Hiệu Suất Đếm và So Sánh Máy Đếm Hạt

 Một số người dùng tin rằng cần phải chia số lượng hạt đếm được của các máy đếm hạt không dựa trên thể tích bằng hiệu suất đếm (CE) tại giới hạn dưới để thiết lập “nồng độ thực” của hạt trong hệ thống chất lỏng. Người dùng khác không hiểu tại sao hai kênh có kích thước tương tự của máy đếm hạt với các giới hạn phát hiện khác nhau lại không báo cáo cùng một giá trị. Bài báo này sẽ thảo luận về khoa học đằng sau những khác biệt này và giảm bớt những lo ngại xuất phát từ đặc tính của máy đếm hạt không dựa trên thể tích.

Định Nghĩa

• • Hiệu Suất Đếm: Phần trăm hạt được phát hiện trong dòng chất lỏng so với nồng độ hạt có mặt.
• • Thể Tích Mẫu Đo: Thể tích chất lỏng mỗi đơn vị thời gian được kiểm tra hạt. • Tốc Độ Dòng Chất Lỏng: Thể tích chất lỏng mỗi đơn vị thời gian chảy qua thiết bị.
• • Tỷ Lệ Thể Tích Mẫu: Thể tích mẫu của thiết bị chia cho tốc độ dòng chất lỏng, được biểu thị dưới dạng phần trăm.
• • Máy Đếm Hạt Dựa Trên Thể Tích: Một máy đếm hạt mà tỷ lệ thể tích mẫu là 100%
• • Máy Đếm Hạt Không Dựa Trên Thể Tích: Bất kỳ máy đếm hạt nào mà tỷ lệ thể tích mẫu nhỏ hơn 100%

Bối Cảnh Quá trình thiết kế máy đếm hạt quang học (OPCs) là sự đánh đổi giữa việc giảm tiếng ồn phát sinh từ hệ thống và tăng tín hiệu từ hạt. Nguồn tiếng ồn có thể đến từ chính nguồn sáng, các quang học được sử dụng để tạo hình ánh sáng, bề mặt cửa sổ/tường capillary, các phân tử của chất lỏng mẫu, và mạch điện tử được sử dụng để thu thập và xử lý ánh sáng phản xạ.

Máy đếm hạt với giới hạn phát hiện lớn hơn 100 nm có thể chiếu sáng lên tường buồng mẫu mà vẫn duy trì tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (s:n) chấp nhận được. Khả năng chiếu sáng toàn bộ buồng mẫu với phần ánh sáng đồng nhất (thường là laser) làm cho những thiết bị này trở thành dựa trên thể tích và cung cấp một thể tích mẫu rõ ràng cho các hạt quan tâm.

Tuy nhiên, việc chiếu sáng lên tường buồng mẫu trong máy đếm hạt với giới hạn phát hiện dưới 100 nm sẽ tạo ra mức tiếng ồn vượt quá lượng ánh sáng thu được từ hạt quan tâm. Để khắc phục vấn đề này, laser phải được tập trung thành kích thước nhỏ hơn buồng mẫu, và chỉ vùng ở trung tâm của buồng được kiểm tra hạt. Việc tập trung chùm tạo ra một khu vực có mật độ công suất biến đổi. Kết quả của một chùm nhỏ hơn buồng mẫu là hạt có thể di chuyển qua laser ở bất kỳ đâu trên diện tích mặt cắt của chùm.

Hình 1 KÍCH THƯỚC VS. HỒ SƠ CHÙM LASER

Một số hạt sẽ di chuyển qua trung tâm của chùm laser, nơi năng lượng lớn nhất (Hình 1). Những hạt này sẽ tạo ra tín hiệu mạnh và được đo lường như là hạt lớn hơn. Cùng kích thước hạt di chuyển qua laser gần các mép của chùm, nơi năng lượng đáng kể thấp hơn, sẽ tạo ra tín hiệu yếu hơn và được đo lường như là hạt nhỏ hơn. Hạt ở giới hạn phát hiện của máy đếm hạt chỉ có thể được phát hiện khi chúng đi qua trung tâm của chùm laser.

Hạt lớn hơn có thể tạo ra tín hiệu tương đương với hạt ở giới hạn phát hiện của máy đếm hạt khi di chuyển qua các phần của chùm xa trung tâm của chùm hơn. Những hạt này sẽ được đếm và đo kích thước như hạt nhỏ hơn. Kết quả là hạt lớn hơn có thể được phát hiện bởi một tỷ lệ lớn hơn của điểm tiêu điểm chùm laser để được đo kích thước và đếm. Nói cách khác, khi kích thước hạt tăng lên, thể tích mẫu của thiết bị cũng tăng lên.

Particle Measuring Systems gọi hiện tượng này là “Sự Tăng Trưởng Thể Tích Mẫu”. Tất cả máy đếm hạt có thể tích mẫu thiết bị nhỏ hơn 100% so với tốc độ dòng thiết bị sẽ có sự tăng trưởng thể tích mẫu ở một mức độ nào đó. Thảo Luận Mặc dù sự xuất hiện của sự tăng trưởng thể tích mẫu (và sự thay đổi về hiệu suất đếm tương ứng với kích thước hạt) không lý tưởng cho một số người dùng máy đếm hạt, không có cách nào để tránh nó. Ngành công nghiệp yêu cầu một máy đếm hạt có thể phát hiện hạt nhỏ đến 20 nm và đang thúc đẩy cho một máy có thể phát hiện 10 nm hoặc nhỏ hơn.

Không có công nghệ nào khác đã chứng minh mình đáng tin cậy, nhất quán và có khả năng phát hiện sự biến động hạt giới hạn sản xuất như phân tán ánh sáng quang học. Ngoài ra, hiện tượng tăng trưởng thể tích mẫu không phải là biến số tùy ý thay đổi từ thiết bị này sang thiết bị khác. Nó được xác định bởi thiết kế của sản phẩm và tất cả các thiết bị được làm theo thiết kế đó sẽ thể hiện mức độ tăng trưởng thể tích mẫu rất tương tự nhau. 

Bởi vì hiệu suất đếm (CE) của kênh đầu tiên thấp hơn nhiều so với 100%, một số người dùng chọn "chỉnh sửa cho" điều kiện này bằng cách chia cho hiệu suất đếm để đạt được tổng số “số lượng thực” thực tế. Điều quan trọng cần hiểu là giới hạn phát hiện thấp nhất của CE được xác định bằng cách giới thiệu một nồng độ hạt đã biết chính xác là kích thước của giới hạn phát hiện thấp nhất (tức là, 20 nm trong Ví dụ Đường cong CE của Hình 2).

Đường cong hiệu suất đếm ví dụ trong Hình 2 là một đường cong lý tưởng, nơi có sự tăng gần như tuyến tính trong hiệu suất đếm. Trong một máy đếm hạt, kênh 20 nm sẽ đếm các hạt có kích thước từ 20 nm đến 50 nm. Vì hiệu suất đếm tăng dần qua kênh khi kích thước hạt tăng lên, không chính xác khi chia cho hiệu suất đếm đo lường ở 20 nm để xác định số lượng thực của kênh này.

Trong biểu đồ ví dụ của Hình 2, chỉ có số lượng trong vùng được tô màu xanh không được báo cáo. Việc xây dựng một hình dạng (tam giác cộng với một hình chữ nhật) để đại diện cho những "số lượng thiếu" này là dễ dàng. Việc chỉnh sửa cho những "số lượng thiếu" bằng cách chia số lượng được báo cáo cho CE của kênh đầu tiên (1% trong ví dụ này) sẽ làm tăng số lượng lên 100 lần. Như rõ ràng được thể hiện trong Hình 2, những "số lượng thiếu" trong phiên bản ít lý tưởng hơn chỉ ở mức khoảng 4 lần.

Trong đường cong hiệu suất đếm thực tế (Hình 3), sự tăng trong hiệu suất đếm là nhanh hơn dẫn đến "số lượng thiếu" nhỏ hơn nhiều so với ví dụ đơn giản được hiển thị trong Hình 2.

Hình 3 BIỂU ĐỒ HIỆU SUẤT ĐẾM VÍ DỤ TRONG THỰC TẾ

Do không có cách đơn giản nào để mô tả những khác biệt thực tế này, việc thiết lập một yếu tố chỉnh sửa phù hợp trong mọi tình huống, thậm chí trên cùng một nguồn chất lỏng, là khó khăn. Mặc dù việc tính toán một số lượng tuyệt đối của hạt là rất khó khăn, máy đếm hạt quang học vẫn cung cấp dữ liệu hành động thể hiện sự thay đổi trong hệ thống.

Ví dụ, trong trường hợp hệ thống sắp thất bại (tắc nghẽn bộ lọc, hao mòn của bơm, v.v.), số lượng trong kênh này sẽ tăng tỷ lệ, cho người dùng cơ hội đáp ứng kịp thời trước khi tình hình trở nên nghiêm trọng.

So Sánh Hai Máy Đếm Hạt Độ Nhạy Khác Nhau

Nhiều người dùng đã thắc mắc tại sao một kênh trên của máy đếm hạt nhạy cảm hơn lại đếm được nhiều hạt hơn so với kênh đầu tiên của một máy đếm hạt có giới hạn phát hiện lớn hơn. Ví dụ như so sánh giữa kênh A và B, cả hai đều phân loại hạt lớn hơn 50 nm. Một khi bạn hiểu về sự tăng trưởng thể tích mẫu và đường cong hiệu suất đếm của những máy đếm hạt không dựa trên thể tích này, lý do cho những khác biệt này trở nên rõ ràng (Hình 4).

Máy đếm hạt A nhạy cảm hơn có hiệu suất đếm hạt > 50nm cao hơn nhiều so với B ở cùng kích thước. Do đó, A nên đếm được nhiều hạt hơn B trong phạm vi kích thước này. Thực tế là hai máy đếm hạt này không hoàn toàn đồng thuận ở các kênh này không phải là vấn đề. Mối quan hệ giữa dữ liệu được báo cáo bởi mỗi máy sẽ giữ nguyên nhất quán cho những thay đổi trong hệ thống. Nếu hệ thống bị bẩn hơn, số lượng hạt trên cả hai thiết bị ở 50 nm nên tăng lên và nếu hệ thống sạch hơn, số lượng trên cả hai nên giảm xuống. Các kênh giữ nguyên mối quan hệ tương đối với hệ thống, nhưng, do thiết kế, đo lường các hạt theo cách khác nhau.

Kết Luận : Nhu cầu của ngành công nghiệp để đạt được giới hạn phát hiện dưới 100 nm đòi hỏi một cách tiếp cận thiết kế thiết bị không dựa trên thể tích. Tất cả các thiết bị không dựa trên thể tích đều có sự tăng trưởng thể tích mẫu ở một mức độ nào đó, dẫn đến hiệu suất đếm thấp hơn ở giới hạn phát hiện dưới và hiệu suất đếm biến đổi qua các kích thước kênh dưới. Sự tăng này trong hiệu suất đếm theo kích thước hạt có nghĩa là hiệu suất đếm đo lường ở một kích thước hạt duy nhất trong kênh này không thể áp dụng cho toàn bộ kênh. Sử dụng hiệu suất đếm như một yếu tố chỉnh sửa không dẫn đến "số lượng hạt thực" chính xác.

Theo thiết kế, máy đếm hạt với giới hạn phát hiện dưới sẽ có hiệu suất đếm khác nhau tại bất kỳ kích thước kênh hạt nào so với máy đếm hạt có giới hạn phát hiện dưới lớn hơn. Mặc dù những máy đếm hạt này sẽ hiển thị số lượng khác nhau cho bất kỳ kênh hạt đơn lẻ nào, xu hướng của chúng sẽ giống nhau.