地球化学实验环境本底控制与洁净实验室管理

　　摘要：该文从本底控制的角度出发，探讨地球化学实验中环境因素对实验的影响，以对Pb本底有极高要求的单颗粒锆石化学磨蚀前处理实验为例，采用失效模式影响分析方法对实验过程可能的污染来源进行风险评估，发现所有潜在失效模式中环境要素占比最多，达41.7%，说明环境是影响实验本底最重要的因素，并据此提出“实验流程污染风险评估—环境元素本底检测—应对措施”的流程控制地球化学实验中环境本底。

　　关键词：洁净实验室；地球化学；环境本底控制；风险评估

　　地球化学是以地球为主要研究对象，探究其储库和圈层间元素分布和同位素组成的学科，随着分析技术水平的进步，正在向高精度、高准确度的方向发展。在一些特殊的分析需求中，由于在自然界或人类活动导致相对较高的环境背景值，极易对目标元素和同位素的真实信息产生干扰，因此控制实验环境本底是地球化学实验技术发展中的面临的重要挑战。

　　空气洁净技术自20世纪初随军工和航天领域的需求诞生以来，已被广泛应用于微电子、医学、生物制药、食品、化学等行业[1]。为了有效控制实验环境本底，洁净实验室在地球化学，特别是元素同位素地球化学分析中得到了普遍应用，是该领域实验室必备的配套设施。

　　本文以铅同位素地球化学分析为例，评估实验流程中的本底污染风险，从环境本底控制的角度探讨洁净实验室的管理，以期对地球化学领域内其他实验室管理提供参考和启发。

　　1 地球化学洁净实验室特点

　　洁净工程行业得益于生物医药、电子等行业的大量需求在国内已发展成熟，并处于稳步上升阶段，截至2021年，中国洁净工程行业已形成超千亿的市场规模。不同于工业领域洁净室的大范围应用，由于学科发展的阶段性，高校和科研院所的地球化学领域洁净实验室在近10年得到重视并开展建设。通过调研，发现地球化学洁净实验室有以下特点。

　　(1)地球化学洁净室规模普遍较小，面积通常在几十至几百平方米，同时受原楼体工程设计的局限，难以达到洁净厂房的层高要求，因此工程设施需要特殊设计和非标制作。

　　(2)由于实验处理过程中常常用到大量腐蚀性无机酸，因此地球化学洁净实验室对工程物料有特殊要求，需尽量使用耐腐蚀的塑料材料或避免金属暴露在外以防锈蚀。

　　(3)地球化学洁净实验室是以满足元素同位素分析实验需求为导向，以控制环境元素本底为目的建造和运行的，这也决定了其不仅需要控制空气中悬浮尘埃粒子，还要在工程设计时考虑实验对工程物料、过滤材料等的特殊要求。

　　2 地球化学实验中的污染风险评估

　　地球化学实验中存在多方面因素导致的污染，对样品的真实信息产生不同程度的影响。例如20世纪50~60年代，地球化学家在地球年龄测定的研究中，发现石油工业对环境铅本底的巨大影响，间接推动了美国对含铅汽油的管控[2]。然而至今，环境铅本底对铅同位素地球化学分析中依然存在，一项对城市环境的研究显示，风尘、气溶胶、汽车污染物中的铅同位素组成与自然界样品中的铅同位素组成具有显著的差异，受人类活动影响较大的土壤样品中约50%的铅来自汽车尾气的贡献[3]。因此，通过空气洁净技术控制实验过程中的铅污染在铅同位素分析中尤为重要。

　　铅同位素在地球化学中的一项重要应用是准确测定地质年代，在地层对比、生物演化研究等方面具有重要意义。其中单颗粒锆石化学磨蚀定年法(以下简称“CA-ID-TIMS”)，作为目前国际上锆石U-Pb地质年代学精度最高的分析方法，因其分析粒径为μm级的单颗粒锆石，总铅含量仅为ng级，极易受到环境本底的干扰。在该研究领域中，实验室的铅本底控制是该分析方法的重要门槛。目前国内实验室全流程铅本底控制水平为2pg[4]，与国际一流实验室全流程本底0.1~0.3pg[5]相差1个数量级，这也是目前国内地质年代学实验室与国际领先水平尚存在较大差距的重要原因之一[6-7]，严重制约了中国在地质年代学领域的发展。本文以CA-ID-TIMS前处理实验为例，对实验流程中的本底污染风险进行评估，为实验本底的控制提供思路。

　　本文使用失效模式与影响分析方法(failure mode and effect analysis，FMEA)，其优点是关注系统中的每一个要素，尽可能完整地识别所有要素可能产生的所有失效模式，并对影响大的失效模式制定应对措施[8]。具体分析过程分为如下4个步骤。

　　(1)不同实验室建立的CA-ID-TIMS前处理实验流程略有差异，本文以文献[7]的实验流程为例，使用作业流程分析法[9]将实验流程按时间顺序分解成8个相对独立的“事件元”(表1)。

　　(2)提炼整理影响质量的5个要素“人、机、料、法、环”(即实验人员、使用设备、使用材料、实验方法和环境条件)在各事件元中对应的内容，形成CA-ID-TIMS前处理实验流程分析表(表1)。

　　(3)使用FMEA工具分析各事件元中可能的潜在失效模式、后果和原因，识别与失效原因对应的影响要素(表2)。

　　表1 CA-ID-TIMS前处理实验流程分析表

　　表2 CA-ID-TIMS前处理实验中的污染风险评估

　　(4)识别各要素在实验流程本底失效风险中的影响重要性占比(表3)。

　　表3 实验污染风险评估中各潜在失效原因对应要素统计

　　基于上述步骤对CA-ID-TIMS前处理实验流程进行污染风险评估，共识别出18个潜在失效模式和48个潜在失效原因及对应影响要素，其中环境要素占比最多，共20项，占总风险数的41.7%；“料”“人”“法”“机”分别占25.0%、14.6%、14.8%和4.2%(表3)。由此看出，环境条件是影响实验本底最广泛的要素，尤其是洁净实验室空气中悬浮尘埃粒子对实验可能带来的污染在各个实验阶段普遍存在，因此对洁净实验室的维护管理，特别是空气洁净度的控制至关重要。除此之外，各影响要素之间也可能存在相互关联，虽然不一定在尘埃粒子浓度上直接体现，但对实验环境本底可能造成的间接影响不容忽视，如一些仪器设备或物料在实验过程中向环境释放污染物，实验方法不完善、人员操作不规范导致污染物被带入环境和样品中等。

　　3 风险的判断

　　除使用FMEA方法进行风险识别外，后续在条件成熟的情况下，可引入风险优先等级(risk priority number，RPN)法对风险水平进行量化评估。RPN法的计算方式为将失效模式的严重度(S)、发生概率(O)和探测度(D)的量化评分数值相乘(RPN=S×O×D)，所得的RPN值作为风险水平的定量标准。风险评估团队可根据实验情况制定风险评价准则，如按照RPN值大小划分为可接受的风险、合理接受的中等风险和不可接受的重大风险，对风险水平做出科学判断。

　　此外，地球化学本底检测数据也可作为风险判断的依据。对实验流程使用的实验材料和期间采集空气尘埃粒子进行本底定量检测，可以帮助避免RPN法中存在的主观影响。然而，环境材料的采集和仪器检出限的限制是在本底检测中面临的两大难点，有待制定针对性的实验计划。

　　本文提出实验环境本底控制的流程如图1所示。首先确定实验对目标元素环境本底水平的控制要求，然后梳理实验流程并评估污染风险，最后将评估结果结合环境本底检测数据对风险水平进行判断，若可接受，则实验环境本底视为可控；若不接受，则需要根据识别出的潜在失效模式采取控制措施，并重新评估风险，直至评估结果为可接受为止。

　　图1 实验环境本底控制流程图

　　4 洁净实验室管理

　　针对潜在失效模式和原因制定风险控制措施是控制实验环境本底的重要手段。洁净实验室的管理作为控制实验环境的首要措施，应从质量建设的角度出发，将其纳入管理体系，形成实验室质量文化，鼓励实验室全员参与管理并完善监督机制，保证实验结果的有效性[10-11]。

　　洁净实验室的管理可分为两方面，一方面根据洁净室日常运行的通用要求进行标准化管理，另一方面根据特定的实验需求进行针对性管理。

　　4.1 标准化管理

　　根据《检测和校准实验室能力的通用要求(ISO/IEC17025:2017)》中对环境设施和条件的要求[12]，实验室应制定环境条件的监控与维护计划、人员行为规范等具体措施并形成文件，及时记录并定期审核，以便核对查找失效模式并及时发现可能的风险。

　　环境条件的监控是保证空气过滤系统正常运行的关键，根据ISO14644-1:2015[13]静态条件下洁净空间内悬浮尘埃粒子的最大允许数，将洁净度等级划分为1—9，国家标准推荐，当洁净室等级大于5级时，检测周期最长不应超过12个月[14]。实际运行中不同等级洁净区应严格管控、相互隔离，确保空气洁净度保持在设计等级范围内。

　　洁净实验室的压差和风速也对空气洁净度存在影响。实验人员应定期监测空调箱过滤器前后压差和房间静压差，在保证空气过滤器正常运行的基础上，通过调整风机频率和风阀角度将压差和风量控制在合理范围内，过大的风速可能会导致过滤效率降低和空气过滤器破损。当过滤器风阻增加到初阻力2倍时，即视为该过滤材料达到临界寿命[15]。

　　根据一段时间的参数监测，实验人员可根据实际情况制定空气过滤器更换方案，对空调箱机组等设施进行检修和保养。一些实验室在空气过滤器正常运行、参数监控均正常时，仍出现单位面积内尘埃粒子数较高的情况，这时应考虑由人员或物料带入的外部污染造成的影响。研究显示人员是洁净室污染最主要的来源之一，洁净室内约35%的尘埃粒子来自人员[14]，操作人员的产尘量与动作、着装等因素均有密切关系[16-17]。因此，实验室内部应对人员进出、行为规范、清洁卫生等进行严格管控。

　　4.2 针对性管理

　　在针对特定元素或同位素地球地球化学分析中，需考虑一些特殊物品对环境本底来源的贡献。例如，皮肤涂抹的物理防晒霜含有氧化锌颗粒，可能带来额外的环境锌本底；方铅矿等地质样品会带来极高的铅本底污染；玻璃烧杯等高硼硅玻璃器皿和洁净室广泛使用的玻璃纤维高效空气过滤器，可能将硼元素以硼砂或硼酸的形式释放至实验室环境中，从而带来额外的硼本底污染[18]等。因此在洁净室设计和运行中，实验人员需要根据地球化学研究方向，从实验流程和目的的角度，采取如隔离实验活动相互影响的区域、管控高本底物料的进入、提高参数监控和环境本底检测频率等措施对实验室进行针对性管理。

　　5 结语

　　在地球化学学科快速发展的背景下，基于悬浮尘埃粒子控制的空气洁净技术对样品含量低、环境本底高的元素同位素高精度分析提供了巨大的帮助，同时地球化学对控制环境元素本底的需求对也将大力促进空气洁净技术的发展，二者相互促进、相辅相成。目前，地球化学洁净室在整个洁净工程领域还处于通用技术水平阶段，将来随着地球化学分析需求的不断提升，洁净度优于5级的实验室将来也会逐渐运用到该领域中，这将对洁净工程企业的技术门槛提出新的要求，这一领域将吸引更多的技术优势型企业进入，对地球化学学科发展和空气洁净行业发展都将起到促进作用。

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　　作者：李百蝉，杨静宜，曹长群