입자 크기 분석

Particle size analysis
이 기사는 입자 고형물에 관한 것이다. 아원자 입자에 대해서는 입자 물리학을 참조하십시오.
W.S. 타일러 컴퓨터 입자 분석기

입자 크기 분석, 입자 크기 측정 또는 단순 입자 크기는 분말 또는 액체 샘플에서 입자의 크기 범위 및/또는 평균 크기 또는 평균 크기를 결정하는 기술 절차 또는 실험실 기법의 집합적 이름이다.

입자 크기 분석은 입자 과학의 일부로서, 그 결정은 일반적으로 입자 기술 실험실에서 이루어진다.

입자 크기 측정은 일반적으로 고화질 이미지 처리, 브라운 운동 분석, 입자의 중력 안착 및 빛의 산란(레이레이레이 및 미에 산란)과 같은 다른 기술에 기초하는 입자 크기 분석기(PSA)라는 장치를 통해 이루어진다.

입자 크기는 화학, 식품, 광업, 임업, 농업, 영양, 제약, 에너지 및 골재 산업을 포함한 많은 산업에서 상당한 중요성을 가질 수 있다.

빛 산란을[1] 이용한 입자 크기 분석

광분산을 기반으로 한 입자 크기 분석은 시료의 광학적 특성화가 비교적 용이해 제약, 식품, 화장품, 폴리머 생산 등 여러 산업에서 제품의 품질관리를 개선할 수 있기 때문에 많은 분야에 광범위하게 적용되고 있다.[2] 최근 몇 년 동안 입자 특성화를 위한 빛 산란 기술이 많이 발전했다. 서브마이크론 입자 측정의 경우, 동적 광 산란(DLS)[3]은 이제 산업 표준 기법이 되었다. 이 방법은 레이저로 조명했을 때 정지상태의 입자에 의한 산란 빛의 변동을 분석하여 브라운 운동 속도를 결정하는데, 이는 스톡스-아인슈타인 관계를 이용하여 입자의 유체역학적 크기를 구하는 데 사용될 수 있다. DLS는 많은 나노 및 생체 재료 시스템의 크기 분포를 결정하는 유용한 접근법이지만, 몇 가지 단점을 안고 있다. 예를 들어 DLS는 다분해 시료 측정에 적합하지 않은 저해상도 방법으로 큰 입자가 있으면 크기 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 영상 녹화를 이용해 산란을 통한 개별 입자 움직임을 추적하는 나노입자 추적분석(NTA)[4] 등 다른 산란 기법이 등장했다. NTA는 또한 확산 계수의 입자의 유체역동적 크기를 측정하지만 DLS가 제기하는 일부 한계를 극복할 수 있다.[5]

위에 언급한 기법은 서브마이크론 영역에서 전형적으로 입자를 측정하는 데 가장 적합하지만, 정적 광 산란 또는 레이저 회절(LD)[6]을 기반으로 하는 입자 크기 분석기(PSA)는 수백 나노미터에서 수 밀리미터까지의 입자를 측정하는 데 가장 널리 사용되고 널리 사용되는 기구가 되었다. 초음파 분석기 등 비자기파 전파에 기반한 시스템에서도 유사한 산란 이론이 활용된다. LD PSAs에서는 레이저 빔을 사용하여 입자의 희석된 서스펜션을 조사한다. 입자에 의해 전방 방향으로 흩어진 빛은 렌즈에 의해 동심 광검출기 링의 큰 배열로 집중된다. 입자가 작을수록 레이저 빔의 산란 각도가 커진다. 따라서 각도에 따른 산란 강도를 측정함으로써 프라운호퍼 또는 미에 산란 모델을 사용하여 입자 크기 분포를 유추할 수 있다.[7][8] 후자의 경우, 분산제뿐만 아니라 측정되는 입자의 굴절률에 대한 사전 지식이 필요하다.

상용 LD PSA는 광범위한 동적 범위, 빠른 측정, 높은 재현성, 온라인 측정 능력 등으로 인기를 끌었다. 그러나 이러한 기기는 일반적으로 크기가 크다(약 700 × 300 × 450 mm), 무겁다(약 30 kg), 비싸다(50–200 K€ 범위). 한편으로 공통 장치의 큰 크기는 원하는 각도 분해능을 제공하기 위해 샘플과 검출기 사이의 거리가 크기 때문이다. 게다가, 그들의 높은 가격은 주로 값비싼 레이저 선원과 많은 수의 검출기, 즉 각 산란 각도에 대해 하나의 센서를 감시하는 것에 기인한다. 일부 상업용 기기에는 최대 20개의 센서가 내장되어 있다. 상용 LD PSA의 이러한 복잡성은 유지보수와 고도로 훈련된 인력을 필요로 하는 경우가 많다는 사실과 함께, 처리 환경, 종종 여러 장소에 프로브를 설치해야 하는 대부분의 온라인 산업 애플리케이션에서 이들을 비실용적으로 만든다. PSD의 다른 방법은 10nm-10µm의 입자 크기와 표준 분광도계의 농도를 동시에 측정하는 큐벳 기반 SPR 기법이다. 큐벳에 삽입된 광학 필터는 각질 분해능이 매우 높은 나노 광학적 결정으로 구성돼 미에 산란과 레이레흐 산란을 자동으로 정량화해 PSD 분석이 가능하다. [9]

LD PSA의 적용은 통상적으로 서스펜션을 희석하는 것으로 제한된다. 이는 입자 크기 분포(PSD)를 추정하는 데 사용되는 광학 모델이 단일 산란 근사치를 기반으로 하기 때문이다. 실제로 대부분의 산업 공정은 다중 산란이 두드러진 효과가 되는 집중 정지를 측정해야 한다. 입자가 산란하는 빛이 검출기에 도달하기 전에 여러 번 회절점에 부딪혀 입자 크기를 과소평가하게 되고, 이는 다시 겉보기 산란 각도를 증가시킨다. 이 문제를 극복하기 위해 LD PSA는 적절한 샘플링 및 희석 시스템을 필요로 하며, 이는 자본 투자와 운영 비용을 증가시킨다. 또 다른 접근방식은 다중 산란 보정 모델을 광학 모델과 함께 적용하여 PSD를 계산하는 것이다. 다중 산란 교정을 위한 알고리즘은 문헌에서 다량 찾아볼 수 있다.[10][11][12] 그러나 이러한 알고리즘은 일반적으로 계산 시간을 증가시키고 종종 온라인 측정에 적합하지 않은 복잡한 보정 구현을 요구한다.[12]

광학 모델과 복잡한 보정 요소를 사용하지 않고 PSD를 계산하는 대안적인 접근법은 기계 학습(ML) 기법을 적용하는 것이다.[1]

화학공업

입자 크기를 결정하는 방법에는 많은 수가 있으며, 입자의 크기는 입자의 측정에 사용되는 방법에 따라 달라지며, 입자의 크기를 결정하는 데 있어 그 방법을 선택하는 것이 중요하다.ts 사용

채굴

수술에서 처리되는 재료의 크기는 매우 중요하다. 과도한 크기의 자재가 전달되면 장비 손상이 발생하고 생산 속도가 느려진다. 입자 크기 분석은 또한 물질을 분쇄할 때 SAG Mills의 효과에 도움이 된다.

농업

토양의 등급은 물과 영양소 보유 및 배수 능력에 영향을 미친다. 모래 기반 토양의 경우 입자 크기는 토양 성능 및 작물에 영향을 미치는 주요 특성이 될 수 있다.

불필요한 물질이 검출되지 않으면 제품이 오염되기 때문에 농업계의 입자 크기 분석이 무엇보다 중요하다. 자동화된 입자 크기 분석기를 갖춤으로써, 회사들은 그들의 과정을 면밀히 감시할 수 있다.

임업

다양한 종류의 제품을 만드는 데 사용되는 목재 입자는 높은 품질 기준을 유지하기 위해 입자 크기 분석에 의존한다. 그렇게 함으로써 기업은 낭비를 줄이고 생산성이 높아진다.

골재

적절한 크기의 입자를 갖는 것은 골재 회사들이 오래 지속되는 도로와 다른 제품들을 만들 수 있게 한다.

생물학

입자 크기 분석기는 단백질의 집적을 측정하기 위해 생물학에도 사용된다.

크기 분석에 가장 적합한 기법 선택

입자 크기 분석에 사용할 수 있는 수많은 기법이 있으며, "See" 섹션에는 많은 기법이 수록되어 있다. 대부분의 기법에서 입자 크기는 입자 직경의 직접적인 측정보다는 예를 들어 빛 산란, 전기 저항, 입자 운동 등의 측정으로부터 유추된다. 이를 통해 기구에 의한 입자 크기 분포를 신속하게 측정할 수 있지만 입자의 특성에 관한 어떤 형태의 교정이나 가정을 필요로 한다. 대부분의 경우 이것은 구형 입자의 가정을 포함한다. 따라서 측정된 입자 크기 분포는 다른 장비 간의 결과를 비교할 때 달라지는 것이 일반적이다. 입자 크기 분포는 입자 크기를 측정하는 데 사용되는 방법에 따라 달라진다. 가장 적절한 방법은 일반적으로 방법이 데이터의 최종 사용에 맞춰 정렬되는 방법이다. 예를 들어, 침전 용기를 설계할 경우 크기 조정을 위한 침전 기법이 가장 적절하다. 그러나 이러한 접근법은 종종 불가능하며 대체 기법이 사용된다. 입자 크기 분석 장비의 선택(및 제거)을 지원하는 온라인 전문가 시스템이 개발되었다.[13]

참고 항목

참조

  1. ^ a b 후세인, R, 노얀, M. A, Woyessa, G. 외 CMOS 이미지 센서와 머신러닝을 이용한 초소형 입자 크기 분석기. Light Sci Apple 9, 21(2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0255-6
  2. ^ 발상카르, A. J. 입자 크기 분석의 원리, 방법 및 적용. 캔. 지오텍. J. 29, 1006 (1992)
  3. ^ Stetefeld, J, McKenna, S. A. & Patel, T. R. Dynamic light screasing: 생물의학에서 실용적인 지침과 응용. 생물물리학 8, 409–427 (2016)
  4. ^ 김, A등 다발성 고분자 조립체에 대한 나노입자 추적 분석의 크기 추정의 검증. sci. 9, 2639 (2019)
  5. ^ Kim, A, Bernt, W. & Cho, N. J. 나노입자 추적 분석에 의한 크기 결정 개선: 인식 반경의 영향. 논어 화학 91, 9508–9515 (2019)
  6. ^ 블롯, S. J. 외 레이저 회절에 의한 입자 크기 분석. 지질학회, 런던, 특별 출판물. 232, 63–73 (2004).
  7. ^ Vargas-Ubera, J, Aguilar, J. F. & Gale, D. M. 세 가지 반전 방법을 사용하여 빛 비산 패턴으로부터의 입자 크기 분포 재구성. 적용. 옵션 46, 124–132(2007)
  8. ^ 예, Z. & Jiang, X. P. Wang, Z. C. 미에 산란 이론과 마르코프 체인 반전 알고리즘에 기초한 입자 크기 분포의 측정. J. 소프트웨 7, 2309–2316(2012).
  9. ^ https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4928548
  10. ^ Gomi, H. 회절법에 의한 입자 크기 및 수 밀도 측정에 있어서의 다중 산란 보정. Appl. 25, 3552–3558 (1986).
  11. ^ Quirantes, A, Arroyo, F. & Quirantes-Ros, J. 구형 입자 시스템에 의한 다중 광 산란 및 농도에 대한 의존성: T-매트릭스 연구. J. 콜로이드 인터페이스 Sci. 240, 78–82(2001)
  12. ^ a b Wei, Y. H, Shen, J. Q. & Yu, H. T. 레이어 모델을 사용한 다중 산란 수치 계산. 미립자학 7, 76–82(2009)
  13. ^ 장비선정을 위한 전문가 시스템