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【AM-AN-22023A】標準粒子的研制、運輸及保存簡介
檢測樣品：AM標粒
檢測項目：研制 運輸 保存
方案概述：標準物質的研制包括了標準粒子的合成制備、理化性能、均勻性、穩(wěn)定性研究、定值及不確定度評定等多項工作。標準粒子的制備是基礎，粒徑及粒徑分布的控制是技術關鍵。下面我們將簡單介紹標準粒子的研制方法以及運輸保存注意事項。
標準粒子的研制、運輸及保存簡介
關鍵詞：粒度標準物質；標準粒子的制備；定值；不確定性評定
在國際上，通常將粒度標準物質分為單分散和多分散（混標）兩種類型。單分散通常是指粒徑分布的幾何標準偏差小于1.2%。目前，用于制備單分散球形顆粒的材質主要有聚苯乙烯、交聯聚苯乙烯(苯乙烯-二乙烯苯共聚物PSDVB)、二氧化硅、硼酸鹽玻璃和鈉鈣玻璃等。其中，硼酸鹽玻璃、鈉鈣玻璃通常用于微米級球形顆粒的制備。納米/亞微米/微米粒度單分散粒度標準樣品的材料比較成熟，主要是聚苯乙烯(PS)和二氧化硅(SiO2)微球。近些年，粒度標準物質的研究從微粒尺寸測量擴展到功能性納米微粒標準物質研究，球形金納米顆粒二氧化鈰等材質粒度標準物質被研制和應用。
標準物質的研制包括了標準粒子的合成制備、理化性能、均勻性、穩(wěn)定性研究、定值及不確定度評定等多項工作。標準粒子的制備是基礎，粒徑及粒徑分布的控制是技術關鍵。下面我們將簡單介紹標準粒子的研制方法以及運輸保存注意事項。
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聚苯乙烯微球制備方法
高分子微球的制備方法由制備原料的不同主要分為兩大類，一是以單體為原料制備，二是以聚合物為原料制備。此處重點介紹以單體為原料的合成方法，著重分析無皂乳液聚合、乳液聚合、分散聚合、種子聚合等。
乳液聚合
乳液聚合是最為常用的乳液顆粒合成方法，其中以水溶性單體發(fā)成的聚合反應，以均相成核方式為主，引發(fā)劑首先分解為自由基與水相中單體反應，凝聚成核，而后單體轉向核內擴散聚合成為膠粒，從水相中吸收單體，進一步進發(fā)膠粒增長。
例如以苯乙烯、十二烷基硫酸鈉和過硫酸鉀為原料，合成制備出表面帶潔凈的聚苯乙烯微球乳液，SDS乳化劑用量、過硫酸鉀引發(fā)劑濃度對聚合微球粒徑大小及顆粒分散性都會有一定影響，具體如下∶
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過硫酸鉀含量過多或過少，都將導致微球粒徑增大，多分散值數增加，易引發(fā)團聚；當其他條件不改變，引發(fā)劑用量控制在一定量之間，可得到單分散性較好的聚苯乙烯微球。
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乳化劑用量增加，顆粒粒徑減小，多分散指數變小，單分散性較好；當SDS 含量過小時，多分散指數變大，容易引發(fā)團聚。
乳液聚合的優(yōu)點即為聚合速度快速1小時內基本完成，聚合產物分子量高、球形度高、分散性好、顆粒粒度分布較窄，以水作為分散劑利于環(huán)保。但有其局限性∶合成顆粒粒徑一般不大于500 nm，應用范圍有所限制，微球顆粒表面乳化劑較難除掉，產品潔凈度不高，影響微球性能。
無皂乳液聚合
無皂乳液聚合是以原有乳液聚合為基礎，合成體系中不加入乳化劑或者是僅僅加入微小量乳化劑（其含量低于臨界膠束濃度）的聚合方式。而且其中的乳化劑可用親水性單體替換以加速合成反應的發(fā)生。
例如以苯乙烯、過硫酸鉀和甲基丙烯酸為原料，合成出表面帶羧基的聚苯乙烯微球乳液，MAA-甲基丙烯酸用量、引發(fā)劑用量對聚合微球粒徑大小及其粒徑分布都會有影響，具體如下∶
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采用無皂乳液聚合的方法可合成制備得到球形度高、分散性好的聚苯乙烯微球乳液，微球尺寸能夠控制在150 nm-350 nm范圍內，通過改變MAA-甲基丙烯酸的用量能夠改變微球的大小和顆粒表面的羧基密度。
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MAA-甲基丙烯酸含量增加，微球粒徑減小，微球表面羧基含量增大。
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引發(fā)劑過硫酸鉀用量增加，顆粒粒徑先減小后增大，單分散性也呈現相對應變化。
無皂乳液聚合的合成方法優(yōu)點眾多，制備的微球具有表面潔凈度高、顆粒分散性好的優(yōu)點，用于顆粒粒度測試和生物醫(yī)藥載體等工作領域，較乳液聚合進一步減小生產成本，降低環(huán)境污染。但也有其缺點，因為聚合反應過程中不加入或加入少量乳化劑，以至于合成品中顆粒固含量較低。
分散聚合
分散聚合是合成制備單分散亞微米級聚苯乙烯顆粒的有效方法，通過此方法可以合成出粒徑范圍在300 nm-700 nm的球形度良好的粒度微球。分散聚合的聚合體系中需要加入一定量的分散劑，用來避免聚合物粒子發(fā)生沉淀團聚等反應。
影響因素：
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引發(fā)劑濃度增大時，顆粒粒徑也隨之變大，將其調整在適當范圍內，可合成制備出單分散性較好的聚苯乙烯微球。
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調整初始單體的含量可以控制聚苯乙烯微球的粒徑。在其它反應條件一致時，單體濃度加大，聚苯乙烯顆粒粒徑也會相應變大，相對標準偏差將降低。
3
其它組分含量不變情況下，增大乳化劑用量，聚苯乙烯微球的粒徑隨之增大，相對標準偏差減小。
分散聚合的分散介質一般為有機溶劑，由于聚合物和有機溶劑均有較好的親和性，因而會形成較長的臨界鏈，最后產物顆粒粒徑一般會較大。可以根據合成目標（極性或非極性）的需要，有目的的選取分散介質，以合成制備得到較大粒徑的單分散顆粒微球。
種子聚合
種子聚合反應體系由種子微球、單體、分散相、引發(fā)劑、穩(wěn)定劑組成。反應過程如下，分散相中的單體首先溶脹體系中種子微球，進而體系達到溶脹平衡，而后發(fā)生聚合反應，顆粒粒徑增大。通過發(fā)生多級溶脹聚合反應，顆粒微球粒徑可達到1微米以上。
種子溶脹反應步驟操作較為復雜，首先必須制備聚苯乙烯微球，要求其顆粒粒徑均勻性良好，以確保種子微球對反應單體的吸附速率的一致性。而微球溶脹部分要求較為嚴格，期間出現變形和不均勻的可能性很大，最后得到的顆粒但分散性較差。而且有時需要操作多步的溶脹聚合才能達到目標要求的顆粒尺寸。
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各參數表征方法
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粒徑和粒度分布∶用去離子水將合成的羧基化聚苯乙烯微球乳液稀釋至適當濃度，超聲分散后加入樣品池利用納米粒度分析儀測定。
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表面電勢分析∶用去離子水將合成的羧基化聚苯乙烯微球乳液稀釋至適當濃度，超聲分散后加入樣品池連接電極測定zeta電位值。
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儲存穩(wěn)定性∶將適量聚合微球乳液于室溫下儲存，定期觀察有無發(fā)生破乳或團聚。
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顆粒形貌尺寸分析∶采用掃描電子顯微鏡。微球乳液用去離子水適當稀釋后超聲分散，滴在硅片上自然晾干，而后于掃描電子顯微鏡萬倍放大倍數下觀測及拍攝。而后經過圖片處理軟件處理計算粒徑值，相對標準偏差。
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表面羧基含量∶利用電導率儀進行電導滴定測量，測定合成的微球表面羧基含量。
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定值方法
根據JJF 1006—1994《一級標準物質技術規(guī)范》規(guī)定，均勻性合格、穩(wěn)定性檢驗符合要求的粒度標準物質可進行定值。粒度標準物質定值是將所測量的結果溯源至長度計量標準，定值的測量方法應在理論和實踐上經檢驗證明是準確可靠的方法。納米/亞微米材料粒度的測量定值方法很多，主要有電子顯微鏡(包括透射電鏡TEM、掃描電鏡SEM和原子力顯微鏡AFM)、光學顯微鏡、電遷移法(DMA)、光散射法和光子相關光譜法等。
電子顯微鏡法
電子顯微鏡分辨率較高，放大倍數范圍可從幾百倍調節(jié)到幾十萬倍。與動態(tài)光散射等技術相比，電子顯微鏡技術直接觀察測量顆粒的形貌、尺寸以及粒徑分布情況，可信度更高。需要以測微尺或已知粒徑的微球粒度標準物質為標尺對電鏡進行校準和溯源，作標尺的標準物質的不確定度會引入到待測微球的定值不確定度中。
光學顯微鏡法
光學顯微鏡法由于放大倍數有限，只能對標稱粒徑≥1μm的微球定值。通常采用陣列-光學顯微鏡法和光學顯微鏡球心距裁定法，這兩種方法對制樣技術要求較高。陣列-光學顯微鏡法是將單分散的微球進行緊密排列，然后測量一串多個微球的長度。光學顯微鏡球心距裁定法通常和陣列法一起使用，通過對微球的中心位置準確定位，準確測量微球的直徑。
電遷移率法
電遷移率法是利用帶電微球在電場中運動的靜電力等于流體阻力，根據電遷移率（微球在單位電場強度中的運動速度）與微球粒度的相關性，測量微球的粒徑。這種方法適用于對粒徑較小的微球定值，通常需要用已知粒徑的標準微球校正儀器。
動態(tài)光散射法
動態(tài)光散射法常用于輔助驗證和協(xié)同定值。
美國國家標準與技術研究院（NIST）在其制定的“納米尺度下的計量學研究”（Nanometer-Scale Metrology）大型綜合項目的支持下，已經開展了納米級粒度準確計量方法和標準物質的研究工作。
通過方法理論研究、樣品制備方法探討、影響因素評價等研究，已建立了幾種高準確計量方法，包括電子顯微鏡（TEM、SEM、AFM）、動態(tài)光散射DLS、氣溶膠電遷移法DMA等。
已研制出5種納米單分散粒度標準物質（即SRM1963a、SRM1964、RM8013、RM8012、RM8011），其量值范圍介于（10-100）nm、不確定度介于1%-3%，被廣泛應用于測量方法的確認和儀器性能評價。
另外，歐洲聯合研究中心下設的標準物質和測量研究所（IRMM）、澳大利亞計量院（NMIA）、日本計量院（NMU）、韓國計量院（KRISS）也分別開展了納米顆粒粒徑的高準確度計量方法研究，內容及技術現狀見表1。
表1各國計量機構的納米顆粒測量技術研究
國家及研究機構 | 測量方法 | 研究內容即技術現狀 |
美國NIST | 掃描電子微鏡SEM | ≥10納米粒徑計量方法研究及溯源性建立，測量不確定度優(yōu)于1%。 |
透射電子顯微鏡TEM | 測量下限為幾納米的高準確度粒徑計量方法研究、利用負染色觸酶晶體校準TEM放大倍數的方法研究。測量不確定度優(yōu)于1.2% | |
原子力顯微鏡AFM | 計量型原子力顯微鏡溯源性研究，準確測量納米粒徑的方法研究及不確定度評定方法研究。測量不確定度優(yōu)于3.6% | |
動態(tài)光散射 DLS | 液體介質中納米顆粒粒徑定值方法及溯源性研究，主要包括理論技術研究、計量裝置建立、不確定度評定方法研究等，測量不確定度優(yōu)于1%。 | |
氣溶膠電遷移法 DMA | 氣相中納米顆粒粒徑測量及溯源性建立，滿足氣溶膠毒理性研究、大氣環(huán)境監(jiān)測需求。測量不確定度優(yōu)于1%。 | |
歐盟IRMM | 氣溶膠電遷移法 DMA | (40~100)nm范圍內，液體介質與氣相介質中納米顆粒徑高準確度測量方法和不確定度評定方法研究、兩種方法測量結果的一致性。測量不確定度優(yōu)于7%。 |
動態(tài)光散射 DLS | ||
澳大利亞NMIA | 動態(tài)光散射 DLS | 動態(tài)光散射法高準確度測量方法和不確定度評定方法研究，對測量方法中的各影響因素進行準確評價。 |
韓國KRISS | 動態(tài)光散射 DLS | 納米量級范圍內，兩種高準確度粒徑測量方法研究。測量不確定度優(yōu)于2.6%。 |
透射電子顯微TEM | ||
日本NMIJ | 動態(tài)光散射 DLS | (30~100)nm范圍，粒徑測量高準確度測量方和不確定度評定方法研究。 |
4
特性值及其不確定度的評定
01
基礎
標準物質特性值及其不確定度的評定必須建立在合理的均勻性、穩(wěn)定性評估及定值測量的基礎上。
02
指導性文件和程序
標準物質研制（生產）機構應形成盤對標準物質特性值及其不確定度評定的指導性文件和程序。該文件應與特定標準物質的定值方式相適應，使用經過認可的統(tǒng)計學方法與數據處理程序，內容清晰全面關能夠提供詳細評定過程。
如適當，這些文件和程序宣包括：
a）實驗設計與所采用的統(tǒng)計學技術細節(jié)
b）統(tǒng)計學異常結果（包括離群值）的調查和處理方案；
c）當由不同方法或實驗室得到結果的不確定度水平有顯著差異時，加權技術的合理性及其應用
d）確定特性值不確定度的評定方法與步驟；
e）其他任何可能影響特性值及其不確定度評定的顯著因素。
03
特性值賦值時的考慮因素
對特性值賦值時，應適當考慮實驗方法和設備的技術信息（包括不確定度信息），以及實驗室定值能力的證據。
04
統(tǒng)計法選擇
在對離群值進行充分調查，并在確認出現差異的原因之前，不應單純按照統(tǒng)計學的依據剔除離群值。適當時，可采用穩(wěn)健統(tǒng)計法。
05
至少應考慮下列各項因素對認定值不確定度的貢獻∶
a）定值，包括所采用的多個程序間的任何差異；b）單元間與單元內的不均勻性；c）貯存期間特性值的變化；d）運輸期間特性值的變化。
注∶（1）其他來源不確定度的貢獻也很重要，如∶在使用或重復取樣時特性值的變化引入的不確定度。
（2）除認定值外，賦予標準物質的值（如∶“指示值”或“信息值”），不確定度聲明可以適當改進標準物質的應用。
4
保存和運輸
1、應從制備、分裝、存放、發(fā)售、運輸、使用的各個環(huán)節(jié)控制標準物質（包括標準物質候選物）的保存條件，依照通過標準物質穩(wěn)定性評估確定的條件（如溫度、避光等）保存和運輸標準物質，并確保安全。
2、應具備標準物質保存的安全空間、場所或庫房，采取適當的監(jiān)控措施并保存監(jiān)控記錄。不同種類的標準物質應根據其物理、化學及安全特性進行適當的分區(qū)存放。有特殊保存要求的，應有專門保存措施。
3、標準物質包裝和標志應符合安全、運輸要求及相關法律規(guī)定。運輸方式與時限應符合其特性要求，如以快遞方式郵寄某些不易穩(wěn)定的標準物質等。運輸過程中，外包裝應結構合理并具有一定強度，以避免因運輸過程中的碰撞、顛簸和溫度、濕度的變化導致標準物質破損、被污染、特性值改變以及危險事故等意外情況的發(fā)生。同時運輸的不同種類標準物質之間應根據其理化性能進行適當的隔離，避免發(fā)生化學反應或其他潛在影響。
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