一種新的微量液體密度測量方法

/上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

微量液體密度是分析試驗(yàn)中準(zhǔn)確配制化學(xué)試劑濃度，準(zhǔn)確測定微量元素的摩爾體積濃度以及雜質(zhì)檢測、成分定量測定的重要參數(shù)[1,2]。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域密度的微小偏差都將影響最終藥物的治療效果，同時(shí)在產(chǎn)品檢測中部分液體產(chǎn)品僅能抽取毫升、甚至是微升進(jìn)行密度測量，因此，快速有效地測定微量液體密度具有重要研究意義[3,4]。

目前微量液體密度測量主要有稱量法 （HW法）[5]和振動式液體密度計(jì)法（VD法）[6]。HW法中精密天平能夠準(zhǔn)確到0.01 mg，但是液體體積的測量準(zhǔn)確度低，特別是微升級的液體體積測量。50 μL液體體積允許誤差為±3%，也能引起4 kg/m3的密度偏差。VD法是常用的微量液體密度測量方法，但是單次測量至少需要3 mL，特別是對于高黏度和易揮發(fā)的液體，U形管內(nèi)容易產(chǎn)生氣泡，影響測量準(zhǔn)確度。

本文提出了一種新的微量液體密度測量方法——吸光度法（AB法），通過測量特定波長下液體吸光度曲線，得到密度和吸光度之間的關(guān)系[7,8]，并通過與VD法測量量值比對試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種方法的有效性。

1 基本原理

根據(jù)朗伯-比爾定律，當(dāng)一束平行單色光通過單一均勻的、非散射的吸光物質(zhì)溶液時(shí)，溶液的吸光度A與溶液濃度c和液層厚度L的乘積成正比。

式中：I0——入射光強(qiáng)；

I1——出射光強(qiáng)；

ε——比例常數(shù)，與入射光波長和環(huán)境溫度等參數(shù)有關(guān)

配制標(biāo)準(zhǔn)液，其吸光度為As，在標(biāo)準(zhǔn)液中加入微量體積Vu的被測液，其吸光度Au為

式中：Vs——標(biāo)準(zhǔn)液體積

由式（1）、式（2）得到容積Vu為

通過精密天平得到標(biāo)準(zhǔn)液質(zhì)量ms和被測液質(zhì)量mu，通過VD法得到標(biāo)準(zhǔn)液的密度為ρs，則可以得到被測液體密度ρu為

式（4）表明這種測量方法不受光程和吸收常數(shù)等因素的影響，測量結(jié)果主要取決于質(zhì)量的稱量和標(biāo)準(zhǔn)液的密度。前者通過精密電子天平可以保證具有較低的不確定度，后者由VD法測得，不確定度也大大降低。

2 測量系統(tǒng)

本文所涉吸光度法微量液體密度測量系統(tǒng)包括：190～950 nm輸出光譜的氘鎢燈光源、比色皿支架、光纖光譜分析儀以及上位機(jī)（圖1）。通過測得標(biāo)準(zhǔn)液吸光度和標(biāo)準(zhǔn)液中加入未知密度的被測液的吸光度兩個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)被測液密度的準(zhǔn)確測定。其中被測液體的質(zhì)量需要通過精密電子天平稱量，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)的工作環(huán)境溫度為 （20±2）℃，濕度控制在50% RH～60% RH，液體介質(zhì)與室溫相差不大于2℃。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量環(huán)境要求低。

圖1 測量系統(tǒng)

3 試驗(yàn)與分析

3.1 吸光度試驗(yàn)

油類產(chǎn)品中含有的甘油脂肪酸酯等酯類能夠吸收某一特征波長的紫外光，引起中價(jià)電子躍階，而吸光度與物質(zhì)的質(zhì)量濃度成正比，因此，采用紫外吸光度法測量油類產(chǎn)品密度。以準(zhǔn)確度等級為 級的電子天平稱取某公司的精煉一級大豆油5 g，用乙酸乙酯定容于500 mL容量瓶中，得到初始質(zhì)量濃度為10 mg/mL的油溶液。以10 mg/mL的油溶液為母液，分別用乙酸乙酯稀釋配制質(zhì)量濃度為0.1～1 mg/mL油溶液。

測量前先將光源打開，預(yù)熱使其穩(wěn)定。在10 mm×10 mm石英比色皿中加入乙酸乙酯做空白校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完后向比色皿中加入試樣，在200～400 nm波長范圍內(nèi)掃描油溶液，得到其紫外吸收光譜圖（圖2）。

圖2 紫外吸光譜圖

隨著樣品質(zhì)量濃度的增大，紫外吸收光譜吸光度逐漸增大。波長在280 nm以上時(shí)，吸光度隨質(zhì)量濃度的增大而增大。選取波長 290 nm、291 nm、292 nm，分析樣品質(zhì)量濃度與吸光度的關(guān)系，結(jié)果見圖3。

圖3 不同波長下油溶液質(zhì)量濃度與吸光度關(guān)系

波長在291 nm處質(zhì)量濃度與吸光度之間具有較好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)優(yōu)于289 nm、290 nm、292 nm，同時(shí)291 nm處吸光度數(shù)值也在理想的范圍內(nèi)。故以0.4 mg/mL油溶液作為標(biāo)準(zhǔn)液，測定波長以291 nm 為佳。

采用VD法測定0.4 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)液密度值ρs。在石英比色皿中加入乙酸乙酯做空白校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完后空稱比色皿，再向比色皿加入標(biāo)準(zhǔn)液，得到標(biāo)準(zhǔn)液質(zhì)量ms。在291 nm波長處掃描標(biāo)準(zhǔn)液，得到標(biāo)準(zhǔn)液吸光度As。用移液器從乙酸乙酯中量取約50～100 μL樣品，加入標(biāo)準(zhǔn)液中，通過比色皿質(zhì)量差得到待測液質(zhì)量mu。在291 nm波長處繼續(xù)掃描被 測液，得到被測液吸光度Au，最終得到的被測液密度值ρu。

3.2 試驗(yàn)分析

比較采用VD法與AB法的測量結(jié)果，由經(jīng)中國計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)合格的DM45密度計(jì)測得乙酸乙酯溶液標(biāo)稱值為900.30 kg/m3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，AB法測量值與VD法測量值最大偏差小于1 kg/m3，這正好是工作密度計(jì)的一個(gè)分度值。測量值偏大的主要原因是乙酸乙酯易揮發(fā)，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)液濃度上升，吸光度值偏大。為消除液體揮發(fā)造成的影響，比色皿應(yīng)當(dāng)加上蓋片，盡可能減少溶液與空氣的接觸。AB法要求分光光度計(jì)具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，試驗(yàn)過程中吸光度測量重復(fù)性較差，需要多次測量取平均值得到結(jié)果。

4 結(jié)語

基于朗伯-比爾定律研究了特定波長下微量液體密度測量的AB法，采用VD法進(jìn)行了比對驗(yàn)證，由50～100 μL微量液體密度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：AB法和VD法測量結(jié)果具有良好的一致性，但測量值偏大，原因在于溶液揮發(fā)的影響，以及吸光度測量重復(fù)性較差。AB法為微升級的液體密度測量提供了一種研究方向。