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觀微知著的「粒徑分析」

97/06/11 36634

夏維泰｜行政院衛生署疾病管制局研究檢驗中心

林懿薇｜行政院衛生署疾病管制局研究檢驗中心

自然界中有各種不同的粒子，依它們的形態和特性，可以區分為氣體、液體和固體。其中，固體的微粒又常稱作粉粒體。此外，在應用時這些粒子經常分散在氣、液或固相中。有些粒子和人類的日常生活有密切的關係，卻很少被人察覺。

在工業上，礦物質顏料會因為粒子的粗細不同而呈現深淺不同的色澤；醫學上，藥物顆粒的大小會影響在人體內的吸收率和藥效發揮的速率；科技上，陶瓷材料的細緻度會影響商品柔韌性和可加工性。如果使用奈米級的鎳粉做為火箭固體燃料的反應觸媒，可以大幅度提高燃料的燃燒效率，並且改善燃燒的穩定性。在公共衛生上，殺蟲劑噴霧藥粒的大小會影響殺蟲效果和空間瀰漫效應。

因此，凡是和粒子有關的產品，像是顏料、塗料、殺蟲劑、乳膠、懸浮液、化妝品、藥物、水泥、陶瓷、金屬等的生產業者，都需要測定粒子的大小，以管制產品的品質。近年來對粉粒體的要求，製造粒子的大小又向上提升到奈米的層次，因此粒徑的測定方法和技術不僅是顆粒研究領域的重點之一，也是一個研究的主軸。

量測方法的演進

量測顆粒大小和它們的空間分布的儀器相當多，不同種類粒子適用的檢測方法也有所不同。每一種儀器都有各自的理論依據、優缺點和適用的量測範圍。從早年用的篩網分類，隨後的顯微鏡觀察法，到最近的雷射光阻斷法，在這些檢測方法中，應用的原理包括沉降、遮光、電感帶、靜（動）態光散射、離心沉降、聲波衰退、水力層析等。這些儀器主要是分析粉粒體的表面形態，如大小、形狀等。以下，簡單介紹幾種常用在粉粒體粒徑量測上的方法。

篩分（析）法　篩分法是古老且傳統的顆粒大小分析方法。它的步驟相當簡單，也容易操作。操作時，只要把篩網依網目的大小，由大至小向下堆疊。把粉粒體置放在最上層的篩網上，經過適度地振盪後，各個粉粒體會依照顆粒大小留置在不同網目的篩網上，便可以得到粒徑大小的分布。通常，篩分法最小可以量測到 50 微米。在測量泥沙或地層中礫砂的大小分布時，經常使用到這個方法。另外，在國內，篩分法常常用來檢測小麥、麵粉等穀類食品的細度，以進行分級。

沉降法　在七、八○年代，沉降法是較常使用的粒徑分析方法。測量的原理是依照粒子的密度和在液體中的沉降速率，來測定粉粒體顆粒的大小。它的原理簡單、操作容易，不僅能測定粒子的大小，還可以分析粒徑的分布情形。但是，經常假設受測粒子是球形，而且必須能夠均勻分散但又不溶於媒介的液體中。在工業上，這方法較常用在檢測水泥的細緻度。

另外，利用光做為量測粒子大小工具的許多方法，也相當地普遍。所用的光包含可見光（波長介於 380 和 750 奈米之間）、雷射光、Ｘ光，甚至中子射線等。以下，就簡單介紹用光來量測微粒粒徑的幾種方法。

顯微鏡量測法　利用顯微鏡把粉粒體影像放大，不僅可以直接量測粉粒體的粒徑，還可以看見粉粒體的形狀。如果使用光學顯微鏡，待量測粉粒體的大小通常只能小到 1 微米。另外，如果待測粒子的大小只有數奈米，電子顯微鏡可能是唯一可以直接「見到」它們的方法。量測時，需要逐一地測量單一顆粒的粒徑，再加以彙整及統計分析。因此這個方法不但耗費大量的時間和人力，也容易受人為因素的影響，較不適用在工業產品的品質檢測上。

光繞射法　光繞射法是利用繞射原理，以雷射光或Ｘ光照射粉粒體表面，因為光的繞射現象，在某些特定反射光的角度，繞射光波的強度會比較強。光繞射儀量測繞射角，再把數據資料加以統計分析，就可以估算出粉粒體粒徑大小和分布特性。通常，光繞射儀只量測非常小的繞射角，粒子的粒徑約略和繞射角成反比，和入射光波長成正比，量測的範圍在數百奈米到一千微米之間。

這個方法僅能測得粉粒體的平均粒徑，無法測得粒徑的分布，所得到的粒徑資料有限、準確度差，而且儀器價格昂貴。因此，光繞射儀並不是粒徑測量的主要工具。

光散射法　光散射儀使用單一波長的雷射光、Ｘ光或中子射線照射在分散在液相中的待測粒子表面，量測在幾個反射角的反射光強度，或者固定在某一個角度量測反射光強度的衰變情形，再配合理論分析模式，便可以得到粒子的平均大小及分布。

除了量測粒子粒徑的大小及分布以外，光散射儀也可以得到粒子的形狀、擴散係數、甚至細微的結構等訊息。結合粒子影像測速，光散射儀甚至還可以量測粒子表面的界面電位（zeta potential）。值得一提的是，如果要量測數百奈米以下的固態或液態的粒子，到目前為止，光散射儀是主要、也可能是最好的選擇。

新科技

為了精益求精，避免前述各種量測方法的缺點，德國在 2003 年研發出新型的粒徑分析儀。它利用閃光燈中的特殊雷射光束，以背光脈衝投影的方式拍攝粒子，透過影像技術（背光處理）快速取得的動態影像，而且不受粒子重疊的影響。

利用這個方法，可以看清粒子的大小和形狀，由於不需要破壞物體的材質，就可以測得粒子大小、空間位置、形狀和分布情形，並且透過焦點面的位置，由影像系統軟體可以分析出噴霧粒子的體積，因此可應用在分散於空氣中的固態或液態粒子的粒徑分析。它最小可以量測到粒徑5微米的粒子。

若搭配數位相機影像擷取的處理程式，把選取的影像以不同色層的灰度，經過影像程式處理後，增強影像的對比來凸顯形影，再經過統計、分析就可以得到量測的粒子數目，和粒子分布的特性分析資料，以及表示粒徑分布情形的點狀分布圖和曲線柱狀圖。如此一來，不僅能快速、準確地描述粒子的特性，還提供資料輸出功能，並可操控各式各樣的配合裝置，例如步進馬達、攝譜儀、光譜量測儀、雷射等，來評估各種影像。

未來發展

美國、德國、日本等先進國家，多方地運用粒徑分析儀，使得噴霧粒徑的分析和研究也更加精進。這些年來，國內經常有各種動植物的傳染病疫情發生，且常可以歸究於緊急噴藥的噴灑技術不當。像是登革熱疫情發生時，往往發現無法有效地撲滅病媒蚊，主要的原因除了一部分的病媒蚊對噴灑的藥物有抗藥性以外，往往都是因為噴藥的技術不當。

為了能更透徹地了解施藥量和施藥濃度、藥劑顆粒大小和藥液沉積分布與殺蚊效果的關係，尋求最適合登革熱防治所需的噴霧機具和藥劑的噴灑組合，衛生署疾病管制局嘗試以粒徑分析儀進行各種噴霧組合的粒徑測定。而且為配合現場實際防治情形，另外加裝三維軌道，使分析儀能在空間內任意移動，以方便測試和分析藥霧顆粒在空間中變化的情形。實驗的結果初步證實，噴灑流量、速度、距離、角度等都會影響噴霧粒徑的大小和分布。

根據這些結果，衛生署修正登革熱防治工作手冊，規範各型噴霧機應定期檢測它的噴霧粒徑，以維持噴灑品質，增加撲滅病媒蚊的效果。未來將再加裝雙脈衝雷射和雙框攝影機的組合，以提升到奈米級的微粒子影像測速（microscale particle image velocimetry, Micro-PIV）層次，並研究各粒子飄浮和沉降速率，了解微細藥粒的擴散和沉降效應，藉以規範民眾安全返家入內的時限，維護人民身體健康。

在 21 世紀，奈米科技正在創造新一波的技術革命和產業。未來奈米科技產生的新材料、新特性和衍生的新裝置、新應用，以及建立的精確量測技術的影響，將遍及儲能、光電、電腦、記錄媒體、機械工具、醫學醫藥、公共衛生、基因工程、環境資源、化學工業等有關的產業。

在這些應用中，材料的尺度是相當重要的一項因素，會影響到這些應用的成功。然而奈米級的微粒對人體及環境也可能帶來程度不一的危害，例如長期暴露在滿布奈米顆粒的空氣中，這些吸入的奈米顆粒累積在肺部，會不會造成類似「矽肺症」的症狀呢？這些粒子的高反應表面會不會使人體產生基因突變的可能呢？

雖然，目前科學家及工程師嘗試在以這些奈米粒子設計各種新穎的產品時，能避免可能的生物危害性。不過，最重要的，還是要知道這些奈米粒子的大小分布。因此可預期的，奈米級的微粒子粒徑分析會在新科學領域中大放異彩。

深度閱讀

顏發廣、梁高健（民 90）影響殺蟲氣霧劑生物藥效的因素，氣霧劑通訊，3，9-14。
Alan Rawle（2005）Basic Principles of particle size analysis. Malvern Instruments Limited, 1-8.
Paul Kippzx and John Fracassi （2005）Particle size characterization in nasal sprays and aerosols. LabPlus international, February/March, 1-2.

資料來源

《科學發展》2008年6月，426期，55 ~ 59頁

科發月刊(5210)

觀微知著的「粒徑分析」

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