本文件描述了利用颗粒跟踪分析法测量扩散速度，测得液体分散体系(悬浮于液体中的固体、液体或气体颗粒物)中基于数量的颗粒粒度分布方法。

ICS19.120
CCSA28
中华人民共和国国家标准
GB/T42348—2023/ISO19430:2016粒度分析
颗粒跟踪分析法（PTA）
Particle size analysis-Particle tracking analysis (PTA) method（ISO19430:2016,IDT)
2023-03-17发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2023-10-01实施
1范围
规范性引用文件
3术语和定义
4符号和缩略语
关键物理参数
测量极限
测量精密度和不确定度
6测量装置
含样品分散介质的样品池
激光或其他光源
带有光学放大功能的光学显微镜数码相机
6.5跟踪及数据处理计算机
测量步骤
样品制备
仪器设置和初始化
测量·
结果评价
8系统确认和质量控制·
系统的安装要求
系统维护
8.4系统操作
8.5系统确认
9数据记录·
10实验报告
附录A（资料性）
附录B（资料性）
参考文献
设备设置和最优操作
GB/T42348—2023/ISO19430:2016IV
GB/T42348—2023/ISO19430:2016本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件等同采用ISO19430：2016《粒度分析颗粒跟踪分析法(PTA)》。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会(SAC/TC168)提出并归口。本文件起草单位：中国计量科学研究院、深圳国技仪器有限公司、太原理工大学、上海思百吉仪器系统有限公司、中机生产力促进中心有限公司、湖州中能粉体材料股份有限公司、山东理工大学、仪思奇(北京)科技发展有限公司、珠海真理光学仪器有限公司、大昌洋行（上海）有限公司、北京市科学技术研究院分析测试研究所(北京市理化分析测试中心）、珠海欧美克仪器有限公司、上海市计量测试技术研究院、上海理工大学、北京粉体技术协会。本文件主要起草人：刘俊杰、朱平、韩晓霞、杨凯、侯长革、范立忠、刘伟、杨正红、张福根、王卫华、高原、傅晓伟、昊立敏、苏明旭、张文阁、肖骥、周素红。GB/T42348-—2023/ISO19430:2016引言
由于管理、科学及商业领域对纳米材料表征需求或悬浮液中颗粒粒径和计数的表征需求，颗粒跟踪分析法（PTA）得到深人发展。PTA也称NTA，即NanoparticleTrackingAnalysist14)。事实上，PTA覆盖粒径范围更大且更具普适性\，本文件提及的PTA涵盖NTA和PTA。本文件中，PTA等同于NTA。
PTA基于激光照射、散射光成像、颗粒识别及定位、单一颗粒跟踪等技术手段2，对悬浮液中的颗粒扩散运动进行测量。这里悬浮液指颗粒、气泡或其他液滴的均匀分散体系。斯托克斯-爱因斯坦方程表明，单一颗粒、液滴或气泡的流体动力学直径与其布朗运动参数相关。近年来，学术界在脂质体及其他药物载体、纳米毒理学、病毒、外泌体、蛋白聚集、喷墨墨水、颜料颗粒、化妆品、食品、燃料添加剂及微气泡等工作中开始使用PTA技术进行表征。ASTM已发布了一个标准指南（E2834-12)10，指导纳米颗粒跟踪分析法NTA测量粒径分布。本文件旨在扩展规范的范围并推进PTA操作的系统化
本文件概述了颗粒跟踪分析法的理论、基本原理及优缺点，同时对仪器配置、测量程序、系统确认和分析报告等进行了描述，数据含义阐述及解释是其中重要内容之一。需要注意的是，由PTA得到的测量结果为颗粒数量粒径分布，且粒径的含义为样品中颗粒的流体动力学直径，该粒径与其他方法获取的粒径并不相同，如动态光散射法[6]或电子显微镜法（静态图像法)[4]。1）NTA是对本文件所述技术的最受认可的缩写，但颗粒跟踪分析法（PTA)的粒径测量范围内包含了NTA。2）本文件中“跟踪”的含义为“对颗粒在和y方向上位置的追踪”，而“轨迹”的含义为“由颗粒在和y坐标位置确定的路径”。
1范围
GB/T42348—2023/ISO19430:2016粒度分析
颗粒跟踪分析法（PTA）
本文件描述了利用颗粒跟踪分析法测量扩散速度，测得液体分散体系（悬浮于液体中的固体、液体或气体颗粒物)中基于数量的颗粒粒度分布方法。2规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1
纳米尺度
nanoscale
大约处于1nm～100nm之间的尺寸范围。注：在此尺度范围内，主要表现出的不是由大尺寸外推出来的特性。［来源：ISO/TS80004-1:2015，2.1]3.2
纳米物体
nano-object
一维、二维或三维外部维度处于纳米尺度（3.1)的物体。注：外形尺寸中的三维方向相互垂直。［来源：ISO/TS80004-1：2015，2.5]3.3
纳米颗粒
nanoparticle
三个维度的外部尺寸都在纳米尺度（3.1)的纳米物体（3.2)。注：如果纳米物体最长轴和最短轴的长度差别显著（比值大于3)时，采用术语纳米纤维或纳米片来指代纳米颗粒。［来源：ISO/TS80004-4：2011，2.4]3.4
particle
有明确物理边界的微小物质。
注1：物理边界也可以描述为界面。注2：颗粒能够作为一个整体移动。注3：该通用颗粒定义适用于纳米物体(3.2)。［来源：ISO/TS80004-6：20132.9]3.5
团聚体
agglomerate
弱束缚颗粒的堆积体、聚集体或二者的混合体，其外表面积与其单个颗粒的表面积的总和相近。注1：支撑团聚体的作用力都是弱力，如范德华力或简单的物理缠结。注2：团聚体也被称为“次级颗粒”，而源颗粒则被称为“初级颗粒（一次颗粒)”。1
GB/T42348—2023/ISO19430:2016［来源：ISO/TS80004-4：2011,2.8]3.6
聚集体aggregate
强束缚或融合在一起的颗粒构成的新颗粒，其外表面积可能显著小于其单个颗粒表面积的总和。注1：支撑聚集体的力都是强作用力，如共价键或源于烧结或复杂的物理缠结。注2：聚集体也被称为“次级颗粒”，而源颗粒则被称为“初级颗粒”。［来源：ISO/TS80004-4：2011,2.7]3.7
particlesize
特定方法和条件下测量得到的颗粒（3.4)的线性尺度。注：不同的粒度分析方法通常基于不同的物理特性进行测量。粒度测量结果与实际待测颗粒性质无关，而使用线性尺寸表示，如等效球直径。
［来源：ISO/TS80004-6：2013,3.1.1]3.8
particle size distribution
粒度分布
颗粒(3.4)的分布与粒度(3.7)之间的函数关系。注：粒度分布可表示为累积分布或分布密度(在某粒径段内材料的百分分布除以该粒径段的宽度)。［来源：ISO/TS80004-6：2013,3.1.2]3.9
equivalent diameter
等效直径
在给定的粒度测量方法下，可产生与被测颗粒相同响应的球体的直径。注1：等效直径所对应的物理性质被标注相应的下标[GB/T15445.1一2008]。注2：对离散颗粒计数法和光散射法等，用对应的等效光学直径注3：其他材料常数（如颗粒密度)用于计算等效直径[如斯托克斯(Stokes)直径或等效沉降直径]，宜另外说明注4：对惯性仪器，则用等效空气动力学直径。等效空气动力学直径是密度为1000kg/m2的，与不规则颗粒具有同样沉降速度的球的直径，
[来源：ISO/TS80004-62013,3.1.5]3.10
光散射lightscattering
在两种具有不同光学性质的界面上发生的光传播的变化，［来源：ISO13320：2009，3.1.17]3.11
流体动力学直径
hydrodynamicdiameter
与真实颗粒在该流体中具有相同扩散系数的颗粒的等效直径。［来源：ISO/TS80004-6：2013,3.2.6]3.12
颗粒跟踪分析
particletracking analysis;PTA激光照射到悬浮液中做布朗运动的颗粒，并利用单个颗粒的位置变化测量粒度的方法。注1：通过分析颗粒位置随时间的变化得到平移扩散系数，进而通过斯托克斯-爱因斯坦（Stokes-Einstein)方程计算流体动力学直径作为粒度。
注2：纳米颗粒跟踪分析（NTA)常被称作PTA,NTA是PTA的一部分，因为PTA涵盖了大粒度范围不仅仅是纳米尺度（3.1)范围。
［来源：ISO/TS80004-6：2013，3.2.8，有修改］2
纳米材料
nanomaterial
任一外部维度、内部或表面结构处于纳米尺度（3.1)的材料。[来源：ISO/TS80004-1：2015,2.4]3.14
稀释剂diluent
GB/T42348—2023/ISO19430:2016用于降低悬浮液中颗粒（3.4)数量浓度，且不会对颗粒总数量、聚集状态、粒度（3.7)或表面化学性质造成任何有害影响的非挥发性均匀液体。3.15
黏度viscosity
衡量液体流动或变形的阻力。
［来源：ISO3104：1994]
百分位数percentile
百分位所对应的累积数据的值。［来源：ISO11064-4：2013，3.7]符号和缩略语
下列符号和缩略语适用于本文件。CCD
(α,y,)?
5原理
电荷耦合器件
互补金属氧化物半导体
变异系数，标准偏差与算术平均值的比值(ISO27448:2009,3.11)
流体动力学直径
一维扩散系数
二维扩散系数
三维扩散系数
分散介质黏度
玻尔兹曼常数
相对标准偏差（ISO/TR13843：2000，2.34）绝对温度
一维均方位移
二维均方位移
三维均方位移
帕斯卡秒
开尔文
平方米
平方米
平方米
m2· kgs-2 .K-1
颗粒跟踪分析法(PTA)利用悬浮于液体中颗粒的布朗运动和光散射特性测量样品的粒度分布。3
GB/T42348—2023/ISO19430:2016激光（波长通常在可见光区域内）照射到与周围介质具有不同折射率的颗粒物样品后发生光散射现象。通过光学放大系统采集每个颗粒的散射光，并由合适的检测器（如CCD或CMOS相机)实现可视化。通过记录一系列的连续图像，仪器软件可跟踪颗粒随时间的位置变化，实现对其运动的分析。通过对处于布朗运动[6I[13]的每个颗粒的逐顿3跟踪，能计算得到单位时间内颗粒的平均空间位移。由斯托克斯-爱因斯坦(Stokes-Einstein)方程能得出，该位移与颗粒物的流体动力学直径相关[13)。尽管平动布朗运动是一个三维过程，但可以利用一维、二维、三维的扩散系数确定颗粒的流体动力学直径。计算见公式(1)、公式(2)和公式(3)，相关推导参见附录A。2kgTt
()=Dt=
3元md
(α,y)=Drt =
3元md
(c,y,z)2=Dryzt
（1）
（2）
..（3
通过公式(1)可分别测得颗粒在和方向的均方位移(）2，并给出两个独立的测量值。然而在大部分PTA仪器中，用公式（2)表示颗粒在和y平面的均方位移（，y）。上述三种情况下所有颗粒都没有假设做二维运动，是三维方向的自由运动。而实际测量的是颗粒在工，和方向运动分量在zy观察平面上的投影。这些运动分量是独立变量，如附录A所述。5.2关键物理参数
从公式(1)～公式(3)可以看出，为计算颗粒的流体动力学直径，扩散系数、温度及分散介质的黏度应已知。
5.3测量极限
如同任何测量技术，PTA在颗粒粒径和颗粒数量浓度的测量中也存在测量极限，其与颗粒材质、稀释剂和样品多分散性密切相关。PTA的粒径测量范围通常是大约从10nm～2μm，这取决于颗粒的物理特性。5.3.1粒径测量下限
颗粒的散射光强（除相机的灵敏度和动态范围之外）决定了颗粒流体动力学直径的测量下限，而颗粒折射率和溶剂折射率则会共同影响测量及跟踪系统的可探测散射光强。假设其他参数相同，颗粒折射率与溶剂折射率的差值越大，产生的散射光越强，测量下限更低。强散射颗粒更易被追踪导致其被优先计数，关于计数的准确性见5.4.4。样品的多分散性会对颗粒的跟踪能力、进而对颗粒数量分布中粒径组分的分析能力产生影响。该影响与影像捕获和图像分析的动态范围相关。在多分散的样品中，由于大颗粒的散射光比小颗粒强很多，使得很难检测和跟踪到小颗粒。表1给出了单分散样品的粒径测量下限值，对于悬浮液中的单分散球形金颗粒样品，检测下限可在约10nm～20nm范围内变化，通常为15nm。常用的水分散体系（颗粒-分散剂体系）中的粒径测量下限见表1。3）本文件中“顿”的含义为：在PTA测量装置中，从捕获有运动物体的视频中而获取的静态图像。4
颗粒材质
聚苯乙烯
二氧化硅
生物材料
其他金属或金属氧化物
GB/T42348—2023/IS019430:2016表1单分散纳米颗粒的检测下限
测量下限近似值
（流体动力学直径）
在以下章条中将会阐述样品及测量参数对测量下限的一般影响。表1给出了室温环境下水分散体系的典型检测下限。这些值均为近似值，可能会发生变化。这些变化依赖于诸多因素，如二氧化硅颗粒孔隙率、生物材料类型等（例如：可导致对金颗粒测量下限在约10nm20nm范围内变化，最大可达到30%）。
5.3.2粒径测量上限
颗粒粒径测量上限受到大颗粒布朗运动放缓的限制。较大颗粒的布朗运动非常缓慢且需较长的观察周期。在同一多分散性样品中，因较大颗粒能产生较强的光散射，导致测量系统无法跟踪非常小的颗粒。
在超大颗粒（或气泡）存在的极限情况下，样品可能会因重颗粒沉降（或大气泡上浮）而分层。PTA测量时应始终考虑这些效应。
5.3.3样品体积及采样体积
在应用中了解PTA测量中的样品体积和采样体积非常重要。通常，仪器大约需要1mL的样品用于测量。
虽然不同仪器制造商的分样方法可能不同，但在PTA显微镜视野内用于测量的液体分样体积通常限制在0.1nL～1nL之间。在PTA测量中，受限于系统的光学视野，采样体积水平截面积（通常约为)在100μm×100μm之内。通过使用具有成像能力的光学系统追踪这一区域内的颗粒，景深约为10μm，即采样体积的深度。这样得到的采样体积为0.1nL。较大视野或较小放大倍数的光学系统会得到较大的采样体积。
为能对样品进行有代表性的测量（特别是对于低颗粒数量浓度样品），应增加采样体积。通常通过对样品多部位采样并重新测量的方式实现，见第7章。5.3.4最大颗粒数量浓度
在样品制备或评估PTA对现有样品的适用性时，应考虑颗粒数量浓度范围。本条描述了PTA方法的颗粒数量浓度上限。基于PTA测量的基本特性，本文件涉及的浓度均指颗粒数量浓度而不是摩尔浓度或质量浓度。在样品制备阶段，能将其他浓度（如质量浓度）通过一定方法转换为颗粒数量浓度。PTA方法需要高稀释样品，不同样品的最佳颗粒数量浓度不同。最佳颗粒数量浓度宜通过一系列稀释试验获得，稀释试验可能需要进行许多轮，这取决于对样品浓度的前期了解程度。4）正如ISO10360-7；2011中3.3的定义，“视野”的含义为图像探测系统的可视区域。5
GB/T42348—2023/ISO19430:2016仪器采样体积内的颗粒数量决定了颗粒轨迹数量，进而决定了统计结果的质量。跟踪的颗粒数量越多，所获得的颗粒分布将越具有代表性。然而，如果颗粒数量过多，则会影响对视野范围内颗粒的独立跟踪能力（见5.3.3）。若颗粒路径相互交叉（发生在高浓度样品中），则不计人这些颗粒轨迹，相应跟踪数据会减少。
通常，PTA可测的最大颗粒数量浓度的数量级为10°个/mL。5.3.5最小颗粒数量浓度
为使采样重复性达到特定的技术水平，在每次PTA测量中都应包括足够多的颗粒轨迹。理论上PTA可对单一颗粒进行跟踪，但是这样不具有代表性且重现性差。因此最小颗粒数量浓度由用户预期结果的采样代表性水平而定（见5.4）。另外，用户若要在较宽的粒径范围内评价粒径分布，因追踪数据需要覆盖更多的粒径段5”，所需的最小颗粒数量浓度宜更大。对于具有较宽光学视野/采样体积（比5.3.3描述更大的)的仪器系统，最小颗粒数量浓度的数量级能低至为10个/mL。
5.4测量精密度和不确定度bzxz.net
5.4.1通则
特别注意，尽管PTA通常包括了对多个光散射颗粒的同步跟踪和分析，但是在累积生成数量粒径分布之前，每一个颗粒的扩散系数及由此而来的流体动力学直径是单独进行测定的。宜注意的是，不同仪器制造商的数据处理算法可能会不同。5.4.2测量精密度
颗粒的跟踪轨迹数量决定了采样代表性水平。为对样品进行恰当的统计表述，跟踪足够多的颗粒是至关重要的[2][4]。
以100nm单分散样品为例，用峰值粒径的CV值表征PTA测量精密度，表2给出了轨迹数量、顿数量、影像时长与PTA测量精密度的近似关系。表2PTA测量精密度与跟踪颗粒的轨迹数量、顿数量、影像时长关系的近似相关性轨迹数量
顿数量
注：数据为100nm单分散聚苯乙烯颗粒样品。影像时长
峰值粒径的CV值
表2可作为实验设计的一个参考。对于表2中的数据，颗粒粒径分布的粒径段为5nm。当然，在测量中可将粒径段设置为其他值，大的粒径段会得到较好的统计结果但会降低粒径分辨力。对于给定的粒径段，所记录的轨迹数量能作为数据精密度的指标。对于泊松分布，一个粒径段内轨迹数量的平方根代表了精密度的估计值。宜通过对相同样品进行3次或多次采样，得到每个粒径段内5）本文件中，“粒径段”是指在颗粒计数（粒径-数量)柱状图中颗粒粒径范围的宽度。6
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