摘 要：針對潔凈室環(huán)境監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)光線對懸浮粒子監(jiān)測結(jié)果有影響的現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了部分LED光源光線對懸浮粒子監(jiān)測結(jié)果有影響的事實(shí)，結(jié)合粒子計(jì)數(shù)器的工作原理分析了光線影響懸浮粒子監(jiān)測結(jié)果的原因，并針對這一異常現(xiàn)象提出了相應(yīng)的解決方法，對潔凈室懸浮粒子準(zhǔn)確監(jiān)測有實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：潔凈室；懸浮粒子；光線；LED光源；光強(qiáng)

中圖分類號：TQ460.8" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.019

0" " 引言

潔凈室是一種特殊的環(huán)境，通常用于生產(chǎn)藥品、醫(yī)療器械、電子元器件、食品等對潔凈度要求較高的產(chǎn)品，也可以用于醫(yī)療操作和實(shí)驗(yàn)室研究等場合。潔凈室通過控制空氣中的顆粒物、細(xì)菌、病毒等污染物，以保證在其中進(jìn)行的生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)過程不受污染物的干擾和影響。EUGMP、FDA以及國內(nèi)新版GMP均以懸浮粒子結(jié)果作為潔凈級別的主要定級標(biāo)準(zhǔn)。懸浮粒子計(jì)數(shù)器是一種專門用于檢測空氣中懸浮粒子的數(shù)量和粒徑大小的高精度的檢測設(shè)備，其主要作用是測量無塵車間、潔凈室等環(huán)境中空氣中的懸浮粒子濃度，以確保這些環(huán)境的潔凈度符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。因此，為確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，分析和消除粒子計(jì)數(shù)器測量過程中的干擾因素顯得尤為重要。

1" " 粒子計(jì)數(shù)器的工作原理

懸浮粒子計(jì)數(shù)器的工作原理[1]是基于光散射技術(shù)[2]。光散射和微粒大小、光波波長、微粒折射率及微粒對光的吸收特性等因素有關(guān)。不同光源對懸浮粒子計(jì)數(shù)器的性能有不同的影響[3-4]。具體來說，懸浮粒子計(jì)數(shù)器使用一組透鏡將光源發(fā)出的光線聚焦在測量腔內(nèi)。當(dāng)空氣中的每一個(gè)粒子快速通過測量腔時(shí)，會將入射光散射一次，形成一個(gè)光脈沖信號。這個(gè)光信號經(jīng)過另一組透鏡被送到光檢測器，光檢測器將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號[5]。電脈沖信號的幅度與微粒的大小[6]有關(guān)，而電脈沖的數(shù)量則對應(yīng)于微粒的個(gè)數(shù)。然后這些電脈沖信號經(jīng)過儀器電子線路的放大和甄別，分揀出需要的信號，再通過計(jì)數(shù)系統(tǒng)顯示出來，如圖1所示。根據(jù)粒子散射光的強(qiáng)度與粒徑的函數(shù)關(guān)系得出粒子直徑，計(jì)數(shù)系統(tǒng)可以顯示微粒的數(shù)量和大小分布。總的來講，最終粒子檢測的多少主要來源于散射光的多少。

2" " 光線導(dǎo)致懸浮粒子監(jiān)測數(shù)據(jù)異常增大

環(huán)境監(jiān)測人員在潔凈室使用PMS LASAIRⅢ 310C粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行懸浮粒子監(jiān)測過程中偶然發(fā)現(xiàn)，在潔凈室LED燈光正下方特定位置進(jìn)行粒子監(jiān)測時(shí)0.5 μm的粒子數(shù)量會發(fā)生異常增高的現(xiàn)象。根據(jù)粒子計(jì)數(shù)器的工作原理，推測可能是潔凈室LED燈光光線垂直射入采樣通道進(jìn)入粒子測量腔影響散射光數(shù)量，從而使粒子計(jì)數(shù)器的結(jié)果顯示有異常增加。

3" " 光線對粒子計(jì)數(shù)器的影響分析

3.1" " 不同光源對粒子計(jì)數(shù)器的影響分析

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)潔凈室LED光源垂直照射可以影響懸浮粒子的監(jiān)測結(jié)果，為了確認(rèn)其他光源是否也會影響懸浮粒子監(jiān)測結(jié)果，采用生活中常見的幾種光源，比如LED光源的手電筒、鹵素光源的手電筒、在生物安全柜和凈化工作臺中常見的白熾燈光源的照明燈進(jìn)行確認(rèn)實(shí)驗(yàn)，分別測試并記錄這幾種光源垂直射入采樣粒子采樣通道時(shí)是否對懸浮粒子的監(jiān)測結(jié)果有影響，如表1所示。

測試結(jié)果表明，白熾照明燈和鹵素?zé)襞菔蛛娡驳裙庠窗l(fā)出的光線對粒子監(jiān)測的結(jié)果沒有影響，而同為LED光源的潔凈室照明燈和LED手電筒光線對粒子監(jiān)測的結(jié)果均有影響。

3.2" " 同一光源不同光線強(qiáng)度對粒子監(jiān)測影響分析

實(shí)驗(yàn)確認(rèn)LED光源發(fā)出的光線會對懸浮粒子的監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響，為了確認(rèn)同一LED光源發(fā)出不同強(qiáng)度的光線是否對粒子監(jiān)測結(jié)果有不同的影響，采用有弱光和強(qiáng)光兩種模式的LED手電筒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。弱光模式下光照強(qiáng)度范圍在10 000～30 000 lx，強(qiáng)光模式的光照強(qiáng)度范圍在70 000～100 000 lx，采用這兩種強(qiáng)弱模式分別測試同一LED光源不同光線強(qiáng)度對粒子監(jiān)測的影響，兩種模式的實(shí)驗(yàn)均包含兩次開燈階段和三次關(guān)燈階段。

3.2.1" " LED光源弱光模式的光線對粒子監(jiān)測的影響

在LED光源弱光模式下，對粒子的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2所示。在三次關(guān)燈狀態(tài)下，粒子數(shù)不增加，較為穩(wěn)定；而在兩次開燈狀態(tài)下，對0.5 μm的粒子影響明顯，對5 μm的粒子無影響；0.5 μm粒子數(shù)每秒新增在207～212之間，5 μm粒子數(shù)整個(gè)階段均為0，較為穩(wěn)定。

通過線性分析，整個(gè)階段的線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.965 6，低于0.99，表明線性不是很相關(guān)。對兩次開燈數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線性分析，第一次開燈狀態(tài)下，線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.999 9，如圖3所示。第二次開燈狀態(tài)下，線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.999 8，如圖4所示。兩次開燈的線性相關(guān)系數(shù)均超過0.99，說明LED光源弱光模式的光線對0.5 μm粒子數(shù)的影響呈明顯線性正相關(guān)，而對5 μm粒子數(shù)毫無影響。

3.2.2" " LED強(qiáng)光模式的光線對粒子監(jiān)測的影響

在LED光源強(qiáng)光模式下，對粒子的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示。在三次關(guān)燈狀態(tài)下，粒子數(shù)不增加，較為穩(wěn)定；而在兩次開燈狀態(tài)下，對0.5 μm的粒子影響明顯，對5 μm的粒子無影響；0.5 μm粒子數(shù)每秒新增在206～209之間，5 μm粒子數(shù)整個(gè)階段均為0，較為穩(wěn)定。

通過線性分析，整個(gè)階段的線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.959，低于0.99，表明線性不是很相關(guān)。對兩次開燈數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線性分析，第一次開燈狀態(tài)下，線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.999，如圖6所示。第二次開燈狀態(tài)下，線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.997，如圖7所示。兩次開燈的線性相關(guān)系數(shù)均超過0.99，說明LED光源強(qiáng)光模式的光線對0.5 μm粒子數(shù)的影響呈明顯線性正相關(guān)，而對5 μm粒子數(shù)毫無影響。

兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合對比分析表明，針對同一種LED光源產(chǎn)生的兩種不同強(qiáng)度的光線，在開燈狀態(tài)下，弱光光線照射的0.5 μm粒子每秒新增數(shù)在207～212之間，強(qiáng)光光線照射的0.5 μm粒子每秒新增數(shù)在206～209之間，差距非常小，因此可以得出結(jié)論：同一種LED光源的光線，在一定范圍內(nèi)改變光照強(qiáng)弱對0.5 μm粒子數(shù)監(jiān)測影響無明顯差異，粒子數(shù)和光照時(shí)間也是呈正比線性關(guān)系；同一LED光源發(fā)出的光線，無論強(qiáng)弱均對5 μm粒子監(jiān)測無影響。

3.3" " 同一光源光線不同入射角度對粒子監(jiān)測影響分析

前面實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確認(rèn)了LED光源光線射入采樣通道會對0.5 μm粒子監(jiān)測數(shù)據(jù)有影響，理論分析認(rèn)為，光線垂直射入的夾角越小，進(jìn)入采樣通道的光線越多，則對粒子計(jì)量的影響越大。為了確認(rèn)光線垂直入射角度對粒子監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生的影響，采用已確認(rèn)有影響的同一種LED光源，通過來回調(diào)整不同垂直入射角度，分別在gt;30°、20°～30°、10°～20°、0°～10°這四個(gè)垂直入射角度范圍進(jìn)行測試，分別往復(fù)進(jìn)行三次測試，如圖8所示。

分別統(tǒng)計(jì)不同入射角度下每秒新增0.5 μm粒子數(shù)，得到分析結(jié)果如表2所示。當(dāng)光線垂直射入角度大于30°時(shí)，對0.5 μm粒子沒有任何影響；當(dāng)垂直射入角度小于30°時(shí)，就會有光線射入采樣通道，0.5 μm粒子就會有異常增加。垂直射入角度在20°～30°之間每秒增加121～455粒，垂直射入角度在10°～20°之間每秒增加461～775粒，垂直射入角度在0～10°之間每秒增加1 074～2 383粒。射入角度越低，每秒增加的粒子越多，另外光源距采樣口越近，對粒子監(jiān)測的影響越大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出射入采樣通道的光線越多，對0.5 μm粒子監(jiān)測結(jié)果影響越大，則可以分析出設(shè)備與燈光的相對位置通過影響進(jìn)光量來影響0.5 μm的粒子監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.4" " LED光源產(chǎn)生的光線對粒子計(jì)數(shù)器的影響分析

LED光源是激光大家族中的新型光源，屬于“弱激光”范疇。結(jié)合懸浮粒子計(jì)數(shù)器的原理進(jìn)行分析，部分LED光源產(chǎn)生的光線可能與懸浮粒子計(jì)數(shù)器自身的激光光源照射粒子后產(chǎn)生的散射光線非常相似，進(jìn)而干擾計(jì)數(shù)系統(tǒng)，影響計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。

4" " 如何避免光線對懸浮粒子監(jiān)測的影響

4.1" " 增大垂直入射角度

通過之前的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以調(diào)整粒子計(jì)數(shù)器采樣位置及其與房間照明燈的相對位置，只要光線垂直入射角度超過30°，就可以避免光線射入采樣通道影響懸浮粒子監(jiān)測結(jié)果，垂直入射夾角越大，影響越小。

4.2" " 增加較長的采樣軟管進(jìn)行偏心安裝

可以通過增加較長的采樣軟管，進(jìn)行偏心安裝，使外界光線無法照射到粒子計(jì)數(shù)器透鏡，從而避免光線射入采樣通道影響懸浮粒子的監(jiān)測結(jié)果。

5" " 結(jié)束語

在采用粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行懸浮粒子監(jiān)測時(shí)，潔凈室中的部分LED光源發(fā)出的光線會對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響，懸浮粒子數(shù)與光照時(shí)間成正比線性關(guān)系，與光線垂直射入夾角成反比。同一種LED光源的光線，在一定范圍內(nèi)改變光照強(qiáng)弱對0.5 μm粒子數(shù)監(jiān)測的影響無明顯差異，而對5 μm粒子的監(jiān)測無任何影響。因此，在生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測中可以通過增大光源垂直入射角度或偏心安裝較長的采樣軟管的方式避免光線影響懸浮粒子監(jiān)測結(jié)果，從而確保懸浮粒子監(jiān)測系統(tǒng)不受外界光線的影響，處于良好的工作狀態(tài)，使得潔凈區(qū)的懸浮粒子監(jiān)測準(zhǔn)確性得到保障，生產(chǎn)潔凈環(huán)境的質(zhì)量得到控制。

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收稿日期：2024-09-05

作者簡介：唐大海（1986—），男，四川成都人，生物醫(yī)學(xué)工程師，主要從事驗(yàn)證與質(zhì)量控制工作。