食品安全快速檢測儀校準技術探討

尚嵐　朱茜　丁峰元

摘要：為確保食品安全快速檢測儀量值的準確可靠，探討該類儀器主要計量特性的校準方法。根據工作原理和結構組成，將儀器的校準項目分為波長示值誤差與重復性兩大計量特性指標。儀器波長校準采用光纖光譜儀，儀器示值誤差校準采用光譜中性濾光片、甲醛溶液標準物質或氯化鈷溶液標準物質。試驗結果表明：該校準方法可操作性強，校準結果有較好的溯源性和可比性。

關鍵詞：食品安全快速檢測儀；校準技術；波長示值誤差；儀器示值誤差

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2015）01-0050-04

0引言

食品安全快速檢測儀是食品安全快速測量儀器的統稱，包括食品甲醛分析儀、農藥殘留快速檢定儀、重金屬快速測定儀、過氧化苯甲酰快速測定儀、蛋白質含量快速測定儀等，廣泛應用于食品和農產品質量的快速定性定量檢測。2009年7月8日開始實施的《中華人民共和國食品安全法實施條例》中明確規定：“質量監督、工商行政管理、食品藥品監督管理部門在食品安全監督管理工作中可以采用國務院質量監督、工商行政管理和國家食品藥品監督管理部門認定的快速檢測方法對食品進行初步篩查”。

隨著食品安全快速檢測儀的廣泛使用，其量值溯源問題也受到越來越多的關注，目前只有個別省份編寫了食品甲醛分析儀、農藥殘毒快速檢定儀地方檢定規程。這些規程僅從儀器測量結果方面對儀器進行檢定和校準，未涉及對測量結果有顯著影響的單色光；另外，現有檢定規程無法覆蓋農藥殘留快速檢定儀等其他食品安全快速檢測儀。針對以上問題，本文探討了食品安全快速檢測儀主要計量特性的校準方法，并分析了方法的溯源性和可比性。

1食品安全快速檢測儀的工作原理

食品安全陜速檢測儀的結構如圖1所示，由光源提供穩定的復合光源，單色器將復合光分解成單色光，并將某一特定波長的單色光照射于被測量物質上，再通過光電傳感器（檢測器）接收通過物質后的光信號，根據此光信號對該物質進行定性和定量分析。

2食品安全快速檢測儀的主要校準項目

對于光譜類儀器，儀器發出的波長準確與否至關重要，是決定最終測量結果準確度的關鍵；所以本文將波長示值誤差與波長重復性作為食品安全快速檢測儀校準的主要項目之一，儀器示值誤差、儀器線性誤差與儀器重復性體現了儀器的整體性能，也是對食品安全快速檢測儀校準必須涉及的內容。本方法的主要校準項目及具體技術指標見表1。

3校準用標準設備的選擇

食品安全快速檢測儀多采用超高亮LED（發光二極管）發出波長，其發出波長與標稱波長的一致性直接影響最終測量結果的準確度；本文中選用光纖光譜儀來測量波長示值誤差，通過自行研制的光譜采集系統，采用光纖作為信號耦合器件，將被測光耦合到光譜檢測儀中進行光譜分析，采集波長信號進行測量。本文選用光譜檢測儀波長范圍380～800 nm，最大允許誤差±1nm。

對于儀器示值誤差和線性誤差的校準，根據儀器顯示測量結果的不同，分別選擇光譜中性濾光片圈、甲醛溶液標準物質或氯化鈷溶液標準物質進行測量，3種計量標準均為國家有證標準物質，使用方便，操作簡單。光譜中性濾光片作為常規的吸光度計量標準，其穩定性和可靠性已得到驗證，在紫外可見分光光度計和酶標分析儀的檢定中已得到廣泛應用。本文選用的光譜中性濾光片由Ⅰ級紫外可見分光光度計定值，吸光度范圍0.1～0.2，不確定度U=0.01，k=2。甲醛溶液標準物質和氯化鈷標準溶液均為國家有證標準物質，其定值準確度和穩定性已得到驗證，不確定度能夠滿足食品安全快速檢測儀的校準需要，本文中選用的甲醛溶液標準物質質量濃度10mg/mL，不確定度U_rel=3%，k=2；氯化鈷溶液標準物質，測量范圍2.0～10.0g/L，不確定度U_rel=1.5%，k=2。

4校準方法

4.1波長示值誤差與波長重復性的校準

單色器波長示值誤差和波長重復性的校準裝置如圖2所示。

待儀器預熱穩定后，對食品安全陜速檢測儀波長示值誤差的校準，利用自制的光譜采集系統，采集波長信號進行測量，根據其發光二級管發出波長理論值范圍的不同，選擇合適的波長掃描范圍，單一方向逐點測出光譜能量最大時的峰值波長，重復測量3次，取其平均值。波長理論值與測得波長平均值之差為波長示值誤差△λ。按式（1）計算波長示值誤差，其最大值與最小值之差為波長重復性δλ，按式（2）計算。式中：λ_max——測得波長最大值，nm；

λ_min——測得波長最小值，nm。

由于計量標準器使用光纖光譜儀，直接溯源到自然基準汞光譜燈，其最大允許誤差為±1nm，完全可以滿足波長示值誤差±5nm的測量水平需要。由表2分析，目前國產儀器中有些發光二極管給出的標稱波長與實際波長懸殊較大，勢必會給最終測量結果帶來影響，生產廠家應提高技術水平以滿足食品安全檢測的需求。

4.2儀器示值誤差及儀器重復性的校準

4.2.1吸光度示值誤差的校準

依次選用吸光度范圍為0.2，0.5，1.0的3塊光譜中性濾光片，首先根據測得發光二極管發出的峰值波長，用Ⅰ級紫外可見分光光度計測量其吸光度，作為吸光度標準值A_s。

待儀器預熱穩定后，以空氣為參比，將濾光片垂直置于樣品池光路中，測量其吸光度，重復測量3次，取其平均值，按照下式計算示值誤差：式中：△——吸光度示值誤差，%；

A_s——吸光度標準值；

A_i——第i次吸光度測量值。

通過對近年部分吸光度校準數據的匯總分析（見表3），大部分儀器的示值誤差在±5%以內，該方法規定的技術指標科學合理。

4.2.2吸光度重復性的校準

選用吸光度標稱值為1.0的光譜中性濾光片，以空氣為參比，重復測量7次，記錄其測量值。并按下式計算儀器的重復性。式中：RSD——相對標準偏差，重復性，%；

s——測量的實驗標準偏差；

A_i——測量7次的算術平均值；

選取不同廠家不同型號的儀器進行吸光度重復性的測量，根據測量數據統計，大部分儀器的重復性均在1%以下。

4.2.3濃度示值誤差的校準

以食品甲醛陜速檢測儀為例介紹濃度示值誤差的校準，直接選取甲醛溶液標準物質，在其量程范圍內，分別選取滿量程的20%、50%、80%的甲醛溶液標準物質進行測量，分別重復3次，記錄其測量值，并計算3次測量的算術平均值。示值誤差按下式計算：式中：△c——示值誤差，%；

c——測量值的算術平均值，mg/L；

C_s——甲醛溶液標準物質質量濃度的標準值，mg/L。

4.2.4濃度示值重復性的校準

在進行4.2.3測量時，選取高質量濃度溶液，重復測量7次，求其相對標準偏差RSD，即為儀器測量重復性，計算方法同4.2.2。

4.2.5儀器線性誤差的校準

有些食品安全快速檢測儀以質量濃度為單位，由于儀器為相對測量法，那么標準曲線線性的優劣可以直接反映出儀器計量性能的好壞。通過多次試驗，氯化鈷系列標準溶液在可見光區的吸收特性明顯，最終選用該溶液做工作曲線。根據儀器測量范圍的不同，選取氯化鈷標準溶液（2.0，4.0，6.0，8.0，10.0g/L中的3～5個點進行測量，以空白溶液調零，每點重復測量3次，取其平均值，求出工作曲線的線性相關系數。

5校準過程的注意事項

校準方法中采用光纖將單色光導出，為了減少測量過程的能量損失，設計一個光學折光元件，可以將單色光導入到光譜檢測儀中進行波長測量，針對不同儀器不同規格的樣品池，可以考慮多設計幾個折光元件以方便使用。

食品安全快速檢測儀中LED通電發光后，LED芯片溫度逐漸上升，與環境溫度達到熱平衡需要一定時間，在此過程中，LED的發光強度和峰值波長會發生變化，根據文獻資料，峰值波長能夠產生大于1nm的偏移；所以，在對波長示值誤差進行校準時，應在被校準儀器預熱穩定后進行，以減少校準結果的偏差。

6結束語

本文提出的校準方法，通過自制的波長采集系統和光譜檢測儀，實現了食品安全快速檢測儀的波長示值誤差與波長重復性的校準，同時，本方法使用光譜中性濾光片、甲醛溶液標準物質或氯化鈷溶液標準物質，實現了食品安全快速檢測儀的儀器示值誤差、儀器線性誤差和儀器重復性的校準。實踐證明：本方法科學合理，可操作性強，可以有效應用于常見各種食品安全快速檢測儀的檢定和校準工作，客觀全面地評價該類儀器的計量性能。