折射率法測(cè)定氯化鈉溶液的冰點(diǎn)

韓 可,許 誠(chéng),拜慧雯,夏 瑜,許紅睿,張付剛*

(1.蘇州市疾病預(yù)防控制中心,蘇州 215004;2.江蘇省食品安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(非法添加領(lǐng)域),蘇州 215004;3.蘇州市計(jì)量測(cè)試院,蘇州 215100)

乳品的質(zhì)量取決于生乳的質(zhì)量。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5764：2002(E)/IDF 108：2002(E)Milk-DeterminationofFreezingPoint-ThermistorCryoscopeMethod可知,測(cè)定乳液冰點(diǎn)可以推測(cè)其外來水的含量,因此生乳冰點(diǎn)是乳品質(zhì)量的重要監(jiān)控指標(biāo)之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5413.38—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 生乳冰點(diǎn)的測(cè)定》規(guī)定測(cè)定生乳冰點(diǎn)的儀器是熱敏電阻冰點(diǎn)儀。為保證儀器量值準(zhǔn)確、可靠,國(guó)家發(fā)布并實(shí)施了JJF 1816—2020《生乳冰點(diǎn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》,要求對(duì)冰點(diǎn)儀進(jìn)行-600,-557,-520,-500,-512,-450,-408,-400 m℃等8個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的計(jì)量,并確保示值誤差符合要求。校準(zhǔn)使用的校準(zhǔn)液,實(shí)驗(yàn)室可按照標(biāo)準(zhǔn)要求用氯化鈉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行配制。文獻(xiàn)[1]采用重量法配制了冰點(diǎn)系列標(biāo)準(zhǔn)溶液,以最小二乘法回歸了氯化鈉質(zhì)量濃度與溶液冰點(diǎn)的線性關(guān)系,并對(duì)影響標(biāo)準(zhǔn)溶液量值的各過程因素進(jìn)行了分析討論。文獻(xiàn)[2]采用不同純度氯化鈉配制了冰點(diǎn)校準(zhǔn)液,并通過過程質(zhì)量控制驗(yàn)證了其用于實(shí)驗(yàn)室冰點(diǎn)儀校準(zhǔn)的可行性。為了保證制備的標(biāo)準(zhǔn)溶液量值準(zhǔn)確、可靠,對(duì)其量值進(jìn)行有效監(jiān)控和驗(yàn)證等質(zhì)量控制措施就顯得十分重要。

折射儀是用來測(cè)定物質(zhì)折射率及含量的儀器,它是基于折射定律制成的。由于光在兩種不同介質(zhì)中的傳播速率不同,當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象。折射率是指光線在空氣中的傳播速率與在供試品中的傳播速率的比值。根據(jù)文獻(xiàn)[3-12]可知,當(dāng)溫度恒定時(shí),折射率與溶液中物質(zhì)的含量呈線性相關(guān)。目前,折射率與冰點(diǎn)之間的關(guān)系研究鮮有報(bào)道。基于上述分析,本工作以氯化鈉作為模型化合物,選擇冰點(diǎn)儀使用范圍內(nèi)的典型冰點(diǎn)值,對(duì)其折射率與冰點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,提出了折射率法測(cè)定氯化鈉溶液冰點(diǎn)的方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

J-457型折射儀;CryoStar I型冰點(diǎn)儀;XS205DU型電子天平;Milli-Q型超純水機(jī)。折射儀使用前用水進(jìn)行校正;電子天平使用前預(yù)熱足夠時(shí)間并用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行校正;試驗(yàn)所使用的儀器均定期送計(jì)量機(jī)構(gòu)按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行檢定,以確保量值準(zhǔn)確、可靠。

氯化鈉溶液(滲透壓摩爾濃度標(biāo)準(zhǔn))：編號(hào)分別為GBW(E)130367、GBW(E)130368、GBW(E)130369、GBW(E)130370,滲透壓摩爾濃度分別為100.1,200.7,299.3,399.6 mOsmol·kg-1。

氯化鈉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的純度為100.00%;試驗(yàn)用水為純水。

1.2 試驗(yàn)方法

在理想的稀溶液中,冰點(diǎn)下降符合ΔTf=Kf·m(式中：ΔTf為冰點(diǎn)下降值,m℃;Kf為冰點(diǎn)下降常數(shù);m為滲透壓摩爾濃度)。對(duì)于氯化鈉溶液,此關(guān)系式為ΔTf=1.86m[13],因此計(jì)算出4個(gè)氯化鈉溶液(滲透壓摩爾濃度標(biāo)準(zhǔn))的理論冰點(diǎn)分別為-186.2,-373.3,-556.7,-743.3 m℃。

設(shè)定折射儀溫度為20 ℃,用水校準(zhǔn)后,按照滲透壓摩爾濃度從小到大的順序,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液系列[水(冰點(diǎn)0 m℃)和4個(gè)氯化鈉溶液(滲透壓摩爾濃度標(biāo)準(zhǔn))]進(jìn)行測(cè)定,每測(cè)完一個(gè)溶液后,用水擦拭干凈后再測(cè)定下一個(gè),每個(gè)溶液測(cè)定3次,計(jì)算折射率平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 氯化鈉溶液冰點(diǎn)與折射率的關(guān)系

按照1.2節(jié)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定,以折射率平均值為橫坐標(biāo),冰點(diǎn)為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果見圖1。

圖1 氯化鈉溶液冰點(diǎn)與折光率的相關(guān)性曲線Fig.1 Correlation curve between freezing point and refractive index of sodium chloride solution

結(jié)果表明,氯化鈉溶液冰點(diǎn)隨折射率的增大而降低,兩者呈線性負(fù)相關(guān),線性回歸方程為y=-3.420×105x+4.559×105,相關(guān)系數(shù)為-1.000。

2.2 方法比對(duì)

根據(jù)GB 5413.38-2010,采用重量法配制冰點(diǎn)分別為-600.0,-557.0,-520.0,-512.0,-500.0,-450.0,-408.0,-400.0 m℃(稱重冰點(diǎn))的氯化鈉溶液,分別采用本方法和GB 5413.38—2010進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見表1。

表1 方法比對(duì)結(jié)果

由表1可知,本方法所得冰點(diǎn)結(jié)果與稱重冰點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)定結(jié)果基本一致。配對(duì)t檢驗(yàn)得到的P值分別為0.92和0.09,均大于0.05,表明測(cè)定結(jié)果間均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異,且本方法所得冰點(diǎn)的相對(duì)誤差絕對(duì)值小于0.5%,說明本方法準(zhǔn)確度較高,加之該方法還具有穩(wěn)定、快速、操作方便的優(yōu)點(diǎn),因此可作為替代方法用于氯化鈉溶液冰點(diǎn)的測(cè)定。

2.3 不確定度評(píng)定

本方法測(cè)定氯化鈉溶液冰點(diǎn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要包括以下幾個(gè)方面：樣品測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(rep)、標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Tf)、標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(y0)以及折射儀讀數(shù)誤差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(e)。以稱重冰點(diǎn)為-500.0 m℃的氯化鈉溶液為例,簡(jiǎn)要說明其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定過程。

2.3.1 樣品測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以待測(cè)樣品3次測(cè)定平均值作為最終冰點(diǎn),故樣品測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(rep)按照公式(1)計(jì)算：

(1)

2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

曲線擬合所用的溶液均為有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(水除外),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書,滲透壓摩爾濃度m為100.1 mOsmol·kg-1的氯化鈉溶液對(duì)應(yīng)的相對(duì)不確定度最大(其擴(kuò)展不確定度U=1.5 mOsmol·kg-1,包含因子k=2),因此將其作為標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。由ΔTf=Kf·m得到該標(biāo)準(zhǔn)溶液的理論冰點(diǎn)為-186.2 m℃,根據(jù)不確定度傳播率,則標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Tf)按照公式(2)計(jì)算：

(2)

2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

標(biāo)準(zhǔn)曲線殘差標(biāo)準(zhǔn)差Sy按照公式(3)計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的待測(cè)樣品冰點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(y0)按照公式(4)計(jì)算：

(3)

(4)

故由標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(y0)按照公式(5)計(jì)算：

(5)

2.3.4 折射儀讀數(shù)誤差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(6)

故冰點(diǎn)測(cè)量的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucr(y)由公式(7)計(jì)算：

0.758%

(7)

取包含因子k=2,因此折射率法測(cè)定氯化鈉溶液冰點(diǎn)的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Ur(y)按照公式(8)計(jì)算：

Ur(y)=kucr(y)=1.6%

(8)

本工作提出了折射率法測(cè)定氯化鈉溶液冰點(diǎn)的方法,該方法具有準(zhǔn)確度高、分析快速、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn),有望用于冰點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)溶液量值監(jiān)控及穩(wěn)定性驗(yàn)證等領(lǐng)域。