孟自強，李 微，夏 珉，楊克成

(華中科技大學 光學與電子信息學院，武漢 430074)

引 言

顆粒是指在一個分散系統(tǒng)中獨立的3維個體，可以是無機物、有機物或微生物等，其尺寸一般在nm～mm之間。

粒徑(又稱粒度)是指顆粒物的直徑，對粒徑的分析有著廣泛的用途，涉及到諸如能源、材料、醫(yī)藥、化工、冶金、電子、機械、輕工、建筑和環(huán)保等諸多領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)方面，顆粒的粒徑分布會直接影響微電子產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量[1]，還能反映燃料的霧化效果，決定燃料的性能[2]。在材料學方面，粒徑分析可用于碳納米角的形態(tài)研究[3]以及評估金屬超細微粉的性能[4]。在人體健康方面，超細顆粒會穿透肺泡，導致呼吸困難；它也可以誘導氧化應(yīng)激，從而引起心血管和神經(jīng)系統(tǒng)問題[5-6]。在環(huán)境方面，檢測近海浮游生物，微塑料，可了解海洋環(huán)境，預警赤潮[7]。在冶金行業(yè)中，煤粉顆粒的大小直接影響著煤粉的利用效率，從而直接影響金屬冶煉質(zhì)量和冶煉成本，同時影響著污染氣體的排放量[8]。在化工行業(yè)，測量晶體結(jié)晶尺寸對于晶體的生產(chǎn)十分重要[9]。綜上所述，顆粒粒徑測量技術(shù)對于提升產(chǎn)品質(zhì)量、監(jiān)測環(huán)境污染、改善人體健康、實現(xiàn)精準醫(yī)療等都具有十分重要的意義。隨著科技的迅猛發(fā)展，顆粒粒徑測量技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代測量學中一個重要的分支。

1 粒徑分析方法與原理

目前并沒有哪一種粒徑分析方法可以適用于所有的應(yīng)用場景，在以上應(yīng)用場景中，根據(jù)顆粒物性質(zhì)、粒徑范圍等特征，廣泛的使用了多種粒徑分析方法，如沉降法、篩析法、影像分析法、X射線衰減法、電阻法、光散射法和光衍射法等[10]，由此也有了很多依據(jù)各種原理生產(chǎn)的粒度測量儀器。其中基于顯微鏡、激光成像和光散射的粒徑測量方法越來越廣泛的應(yīng)用于各個場景，具體的分類以及測量范圍如圖1和圖2所示。本文作者將針對這3類方法的基本原理、適用范圍、應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析和比較。

圖2 各種粒徑分析方法的粒徑測量范圍對比

1.1 光學顯微鏡法

顯微鏡法是一種簡單、直觀的測量方法，可以同時觀察和測量顆粒的粒徑、形狀和表面形貌，對于非球形、不規(guī)則的顆粒物的測量具有獨特的優(yōu)勢。它的缺點是計量數(shù)目有限、難以實現(xiàn)智能化的粒徑分析。

1.1.1 普通光學顯微鏡法 普通光學顯微鏡法通過拍攝圖像和長度換算來對顆粒粒徑進行定值，將樣品制備成玻片，由光學顯微鏡拍攝圖像，根據(jù)顯微鏡放大倍數(shù)可以得到像素尺寸與實際長度的換算關(guān)系，統(tǒng)計顆粒占據(jù)的像素個數(shù)就可以計算出顆粒粒徑[11]。此方法定值精準, 而且操作簡單、直觀，可以測量單個顆粒的粒度，測量范圍為：0.8μm～150μm。但該方法只適合于粒度分布窄(粒徑最大值比最小值小于10∶1)的樣品。對于粒度分布寬的樣品，粒徑測量比較麻煩,而且計量數(shù)目有限，往往缺乏代表性。

普通光學顯微鏡法廣泛用于微米級粒子粒徑的檢測，如：食品存儲中納米凝膠乳液液滴聚集(7μm～90μm)的測量[12]；二氧化硅乳液液滴(6μm～50μm)的剪切穩(wěn)定性研究[13]；海砂(70μm～600μm)-海水混凝土性能的研究[14]；Fe和Si對Al-Mn合金晶粒(約幾微米)生成的影響[15]等。

1.1.2 激光共聚焦顯微鏡 受到光學衍射極限的限制，普通光學顯微鏡難以勝任微米級以下顆粒物的測量，激光掃描共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscope，CLSM)應(yīng)運而生。CLSM主要用于觀測熒光物質(zhì)，又稱為激光掃描共聚焦熒光顯微鏡。CLSM測量原理圖是將被探測點位于成像透鏡的焦平面，而共軛位置放置照明燈孔和探測針孔，因此被探測點所在位置為公共焦點。點照明可減小衍射影響，而探測針孔用于濾除焦平面以外的雜散光進入探測器，從而提升成像清晰度。具體測量原理如圖3所示，激光光束穿過照明針孔后形成點光源，依次經(jīng)過二向色鏡、物鏡準確聚焦于樣品的焦平面，照亮被熒光標記后的樣品，其彈性反射光(波長等于入射光)會被分二向色鏡鏡阻擋，而熒光(波長大于入射光)通過二向色鏡后成像于探測器。位于探測器前的探測針孔會阻擋被測樣品附近非焦平面的熒光，只有焦平面(即被測樣品像面)的熒光可以穿過探測針孔[16]，達到清晰成像的效果。

圖3 共聚焦顯微鏡裝置原理圖

CLSM主要用于熒光材料、組織切片、活體等的成像，還可以用于物質(zhì)的定性、定量、定時分析等[17]。CLSM少用于粒徑檢測，粒徑測量下限為200nm。對于亞微米級的顆粒物，可以估計出大小范圍，但在精度上有所不足。應(yīng)用有：氟化甲基丙烯酸酯顆粒(100nm～550nm)的粒徑測量[18]；結(jié)合大規(guī)模平行近似貝葉斯計算，估算聚苯乙烯顆粒(175nm～490nm)的大小[19];火山灰顆粒(5μm～54μm)成像檢測[20]等。

表1中列出了一些國外先進的激光共聚焦顯微鏡，分辨率在120nm左右，結(jié)合受激發(fā)射損耗成像技術(shù)可以達到20nm。

表1 先進的激光共聚焦顯微鏡

除光學顯微鏡外，電子顯微鏡、原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)也是研究納米顆粒物的常用顯微鏡。電子顯微鏡通過電子束撞擊樣品，使樣品中的原子激發(fā)出次級電子，這些次級電子調(diào)制顯像管得到反映樣品結(jié)構(gòu)的立體像。此方法可用于測量特征屬性的分布，包括從電鏡圖像中的聚集體和團聚體中[21]或以單個顆粒形式存在的組成顆粒的最小外部尺寸。

1.2 光散射法

光散射法是目前應(yīng)用最為廣泛的顆粒測量方法之一。顆粒的光散射特性與顆粒粒徑密切相關(guān)，因此可以利用光的散射特性測量顆粒粒徑[1]。光散射法主要有兩類：靜態(tài)光散射法和動態(tài)光散射法。其中靜態(tài)光散射法包括角散射法、衍射散射法和光全散射法。

光散射法與其它方法相比有如下優(yōu)勢: (1)適用范圍廣。適用于固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)以及部分兩相流；(2)測量范圍寬?？梢詼y量3nm～1000μm的顆粒；(3)測量準確。誤差小于1%～2%(標準顆粒)；(4)測量重復性好。偏差小于1%～2%(標準顆粒)[26]；(5)在線測量。光散射法測量時間短，已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)場合達到在線測量領(lǐng)域[8]。

光散射法的缺陷在于并非直接觀測顆粒形貌，而是測量光學等效粒徑，因此準確建立反演模型，往往決定了粒徑分析精度。

顯微鏡法中往往需要較為復雜的樣品沉積、制備要求，往往難以滿足在線測量、或者具有活性顆粒物的粒徑分析等場景。而光散射法在測量具有運動性、活性顆粒物具有獨特優(yōu)勢。光散射法廣泛應(yīng)用于生物和生物制藥領(lǐng)域中[27]，如單個大分子溶質(zhì)、蛋白質(zhì)構(gòu)象和膠體穩(wěn)定性、非特異性蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)相互作用、稀溶液中可逆特定締合、超分子組裝等的表征。

1.2.1 靜態(tài)光散射法 (1)角散射法。角散射法測量原理如圖4所示。聚焦的光束照射測量區(qū)中的待測顆粒，產(chǎn)生散射和吸收，由收集透鏡和光電元件接收散射光通量，然后根據(jù)角散射理論反演顆粒粒徑。目前常用的接收方式有兩種：一種是接收多個角度的散射光通量;另一種是接收一定角度范圍的散射光通量。其中第2種應(yīng)用更多。

圖4 角散射法測量原理圖

根據(jù)角散射理論，當懸浮粒子系統(tǒng)被強度為I0的平行光束照射時,粒子的折射率與周圍介質(zhì)的折射率不同，散射角光強度I(θ)與粒徑分布f(D)可以通過第1類Fredholm 積分方程聯(lián)系起來，代入米氏散射函數(shù)可以寫成：

I2(θ,mλ,D,λ)]f(D)dD

(1)

式中，θ為散射角，ND是粒子彌散系的數(shù)密度；λ是入射光波長；D是球形顆粒物直徑;Dmax和Dmin是粒子粒徑積分上下限；f(D)為粒徑分布函數(shù)；I1(θ,mλ,D,λ)和I2(θ,mλ,D,λ)是Mie散射函數(shù)，分別表示垂直和平行于散射面的散射光強度；mλ為粒子相對于周圍介質(zhì)的相對折射率。由(1)式即可反演顆粒的粒度分布。

角散射法的粒徑測量范圍為0.5μm～1000μm。測量誤差小于10%，短測量波長和優(yōu)化的測量角度選擇有利于獲得更好的測量結(jié)果。角散射法廣泛應(yīng)用于氣溶膠、液溶膠的檢測，如大氣氣溶膠[28]、LiCl氣溶膠[29]、煙煤排放[30]、油品顆粒測量[31]等。在先驗信息較少時，角散射法備受青睞，但是測量裝置和粒徑反演都比較復雜，也可能導致測量結(jié)果出現(xiàn)多個值，從而產(chǎn)生測量誤差。除此之外，它對光學系統(tǒng)有較高的精度要求。

(2)衍射散射法。衍射散射法通過測量前向小角度的散射光強反演顆粒粒徑，又被稱為小角前向散射法,其原理圖如圖5所示。激光器發(fā)出光束被針孔衰減和過濾，經(jīng)準直和擴束后被樣品池中的顆粒散射，并由傅里葉透鏡成像到探測器陣列，根據(jù)顆粒的粒徑范圍預先在探測器上設(shè)計一系列的環(huán)，如圖6所示[32]。

圖5 衍射散射法測量原理圖

圖6 探測器陣列像素與接收環(huán)示意圖[32]

環(huán)參數(shù)與粒徑范圍的關(guān)系是：

(2)

式中，m是環(huán)數(shù)，rm是第m個環(huán)半徑，Dm是與第m個環(huán)半徑相對應(yīng)的粒徑，f是透鏡的焦距。

通過圖像處理技術(shù)計算出每個環(huán)的散射光強度。對于在單次散射不相關(guān)的情況下的多分散粒子系統(tǒng)，探測器陣列上第i環(huán)(i

(3)

式中，m為探測器陣列上的環(huán)數(shù);I1和I2為相對于散射平面的平行偏振光強度和垂直偏振光強度;Wi為權(quán)重分布;Di是每個子區(qū)間的平均粒徑[Dm，Dm-1];θm-1和θm是第m個環(huán)的內(nèi)、外半徑散射角。

(3)式離散化后可用矩陣形式表示：

E=TW

(4)

式中,T為系數(shù)矩陣，E為m維探測能量向量，W為m維粒度分布向量。

衍射散射法的粒徑測量范圍約為0.5μm～1000μm[33]，其測量誤差可達4%，誤差主要取決于折射率輸入值與樣品真實值不匹配和多次內(nèi)反射，目前主要用于氣溶膠、液溶膠監(jiān)測,如蛋白質(zhì)-溶菌酶[34]、細胞[35]、懸浮等離子噴涂[36]等。近幾年的研究中，大都是對反演算法進行改進，以提高反演精度，如Tikhonov正則化[32,37]、Chin-Shifrin積分變換[38]、迭代非負Philips-Twomey(iterative non-negative Philips-Twomey,INNPT)算法[39]、對偶積分反演[40]、人工魚群算法[41]等。

(3)光全散射法。光全散射法又被稱為光譜消光法,其測量原理如圖7所示。它基于Lambert-Beer定律，當一束光強為I0的平行單色光，穿過顆粒物懸浮液會發(fā)生散射和吸收導致透射光的衰減。如果忽略多重散射(顆粒間距離大于3倍粒徑)和相互作用的影響，將入射光強與透射光強之比I(λi)/I0(λi)定義為消光比，可由下式計算：

圖7 光全散射法測量原理圖

(5)

式中，λi(i=1，2，3,…,k)為入射光波長，通過實驗測量獲得，在反演過程中作為已知參數(shù);L是光程，nD是懸浮液中的顆粒物總數(shù);Qext(λi,mλ,D)是單個球形顆粒的消光效率，它是波長λi、粒徑D和相對折射率mλ的復函數(shù)。由(5)式即可反演粒徑分布f(D)。

光全散射法的測量范圍為50nm～10μm，它的測量誤差主要取決于顆粒濃度，低濃度高透射率容易產(chǎn)生噪聲，高濃度則會出現(xiàn)多重散射效應(yīng)。光全散射法具有測量速度快、重復性好、原理簡單、操作簡便、對儀器設(shè)備要求不高、還能測量顆粒濃度等優(yōu)點。消光法廣泛應(yīng)用于氣溶膠(如大氣氣溶膠[42-43]、石英氣溶膠[44])、液溶膠(微藻細胞[45]、血紅蛋白[46])的監(jiān)測，尤其是對于大氣氣溶膠的的遙感監(jiān)測具有獨特的優(yōu)勢。由于各種反演算法的性能還不能令人滿意，因此，在近幾年的研究中，兩種算法結(jié)合以提高測量精度和重復性的方式受到研究者們的青睞，如人工蜂群算法與模式搜索[47]、Tikhonov正則化與平均法[48]、Tikhonov正則化與主成分分析[45]等。

1.2.2 動態(tài)光散射法 動態(tài)光散射(dynamic light scattering,DLS)又稱光子相關(guān)光譜(photon correlation spectroscopy,PCS)，它是基于布朗運動和Mie散射的一種測量方法。

測量原理如圖8所示。激光器發(fā)出光束經(jīng)準直后照射含有待測顆粒的樣品槽，誘導顆粒產(chǎn)生極化，振動的電偶極子作為次波源向各個方向輻射電磁波(散射光)，由于顆粒的布朗運動，偶極子的位置也不斷變化，散射光強信號會產(chǎn)生起伏，由布朗運動的基本原理可知，顆粒粒徑越小，運動越劇烈，因此散射光的起伏也會更加劇烈。動態(tài)光散射通過散射光起伏與顆粒粒徑的關(guān)系來反演顆粒的粒度分布。

圖8 動態(tài)光散射原理圖

利用光子計數(shù)器和數(shù)字相關(guān)器在某個角度接收散射光并計算自相關(guān)函數(shù)。其中，電場自相關(guān)函數(shù)g(1)(τ)為：

|g(1)(τ)|=exp(-Γτ)

(6)

式中，上標(1)表示電場自相關(guān)；τ為延遲時間;Γ為衰減常數(shù) ：

Γ=Q2DΓ

(7)

結(jié)合斯托克斯-愛因斯坦方程：

(8)

式中，Q為散射矢量的模，DΓ為粒子的擴散系數(shù)，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，η為溶液的粘度，d為樣品的粒徑。kB,T和η為已知量。

結(jié)合(6)式～(8)式，就建立了自相關(guān)函數(shù)與顆粒粒徑的關(guān)系，可以通過測量計算出自相關(guān)函數(shù)，進而反演顆粒粒徑。

動態(tài)光散射法測量范圍約為3nm～3μm。它的測量誤差主要來源于測量角度的選擇和反演算法的性能，它在測量前向角度和反演單峰分布時均具有較高的準確性，可達到5%以下；在反演多峰分布時誤差較大，已有研究表明，相對于單角度動態(tài)散射光系統(tǒng)，多角度動態(tài)光散射提供了重復性好和更準確的粒徑與粒度分布，雙峰分布的反演誤差可達6%[49]。

動態(tài)光散射法樣本制備過程簡單，可用于干性、濕性顆粒物粒徑分布測量，在估算多分散系，多組分納米粒子尺寸的應(yīng)用中，動態(tài)光散射法輸出粒徑分布而非平均粒徑[50]。動態(tài)光散射法是光散射法中目前應(yīng)用最廣的一種，被廣泛應(yīng)用生物醫(yī)學、工業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域，例如金[50]、銀[51]、氧化鋅[52]、藥物佐劑[53]、淀粉脂肪酸混合物[54]、蛋白質(zhì)聚集[55]、納米氣泡[56]和灰塵[57]等的監(jiān)測。國際上知名的動態(tài)光散射儀包括英國馬爾文公司ZetaSizer系列，美國布魯克海文儀器公司Nano DLS系列，可達到1nm的測量精度。但是，動態(tài)光散射法測量粒徑在實際應(yīng)用中同樣存在一些問題。對單分散顆粒樣品，可以通過擬合動態(tài)光散射實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)曲線求出散射譜線寬，直接求出顆粒粒徑。但對于多分散顆粒系，情況則復雜得多，通過求解第1類Fredholm積分方程反演顆粒粒徑，這一求解過程屬于非適定性問題，任何微小的數(shù)據(jù)擾動都可能造成巨大偏差，需要合適的反演算法才能得到接近理論粒徑分布的解。為了提高粒徑反演的準確度，不斷有學者提出多角度光散射系統(tǒng)設(shè)計和粒徑反演算法，如迭代遞歸非負Tikhonov-Phillips-Twomey(iterative recursion nonnegative Tikhonov-Phillips-Twomey，IRNNT-PT)算法[58]、多重懲罰加權(quán)正則化[59]、加權(quán)貝葉斯反演算法[60]、小波迭代遞歸非負Tikhonov-Phillips-Twomey(wavelet iterative recursion nonnegative Tikhonov-Phillips-Twomey，WIRNNT-PT)算法[61]，這是目前的研究熱點。另外，顆粒形貌差異也會帶來粒徑反演結(jié)果的偏差，研究非球形顆粒物粒徑反演算法亦是目前的重要研究方向[62]。

1.3 激光成像法

1.3.1 激光全息測量法 激光全息測量法基于洛倫茲-米氏(Lorenz-Mie)光散射理論，測量原理如圖9所示。激光器發(fā)出具有高度相干性的光束，依次經(jīng)過擴束鏡和分光鏡，其中一束穿過含有待測顆粒的測量區(qū)，另一束光波不經(jīng)過測量區(qū)[32]。兩束光波在圖像傳感器處產(chǎn)生干涉，并由用圖像傳感器(如電荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)或互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS))采集得到全息圖，基于瑞利-索末菲衍射理論和角譜理論，可將全息圖重建為粒子場的3維分布，然后用閾值分割等算法計算顆粒粒徑。

圖9 激光全息測量法原理圖

將全息圖重建為粒子場3維分布的方法有：菲涅耳積分算法、角譜算法、卷積算法[63]。以菲涅耳積分算法為例：菲涅耳積分算法基于瑞利-索末菲衍射理論，當衍射距離即全息圖平面到衍射平面的距離能夠滿足菲涅耳近似條件時，菲涅耳衍射公式可以簡化表示為傅里葉變換的形式：

(9)

式中，U(x,y)為模擬衍射的再現(xiàn)物象，U(x0,y0)為圖像傳感器記錄下來的全息圖光強分布與再現(xiàn)光波的乘積。使用菲涅耳積分變換算法進行全息圖像重建只需要進行一次傅里葉變換就可以得到再現(xiàn)物像，得到的物像經(jīng)過閾值分割可以提取出被測顆粒粒徑大小和分布情況等信息。

全息成像的記錄光路有同軸光路和離軸光路兩種，以全息圖中心、待測物體中心的和參考光中心是否在一條軸線上為標準；同軸全息光路對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和光源的相干性要求不高，而離軸全息光路對系統(tǒng)光源的相干性要求較高，因此采用同軸全息光路具有較大的優(yōu)勢[63]。

激光全息測量法是一種3維測量方法，測量下限為2μm，相對誤差一般小于6%；它的分辨率受像素大小的限制，測量誤差還來源于環(huán)境干擾、相機中的幀丟失以及激光器的波長波動。激光全息測量法在水中污染物區(qū)分[64]、生物學中細胞培養(yǎng)[65]、病毒監(jiān)測[66]、工業(yè)中液滴[67]、云滴[68]、金屬液滴[69]、煤粉[70-72]、微生物顏料[73]等的監(jiān)測中已有應(yīng)用，可以提供顆粒的粒度分布、速度、數(shù)目、運動軌跡等信息,其缺點是設(shè)備昂貴，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復雜，對測量環(huán)境要求高，數(shù)據(jù)計算較復雜。采用深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)重建算法直接重建出粒子場，可提高計算效率[74]。在眾多的全息系統(tǒng)中，數(shù)字無透鏡全息以結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、靈敏度高、可消除噪聲和像差等優(yōu)點而備受青睞。

1.3.2 納米粒子追蹤分析法 納米顆粒跟蹤分析法(nanoparticle tracking analysis,NTA)基于布朗運動和Stokes-Einstein原理,它的測量過程如圖10所示。激光束穿過含有待測顆粒的樣本室，利用裝有攝像頭的長工作距離顯微鏡接收散射光，拍攝布朗運動下移動顆粒的視頻文件。

圖10 納米粒子追蹤分析測量原理圖

NTA測量粒徑的原理是溶液中的粒子會經(jīng)歷恒定的隨機運動。單個粒子的移動取決于它們的大小，其中小粒子的移動速度比大粒子快。根據(jù)Stokes-Einstein方程，在一定溫度下懸浮于已知粘度的液體中的球形顆粒由于布朗運動而產(chǎn)生的速度與顆粒直徑成正比[52]。由方程計算出樣品粒徑。同時，通過儀器內(nèi)置軟件，對觀察到的每一個顆粒進行跟蹤分析，得到粒度分布以及顆粒物濃度。

NTA法不會破壞樣本，保證了測量數(shù)據(jù)的真實性和有效性，它的測量偏差約為6%，誤差主要來源于顆粒非布朗運動分量，這將造成偏置誤差，往往需要修正。同時具有熒光增強檢測能力，標記檢測特定樣本，免受復雜樣本環(huán)境的影響。無需預先知道質(zhì)量、折光度和顆粒材料的流體力學直徑[75]，并且能對懸浮液中粒徑分布范圍較寬(10nm～2000nm)的顆粒進行全方位表征。缺點是該方法適用于固體和球形顆粒，對于大分子或棒狀顆粒，計算出的是流體動力學直徑，而不是真實粒徑。NTA法廣泛用于蛋白質(zhì)聚集體[76-77]、細胞外囊泡[78]、病毒[79]和藥物輸送載體[80-81]、廢水監(jiān)測[82]、生物制藥[83]以及環(huán)境修復[84]等領(lǐng)域。

2 方法對比

將顯微鏡法、光散射法和激光成像法3類方法的測量范圍以及適用對象總結(jié)于表2中，并補充了電子顯微鏡和原子力顯微鏡的粒徑測量范圍進行對比?？梢?除了普通股光學顯微鏡和衍射散射法主要用于干性、粉體顆粒物，其它方法均可用于粉體和液體溶膠兩種性質(zhì)的顆粒物粒徑檢測。表3中總結(jié)了各類方法的優(yōu)缺點。

表2 各種方法的測量范圍和適用對象

表3 3類方法的優(yōu)缺點

比較本文中的光學粒徑分析方法可以看出,光散射法和激光成像法的測量誤差來源可分為儀器測量誤差和粒徑反演計算誤差兩類，兩類方法的粒徑分析誤差均為5%左右。通過裝置和算法的改進，誤差甚至可以達到1%。不同的方法又有不同的精度和適用范圍，可以看到,激光共聚焦顯微鏡法、全息法對操作環(huán)境要求較高、可獲得顆粒物3維信息、更適合于對少量顆粒物的形貌觀測，消光法操作環(huán)境要求相對寬松、可用于對大量顆粒物、尺度相對較大(微米及以上)顆粒物檢測，動態(tài)光散射法和NTA法適合于對于粒徑較小(納米級)的大量顆粒物粒徑測量。這兩種方法均通過檢測顆粒物的布朗運動速度獲得顆粒流體力學尺寸信息，在很多方面有相似性和互補性，表4中列出了兩者的詳細對比。

表4 DLS與NTA對比

3 結(jié)束語

對基于光學原理的粒徑測量方法進行了分類。分別闡述了3類光學粒徑測量方法：顯微鏡法、光散射法、激光成像法的具體工作原理、測量范圍、測量誤差、優(yōu)缺點、應(yīng)用領(lǐng)域、研究熱點。對比了3類光學粒徑測量方法的適用范圍。詳細對比了動態(tài)光散射法、納米粒子追蹤分析法的異同。

基于現(xiàn)有技術(shù)的局限性可以分析，粒徑測量方法具有以下發(fā)展方向。

(1)自動化以及智能化：顯微鏡法的測量最精準，但速度慢，結(jié)合視覺智能化識別技術(shù)替代人工觀測是一大需求。

(2)在線式粒徑分析：現(xiàn)有技術(shù)多為離線時測量，基于光散射法的粒徑分析方法具有自動化等優(yōu)勢，實現(xiàn)工業(yè)在線測量具有潛力。

(3)多種方法相結(jié)合：單一測量方法往往并不能使人完全信服，研究者們往往用多種測量方法(如動態(tài)光散射、掃描電鏡、原子顯微鏡結(jié)合)得出相近的結(jié)果。

(4)測量精度的提高：在現(xiàn)有的原理方案中，如何在先驗知識少的情況下獲得準確測量結(jié)果是各種粒徑分析方法面臨的共同難題，同時如何準確測量具有特殊形狀的顆粒物也是目前的研究熱點，研究者將通過設(shè)計更加準確、完備的粒徑分析算法，或多種算法結(jié)合來提高測量精度。