折射率標準物質的研制

于亞洲,丁海銘,李 瑩

（黑龍江省計量檢定測試研究院,黑龍江 哈爾濱 150036）

溶液的折射率是關系食品質量和食品安全的重要指標。但是目前國內缺少高水平的折射率標準物質,導致折射率這一通用基礎數據測試水平低下,以致質量檢驗水平低,使產品質量提升受到制約。檢測溶液折射率的方法很多,最常用的是阿貝折射儀、手持折射儀手持折射儀等。這些儀器標稱的折射率準確度達到10-5量級。然而長期以來,我國最高準確度的標準物質只能達到10-4量級,無法保障高準確度儀器測量結果的準確可靠。基于此筆者研制了系列折射率溶液標準物質,折射率范圍覆蓋1.330～1.658,不確定度為0.0001 nD。本研究使用高精度折射儀測量溶液的折射率,經過F 檢驗和T 檢驗,證明其均定性和穩定性良好,量值準確可靠,符合國家二級標準物質的要求。

1 折射率標準物質的制備和封裝過程

1.1 需要的儀器設備和試劑

廣口瓶,4 個；500 ml 容量瓶1 個；超聲波清洗器；電熱鼓風干燥箱；全自動安瓿拉絲灌封機；

安瓿瓶,棕色,規格為2 mL,數量為1 000 只；安瓿瓶,白色,規格為2mL,數量為200 只；安瓿瓶架,50孔；瓶口分液器（0.5～5）mL（無機）,定量1.2 mL；瓶口分液器（0.5～5）mL、（有機）,定量1.2 mL。

標準物質是具有高度均勻性、良好穩定性和量值準確性,用來校準、對測量方法進行評價或為物質定值的物質[1],我們選取的四種有機試劑分別為異辛烷（C8H18）、環己烷（C6H12）、氯苯（C6H5Cl）、1- 溴代萘（C10H7Br）。四種有機試劑的結構見圖1～圖4。

圖1 異辛烷

圖2 環己烷

圖3 氯苯

圖4 1- 溴代萘

1.2 折射率標準溶液配制過程

純水標準物質使用超純水器二次處理過的純水,裝入500 ml 容量瓶中,使用封口膜封緊,放置在陰涼干燥處待用。使用的超純水器見圖5。而有機溶劑配置的標準物質時,選擇的每種有機溶劑要使用同一批次,同一生產日期,同一廠家的試劑,每種選擇兩瓶體積數均為500 mL 的試劑進行預混,將四種有機溶劑分別裝入預先清洗干燥好的四個棕色廣口瓶中預混均勻,然后將瓶口封閉好,放置在陰涼干燥處待用。

圖5 配制純水標準物質使用的超純水器

1.3 折射率標準溶液封裝過程

將安瓿瓶按順序的放置在安瓿瓶架上,一次可放置50 只。使用瓶口移液器（定量為1.2 mL）（有機）,按順序將折射率標準溶液裝入準備好的安瓿瓶中。裝完一批后馬上在封裝機上進行封裝。每種標準物質完成200 只的分裝量。安瓿瓶封裝完的四種有機折射率標準溶液見圖6。

圖6 分裝后的四種有機折射率標準物質

將配置好的純水溶液放置在超凈工作臺上,將安瓿瓶按順序放置在安瓿瓶架上。一次可放置50 只。使用瓶口移液器（定量為1.2 mL）（無機）,按順序將折射率標準溶液裝入準備好的安瓿瓶中。裝完一批后馬上在封裝機上進行封裝。純水折射率標準物質需要完成200 只的分裝量。安瓿瓶封裝完的純水折射率標準溶液見圖7。

圖7 分裝后的純水折射率標準物質

2 均勻性評估、穩定性分析及定值方法研究

2.1 折射率標準物質的均勻性評估

均勻性評估中,抽取單元數目對樣品總體要有足夠的代表性。抽取單元數取決于總體樣品的單元數和對樣品的均勻程度的了解[2]。將制備的折射率溶液標準物質各分裝為200 瓶,每種隨機抽取15 瓶。每瓶獨立測試3 次,采用高精度自動折光儀在相同條件下得到等精度測量數據。測量數據經F 檢驗得出F＜F0.05（14,30）,驗證了制備的樣品均勻性良好。均勻性檢驗結果見表1。

表1 折射率標準物質均勻性檢驗結果 單位：nD20

2.2 折射率標準物質的穩定性分析

為了考察標準物質在規定貯存條件下的長期穩定性,在9 個月的時間里對研制的標準物質進行穩定性研究。按照時間間隔先密后疏的原則,每次抽取3 瓶,取3 次測定結果的平均值作為一次穩定性測試結果。使用安東帕的高準確度折光儀對樣品一共進行了6次測定,得到的折射率標準物質的穩定性檢驗測試數據結果,測試數據經t 檢驗[3],確定器穩定性良好。長期穩定性分析結果見表2。

表2 折射率標準物質長期穩定性檢驗結果 單位：n20D

為了評估在短期運輸條件下穩定性,對研制的標準物質進行了短期穩定性實驗。短期穩定性的實驗條件為4 ℃和60 ℃貯存7 天,在7 天內,將隨機抽取的3 個樣品按時間間隔先密后疏的原則,分別放入4℃冰箱和60 ℃烘箱中。測試時每個樣品測試1 次,取3 次重復測定的平均值作為一次測量結果。根據測試數據經t 檢驗,確定其短期穩定性良好。4 ℃和60 ℃短期穩定性分析結果見表3 和表4。

表3 折射率標準物質短期穩定性檢驗4 ℃ 單位：n20D

表4 折射率標準物質短期穩定性檢驗60 ℃ 單位：n20D

2.3 折射率標準物質的定值方法

標準物質的定值是指對與標準物質預期用途有關的一個或多個物理、化學、生物或工程技術等方面的特性值的測定[4]。本課題研究的折射率標準物質的定值采用的是經過中國計量科學研究院檢定合格的V 棱鏡折射儀進行定值。通過使用滿足計量學特性要求的制備方法、測量方法和檢定合格的計量器具,保證標準物質的量值溯源性。采用測量誤差為≤±5×10-5nD 的V 棱鏡折射儀對折射率標準物質進行定值測定。

3 定值結果的不確定度分析

折射率標準物質的的不確定度主要由定值測量的重復性、測量儀器本身的誤差、溶液的不均勻性、溶液的不穩定性所引入的不確定度等組成的[5]。溫度變化對折射率標物物質的折射率值影響小,計算時可以忽略不計。

3.1 定值測量重復性引入的不確定度uA

折射率標準物質測量時重復性引入的不確定度分量用ur表示,根據上表求出重復性測量結果sr,根據重復性引入的不確定度分量ur=sr可得出折射率標準物質測量重復性引入的不確定度為：純水折射率標準物質的ur=sr=6.24×10-6nD；異辛烷折射率標準物質的ur=sr=3.51×10-6nD；環己烷折射率標準物質的ur=sr=5.51×10-6nD；氯苯折射率標準物質的u=s=4.16×10-6nD；1-溴代萘折射率標rr準物質的ur=sr=4.04×10-6nD。

3.2 V 棱鏡折射儀測量時儀器本身的測量誤差引入的不確定度uv

V 棱鏡折射儀測量時儀器本身的測量誤差為5×10-5nD,服從均勻分布,引入的不確定度分量為,則V 棱鏡折射儀測量時儀器本身引入的不確定度分量uv為2.89×10-5nD。

3.3 均勻性引入的不確定度ubb

采用單因素方差分析法進行均勻性評估,則瓶間均勻性標準偏差sbb可以用下列公式計算：

式中:sbb為瓶間標準偏差；為組間方差；為組內方差；n 為組內測量次數。

在這種情況,sbb等同于瓶間不均勻性導致的不確定度分量ubb,即為如下公式

式中：ubb為瓶間不均勻性導致的不確定度分量。

根據均勻性檢驗的結果,代入公式后可得到折射率溶液標準物質均勻性引入的不確定度分別為:

純水折射率標準物質：ubb=1.70×10-7nD；異辛烷折射率標準物質：ubb=2.98×10-7nD；環己烷折射率標準物質：ubb=5.47×10-7nD；氯苯折射率標準物質：ubb=1.57×10-6nD；1- 溴代萘折射率標準物質：ubb=1.32×10-6nD。

3.4 穩定性引入的不確定度us

3.4.1 長期穩定性引入的不確定度

對于多個時間點采用簡單線性模型的穩定性研究中,由穩定性引入的標準不確定度用下列公式計算：

該式在穩定性變化趨勢不明顯的情況下適用,式中：us為穩定性引入的不確定度；s(β1)為斜率估計值的標準偏差；X 為穩定性檢驗的時間間隔。

長期穩定性考察結果代入穩定性不確定度評定公式,計算出長期穩定性不確定度ults結果為：

3.4.2 短期穩定性引入的不確定度

短期穩定性考察結果代入不確定度評定公式,計算出短期穩定性不確定度uss結果為：

純水折射率標準物質：uss=1.12×10-5nD；異辛烷折射率標準物質：uss=1.60×10-5nD；環己烷折射率標準物質：uss=1.36×10-5nD；氯苯折射率標準物質：uss=1.47×10-5nD；1- 溴代萘折射率標準物質：uSS=1.77×10-5nD。

3.4.3 將長期穩定性和短期穩定性不確定度進行合成,得到穩定性引入的不確定度：

3.5 合成不確定度的計算

折射率標準物質的擴展不確定度由上述4 個不確定度合成而得,其合成的擴展不確定度表示為

把表中各不確定度分量數據代入上式,計算得各折射率標準物質的的uc為：純水折射率標準物質：uc=3.63×10-5nD；異辛烷折射率標準物質：uc=3.46×10-5nD；環己烷折射率標準物質：uc=3.69×10-5nD；氯苯折射率標準物質：uc=3.58×10-5nD；1- 溴代萘折射率標準物質：uc=3.71×10-5nD。

3.6 擴展不確定度的計算

取擴展因子k=2,則擴展不確定度U=kuc。折射率標準物質的擴展不確定度分別為：純水折射率標準物質：U=7.26×10-5nD；異辛烷折射率標準物質：U=6.92×10-5nD；環己烷折射率標準物質：U=7.38×10-5nD；氯苯折射率標準物質：U=7.15×10-5nD；1- 溴代萘折射率標準物質：U=7.41×10-5nD。

3.7 標準物質的折射率最終結果可以表示為：

純水：Y=（1.332 993±0.000 073）nD；異辛烷：Y=（1.391 658±0.000 070）nD；環乙烷：Y=（1.426 628±0.000 074）nD；氯苯：Y=（1.524 585±0.000 072）nD；1- 溴代萘：Y=（1.657 950±0.000 074）nD。

4 結論

采用純水和四種有機物制備的折射率標準物質溶液,經過測試和分析,均勻性良好,穩定性符合要求。通過對結果進行定值方法研究和對定值結果進行的不確定度的分析得出了折射率標準物質的不確定度。通過對折射率標準物質的研究,優化標準物質的賦值過程,減少中間不必要的溯源鏈,提升了標準物質的品質。對檢驗檢測中折射儀器的檢測方法研究,確保量值傳遞的準確可靠方面提供了技術支撐。