電子天平在食品、制藥企業(yè)中的應(yīng)用

練達 龔水水 常明立 黃誠

一、食品制藥企業(yè)選擇及使用電子天平適用標準及規(guī)范

1）《中國藥典》（2010版）第四十一章“電子天平”，主要規(guī)定天平取樣量的準確度和試驗的精密度。

2）《USP40-NF35美國藥典》（2017版）第41章“天平”，主要規(guī)定天平的量程或最佳操作范圍，即天平最小樣品重量至最大秤量。對于在美國制造和銷售的藥物和相關(guān)產(chǎn)品而言，USP-NF是唯一由美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）強制執(zhí)行的法定標準。此外，對于食品制藥和質(zhì)量控制所必需的規(guī)范，例如測試、程序和合格標準，USP-NF還可以作為明確的逐步操作指導。

3）《GMP藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》（2010版）第五節(jié)。強制性標準，要求食品、制藥等生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)具備良好的生產(chǎn)設(shè)備，合理的生產(chǎn)過程，完善的質(zhì)量管理和嚴格的檢測系統(tǒng)，確保最終產(chǎn)品質(zhì)量（包括食品安全衛(wèi)生）符合法規(guī)要求。

4）《GLP良好實驗室操作規(guī)范》，主要是針對醫(yī)藥、農(nóng)藥、食品添加劑、化妝品、獸藥等進行的安全性評價實驗而制定的規(guī)范，符合GLP實驗室要求的天平應(yīng)按照DQ（設(shè)計確認）、IQ（安裝確認）、OQ（操作確認）及PQ（性能確認）四個步驟進行全方位驗證、確認，嚴格控制可能影響實驗結(jié)果準確性的各種主客觀因素，降低試驗誤差，確保實驗結(jié)果的真實性。

5）《ISO 17025實驗室管理體系》（2005版）。檢測和校準實驗室能力的通用要求，通過認可的實驗室出具的報告可在全球58個組織被認可。

二、技術(shù)指標及說明

電子天平，作為精密稱量儀器，主要技術(shù)指標涉及稱量范圍（最大秤量Max）、最佳操作范圍、讀數(shù)精度（顯示分度值d）、檢定分度值（e）、最小秤量（Min）、最小樣品重量（MSW）、準確度等級、最大允許誤差MPE、重復性誤差及典型稱量時間等。

（一）稱量范圍（/量程/最大秤量Max/最佳操作范圍）

電子天平可以稱量的最大樣品量，常見微量天平、半微量天平、分析天平及精密天平的最大稱量范圍為微量天平：2.1g/5.1g/6.1g/11g/22g/52g;半微量天平：61g/81g/105g/125g/205g/225g;分析天平：120g/220g/320g/420g/520g;精密天平：320g/620g/920g/1200g/2200g/3200g/4200g/6200g/8200g/10200g/12200g。

依據(jù)2017版《USP40-NF35美國藥典》第41章“天平”規(guī)定，重要稱重的相對不確定度不得超過0.10%。因此，天平有一個最佳操作范圍，它是從天平“起始點”（或最小樣品重量MSW）至“最大秤量Max”。

（二）讀數(shù)精度（/顯示分度值/實際分度值/d）

電子天平可以顯示最小讀數(shù)，或兩個顯示讀數(shù)之間的最小增量。根據(jù)《OIML R76 非自動衡器 國際建議》，讀數(shù)精度作為稱量值的最后一位數(shù)，要求與前面的數(shù)字有明顯的差異（不同或較淺的顏色）。稱量范圍與讀數(shù)精度組合在一起，作為電子天平型號的一部分。如（1）××7級：0.1μg;（2）××6級：1μg;（3）××5（/SM）級：0.01mg;（4）×××4（/A）級：0.1mg;（5）×××3（/M）級：1mg;（6）×××2（/C）級：0.01g;（7）×××1（/D）級：0.1g;（8）×××0（/G）級：1g。

（三）檢定分度值（/e）

根據(jù)《OIML R76 非自動衡器 國際建議》合法貿(mào)易結(jié)算的法規(guī)，可接受的儀器可讀性，是經(jīng)檢定認證后的任意兩個顯示讀數(shù)之間的最小增量。同時規(guī)定，有刻度、有輔助裝置的天平，其檢定分度值應(yīng)滿足：d

（四）最小秤量（Min）

電子天平可以稱量并符合精度要求的最小樣品量。小于該稱量值時，稱量結(jié)果可能產(chǎn)生過大的相對誤差。一般Ⅰ級、Ⅱ級的電子天平，其Min=20/50/100d。

依據(jù)2017版《USP40-NF35美國藥典》第41章“天平”規(guī)定，在接近零點的時候，天平非常不準確。重要的稱重必須大于天平操作范圍“起始點”，稱重準確度才能保證。而天平操作范圍“起始點”顯然不是零點，也不是最小秤量Min。它不是天平出廠時所固有的，需通過天平重復性測定方法來確定。測定方法如下：

1）砝碼重量為天平稱量范圍的5%～100%之間。

2）砝碼準確度等級無需過高，只需要測定不確定度小于0.10%的1/3，一般F1或F2可以滿足要求。

3）重復檢測10次，計算出標準偏差Std（普利賽斯390Hx系列電子天平，具有重復性檢測功能，可自動計算出標準偏差Std）。

假定，1）所測的標準偏差Std>0.41d，起始點ORmin=2×Std×1000=2000Std;2）所測的標準偏差Std≤0.41d，起始點ORmin=2×0.41d×1000=820d（起始點最小值）。

如普利賽斯390HA 225SM，半微量，最大秤量225g，讀數(shù)精度0.01mg，全自動線性內(nèi)校;依據(jù)《USP美國藥典》，在良好狀態(tài)下該天平的最佳操作范圍為8.2mg～225g。

（五）雙量程（-DR，-DU，-P）

電子天平有2（或3）個量程/讀數(shù)精度，量程/讀數(shù)精度自動調(diào)整。當稱重物重量（含皮重）≤第1量程值，天平讀數(shù)精度為較小值;當稱重物重量（含皮重）大于第1量程值，但不小于第2量程時，天平讀數(shù)準確度自動轉(zhuǎn)換為較大值。如普利賽斯360EP 225SM-DR，半微量雙量程電子天平（稱量范圍為102g/225g，讀數(shù)準確度等級為0.01mg/0.1mg）。

（六）浮動（/可變）量程（-FR，-DR）

電子天平有2個量程/讀數(shù)精度，量程/讀數(shù)準確度浮動或可變。當稱重物重量（不含皮重）≤第1量程值，天平讀數(shù)精度為較小值;當稱重物的重量大于第1量程值，含皮重重量（總重）不小于第2量程值，天平讀數(shù)精度轉(zhuǎn)換為較大值。如普利賽斯390HA 225SM-FR，半微量浮動量程電子天平（稱量范圍為61～225g，讀數(shù)準確度等級為0.01mg/0.1mg）。

（七）準確度等級

電子天平按檢定分度值及檢定分度數(shù)分為4種準確度等級，即Ⅰ級（特種準確度級）、Ⅱ級（高準確度級）、Ⅲ級（中等準確度級）及Ⅳ級（普通準確度級）。常見電子天平為Ⅰ級或Ⅱ級，其檢定分度值e、檢定分度數(shù)n及準確度等級的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

（八）最大允許誤差（MPE）

當天平空載并調(diào)到零位的條件下，無論是加載或卸載，在最大秤量及最小秤量之間任何一次單稱量結(jié)果的示值的最大允許誤差，應(yīng)符合表2的規(guī)定。

1）最大允許誤差為單次稱量，包括加載或卸載（因此，MPE有正、有負）。

2）最大允許誤差已包含線性因素（線性誤差），稱量值小，最大允許誤差要求≤±0.5e;稱量值大，最大允許誤差要求可大一點（≤±1.5e）。

3）最大允許誤差已包含偏載因素，包括四角誤差/偏載誤差等（見表2）。

（九）重復性誤差

同一載荷多次稱量結(jié)果間的差值，不應(yīng)大于天平在該載荷下示值的最大允許誤差MPE的絕對值。試驗載荷通常為天平最大秤量80%～100%的單個砝碼，試驗次數(shù)不應(yīng)少于6次。

在天平計量性能的實際測試中，天平的準確性與重復性通常呈現(xiàn)圖1分布圖中的一種。能取得象限Ⅳ的結(jié)果最好，表明天平的準確性及重復性都好;象限Ⅰ的結(jié)果也可以接受，表明天平的重復性好但準確性差，可以通過校準及調(diào)節(jié)天平的辦法，最終取得象限Ⅳ的結(jié)果。假如呈現(xiàn)象限Ⅱ、Ⅲ的結(jié)果，必須由專業(yè)人員對天平進行調(diào)節(jié)、校準。

（十）典型稱量時間

天平典型稱量時間，又稱天平的穩(wěn)定時間或響應(yīng)時間，即天平空秤狀態(tài)加載至天平示值穩(wěn)定可以讀取的整個用時。卸載過程也類似，它體現(xiàn)天平的稱重效率，對食藥企業(yè)來說是一個比較重要的技術(shù)指標。一般來說，進口品牌的微量/半微量天平及國產(chǎn)品牌的分析天平，響應(yīng)時間為（6～8）s;進口品牌的分析天平、國產(chǎn)品牌的精密天平等，響應(yīng)時間為（2～4）s;采用一體式電磁力平衡傳感器，天平響應(yīng)速度會有所提高。

三、天平選型

（一）根據(jù)OIML R76定義選擇天平的準確度等級及量程

食品制藥企業(yè)務(wù)必根據(jù)天平準確度及量程要求，選擇一款合適的天平。首先，應(yīng)關(guān)注性價比。天平的價格通常取決于準確度等級、量程及品牌等。分析天平價格普遍高于精密天平價格，大量程天平價格高于小量程天平，準確度等級高的微量/半微量天平，大都依賴進口，價格昂貴。通常，藥企研發(fā)部及品控部實驗室有較好的實驗環(huán)境，需要配置微量天平、半微量天平及分析天平等高精度天平。但更多的生產(chǎn)線、倉管等對準確度要求并不高，從性價比出發(fā)，普通準確度等級的精密天平、工業(yè)天平等都能滿足使用要求。其次，應(yīng)留有余地。天平所標示的準確度等級及最大允許誤差等，都是在天平狀態(tài)良好、環(huán)境適宜、操作規(guī)范等條件下取得的，實際使用中最大允許誤差會擴大一倍。為了不影響未來使用，天平選型時，精度及量程可適當提高。

（二）根據(jù)OIML R76的特別要求選擇天平內(nèi)自校功能

用于貿(mào)易結(jié)算或食品企業(yè)、制藥企業(yè)、醫(yī)療機構(gòu)等的天平，使用中實施強檢制度，包括首次檢定、后續(xù)檢定等，通常每年一次。但電子天平在使用中風險無處不在，比如，來自規(guī)范本身的影響，包括線性誤差、重復性誤差、偏載誤差、砝碼誤差等;再如來自環(huán)境的影響，包括溫度變化、濕度變化、太陽光照、空氣流動、振動、傾斜、污染等;還有來自樣品本身的影響，包括樣品吸濕、樣品磁性、樣品浮力、靜電等。天平需要經(jīng)常進行校準，特別是Ⅰ級天平。

為更好地滿足這一要求，選用全自動內(nèi)自校天平（SCS/SLS/FACT/isoCAL等）十分必要。最新版OIML R76也要求分析天平及以上精度的電子天平，不允許使用純外校天平。天平自帶內(nèi)自校裝置，可設(shè)置為根據(jù)時間或溫度的變化，自動啟動校準，也可人工“一鍵”啟動，方便、高效，及時消除天平誤差，并降低操作的難度。另外，天平內(nèi)部砝碼，磨損相對少，重量恒定，且經(jīng)過外部E2級/F1級的標準砝碼傳力/校準，全自動操作減少人為干擾因素，安全、可靠。相反，采用外部砝碼校準，受砝碼精度等級、磨損、操作等因素影響，可能存在導致天平不準確的風險。

（三）根據(jù)中國藥典/USP美國藥典等，選擇天平的最佳操作范圍（/最小樣品重量MSW）

依據(jù)最新版USP美國藥典，對于重要的稱重，天平有一個最佳的稱重“起始點”及最佳的操作范圍。過小的樣品重量，會導致稱重非常不準確。中國藥典、英國藥典、日本藥典等也有相應(yīng)的要求。因此，食藥企業(yè)選擇天平時，應(yīng)關(guān)注其最佳的操作范圍（/最小樣品重量MSW）是否滿足要求。同時，審計追蹤、用戶管理、實時始終等功能，也是中國藥典/USP美國藥典等所要求的，選擇天平時是應(yīng)重點關(guān)注其合規(guī)性。

（四）根據(jù)用戶應(yīng)用需求及環(huán)境因素，選擇合適的天平及功能

一個功能齊全的電子天平除正常的稱重功能外，通常還包括彩色觸摸屏顯示、中英文選擇、百分比、計數(shù)、檢重、密度測量、動物稱重、動態(tài)差異稱重、下掛稱重、配方稱重、實時時鐘、無接觸自動風門、全自動線性內(nèi)校、MSW最小樣品重量、ART自動重復性測試、BEST浮力誤差糾正、自動去除靜電、自動環(huán)境監(jiān)測補償（濕度/氣壓）、自動水平監(jiān)測、校準記錄的審計追蹤、用戶管理、任務(wù)管理、USB接口、數(shù)據(jù)實時上傳/打印等。應(yīng)根據(jù)食藥用戶應(yīng)用需求及環(huán)境因素，選擇合適的天平及功能。

四 天平安裝

具體要求為工作室窗戶越少越好，只有一個出入口，推薦工作溫度15～25℃，推薦濕度45%～75%;工作臺堅固結(jié)實、置于房間角落，防振動，避免光照，減少氣流影響。天平安裝后需要調(diào)節(jié)水平，并進行相應(yīng)的校準測試。天平在所有實驗室儀器中，標準化程度高，安裝及調(diào)試工作相對簡單，通常對于超級微量天平、微量天平及半微量天平等，廠家會派專業(yè)的服務(wù)工程師上門安裝調(diào)試;而對于普通精度的分析天平、精密天平等，一般由用戶自行安裝、調(diào)試。

無論由誰來安裝、調(diào)試天平，都應(yīng)符合JJG 1036-2008《電子天平檢定規(guī)程》要求。用于重要生產(chǎn)的電子天平，需通過當?shù)赜嬃坎块T或授權(quán)第三方組織的首次計量檢定及每年一次的后續(xù)計量檢定，食藥企業(yè)天平顯然符合強制檢定的要求。同時，依據(jù)GMP/GLP/ISO 17025等規(guī)范要求，食藥企業(yè)天平在使用前還需由天平生產(chǎn)商或第三方檢測機構(gòu)按照3Q認證要求，對天平進行全方位驗證、確認，合格后天平方可投入使用。

五 天平使用

食藥企業(yè)天平實施強制檢定，包括首次檢定、后續(xù)檢定等，每年一次，檢定合格方可投入使用。但電子天平在使用中風險無處不在，所以，天平除了通過硬件及安裝對稱量過程的風險加以控制，用戶還需要根據(jù)自身特點建立天平的操作規(guī)范。這些規(guī)范包括，最佳操作范圍“起始點”（/最小樣品重量MSW）設(shè)定、期間核查、日常檢測、日常使用及維護方法等。

所謂檢測，就是通過合格的砝碼對天平的重復性誤差、線性誤差、四角誤差及不確定度指標等進行檢測。通常檢測選取兩點校準，檢測頻率視稱量的重要性而定。重要的稱量每天做一次，稍次要的稱量每周或每月做一次。天平每三個月或六個月進行至少一次全性能的檢測評估。天平每年或每兩年進行一次外部檢測、維護，更新最小樣品量和不確定度，以通常由天平廠家或第三方檢測機構(gòu)來客戶現(xiàn)場檢測、評估為佳。一旦發(fā)現(xiàn)有風險存在，立即對天平進行調(diào)整、維修或維護，或者對天平的安裝、操作方法等進行糾正。每次儀器調(diào)整之后均需進行后續(xù)檢定，如果后續(xù)檢定的各項指標均在初次檢定時的范圍內(nèi)，則該檢定結(jié)果一致。在任何需要的時候重新評估天平的允許誤差，當核查的結(jié)果是可靠的，核查周期可以放大一倍;當核查的結(jié)果超出了警戒限制，核查的周期就要縮短。當核查結(jié)果超出最大允許誤差，就要通知儀器廠家的維修人員處理。

所謂合格的砝碼，就是校準分析天平/半微量天平/微量天平等Ⅰ級天平，須采用E2級砝碼;校準普通準確度等級的Ⅱ級天平，須采用F1級砝碼，而且所用砝碼必須年檢合格。另外，帶內(nèi)自校功能的天平內(nèi)置砝碼，雖然沒有準確度等級，但經(jīng)過外部合格砝碼的傳力（標定），可以用于天平的校準。但是，部分廠家天平出廠時隨機附帶的砝碼為一般性工作砝碼，準確度等級較低，只能用于一般性檢驗，不能用于天平校準。

（作者單位：上海天美天平儀器有限公司）