超声滴定阶段将使用 Hydro EV，Hydro MV 或 Hydro LV 附件的内超声。 

超声滴定可作为其他测试（稳定性检查、搅拌速度滴定和遮光度滴定）的补充，成为整个方法开发过程的一部分，或根据具体要求单独进行。即使您不想进行超声滴定，SOP Architect 也会您记录内超声或外超声的详细信息。有关滴定选择页面的详细信息，请参见图 3。

图 3：SOP Architect 中的滴定选择页面（未选择超声滴定）

滴定中使用的默认超声波强度为 100%。但当开始超声滴定时，可以对 SOP Architect 进行灵活设置。SOP Architect 会询问您的样品是否“易碎或易磨”，如果您选择此选项，超声波强度将降至 50%。也可以在“高级设置”里降低强度（见图 4）。 

图 4：超声滴定设置 

超声滴定从一般的预测量步骤开始，添加分散剂、校准光路、背景测量，然后提示您添加预分散的样品。 

首先，在不使用超声波的情况下对样品进行 6 次测量。然后， 进行30 秒的超声，累计超声时间不超过 210 秒，每30秒超声后进行 6 次测量。测量前还会进行延迟（水为 30 秒，有机分散剂为 180 秒），确保在记录数据前充分散热。

在超声滴定进行过程中会对数据进行评估；，通过算法将每30秒超声后的平均数据与前后的测量结果进行比较，评估结果的稳定性。如果 RSD 值低于 ISO 13320:2020 的相关标准，则判定样品稳定，SOP Architect 会推荐相对应的分散条件。如果 SOP Architect 发现样品已达到稳定状态，则会提前结束滴定，为用户节省时间！

SOP Architect 在超声滴定过程中使用的算法已在不同类型的样品中进行了验证，结果显示，在和粒径专家推荐的条件比较时显示出100%的成功率（见表 1）。 

表 1：SOP Architect（SOP 架构师）结果与专家用户的比较

在对数据进行评估后，SOP Architect 将为您提供以下结果之一。

如果滴定成功，SOP Architect 将建议样品使用超声波强度和时间。这也可能包括 SOP Architect 建议不加超声。无论以上哪种情况，这些细节都将在 SOP Architect 完成后添加到生成的 SOP 中。

若不成功，SOP Architect 会指出需要开发额外的方法，并就下一步工作提出建议。以图 5 中的建议为例。 

图 5：SOP Architect 在超声滴定后提供的建议示例

在这种情况下，SOP Architect 发现在设定的超声波强度下，样品没有完全分散或未达到稳定状态。SOP Architect（SOP 架构师）会为您提供两个选项：

• 增加超声强度 
• 或使用外部超声进行分散

 您可以选中首选选项的复选框，然后获得额外支持。如果选择增加超声波强度，则会返回超声波滴定开始页面，超声波强度会自动增加。

案例研究：高岭土 

在SOP Architect 中使用高岭石粘土样品进行超声滴定，高岭石粘土是很多行业会使用的一种材料。例如，造纸业通常使用高岭石作为填充材料。所用高岭石的颗粒粒度会影响纸张的白度、印刷适性以及将其用作填料的成本。因此，在团聚被有效分散的情况下，准确报告其粒径分布是至关重要的。。 

如图 6 所示，高岭土样品在水中呈双峰分散。在没有超声波的情况下，较大的粒度处有一个明显的肩峰，但用（在 Hydro MV 中） 100% 的超声强度可以将团聚体分散。总超声时间和粒径结果的趋势图表明，在超声时间达到 120 秒时，粒度不会进一步减小，而且通过成像可以确认在此阶段粒度已完全分散（图 7）。

图 6：在 SOP Architect 中对高岭土样品进行超声滴定的结果 - 左图：PSD 的叠加；右图：超声持续时间与粒径变化趋势

图 7：Hydro Insight 记录的颗粒图像。超声前观察到团聚（左图），充分超声后只剩下初级粒子（右图）

在这种情况下，SOP Architect 自动为我们完成了数据评估任务，并得出与专家相同的结论 – 分散高岭石样品的条件是 100% 的强度超声 120 秒（图 8）。

图 8：SOP Architect 提供的高岭土样品超声滴定指南

总结

SOP Architect 中新的超声滴定功能让方法开发进入高级阶段，为用户提供了重要指导。这一技术并非仅仅惠及那些激光衍射技术使用经验较少的用户，将其纳入全面的方法开发方案之中。专家用户发现，将超声滴定作为一项独立实验来进行具有很强的实用性 – 例如，在 Hydro 分散附件中将外部超声改为内部超声。 

不过，无论您打算如何使用超声滴定-，SOP Architect 和 Mastersizer 3000+ 都能帮您实现：

• 标准化或简化方法开发
• 在方法开发中融入最佳实践，从而实现始终如一的高标准
• 减少对人与人之间知识转移的依赖
• 将 Malvern Panalytical 的经验融入您的工作流程
• 通过决策提升团队独立性
• 使用 SOP Palyer 实现激光衍射法测量的自动化

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参考文献

• [1] ISO13320:2020 – 颗粒粒度分析 – 激光衍射法