標準物質的研究及在分析實驗中應用

許航線

(陜西國防工業職業技術學院 化學工程學院，陜西 西安 710300)

標準物質的研究及在分析實驗中應用

許航線

(陜西國防工業職業技術學院 化學工程學院，陜西 西安 710300)

標準物質是具有準確量值的計量標準，是依法管理的一種計量器具，在基礎工業、高新技術、環境保護、醫療衛生、貿易結算等國民經濟的重要領域都有著廣泛的應用。本文詳細介紹了標準物質的定義、特征、分類、制備以及應用，對標準物質的發展前景做了展望，并總結了我國在標準物質研究中的不足之處。

標準物質; 分析實驗; 研究及應用

隨著經濟和科學技術的發展，標準物質在基礎工業、高新技術、環境保護、醫療衛生、貿易結算等國民經濟的重要領域都有著廣泛的應用(圖1)[1-5]。標準物質是具有準確量值的計量標準，是依法管理的一種計量器具，不但是現代計量學研究的一個重要分支，也是量值傳遞與溯源的一種重要手段。其用于校準測量儀器、評價測量方法、對物質的成分或特性進行測量，最終確保測量過程和測量結果的準確性。因此，標準物質的研究與應用，越來越受到學者、專家、計量機構以及相關學術組織的關注。

圖1 標準物質的應用

1 標準物質的簡介

1.1 標準物質的定義

按照《國際通用計量學基本術語》[6]和《國際標準化組織指南30》[7]，標準物質有如下定義：標準物質(Reference Material, RM) 是一種已經確定了具有一個或多個足夠均勻的特性值，用以校準測量裝置、評價測量方法或給材料賦值的材料或物質。

1.2 標準物質的特征

標準物質是以特性量值的穩定性、均勻性和準確性為主要特征的，這也是標準物質的基本要求。其具有以下四個特點：a. 標準物質種類多，僅化學成分測量用標準物質就數以千計，其量值范圍跨越12個數量級；b. 標準物質的量值只與物質的性質有關，與物質的數量和形狀無關，具有一個或多個足夠均勻的特性值；c. 標準物質用途明確、實用性強；d. 標準物質具有良好的復現性，可以批量制備并且在用完后可再行復制。

1.3 標準物質分類

標準物質按其溯源性可分為三級：基準標準物(Primary Reference Material, PRM)、有證標準物質(Certified Reference Material, CRM)和標準物質(Reference Material, RM)。按其特性量值的定值準確度可分為一級標準物質和二級標準物質。一級標準物質的定值準確度高，主要用于評價標準方法、仲裁分析以及對二級標準物質定值，是統一全國量值的重要依據；二級標準物質適合于現場分析的需要，應保持批量生產和供應。到2013年，經國家質量監督檢驗檢疫總局批準發布的一級標準物質有1939種，二級標準物質有5425種，由它們將量值傳遞到實際應用中[8]。

標準物質按其定值的特性可分為三大類。第一類是化學成份標準物質(用于冶金、化工、臨床實驗、環境分析等行業)；第二類是物理或物理化學特性標準物質(用于光學、磁學、放射性、酸度、電導等分析)；第三類是工程特性標準物質(用于粒度、濁度、橡膠耐磨性、表面可燃性等評價)。

2 標準物質的制備

標準物質的制備一般需要如圖2所示的過程。為了研制符合測試的普遍需要、產品標準的需要、科研的需要、市場和用戶等的特定要求的標準物質，調研是必不可少的首要步驟。然后在對其進行可行性分析，如：所需的狀況和數量、研制成本、回收成本、技術上成功的機率等。

圖2 標準物質的制備過程

選定材料可以從天然物料或制成品中選取，也可由專人制備和人工合成。標準樣品分濕法分析用和儀器分析用兩大類。在選擇標準樣品制備工藝充分保證成品的均勻性，制備過程中要防止其它雜質混入和環境對制成品的影響，加工時不受氧化和腐蝕，保持原有的成份。對一些易吸濕和吸收二氧化碳的標準樣品，在干燥環境和干燥氣候下進行加工、混勻和包裝，并儲存于密閉容器中。對碎屑或粉末狀樣品在分裝成最小單元前，必須充分混勻。包裝成最小單元的標樣的實際質量或體積與標稱值應符合規定要求，并考慮保存、運輸及使用方便等因素。

均勻性檢驗是標準樣品不可缺少的步驟。目的在于評價標準樣品的均勻性；二是通過試驗數據了解標準樣品不均勻的程度，其不均勻程度是否可以忽略不計，不可忽略時是否可加到不確定度中，不影響預期的使用。穩定性是標準樣品質量性能的重要指標之一。例如：鋼、鐵、鐵合金、鐵礦石的穩定性，經過多個單位的實驗室共同試驗，表明穩定性很好，可穩定10年乃至更長的時間，在規定的儲存條件下特性量值不會發生明顯變化。

在標準樣品均勻性和穩定性符合要求后，可以對其進行定值，主要考慮以下幾個方面：a.樣品的定值的分析方法；b.樣品的定值方式；c.定值測試數據的匯總；d.定值分析數據的統計匯總；e.定值結果的表示，即不確定度的評定。總而言之，標準物質的研制過程就是賦予標準樣品量值溯源的過程。

3 標準物質在分析實驗中的應用

標準物質不僅是化學分析量值傳遞的基礎，也是檢測分析過程進行質量管理的工具。假如分析數據不準確，往往會導致錯誤的判斷和決策，無法實現質量保證、分析數據準確可靠及一致性和可比性。標準物質是對測量數據進行對比和計量的數據標準，具有特定的量值和高度的穩定性，可以進行某些物質特性量與物理量、物理化學特性量約定標度復現與傳遞。測量標準、測量方法、實驗環境、待測樣品、測量儀器、實驗人員是分析實驗的六大要素，標準物質在每個要素中都具有非常重要的作用，具體來說主要包括以下幾個方面的內容：

3.1 標準物質用于評價測量方法，即分析方法的精密度和準確度

標準物質具有一定的穩定性，根據標準物質建立測試結果的計量可溯源性。在研究或引用一種測量方法時，通過將標準物質作為標準進行實驗，對測量過程的重復性、再現性與準確性做出最客觀、有效、簡便的評價。

選擇合適的標準物質，用擬定的分析方法進行不少于10次重復測定，通過離群值檢驗法確定可疑值是否屬于離群值，剔除離群值計算測定值的平均值和標準偏差。如果標準物質證書中給出了Src(定值實驗室內標準偏差)，用方差比F與Fa, f1, f2(F檢驗的臨界值)作比較，其中F用式F=(Sw)2/(Src)2計算，式中SW為標準證書偏差值與實驗室測出偏差值之間的差。若F< Fa, f1, f2, 則表明擬評定的方法足夠精密；若F> Fa, f1, f2, 則此方法的精密度不如標準物質認證時參與的實驗室所用的方法。如果標準物質證書中給出了SLc(定值實驗室間標準偏差)，則將平均值X與標準物質的標準值Ac作比較，若|X-Ac|≤2SLc，則所評定的方法足夠準確，否則可認為該方法準確度不如標準物質認證時參與的實驗室所用的方法。如果證書中未報告定值實驗室間標準偏差SLc，若|X-Ac|≤4Sw，則可認為所評定的方法足夠準確[9]。

3.2 標準物質用于評價測量儀器，即校準分析儀器

標準物質作為校準標準，評價測量儀器的計量性能是否合格，關系到儀器的響應曲線、精密度、靈敏度及檢測線等。在此情況下，需選用與儀器測量范圍相一致的一系列標準物質。

ISO/IEC導則25明確要求，影響校準或檢驗的準確性或有效性的所有測量和檢驗儀器設備在投入使用前均應進行校準，同時要求實驗室的量值可追溯至國際或國家計量基準[10]。絕大部分分析測試儀器進行的是相對測量，不管在儀器出廠檢驗還是在使用前或使用過程中都需要用標準物質進行校準。一般用比較法、作圖法、線性回歸法處理數據，檢查分析儀器是否存在誤差并進行修正、校準。

3.3 準物質用于測試待測樣品，即用標準物質控制分析質量

用標準物質作為標準，對待測樣品進行檢測分析，正如標準物質定義所述，給物質或材料賦值。在分析實驗中利用標準物質評價待測樣品的質量以及驗證待測樣品的可靠性時，選用標準物質與待測樣品平行測定。如果標準物質的分析結果與標準值的一致，表明本次測定過程處于質量控制中，從而保證了實驗室所測數據的公正性和權威性。

3.4 標準物質用于評價測量環境

采用相同的測量方法和相同類型的儀器設備，在不同環境條件下進行實驗，通常使用標準物質進行評價，考查檢驗結果的變動性。

3.5 標準物質用于評價實驗人員與檢測實驗室能力

標準物質用于行業系統組織的檢測實驗室能力考核、國家實驗室認可與合格評定中心組織的能力驗證以及實驗室檢測/校準實驗室能力認可，這可使測量結果建立在溯源性的基礎上，并由此實現測量結果的準確性與可比性。例如，中心實驗室可定期把標準物質發給有關技術人員，根據他們對標準物質的分析結果，衡量技術人員技術水平的高低。中心實驗室也可把標準物質發給所管轄的實驗室，收集各實驗室的測定值，作質量控制圖，及時了解各實驗室的工作質量。

總之，在分析實驗中，無論分析人員的操作技巧多么熟練，分析儀器多么精確，分析結果都必須以準確的標準物質為依據。對評價方法的精密度和準確度、校準分析儀器、控制分析質量并評定實驗室所出數據的公正性和權威性、評價實驗人員與檢測實驗室能力等方面起著重要的作用，它是量值傳遞的溯源物質，也是評定測量不確定度報告中不可缺少的環節。因此，標準物質在分析實驗中起著非常重要的作用，是檢測分析的眼睛和指南針。

4 正確的使用標準物質

正確使用標準物質是保證測量量值可靠程度和準確性、一致性的重要手段。隨著資源開發、貿易交流、生產控制、科學研究的需要以及分析儀器自動化程度的提高，標準物質的應用范圍日益擴大，選擇和使用標準物質應以保證分析、測量的可靠性為原則，選擇使用合適的標準物質。

4.1 恰當選用標準物質的種類

從國家質量技術監督局發布的“標準物質目錄”中選擇與預期應用測量量值水平相適應的標準物質。標準物質的應用具有特定的使用領域。根據待測樣品的性質，選用標準物質的基體組成與被測樣品的基體組成一致或盡可能接近，還需注意所選的標準物質穩定性和數量應滿足整個實驗計劃的需要，并充分考慮其影響。

4.2 保障標準物質的有效期

在進行分析實驗時，為了保障樣品的可靠性和高質量，利用標準物質進行分析比對。在使用標準物質前應全面地閱讀標準物質證書，除了要熟悉和了解該標準物質的制備、性質、量值、用途、定值測量方法及最小取樣量，標準物質的有效期也非常重要。標準物質應在規定的條件下進行儲存，并在有效期內使用，可以有效的避免多次使用造成的數值差異和測量結果失真。

4.3 充分考慮測試方法的不確定性

一般來說，測量者選用標準物質進行測量的不確定度不能超過標準物質[11]。測量分析要充分保障測量儀器的精準性和測量方法的準確性，排除存在的不確定性。例如，在實際操作中，標準物質與被測樣品在同一臺儀器、同樣的環境條件，用同一種方法進行測量，確保測量結果的一致性，避免系統誤差。

5 展望

隨著全球經濟、科技一體化進程的加快和國際貿易的發展，材料工業、能源工業、資源開發與利用、環境科學與現代分析技術的發展推動著我國標準物質的發展。與此同時，標準物質也為上述工業與科學領域提供重要的技術基礎并促進其發展。發展我國的經濟、科技，加強國內外貿易，要大力提高檢測技術，加快標準物質的研制步伐，滿足社會發展和科技進步的需要。因此，我國應進一步拓寬標準物質的研究與應用范圍。

(1) 研究準確的標準物質測量技術。重點是高準確度測量技術、痕量和超痕量測量技術，動態測量與多參數測量技術，從用于一般分析儀器性能主價向適用于大型儀器性能評價發展；從滿足基礎工業向滿足高新技術產業質量控制與質量評價需要發展。

(2) 研制經濟、科技、貿易發展所需的標準物質。如在生物測量領域深入發展，研制生物物質的成分、結構、活性等標準物質；化學成分標準物質將從無機物向有機化合物發展，從化學成分含量向化學形態(價態)、結構與異構體發展，從常量向痕量乃至單個原子或分子發展。

(3) 研究標準物質在校準儀器、評價測量方法以及在產品質量監督檢驗中的應用問題，進一步擴大標準物質的推廣應用。

(4) 加強標準物質軟科學研究，建立與完善標準物質信息系統、分析測量的評價系統以及不確定度的評定系統等。

6 存在的問題

隨著國際間合作日益活躍，標準物質不僅為我國各個行業的發展做出了很大貢獻，而且也世界范圍的多個組織中得到了廣泛應用，受到發達國家和國際組織的關注。我國在標準物質的研究方面雖然取得到了顯著的較大成績，但與科技發達國家相比，仍有較大差距。具體表現在：

(1) 在標準物質研制方面，各類標準物質發展不平衡。尤其是生物工程、食品成分、臨床化學以及新材料、新能源等高新技術領域標準物質有待進一步發展；(2) 在標準物質管理方面存在某些不協調；

(3) 在標準物質應用方面，仍有使用沒有經過認證，無制造計量器具許可證、無標準物質證書的標準物質的現象，因此加強標準物質法制管理的力度也是亟待解決的問題。

7 總結

國家一級、二級標準物質已在國內外各領域，如地質、環境、能源、材料、農業、食品、醫藥、醫療等方面得到廣泛利用，為科研、生產、貿易和法律法規的貫徹，為經濟、技術和法律法規的決策提供了可靠保證。當前分析實驗已經從簡單的數據分析發展到信息技術研究，但是都離不開標準物質的保障，因此標準物質的研究與科學應用是非常重要的。

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(本文文獻格式：許航線.標準物質的研究及在分析實驗中應用[J].山東化工，2016，45(12)：71-73，80.)

Research and Application in the Analysis Experiments of Standard Reference Samples

Xu Hangxian

(Department of Chemical Engineering, Shaan Institute of Technology , Xi'an, Shaanxi 710300)

This paper describes the definition, characteristics, classification, preparation and application of standard reference samples. According to the development of the situation, put forward the prospect of the development of standard reference samples, and summarizes the deficiencies of research on the standard reference samples.

standard reference sample; analysis experiment; research and application

2016-03-31

許航線(1984—),講師，碩士研究生，主要從事化工方面的教學及研究。

TQ421.3+1

A

1008-021X(2016)12-0071-03