顯微課堂 - 對微粒污染進行清潔度分析
很多行業所制造的設備、產品及其部件對污染都是極其敏感的，它們對于清潔度有著非常嚴格的要求。因此，人們追求具備自動顆粒分析功能的測量系統，對產品和部件的清潔度進行定量檢驗，從而滿足汽車制造業、航空、微電子、制藥和醫療設備等行業的要求。
顆粒是主要污染物：工業領域對清潔度提出要求
針對交通運輸（汽車/卡車、航空/航天、鐵路）、微電子（集成電路、印刷電路板、半導體），以及醫療衛生（制藥和醫療設備）等行業所生產的污染敏感型產品及其部件，為提高其性能、可靠性并延長使用壽命，人們對這些產品及其部件的清潔度提出了非常嚴苛的要求。
污染類型及其產生的過程
污染存在幾種基本類型 ：
微粒污染
無生命或無機物，包括制造過程產生的殘留物，例如，磨損或研磨產生的顆粒物，以及當地大氣中的灰塵，或者有生命或有機物，包括細菌、*、孢子、蛻皮的鱗片或細胞碎片
分子污染
無生命或無機膜，包括制造期間添加劑中的殘留物，例如，低溫潤滑劑或防腐劑，或者指紋。
（a)
(b)
（c）
（d）
(e)
( f )
不同類型污染的圖像：a) 生產過程中產生的殘留物；b) 灰塵；c) 孢子；d) 細菌；e) 無機或有機膜；以及 f) 指紋。
探討微粒污染，旨在確定清潔度水平，以及檢驗顆粒清潔效果。
影響產品及其部件清潔度的因素
人員、物流、耗材和工藝
對生產具有清潔度要求的產品及其部件的生產商來說，存在特定的因素會對產品的清潔度造成影響。這些因素包括用于生產的潔凈室計數、物流的設計和規劃、員工的行為，以及生產所用的設備、材料和工藝的類型
清潔系統的效果
問題來了：清潔系統如何發揮作用呢？遺憾的是，這個問題并沒有統一答案。清潔系統所達到的清潔度水平取決于三個主要因素（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、形狀和表面狀況（粗糙度等）。
在清潔程度應視具體情況而定的情況下，例如，該領域或行業的慣例存在疑問，或者應客戶或用戶的特別要求，必須檢驗清潔效果。
方法和規程
確定產品清潔度
清潔度和清潔工藝評估
在產品部件接受清潔工藝的前后，對微粒污染進行清潔度評估，可以選用以下兩種方法完成該項作業：直接法或間接法 [1]。
直接法包括對表面進行直接檢測，無需提取或轉移顆粒物，一般采用光學或電子顯微鏡技術完成檢測。直接分析的優勢是不會損失樣品，無需進行提取操作。但是，這種方法也存在劣勢，即只有反差充分的顆粒，才能輕松地從基質中分辨出來，而且對結構復雜的部件并不實用。
間接法包括從正在接受檢測的表面提取或轉移顆粒，一般在液體或氣體介質中完成分離，脫附，隨后利用分析系統進行評估。間接法的優勢是，對結構復雜的部件非常實用，并可以檢查整個部件，但劣勢是提取步驟期間會產生顆粒損失，提取工藝會導致成本增加，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。
●針對交通運輸業的清潔度分析；VDA 第 19 部分，以及 ISO 16232
●針對汽車制造業，業內已經形成了一項慣例：即遵守 VDA 19 [3] 和 ISO 16232 [4] 對產品零部件微粒污染定量測定的相關規定。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、功能測試臺、攪動，隨后轉移到膜過濾器上，例如，通過過濾提取液將其轉移到膜過濾器上。在分析階段，根據粒徑大小和材質屬性，采用不同的技術來評估顆粒，例如，光學顯微鏡、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。顆粒分析技術對比參見圖 5。
針對顆粒分析的圖像產生方法：信息量和先決條件
如果采用圖像產生方法進行顆粒分析，那么，光學顯微鏡技術無疑是使用*普遍的技術。為滿足清潔度檢測方面的要求，相比其他方法，光學顯微鏡是成本*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的數據信息，例如，顆粒的元素組成。
在顆粒檢測方面，顯微鏡的光學分辨率是限制因素。光學系統本身無法分辨顆粒，因為它的尺寸低于分辨率閾值，所以無法識別顆粒的細節部分。物鏡透鏡的分辨率 (R) 取決于照射樣品的光波長 (λ) 和透鏡 (NA = n·sinα) 的數值孔徑：
其中，n 是物鏡透鏡所浸入的介質折射率，α是進/出物鏡透鏡*大光錐的半角（參見圖 6）[5]。
為精確檢測顆粒，膜濾光片背景相對的顆粒亮度反差必須充分滿足檢測的需要。一旦通過明確的灰度值設定閾值后，即可通過二值化對圖像中記錄的顆粒進行分析（參見圖 7）。舉個極端的示例：如果白色背景上的顆粒也是白色的，就難以查找用于識別顆粒的灰度值，因而也就無法執行自動分析了。
圖 7a–c：(a) 過濾器上顆粒的光學顯微鏡圖像，(b) 橘/紅色突出顯示的斑點，灰度值低于設定閾值，展示檢測到的圖像顆粒區域。以下圖像為顯示像素數和灰度值關系的柱狀圖 (c)，灰度級如下所示。柱狀圖的高峰值與濾光片背景灰度值相對應。灰度值（左側）低于二值化閾值（紅線）的圖像所有區域將被記錄為顆粒。
應用示例
通過 Leica DM2700 M 復式顯微鏡和 Leica Cleanliness Expert 軟件使用 Leica Cleanliness Expert 系統完成顆粒分析，該系統能夠實現可靠檢測和分析的*小粒徑為 5 μm。
監測當地環境中的顆粒沉積現象
很多污染敏感產品對生產環境的要求非常高，此類產品必須在達到一定空氣清潔度的潔凈室中生產。僅通過粒子計數器監測大氣塵埃粒子，無法對當地環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、物流作業流程、包裝、耗材以及生產過程密切相關。將 10 塊沉降板放在關鍵過程位置，以便對清潔生產環境中的沉積物污染進行量化。沉降板會將沉積物顆粒收集在膠帶上。沉降板經過七天暴露后，可以用一臺光學顯微鏡進行評估。
圖 8 顯示了 10 塊沉降板的顆粒分析結果。圖 8 的圖表清楚地展示了測量位置的顆粒計數較高。通過不同部分進行額外分類，例如，形態或反光度，從而確保清楚辨別纖維和反光顆粒物。
可能引起損壞的顆粒表征
針對汽車制造業的很多產品部件，也存在諸多微粒污染相關的要求。根據部件的不同，有些顆粒可能是關鍵的，可能會引起損傷。在很多情況下，甚至還要進行其他測試，以便系統性地檢測粒徑不同顆粒所造成的損壞。針對這些測試，還需要盡可能設定具有適度明確形態的顆粒。為對上述顆粒進行表征，通過自動軟件分析和其他手動分析檢測長度和寬度，從而對顆粒進行高度測定。針對高度測定，人們研發了一臺配備物鏡透鏡（帶低景深）的光學顯微鏡。聚焦濾光片背景中的一個點，隨后聚焦顆粒的*高點，可以根據 z 值差異檢測顆粒高度。
圖 9 展示了通過上述分析獲得的標準化顆粒表征結果。
清潔法功效
未清潔和已清潔部件的對比
通過對比未清潔和已清潔部件的清潔度分析結果，對清潔法功效進行檢測，未清潔和已清潔部件都必須采用間接檢驗工藝進行處理（參見圖 10）。圖 10 的結果展示了清潔法顯著降低了產品部件表面上的顆粒（粒徑范圍在 50 μm 至 600 μm 之間）數目。
總結和結論
經過實踐證明，清潔度有助于通過檢驗多樣化產品或不同行業的產品部件，從而提升產品質量。目前，清潔度分析在汽車制造業中扮演了重要角色，該行業對部件清潔度分析設定了國際化標準。本文對清潔度檢驗技術進行了探討，使用涉及顆粒分析的定量方法可以確定清潔度水平。可以采用直接法對部件表面進行檢測，該法無需提取顆粒物；亦可采用間接法，從部件表面提取顆粒物，完成檢驗。
在本文中，僅討論了適用于清除微粒污染的間接檢驗過程。通常采用光學或電子顯微鏡技術進行顆粒評估。本文的討論成果卓有成效，展示了使用光學顯微鏡的間接清潔度檢驗過程，實現顆粒分析。通過間接過程可以檢驗產品清潔過程的效用（即此項清潔過程實現產品部件特定清潔度水平的能力）。
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