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不同激光粒度衍射仪器之间等效测试方法的建立要求考虑以下三个方面：
当正确设定上述参数并且粒度处于两仪器的测量范围内时，测量结果可以达到极好的一致性。 但当颗粒粒径处于Mastersizer 2000（以下简称MS2000 ）的测量极限时，则Mastersizer 3000 (以下简称MS3000) 和MS 2000 测量结果将会产生显著差异。
本说明的目的是比较MS 2000 和MS 3000 系统之间计算、测量和分散参数的设定，以便建立较好的等效测试方法。 当参数不能直接等效时，建议通过测试来确定合适的设定值。
另外，两个系统之间等效测试方法的简便性在一定程度上取决于初始方法的稳定性。 在相关参考文献中有关于方法开发和验证的更详细叙述[1，2，3]。
粒度仪都是应用基于米氏理论的光学模型，通过数据采集并反演计算出粒度分布。
米氏理论是当今最全面的光学模型，应用该模型进行粒度测量需要提供相应的光学参数，比如样品的折射率和吸光度，分散剂的折射率等。
MS 2000 和MS 3000 都用折射率和吸光度（虚数折射率）的精确数值进行计算。其中折光率和吸光度数值可从仪器自带的数据库中选择即可，并且新样本的数据可以添加到数据库中以扩大数据的适用范围。 因此MS 2000 和MS 3000之间定义光学参数的方式没有变化。
但是，为了建立准确的等效测试方法，确保光学参数正确是很重要的。 如果使用了错误的光学参数，那么由于检测器设计的差异，在每个系统上所获结果可能会有所不同。
图3 显示了使用错误的光学参数（折射率1.52 和吸光度0.1）在MS 2000 和MS 3000 上测量碳酸钙样品的结果。 结果表明粒径在细端的分布形状以及Dv10 值存在显著差异。
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但是，如果使用正确的光学参数，那么两个系统之间可以达到极好的一致性。 图4 显示了在两个仪器上使用折射率1.6 和吸光度0.01 分析得到的相同碳酸钙样品的结果。 这表明两个粒度分布之间有更接近的一致性，并且两个仪器上测得的结果均满足ISO 的重复性要求[4]。
同时，上述图还显示了每一组光学参数的分析残差。 使用光学参数1.6 和0.01 减小了两个仪器的测量残差。 这表明光散射数据的测定值和计算值之间的拟合已经改进了，并且这些光学参数对样品来说更为合适。
本例表明在使用合适的光学参数下，MS 2000 和MS 3000测量结果可得到很好的一致性，但是要注意错误的光学参数在两个系统上可能得到不同的结果。
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为了更好地分析不同分布宽度的光散射数据，MS 2000 和MS 3000 都提供了不同的分析模式。 例如：通用模型适合于大多数研磨、沉淀和乳剂样品。 但窄模式模型可能更适合于分选或标准材料。
表1 是MS 2000 和MS3000 上可选用的分析模型。 虽然名称可能有变化，但是大多数分析模型可以在MS 2000 和MS 3000 之间直接等效应用。
样品类型 | 模型类型 | |
|---|---|---|
Mastersizer 2000 | Mastersizer 3000 | |
大多数材料 | 通用 | 通用 |
单一模式，窄样品 | 单峰模式 | 窄模式（+高级的，保持单一模式） |
多种模式窄样品 | 多重窄模式 | 窄模式 |
胶乳球 | 单一/多种窄模式 | 验证乳胶 |
颗粒形状 | 球形的或不规则的 | 球形的或不规则的 |
干细粉 | 细粉模式 | 细粉模式 |
为了确保两种系统上的数据具有可比性，应该设定有参考价值的测量参数，并且需要考虑这些参数对测量结果的影响。
由于MS 3000 动态范围的改进，在样品处于MS 2000 动态测量范围的极限时，可能会产生结果的差异 [6] 。 图5 显示了两个仪器上测得的咖啡样品的结果，系统之间得到了极好的一致性。 这也是使用窄模型分析的一个样品。
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比如含有大于2000 微米颗粒的样品，在MS3000 上将有较大的结果，而在MS 2000 的结果上粒度分布峰可能被切断。 这种情况下，通过调整MS 3000 中所使用的分析粒度范围，可能会提高结果的可比性。
进行激光衍射测量时需要选择合适的遮光度（与浓度有关），以保证既能采集足够的散射光又尽量避免发生多重散射。
如果加入分散装置的样品量太少，则因为低的信噪比，将无法保证测试结果的重现性。 通过测量单独的材料子样本，可以检测测试结果的再现性。
如果遮光度太高，则会产生多次散射现象，导致粒径测量结果降低。 基于光学设计的进步，Mastersizer 3000 不易受到多重散射。 因此，进行遮光度滴定是很重要的，特别是对于小于1 微米的样品，以便确定在什么遮光度范围内粒度是稳定的。
图6 显示了在两个仪器上对相同的乳剂样品进行的两次遮光度-Dv10 滴定曲线。 结果表明随着遮光度的增大，MS 2000 和MS 3000 测得的Dv10 都逐渐变小， 但在MS3000 上，Dv10 的减小更加缓和，这也说明由于光学设计的改进，MS 3000 更不易受多次散射的影响。
因为多次散射取决于粒度，所以建议对不同的粒度使用不同的遮光度范围，如表2中所示。
| 样品 | 遮光度 | |
|---|---|---|
Mastersizer 2000 | Mastersizer 3000 | |
湿法 (>20μm) | 5 - 25% | 5 - 25% |
湿法 (1-20μm) | 1 - 10% | 1 - 13 % |
湿法 (<1μm) | 1 - 5% | 1 - 8 % |
干法测量 | 0.5 - 6% | 0.5 - 8% |
其中规定了干法测量的遮光度水平，以便优化文丘里管的分散效率，例如：可以在较低的遮光度范围测量细而粘的样品。 同时由于分散器几何形状的改变，Aero 分散装置可在比Scirocco 更宽的遮光度范围内工作。
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激光衍射的测量时间影响加入分散装置的材料抽样。
如果测量时间太短，则可能没有足够的时间让所有颗粒在进样系统中循环。 这样如果少量粗颗粒从多分散样品中漏掉了，那么可能会引起结果的显著变化。
衍射测量的时间以秒为单位进行设定，MS 2000 以秒和探测器扫描次数两种方式显示持续时间。 探测器每秒扫描次数取决于仪器的数据采集速率，MS 2000 是1 KHz 而MS 3000是10 KHz。
虽然MS 3000有更高的数据采集速率，但一般情况下，我们建议保持相同的测量时间。 数据采集速率的增大将进一步改进材料的抽样。 干法测量最能看到数据采集速率增大的好处，因为在样品量少时对粒度更敏感。
保证在两个系统中达到相同的分散状态是建立等效测试方法的关键。
两种仪器都配备了一系列不同体积的湿法分散装置。 为了使测试方法等效，选择容积最为接近的分散装置。
搅拌速度会影响粗颗粒或密颗粒的悬浮状态。 Hydro MV和Hydro LV 共用了类似的罐体设计，带有集成的离心泵和搅拌器。
由于结构相似，例如：Hydro S 和Hydro MV，以及Hydro MU 和 Hydro EV 之间，多数情况下搅拌速度应该是可以直接等效的。 但是，因为和Hydro LV 的集成式泵和搅拌器相比，Hydro G 使用了分离式的泵和搅拌器，所以建议进行搅拌速度滴定，以确保获得的结果具有可比性。
对于颗粒较大或者密度较高的材料，可以通过搅拌速度滴定确定让所有材料都已经达到悬浮时的搅拌速度。 图8 显示了对于密实铜粉在Hydro LV上的搅拌速度滴定，结果显示在搅拌速度达到2500 转/分以上时，所有颗粒都达到了悬浮状态。
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因为Hydro SM 分散装置用于MS 2000 和MS 3000 两种仪器上，所以对于绝大多数材料，该分散装置的参数将是可以直接等效的。 但是，因为流动路径已经变化，所以可能必须测试某些样品搅拌速度的影响，特别是板状颗粒。
湿法分散装置使用超声波分散团聚颗粒，而MS 3000 通过管路中内置的线性超声系统分散颗粒，大大提高了分散效率。 在Hydro MV 和LV 中，超声波变换器构成泵室的一部分，而EV 使用单独的超声波室。 在两种设计中，颗粒必须通过超声波变换器附近，以提高分散效率。
因此，使用新的分散装置可降低分散样品所需超声时间。 图9 显示了同一样品在MS 3000 和MS 2000 分散装置条件下，Dv90 值的时间曲线。 结果表明使用MS 2000 分散装置分散样品花费了超过300 秒的时间，而使用新分散装置只用一半的时间就达到了稳定的分散状态。
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在干法测量中，通常使用压缩空气实现样品分散，因此可通过调节空气压力来控制分散程度。
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与Scirocco 相比，Aero 分散器已经完全重新设计。 Aero 使用模块化分散器设计，通过不同分散机理设计不同的分散器，从而可用于脆性、粘性或坚固的样品的分散（ 可参考有关Aero 分散器的更详细的叙述[6] ）。
由于分散机理的不同， 对于不同的样品，建议进行压力滴定，以便确定合适的分散器以及相应的分散压力。 图11显示了 使用Scirocco 以及配有标准和高能文丘里管的Aero分散装置对奶粉测试的压力滴定曲线（Dv50 与 压力的关系）。 分散的湿法结果也已经给出，以评估样品合适的分散压力。
结果表明样品在两种条件下都可以实现分散：使用Scirocco 和高能Aero 文丘里管在1 巴压力下，以及使用标准Aero 文丘里管在3 巴和4巴之间的压力下进行分散。 跟湿法结果相比，达到相同的分散状态，Aero 标准文丘里管有更宽的压力范围，这也意味着其测试更加稳定，因此建议该样品使用标准Aero 文丘里管进行分散。
下节包含了三个等效测试方法建立的案例研究，其中每个例子都阐明了本应用说明中所述的一些原理。
第一个例子是一种粒径较大的碳化硅样品，Dv50 约为600 微米。 因为粒径较大，所以在湿法测量时，等效测试方法建立的重点在于要确保适当抽样以及分散装置中所有颗粒都悬浮。
使用大容积分散装置（Hydro G 和Hydro LV）测量该样品，这些分散装置可让较多的样品得到测量，因而改进了抽样。 同时对于该样品，在Hydro LV 上进行搅拌速度滴定，以确保所有颗粒都悬浮。 因为颗粒较大，所以确定3500转/分钟的搅拌速度足以让样品中所有颗粒都悬浮。
结果得到了相似的粒度分布，同时其粒径结果也在ISO 重复性要求以内，如图12 所示。
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第二个例子是一种矿物性颜料，颗粒的范围粒径在几十到几百微米。 因为样品含有小于50 微米的颗粒，所以要考虑的重要因素是光学参数和分散状态。
在本例中，使用Hydro S和Hydro MV 分散装置测量样品。 由于该样品在水中直接分散已经比较好，因此不需要额外的超声。
同时该样品既不是很大的颗粒， 也没有高的密度，所以搅拌速度不太可能影响到结果。 在本例中，在两个系统上用2000rpm 的搅拌速度测量了样品。
此材料的参考折射率为1.68，对于一种着色的材料，0.1 的吸光度是适当的。 选用这些光学参数得到的数据具有良好的拟合，残差在1%以下。从MS 2000 和MS 3000 得到的结果来看（如图13 所示），两种粒度分布达到了极好的一致性，并且其结果完全符合ISO的重复性要求。
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最后一个案例研究是某种碳酸钙样品，其粒度范围在1微米和10 微米之间。 由于该样品粒度较小，所以要考虑的重要因素将是分散和光学参数。
在本例中，使用Hydro MU 和Hydro EV 测量该样品。 同时为了达到一个稳定的分散效果，碳酸钙常常需要用稳定剂（例如：焦磷酸钠）以及超声处理。 在两个系统上使用了全功率下的超声波分散，超声时间为1 分钟 在两个案例中搅拌速度均设定为2000rpm。
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碳酸钙的折射率大约为1.5 到1.7。 在本例中，使用了适合于晶体状研磨材料的折射率1.6 和吸光度0.01。 图14 显示了MS 2000 和MS 3000上测得的碳酸钙样品的结果，这表明粒度分布之间有很好的一致性。
衍射仪器之间等效测试方法的建立要求考虑分析参数、测量参数和样品的分散状态。
此应用说明讨论了MS 2000 和MS3000 之间的这些参数等效，并进行了相关测试。同时确保在参数不能直接等效时所得结果是可以相互比较的。
遵照这样的方法，等效过程能够使MS2000 和MS 3000 测试结果之间达到极好的一致。
[1] Wet method development for laser diffraction measurements, MRK561-01
[2] Developing a method for dry powder analysis, MRK524-02
[3] Method validation for laser diffraction measurements, MRK671-01
[4] ISO13320 (2009). Particle Size Analysis - Laser Diffraction Methods, Part 1: General Principles
[5] Extending the boundaries of laser diffraction: Increased dynamic range and sensitivity with the Mastersizer 3000, MRK1821-01
[6] Extending the boundaries of laser diffraction: Enhanced dry powder dispersion with the Aero S, MRK1829-01
