專利名稱：毛細管電泳法測定納米級顆粒粒徑分布的方法
技術領域：
本發(fā)明為一種測定納米級粒子粒徑分布的方法，具體地說，是一種利用毛細管電泳分離不同粒徑的粒子再測定其粒徑分布的方法。
背景技術：
納米粉體材料由于它的粒徑小、比表面積大及量子尺寸效應，使之具有常規(guī)粗晶材料所不具備的特殊性能，在光吸收、濾光、催化及其它功能特性等方面展現(xiàn)出引人注目的應用前景。粒徑的大小及分布與材料的整體性能有很大的關系。以納米催化劑為例，納米催化劑的粒徑及粒徑分布直接影響其催化性能，如果顆粒粒徑分布的范圍很廣，甚至只有少部分顆粒粒徑在納米級，材料整體性質就不會有顯著變化。由此可見，對納米微粒的粒徑及粒徑分布的測量顯得非常重要。
目前常用的納米粒子粒徑測定方法主要是透射電鏡法(TEM)和光子相關譜法(PCS)。TEM法是一種顆粒度觀察測定的絕對方法，具有直觀性，但粒子大小因視場不同而異，因而不易定量與統(tǒng)計分析。利用PCS法生產的激光粒度儀可以獲得平均粒徑及粒徑分布，主要用于工業(yè)化產品粒徑的檢測，但該類儀器使用的激光源價格較高，因而儀器價格較高，難以在納米粉體生產廠家質量監(jiān)控中普及應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種利用高效毛細管電泳法測定納米級顆粒粒徑分布的方法，該方法所用樣品量少、操作簡便、成本低。
本發(fā)明提供的毛細管電泳法測定納米級顆粒粒徑分布的方法，包括將納米級顆粒樣品用緩沖液配制成懸浮液，然后將此懸浮液通過毛細管電泳柱分離并用紫外線檢測得到毛細管電泳譜圖，將電泳譜圖中不同粒徑粒子的調整遷移時間代入已建立的粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程，得出與調整遷移時間對應的粒徑數(shù)值，再將電泳譜圖中調整遷移時間對應的吸光度用粒子含量散射校正方程進行校正，從而得到不同粒徑粒子的含量百分數(shù)。
本發(fā)明方法利用毛細管電泳法定量測定納米級粒子的粒徑分布，通過配制一定濃度的樣品懸浮液，并將此懸浮液用毛細管電泳柱分離，再由紫外檢測器檢測得到不同粒徑粒子的吸光度，通過外標定量法得到樣品的粒徑分布。本發(fā)明方法所用毛細管電泳測定儀結構簡單、成本低，用其測定樣品粒徑分布操作簡便易行，所得數(shù)據(jù)具有較高的精密度。


圖1為激光粒度儀測定的聚苯乙烯標準樣品的粒徑分布圖。
圖2為聚苯乙烯標準樣品的電泳譜圖。
圖3為本發(fā)明方法測定的聚苯乙烯樣品的粒徑分布。
圖4為β分子篩標準樣品的電泳譜圖。
圖5為本發(fā)明方法測定的β分子篩的粒徑分布。
具體實施例方式
本發(fā)明方法采用毛細管電泳法將樣品按粒徑大小進行分離，再采用紫外光檢測各種粒徑粒子的吸光度，得到毛細管電泳譜圖。該譜圖中橫座標為粒子遷移時間，縱座標為吸光度。在用毛細管電泳法測定樣品的粒徑分布之前，要先用外標法，即配制已知粒徑分布的標準樣品，用標準方法測得其粒徑分布圖，再將標準方法測得的粒徑分布圖與電泳譜圖通過縱座標的相互對應，求得電泳譜圖中遷移時間與標準譜圖中粒徑的關聯(lián)方程，即粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程。然后，再以電泳譜圖中遷移時間對應的吸光度數(shù)值求得粒子的相對百分含量。由于不同材質、不同粒徑的顆粒對紫外光有一定的散射作用，需對電泳譜圖中遷移時間對應的吸光度進行散射校正，即用標準樣品建立粒子含量散射校正方程。這樣在與標準樣相同的條件下測得待測樣品的電泳譜圖，即可由粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程和粒子含量散射校正方程求得樣品的粒徑分布。
所述方法中粒徑-調整遷移時間方程的建立方法為分別用標準方法和毛細管電泳法測定不同粒徑的標準樣品，得到相應的譜圖，將標準方法粒徑分布圖與電泳譜圖中相應響應值對應的粒徑數(shù)值與電泳調整遷移時間相關聯(lián)，得到粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程。
所述的測定粒徑分布的標準方法為光子相關譜法或透射電鏡法。優(yōu)選光子相關譜法，其所用的測定儀為激光粒度儀。
一般地，在建立粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程時，在標準譜圖中選取幾個有代表性的點，得到這幾個點對應的粒徑值和其相應的響應值，即縱座標值，再選取與這幾個點響應值相對應的電泳譜圖中的縱座標數(shù)值，即吸光度值，從而得到吸光度對應的調整遷移時間，然后將粒徑和調整遷移時間相關聯(lián)，建立粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程。本發(fā)明方法在標準方法粒徑分布圖中優(yōu)選的粒徑取值為顆粒質量累積5％、50％和95％對應的粒徑數(shù)值，電泳譜圖中相應的調整遷移時間的取值為樣品的電泳譜峰面積累積5％、50％和95％對應調整遷移時間值。將上述粒徑數(shù)值和調整遷移時間相關聯(lián)，即可得到粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程。
電泳譜圖中不同粒徑粒子的吸光度與粒子含量成正比，因此，可直接由吸光度數(shù)值計算粒子的百分含量，即粒徑分布。但由于粒子在電泳檢測過程中易發(fā)生紫外散射，需要對電泳譜圖中吸光度進行散射校正后才能用于計算粒徑分布，否則測定的粒徑分布數(shù)據(jù)偏差較大。
本發(fā)明方法對于窄分布的納米級顆粒樣品，所述粒子含量散射校正方程采用如下方法建立取具有不同平均粒徑的標準樣品，配制成不同濃度的緩沖液懸浮液，測定其在與毛細管電泳所用紫外檢測相同波長處的吸光度，建立不同粒徑標準樣品在不同濃度時吸光度與濃度的線性方程，將線性方程的斜率與對應的粒徑相關聯(lián)，得到粒子含量散射校正方程。所述的紫外檢測波長優(yōu)選214納米。
對于寬分布的納米級顆粒樣品，所述的粒子含量散射校正方程采用如下方法建立配制標準樣品的緩沖液懸浮液，測定不同進樣量的電泳譜圖，通過已知的粒徑-調整遷移時間方程建立進樣量與粒徑的對應關系，再由相同粒徑對應的不同峰高值與粒徑建立線性方程，將各線性方程的斜率與對應的粒徑相關聯(lián)，得到粒子含量散射校正方程。
本發(fā)明配制電泳測試樣品時，需用緩沖液配制樣品的懸浮液，以使樣品帶有一定量的電荷，利于電泳分離。配制的樣品懸浮液濃度為0.1～1.0克/升，此濃度宜適于建立粒徑-調整時間關聯(lián)方程時配制電泳測試標準樣品的濃度。所述緩沖液為濃度為3～6mmol/L Na2CO3和濃度為1～3mmol/L NaHCO3組成的混合溶液。
所述樣品懸浮液中還含有0.1～1.0質量％的內標物，優(yōu)選的內標物為二甲基亞砜。加入內標物可使電泳譜圖中的遷移時間相對固定，得到調整遷移時間，即粒子的遷移時間與內標物遷移時間的差，再以調整遷移時間數(shù)值建立粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程。
本發(fā)明方法測定的納米級顆粒粒徑小于1微米，優(yōu)選測定的粒徑范圍為20～800納米的粒子。適宜測定的納米級顆?？蔀檎植嫉念w粒樣品，如聚苯乙烯顆粒，也可為寬分布的樣品，如β分子篩顆粒。
由于電泳分離的特殊性，粒子的遷移時間不僅與樣品的粒徑大小有關，還受材質的影響；另外，不同材質的樣品即使其粒徑值相同，散射程度也會因材質而異。因此，對于不同材質的粉體，采用毛細管電泳法測量其粒徑分布及平均粒徑時，粒徑～遷移時間關聯(lián)方程及粒子含量散射校正方程都需重新建立。
下面通過實例詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于此。
實例中使用的儀器及操作條件如下高效毛細管電泳儀為北京新技術研究所生產，型號1229-HPCE；操作條件為石英毛細管柱有效長度51.5厘米，采用重力進樣法，進樣高度差為10厘米，進樣時間為20秒，運行電壓24千伏，正極進樣，負極檢測，紫外檢測波長為213.9納米；N2000色譜數(shù)據(jù)工作站，浙江大學生產；KQ-50B型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司生產；ZetaPlus Zeta電位儀及90Plus粒度儀，美國，Brookhaven公司生產；λ-16型紫外可見光分光光度計，美國PE公司生產。
實例1用本發(fā)明方法測定聚苯乙烯(PS)乳膠粒子粒徑分布及平均粒徑。
實例中使用的PS標樣為PS20、PS50、PS90及PS125(美國，Duke ScientificCorporation)，平均粒徑分別為(21±1.5)nm；(50±2.0)nm；(92±3.7)nm；(125±4)nm。
1、建立粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程(1)用激光粒度儀測定標樣粒徑分布配制濃度為5mmol/L的Na2CO3和1.25mmol/L NaHCO3的混合溶液，作為緩沖溶液。用該緩沖溶液配制成濃度為0.01體積％的PS50和PS125的懸浮液。分別用超聲波清洗器超聲分散5分鐘，然后用激光粒度儀對分散后顆粒的粒度分布進行測定，樣品的粒徑分布數(shù)據(jù)見表1，粒徑分布圖見圖1。
(2)用毛細管電泳法測定標樣粒徑分布圖選用內徑為75μm的石英毛細管柱，用緩沖液分別配制濃度為0.8克/升按等體積混合的PS50和PS125的懸浮液，并在其中加入0.5質量％的二甲亞砜(DMSO)作為內標物，超聲分散5分鐘后備用。毛細管依次采用0.1mol/LNaOH、水及緩沖溶液沖洗15分鐘，兩次進樣之間用緩沖液沖洗5分鐘。采用重力進樣法測得的PS50和PS125的電泳譜圖見圖2。
(3)建立關聯(lián)方程取表1中PS50及PS125標樣C(d)為5％、50％及95％所對應的粒徑數(shù)值，以及圖2中相應樣品電泳譜峰面積累積分布百分數(shù)為5％、50％和95％所對應的調整遷移時間值，將此三點對應的粒徑數(shù)值與調整遷移時間相關聯(lián)，得到調整遷移時間與粒徑的關聯(lián)方程d＝22.393t-45.571 ①式中，t為粒子的調整遷移時間，分鐘；d為粒子直徑，納米。
所述調整遷移時間t＝t′-t0，其中，t′為粒子的絕對遷移時間，t0為內標物的遷移時間。
2、建立粒子含量散射校正方程用緩沖液將具有不同平均粒徑的PS標準樣品配制成濃度為3.125mg/L、6.25mg/L、12.5mg/L、25mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L的懸浮液，超聲分散5分鐘，取部分懸浮液于1厘米石英比色皿中，以緩沖液為空白，在波長190～400nm范圍進行光譜掃描。用紫外可見分光光度計測定配制的各PS樣品懸浮液在波長214nm處的吸收強度。對于具有相同粒徑PS樣品，將其濃度與吸光度關聯(lián)得到具有不同粒徑粒子的吸光度與濃度的線性方程，見表2，其中PS35.5為濃度相同的樣品PS50與PS20等體積混合后制得。
表2中方程斜率k值反映了不同粒徑PS樣品的粒徑對吸光度的影響程度，因此，將不同粒徑PS樣品的k值與對應的平均粒徑相關聯(lián)，得到如下的k～d關聯(lián)方程，即粒子含量散射校正方程，表明在一定的連續(xù)粒徑范圍內粒徑大小對吸光度的影響。
k＝6.986×10-4×d+0.0806②式中，方程相關系數(shù)r＝0.9665，d為粒子直徑，納米。
3、樣品測定以PS90為測定樣品，將其用緩沖液配制成濃度為0.8克/升的懸浮液，加入0.5質量％的二甲亞砜(DMSO)作為內標物，超聲分散5分鐘，采用重力進樣法測得其電泳譜圖，將電泳譜圖中譜峰對應的調整遷移時間代入①式求得調整遷移時間對應的粒子粒徑，再將粒徑值代入②式，求得k值，用k值對粒徑作圖，得到該樣品的粒度分布圖，見圖3。由圖3數(shù)據(jù)，用粒度分布百分數(shù)可計算樣品的各種平均粒徑，其中計算的光密度平均粒徑(dPCS)為89納米，與激光粒度儀測定的92納米的dPCS值相接近。
實例2測定超細β分子篩粒徑分布及平均粒徑。
1、建立粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程將β分子篩用緩沖液配制成濃度為5克/升的懸浮液，超聲分散5分鐘，制成標準樣品懸浮液。
采用激光粒度儀測定標準樣品懸浮液，標準樣品的粒徑分布結果見表3。
采用重力進樣法對β分子篩標樣懸浮液進行電泳分離檢測，分離所用的毛細管內徑為100μm，測得的電泳譜圖見圖4。
將表3中不同粒徑對應的G(d)數(shù)據(jù)與電泳譜圖中與該值對應的譜峰面積累積分布峰高值求出，列于表3中，并由峰高值得到樣品對應的遷移時間和調整遷移時間。將表3中粒徑與調整遷移時間數(shù)據(jù)關聯(lián)，得到樣品的粒徑～調整遷移時間關聯(lián)方程d＝14.069t3-102.5t2+339.56t-242.9 ③該方程相關系數(shù)r＝0.9990，其中，d為粒子直徑，納米；t為調整遷移時間，分鐘。
2、建立粒子含量散射校正方程在上述制得的β分子篩標準樣品懸浮液中，加入0.5質量％的二甲亞砜(DMSO)作為內標物，采用重力進樣法進行電泳分離測試，改變毛細管電泳儀的進樣量，得到一系列不同進樣量的電泳譜圖。求得進樣量為i的電泳譜圖中與調整遷移時間t對應的峰高值Ht，i，得Ht，i～t關系圖。將此圖中t值代入①式中，得Ht，i對應的激光粒度儀測定的粒徑d′，找出與d′值對應的激光粒度儀測定的G(d)值，以及該d′值對應的不同進樣量的電泳譜峰峰高值Ht，i，并使G(d)和Ht，i與相應的d′值對應，結果見表4。
將表4中d′值與一系列Ht，i值作圖，得到不同粒徑的Ht，i與進樣量之間的線性方程，見表5。
將表5中各線性方程k值與相應的β分子篩樣品的粒徑值相關聯(lián)，得到k-d校正方程k＝0.261d4-3.146d3+15.056d2-33.027d+31.423 ④式中，d為粒徑，100nm；方程的相關系數(shù)r＝0.9661。該方程表明在一定的連續(xù)粒徑范圍內，粒徑大小對吸光度的影響，用這一方程可以校正樣品粒徑對電泳測試響應值的影響。
3、測定實際樣品的粒徑分布用緩沖液配制濃度為5克/升的β分子篩懸浮液樣品，用重力進樣法進行電泳分離測試，重復測定5次，將電泳譜圖中的調整遷移時間值代入③式得到與之相應的粒徑值，再將該粒徑值代入④式，得到與粒徑對應的吸光度的校正值。5次重復測定的粒徑分布圖見圖6，計算的平均粒徑數(shù)據(jù)見表6。由表6可知，本發(fā)明方法測試的相對標準偏差為1.27％，說明測試結果具有較高的精密度。
實例3按實例2中3步方法配制7個不同β分子篩樣品的懸浮液，然后用毛細管電泳法(CZE)進行測試，將各樣品測試的平均粒徑(dpcs)與激光粒度儀(PCS法)測定的結果列于表7。表7表明，本發(fā)明方法測試的結果與PCS法基本相符。
表1

注表中G(d)指顆粒質量基準頻度分布百分數(shù)，頻度最大者G(d)為100％；C(d)指顆粒質量基準累積分布百分數(shù)。
表2PS樣品平均粒徑，納米線性回歸方程 相關系數(shù)PS125 125 A＝0.1671X-0.0535 0.9950PS90 92A＝0.1435X-0.0437 0.9898PS50 50A＝0.1289X+0.0356 0.9908PS35.535.5 A＝0.1126X+0.011 0.9943PS20 21A＝0.0860X-0.038 0.9909線性回歸方程中X為樣品濃度，mg/L；A為吸光度。
表3

權利要求
1.一種毛細管電泳法測定納米級顆粒粒徑分布的方法，包括將納米級顆粒樣品用緩沖液配制成懸浮液，然后將此懸浮液通過毛細管電泳柱分離并用紫外線檢測得到毛細管電泳譜圖，將電泳譜圖中不同粒徑粒子的調整遷移時間代入已建立的粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程，得出與調整遷移時間對應的粒徑數(shù)值，再將電泳譜圖中調整遷移時間對應的吸光度用粒子含量散射校正方程進行校正，從而得到不同粒徑粒子的含量百分數(shù)。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述的粒徑-調整遷移時間方程的建立方法為分別用標準方法和毛細管電泳法測定不同粒徑的標準樣品，得到相應的譜圖，將標準方法粒徑分布圖與電泳譜圖中相應響應值對應的粒徑數(shù)值與電泳調整遷移時間相關聯(lián)，得到粒徑-調整遷移時間關聯(lián)方程。
3.按照權利要求2所述的方法，其特征在于所述的標準方法為光子相關譜法或透射電鏡法。
4.按照權利要求2所述的方法，其特征在于所述的標準方法粒徑分布圖中的粒徑取值為顆粒質量累積5％、50％和95％對應的粒徑數(shù)值，電泳譜圖中相應的調整遷移時間的取值為樣品的電泳譜峰面積累積5％、50％和95％對應調整遷移時間值。
5.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述懸浮液的濃度為0.1～1.0克/升。
6.按照權利要求1所述的方法，其特征在于對于窄分布的納米級顆粒樣品，所述粒子含量散射校正方程采用如下方法建立取具有不同平均粒徑的標準樣品，配制成不同濃度的緩沖液懸浮液，測定其在與毛細管電泳所用紫外檢測相同波長處的吸光度，建立不同粒徑標準樣品在不同濃度時吸光度與濃度的線性方程，將線性方程的斜率與對應的粒徑相關聯(lián)，得到粒子含量散射校正方程。
7.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述的紫外檢測波長為214納米。
8.按照權利要求1所述的方法，其特征在于對于寬分布的納米級顆粒樣品，所述的粒子含量散射校正方程采用如下方法建立配制標準樣品的緩沖液懸浮液，測定不同進樣量的電泳譜圖，通過已知的粒徑-調整遷移時間方程建立進樣量與粒徑的對應關系，再由相同粒徑對應的不同峰高值與粒徑建立線性方程，將各線性方程的斜率與對應的粒徑相關聯(lián)，得到粒子含量散射校正方程。
9.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述樣品懸浮液中還含有0.1～1.0質量％的內標物。
10.按照權利要求9所述的方法，其特征在于所述的內標物為二甲基亞砜。
11.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述緩沖液為濃度為3～6mmol/L Na2CO3和濃度為1～3mmol/L NaHCO3組成的混合溶液。
12.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述的納米級顆粒粒徑小于1微米。
13.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述的納米級顆粒為聚苯乙烯或β分子篩顆粒。
全文摘要
一種毛細管電泳法測定納米級顆粒粒徑分布的方法，包括將納米級顆粒樣品用緩沖液配制成懸浮液，然后將此懸浮液通過毛細管電泳柱分離并用紫外線檢測得到毛細管電泳譜圖，將電泳譜圖中不同粒徑粒子的調整遷移時間代入已建立的粒徑－調整遷移時間關聯(lián)方程，得出與調整遷移時間對應的粒徑數(shù)值，再將電泳譜圖中調整遷移時間對應的吸光度用粒子含量散射校正方程進行校正，從而得到不同粒徑粒子的含量百分數(shù)。該方法可有效測定納米級粒子的粒徑分布和平均粒徑。
文檔編號G01N21/33GK1727873SQ20041007112
公開日2006年2月1日 申請日期2004年7月29日 優(yōu)先權日2004年7月29日
發(fā)明者薛艷, 楊海鷹, 楊永壇 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院