Hướng Dẫn Chi Tiết về Hiệu Chuẩn Máy Đếm Hạt Quang Học Theo ISO 21501-4

ISO 21501-4 là tiêu chuẩn quốc tế dành cho hiệu chuẩn máy đếm hạt quang học, đặc biệt áp dụng cho việc kiểm soát và đảm bảo chất lượng trong môi trường phòng sạch. Tiêu chuẩn này yêu cầu sử dụng Phân Tích Độ Cao Xung (PHA) để xác định phân bố kích thước hạt của ba loại hạt hiệu chuẩn, qua đó giúp cải thiện độ chính xác và lặp lại của dữ liệu đo lường. ISO 21501-4 cũng đề cập đến các yêu cầu về độ phân giải, tỷ lệ đếm sai, và mất coincidence, nhằm mục tiêu cung cấp một phương pháp đo lường chính xác cho việc kiểm soát ô nhiễm trong phòng sạch.

Mối liên kết chặt chẽ giữa ISO 21501-4 và ISO 14644-1:2015 được nhấn mạnh, với ISO 14644-1:2015 yêu cầu máy đếm hạt phải được hiệu chuẩn theo ISO 21501-4 để đạt tiêu chuẩn chứng nhận phòng sạch. Điều này phản ánh xu hướng tăng cường yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị đo lường trong việc giám sát và kiểm soát môi trường sản xuất sạch.

Các nhà sản xuất dược phẩm và người dùng phòng sạch khác được khuyến khích tuân theo ISO 21501 như một phần của việc tuân thủ Thực Hành Sản Xuất Tốt hiện hành (cGMP), Thực Hành Sản Xuất Tốt của EU (EU GMP), và các tiêu chuẩn quốc tế khác. Tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn cụ thể về phương pháp đo lường và hiệu chuẩn, giúp đảm bảo độ chính xác cao trong kiểm soát chất lượng không khí và môi trường sản xuất.

Bài viết cũng giới thiệu sơ lược về Particle Measuring Systems (PMS), công ty chuyên cung cấp giải pháp và hỗ trợ tuân thủ tiêu chuẩn cho các nhà sản xuất, với các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực đo lường và kiểm soát ô nhiễm trong phòng sạch.

------

Giới thiệu ISO 21501-4 là tiêu chuẩn được công nhận cho việc hiệu chuẩn máy đếm hạt quang học.

Tổ chức Tiêu chuẩn Hóa quốc tế (ISO) đã giới thiệu ISO 21501 vào năm 2007 với mục đích sau:

"...cung cấp một thủ tục hiệu chuẩn và phương pháp xác minh cho máy đếm hạt, nhằm giảm thiểu sự không chính xác trong kết quả đo lường của máy đếm hạt, cũng như sự khác biệt trong kết quả đo lường bởi các thiết bị khác nhau."

Bản công bố bao gồm 4 phần khác nhau, mỗi phần dành riêng cho một công nghệ/ứng dụng đếm hạt cụ thể:

Phần 1: Quang phổ kế Aerosol tán xạ ánh sáng

Phần 2: Máy đếm hạt lỏng tán xạ ánh sáng

Phần 3: Máy đếm hạt lỏng tắt ánh sáng

Phần 4: Máy đếm hạt trong không khí tán xạ ánh sáng cho Các không gian sạch

Tài liệu này sẽ phân tích Phần 4, có tiêu đề "Xác định phân phối kích thước hạt—Phương pháp tương tác ánh sáng hạt đơn" và cụ thể ám chỉ Máy đếm hạt Aerosol tán xạ ánh sáng (LSAPC).

Trước ISO 21501 Trước khi giới thiệu ISO 21501, có 2 tiêu chuẩn:

• JIS B 9921:1997 – "Máy đếm hạt tự động tán xạ ánh sáng". Một tiêu chuẩn Nhật Bản định nghĩa hiệu suất và hiệu quả đếm của Máy đếm hạt quang học

• ASTM F 328-98 – "Thực hành tiêu chuẩn cho việc hiệu chuẩn Máy đếm hạt trong không khí sử dụng hạt cầu đơn phân tử"

. Tiêu chuẩn này đã bị rút lại vào năm 2007. Sự giới thiệu của ISO 21501-4, vào năm 2007, yêu cầu việc áp dụng công nghệ kích thước hạt Phân tích Độ Cao Xung (PHA) và hạt tiêu chuẩn cầu với khả năng truy vết quốc tế và độ không chắc chắn bằng hoặc nhỏ hơn ± 2.5%

Hơn nữa, tiêu chuẩn định rõ hai mục tiêu chính: cải thiện sự tương quan dữ liệu giữa các thiết bị và cải thiện độ chính xác đếm hạt. Việc tài liệu hóa và phê duyệt ISO 21501 thay thế ISO 13323-1:2000. Tiêu chuẩn ISO 21501 mở rộng phạm vi phân tích để bao gồm phương pháp cho cả việc đếm hạt trong không khí và chất lỏng (phương pháp tán xạ và tắt sáng).

Mối quan hệ với ISO 14644-1:2015

Sự ra đời gần đây của ISO 14644-1:2015 đã thiết lập một mối quan hệ chặt chẽ hơn giữa hai tiêu chuẩn và đề xuất nhu cầu sử dụng máy đếm hạt tuân thủ ISO 21501-4 trong việc chứng nhận và giám sát phòng sạch.

Mục B.2.2 của tiêu chuẩn trước đó, ISO 14644-1:1999, yêu cầu việc đếm hạt phải được thực hiện bằng “các thiết bị đã được hiệu chuẩn”, và không yêu cầu một kỹ thuật hiệu chuẩn cụ thể nào. Mục con A.2.2 của ISO 14644-1:2015 yêu cầu việc hiệu chuẩn thiết bị phải được quy định trong ISO 21501-4.

Như đã nói ở trên, không phải tất cả các thiết bị đều đáp ứng các yêu cầu. Các thiết bị không tuân thủ sẽ cần một giải thích bổ sung và sự chấp thuận của thiết bị cho cuộc kiểm toán chứng nhận phòng sạch.

Yêu cầu Hiệu Chuẩn ISO 21501-4

Phần này sẽ liệt kê tất cả các yêu cầu hiệu chuẩn ISO 21501-4, với một mô tả ngắn gọn về phương pháp kiểm tra được áp dụng: Tốc độ Lưu lượng Mẫu/ Sampling Flow Rate

Độ không chắc chắn chuẩn của tốc độ lưu lượng thể tích phải bằng hoặc nhỏ hơn 5%.

Chú ý: Nếu LSAPC không có hệ thống kiểm soát tốc độ lưu lượng thì điều khoản này không áp dụng, tuy nhiên, nhà sản xuất phải chỉ rõ giới hạn cho phép của tốc độ lưu lượng của LSAPC. Việc hiệu chuẩn tốc độ lưu lượng được thực hiện để đảm bảo một khối lượng cụ thể được trình bày cho việc đếm hạt.

Cụ thể, tiêu chuẩn cung cấp hai yêu cầu khác nhau dựa trên loại thiết bị (Máy Đếm Hạt Quang học) đang được kiểm tra:

Thiết bị có Hệ thống Kiểm soát Lưu lượng (ví dụ: máy bơm hoặc quạt)

• So sánh lưu lượng của Đơn vị Đang Kiểm tra (UUT) với máy đo lưu lượng tham chiếu đã được chứng nhận

• Phạm vi đạt yêu cầu là ± 5% của giá trị danh nghĩa

Thiết bị không có Hệ thống Kiểm soát Lưu lượng

• UUT lấy mẫu từ một dòng chảy được thiết lập bởi hệ thống lưu lượng đã được chứng nhận

• Nhà sản xuất chỉ định giới hạn cho phép của tốc độ lưu lượng của mình

Cách Thiết Bị Đo Hạt của Particle Measuring Systems Điều Khiển Lưu Lượng

Các máy đếm hạt của Particle Measuring Systems (PMS) đo lưu lượng khối sử dụng cảm biến áp suất chênh lệch để điều chỉnh sự giảm áp suất trong khu vực lấy mẫu.

• Sự giảm áp suất giữa đầu vào và đầu ra được đo lường và cung cấp phép đo lưu lượng chính xác nhất.
• Lưu lượng khối được hiệu chỉnh thành lưu lượng thể tích bằng cách sử dụng dữ liệu từ một cảm biến khí quyển bổ sung, sau đó tính toán lưu lượng thể tích dựa trên giá trị lưu lượng khối đo được và áp suất khí quyển.

Hệ thống Điều khiển Lưu lượng của Thiết bị Đo Hạt Particle Measuring Systems (PMS)

Các máy đếm hạt của Particle Measuring Systems (PMS) đo lưu lượng khối bằng cách sử dụng một cảm biến áp suất chênh lệch để điều chỉnh sự giảm áp suất trong khu vực lấy mẫu.

• Sự giảm áp suất giữa lỗ vào và lỗ ra được đo và cung cấp phép đo chính xác nhất về lưu lượng
• Lưu lượng khối được hiệu chỉnh thành lưu lượng thể tích bằng cách sử dụng dữ liệu từ một cảm biến khí quyển bổ sung, sau đó tính toán lưu lượng thể tích sử dụng giá trị đo lường lưu lượng khối và áp suất khí quyển
• 

Máy đếm hạt Aerosol Lasair® Pro và cảm biến hạt Aerosol IsoAir® Pro sử dụng một hệ thống tinh vi được mô tả bởi Bằng sáng chế Mỹ số 6,167,107 kiểm soát lưu lượng thể tích. Các máy đếm hạt cạnh tranh không cung cấp loại kiểm soát lưu lượng này.

Tại sao lại là Lưu lượng Thể Tích?

• Nồng độ hạt được mô tả là hạt trên mỗi đơn vị thể tích, vì vậy việc kiểm soát lưu lượng thể tích là cần thiết
• Sự thay đổi áp suất khí quyển có thể gây ra lỗi lên tới 3% khi sử dụng máy đo lưu lượng khối. Hệ thống kiểm soát lưu lượng của Particle Measuring Systems thích nghi với sự thay đổi về độ cao và áp suất khí quyển.

Hiệu Suất Đếm

Hiệu suất đếm phải là 50% ± 20% đối với hạt hiệu chuẩn có kích thước gần với mức tối thiểu. Hiệu suất đếm phải là 100% ± 10% đối với hạt hiệu chuẩn có kích thước lớn hơn 1.5 đến 2 lần so với kích thước hạt có thể phát hiện tối thiểu. Hiệu Suất Đếm là tỷ lệ dữ liệu hạt đo được giữa một Đơn vị Đang Kiểm Tra (UUT) và một thiết bị tham chiếu. Bài kiểm tra được thực hiện sử dụng tiêu chuẩn hạt hiệu chuẩn, được biết đến là các hạt polystyrene latex (PSLs), với hai kích thước: một gần với kích thước có thể phát hiện tối thiểu được báo cáo và một lớn hơn 1.5 đến 2 lần so với kích thước có thể phát hiện tối thiểu. Một hình ảnh về PSLs được hiển thị ở bên phải. PMS sử dụng các máy đếm hạt Universal Reference Instrument (URI) được hiệu chuẩn đối với một Scanning Mobility Particle Sizer và Condensation Particle Counter.

Độ Phân Giải

Độ phân giải kích thước phải bằng hoặc nhỏ hơn 15% cho hạt hiệu chuẩn có kích thước được nhà sản xuất quy định. Bài kiểm tra độ phân giải xác minh khả năng của thiết bị phân biệt những khác biệt nhỏ về kích thước hạt.

Độ phân giải được tính toán như thế nào? Một cách đơn giản, độ phân giải là độ lệch chuẩn chia cho kích thước trung bình của hạt.

• σ là độ lệch chuẩn được báo cáo bởi thiết bị khi lấy mẫu một tiêu chuẩn hạt (ví dụ: PSL)
• μ là kích thước trung bình của hạt cho tiêu chuẩn hạt đang được lấy mẫu

Thiết bị PHA đã được hiệu chuẩn phân tích các đường cong hiệu chuẩn và tự động xác định độ phân giải tối ưu bằng cách tính giá trị tuyệt đối của sự chênh lệch giữa tiêu chuẩn kích thước hạt PSL và kích thước hạt được đo bởi thiết bị. Chi tiết thêm có thể được tìm thấy trong tài liệu ISO 21501-4.

Tại sao Độ Phân Giải Không Hoàn Hảo?

Cường độ của chùm laser cao nhất ở trung tâm và giảm dần về phía các cạnh, như được hiển thị trong sơ đồ bên trái. Kết quả là, hạt có kích thước lớn hơn khi đi qua trung tâm chùm so với những hạt tương tự đi qua mép chùm. Đường cong hình chuông (hiển thị dưới mẫu chùm) minh họa đỉnh phân tán ánh sáng kết quả khi một hạt đi qua chùm laser. Độ phân giải được cải thiện nếu các hạt được chiếu sáng bởi ánh sáng đồng đều và có cường độ cao nhất. Trong quá trình thiết kế và phát triển thiết bị, PMS tối ưu hóa độ phân giải bằng cách tích hợp các ống kính và mặt nạ tạo hình chùm có thể tạo ra kích thước hạt nhất quán hơn, với kết quả chính xác và lặp lại được.

Phân Tích Độ Cao Xung (PHA) là gì?

Các máy đếm hạt sử dụng các bộ cảm biến quang điện trạng thái rắn để chuyển đổi năng lượng ánh sáng phân tán thành các tín hiệu điện. Các tín hiệu này, được biết đến như là các xung, có biên độ tỷ lệ với năng lượng đại diện cho các hạt hoặc photon được các cảm biến ghi nhận. Các xung được gửi đến PHA, và PHA liên kết biên độ xung tương đối với các ngưỡng kích thước hạt hoặc các ngăn của thiết bị. Mỗi kênh hạt được biểu diễn bằng một ngăn đếm và tổng hợp với các xung khác có cùng biên độ.

Tỷ Lệ Đếm Sai/ False Count Rate

Tỷ lệ đếm sai được xác định bằng cách đo nồng độ số hạt trong đơn vị số lần-trên-mét khối tại phạm vi kích thước tối thiểu được báo cáo khi lấy mẫu không khí sạch.

Không Giới Hạn Phạm Vi Bài kiểm tra số lần không là một phép đo "nhiễu điện hoặc nhiễu tín hiệu". ISO yêu cầu các thông số kỹ thuật này phải được đáp ứng khi thực hiện bài kiểm tra số lần không:

"...nồng độ số hạt được đo trên mỗi m³ khi LSAPC được thiết lập ở kích thước có thể phát hiện tối thiểu và không khí không chứa hạt chảy qua LSAPC."

Ngoài ra, tiêu chuẩn ISO 21501-4 yêu cầu chỉ tỷ lệ đếm được báo cáo. Một số tiêu chuẩn, bao gồm Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản (JIS), không có yêu cầu này.

Vượt qua yêu cầu này, hiệu chuẩn máy đếm hạt của PMS bao gồm bài kiểm tra số lần không cuối cùng, thách thức thiết bị đạt được giới hạn hạn chế về số lần đếm sai. Việc sử dụng giới hạn hạn chế, ngay cả khi không được yêu cầu bởi tiêu chuẩn, đảm bảo độ chính xác cao hơn trong hiệu suất của thiết bị và tránh những lần đếm sai xuất hiện như là số lần đếm hạt.

Cài Đặt Kích Thước Hạt/ Particle Size Setting

Lỗi trong kích thước hạt phải nhỏ hơn hoặc bằng 10%. Lỗi kích thước hạt được tính toán cho kích thước có thể phát hiện tối thiểu và các kích thước bổ sung. Bài kiểm tra chứng minh rằng nếu một thiết bị đo kích thước hạt chính xác, nó cũng sẽ đếm hạt chính xác. ISO 21501-4 yêu cầu sử dụng một PHA để xác định phân bố hạt của ba hạt hiệu chuẩn khác nhau che phủ phạm vi kích thước hạt.

Trong quá trình thiết kế thiết bị, PMS phát triển một đường cong kích thước hạt. Đường cong xác định các điểm hiệu chuẩn và các ngưỡng điện áp hoặc giá trị liên quan của chúng. Đường cong cũng hiển thị các giá trị liên quan đến các hạt khác, trên toàn bộ phạm vi lấy mẫu của thiết bị.

Đồ thị bên trái hiển thị giá trị ngưỡng/điện áp giữa tình trạng "tìm thấy" và kết quả cuối cùng của hiệu chuẩn. Lỗi kích thước là sự chênh lệch giữa phạm vi kích thước hạt được báo cáo bởi thiết bị và kích thước hạt được tính toán.

Yêu cầu Hiệu Chuẩn ISO 21501-4 Bổ Sung

Được xác định trong quá trình thiết kế, phát triển và chứng minh ý tưởng

Mất trùng hợp tại Nồng Độ Hạt Tối Đa

Mất trùng hợp, tại nồng độ số hạt tối đa có thể đo được được quy định bởi nhà sản xuất, phải ≤ 10%. Mất trùng hợp là phần trăm lỗi khi đếm các nồng độ hạt lớn và thường đi kèm với sự dịch chuyển nhận thức về phân bố kích thước. Có hai nguyên nhân chính gây ra mất trùng hợp:

1. Trùng hợp quang học - xảy ra khi có nhiều hơn một hạt trong "khối lượng nhìn thấy" của laser cùng một lúc
2. Trùng hợp điện tử - giới hạn số sự kiện hạt có thể được xử lý trong điện tử hệ thống mỗi đơn vị thời gian

• Trong thiết kế điện tử máy đếm hạt hiện đại điều này thường vượt qua giới hạn quang học một cách rộng lớn. Ngoại trừ trong những trường hợp cực đoan nhất, sự xuất hiện của mất trùng hợp được nhìn thấy như một sự dịch chuyển trong phân bố hạt.

Nồng Độ Số Hạt Tối Đa ≈ như được quy định bởi nhà sản xuất Nồng độ số hạt tối đa xảy ra ở mức mất trùng hợp 5 – 10%. Giá trị được tính toán sử dụng thời gian đi qua của hạt qua chùm laser và tốc độ lưu lượng của thiết bị.

Thời Gian Lấy Mẫu Độ không chắc chắn chuẩn trong thời lượng thời gian lấy mẫu phải ≤ ± 1%.

Tốc Độ Phản Hồi Tốc độ phản hồi của LSAPC phải ≤ 0.5%.

Mất trùng hợp (Coincidence loss) là một hiện tượng xảy ra trong quá trình đo lường số lượng hạt sử dụng máy đếm hạt, đặc biệt khi đối mặt với nồng độ hạt cao. Hiện tượng này bắt nguồn từ việc nhiều hạt cùng lúc đi qua khu vực đo lường (thường là chùm laser) của thiết bị, dẫn đến việc không thể đo lường chính xác được số lượng hạt thực tế.

Nguyên Nhân

1. Trùng hợp quang học: Xảy ra khi có nhiều hơn một hạt cùng lúc nằm trong "khối lượng nhìn thấy" của chùm laser. Khi điều này xảy ra, thiết bị có thể chỉ đo được một hạt hoặc đo lường sai kích thước của hạt do ảnh hưởng của ánh sáng phản xạ từ nhiều hạt.

2. Trùng hợp điện tử: Hạn chế này nằm ở khả năng xử lý dữ liệu của thiết bị, khi số lượng sự kiện hạt cần được xử lý vượt quá khả năng xử lý của hệ thống điện tử trong một đơn vị thời gian.

Hậu Quả

Mất trùng hợp gây ra lỗi trong quá trình đếm hạt, dẫn đến việc đánh giá thấp số lượng hạt thực sự có trong mẫu. Điều này cũng gây ra sự dịch chuyển trong phân phối kích thước hạt được ghi nhận, ảnh hưởng đến độ chính xác của phân tích mẫu.

ISO 21501-4 quy định rằng, mất trùng hợp ở nồng độ số hạt tối đa có thể đo được bởi nhà sản xuất không được vượt quá 10%, để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả đo lường. Trong quá trình thiết kế và phát triển máy đếm hạt, việc giảm thiểu mất trùng hợp là một yếu tố quan trọng cần được cân nhắc, nhằm cải thiện hiệu suất đo lường của thiết bị.

Kết Luận

Các phòng sạch sản xuất sản phẩm áp dụng các thủ tục để cải thiện hiệu suất và tăng lượng sản phẩm. Do đó, nhiều nhà sản xuất tuân theo ISO 14644-1 để xác định số lượng hạt và phân loại phòng sạch (dựa trên dữ liệu hạt trong không khí) và ISO 14644-2 cho hướng dẫn về thiết bị đo để chứng minh sự tuân thủ liên tục.

ISO 14644-1:2015 mới được phát hành giới thiệu nhu cầu đối với máy đếm hạt được hiệu chuẩn theo ISO 21501-4. Các phương pháp hiệu chuẩn đảm bảo độ chính xác và lặp lại của dữ liệu.

Các nhà sản xuất dược phẩm và người dùng phòng sạch khác nên xem xét ISO 21501 như một phương pháp để đáp ứng Thực Hành Sản Xuất Tốt hiện hành (cGMP), Thực Hành Sản Xuất Tốt của EU (EU GMP), ISO 14644-1, và các yêu cầu khác.

Hướng dẫn cGMP và EU GMP xác định giới hạn cho số lượng hạt trong không khí, dựa trên phân loại cụ thể của phòng sạch/không gian sạch (ví dụ: Grade A, Grade B, Grade C, Grade D). Tuy nhiên, hướng dẫn không cung cấp:

• Phương pháp để xác định số lượng hạt trong một không gian sạch
• Thiết bị để đo số lượng hạt trong một không gian sạch
• Phương pháp hiệu chuẩn cho máy đếm hạt để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu

Các phương pháp được trình bày trong ISO 14644 và ISO 21501-4 đại diện cho một bước quan trọng trong việc đánh giá chính xác hơn về sự ô nhiễm trong phòng sạch và kiểm soát quy trình cải thiện.

Để biết thêm thông tin về ISO 14644 và cách PMS có thể cung cấp hỗ trợ tuân thủ cụ thể và sáng tạo cũng như hiểu biết về quy định, xem trang Phân loại và Giám sát Phòng Sạch ISO 14644-1/2 trên trang web của Particle Measuring Systems.

Để biết thêm thông tin về ISO 21501-4 mới, liên hệ với đại diện địa phương của Particle Measuring Systems hoặc truy cập trang web Liên Hệ Chúng Tôi.

Tác giả:

Daniele Pandolfi

Chuyên Gia Sản Phẩm Toàn cầu, Aerosol Bộ phận Khoa học Sự Sống Particle Measuring Systems

Steve Kochevar

Kỹ Sư Ứng Dụng Toàn cầu Cao cấp Bộ phận Điện tử Particle Measuring Systems