静态光散射技术在木质素颗粒尺寸表征中的应用与挑战：推动生物基材料高值化利用的关键分析策略

本综述系统探讨了静态光散射技术（包括激光衍射和小角光散射(SALS)）在木质素颗粒尺寸表征中的应用。研究揭示了颗粒浓度、吸收系数(AC)和取样方式对测量结果的显著影响，尤其对<1 μm颗粒及非球形颗粒的尺寸分析存在系统性误差风险。通过对比不同木质素颗粒（纳米颗粒(LNPs)、喷雾干燥微颗粒(SD-LMPs)和沉淀微颗粒(LMPs)）的表征数据，论证了SALS在解析颗粒聚集态结构中的独特优势，为木质素的高效利用提供了关键技术支持。

　　

2 材料与方法

2.1 材料

研究采用三种典型木质素颗粒：通过溶剂置换法从软木硫酸盐木质素（UPM Biopiva 100）制备的木质素纳米颗粒(LNPs)；由Chempolis公司通过专有有机溶剂技术从小麦秸秆中提取并经喷雾干燥得到的木质素微颗粒(SD-LMPs)；以及通过反沉淀法从有机溶剂废液(OSL)中制备的三种木质素微颗粒沉淀物(LMP-1, LMP-2, LMP-3)。LMP样品采用不同混合方式制备：直接沉淀（OSL加入水中）、反向沉淀（水加入OSL中）和同步沉淀（两者同时加入空瓶）。

2.2 光学显微镜与图像分析

使用Zeiss AxioImager M.2显微镜对悬浮液中的SD-LMPs进行初始形貌表征。利用木质素自发荧光特性，采用Calcofluor滤光片（激发波长390-420 nm，发射波长450-700 nm）进行荧光成像。通过ImageJ软件手动测量900个颗粒直径，建立粒径分布(PSD)，排除>100 μm的大聚集体。

2.3 原子力显微镜(AFM)

使用Bruker MultiMode 8原子力显微镜在空气和水中以轻敲模式表征LNPs形貌。采用NCHV-A探针，通过NanoScope Analysis 3.0软件的颗粒分析工具处理10×10 μm2和5×5 μm2扫描图像，生成高度直方图并计算粒径分布。

2.4 激光衍射

使用Malvern Mastersizer 2000配备Hydro 2000MU样品分散单元进行测量。采用633 nm He-Ne激光和466 nm LED双光源，泵和搅拌速度设置为2000 rpm。以去离子水为分散介质，使用米氏理论光学模型，设定木质素折射率为1.61，水折射率为1.33。系统考察了四种吸收系数(AC: 0, 0.01, 0.1, 1)和四种遮光率(5%, 10%, 15%, 20%)对测量结果的影响。

2.5 小角光散射(SALS)

使用自建SALS系统（帕德博恩大学）进行测量，采用衰减偏振He-Ne激光器（632.8 nm, 2 mW）作为光源，配备傅里叶透镜和12兆像素CMOS区域检测器。样品在2 mm光程玻璃比色皿中测量，使用SasView软件基于统一Beaucage模型拟合散射数据，解析初级颗粒和聚集体尺寸。

2.6 共聚焦激光扫描显微镜

使用Zeiss LSM 710共聚焦显微镜对干燥颗粒进行形貌分析，利用木质素自发荧光特性（405 nm激光激发，502-612 nm发射光收集），采用20×和40×物镜进行深度扫描。

2.7 自动化静态图像分析

使用Malvern Morphologi G3仪器对干燥颗粒进行形貌表征，通过压缩空气分散（1 bar压力）样品，采用10×和20×物镜成像，基于圆形度>0.75的准则排除聚集体，生成数量加权和体积加权的等效圆直径分布。

3 结果与讨论

3.1 悬浮液中颗粒的尺寸与形状

显微镜观察显示LNPs呈球形单分散状态（60-500 nm），SD-LMPs形状不规则且存在较大聚集体（0.8-15 μm），而LMPs样品则呈现明显的异质性，含有大量不规则聚集体（LMP-1: 2-80 μm, LMP-2: 2-60 μm, LMP-3: 2-40 μm）。数量平均直径分别为：LNPs 0.26 μm, SD-LMPs 3.9 μm, LMP-1 9.4 μm, LMP-2 9.0 μm, LMP-3 7.5 μm。

3.2 激光衍射结果与参数影响

吸收系数(AC)对亚微米颗粒测量影响显著：LNPs在AC=0和0.01时测得平均直径0.46 μm，而AC=1时增至0.69 μm，并出现双峰分布。对于SD-LMPs和LMPs，AC变化影响较小但仍在细颗粒部分产生差异。遮光率实验表明，浓度增加会导致LNPs出现多重散射效应，细颗粒比例虚假增加；而对多分散LMP样品，较高遮光率(15-20%)能改善取样代表性。

3.3 SALS颗粒尺寸测定

SALS强度曲线显示大多数样品存在两个肩峰特征，分别对应初级颗粒（高频q≈0.6-0.9 μm?1）和聚集体（低频q≈0.3 μm?1）。通过两级统一模型拟合成功解析出SD-LMPs初级颗粒直径3.5-4.0 μm，聚集体尺寸6.9-12.9 μm；LMPs初级颗粒2.7-4.0 μm，聚集体9.0-18.8 μm。值得注意的是，SALS测得的LMPs初级颗粒尺寸显著小于激光衍射结果，表明后者更倾向于反映聚集体信息。

3.4 干燥颗粒测量

干燥过程导致LMPs形成大量聚集体，激光衍射测量结果变异较大，而SD-LMPs仍能保持较好的测量一致性。共聚焦显微镜显示冻干LMPs中存在难以区分初级颗粒的大聚集体，验证了悬浮液测量的必要性。

3.5 不同方法间比较

球形LNPs和SD-LMPs的各方法测量结果吻合良好（LNPs: AFM 0.26 μm, LD 0.46 μm; SD-LMPs: 显微镜3.9 μm, LD 5.1 μm, SALS 3.9 μm）。而异质性LMPs的结果差异显著：SALS测得初级颗粒约3-4 μm，而激光衍射给出17-21 μm，显微镜显示7-9 μm，这种差异源于各方法对颗粒不同层次的敏感性和等效球近似模型的局限性。

3.6 非均匀样品分析的实用建议

针对木质素颗粒的特性，提出以下分析策略：亚微米颗粒需精细优化光学参数（AC值）；多分散样品应提高遮光率至15-20%以确保取样代表性；非球形颗粒需结合显微镜验证；SALS特别适用于解析颗粒聚集状态。建议建立针对木质素特性的标准化校正因子或修正形状模型，并采用多种技术联用以获得全面表征信息。

4 结论

静态光散射技术为木质素颗粒尺寸表征提供了快速、自动化的解决方案，但对不同形态特征的颗粒需要采用差异化策略。激光衍射适用于球形颗粒的快速筛查，而SALS能有效解析颗粒聚集结构。对于工业应用，建议明确报告实验参数、结合多种表征方法，并发展针对木质素特性的标准化分析流程。这些技术进步将显著促进木质素在生物基材料中的高值化应用。