淺談光線對潔凈室懸浮粒子監測的影響

摘 要：針對潔凈室環境監測中發現光線對懸浮粒子監測結果有影響的現象，通過實驗確認了部分LED光源光線對懸浮粒子監測結果有影響的事實，結合粒子計數器的工作原理分析了光線影響懸浮粒子監測結果的原因，并針對這一異常現象提出了相應的解決方法，對潔凈室懸浮粒子準確監測有實際指導意義。

關鍵詞：潔凈室；懸浮粒子；光線；LED光源；光強

中圖分類號：TQ460.8" " 文獻標志碼：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境，通常用于生產藥品、醫療器械、電子元器件、食品等對潔凈度要求較高的產品，也可以用于醫療操作和實驗室研究等場合。潔凈室通過控制空氣中的顆粒物、細菌、病毒等污染物，以保證在其中進行的生產或實驗過程不受污染物的干擾和影響。EUGMP、FDA以及國內新版GMP均以懸浮粒子結果作為潔凈級別的主要定級標準。懸浮粒子計數器是一種專門用于檢測空氣中懸浮粒子的數量和粒徑大小的高精度的檢測設備，其主要作用是測量無塵車間、潔凈室等環境中空氣中的懸浮粒子濃度，以確保這些環境的潔凈度符合規定標準。因此，為確保測量結果的準確性和可靠性，分析和消除粒子計數器測量過程中的干擾因素顯得尤為重要。

1" " 粒子計數器的工作原理

懸浮粒子計數器的工作原理[1]是基于光散射技術[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。不同光源對懸浮粒子計數器的性能有不同的影響[3-4]。具體來說，懸浮粒子計數器使用一組透鏡將光源發出的光線聚焦在測量腔內。當空氣中的每一個粒子快速通過測量腔時，會將入射光散射一次，形成一個光脈沖信號。這個光信號經過另一組透鏡被送到光檢測器，光檢測器將其轉換成電脈沖信號[5]。電脈沖信號的幅度與微粒的大小[6]有關，而電脈沖的數量則對應于微粒的個數。然后這些電脈沖信號經過儀器電子線路的放大和甄別，分揀出需要的信號，再通過計數系統顯示出來，如圖1所示。根據粒子散射光的強度與粒徑的函數關系得出粒子直徑，計數系統可以顯示微粒的數量和大小分布。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" " 光線導致懸浮粒子監測數據異常增大

環境監測人員在潔凈室使用PMS LASAIRⅢ 310C粒子計數器進行懸浮粒子監測過程中偶然發現，在潔凈室LED燈光正下方特定位置進行粒子監測時0.5 μm的粒子數量會發生異常增高的現象。根據粒子計數器的工作原理，推測可能是潔凈室LED燈光光線垂直射入采樣通道進入粒子測量腔影響散射光數量，從而使粒子計數器的結果顯示有異常增加。

3" " 光線對粒子計數器的影響分析

3.1" " 不同光源對粒子計數器的影響分析

目前已經發現潔凈室LED光源垂直照射可以影響懸浮粒子的監測結果，為了確認其他光源是否也會影響懸浮粒子監測結果，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行確認實驗，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是否對懸浮粒子的監測結果有影響，如表1所示。

測試結果表明，白熾照明燈和鹵素燈泡手電筒等光源發出的光線對粒子監測的結果沒有影響，而同為LED光源的潔凈室照明燈和LED手電筒光線對粒子監測的結果均有影響。

3.2" " 同一光源不同光線強度對粒子監測影響分析

實驗確認LED光源發出的光線會對懸浮粒子的監測結果產生影響，為了確認同一LED光源發出不同強度的光線是否對粒子監測結果有不同的影響，采用有弱光和強光兩種模式的LED手電筒進行實驗。弱光模式下光照強度范圍在10 000～30 000 lx，強光模式的光照強度范圍在70 000～100 000 lx，采用這兩種強弱模式分別測試同一LED光源不同光線強度對粒子監測的影響，兩種模式的實驗均包含兩次開燈階段和三次關燈階段。

3.2.1" " LED光源弱光模式的光線對粒子監測的影響

在LED光源弱光模式下，對粒子的監測數據進行分析，如圖2所示。在三次關燈狀態下，粒子數不增加，較為穩定；而在兩次開燈狀態下，對0.5 μm的粒子影響明顯，對5 μm的粒子無影響；0.5 μm粒子數每秒新增在207～212之間，5 μm粒子數整個階段均為0，較為穩定。

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

3.2.2" " LED強光模式的光線對粒子監測的影響

在LED光源強光模式下，對粒子的監測數據進行分析，如圖5所示。在三次關燈狀態下，粒子數不增加，較為穩定；而在兩次開燈狀態下，對0.5 μm的粒子影響明顯，對5 μm的粒子無影響；0.5 μm粒子數每秒新增在206～209之間，5 μm粒子數整個階段均為0，較為穩定。

通過線性分析，整個階段的線性相關系數R的平方為0.959，低于0.99，表明線性不是很相關。對兩次開燈數據分別進行線性分析，第一次開燈狀態下，線性相關系數R的平方為0.999，如圖6所示。第二次開燈狀態下，線性相關系數R的平方為0.997，如圖7所示。兩次開燈的線性相關系數均超過0.99，說明LED光源強光模式的光線對0.5 μm粒子數的影響呈明顯線性正相關，而對5 μm粒子數毫無影響。

兩次實驗數據整合對比分析表明，針對同一種LED光源產生的兩種不同強度的光線，在開燈狀態下，弱光光線照射的0.5 μm粒子每秒新增數在207～212之間，強光光線照射的0.5 μm粒子每秒新增數在206～209之間，差距非常小，因此可以得出結論：同一種LED光源的光線，在一定范圍內改變光照強弱對0.5 μm粒子數監測影響無明顯差異，粒子數和光照時間也是呈正比線性關系；同一LED光源發出的光線，無論強弱均對5 μm粒子監測無影響。

3.3" " 同一光源光線不同入射角度對粒子監測影響分析

前面實驗已經確認了LED光源光線射入采樣通道會對0.5 μm粒子監測數據有影響，理論分析認為，光線垂直射入的夾角越小，進入采樣通道的光線越多，則對粒子計量的影響越大。為了確認光線垂直入射角度對粒子監測結果產生的影響，采用已確認有影響的同一種LED光源，通過來回調整不同垂直入射角度，分別在gt;30°、20°～30°、10°～20°、0°～10°這四個垂直入射角度范圍進行測試，分別往復進行三次測試，如圖8所示。

分別統計不同入射角度下每秒新增0.5 μm粒子數，得到分析結果如表2所示。當光線垂直射入角度大于30°時，對0.5 μm粒子沒有任何影響；當垂直射入角度小于30°時，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，對粒子監測的影響越大。根據實驗數據分析得出射入采樣通道的光線越多，對0.5 μm粒子監測結果影響越大，則可以分析出設備與燈光的相對位置通過影響進光量來影響0.5 μm的粒子監測數據。

3.4" " LED光源產生的光線對粒子計數器的影響分析

LED光源是激光大家族中的新型光源，屬于“弱激光”范疇。結合懸浮粒子計數器的原理進行分析，部分LED光源產生的光線可能與懸浮粒子計數器自身的激光光源照射粒子后產生的散射光線非常相似，進而干擾計數系統，影響計數的準確性。

4" " 如何避免光線對懸浮粒子監測的影響

4.1" " 增大垂直入射角度

通過之前的實驗發現，可以調整粒子計數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測結果，垂直入射夾角越大，影響越小。

4.2" " 增加較長的采樣軟管進行偏心安裝

可以通過增加較長的采樣軟管，進行偏心安裝，使外界光線無法照射到粒子計數器透鏡，從而避免光線射入采樣通道影響懸浮粒子的監測結果。

5" " 結束語

在采用粒子計數器進行懸浮粒子監測時，潔凈室中的部分LED光源發出的光線會對監測結果產生影響，懸浮粒子數與光照時間成正比線性關系，與光線垂直射入夾角成反比。同一種LED光源的光線，在一定范圍內改變光照強弱對0.5 μm粒子數監測的影響無明顯差異，而對5 μm粒子的監測無任何影響。因此，在生產環境監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測結果，從而確保懸浮粒子監測系統不受外界光線的影響，處于良好的工作狀態，使得潔凈區的懸浮粒子監測準確性得到保障，生產潔凈環境的質量得到控制。

[參考文獻]

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[3] 高永鋒，鄒麗新，黃惠杰，等.塵埃粒子計數器中光源對傳感器光通量的影響分析[J].應用光學，2005，26（3）：45-49.

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[6] 黃廷磊，鄭剛，王乃寧.室內空氣中顆粒狀污染物的計數技術[J].應用光學，2000，21（2）：17-22.

收稿日期：2024-09-05

作者簡介：唐大海（1986—），男，四川成都人，生物醫學工程師，主要從事驗證與質量控制工作。