1.  介紹

 

     在制藥實驗室中，稱量僅是藥物開發和質量控制的整個分析鏈中的一個步驟；但它卻對最終結果的整體質量和完整性有著重要影響。此外在生產中，稱量對獲得批次的統一性和一致性（例如，在分裝或配方過程中）具有決定性作用。在食品行業，準確的稱量過程對該行業的兩個最嚴峻的挑戰具有重要作用：提高公眾健康和消費者安全，以及提高生產力和競爭力。其它行業（例如化工、香料或汽車工業）也普遍存在相同或類似的問題，此外，檢測實驗室以及研發外包和代加工的企業也出現此類問題。在全球各地，準確稱量對確保始終符合預設定的過程要求并避免頻繁出現不合格結果 (OOS) 而言至關重要。 

 

      本文將介紹的 GWP®是一種基于科學的、高效的、全球性的稱量系統生命周期管理標準。它包括，評估各稱量過程要求來選擇合適的稱量系統，并為用戶提供在設備生命周期內進行校準和測試的科學指南。它主要根據用戶的稱量要求和普遍存在的稱量風險，提供最先進的策略以減少稱量誤差并確保獲得可再現的準確稱量結果。了解特定流程的稱量要求，以及最小稱量值等重要的天平和秤的特性，對于在設計驗證框架內選擇合適的稱量系統而言至關重要。

 

     性能驗證涵蓋了儀器進行日常測試時的要求和風險。不準確稱量所造成的影響越大，并且稱量準確度要求越嚴格，則需要進行的校準和用戶測試越頻繁。但對于風險較小且要求較低的應用，測試工作可相應減少。GWP®深入淺出地分析了普遍誤解 — 特別是對測試程序的定義以及選擇適當的砝碼進行定期性能驗證的誤解。根據科學原理，GWP®指導用戶如何優化其日常測試程序以及如何避免進行不必要或甚至錯誤的測試。風險和生命周期管理是 GWP®稱量規范的有機組成部分，可消除法規遵從、過程質量、生產力和成本意識之間的差異。

 

2.  超差結果及其影響

 

     多年來，制藥行業一直深受不合格結果的困擾，自 1993 年 Barr Labs 法院裁決后尤為嚴重 [1]。在該案例中，法院判決 Barr Labs 一方獲勝，該實驗室堅持認為 OOS 結果不一定會導致批次不合格，應查明是否存在諸如實驗室錯誤等其他原因。2006 年 10 月，FDA 對其有關如何處理 OOS 結果以及如何進行正確調查的指南進行了修訂 [2]。自此，FDA 已發出了大量 483 缺陷調查警告信。

 

最近一篇包含三個部分的有關 OOS 調查的文章 [3] 開頭提到：

“超差。這是令實驗室忌憚的術語。它使正常工作流程出現停滯不前、相互指責以及延遲現象。”

由此看來，即使在該指南發表 7 年后以及 Barr 裁決過去 20 年后的今天，我們在這方面仍有大量工作要做。

 

此外，FDA 在上述指南中還聲明：

“實驗室錯誤應該是極少發生的。經常發生的錯誤更可能是由于分析員培訓不足、維護不當或設備未正確校準或工作粗心而導致。”

 

     在我們看到大量有關 FDA 483 缺陷調查警告信后，罕見的實驗室錯誤可能就不會像我們所希望的那么罕見了。遺憾的是，由于沒有公開數據顯示所獲得的每個 OOS 結果，因此存在更多沒有導致 OOS 結果的小錯誤。這些錯誤可能被歸為“備注”，或只是簡單地在實驗室記事本上記錄為錯誤。即使這些錯誤可能預示分析方法或過程將出現更嚴重的問題，許多企業也不會對其進行調查。應強調，OOS 也可能導致因調查引起的正常運行時間減少、批次釋放延遲，或甚至可能導致成本昂貴的召回事件，這將對公司的效率和生產力產生負面影響，并可能會影響其聲譽。

 

    不只是制藥行業面臨上述問題。食品行業也是如此，近幾年食品安全和質量管理條例要求越來越嚴格。GMO（基因改造生物）或納米技術的開發給食品安全和質量帶來了新的挑戰；此外，國際供應和食品交易以及供給的增加，預計也會使這一趨勢更加明顯。隨著這些趨勢的發展，以及國際和國家法律發生相應變化，標準和檢查過程會進行定期修訂。近期一個影響行業的立法案例就是于 2011 年 1 月開始實施的《美國食品安全現代化法案》(FSMA) [4]。該法案將聯邦監管機構的工作重心由應對安全問題轉為預防問題的出現。該新法目前正在實施中，其中包括加強預防控制以及增加 FDA 強制性檢查的頻率。盡管過去幾乎所有 FDA

483 缺陷報告和警告信均針對制藥以及醫療設備行業，但重點已明顯轉向食品行業。

 

3.  稱量對過程質量的影響

 

    稱量是大多數實驗室中的關鍵環節，但始終未得到足夠的重視，其復雜性也經常被低估。由于稱量質量對最終結果質量的影響很大，美國藥典 (USP) 特別要求在定量分析過程中應獲取準確度較高的稱量結果 [5]。

 

“應利用準確稱量或準確測量的分析物制備定量分析溶液 […]。如果規定測量值應為‘準確測量’ 或‘準確稱量’，則應遵守相應的通則：容器 <31> 和天平 <41> 中的規定。”

 

上述通則中的要求非常嚴格，而其它儀器通常不執行類似標準，最常見的情況是由分析開發團隊制定方法要求。

 

與實驗室相比，在生產環節中大部分情況下都低估了稱量結果的重要性。天平和秤被視為生產工具，受到衛生狀況、防護等級、腐蝕、火災或爆炸風險，操作人員的健康和安全，以及生產力等外界因素的影響。在當前天平和秤的選擇和操作標準中，相比其他計量要求，需更優先考慮所有這些因素。因此，未能充分考慮計量標準。

 

通常情況下，生產環節中的操作人員資質等級低于實驗室技術人員。這將導致生產過程中的操作錯誤比實驗室更加頻繁。因此，可以預料到生產過程中出現不合格結果的頻率要高于實驗室。

 

另一種做法是重新調配現有天平，把它們用于其他用途，而非其原有的應用。在這種情況下也一樣，原有天平的功能可能無法滿足新應用中的計量要求。

 

生產中的不合格結果不僅預示質量可能存在風險，而且預示可能對消費者的健康和安全帶來實際風險，可能違反貿易規則并給公司造成經濟損失。一旦某個過程中出現低質量產品，會增加原材料、人力和資產損耗。

 

產品必須重新加工或處置。在許多情況下，發生錯誤可能會導致漫長且昂貴的召回行動，給品牌帶來負面影響。

 

對于生產，沒有類似于 USP 通則 <41> 的稱量要求，并且尚未出臺關于如何定義和驗證準確結果的法規（例如：ISO 與 GMP）。因此，整個行業采用的法規參差不齊。

 

與制藥 GMP 法規中所述相似， BRC、 IFS、 SQF 或 FSSC22000 等食品管理條例也要求對儀器進行定期測試或校準。例如，第 6 版食品安全 BRC 全球標準在 6.3 章中規定：

 

“企業應當確認并控制用于監控 CCP[…] 的測量設備。

 

應對所有已確認的設備（包括新設備）進行校驗，必要時應根據風險評估，按預定的頻率進行校準 […]。應當對參比測量設備進行校準，并可溯源至認可的國家或國際標準。”

 

一方面，必要時應對儀器進行校準，但另一方面，標準并未具體規定如何定義并驗證準確結果。在許多情況下，均采用“所見即所得”原則。我們借此說明什么呢？舉個例子：用戶在工業地磅上稱量某種產品，獲得的讀數為 120000 kg，用戶相信這就是他所稱量材料的真正數量。但是，該讀數可能并未準確反映所稱量的數量，換言之，所稱量的實際重量可能與顯示值稍有不同。這是由于所謂的稱量不確定度造成的，我們稍后將對此進行詳細介紹。

 

在這種誤解之下，如果出現 OOS，很少會有人質疑整個過程中秤是導致 OOS 的原因。因此，OOS 無法避免，并且無法保證不會再次出現。

 

 

4.測量不確定度和最小稱量值

 

4.1 稱量系統的測量不確定度

 

滿足始終準確且可靠的稱量要求的最新策略包括：采用科學方法選擇和測試儀器 [6]。這些方法也解釋了在行業中普遍存在的稱量誤解。

 

“我想購買讀數精度為 0.1 mg 的分析天平，因為這是我的應用所需的精度。”

 

在制定設計確認時，經常會聽到類似這樣的表述。按照這一要求，用戶可能會選擇量程為 200 g 且讀數精度為0.1 mg 的分析天平，因為用戶認為該天平“精確度達到 0.1 mg。”這是一種常見的誤解，原因很簡單：儀器的讀數精度不等于其稱量準確度。

 

稱量儀器技術參數中的幾大可測量參數限制了其性能。這些重要參數是重復性 (RP)、偏載 (EC)、非線性 (NL) 以及靈敏度 (SE)（以圖形方式顯示在圖 1 中，并且在相應的技術文獻中進行詳細說明）[7]。這些特性如何影響性能，進而影響稱量儀器的選擇？

 

 

要回答這個問題，必須先討論術語“測量不確定度”這一術語。《測量不確定度表示指南》(GUM) [8] 將不確定度定義為“測量結果與被測變量實際值之間合理的數值分散特性”。

 

稱量不確定度（即稱量物體時的不確定度）可通過天平或秤的技術參數（一般在進行設計確認時），以及儀器安裝后通過稱量儀器的校準（一般通過運行確認中的初始校準，之后通過性能確認過程中的定期校準）測算得出。《非自動稱量儀器國際準則》規定了稱量不確定度評估的詳細說明 [9, 10]。相關校準證書中清楚地闡明了校準結果。

 

一般來說，稱量儀器的測量不確定度是一條特殊斜線 — 天平或秤上的載荷越高，測量不確定度（絕對值）越大（如圖 2 所示）。

 

圖2. 測量不確定度。稱量儀器的絕對（綠線）和相對（藍線）測量不確定度。天平的準確度限值稱為最小稱量值，是相對測量不確定度與所需的稱量準確度的交叉點。

 

相對測量不確定度是絕對測量不確定度除以載荷值，通常以百分比表示，從圖中可以明顯看出，載荷越小，相對測量不確定度就越大。如果在天平測量范圍的低量程段進行稱量，相對不確定度將會變得相當高，以至于無法再信任稱量結果。

 

4.2 最小樣品重量的概念

 

正確的做法是確定各稱量過程的準確度（允差）要求，即，應用和法規要求的目標稱量值的最大允許偏差。如圖2 所示，紅色區中的稱量會產生不正確的稱量值，因為該區的儀器測量不確定度大于稱量過程所需的準確度。因此，每種稱量儀器均由一個特定的準確度限值 — 所謂的最小樣品重量，或簡稱最小稱量值，并且必須稱量不少于該數量的物質才能獲得符合特定稱量準確度要求的不確定度。

 

根據該定義，可按以下方式計算最小稱量值：

mmin= Uabs (mmin ) / Areq= (α + β · mmin) / Areq

其中 Areq表示所需稱量準確度（以百分比表示）。因此，根據以下方式獲得最小稱量值

mmin= α / (Areq-β)

 

我們想強調的是，在分析天平和微量天平上稱量小載荷時，重復性是稱量不確定度的決定性因素（以一系列稱量的標準偏差來表示）。對于實驗室應用中，與天平量程相比，天平上的稱量的最小樣品量非常小，可通過α?估算最小稱量值的絕對不確定度。此外，α 僅由因重復性造成的不確定度因素構成（以定義的重復稱量次數的標準偏差 sRP乘以擴展系數 k 表示）。因此，這些應用的最小稱量值可通過以下方式獲得：

mmin ≈ α / Areq ≈ (k/Areq) · sRP

 

擴展因子通常選 2。該擴展因子還專門應用于修訂版 USP 通則 <41> 中的重復性評估，其目的是使通則的要求與（例如校準證書中的）當前計量規范保持一致性。在該規則中，對重復性要求的定義如下：

“假如兩倍的稱量值的標準偏差除以期望的最小凈重量不超過 0.10%，則重復性符合要求 [11]。”

 

因此，根據該標準，可通過以下方式獲得相應的最小稱量值：

mmin= (k/Areq)·sRP= (2/0.1%) · sRP= 2000 · sRP

 

在修訂版 USP 通則<1251> 中，上述最小稱量值的概念首次被正式納入制藥綱要中 [12]。必須說明，該通則不僅提供了定量分析中所使用的天平信息（USP 通則<41> 的范圍），還介紹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），標準偏差的下限通常表示為 0.29d，其中 d 為稱量儀器的分度值。該限值以化整前假設測量結果呈現矩形分布為基礎。由于每個稱量值由兩個相互獨立的讀數構成（毛重和皮重），稱量標準偏差的下限表示為 smin= √2·0.29d = 0.41d。因此，稱量儀器的可讀性還顯示相應稱量準確度要求的最小稱量值下限。國際非自動稱量系統校準準則 [9, 10] 和修訂后的 USP 通則<41> [11] 也考量了這一科學事實。

 

4.3 天平參數與稱量不確定度的關系

 

如圖 3 所示，稱量不確定度的表現特性更加明顯，圖中顯示了導致量程為 200 g 分析天平的稱量不確定度的各個因素（重復性、偏載、非線性和靈敏度）。可根據樣品質量將不確定度分為三個獨特的區域：

 

1. 區域 1 的樣品質量小于拐點下限質量（即不確定度主要受重復性因素影響的最大樣品質量）。在該具體示例中，樣品質量大約為 10 g，在圖 3 中以紅色標示。此區域中，由于重復性受總載荷（如果有的話）的影響極小，因此相對不確定度與樣品質量成反比。

 

2. 區域 2 的樣品質量大于拐點上限質量（即不確定度主要受靈敏度偏置和偏載因素影響的最小樣品質量）。在該具體示例中，該數值約為 100 g，在圖 3 以綠色標示。此區域中，相對不確定度不受樣品載荷的影響；因此，合起來的相對不確定度基本上仍保持不變。

 

3. 區域 3 是過渡區，樣品質量在拐點質量下限和上限之間，相對不確定度由反比變為常量。

 

此外，對于大部分實驗室天平而言，由于非線性在整個樣品質量范圍內對相對不確定度的影響小于其它因素，因此對相對不確定度幾乎不起作用。

 

秤所遵循的原理與天平一樣，但其所使用的技術會產生一些額外的限制。大多數秤都采用分辨率比天平低的應變片式稱重傳感器。某些情況下，化整誤差可能是主要原因，但對于分辨率較高的秤來說，重復性也是儀器在小量程段中測量不確定度的決定性因素，即計算出的標準偏差通常大于 0.41d。

 

線性偏差通常也被認為是一大因素，但是在稱量小樣品時，通常會被忽略。鑒于在稱量較大樣品時相對測量不確定度逐漸變小，我們可以推斷，非線性在將儀器的測量不確定度保持低于規定工藝允差中僅起到很小的作用。我們需要重點關注重復性，以規定高精度工業秤的臨界限值，實驗室天平也是如此。

 

4.4 安全因子的概念

 

必須說明，天平和秤的最小稱量值并非始終不變。這是因為不斷變化的環境狀況會影響儀器的性能，比如振動、通風、磨損或溫度變化等。操作員本身也會導致最小稱量值發生變化，因為不同人員的稱量方式可能不同，或對儀器的操作技能水平有所不同。為了確保始終按高于校準（在特定時間由獲得授權的合格人員在特定環境狀況下執行）時確定的最小稱量值進行稱量，強烈建議采用安全系數。安全系數使您的稱量一直位于校準時確定的最小稱量值之上。對于標準稱量過程，通常使用安全系數 2，前提是具有適當穩定的環境條件和經培訓的操作人員。對于極為關鍵的應用或不穩定的環境，建議使用更高的安全系數。安全系數的概念如圖 4 所示。

 

此外，修訂版 USP 通則 <1251> 也對安全系數進行了明確的闡述：

 

“在天平使用過程中影響重復性的因素包括：

1. 天平性能和最小稱量值隨著環境變化而改變。

2. 不同操作員的稱量方式可能有所不同，即不同操作員測定的最小稱量值可能不同。

3. 一定次數重復稱量的標準偏差只是對未知的實際標準偏差的估測。

4. 使用測試砝碼測定最小稱量值并不能完全代表稱量應用。

5. 由于環境會對去皮容器產生作用，去皮容器可能也會影響最小稱量值。

 

因此，如果可能的話，應在數值大于最小稱量值的情況下進行稱量。”

 

在校準證書中，計算準確度要求比稱量流程規定更嚴格的最小稱量值時，通常會考慮采用安全系數（例如，稱量準確度要求為 1% 的最小稱量值，采用安全系數 2 進行計算，其準確度為 0.5% 而非 1%）。根據第 4.2 章提出的概念，最小稱量值通過以下方式得出：

mmin= α · SF/ (Areq - β · SF)

Areq表示所需的稱量準確度，α 和 β 為絕對測量不確定度等式的兩個參數，SF 為所使用的安全系數。

 

4.5 關于最小稱量值的常見誤解

 

最后，我們想指出行業中普遍存在的一個主要誤解：許多企業錯誤地認為，是否可以加上去皮容器的重量以符合最小稱量值的要求。換而言之，這些企業認為如果去皮容器的重量大于最小稱量值，則可以添加任何重量的物質，而最小稱量值要求也會自動滿足。這將意味著，您甚至可以使用足夠大的去皮容器在量程為 3 噸的工業地磅上稱量一克的物質，并仍能夠獲得要求的過程準確度。由于稱量示值的化整誤差是儀器的最低不確定度限值，因此，顯然無論在任何去皮容器中稱量如此小的物質都不會獲得滿意的準確度結果。這個極端例子表明，這種普遍理解是錯誤的。同樣，假如在一個去皮容器中稱量不止一個樣品（例如，作為配方過程的一部分），每一個樣品均必須符合最小稱量值要求。

 

修訂版 USP 通則 <1251> 中也闡述了這一誤解：

“在稱量樣品時，為了滿足規定的稱量允差，樣品質量（即凈重）必須等于或大于最小稱量值。最小重量是指樣品凈重量，而不是皮重或毛重。”

 

最近，我們遇到的另一個誤解是關于最小稱量值約 100 千克磅秤的分裝應用和所測量的最小稱量值。該公司稱，他們每次分裝 20 千克的物質，然而為了遵照最小稱量值要求，往往會在容器中留下超過 100 千克的物質。該公司不明白，為了符合自己的準確度度要求，他們需要稱量至少 100 千克（而不是 20 千克）的物質。

 

簡而言之，不論是稱量前或稱量后，在配方、分裝和類似應用過程中，每一個組件都必須符合最小稱量值要求。為了強調必須考慮樣品凈重，皮重與是否符合最小稱量值標準無關，最小稱量值通常指最小樣品凈重量。

 

5.   稱量儀器的日常測試

 

“應定期 [?] 依照國際和/或國內可追溯的測量標準對測量設備進行校準或驗證。”

 

——ISO9001:2008，7.6 控制監視和測量設備

 

“應當設計適用于評估設備性能的書面計劃，定期校準、檢測或檢查自動、機械或電子設備[?]。”

 

——21 CFR Part 211.68 (a), US GMP for Pharma

 

“需記錄并執行用于監測食品安全計劃和食品質量計劃相關的方案，以及其它過程控制[?] 中所列的測量、測試工作，及設備校準和重新校準的方法和責任。”

 

——SQF 2000 指南 — 6.4.1.1 章“關鍵設備校準的方法和責任”

 

以上這些條例規定了用戶將對設備的正確運行負責。它同樣適用于稱量儀器。此類條例由于只是一般指南，表述通常很模糊。因此，并不適用于日常實際操作。當需要在指南的引導下設計既不過于復雜（否則將會耗費成本與時間），又不過于松散（否則將不足以確保始終準確的結果）的標準操作程序，確保儀器正確運行，而不會出現類似于“應多長時間測試一次稱量儀器”之類的問題。性能確認中推薦的稱量儀器的測試程序如下：

 

1.  授權人員現場校準（包括正常使用條件下的稱量不確定度和最小稱量值測定），旨在通過測試儀器的所有相關稱量參數來評估儀器的整體性能（通過校準證書向用戶明確說明）。在儀器安裝完成并對必要的功能進行測試后，對儀器進行初始校準也是運行確認過程中的一個重要步驟。通常的做法是進行實際校準（維護/校準儀器前）和糾正校準（維護/校準儀器后）。在這種情況下，實際校準可確保維護前稱量結果的可追溯性，請見圖 4。

 

請注意：所有行業都必須使用已校準的儀器進行質量相關的測量（ISO9001、GxP、USP??）。在其工作范圍內校準儀器確保儀器可用于預期用途，條件是滿足特定應用的預設的稱量允差要求。可通過校準結果（例如，如前所述，測定最小稱量值）來評估是否達到這些要求。需要說明的是，在稱量不確定度報告中，稱量儀器的零點為常規的校準點（主要包括由讀數的化整誤差和重復性標準偏差導致的不確定度）。因此，儀器從零點開始校準，其它校準點沒有特別要求，只需接近工作點，但校準點要涵蓋儀器操作范圍內所稱物品的質量。該規定也適用于稱量非常小的物質（與設備容量相比），工作點介于零點和下一個的常規校準點之間，已被涵蓋到。

 

 

2.  用戶現場進行的稱重系統日常測試；只評估那些對天平或秤的性能影響最大的稱量參數；其目的是確定儀器是否符合應用要求。

 

3.  使用內置參考砝碼進行自動測試或校準（如果適用）；FDA 指南 [13] 中指出，其目的是減少的人工測試操作頻率。

 

5.1 測試頻率

 

以下列事項為基礎，設定日常測試程序和相應的頻率：

i.   應用所需的稱量準確度。

ii.   稱量儀器不符合過程特定的稱量要求時，所產生的不合格結果（例如，對公司、消費者或環境）的影響。

iii. 故障的可檢測性。

 

假設稱量過程的準確度要求越嚴格，稱量結果不符合準確度要求的可能性越大。在這種情況下，需要增加測試頻率。同樣，如果影響加重，則測試應更加頻繁。這樣，可通過更頻繁的測試消除加重的影響，從而降低產生影響的可能性，消除可能提高的風險—請參見圖 5。如果稱量儀器的故障容易被探查，則可降低測試的頻率。儀器所有屬性的測試頻率可從風險由高到低，進行每日測試（用戶或自動測試），延長到每周、每月、每季度、一年兩次直至每年一次（例如，由授權人員進行校準）。

 

修訂版 USP 通則 <1251> 中也描述了這種基于風險的測試方法，在以下描述中可找到性能確認過程中的測試建議：

 

“根據應用的風險和所需的稱量過程允差，可以忽略以下[本章表格中]某些測試。當有證據證明相關屬性只會對稱量性能產生非常小的影響時，也可忽略該測試。[...] 應當按照標準操作程序（SOP）中的說明定期進行性能確認，每次單獨測試的頻率可因屬性重要性的不同而變。”

 

有關天平測試（主要使用單個砝碼測試靈敏度），USP 通則 <1251> 也進行了類似的表述：“根據適用的標準操作規程按適當的時間間隔進行天平測試。天平測試的頻率取決于應用風險和所需的稱量允差。”

 

令人不解的是，USP 并沒有對稱量儀器的日常測試進行更多的闡述。這符合基于風險的測試方法原則。同時也證明了，在受監管的行業中，每天都對稱量系統進行測試可能是太頻繁了。

 

 

 

使用實驗室天平進行稱量（尤其用于定量分析）的大部分樣品都屬于“小樣品”（即，凈重比稱量儀器的量程小很多，比如只是量程的百分之幾的樣品）。在探討相對不確定度與樣品質量的關系時，已經指出，在稱量小樣品時（圖 3），稱量不確定度受重復性誤差影響。這也適用于在生產應用中稱量小樣品（與所使用的秤的量程相比較小），尤其是使用精密天平和高精度秤進行稱量。

 

因此，對于大多數稱量過程而言，重復性是影響不確定度的最重要因素。這也是很多人覺得需要最頻繁的測試重復性的理由，即使該測試包括多次重復稱量同一個測試砝碼（實驗室應用通常為 10 次，生產環節應用最多 6 次），因此正確進行該測試的工作量大并需要嫻熟的技巧。靈敏度測試只需對測試砝碼進行一次稱量，工作量當然比較少。而且，靈敏度測試會體現儀器存在的任何嚴重問題，或者測試結果是否有偏差；簡言之，可將該測試當做是稱量儀器功能的基本測試。雖然目前靈敏度可能并不是稱量儀器最重要的參數，但基于上述理由，我們仍認為測試頻率最高的應該是靈敏度，其次是重復性。

 

再次回到圖 3 及其說明，我們可以看到，偏載只影響質量達到天平滿量程一定比例（例如，超過 30%）的樣品的稱量。而且稱量時，將容器和樣品放在秤臺中央或至少與皮重和毛重相同的位置時，偏載的影響最小。這就是為什么偏載的測試頻率少于重復性或靈敏度的原因。在要求較低的應用中，由于授權人員在校準稱量儀器時也對偏載誤差進行評估，因此無需再次測試。在要求非常低的應用中，尤其是當樣品重量遠大于其稱量儀器的最小稱量值時，甚至可以忽略重復性測試。

 

不建議用戶進行非線性測試，因為它對稱量不確定度的影響很小，對任何型號的稱量儀器的影響都微乎其微；而且，授權人員在對稱量儀器進行校準時也會對其進行評估。

 

5.2 測試砝碼

 

進行用戶測試時，建議使用兩個測試砝碼：

 

i)   質量最好等于稱量儀器量程的大砝碼。建議使用根據 OIML 或 ASTM 級別并且可獲取的質量小于或等于稱量儀器標稱量程的單個砝碼，如標稱量程為 220 g 的天平可使用單個 200 g OIML 砝碼。對于操作砝碼比較困難的重型秤，測試砝碼可考慮不遵照該規則，即不需接近秤的量程，但其質量仍需符合特定比例（比如量程的三分之一）。

 

ii)  質量最好等于或為稱量儀器量程的百分之幾的小砝碼。建議使用根據 OIML 或 ASTM 級別并且可獲取的質量小于或等于稱量儀器標稱量程的 5% 以下單個砝碼，如標稱量程為 220 g 的天平可使用單個 10 g OIML 砝碼。

 

為進一步進行指導，要求執行以下規則：

 

1.   測試稱量儀器靈敏度的砝碼需要進行校準，而且必須具有可追溯性（參考砝碼）。最大允差 (mpe) 不得大

 

于測試限值的1/3，這樣，與測試限值相比，其影響可忽略不計。靈敏度測試的接受度限值取決于所選的測試砝碼和所需的稱量過程允差。這種情況下，測試砝碼的不確定度小于接受度限值的 10%。選擇符合該條件的最低級別的砝碼。對于準確度要求非常嚴格的稱量應用，可能需要考慮砝碼校準的不確定度（而

 

非最大允差）以符合非常嚴格的測試限值。在這種情況下，校準不確定度不得大于測試限值的1/3。修訂版 USP 通則<41> 的準確度測試也采用這一理念。

 

2. 其它測試（即重復性測試或偏載測試）可采用任何砝碼進行，條件是在測試過程中砝碼的質量不會改變。當然，也可以使用已校準過的測試砝碼進行此類測試。

 

3.  對于分析天平和微量天平，靈敏度的測試砝碼的準確度等級通常較高（OIML F2、F1 或 E2）。對于實驗室應用，即使在完全可以使用 OIML M 類砝碼進行測試的情況下，也應改用 OIML F2 砝碼。理由是 M 類砝碼的表面較為粗糙 [14]。這樣會增加潛在污染的機會，這在實驗室中是不允許的。這同樣適用于 ASTM 砝碼，實驗室環境中不能使用等級低于 ASTM4 的砝碼 [15]。該原理可能不適用于生產環節中的應用，因為生產中可以使用 M 砝碼，但前提條件是這些砝碼符合上述最大允差或校準不確定度的要求。

 

4. 靈敏度的測試砝碼必須定期進行自行（重新）校準以提供可追溯性。

 

5.3 用戶日常測試

 

可參考以下測試策略：

 

a)  靈敏度測試最好使用大砝碼。如果選擇一個較小的砝碼，可能會失去測試目的性，即靈敏度測試會受到重復性的干擾（見圖 3，1 區）。這特別會發生在使用小于天平滿量程 5% 的測試砝碼時。修訂版本 USP 通則 <41> 也考慮到了這一事實，通則規定，只有砝碼的質量在天平量程的 5% 和 100% 之間，則該砝碼適合用于評估天平的準確度。請注意：USP 根據其通則 <1225> 將準確度定義為測試結果接近真實值，是真實值和測試結果近似值之比，是真實性偏差。根據此定義，靈敏度測試是準確性評估的一部分，因此 USP 通則 <41> 關于準確性測試砝碼的選擇要求適用于靈敏度測試。

 

需要特別注意在大量程天平上進行的靈敏度測試，因為使用接近于天平量程的測試砝碼難度可能較大。

 

如前文所述，使用超過特定質量（即，約為秤量程的三分之一）的測試砝碼可能就足夠了。

 

在一些典型的實驗室以及生產車間應用中，使用質量接近稱量工作點的砝碼測試稱量系統的系統偏差仍是整個行業（制藥、食品、化工等）普遍采用的一種做法。為了執行符合法規要求的靈敏度測試，最重要的是制定正確的 SOP，以與 USP 規定條例保持一致。需要指出，用全量程 5% 或更大的砝碼測試系統誤差（USP <41> 中的準確度），并不意昧著稱量儀器不能在低于測量范圍 5% 的情況下使用。幾乎所有行業均要求使用已校準的儀器進行質量相關的測量（ISO9001、GxP 和 USP），校準要覆蓋儀器操作范圍以確保儀器適用于特定用途，并且要遵照具體應用的設定稱量允差要求。零點是常規的校準點，并且如前所述，校準中也包含了與設備量程相比非常小的稱量應用中會使用到的工作點。

 

 

b) 重復性測試最好使用小砝碼。對于實驗室天平和工業天平，重復性是稱量小樣品重量時，稱量不確定度的主要影響因素。因此可以采用質量約為稱量儀器量程的百分之幾的測試砝碼進行重復性測試。與儀器的量程相比，重復性可被認為是小重量范圍內的基本常量，因此，該測試可以代表整個小量程段。修訂版 USP 通則<1251> 同樣建議使用質量為天平量程的百分之幾的測試砝碼。

 

請注意：對于分辨率較低的秤，測量不確定度的主要影響因素可能是儀器的可讀性（化整誤差），而非重復性。對于特殊的秤，無需使用 5% 的小砝碼，所有測試均應使用大砝碼。

 

對于實驗應用，如果重復性指標很重要，則建議將皮重 —（容器、器皿和燒瓶等）放在秤臺上，并使用測試砝碼在該“工作點”測試重復性。原因是，去皮容器的尺寸（表面面積）可能會降低稱量的重復性。比如，在半微量天平上稱量樣品時，使用一個 250 mL 的容量瓶（大約 90 g）產生的重復性誤差，可能會比使用一個緊湊型去皮容器產生的重復性誤差高出 5 倍。這是因為環境和去皮容器產生了更多的接觸（主要通過氣流和對流效應）[17]。

 

因此，USP 通則 <1251> 建議：“[?] 進行重復性測試時應當將容器作為預載荷放在秤盤上。”

 

c) 偏載測試最好使用大砝碼。尤其是重型工業秤，應把測試砝碼放置在偏離儀器中心位置，注意不要使儀器過載。

 

5.4 滿足 USP 要求的最小稱量值評估

 

USP 通則<41> 規定：“假如兩倍的稱量值的標準偏差除以所期望使用的最小凈重量不超過 0.10%，則重復性符合要求。”

 

我們在前面提到過，作為實驗室應用中采用分析天平和微量天平進行小載荷稱量，重復性是稱量不確定度的唯一影響因素，重復性應使用質量為儀器量程百分之幾的測試砝碼進行評估。該砝碼值通常比儀器滿足某個規定稱量準確度的最小稱量值大很多。但是為什么可以使用比最小稱量值大得多的測試砝碼來測定最小稱量值呢？

 

根據定義，最小稱量值為符合既定稱量準確度的可稱量的最少量的樣品質量。測定最小稱量值最簡單的方法是使用質量為（預期）最小稱量值的測試砝碼來評估稱量儀器的重復性。如果所產生的稱量不確定度小于所需準確度，則測試合格，如果大于所需準確度，則測試失敗。

 

該測試方法有以下幾個缺點：

 

首先，即使測試合格，也不能保證不會出現可滿足準確度要求的更小的質量。為了知道確切的最小稱量值，需要使用一個更小的測試砝碼重復該測試。

 

第二，假如測試失敗，也需要再次進行測試，但是會使用較大的測試砝碼。在以上兩種情況中，可能要求采用迭代的方法進行測試，與只進行一次測試相比，工作量更多。這是一種資源浪費。

 

第三，使用 OIML 測試砝碼非常方便，但該砝碼的大小只有 1-2-5（對 ASTM 砝碼而言，其大小為 1-2-3-5）。這意昧著，除非采用三個砝碼組合（即 20 mg、20 mg 與 5 mg）進行測試，否則無法測定 45 mg。不用說，使用三個測試砝碼組成的測試載荷來測定重復性是一項繁瑣和容易出錯的工作。

 

第四，分析天平和微量天平的最小稱量值大約為幾毫克。操作如此小的砝碼是一件困難的事情，極小的氣流也可能將砝碼吹走。

 

可以采用更有效的方法來測試最小稱量值。該方法基于以下事實：對所有稱量儀器而言，小量程段中，重復性基本上不會隨樣品質量而變化，即，只要樣品質量小于量程的百分之幾，則重復性幾乎保持不變。因此，有了這些知識，就不需要使用質量極小的測試砝碼來測定重復性，但可選擇較大的砝碼。

 

該方法的優點很多：

–  只需進行一次測試；

–  可選擇測試砝碼的質量，以便順利進行測試；

–  中間值，即：通過計算最小稱量值獲得非 1-2-5 (1-2-3-5) 值的最小稱量值的。

 

USP 通則 <41> 和 <1251> 中也考慮到了這一事實。通則 <41> 在以下部分對重復性評估進行了闡述：

 

“測試砝碼必須在天平的量程范圍內 [...]。由于在天平的操作范圍內，重復性幾乎不受樣品質量的影響，因此無需使用很難操作的非常小的測試砝碼。”

 

同樣，通則 <1251> 規定：“為了方便操作，重復性測試無需使用最小稱量值的測試砝碼，由于重復性的標準偏差受測試砝碼值的影響極小，因此可選用較大的測試砝碼。”

 

如前所述，通則 <41> 所要求的最小稱量值可以通過 mmin = 2000·sRP獲得。用來計算最小稱量值的標準偏差可通過采用更大的測試砝碼進行重復性測試獲得。

 

請注意：以上說明只適用于涉及定量分析稱量的實驗室應用，在這種情況下，通常在分析天平或微量天平上稱量小樣品。至于精密天平，尤其是工業秤，如果稱量值處于稱量范圍的低端，則其它天平參數（SE、NL 和EC）也可能是造成測量不確定度的因素，以至于最小稱量值無法只通過評估重復性來測定。在這種情況下，必須對測量不確定度進行全面測試，從而獲得最小稱量值。

 

5.5 具有自動測試和校準功能的儀器

 

稱量儀器內置的校準機械裝置包括一個或多個參考砝碼，以及可手動或自動啟動的加載裝置。此類機械裝置可方便測試或校準稱量儀器的靈敏度。由于內置砝碼不會丟失、無法觸碰，且安裝在儀器內部受保護的位置，因此這一測試理念比采用外部砝碼進行測試或校準有優勢，外部砝碼容易損壞，蒙垢或受到其它不利影響；此外，它還可以大大減少使用外部參考砝碼進行此類測試或校準的頻率。

 

然而，由于內置測試砝碼無法拆除，因此無法聲明其具有可追溯性，這是因為可追溯性要求可以移除砝碼，定期和其它更高準確度類別的參考砝碼進行比較，這是內置稱重無法做到的。雖然如此，但可通過將內置砝碼的稱量結果與外部參考砝碼（隨后采用比較器立即稱量）的稱量結果相比較來對內置砝碼進行測試。通過比較，可以測試內置校準機械裝置的完整性。

 

如果稱量儀器配有機械校準裝置，則應（經常）使用，因為該程序操作起來幾乎毫不費力（除了儀器會出現短暫的使用中斷）。因此，使用外部參考砝碼進行靈敏度日常測試的頻率可能會減少。美國食品藥品管理局的一項重要表述也反映了這一事實：“對于配備內置自動校準器的天平，我們建議定期進行外部性能測試，但測試的頻率應少于不具備該功能的天平。”[13]。同樣，USP 通則 <1251> 也針對天平檢驗進行了闡述：“可采用自動啟動或手動啟動的內置砝碼校準來部分替代利用外部砝碼進行的測試。”

 

5.6 當今稱量系統日常測試的方法

 

我們的經驗是，來自各行各業的眾多企業傾向于對天平進行頻繁測試（大多數情況下每天測試），部分企業采用整套不同的測試砝碼（所謂的線性測試）。基于風險的正確的方法會解釋是否確實需要進行大量的客戶測試，以及是否可以在不影響稱量數據質量的情況下減少測試工作量。此外，由于線性測試對評估稱量準確度沒有任何用處，而重復性測試的重要性經常被低估，因此所采用的測試程序并不完全合適。

 

令人驚訝的是，在生產環節的做法有所不同。通常來說，只有基本的測試或根本沒有進行測試。這會導致質量不一致和結果不合格。只有少數公司會理解制定一套健全的日常測試方案的重要性。這些明智用戶的做法是，在生產環節重新進行他們在實驗室已進行過的測試。這當然并非合適的做法，因為不合格結果出現的概率、嚴重程度和可測性大相徑庭。

 

正確了解儀器的功能及其稱量參數，同時了解過程特定的要求，可消除此類錯誤想法，有助于防止出現可能導致在實驗室和生產環節中產生不合格結果的重要稱量誤差。