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【AM-AN-22023A】標(biāo)準(zhǔn)粒子的研制、運(yùn)輸及保存簡介
檢測樣品：AM標(biāo)粒
檢測項(xiàng)目：研制 運(yùn)輸 保存
方案概述：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制包括了標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)工作。標(biāo)準(zhǔn)粒子的制備是基礎(chǔ)，粒徑及粒徑分布的控制是技術(shù)關(guān)鍵。下面我們將簡單介紹標(biāo)準(zhǔn)粒子的研制方法以及運(yùn)輸保存注意事項(xiàng)。
標(biāo)準(zhǔn)粒子的研制、運(yùn)輸及保存簡介
關(guān)鍵詞：粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；標(biāo)準(zhǔn)粒子的制備；定值；不確定性評定
在國際上，通常將粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分為單分散和多分散（混標(biāo)）兩種類型。單分散通常是指粒徑分布的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.2%。目前，用于制備單分散球形顆粒的材質(zhì)主要有聚苯乙烯、交聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研究從微粒尺寸測量擴(kuò)展到功能性納米微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究，球形金納米顆粒二氧化鈰等材質(zhì)粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)被研制和應(yīng)用。
標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制包括了標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)工作。標(biāo)準(zhǔn)粒子的制備是基礎(chǔ)，粒徑及粒徑分布的控制是技術(shù)關(guān)鍵。下面我們將簡單介紹標(biāo)準(zhǔn)粒子的研制方法以及運(yùn)輸保存注意事項(xiàng)。
1
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(diǎn)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(yīng)，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(yīng)，凝聚成核，而后單體轉(zhuǎn)向核內(nèi)擴(kuò)散聚合成為膠粒，從水相中吸收單體，進(jìn)一步進(jìn)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(huì)有一定影響，具體如下∶
1
過硫酸鉀含量過多或過少，都將導(dǎo)致微球粒徑增大，多分散值數(shù)增加，易引發(fā)團(tuán)聚；當(dāng)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。
2
乳化劑用量增加，顆粒粒徑減小，多分散指數(shù)變小，單分散性較好；當(dāng)SDS 含量過小時(shí)，多分散指數(shù)變大，容易引發(fā)團(tuán)聚。
乳液聚合的優(yōu)點(diǎn)即為聚合速度快速1小時(shí)內(nèi)基本完成，聚合產(chǎn)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(yīng)用范圍有所限制，微球顆粒表面乳化劑較難除掉，產(chǎn)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(chǔ)，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(yīng)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(huì)有影響，具體如下∶
1
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(nèi)，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。
2
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。
3
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(xiàn)相對應(yīng)變化。
無皂乳液聚合的合成方法優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)，用于顆粒粒度測試和生物醫(yī)藥載體等工作領(lǐng)域，較乳液聚合進(jìn)一步減小生產(chǎn)成本，降低環(huán)境污染。但也有其缺點(diǎn)，因?yàn)榫酆戏磻?yīng)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(tuán)聚等反應(yīng)。
影響因素：
1
引發(fā)劑濃度增大時(shí)，顆粒粒徑也隨之變大，將其調(diào)整在適當(dāng)范圍內(nèi)，可合成制備出單分散性較好的聚苯乙烯微球。
2
調(diào)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(yīng)條件一致時(shí)，單體濃度加大，聚苯乙烯顆粒粒徑也會(huì)相應(yīng)變大，相對標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)偏差減小。
分散聚合的分散介質(zhì)一般為有機(jī)溶劑，由于聚合物和有機(jī)溶劑均有較好的親和性，因而會(huì)形成較長的臨界鏈，最后產(chǎn)物顆粒粒徑一般會(huì)較大。可以根據(jù)合成目標(biāo)（極性或非極性）的需要，有目的的選取分散介質(zhì)，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(yīng)體系由種子微球、單體、分散相、引發(fā)劑、穩(wěn)定劑組成。反應(yīng)過程如下，分散相中的單體首先溶脹體系中種子微球，進(jìn)而體系達(dá)到溶脹平衡，而后發(fā)生聚合反應(yīng)，顆粒粒徑增大。通過發(fā)生多級溶脹聚合反應(yīng)，顆粒微球粒徑可達(dá)到1微米以上。
種子溶脹反應(yīng)步驟操作較為復(fù)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?qū)Ψ磻?yīng)單體的吸附速率的一致性。而微球溶脹部分要求較為嚴(yán)格，期間出現(xiàn)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(shí)需要操作多步的溶脹聚合才能達(dá)到目標(biāo)要求的顆粒尺寸。
2
各參數(shù)表征方法
1
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(dāng)濃度，超聲分散后加入樣品池利用納米粒度分析儀測定。
2
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(dāng)濃度，超聲分散后加入樣品池連接電極測定zeta電位值。
3
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(tuán)聚。
4
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(dāng)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(shù)下觀測及拍攝。而后經(jīng)過圖片處理軟件處理計(jì)算粒徑值，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。
5
表面羧基含量∶利用電導(dǎo)率儀進(jìn)行電導(dǎo)滴定測量，測定合成的微球表面羧基含量。
3
定值方法
根據(jù)JJF 1006—1994《一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，均勻性合格、穩(wěn)定性檢驗(yàn)符合要求的粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可進(jìn)行定值。粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值是將所測量的結(jié)果溯源至長度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，定值的測量方法應(yīng)在理論和實(shí)踐上經(jīng)檢驗(yàn)證明是準(zhǔn)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(xué)顯微鏡、電遷移法(DMA)、光散射法和光子相關(guān)光譜法等。
電子顯微鏡法
電子顯微鏡分辨率較高，放大倍數(shù)范圍可從幾百倍調(diào)節(jié)到幾十萬倍。與動(dòng)態(tài)光散射等技術(shù)相比，電子顯微鏡技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為標(biāo)尺對電鏡進(jìn)行校準(zhǔn)和溯源，作標(biāo)尺的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度會(huì)引入到待測微球的定值不確定度中。
光學(xué)顯微鏡法
光學(xué)顯微鏡法由于放大倍數(shù)有限，只能對標(biāo)稱粒徑≥1μm的微球定值。通常采用陣列-光學(xué)顯微鏡法和光學(xué)顯微鏡球心距裁定法，這兩種方法對制樣技術(shù)要求較高。陣列-光學(xué)顯微鏡法是將單分散的微球進(jìn)行緊密排列，然后測量一串多個(gè)微球的長度。光學(xué)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(zhǔn)確定位，準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)的靜電力等于流體阻力，根據(jù)電遷移率（微球在單位電場強(qiáng)度中的運(yùn)動(dòng)速度）與微球粒度的相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)微球校正儀器。
動(dòng)態(tài)光散射法
動(dòng)態(tài)光散射法常用于輔助驗(yàn)證和協(xié)同定值。
美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）在其制定的“納米尺度下的計(jì)量學(xué)研究”（Nanometer-Scale Metrology）大型綜合項(xiàng)目的支持下，已經(jīng)開展了納米級粒度準(zhǔn)確計(jì)量方法和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)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(jià)等研究，已建立了幾種高準(zhǔn)確計(jì)量方法，包括電子顯微鏡（TEM、SEM、AFM）、動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（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(yīng)用于測量方法的確認(rèn)和儀器性能評價(jià)。
另外，歐洲聯(lián)合研究中心下設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和測量研究所（IRMM）、澳大利亞計(jì)量院（NMIA）、日本計(jì)量院（NMU）、韓國計(jì)量院（KRISS）也分別開展了納米顆粒粒徑的高準(zhǔn)確度計(jì)量方法研究，內(nèi)容及技術(shù)現(xiàn)狀見表1。
表1各國計(jì)量機(jī)構(gòu)的納米顆粒測量技術(shù)研究
國家及研究機(jī)構(gòu) | 測量方法 | 研究內(nèi)容即技術(shù)現(xiàn)狀 |
美國NIST | 掃描電子微鏡SEM | ≥10納米粒徑計(jì)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(zhǔn)確度粒徑計(jì)量方法研究、利用負(fù)染色觸酶晶體校準(zhǔn)TEM放大倍數(shù)的方法研究。測量不確定度優(yōu)于1.2% | |
原子力顯微鏡AFM | 計(jì)量型原子力顯微鏡溯源性研究，準(zhǔn)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(dòng)態(tài)光散射 DLS | 液體介質(zhì)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(shù)研究、計(jì)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(nèi)，液體介質(zhì)與氣相介質(zhì)中納米顆粒徑高準(zhǔn)確度測量方法和不確定度評定方法研究、兩種方法測量結(jié)果的一致性。測量不確定度優(yōu)于7%。 |
動(dòng)態(tài)光散射 DLS | ||
澳大利亞NMIA | 動(dòng)態(tài)光散射 DLS | 動(dòng)態(tài)光散射法高準(zhǔn)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(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)。 |
韓國KRISS | 動(dòng)態(tài)光散射 DLS | 納米量級范圍內(nèi)，兩種高準(zhǔn)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(dòng)態(tài)光散射 DLS | (30~100)nm范圍，粒徑測量高準(zhǔn)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(chǔ)
標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)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(chǔ)上。
02
指導(dǎo)性文件和程序
標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制（生產(chǎn)）機(jī)構(gòu)應(yīng)形成盤對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)特性值及其不確定度評定的指導(dǎo)性文件和程序。該文件應(yīng)與特定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值方式相適應(yīng)，使用經(jīng)過認(rèn)可的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與數(shù)據(jù)處理程序，內(nèi)容清晰全面關(guān)能夠提供詳細(xì)評定過程。
如適當(dāng)，這些文件和程序宣包括：
a）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與所采用的統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)細(xì)節(jié)
b）統(tǒng)計(jì)學(xué)異常結(jié)果（包括離群值）的調(diào)查和處理方案；
c）當(dāng)由不同方法或?qū)嶒?yàn)室得到結(jié)果的不確定度水平有顯著差異時(shí)，加權(quán)技術(shù)的合理性及其應(yīng)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(shí)的考慮因素
對特性值賦值時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備的技術(shù)信息（包括不確定度信息），以及實(shí)驗(yàn)室定值能力的證據(jù)。
04
統(tǒng)計(jì)法選擇
在對離群值進(jìn)行充分調(diào)查，并在確認(rèn)出現(xiàn)差異的原因之前，不應(yīng)單純按照統(tǒng)計(jì)學(xué)的依據(jù)剔除離群值。適當(dāng)時(shí)，可采用穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)法。
05
至少應(yīng)考慮下列各項(xiàng)因素對認(rèn)定值不確定度的貢獻(xiàn)∶
a）定值，包括所采用的多個(gè)程序間的任何差異；b）單元間與單元內(nèi)的不均勻性；c）貯存期間特性值的變化；d）運(yùn)輸期間特性值的變化。
注∶（1）其他來源不確定度的貢獻(xiàn)也很重要，如∶在使用或重復(fù)取樣時(shí)特性值的變化引入的不確定度。
（2）除認(rèn)定值外，賦予標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的值（如∶“指示值”或“信息值”），不確定度聲明可以適當(dāng)改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的應(yīng)用。
4
保存和運(yùn)輸
1、應(yīng)從制備、分裝、存放、發(fā)售、運(yùn)輸、使用的各個(gè)環(huán)節(jié)控制標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（包括標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物）的保存條件，依照通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性評估確定的條件（如溫度、避光等）保存和運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并確保安全。
2、應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)保存的安全空間、場所或庫房，采取適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控措施并保存監(jiān)控記錄。不同種類的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)應(yīng)根據(jù)其物理、化學(xué)及安全特性進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)存放。有特殊保存要求的，應(yīng)有專門保存措施。
3、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)包裝和標(biāo)志應(yīng)符合安全、運(yùn)輸要求及相關(guān)法律規(guī)定。運(yùn)輸方式與時(shí)限應(yīng)符合其特性要求，如以快遞方式郵寄某些不易穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等。運(yùn)輸過程中，外包裝應(yīng)結(jié)構(gòu)合理并具有一定強(qiáng)度，以避免因運(yùn)輸過程中的碰撞、顛簸和溫度、濕度的變化導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)破損、被污染、特性值改變以及危險(xiǎn)事故等意外情況的發(fā)生。同時(shí)運(yùn)輸?shù)?span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important; color: rgb(157, 41, 22);">不同種類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)之間應(yīng)根據(jù)其理化性能進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x，避免發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或其他潛在影響。
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