納米粉體又稱為超微粉或超細粉，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態的固體顆粒材料，具有特異的表面效應、小尺寸效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，在材料科學、生物醫藥、電子器件等多個領域展現出廣泛的應用前景。而粒度作為納米材料最重要的表征參數之一，直接影響材料的物理和化學性質，進而影響最終產品的性能，因此其檢測技術是工業生產和質量管理的重要工具，對于提高產品質量、降低生產成本和確保產品安全性和有效性具有不可替代的作用。本篇文章將從原理出發，對比三種常見的粉體粒度檢測方法：電子顯微鏡法、激光粒度分析法、、以及X射線衍射線寬法，并分析不同粒度測試方法的優缺點及適用范圍。

一、電子顯微鏡法

電子顯微鏡法是一種高分辨率的粒度測量技術，主要分為透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）。

1、掃描電子顯微鏡（SEM）

掃描電鏡成像是利用細聚焦高能電子束在樣件表面激發各種物理信號，如二次電子、背散射電子等，通過相應的檢測器來檢測這些信號，信號的強度與樣品表面形貌有一定的對應關系，因此，可通過逐點成像將其轉換為視頻信號來調制顯像管的亮度得到樣品表面形貌的3D圖像。由于電子束波長較小，能夠在更大程度上觀察材料的精細特征/細節。目前，掃描電子顯微鏡可將物體圖像放大至原始尺寸的數十萬倍，可直接觀察到粒子的粒度、形貌，最佳分辨率可達0.5nm。除此之外，電子束與試樣相互作用后，還會發射出具有獨特能量的特征X射線，通過檢測這些X射線還可以確定被測材料的元素成分。

SEM實例圖像（來源：網絡）

2、透射電子顯微鏡（TEM）

透射電鏡是把經加速和聚焦的電子束投射到非常薄的樣件上，電子與樣品中的原子碰撞，而改變方向，從而產生立體角散射。由于散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此，可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件上顯示出來。

與SEM相比，TEM利用CCD在熒光屏或PC屏幕上直接成像，可以在原子尺度直接觀察材料的內部結構，放大倍數達到數百萬倍，擁有更高的分辨率，最佳分辨率<50pm。不過由于透射電子的需要，通常TEM對于樣品的要求較高，要求厚度一般在150nm以下，盡可能平坦，并且制備技術不應對樣品產生任何偽像（例如沉淀或非晶化 ），同時透射電鏡（TEM）圖像是樣品的2D投影，在某些情況下增加了操作人員對結果的解釋難度。

TEM實例圖片（來源：網絡）

電子顯微鏡能夠提供粒子的直接圖像，適合于直接觀察納米級到微米級的顆粒的大小及形貌，適用于研究粒子的微觀結構。然而，電子顯微鏡法，尤其是透射電子顯微鏡操作復雜，樣品制備要求高，且成本較高，并不適合大規模或快速檢測。

二、激光粒度分析法

激光粒度分析法是基于Fraunhofer衍射和Mie氏散射理論，根據激光照射到顆粒后，不同大小的顆粒會產生不同程度的光散射，小粒子傾向于在寬角度范圍內散射光，而大粒子則傾向于在較小的角度范圍內散射更多的光。因此可以通過分析顆粒產生衍射或散射的現象來測試粒度分布。目前激光粒度儀分為靜態光散射和動態散射兩類。

光散射現象

1、靜態光散射法

靜態光散射法是使用一束單色、相干的激光束沿入射方向照射到無吸收的粒子溶液，采用光電探測器收集散射光的光強、能量等信號后，依據散射原理對信息進行分析從而獲取顆粒尺寸信息的測量方法。由于這種方法獲取的是一次得到的瞬時信息，因此稱為靜態法。

該技術可檢測顆粒亞微米至毫米級顆粒，具有超寬的測量范圍，同時也有速度快，重復性高，可在線測量等諸多優點，但對于團聚的樣品通常會導致檢測粒徑偏大，因此采用該技術對樣品的分散要求比較高，可選擇添加分散劑或者超聲波盒來輔助樣品分散。此外，根據Rayleigh散射原理，當粒子尺寸遠小于光波波長時，粒子的大小不再影響散射光相對強度的角分布，在這種情況下無法再使用靜態光散射法進行測量。

2、動態光散射法

任何懸浮于液體的顆粒都會不停的作無規則的運動，即布朗運動，并且其運動的強度與顆粒的大小有關，相同條件下，大顆粒的布朗運動緩慢，而小顆粒的布朗運動劇烈。動態光散射法就是依據顆粒在作布朗運動時，散射光的總光強會產生波動、散射光頻率產生頻移的原理，從而通過測量散射光強度函數隨時間的衰減程度來實現粒度測量的。

動態光散射原理

動態光散射法具有精準、穩定的優勢，對尺寸分布范圍窄的顆粒測量分辨率達到較高精度，檢測范圍可達納米級或亞納米數量級，是目前測量亞微米顆粒的行業標準技術。不過大顆粒的存在會嚴重影響尺寸精度，因此對樣品制備要求非常高，需要掌握準確的折光指數和粘度，同時粒度分布均勻且濃度適中，體系穩定，避免顆粒粒間較大的相互作用，影響粒度分布的準確性

三、X射線衍射線寬法（XRD）

當高速電子撞擊靶原子時，電子能將原子核內K 層上一個電子擊出并產生空穴，此時具有較高能量的外層電子躍遷到K 層，其釋放的能量以X射線的形式（K 系射線，電子從L 層躍遷到K 層稱為Kα）發射出去。通常基于物質組成、晶型、分子內成鍵方式、分子的構型、構象等因素，可產生特有的衍射圖譜。

根據謝樂公式，晶粒的尺寸可通過X射線的衍射譜帶的寬化程度判斷，晶粒越小，其衍射線將變得彌散而寬化，因此利用X射線衍射圖譜中衍射峰的寬度可以估算晶體粒度（晶粒尺寸）。一般來說，當顆粒為單晶時，該法測得的是顆粒度。顆粒為多晶時，該法測得的是組成單個顆粒的單個晶粒的平均晶粒度。

謝樂公式（其中，K為謝樂常數，通常為0.89，,β為衍射峰半寬高，θ為衍射角、λ為x射線波長）

除了納米材料晶粒度的表征外，XRD法還可提供物相、結晶度、晶體取向及織構等多種晶體結構信息，已經成為研究物質的物相和晶體結構的主要方法，不過由于晶粒尺寸大到一定程度時，應力引起的寬化比較顯著，此時無法使用謝樂公式估算晶粒度，對于數據處理的工作量較大。

小結

納米材料粒度檢測對于產品研發及生產具有重要意義。在目前常用的三種檢測方法中，電子顯微鏡可提供顆粒的直觀圖像，進而分析其粒度大小，但不適用于快速檢測。激光粒度分析法則利用顆粒的光散射現象，具有快速、精準的優勢，但對于樣品制備要求較高。而X射線衍射線寬法則除了用于測量納米材料的晶粒度，還可提供全方位的物相和晶體結構信息，但對于大尺寸晶粒的材料分析較為復雜。

參考文章

1、《科研干貨 | 納米材料表征與測試方法有哪些？來看納米粒度測試儀器大全》.

2、《SEM專題 | 掃描電子顯微鏡初學者指南》.孫千

3、《簡要講解（TEM）和（SEM）兩大電子顯微鏡的相似點和不同點》.金鑒TEM與FIB實驗室.

4、《X射線衍射儀（XRD）那么強大，到底能做哪些實驗？》.濾波器.

5、《Scherrer公式計算晶粒尺寸（XRD數據計算晶粒尺寸）》. 科研N次方測試平臺.

粉體圈Corange