粒子径分布を決定する最も一般的な手法は、動的画像解析（DIA）、静的レーザ光散乱（SLS、レーザ回折とも呼ばれる）、動的光散乱（DLS）、およびふるい分析です。 この記事では、それぞれの手法の長所と短所、そしてお互いの比較可能性を紹介します。 各手法は、測定が可能な特徴的なサイズの範囲をカバーしています。これらの範囲は部分的に重複しています。例えば、DIA、SLS、ふるい分けは、いずれも1μmから3mmの範囲の粒子を測定することができます。しかし、同じサンプルの測定結果は大きく異なることがあります。 以下の表は、Microtracの様々な技術と関連する分析装置の測定範囲の概要を示しています。
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ふるい分析は、現在でも粒子径測定のために伝統的かつ最も一般的に使用されている方法です。ふるい振とう機は、開口部が大きな複数のふるいを積み重ねて構成されており、試料は最上段のふるいの上に置かれます。
スタックは、ふるい振とう機にクランプされ、通常５〜１０分間振動されます。その結果、粒子は、そのサイズに応じて、スタック内のふるいに分配されます（分画）。
理想的には、粒子は、可能な限り最小の投影面を持つふるい開口部を通過します。立方体粒子をモデルとすると、これは立方体の辺の長さに相当します。レンチキュラー粒子の場合、ふるい分析によって決定されるサイズは、粒子がふるいの開口部に向かって斜めに配向しているので、レンズの厚さと直径の間の値になります（右図参照）。したがって、ふるい分析は、主に粒子の幅を決定する傾向がある粒子の好ましい配向で粒子を測定する技術です。
ふるい分析は、それぞれのふるい上の試料の質量がもはや変化しない（＝一定の質量）点まで行われます。各ふるいは秤量され、各分画の体積は重量パーセントで計算され、質量に関連した分布が得られます。ふるい分析の分解能は、得られるサイズ分画の数によって制限されます。標準的なふるいスタックは最大8つのふるいで構成されており、これは粒子径分布が8つのデータポイントのみに基づいていることを意味します。手順の自動化はほとんど不可能であり、時間のかかる作業となっています。ふるい分け分析の処理ステップは、初期計量、5～10分間のふるい分け、バック計量、ふるいの洗浄です。最も一般的なエラーの原因は、ふるいの過負荷（ふるいの開口部がふさがれている、結果が粗すぎる）、古くなったふるい、摩耗したふるい、破損したふるい（結果が細かすぎる）、データ転送のエラーなどがあります。また、新しい標準規格に準拠したふるいの開口部サイズにも一定の許容差があることを考慮する必要があります。例えば、1 mm のふるいの平均的な実際の開口部サイズは約±30 µm、100 µm のふるいの場合は±5 µmです（つまり、平均的な実際の開口部サイズは 95 µm から 105 µm の間にあります）。しかし、これはあくまで平均値であり、一部の開口部はさらに大きくなる可能性があることを示唆しています。
動的画像解析では、多数の粒子がカメラシステムを通過し、リアルタイムで解析されます。最新のDIAシステムは、1秒間に数百フレームを取得し、数分以内に数百万個の粒子を評価します。そのためには、高速カメラ、明るい光源、短い露光時間、強力なソフトウェアが前提条件となります。下の画像は、DIA分析装置の例としてCAMSIZER X2の測定原理を示しています。
ふるい分析とは対照的に、DIAは完全にランダムな配向で粒子を測定します。粒子画像に基づいて、様々なサイズおよび形状パラメータが決定されます。代表的なサイズパラメータは、例えば、幅、長さ、等価円の直径です（下図参照）。
1. ベーシックカメラは、より大きな粒子を検出します。
2. 完全な粒子の流れを2台のカメラで記録します。
3. ズームカメラで小さな粒子を分析します。
粒子の形状を記述するパラメータには、球形度、対称性、凸度、アスペクト比などがあります。DIAの重要な特徴は、特大粒径の粒子に対して非常に高い検出感度を持っていることです。例えば、CAMSIZER® P4は試料中の粒子を全て検出するように設計されており、CAMSIZER® X2は特大粒子の検出限界を0.01 %としています。DIAシステムの分解能もまた、他の追随を許さないものです。マイクロメートルの範囲内での最小の粒度差を確実に検出し、マルチモーダル分布を確実に解決します。 DIAをふるい分析と比較した場合、粒子の「幅」が最良のパラメータとなります。しかし、不規則な形状の粒子を測定する場合、DIAはランダムな配向で粒子を測定するため、得られる結果には依然として系統的な違いがあります。粒度分布の違いは、定義された粒子の形状ごとに特徴があります。CAMSIZER® ソフトウェアには、ふるい分け分析で得られた結果と DIA の結果をほぼ 100％相関させるアルゴリズムが搭載されています（下図参照）。グローバル化した市場では、多くの製品が異なる研究所で異なる測定技術を用いて分析され、比較可能性が求められるため、品質管理のための粒度分布測定アプリケーションに頻繁に適用されています。
レーザ回折とも呼ばれる静的レーザ光分析では、粒子によって散乱されたレーザ光の強度分布を異なる角度から検出することで、粒子径を間接的に測定します。下図は、独自のTri-Laser-Geometryとカメラモジュールを追加した最新鋭のレーザ粒度計SYNCのセットアップを示しています。
1. カメラ、2.レーザ1、3.レーザ2、4. 検出器アレイ、5.光源DIA、6.検出器アレイ、7.レーザ3
この手法は、光が粒子によって散乱される現象を利用したもので、強度分布と粒子径の相関関係はよく知られています。簡単に言えば、大きな粒子は小さな角度まで光を散乱させ、小さな粒子は大きな角度の散乱パターンを生成します。大きな粒子は、定義された角度で特徴的な最大値と最小値を持つシャープな強度分布を示しますが、小さな粒子の光散乱パターンはますます拡散し、全体の強度は低下します。粒子の個々の光散乱信号が互いに重なり合うため、多分散サンプル中の異なるサイズの粒子を測定することは特に困難です。 静的レーザー光散乱（SLS）は、粒子の集合体全体によって引き起こされる散乱光パターンに基づいて粒子径分布を計算する間接的な方法です。また、信頼性の高い計算結果を得るためには、材料の光学的特性（屈折率）を知っておく必要があります。SLSの理論は球状粒子を前提としているため、形状評価ができません。SLSの欠点は、分解能と感度が比較的低いことです。過大な粒径の粒子も、最新の分析装置では約2vol%からしか検出できません。マルチモーダルな分布を解決するためには、2つの成分の大きさが少なくとも3倍以上異なっていなければなりません。 レーザ回折の大きな利点は、高速で確立された技術であり、大きな柔軟性を持っていることです。測定範囲は数ナノメートルからミリメートルで、この方法は粒子技術のほとんどの要件に使用できます。画像分析は、1 µm未満の粒子には使用できません。SLS装置を使用した分析は簡単に実行でき、大部分を自動化することができます。
左の図は、挽いたコーヒーのサンプルを例に、SLS、DIA、ふるい分けの比較を示しています。CAMSIZER® X2 (DIA)の幅測定では、粒子の幅を考慮した場合、ふるい分け分析が最も優れた結果をもたらします。レーザー分析では、ふるい分けを比較することはできませんが、結果はDIAのxarea（同じ面積の円の直径）にほぼ対応しています。しかし、すべての粒子の寸法は結果に含まれており、これはその後、球状粒子に関連しています。これが、SLSが常に画像解析よりも広い分布を提供する理由です。 これは、右の画像を見ればさらに明らかになります。ここでは、セルロースファイバーのサンプルをCAMSIZER® X2で測定し、レーザ粒度計で比較しています。画像解析では繊維の太さと長さを区別することができますが、レーザ回折ではこれができません。SLSの測定曲線は、最初は幅の測定と平行に走り、その後「繊維の長さ」に近づきます。
動的光散乱は、懸濁液中の粒子のブラウン運動に基づいています。小さい粒子はより速く動き、大きい粒子はよりゆっくりと動きます。これらの粒子によって散乱された光には、拡散速度に関する情報が含まれており、したがって、サイズ分布に関する情報が含まれています。決定された粒子径は、流体力学的直径です。ストークス-アインシュタイン方程式は、粒子径、拡散速度、温度、粘度の関係を記述しています。
DLSの流体力学的直径は、通常、静的光散乱によって決定される平均粒子径よりもやや大きくなります。DLSは、静的光散乱が限界に達したナノ粒子の分析に特に適しています。一方、DLSは10μmまでの粒子径に有効で、1μmを超えると不正確になってきます。さらに、多くのDLS分析装置はゼータ電位と分子量を測定することができます。
1. ディテクタ｜2. 散乱光＆参照光｜3. サファイアガラス｜4. Yビームスプリッタ｜5. 集光レンズ｜6. サンプル｜7. 光ファイバの内のレーザビーム｜8. 半導体レーザ
最終的に、シンプルなふるい振とう機を使用するか、レーザー回折・散乱式測定装置や動的画像解析式装置に投資するかの選択は、試験の量、利用可能な予算や人員、そして準拠すべき国際規格や顧客要件によって決まります。
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