折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制

于亞洲,丁海銘,李 瑩

（黑龍江省計(jì)量檢定測試研究院,黑龍江 哈爾濱 150036）

溶液的折射率是關(guān)系食品質(zhì)量和食品安全的重要指標(biāo)。但是目前國內(nèi)缺少高水平的折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),導(dǎo)致折射率這一通用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試水平低下,以致質(zhì)量檢驗(yàn)水平低,使產(chǎn)品質(zhì)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(biāo)稱的折射率準(zhǔn)確度達(dá)到10-5量級。然而長期以來,我國最高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)只能達(dá)到10-4量級,無法保障高準(zhǔn)確度儀器測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。基于此筆者研制了系列折射率溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),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(jīng)過F 檢驗(yàn)和T 檢驗(yàn),證明其均定性和穩(wěn)定性良好,量值準(zhǔn)確可靠,符合國家二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的要求。

1 折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的制備和封裝過程

1.1 需要的儀器設(shè)備和試劑

廣口瓶,4 個(gè)；500 ml 容量瓶1 個(gè)；超聲波清洗器；電熱鼓風(fēng)干燥箱；全自動(dòng)安瓿拉絲灌封機(jī)；

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

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是具有高度均勻性、良好穩(wěn)定性和量值準(zhǔn)確性,用來校準(zhǔn)、對測量方法進(jìn)行評價(jià)或?yàn)槲镔|(zhì)定值的物質(zhì)[1],我們選取的四種有機(jī)試劑分別為異辛烷（C8H18）、環(huán)己烷（C6H12）、氯苯（C6H5Cl）、1- 溴代萘（C10H7Br）。四種有機(jī)試劑的結(jié)構(gòu)見圖1～圖4。

圖1 異辛烷

圖2 環(huán)己烷

圖3 氯苯

圖4 1- 溴代萘

1.2 折射率標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程

純水標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)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(jī)溶劑配置的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時(shí),選擇的每種有機(jī)溶劑要使用同一批次,同一生產(chǎn)日期,同一廠家的試劑,每種選擇兩瓶體積數(shù)均為500 mL 的試劑進(jìn)行預(yù)混,將四種有機(jī)溶劑分別裝入預(yù)先清洗干燥好的四個(gè)棕色廣口瓶中預(yù)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)使用的超純水器

1.3 折射率標(biāo)準(zhǔn)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(jī)）,按順序?qū)⒄凵渎蕵?biāo)準(zhǔn)溶液裝入準(zhǔn)備好的安瓿瓶中。裝完一批后馬上在封裝機(jī)上進(jìn)行封裝。每種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)完成200 只的分裝量。安瓿瓶封裝完的四種有機(jī)折射率標(biāo)準(zhǔn)溶液見圖6。

圖6 分裝后的四種有機(jī)折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

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(jī)）,按順序?qū)⒄凵渎蕵?biāo)準(zhǔn)溶液裝入準(zhǔn)備好的安瓿瓶中。裝完一批后馬上在封裝機(jī)上進(jìn)行封裝。純水折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)需要完成200 只的分裝量。安瓿瓶封裝完的純水折射率標(biāo)準(zhǔn)溶液見圖7。

圖7 分裝后的純水折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

2 均勻性評估、穩(wěn)定性分析及定值方法研究

2.1 折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的均勻性評估

均勻性評估中,抽取單元數(shù)目對樣品總體要有足夠的代表性。抽取單元數(shù)取決于總體樣品的單元數(shù)和對樣品的均勻程度的了解[2]。將制備的折射率溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各分裝為200 瓶,每種隨機(jī)抽取15 瓶。每瓶獨(dú)立測試3 次,采用高精度自動(dòng)折光儀在相同條件下得到等精度測量數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)經(jīng)F 檢驗(yàn)得出F＜F0.05（14,30）,驗(yàn)證了制備的樣品均勻性良好。均勻性檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性檢驗(yàn)結(jié)果 單位：nD20

2.2 折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的穩(wěn)定性分析

為了考察標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在規(guī)定貯存條件下的長期穩(wěn)定性,在9 個(gè)月的時(shí)間里對研制的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行穩(wěn)定性研究。按照時(shí)間間隔先密后疏的原則,每次抽取3 瓶,取3 次測定結(jié)果的平均值作為一次穩(wěn)定性測試結(jié)果。使用安東帕的高準(zhǔn)確度折光儀對樣品一共進(jìn)行了6次測定,得到的折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的穩(wěn)定性檢驗(yàn)測試數(shù)據(jù)結(jié)果,測試數(shù)據(jù)經(jīng)t 檢驗(yàn)[3],確定器穩(wěn)定性良好。長期穩(wěn)定性分析結(jié)果見表2。

表2 折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)長期穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果 單位：n20D

為了評估在短期運(yùn)輸條件下穩(wěn)定性,對研制的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了短期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。短期穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)條件為4 ℃和60 ℃貯存7 天,在7 天內(nèi),將隨機(jī)抽取的3 個(gè)樣品按時(shí)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(shí)每個(gè)樣品測試1 次,取3 次重復(fù)測定的平均值作為一次測量結(jié)果。根據(jù)測試數(shù)據(jù)經(jīng)t 檢驗(yàn),確定其短期穩(wěn)定性良好。4 ℃和60 ℃短期穩(wěn)定性分析結(jié)果見表3 和表4。

表3 折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)短期穩(wěn)定性檢驗(yàn)4 ℃ 單位：n20D

表4 折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)短期穩(wěn)定性檢驗(yàn)60 ℃ 單位：n20D

2.3 折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值方法

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值是指對與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)預(yù)期用途有關(guān)的一個(gè)或多個(gè)物理、化學(xué)、生物或工程技術(shù)等方面的特性值的測定[4]。本課題研究的折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值采用的是經(jīng)過中國計(jì)量科學(xué)研究院檢定合格的V 棱鏡折射儀進(jìn)行定值。通過使用滿足計(jì)量學(xué)特性要求的制備方法、測量方法和檢定合格的計(jì)量器具,保證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行定值測定。

3 定值結(jié)果的不確定度分析

折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的的不確定度主要由定值測量的重復(fù)性、測量儀器本身的誤差、溶液的不均勻性、溶液的不穩(wěn)定性所引入的不確定度等組成的[5]。溫度變化對折射率標(biāo)物物質(zhì)的折射率值影響小,計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。

3.1 定值測量重復(fù)性引入的不確定度uA

折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量時(shí)重復(fù)性引入的不確定度分量用ur表示,根據(jù)上表求出重復(fù)性測量結(jié)果sr,根據(jù)重復(fù)性引入的不確定度分量ur=sr可得出折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量重復(fù)性引入的不確定度為：純水折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的ur=sr=6.24×10-6nD；異辛烷折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的ur=sr=3.51×10-6nD；環(huán)己烷折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的ur=sr=5.51×10-6nD；氯苯折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的u=s=4.16×10-6nD；1-溴代萘折射率標(biāo)rr準(zhǔn)物質(zhì)的ur=sr=4.04×10-6nD。

3.2 V 棱鏡折射儀測量時(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)行均勻性評估,則瓶間均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差sbb可以用下列公式計(jì)算：

式中:sbb為瓶間標(biāo)準(zhǔn)偏差；為組間方差；為組內(nèi)方差；n 為組內(nèi)測量次數(shù)。

在這種情況,sbb等同于瓶間不均勻性導(dǎo)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(dǎo)致的不確定度分量。

根據(jù)均勻性檢驗(yàn)的結(jié)果,代入公式后可得到折射率溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性引入的不確定度分別為:

純水折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：ubb=1.70×10-7nD；異辛烷折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：ubb=2.98×10-7nD；環(huán)己烷折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：ubb=5.47×10-7nD；氯苯折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：ubb=1.57×10-6nD；1- 溴代萘折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：ubb=1.32×10-6nD。

3.4 穩(wěn)定性引入的不確定度us

3.4.1 長期穩(wěn)定性引入的不確定度

對于多個(gè)時(shí)間點(diǎn)采用簡單線性模型的穩(wěn)定性研究中,由穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度用下列公式計(jì)算：

該式在穩(wěn)定性變化趨勢不明顯的情況下適用,式中：us為穩(wěn)定性引入的不確定度；s(β1)為斜率估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；X 為穩(wěn)定性檢驗(yàn)的時(shí)間間隔。

長期穩(wěn)定性考察結(jié)果代入穩(wěn)定性不確定度評定公式,計(jì)算出長期穩(wěn)定性不確定度ults結(jié)果為：

3.4.2 短期穩(wěn)定性引入的不確定度

短期穩(wěn)定性考察結(jié)果代入不確定度評定公式,計(jì)算出短期穩(wěn)定性不確定度uss結(jié)果為：

純水折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：uss=1.12×10-5nD；異辛烷折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：uss=1.60×10-5nD；環(huán)己烷折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：uss=1.36×10-5nD；氯苯折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：uss=1.47×10-5nD；1- 溴代萘折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：uSS=1.77×10-5nD。

3.4.3 將長期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性不確定度進(jìn)行合成,得到穩(wěn)定性引入的不確定度：

3.5 合成不確定度的計(jì)算

折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的擴(kuò)展不確定度由上述4 個(gè)不確定度合成而得,其合成的擴(kuò)展不確定度表示為

把表中各不確定度分量數(shù)據(jù)代入上式,計(jì)算得各折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的的uc為：純水折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：uc=3.63×10-5nD；異辛烷折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：uc=3.46×10-5nD；環(huán)己烷折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：uc=3.69×10-5nD；氯苯折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：uc=3.58×10-5nD；1- 溴代萘折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：uc=3.71×10-5nD。

3.6 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

取擴(kuò)展因子k=2,則擴(kuò)展不確定度U=kuc。折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的擴(kuò)展不確定度分別為：純水折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：U=7.26×10-5nD；異辛烷折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：U=6.92×10-5nD；環(huán)己烷折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：U=7.38×10-5nD；氯苯折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：U=7.15×10-5nD；1- 溴代萘折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：U=7.41×10-5nD。

3.7 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的折射率最終結(jié)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(huán)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(jié)論

采用純水和四種有機(jī)物制備的折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液,經(jīng)過測試和分析,均勻性良好,穩(wěn)定性符合要求。通過對結(jié)果進(jìn)行定值方法研究和對定值結(jié)果進(jìn)行的不確定度的分析得出了折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度。通過對折射率標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研究,優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的賦值過程,減少中間不必要的溯源鏈,提升了標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的品質(zhì)。對檢驗(yàn)檢測中折射儀器的檢測方法研究,確保量值傳遞的準(zhǔn)確可靠方面提供了技術(shù)支撐。