超声波纳米颗粒测量技术的国外研究概况

利用超声衰减谱测量纳米颗粒粒度分布的先行者当推英国利兹大学的Malcolm Povey教授及其工作团队。Povey教授在食品科学领域工作多年，潜心研究了声学测量中的诸多物理量，阐述了声速、声衰减（损失）与超声波和颗粒相相互作用之间的关系，认为热损失、黏性损失和散射损失是造成纳米颗粒两相介质中超声波衰减的主要因素。Povey提出三种超声波纳米颗粒测量的方式，即单频、宽带连续超声、宽带脉冲超声。其中，宽带脉冲超声是最为成熟且检测成本相对最低的方法，该方法采用对脉冲超声信号做快速傅里叶变换来得到衰减和声速关于频率的函数，然后纳米颗粒尺寸可以按照一个恰当的理论模型由测量所得的超声衰减谱获得。

英国诺丁汉大学的R.E.Challis教授，对超声颗粒测试的多种理论模型进行了大量的对比实验研究，分析了颗粒两相介质的不同物性对声速和声衰减的影响，并着重讨论了高浓度情况下超声波复散射的影响，为高浓度纳米颗粒的超声波测量提供了理论依据。

美国马萨诸塞大学的D.J.McClements对ECAH理论模型进行了简化与补充，提出了“长波长”条件下的声衰减与声速计算理论模型，并着重讨论了超声复散射以及温度的影响，因此被称为McClements理论模型，并在超声波纳米颗粒测量中得到实际应用。

除此之外，很多专业的仪器设计与制造公司在超声纳米颗粒测量方面也进行了大量的研究工作，并推出了他们的检测仪器。

美国颗粒离散技术有限公司（Dispersion Technology Inc.）的Dukhin教授，以“壳理论”为基础，着重讨论了高密度差异超细颗粒两相介质在高浓度情况下的声衰减理论模型。Dukhin等人认为，在该种情况下，造成超声波衰减的机制除热损失和黏性损失之外，颗粒间相互作用所引起的超声损失不可忽视。此外，Dukhin还将超声谱与电声谱融合在一起，并认为这种融合能够更为精确地描述颗粒两相介质中的各种属性。在Dukhin所给出的很多测量实例中，颗粒相的体积浓度可以达到40%，而通常情况下的理论模型只能在颗粒相不超过10%体积浓度的情况下适用。此外，美国颗粒离散技术有限公司宣称该公司所生产的DT系列仪器，测量下限可以达到1 nm，并可用于诸如云母、油漆、陶瓷、氧化锆、硝酸盐、氧化铝、氧化钡、钛酸盐、水泥、煤、橡胶、氧化硅、化学抛光材料以及制衣、化妆、照相业中的多种材料。图1.1为美国颗粒离散技术有限公司生产的DT-1210超声-电声颗粒粒度测量仪。

图1.1　DT-1210颗粒粒度测量仪(www.xing528.com)

德国辛帕泰克（Sympatec）仪器公司也是一家非常著名的颗粒测量仪器生产企业，其生产的基于Lambert-Beer定律的OPUS超声纳米颗粒测量仪器，倾向于在线检测高浓度悬浊液中的颗粒粒度分布。该公司较好地解决了检测精度、测量准确性、干涉等问题，将测量与工业控制有机地结合在一起，测量范围可以覆盖10 nm～3 000μm，尤其适应严酷的工业生产环境。探针式设计可以直接安装在绝大多数的工业管道和反应釜上，根据不同的应用要求，OPUS的探针长度还可以延伸，最长可以达到3 500 mm。图1.2为德国辛帕泰克仪器公司所生产的OPUS检测系统。

图1.2　OPUS在线颗粒粒度测量系统

英国Felix Alba咨询公司的Felix Alba曾与英国马尔文公司合作研究Ultrasizer超声波颗粒检测仪，其详细研究了超声波颗粒测量中的数学模型选择、超声衰减谱测量和反演算法三个主要步骤，并有非常详细的资料介绍。

美国Prodyne公司的Steven Africk和Clark K.Colton等人，研究超声多普勒技术测量纳米颗粒浓度并将这一技术推广至纳米颗粒粒度分布、压缩系数等的测量。根据他们提供的技术资料，该方法采用一个超声换能器，可以置于任何形状的容器内进行检测，超声波能量汇集进入检测区域引起颗粒系内悬浮颗粒的振荡，随后采用超声多普勒技术测量超声的后向散射能量，并依此测得与颗粒相关的各个物理量。他们宣称，采用该方法测量纳米二氧化钛颗粒和某些树状聚合物颗粒，下限可以达到4 nm。

另外还有一些有关仪器开发方面的消息，如：德国Matec公司和悉尼大学联合研制出Acoustosizer超声粒度检测仪，该仪器的测量范围为100 nm～10μm，最高体积浓度可以达到40%；Pendse和Sharma联合研制的Acoustophor超声粒度检测仪，该仪器可测体积浓度能够达到50%，粒度测量范围为10 nm～100μm等。