潔凈環(huán)境中懸浮粒子檢測(cè)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)現(xiàn)狀

趙燕君 楊會(huì)英

摘? 要：空氣中顆粒物污染是許多行業(yè)生產(chǎn)及加工工藝中主要的污染來(lái)源，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)空氣潔凈度已經(jīng)成為許多行業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品檢測(cè)的要求，而潔凈環(huán)境中懸浮粒子檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性主要依賴于塵埃粒子計(jì)數(shù)器的準(zhǔn)確性，文章綜述了包括中國(guó)、美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)內(nèi)外用于評(píng)估和校準(zhǔn)粒徑測(cè)量?jī)x器的微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)現(xiàn)狀，為懸浮粒子檢測(cè)過(guò)程中儀器的校準(zhǔn)提供一些思路。

關(guān)鍵詞：懸浮粒子;塵埃粒子計(jì)數(shù)器;標(biāo)準(zhǔn)微粒

中圖分類號(hào)：R197.323? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0010-04

Abstract： Particulate matter pollution in the air is the main source of pollution in the production and processing of many industries. Accurate evaluation of air cleanliness has become the requirement of production and product testing in many industries. The accuracy of the detection results of suspended particles in a clean environment mainly depends on the accuracy of the dust particle counter. This paper reviews the present situation of particle reference materials used for evaluating and calibrating particle size measuring instruments at home and abroad， including China， the United States， Europe and Japan， which provides some ideas for the calibration of instruments in the process of suspended particle detection.

Keywords： suspended particles; dust particle counter; standard particles

潔凈環(huán)境是醫(yī)藥、航天、精密設(shè)備、電子、核能等很多行業(yè)必備的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)環(huán)境，通過(guò)控制并監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫濕度、風(fēng)量、壓差、懸浮粒子、微生物等指標(biāo)，可以使產(chǎn)品免受污染，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，而保證環(huán)境潔凈級(jí)別最關(guān)鍵的指標(biāo)是懸浮粒子，即尺寸范圍在0.1μm～1000μm的固體或液體粒子[1]。因此，為保證潔凈環(huán)境的凈化效果及最終產(chǎn)品的質(zhì)量，懸浮粒子檢測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性和一致性非常重要。

潔凈環(huán)境中懸浮粒子的測(cè)試采用計(jì)數(shù)濃度法，最常用的儀器是塵埃粒子計(jì)數(shù)器，利用光散射原理[2]對(duì)空氣中塵埃粒子的數(shù)目和粒徑進(jìn)行計(jì)量。但是由于不同的粒子計(jì)數(shù)器在設(shè)計(jì)和性能方面存在差異，經(jīng)常導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不盡相同，甚至存在較大的偏差[3]，因此定期用微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)塵埃粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行標(biāo)定與校準(zhǔn)是非常必要的。目前國(guó)內(nèi)外很多標(biāo)準(zhǔn)[4-7]規(guī)定校準(zhǔn)塵埃粒子計(jì)數(shù)器用微粒為單分散的球形微粒，但與實(shí)際懸浮粒子檢測(cè)時(shí)狀態(tài)的符合性、標(biāo)準(zhǔn)粒徑選擇、指標(biāo)判據(jù)等方面還有待進(jìn)一步研究[8]，本文綜述了國(guó)內(nèi)外用于評(píng)估和校準(zhǔn)粒徑測(cè)量?jī)x器的微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)現(xiàn)狀，為懸浮粒子檢測(cè)過(guò)程中儀器的校準(zhǔn)提供一些思路。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 中國(guó)

我國(guó)有專門(mén)的塵埃粒子計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制，包括、粒徑為0.3、0.4、0.5、0.6、1.0μm五種規(guī)格，該類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)由各向同性，粒徑大小基本一致的單分散聚苯乙烯微球懸浮液組成，使用時(shí)需要專門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生裝置來(lái)分散粒子，可以滿足大多數(shù)粒子計(jì)數(shù)器的校準(zhǔn)，但對(duì)于0.1μm的塵埃粒子還沒(méi)有發(fā)布相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。此外，我國(guó)還有乳膠微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、微粒粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（顆粒）、PM2.5監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、PM10切割器切割特性檢測(cè)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等類似產(chǎn)品，材質(zhì)多數(shù)為聚合膠乳微粒。

1.2 美國(guó)

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of standards and Technology， NIST）用于測(cè)量粒徑和粒子計(jì)數(shù)材料的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有兩類，一類是301.5-粒子計(jì)數(shù)材料（粉末和懸浮液形式），主要包括表2中的兩種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，旨在用于校準(zhǔn)顆粒尺寸測(cè)量?jī)x器的響應(yīng)，包括光學(xué)計(jì)數(shù)器。還有一類是301.1-粒徑（粉末和固體形式），這些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)用于評(píng)估和校準(zhǔn)特定類型的粒度測(cè)量?jī)x器，包括光散射，電氣區(qū)域流通計(jì)數(shù)器，光學(xué)和掃描電子顯微鏡，沉降系統(tǒng)和金屬絲篩分裝置。其中與懸浮粒子檢測(cè)較為接近的有表2中列出的幾種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，SRM 659由等軸氮化硅顆粒組成，SRM 1978由顆粒狀、不規(guī)則形狀的氧化鋯顆粒組成，均是用于沉降圖標(biāo)的粒度分布;SRM 1690、1691、1963a、1964與我國(guó)的塵埃粒子計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)類似，均是水懸浮液中不同粒徑的單分散聚丙乙烯顆粒，但SRM 1690的說(shuō)明書(shū)中明確指出不適用于動(dòng)態(tài)光散射（DLS）在內(nèi)的光散射儀器，其他幾類物質(zhì)未進(jìn)行說(shuō)明;SRM 8988是由二氧化鈦組成的用于評(píng)估和校準(zhǔn)用于測(cè)量0.1μm至0.5μm粒徑范圍內(nèi)的粒度分布（PSD）值的設(shè)備。

此外，美國(guó)還有很多商業(yè)性機(jī)構(gòu)提供可溯源至NIST的微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，如Duke科技公司的3K/4K系列微粒計(jì)數(shù)儀標(biāo)準(zhǔn)品可校準(zhǔn)潔凈室和其他污染監(jiān)測(cè)應(yīng)用中使用的激光微粒計(jì)數(shù)儀，由高度均勻的單分散聚苯乙烯微球懸浮液組成，涵蓋了0.1～100μm的各種粒徑;Bangs Laboratories公司的可追蹤粒徑標(biāo)準(zhǔn)品也是單分散聚苯乙烯球，涵蓋粒徑在40nm-175μm之間的各種微粒;Micmspheres-Nanospheres Co公司的標(biāo)準(zhǔn)微球有二氧化硅和乳膠單分散顆粒，粒徑有50-1000nm和1-100μm;Polysciences，Reade Advanced Materials等公司也有類似產(chǎn)品。

1.3 歐洲

歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心標(biāo)準(zhǔn)材料與測(cè)量研究所（EC-JRC-IRMM）發(fā)布的用于校準(zhǔn)顆粒尺寸測(cè)量?jī)x器的標(biāo)準(zhǔn)微粒有三類，如表3所示，按材質(zhì)可分為石英粉末、聚苯乙烯和二氧化硅，與其他國(guó)家不同的是，其標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)中特別強(qiáng)調(diào)聚苯乙烯類材料僅可用于校準(zhǔn)所研究的顆粒具有接近乳膠球的物理性質(zhì)（包括尺寸，形狀，可變形性，導(dǎo)電性）等。

1.4 日本

日本國(guó)家計(jì)量院（NMIJ）發(fā)布了三種聚苯乙烯乳膠納米粒子，如表4所示，但是是用于動(dòng)態(tài)光散射測(cè)定液相中納米粒子光散射強(qiáng)度平均直徑的儀器的校準(zhǔn);日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z8901-2006《試驗(yàn)粉末及試驗(yàn)微粒》中的試驗(yàn)微粒是用于光散射型自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器顆粒測(cè)試和校準(zhǔn)的微粒，可分為兩種，一種是聚苯乙烯單分散固體顆粒（粒徑為0.05～25？滋m的12種粒子），一種是使用氣溶膠發(fā)生器微粉化的聚α-烯烴或硬脂酸顆粒，標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)列出了微粒粒徑、比重、折光率等項(xiàng)目的測(cè)定方法。日本粉體加工工業(yè)和工程協(xié)會(huì)（AAPIE）根據(jù)JIS Z8901標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)了MBP 1-10和MBP 10-100標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，也可用于光散射測(cè)量粒度分布的儀器校準(zhǔn)。

2 結(jié)論與討論

從上述列舉的各國(guó)微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可看出，我國(guó)對(duì)塵埃粒子計(jì)數(shù)器有專門(mén)的校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，成分均為單分散聚苯乙烯微球，國(guó)外多數(shù)微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)僅說(shuō)明是用于校準(zhǔn)粒度測(cè)量?jī)x器，但未指明是專用于塵埃粒子計(jì)數(shù)器，微粒的材質(zhì)成分也較國(guó)內(nèi)多樣化，除聚苯乙烯類材料外，還有天然礦物粉塵、石英等材質(zhì)。

雖然目前國(guó)內(nèi)外很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定校準(zhǔn)塵埃粒子計(jì)數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)微粒用單分散聚苯乙烯微球，但這些塑料球形微粒與實(shí)際環(huán)境中的懸浮粒子的相似程度如何還有待進(jìn)一步研究。此外，由于塵埃粒子計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)時(shí)需要使用價(jià)格昂貴的標(biāo)準(zhǔn)粒子發(fā)生器來(lái)分散標(biāo)準(zhǔn)粒子，因此目前塵埃粒子計(jì)數(shù)器的校準(zhǔn)只能由計(jì)量部門(mén)執(zhí)行，一般要求每年校準(zhǔn)一次，然而，粒子計(jì)數(shù)器的短期校準(zhǔn)漂移會(huì)導(dǎo)致粒子計(jì)數(shù)器在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)變化多達(dá)10%至20%[15]。因此筆者認(rèn)為實(shí)現(xiàn)塵埃粒子計(jì)數(shù)器的日常校準(zhǔn)對(duì)保證懸浮粒子檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性非常必要，這就需要研制形態(tài)組成與實(shí)際懸浮粒子狀態(tài)更接近、使用更方便快捷的微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，另外還需加強(qiáng)塵埃粒子計(jì)數(shù)器的期間核查，以保證其校準(zhǔn)狀態(tài)的可信度，減少由于儀器穩(wěn)定性變化造成的結(jié)果偏差。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 16292-2010醫(yī)藥工業(yè)潔凈室（區(qū)）懸浮粒子的測(cè)試方法[S].2010.

[2]楊娟，卞保民，何幼權(quán)，等.塵埃粒子計(jì)數(shù)器粒子散射光信號(hào)幅度概率分布[J].光電子·激光，2001（1）：67-70.

[3]劉俊杰，張文閣，國(guó)凱，等.塵埃粒子計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)裝置的研制[J].計(jì)量技術(shù)，2014，10：49-51.

[4]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1190-2008塵埃粒子計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2008.

[5]國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB/J5416-2005塵埃粒子計(jì)數(shù)器檢定規(guī)程[S].北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2006.

[6]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 6167-2007塵埃粒子計(jì)數(shù)器性能試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7]Standards Policy and Strategy Committee. BS ISO 21501-4-2018 Determination of particle size distribution-Single particle light interaction methods-Part 4： Light scattering airborne particle counter for clean spaces[S]. BSI Standards publication， 2018.

[8]高志良，季啟政，王慧，等.光散射塵埃粒子計(jì)數(shù)器的計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范淺析[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)，2013（7）：42-45.

[9]中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院化學(xué)所（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心）.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)資源共享平臺(tái)[DB/OL].[2019-6-2]. http：//www.ncrm.org.cn/Web/Material/HomeList？type=0&term=%E5%B0%98%E5%9F%83%E7%B2%92%E5%AD%90&pageIndex=1.

[10]National Institute of standards and Technology. STANDARD REFERENCE MATERIALS[DB/OL].[2019-5-29].https：//www-s.nist.gov/srmors/.

[11]Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung （BAM）. COMAR Database[DB/OL].[2019-5-30].http：//www.comar.bam.de/home/login.php.

[12]National Metrology Institute of Japan. Search for NMIJ Reference Materials [DB/OL]. [2019-6-2].https：//www.nmij.jp/english/service/C/crm.

[13]日本標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).JIS Z 8901-2006試驗(yàn)粉末與試驗(yàn)微粒[S].東京：日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2006.

[14]The Association of Powder Process Industry and Engineering， JAPAN. Reference Material Certificate（CRM） MBP1-10， MBP10-100[DB/OL].[2019-6-2].http：//www.appie.or.jp/en/testpowders/reference-material-certificate-crm-barium-titanate-glass-beads-mbp-1-10-barium-titanate-glass-beads-mbp-10-100/.

[15]Jim Strachan. Particle Counter Study： Accuracy， Repeatability， and Stability.[DB/OL].[2019-6-2].https：//www.cleanroomtechnology.com/news/article_page/Particle_counter_study_Accuracy_repeatability_and_stability/127855.