最小称量值和天平称日常测试详解.docx
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最小称量值和天平称日常测试详解
1. 介绍
在制药实验室中，称量仅是药物开发和质量控制的整个分析链中的一个步骤；但它却对最终结果的整体质量和完整性有着重要影响。
此外在生产中，称量对获得批次的统一性和一致性（例如，在分装或配方过程中）具有决定性作用。
在食品行业，准确的称量过程对该行业的两个最严峻的挑战具有重要作用：
提高公众健康和消费者安全，以及提高生产力和竞争力。
其它行业（例如化工、香料或汽车工业）也普遍存在相同或类似的问题，此外，检测实验室以及研发外包和代加工的企业也出现此类问题。
在全球各地，准确称量对确保始终符合预设定的过程要求并避免频繁出现不合格结果（OOS）而言至关重要。
性能验证涵盖了仪器进行日常测试时的要求和风险。
不准确称量所造成的影响越大，并且称量准确度要求越严格，则需要进行的校准和用户测试越频繁。
但对于风险较小且要求较低的应用，测试工作可相应减少。
GWP®深入浅出地分析了普遍误解—特别是对测试程序的定义以及选择适当的砝码进行定期性能验证的误解。
根据科学原理，GWP®指导用户如何优化其日常测试程序以及如何避免进行不必要或甚至错误的测试。
风险和生命周期管理是GWP®称量规范的有机组成部分，可消除法规遵从、过程质量、生产力和成本意识之间的差异。
2. 超差结果及其影响
多年来，制药行业一直深受不合格结果的困扰，自1993年BarrLabs法院裁决后尤为严重[1]。
在该案例中，法院判决BarrLabs一方获胜，该实验室坚持认为OOS结果不一定会导致批次不合格，应查明是否存在诸如实验室错误等其他原因。
2006年10月，FDA对其有关如何处理OOS结果以及如何进行正确调查的指南进行了修订[2]。
自此，FDA已发出了大量483缺陷调查警告信。
最近一篇包含三个部分的有关OOS调查的
“超差。
这是令实验室忌惮的术语。
它使正常工作流程出现停滞不前、相互指责以及延迟现象。
”
由此看来，即使在该指南发表7年后以及Barr裁决过去20年后的今天，我们在这方面仍有大量工作要做。
此外，FDA在上述指南中还
“实验室错误应该是极少发生的。
经常发生的错误更可能是由于分析员培训不足、维护不当或设备未正确校准或工作粗心而导致。
”
在我们看到大量有关FDA483缺陷调查警告信后，罕见的实验室错误可能就不会像我们所希望的那么罕见了。
遗憾的是，由于没有公开数据显示所获得的每个OOS结果，因此存在
不只是制药行业面临上述问题。
食品行业也是如此，近几年食品安全和质量管理条例要求越来越严格。
GMO（基因改造生物）或纳米技术的开发给食品安全和质量带来了新的挑战；此外，国际供应和食品交易以及供给的增加，预计也会使这一趋势更加明显。
随着这些趋势的发展，以及国际和国家法律发生相应变化，标准和检查过程会进行定期修订。
近期一个影响行业的立法案例就是于2011年1月开始实施的《美国食品安全现代化法案》（FSMA）[4]。
该法案将联邦监管机构的工作重心由应对安全问题转为预防问题的出现。
该新法目前正在实施中，其中包括加强预防控制以及增加FDA强制性检查的频率。
尽管过去几乎所有FDA
483缺陷报告和警告信均针对制药以及医疗设备行业，但重点已明显转向食品行业。
3. 称量对过程质量的影响
称量是大多数实验室中的关键环节，但始终未得到足够的重视，其复杂性也经常被低估。
由于称量质量对最终结果质量的影响很大，美国药典（USP）特别要求在定量分析过程中应获取准确度较高的称量结果[5]。
“应利用准确称量或准确测量的分析物制备定量分析溶液[…]。
如果规定测量值应为‘准确测量’或‘准确称量’，则应遵守相应的通则：
容器<31>和天平<41>中的规定。
”
上述通则中的要求非常严格，而其它仪器通常不执行类似标准，最常见的情况是由分析开发团队制定方法要求。
与实验室相比，在生产环节中大部分情况下都低估了称量结果的重要性。
天平和秤被视为生产工具，受到卫生状况、防护等级、腐蚀、火灾或爆炸风险，操作人员的健康和安全，以及生产力等外界因素的影响。
在当前天平和秤的选择和操作标准中，相比其他计量要求，需更优先考虑所有这些因素。
因此，未能充分考虑计量标准。
通常情况下，生产环节中的操作人员资质等级低于实验室技术人员。
这将导致生产过程中的操作错误比实验室更加频繁。
因此，可以预料到生产过程中出现不合格结果的频率要高于实验室。
另一种做法是重新调配现有天平，把它们用于其他用途，而非其原有的应用。
在这种情况下也一样，原有天平的功能可能无法满足新应用中的计量要求。
生产中的不合格结果不仅预示质量可能存在风险，而且预示可能对消费者的健康和安全带来实际风险，可能违反贸易规则并给公司造成经济损失。
一旦某个过程中出现低质量产品，会增加原材料、人力和资产损耗。
产品必须重新加工或处置。
在许多情况下，发生错误可能会导致漫长且昂贵的召回行动，给品牌带来负面影响。
对于生产，没有类似于USP通则<41>的称量要求，并且尚未出台关于如何定义和验证准确结果的法规（例如：
ISO与GMP）。
因此，整个行业采用的法规参差不齐。
与制药GMP法规中所述相似，BRC、IFS、SQF或FSSC22000等食品管理条例也要求对仪器进行定期测试或校准。
例如，第6版食品安全BRC全球标准在6.3章中规定：
“企业应当确认并控制用于监控CCP[…]的测量设备。
应对所有已确认的设备（包括新设备）进行校验，必要时应根据风险评估，按预定的频率进行校准[…]。
应当对参比测量设备进行校准，并可溯源至认可的国家或国际标准。
”
一方面，必要时应对仪器进行校准，但另一方面，标准并未具体规定如何定义并验证准确结果。
在许多情况下，均采用“所见即所得”原则。
我们借此说明什么呢？
举个例子：
用户在工业地磅上称量某种产品，获得的读数为120000kg，用户相信这就是他所称量材料的真正数量。
但是，该读数可能并未准确反映所称量的数量，换言之，所称量的实际重量可能与显示值稍有不同。
这是由于所谓的称量不确定度造成的，我们稍后将对此进行详细介绍。
在这种误解之下，如果出现OOS，很少会有人质疑整个过程中秤是导致OOS的原因。
因此，OOS无法避免，并且无法保证不会再次出现。
4. 测量不确定度和最小称量值
4.1称量系统的测量不确定度
满足始终准确且可靠的称量要求的最新策略包括：
采用科学方法选择和测试仪器[6]。
这些方法也解释了在行业中普遍存在的称量误解。
“我想购买读数精度为0.1mg的分析天平，因为这是我的应用所需的精度。
”
在制定设计认证时，经常会听到类似这样的表述。
按照这一要求，用户可能会选择量程为200g且读数精度
为0.1mg的分析天平，因为用户认为该天平“精确度达到0.1mg。
”这是一种常见的误解，原因很简单：
仪器的读数精度不等于其称量准确度。
称量仪器技术参数中的几大可测量参数限制了其性能。
这些重要参数是重复性（RP）、偏载（EC）、非线性（NL）以及灵敏度（SE）（以图形方式显示在图1中，并且在相应的技术文献中进行详细说明）[7]。
这些特性如何影响性能，进而影响称量仪器的选择？
要回答这个问题，必须先讨论术语“测量不确定度”这一术语。
《测量不确定度表示指南》（GUM）[8]将不确定度定义为“测量结果与被测变量实际值之间合理的数值分散特性”。
称量不确定度（即称量物体时的不确定度）可通过天平或秤的技术参数（一般在进行设计认证时），以及仪器安装后通过称量仪器的校准（一般通过操作认证中的初始校准，之后通过性能认证过程中的定期校准）测算得出。
《非自动称量仪器国际准则》规定了称量不确定度评估的详细说明[9,10]。
相关校准证书中清楚地阐明了校准结果。
一般来说，称量仪器的测量不确定度是一条特殊斜线—天平或秤上的载荷越高，测量不确定度（绝对值）越大（如图2所示）。
图2.测量不确定度。
称量仪器的绝对（绿线）和相对（蓝线）测量不确定度。
天平的准确度限值称为最小称量值，是相对测量不确定度与所需的称量准确度的交叉点。
相对测量不确定度是绝对测量不确定度除以载荷值，通常以百分比表示，从图中可以明显看出，载荷越小，相对测量不确定度就越大。
如果在天平测量范围的低量程段进行称量，相对不确定度将会变得相当高，以至于无法再信任称量结果。
4.2最小样品重量的概念
正确的做法是确定各称量过程的准确度（允差）要求，即，应用和法规要求的目标称量值的最大允许偏差。
如图2所示，红色区中的称量会产生不正确的称量值，因为该区的仪器测量不确定度大于称量过程所需的准确度。
因此，每种称量仪器均由一个特定的准确度限值—所谓的最小样品重量，或简称最小称量值，并且必须称量不少于该数量的物质才能获得符合特定称量准确度要求的不确定度。
根据该定义，可按以下方式计算最小称量值：
mmin=Uabs（mmin）/Areq=（α+β·mmin）/Areq
其中Areq表示所需称量准确度（以百分比表示）。
因此，根据以下方式获得最小称量值
mmin=α/（Areq-β）
我们想强调的是，在分析天平和微量天平上称量小载荷时，重复性是称量不确定度的决定性因素（以一系列称量的标准偏差来表示）。
对于实验室应用中，与天平量程相比，天平上的称量的最小样品量非常小，可通过α 估算最小称量值的绝对不确定度。
此外，α仅由因重复性造成的不确定度因素构成（以定义的重复称量次数的标准偏差sRP乘以扩展系数k表示）。
因此，这些应用的最小称量值可通过以下方式获得：
mmin≈α/Areq≈（k/Areq）·sRP
扩展因子通常选2。
该扩展因子还专门应用于修订版USP通则<41>中的重复性评估，其目的是使通则的要求与（例如校准证书中的）当前计量规范保持一致性。
在该规则中，对重复性要求的定义如下：
“假如两倍的称量值的标准偏差除以期望的最小净重量不超过0.10%，则重复性符合要求[11]。
”
因此，根据该标准，可通过以下方式获得相应的最小称量值：
mmin=（k/Areq）·sRP=（2/0.1%）·sRP=2000·sRP
在修订版USP通则<1251>中，上述最小称量值的概念首次被正式纳入制药纲要中[12]。
必须说明，该通则不仅提供了定量分析中所使用的天平信息（USP通则<41>的范围），还介绍了所有分析程序中使用的天平。
需要注意的是：
由于天平示值的四舍五入（即化整），标准偏差的下限通常表示为0.29d，其中d为称量仪器的分度值。
该限值以化整前假设测量结果呈现矩形分布为基础。
由于每个称量值由两个相互独立的读数构成（毛重和皮重），称量标准偏差的下限表示为smin=√2·0.29d=0.41d。
因此，称量仪器的可读性还显示相应称量准确度要求的最小称量值下限。
国际非自动称量系统校准准则[9,10]和修订后的USP通则<41>[11]也考量了这一科学事实。
4.3天平参数与称量不确定度的关系
如图3所示，称量不确定度的表现特性更加明显，图中显示了导致量程为200g分析天平的称量不确定度的各个因素（重复性、偏载、非线性和灵敏度）。
可根据样品质量将不确定度分为三个独特的区域：
1. 区域1 的样品质量小于拐点下限质量（即不确定度主要受重复性因素影响的最大样品质量）。
在该具体示例中，样品质量大约为10g，在图3中以红色标示。
此区域中，由于重复性受总载荷（如果有的话）的影响极小，因此相对不确定度与样品质量成反比。
2. 区域2 的样品质量大于拐点上限质量（即不确定度主要受灵敏度偏置和偏载因素影响的最小样品质量）。
在该具体示例中，该数值约为100g，在图3以绿色标示。
此区域中，相对不确定度不受样品载荷的影响；因此，合起来的相对不确定度基本上仍保持不变。
3. 区域3 是过渡区，样品质量在拐点质量下限和上限之间，相对不确定度由反比变为常量。
此外，对于大部分实验室天平而言，由于非线性在整个样品质量范围内对相对不确定度的影响小于其它因素，因此对相对不确定度几乎不起作用。
秤所遵循的原理与天平一样，但其所使用的技术会产生一些额外的限制。
大多数秤都采用分辨率比天平低的应变片式称重传感器。
某些情况下，化整误差可能是主要原因，但对于分辨率较高的秤来说，重复性也是仪器在小量程段中测量不确定度的决定性因素，即计算出的标准偏差通常大于0.41d。
线性偏差通常也被认为是一大因素，但是在称量小样品时，通常会被忽略。
鉴于在称量较大样品时相对测量不确定度逐渐变小，我们可以推断，非线性在将仪器的测量不确定度保持低于规定工艺允差中仅起到很小的作用。
我们需要重点关注重复性，以规定高精度工业秤的临界限值，实验室天平也是如此。
4.4安全因子的概念
必须说明，天平和秤的最小称量值并非始终不变。
这是因为不断变化的环境状况会影响仪器的性能，比如振动、通风、磨损或温度变化等。
操作员本身也会导致最小称量值发生变化，因为不同人员的称量方式可能不同，或对仪器的操作技能水平有所不同。
为了确保始终按高于校准（在特定时间由获得授权的合格人员在特定环境状况下执行）时确定的最小称量值进行称量，强烈建议采用安全系数。
安全系数使您的称量一直位于校准时确定的最小称量值之上。
对于标准称量过程，通常使用安全系数2，前提是具有适当稳定的环境条件和经培训的操作人员。
对于极为关键的应用或不稳定的环境，建议使用更高的安全系数。
安全系数的概念如图4所示。
此外，修订版USP通则<1251>也对安全系数进行了明确的阐述：
“在天平使用过程中影响重复性的因素包括：
1.天平性能和最小称量值随着环境变化而改变。
2.不同操作员的称量方式可能有所不同，即不同操作员测定的最小称量值可能不同。
3.一定次数重复称量的标准偏差只是对未知的实际标准偏差的估测。
4.使用测试砝码测定最小称量值并不能完全代表称量应用。
5.由于环境会对去皮容器产生作用，去皮容器可能也会影响最小称量值。
因此，如果可能的话，应在数值大于最小称量值的情况下进行称量。
”
在校准证书中，计算准确度要求比称量流程规定更严格的最小称量值时，通常会考虑采用安全系数（例如，称量准确度要求为1%的最小称量值，采用安全系数2进行计算，其准确度为0.5%而非1%）。
根据第4.2章提出的概念，最小称量值通过以下方式得出：
mmin=α·SF/（Areq-β·SF）
Areq表示所需的称量准确度，α和β为绝对测量不确定度等式的两个参数，SF为所使用的安全系数。
4.5关于最小称量值的常见误解
最后，我们想指出行业中普遍存在的一个主要误解：
许多企业错误地认为，是否可以加上去皮容器的重量以符合最小称量值的要求。
换而言之，这些企业认为如果去皮容器的重量大于最小称量值，则可以添加任何重量的物质，而最小称量值要求也会自动满足。
这将意味着，您甚至可以使用足够大的去皮容器在量程为3吨的工业地磅上称量一克的物质，并仍能够获得要求的过程准确度。
由于称量示值的化整误差是仪器的最低不确定度限值，因此，显然无论在任何去皮容器中称量如此小的物质都不会获得满意的准确度结果。
这个极端例子表明，这种普遍理解是错误的。
同样，假如在一个去皮容器中称量不止一个样品（例如，作为配方过程的一部分），每一个样品均必须符合最小称量值要求。
修订版USP通则<1251>中也阐述了这一误解：
“在称量样品时，为了满足规定的称量允差，样品质量（即净重）必须等于或大于最小称量值。
最小重量是指样品净重量，而不是皮重或毛重。
”
最近，我们遇到的另一个误解是关于最小称量值约100千克磅秤的分装应用和所测量的最小称量值。
该公司称，他们每次分装20千克的物质，然而为了遵照最小称量值要求，往往会在容器中留下超过100千克的物质。
该公司不明白，为了符合自己的准确度度要求，他们需要称量至少100千克（而不是20千克）的物质。
简而言之，不论是称量前或称量后，在配方、分装和类似应用过程中，每一个组件都必须符合最小称量值要求。
为了强调必须考虑样品净重，皮重与是否符合最小称量值标准无关，最小称量值通常指最小样品净重量。
5. 称量仪器的日常测试
“应定期[⋯]依照国际和/或国内可追溯的测量标准对测量设备进行校准或验证。
”
——ISO9001:
2008，7.6控制监视和测量设备
“应当设计适用于评估设备性能的书面计划，定期校准、检测或检查自动、机械或电子设备[⋯]。
”
——21CFRPart211.68（a）,USGMPforPharma
“需记录并执行用于监测食品安全计划和食品质量计划相关的方案，以及其它过程控制[⋯]中所列的测量、测试工作，及设备校准和重新校准的方法和责任。
”
——SQF2000指南—6.4.1.1章“关键设备校准的方法和责任”
以上这些条例规定了用户将对设备的正确运行负责。
它同样适用于称量仪器。
此类条例由于只是一般指南，表述通常很模糊。
因此，并不适用于日常实际操作。
当需要在指南的引导下设计既不过于复杂（否则将会耗费成本与时间），又不过于松散（否则将不足以确保始终准确的结果）的标准操作程序，确保仪器正确运行，而不会出现类似于“应多长时间测试一次称量仪器”之类的问题。
性能认证中推荐的称量仪器的测试程序如下：
1. 授权人员现场校准（包括正常使用条件下的称量不确定度和最小称量值测定），旨在通过测试仪器的所有相关称量参数来评估仪器的整体性能（通过校准证书向用户明确说明）。
在仪器安装完成并对必要的功能进行测试后，对仪器进行初始校准也是操作认证过程中的一个重要步骤。
通常的做法是进行实际校准（维护/校准仪器前）和纠正校准（维护/校准仪器后）。
在这种情况下，实际校准可确保维护前称量结果的可追溯性，请见图4。
请注意：
所有行业都必须使用已校准的仪器进行质量相关的测量（ISO9001、GxP、USP⋯⋯）。
在其工作范围内校准仪器确保仪器可用于预期用途，条件是满足特定应用的预设的称量允差要求。
可通过校准结果（例如，如前所述，测定最小称量值）来评估是否达到这些要求。
需要说明的是，在称量不确定度报告中，称量仪器的零点为常规的校准点（主要包括由读数的化整误差和重复性标准偏差导致的不确定度）。
因此，仪器从零点开始校准，其它校准点没有特别要求，只需接近工作点，但校准点要涵盖仪器操作范围内所称物品的质量。
该规定也适用于称量非常小的物质（与设备容量相比），工作点介于零点和下一个的常规校准点之间，已被涵盖到。
2. 用户现场进行的称重系统日常测试；只评估那些对天平或秤的性能影响最大的称量参数；其目的是确定仪器是否符合应用要求。
3. 使用内置参考砝码进行自动测试或校准（如果适用）；FDA指南[13]中指出，其目的是减少的人工测试操作频率。
5.1测试频率
以下列事项为基础，设定日常测试程序和相应的频率：
i. 应用所需的称量准确度。
ii. 称量仪器不符合过程特定的称量要求时，所产生的不合格结果（例如，对公司、消费者或环境）的影响。
iii.故障的可检测性。
假设称量过程的准确度要求越严格，称量结果不符合准确度要求的可能性越大。
在这种情况下，需要增加测试频率。
同样，如果影响加重，则测试应更加频繁。
这样，可通过更频繁的测试消除加重的影响，从而降低产生影响的可能性，消除可能提高的风险—请参见图5。
如果称量仪器的故障容易被探查，则可降低测试的频率。
仪器所有属性的测试频率可从风险由高到低，进行每日测试（用户或自动测试），延长到每周、每月、每季度、一年两次直至每年一次（例如，由授权人员进行校准）。
修订版USP通则<1251>中也描述了这种基于风险的测试方法，在以下描述中可找到性能认证过程中的测试建议：
“根据应用的风险和所需的称量过程允差，可以忽略以下[本章表格中]某些测试。
当有证据证明相关属性只会对称量性能产生非常小的影响时，也可忽略该测试。
[...]应当按照标准操作程序（SOP）中的说明定期进行性能认证，每次单独测试的频率可因属性重要性的不同而变。
”
有关天平测试（主要使用单个砝码测试灵敏度），USP通则<1251>也进行了类似的表述：
“根据适用的标准操作规程按适当的时间间隔进行天平测试。
天平测试的频率取决于应用风险和所需的称量允差。
”
令人不解的是，USP并没有对称量仪器的日常测试进行
使用实验室天平进行称量（尤其用于定量分析）的大部分样品都属于“小样品”（即，净重比称量仪器的量程小很多，比如只是量程的百分之几的样品）。
在探讨相对不确定度与样品质量的关系时，已经指出，在称量小样品时（图3），称量不确定度受重复性误差影响。
这也适用于在生产应用中称量小样品（与所使用的秤的量程相比较小），尤其是使用精密天平和高精度秤进行称量。
因此，对于大多数称量过程而言，重复性是影响不确定度的最重要因素。
这也是很多人觉得需要最频繁的测试重复性的理由，即使该测试包括多次重复称量同一个测试砝码（实验室应用通常为10次，生产环节应用最多6次），因此正确进行该测试的工作量大并需要娴熟的技巧。
灵敏度测试只需对测试砝码进行一次称量，工作量当然比较少。
而且，灵敏度测试会体现仪器存在的任何严重问题，或者测试结果是否有偏差；简言之，可将该测试当做是称量仪器功能的基本测试。
虽然目前灵敏度可能并不是称量仪器最重要的参数，但基于上述理由，我们仍认为测试频率最高的应该是灵敏度，其次是重复性。
再次回到图3及其说明，我们可以看到，偏载只影响质量达到天平满量程一定比例（例如，超过30%）的样品的称量。
而且称量时，将容器和样品放在秤台中央或至少与皮重和毛重相同的位置时，偏载的影响最小。
这就是为什么偏载的测试频率少于重复性或灵敏度的原因。
在要求较低的应用中，由于授权人员在校准称量仪器时也对偏载误差进行评估，因此无需再次测试。
在要求非常低的应用中，尤其是当样品重量远大于其称量仪器的最小称量值时，甚至可以忽略重复性测试。
不建议用户进行非线性测试，因为它对称量不确定度的影响很小，对任何型号的称量仪器的影响都微乎其微；而且，授权人员在对称量仪器进行校准时也会对其进行评估。
5.2测试砝码
进行用户测试时，建议使用两个测试砝码：
i） 质量最好等于称量仪器量程的大砝码。
建议使用根据OIML或ASTM级别并且可获取的质量小于或等于称量仪器标称量程的单个砝码，如标称量程为220g的天平可使用单个200gOIML砝码。
对于操作砝码比较困难的重型秤，测试砝码可考虑不遵照该规则，即不需接近秤的量程，但其质量仍需符合特定比例（比如量程的三分之一）。
ii） 质量最好等于或为称量仪器量程的百分之几的小砝码。
建议使用根据OIML或ASTM级别并且可获取的质量小于或等于称量仪器标称量程的5%以下单个砝码，如标称量程为220g的天平可使用单个10g
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