洁净环境中悬浮粒子检测用标准物质现状

赵燕君 杨会英

摘  要：空气中颗粒物污染是许多行业生产及加工工艺中主要的污染来源，准确评价空气洁净度已经成为许多行业生产和产品检测的要求，而洁净环境中悬浮粒子检测结果的准确性主要依赖于尘埃粒子计数器的准确性，文章综述了包括中国、美国、欧洲、日本等国内外用于评估和校准粒径测量仪器的微粒标准物质现状，为悬浮粒子检测过程中仪器的校准提供一些思路。

关键词：悬浮粒子;尘埃粒子计数器;标准微粒

中图分类号：R197.323      文献标志码：A       文章编号：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

潔净环境是医药、航天、精密设备、电子、核能等很多行业必备的实验和生产环境，通过控制并监测环境的温湿度、风量、压差、悬浮粒子、微生物等指标，可以使产品免受污染，提高产品质量和可靠性，而保证环境洁净级别最关键的指标是悬浮粒子，即尺寸范围在0.1μm～1000μm的固体或液体粒子[1]。因此，为保证洁净环境的净化效果及最终产品的质量，悬浮粒子检测的准确性、可靠性和一致性非常重要。

洁净环境中悬浮粒子的测试采用计数浓度法，最常用的仪器是尘埃粒子计数器，利用光散射原理[2]对空气中尘埃粒子的数目和粒径进行计量。但是由于不同的粒子计数器在设计和性能方面存在差异，经常导致检测结果不尽相同，甚至存在较大的偏差[3]，因此定期用微粒标准物质对尘埃粒子计数器进行标定与校准是非常必要的。目前国内外很多标准[4-7]规定校准尘埃粒子计数器用微粒为单分散的球形微粒，但与实际悬浮粒子检测时状态的符合性、标准粒径选择、指标判据等方面还有待进一步研究[8]，本文综述了国内外用于评估和校准粒径测量仪器的微粒标准物质现状，为悬浮粒子检测过程中仪器的校准提供一些思路。

1 国内外现状

1.1 中国

我国有专门的尘埃粒子计数器校准用标准物质，由中国计量科学研究院研制，包括、粒径为0.3、0.4、0.5、0.6、1.0μm五种规格，该类标准物质由各向同性，粒径大小基本一致的单分散聚苯乙烯微球悬浮液组成，使用时需要专门的标准粒子发生装置来分散粒子，可以满足大多数粒子计数器的校准，但对于0.1μm的尘埃粒子还没有发布相关的标准物质。此外，我国还有乳胶微粒标准物质、微粒粒度标准物质（颗粒）、PM2.5监测仪检测用标准物质、PM10切割器切割特性检测用标准物质等类似产品，材质多数为聚合胶乳微粒。

1.2 美国

美国国家标准与技术研究院（National Institute of standards and Technology， NIST）用于测量粒径和粒子计数材料的标准物质有两类，一类是301.5-粒子计数材料（粉末和悬浮液形式），主要包括表2中的两种标准物质，旨在用于校准颗粒尺寸测量仪器的响应，包括光学计数器。还有一类是301.1-粒径（粉末和固体形式），这些标准物质用于评估和校准特定类型的粒度测量仪器，包括光散射，电气区域流通计数器，光学和扫描电子显微镜，沉降系统和金属丝筛分装置。其中与悬浮粒子检测较为接近的有表2中列出的几种标准物质，SRM 659由等轴氮化硅颗粒组成，SRM 1978由颗粒状、不规则形状的氧化锆颗粒组成，均是用于沉降图标的粒度分布;SRM 1690、1691、1963a、1964与我国的尘埃粒子计数器校准用标准物质类似，均是水悬浮液中不同粒径的单分散聚丙乙烯颗粒，但SRM 1690的说明书中明确指出不适用于动态光散射（DLS）在内的光散射仪器，其他几类物质未进行说明;SRM 8988是由二氧化钛组成的用于评估和校准用于测量0.1μm至0.5μm粒径范围内的粒度分布（PSD）值的设备。

此外，美国还有很多商业性机构提供可溯源至NIST的微粒标准物质，如Duke科技公司的3K/4K系列微粒计数仪标准品可校准洁净室和其他污染监测应用中使用的激光微粒计数仪，由高度均匀的单分散聚苯乙烯微球悬浮液组成，涵盖了0.1～100μm的各种粒径;Bangs Laboratories公司的可追踪粒径标准品也是单分散聚苯乙烯球，涵盖粒径在40nm-175μm之间的各种微粒;Micmspheres-Nanospheres Co公司的标准微球有二氧化硅和乳胶单分散颗粒，粒径有50-1000nm和1-100μm;Polysciences，Reade Advanced Materials等公司也有类似产品。

1.3 欧洲

欧盟委员会联合研究中心标准材料与测量研究所（EC-JRC-IRMM）发布的用于校准颗粒尺寸测量仪器的标准微粒有三类，如表3所示，按材质可分为石英粉末、聚苯乙烯和二氧化硅，与其他国家不同的是，其标准物质证书中特别强调聚苯乙烯类材料仅可用于校准所研究的颗粒具有接近乳胶球的物理性质（包括尺寸，形状，可变形性，导电性）等。

1.4 日本

日本国家计量院（NMIJ）发布了三种聚苯乙烯乳胶纳米粒子，如表4所示，但是是用于动态光散射测定液相中纳米粒子光散射强度平均直径的仪器的校准;日本工业标准JIS Z8901-2006《试验粉末及试验微粒》中的试验微粒是用于光散射型自动颗粒計数器颗粒测试和校准的微粒，可分为两种，一种是聚苯乙烯单分散固体颗粒（粒径为0.05～25？滋m的12种粒子），一种是使用气溶胶发生器微粉化的聚α-烯烃或硬脂酸颗粒，标准中详细列出了微粒粒径、比重、折光率等项目的测定方法。日本粉体加工工业和工程协会（AAPIE）根据JIS Z8901标准生产了MBP 1-10和MBP 10-100标准物质，也可用于光散射测量粒度分布的仪器校准。

2 结论与讨论

从上述列举的各国微粒标准物质可看出，我国对尘埃粒子计数器有专门的校准用标准物质，成分均为单分散聚苯乙烯微球，国外多数微粒标准物质仅说明是用于校准粒度测量仪器，但未指明是专用于尘埃粒子计数器，微粒的材质成分也较国内多样化，除聚苯乙烯类材料外，还有天然矿物粉尘、石英等材质。

虽然目前国内外很多标准规定校准尘埃粒子计数器的标准微粒用单分散聚苯乙烯微球，但这些塑料球形微粒与实际环境中的悬浮粒子的相似程度如何还有待进一步研究。此外，由于尘埃粒子计数器校准时需要使用价格昂贵的标准粒子发生器来分散标准粒子，因此目前尘埃粒子计数器的校准只能由计量部门执行，一般要求每年校准一次，然而，粒子计数器的短期校准漂移会导致粒子计数器在相对较短的时间内变化多达10%至20%[15]。因此笔者认为实现尘埃粒子计数器的日常校准对保证悬浮粒子检测结果的准确性非常必要，这就需要研制形态组成与实际悬浮粒子状态更接近、使用更方便快捷的微粒标准物质，另外还需加强尘埃粒子计数器的期间核查，以保证其校准状态的可信度，减少由于仪器稳定性变化造成的结果偏差。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.GB/T 16292-2010医药工业洁净室（区）悬浮粒子的测试方法[S].2010.

[2]杨娟，卞保民，何幼权，等.尘埃粒子计数器粒子散射光信号幅度概率分布[J].光电子·激光，2001（1）：67-70.

[3]刘俊杰，张文阁，国凯，等.尘埃粒子计数器校准装置的研制[J].计量技术，2014，10：49-51.

[4]国家质量监督检验检疫总局.JJF1190-2008尘埃粒子计数器校准规范[S].北京：中国计量出版社，2008.

[5]国防科学技术工业委员会.GJB/J5416-2005尘埃粒子计数器检定规程[S].北京：国防科工委军标出版发行部，2006.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.GB/T 6167-2007尘埃粒子计数器性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，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，季启政，王慧，等.光散射尘埃粒子计数器的计量校准规范浅析[J].标准科学，2013（7）：42-45.

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[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]日本标准委员会.JIS Z 8901-2006试验粉末与试验微粒[S].东京：日本工业标准，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.