药物的作用机制、催化剂的效率以及印刷油墨的有效性和准确性都取决于其中所含纳米颗粒的大小。然而，目前还没有在研磨过程中监测颗粒大小分布的方法。

一种基于激光的研磨过程中粒度分布测量方法

在 PAT4Nano 项目中，一个来自工业和研究领域的联盟在过去四年中一直在寻找此类在线测量的可行方法。位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所 (ILT) 开发了一种有前景的基于激光的方法，很快就能实现此类测量。

纳米级粒子在喷墨打印、汽车催化转换器和药品生产中发挥着重要作用。“在许多应用中，它们的尺寸分布对产品性能有重大影响，”在弗劳恩霍夫 ILT 从事激光医疗技术和生物分析领域研究的 Christoph Janzen 博士解释说。

例如，印刷油墨中颗粒的研磨程度会影响数字印刷的可靠性、成本和色彩效果。所谓的超大颗粒(即颗粒过大)可能会堵塞喷墨喷嘴。如果研磨得太细，生产所需的能量和时间就会增加，印刷质量也会受到影响。

用于催化剂涂层的纳米颗粒的情况也类似。贵金属铂和铱的催化效果和原材料消耗都取决于载体材料铝和氧化锆的粒度分布：最佳粒度可以以最少的贵金属投入实现最大的催化效率。

粒度分布在制药行业也很重要，因为活性成分颗粒的大小决定了它们在体内溶解的速度和药效的持续时间。一些止痛药在研磨成细粉后会产生类似药物的效果。因此，生产过程中需要精确度。

Janzen 解释道：“如果不符合规定的粒度分布，则存在整批产品必须丢弃的风险，这意味着公司可能会遭受高额财务损失。”然而，尽管纳米颗粒对许多产品的性能影响巨大，但使用现有的测量和显微镜方法很难测量它们。

如果测量是在研磨过程中在线进行的，情况尤其如此。由于没有切实可行的解决方案，用户迄今为止只能使用过程中随机样本测量。

实现纳米颗粒的在线测量

为了缩小这一差距，由工业公司、测量和分析设备制造商以及研究伙伴组成的联盟一直在寻求在线颗粒测量的新方法。

在 PAT4Nano(用于实时物理和化学表征纳米悬浮液的过程分析技术工具)项目中，他们花了四年时间改进各种分析方法来测量和分析工业相关的纳米颗粒。

除了比利时公司 Agfa-Gevaert 和 Janssen Pharmaceutica 之外，爱尔兰国立大学戈尔韦分校和爱尔兰利默里克大学、英国的 Johnson Matthey 和 Malvern Panalytical 以及荷兰的 InProcess-LSP 和 TNO 以及 Fraunhofer ILT 也是该联盟的成员。

Janzen 领导的团队开发了一种基于激光的新型粒子分析技术，在 PAT4Nano 项目期间，该技术用于研究制药、印刷油墨和催化剂生产应用样品的粒度分布。

新方法能够在持续的研磨过程中测量颗粒的尺寸和尺寸分布(粒度分布;PSD)。对于尺寸范围小于 100 纳米的颗粒来说，这项任务具有挑战性，因为基于微观图像的方法在这里达到了极限。因此，该团队在开发基于激光的在线分析时必须深入挖掘他们的光子技巧。

精确在线颗粒测量的数学弯路

Janzen 解释道：“我们根据动态光散射开发了我们的方法。”该测量原理基于 Braun 的分子运动：在液体介质中，悬浮的纳米颗粒因与溶剂分子碰撞而激发，并处于恒定运动中。颗粒越小，运动速度越快。这正是激光测量过程发挥作用的地方。

Janzen 解释道：“我们将激光聚焦在溶液上，分析散射光或其暂时波动。”可以使用数学方法从波动中推导出颗粒大小。

通常使用两种数学方法：傅立叶分析通过定义频率范围内的强度分布得出实际颗粒大小。或者，可以使用相关性分析根据运动频率得出有关研磨材料中颗粒大小的结论。如果包括液体的粘度或温度等其他参数，该过程可以提供非常精确的颗粒大小及其分布图。

Janzen 表示，绝对值并不总是必需的。通常，用户只需跟踪研磨过程中颗粒的“流体动力学半径”如何变化就足够了。“通过将其与完美运行进行比较，他们可以轻松跟踪其过程的进展情况以及何时达到所需的颗粒尺寸，”他报告说。

除了数学方法外，激光测量过程还涉及富有想象力的工程设计。这是因为在线测量无法在球磨机中进行，因为动态光散射基于对不受干扰的扩散的观察。然而，无法保证颗粒在运行的球磨机中的液体介质中自由扩散，特别是当研磨材料在其中不断混合时。另一方面，通过比色皿取样不能满足连续过程监控的要求。

为了解决这一难题，弗劳恩霍夫团队系统地分析了研磨过程。这让研究人员想到了一个绝妙的主意：“在通常使用的球磨机中，液体介质被不断地泵送，”Janzen 解释道。

该团队在液体循环中使用了光学测量方法。为了保证测量结果在液体流动的情况下仍然准确，ILT 研究人员构建了一个在线探头。旋转的叶轮将样品液体移动到光学探头前面。当它停止时，其中一个腔室中会形成一个封闭的空间，与任何流动无关。粒子可以在这里自由扩散，并且可以进行不受干扰的测量。

为了分析这些液体，研究小组将激光通过探针照射到临时测量室。测量结束后，叶轮再次开始转动，交换分析的样品液体——并在停止时再次关闭测量室。

向工业用纳米颗粒的稳定测量方法又迈进了一步

据 Janzen 介绍，光线通过光纤引入溶液中，因此焦点是可变的。第二个光学系统捕获散射光，并通过光纤将其引导到检测器，检测器记录信号。“这种方法的优点是测量是在与研磨过程相同的条件下进行的，”他说。

尚未完全解决的一个挑战是液体中的颗粒浓度很高，而且无法从外部稀释。这增加了多次散射的概率，从而可能歪曲测量结果。

为了扩大浓度范围，研究人员尝试了一种全新的方法：3D 互相关。这种方法使用改进的浸入式探头，可以在同一位置进行两次 DLS 测量，并使用互相关将波动的信号强度相互比较。这样，浓度范围就可以扩大，因为在比较信号时可以滤除干扰的多重散射。

为了确保两次测量都能捕获完全相同的粒子，该团队设计了一个特殊的光学支架，并使用选择性激光蚀刻 (SLE) 制造了它。他们的目标是通过将来自两个激发激光器的光通过两个光束路径通过同一个非球面透镜引导到完全相同的粒子上，并通过另外两个光束路径捕获散射光来实现高精度焦点叠加。

通过持续的小型化，他们能够将光学系统集成到浸没式探头中。然而，在项目过程中，这种方法被证明非常复杂。

Janzen 表示：“它还不够坚固，但使用 SLE 制造的支架的结果很有希望。”这也是因为使用了两种不同的波长(785 nm 和 795 nm)进行激发，以便将散射光信号从两个 DLS 实验中分离出来。

互相关方法的检测质量仍然落后于自相关方法。为了弥补其在高颗粒浓度下的缺点，合作伙伴将焦点定位在靠近探头玻璃板的位置：激光穿透液体的深度越低，干扰多重散射的概率就越低。

Janzen 总结道：“在 PAT4Nano 项目中，我们通过系统地测试各种方法，成功开发出一种在线测量方法;它使我们能够在正在进行的研磨过程中直接对大小约为 100 纳米的颗粒进行 PSD 分析。”

下一步是与来自各个用户行业和测量设备制造商的合作伙伴一起将该流程投入批量生产。