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标准粒子的研制、运输及保存简介
关键词：粒度标准物质；标准粒子的制备；定值；不确定性评定
在国际上，通常将粒度标准物质分为单分散和多分散（混标）两种类型。单分散通常是指粒径分布的几何标准偏差小于1.2%。目前，用于制备单分散球形颗粒的材质主要有聚苯乙烯、交联聚苯乙烯(苯乙烯-二乙烯苯共聚物PSDVB)、二氧化硅、硼酸盐玻璃和钠钙玻璃等。其中，硼酸盐玻璃、钠钙玻璃通常用于微米级球形颗粒的制备。纳米/亚微米/微米粒度单分散粒度标准样品的材料比较成熟，主要是聚苯乙烯(PS)和二氧化硅(SiO2)微球。近些年，粒度标准物质的研究从微粒尺寸测量扩展到功能性纳米微粒标准物质研究，球形金纳米颗粒二氧化铈等材质粒度标准物质被研制和应用。
标准物质的研制包括了标准粒子的合成制备、理化性能、均匀性、稳定性研究、定值及不确定度评定等多项工作。标准粒子的制备是基础，粒径及粒径分布的控制是技术关键。下面我们将简单介绍标准粒子的研制方法以及运输保存注意事项。
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聚苯乙烯微球制备方法
高分子微球的制备方法由制备原料的不同主要分为两大类，一是以单体为原料制备，二是以聚合物为原料制备。此处重点介绍以单体为原料的合成方法，着重分析无皂乳液聚合、乳液聚合、分散聚合、种子聚合等。
乳液聚合
乳液聚合是最为常用的乳液颗粒合成方法，其中以水溶性单体发成的聚合反应，以均相成核方式为主，引发剂首先分解为自由基与水相中单体反应，凝聚成核，而后单体转向核内扩散聚合成为胶粒，从水相中吸收单体，进一步进发胶粒增长。
例如以苯乙烯、十二烷基硫酸钠和过硫酸钾为原料，合成制备出表面带洁净的聚苯乙烯微球乳液，SDS乳化剂用量、过硫酸钾引发剂浓度对聚合微球粒径大小及颗粒分散性都会有一定影响，具体如下∶
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过硫酸钾含量过多或过少，都将导致微球粒径增大，多分散值数增加，易引发团聚；当其他条件不改变，引发剂用量控制在一定量之间，可得到单分散性较好的聚苯乙烯微球。
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乳化剂用量增加，颗粒粒径减小，多分散指数变小，单分散性较好；当SDS 含量过小时，多分散指数变大，容易引发团聚。
乳液聚合的优点即为聚合速度快速1小时内基本完成，聚合产物分子量高、球形度高、分散性好、颗粒粒度分布较窄，以水作为分散剂利于环保。但有其局限性∶合成颗粒粒径一般不大于500 nm，应用范围有所限制，微球颗粒表面乳化剂较难除掉，产品洁净度不高，影响微球性能。
无皂乳液聚合
无皂乳液聚合是以原有乳液聚合为基础，合成体系中不加入乳化剂或者是仅仅加入微小量乳化剂（其含量低于临界胶束浓度）的聚合方式。而且其中的乳化剂可用亲水性单体替换以加速合成反应的发生。
例如以苯乙烯、过硫酸钾和甲基丙烯酸为原料，合成出表面带羧基的聚苯乙烯微球乳液，MAA-甲基丙烯酸用量、引发剂用量对聚合微球粒径大小及其粒径分布都会有影响，具体如下∶
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采用无皂乳液聚合的方法可合成制备得到球形度高、分散性好的聚苯乙烯微球乳液，微球尺寸能够控制在150 nm-350 nm范围内，通过改变MAA-甲基丙烯酸的用量能够改变微球的大小和颗粒表面的羧基密度。
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MAA-甲基丙烯酸含量增加，微球粒径减小，微球表面羧基含量增大。
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引发剂过硫酸钾用量增加，颗粒粒径先减小后增大，单分散性也呈现相对应变化。
无皂乳液聚合的合成方法优点众多，制备的微球具有表面洁净度高、颗粒分散性好的优点，用于颗粒粒度测试和生物医药载体等工作领域，较乳液聚合进一步减小生产成本，降低环境污染。但也有其缺点，因为聚合反应过程中不加入或加入少量乳化剂，以至于合成品中颗粒固含量较低。
分散聚合
分散聚合是合成制备单分散亚微米级聚苯乙烯颗粒的有效方法，通过此方法可以合成出粒径范围在300 nm-700 nm的球形度良好的粒度微球。分散聚合的聚合体系中需要加入一定量的分散剂，用来避免聚合物粒子发生沉淀团聚等反应。
影响因素：
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引发剂浓度增大时，颗粒粒径也随之变大，将其调整在适当范围内，可合成制备出单分散性较好的聚苯乙烯微球。
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调整初始单体的含量可以控制聚苯乙烯微球的粒径。在其它反应条件一致时，单体浓度加大，聚苯乙烯颗粒粒径也会相应变大，相对标准偏差将降低。
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其它组分含量不变情况下，增大乳化剂用量，聚苯乙烯微球的粒径随之增大，相对标准偏差减小。
分散聚合的分散介质一般为有机溶剂，由于聚合物和有机溶剂均有较好的亲和性，因而会形成较长的临界链，最后产物颗粒粒径一般会较大。可以根据合成目标（极性或非极性）的需要，有目的的选取分散介质，以合成制备得到较大粒径的单分散颗粒微球。
种子聚合
种子聚合反应体系由种子微球、单体、分散相、引发剂、稳定剂组成。反应过程如下，分散相中的单体首先溶胀体系中种子微球，进而体系达到溶胀平衡，而后发生聚合反应，颗粒粒径增大。通过发生多级溶胀聚合反应，颗粒微球粒径可达到1微米以上。
种子溶胀反应步骤操作较为复杂，首先必须制备聚苯乙烯微球，要求其颗粒粒径均匀性良好，以确保种子微球对反应单体的吸附速率的一致性。而微球溶胀部分要求较为严格，期间出现变形和不均匀的可能性很大，最后得到的颗粒但分散性较差。而且有时需要操作多步的溶胀聚合才能达到目标要求的颗粒尺寸。
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各参数表征方法
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粒径和粒度分布∶用去离子水将合成的羧基化聚苯乙烯微球乳液稀释至适当浓度，超声分散后加入样品池利用纳米粒度分析仪测定。
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表面电势分析∶用去离子水将合成的羧基化聚苯乙烯微球乳液稀释至适当浓度，超声分散后加入样品池连接电极测定zeta电位值。
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储存稳定性∶将适量聚合微球乳液于室温下储存，定期观察有无发生破乳或团聚。
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颗粒形貌尺寸分析∶采用扫描电子显微镜。微球乳液用去离子水适当稀释后超声分散，滴在硅片上自然晾干，而后于扫描电子显微镜万倍放大倍数下观测及拍摄。而后经过图片处理软件处理计算粒径值，相对标准偏差。
5
表面羧基含量∶利用电导率仪进行电导滴定测量，测定合成的微球表面羧基含量。
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定值方法
根据JJF 1006—1994《一级标准物质技术规范》规定，均匀性合格、稳定性检验符合要求的粒度标准物质可进行定值。粒度标准物质定值是将所测量的结果溯源至长度计量标准，定值的测量方法应在理论和实践上经检验证明是准确可靠的方法。纳米/亚微米材料粒度的测量定值方法很多，主要有电子显微镜(包括透射电镜TEM、扫描电镜SEM和原子力显微镜AFM)、光学显微镜、电迁移法(DMA)、光散射法和光子相关光谱法等。
电子显微镜法
电子显微镜分辨率较高，放大倍数范围可从几百倍调节到几十万倍。与动态光散射等技术相比，电子显微镜技术直接观察测量颗粒的形貌、尺寸以及粒径分布情况，可信度更高。需要以测微尺或已知粒径的微球粒度标准物质为标尺对电镜进行校准和溯源，作标尺的标准物质的不确定度会引入到待测微球的定值不确定度中。
光学显微镜法
光学显微镜法由于放大倍数有限，只能对标称粒径≥1μm的微球定值。通常采用阵列-光学显微镜法和光学显微镜球心距裁定法，这两种方法对制样技术要求较高。阵列-光学显微镜法是将单分散的微球进行紧密排列，然后测量一串多个微球的长度。光学显微镜球心距裁定法通常和阵列法一起使用，通过对微球的中心位置准确定位，准确测量微球的直径。
电迁移率法
电迁移率法是利用带电微球在电场中运动的静电力等于流体阻力，根据电迁移率（微球在单位电场强度中的运动速度）与微球粒度的相关性，测量微球的粒径。这种方法适用于对粒径较小的微球定值，通常需要用已知粒径的标准微球校正仪器。
动态光散射法
动态光散射法常用于辅助验证和协同定值。
美国国家标准与技术研究院（NIST）在其制定的“纳米尺度下的计量学研究”（Nanometer-Scale Metrology）大型综合项目的支持下，已经开展了纳米级粒度准确计量方法和标准物质的研究工作。
通过方法理论研究、样品制备方法探讨、影响因素评价等研究，已建立了几种高准确计量方法，包括电子显微镜（TEM、SEM、AFM）、动态光散射DLS、气溶胶电迁移法DMA等。
已研制出5种纳米单分散粒度标准物质（即SRM1963a、SRM1964、RM8013、RM8012、RM8011），其量值范围介于（10-100）nm、不确定度介于1%-3%，被广泛应用于测量方法的确认和仪器性能评价。
另外，欧洲联合研究中心下设的标准物质和测量研究所（IRMM）、澳大利亚计量院（NMIA）、日本计量院（NMU）、韩国计量院（KRISS）也分别开展了纳米颗粒粒径的高准确度计量方法研究，内容及技术现状见表1。
表1各国计量机构的纳米颗粒测量技术研究
国家及研究机构 | 测量方法 | 研究内容即技术现状 |
美国NIST | 扫描电子微镜SEM | ≥10纳米粒径计量方法研究及溯源性建立，测量不确定度优于1%。 |
透射电子显微镜TEM | 测量下限为几纳米的高准确度粒径计量方法研究、利用负染色触酶晶体校准TEM放大倍数的方法研究。测量不确定度优于1.2% | |
原子力显微镜AFM | 计量型原子力显微镜溯源性研究，准确测量纳米粒径的方法研究及不确定度评定方法研究。测量不确定度优于3.6% | |
动态光散射 DLS | 液体介质中纳米颗粒粒径定值方法及溯源性研究，主要包括理论技术研究、计量装置建立、不确定度评定方法研究等，测量不确定度优于1%。 | |
气溶胶电迁移法 DMA | 气相中纳米颗粒粒径测量及溯源性建立，满足气溶胶毒理性研究、大气环境监测需求。测量不确定度优于1%。 | |
欧盟IRMM | 气溶胶电迁移法 DMA | (40~100)nm范围内，液体介质与气相介质中纳米颗粒径高准确度测量方法和不确定度评定方法研究、两种方法测量结果的一致性。测量不确定度优于7%。 |
动态光散射 DLS | ||
澳大利亚NMIA | 动态光散射 DLS | 动态光散射法高准确度测量方法和不确定度评定方法研究，对测量方法中的各影响因素进行准确评价。 |
韩国KRISS | 动态光散射 DLS | 纳米量级范围内，两种高准确度粒径测量方法研究。测量不确定度优于2.6%。 |
透射电子显微TEM | ||
日本NMIJ | 动态光散射 DLS | (30~100)nm范围，粒径测量高准确度测量方和不确定度评定方法研究。 |
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特性值及其不确定度的评定
01
基础
标准物质特性值及其不确定度的评定必须建立在合理的均匀性、稳定性评估及定值测量的基础上。
02
指导性文件和程序
标准物质研制（生产）机构应形成盘对标准物质特性值及其不确定度评定的指导性文件和程序。该文件应与特定标准物质的定值方式相适应，使用经过认可的统计学方法与数据处理程序，内容清晰全面关能够提供详细评定过程。
如适当，这些文件和程序宣包括：
a）实验设计与所采用的统计学技术细节
b）统计学异常结果（包括离群值）的调查和处理方案；
c）当由不同方法或实验室得到结果的不确定度水平有显著差异时，加权技术的合理性及其应用
d）确定特性值不确定度的评定方法与步骤；
e）其他任何可能影响特性值及其不确定度评定的显著因素。
03
特性值赋值时的考虑因素
对特性值赋值时，应适当考虑实验方法和设备的技术信息（包括不确定度信息），以及实验室定值能力的证据。
04
统计法选择
在对离群值进行充分调查，并在确认出现差异的原因之前，不应单纯按照统计学的依据剔除离群值。适当时，可采用稳健统计法。
05
至少应考虑下列各项因素对认定值不确定度的贡献∶
a）定值，包括所采用的多个程序间的任何差异；b）单元间与单元内的不均匀性；c）贮存期间特性值的变化；d）运输期间特性值的变化。
注∶（1）其他来源不确定度的贡献也很重要，如∶在使用或重复取样时特性值的变化引入的不确定度。
（2）除认定值外，赋予标准物质的值（如∶“指示值”或“信息值”），不确定度声明可以适当改进标准物质的应用。
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保存和运输
1、应从制备、分装、存放、发售、运输、使用的各个环节控制标准物质（包括标准物质候选物）的保存条件，依照通过标准物质稳定性评估确定的条件（如温度、避光等）保存和运输标准物质，并确保安全。
2、应具备标准物质保存的安全空间、场所或库房，采取适当的监控措施并保存监控记录。不同种类的标准物质应根据其物理、化学及安全特性进行适当的分区存放。有特殊保存要求的，应有专门保存措施。
3、标准物质包装和标志应符合安全、运输要求及相关法律规定。运输方式与时限应符合其特性要求，如以快递方式邮寄某些不易稳定的标准物质等。运输过程中，外包装应结构合理并具有一定强度，以避免因运输过程中的碰撞、颠簸和温度、湿度的变化导致标准物质破损、被污染、特性值改变以及危险事故等意外情况的发生。同时运输的不同种类标准物质之间应根据其理化性能进行适当的隔离，避免发生化学反应或其他潜在影响。