塑造光散射粒子表征的未来

这次采访最早于2025年7月7日在AZoM.com上发布。

光散射长期以来一直是跨越多个科学学科的粒子表征的基础技术。从制药到食品生产，从纳米医学到环境分析，其多样性和精确性使其不可或缺。随着技术创新的加速，新挑战和机遇正在重塑光散射的应用方式，尤其是在自动化、人工智能和先进检测方法的引入下。

在这次采访中，AZoMaterials与来自Malvern Panalytical的专家对话，该公司一直处于光散射创新的前沿，以探讨该技术的现状和未来潜力。

光散射数十年来一直是粒子表征的基础工具。您能简要介绍一下这项技术的工作原理及其重要性吗？

光散射是一种多才多艺且非侵入性的技术，用于表征分散粒子。虽然各个光散射技术的工作方式不同，但它们的基本原理相同——即当光束与分散的粒子相互作用时，会在各个方向上散射光。

以激光衍射为例，它用于获取从亚微米到几毫米的粒子尺寸信息。在这种情况下，我们感兴趣的是散射光的平均角度依赖性，它取决于分散粒子大小及其分布。通过在广泛的角度范围内测量散射光的强度，可以计算出粒度分布 (PSD)。

另一方面，动态光散射 (DLS) 用于纳米尺度的粒子（从几微米到纳米）。虽然纳米颗粒的散射仍然依赖于角度，但与其关注角度数据，我们关注的是散射的时间依赖性。我们在一个或多个特定角度测量散射强度随时间的变化——所选择的角度取决于所需的信息。散射强度的快慢与分散粒子的布朗运动相关。因此，这给我们一个其大小与分布宽度（多分散性）的测量，并且通过二次分析可以提供尺寸分布。

光散射很重要，因为它提供了无需外部校准标准的精确测量，对表征各种样品类型非常可靠。确定粒子大小、形状和分子量等特性是理解材料和工艺在制药、电池制造和采矿等各个领域中表现的关键。

Malvern Panalytical一直是光散射领域的先锋，尤其是在Mastersizer（用于激光衍射）和Zetasizer（用于光散射）的仪器系列上。

近年来，光散射技术的最重大进展有哪些，以及它们如何改善了粒子表征？

一个显著的进步领域在于计算机处理能力，大大改善了光散射技术中的数据处理。光散射系统，如 Mastersizer，利用强大的处理器以更快和更精确的方式分析更大的数据集；而使用云计算的可能性将进一步扩大处理能力。这种能力对于研究复杂样品和获得详细粒度分布至关重要。增强的数据处理也支持智能算法区分粒度分布中的微小变化，这又为样品特性提供了更深入的洞察。

来自 Malvern Panalytical 的自适应测量类型——Zetasizer Advance 系列上的自适应相关和 Mastersizer 3000+ 上的自适应衍射——根据实时数据动态调整测量参数，优化结果的准确性和可靠性。这些创新确保我们的仪器提供最准确和详细的粒度表征，并为用户的数据提供信心。

过去十年中，开展光散射测量的其他新方法也已引入。其中一个重要的技术是 Zetasizer 使用的多角度动态光散射 (MADLS)。MADLS 在多个角度测量散射光，提供多分散样品的粒度分布的综合分析，以及单峰样品的更高精确度。此方法增强了测量的准确性，特别适用于具有宽粒度范围的复杂样品。

还有自动化和人工智能，它们开始被纳入主流光散射仪器。自动化是部分地实现更高的通过量，使得可以测试更多样品，并减少对操作员输入的需求，这可能是一个显著的不确定性来源。人工智能则为数据处理和了解数据提供了许多令人兴奋的可能性。

在光散射中准确分析多分散或复杂系统是一个挑战。有哪些策略或创新在帮助克服这些限制？

分析多分散或复杂系统可能是一个挑战，我们越来越看到样品在这种方面变得更复杂。幸运的是，Malvern Panalytical 做出的创新，如多角度动态光散射 (MADLS) 和先进的图像处理技术，正在帮助解决这些限制。例如，MADLS 通过在多个角度测量散射光提供更全面的分析，提高多分散样品中尺寸分布的准确性，并通过消除角度偏差更准确地反映样品的尺寸分布。将光散射与图像传感器结合的实验平台在分析复杂系统方面显示出了希望。

诸如纳米技术和生物制药等新兴领域如何影响光散射方法的发展？

光散射技术如DLS在表征最近出现的进展中非常重要，例如纳米药物——不仅仅是为了了解其基本大小，还有了解其配方稳定性和生物利用度。这些系统比典型的乳液或分散体要复杂得多，因为它们也是功能性的。它们必须在正确的“排列”中并保持这种结构才能发挥作用。我们因此被推动去观察如何最好地补充光散射数据，为这些新的应用领域提供更加重要的洞察。

您提到了自动化和人工智能，作为光散射领域的两个进展方向。您能详细说明一下您怎么看待这些技术在研究和工业中塑造光散射的未来吗？

我们观察到的一个反复出现的趋势是光散射系统用户技能水平的逐步降低。不是每个用户都想或有时间成为如Mastersizer或Zetasizer的专家。研究人员和工业科学家面临着日益增加的时间和资源限制，很多人希望光散射仪器在测量流程中能尽可能多地‘减轻负担’。自动化解决方案，如Zetasizer样品助理，可以处理样品处理和展示，而Mastersizer的 SOP Architect等工具可以帮助用户开发他们的方法。

自动化和人工智能还帮助应对对高样品处理量和广泛数据集的日益增长的需求。客户需要他们可以信赖的大量数据，以确保质量和数量的满足。

最近有哪些最出乎意料或突破性的光散射应用？

光散射在大多数行业和研究领域中都有应用，这是非常了不起的，在我们的客户执行的一些迷人且有时令人意想不到的工作中，我们一次次被提醒这一点。

一个引人注目的应用是疫苗开发，特别是在COVID-19大流行期间，光散射起到了关键作用。Zetasizer成为疫苗开发者的必备工具，帮助他们分析用于疫苗的纳米粒子的尺寸和稳定性。这项技术确保了疫苗的有效性和安全性，对COVID-19疫苗的快速开发和部署作出了显著贡献。

我们也看到了对微塑料越来越多的兴趣，这是有原因的。微塑料是小于5毫米的塑料颗粒，来自于日常用品如一次性塑料、衣物和个人护理产品。这些塑料进入环境和食物链，对人类健康和生态系统构成风险。荷兰的MOMENTUM项目正在使用光散射来表征微塑料。通过使用Mastersizer，研究人员可以为样品测量尺寸并创建“微塑料护照”，帮助跟踪和理解这些污染物的影响。

一个激动人心的新应用的最后一个例子是精密发酵。这涉及使用工程微生物——如细菌、酵母或真菌——生产蛋白质等功能性成分用于肉类或奶制品替代品。这种方法在世界试图减少传统农业对环境的影响并增强全球食品供应的弹性时正在获得关注。光散射在这个过程中是至关重要的，用于控制粒子大小以保证食品产品具有一致的结构并让人享受。它帮助评估蛋白质稳定性以防止聚集和潜在的产量损失。

在测量准确性和灵敏度方面，光散射技术还在演变的关键领域是什么？

光散射技术即使经过几十年的持续发展，也在不断演变。几个关键领域在测量准确性和灵敏度方面脱颖而出。

其中一个关键领域是检测器技术的改进，大大增强了光散射测量的准确性和灵敏度。当代的检测器，如高灵敏度CCD相机、雪崩光电二极管 (APD) 和光电二极管阵列，现在在捕获散射光信号方面更为高效。这些进步使得能更好地检测低强度信号，对于分析小颗粒或低浓度样品至关重要。

Malvern Panalytical正在提高激光衍射对于粗颗粒的灵敏度。Mastersizer 3000+引入了像Size Sure这样的创新功能，通过自适应衍射来帮助实现这一点。这对诸如电池制造等行业尤为重要，因为粗颗粒会导致阴极和阳极的短路。

光散射领域还通过开发最佳实践用于方法开发和测量在前进。例如，ISO/TS 5973出版物为激光衍射测量提供了全面的指南，涵盖了从样品准备到数据解释的所有内容。这个标准有助于确保测量是一致且可靠的，对于在光散射实验中实现高准确性和灵敏度至关重要。

随着行业推动实时、在线粒子表征，这为光散射技术带来了什么挑战和机遇？

在线粒子表征在工业中变得越来越普遍，因为他们希望对他们的过程提供更即时的反馈，并且试图减少对实验室进行离线表征的需求，这可能是昂贵的。这种从离线到在线表征的转移给光散射带来了一些挑战。每个挑战都带来了进一步开发光散射技术和利用其他技术找到解决方案的机会。

一个主要挑战是确保在线和离线表征方法之间的等效性。你可能有兴趣比较不同供应链状态的数据，例如使用在线方法进行处理时与使用离线方法进行质量控制 (QC) 时的情况。在理想情况下，你希望技术的结果是一致的。然而，两种方法，离线和在线，通常需要不同的方法，如光学设置，这可能影响记录的粒度分布 (PSD)。例如，在离线情况下，可以顺序使用不同波长的光源以扩展测量的尺寸范围，这种情况下可以循环样品；但对于在线采样这几乎是不可能的。

处理高浓度样品是另一个挑战。在许多工业过程中，颗粒浓度可能很高，导致多重散射问题，即颗粒相互干扰彼此的散射信号。对于离线或在线测量，解决方案将是稀释样品，但对于在线测量，这不可行。这会使分析变得复杂，并降低粒度测量的准确性。像自适应衍射和先进算法的技术正在开发中，以缓解这些影响并提高测量的可靠性。

检测少量粗粒子对于油墨和油漆制造等行业至关重要，因为即便是少量大颗粒也能显著影响产品质量。需要快速和全面的分析以确保不会遗漏粗粒子。

对于希望在该领域取得进展的研究人员和科学家，您认为哪些研究或创新领域最有前景？

如同许多其他领域，人工智能毫无疑问最有前景。我们已经看到它如何塑造我们提供有用工具以更短时间从仪器得到更高质量数据的能力。我非常期待看到人工智能在未来如何与其他表征技术结合光散射数据，以发展出对样品行为或预测样品行为的更加深入了解。

读者可以在哪里找到更多信息？

请提供可能与我们的观众相关的任何材料链接。

• 光散射概述 | Malvern Panalytical
• Mastersizer | 激光衍射粒度分析仪 | Malvern Panalytical
• Zetasizer | 专业光散射仪器 | Malvern Panalytical

• Which cuvette should I use with my Zetasizer?
• PDI 来自 DLS 中的单个峰值
• D90，D50，D10 和跨度 – 适用于 DLS？
• 纳米颗粒的折射率有多重要？
• 塑造光散射粒子表征的未来

关于 Darrell Bancarz

Darrell Bancarz 是 Malvern Panalytical 一位经验丰富的产品经理，专注于纳米材料，总部位于英国伍斯特郡。他在公司工作了二十多年，在科学仪器和材料分析方面有着深厚的专业知识。在他目前的角色之前，Darrell 曾担任应用服务经理，为以客户为中心的解决方案和技术支持做出了贡献。他的工作支持了材料科学和先进制造业的创新。

关于 Paul Senior

Paul Senior 是 Malvern Panalytical 一位专门从事微材料的产品经理，负责 Mastersizer 系列。他在材料表征领域有超过八年的经验，曾在CROs、仪器研发和产品管理领域工作。他的兴趣包括流变学和使用激光衍射、DLS、NTA、Morphologi 和 BET 表面积分析等技术的粒子表征。