图1. CE直径的计算。

全自动颗粒表征采用成像及数据分析技术，可通过单次测量提供大量的具有统计学意义的粒度和粒形信息，并最大限度地减少人为干预。本文将探讨最新仪器如何满足业界对不断细化的颗粒表征的需求。

在当今许多工业的开发与控制过程中，必须同时知道和了解粒形和粒度。通过基于图像分析的颗粒表征系统可以让人们真正地了解在一个过程中颗粒的特性，可以更好地理解其从初步开发到生产和最终QC的特性。

例如在制药行业，测量粒度和粒形对许多原材料在质量控制中是非常重要的。从知识产权的角度看，该信息可用于严格控制产品的指标并令其难以复制。能够进行这类详细分析，得益于新一代自动化分析仪器，其中最好的分析仪器可以通过颗粒成像和生成大量量化的形状数据来提供粒度和粒形信息。重要的是，其全自动化可以实现超大数量的颗粒的样品制备和快速分析。

粒度是各种材料在开发与生产过程中早已建立的一个参数，在研究、开发、制造与质量控制的各个阶段进行测量和控制。随着近来更多快速而可靠的测量技术的出现，粒形现在也被认为具有同样的重要性。

多年以来，人工显微镜法一直是确定粒形的唯一方法。然而，它需要很高的劳动强度，并严重依赖于操作人员，测量具有统计学意义数量的颗粒几乎不可能。如今，现代图像分析法解决了这些问题。它们将最先进的硬件和复杂的数据分析相结合，达到高度的自动化，可以得到有关粒度和粒形的信息。

粒形的重要性

即使是非常小的粒度或粒形差异都会对材料的性质和性能产生巨大影响。只测量粒度还不足以确定样品间重要但却很微小的差异，因为形状不同但面积相同的颗粒可能会被视为相同的颗粒。

图2. 关键尺寸。

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应用图像分析技术是同时测量粒度和粒形的极有效的方法。“眼见为实”的强大功能让我们能够看到和识别每一颗颗粒。此外，通过图像分析表征颗粒还是对更多既有的粒度测量方法（如激光衍射法）的一个补充。因此，它不仅可以提供附加信息，还可作为验证其它技术的一种手段。

粒度和粒形定义

描述一个三维颗粒会比最初想象的更加复杂。为方便表述，通常可以使用单一数字，但如果颗粒不是完美的球形，则有多种不同的描述方式。

图像分析法捕获一个三维颗粒的二维图像，通过它来算出各种粒度和形状参数。其中主要是圆形等效（CE）直径，它可以用来计算粒度。捕获的图像被转换为一个面积相当的圆（图1），并且形状各异的颗粒会影响CE数据。它的优点是作为一个单一数据，会随着颗粒的不同变大或变小。另外，重要的是，它既客观，又可重复。

粒形是一种更复杂的挑战，要描述一个完整的图形，可能需要用到许多参数。图2和表1只显示了可计算的某些粒度和粒形参数。每个颗粒多个形状参数的计算和各种形状参数的分布甚至可以识别和量化其极微小的差异。

图3. 采用集成的SDU使样品制备具有可重复性。a.五次乳糖试样测量CE直径大小分布的叠加图，b.相同试样HS球形度分布的叠加图。

样品制备的挑战

将图像分析作为颗粒表征的常规分析的一个重要挑战是如何实现快速和一致的样品制备。样品制备必须是可复制的过程，并且样品必须均匀地分布在载玻片或玻璃板上，然后将它们放在X-Y移动平台上进行成像。可复制的样品制备可确保结果可重复，分散均匀性允许选择分析一小部分样品，前提是知道它具有代表性。这意味着更少的测量时间和更高的效率，使图像分析适用于日常应用。

干粉样品提出了一个特殊的挑战，它要求严格控制分散条件。要缩短样品制备时间和消除用户依赖性，就要求高度的自动化。颗粒表征系统本身和样品分散系统（SDU）的整合便是一个非常成功的解决方案。图3所示为五次重复测量的乳糖试样的（a）CE直径大小分布和（b）粒形分布叠加图，显示了使用该分散装置很好的重复性（在马尔文仪器有限公司的Morphologi G3上进行样品制备和分析，Morphologi G3上集成了SDU。）

复杂的分析

通过大量单个颗粒产生的大量数据可以轻松而快速地识别不同样品的至关重要的形状参数，可以客观地表征在生产和处理过程中的变化。要将这些数据转换成可用信息，需要可以进行复杂的分析、演示和报告的软件。比较和分组以发现多次测量之间的差异或相似性是很有价值的。最新的软件系统提供的工具包括测量数据可视化，通过任意粒度和粒形参数描绘散点图，按任意参数进行过滤以及信息分组和分类等工具。

不只是干粉样品

以上所述的颗粒表征方法在不同的行业应用中也是十分重要的。虽然许多样品都呈现为干粉状，但该技术绝非仅限于这类样品。这点可在下面取自不同行业的示例中得到证实。

表1. 粒度与粒形参数（Morphologi G3）

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药用软膏

监测市场上有售的石蜡基软膏中的针状颗粒是图像分析的另一种应用。

这类产品中含有原料药（API），在平衡状态下可形成长而薄的针状晶体。基于显微镜法的产品质量控制规范要求，3 mg 样品中不得含有长度大于250μm 的颗粒，并且超过100μm的颗粒数不得超过100个。在人工显微镜法中，每个样品耗时超过2h，通过自动化图像分析，时间减少至只有15min。针状晶体的识别、测量、计算和分类均不依赖于操作人员的主观因素。另外，自动图像仪还可以生成所有已测颗粒的永久记录，而采用人工显微镜法只能选择记录少数有代表性的区域。

结论

知道并了解粒形以及粒度对于当今的许多应用都非常重要。最新的基于自动化图像分析的颗粒表征系统具有强大的测量和数据分析能力，使该技术可以广泛应用于生产和过程管理以及质量控制。自动化的样品分散装置被集成为测量过程的一部分，被证实为高效率的关键因素之一，尤其是对于干粉样品，有助于推动该技术的普及和日常应用。