顯微課堂 - 對(duì)微粒污染進(jìn)行清潔度分析

微粒污染

無生命或無機(jī)物，包括制造過程產(chǎn)生的殘留物，例如，磨損或研磨產(chǎn)生的顆粒物，以及當(dāng)?shù)卮髿庵械幕覊m，或者有生命或有機(jī)物，包括細(xì)菌、*、孢子、蛻皮的鱗片或細(xì)胞碎片

分子污染

無生命或無機(jī)膜，包括制造期間添加劑中的殘留物，例如，低溫潤(rùn)滑劑或防腐劑，或者指紋。

不同類型污染的圖像：a) 生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的殘留物；b) 灰塵；c) 孢子；d) 細(xì)菌；e) 無機(jī)或有機(jī)膜；以及 f) 指紋。

探討微粒污染，旨在確定清潔度水平，以及檢驗(yàn)顆粒清潔效果。

人員、物流、耗材和工藝

對(duì)生產(chǎn)具有清潔度要求的產(chǎn)品及其部件的生產(chǎn)商來說，存在特定的因素會(huì)對(duì)產(chǎn)品的清潔度造成影響。這些因素包括用于生產(chǎn)的潔凈室計(jì)數(shù)、物流的設(shè)計(jì)和規(guī)劃、員工的行為，以及生產(chǎn)所用的設(shè)備、材料和工藝的類型

清潔系統(tǒng)的效果

問題來了：清潔系統(tǒng)如何發(fā)揮作用呢？遺憾的是，這個(gè)問題并沒有統(tǒng)一答案。清潔系統(tǒng)所達(dá)到的清潔度水平取決于三個(gè)主要因素（參見圖 3 示意圖）：

●清潔方法或工藝；

●污染的類型和程度；

●必須清潔的物件屬性；及其材質(zhì)、形狀和表面狀況（粗糙度等）。

在清潔程度應(yīng)視具體情況而定的情況下，例如，該領(lǐng)域或行業(yè)的慣例存在疑問，或者應(yīng)客戶或用戶的特別要求，必須檢驗(yàn)清潔效果。

清潔度和清潔工藝評(píng)估

在產(chǎn)品部件接受清潔工藝的前后，對(duì)微粒污染進(jìn)行清潔度評(píng)估，可以選用以下兩種方法完成該項(xiàng)作業(yè)：直接法或間接法 [1]。

直接法包括對(duì)表面進(jìn)行直接檢測(cè)，無需提取或轉(zhuǎn)移顆粒物，一般采用光學(xué)或電子顯微鏡技術(shù)完成檢測(cè)。直接分析的優(yōu)勢(shì)是不會(huì)損失樣品，無需進(jìn)行提取操作。但是，這種方法也存在劣勢(shì)，即只有反差充分的顆粒，才能輕松地從基質(zhì)中分辨出來，而且對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件并不實(shí)用。

間接法包括從正在接受檢測(cè)的表面提取或轉(zhuǎn)移顆粒，一般在液體或氣體介質(zhì)中完成分離，脫附，隨后利用分析系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。間接法的優(yōu)勢(shì)是，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件非常實(shí)用，并可以檢查整個(gè)部件，但劣勢(shì)是提取步驟期間會(huì)產(chǎn)生顆粒損失，提取工藝會(huì)導(dǎo)致成本增加，而且操作期間還必須保證非常潔凈的工作條件，以免交叉污染。

●針對(duì)交通運(yùn)輸業(yè)的清潔度分析；VDA 第 19 部分，以及 ISO 16232

●針對(duì)汽車制造業(yè)，業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成了一項(xiàng)慣例：即遵守 VDA 19 [3] 和 ISO 16232 [4] 對(duì)產(chǎn)品零部件微粒污染定量測(cè)定的相關(guān)規(guī)定。采用不同的提取法可以清除部件表面的顆粒污染，例如，*聲波降解、壓力沖洗、功能測(cè)試臺(tái)、攪動(dòng)，隨后轉(zhuǎn)移到膜過濾器上，例如，通過過濾提取液將其轉(zhuǎn)移到膜過濾器上。在分析階段，根據(jù)粒徑大小和材質(zhì)屬性，采用不同的技術(shù)來評(píng)估顆粒，例如，光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡 (SEM)，或 X 射線能量色散譜 (EDS)。清潔度分析的步驟如圖 4 所示。顆粒分析技術(shù)對(duì)比參見圖 5。

針對(duì)顆粒分析的圖像產(chǎn)生方法：信息量和先決條件

如果采用圖像產(chǎn)生方法進(jìn)行顆粒分析，那么，光學(xué)顯微鏡技術(shù)無疑是使用*普遍的技術(shù)。為滿足清潔度檢測(cè)方面的要求，相比其他方法，光學(xué)顯微鏡是成本*低且分析速度*快的儀器之一。SEM/EDS 通常用于深度研究，例如，成因研究，這類研究需要更詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，例如，顆粒的元素組成。

在顆粒檢測(cè)方面，顯微鏡的光學(xué)分辨率是限制因素。光學(xué)系統(tǒng)本身無法分辨顆粒，因?yàn)樗某叽绲陀诜直媛书撝担詿o法識(shí)別顆粒的細(xì)節(jié)部分。物鏡透鏡的分辨率 (R) 取決于照射樣品的光波長(zhǎng) (λ) 和透鏡 (NA = n·sinα) 的數(shù)值孔徑：

其中，n 是物鏡透鏡所浸入的介質(zhì)折射率，α是進(jìn)/出物鏡透鏡*大光錐的半角（參見圖 6）[5]。

為精確檢測(cè)顆粒，膜濾光片背景相對(duì)的顆粒亮度反差必須充分滿足檢測(cè)的需要。一旦通過明確的灰度值設(shè)定閾值后，即可通過二值化對(duì)圖像中記錄的顆粒進(jìn)行分析（參見圖 7）。舉個(gè)極端的示例：如果白色背景上的顆粒也是白色的，就難以查找用于識(shí)別顆粒的灰度值，因而也就無法執(zhí)行自動(dòng)分析了。

圖 7a–c：(a) 過濾器上顆粒的光學(xué)顯微鏡圖像，(b) 橘/紅色突出顯示的斑點(diǎn)，灰度值低于設(shè)定閾值，展示檢測(cè)到的圖像顆粒區(qū)域。以下圖像為顯示像素?cái)?shù)和灰度值關(guān)系的柱狀圖 (c)，灰度級(jí)如下所示。柱狀圖的高峰值與濾光片背景灰度值相對(duì)應(yīng)?；叶戎担ㄗ髠?cè)）低于二值化閾值（紅線）的圖像所有區(qū)域?qū)⒈挥涗洖轭w粒。

很多污染敏感產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的要求非常高，此類產(chǎn)品必須在達(dá)到一定空氣清潔度的潔凈室中生產(chǎn)。僅通過粒子計(jì)數(shù)器監(jiān)測(cè)大氣塵埃粒子，無法對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境中的顆粒沉積水平作出明確定論。顆粒的來源多種多樣，通常與人員/員工、物流作業(yè)流程、包裝、耗材以及生產(chǎn)過程密切相關(guān)。將 10 塊沉降板放在關(guān)鍵過程位置，以便對(duì)清潔生產(chǎn)環(huán)境中的沉積物污染進(jìn)行量化。沉降板會(huì)將沉積物顆粒收集在膠帶上。沉降板經(jīng)過七天暴露后，可以用一臺(tái)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行評(píng)估。

圖 8 顯示了 10 塊沉降板的顆粒分析結(jié)果。圖 8 的圖表清楚地展示了測(cè)量位置的顆粒計(jì)數(shù)較高。通過不同部分進(jìn)行額外分類，例如，形態(tài)或反光度，從而確保清楚辨別纖維和反光顆粒物。

針對(duì)汽車制造業(yè)的很多產(chǎn)品部件，也存在諸多微粒污染相關(guān)的要求。根據(jù)部件的不同，有些顆?？赡苁顷P(guān)鍵的，可能會(huì)引起損傷。在很多情況下，甚至還要進(jìn)行其他測(cè)試，以便系統(tǒng)性地檢測(cè)粒徑不同顆粒所造成的損壞。針對(duì)這些測(cè)試，還需要盡可能設(shè)定具有適度明確形態(tài)的顆粒。為對(duì)上述顆粒進(jìn)行表征，通過自動(dòng)軟件分析和其他手動(dòng)分析檢測(cè)長(zhǎng)度和寬度，從而對(duì)顆粒進(jìn)行高度測(cè)定。針對(duì)高度測(cè)定，人們研發(fā)了一臺(tái)配備物鏡透鏡（帶低景深）的光學(xué)顯微鏡。聚焦濾光片背景中的一個(gè)點(diǎn)，隨后聚焦顆粒的*高點(diǎn)，可以根據(jù) z 值差異檢測(cè)顆粒高度。

圖 9 展示了通過上述分析獲得的標(biāo)準(zhǔn)化顆粒表征結(jié)果。

未清潔和已清潔部件的對(duì)比

通過對(duì)比未清潔和已清潔部件的清潔度分析結(jié)果，對(duì)清潔法功效進(jìn)行檢測(cè)，未清潔和已清潔部件都必須采用間接檢驗(yàn)工藝進(jìn)行處理（參見圖 10）。圖 10 的結(jié)果展示了清潔法顯著降低了產(chǎn)品部件表面上的顆粒（粒徑范圍在 50 μm 至 600 μm 之間）數(shù)目。